JP6687933B2 - Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles - Google Patents

Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
JP6687933B2
JP6687933B2 JP2015059049A JP2015059049A JP6687933B2 JP 6687933 B2 JP6687933 B2 JP 6687933B2 JP 2015059049 A JP2015059049 A JP 2015059049A JP 2015059049 A JP2015059049 A JP 2015059049A JP 6687933 B2 JP6687933 B2 JP 6687933B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nanocrystals
nanoparticles
silicon nanoparticles
terminated
emission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015059049A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016176039A (en
Inventor
直人 白幡
直人 白幡
ソロブ チャンドラ
ソロブ チャンドラ
フランソワズ ウィニック
フランソワズ ウィニック
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Priority to JP2015059049A priority Critical patent/JP6687933B2/en
Publication of JP2016176039A publication Critical patent/JP2016176039A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6687933B2 publication Critical patent/JP6687933B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Description

本発明はシリコンナノ(Si)粒子を用いた水溶性近赤外発光ナノ粒子に関し、またこのナノ粒子を使用した蛍光標識材に関する。   The present invention relates to water-soluble near-infrared light emitting nanoparticles using silicon nanoparticles (Si) particles and a fluorescent labeling material using the nanoparticles.

生体内において、特定の分子が、いつ、どこで、どの分子と連関して機能しているかを理解することで、生命科学機構を解明し、創薬スクリーニングに繋げようとする学術研究が活発に行われている。最も一般的な生体分子の観察方法は、対象となる分子を蛍光標識し、蛍光顕微鏡下で分子の動態や位置、さらに他分子との相互作用を調べる蛍光イメージング法である。分子生物学の実験などにおいて、試験管や培養器などの中でヒトや動物の組織を用いて、体内と同様の環境を人工的に作り、生体反応を観察することをin-vitroイメージングと呼ぶ。一方、小動物を用い生体内や細胞内で生体反応を観察することをin-vivoイメージングと呼ぶ。近年になって特に、in-vivoイメージングが注目されている。in-vivo蛍光イメージングとは、生体内にある蛍光標識を生体外部から光励起し、蛍光標識剤からの発光を生体外に設置した光検出器へ導きイメージングを行う方法であるので、生体内の細胞を外部より生体を傷つけることなく、非侵襲で観察することができる点で特徴的である。   Actively conducting academic research to elucidate the mechanism of life science and to link it to drug discovery screening by understanding when, where, and with which molecule a specific molecule functions in vivo. It is being appreciated. The most common method of observing biomolecules is a fluorescence imaging method in which a target molecule is fluorescently labeled and the dynamics and position of the molecule and the interaction with other molecules are examined under a fluorescence microscope. In molecular biology experiments, using human or animal tissues in test tubes or incubators to artificially create an environment similar to the body and observe biological reactions is called in-vitro imaging. . On the other hand, observing a biological reaction in a living body or in a cell using a small animal is called in-vivo imaging. In recent years, in-vivo imaging has attracted particular attention. In-vivo fluorescence imaging is a method of photoexciting a fluorescent label in the living body from the outside of the living body and guiding the luminescence from the fluorescent labeling agent to a photodetector installed outside the living body to perform imaging, so that cells in the living body are It is characteristic in that it can be observed non-invasively from the outside without damaging the living body.

in-vivoイメージングに際して、外部へ発光を取り出すためには、励起光及び発光が生体を透過する必要がある。多くの蛍光材料の励起光として使用される紫外光は、生体の吸収が高く、ほとんど透過することができないので好ましくない。また、400〜700nmの可視光はヘモグロビンやそのほかの生体構成物質の吸収が大きいため好ましくない。一方で1000nm以上の波長では、水の吸収が強くなるために透過率が低くなり好ましくない。それゆえ、700〜1000nmの近赤外波長域がin-vivoイメージングに好ましい波長域である。当該波長域は「生体の分光学的窓」と呼ばれる生体の透過率が特異的に高い領域である。それゆえ効率良いin-vivoイメージングを行うには、700〜1000nmの近赤外波長域で光励起及び発光を示す蛍光材料が求められている。   In in-vivo imaging, the excitation light and the emitted light must pass through the living body in order to take out the emitted light to the outside. Ultraviolet light, which is used as excitation light for many fluorescent materials, is not preferable because it is highly absorbed by the living body and hardly penetrates. Further, visible light of 400 to 700 nm is not preferable because hemoglobin and other biological constituents are largely absorbed. On the other hand, at a wavelength of 1000 nm or more, absorption of water becomes strong and the transmittance becomes low, which is not preferable. Therefore, the near infrared wavelength range of 700 to 1000 nm is a preferable wavelength range for in-vivo imaging. The wavelength range is a region called “spectral window of living body” where the transmittance of living body is specifically high. Therefore, in order to perform efficient in-vivo imaging, a fluorescent material that exhibits photoexcitation and emission in the near infrared wavelength region of 700 to 1000 nm is required.

一般的に蛍光標識材として有機系色素が最も汎用であるが、次に示す問題を抱えている。
・近赤外発光する色素の種類が少ない。
・発光量子収率は10〜30%程度と高くない(比較例3で実証)。
・励起極大と発光極大のストークスシフトが短いので、蛍光イメージング画像において励起光によるバックグラウンドの上昇を抑える策がない。このため、励起極大ではなく、なるべく短波長で励起することでイメージング画像のコントラストを上げる必要がある。その点で、発光量子収率は10〜30%は高いと言えない。
・有機物に特有の励起光照射時の光劣化、光分解伴う低耐久性、劣化に伴う退色が見られる。この問題は有機物を使用する限り解決することが難しい。
Generally, organic dyes are the most widely used fluorescent labeling materials, but they have the following problems.
・ There are few types of dyes that emit near infrared light.
-Emission quantum yield is not as high as about 10 to 30% (demonstrated in Comparative Example 3).
-Since the Stokes shift between the excitation maximum and the emission maximum is short, there is no way to suppress the background rise due to the excitation light in the fluorescence imaging image. Therefore, it is necessary to increase the contrast of the imaging image by exciting at a wavelength as short as possible rather than at the excitation maximum. In that respect, the emission quantum yield cannot be said to be high at 10 to 30%.
-Photo-deterioration characteristic of organic substances when irradiated with excitation light, low durability due to photodecomposition, and fading due to deterioration are observed. This problem is difficult to solve as long as organic matter is used.

このような問題(特に4番目)を根本的に解決するには、発光体を無機物で代替することが望ましい。その候補物質として希土類イオンを内包する無機ナノ物質が注目されてきた。しかしながら、これらにも以下に示す問題がある。
・近赤外波長域で光励起および発光する物質は少ない。
・発光量子収率も10%以下と充分でなく、感度も充分でない。ここで検出感度を高めようと励起光強度を上げると、イメージング画像において、標識されていない領域へ映り込んだ励起光が、イメージング像のコントラストを低くする(非特許文献1)。
・強い励起光は、生体分子に侵襲性を齎す光毒性の問題を引き起こす。この問題は有機色素を用いた場合でも同様である。
In order to fundamentally solve such a problem (particularly the fourth), it is desirable to replace the light emitting body with an inorganic material. Inorganic nanomaterials containing rare earth ions have been attracting attention as candidate substances. However, these also have the following problems.
・ There are few substances that photoexcite and emit light in the near infrared wavelength range.
-Emission quantum yield is not sufficient, 10% or less, and sensitivity is not sufficient. Here, when the excitation light intensity is increased to increase the detection sensitivity, the excitation light reflected on the unlabeled region in the imaging image lowers the contrast of the imaging image (Non-Patent Document 1).
-Strong excitation light causes phototoxicity problems that are invasive to biomolecules. This problem is the same even when an organic dye is used.

上記2種類の蛍光体で起きる問題を解決するために、化合物半導体量子ドットナノ粒子の研究が活発に行われている。近赤外波長域で利用できる物質は、短波長側(700nm〜)から、カドミウムテルル、インジウム砒素、硫化鉛である。これらの物質は以下の特徴を有する。
・カドミウムテルルは耐光性に優れる。
・硫化鉛やカドミウムテルルの発光量子収率は40%以上である。
・近赤外波長域で発光色をチューニングできる。さらにスペクトル波長位置は粒子サイズに依存するので、バイオイメージングにおいて異なる分子間相互作用をパラレル観察することも可能となるといった格別の観察法を提供することもできる。
In order to solve the problems that occur in the above two types of phosphors, active research is being conducted on compound semiconductor quantum dot nanoparticles. Materials that can be used in the near-infrared wavelength range are cadmium tellurium, indium arsenide, and lead sulfide from the short wavelength side (700 nm to). These substances have the following characteristics.
・ Cadmium tellurium has excellent light resistance.
-Emission quantum yield of lead sulfide and cadmium tellurium is 40% or more.
・ The emission color can be tuned in the near infrared wavelength range. Furthermore, since the spectral wavelength position depends on the particle size, it is possible to provide a special observation method in which different intermolecular interactions can be observed in parallel in bioimaging.

