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アルギニルクーマリンとアルミニウムによる新規蛍光材料

研究者：秋田大学 工学資源学部

材料工学科

講師 辻内 裕

2

【 クーマリン類、 4-ヒドロキシクーマリン について】

【 クーマリン】【 7-ヒドロキシ-4-メチルクーマリン】

用途

○香料○化粧品○医、薬用品

用途（近年）

○有機色素レーザー

材料○色素増感太陽電池の増感剤

植物由来

3

クーマリンの光吸収スペクトルについて

【紫】 4-ヒドロキシクーマリン【燈】 7 -ヒドロキシ-4-メチルクーマリン

240 260 280 300 320 340 360 380 400-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Wavelength / nm

Abs

orba

nce

/ OD

5

43

21

4

アルギニンについて

必須アミノ酸の1つ。

○免疫反応の活性化、細胞増殖促進し、コラーゲン生成促進などにより、創傷や褥瘡の治癒を促す。

食物では、肉類、ナッツ、大豆、玄米、レーズン、エビ、牛乳などに多く含まれる。

○アルギニンは成長ホルモン誘導体の一種。

同様の効果があるとされるアミノ酸にオルニチンがあり、共にサプリメントに配合されている。

生物化学的特性・・・広い範囲で細胞に必要となっている

背景と目的

5

クーマリンの基本骨格

色素レーザー材料

色素増感太陽電池材料

蛍光プローブ材料

従来古くからの用途•香料•化粧品•医薬用品• など etc

蛍光特性

植物界に広く分布

多岐にわたって応用される有望な物質

人工合成を含め１０００種類以上

6

目的．

•水溶性•塩基性•生物に必須

•蛍光物質•構造が単純•水に難溶

+

4－ヒドロキシクーマリン（以降 ４C と表記）

L－アルギニン（以降 Arg と表記）

着目

２つから 合成 ・・・・・・・・・・・・・・＞ 水溶性の蛍光物質に

さらにイオン（Metal ion , … etc ）との組合わせた

可視光発光材料、 （Metal , … ）イオン検出プローブの開発可視光発光材料、 （Metal , … ）イオン検出プローブの開発

クーマリンの蛍光特性とアルギニンの生物化学特性を生かした

新規蛍光性化合物の開発新規蛍光性化合物の開発

7

実験 クーマリン誘導体（以降Arg-4Cと表記）の合成方法及び 金属イオン添加

8

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 4000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Wavelength/nm

Abs

orba

nce

/ OD

5↓

4↓

12

3

1:照射前 2:2分照射 3:4分照射

↑

マイクロ波照射による光吸収スペクトル変化

↑

マイクロ波照射による光吸収スペクトル変化

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Wavelength/nmA

bsor

banc

e / O

D

1

2

3

4

5

6差スペクトル

9

250 300 350 400 450 500-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

Wavelength / nm

Inte

nsity

/ a.

u.

12

【 4-ヒドロキシクーマリン】

【生成物】

348 374

生成物の励起発光スペクトル

生成物の励起発光スペクトル

合成してできる化合物の発光極大波長は元物質より短波長

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【 アルギニルクーマリン まとめ 】

【構造イメージ】研究段階

L-アルギニンと4-ヒドロキシクーマリンをマイクロ波照射によって化合させ、安定性の高い化合物を短時間（2～3分）で高収率で生成させることが可能となった。

アルギニルクーマリン（仮称）

水溶性、塩基化合物、pH7.1

光吸収極大波長 253, 324nm励起発光極大波長 348, 352, 357nm

用途

○香料○化粧品○医、薬用品

○有機色素レーザー材料○色素増感太陽電池の増感剤

○イオン種センサー材料

○その他、ｅｔｃ

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金属イオン添加による励起発光の変化

300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

-600

-550

-500

-450

-400

Wavelength / nm

Inte

nsity

/ a.

u.

