(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1波長の光を吸収して、第2波長の光を発することができる第1成分；及び
第3波長の光を吸収して、第4波長の光を発することができる第2成分；
を含む組成物であって、該第1及び第2成分が静電的に結合しており；
該第1成分が、II-VI族化合物、II-V族化合物、III-VI族化合物、III-V族化合物、IV-VI族化合物、I-III-VI族化合物、II-IV-VI族化合物、又はII-IV-V族化合物を含み；該第2成分が、J-会合体を含み；かつ該第2成分が、励起される場合、15nm以下のFWHMを有する光を発することができる、前記組成物。
【請求項２】
前記第2成分が、前記第2波長の光を吸収することができる、請求項１記載の組成物。
【請求項３】
前記第1成分が、前記第4波長の光を吸収することができる、請求項１記載の組成物。
【請求項４】
前記第1成分が、励起状態に励起することができ；かつ
前記第2成分が、該第1成分から励起状態エネルギーを受け取ることができる、請求項１記載の組成物。
【請求項５】
前記第1成分が、半導体ナノクリスタルである、請求項１〜４記載のいずれか１項記載の組成物。
【請求項６】
前記半導体ナノクリスタルが、静電荷を有することが可能な官能基を有する化合物を含有する、外部層を含む、請求項５記載の組成物。
【請求項７】
前記化合物が、前記半導体ナノクリスタルの表面に対して親和性を有する官能基をさらに含む、請求項６記載の組成物。
【請求項８】
第1静電荷を有する励起状態に励起することができる第1成分を、該第1成分から励起状態エネルギーを受け取りかつ反対の静電荷を有することが可能な第2成分と接触させることを含み、該第2成分が、励起される場合、15nm以下のFWHMを有する光を発することができる、請求項１〜７のいずれか１項記載の組成物の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項記載の組成物を励起することを含む、予め定められた波長の光の生成方法。
【請求項１０】
励起することが、前記組成物を励起波長の光で照射することを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
励起することが、前記組成物を電気的に励起することを含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(優先権の主張)
本出願は、その全体において引用により取り込まれている2007年8月17日に出願の米国仮特許出願番号第60/935,530号に対して優先権を主張する。
(技術分野)
本発明は、発光材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
(背景)
発光デバイスは、例えば、ディスプレイ(例えば、フラットパネルディスプレイ)、スクリーン(例えば、コンピュータスクリーン)、及び照明を必要とする他の物品において使用することができる。したがって、発光デバイスの輝度は、デバイスの重要な特徴の１つである。また、低い動作電圧及び高い効率が、発光デバイス製造の実現可能性を改善することができる。
【０００３】
発光デバイスは、デバイスの活性成分の励起に応答して光子を放出することができる。デバイスの活性成分(例えば、エレクトロルミネッセント成分)に電圧を印加することによって、発光を誘導することができる。エレクトロルミネッセント成分は、共役有機高分子や、エレクトロルミネッセント成分又は有機分子層を含むポリマーなどのポリマーであることができる。通常、デバイスの層間の励起された電荷の放射再結合によって、発光を引き起こすことができる。放射光は、輝度(カンデラ/平方メートル(cd/m2)又は電力束(W/m2))で測定される最大発光波長及び発光強度を含む発光プロファイルを有する。デバイスの発光プロファイル及び他の物理的特性は、材料の電子構造(例えば、エネルギーギャップ)によって変更することができる。例えば、発光デバイスの輝度、色の範囲、効率、動作電圧、及び動作半減期を、デバイスの構造に基づいて変更することができる。
【発明の概要】
【０００４】
(要旨)
一般に、発光材料は、広い吸収プロファイル及び狭い発光プロファイルを有することができる。特定の単量体材料会合体(「J-会合体」)及び会合体形態においては、極めて強い吸収及び放出特性をもたらす整列配置された双極子-双極子相互作用を受ける。有利には、J-会合体は、半導体ナノクリスタルと非共有結合的に結合され得る(例えば、静電的に結合する)。その結合された構築物は、UV及びスペクトルの青色成分全体に渡る広帯域吸収など、有利な光学的性質を有することができる。結合された場合、ナノクリスタル/J-会合体錯体は、UV光によって励起されることができる(ナノクリスタルを励起する)。当該ナノクリスタルは、エネルギーをJ-会合体へ移すことができ、結果、当該錯体はJ-会合体の発光プロファイルを有する。従って、当該錯体は、両材料の特徴を利用して、ナノクリスタルと同様に吸収し、J-会合体と同様に発光する。
【０００５】
このようなの材料の用途の1つは、光電子及び光学用途であり、当該連結体を基板上に堆積し、かつより高いエネルギー光子(光ルミネセント、PL)により、又は活性層として当該連結体を用いてPIN連結方式(エレクトロルミネセンス、EL)における電荷キャリアの注入により、励起することができる。PL構成において、ナノクリスタルの吸収特性は、入射光子を捕獲しかつエネルギーを非常に狭い発光ピークで発光する会合体へ移すのに理想的であり、このような発光体はCIEダイアグラムの極値点に達し、従って、RGB表示に利用可能な該ダイアグラム上の領域を拡張することができる。光子を吸収し、励起子を色素へ移すナノクリスタルの能力は、色素についての低い発振閾値を可能にし、会合体と相互作用しない波長でポンプすることができ、従って、光退色を予防することができる。これは、液晶スタイルのディスプレイ、又はフォトダイオードレーザーの発振媒体としての使用を見出すことができる。
【０００６】
別の用途は、タンパク質標識化などの生物学的用途又はゲノム配列決定であり、色素の細い発光線幅がより良好なスペクトル分解に役立ち得る。このように、多数の色素-ナノクリスタル連結体を用いて、半導体ナノクリスタル単独によって達成されるよりも優れた多重化度を可能にする。これはまた、全てのナノクリスタルがUVスペクトル全域に渡って十分に吸収するため、多くの連結体を全て単一近UV源(水銀ランプなど)で励起することができるという点で、従来の色素を超えた利点を提供する。また、これは、色素でなくナノクリスタルの吸収特徴で相互作用する波長を使用することにより、色素の光退色の課題も回避するであろう。さらに、近赤外発光波長を有する他のJ-会合体色素は、ヒトのインビボイメージングに使用することができる。
【０００７】
一態様において、組成物は、第1波長の光を吸収して、第2波長の光を発することができる第1成分、及び第3波長の光を吸収して、第4波長の光を発することができる第2成分を含み、ここで該第1及び第2成分は静電的に結合している。
【０００８】
該第2成分は、第2波長の光を吸収することができることができる。該第1成分は、第4波長の光を吸収することができることができる。該第1成分は、半導体ナノクリスタルであることができる。該第2成分は、J-会合体であることができる。
【０００９】
別の態様において、組成物は、励起状態に励起することができる第1成分、及び該第1成分から励起状態エネルギーを受け取ることができる第2成分を含む。該第2成分は、励起される場合、15nm以下のFWHMを有する光を発することができることができる。
【００１０】