ところが、これらは一方では以下の問題を持っているが、これらの問題は物質の基本物性なので変えることができない。
・励起極大と発光極大のストークスシフトが短いので、蛍光イメージング画像において励起光によるバックグラウンドの上昇を抑える策がない。このため、励起極大ではなくなるべく短波長で励起することでイメージング画像のコントラストを上げる必要がある。結果として、高い発光量子収率を活かすことができない。
・これらの化合物半導体を構成する原子の多くは環境規制によって使用制限を受けている。環境省の「水質汚濁に係る環境基準」の「別表1 人の健康の保護に関する環境基準」(非特許文献2)によれば、たとえば、カドミウム、鉛、砒素の水質汚濁に係わる環境基準は、各々0.003mg/L、0.01mg/L、0.01mg/Lときわめて微量である。このような環境規制のために、これらの物質は将来的に安定して使用できる物質とはならない。
However, although they have the following problems on the one hand, these problems cannot be changed because they are the basic physical properties of the substance.
-Since the Stokes shift between the excitation maximum and the emission maximum is short, there is no way to suppress the background rise due to the excitation light in the fluorescence imaging image. For this reason, it is necessary to increase the contrast of the imaging image by exciting at a wavelength as short as possible rather than at the excitation maximum. As a result, high emission quantum yield cannot be utilized.
-Many of the atoms that make up these compound semiconductors are restricted by environmental regulations. According to the “Environmental Standards for Water Pollution” of the Ministry of the Environment “Appendix 1 Environmental Standards for the Protection of Human Health” (Non-Patent Document 2), for example, the environmental standards for water pollution of cadmium, lead, and arsenic are: These are extremely small amounts of 0.003 mg / L, 0.01 mg / L, and 0.01 mg / L, respectively. Due to such environmental regulations, these substances cannot be stably used in the future.

上述したような、これまでに使用され、あるいは提案されてきた物質についての諸問題を解消するため、蛍光標識材としてシリコンを使用することが考えられる。充分に大きなシリコン結晶は間接遷移型バンド構造を有する単元素半導体として知られ、室温で1.14eVほどの大きさのバンドギャップをもつ。間接遷移型バンド構造を有するために、光励起キャリアの放射性再結合を起こすためには運動量保存則を満足させる必要がある。そのエネルギーを格子振動から得るために、高い発光効率で蛍光を放射することは原理的に不可能である。ところがダイヤモンド構造結晶の大きさを8nmより小さな球状粒子に微小化すると、充分に大きな結晶に比べて10000倍以上の発光量子収率を有するフォトルミネッセンス特性を示すようになる。発光量子収率は一般的に1%以上あれば、蛍光標識材として利用できる。シリコンは化合物半導体のナノ粒子よりも細胞毒性が極めて低いことが知られているので、生体で使用される蛍光標識材として期待されている(非特許文献3)。   In order to solve the above-mentioned problems with the substances used or proposed so far, it is conceivable to use silicon as the fluorescent labeling material. A sufficiently large silicon crystal is known as a single element semiconductor having an indirect transition type band structure and has a band gap of about 1.14 eV at room temperature. Since it has an indirect transition type band structure, it is necessary to satisfy the law of conservation of momentum in order to cause radiative recombination of photoexcited carriers. In principle, it is impossible to emit fluorescence with high luminous efficiency because its energy is obtained from lattice vibration. However, when the size of the diamond-structured crystal is miniaturized into spherical particles smaller than 8 nm, photoluminescence characteristics having an emission quantum yield of 10,000 times or more as compared with a sufficiently large crystal are exhibited. If the emission quantum yield is generally 1% or more, it can be used as a fluorescent labeling material. Since silicon is known to have extremely lower cytotoxicity than nanoparticles of compound semiconductors, it is expected as a fluorescent labeling material used in the living body (Non-Patent Document 3).

シリコンナノ粒子を蛍光標識材として水系で利用するためには、水、生理的塩溶液、りん酸緩衝食塩液中で溶媒和し、長期間にわたって安定で、近赤外励起時に発光量子収率1%以上の近赤外発光特性を有する必要がある。ところがシリコンは酸素が存在する環境下に置かれると酸化されてしまう。例えば、2nmの粒子径をもつシリコンを大気中へ放置すると、室温下でもナノ粒子表面から徐々に酸化が進行し2週間ほどで酸化シリコンになってしまう(比較例6で実証)。   In order to use silicon nanoparticles as a fluorescent labeling agent in an aqueous system, they are solvated in water, a physiological salt solution, or a phosphate buffered saline solution, are stable for a long period of time, and have an emission quantum yield of 1 when excited by near infrared rays. % Near-infrared emission characteristics are required. However, silicon is oxidized when placed in an environment where oxygen is present. For example, when silicon having a particle diameter of 2 nm is left in the atmosphere, oxidation gradually progresses from the surface of the nanoparticles even at room temperature and becomes silicon oxide in about 2 weeks (demonstrated in Comparative Example 6).

酸化の問題を解決すると同時に水溶性を付与するために、ナノ粒子表面を適切な有機単分子膜で修飾する方法が報告されている。汎用的には極性官能基を末端にもつ不飽和炭化水素分子が利用される。極性官能基としてはカルボキシル基、アミノ基、糖環、スルフォン基、水酸基、フォスフォン基、オリゴヌクレオチドが代表的であり、生体親和性も高い(特許文献1〜4)。このような不飽和炭化水素分子において極性基とは逆末端にある二重結合(或いは三重結合でも良い)は、ヒドロシリル化を通じてナノ粒子最表面のケイ素原子と炭素−ケイ素共有結合を形成し、単分子としてナノ粒子表面へ固定化される。表面修飾の点では、金や白金ナノ粒子の表面修飾で利用されるチオール分子も利用できる。しかしながら酸化を抑制できる点において、炭素―ケイ素の共有結合を介した表面修飾は、弱い化学吸着である硫黄―ケイ素分子間相互作用よりも好ましい。   In order to solve the problem of oxidation and impart water solubility, a method of modifying the surface of nanoparticles with an appropriate organic monolayer has been reported. An unsaturated hydrocarbon molecule having a polar functional group at the end is generally used. Typical polar functional groups are a carboxyl group, an amino group, a sugar ring, a sulfone group, a hydroxyl group, a phosphone group, and an oligonucleotide, and they have high biocompatibility (Patent Documents 1 to 4). In such an unsaturated hydrocarbon molecule, a double bond (or a triple bond) at the terminal opposite to the polar group forms a carbon-silicon covalent bond with the silicon atom on the outermost surface of the nanoparticles through hydrosilylation. It is immobilized on the surface of nanoparticles as molecules. In terms of surface modification, thiol molecules used for surface modification of gold or platinum nanoparticles can also be used. However, in terms of suppressing oxidation, surface modification via a carbon-silicon covalent bond is preferable to sulfur-silicon intermolecular interaction, which is weak chemisorption.

従来の水溶性シリコンナノ粒子の発光波長は、可視短波長域(400〜500nm)に偏重している。可視短波長域は生体構成物質の吸収が大きい波長域である点でin-vivoだけでなくin-vitro環境でのイメージングにも最適であるとは言えない。可視中長波長域(500〜700nm)で使用できる水溶性シリコンナノ粒子について、ナノ粒子はカルボキシル基、ヌクレオチド何れかの官能基をもつ単分子膜で終端されている(非特許文献4(レビュー論文))。一方、近赤外発光する水溶性シリコンナノ粒子に関する報告例は少ない。その少数例について示す。まずシリコンをナノ粒子にすることで700〜1100nmの発光波長域において発光色を連続的に変調できることは知られている(非特許文献5(レビュー論文))。近赤外で発光する水溶性シリコンナノ粒子を合成するために、両親媒性分子で構築されたミセルで保護する方法が報告されている(非特許文献6)。   The emission wavelength of conventional water-soluble silicon nanoparticles is biased in the visible short wavelength region (400 to 500 nm). The visible short wavelength region is a wavelength region in which absorption of biological constituents is large, and thus it cannot be said that it is optimal for imaging not only in-vivo but also in-vitro environment. Regarding water-soluble silicon nanoparticles that can be used in the visible long-wavelength range (500 to 700 nm), the nanoparticles are terminated with a monolayer having a functional group of either a carboxyl group or a nucleotide (Non-Patent Document 4 (Review Paper). )). On the other hand, there are few reports on water-soluble silicon nanoparticles that emit near-infrared light. A few examples are shown below. First, it is known that the emission color can be continuously modulated in the emission wavelength range of 700 to 1100 nm by using silicon as nanoparticles (Non-Patent Document 5 (Review Paper)). In order to synthesize water-soluble silicon nanoparticles that emit light in the near infrared, a method of protecting with micelles constructed with amphipathic molecules has been reported (Non-Patent Document 6).

ところがシリコンナノ粒子に対して上述のような対策を施しても、次に示す問題は解決できないままであった。   However, even if the above-mentioned countermeasures were taken for silicon nanoparticles, the following problems could not be solved.

