医療イメージング材料開発に新指針 金ナノクラスターの発光特性を自在に設計

2026-06-23 大阪大学産業科学研究所

大阪大学と京都大学の研究グループは、医療イメージング材料として期待される金ナノクラスターの発光特性を、表面を覆う配位子との相互作用によって自在に制御できることを明らかにした。金ナノクラスターは近赤外発光や高い生体適合性を持ち、生体内観察用プローブとして注目されているが、複数の近接した励起状態に由来する複雑な発光挙動を意図的に設計する手法は確立されていなかった。研究では、同一構造を持つAu₃₆金ナノクラスターに電子特性の異なる3種類の配位子を導入し、発光測定、時間分解分光、理論計算を組み合わせて解析した。その結果、配位子の軌道準位が金クラスターの励起状態形成に大きく関与し、発光寿命や多重発光特性を変化させることを解明した。特に2-ナフタレンチオール配位子では新たな発光状態が形成され、三成分の発光寿命が観測された。本成果は、金ナノクラスター本体の構造を変えずに発光特性を設計する新たな指針を示すものであり、生体イメージング、高感度センシング、環境応答型光機能材料の開発に貢献すると期待される。

医療イメージング材料開発に新指針 金ナノクラスターの発光特性を自在に設計

図1.理論計算された各Au36(SR)24クラスターのエネルギー準位図

<関連情報>

分子配位子の軌道が金クラスターの発光励起状態を制御する Orbitals of Molecular Ligands Control the Luminescent Excited States of Gold Clusters

Takumi Nawata,Wataru Ota,Tohru Sato,and Masanori Sakamoto

The Journal of Physical Chemistry C  Published: June 4, 2026

DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6c02745

Abstract

Au clusters are between bulk materials and molecules, and their energy levels are partially discrete in nature, lying between band and discrete molecular structures. Therefore, degeneracy between the energy levels progresses, and multiple excited states form with energetically closed energy levels. The unique luminescence properties of pseudo-degenerate states give rise to unique luminescence properties such as thermally activated delayed fluorescence and multiemission, which have attracted attention for applications such as imaging and sensing. However, a method of controlling pseudo-degeneracy has not yet been established. In this study, Au clusters (Au36) were fabricated with different types of ligands (cyclopentanethiol, benzenethiol, and 2-naphthalenethiol) and different pseudo-degenerate states. In the Au36 protected by 2-naphthalenethiol ligands (Au36(NP)24), a charge transfer state was formed by the naphthalene orbital, which was energetically lower than the lowest unoccupied molecular orbital of Au36. The independent luminescence states generated by the naphthalene orbitals exhibited temperature-dependent emission changes. This “cluster’s ligand effect” represents a novel design strategy for metal clusters as luminescent functional materials and highlights the potential of utilizing pseudo-degenerate states in photochemistry.

0501セラミックス及び無機化学製品
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