日本物質材料研究機構(NIMS)開發了一項以檸檬酸等為主要原料,具有環境友善性之微珠型發光材料,且能以低成本、省能源的方式合成,並因應照射的光線或微珠大小而發出各種顏色的光。
目前現有的發光材料一般是含有金屬之化合物半導體的薄膜、奈米粒子,或是含有稀土元素的陶瓷燒結體,但對於不使用供應較不穩定的稀土元素或對環境影響大之金屬元素的發光材料仍有其開發需求。在此情況下,以存在於自然界的檸檬酸與氨基酸為主原料製成,具有類似於石墨、煤的芳香環結構之石墨烯量子點、碳點(Carbon Dot)的研究亦持續推進。
碳點具有可以高效率吸收對人體有害的紫外線、藍光,並發射高量子產收率藍光的特性。然而,碳點在乾燥固化後幾乎不再發光,而且會隨著時間的推移而劣化,使其難以做為固體材料進行利用。有鑑於此,NIMS以天然微生物形成的發酵生成物-高分子狀胺基酸「聚離氨酸(Polylysine)」與植物來源的檸檬酸為主要原料,開發了一項新型微珠狀材料,不僅保留了碳點做為發光材料的特性,且即使是固體狀態仍可表現出強烈的發光強度。
在乾燥固化的情況下,一般的膠體(Colloid)螢光體會出現相鄰粒子發出的光被彼此吸收,以致降低發光效率的「自淬滅」現象。此次研究則在主要原料中添加少量對苯二胺(p-Phenylenediamine),並利用聚胺基酸的熱變性,開發出真球狀固體微珠材料。這些微珠內部形成了類似碳點,可以良好地吸收光並發光的縮合芳香環結構。
這些縮合芳香環結構分散在微珠內部,難以吸收彼此發出的光,因此當微珠暴露在光線下時會發出強光。這些微珠會隨著照射的光波長發出各種顏色的光,單一粒子發出的光可以自由變化,包括藍色、綠色、黃色、紅色的所有可見光,以及1000 nm以上的近紅外光。目前全世界尚未有其他此類材料的研究成果出現。
微珠內產生的光沿著微珠的表面循環,當微珠外周的光學距離變成光波長的整數倍時,就會產生共振並發出強光。此現象在發光光譜中以許多尖峰狀明線呈現,且光的波長、強度、明線寬度會隨著微珠的大小或球形度而有大幅變化。這種現象被稱之為「耳語迴廊模態(Whispering Gallery Mode; WGM)」。此次研究首度證明了可以利用生物或植物由來材料做為展現出WGM現象的基材,透過簡易的一次水熱合成方法進行微珠合成。由於開發的材料不使用金屬,故可望應用於低價格且安全之秘密墨水等日常應用、醫學或生物領域的標記粒子等領域。
此外,由於每個微珠反映其特性而有不同的WGM發射光譜,將可如同認證標籤或條碼般進行個別微珠的識別,因此可望應用於防止偽造的墨水、無法複製的認證技術等領域。新開發的材料透過改變照射光的波長,做為認證密鑰的WGM光譜也隨之變化,故可藉由使用兩種波長以上的光進行多重認證技術的開發。另在細胞成像螢光探針的研究方面,NIMS已計劃與英國艾希特大學(University of Exeter)展開共同研究。
新開發的微珠材料可如同指紋、條碼般進行利用,將能有助於新型認證技術的開發,今後可望應用於低價格且彩色的螢光塗料、多功能商品標籤、高安全性身份認證技術、位置追蹤生物標記等領域。