[問題1]
・近赤外波長域における発光の量子収率は励起極大で励起した場合に8%以下である。近赤外発光の励起極大は電子構造的に紫外域にあるので、通常イメージングに使用する可視中長波長域で光励起すると、発光の量子収率はさらに低くなる。それゆえ励起に大きなフォトンエネルギーを必要とし、さらにコントラストの高いイメージングが困難であった。
[Problem 1]
-The quantum yield of light emission in the near infrared wavelength region is 8% or less when excited at the excitation maximum. Since the excitation maximum of near-infrared emission is in the ultraviolet region in terms of electronic structure, the quantum yield of emission is further lowered when photoexcited in the visible long wavelength region which is usually used for imaging. Therefore, a large amount of photon energy was required for excitation, and it was difficult to perform imaging with high contrast.

[問題2]
・発光スペクトルの半値幅は500meV以上で、化合物半導体量子ドットの発光スペクトルの半値幅(300meV以下)と比べると大きい。発光のチューニング特性を利用した多色蛍光イメージングは、半値幅が小さく対称性の高い発光スペクトルを用いて行うのが好ましく、500eVの半値幅は適当でない。
[Problem 2]
-The full width at half maximum of the emission spectrum is 500 meV or more, which is larger than the full width at half maximum (300 meV or less) of the emission spectrum of the compound semiconductor quantum dot. It is preferable that the multicolor fluorescence imaging utilizing the emission tuning characteristics is performed by using an emission spectrum having a small full width at half maximum and high symmetry, and a full width at half maximum of 500 eV is not suitable.

[問題3]
・シリコンナノ粒子における発光ピークは発光波長に依存せず一般的に長波長側へ裾をひくため対称性が低い。700〜1100nmの波長域において発光極大は粒子サイズに依存するが、発光スペクトルの終点の波長位置は粒子サイズに依存せず同じである。このようにして現れるスペクトルの裾の広さは、多色蛍光イメージングのコントラスト性を下げる結果となる。そのような理由から、これまでに近赤外波長域における多色蛍光イメージングを達成した例はない。そしてこのような特徴的なスペクトル特性は間接遷移型半導体をナノ粒子化したときに現れる特徴であり、結晶粒子の微小化に伴う実空間における電子とホールの波動関数の重なりを通じたゼロフォノン遷移に起因すると考えられてきた。
[Problem 3]
-Since the emission peak of silicon nanoparticles does not depend on the emission wavelength and generally tails toward the long wavelength side, the symmetry is low. The emission maximum in the wavelength range of 700 to 1100 nm depends on the particle size, but the wavelength position at the end point of the emission spectrum is the same regardless of the particle size. The width of the bottom of the spectrum that appears in this way results in a reduction in the contrast property of multicolor fluorescence imaging. For that reason, there has been no example of achieving multicolor fluorescence imaging in the near infrared wavelength region so far. And such a characteristic spectral characteristic is a feature that appears when the indirect transition type semiconductor is made into nanoparticles, and is caused by the zero-phonon transition through the overlap of the electron and hole wave functions in the real space accompanying the miniaturization of crystal particles. It has been thought that.

これについてより詳細に説明すれば、以下の通りである。シリコンのバルク結晶は、間接遷移型のバンド構造を有するために、光励起キャリア(電子および正孔)のバンド間再結合には波数選択則が要求される。つまり運動量保存則を満たすためには、フォノンの関与が必要とされる。しかし、バルク結晶を小さくナノ粒子にまで微小化すると、ナノ結晶中では電子と正孔(あるいは励起子やエキシトン)が微粒子内に閉じ込められ、実空間での電子と正孔それぞれの波動関数が重なるとともに、波数空間でも不確定性原理によりエキシトンの波数の広がりΔkが大きくなる。結果として、波数選択則が崩れることで、フォノンの関与なくキャリアのバンド間再結合が可能となる。しかしこの遷移は直接遷移型バンド構造におけるバンド間再結合とは根本的に異なる。微粒子化によるΔkの広がりを利用しているために、バルクバンド構造を反映した伝導帯の底と価電子帯の頂のエネルギーギャップ差に相当するフォトンエネルギーは全ての蛍光スペクトルに含まれる。結果として蛍光スペクトルの終点波長に相当するフォトンエネルギーはナノ結晶のサイズに依存せず伝導帯の底と価電子帯の頂のエネルギーギャップに一致する。それゆえ、蛍光スペクトルは長波長側へ裾を引くことになる。   This will be described in more detail below. Since the bulk crystal of silicon has an indirect transition type band structure, a wave number selection rule is required for interband recombination of photoexcited carriers (electrons and holes). So in order to satisfy the law of conservation of momentum, the involvement of phonons is needed. However, if the bulk crystal is miniaturized into nanoparticles, the electrons and holes (or excitons or excitons) are confined in the nanocrystals, and the wavefunctions of the electrons and holes in the real space overlap. At the same time, in the wave number space, the spread Δk of the exciton wave number increases due to the uncertainty principle. As a result, the wave number selection rule is broken, and carriers can be recombined between bands without involvement of phonons. However, this transition is fundamentally different from interband recombination in the direct transition band structure. Since the spread of Δk due to atomization is used, the photon energy corresponding to the energy gap difference between the bottom of the conduction band and the top of the valence band reflecting the bulk band structure is included in all fluorescence spectra. As a result, the photon energy corresponding to the end wavelength of the fluorescence spectrum does not depend on the size of the nanocrystal, and coincides with the energy gap at the bottom of the conduction band and the top of the valence band. Therefore, the fluorescence spectrum is tailed toward the long wavelength side.

[問題4]
・細胞深部の蛍光イメージングを行うためには、生体透過性の高い700nmよりも長波長帯で光励起することが好ましいが、シリコンナノ粒子は当該波長域の光をほとんど吸収しないので励起効率が極めて低い。それゆえ、励起強度を強くする必要がある。
・励起に紫外光を用いることによる別の問題として、イメージングの対象が生細胞や生組織である場合においては、これらに損傷を与えてしまう。また、イメージング対象がDNAやたんぱく質などである場合においては、紫外光によりこれら分子に損傷が加えられる可能性があり、塩基配列の決定や活性サイトの決定などを精度良く行うに際しての妨げとなる場合があった。近赤外励起(近赤外発光を行うための技術)として、赤外光励起により赤外発光する材料として希土類を含有した蛍光体(所謂「アップコンバージョン蛍光体」)が知られている(非特許文献7)。このような粒子を蛍光標識材に用いると、励起光として近赤外光を使用することができるため、紫外光等のように被分析物に悪影響を及ぼさない。しかしながら、当該粒子は、希土類のドープ量を選択することで任意のアップコンバージョン発光を得ることができるが、異なる発光色を得るにはドープする希土類の材料を選択しなければならないこと、発光色が限定され、選択が困難であるという問題がある。
[Problem 4]
・ For fluorescence imaging of deep cells, it is preferable to excite light in a wavelength range longer than 700 nm, which has high biological permeability, but since silicon nanoparticles hardly absorb light in the wavelength range, excitation efficiency is extremely low. . Therefore, it is necessary to increase the excitation intensity.
-As another problem of using ultraviolet light for excitation, when the object of imaging is a living cell or a living tissue, they are damaged. Also, when the object to be imaged is DNA or protein, there is a possibility that these molecules may be damaged by ultraviolet light, which hinders accurate determination of base sequences and active sites. was there. As a near-infrared excitation (technology for performing near-infrared emission), a phosphor containing a rare earth element as a material that emits infrared light when excited by infrared light (so-called "up-conversion phosphor") is known (non-patent document). Reference 7). When such particles are used as a fluorescent labeling material, near infrared light can be used as excitation light, and therefore, the analyte is not adversely affected like ultraviolet light. However, the particles can obtain arbitrary upconversion emission by selecting the doping amount of rare earth, but in order to obtain different emission colors, it is necessary to select a rare earth material to be doped, and the emission color is There is a problem that it is limited and difficult to select.

また、水溶性ナノ粒子合成のため、ブロック共重合体を使用することが知られている。例えば、プルロニックは低毒性で生体適合性の良い等の優れた特色を有しているために、医薬品、化粧品などで利用されている(非特許文献8)。これを転用して、プルロニックで表面修飾したナノ粒子を生体利用する試みがある(特許文献5、特許文献6)   It is also known to use block copolymers for the synthesis of water soluble nanoparticles. For example, since pluronic has excellent characteristics such as low toxicity and good biocompatibility, it is used in medicines, cosmetics and the like (Non-Patent Document 8). There is an attempt to use the nanoparticles whose surface is modified with Pluronic by utilizing them (patent documents 5 and 6).

本発明は上述した従来技術の問題点を解消し、高発光効率かつ高安定性の水溶性近赤外発光シリコンナノ粒子及びそれを用いた蛍光標識材を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide water-soluble near-infrared light-emitting silicon nanoparticles with high luminous efficiency and high stability and a fluorescent labeling material using the same.