該第1及び第2成分は、静電的に結合することができる。該第2成分は、J-会合体であることができる。該第1成分は、半導体ナノクリスタルであることができる。該半導体ナノクリスタルは、静電荷を有することが可能な官能基を有する化合物を含有する、外部層を含むことができる。該化合物は、該半導体ナノクリスタルの表面に対して親和性を有する官能基も含むこともできる。
【００１１】
別の態様において、組成物の製造方法は、第1静電荷を有する励起状態に励起することができる第1成分を、該第1成分から励起状態エネルギーを受け取りかつ反対の静電荷を有することが可能な第2成分と接触させることを含む。該第2成分は、励起される場合、15nm以下のFWHMを有する光を発することができる。
【００１２】
別の態様において、予め定められた波長の光の生成方法は、励起状態に励起することができる第1成分、及び該第1成分から励起状態エネルギーを受け取ることができる第2成分を含む組成物を励起することを含む。該第2成分は、励起される場合、15nm以下のFWHMを有する光を発することができる。
【００１３】
励起することは、前記組成物を励起波長の光で照射することを含むことができる。励起することは、前記組成物を電気的に励起することを含むことができる。
他の特徴、目的及び利点は、下記説明及び図面並びに請求項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図1は、組成物の模式図である。
【図２】図2は、組成物及び組成物の製造方法の模式図である。
【図３】図3は、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。
【図４】図4は、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。図4(挿入図)は、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。
【図５】図5は、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。
【図６】図6は、異なる材料の吸収及び光ルミネセンス挙動を例示する写真である。
【図７−８】図7〜8は、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。
【図９】図9A〜9Cは、異なる材料の光学的性質を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
(詳細な説明)
一般に、発光材料は、第1波長で光を吸収し、その後第2波長で光を発することができる。幾つかの材料において、吸収及び発光は、異なる成分上で生じる。第1成分は吸収波長で光を吸収することができ、それによって、より高いエネルギー励起状態を得る。励起された成分は、エネルギーを第2成分へ移すことができる(例えば、フェルスター共鳴エネルギー移動、すなわちFRET、又は別のエネルギー移動機構によって)。従って、該第2成分は、発光波長で光を放出することができる励起状態を得る。多くの場合、該第1成分は、光吸収より別の手段、例えば他の励起種からの電気的励起又はエネルギー移動によって、その励起状態を得ることができる。エネルギー移動の効率は、該第1及び第2成分の間の距離(他の要因の間で)に依存し得る。
【００１６】
該成分は、共有又は非共有相互作用によって互いに結合することができる。非共有相互作用は、水素結合、静電引力、疎水性相互作用及び芳香族スタッキング相互作用を含むが、これらに限定されるものではない。幾つかの場合において、例えば、1つの成分が電荷を有する(又は有することができる)場合、静電的相互作用が有利となり得る。
【００１７】
発光成分の1つの例は、J-会合体材料(例えば、シアニン色素)である。J-会合体材料は、共に結合することができる個々の双極子を有し、コヒーレントな量子力学的状態(j-バンド状態)を生じることができる。これらのj-バンド状態は、15nm以下、時には5nmほどの非常に狭い半値全幅(FWHM)を有する光を吸収し、発することが知られている。J-会合体は通常、荷電される；J-会合体の荷電された性質は、エネルギー移動を受けることができる他の材料とJ-会合体との静電的に結合された連結体を形成するために利用することができる。
【００１８】
半導体ナノクリスタルは、強度の、狭いバンド発光を有する広い吸収バンドを有することができる。発光のピーク波長は、該ナノクリスタルのサイズ、形状、組成及び構造の構成に応じて、可視及び赤外線領域の全体にわたってか調整することができる。該ナノクリスタルは、所望の化学的特性(所望の溶解性など)を有する外部表面で調製されることができる。ナノクリスタルによる発光は、長期間安定であり得る。
【００１９】
ナノクリスタルが励起状態を得る(すなわち、励起子がナノクリスタルに位置される)場合、発光波長での発光を生じることができる。該発光は、量子閉じ込め半導体材料のバンドギャップに相当する振動数を有する。該バンドギャップは、ナノクリスタルのサイズの機能である。小さい直径を有するナノクリスタルは、物質の分子とバルク形態との間の中間の特性を有することができる。例えば、小さい直径を有する半導体材料に基づくナノクリスタルは、全三次元のにおいて電子及び正孔の双方の量子閉じ込めを示すことができ、結晶サイズの減少と共に該材料の有効なバンドギャップの増加をもたらす。従って、ナノクリスタルの光学吸収及び発光の双方は、結晶サイズが減少するにつれて、青色、すなわちより高エネルギー側にシフトする。
【００２０】
ナノクリスタルからの発光は、狭いガウス発光バンド（Gaussian emission band）とすることができ、ナノクリスタルのサイズ、ナノクリスタルの組成、又はその両方を変更することによって、スペクトルの紫外領域、可視領域、又は赤外領域の全波長範囲にわたって調整することができる。例えば、CdSeは、可視領域において調整することができ、InAsは、赤外領域において調整することができる。ナノクリスタルの集団の狭いサイズ分布は、狭いスペクトル範囲での発光を生じさせることができる。該集団を、単分散にすることができ、ナノクリスタルの直径について15%rms未満の偏差、好ましくは10%未満の偏差、より好ましくは5%未満の偏差を示すことができる。可視域で発光するナノクリスタルに関して、約75nm以下、好ましくは60nm、より好ましくは40nm、最も好ましくは30nmの半値全幅(FWHM)の狭い範囲内でのスペクトル発光を観察することができる。IR発光ナノクリスタルは、150nm以下、又は100nm以下のFWHMを有することができる。発光のエネルギーの表現では、該発光は、0.05eV以下、又は0.03eV以下のFWHMを有することができる。発光の幅は、ナノクリスタル直径の分散性が減少するにつれて縮小する。半導体ナノクリスタルは、例えば10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、又は80%よりも大きい、高い発光量子効率を有することができる。
【００２１】
ナノクリスタルを形成する半導体は、II-VI族化合物、II-V族化合物、III-VI族化合物、III-V族化合物、IV-VI族化合物、I-III-VI族化合物、II-IV-VI族化合物、又はII-IV-V族化合物、例えばZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、TlN、TlP、TlAs、TlSb、TlSb、PbS、PbSe、PbTe、又はそれらの混合物を含むことができる。
【００２２】
