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2011年2月 3日 (木)

京大、新構造採用のナノ細孔を用いて分子センサを開発

京大、新構造採用のナノ細孔を用いて
分子センサを開発

2011/01/28 マイコミジャーナル

詳細は、リンクを参照して下さい。

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 京都大学の研究グループは、分子の微妙な
違いを発光色で区別できる多孔性物質を
開発することに成功したことを明らかに
した。
 2011年1月25日(英国時間)に
英オンライン科学誌
「Nature Communications 」で公開された。

 大気汚染は地球環境、人の健康や生活環境
へ悪影響を及ぼす公害の一種で、その主な
発生源は、自動車からの排ガス、工場からの
排煙であり、これらの主成分として、
揮発性有害有機化合物(VOC)が含まれて
いる。特にベンゼン、トルエン、
エチルベンゼン、キシレンはBTEXと呼ばれ、
大気、土壌、地下水汚染において分析対象
とされており、これら分子を効率よく検出
することは重要な課題とされているが、
一般的なセンサ開発では特定の分子を
高感度で検出することを目的としている
ため、ターゲットとする分子ごとにセンサ
を開発する必要があった。

 また、その一方、nmサイズの細孔
(ナノ細孔)を有した化合物は、環境汚染物質
であるVOCや二酸化炭素、窒素酸化物、
硫黄酸化物を分離し除去する目的で研究が
各所で行われてきたが、これまで、
その細孔中に効率的にターゲットとする分子
を取り込むことが可能であるにも関わらず、
どのような分子を捕捉したのかを
"知らせる"機能に欠けていたため、センサ
としての応用研究は行われこなかった。

 今回、研究グループではナノ細孔材料へ
効率的に分子を取り込む機能を加え、
どのような分子を捕捉したのかを「光って
知らせる」という新しいセンサ開発に成功
した。

 ターゲットとした分子群はBTEXの中でも
三大有害物として知られている、
ベンゼン、トルエン、キシレンの3種類の
化合物。
 これらは似通った分子構造を持っている
ため、識別することが難しい化合物である
ほか、アニスの主成分であるアニソール、
パラジウム触媒クロスカップリング反応の
主な基質として知られているヨードベンゼン
も、これらBTEXに非常に似た構造を有して
おり、これらの化合物を見分けることは
至難の技であった。

 研究グループでは、「ちえのわ」型構造体
に注目、開発を行った。
 同構造体は1つのジャングルジム型PCPの
細孔中にもう1つのジャングルジムがある
ような構造で、「ちえのわ」のように完全に
絡みあって2つを分けることができない構造
をしている。
 この「ちえのわ」型構造体の特徴は、
実際の「ちえのわ」のように、お互いの位置
を変えながら柔軟に動くことが可能である
ということで、同構造体でナノ細孔を持つ
多孔体を合成した場合、その細孔内に
取り込んだ分子のサイズ・形に応答して
「ちえのわ」型構造体の絡み合いにより
構造体が動き、細孔のサイズを変化させる
ことができるようになる。

 研究グループでは、硝酸亜鉛、
テレフタル酸とナフタレンジイミドを
ジメチルホルムアミドに溶解させ、95℃で
3日間反応させることで、この「ちえのわ」
型構造体を得ることに成功。
 単結晶X線回折を用いた構造解析により、

(1)合成直後(ジメチルホルムアミドが
取り込まれている)、
(2)ジメチルホルムアミドを抜いた(分子を
捕捉していない)状態、
(3)BTEXの1つであるトルエンを取り込んだ
状態のPCPの構造を決定することに
成功した。

 その結果、同構造体はターゲット分子の
大きさ、形に応じて動くことで効率的に
細孔サイズを変化させていることが判明
した。

 また、同構造体の中に様々なVOCを取り
込ませて紫外光を当てると、分子の形に
応じて紫から赤までのすべての可視光領域
で発光することが判明。
 VOCの微妙な構造の違いを認識して、
ベンゼンは青、トルエンは青緑、
キシレンは緑、アニソールは黄、
ヨードベンゼンは赤に発光した。
 中でもトルエンの発光はこれまで報告
されている値の10倍以上の強い発光を示す
ことが明らかになり、これは同構造体が
柔軟に動くことでトルエンに対して強い
取り込み効果を発揮し、
ナフタレンジイミド-トルエン間の相互作用
が強くなったためと考えられる。
014

 今回研究グループが合成した多孔性物質
はどの様な分子を取り込んだのかを光で
知らせるというセンサ機能を発現すること
ができるもので、安価な検出方法として
用いることが可能となる。
 また、結晶性を利用したセンサ応答の
低濃度での増幅効果により微量なVOCを
高感度で検出することが可能となること
から、簡単なシステムでVOCセンサの小型化
を可能とすることから、新しい
環境モニタリング技術に貢献できると期待
されるほか、細孔内に取り込む分子を調整
することで、可視光領域にある全ての色を
発光させることができるため、新しい
発光デバイスの創出も期待できるという。
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理屈は難しいですが、結論は、
>今回研究グループが合成した多孔性物質は
>どの様な分子を取り込んだのかを光で
>知らせるというセンサ機能を発現すること
>ができるもので、安価な検出方法として
>用いることが可能
ということですね。

>簡単なシステムでVOCセンサの小型化を
>可能とすることから、新しい
>環境モニタリング技術に貢献できると
>期待されるほか、細孔内に取り込む分子
>を調整することで、可視光領域にある
>全ての色を発光させることができるため、
>新しい発光デバイスの創出も期待できる
らしいです。
期待しましょう。

詳細は、
『ちえのわ』型ナノ細孔を用いた
センサー開発に成功

を見てください。

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