本発明の一側面によれば、ダイヤモンド構造を有する一つまたは複数のシリコンナノ結晶と、前記シリコンナノ結晶のそれぞれの表面を覆う炭化水素膜と、前記表面が炭化水素膜で覆われた一つまたは複数のシリコンナノ結晶を覆うプルロニック系界面活性剤からなるブロック共重合体とを設けた、水溶性であり、励起光の照射により近赤外域で発光するシリコンナノ粒子が与えられる。
本発明の一側面によれば、トリエトキシシランを加水分解してHSiO1.5を作製するステップ、前記HSiO1.5に真空下で1150℃の熱処理を施してSiナノ結晶を内包するSiO粉末を作製するステップ、前記SiO粉末をフッ化水素水溶液中で70〜120分間攪拌し、SiOを除去して水素終端化されたSiナノ結晶を作製するステップ、前記水素終端化されたSiナノ結晶の表面を、炭素数が11〜22のアルキル単分子膜で被覆するステップ、前記アルキル単分子膜で被覆されたSiナノ粒子をトルエンに分散させたナノ結晶トルエン分散液を作製するステップ、親水性のエチレンオキサイドと疎水性のプロピレンオキシドとのトリブロック共重合型の非イオン性界面活性剤を酸水溶液中に溶媒和させた非イオン性界面活性剤分散液を作製するステップ、前記ナノ結晶トルエン分散液と前記非イオン性界面活性剤分散液を混合するステップ、および、前記混合による混合液からトルエンを除去するステップを行う、励起光の照射により近赤外域で発光するシリコンナノ粒子の製造方法。
ここで、前記フッ化水素水溶液の濃度は48%であってよい。
また、前記アルキル単分子膜で被覆するステップは、前記水素終端化されたSiナノ結晶を、1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理するステップであってよい。
また、前記シリコンナノ粒子は励起光の照射により700nm〜1000nmの範囲のピーク波長で発光してよい。
また、前記発光のスペクトルの半値幅は150meV〜300meVであってよい。
また、前記シリコンナノ粒子の発光量子収率が30%以上であってよい。
また、前記アルキル単層膜で被覆されたSiナノ粒子が内包するSiナノ結晶は、1.9nm〜6.1nmの範囲であってよい。
また、前記Siナノ結晶は単分散粒子であってよい。
また、前記シリコンナノ粒子は近赤外域の励起光の照射による二光子吸収に基づいて近赤外域で発光してよい。
本発明のほかの側面によれば、前記何れかのシリコンナノ粒子を有する蛍光標識材が与えられる。
According to one aspect of the present invention, one or more silicon nanocrystals having a diamond structure, a hydrocarbon film that covers each surface of the silicon nanocrystals, and one that is covered with a hydrocarbon film. Alternatively, a water-soluble silicon nanoparticle provided with a block copolymer composed of a pluronic surfactant that covers a plurality of silicon nanocrystals and emitting light in the near infrared region by irradiation with excitation light is provided.
According to one aspect of the present invention, SiO 2 enclosing step of making HSiO 1.5 was hydrolyzed triethoxysilane, the Si nanocrystals by heat treatment of 1150 ° C. under vacuum to said HSiO 1.5 A step of producing a powder, a step of stirring the SiO 2 powder in an aqueous solution of hydrogen fluoride for 70 to 120 minutes to remove SiO 2 to produce a hydrogen-terminated Si nanocrystal, the hydrogen-terminated Si Coating the surface of the nanocrystals with an alkyl monomolecular film having 11 to 22 carbon atoms; preparing a nanocrystal toluene dispersion liquid in which the Si nanoparticles coated with the alkyl monomolecular film are dispersed in toluene , subtracting that the triblock copolymer type nonionic surfactants and hydrophilic ethylene oxide and a hydrophobic propylene oxide is solvated in an aqueous acid solution Step of making emissions surfactant component dispersion liquid, a step of mixing the nanocrystalline toluene dispersion before Symbol nonionic surfactant component dispersion liquid, and, the step of removing toluene from the mixture by the mixing A method for producing silicon nanoparticles that emit light in the near infrared region upon irradiation with excitation light.
Here, the concentration of the hydrogen fluoride aqueous solution may be 48%.
The step of coating with the alkyl monomolecular film may be a step of heat-treating the hydrogen-terminated Si nanocrystals in mesitylene containing 1-octadecene at 150 ° C.
Also, the silicon nanoparticles may emit light at a peak wavelength in the range of 700 nm to 1000 nm upon irradiation with excitation light.
Further, the full width at half maximum of the emission spectrum may be 150 meV to 300 meV.
The emission quantum yield of the silicon nanoparticles may be 30% or more.
The Si nanocrystals encapsulated by the Si nanoparticles coated with the alkyl monolayer film may be in the range of 1.9 nm to 6.1 nm.
Also, the Si nanocrystals may be monodisperse particles.
Further, the silicon nanoparticles may emit light in the near infrared region based on two-photon absorption by irradiation with excitation light in the near infrared region.
According to another aspect of the present invention, there is provided a fluorescent labeling material having any of the above silicon nanoparticles.

本発明によれば、非常に高い効率で蛍光を発するとともに、急峻な形状の発光スペクトルを有するようにできる新規な構造の水溶性近赤外発光シリコンナノ粒子及びそれを用いた蛍光標識材が提供される。   According to the present invention, a water-soluble near-infrared light-emitting silicon nanoparticle having a novel structure capable of emitting fluorescence with extremely high efficiency and having a sharp emission spectrum and a fluorescent labeling material using the same are provided. To be done.

水溶性近赤外発光ナノ粒子の構造を示す概念図。The conceptual diagram which shows the structure of water-soluble near-infrared light emitting nanoparticle. エッチング時間に伴う粉末X線回折図形の変化を示す図。The figure which shows the change of a powder X-ray diffraction pattern with etching time. オクタデカン終端シリコンナノ粒子(左)およびプルロニック外殻形成後のナノ粒子(左)の典型的な透過型電子顕微鏡像。Typical transmission electron microscopy images of octadecane-terminated silicon nanoparticles (left) and nanoparticles after Pluronic shell formation (left). 典型的なナノ粒子の光吸収スペクトルとPLスペクトル。Optical absorption and PL spectra of typical nanoparticles. 粒子サイズで発光波長を連続的に制御できる本発明の水溶性ナノ粒子の典型的な(a)紫外可視吸収スペクトル、及び(b)発光スペクトル(各PLスペクトルの絶対量子収率を百分率でグラフ中に記入)。Typical (a) UV-visible absorption spectrum and (b) emission spectrum of the water-soluble nanoparticles of the present invention in which the emission wavelength can be continuously controlled by particle size (absolute quantum yield of each PL spectrum in percentage are shown in the graph. Fill in). カルボキシル基で終端されたシリコンナノ結晶粒子(比較例4)のpHの変化に伴う安定性を示す写真。3 is a photograph showing the stability of a silicon nanocrystal particle terminated with a carboxyl group (Comparative Example 4) with a change in pH. 水溶性ナノ粒子の近赤外PLスペクトルの蛍光極大波長と半値幅との関係を示すグラフ。ここで使用した水溶性ナノ粒子は遠心分離処理、クロマトグラフィー処理を行って高い単分散性および表面均質性を持つようにしたSiナノ結晶を内殻として含む本発明のSiナノ粒子である。The graph which shows the relationship between the fluorescence maximum wavelength of a near-infrared PL spectrum of water-soluble nanoparticles, and a half value width. The water-soluble nanoparticles used here are the Si nanoparticles of the present invention containing Si nanocrystals which have been subjected to centrifugal separation treatment and chromatography treatment to have high monodispersity and surface homogeneity as an inner shell.

本発明のシリコンナノ粒子は図1に示すようなダブルシェル構造(コアを内殻及び外殻が二重に覆う構造)を有する水溶性のシリコンナノ粒子であり、700〜1000nmの近赤外波長域内で強い発光を示す。図示するように、コアは1つ以上のシリコン(Si)ナノ結晶で構成されており、ナノ結晶はダイヤモンド構造をもつ。このダイヤモンド構造は粒子の中心部から最表面まで維持されている。これによって、高い発光量子収率がもたらされる。アモルファス化を引き起こす最表面層の再構築を防ぐためにアルキル基等の炭化水素による錨効果が効果的である。   The silicon nanoparticles of the present invention are water-soluble silicon nanoparticles having a double shell structure (a structure in which the core is double-coated with an inner shell and an outer shell) as shown in FIG. 1, and have a near infrared wavelength of 700 to 1000 nm. It emits strong light in the region. As shown, the core is composed of one or more silicon (Si) nanocrystals, which have a diamond structure. This diamond structure is maintained from the center of the grain to the outermost surface. This results in a high emission quantum yield. In order to prevent the reconstruction of the outermost surface layer that causes amorphization, the anchoring effect of hydrocarbons such as alkyl groups is effective.