単分散半導体ナノクリスタルの調製方法は、高温の配位溶媒に注入されるジメチルカドミウムなど有機金属試薬の熱分解を含む。これは、個々の核形成を可能にし、巨視量のナノクリスタルの制御された成長をもたらす。ナノクリスタルの調製及び操作は、例えば米国特許第6,322,901号及び第6,576,291号、並びに米国特許出願第60/550,314号に記載されており、各特許文献の全体は引用により取り込まれている。ナノクリスタルの製造方法は、コロイド成長プロセスである。コロイド成長は、Mドナー及びXドナーを高温配位溶媒に急速に注入することによって生じる。該注入により、核が生成され、該核を、ナノクリスタルの形成のために、制御された様式で成長させることができる。該反応混合物は、ナノクリスタルを成長させ、且つアニールするために、穏やかに加熱することができる。サンプル中のナノクリスタルの平均サイズとサイズ分布との両方が、成長温度に依存する。安定した成長を維持するために必要な成長温度は、平均結晶サイズの増加に伴って増加する。ナノクリスタルは、ナノクリスタルの集団のメンバーである。個々の核形成及び制御された成長の結果、得られるナノクリスタルの集団は、狭い単分散の直径分布を有する。単分散の直径分布は、サイズと呼ぶこともできる。核形成に続く、配位溶媒中でのナノクリスタルの制御された成長及びアニーリングのプロセスは、一様な表面誘導体化及び規則的なコア構造を生じさせることもできる。サイズ分布が鋭くなるにつれて、安定した成長を維持するために、温度を上昇させることができる。より多くのMドナー又はXドナーを添加することによって、成長期間を短縮することができる。
【００２３】
Mドナーは、無機化合物、有機金属化合物、又は元素金属とすることができる。Mは、カドミウム、亜鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、又はタリウムである。Xドナーは、Mドナーと反応して一般式MXを有する物質を生成することができる化合物である。通常、Xドナーは、カルコゲニドドナー又はプニクタイドドナー、例えば、ホスフィンカルコゲニド、ビス(シリル)カルコゲニド、二酸素、アンモニウム塩、又はトリス(シリル)プニクタイドである。適切なXドナーは、二酸素、ビス(トリメチルシリル)セレニド((TMS)2Se)、トリアルキルホスフィンセレニド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)セレニド(TOPSe)又は(トリ-n-ブチルホスフィン)セレニド(TBPSe)など)、トリアルキルホスフィンテルリド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)テルリド(TOPTe)又はヘキサプロピルホスホラストリアミドテルリド(HPPTTe)など)、ビス(トリメチルシリル)テルリド((TMS)2Te)、ビス(トリメチルシリル)スルフィド((TMS)2S)、トリアルキルホスフィンスルフィド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)スルフィド(TOPS)など)、アンモニウム塩(例えばハロゲン化アンモニウム(例えばNH4Cl)など)、トリス(トリメチルシリル)ホスフィド((TMS)3P)、トリス(トリメチルシリル)アルセニド((TMS)3As)、又はトリス(トリメチルシリル)アンチモニド((TMS)3Sb)を含む。特定の実施態様では、Mドナー及びXドナーは、同一分子内の成分とすることができる。
【００２４】
配位溶媒は、ナノクリスタルの成長の制御に役立たせることができる。配位溶媒は、ドナー孤立電子対を有する化合物であり、例えば、成長するナノクリスタルの表面に配位するのに利用できる孤立電子対を有する。溶媒配位は、成長するナノクリスタルを安定化させることができる。代表的な配位溶媒としては、アルキルホスフィン、アルキルホスフィンオキシド、アルキルホスホン酸、又はアルキルホスフィン酸があるが、ピリジン、フラン、及びアミンなどの他の配位溶媒も、ナノクリスタルの生成に適し得る。適切な配位溶媒の例としては、ピリジン、トリ-n-オクチルホスフィン(TOP)、トリ-n-オクチルホスフィンオキシド(TOPO)、及びトリス-ヒドロキシルプロピルホスフィン(tHPP)がある。工業用のTOPOを使用することができる。
【００２５】
反応の成長段階中のサイズ分布は、粒子の吸収線幅をモニタリングすることによって評価することができる。粒子の吸収スペクトルの変化に応じた反応温度の修正により、成長中、鋭い粒子サイズ分布の維持が可能になる。より大きな結晶を成長させるために、結晶成長中、反応物を核形成溶液に添加することができる。特定のナノクリスタル平均直径で成長を停止させ、半導体材料の適切な組成を選択することによって、ナノクリスタルの発光スペクトルは、300nm〜5ミクロンの波長範囲にわたって、又はCdSe及びCdTeについては400nm〜800nmにわたって連続的に調整することができる。ナノクリスタルは、150Å未満の直径を有する。ナノクリスタルの集団は、15Å〜125Åの範囲の平均直径を有する。
【００２６】
ナノクリスタルは、狭いサイズ分布を有するナノクリスタルの集団のメンバーであってよい。ナノクリスタルは、球形、棒状、円盤状、又は他の形状であることができる。ナノクリスタルは、半導体材料のコアを含むことができる。ナノクリスタルは、式MXを有するコアを含むことができ、ここでMは、カドミウム、亜鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、又はそれらの混合物であり、Xは、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、又はそれらの混合物である。
【００２７】
コアは、該コアの表面上にオーバーコーティングを有することができる。オーバーコーティングは、コアの組成とは異なる組成を有する半導体材料であってもよい。ナノクリスタルの表面上の半導体材料のオーバーコートは、II-VI族化合物、II-V族化合物、III-VI族化合物、III-V族化合物、IV-VI族化合物、I-III-VI族化合物、II-IV-VI族化合物、又はII-IV-V族化合物、例えばZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、TlN、TlP、TlAs、TlSb、TlSb、PbS、PbSe、PbTe、又はそれらの混合物を含むことができる。例えば、ZnS、ZnSe、又はCdSオーバーコーティングを、CdSe又はCdTeナノクリスタル上に成長させることができる。オーバーコーティングプロセスは、例えば米国特許第6,322,901号に記載されている。オーバーコーティング中に反応混合物の温度を調節し、コアの吸収スペクトルをモニタリングすることによって、高い発光量子効率と狭いサイズ分布とを有するオーバーコート材料を得ることができる。オーバーコーティングは、1〜10層の単層の厚さとすることができる。
【００２８】
粒子サイズ分布は、米国特許第6,322,901号に記載されている、メタノール/ブタノールなどのナノクリスタルに対する貧溶媒を用いるサイズ選択的沈殿法によって、さらに精製することができる。例えば、ナノクリスタルは、10%ブタノールのヘキサン溶液中に分散させることができる。メタノールは、乳光が持続するまで、攪拌溶液に滴下して加えることができる。遠心分離による上清と凝集物との分離により、サンプル中の最大結晶に富んだ沈殿物が生成される。この手順を、吸光スペクトルのさらなる鋭利化が認められなくなるまで繰り返すことができる。サイズ選択的沈殿法は、ピリジン/ヘキサン及びクロロホルム/メタノールを含めた種々の溶媒/非溶媒ペア中で実施することができる。サイズ選択されたナノクリスタル集団は、平均直径から15%rms以下の偏差、好ましくは10%rms以下の偏差、より好ましくは5%rms以下の偏差を有することができる。
【００２９】