Metal ion titration and fluorescent spectrums of productλex:286nm10 - 50 uLof 1mM metal ion solution added to 5000uL of 0.01mM of arg-coumarin solution

Arg-4C) 5 + 0 (MgCl2 Arg-4C) 5 + 1 (MgCl2Arg-4C) 5 + 2 (MgCl2Arg-4C) 5 + 3 (MgCl2Arg-4C) 5 + 5 (MgCl2Arg-4C) 5 + 1 (CuCl2Arg-4C) 5 + 2 (CuCl2Arg-4C) 5 + 3 (CuCl2Arg-4C) 5 + 4 (CuCl2Arg-4C) 5 + 5 (CuCl2

Arg-4C) 5 + 4 (MgCl2 not shown here

Withoutmetal

金属イオン添加による励起発光の変化

強度増大↑

Mg2+添加

Cu2+添加↓

強度減少

他のイオン(Co2＋, In3＋, K＋, Ca2＋, … )ではCu2＋のように 蛍光強度は下がった

12

300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 4000

100

200

300

400

500

600

700

800

Wavelength / nm

Inte

nsity

/ a.

u.

pH6.3 (+0μL)*pH6.2 (+2)pH6.1(+4)pH6.0(+6)pH5.8 (+8)pH5.8 (+10)pH5.7 (+12)pH5.7 (+14)pH3.7 (+1)**

*(10mM HCl solution )**( 1M HCl solution )

実験 ｐＨの変化のみによるArg-４Ｃの発光スペクトル変化

362nm

350nm

発光ピークが

長波長側へ偏移

酸性へ傾くと

実験 ｐＨの変化のみによるArg-４Ｃの発光スペクトル変化

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実験 アルギニルクーマリンに AlCl3 滴下実験

Arg-4C に AlCl3 を添加したときの発光スペクトル

300 350 400 450 500 550-100

0

100

200

300

400

500

600

700

Wavelength / nm

Fluo

resc

ent I

nten

sity

/ a.

u.

1.Arg-4C only (pH6.3) 2. + 20mM AlCl3 (pH3.6) 3. + 40mM AlCl3 (pH3.4) 4. + 60mM AlCl3 (pH3.3) 5. + 80mM AlCl3 (pH3.2) 6. + 100mM AlCl3 (pH3.2) 7. + HCl (pH2.3) 8. AlCl3 only (pH3.2)

351nm↓

363nm↓

8

1

7

2～6

475nm↓

440 460 480 500 520 540

0

20

40

60

80

100

120

140

8

17

475nm↓

20mM

100mM

2

6

実験 アルギニルクーマリンに AlCl3 滴下実験

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実験 ４ヒドロキシクーマリンに AlCl3 滴下実験

４CにAlCl3を添加したときの発光スペクトル

300 350 400 450 500 550-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Wavelength / nm

Fluo

resc

ent I

nten

sity

/ a.

u.

4C only (pH6.0) + 20mM AlCl3 (pH3.7) + 40mM AlCl3 (pH3.5) + 60mM AlCl3 (pH3.3) + 80mM AlCl3 (pH3.3) + 100mM AlCl3 (pH3.2)

480nm↓

↑373nm

↑365nm

440 460 480 500 520 540

0

20

40

60

80

100

120

140

480nm↓

20mM

100mM

実験 ４ヒドロキシクーマリンに AlCl3 滴下実験

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Arg-4C、 4C に及ぼすAl3+ イオンの効果の差異

Arg-4C aq. or 4C aq. + ｎAlCl3・６H2O → 反応 イメージ 式

Arg-4C or 4C・ｎAl(OH)3 + ３nHCl +3nH2O

440 460 480 500 520 540-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Wavelength / nm

Fluo

resc

ent I

nten

sity

/ a.

u.

475nm↓

20mM

100mM

440 460 480 500 520 540-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Wavelength / nm

Fluo

resc

ent I

nten

sity

/ a.

u.

