JP2010087489A - Colloidal crystal, and light-emitting amplifier using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな発光増強効果が得られ、発光物質の劣化・退色・流出が少なく、材料選択の自由度が大きく、濃度消光が生じにくく、熱的安定性の高いコロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器を提供すること。
【解決手段】規則配列させた単分散球状メソポーラスシリカと、前記単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入された発光物質とを備え、前記発光物質は、発光性の有機色素、有機金属配位化合物、高分子発光材料、及び半導体ナノ粒子から選ばれるいずれか1以上からなるコロイド結晶、及びこれを用いた発光増幅器。
【選択図】図10A colloidal crystal having high light emission enhancement effect, less deterioration, fading and outflow of a luminescent material, a large degree of freedom of material selection, hardly causing concentration quenching, and high thermal stability, and light emission using the same Providing an amplifier.
A monodispersed spherical mesoporous silica arranged regularly and a luminescent substance introduced into mesopores of the monodispersed spherical mesoporous silica, the luminescent substance comprising a luminescent organic dye, an organometallic compound, and the like. Colloidal crystals comprising at least one selected from coordinate compounds, polymer light-emitting materials, and semiconductor nanoparticles, and a light-emitting amplifier using the same.
[Selection] Figure 10
Description
本発明は、コロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器に関し、さらに詳しくは、発光物質から放出される蛍光を増強することが可能なコロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器に関する。 The present invention relates to a colloidal crystal and a light-emitting amplifier using the same, and more particularly to a colloidal crystal capable of enhancing fluorescence emitted from a light-emitting substance and a light-emitting amplifier using the colloidal crystal.
粒子径のばらつきが小さい(いわゆる、単分散な)コロイド粒子を溶媒に分散させ、溶媒を蒸発させると、コロイド粒子が規則的に配列して規則構造(コロイド結晶)を形成することが知られている。このようなコロイド結晶は、ブラッグ回折により、その格子定数に対応した波長の電磁波を反射することができる。
例えば、コロイド結晶がサブミクロンオーダーの粒子径を持つコロイド粒子からなる場合には、紫外光や可視光から赤外光までの範囲の波長をブラッグ反射することができる。可視光をブラッグ反射する場合、コロイド結晶は、構造色を呈する。このような特徴を利用して、コロイド結晶は、構造色を利用した色材、特定の波長の光を透過しない光フィルター、特定の光を反射するミラー、フォトニック結晶と呼ばれる新規な光機能材料、光スイッチ、光センサ等への応用が考えられている。
It is known that colloidal particles with a small variation in particle size (so-called monodisperse) are dispersed in a solvent and the solvent is evaporated, and the colloidal particles are regularly arranged to form a regular structure (colloidal crystal). Yes. Such a colloidal crystal can reflect an electromagnetic wave having a wavelength corresponding to the lattice constant by Bragg diffraction.
For example, when the colloidal crystal is made of colloidal particles having a particle size on the order of submicron, it is possible to Bragg-reflect wavelengths in the range from ultraviolet light and visible light to infrared light. When visible light is Bragg-reflected, the colloidal crystal exhibits a structural color. Utilizing these characteristics, colloidal crystals are color materials that use structural colors, optical filters that do not transmit light of a specific wavelength, mirrors that reflect specific light, and novel optical functional materials called photonic crystals. Applications to optical switches, optical sensors, etc. are considered.
コロイド結晶がブラッグ反射することは、コロイド結晶がストップバンドを持ち、透過できない波長の光が存在することを意味する。コロイド結晶内に発光体が存在し、かつストップバンドが発光体の発光波長と一致する場合、発光した光はコロイド結晶内に閉じ込められ、コロイド結晶面で反射を繰り返して共振し、発光増強、さらにはレーザー光の発振に至る。 The Bragg reflection of the colloidal crystal means that the colloidal crystal has a stop band and there exists light having a wavelength that cannot be transmitted. When the luminescent material is present in the colloidal crystal and the stop band matches the emission wavelength of the luminescent material, the emitted light is confined in the colloidal crystal and resonates by repetitive reflection on the colloidal crystal surface. Leads to laser light oscillation.
コロイド結晶を用いた光の増強については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(1)ポリスチレン粒子を規則配列させてコロイド結晶とし、コロイド結晶の表面をポリジメチルシリコンゲルの前駆体ポリマーで覆い、前駆体ポリマーをゲル化させることによりコロイド結晶膜とし、
(2)2枚のコロイド結晶膜の間に、ローダミン及び光重合開始剤を溶解させたポリ(エチレングリコール)ジアクリレートを注入し、紫外光を照射して発光層を固定化する、
ことにより得られるレーザー発振装置が開示されている。
同文献には、
(a)レーザー光を得るためには、コロイド結晶薄膜の反射バンドが発光層の発光スペクトルと完全に重なっている必要がある点、
(b)励起光エネルギーが150nJ/pulseの時に、レーザー発振光を得ることができ、スペクトルの線幅(=半値幅)が1nm以下になる点、
(c)ローダミンを高分子で固定しない時は、装置を一昼夜放置すると、レーザー発振光を観察することができなくなるが、ローダミンを高分子で固定すると、装置を一週間以上放置した後でも、安定にレーザー発振光を励起できる点、及び、
(d)得られたレーザー発振装置は、通常のレーザー発振器よりも低いしきい値でレーザー発振する点、
が記載されている。
Various proposals have been made for light enhancement using colloidal crystals.
For example,
(1) The polystyrene particles are regularly arranged to form a colloidal crystal, the surface of the colloidal crystal is covered with a precursor polymer of polydimethylsilicon gel, and the precursor polymer is gelled to form a colloidal crystal film.
(2) Between the two colloidal crystal films, poly (ethylene glycol) diacrylate in which rhodamine and a photopolymerization initiator are dissolved is injected, and the light emitting layer is fixed by irradiation with ultraviolet light.
A laser oscillation device obtained by this is disclosed.
In the same document,
(A) In order to obtain a laser beam, the reflection band of the colloidal crystal thin film must completely overlap with the emission spectrum of the light emitting layer,
(B) When the excitation light energy is 150 nJ / pulse, laser oscillation light can be obtained, and the spectral line width (= half-value width) is 1 nm or less,
(C) When rhodamine is not fixed with a polymer, the laser oscillation light cannot be observed if the device is left overnight. However, when rhodamine is fixed with a polymer, the device is stable even after the device is left for more than a week. The point that laser oscillation light can be excited on, and
(D) The obtained laser oscillation device oscillates at a lower threshold than a normal laser oscillator,
Is described.
また、非特許文献1には、単分散ポリ(スチレン−メチルメタクリレート−アクリル酸)球状粒子の分散液とローダミンBを溶解させた水溶液との混合溶液を用いて、垂直堆積法により作製したフォトニック結晶が開示されている。
同文献には、
(1)励起エネルギーを増加させることによって、発光強度が増大し、同時にスペクトル幅も狭くなる点、及び
(2)励起強度が最大に近づいた時に、発光ピークの半値幅が15nmになる点、
が記載されている。
Non-Patent
In the same document,
(1) By increasing the excitation energy, the emission intensity increases and at the same time the spectrum width becomes narrower, and (2) when the excitation intensity approaches the maximum, the half width of the emission peak becomes 15 nm,
Is described.
特許文献1に開示されたレーザー発振装置は、低いエネルギーで単一波長のレーザーを発振することができ、外部共振器が不要であるので装置を微少化できるとされている。
しかしながら、コロイド結晶の特性を発現させるためには、厚み及び構造の等しい二枚のコロイド結晶膜を作製し、しかも、コロイド結晶膜をゲル化により固定化する必要があるため、製造工程が煩雑である。
また、発光層に用いる有機色素は、劣化、退色しやすく、安定性に乏しい。このような有機色素をポリエチレングリコールなどの高分子材料で固化させると、色素の劣化をある程度抑制することはできる。しかしながら、そのためには有機色素の溶解度が高い高分子材料を用いる必要があり、材料選択の自由度が低い。また、高分子材料中に色素を均一に分散させることが難しく、安定で均質な発光層を得ることは困難である。
さらに、発光層とコロイド結晶層とを分離させ、3層構造とする必要があるので、装置の微少化には限界がある。また、コロイド粒子も含めて基本的には有機物からなる構造であるため、フレキシブルではあるが熱的安定性に乏しい。
The laser oscillation device disclosed in
However, in order to express the characteristics of the colloidal crystal, it is necessary to prepare two colloidal crystal films having the same thickness and structure, and to fix the colloidal crystal film by gelation. is there.
In addition, organic dyes used in the light emitting layer are easily deteriorated and faded and have poor stability. When such an organic dye is solidified with a polymer material such as polyethylene glycol, the deterioration of the dye can be suppressed to some extent. However, for this purpose, it is necessary to use a polymer material having a high solubility of the organic dye, and the degree of freedom in material selection is low. Further, it is difficult to uniformly disperse the pigment in the polymer material, and it is difficult to obtain a stable and uniform light emitting layer.
Furthermore, since it is necessary to separate the light emitting layer and the colloidal crystal layer into a three-layer structure, there is a limit to miniaturization of the device. In addition, since the structure including the colloidal particles is basically composed of an organic substance, it is flexible but has poor thermal stability.
一方、非特許文献1に開示されたフォトニック結晶は、発光層である色素がコロイド粒子間に存在しており、コロイド層と発光層が一体の構造である。
しかしながら、コロイド粒子間に有機色素を導入するには、水溶性の有機色素を用いる必要がある。発光性の有機色素は水への溶解度が低いものも多く存在するため、使用可能な色素は限られる。また、コロイド結晶間に導入した有機色素が凝集し、発光量が低下する現象(濃度消光)を起こしやすいので、色素濃度の制御が煩雑である。さらに、有機色素は、特別な固化がされていないため、結晶外に流出しやすい。
さらに、フォトニック結晶は、有機物からなる構造であるため、熱的安定性に乏しい。また、励起光強度を上げることである程度の発光増強は認められるが、大きな増強効果は得られておらず、発光ピークの半値幅も15nm程度に留まっている。
On the other hand, the photonic crystal disclosed in
However, in order to introduce an organic dye between colloidal particles, it is necessary to use a water-soluble organic dye. Since many luminescent organic dyes have low solubility in water, usable dyes are limited. In addition, the organic dye introduced between the colloidal crystals is likely to aggregate and easily cause a phenomenon (concentration quenching) in which the amount of luminescence is reduced, so that the control of the dye concentration is complicated. Furthermore, since the organic dye is not specially solidified, it tends to flow out of the crystal.
Furthermore, since the photonic crystal has a structure made of an organic material, it has poor thermal stability. Further, although a certain degree of light emission enhancement is recognized by increasing the excitation light intensity, a large enhancement effect is not obtained, and the half-value width of the light emission peak remains at about 15 nm.
本発明が解決しようとする課題は、発光物質の劣化・退色・流出が少なく、材料選択の自由度が大きく、しかも濃度消光が生じにくいコロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、大きな発光増強効果が得られるコロイド結晶及びこれを用いた蛍光増幅器を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、熱的安定性の高いコロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The problem to be solved by the present invention is to provide a colloidal crystal that has little deterioration, fading and outflow of a luminescent material, has a high degree of freedom in material selection, and hardly causes concentration quenching, and a light emitting amplifier using the colloidal crystal. .
Another object of the present invention is to provide a colloidal crystal capable of obtaining a large light emission enhancement effect and a fluorescence amplifier using the colloidal crystal.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a colloidal crystal having high thermal stability and a light emitting amplifier using the same.
上記課題を解決するために本発明に係るコロイド結晶は、
規則配列させた単分散球状メソポーラスシリカと、
前記単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入された発光物質とを備え、
前記発光物質は、発光性の有機色素、有機金属配位化合物、高分子発光材料、及び半導体ナノ粒子から選ばれるいずれか1以上からなることを要旨とする。
前記発光物質は、その発光スペクトルが前記コロイド結晶の反射スペクトルと重なりを持つものが好ましい。
さらに、本発明に係る発光増幅器は、本発明に係るコロイド結晶を用いたことを要旨とする。
In order to solve the above problems, the colloidal crystal according to the present invention is:
Monodispersed spherical mesoporous silica regularly arranged;
A luminescent material introduced into the mesopores of the monodispersed spherical mesoporous silica,
The gist of the light-emitting substance is any one or more selected from light-emitting organic dyes, organometallic coordination compounds, polymer light-emitting materials, and semiconductor nanoparticles.
The luminescent material preferably has an emission spectrum that overlaps with the reflection spectrum of the colloidal crystal.
The gist of the light-emitting amplifier according to the present invention is that the colloidal crystal according to the present invention is used.
単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に発光物質を導入し、これをコロイド結晶化すると、発光物質の劣化、退色及び流出を抑制することができる。また、高濃度の発光物質を均一に導入することができ、濃度消光を生じさせるおそれが少ない。さらに、メソ細孔に導入可能な発光物質の制限が少なく、材料選択の自由度が大きい。しかも、シリカをベースとするので、熱的、機械的及び化学的安定性が高い。
さらに、発光物質の発光スペクトルとコロイド結晶の反射スペクトルとが重なりを持つ場合には、発光物質が励起されることにより発生した光がストップバンド内で共振、増強される。そのため、従来の発光増幅器と同等以上の発光増強効果が得られる。しかも、3層構造にする必要がないので、製造工程が簡略であり、装置をさらに小型化することもできる。
When a luminescent substance is introduced into the mesopores of monodispersed spherical mesoporous silica and colloidally crystallized, the deterioration, fading and outflow of the luminescent substance can be suppressed. In addition, a high-concentration luminescent substance can be introduced uniformly, and there is little risk of causing concentration quenching. Furthermore, there are few restrictions on the luminescent substance that can be introduced into the mesopores, and the degree of freedom in material selection is great. Moreover, since it is based on silica, it has high thermal, mechanical and chemical stability.
Further, when the emission spectrum of the luminescent substance and the reflection spectrum of the colloidal crystal overlap, the light generated by exciting the luminescent substance is resonated and enhanced within the stop band. Therefore, the light emission enhancement effect equivalent to or higher than that of the conventional light emitting amplifier can be obtained. In addition, since it is not necessary to have a three-layer structure, the manufacturing process is simple and the apparatus can be further miniaturized.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. コロイド結晶]
本発明に係るコロイド結晶は、
規則配列させた単分散球状メソポーラスシリカと、
前記単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入された発光物質と、
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Colloidal crystal]
The colloidal crystal according to the present invention is
Monodispersed spherical mesoporous silica regularly arranged;
A luminescent material introduced into the mesopores of the monodisperse spherical mesoporous silica;
It has.
[1.1 単分散球状メソポーラスシリカ]
[1.1.1 組成]
単分散球状メソポーラスシリカは、シリカのみからなるものでも良く、あるいは、シリカを主成分とし、シリカ以外の金属元素M1の酸化物を含んでいても良い。金属元素M1は、特に限定されるものではないが、2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものが好ましい。金属元素M1が2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものである場合、金属元素M1の酸化物を含む球状粒子を容易に製造することができる。このような金属元素M1としては、具体的には、Al、Ti、Mg、Zrなどがある。
単分散球状メソポーラスシリカ中のシリカの含有量は、50wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、80wt%以上である。
[1.1 Monodispersed spherical mesoporous silica]
[1.1.1 Composition]
Monodispersed mesoporous silica spheres may be those of silica alone, or silica as the main component, may include an oxide of a metal element M 1 other than silica. The metal element M 1 is not particularly limited, those capable of producing a divalent or more metal alkoxides are preferred. When the metal element M 1 is capable of producing a bivalent or higher valent metal alkoxide, spherical particles containing an oxide of the metal element M 1 can be easily produced. Examples of the metal element M 1, specifically, is Al, Ti, Mg, Zr and the like.
The content of silica in the monodispersed spherical mesoporous silica is preferably 50 wt% or more, and more preferably 80 wt% or more.