ナノクリスタルの外部表面は、成長プロセス中に使用された配位溶媒から誘導される化合物を含むことができる。過剰な競合配位基へ繰り返し曝露することによって表面を改質することができる。例えば、覆われたナノクリスタルの分散は、ピリジンなどの配位性有機化合物を用いて処理することができ、ピリジン、メタノール、及び芳香族中では容易に分散し、しかし脂肪族溶媒中ではもはや分散しない結晶を生成する。そのような表面交換プロセスは、例えばホスフィン、チオール、アミン、及びリン酸塩を含めた、ナノクリスタルの外部表面と配位、又は結合できる任意の化合物を用いて実施することができる。ナノクリスタルは、表面に対して親和性を示し、且つ懸濁液又は分散媒体に対して親和性を有する成分で終わる短鎖ポリマーに曝露させることができる。そのような親和性は、懸濁液の安定性を改善し、ナノクリスタルの凝集を妨げる。ナノクリスタル配位化合物は、例えば、米国特許第6,251,303号に記載されている(この特許文献の全体を引用により取り込む)。
【００３０】
例えば、該ナノクリスタルの外部表面は、水溶液中にあるときに、複数の陰電荷を有するポリアクリラート成分を含むことができる。例えば、WO/2007/021757を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。
【００３１】
高い振動子強度(すなわち、吸収係数)を有する薄膜は、非共有相互作用の可能な2以上の材料を支持体又は基板上に溶液から交互に吸着することによって作成することができる。ここで、1の材料は光吸収材料である。非共有相互作用は、例えば、静電的相互作用又は水素結合であることができる。適切な材料及び組立条件の選択により、該光吸収材料が強い双極子-双極子相互作用に関与し、高い吸収係数を示す薄膜を生じることができる。該光吸収材料は、J-会合体を形成することができる色素であることができる。例えば、WO/2007/018570を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。このような薄膜は、発光デバイスに含まれることもできる。例えば、WO/2006/137924を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。
【００３２】
正又は負に荷電され得る光吸収材料の層は、反対荷電の材料の層を組み込むことができる。該反対荷電材料は、多価種を含むことができる。多価種は、各々部分的、単一、又は複数の電荷を有する複数の荷電部位；又は複数の電荷を有する単一荷電部位を有することができる。多価電解質は、例えば、各々部分的、単一、又は複数の電荷を有する複数の荷電部位を有することができる。多価電解質は、複数の荷電官能基が結合した骨格を有する。多価電解質は、ポリカチオン性又はポリアニオン性であることができる。ポリカチオンは、複数の正荷電官能基が結合した骨格、例えば、ポリ(アリルアミン塩酸塩)を有する。ポリアニオンは、複数の負荷電官能基が結合した骨格、例えば、スルホン化ポリスチレン(SPS)、ポリアクリル酸、又はそれらの塩を有する。幾つかの多価電解質は、pHのなどの条件に応じて、それらの電荷を失うことができる(すなわち、電気的に中性になり得る)。共重合体などの幾つかの多価電解質は、ポリカチオン部分及びポリアニオン部分の双方を含むことができる。水溶液中の多価電解質の電荷密度は、pH非感受性(すなわち、強い多価電解質)、又はpH感受性(すなわち、弱い多価電解質)であることができる。限定されるものではないが、幾つかの例示的な多価電解質は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDAC、強いポリカチオン)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH、弱いポリカチオン)、スルホン化ポリスチレン(SPS、強いポリアニオン)、及びポリアクリル酸(PAA、弱いポリアニオン)である。複数の電荷を有する単一荷電部位の例を挙げると、多価金属イオン、例えば、限定されるものではないがMg2+、Ca2+、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Sn4+、Eu3+、Tb3+などを含む。多価金属イオンは、塩、例えばCoCl2、FeCl3、EuCl3、TbCl3、CdCl2、及びSnCl4などの塩化物塩として利用できる。
【００３３】
該薄膜は、水素結合ポリマー、例えばポリアクリルアミド(PAm)、ポリビニルピロリドン(PVP)、及びポリビニルアルコール(PVA)などを含むことができる。該光吸収膜は、2以上の材料を含むことができる。これらの材料のうちの1つは光吸収材料であり、他の材料の1つは多価イオン種又は水素結合ポリマーである。架橋、接着を促進するため、又は発光若しくは光吸収の感度を高めるために、さらなる材料を薄膜に含むことができる。
【００３４】
該薄膜は、多価電解質の1又は複数の層、並びに強い双極子-双極子相互作用及び任意の付加的なドーパントを有する1以上の荷電種を含むことができる。強い双極子-双極子相互作用のために使用される荷電種のうちの少なくとも1つは、足場のために使用される多価電解質の電荷と反対の電荷を有する。順次基板に適用されるときに、該反対の電荷の材料は、静電的二重層の形成を引きつける。該多価電解質は、強い双極子-双極子相互作用を有する種に足場を提供し、階層構造を形成する。これらの薄膜は、荷電種の交互の吸着による薄膜構築の他の方法と互換性を持つ。該薄膜は、他の薄膜を用いて、多層薄膜ヘテロ構造に組み込まれ得る。
【００３５】
強い双極子-双極子相互作用を有する荷電種は、単一種、例えば単一種のJ-会合体材料(例えば、シアニン色素)などであることができる。あるいは、当該種のうちの強い双極子-双極子相互作用を有する幾つかの荷電種を使用することができる。強い双極子-双極子相互作用性の層に使用される種は、共に結合することができる個々の双極子を有し、コヒーレントな量子閉じ込め状態を生じることができる。これは、二次元のコヒーレンスの増加を可能にし、相互作用する種に対して垂直なプローブ寸法に影響を生じる。
【００３６】
J-会合作用は、パッキングを制御するシアニン色素の平坦な伸長形態、及び当該分子の骨格を形成する共役π系から形成される強い双極子の存在により可能とされる。色素1,1',3,3'-テトラエチル-5,5',6,6'-テトラクロロベンゾイミダゾロ-カルボシアニンクロリド(TTBC)が、「ヘリンボーン」又は「階段」型配置で起こるために提唱されている。例えば、Birkan, B.; Gulen, D.; Ozcelik, S. Journal of Physical Chemistry B 2006, 110, 10805-10813を参照されたい。それは、全体において引用により取り込まれている。それらの光遷移双極子が強くかつ構造的に結合するように、色素モノマーが配置され、かつ整列されるとき、該会合体は、集団的に発光するJ-バンド状態を形成し、その特性光ルミネセンス(PL)スペクトルは、モノマーのPLより赤色シフトし、かつ大幅に狭くなる。例えば、Vanburgel, M.; Wiersma, D. A.; Duppen, K. Journal of Chemical Physics 1995, 102, 20-33; 及びKnoester, J. Journal of Chemical Physics 1993, 99, 8466-8479を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。
【００３７】