ここで、錨効果について説明すれば、Siナノ結晶の粒子径が2.5nm程度(発光極大で言えば850nm程度に相当する)にまで小さくなると内部よりも表面を構成する原子の数が圧倒的に多くなるので、Siナノ結晶の相構造を安定化させるためには、ナノ結晶内部から表面に向かって原子は最安定な構造をとろうと格子を歪ませ、時間経過とともに徐々にアモルファス構造へと構造緩和が起きる。この緩和はナノ結晶の粒子径に依存する。ところが、有機分子がナノ結晶表面に高密度に存在すると、有機分子同士が立体障害となり、また質量の大きな原子団が1つの表面シリコン原子に結合することで原子団は錨の役割を果たすので、表面近傍原子の再配列に基づく構造緩和が抑制され、表面までダイヤモンド構造が維持される。なお、Siナノ粒子表面を被覆する炭化水素の単分子膜としてアルキル単分子膜を使用する場合、その炭化水素鎖長さはC1〜C22が好ましい。特にC11以上が好ましい。なお、C23より長い場合でも有効性が失われることはない。   Explaining the anchoring effect, when the particle size of Si nanocrystals is reduced to about 2.5 nm (equivalent to about 850 nm in terms of emission maximum), the number of atoms constituting the surface is overwhelmingly higher than that of the inside. Therefore, in order to stabilize the phase structure of Si nanocrystals, the atoms distort the lattice from the inside of the nanocrystals toward the surface to obtain the most stable structure, and gradually become an amorphous structure over time. Structural relaxation occurs. This relaxation depends on the particle size of the nanocrystal. However, when the organic molecules are present on the surface of the nanocrystals at a high density, the organic molecules become steric hindrance, and the atomic group plays a role of anchor because the atomic group having a large mass is bonded to one surface silicon atom. Structural relaxation due to rearrangement of atoms near the surface is suppressed, and the diamond structure is maintained up to the surface. When an alkyl monomolecular film is used as the hydrocarbon monomolecular film coating the surface of the Si nanoparticles, the hydrocarbon chain length is preferably C1 to C22. Particularly, C11 or more is preferable. Even if the length is longer than C23, the effectiveness is not lost.

なお、Siナノ結晶の粒子径が2.5nmより小さくなると構造緩和が顕著になると言うだけであり、2.5nmより大きくなっても構造緩和は起こる。水素原子では構造緩和を抑制できず、アルキル基などの炭化水素であれば抑制できる。構造緩和の起こる速度は粒子径に依存する。水素終端では粒子最表面はアモルファス化してしまうために、非輻射再結合をもたらす欠陥が多数形成される。ところがアルキル基などを接合させ秩序だった最表面を構築すると欠陥数が減るので、非輻射再結合の確率が大幅に減少する。これにより効率良い発光が得られることになる。それゆえ、構造緩和抑制は粒子のサイズに依存せず、全ての粒子で働くと考えるべきである。   It is merely said that the structural relaxation becomes remarkable when the particle size of the Si nanocrystal is smaller than 2.5 nm, and the structural relaxation occurs even when the particle size is larger than 2.5 nm. Structural relaxation cannot be suppressed by hydrogen atoms, but can be suppressed by hydrocarbons such as alkyl groups. The rate at which structural relaxation occurs depends on the particle size. At the hydrogen termination, the outermost surface of the particles becomes amorphous, so many defects that cause non-radiative recombination are formed. However, the number of defects is reduced by forming an ordered outermost surface by bonding alkyl groups and the like, and the probability of non-radiative recombination is greatly reduced. As a result, efficient light emission can be obtained. Therefore, structural relaxation inhibition should be considered to work for all particles, independent of particle size.

また、ナノ結晶表面に炭化水素を結合させると、ナノ結晶最表面のSi原子および点欠陥を無極性元素である炭素で終端することになるが、これにより非輻射遷移確率を低減させ、光励起キャリアの放射性再結合確率を増大させることができる。   Moreover, when a hydrocarbon is bonded to the surface of the nanocrystal, Si atoms and point defects on the outermost surface of the nanocrystal are terminated by carbon, which is a non-polar element. The radiative recombination probability of can be increased.

各ナノ結晶は上述のように炭化水素の単分子膜で終端されている。当該炭化水素膜を内殻と称する。炭化水素膜はナノ結晶最表面に炭素−ケイ素共有結合を介して固定化されている。なお、単分子の組成に酸素、窒素、フッ素が含まれていると、単分子膜形成時にそれぞれの単分子内に存在する非共有電子対が隣り合う分子間で反発するため、単分子膜の分子密度が低くなる。その結果として、内部のSiナノ結晶が酸化し易くなり、また上述の錨効果が効率良く発揮されず、発光色の安定性が低下する。   Each nanocrystal is terminated with a hydrocarbon monolayer as described above. The hydrocarbon film is called an inner shell. The hydrocarbon film is immobilized on the outermost surface of the nanocrystal via a carbon-silicon covalent bond. Note that if the composition of a single molecule contains oxygen, nitrogen, or fluorine, the unshared electron pair existing in each single molecule repels between adjacent molecules during the formation of the single molecule film, so that the single molecule film The molecular density becomes low. As a result, the internal Si nanocrystals are easily oxidized, the above-mentioned anchor effect is not efficiently exhibited, and the stability of the emission color is reduced.

内殻表面はブロック共重合体で覆われている。当該ブロック共重合体を外殻と称する。1つの外殻中に単一の内殻だけが収容されている場合もあり、また複数の内殻が収容されている場合もある。ブロック共重合体を構成するブロックの内で親水性が低い方のブロックが、内殻の炭化水素膜表面と疎水性相互作用を通じて化学吸着する。逆に親水性の高い方のブロックが最表面に露出し水溶性を与える。水溶性粒子の粒子径は内殻に内包される結晶数に依存し、およそ5〜80nmである。水溶性を与えることにより、水、生理的塩溶液、りん酸緩衝食塩液中で長期間安定となる。   The inner shell surface is covered with a block copolymer. The block copolymer is called an outer shell. A single inner shell may be contained in one outer shell, or a plurality of inner shells may be contained in one outer shell. The block having lower hydrophilicity among the blocks constituting the block copolymer is chemically adsorbed to the surface of the hydrocarbon film of the inner shell through hydrophobic interaction. On the contrary, the block with higher hydrophilicity is exposed on the outermost surface to give water solubility. The particle diameter of the water-soluble particles depends on the number of crystals included in the inner shell and is approximately 5 to 80 nm. Giving it water solubility makes it stable for a long time in water, physiological salt solutions, and phosphate buffered saline.

一つの外殻中に複数の内殻を収容することでいくつかの利点が生じる。例えば、蛍光法を使用してナノ粒子の動きを生体外からモニタリングする際の光学系として、集団で粒子が動いてくれた方が粒子群からの蛍光強度が強いので、簡易なセットアップで蛍光観察可能になり、また励起強度も低くて済む。さらには長時間の蛍光モニタリングにも有用である。一つのナノ粒子に収容されている粒子群の個数がごく少数である場合、これらが退色してしまうとモニタリングはできなくなる。しかし、多数の粒子で構成されていれば、仮に幾つかの粒子が退色してしまっても問題は生じない。また、モニタリング技術という点では、励起強度を低くできると蛍光粒子の退色も抑制することができる。   The inclusion of multiple inner shells in one outer shell provides several advantages. For example, as an optical system for monitoring the movement of nanoparticles from outside the body using the fluorescence method, the fluorescence intensity from the particle group is stronger when the particles move in a collective, so fluorescence observation with a simple setup It becomes possible, and the excitation intensity is low. It is also useful for long-term fluorescence monitoring. When the number of particle groups contained in one nanoparticle is very small, monitoring cannot be performed if these particles are discolored. However, if it is composed of a large number of particles, even if some of the particles are discolored, no problem will occur. Also, in terms of monitoring technology, fading of fluorescent particles can be suppressed if the excitation intensity can be lowered.

もちろん、小さな蛍光粒子群にも利点は有る。すなわち、蛍光粒子群が小さければイメージングの解像度が高くなり、また微小空間のイメージングも可能になる。ブロック共重合体で覆われた粒子径の大きさを制御できれば、蛍光モニタリングの用途別に蛍光粒子を使い分けることができるようになる。   Of course, small fluorescent particle groups also have advantages. That is, if the fluorescent particle group is small, the resolution of the imaging becomes high, and the imaging of a minute space becomes possible. If the size of the particles covered with the block copolymer can be controlled, the fluorescent particles can be selectively used according to the purpose of fluorescence monitoring.

この水溶性のシリコンナノ粒子のフォトルミネッセンス(PL)は、生きた生体組織レベルの観察に好適とされる700〜1000nmの近赤外波長域にある。当該粒子は二光子励起技術に最適の電子構造をもつ蛍光標識材なので、光励起に生体透過性の高い近赤外波長域の光を使用できる(当該波長域を「生体の分光学的窓」と呼ぶ)。また、700〜1000nmの波長域内でのPL波長の設定は、ナノ結晶のサイズ制御によって達成される。   The photoluminescence (PL) of the water-soluble silicon nanoparticles is in the near-infrared wavelength region of 700 to 1000 nm, which is suitable for observing a living tissue level. Since the particles are fluorescent labeling materials having an optimal electronic structure for the two-photon excitation technology, light in the near-infrared wavelength range with high biological permeability can be used for photoexcitation (the wavelength range is referred to as "a spectroscopic window of the living body"). Call). Moreover, the setting of the PL wavelength within the wavelength range of 700 to 1000 nm is achieved by controlling the size of the nanocrystal.