[1.1.2 形状]
単分散球状メソポーラスシリカは、単分散で、かつ球状の粒子からなる。単分散球状メソポーラスシリカは、中実粒子であっても良く、あるいは中空粒子であっても良い。
本発明において、「単分散」とは、(1)式で表される単分散度(CV値)が15%以下であることをいう。
単分散度=(粒子径の標準偏差)×100/(粒子径の平均値) ・・・(1)
単分散球状メソポーラスシリカ同士が接触しているコロイド結晶を作製するためには、単分散度は10%以下が好ましい。
一方、単分散球状メソポーラスシリカ同士が接触していないコロイド結晶を作製するためには、単分散度は15%以下が好ましい。
後述する方法を用いると、単分散度が10%以下、あるいは、5%以下である単分散球状メソポーラスシリカが得られる。
[1.1.2 Shape]
Monodispersed spherical mesoporous silica is composed of monodispersed and spherical particles. The monodispersed spherical mesoporous silica may be solid particles or hollow particles.
In the present invention, “monodisperse” means that the degree of monodispersion (CV value) represented by the formula (1) is 15% or less.
Monodispersity = (standard deviation of particle diameter) × 100 / (average value of particle diameter) (1)
In order to produce a colloidal crystal in which monodispersed spherical mesoporous silicas are in contact with each other, the monodispersity is preferably 10% or less.
On the other hand, in order to produce a colloidal crystal in which monodispersed spherical mesoporous silicas are not in contact with each other, the monodispersity is preferably 15% or less.
When a method described later is used, monodispersed spherical mesoporous silica having a monodispersity of 10% or less or 5% or less is obtained.
「球状」とは、同一条件下で製造された複数個(好ましくは、20個以上)の粒子を顕微鏡観察した場合において、各粒子の真球度の平均値が、13%以下であることをいう。また、「真球度」とは、各粒子の外形の真円からのずれの程度を表す指標であって、粒子の表面に接する最小の外接円の半径(r0)に対する、外接円と粒子表面の各点との半径方向の距離の最大値(Δrmax)の割合(=Δrmax×100/r0(%))で表される値をいう。後述する方法を用いると、真球度が7%以下、あるいは、3%以下である単分散球状メソポーラスシリカが得られる。 “Spherical” means that the average sphericity of each particle is 13% or less when a plurality of (preferably 20 or more) particles manufactured under the same conditions are observed with a microscope. Say. The “sphericity” is an index representing the degree of deviation of the outer shape of each particle from the perfect circle, and the circumscribed circle and the particle with respect to the radius (r 0 ) of the smallest circumscribed circle in contact with the particle surface. This is a value represented by the ratio (= Δr max × 100 / r 0 (%)) of the maximum value (Δr max ) of the distance in the radial direction from each point on the surface. When a method described later is used, monodispersed spherical mesoporous silica having a sphericity of 7% or less or 3% or less is obtained.
[1.1.3 メソ細孔]
単分散球状メソポーラスシリカは、メソ細孔を持つ。後述する方法を用いて単分散球状メソポーラスシリカを製造する場合において、界面活性剤の種類、添加量などを最適化すると、メソ細孔を規則配列させることができる。
また、メソ細孔の大きさは、界面活性剤の分子長を最適化することにより制御(1〜50nmまで)することができる。
単分散球状メソポーラスシリカは、メソ細孔を有するため、比表面積が極めて大きい。後述する方法を用いると、BET比表面積が800m2/g以上、あるいは、1000m2/g以上である単分散球状メソポーラスシリカが得られる。
後述する発光物質は、単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入される。単分散球状メソポーラスシリカが中空粒子である場合、発光物質は、少なくともメソ細孔内に導入されていれば良く、メソ細孔内と空洞内の双方に導入されていても良い。
[1.1.3 Mesopores]
Monodispersed spherical mesoporous silica has mesopores. In the case of producing monodispersed spherical mesoporous silica using the method described later, the mesopores can be regularly arranged by optimizing the type and amount of addition of the surfactant.
The size of the mesopores can be controlled (from 1 to 50 nm) by optimizing the molecular length of the surfactant.
Since monodispersed spherical mesoporous silica has mesopores, the specific surface area is extremely large. When a method described later is used, monodispersed spherical mesoporous silica having a BET specific surface area of 800 m 2 / g or more or 1000 m 2 / g or more can be obtained.
The luminescent material described later is introduced into the mesopores of monodispersed spherical mesoporous silica. When the monodispersed spherical mesoporous silica is a hollow particle, the luminescent substance may be introduced into at least the mesopores, and may be introduced into both the mesopores and the cavities.
[1.1.4 平均粒子径及びシェル厚さ]
単分散球状メソポーラスシリカの平均粒子径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。後述する方法を用いると、平均粒子径が0.1〜1.5μmである単分散球状メソポーラスシリカが得られる。
発光増強効果を得るためには、発光物質の発光スペクトルとコロイド結晶の反射スペクトルが重なりを持つように、単分散球状メソポーラスシリカの平均粒子径を選択するのが好ましい。大きな発光増強効果を得るためには、発光物質の発光スペクトルとコロイド結晶の反射スペクトルとの重なりが大きいほど良い。
さらに、単分散球状メソポーラスシリカが中空粒子である場合、シェルの厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。
[1.1.4 Average particle diameter and shell thickness]
The average particle diameter of the monodispersed spherical mesoporous silica is not particularly limited, and an optimal one can be selected according to the purpose. When the method described later is used, monodispersed spherical mesoporous silica having an average particle diameter of 0.1 to 1.5 μm is obtained.
In order to obtain a light emission enhancement effect, it is preferable to select an average particle size of monodispersed spherical mesoporous silica so that the emission spectrum of the luminescent material and the reflection spectrum of the colloidal crystal overlap. In order to obtain a large light emission enhancement effect, the larger the overlap between the emission spectrum of the luminescent material and the reflection spectrum of the colloidal crystal, the better.
Furthermore, when the monodispersed spherical mesoporous silica is a hollow particle, the thickness of the shell is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose.
[1.2 規則配列体]
本発明に係るコロイド結晶は、メソ細孔内に発光物質が導入された単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させたものからなる。規則配列体は、単分散球状メソポーラスシリカが規則配列していれば良く、その配列は、必ずしも最密充填である必要はない。
[1.2 Regular array]
The colloidal crystal according to the present invention is formed by regularly arranging monodispersed spherical mesoporous silica in which a luminescent substance is introduced into mesopores. The regular array is not limited as long as the monodispersed spherical mesoporous silica is regularly arrayed, and the array does not necessarily need to be closely packed.
[1.2.1 規則配列体の種類]
規則配列体としては、具体的には、
(1)単分散球状メソポーラスシリカを分散媒中に分散させ、分散媒を揮発させることにより得られるコロイド結晶(以下、これを「最密充填型コロイド結晶」という)、
(2)単分散球状メソポーラスシリカを分散媒中に分散させたまま、粒子を規則配列させることにより得られるコロイド結晶(以下、これを「溶液型コロイド結晶」という)、
(3)溶液型コロイド結晶の分散媒中にゲル化剤を添加し、粒子を規則配列させた状態でゲル化剤をゲル化させることにより得られるコロイド結晶(以下、これを「ゲル固定化コロイド結晶」という)、
などがある。
一般に、最密充填型コロイド結晶において、単分散球状メソポーラスシリカ粒子は、互いに接触している。一方、溶液型コロイド結晶及びゲル固定化コロイド結晶において、単分散球状メソポーラスシリカ粒子は、互いに接触することはなく、分散媒中又はゲル中において一定の間隔を隔てて規則配列している。
[1.2.1 Types of regular array]
As a regular array, specifically,
(1) A colloidal crystal obtained by dispersing monodispersed spherical mesoporous silica in a dispersion medium and volatilizing the dispersion medium (hereinafter referred to as “close-packed colloidal crystal”),
(2) A colloidal crystal obtained by regularly arranging particles while dispersing monodispersed spherical mesoporous silica in a dispersion medium (hereinafter referred to as “solution type colloidal crystal”),
(3) A colloidal crystal obtained by adding a gelling agent to a dispersion medium of a solution-type colloidal crystal and gelling the gelling agent in a state where the particles are regularly arranged (hereinafter referred to as “gel-fixed colloid”). Crystal)),
and so on.
In general, in a close-packed colloidal crystal, monodispersed spherical mesoporous silica particles are in contact with each other. On the other hand, in the solution-type colloidal crystal and the gel-immobilized colloidal crystal, the monodispersed spherical mesoporous silica particles are not in contact with each other and are regularly arranged in the dispersion medium or in the gel with a certain interval.
溶液型コロイド結晶(水分散コロイド結晶)は、単分散球状メソポーラスシリカが浸透圧斥力によって規則配列したコロイド結晶である。分散媒には、通常、水が用いられるが、これに限定されるものではない。
コロイド粒子は、水中では表面の官能基の解離により電荷を帯びていることが多い。シリカコロイドの場合、粒子は、シラノール基の解離により負に帯電し、対イオンとして水素イオンを解離させる。対イオンや溶液中のカチオンは、粒子を取り巻くイオン雲となり、電気二重層を形成する。2つの粒子が近づくと、イオン雲同士に浸透圧斥力が働き、粒子間に反発力が発生する。この反発力(浸透圧斥力)は、一般に溶液中のイオン濃度が低いほど強くなることが知られている。
The solution-type colloidal crystal (water-dispersed colloidal crystal) is a colloidal crystal in which monodispersed spherical mesoporous silica is regularly arranged by osmotic pressure. Water is usually used as the dispersion medium, but is not limited thereto.
Colloidal particles are often charged in water by dissociation of surface functional groups. In the case of silica colloid, the particles are negatively charged due to dissociation of silanol groups and dissociate hydrogen ions as counter ions. Counter ions and cations in the solution become an ion cloud surrounding the particles, forming an electric double layer. When two particles approach, osmotic pressure acts between the ion clouds and a repulsive force is generated between the particles. It is known that this repulsive force (osmotic pressure) generally becomes stronger as the ion concentration in the solution is lower.
溶液型コロイド結晶は、粒子間の浸透圧斥力によってコロイド粒子が規則的に配列したものであり、コロイド分散液のイオン濃度が極度に低い状態でのみ発生する。粒子径が数100nmのコロイド粒子を用いると、溶液型コロイド結晶の格子定数は可視光の波長程度の大きさとなり、可視光領域でのフォトニック結晶を作製できる。溶液型コロイド結晶は、粒子同士が離れているため、粒子が接触している最密充填型コロイド結晶と比較して、粒子径の単分散性(CV値)の影響を受けにくいという利点がある。溶液型コロイド結晶は、CV=15%程度であっても結晶作製が可能である。 The solution type colloidal crystal is a colloidal particle regularly arranged by osmotic pressure between particles, and is generated only when the ion concentration of the colloidal dispersion is extremely low. When colloidal particles having a particle diameter of several hundred nm are used, the lattice constant of the solution-type colloidal crystal is about the wavelength of visible light, and a photonic crystal in the visible light region can be produced. Solution type colloidal crystals have the advantage that they are less affected by monodispersity (CV value) of particle size compared to close-packed colloidal crystals in which particles are in contact with each other, because the particles are separated from each other. . A solution-type colloidal crystal can be produced even when CV = 15%.
一方、溶液型コロイド結晶は結合力が弱く、流動によって結晶構造が崩壊するという欠点を持つ。そのため、実際に利用する際には、ゲルなどにより固定して用いるのが望ましい。 On the other hand, the solution-type colloidal crystal has a drawback that its bonding force is weak and the crystal structure collapses due to flow. For this reason, when actually used, it is desirable to fix it with a gel or the like.
ゲル固定化コロイド結晶は、溶液型コロイド結晶をゲルで固定化したものであり、機械的強度が強く、不純物による汚染に強いという特徴がある。ゲル固定化コロイド結晶は、乾燥させないために2枚の基板(例えば、石英ガラス板)の間にスペーサーを介して保持し、基板の間に分散媒を満たした状態で保存する。分散媒は、特に限定されるものではなく、水、エチレングリコール、グリセリン、DMSO、又はこれらの2種以上を含む混合液体などを用いることができる。後述するように、分散媒の屈折率を調節すると、ブラッグ反射波長を制御することができる。
粒子を固定するためのゲルには、種々の材料を用いることができる。ゲルとしては、具体的には、ポリアクリルアミド、ポリN,N−メチレンビスアクリルアミド、ゼラチン、寒天、ポリエチレングリコールなどの高分子ゲルがある。
Gel-immobilized colloidal crystals are obtained by immobilizing solution-type colloidal crystals with gels, and are characterized by high mechanical strength and resistance to contamination by impurities. In order not to dry the gel-immobilized colloidal crystal, the gel-immobilized colloidal crystal is held between two substrates (for example, a quartz glass plate) via a spacer, and is stored in a state where the dispersion medium is filled between the substrates. The dispersion medium is not particularly limited, and water, ethylene glycol, glycerin, DMSO, or a mixed liquid containing two or more of these can be used. As will be described later, the Bragg reflection wavelength can be controlled by adjusting the refractive index of the dispersion medium.
Various materials can be used for the gel for fixing the particles. Specific examples of the gel include polymer gels such as polyacrylamide, poly N, N-methylenebisacrylamide, gelatin, agar, and polyethylene glycol.
[1.2.2 ブラッグ条件]
一般に、粒径の良く揃ったコロイド粒子が周期的に配列した構造は、通常の結晶との類似性からコロイド結晶と定義され、ブラッグ反射に基づき、特定の波長の光を選択的に反射する。最密充填型コロイド結晶のブラッグ反射波長λは、(2)式で表される。
λ=2d/m(neff 2−sin2θ)1/2 ・・・(2)
ここで、λは特定の反射波長、dは反射面間隔、mはブラッグ反射の次数、neffは有効屈折率、θは入射角度をそれぞれ表す。
[1.2.2 Bragg condition]
In general, a structure in which colloidal particles having a uniform particle size are periodically arranged is defined as a colloidal crystal because of its similarity to a normal crystal, and selectively reflects light of a specific wavelength based on Bragg reflection. The Bragg reflection wavelength λ of the close-packed colloidal crystal is expressed by equation (2).
λ = 2d / m (n eff 2 −sin 2 θ) 1/2 (2)
Here, λ is a specific reflection wavelength, d is a reflection surface interval, m is the order of Bragg reflection, n eff is an effective refractive index, and θ is an incident angle.
(2)式で示されるように、理論的にはブラッグ反射波長は、ある特定の1波長の光として定義される。しかしながら、実際のコロイド結晶中には、ひずみや欠陥も存在するために、その反射スペクトルは、1本の線ではなく、所定の幅を持つ。
また、発光物質の中でも励起準位の構造が複雑で細かいもの(例えば、有機色素)は、その発光スペクトルが数十nm程度の幅を持つ場合が多い。
この発光スペクトルの内、コロイド結晶の反射スペクトルと重なる部分の光は、コロイド結晶内に閉じこめられ、共振により増幅される。従って、発光スペクトルと反射スペクトルの重なりが大きくなるように、反射面間隔d(すなわち、単分散球状メソポーラスシリカの平均粒子径)を最適化すると、強い発光増強効果が得られる。
As shown in the equation (2), theoretically, the Bragg reflection wavelength is defined as light having one specific wavelength. However, since there are strains and defects in the actual colloidal crystal, the reflection spectrum is not a single line but has a predetermined width.
In addition, among the luminescent substances, those having a complex and fine excitation level structure (for example, organic dyes) often have an emission spectrum having a width of about several tens of nanometers.
Of this emission spectrum, the light in the portion overlapping the reflection spectrum of the colloidal crystal is confined in the colloidal crystal and amplified by resonance. Therefore, if the reflection surface interval d (that is, the average particle diameter of monodispersed spherical mesoporous silica) is optimized so that the overlap between the emission spectrum and the reflection spectrum becomes large, a strong emission enhancement effect can be obtained.
一方、溶液型コロイド結晶及びゲル固定化コロイド結晶のブラッグ反射波長は、分散液の体積分率φに依存する。粒子径D、有効屈折率neffとすると、溶液型コロイド結晶及びゲル固定化コロイド結晶の垂直反射のブラッグ反射波長λは、(2')式で表される。
λ≒1.436Dneff/φ1/3 ・・・(2')
(2')式より、粒子径Dが同一であっても、分散液の体積分率φや有効屈折率neffを変えることにより、ブラッグ反射波長λを制御できることがわかる。
On the other hand, the Bragg reflection wavelength of the solution-type colloid crystal and the gel-immobilized colloid crystal depends on the volume fraction φ of the dispersion. When the particle diameter is D and the effective refractive index is n eff , the Bragg reflection wavelength λ of the vertical reflection of the solution-type colloidal crystal and the gel-immobilized colloidal crystal is expressed by the equation (2 ′).