これらのシアニン色素は、多くの場合、有機塩として生じる(Mishra, A.らの論文, Chem. Rev. 2000, 100, 1973-2011、それは全体において引用により取り込まれている。)。典型的には、発光団(lumophore)成分は、分子の色中心を形成する共役π系に結合するアミン成分上の部分的正電荷のために、正に荷電する。該発光団は、代わりに全体的に負に荷電し得る。結果として生じるJ-会合体は通常、水及びアルコールなどの多くの極性溶媒中に分散可能なナノスケール荷電種である。溶媒選択は、会合を促進するために必要とされる条件によって制限され得る。これらのイオン種は、荷電表面上へ(Fukumoto, Y. Yonezawa, Thin Solid Films 1998, 329;及びBradley, M.S.らの論文, Advanced Materials 2005, 17, 1881)、AgBrナノクリスタル粒子へ(Rubtsov, I. V.らの論文, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 2795-2802)、及び溶液中の荷電Auナノクリスタルへ(Lim, I.-I. S.らの論文, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6673-6682)、容易に吸着することが以前に示されている(各論文は全体において引用により取り込まれている。)。また、それらは、多価電解質-CdSe/ZnSナノクリスタル単層を堆積させた交互積層の薄膜上に集合した場合に、効率的なFRETアクセプター及びドナーであることも示されている(Zhang, Q.らの論文, Nat Nano 2007, 2, 555-559、それは全体において引用により取り込まれている。) 。ナノクリスタルを含む錯化合物の静電的合成(Electrostatic synthesis)は、ジヒドロリポ酸(DHLA)被覆、負荷電ナノクリスタル、及びロイシンジッパーなどの正荷電ポリペプチドを用いて示されている(例えば、Mattoussi, H.らの論文, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12142-12150を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。
【００３８】
シアニン色素のJ-会合体は、それらの強い蛍光のために長い間知られていた。この強い蛍光は、J-会合体を、有機発光デバイス(OLED)用の好ましい候補とし、これらのデバイスが示されている。薄膜成長の交互積層(LBL)技術は、最初にDecherらの文献によって開発され、J-会合体の薄膜を作成するために拡大された。それは、発光体としてJ-会合体を有するOLEDを作製した。例えば、E.E. Jelley, Nature 1936, 138, 1009; M. Era, C. Adachi, T. Tsutsui, S. Saito, Chem. Phys. Lett. 1991, 178, 488; G. Decher, J. D. Hong, J. Schmitt, Thin Solid Films 1992, 210, 831; H. Fukumoto, Y. Yonezawa, Thin Solid Films 1998, 329, 748; S. Bourbon, M. Y. Gao, S. Kirstein, Synthetic Metals 1999, 101, 152; Bradley, M.S.らの論文, Advanced Materials 2005, 17, 1881;及び2004年11月3日に出願された米国仮特許出願第60/624,187号を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。
【００３９】
図1は、半導体ナノクリスタル110及び結合されたJ-会合体160を含む組成物100を例示する。半導体ナノクリスタル110は、コア120、オーバーコーティング130、及び外部層140を含む。図1において、外部層140は、ナノクリスタル110の表面部分のみに示されるが、該外部層は、部分又は全体表面を被覆することができる。外部層140における化合物は、モノマー150と非共有相互作用を有する成分を含む。モノマー150は、J-会合体160に共に会合される。幾つかの実施態様において、非共有相互作用は、静電的相互作用であり、外部層140の成分はモノマー150の成分の電荷と反対の電荷を有する。
【００４０】
図2は、ナノクリスタル/J-会合体構築物の製造方法を例示する。J-会合体を形成可能なカチオン性色素(例えば、1,1',3,3'-テトラエチル-5,5',6,6'-テトラクロロベンゾイミダゾロカルボシアニンクロリド(TTBC))を、メタノールに溶解し、塩基性pHで、ナノクリスタルの水/メタノール溶液に加える。該ナノクリスタルは、酸性官能基を持つ外部層を有する。該溶液は塩基性pHであるので、該酸性官能基は負電荷を持つ。該溶液に水を加えると、該色素が、酸性官能基と該カチオン性色素分子との間の静電引力によってナノクリスタルと結合するJ-会合体を形成し始める。
【実施例】
【００４１】
これらの連結体を作成するために、荷電半導体ナノクリスタルを水/メタノール溶液に可溶化し、会合することができる荷電シアニン色素分子を選択した。可視において発光するZnSe/CdSe半導体ナノクリスタルを、選択された波長(555nm)で発光するナノクリスタルを生成するために改質した周知の方法を用いて合成した。このケースZnSにおいて、続いて、これらのナノクリスタルを、より高いバンドギャップ材料により、周知の方法を用いてオーバーコートした。これらの材料は、それらの生成容易性、輝度及びスペクトル範囲に関して選択したが、CdSe/ZnS、ZnCdSe/ZnS、CdSeTe/ZnSなどの類似のスペクトル範囲を有する他のナノクリスタルを用いることもできる。その後、該ナノクリスタルを、ナノクリスタル面と結合するアミン官能基及び溶液中において外側に位置する酸性官能基を有し、該ナノクリスタルの周囲に保護外部層を形成する、オクチルアミン修飾ポリアクリル酸で被覆した。例えば、WO/2007/021757を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。これらの修飾ナノクリスタルは、DMF、クロロホルム、メタノール及びエタノールなどの極性溶媒、並びにホウ酸緩衝液で塩基性pH(pH 8-10)に緩衝された水に容易に溶解した。これは酸性基上のプロトンを解離させ、容易に水に溶解し、かつ正荷電シアニン色素にイオンによって引きつけられる負荷電種を作成した。
【００４２】
(化学物質)
モノマー色素1,1',3,3'-テトラエチル-5,5',6,6'-テトラクロロベンゾイミダゾロカルボシアニンクロリド(TTBC)、並びにアニオン色素5,6-ジクロロ-2-[3-[5,6-ジクロロ-1-エチル-3-(3-スルホ-プロピル)-2(3H)-ベンゾイミダゾリデン]-1-プロペニル]-1-エチル-3-(3-スルホ-プロピル)ベンゾイミダゾリウム水酸化物、分子内塩、ナトリウム塩(BIC)を、Charkit Chemical社から購入した。トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO, 99%及び工業用)、ヘキサデシルアミン(HDA)、セレン粉末、ヘキサメチルジシラチアン(TMS2-S)、ジメチルホルムアミド(DMF, 無水)、オクチルアミン(95%)、デシルアミン(96%)、ポリアクリル酸(200MW)、水酸化ナトリウム、塩酸(濃)、酢酸エチル、ヘキサン、ブタノール、メタノール及びクロロホルムの全ては、Aldrichから購入した。トリオクチルホスフィン(TOP, 98%)、及びカドミウム2,4-ペンタンジオナート(99%)は、Stremから購入した。ヘキシルホスホン酸(HPA, 99%)、及び水酸化テトラメチルアンモニウム五水和物は、Alpha Aesarから購入した。ジエチル亜鉛及びジメチルカドミウムはStremから購入し、使用の前に0.2μmフィルタでろ過した。1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩(EDC, 99%)は、Flukaから購入した。トリオクチルホスフィンセレニド(1.5M TOP-Se)は、トリオクチルホスフィン中、セレン粉末を一晩撹拌することによって生成した。
