京大ら,抗がん剤から有機半導体材料を発見

京都大学の研究グループは,米イリノイ大学,ベルギーモンス大学と共同で,抗がん剤として用いられるDNA結合剤Ellipticine(エリプチシン)が高い電荷輸送特性を示し,有機半導体としても優れた材料となることを発見した(ニュースリリース)。

有機エレクトロニクスで用いられている有機半導体は一般にπ共役を有する分子で,π共役系間の相互作用が高い電気伝導に大きく寄与すると考えられている。

一方,生理活性を有する生体分子は電気伝導性を持たないと思われがちだが,一部の生体分子は有機半導体と同様にπ共役を有し,実際の生理反応下でも電子のやり取りを行なっている。

このような生体分子は有機半導体と同様に電気伝導性を示す可能性があるが,明確にπ共役構造と水素結合部位が幾何学的に分離したDNAなどの例を除いて,これまで詳細に調べられるケースはあまりなかった。

また近年,水素結合を担う水素原子が電子輸送と協奏する例の発見から,電子伝導の経路としての可能性も指摘されつつある。しかし,電子伝導に対する水素結合とπ共役の寄与を分離するのは難しく,水素結合を通した電子伝導に関する明確な観測結果はなかった。

今回電気伝導性を調べたエリプチシンは,有機半導体の必須の特徴であるπ共役性と,生体分子によく見られる水素結合性を併せ持つ分子。

一般に,水素結合を有する分子は高い熱力学的な安定性を示すものの,電気伝導性の発現において重要な電子や正孔を注入した場合,水素結合の形成のもととなる官能基がそれらの電荷を捕まえてしまうことが多く,高い伝導特性はほとんど期待できなかった。

研究グループの分析の結果,水素結合はエリプチシン分子間の距離を著しく短縮しつつその固体構造を安定化し,電気伝導のための経路の構築に十分に資することが明らかになった。

今回の研究では,レーザーを用いて物質中に電子を発生させる FP-TRMC(Flash Photolysis Time Resolved Microwave Conductivity:光励起・時間分解マイクロ波伝導度)測定法によってエリプチシン配向固体中の異方的な電気伝導特性を非接触・非破壊で測定した。

その結果,電気伝導に対するπ共役と水素結合の寄与を分離することに成功した。また,この結果をもとに電界効果型トランジスタ素子を形成し,実際に異方伝導特性を伴って動作することを確認したという。

研究グループは,今回の研究は水素結合を介した有機半導体中の電子伝導を直接的に観測した初めての研究になるとし,今後は生体分子を用いたトランジスタや肺がんの生物指標化合物である酢酸エチルを検知する化学センサーなどの開発を行なうとしている。

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