λ≈1.436Dn eff / φ 1/3 (2 ′)
From the equation (2 ′), it can be seen that the Bragg reflection wavelength λ can be controlled by changing the volume fraction φ and the effective refractive index n eff of the dispersion even if the particle diameter D is the same.
発光スペクトルと反射スペクトルの重なりを最適化した場合において、励起エネルギーを増加させると、発光物質からの発光ピークが増大し、かつ、発光ピークの半値幅が減少する。発光スペクトルと反射スペクトルの重なりを最適化した場合において、励起エネルギーをある一定値以上に増加させると、発光ピークの半値幅は5nm以下となる。 In the case where the overlap between the emission spectrum and the reflection spectrum is optimized, when the excitation energy is increased, the emission peak from the luminescent substance increases and the half width of the emission peak decreases. In the case where the overlap between the emission spectrum and the reflection spectrum is optimized, when the excitation energy is increased to a certain value or more, the half-value width of the emission peak becomes 5 nm or less.
[1.3 発光物質]
[1.3.1 発光物質の種類]
発光物質は、少なくとも単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入される。発光物質は、発光効率が高く、メソ細孔内に導入可能で、かつメソ細孔内に導入された状態で単分散球状メソポーラスシリカがコロイド結晶を形成できるものであれば良い。
本発明において、発光物質は、発光性の有機色素、有機金属配位化合物、高分子発光材料、及び半導体ナノ粒子から選ばれるいずれか1以上からなる。
[1.3 Luminescent substances]
[1.3.1 Types of luminescent substances]
The luminescent material is introduced into the mesopores of at least monodisperse spherical mesoporous silica. The luminescent material may be any material as long as it has high luminous efficiency, can be introduced into the mesopores, and the monodispersed spherical mesoporous silica can form a colloidal crystal when introduced into the mesopores.
In the present invention, the luminescent substance is composed of any one or more selected from luminescent organic dyes, organometallic coordination compounds, polymer light-emitting materials, and semiconductor nanoparticles.
発光性の有機色素とは、振動を介する緩和のような無輻射過程の起こる確率が小さく、量子収率が高いものをいう。強く発光するものである限り、蛍光及び燐光のいずれを示すものでも構わない。蛍光指示薬、色素レーザーや有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子として用いることができる程度の発光強度があれば良い。
発光性の有機色素としては、具体的には、ローダミン((a)式参照)、クマリン、フルオレセイン、ピレン、ダンシル酸、シアニン色素、メロシアニン色素、スチリル色素、ベンズスチリル色素、パイロメタン、オキサジン、キトンレッド、DCM、並びにこれらの誘導体などがある。
A light-emitting organic dye is one that has a low probability of occurrence of a non-radiative process such as relaxation via vibration and a high quantum yield. As long as it emits strongly, it may be either fluorescent or phosphorescent. Any light emission intensity that can be used as a fluorescent indicator, a dye laser, or an organic electroluminescence (EL) element is sufficient.
Specific examples of the luminescent organic dye include rhodamine (see formula (a)), coumarin, fluorescein, pyrene, dansylic acid, cyanine dye, merocyanine dye, styryl dye, benzstyryl dye, pyromethane, oxazine, kitten red, DCM, as well as derivatives thereof.
有機金属配位化合物としては、フェニルピリジン骨格やフェナントロリン骨格などの分子の回転を抑制するような配位子を少なくとも一つ以上有し、発光時の失活を低減するものを用いることができる。有機金属配位化合物に含まれる金属は、配位化合物となった際に発光性を発現するものであれば特に限定されない。金属としては、例えば、イリジウム、白金、金、銀、銅、パラジウム、レニウム、アルミニウム、亜鉛、プラセオジウム、ルテニウムなどがある。
有機金属配位化合物としては、具体的には、
トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(III)、
トリス(8−ヒドロキシキノリナト)ガリウム(III)、
トリス(ジベンゾイルメタン)−モノ(4,7−ジフェニルフェナントロリン)ユーロピウム(III)、
トリス(8−ヒドロキシキノリノール)アルミニウム((c)式参照)、
トリス(2,2−ビピリジル)ルテニウム((d)式参照)、
ビス(8−ヒドロキシキノリナト)亜鉛、
並びにこれらの誘導体などがある。
As the organometallic coordination compound, those having at least one ligand that suppresses the rotation of molecules such as a phenylpyridine skeleton and a phenanthroline skeleton, and reducing the deactivation at the time of light emission can be used. The metal contained in the organometallic coordination compound is not particularly limited as long as it emits light when it becomes a coordination compound. Examples of the metal include iridium, platinum, gold, silver, copper, palladium, rhenium, aluminum, zinc, praseodymium, and ruthenium.
Specifically, as an organometallic coordination compound,
Tris (2-phenylpyridine) iridium (III),
Tris (8-hydroxyquinolinato) gallium (III),
Tris (dibenzoylmethane) -mono (4,7-diphenylphenanthroline) europium (III),
Tris (8-hydroxyquinolinol) aluminum (see formula (c)),
Tris (2,2-bipyridyl) ruthenium (see formula (d)),
Bis (8-hydroxyquinolinato) zinc,
As well as derivatives thereof.
高分子発光材料としては、蛍光あるいは燐光を発することが可能な公知の高分子材料が用いられる。高分子発光材料としては、具体的には、(ポリ)フルオレン誘導体(PF)、(ポリ)パラフェニレンビニレン誘導体(PPV)、ポリフェニレン誘導体(PP)、ポリパラフェニレン誘導体(PPP)、ポリビニルカルバゾール(PVK)、ポリチオフェン誘導体、ポリメチルフェニルシラン(PMPS)などのポリシラン系などが好適に用いられる。また、これらの高分子材料に、ペリレン系色素等の低分子材料をドープして用いることもできる。細孔内でポリマーを形成可能な材料であれば、これらの材料に限定せずに用いることができる。
発光性高分子材料としては、具体的には、
テトラキス(4−カルボキシフェニル)ポルフィン((b)式参照)、
ポリ(1,4−フェニレンビニレン)、
並びにこれらの誘導体などがある。
As the polymer light emitting material, a known polymer material capable of emitting fluorescence or phosphorescence is used. Specific examples of the polymer light-emitting material include (poly) fluorene derivative (PF), (poly) paraphenylene vinylene derivative (PPV), polyphenylene derivative (PP), polyparaphenylene derivative (PPP), and polyvinylcarbazole (PVK). ), Polythiophene derivatives, and polysilanes such as polymethylphenylsilane (PMPS) are preferably used. Further, these polymer materials can be used by doping with a low molecular material such as a perylene dye. Any material that can form a polymer in the pores can be used without being limited to these materials.
Specifically, as the light-emitting polymer material,
Tetrakis (4-carboxyphenyl) porphine (see formula (b)),
Poly (1,4-phenylene vinylene),
As well as derivatives thereof.
半導体ナノ粒子とは、ナノオーダーの粒子中に空間的に励起子を閉じ込め、いわゆる量子閉じ込め効果によりバルク以上の発光強度が得られる蛍光物質をいう。半導体ナノ粒子を構成する物質は特に限定されない。
半導体ナノ粒子としては、具体的には、
(1)CuCl等のI−VII族化合物半導体、
(2)ZnS、CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等のII−VI族化合物半導体、
(3)GaAs、InAs等のIII−V族化合物半導体、
(4)Si、Ge等のIV族半導体、
などがある。
半導体ナノ粒子は、コアシェル構造を有していても良く,目的とする波長に応じて適宜選択可能である。
A semiconductor nanoparticle refers to a fluorescent substance in which excitons are spatially confined in a nano-order particle, and a so-called quantum confinement effect provides a light emission intensity higher than the bulk. The substance which comprises a semiconductor nanoparticle is not specifically limited.
Specifically, as semiconductor nanoparticles,
(1) Group I-VII compound semiconductor such as CuCl,
(2) II-VI group compound semiconductors such as ZnS, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe,
(3) III-V compound semiconductors such as GaAs and InAs,
(4) Group IV semiconductors such as Si and Ge,
and so on.
The semiconductor nanoparticles may have a core-shell structure and can be appropriately selected according to the target wavelength.
これらの発光物質は、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。これらの中でも、ローダミン及びその誘導体は、発光強度が大きいので、メソ細孔内に導入する発光物質として好適である。 Any one of these light-emitting substances may be used, or two or more kinds thereof may be used in combination. Among these, rhodamine and derivatives thereof are suitable as luminescent substances to be introduced into mesopores because of their high emission intensity.
[1.3.2 発光物質の量]
発光物質の含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。一般に、発光物質の含有量が多くなるほど、発光強度の高いコロイド結晶が得られる。一方、発光物質の含有量が過剰になると、濃度消光のために発光強度がかえって低下する。しかしながら、本発明においては、発光物質は、メソ細孔内に導入されるので、相対的に多量の発光物質を導入しても濃度消光は少ない。
[1.3.2 Amount of luminescent substance]
The content of the luminescent material is not particularly limited, and an optimum one is selected according to the purpose. In general, the higher the content of the luminescent substance, the more colloidal crystals with higher luminescence intensity can be obtained. On the other hand, when the content of the luminescent substance is excessive, the emission intensity is lowered due to concentration quenching. However, in the present invention, since the luminescent substance is introduced into the mesopores, concentration quenching is small even when a relatively large amount of the luminescent substance is introduced.
[2. コロイド結晶の製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係るコロイド結晶の製造方法は、単分散球状メソポーラスシリカ作製工程と、発光物質吸着工程と、配列工程とを備えている。
[2. Colloidal crystal production method (1)]
The method for producing a colloidal crystal according to the first embodiment of the present invention includes a monodispersed spherical mesoporous silica production step, a luminescent substance adsorption step, and an alignment step.
[2.1 単分散球状メソポーラスシリカ作製工程]
単分散球状メソポーラスシリカ作製工程は、単分散球状メソポーラスシリカを作製する工程である。
単分散球状メソポーラスシリカは、
(1)シリカ原料と、界面活性剤とを含む原料を溶媒中で混合し、界面活性剤を含むシリカからなる前駆体粒子を作製し、
(2)前駆体粒子から界面活性剤を除去する、
ことにより得られる。
中空の単分散球状メソポーラスシリカは、前駆体粒子を作製する際に、溶液中に空洞形成用粒子を添加することにより得られる。
[2.1 Monodispersed spherical mesoporous silica production process]
The monodispersed spherical mesoporous silica production step is a step of producing monodispersed spherical mesoporous silica.
Monodispersed spherical mesoporous silica
(1) A raw material containing a silica raw material and a surfactant is mixed in a solvent to produce precursor particles made of silica containing a surfactant,
(2) removing the surfactant from the precursor particles;
Can be obtained.
Hollow monodispersed spherical mesoporous silica is obtained by adding cavitation particles to a solution when preparing precursor particles.
[2.1.1 シリカ原料]
シリカ原料には、
(1) テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等のテトラアルコキシシラン(シラン化合物)、
(2) トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシ−3−グリシドキシプロピルシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン(シラン化合物)、
(3) ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等のジアルコキシシラン(シラン化合物)、
(4) メタケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)、オルトケイ酸ナトリウム(Na4SiO4)、二ケイ酸ナトリウム(Na2Si2O5)、四ケイ酸ナトリウム(Na2Si4O9)、水ガラス(Na2O・nSiO2、n=2〜4)等のケイ酸ナトリウム、
(5) カネマイト(NaHSi2O5・3H2O)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−Na2Si2O5)、マカタイト(Na2Si4O9)、アイアライト(Na2Si8O17・xH2O)、マガディアイト(Na2Si14O17・xH2O)、ケニヤイト(Na2Si20O41・xH2O)等の層状シリケート、
(6) Ultrasil(Ultrasil社)、Cab−O−Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ、コロイダルシリカ、Aerosil(Degussa−Huls社)等のフュームドシリカ、
などを用いることができる。
[2.1.1 Silica raw material]
Silica raw materials include
(1) Tetraalkoxysilanes (silane compounds) such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane,
(2) Trimethoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, triethoxy-3-glycidoxypropylsilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, etc. Trialkoxysilane (silane compound),
(3) dialkoxysilanes (silane compounds) such as dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, dimethoxymethylphenylsilane,
(4) Sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), sodium tetrasilicate (Na 2 Si 4 O 9 ), water Sodium silicate such as glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4),
(5) Kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystals (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 ), eyelite ( Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O) layered silicates, such as,
(6) Precipitating silica such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass), colloidal silica, fumed silica such as Aerosil (Degussa-Huls),
Etc. can be used.
また、シリカ原料には、ヒドロキシアルコキシシランも用いることができる。ヒドロキシアルコキシシランとは、アルコキシシランのアルコキシ基の炭素原子にヒドロキシ基(−OH)がついたものをいう。ヒドロキシアルコキシシランとしては、ヒドロキシアルコキシ基を4個有するテトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シラン、ヒドロキシアルコキシ基を3個有するトリス(ヒドロキシアルコキシ)シランを用いることができる。
ヒドロキシアルコキシ基の種類及びヒドロキシ基の数は特に制限されないが、2−ヒドロキシエトキシ基、3−ヒドロキシプロポキシ基、2−ヒドロキシプロポキシ基、2,3−ジヒドロキシプロキシ基等のように、ヒドロキシアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数が1〜3程度のもの)が反応性の点から有利である。
Further, hydroxyalkoxysilane can also be used as the silica raw material. The term “hydroxyalkoxysilane” refers to a hydroxy group (—OH) attached to the carbon atom of the alkoxy group of alkoxysilane. As the hydroxyalkoxysilane, tetrakis (hydroxyalkoxy) silane having four hydroxyalkoxy groups and tris (hydroxyalkoxy) silane having three hydroxyalkoxy groups can be used.
The type of hydroxyalkoxy group and the number of hydroxy groups are not particularly limited, but in the hydroxyalkoxy group such as 2-hydroxyethoxy group, 3-hydroxypropoxy group, 2-hydroxypropoxy group, 2,3-dihydroxyproxy group, etc. Those having a relatively small number of carbon atoms (having about 1 to 3 carbon atoms) are advantageous from the viewpoint of reactivity.
テトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シランとしては、テトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、テトラキス(3−ヒドロキシプロポキシ)シラン、テトラキス(2−ヒドロキシプロキシ)シラン、テトラキス(2,3−ジヒドロキシプロポキシ)シラン、などがある。
トリス(ヒドロキシアルコキシ)シランとしては、メチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、エチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、フェニルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−メルカプトプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−アミノプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−クロロプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、などがある。
これらのヒドロキシアルコキシシランは、アルコキシシランとエチレングリコールやグリセリンなどの多価アルコールとを反応させることにより合成することができる(例えば、Doris Brandhuber et al., Chem.Mater. 2005, 17, 4262参照)。
Examples of tetrakis (hydroxyalkoxy) silane include tetrakis (2-hydroxyethoxy) silane, tetrakis (3-hydroxypropoxy) silane, tetrakis (2-hydroxyproxy) silane, tetrakis (2,3-dihydroxypropoxy) silane, and the like. .
As tris (hydroxyalkoxy) silane, methyltris (2-hydroxyethoxy) silane, ethyltris (2-hydroxyethoxy) silane, phenyltris (2-hydroxyethoxy) silane, 3-mercaptopropyltris (2-hydroxyethoxy) silane, Examples include 3-aminopropyltris (2-hydroxyethoxy) silane and 3-chloropropyltris (2-hydroxyethoxy) silane.
These hydroxyalkoxysilanes can be synthesized by reacting an alkoxysilane with a polyhydric alcohol such as ethylene glycol or glycerin (see, for example, Doris Brandhuber et al., Chem. Mater. 2005, 17, 4262). .