【００４３】
(ナノクリスタル合成)
ZnSe/CdSe/ZnSナノクリスタルは、周知の方法を用いて合成した。ZnSeナノクリスタルを製造するため、三口丸底フラスコをAr下、300℃に加熱した後、その中でHDAを110℃で脱気し、96mgのジエチル亜鉛、0.28mLのTOP-Se、及び4.72mlのTOPの溶液を該フラスコに注入し、270℃で1.5時間加熱後に150℃に冷却した。一方、8gのTOPO及び0.4gのHPAを有する四口フラスコを160℃で脱気した後、Ar下、150℃に冷却し、4mLのZnSeナノクリスタル溶液を注入した。注入後すぐに、78mgのジメチルカドミウム、0.16mLのTOP-Se、及び4.84mLのTOPの溶液を該フラスコに、1秒あたり1滴の速度で加えた。その後、発光ピークが532nmで安定するまで、該溶液を150℃で19時間保持した。続いて、該ナノクリスタルを、ブタノール及びメタノールの添加によって二回沈殿させ、それぞれの沈殿後に、ヘキサン中で再分散した。次に、この溶液を、160℃で脱気し80℃に冷却した10gのTOPO及び0.4gのHPAの溶液を含む四口フラスコに加えた。真空によってヘキサンを除去した後に、該フラスコをAr下、155℃に加熱し、2つの溶液、6mgジメチルカドミウム、5mLのTOP中の49mgジエチル亜鉛のうちの一方、及び5mLのTOP中の160mg TMS2-Sのうちの他方を、シリンジポンプによって1時間あたり1.5mLの速度で同時に加えた。この後に、該ナノクリスタルを冷却し、ブタノール及びメタノールの添加によって溶液から二回沈殿させ、クロロホルム中で再分散した。最終的なナノクリスタルのλmaxは、555nmであった。クロロホルム中の完成されたナノクリスタルの量子収率は、参照としてクマリン540(エタノール中QY=89%)を用いて、〜50%であるとわかった。
【００４４】
CdSe/ZnSナノクリスタルは、周知の方法によって合成した。三口50ml丸底フラスコ中、3.25gのTOPO(99%)、3.0gのTOPO(tech.)、及び5.75gのHDA、及び0.28gのHPAを、Ar下、160℃で脱気した後、360℃で加熱した。8mLのTOP中、0.31gのカドミウム2,4-ペンタジオナート、0.5mLのDDAの溶液を110℃で脱気した後、冷却して2mLの1.5M TOP-Seを加えた。その後、この溶液を360℃で該フラスコに注入し、すぐに冷却した。続いて、該CdSeナノクリスタルを、ブタノール及びメタノールで溶液から二回沈殿させ、各回をヘキサン中で再分散させた。次に、この溶液を、160℃で脱気して80℃に冷却した10g TOPO及び0.4g HPAの溶液を含む四口フラスコに加えた。真空によってヘキサンを除去した後に、該フラスコをAr下で100℃に加熱し、0.5mLのデシルアミンを加え、該溶液を1時間攪拌した。この後に、該フラスコを170℃に加熱し、2つの溶液、18mgジメチルカドミウムのうちの一方、5mLのTOP中の72mgジエチル亜鉛、及び5mLのTOP中の252mg TMS2-Sの他方を、シリンジポンプによって1時間あたり1.5mLの速度で同時に加えた。ナノクリスタルは、それから冷やされて、ブタノール及びメタノールの添加によって溶液から沈殿して、そして、すべての溶媒を除去するために、真空下で乾燥された。最終的なナノクリスタルのλmaxは、570nmであった。クロロホルム中の完成されたナノクリスタルの量子収率は、参照としてローダミン590(エタノール中QY=89%)を用いて、〜30%であるとわかった。
【００４５】
(アニオン性ポリマーの合成)
該合成は、以前に報告されるものから構成した(例えば、Wu, X.らの論文, Nature: Biotechnology 2003, 21, 41-46を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。250mL一口フラスコ中において、1.000gのポリアクリル酸(2000 MW)を10mLのDMFに溶解し、その後1.333gのEDCのDMF溶液60mLを加えた。ゆっくりと、撹拌すると共に、0.91mLのオクチルアミンを該フラスコに滴下添加し、該溶液を一晩撹拌した。該ポット中の溶媒の総量が〜5 mLになるまで、DMFを真空によって除去した。この時に、溶液及び上清から沈殿するポリマーを除去し、廃棄するまで、脱イオン水を加えた。その後、30mLの脱イオン水を該ポットに加え、4gの水酸化テトラメチルアンモニウムとともに撹拌した。続いて、30mLの酢酸エチルを加えて二相を形成し、該溶液を一晩撹拌した。次に、該混合物を分液ロートに入れ、分離し、水相画分を保持した。その後、水溶液中の幾らかの残留酢酸エチルを真空下で除去した。続いて、約10mLの3M HClを加えて該ポリマーを沈殿させ、3900 RPMで遠心して該沈殿物を取り出し、800mgのNaOHを加えた30mLの脱イオン水中にそれを再分散させた。該溶液をボルテックスし、一日静地し、再分散した。再び、〜10 mLの3M HClを加えて該ポリマーを沈殿させ、その後、3900 RPMで遠心し、過剰なHClを除去するために脱イオン水で数回洗浄した。続いて、得られた粉末を乾燥し、粉砕し、アミン修飾ポリマー試薬を形成した。
【００４６】
(アニオン性ナノクリスタルの水可溶化)
真空によって乾燥した555nm(NC555)のλmaxを有するナノクリスタル10mgを含む20mLのクロロホルムを、60mgのアミン修飾ポリマーを含む20mLのクロロホルムの撹拌溶液に滴下添加し、0.5時間撹拌し、クロロホルムを真空下で除去した。pH=9ホウ酸緩衝溶液10mLを、該乾燥ポリマー被覆ナノクリスタルに加え、再分散し、ストック溶液(緩衝水溶液中の1mg/mlのナノクリスタル)としてそれらを保存した。
【００４７】
(カチオン性ナノクリスタルの水可溶化)
続いて、真空により乾燥した570nm(NC570)のλmaxを有する約2mgのナノクリスタルを、100μLのヘキサン中で分散させ、50μLのDHLA-アミノ-PEGを含む100μLメタノールに加え、室温で45分間撹拌した。その後、2mLのエタノール及び2滴のクロロホルムを加え、該粒子を安定化させた後に、ヘキサンを用いてそれらを沈殿させた。次に、該粒子を3900 RPMで遠心し、上清を廃棄した後、該ナノクリスタルを2mLの脱イオン水に再分散させ、ストック溶液(水中、〜1mg/mLのナノクリスタル)を形成した。
【００４８】
(カチオン性TTBCを用いるNC/J-会合体の形成)
ガラスバイアル中において、0.1mg/mL TTBCの0.2mLメタノール溶液を、0.5mLのメタノールに加えた。アニオン性ポリマー被覆NC555のストック溶液(緩衝水溶液中、1mg/mLナノクリスタル)の0.1mLを該バイアルに加え、会合の前に該モノマーを該ナノクリスタルに結合させた。続いて、5mLの脱イオン水を、TTBCが会合するように急速にバイアルに加えた。
【００４９】
(アニオン性BICを用いるNC/J-会合体の形成)
ガラスバイアル中において、BICの溶液(水中0.1mg/mL)の0.2mLを、0.1mLのDHLA-アミノ-PEG被覆NC570のストック溶液(水中、〜1mg/mL)及び2mLの脱イオン水に加えた。続いて、1〜2滴の濃NaCl溶液を加え、該ナノクリスタル上にBICの迅速な会合を生じさせた。
【００５０】
(過渡光ルミネセンス)
サンプルを、二次高調波発生又はTi:サファイアレーザーを増幅した250kHzの光学パラメータ増幅(コヒーレントOPA)によって得られる400nm又は570nmパルスで励起した(コヒーレントRegA 9000)。発光を、分光器(Acton)によって分散し、ストリークカメラ(Hamamatsu C5680)で時間分割した。
【００５１】
(フェルスター共鳴エネルギー移動(FRET)計算)
