[論文レビュー] Rhodamine B as a probe for phase transition in liquid solutions

Ivan I. Shishkin, Tmiron Alon+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Photochemistry and Electron Transfer Studies参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ローダミンBが液体水から氷への相転移を非常に感度の高い蛍光プローブとして検出できることを示している。凍結点において、蛍光強度は30倍低下し、蛍光寿命は2.55 ns/°C減少する。一方、エタノール溶液では同様の不連続性は観察されず、ローダミンBが水の相転移に特異的に感受されることの理由は、強い染料-溶媒相互作用に起因する。

ABSTRACT

Local environment of fluorescent dyes could strongly affect emission dynamics of the latter. In particular, both signal intensities and emission lifetimes are highly sensitive to solvent temperatures. Here, temperature-dependent behavior Rhodamine B fluorescence in water and ethanol solutions was experimentally investigated. Phase transition point of liquid water to ice was shown to have a dramatic impact on both in intensity (30-fold drop) and in lifetime (from 2.68ns down to 0.13ns) of the dye luminescence along with the spectral shift of spectral maxima from 590 to 625nm. At the same time, ethanol solvent does not lead any similar behavior. The reported results and approaches enable further investigations of dye-solvent interactions and studies of physical properties of liquids at phase transition points.

研究の動機と目的

• 水およびエタノール溶液におけるローダミンBの温度依存的蛍光挙動を調査すること。
• ローダミンBが液体溶媒の相転移をプローブとして機能できるかどうかを特定すること。
• 強度ベースと寿命ベースの蛍光センシングの相転移検出性能を比較すること。
• 異なる溶媒におけるローダミンBの温度プローブとしての感度を評価すること。
• 染料-溶媒相互作用が相転移中の光物理的応答に果たす基本的役割を明らかにすること。

提案手法

• 時間分解光励起分光法（TRPL）を用いて、広い温度範囲で蛍光寿命のダイナミクスおよび発光スペクトルを測定した。
• ドレイン・ディオン化水および絶対的エタノールに、10⁻³ Mおよび10⁻² MのローダミンB溶液を調製した。
• 凝縮を防ぐために、50 µm 厚のサファイア窓を備えたステンレス鋼製セルを用いた高真空冷凍槽（77 K ～ 800 K）で測定を実施した。
• 404 nm のTi:Saレーザー（1 ps パルス、4 MHz 繰り返し周波数）を励起源とし、時間相関単一光子計数（TCSPC）システムを用いて寿命を測定した。
• 器機応答関数の半値全幅は約40 psであり、高い時間分解能を確保した。
• 各温度点におけるスペクトルを最大値で正規化することで、発光強度およびピーク位置のシフトを直接比較可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水の相転移点において、ローダミンBの蛍光は顕著な応答を示すか？
• RQ2 水の凍結と比較して、エタノールにおけるローダミンBの蛍光寿命はどのように変化するか？
• RQ3 水系およびアルコール系溶液において、ローダミンBを用いた強度ベースと寿命ベースの温度センシングの相対的感度はどの程度か？
• RQ4 なぜローダミンBは水では相転移点で顕著な蛍光低下を示すが、エタノールでは示さないのか？
• RQ5 染料-溶媒相互作用は、相転移中のローダミンBの光物理的応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 水の凍結点において、ローダミンBの蛍光強度は初期値の約100%から約3.3%へと30倍低下した。
• 液体水中のローダミンBの蛍光寿命は2.68 ns から、凍結後は0.13 ns に低下し、相転移点における減少率は2.55 ns/°C であった。
• 水の相転移中に、発光最大波長は590 nm から625 nm に赤方シフトした。これは、局所の極性またはマイクロ環境の変化を示している。
• エタノールでは、同様の温度依存性が見られるにもかかわらず、相転移点における強度または寿命の顕著な不連続性は観察されなかった。
• 水系溶液において、ローダミンBの相対的温度感度は、強度ベースセンシング（1.6% °C⁻¹）が寿命ベースセンシング（1.34% °C⁻¹）よりも高かった。
• 結果から、ローダミンBは特に凍結点近傍における強い溶媒-染料相互作用に起因し、水の液体-氷相転移を検出する高感度プローブであると示された。