これらの中でも、テトラアルコキシシラン及びテトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シランは、加水分解により生ずるシラノール結合の数が多くなり、強固な骨格を形成することができるので、シリカ原料として好適である。
なお、これらのシリカ原料は、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。但し、2種以上のシリカ原料を用いると、前駆体粒子の製造時の反応条件が複雑化する場合がある。このような場合には、シリカ原料は、単独で使用するのが好ましい。
Among these, tetraalkoxysilane and tetrakis (hydroxyalkoxy) silane are suitable as silica raw materials because the number of silanol bonds generated by hydrolysis increases and a strong skeleton can be formed.
In addition, these silica raw materials may be used alone or in combination of two or more. However, when two or more kinds of silica raw materials are used, the reaction conditions during the production of the precursor particles may be complicated. In such a case, the silica raw material is preferably used alone.
また、前駆体粒子がシリカ以外の金属元素M1の酸化物を含む場合には、シリカ原料に加えて金属元素M1を含む原料を用いる。
金属元素M1を含む原料には、
(1) アルミニウムブトキシド(Al(OC4H9)3)、アルミニウムエトキシド(Al(OC2H5)3)、アルミニウムイソプロポキシド(Al(OC3H7)3)等のAlを含むアルコキシド類、及び、アルミン酸ナトリウム、塩化アルミニウム等の塩類、
(2) チタンイソプロポキシド(Ti(Oi−C3H7)4)、チタンブトキシド(Ti(OC4H9)4)、チタンエトキシド(Ti(OC2H5)4)等のTiを含むアルコキシド、
(3) マグネシウムメトキシド(Mg(OCH3)2)、マグネシウムエトキシド(Mg(OC2H5)2)等のMgを含むアルコキシド、
(4) ジルコニウムイソプロポキシド(Zr(Oi−C3H7)4)、ジルコニウムブトキシド(Zr(OC4H9)4)、ジルコニウムエトキシド(Zr(OC2H5)4)等のZrを含むアルコキシド、
などを用いることができる。
When the precursor particles contain an oxide of a metal element M 1 other than silica, a raw material containing a metal element M 1 in addition to the silica raw material is used.
The raw material containing a metal element M 1 is,
(1) Al-containing alkoxide such as aluminum butoxide (Al (OC 4 H 9 ) 3 ), aluminum ethoxide (Al (OC 2 H 5 ) 3 ), aluminum isopropoxide (Al (OC 3 H 7 ) 3 ) And salts such as sodium aluminate and aluminum chloride,
(2) Ti such as titanium isopropoxide (Ti (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), titanium butoxide (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ), titanium ethoxide (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
(3) Mg-containing alkoxide such as magnesium methoxide (Mg (OCH 3 ) 2 ), magnesium ethoxide (Mg (OC 2 H 5 ) 2 ),
(4) Zr such as zirconium isopropoxide (Zr (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), zirconium butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 ), zirconium ethoxide (Zr (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
Etc. can be used.
[2.1.2 界面活性剤]
界面活性剤は、粒子内にメソ細孔を形成するための鋳型となる。界面活性剤の種類は、特に限定されるものではなく、種々の界面活性剤を用いることができる。使用する界面活性剤の種類、添加量などに応じて、粒子内の細孔構造を制御することができる。
[2.1.2 Surfactant]
The surfactant serves as a template for forming mesopores in the particles. The type of the surfactant is not particularly limited, and various surfactants can be used. The pore structure in the particles can be controlled according to the type of surfactant used, the amount added, and the like.
界面活性剤は、特に、アルキル4級アンモニウム塩が好ましい。アルキル4級アンモニウム塩とは、次の(a)式で表されるものをいう。
CH3−(CH2)n−N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(a)
(a)式中、R1、R2、R3は、それぞれ、炭素数が1〜3のアルキル基を表す。R1、R2、及び、R3は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。アルキル4級アンモニウム塩同士の凝集(ミセルの形成)を容易化するためには、R1、R2、及び、R3は、すべて同一であることが好ましい。さらに、R1、R2、及び、R3の少なくとも1つは、メチル基が好ましく、すべてがメチル基であることが好ましい。
(a)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
(a)式中、nは7〜21の整数を表す。一般に、nが小さくなるほど、メソ孔の中心細孔径が小さい球状シリカマトリックスが得られる。一方、nが大きくなるほど、中心細孔径は大きくなるが、nが大きくなりすぎると、アルキル4級アンモニウム塩の疎水性相互作用が過剰となる。その結果、層状の化合物が生成し、球状の多孔体が得られない。nは、好ましくは、9〜17、さらに好ましくは、13〜17である。
The surfactant is particularly preferably an alkyl quaternary ammonium salt. The alkyl quaternary ammonium salt refers to one represented by the following formula (a).
CH 3 - (CH 2) n -N + (R 1) (R 2) (R 3) X - ··· (a)
(A) In the formula, R 1, R 2, R 3 each represent an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R 1 , R 2 and R 3 may be the same as or different from each other. In order to facilitate aggregation (formation of micelles) between alkyl quaternary ammonium salts, it is preferable that R 1 , R 2 , and R 3 are all the same. Further, at least one of R 1 , R 2 , and R 3 is preferably a methyl group, and all are preferably methyl groups.
(A) In formula, X represents a halogen atom. Although the kind of halogen atom is not particularly limited, X is preferably Cl or Br in view of availability.
(A) In formula, n represents the integer of 7-21. Generally, the smaller n is, the smaller the mesopore central pore diameter is obtained. On the other hand, as n increases, the central pore diameter increases, but if n increases too much, the hydrophobic interaction of the alkyl quaternary ammonium salt becomes excessive. As a result, a layered compound is generated and a spherical porous body cannot be obtained. n is preferably 9 to 17, and more preferably 13 to 17.
(a)式で表されるものの中でも、アルキルトリメチルアンモニウムハライドが好ましい。アルキルトリメチルアンモニウムハライドとしては、例えば、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、ノニルトリメチルアンモニウムハライド、デシルトリメチルアンモニウムハライド、ウンデシルトリメチルアンモニウムハライド、ドデシルトリメチルアンモニウムハライド等がある。
これらの中でも、特に、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドが好ましい。
Among those represented by the formula (a), alkyltrimethylammonium halide is preferable. Examples of the alkyltrimethylammonium halide include hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, nonyltrimethylammonium halide, decyltrimethylammonium halide, undecyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethylammonium halide, and the like.
Among these, alkyltrimethylammonium bromide or alkyltrimethylammonium chloride is particularly preferable.
シリカ粒子を合成する場合において、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。しかしながら、アルキル4級アンモニウム塩は、シリカ粒子内にメソ孔を形成するためのテンプレートとなるので、その種類は、メソ孔の形状に大きな影響を与える。より均一なメソ孔を有するシリカ粒子を合成するためには、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いるのが好ましい。 When synthesizing silica particles, one type of alkyl quaternary ammonium salt may be used, or two or more types may be used. However, since the alkyl quaternary ammonium salt serves as a template for forming mesopores in the silica particles, the type greatly affects the shape of the mesopores. In order to synthesize silica particles having more uniform mesopores, it is preferable to use one kind of alkyl quaternary ammonium salt.
[2.1.3 空洞形成用粒子]
空洞形成用粒子は、空洞を形成するための鋳型となるものであり、必要に応じて添加される。空洞形成用粒子は、その周囲にシリカを主成分とするシェルを形成することができ、かつ、シェル形成後に容易に除去できるものであれば良い。また、単分散球状の中空粒子を得るためには、空洞形成用粒子もまた単分散球状である必要がある。
空洞形成用粒子としては、例えば、
(1)焼成による分解又は有機溶媒による除去が可能なポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、メラミンホルムアルデヒドなどの高分子コロイド粒子、
(2)塩酸などの酸によって除去可能な炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどの塩基性化合物粒子、
などがある。
空洞形成用粒子として高分子コロイド粒子を用いる場合、粒子表面に、シリカ原料の重縮合を促進する機能を有する塩基性の官能基(例えば、アミノ基)を備えたものを用いる。粒子表面にこのような官能基がない場合、粒子表面以外の領域においてシリカが単独で重縮合し、副生成物が得られる。これに対し、表面がこのような官能基で修飾された高分子コロイド粒子を用いると、粒子表面において優先的にシリカ原料の重縮合が進行してシェルとなり、副生成物の生成を抑制することができる。
[2.1.3 Cavity-forming particles]
The cavitation particles serve as a template for forming cavities, and are added as necessary. The cavity-forming particles may be any particles that can form a shell mainly composed of silica around them and can be easily removed after the shell is formed. In order to obtain monodispersed spherical hollow particles, the cavity-forming particles must also be monodispersed spherical.
As the cavity forming particles, for example,
(1) Polymer colloidal particles such as polystyrene, polymethyl methacrylate, polypropylene, melamine formaldehyde, which can be decomposed by firing or removed by an organic solvent,
(2) Basic compound particles such as calcium carbonate and magnesium carbonate that can be removed by acid such as hydrochloric acid,
and so on.
When polymer colloidal particles are used as the cavities forming particles, those having a basic functional group (for example, amino group) having a function of promoting polycondensation of the silica raw material on the particle surface are used. When there is no such functional group on the particle surface, silica alone undergoes polycondensation in a region other than the particle surface to obtain a by-product. On the other hand, when polymer colloidal particles whose surface is modified with such functional groups are used, polycondensation of the silica raw material proceeds preferentially on the particle surface to form a shell, thereby suppressing the formation of by-products. Can do.
[2.1.4 溶媒]
溶媒には、水、アルコールなどの有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒などを用いる。アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、エチレングリコール等の2価のアルコール、グリセリン等の3価のアルコールのいずれでも良い。
水と有機溶媒の混合溶媒を用いる場合、混合溶媒中の有機溶媒の含有量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、溶媒中に適量の有機溶媒を添加すると、粒径や粒度分布の制御が容易化する。
[2.1.4 Solvent]
As the solvent, an organic solvent such as water or alcohol, a mixed solvent of water and an organic solvent, or the like is used. The alcohol may be any of monovalent alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, divalent alcohols such as ethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin.
When a mixed solvent of water and an organic solvent is used, the content of the organic solvent in the mixed solvent can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, when an appropriate amount of an organic solvent is added to the solvent, control of the particle size and particle size distribution is facilitated.
[2.1.5 配合比]
一般に、シリカ原料及び必要に応じて添加される金属元素M1を含む原料(以下、単に「シリカ源」という)の濃度が低すぎると、シリカ粒子を高収率で得ることができない。また、粒径及び粒度分布の制御が困難となり、粒径の均一性が低下する。従って、シリカ源の濃度は、0.005mol/L以上が好ましい。シリカ源の濃度は、さらに好ましくは、0.008mol/L以上である。
一方、シリカ源の濃度が高すぎると、メソ孔を形成するためのテンプレートとして機能する界面活性剤が相対的に不足し、規則配列したメソ孔が得られない。従って、シリカ源の濃度は、0.03mol/L以下が好ましい。シリカ源の濃度は、さらに好ましくは、0.015mol/L以下である。
[2.1.5 Mixing ratio]
In general, when the concentration of a raw material containing a silica raw material and a metal element M 1 added as necessary (hereinafter simply referred to as “silica source”) is too low, silica particles cannot be obtained in a high yield. Moreover, it becomes difficult to control the particle size and particle size distribution, and the uniformity of the particle size decreases. Therefore, the concentration of the silica source is preferably 0.005 mol / L or more. The concentration of the silica source is more preferably 0.008 mol / L or more.
On the other hand, if the concentration of the silica source is too high, the surfactant functioning as a template for forming mesopores is relatively insufficient, and regularly arranged mesopores cannot be obtained. Accordingly, the concentration of the silica source is preferably 0.03 mol / L or less. The concentration of the silica source is more preferably 0.015 mol / L or less.
一般に、界面活性剤の濃度が低すぎると、メソ孔を形成するためのテンプレートが不足し、規則配列したメソ孔が得られない。従って、界面活性剤の濃度は、0.003mol/L以上が好ましい。界面活性剤の濃度は、さらに好ましくは、0.01mol/L以上である。
一方、界面活性剤の濃度が高すぎると、シリカ粒子を高収率で得ることができない。従って、界面活性剤の濃度は、0.03mol/L以下が好ましい。界面活性剤の濃度は、さらに好ましくは、0.02mol/L以下である。
Generally, when the concentration of the surfactant is too low, a template for forming mesopores is insufficient, and regularly arranged mesopores cannot be obtained. Therefore, the concentration of the surfactant is preferably 0.003 mol / L or more. The concentration of the surfactant is more preferably 0.01 mol / L or more.
On the other hand, if the surfactant concentration is too high, silica particles cannot be obtained in high yield. Therefore, the concentration of the surfactant is preferably 0.03 mol / L or less. The concentration of the surfactant is more preferably 0.02 mol / L or less.
[2.1.6 反応条件]
シリカ原料として、アルコキシシラン、ヒドロキシアルコキシシラン等のシラン化合物を用いる場合には、これをそのまま出発原料として用いる。
一方、シリカ原料としてシラン化合物以外の化合物を用いる場合には、予め、水(又は、必要に応じてアルコールが添加されたアルコール水溶液)にシリカ原料を加えて、水酸化ナトリウム等の塩基性物質を加える。塩基性物質の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子と等モル程度の量とするのが好ましい。シラン化合物以外のシリカ原料を含む溶液に塩基性物質を加えると、シリカ原料中に既に形成されているSi−(O−Si)4結合の一部が切断され、均一な溶液が得られる。溶液中に含まれる塩基性物質の量は、中空粒子の収量や気孔率に影響を及ぼすので、均一な溶液が得られた後、溶液に希薄酸溶液を加え、溶液中に存在する過剰の塩基性物質を中和させる。希薄酸溶液の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モルに相当する量が好ましい。
[2.1.6 Reaction conditions]
When a silane compound such as alkoxysilane or hydroxyalkoxysilane is used as the silica material, this is used as it is as a starting material.
On the other hand, when a compound other than a silane compound is used as the silica raw material, a basic material such as sodium hydroxide is added in advance to the silica raw material in water (or an alcohol aqueous solution to which an alcohol is added if necessary). Add. The addition amount of the basic substance is preferably about equimolar to the silicon atom in the silica raw material. When a basic substance is added to a solution containing a silica raw material other than the silane compound, a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the silica raw material is cut, and a uniform solution is obtained. The amount of basic substance contained in the solution affects the yield and porosity of the hollow particles, so after a homogeneous solution is obtained, a dilute acid solution is added to the solution, and excess base present in the solution is added. Neutralize sex substances. The addition amount of the dilute acid solution is preferably an amount corresponding to 1/2 to 3/4 times mol of silicon atoms in the silica raw material.
所定量の界面活性剤を含む溶媒中に、シリカ源を加え、加水分解及び重縮合を行う。これにより、界面活性剤がテンプレートとして機能し、シリカ及び界面活性剤を含む前駆体粒子が得られる。また、溶媒中に空洞形成用粒子が含まれる場合には、空洞形成用粒子の表面にシリカ及び界面活性剤を含むシェルが形成された前駆体粒子が得られる。 A silica source is added to a solvent containing a predetermined amount of a surfactant to perform hydrolysis and polycondensation. Thereby, surfactant functions as a template and the precursor particle | grains containing a silica and surfactant are obtained. In addition, when cavitation particles are contained in the solvent, precursor particles in which shells containing silica and a surfactant are formed on the surface of the cavitation particles are obtained.
反応条件は、シリカ原料の種類、前駆体粒子の粒径等に応じて、最適な条件を選択する。一般に、反応温度は、−20〜100℃が好ましい。反応温度は、さらに好ましくは、0〜80℃、さらに好ましくは、10〜40℃である。 As the reaction conditions, optimum conditions are selected according to the type of silica raw material, the particle size of the precursor particles, and the like. In general, the reaction temperature is preferably -20 to 100 ° C. The reaction temperature is more preferably 0 to 80 ° C, more preferably 10 to 40 ° C.