球状ドナー(すなわち、ナノクリスタル)から内半径R1から外半径R2まで伸びているアクセプター(すなわち、J-会合体)の周囲シェルへのFRET速度は、以下によって与えられる：
【数１】
0005658563.tif 000002
式中、RFは、標準フェルスター形式を用いる単一ドナー/アクセプター対の特有FRET半径であり、τDは、結合前のドナー寿命であり、NAは、シェル範囲内のアクセプターの数である。FRET速度は、エネルギー移動効率Eから推定することができる：
【数２】
0005658563.tif 000003
式中、PLDA(E)及びPLD(E)は、それぞれ、アクセプターの存在下及び非存在下でのドナーPLスペクトルに対応し、及び同様にτDAは、アクセプター存在下でのドナー寿命である。
【００５２】
(発光、吸収及びPLEスペクトル)
図3は、ナノクリスタル/J-会合体構築物(「連結体」)、ナノクリスタル単独(「NC555」)、及びナノクリスタル非存在下で会合したTTBC(「TTBC J-会合体」)の発光スペクトルを示す。 該構築物は、J-会合体の発光波長で狭いバンド発光を有するが、該J-会合体の発光より強度が高い。UVで励起されるとき、該連結体は、12nmのFWHMを有するλ= 585nmで発光した。該ナノクリスタル発光は、色素会合体によってほぼ完全に消光し、該溶液の発光強度は、同一のモノマー濃度で、ナノクリスタル非存在で会合された色素よりも著しく大きかった(図6参照)。該構築物の量子収率は、〜590nmで発光するナノクリスタルの標準サンプル(QY=70%)を用いて、365nmで励起される場合、40%と測定された。これは、標準としてローダミン610(メタノール中QY=95%)を用いて順に較正した。該構築物の吸収スペクトルは、ナノクリスタル及びJ-バンド吸収特徴を示す。該構築物のJ-バンドは、ナノクリスタル非存在会合色素のJ-バンドと比較して、わずかに青色シフトし、広幅化する(図4)。図4は、モノマー色素(TTBCモノマー)、ナノクリスタル非存在の会合色素(TTBC J-会合体)、ナノクリスタル/J-会合体構築物(連結体)、及びサンプル濃度〜10nmol L-1でのナノクリスタル(NC555)の吸収スペクトルを示す。図4(挿入図)は、図4の吸収スペクトルの一部を示し、320-420nmのUV励起領域において、ナノクリスタル非存在下の会合体色素(J-会合体)の吸収の上側、ナノクリスタル(NC555)の近くに、該構築物(連結体)に与えられる増加した吸収を強調している。これらの矛盾は、該ナノクリスタルの独立して形成されるものと対照的に、該ナノクリスタル上に形成された会合体のサイズの違いのためであると思われる。しかしながら、該色素発光が、負荷電ポリマーの異なる局所電場環境ために、ある程度ソルバトクロミックシフトした可能性がある。該会合工程を行った後にモノマー色素吸収と思われる十分な寄与も存在した。図4(挿入図)で示すように、該ナノクリスタルによる該構築物の増加した吸収は、400nmより短い励起波長で、該構築物の増加したPLに応答する。
【００５３】
また、FRETの証拠は、PLEスペクトル(図5)にも示され、該ナノクリスタル及びJ-会合体の密接な結合を更に確認した。J-バンドピーク(該構築物について585nm及び該会合体単独について594nm)でのJ-会合体発光の相対強度は、該構築物の場合において、UV励起時に、350-400 nmの間の波長で最大25倍に著しく増加した。UV励起は、該ナノクリスタルに励起子を作成し、その後、それは該J-会合体のJ-バンドに移動し、該ナノクリスタルのPL強度を消光するが、J-会合体のそれを増加させた。UVで励起される場合、555nmでの溶液の比較的低い光学濃度(〜0.3)及び非連結J-会合体の低い発光強度は、観察されたJ-バンド発光が、近くのナノクリスタルからの光子の吸収及び再発光に起因すること、又は該J-会合体の直接UV励起に起因することはないことを保証する。
【００５４】
(ナノクリスタル/J-会合体構築物の静電的組立)
図2に示したように、ナノクリスタル/モノマー溶液への水の添加により、該ナノクリスタル上に色素を会合させる。会合の前には、(i)該ナノクリスタルドナーと該色素モノマーアクセプターとの間の小さいスペクトル重なり、及び(ii)該モノマーとナノクリスタル周囲のポリマーシェルとの間のより弱い結合のため、FRETは観察されなかった。連結は、該色素及び該ナノクリスタル層上の反対電荷の静電引力によって駆動された。これは、FRET対が該ナノクリスタル及び該J-会合体が反対に荷電している場合にのみ形成するが、これらが双方とも負に荷電している場合には形成しないという観察から明白であった。後者の場合、該ナノクリスタル及び該会合体、双方からの発光が同時に見られ、各々の独立した寿命はスペクトル的に分割された。
【００５５】
該構築物種において形成される会合体のサイズは、動的光散乱(DLS)測定を用いて、会合工程の前後で該ナノクリスタルの流体力学的半径を比較することによって概算した。FRETから示されるように、DLSは、結合された会合体の存在にもかかわらず、サイズの顕著な変化を明らかにしなかった。2つの要因が、これらの観察に寄与した。第一に、ナノクリスタルの存在下で形成された会合体は、ナノクリスタル非存在下で形成されるものより非常に小さく、測定(〜2nm)の標準偏差に含まれる。第2に、正に荷電した色素分子の添加は、該構築物の全体の負電荷を減少させ、該構築物周囲に溶媒和シェルのためのより少ないサイズを生じる。さらに、該ポリマーと溶液との間の境界線が拡散される場合、色素会合体は、該ポリマーシェル内に埋められることができる。測定誤差(±2nm)及び該ポリマーシェルのサイズ(〜4 nm)を考慮して、該会合体は、平均して、長さ6nm未満であると推測され得る。
【００５６】
動的光散乱測定は、以下の半径を決定した：ナノクリスタル, 6.4nm；J-会合体, 89.6nm；構築物, 13.5nm。別々の測定において、決定された半径は、以下の通りだった:ナノクリスタル, 5.9nm；J-会合体, 49nm；及び、構築物, 9.3nm。
【００５７】
J-会合体のサイズの下界は、励起子が非局在化される領域を推定することによって決定した。この領域は、コヒーレンス領域として知られ、沈殿分子数Ncによって記述され、下記表現によって与えられる：
【数３】
0005658563.tif 000004
式中、ΔM及びΔJは、それぞれ、J-会合体及びモノマーの吸収ピークのFWHMである。例えば、Knapp, E. W.らの論文Chemical Physics Letters 1984, 111, 481-486を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。該吸収スペクトルから、会合体のサイズについて〜1nmの下界を設定して、Nc＞5の分子を決定した。対照的に、流体力学半径55nmである大きい会合体は、ナノクリスタル非存在下で形成される場合、DLSによって測定した。従って、該ナノクリスタル上の利用可能なアニオン性カルボン酸酸性部位は、J-会合体形成のための核形成位置として役立ち、著しく小さいサイズのJ-会合体をより多く生じるように見えた。
【００５８】
反対荷電ナノクリスタル存在下での会合は、ナノクリスタル非存在下で形成されるものと比較して、該J-会合体により大きな程度の安定性を与えた。溶液中の会合体のないものとは異なり、ナノクリスタル/会合体構築物におけるJ-会合体は、再溶解することなく数回希釈されることができ、該ナノクリスタルに結合した該会合体内のモノマーのより強い結合を示している。300kDaカットオフフィルターを用いる該構築物のフィルタリングは、ごくわずかなモノマー色素を放出し、J-会合体を放出しなかった。これは、該相互作用が安定なことを示唆している。該構築物の系列希釈は、光ルミネセンス強度の比例的減少を与えた；一方、J-会合体の希釈は、比例的減少よりも大きいという結果をもたらす。