その近赤外発光の絶対蛍光量子収率は30%以上と高い値である。この収率は従来の水溶性Siナノ粒子より格段に高く。また商用化されている蛍光色素の蛍光量子収率よりも高い。このように高い絶対蛍光量子溜率が実現できた理由は、上で説明した構造で次の3項目が初めて満足されたことによる。
・ダイヤモンド構造が維持されること(光励起キャリアの遷移モードが一元化される)。
・炭化水素膜が表面酸化を抑制すること(酸化膜の形成は光励起キャリアの新たなる遷移モードを生む原因となる)。
・炭素−ケイ素結合の存在が、非輻射遷移を誘導する表面欠陥数を減少させること。
The absolute fluorescence quantum yield of the near infrared emission is a high value of 30% or more. This yield is significantly higher than that of conventional water-soluble Si nanoparticles. It is also higher than the fluorescence quantum yield of commercially available fluorescent dyes. The reason why such a high absolute fluorescence quantum yield can be realized is that the following three items are satisfied for the first time in the structure described above.
-The diamond structure is maintained (photoexcited carrier transition modes are unified).
-The hydrocarbon film suppresses surface oxidation (the formation of the oxide film causes a new transition mode of photoexcited carriers).
The presence of carbon-silicon bonds reduces the number of surface defects that induce non-radiative transitions.

なお、30%を超える量子収率は化合物半導体の量子ドット(CdTe、PbSe、PbS、InAs)でも実現可能である。しかしこれら量子ドットを構成する元素は毒性が高く生体での使用に適していない。   A quantum yield of more than 30% can also be realized with quantum dots (CdTe, PbSe, PbS, InAs) of compound semiconductor. However, the elements that make up these quantum dots are highly toxic and not suitable for use in living organisms.

本発明に係るSiナノ粒子のPLスペクトルの半価幅は、図7に示すように150〜300meVとなった。これらの値は従来の水溶性Siナノ粒子よりも狭い。それらの半値幅の幾つかは近赤外発光する代表的な量子ドットPbSに匹敵する。これはナノ構造(結晶性、サイズ、表面層)の精密な制御を達成したからである。更に、その発光スペクトルは図5に示す通り対称性が高く、また裾をひかないため、化合物半導体量子ドットに類似の発光チューニング特性が達成される。さらに近赤外波長域での多色蛍光イメージングも可能となる。   The half width of the PL spectrum of the Si nanoparticles according to the present invention was 150 to 300 meV as shown in FIG. 7. These values are narrower than conventional water-soluble Si nanoparticles. Some of those half-widths are comparable to typical quantum dots PbS that emit near-infrared light. This is because we have achieved precise control of the nanostructure (crystallinity, size, surface layer). Further, the emission spectrum thereof has high symmetry as shown in FIG. 5 and does not have a tail, so that the emission tuning characteristic similar to that of the compound semiconductor quantum dot is achieved. Furthermore, multicolor fluorescence imaging in the near infrared wavelength region is also possible.

本発明により、Siが二光子励起近赤外バイオイメージング用の蛍光標識材として使用可能なことを初めて実験的に証明した。生体の蛍光イメージングでは、二光子吸収技術を利用するとコントラストが高く検出感度の良いイメージングが可能になる。なぜなら、二光子吸収を利用することで近赤外励起―近赤外発光を達成できるからである。さらに、二光子吸収であるために、シリコンナノ粒子を励起極大で励起させることが可能となる。つまり、生体外から近赤外光を放射して近赤外発光を得ることができる。さらに発光量子収率は700〜1100nmの範囲内のいずれの波長帯においても30%以上であるため、弱い励起光で検出感度の高いイメージングが可能となる。なお、二光子吸収技術自体は良く知られている事項であるため、その詳しい説明は省略する。   According to the present invention, it was demonstrated for the first time that Si can be used as a fluorescent labeling material for two-photon excitation near infrared bioimaging. In fluorescence imaging of living organisms, the use of two-photon absorption technology enables imaging with high contrast and high detection sensitivity. This is because near-infrared excitation-near-infrared emission can be achieved by utilizing two-photon absorption. Further, because of the two-photon absorption, it becomes possible to excite the silicon nanoparticles at the excitation maximum. That is, near-infrared light can be obtained by emitting near-infrared light from outside the living body. Furthermore, since the emission quantum yield is 30% or more in any wavelength band within the range of 700 to 1100 nm, it is possible to perform imaging with high detection sensitivity with weak excitation light. Since the two-photon absorption technique itself is a well-known matter, its detailed description is omitted.

また、PL波長を近赤外域で細かくチューニングできる。それゆえ、狭い半値幅や裾を引かない発光スペクトル形状、またPL波長を変化させても必要な励起波長が変化しないことと相俟って、単一励起照射下で異なる複数の生体分子間相互作用をパラレル観察(つまり、相互に独立して同時に観察)することを許す蛍光標識材を実現することができる。従来、このような標識材の報告例はない。   Further, the PL wavelength can be finely tuned in the near infrared region. Therefore, in combination with a narrow half-width or an emission spectrum shape that does not draw a tail and that the required excitation wavelength does not change even if the PL wavelength is changed, mutual interaction between different biomolecules under single excitation irradiation It is possible to realize a fluorescent labeling material that allows parallel observation of the action (that is, simultaneous and independent observation). Heretofore, there have been no reports of such marking materials.

ここで発光スペクトルが裾を引かないことについて説明する。背景技術の項において[問題3]としてこの問題に言及した。しかしながら、本願発明者は、ダイヤモンド構造シリコンナノ粒子における近赤外発光スペクトルにおいて、長波長側へ裾を引くピークは表面極性およびサイズの異なる粒子群から成ることに帰着されることを見出した。それゆえ、従来の考え方どおり長波長側へ裾を引くピークの起源が電子構造に基づいているのであれば、これを制御する(スペクトル半価幅を狭くするなど)ことは不可能であるが、異なる粒子から構成されているのであれば、スペクトル半価幅を広げている原因を勘案した上で、同質のナノ粒子ごとに分類或いは分級していくことは可能であり、またこれを実験的に証明した。   Here, the fact that the emission spectrum is not tailed will be described. In the background art section, this problem is referred to as [problem 3]. However, the inventor of the present application has found that in the near-infrared emission spectrum of diamond-structured silicon nanoparticles, the peak tailing toward the long wavelength side is attributed to the group of particles having different surface polarities and sizes. Therefore, if the origin of the peak that tails to the long wavelength side is based on the electronic structure according to the conventional idea, it is impossible to control it (such as narrowing the half-width of the spectrum), but If it is composed of different particles, it is possible to classify or classify each nanoparticle of the same quality, taking into account the reason why the spectrum half-width is widened. certified.

また、本発明の水溶性標識材は従来のSiナノ粒子に比べて最も細胞毒性が低い。これは外殻に生体親和性が高く、両親媒性をもつプルロニック(ビーエーエスエフ コーポレーシヨン(BASF社)の登録商標)を使用し、そして当該両親媒性分子が外殻を形成する際の自己組織化を制御したことで達せられた。具体的には、内殻は分子密度が高いアルキル単分子膜で構成されているために、疎水的である。それゆえ、プルロニックの低親水性ブロックが内殻と強く相互作用し、一方で外殻に生体親和性の高い親水ブロックが高密度で露出する分子膜構造を自己組織的に創りだすことができた。このような構造は、ベアなSiナノ粒子、水素原子で終端されたSiナノ粒子、シリカなど極性基で保護されたSiナノ粒子表面へ、単純にプルロニックの分子を作用させても形成できない。   Further, the water-soluble labeling material of the present invention has the lowest cytotoxicity as compared with the conventional Si nanoparticles. This uses a pluronic (registered trademark of BASF Corporation (BASF)), which has a high biocompatibility for the outer shell and has amphiphilicity, and self-assembles when the amphipathic molecule forms the outer shell. It was achieved by controlling the change. Specifically, the inner shell is hydrophobic because it is composed of an alkyl monomolecular film having a high molecular density. Therefore, it was possible to self-organize the molecular membrane structure in which the low hydrophilic block of Pluronic strongly interacts with the inner shell, while the hydrophilic block with high bio-affinity is exposed to the outer shell with high density. . Such a structure cannot be formed by simply allowing a pluronic molecule to act on the surface of bare Si nanoparticles, Si nanoparticles terminated with hydrogen atoms, or Si nanoparticles protected by a polar group such as silica.

なお、プルロニックとは、親水性のエチレンオキサイド(Ethylene Oxide、EO)と疎水性のプロピレンオキシド(Propylene Oxide、PO)とのトリブロック共重合型の非イオン性界面活性剤を指し、現在はBASF社から販売されている。EO重合度/PO重合度を変化させることで界面活性剤としての特性を変化させることができる。ここでは、EO重合度が100、PO重合度が65の(EO)100(PO)100(EO)100の分子量12570から成るプルロニック系界面活性剤を使用した。   Pluronic refers to a triblock copolymer type nonionic surfactant of hydrophilic ethylene oxide (Ethylene Oxide, EO) and hydrophobic propylene oxide (Propylene Oxide, PO), which is currently manufactured by BASF. It is sold by. By changing the EO polymerization degree / PO polymerization degree, the characteristics as a surfactant can be changed. Here, a pluronic surfactant having a molecular weight of 12570 with (EO) 100 (PO) 100 (EO) 100 having an EO polymerization degree of 100 and a PO polymerization degree of 65 was used.