[2.1.7 界面活性剤の除去]
乾燥後、前駆体粒子から界面活性剤を除去すると、単分散球状メソポーラスシリカが得られる。界面活性剤の除去方法としては、
(1) 前駆体粒子を大気中又は不活性雰囲気下において、300〜1000℃(好ましくは、300〜600℃)で、30分以上(好ましくは、1時間以上)焼成する焼成方法、
(2) 前駆体粒子を界面活性剤の良溶媒(例えば、少量の塩酸を含むメタノール)中に浸漬し、所定の温度(例えば、50〜70℃)で加熱しながら攪拌し、薄膜中の界面活性剤を抽出するイオン交換法、
などがある。
また、前駆体粒子が空洞形成用粒子を含む場合において、空洞形成用粒子が高分子コロイド粒子からなるときには、空洞形成用粒子も、界面活性剤と同様の方法により除去することができる。あるいは、有機溶媒(トルエン、クロロホルム、ベンゼンなど)に浸漬することで除去することもできる。一方、空洞形成用粒子が塩基性化合物からなるときには、塩酸などの酸により空洞形成用粒子を除去することができる。
なお、発光物質の種類によっては、メソ細孔内に界面活性剤が残っている方が発光物質の吸着が容易になる場合がある。そのような場合には、界面活性剤の除去を省略しても良い。
[2.1.7 Removal of surfactant]
When the surfactant is removed from the precursor particles after drying, monodispersed spherical mesoporous silica is obtained. As a method for removing the surfactant,
(1) A firing method in which the precursor particles are fired at 300 to 1000 ° C. (preferably 300 to 600 ° C.) for 30 minutes or longer (preferably 1 hour or longer) in the air or under an inert atmosphere.
(2) The precursor particles are immersed in a good solvent for a surfactant (for example, methanol containing a small amount of hydrochloric acid), stirred while heating at a predetermined temperature (for example, 50 to 70 ° C.), and the interface in the thin film An ion exchange method to extract the active agent,
and so on.
In the case where the precursor particles include cavitation particles, when the cavitation particles are composed of polymer colloid particles, the cavitation particles can also be removed by the same method as that for the surfactant. Alternatively, it can be removed by immersion in an organic solvent (toluene, chloroform, benzene, etc.). On the other hand, when the cavitation particles are made of a basic compound, the cavitation particles can be removed with an acid such as hydrochloric acid.
Depending on the type of the luminescent substance, the adsorption of the luminescent substance may be easier when the surfactant remains in the mesopores. In such a case, the removal of the surfactant may be omitted.
[2.2 発光物質吸着工程]
発光物質吸着工程は、単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に発光物質を吸着させる工程である。
メソ細孔内への発光物質の導入方法には、種々の方法があり、発光物質の種類に応じて最適な方法を選択することができる。
[2.2 Luminescent substance adsorption process]
The luminescent substance adsorption process is a process in which the luminescent substance is adsorbed in the mesopores of monodispersed spherical mesoporous silica.
There are various methods for introducing the luminescent substance into the mesopores, and an optimum method can be selected according to the type of the luminescent substance.
通常、メソ細孔内に発光物質を導入する場合、発光物質を溶媒に溶解させ、溶液に単分散球状メソポーラスシリカを添加することにより吸着させることが多い。この際、(1)最適な溶媒の選択、(2)発光物質の修飾、(3)メソ細孔の修飾、などの方法により、効率よくメソ細孔内に物質を導入することができる。
例えば、発光物質を溶解させる溶媒には、通常、水を用いるが、水に溶解しにくい発光物質の場合、溶媒には、エタノール、アセトン、エチレングリコール、グリセリン、クロロホルムなどを用いることができる。
Usually, when a luminescent substance is introduced into mesopores, it is often adsorbed by dissolving the luminescent substance in a solvent and adding monodispersed spherical mesoporous silica to the solution. At this time, the substance can be efficiently introduced into the mesopores by methods such as (1) selection of an optimal solvent, (2) modification of the luminescent substance, and (3) modification of the mesopores.
For example, water is usually used as the solvent for dissolving the luminescent material, but ethanol, acetone, ethylene glycol, glycerin, chloroform, and the like can be used as the solvent in the case of a luminescent material that is difficult to dissolve in water.
また、有機EL素子発光層として用いられるAlq3錯体(トリス(8−ヒドロキシキノリノール)アルミニウム)は、エタノールなどのアルコールやクロロホルムなどに溶解する。同じ濃度でAlq3をエタノールとクロロホルムに溶解させて吸着実験を行った場合、クロロホルムに溶解させた方が多量のAlq3をメソ細孔内に導入することができる。これは、エタノール中のAlq3は、メソポーラスシリカのメソ細孔内よりも安定であるのに対し、クロロホルム中では、逆にメソ細孔内よりも不安定であるためである。そのため、クロロホルムを用いた場合には、より安定に存在できるメソ細孔中に多く導入されることになる。このように、最適な溶媒を選択することにより、容易にメソポーラスシリカ内に発光物質を多量に導入することができる。 Further, the Alq3 complex (tris (8-hydroxyquinolinol) aluminum) used as the organic EL element light emitting layer is dissolved in alcohol such as ethanol or chloroform. When an adsorption experiment is performed with Alq3 dissolved in ethanol and chloroform at the same concentration, a larger amount of Alq3 can be introduced into the mesopores when dissolved in chloroform. This is because Alq3 in ethanol is more stable than in the mesopores of mesoporous silica, whereas it is more unstable in chloroform than in the mesopores. For this reason, when chloroform is used, it is often introduced into mesopores that can exist more stably. Thus, by selecting an optimum solvent, a large amount of a luminescent substance can be easily introduced into mesoporous silica.
また、Ru(bby)3錯体(トリス(2,2−ビピリジル)ルテニウム)は、親水性が高く、エタノールやメタノールには容易に溶解するが、その状態では、メソ細孔内にはごく少量しか導入できない。一方、ビピリジル基末端へ長鎖アルキル基を導入すると、ベンゼンなどの疎水性溶媒に可溶となる。ベンゼンに溶解させたアルキル修飾Ru(bby)3錯体は、メソ細孔内に高濃度で吸着可能となる(30mg/100mg)。 In addition, Ru (bby) 3 complex (tris (2,2-bipyridyl) ruthenium) is highly hydrophilic and easily dissolved in ethanol and methanol, but in that state, only a very small amount is in the mesopores. Cannot be introduced. On the other hand, when a long-chain alkyl group is introduced at the end of the bipyridyl group, it becomes soluble in a hydrophobic solvent such as benzene. The alkyl-modified Ru (bby) 3 complex dissolved in benzene can be adsorbed at a high concentration in the mesopores (30 mg / 100 mg).
また、TCPP(テトラキス(4−カルボキシフェニル)ポルフィン)は、分子内に4つのカルボキシル基を持つポルフィリン誘導体の一種である。そのため、メソポーラスシリカのメソ細孔にアミノ基を導入すると、THFに溶解させたTCPPの吸着が非常に効率よく進行する。メソポーラスシリカへのアミノ基等の有機官能基導入については、既存の文献などを参照して行うことができる(例えば、Journal of Catalysis 251(2007)249-257、Chemistry Letters Vol.35, No.9(2006)1014-1015等参照)。 TCPP (tetrakis (4-carboxyphenyl) porphine) is a kind of porphyrin derivative having four carboxyl groups in the molecule. Therefore, when an amino group is introduced into the mesopores of mesoporous silica, adsorption of TCPP dissolved in THF proceeds very efficiently. Introduction of an organic functional group such as an amino group into mesoporous silica can be performed with reference to existing literature (for example, Journal of Catalysis 251 (2007) 249-257, Chemistry Letters Vol. 35, No. 9). (2006) 1014-1015 etc.).
さらに、半導体ナノ粒子の一種であるZnSナノ粒子は、例えば、
(1)単分散球状メソポーラスシリカの細孔壁をトリス(メトキシ)(メルカプトプロピルシラン)で有機修飾を行い、
(2)ZnSナノ粒子をビス(2−エチルヘキシル)スルホこはく酸ナトリウムの逆ミセル溶液中で合成し、
(3)ZnSの逆ミセル溶液に有機修飾単分散球状メソポーラスシリカを加えて数時間攪拌する、
ことによりメソ細孔内に導入することができる(例えば、J.Phys.Chem.B2004, 108, 11509-11513参照)。
また、ZnOナノ粒子は、例えば、
(1)(C2H5O)3Si(CH2)3NH(CH2)2NH2の無水トルエン溶液に単分散球状メソポーラスシリカを添加して還流し、細孔内壁をエチレンジアミノ基で修飾し、
(2)Znイオンをキレート化する手法でZnO結晶を細孔内で合成する、
ことによりメソ細孔内に導入することができる(例えば、Optical Materials 25(2004)79-84参照)。
また、CdSナノ粒子は、例えば、Cd(OAc)2・2H2O(酢酸カドミウム)のメタノール溶液に焼成前の単分散球状メソポーラスシリカを加えて60℃で3時間攪拌し、H2S処理を行うことによりメソ細孔内に導入することができる。酢酸カドミウムに代えて、Zn(OAc)2・2H2O(酢酸亜鉛)を前駆体に用いると、同様の合成手順により、メソ細孔内にZnSを導入することもできる。
Furthermore, ZnS nanoparticles which are a kind of semiconductor nanoparticles include, for example,
(1) Organically modifying the pore walls of monodispersed spherical mesoporous silica with tris (methoxy) (mercaptopropylsilane)
(2) synthesizing ZnS nanoparticles in a reverse micelle solution of sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate;
(3) Add organically modified monodispersed spherical mesoporous silica to the reverse micelle solution of ZnS and stir for several hours.
Can be introduced into mesopores (see, for example, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 11509-11513).
In addition, ZnO nanoparticles are, for example,
(1) (C 2 H 5 O) 3 Si (CH 2) 3 NH (CH 2) and refluxed with the addition of monodisperse mesoporous silica spheres to 2 anhydrous toluene solution of NH 2, the pore inner walls of ethylene diamino group Qualify,
(2) Synthesize ZnO crystals in the pores by chelating Zn ions,
Can be introduced into the mesopores (see, for example, Optical Materials 25 (2004) 79-84).
In addition, CdS nanoparticles are prepared by adding monodispersed spherical mesoporous silica before firing to a methanol solution of Cd (OAc) 2 .2H 2 O (cadmium acetate) and stirring at 60 ° C. for 3 hours to perform H 2 S treatment. By doing so, it can be introduced into the mesopores. When Zn (OAc) 2 .2H 2 O (zinc acetate) is used as a precursor instead of cadmium acetate, ZnS can be introduced into the mesopores by the same synthesis procedure.
[2.3 配列工程]
配列工程は、単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させる工程である。単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させる方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。
[2.3 Arrangement process]
The arranging step is a step of regularly arranging monodispersed spherical mesoporous silica. The method for regularly arranging monodispersed spherical mesoporous silica is not particularly limited, and various methods can be used.
単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させる方法としては、具体的には、
(1) 単分散球状メソポーラスシリカを分散させた分散液に電極を浸漬し、電極間に直流電解を印加する方法(電気泳動を利用した配列方法)、
(2) 一定の間隔を有する基板間に単分散球状メソポーラスシリカを分散させた分散液を注入し、単分散球状メソポーラスシリカを規則配列した状態で自己集積させる方法、
(3) 単分散球状メソポーラスシリカを分散させた分散液を基板表面にディップコート、スピンコート等を用いて塗布する方法、
(4) 単分散球状メソポーラスシリカ分散液中に、あらかじめ高分子モノマー(例えば、アクリルアミド)、架橋剤(例えば、メチレンビスアクリルアミド)、及び、光重合開始剤(例えば、カンファーキノン)を添加しておき、単分散球状メソポーラスシリカを液中において規則配列させた後、光照射することによりゲル化させる方法、
(5) イオン濃度を調節した分散媒に単分散球状メソポーラスシリカを分散させ、そのまま静置して分散媒中において粒子を規則配列させる方法、
などがある。
As a method for regularly arranging monodispersed spherical mesoporous silica, specifically,
(1) A method of immersing electrodes in a dispersion in which monodispersed spherical mesoporous silica is dispersed, and applying direct current electrolysis between the electrodes (arrangement method using electrophoresis),
(2) A method of injecting a dispersion liquid in which monodispersed spherical mesoporous silica is dispersed between substrates having a constant interval and self-assembling the monodispersed spherical mesoporous silica in a regularly arranged state,
(3) A method in which a dispersion in which monodispersed spherical mesoporous silica is dispersed is applied to the substrate surface using dip coating, spin coating,
(4) A polymer monomer (for example, acrylamide), a crosslinking agent (for example, methylenebisacrylamide), and a photopolymerization initiator (for example, camphorquinone) are added in advance to the monodispersed spherical mesoporous silica dispersion. , A method in which monodispersed spherical mesoporous silica is regularly arranged in a liquid and then gelled by light irradiation,
(5) A method of dispersing monodispersed spherical mesoporous silica in a dispersion medium in which the ion concentration is adjusted, and allowing the particles to be regularly arranged in the dispersion medium by leaving it as it is.
and so on.
分散媒中において粒子を規則配列させるためには、コロイド分散液中のイオン濃度を極度に低い状態にすることが必要である。さらに、コロイド結晶のストップバンドと発光物質の発光スペクトル波長を調整するためには、粒子濃度を制御してコロイド結晶の粒子間隔を調整する必要がある。
そのため、溶液型コロイド結晶を作製する場合には、単分散球状メソポーラスシリカの水分散液にイオン交換樹脂などを加えて、十分に分散液中のイオン濃度を低減し、さらに分散液を所望の粒子間隔となるように濃縮する必要がある。
また、ゲル固定化コロイド結晶を作製する場合には、イオン濃度の低減及び濃縮が行われた分散液にゲル化剤を加え、これをガラス基板などの基板上に塗布し、ゲルを硬化させる必要がある。間隔を適宜調整した基板の隙間にゲル化剤を含有する分散液を注入してゲル化させた場合には、フィルム状の均質な厚みを持つゲル固定化コロイド結晶を得ることができる。ゲル化方法は、特に限定されないが、紫外線硬化型のゲルを用いた場合には、紫外線ランプなどで紫外線を照射することで、容易にゲル化させることが可能である。
In order to regularly arrange the particles in the dispersion medium, it is necessary to make the ion concentration in the colloidal dispersion extremely low. Furthermore, in order to adjust the stop band of the colloidal crystal and the emission spectrum wavelength of the luminescent material, it is necessary to control the particle concentration to adjust the particle spacing of the colloidal crystal.
Therefore, when preparing a solution-type colloidal crystal, an ion exchange resin or the like is added to the aqueous dispersion of monodispersed spherical mesoporous silica to sufficiently reduce the ion concentration in the dispersion, and further, the dispersion is made into desired particles. It is necessary to concentrate so that it may become a space | interval.
In addition, when preparing gel-immobilized colloidal crystals, it is necessary to add a gelling agent to the dispersion in which the ion concentration is reduced and concentrated, and apply this onto a substrate such as a glass substrate to cure the gel. There is. When a dispersion containing a gelling agent is injected into the gap between the substrates, the spacing of which is appropriately adjusted, and gelled, a gel-immobilized colloidal crystal having a uniform film thickness can be obtained. The gelation method is not particularly limited, but when an ultraviolet curable gel is used, it can be easily gelled by irradiating ultraviolet rays with an ultraviolet lamp or the like.
[3. コロイド結晶の製造方法(2)]
本発明の第2の実施の形態に係るコロイド結晶の製造方法は、単分散球状メソポーラスシリカ作製工程と、配列工程と、発光物質吸着工程とを備えている。
[3. Colloidal crystal production method (2)]
The method for producing a colloidal crystal according to the second embodiment of the present invention includes a monodispersed spherical mesoporous silica production step, an alignment step, and a luminescent substance adsorption step.