【００５９】
図6は、部屋照明(左パネル)下及びUV励起(右パネル)下、ナノクリスタルの存在(各イメージ中の左バイアル)及び非存在(各イメージ中の右バイアル)下で調製されたJ-会合体のバイアルの写真を示す。上パネルにおいて、該色素は会合形態(すなわち水溶液)中にあり、一方、下パネルにおいて、該色素はモノマー形態(すなわちメタノール溶液)にある。
【００６０】
(過渡光ルミネセンス)
定常状態分光測定は、FRET、従って、該ナノクリスタル及びJ-会合体の接近した連結を示し、蛍光寿命測定(図8)はこれらの結論を確認するために必要とされる。そのため、該ナノクリスタル及び該色素会合体を別々に励起し、FRETの発生を確認し、FRET速度を推定するために、それぞれのケースにおいて、J-バンド発光を集光した。
【００６１】
図7は、ナノクリスタルの寿命測定を示す(寿命減少順)；400nmで励起させた構築物;564nmで励起させた構築物;577nmで励起させた構築物;400nmで励起させたJ-会合体;577nmで励起させたJ-会合体。
【００６２】
図8の減衰曲線は、570nm励起に対して、ナノクリスタル非存在下で会合されたTTBC(〜0.1 ns)及びナノクリスタル/J-会合連結体(〜0.7 ns)をプロットしたもの、並びに400nm励起に対して、ナノクリスタル/J-会合連結体(〜0.9 ns)及び色素非存在でのナノクリスタル(〜5.6 ns)をプロットしたものである。
【００６３】
570nmで励起した場合(J-会合体の直接の励起)、該構築物の蛍光寿命は〜700 psであることが検出されたが、非連結J-会合体の蛍光寿命は〜100psである。これらの２種間の速度の違いは、構築物J-会合体が実際、別々に形成されるものより著しく小さいという結論を支持し、初期のDLS結論と一致する。一方、400nmで励起される該構築物の寿命は900ps(ナノクリスタル吸収が優位な所で)であったが、非連結型ナノクリスタルのそれは、5.6 ns(該ナノクリスタル発光のピークで測定)であった。予想通り、吸収及び再発光の徴候はなかった。J-バンドでの発光は、該ナノクリスタルの寿命に従うだろう。400nm(該ナノクリスタルを励起)及び570nm(J-会合体を励起)の両方で励起した構築物の一致する寿命が値において非常に近いことは、FRET速度は、該アクセプターの寿命と比較して速いことを示している。計測器(〜50 ps)の分解能の範囲内で、観察可能な立ち上り時間の欠如は、FRET速度が少なくともそのくらい速いことを示す。
【００６４】
(FRET速度計算)
FRET速度、ΓETは、該ナノクリスタル発光のPL消光に基づいて決定することができる。TTBCアクセプターの存在下、該ナノクリスタルスペクトルのPL強度は、100倍以上に低下した。式(2)を用いて、消光効率Eは少なくとも99%であり、同等に、FRET速度は、5.61 nsの該ナノクリスタル寿命より少なくとも99倍速かった。従って、FRETプロセス1/ΓETと関連する「寿命」は、多くても57psであった。この時間スケールは、PL減衰の立ち上がり時間が50ps(計測器の分解能)未満である、過渡光ルミネセンスにより検出された観察と一致する。
【００６５】
このFRET速度は、式(1)を用いて第1原理から算出される移動速度とも一致した。この手法において、該ナノクリスタルドナーから単一連結TTBCアクセプターへのエネルギー移動のプロセスを表すRFが決定される。RFは、TTBCの吸収スペクトルを有するナノクリスタルからPLスペクトルの重なり積分を算出することによって得た。重なり積分において、モノマー及びJ-会合体特徴双方の吸収スペクトルが含まれ、TTBCの形態の双方が恐らく該ナノクリスタルに結合されるので、どちらの種でも生じるエネルギー移動を占めていた。この計算から、ナノクリスタルからモノマー又はJ-会合体形態のいずれかである単一連結TTBCアクセプターへのFRETに関して、フェルスター半径はRF =5.1nmを与えた。
【００６６】
式(1)を用いて正味の移動速度の計算を完成するために、ナノクリスタル/J-会合体構築物を特徴付ける数種のパラメータが要求される。各ナノクリスタルに連結するTTBCアクセプターの数NAは、光学吸収及び希釈実験から決定した。各種の吸収断面積に基づいて、該溶液中のナノクリスタルに対するTTBCの比は、1ナノクリスタル当たり色素分子150であった。従って、1ドナー当たりの連結アクセプター数は、フィルター後に保持される色素が全て、該ナノクリスタルに結合されていると仮定するならば、NA = 150である。該ナノクリスタルのTEMから、平均ナノクリスタル半径2.8nmをデシルアミンキャッピングリガンドの推定されたサイズ(〜0.7 nm)に加えることによって、R1 = 3.5nmが計算された。DLS測定は、該構築物の流体力学半径を提供し、R2 = 8.0nmを与える。
【００６７】
式(1)は、正味のFRET速度を決定するために用いた。RFは、幾何学的スケール-因子
【数４】
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より小さい3.6%であり、正味の移動速度がNA、1ナノクリスタル当たりの連結されるTTBC分子数により支配されることを示している。これは、ナノクリスタルPLプロセスより120倍速い正味の移動速度になる。ストリークカメラ測定から、τD = 5.61ナノ秒であり、従って、第1原理の計算は、1/ΓET =47psの移動「寿命」を与えた。これはPLを用いる実験的観察と一致した。
【００６８】
(ナノクリスタル/BIC構築物の結果)
負に荷電する色素BICを、正に荷電するアミノPEG被覆ナノクリスタルに結合し、静電的組立の普遍性を検討した。このBIC(-)/ナノクリスタル(+)系に関して、TTBC(+)/ナノクリスタル(-)系のFRET特徴とほとんど同一のFRET特徴が観察された。図9Aにおいて、該連結種の吸収スペクトルは、該BIC色素が特性J-バンドピークの出現から、溶液中において実際に会合したことを示す。一旦、該ナノクリスタルに連結されると、該ナノクリスタルの発光は完全に消光した。図9Bで見られるように、該連結体の発光スペクトルは、BIC会合体からの発光に完全に支配された。それは12nmのFWHMを有する。BICは、該ナノクリスタルの存在下、非存在の場合よりも著しく低い塩濃度で会合した。会合体単独の発光を超える該連結体の発光の全体の向上は、400nmでの該連結体種の増加した吸収及び該ナノクリスタルの存在下で形成した会合体種の大きな数のために、約100倍であった。
【００６９】
該構築物種のPL寿命減衰(図9C)は、ナノクリスタル発光及び該構築物減衰曲線の速い立ち上り時間(限界分解能)を示さず、J-会合体単独のそれと類似の減衰定数と一緒になった。該ナノクリスタル寿命(〜1.4 ns)は、該構築物のナノクリスタル上に会合した色素(〜0.32 ns)及びナノクリスタルの非存在下で会合した色素(〜0.21 ns)の寿命と比較して非常に長いことが観察された。再度、どちらのピークにおいても上昇は観察されず、会合体色素の寿命はいずれの場合においてもほとんど等価であり、計測器の分解能より速いに移動速度を示す(〜50 ps)。
【００７０】
TTBC/ナノクリスタル構築物の場合の様に、これは、FRET速度がアクセプター励起状態の寿命より非常に速いことを示した。従って、TTBC/ナノクリスタル系は、水中のナノクリスタルを分散させるための特定の色素又は配位子系に特有ではない。
他の実施態様は、添付の請求項の範囲内である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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