更には、本発明のナノ粒子は、純水、生理的塩溶液、りん酸緩衝食塩液中に良く分散し、しかも半年以上安定であった。この点でも本発明のナノ粒子は生体に使用される蛍光標識材として望ましい特性を有する。   Furthermore, the nanoparticles of the present invention were well dispersed in pure water, physiological salt solution, and phosphate buffered saline, and were stable for more than half a year. Also in this respect, the nanoparticles of the present invention have desirable characteristics as a fluorescent labeling material used in a living body.

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ここで、実施例はあくまで本発明の理解を助けるためのものであって、本発明を限定するものでないことに注意すべきである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. Here, it should be noted that the examples are merely for the purpose of helping understanding of the present invention and do not limit the present invention.

[実験例1]
Siナノ結晶から蛍光を得るためには、ナノ結晶を8nmより小さな粒子径範囲で制御し、ダイヤモンド構造をもつSi結晶単相を得る必要がある。そこで、フッ化水素酸水溶液(48%)によるエッチング時間を0〜5時間の間で制御し、Si結晶単相が得られる範囲を見積もった。結晶相の定性には粉末X線回折法を用いた。
[Experimental Example 1]
In order to obtain fluorescence from Si nanocrystals, it is necessary to control the nanocrystals within a particle size range smaller than 8 nm to obtain a Si crystal single phase having a diamond structure. Therefore, the etching time with the hydrofluoric acid aqueous solution (48%) was controlled between 0 and 5 hours, and the range in which the Si crystal single phase was obtained was estimated. The powder X-ray diffraction method was used for the qualitative determination of the crystal phase.

<実施例1>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1150℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiO粉末を得た。フッ化水素酸水溶液中(48%)で当該粉末を撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。撹拌時間は、70〜120分の間で制御した。遠心分離処理を通じて得た粉末を乾燥後に粉末X線回折により定性分析した。
<Example 1>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1150 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 powder including Si nanocrystals. By stirring the powder in aqueous hydrofluoric acid solution (48%) to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The stirring time was controlled between 70 and 120 minutes. The powder obtained through the centrifugation treatment was dried and then qualitatively analyzed by powder X-ray diffraction.

<比較例1>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1150℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiO粉末を得た。フッ化水素酸水溶液中(48%)で当該粉末を撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。撹拌時間は、25〜70分、120〜300分の間でそれぞれ制御した。遠心分離処理を通じて得た粉末を乾燥後に粉末X線回折により定性分析した。
<Comparative Example 1>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1150 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 powder including Si nanocrystals. By stirring the powder in aqueous hydrofluoric acid solution (48%) to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The stirring time was controlled between 25 and 70 minutes and 120 and 300 minutes, respectively. The powder obtained through the centrifugation treatment was dried and then qualitatively analyzed by powder X-ray diffraction.

<実施例1と比較例1との比較・検討>
図2に、実施例1と比較例1から得た粉末X線回折図形を示す。フッ化水素酸水溶液中で粉末を撹拌することでSiOを除去した。SiOの存在は2シータ=22°附近に現れる回折ピークの有無で判断した。一方、Siの存在は、2シータ=28°、45°、56°附近に現れる(111)、(220)、(311)面のX線回折に基づいて判断した。25分のエッチング時間では両者とも存在しており、エッチング時間が長くなるほどSiOの存在を示す2シータ=22°のピークは小さくなった。そして70〜120分の間では、ダイヤモンド構造をもつSiに由来する回折ピークだけになった。この範囲内で、エッチング時間に伴う各々の回折ピークのブロードニングは、Siナノ粒子のサイズダウンに基づく。一方、120分を超えると、2シータ=17°付近にSi−F−O系の副次生成物が形成する。それゆえ、当該濃度のフッ化水素酸水溶液を用いてエッチングを行う際には、70〜120分の間でSiナノ粒子のサイズを制御するのが良いと考えられる。
<Comparison and examination between Example 1 and Comparative Example 1>
FIG. 2 shows powder X-ray diffraction patterns obtained from Example 1 and Comparative Example 1. SiO 2 was removed by stirring the powder in an aqueous solution of hydrofluoric acid. The presence of SiO 2 was judged by the presence or absence of a diffraction peak appearing near 2 theta = 22 °. On the other hand, the presence of Si was judged based on the X-ray diffraction of the (111), (220), and (311) planes that appear near 2 theta = 28 °, 45 °, 56 °. Both were present at the etching time of 25 minutes, and the longer the etching time, the smaller the peak at 2 Theta = 22 ° showing the presence of SiO 2 . Then, between 70 and 120 minutes, only diffraction peaks derived from Si having a diamond structure were observed. Within this range, the broadening of each diffraction peak with etching time is due to the size down of the Si nanoparticles. On the other hand, when it exceeds 120 minutes, a by-product of Si—F—O system is formed near 2 theta = 17 °. Therefore, when etching is performed using the hydrofluoric acid aqueous solution having the above concentration, it is considered preferable to control the size of the Si nanoparticles within 70 to 120 minutes.

[実験例2]
本発明で提案した水溶性蛍光標識材はダブルシェル構造をもつSiナノ結晶で構成される。具体的には、1つ以上のSiナノ結晶をコアにもち、各ナノ結晶は発光特性を安定化させるために炭化水素膜で終端されている。そして水溶性を付与するブロック共重合体を外殻にもつ。実施例2では水溶性蛍光標識材(ダブルシェル構造により水溶化したSiナノ粒子)の典型的な合成方法と水系溶媒中での可溶性及び安定性を議論し、実施例3では、外殻の存在が発光特性を減じないことを実証する。
[Experimental Example 2]
The water-soluble fluorescent labeling material proposed by the present invention is composed of Si nanocrystals having a double shell structure. Specifically, it has one or more Si nanocrystals as a core, and each nanocrystal is terminated with a hydrocarbon film in order to stabilize the emission characteristics. It also has a block copolymer that imparts water solubility in the outer shell. In Example 2, a typical synthesis method of a water-soluble fluorescent labeling material (Si nanoparticles solubilized by a double shell structure) and solubility and stability in an aqueous solvent are discussed. In Example 3, the presence of an outer shell is discussed. Does not reduce the emission characteristics.

<実施例2>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1150℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。乾燥することで生成物を得た。生成物を純水、生理的塩溶液、りん酸緩衝食塩液へ、各々分散させた後に静置した。所定の時間静置し分散性および安定性を評価した。評価は目視および蛍光分光光度計にもとづき行った。
<Example 2>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1150 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis. The product was obtained by drying. The product was dispersed in pure water, a physiological salt solution, and a phosphate buffered saline solution, and then allowed to stand. It was allowed to stand for a predetermined period of time to evaluate dispersibility and stability. The evaluation was carried out visually and based on a fluorescence spectrophotometer.

<実施例3>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1150℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。生成物を乾燥後に、無蛍光水に再分散させた。蛍光分光光度計を用いてフォトルミネッセンス(PL)スペクトルと励起スペクトルを測定した。また励起極大で励起した時のPL量子収率を絶対法で見積もった。
<Example 3>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1150 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis. After drying the product, it was redispersed in non-fluorescent water. A photoluminescence (PL) spectrum and an excitation spectrum were measured using a fluorescence spectrophotometer. Further, the PL quantum yield when excited at the excitation maximum was estimated by the absolute method.

<実施例4>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃〜1250℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。生成物を乾燥後に、無蛍光水に再分散させた。蛍光分光光度計を用いてフォトルミネッセンス(PL)スペクトルと励起スペクトルを測定した。
<Example 4>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. to 1250 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis. After drying the product, it was redispersed in non-fluorescent water. A photoluminescence (PL) spectrum and an excitation spectrum were measured using a fluorescence spectrophotometer.

<比較例2>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1150℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。当該ナノ結晶を乾燥後、無蛍光ジクロロメタンに再分散させた。蛍光分光光度計を用いてフォトルミネッセンス(PL)スペクトルと励起スペクトルを測定した。また励起極大で光励起した時のPL量子収率を絶対法で見積もった。
<Comparative example 2>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1150 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystals were dried and then redispersed in non-fluorescent dichloromethane. A photoluminescence (PL) spectrum and an excitation spectrum were measured using a fluorescence spectrophotometer. Further, the PL quantum yield when optically excited at the excitation maximum was estimated by the absolute method.

<比較例3>
本発明で作製したサンプルの蛍光量子収率は絶対法により測定した。同一の装置を使用し、2種類の蛍光色素を絶対法で見積もった。Cy7(商品コード15020,フナコシ株式会社)を測定したところ蛍光量子収率は30.3%、HiLyte Fluor 750,Amine(商品コード81267,フナコシ株式会社)の蛍光量子収率は10.8%と見積もられた。これらの値は、それぞれの色素の販売会社が公開している蛍光量子収率30%および12%とほぼ一致した。
<Comparative example 3>
The fluorescence quantum yield of the sample produced in the present invention was measured by the absolute method. Using the same instrument, two fluorescent dyes were estimated by absolute method. When Cy7 (product code 15020, Funakoshi Co., Ltd.) was measured, the fluorescence quantum yield was estimated to be 30.3%, and that of HiLyte Fluor 750, Amine (product code 81267, Funakoshi Co., Ltd.) was estimated to be 10.8%. I was stolen. These values were almost in agreement with the fluorescence quantum yields of 30% and 12% published by the respective dye distributors.