[3.1 単分散球状メソポーラスシリカ作製工程]
単分散球状メソポーラスシリカ作製工程は、単分散球状メソポーラスシリカを作製する工程である。単分散球状メソポーラスシリカ作製工程の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[3.1 Monodispersed spherical mesoporous silica production process]
The monodispersed spherical mesoporous silica production step is a step of producing monodispersed spherical mesoporous silica. The details of the monodispersed spherical mesoporous silica production process are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[3.2 配列工程]
配列工程は、単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させる工程である。本実施の形態において、メソ細孔内に発光物質を吸着させる前に粒子の規則配列を行う。この点が第1の実施の形態と異なる。
本実施の形態において、発光物質の吸着は粒子の規則配列後に行われるため、規則配列体は、最密充填型コロイド結晶又はゲル固定化コロイド結晶である必要がある。配列工程のその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[3.2 Arrangement process]
The arranging step is a step of regularly arranging monodispersed spherical mesoporous silica. In the present embodiment, regular arrangement of particles is performed before adsorbing the luminescent substance in the mesopores. This is different from the first embodiment.
In this embodiment, since the adsorption of the luminescent substance is performed after the regular arrangement of the particles, the regular arrangement body needs to be a close-packed colloidal crystal or a gel-immobilized colloidal crystal. Since the other points of the arrangement process are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.
[3.3 発光物質吸着工程]
発光物質吸着工程は、規則配列体を構成する単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に発光物質を吸着させる工程である。すなわち、本実施の形態において、単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させた後に、発光物質の吸着を行う。
例えば、発光物質がイオン的である場合(例えば、発光物質が有機色素や有機金属配位化合物である場合)、単分散球状メソポーラスシリカ粒子のメソ細孔内に発光物質を吸着させた後、分散媒に粒子を分散させると、分散媒中に発光物質のイオンが流出する場合がある。最密充填型コロイド結晶の場合、分散媒中に少量のイオンが流出しても規則配列化に支障を来すおそれは少ない。
しかしながら、ゲル固定化コロイド結晶の場合、粒子が規則配列する前に分散媒中にイオンが流出すると、流出量が僅かであっても粒子間隔の精密な制御が困難となる場合がある。従って、ゲル固定化コロイド結晶を作製する場合において、発光物質がイオン的であるときには、粒子を予めゲルで固定した後に発光物質を導入するのが好ましい。
発光物質の吸着は、発光物質を含む溶液をコロイド結晶に添加することにより行う。発光物質の吸着に際し、メソ細孔内壁を修飾する必要がある場合には、修飾は、単分散球状メソポーラスシリカ合成後又は規則配列後のいずれか適切なときに行う。発光物質吸着工程のその他の点は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[3.3 Luminescent substance adsorption process]
The luminescent substance adsorption step is a step of adsorbing the luminescent substance in the mesopores of monodispersed spherical mesoporous silica constituting the ordered array. That is, in this embodiment, after the monodispersed spherical mesoporous silica is regularly arranged, the luminescent material is adsorbed.
For example, when the luminescent substance is ionic (for example, when the luminescent substance is an organic dye or an organometallic coordination compound), the luminescent substance is adsorbed in the mesopores of the monodispersed spherical mesoporous silica particles and then dispersed. When particles are dispersed in a medium, ions of the luminescent material may flow out into the dispersion medium. In the case of a close-packed colloidal crystal, even if a small amount of ions flow out into the dispersion medium, there is little possibility of hindering regular arrangement.
However, in the case of a gel-immobilized colloidal crystal, if ions flow out into the dispersion medium before the particles are regularly arranged, precise control of the particle spacing may be difficult even if the amount of outflow is small. Therefore, when producing a gel-immobilized colloidal crystal, when the luminescent substance is ionic, it is preferable to introduce the luminescent substance after the particles are fixed in advance with a gel.
Adsorption of the luminescent substance is performed by adding a solution containing the luminescent substance to the colloidal crystal. When it is necessary to modify the inner walls of the mesopores when adsorbing the luminescent substance, the modification is performed at any appropriate time after the synthesis of the monodispersed spherical mesoporous silica or after the ordered arrangement. Since the other points of the luminescent substance adsorption step are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
[4. 発光増幅器]
本発明に係る発光増幅器は、本発明に係るコロイド結晶を用いたことを特徴とする。
可視光領域における高品質・高効率な光増幅素子は、計測、加工、車載用通信分野等における応用が期待される。光を増幅する方法としては、光を一旦電気信号に変換して処理を行い、再度光に変換する方法もある。しかしながら、この方法は、煩雑でありエネルギー的にも無駄であり、さらに光のコヒーレンス性も失われてしまう。
一方、光を光で増幅する方法は、既に光ファイバー通信に利用されている。しかしながら、現在の光増幅器は、光ファイバー内にエルビウム(Er)イオンをドープしており、通信用の光波長(約1.5ミクロン)でしか増幅できず、また小型化も進んでいない。
これに対し、本発明によれば、可視光領域で小型の光増幅器を提供可能である。用途としては、光を増幅して使用する装置、例えば、表示素子、ディスプレイ、バックライト、照明光源、露光光源、読み取り光源、標識、看板、インテリア等の分野に好適に使用可能である。
[4. Light emitting amplifier]
The light-emitting amplifier according to the present invention is characterized by using the colloidal crystal according to the present invention.
High-quality and high-efficiency optical amplification elements in the visible light region are expected to be applied in the fields of measurement, processing, in-vehicle communication, and the like. As a method for amplifying light, there is a method in which light is once converted into an electric signal, processed, and then converted into light again. However, this method is complicated and wasteful in terms of energy, and the light coherence is lost.
On the other hand, the method of amplifying light with light has already been used for optical fiber communication. However, current optical amplifiers are doped with erbium (Er) ions in an optical fiber, and can only amplify at the optical wavelength for communication (about 1.5 microns), and the miniaturization is not progressing.
On the other hand, according to the present invention, it is possible to provide a small optical amplifier in the visible light region. As an application, it can be used suitably in the field of amplifying light, such as a display element, a display, a backlight, an illumination light source, an exposure light source, a reading light source, a sign, a signboard, and an interior.
[5. コロイド結晶及び発光増幅器の作用]
図1に、本発明に係るコロイド結晶の概略図を示す。図1に示すように、メソ細孔内に発光物質を導入した単分散球状メソポーラスシリカを規則配列させ、これに図示しないポンプ源から励起光を照射すると、メソ細孔内の発光物質が発光する。
一方、ブラッグ式が成立するコロイド結晶では、ストップバンドの効果により光が存在できない領域を持つ。コロイド結晶と色素などの発光層が共存し、さらにストップバンドと発光層の発光スペクトルに重なりがある場合(特に、ストップバンドと発光スペクトルが一致する場合)において、コロイド結晶に励起光を照射すると、図2に示すように、発光層が励起されて発光した光がストップバンド内で共振、増強される。これは、発光スペクトルとストップバンドが重なりを持つコロイド結晶内において、励起された光が、ブラッグ条件を満たす方向に繰り返し反射されるためである。励起光強度が一定のしきい値以上の場合には、増幅された発光が一気に放出されるめ、発光層の自然発光は著しく増幅され、レーザーなどの強力な光を発するデバイスとして用いることができる。
[5. Action of colloidal crystal and light-emitting amplifier]
FIG. 1 shows a schematic view of a colloidal crystal according to the present invention. As shown in FIG. 1, when a monodispersed spherical mesoporous silica into which a luminescent material is introduced is arranged in a mesopore and is irradiated with excitation light from a pump source (not shown), the luminescent material in the mesopore emits light. .
On the other hand, the colloidal crystal in which the Bragg equation is established has a region where light cannot exist due to the effect of the stop band. When a colloidal crystal and a light-emitting layer such as a dye coexist, and there is an overlap between the emission spectrum of the stopband and the light-emitting layer (especially when the stopband and the emission spectrum match), when the colloidal crystal is irradiated with excitation light, As shown in FIG. 2, the light emitted when the light emitting layer is excited resonates and is enhanced within the stop band. This is because the excited light is repeatedly reflected in the direction satisfying the Bragg condition in the colloidal crystal where the emission spectrum and the stop band overlap. When the excitation light intensity is above a certain threshold, the amplified light emission is emitted at once, so the spontaneous emission of the light emitting layer is significantly amplified and can be used as a device that emits strong light such as a laser. .
コロイド結晶を用いた従来の発光増幅器は、コロイド層と発光層が独立した形態が主流であり、鏡などの外部共振器を用いる場合よりも小型化できる。
しかしながら、従来の発光増幅器は、
(1) 製造工程が煩雑であり、小型化にも限界がある、
(2) 安定性に乏しい発光物質(例えば、色素などの有機物質)を用いたときには、光や酸素などにより容易に劣化、退色が進行する、
(3) 発光増幅器の構造によっては、発光物質が流出しやすく、導入可能な発光物質にも制限がある、
(4) 発光物質が凝集して濃度消光を起こしやすい、
(5) コロイド粒子に有機物を用いているので、熱的、機械的及び化学的な安定性に乏しい、
等の問題がある。
Conventional light-emitting amplifiers using colloidal crystals are mainly in the form of an independent colloid layer and light-emitting layer, and can be made smaller than when an external resonator such as a mirror is used.
However, conventional light-emitting amplifiers
(1) The manufacturing process is complicated and there is a limit to downsizing.
(2) When a light-emitting substance with poor stability (for example, an organic substance such as a dye) is used, deterioration and fading easily occur due to light or oxygen.
(3) Depending on the structure of the luminescence amplifier, the luminescent material tends to flow out, and the luminescent material that can be introduced is limited.
(4) Concentration of luminescent material and easy concentration quenching,
(5) Since organic materials are used for colloidal particles, thermal, mechanical and chemical stability is poor.
There are problems such as.
これに対し、本発明においては、単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に発光物質を導入し、これをコロイド結晶化しているので、強い光を照射して使用する場合であっても、発光物質の劣化及び退色を抑制することができ、発光物質が流出するおそれも少ない。
また、単分散球状メソポーラスシリカは、高比表面積で細孔容積が大きく、修飾によってメソ細孔内の状態を自由に調節することができる。そのため、様々な発光物質を高分散、高濃度に内包させることが可能であり、材料選択の自由度が大きい。
また、発光物質はメソ細孔中に内包されるため、高濃度であっても分子は孤立しやすく、濃度消光を起こしにくい。メソ細孔内への発光物質の導入は、毛管凝縮により均質に進行するため、発光物質の分布が均質なコロイド結晶を作製することができる。しかも、本発明に係るコロイド結晶及びこれを用いた発光増幅器は、シリカをベースとするので、熱的、機械的及び化学的安定性が高い。
In contrast, in the present invention, since a luminescent substance is introduced into the mesopores of monodispersed spherical mesoporous silica and colloidally crystallized, it is possible to emit light even when irradiated with strong light. Deterioration and fading of the substance can be suppressed, and there is little possibility that the luminescent substance flows out.
Monodispersed spherical mesoporous silica has a high specific surface area and a large pore volume, and the state in the mesopores can be freely adjusted by modification. Therefore, various light-emitting substances can be included in a highly dispersed and high concentration, and the degree of freedom in material selection is great.
In addition, since the luminescent substance is encapsulated in the mesopores, molecules are easily isolated even at high concentrations, and concentration quenching is unlikely to occur. Since the introduction of the luminescent material into the mesopores proceeds homogeneously by capillary condensation, a colloidal crystal with a uniform distribution of the luminescent material can be produced. Moreover, since the colloidal crystal according to the present invention and the light-emitting amplifier using the same are based on silica, they have high thermal, mechanical and chemical stability.
さらに、発光物質の発光スペクトルとコロイド結晶の反射スペクトルとが重なりを持つ場合には、発光物質が励起されることにより発生した光がストップバンド内で共振、増強される。そのため、従来の発光増幅器と同等以上の発光増強効果が得られる。しかも、3層構造にする必要がないので、製造工程が簡略であり、装置をさらに小型化することもできる。
また、溶液型コロイド結晶及びゲル固定化コロイド結晶は、粒子間隔の制御が容易であるので、発光物質の発光スペクトルとコロイド結晶の反射スペクトルを一致させるのが容易である。そのため、発光増強効率の高いコロイド結晶を容易に製造することができる。
Further, when the emission spectrum of the luminescent substance and the reflection spectrum of the colloidal crystal overlap, the light generated by exciting the luminescent substance is resonated and enhanced within the stop band. Therefore, the light emission enhancement effect equivalent to or higher than that of the conventional light emitting amplifier can be obtained. In addition, since it is not necessary to have a three-layer structure, the manufacturing process is simple and the apparatus can be further miniaturized.
In addition, since the solution-type colloid crystal and the gel-immobilized colloid crystal can easily control the particle interval, it is easy to match the emission spectrum of the luminescent material with the reflection spectrum of the colloid crystal. Therefore, a colloidal crystal with high emission enhancement efficiency can be easily manufactured.
(実施例1〜2、比較例1〜2)
[1. 試料の作製]
[1.1 発光波長とストップバンドが一致するコロイド結晶(実施例1)]
[1.1.1 粒子合成]
C16TMACl(セチルトリメチルアンモニウムクロリド):7.04gを室温下、水:873.2g、メタノール:640g、エチレングリコール:80gの混合溶液に溶解させた。1規定の水酸化ナトリウム:6.84gを加えてさらに攪拌を続けた。予め混合したTMOS(テトラメチルオルトシリケート):5.02gと3−アミノプロピルメトキシシラン:0.31gを添加したところ、数分内に溶液が白色化して粒子が生成した。翌日に、ろ過、洗浄を繰り返し、乾燥後に550℃で6時間焼成することにより、球状粒子(MMSS2)を得た。
得られた粒子をSEMで観察したところ、粒子径320nmの非常に単分散性の高い球状粒子であることがわかった(図3(b))。
[1.1.2 色素吸着]
蛍光性色素には、ローダミン誘導体(Rh610)を用いた。Rh610を1mM濃度でエタノールに溶解し、溶液:4mLに対してMMSS2を200mgの割合で加えて、一晩攪拌し、シリカ細孔内への色素の吸着を行った。翌日、遠心分離により、上澄みを分離してローダミン導入メソポーラスシリカ粒子(Rh610−MMSS2)を得た。
導入した色素量を上澄みの吸光度から測定したところ、100mgのMMSS2に対して0.20mgであった。
[1.1.3 コロイド結晶作製]
得られたRh610−MMSS2を水に分散させて十分に超音波処理を行い、分散性の高いRh610−MMSS2分散液を調製した。隙間を30μmに調整した二枚の石英ガラス間に上記分散液を導入した。溶媒の蒸発に伴い、均一なピンク色の構造色を呈するコロイド結晶(サンプル2)が得られた。
(Examples 1-2, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of sample]
[1.1 Colloidal crystal whose emission wavelength and stop band coincide (Example 1)]
[1.1.1 Particle synthesis]
C 16 TMACl (cetyltrimethylammonium chloride): 7.04 g was dissolved in a mixed solution of water: 873.2 g, methanol: 640 g, and ethylene glycol: 80 g at room temperature. 1N sodium hydroxide: 6.84 g was added and stirring was continued. Premixed TMOS (tetramethylorthosilicate): 5.02 g and 3-aminopropylmethoxysilane: 0.31 g were added, and the solution turned white within a few minutes to produce particles. On the next day, filtration and washing were repeated, and after drying, the particles were baked at 550 ° C. for 6 hours to obtain spherical particles (MMSS2).
When the obtained particles were observed with an SEM, they were found to be spherical particles having a very high monodispersity with a particle diameter of 320 nm (FIG. 3B).
[1.1.2 Dye adsorption]
A rhodamine derivative (Rh610) was used as the fluorescent dye. Rh610 was dissolved in ethanol at a concentration of 1 mM, MMSS2 was added at a ratio of 200 mg to 4 mL of the solution, and the mixture was stirred overnight to adsorb the dye into the silica pores. On the next day, the supernatant was separated by centrifugation to obtain rhodamine-introduced mesoporous silica particles (Rh610-MMSS2).
When the amount of the introduced dye was measured from the absorbance of the supernatant, it was 0.20 mg with respect to 100 mg of MMSS2.
[1.1.3 Colloidal crystal production]
The obtained Rh610-MMSS2 was dispersed in water and sufficiently subjected to ultrasonic treatment to prepare a Rh610-MMSS2 dispersion having high dispersibility. The dispersion was introduced between two quartz glasses whose gaps were adjusted to 30 μm. With the evaporation of the solvent, a colloidal crystal (sample 2) exhibiting a uniform pink structural color was obtained.
