L-システインとL-セリンをキャップしたZnS:Mnナノ結晶の水溶液中での二価遷移金属イオンの検出における光センサー活性の違い

Differential Photosensor Activities for the L-Cysteine and L-Serine Capped ZnS:Mn Nanocrystals in the Detection of Divalent Transition Metal Ions in Aqueous Solution.

• Mi Choi
• Cheong-Soo Hwang

抄録

コロイド状のZnS:Mnナノ結晶（NC）は、NC表面に従来のアミノ酸をキャッピングすることで水中で合成した。L-システイン(Cys)分子とL-セリン(Ser)分子は、非常に類似した構造を持ちながら末端官能基が異なる。その光学特性を紫外-可視及びフォトルミネッセンス(PL)分光法を用いて調べた。ZnS:Mn-Cys及びZnS:Mn-Ser NCのPLスペクトルは590nmに広い発光ピークを示した。高分解能透過型電子顕微鏡（HR-TEM）画像から測定された平均粒子径は4.38 nm（ZnS:Mn-Cys）と5.57 nm（ZnS:Mn-Ser）であった、また、デバイシェラー計算によってサポートされています。また、水溶液中のNCの表面電荷をゼータ粒子径分析装置を用いて測定したところ、水中のZnS:Mn-Cys(-43.93mV)及びZnS:Mn-Ser(-8.21mV)では負電荷を帯びた表面が形成されていることがわかった。本研究では、これらの負に帯電したNCを感光体として用いて、水溶液中の特定の2価の遷移金属カチオンを同一条件で検出した。その結果、ZnS:Mn-CysとZnS:Mn-Ser NCは、第一列目の二価遷移金属イオンの添加により全く異なる光センサー活性を示すことがわかった。前者はZn(II)イオンを除くほとんどの金属イオンに対して発光消光効果を示したが、後者は同条件でCu(II)イオンに対して排他的な発光消光効果を示した。これらの結果から、これらのNCは水中でのZn, Cuイオンセンサーとして応用できることが示唆された。

Colloidal ZnS:Mn nanocrystals (NCs) were synthesized in water by capping the NC surface with conventional amino acids: L-cysteine (Cys) and L-serine (Ser) molecules, which have very similar structures but different terminal functional groups. The optical properties were investigated by using UV-Visible and photoluminescence (PL) spectroscopy. The PL spectra for both ZnS:Mn-Cys and ZnS:Mn-Ser NCs showed broad emission peaks at 590 nm. The measured average particle size from the high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) images were 4.38 nm (ZnS:Mn-Cys) and 5.57 nm (ZnS:Mn-Ser), which were also supported by Debye-Scherrer calculations. In addition, the surface charge of the NCs in aqueous solutions were measured using zeta-particle size analyzer spectroscopy, which showed formation of negatively charged surface for the ZnS:Mn-Cys (-43.93 mV) and ZnS:Mn-Ser (-8.21 mV) NCs in water. In this present study those negatively charged NCs were applied as photosensors for the detection of specific divalent transition metal cations in aqueous solution at the same condition. Consequently, the ZnS:Mn-Cys and ZnS:Mn-Ser NCs showed totally different photosensor activities upon the addition of first-row divalent transition metal ions. The former NCs showed luminescence quenching for most added metal ions except for Zn (II) ions; whereas the latter NCs showed exclusive quenching effect for Cu (II) ions at the same conditions. These results suggested that those NCs can be applied as Zn and Cu ion sensors in water.