480nm↓

20mM

100mM

クーマリンの発光メカニズムをもたらす基本的化学構造が保持されていて、なおかつArgとの化合によってAlの作用をより強く受けられる物質に変換した。

Arg-4C、 4C に及ぼすAl3+ イオンの効果の差異

考察 金属イオンの イオン半径 に着目してみる

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考察金属イオンの イオン半径 に着目

発光機構変化わずか発光強度

増大

発光機構大きく変化可視光が加わる

クーマリン分子に作用大クーマリン分子に作用大

発光機構

可視光が加わる

発光機構変化わずか発光強度

増大

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本技術の要点

本発明は、４ヒドロキシクーマリンとアルギニンから合成する新規物質アルギニルクーマリンにアルミニウムを添加すること によって、紫外線励起～紫外線発光だけでなく、青色発光青色発光((波長波長475nm475nmコバルトブルーコバルトブルー))を得るものである。

青色発光青色発光((波長波長475nm475nmコバルトブルーコバルトブルー))

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従来技術とその問題点・ 従来のクーマリン色素誘導体の合成法は複雑な化学工程を経るものが多かった

・ 高分子化に適さない化学成分を用いていることが多い、

・ 生体毒性が残る

・ 外界のイオンとの選択的反応が見えにくい

などの問題点があった。

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新技術の特徴・従来技術との比較合成工程の簡素化、短時間に高収率で合成

生産コストが1/１０～１/１００程度まで削減極めて明瞭な光吸収、励起発光特性

Mg、Al に選択的に反応し、蛍光強度は濃度依存 （ 濃度の対数に比例する ）

検出に最適

アミノ酸との合成物である

生体毒の低減

高分子化の可能性

機能性が強化された材料として利用可能

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想定される用途および業界本技術の特徴を生かして・・・

原材料であるアミノ酸レベルあるいは生成物レベルからの高分子化出発材料

メモリー、有機色素レーザーなど波長制御を要するフォトニクス材料

太陽エネルギーの効果的な利用のための材料（色素増感太陽電池の増感剤）

Mg、Al イオン検出材料→蛍光プローブ

新規化粧品

新規医学用薬品

製造販売する企業

製造販売する企業

製造販売する企業

製造販売する企業

材料～医薬品～バイオテクノロジー 様々 に期待

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実用化に向けた課題現在、合成収率について９０～９５％が可能なところまで開発済み。しかし、分子構造の決定が未解決である。NMRおよびFAB-MS、結晶化～X線構造解析技術等により解明していく。

今後、分子構造について実験データを取得し、高分子化に適用していく場合の条件設定を行っていく。

実用化に向けて、合成の収率を ９９％まで向上させる。

光吸収、発光特性の波長制御技術を高分子化と組合わせて開発する。

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企業への期待化粧品関連

医薬品関連

分子生物学研究目的の製品開発、製造関連

フォトニクス材料関連企業

マイクロ波有機合成関連企業

タンパク質分子を利用する分子デバイス関連

アミノ酸結合色素を用いた新規分野への展開

などを想定している企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権発明の名称 ：アルギニンとクーマリン色素から合成した蛍光性化合物

出願番号 ：特願2007-034546出願人 ：秋田大学

発明者 ：辻内 裕

発明の名称 ：アルギニンとクーマリン色素から合成した蛍光性化合物

出願番号 ：特願2008-022812出願人 ：秋田大学

発明者 ：辻内 裕

お問い合わせ先秋 田 大 学

産学連携推進機構知的財産部門

柴田 春一（しばた しゅんいち）TEL 018-889-3020FAX 018-837-5356e-mail ：sshibata@jimu.akita-u.ac.jp

産学連携推進機構産学連携・共同研究部門

文部科学省産学官連携ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀｰ仙波 日出夫（せんば ひでお）TEL 018-889-2703FAX 018-837-5356e-mail ：senba@crc.akita-u.ac.jp

科学技術振興機構（JST）

技術移転促進部 シーズ展開課技術移転プランナー 鷲田 弘ＴＥＬ ：０３－５２１４ － ７５１９ＦＡＸ ：０３－５２１４ － ８４５４e-mail： h2washit@jst.go.jp

ご静聴ありが

とうございまし

た！

ご静聴

ありがとうございました！

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