[1.2 発光波長とストップバンドが一致しないコロイド結晶(比較例1)]
[1.2.1 粒子合成]
C16TMACl:7.04gを室温下、水:739.2gとメタノール:800gの混合溶液に溶解させた。1規定の水酸化ナトリウム:6.84gを加えてさらに攪拌を続けた。これにTMOS:5.28gを添加したところ、数分内に溶液が白色化して粒子が生成した。翌日に、ろ過、洗浄を繰り返し、乾燥後に550℃で6時間焼成することにより、球状粒子(MMSS1)を得た。
得られた粒子をSEMで観察したところ、粒子径560nmの非常に単分散性の高い球状粒子であることがわかった(図3(a))。
[1.2.2 色素吸着]
球状粒子としてMMSS1を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、ローダミン導入メソポーラスシリカ粒子(Rh610−MMSS1)を得た。
導入した色素量を上澄みの吸光度から測定したところ、100mgのMMSS1に対して0.19mgであった。
[1.2.3 コロイド結晶作製]
得られたRh610−MMSS1を水に分散させて十分に超音波処理を行い、分散性の高いRh610−MMSS1分散液を調製した。隙間を30μmに調整した二枚の石英ガラス間に上記分散液を導入した。溶媒の蒸発に伴い、均一なピンク色の構造色を呈するコロイド結晶(サンプル1)が得られた。
[1.2 Colloidal crystal whose emission wavelength and stopband do not match (Comparative Example 1)]
[1.2.1 Particle synthesis]
C 16 TMACl: 7.04 g was dissolved in a mixed solution of water: 739.2 g and methanol: 800 g at room temperature. 1N sodium hydroxide: 6.84 g was added and stirring was continued. When TMOS: 5.28 g was added thereto, the solution turned white within a few minutes and particles were produced. On the next day, filtration and washing were repeated, and after drying, baking was performed at 550 ° C. for 6 hours to obtain spherical particles (MMSS1).
When the obtained particles were observed with an SEM, they were found to be spherical particles with a very high monodispersity having a particle diameter of 560 nm (FIG. 3A).
[1.2.2 Dye adsorption]
Rhodamine-introduced mesoporous silica particles (Rh610-MMSS1) were obtained according to the same procedure as in Example 1 except that MMSS1 was used as the spherical particles.
When the amount of the introduced dye was measured from the absorbance of the supernatant, it was 0.19 mg with respect to 100 mg of MMSS1.
[1.2.3 Colloidal crystal production]
The obtained Rh610-MMSS1 was dispersed in water and sufficiently sonicated to prepare a highly dispersible Rh610-MMSS1 dispersion. The dispersion was introduced between two quartz glasses whose gaps were adjusted to 30 μm. With the evaporation of the solvent, a colloidal crystal (sample 1) exhibiting a uniform pink structural color was obtained.
[1.3 発光波長とストップバンドが一致するコロイド結晶(実施例2)]
[1.3.1 粒子合成]
C16TMACl:35.2gを室温下、水:4366g、メタノール:3090g、エチレングリコール:480gの混合溶液に溶解させた。1規定の水酸化ナトリウム:34.2gを加えてさらに攪拌を続けた。予め混合したTMOS:25.08gと3−アミノプロピルメトキシシラン:1.55gを添加したところ、数分内に溶液が白色化して粒子が生成した。翌日に、ろ過、洗浄を繰り返し、乾燥後に550℃で6時間焼成することにより、球状粒子(MMSS3)を得た。
得られた粒子をSEMで観察したところ、粒子径370nmの非常に単分散性の高い球状粒子であることがわかった(図4左図)。
[1.3.2 色素吸着]
球状粒子としてMMSS3を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、ローダミン導入メソポーラスシリカ粒子(Rh610−MMSS3)を得た。
導入した色素量を上澄みの吸光度から測定したところ、100mgのMMSS3に対して0.19mgであった。
[1.3.3 コロイド結晶作製]
得られたRh610−MMSS3を水に分散させて十分に超音波処理を行い、分散性の高いRh610−MMSS3分散液を調製した。隙間を30μmに調整した二枚の石英ガラス間に上記分散液を導入した。溶媒の蒸発に伴い、均一なピンク色の構造色を呈するコロイド結晶(サンプル3)が得られた(図4右図)。
[1.3 Colloidal crystal whose emission wavelength and stop band coincide (Example 2)]
[1.3.1 Particle synthesis]
C 16 TMACl: 35.2 g was dissolved in a mixed solution of water: 4366 g, methanol: 3090 g, and ethylene glycol: 480 g at room temperature. 1N sodium hydroxide: 34.2 g was added and stirring was continued. When premixed TMOS: 25.08 g and 3-aminopropylmethoxysilane: 1.55 g were added, the solution whitened within a few minutes to produce particles. On the next day, filtration and washing were repeated, and after drying, baking was performed at 550 ° C. for 6 hours to obtain spherical particles (MMSS3).
When the obtained particles were observed with an SEM, they were found to be spherical particles with a very high monodispersity having a particle diameter of 370 nm (the left figure in FIG. 4).
[1.3.2 Dye adsorption]
Rhodamine-introduced mesoporous silica particles (Rh610-MMSS3) were obtained according to the same procedure as in Example 1 except that MMSS3 was used as the spherical particles.
The amount of the introduced dye was measured from the absorbance of the supernatant and found to be 0.19 mg with respect to 100 mg of MMSS3.
[1.3.3 Colloidal crystal production]
The obtained Rh610-MMSS3 was dispersed in water and sufficiently sonicated to prepare a highly dispersible Rh610-MMSS3 dispersion. The dispersion was introduced between two quartz glasses whose gaps were adjusted to 30 μm. Along with the evaporation of the solvent, a colloidal crystal (sample 3) exhibiting a uniform pink structural color was obtained (right figure in FIG. 4).
[1.4 細孔のない球状シリカの隙間に色素を導入したコロイド結晶(比較例2)]
300nmの球状シリカコロイド粒子の水分散液を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、二枚の石英ガラスの間にコロイド結晶を作製した。得られたコロイド結晶を真空乾燥機で乾燥させ、粒子間隙の水を十分に取り除いた後、Rh610水溶液をガラス間に浸み込ませ、コロイド粒子の隙間への色素導入を試みた(サンプル4)。
[1.4 Colloidal crystal in which pigment is introduced into gaps between spherical silica particles without pores (Comparative Example 2)]
A colloidal crystal was produced between two quartz glasses according to the same procedure as in Example 1 except that an aqueous dispersion of 300 nm spherical silica colloidal particles was used. The obtained colloidal crystals were dried with a vacuum dryer, and after sufficiently removing water in the interstices, an aqueous Rh610 solution was immersed between the glasses to try to introduce a dye into the interstices between the colloidal particles (Sample 4). .
[2. 試験方法]
[2.1 ローダミンの発光スペクトルの測定]
ローダミンの発光スペクトルは、日本分光(株)製の分光蛍光光度計(FP−6500ST)を用いて測定した。励起光源には、タングステンランプを用いた。
[2.2 角度分解反射スペクトルの測定]
角度分解反射スペクトルは、(株)相馬光学製の反射/透過スペクトル測定装置を用いて測定した。光源には、ハロゲンランプ(スポット径:5mm)を用いた。
[2.3 コロイド結晶の発光スペクトルの測定]
図5に、実験装置の概略構成図を示す。Nd;YAGレーザーによりコロイド結晶に励起光(波長=532nm)を照射し、コロイド結晶中の発光層を励起して発光させた。発光した光をコロイド結晶に閉じこめて共振させ、増幅された光を分光器に導き、スペクトル分析した。
[2. Test method]
[2.1 Measurement of rhodamine emission spectrum]
The emission spectrum of rhodamine was measured using a spectrofluorometer (FP-6500ST) manufactured by JASCO Corporation. A tungsten lamp was used as the excitation light source.
[2.2 Measurement of angle-resolved reflection spectrum]
The angle-resolved reflection spectrum was measured using a reflection / transmission spectrum measuring apparatus manufactured by Soma Optics. A halogen lamp (spot diameter: 5 mm) was used as the light source.
[2.3 Measurement of emission spectrum of colloidal crystal]
FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of the experimental apparatus. The colloidal crystal was irradiated with excitation light (wavelength = 532 nm) by an Nd: YAG laser, and the light emitting layer in the colloidal crystal was excited to emit light. The emitted light was confined in a colloidal crystal and resonated, and the amplified light was guided to a spectroscope for spectral analysis.
[3. 結果]
[3.1 ローダミンの発光スペクトル]
図6に、本発明で用いた発光性有機色素(ローダミン誘導体(Rh610))の発光スペクトルを示す。ローダミンは、赤色系の色素であり、580nmに強い発光を示した。
[3. result]
[3.1 Emission spectrum of rhodamine]
FIG. 6 shows an emission spectrum of the luminescent organic dye (rhodamine derivative (Rh610)) used in the present invention. Rhodamine is a red-colored pigment and showed strong emission at 580 nm.
[3.2 コロイド結晶の角度分解スペクトル]
図7に、Rh610−MMSS1から作製したコロイド結晶(サンプル1、比較例1)の角度分解反射スペクトルを示す。図中の点線は、ローダミンの発光波長を示す。サンプル1の法線方向(入射角0°)での反射バンドは、コロイド結晶のブラッグ反射により1050nm付近に現れた。サンプル法線方向に対する光の入射角度(=検出角度)を増加させると、反射バンドは、低波長方向にシフトする。しかしながら、検出角度が90°付近になっても、反射バンドは、ローダミンの発光ピークと重なることはなかった。
[3.2 Angle-resolved spectrum of colloidal crystals]
FIG. 7 shows an angle-resolved reflection spectrum of a colloidal crystal (
図8に、Rh610−MMSS2から作製したコロイド結晶(サンプル2、実施例1)の角度分解反射スペクトルを示す。図中の点線は、ローダミンの発光波長を示す。サンプル2の法線方向(入射角0°)での反射バンドは、コロイド結晶のブラッグ反射により610nm付近に現れた。サンプル法線方向に対する光の入射角度(=検出角度)の増加に伴い、反射バンドと発光ピークの重なりが大きくなり、検出角度が20°付近で重なりが最大になった。
FIG. 8 shows an angle-resolved reflection spectrum of a colloidal crystal (
図9に、Rh610−MMSS3から作製したコロイド結晶(サンプル3、実施例2)の角度分解反射スペクトルを示す。図中の点線は、ローダミンの発光波長を示す。サンプル3の法線方向(入射角0°)での反射バンドは、コロイド結晶のブラッグ反射により715nm付近に現れた。サンプル法線方向に対する光の入射角度(=検出角度)の増加に伴い、反射バンドと発光ピークの重なりが大きくなり、検出角度が44°付近で重なりが最大になった。
FIG. 9 shows an angle-resolved reflection spectrum of a colloidal crystal (Sample 3, Example 2) produced from Rh610-MMSS3. The dotted line in the figure indicates the emission wavelength of rhodamine. The reflection band in the normal direction (
[3.3 発光ピークの増強及び狭線化]
図10に、図5に示す実験装置で測定したサンプル2(Rh610−MMSS2)の発光スペクトルを示す。検出角度θ=20°とした。
励起光エネルギーが0.02mJ/pulse以下では、ローダミン610の自然発光に基づいて半値幅が約30nmである幅広いピークが得られた。しかしながら、0.21mJ/pulse以上のエネルギーでは発光ピークが増加して、ピークの半値幅も狭くなった。励起エネルギーが2.1mJ/pulseでは、発光量140000、半値幅3.5nmとなり、発光ピークは著しく増強及び狭線化することがわかった。
同様な励起実験をサンプル1(Rh610−MMSS1)に対して行ったが、このような増強及び狭線化は観察されなかった。
[3.3 Enhancement and narrowing of emission peak]
FIG. 10 shows an emission spectrum of Sample 2 (Rh610-MMSS2) measured by the experimental apparatus shown in FIG. The detection angle θ was 20 °.
When the excitation light energy was 0.02 mJ / pulse or less, a broad peak having a half width of about 30 nm based on the spontaneous emission of
A similar excitation experiment was performed on Sample 1 (Rh610-MMSS1), but no such enhancement or narrowing was observed.
図11に、図5の実験装置で測定したサンプル1(Rh610−MMSS1)及びサンプル2(Rh610−MMSS2)の励起強度と発光強度との関係を示す。反射バンドがローダミンの発光波長と大きく重なるサンプル2では、励起エネルギー増加に伴い、発光ピークが著しく増強された。
一方、色素の発光ピークと反射バンドの重なりを持たないサンプル1では、全く増強がみられなかった。メソ細孔内に吸着したローダミン量はほぼ同じであることから、メソ細孔内に吸着した色素の発光が、コロイド結晶の反射バンドによって効率よく増強されることが明らかになった。
さらに、今回得られた値を非特許文献1と比較すると、同文献では、励起エネルギー10(MW/cm2)で24000まで発光が増強され、ピーク半値幅は15nmであった。サンプル2において、励起エネルギー10(MW/cm2)は0.8mJに相当する。この場合は、ピーク強度75000、半値幅3.7nmであり、非特許文献1に比べて発光増強及び狭線化が著しく向上していることがわかった。
FIG. 11 shows the relationship between the excitation intensity and emission intensity of Sample 1 (Rh610-MMSS1) and Sample 2 (Rh610-MMSS2) measured with the experimental apparatus of FIG. In
On the other hand, no enhancement was observed in
Furthermore, when the value obtained this time is compared with
図12に、図5の実験装置で測定したサンプル3(Rh610−MMSS3)の励起強度と、発光強度及び半値幅との関係を示す。検出角度θ=44°とした。
励起光エネルギーが0.02mJ/pulse以下では、ローダミン610の自然発光に基づいて、半値幅が約20nmである幅広いピークが得られた。しかしかがら、0.04mJ/pulse以上のエネルギーでは発光ピークが増加し、ピークの線幅も急激に狭くなった。励起エネルギーが0.4mJ/pulseでは、発光量16000、半値幅1.5nmとなり、発光ピークは著しく増強及び狭線化することがわかった。さらに、励起光エネルギーを2.1mJ/pulseまで上げたところ、発光ピークは90000まで増強された。実施例2のコロイド結晶についても、反射バンドと発光ピークが重なることにより、発光の著しい増強とスペクトルの狭線化が観察されることがわかった。
FIG. 12 shows the relationship between the excitation intensity of sample 3 (Rh610-MMSS3) measured with the experimental apparatus shown in FIG. The detection angle θ was 44 °.
When the excitation light energy was 0.02 mJ / pulse or less, a broad peak having a half width of about 20 nm was obtained based on spontaneous emission of
[3.4 発光物質の均一性]
実施例1及び実施例2で得られたコロイド結晶では、結晶全面が均一なピンク色を呈した。一方、比較例2で得られたコロイド結晶は、不均質で色むらが顕著に観察された。
さらに、紫外線を照射したところ、実施例1、2で得られたコロイド結晶では、全面がローダミンの発光に基づくオレンジ色を呈した。一方、比較例2で得られたコロイド結晶では、発光に濃淡が見られた。
メソ細孔内に色素を吸着させた球状シリカからコロイド結晶を作製する本発明の方法は、均質で大面積の結晶を簡便に作製でき、非常に有用性が高いことがわかった。
[3.4 Uniformity of luminescent material]
In the colloidal crystals obtained in Example 1 and Example 2, the entire crystal surface exhibited a uniform pink color. On the other hand, the colloidal crystal obtained in Comparative Example 2 was heterogeneous and the color unevenness was remarkably observed.
Furthermore, when the ultraviolet rays were irradiated, the colloidal crystals obtained in Examples 1 and 2 exhibited an orange color based on the emission of rhodamine. On the other hand, in the colloidal crystal obtained in Comparative Example 2, light and shade were observed.
The method of the present invention for producing a colloidal crystal from spherical silica in which a dye is adsorbed in mesopores has been found to be very useful because it can easily produce a homogeneous and large-area crystal.
[3.5 発光物質の安定性]
実施例1で得られた粒子(Rh610−MMSS2)をイオン交換水、及びクロロホルムに分散させた。分散液を攪拌した状態で1時間毎に上澄み液を分取して、吸光度変化を測定した(7時間まで)。図13に、イオン交換水に分散させたときの吸光度変化を示す。また、図14に、クロロホルムに分散させたときの吸光度変化を示す。なお、図13及び図14は、7時間分のデータを重ねたものである。
ローダミンの吸収ピークは、550nm前後である。ローダミンを吸着した球状粒子の水及びクロロホルム分散液では、いずれも、7時間攪拌を続けてもほとんどローダミン由来のピークは観察されなかった。ローダミンは、水及びクロロホルムには非常に溶解しやすいにもかかわらず、球状粒子のメソ細孔中に吸着したローダミンは、7時間攪拌しても溶媒中に溶出することはなかった。この結果から、メソ細孔中に吸着したローダミンは安定であることが示された。
[3.5 Stability of luminescent materials]
The particles (Rh610-MMSS2) obtained in Example 1 were dispersed in ion-exchanged water and chloroform. The supernatant was taken every hour while the dispersion was stirred, and the change in absorbance was measured (up to 7 hours). FIG. 13 shows changes in absorbance when dispersed in ion-exchanged water. FIG. 14 shows changes in absorbance when dispersed in chloroform. 13 and 14 are obtained by superimposing data for 7 hours.
The absorption peak of rhodamine is around 550 nm. In the water and the chloroform dispersion of spherical particles adsorbed with rhodamine, almost no rhodamine-derived peak was observed even when stirring was continued for 7 hours. Although rhodamine is very easily dissolved in water and chloroform, rhodamine adsorbed in the mesopores of the spherical particles did not elute into the solvent even after stirring for 7 hours. From this result, it was shown that rhodamine adsorbed in the mesopores is stable.
さらに、特に有機色素は、周囲の環境(水や光)などで容易に劣化しやすい。例えば、ローダミンにクロロホルムを加えると、ローダミンは容易に溶解して薄いピンク色を示す。しかしながら、その状態で室温に放置すると、分散液のピンク色はすぐに消失し、溶液は透明に変化した。
一方、ローダミンを吸着させた実施例2の粒子をクロロホルム溶液に分散させ、同様に室温に放置したところ、溶液は透明であるが、粒子はローダミン特有のピンク色を保持していた。
このような変化を定量的に把握するために、ローダミンのクロロホルム溶液、及び実施例2の粒子のクロロホルム分散液の吸光度変化を測定した。ローダミン溶液については、濃度を変えて2水準測定を行った。図15にその結果を示す。
測定した濃度では、クロロホルム溶液1、2中のローダミンの吸光度は、いずれの濃度においても急激に減少し、1時間以内にほぼゼロになった。
一方、実施例2の粒子のクロロホルム分散液の吸光度は、ほとんど変化せず、5時間後も同じ値であった。つまり、メソ細孔中に吸着したローダミンは、環境の影響を受けにくく、安定に存在することがわかった。
Furthermore, organic dyes are particularly easily deteriorated in the surrounding environment (water or light). For example, when chloroform is added to rhodamine, rhodamine dissolves easily and shows a light pink color. However, when left in that state at room temperature, the pink color of the dispersion immediately disappeared and the solution turned transparent.
On the other hand, when the particles of Example 2 on which rhodamine was adsorbed were dispersed in a chloroform solution and allowed to stand at room temperature in the same manner, the solution was transparent but the particles retained the pink color peculiar to rhodamine.
In order to grasp such changes quantitatively, changes in the absorbance of the chloroform solution of rhodamine and the chloroform dispersion of the particles of Example 2 were measured. The rhodamine solution was subjected to two-level measurement at different concentrations. FIG. 15 shows the result.
At the measured concentration, the absorbance of rhodamine in the
On the other hand, the absorbance of the chloroform dispersion of the particles of Example 2 hardly changed and remained the same after 5 hours. That is, it was found that rhodamine adsorbed in the mesopores is not affected by the environment and exists stably.
(実施例3、比較例3)
[1. 試料の作製]
[1.1 粒子の作製]
テトラエトキシシランとエチレングリコールをモル比1:4で混合し、乾燥窒素気流中で140℃に加熱した。このとき、エステル交換反応で生成するエタノールを蒸留により取り除き、テトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シランを得た。
水478.9g、メタノール320gの混合溶媒に対して、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)3.52g及び1規定水酸化ナトリウム水溶液1.14mLを添加した。これに室温でテトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン(シリカ原料)2mLを添加した。8時間攪拌して一晩放置した後、ろ過と脱イオン水による洗浄を3回繰り返して白色粉末を得た。この白色粉末を550℃で6時間焼成することにより、粒子径197nm(CV値:13.8%)の単分散球状メソポーラスシリカを得た(実施例3)。
また、粒子径317nm(CV値:4.2%)の市販の球状シリカ(ストーバー粒子)((株)日本触媒製)をそのまま用いた(比較例3)。
得られた粒子をそれぞれ水に分散させ、イオン交換樹脂を用いて脱イオンを行い、コロイド分散液を得た。
(Example 3, Comparative Example 3)
[1. Preparation of sample]
[1.1 Preparation of particles]
Tetraethoxysilane and ethylene glycol were mixed at a molar ratio of 1: 4 and heated to 140 ° C. in a dry nitrogen stream. At this time, ethanol produced by the transesterification reaction was removed by distillation to obtain tetrakis (2-hydroxyethoxy) silane.
To a mixed solvent of 478.9 g of water and 320 g of methanol, 3.52 g of hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) and 1.14 mL of 1N aqueous sodium hydroxide solution were added. To this, 2 mL of tetrakis (2-hydroxyethoxy) silane (silica raw material) was added at room temperature. After stirring for 8 hours and allowing to stand overnight, filtration and washing with deionized water were repeated three times to obtain a white powder. This white powder was fired at 550 ° C. for 6 hours to obtain monodispersed spherical mesoporous silica having a particle size of 197 nm (CV value: 13.8%) (Example 3).
Further, commercially available spherical silica (Stover particles) (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) having a particle size of 317 nm (CV value: 4.2%) was used as it was (Comparative Example 3).
The obtained particles were each dispersed in water and deionized using an ion exchange resin to obtain a colloidal dispersion.
[1.2 ゲル固定化コロイド結晶の作製]
アクリルアミドモノマー、架橋剤(N,N−メチレンビスアクリルアミド)、開始剤(2,2'−アゾビス[2−メチル−N−N[2−ヒドロキシエチル]−プロピノアミド)を水に溶かしてゲル化剤とした。これを[1.1]で得られたコロイド分散液に混合した。粒子の体積分率ゲル濃度10vol%、モノマー中における架橋剤の割合=10%とした。
[1.2 Preparation of gel-immobilized colloidal crystals]
An acrylamide monomer, a crosslinking agent (N, N-methylenebisacrylamide), an initiator (2,2′-azobis [2-methyl-NN [2-hydroxyethyl] -propinoamide) are dissolved in water to form a gelling agent did. This was mixed with the colloidal dispersion obtained in [1.1]. The volume fraction of particles was 10 vol%, and the ratio of the crosslinking agent in the monomer was 10%.
2枚のガラス板をエタノールで洗浄後、蒸留水で十分洗浄し,片方のガラス板に150μm厚のスペーサーを貼り付け、もう片方のガラス板と重ね合わせて鋳型として用いた。スペーサーは、ポリプロピレン製両面テープの片側の剥離フィルムを付けたままの状態のものを用いた。重ね合わせたガラス板をチャック付きのビニール袋に入れ、ゲル化剤を混合した分散液をピペットを用いて2枚のガラス板の間に注入した。袋から空気を追い出し、チャックを閉めて、乾燥や埃の混入を防ぎ、結晶が十分に成長するまで5分〜10分、静置した。
アズワン製UVランプ(365nm、出力743μW/cm2)を用いて紫外線を分散液に照射し、重合を行った。ゲル固定化後のサンプルは、乾燥による収縮を防ぐため、水中で保存した。コロイド結晶の大きさは、1cm×2cm×150μmである。
Two glass plates were washed with ethanol and then thoroughly washed with distilled water, a spacer having a thickness of 150 μm was attached to one glass plate, and the other glass plate was overlaid and used as a mold. The spacer used was a state in which a release film on one side of a double-sided polypropylene tape was still attached. The laminated glass plate was put into a plastic bag with a chuck, and a dispersion liquid in which a gelling agent was mixed was poured between the two glass plates using a pipette. Air was expelled from the bag, the chuck was closed, drying and dust contamination were prevented, and the sample was allowed to stand for 5 to 10 minutes until the crystals grew sufficiently.
Polymerization was performed by irradiating the dispersion with ultraviolet rays using a UV lamp (365 nm, output 743 μW / cm 2 ) manufactured by ASONE. The sample after gel immobilization was stored in water to prevent shrinkage due to drying. The size of the colloidal crystal is 1 cm × 2 cm × 150 μm.
[1.3 色素の吸着]
ゲル固定化したサンプルを蛍光物質溶液に1時間浸漬し、細孔内又は粒子間に色素を吸着させた。蛍光物質溶液には、ローダミン610水溶液(10μM)を用いた。
[1.3 Adsorption of dye]
The gel-immobilized sample was immersed in the fluorescent substance solution for 1 hour, and the dye was adsorbed in the pores or between the particles. A
[2. 結果]
[2.1 外観]
図16左図及び右図に、それぞれ、比較例3及び実施例3で得られたコロイド結晶の外観写真を示す。比較例3の場合、ローダミン水溶液に1時間浸漬すると、コロイド結晶は全体が薄いピンク色となったが、色むらも認められた。ローダミン水溶液に1時間浸漬後、水洗浄を行うと、コロイド結晶はローダミン水溶液に浸漬する前の色に戻った。
一方、実施例3の場合、ローダミン水溶液に1時間浸漬すると、コロイド結晶は、全体が均一な濃いピンク色を呈した。ローダミン水溶液に1時間浸漬後、水洗浄を行っても、コロイド結晶はローダミン特有の色を保持していた。さらに、8日間洗浄後も、色は薄くなるが、ローダミン特有のピンク色を呈していた。図16より、メソ細孔内に吸着させたローダミンは、極めて安定であることがわかる。
[2. result]
[2.1 Appearance]
The left and right views of FIG. 16 show photographs of the appearance of the colloidal crystals obtained in Comparative Example 3 and Example 3, respectively. In the case of Comparative Example 3, when immersed in an aqueous rhodamine solution for 1 hour, the entire colloidal crystal became light pink, but color unevenness was also observed. After washing for 1 hour in an aqueous rhodamine solution and washing with water, the colloidal crystals returned to the color before being immersed in the aqueous rhodamine solution.
On the other hand, in the case of Example 3, when immersed in an aqueous rhodamine solution for 1 hour, the colloidal crystals exhibited a uniform deep pink color. Even if it was immersed in an aqueous rhodamine solution for 1 hour and then washed with water, the colloidal crystals retained a color specific to rhodamine. Further, even after washing for 8 days, the color became light but exhibited a pink color peculiar to rhodamine. FIG. 16 shows that rhodamine adsorbed in the mesopores is extremely stable.
[2.2 垂直反射の反射スペクトル]
図17(a)に、ローダミン610の励起・蛍光スペクトルを示す。また、図17(b)に、実施例3で得られたコロイド結晶の垂直反射の反射スペクトルを示す。図17より、コロイド結晶の垂直反射の反射スペクトルのピークがローダミン610の蛍光スペクトルの最大値とほぼ一致していることがわかる。これは、コロイド粒子をゲル化させる際に粒子濃度を制御し、コロイド結晶の格子間隔を調整したためである。
[2.2 Reflection spectrum of vertical reflection]
FIG. 17A shows an excitation / fluorescence spectrum of
[2.3 コロイド結晶の発光スペクトル]
図5に示す装置を用いて、コロイド結晶の発光スペクトルを測定した。励起光強度は3.4mJ/pulseとし、NDフィルターを用いて励起光強度を11.2〜100%まで変化させた。スペクトルの測定角度は、サンプルの法線に対して5°とした。図18(a)に、実施例3で得られたコロイド結晶の発光スペクトルを示す。また、図18(b)に、その拡大図を示す。
図18より、色素の自然発光による広いスペクトルの他に、レーザー発振による非常に鋭いピークが数本観察された。レーザー発振のピーク(最強ピーク)の半値幅は0.5nm、ピーク間の波長間隔は約1nmであった。最強ピークの半値幅は、ローダミン610の通常の発光スペクトル及び発光増強時のスペクトルより狭く、1nm以下であり、レーザー発振が起きていることを示している。ピーク波長間隔は等間隔であり、これは縦モードのマルチ発振であることを示している。
[2.3 Emission spectrum of colloidal crystal]
The emission spectrum of the colloidal crystal was measured using the apparatus shown in FIG. The excitation light intensity was 3.4 mJ / pulse, and the excitation light intensity was changed from 11.2 to 100% using an ND filter. The measurement angle of the spectrum was 5 ° with respect to the normal line of the sample. FIG. 18A shows an emission spectrum of the colloidal crystal obtained in Example 3. Moreover, the enlarged view is shown in FIG.18 (b).
From FIG. 18, several very sharp peaks due to laser oscillation were observed in addition to a broad spectrum due to spontaneous emission of the dye. The half width of the laser oscillation peak (strongest peak) was 0.5 nm, and the wavelength interval between the peaks was about 1 nm. The full width at half maximum of the strongest peak is narrower than the normal emission spectrum of
図19に、実施例3で得られたコロイド結晶のピーク強度の励起光強度依存性を示す。図19より、励起光強度が大きくなるほど、最強ピークのピーク強度が増大することがわかる。
また、図20に、実施例3で得られたコロイド結晶のスペクトルのピーク位置の角度依存性(指向性)を示す。測定角度は、5°〜30°とした。図20より、角度を大きくしていくと急速にピーク強度は減少し、指向性の強い光が発生していることがわかる。この結果も,レーザー発振が起きていることを支持している。
FIG. 19 shows the excitation light intensity dependence of the peak intensity of the colloidal crystal obtained in Example 3. FIG. 19 shows that the peak intensity of the strongest peak increases as the excitation light intensity increases.
FIG. 20 shows the angle dependency (directivity) of the peak position of the spectrum of the colloidal crystal obtained in Example 3. The measurement angle was 5 ° to 30 °. From FIG. 20, it can be seen that as the angle is increased, the peak intensity rapidly decreases, and light having strong directivity is generated. This result also supports that laser oscillation is occurring.
(実施例4)
ローダミン610に代えて、他の有機色素(LDS750、ローダミン640、ナイルブルー690、クレシルバイオレット670、LDS698、オキサジン720、LDS722、LD700、LD800)、又は有機金属配位化合物(Alq3)を用いた以外は、実施例3と同様の手順に従い、ゲル固定化コロイド結晶を作製した。
いずれの発光物質であっても、メソ細孔内に導入することができた。また、いずれの発光物質とも、発光増強効果が認められた。
Example 4
Other than using
Any luminescent material could be introduced into the mesopores. In addition, an emission enhancement effect was observed with any luminescent material.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係るコロイド結晶及び発光増幅器は、レーザー発振装置、微少光源、表示装置、ディスプレイ、バックライト、照明光源、露光光源、読み取り光源、標識、看板、インテリアなどに使用することができる。 The colloidal crystal and light-emitting amplifier according to the present invention can be used for laser oscillation devices, micro light sources, display devices, displays, backlights, illumination light sources, exposure light sources, reading light sources, signs, signs, interiors, and the like.
Claims (5)
前記単分散球状メソポーラスシリカのメソ細孔内に導入された発光物質とを備え、
前記発光物質は、発光性の有機色素、有機金属配位化合物、高分子発光材料、及び半導体ナノ粒子から選ばれるいずれか1以上からなるコロイド結晶。 Monodispersed spherical mesoporous silica regularly arranged;
A luminescent material introduced into the mesopores of the monodispersed spherical mesoporous silica,
The luminescent substance is a colloidal crystal composed of any one or more selected from luminescent organic dyes, organometallic coordination compounds, polymer light-emitting materials, and semiconductor nanoparticles.
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