<実施例2、3、4と比較例2、3との比較・検討>
実施例2で得たサンプルは純水中に容易に分散したが、ジクロロメタンやアルカン系溶媒には分散しなかった。一方で、比較例2で得たサンプルはジクロロメタンやアルカン系溶媒には容易に分散したが、純水には分散しなかった。この違いは目視で容易に判別できた。これらの結果から比較例2で作製されたサンプルは、オクタデカンで終端されたSiナノ結晶であり、オクタデカン単分子膜の存在により油溶性を示した。実施例2で作製したサンプルは、オクタデカン単分子で終端されたSiナノ結晶をブロック共重合体で被覆することで、親水基が外に配設されたナノ構造を有していると考えられた。図3にこれら2つのサンプルの典型的な透過型電子顕微鏡像を示す。いずれのナノ結晶を見てもナノ結晶間距離が一定である。そして、ナノ結晶同士が結合した領域がない。以上より、オクタデカン単分子膜の被覆密度は高いと考えられる。また、ブロック共重合体の一つであるプルロニック水溶液中で処理したサンプルの透過型電子顕微鏡では、単一ナノ結晶で存在している粒子、複数個のナノ結晶が凝集している粒子、数十個のナノ結晶が凝集している粒子がそれぞれ観察された。オクタデカン単分子膜の存在ゆえに、各凝集体を構成するナノ結晶は互いに一定のナノ結晶間距離を保っていた。それゆえ、本発明の水溶性蛍光標識材は図1に示すようなナノ構造で構成されていると考えられる。具体的には、コアは1個以上のSiナノ結晶で構成されている。各ナノ結晶表面は炭化水素鎖で終端されており、当該炭化水素膜の分子密度は高い。1個以上のナノ結晶から構成される油溶性ナノ粒子はブロック共重合体で覆われている。本発明ではプルロニックをブロック共重合体の一例として用いた。炭化水素膜で修飾されたナノ結晶表面へはプルロニック分子の低親水性ブロックが疎水性相互作用を通じて化学吸着し、一方プルロニック分子の親水性ブロックが外側に向くことで水溶性を与えている。
<Comparison / examination of Examples 2, 3 and 4 and Comparative Examples 2 and 3>
The sample obtained in Example 2 was easily dispersed in pure water, but was not dispersed in dichloromethane or an alkane-based solvent. On the other hand, the sample obtained in Comparative Example 2 was easily dispersed in dichloromethane or an alkane-based solvent, but was not dispersed in pure water. This difference could be easily discerned visually. From these results, the sample produced in Comparative Example 2 was an octadecane-terminated Si nanocrystal, and exhibited oil solubility due to the presence of the octadecane monomolecular film. The sample prepared in Example 2 was considered to have a nanostructure in which hydrophilic groups were arranged outside by coating Si nanocrystals terminated with octadecane monomolecules with a block copolymer. . FIG. 3 shows typical transmission electron microscope images of these two samples. The distance between nanocrystals is constant regardless of which nanocrystal is viewed. And, there is no region where nanocrystals are bonded to each other. From the above, it is considered that the coating density of the octadecane monomolecular film is high. In addition, in a transmission electron microscope of a sample treated in a pluronic aqueous solution, which is one of block copolymers, particles present in a single nanocrystal, particles in which a plurality of nanocrystals are aggregated, and several tens of nanocrystals are observed. Particles in which individual nanocrystals were aggregated were observed. Due to the presence of the octadecane monolayer, the nanocrystals forming each aggregate maintained a constant distance between the nanocrystals. Therefore, the water-soluble fluorescent labeling material of the present invention is considered to have a nanostructure as shown in FIG. Specifically, the core is composed of one or more Si nanocrystals. The surface of each nanocrystal is terminated by a hydrocarbon chain, and the hydrocarbon film has a high molecular density. Oil-soluble nanoparticles composed of one or more nanocrystals are covered with a block copolymer. In the present invention, Pluronic was used as an example of a block copolymer. The low hydrophilic block of the pluronic molecule chemisorbs to the surface of the nanocrystals modified with the hydrocarbon film through hydrophobic interaction, while the hydrophilic block of the pluronic molecule faces outward to impart water solubility.

プルロニックで保護された水溶性ナノ粒子は、純水だけでなく、生理的塩溶液、りん酸緩衝食塩液にも容易に分散し、目視する限りにおいて半年以上の長期にわたって分散性に変化はなかった。また、PLスペクトルにも変化のないことから、光学特性を決定するコアを内殻及び外殻が廃れることなく被覆した結果、発光機能が劣化しないと結論できる。   Pluronic-protected water-soluble nanoparticles disperse easily not only in pure water but also in physiological salt solutions and phosphate buffered saline, and there was no change in dispersibility over a long period of more than half a year as long as visually observed. . In addition, since there is no change in the PL spectrum, it can be concluded that the light emitting function is not deteriorated as a result of coating the core that determines the optical characteristics without the inner and outer shells being discarded.

実施例3で得たサンプルのPLスペクトル及び励起スペクトルを図4に示す。励起極大で光励起した時にPL極大は985nmに観察された。励起極大は386nmに観察された。励起−発光間のストークスシフトは約600nmであった。このような大きなストークスシフトはダイヤモンド構造結晶をもつシリコンナノ結晶に特徴付けられる特性である。PLスペクトルの半値幅は168nm(220meV)と見積もられた。蛍光量子収率は31.3%であった。一方、比較例1で取得されたPLスペクトルの蛍光極大は985nmにあった。PLスペクトルの半値幅は167nm(218meV)であった。また、蛍光量子収率は31.0%であった。0.3%は実験誤差に含まれることから、本発明において用いたブロック共重合体で構成される外殻は発光特性に影響を及ぼさないことが分かった。   The PL spectrum and excitation spectrum of the sample obtained in Example 3 are shown in FIG. The PL maximum was observed at 985 nm when photoexcited at the excitation maximum. The excitation maximum was observed at 386 nm. The Stokes shift between excitation and emission was about 600 nm. Such a large Stokes shift is a characteristic feature of silicon nanocrystals having a diamond structure crystal. The full width at half maximum of the PL spectrum was estimated to be 168 nm (220 meV). The fluorescence quantum yield was 31.3%. On the other hand, the fluorescence maximum of the PL spectrum obtained in Comparative Example 1 was 985 nm. The full width at half maximum of the PL spectrum was 167 nm (218 meV). The fluorescence quantum yield was 31.0%. Since 0.3% is included in the experimental error, it was found that the outer shell composed of the block copolymer used in the present invention does not affect the light emission characteristics.

実施例4を通じて作製された水溶性ナノ粒子の典型的なPLスペクトルを図5に示す。熱処理時間は3価のSiが、0価と4価のSiに不均化した際の0価Siナノ結晶のサイズを決定する。熱処理温度が高く時間が長い方が初期の結晶径が大きくなる。同条件で熱処理した各サンプルにおいて、フッ化水素酸水溶液中での撹拌時間が長いほどシリコン結晶もエッチングされ、粒子径が小さくなる。結果として、撹拌時間が長くなるに従い、ナノ結晶からのPLスペクトルは短波長側へシフトする。1.9〜6.1nmの範囲で粒子径を制御することで700〜1000nmの波長範囲でPLスペクトルを連続的に制御できる。Siのナノ結晶において粒度分布とPLスペクトルの半値幅は相関するので、作製されたSiナノ結晶を遠心分離およびカラムクロマトグラフィープロセスを通じて分級することで単分散性を上げることでPLスペクトル半値幅の小さいものが得られる。図5に典型的なPLスペクトル特性を示す。発光の量子収率は30%より高く、スペクトルの半価幅は、図7に示す通り、全てのPLスペクトルにおいて150〜300meVの範囲であった。なお、図7には蛍光極大波長が1050nm付近までしかプロットされていないが、1050〜1100nmの範囲でも1050nm付近とほぼ同じであった。   A typical PL spectrum of water-soluble nanoparticles produced through Example 4 is shown in FIG. The heat treatment time determines the size of 0-valent Si nanocrystals when trivalent Si is disproportionated into 0-valent and 4-valent Si. The higher the heat treatment temperature and the longer the time, the larger the initial crystal diameter. In each sample heat-treated under the same conditions, the longer the stirring time in the hydrofluoric acid aqueous solution, the more the silicon crystals are etched, and the particle size becomes smaller. As a result, the PL spectrum from the nanocrystals shifts to the shorter wavelength side as the stirring time increases. By controlling the particle size in the range of 1.9 to 6.1 nm, the PL spectrum can be continuously controlled in the wavelength range of 700 to 1000 nm. Since the particle size distribution and the half-value width of the PL spectrum in the Si nanocrystals are correlated, the produced Si nanocrystals are classified through a centrifugal separation and column chromatography process to improve the monodispersity and thus the PL spectrum half-width is small. Things are obtained. FIG. 5 shows a typical PL spectrum characteristic. The quantum yield of emission was higher than 30%, and the full width at half maximum of the spectra was in the range of 150 to 300 meV in all PL spectra as shown in FIG. 7. Although the maximum fluorescence wavelength is plotted only up to around 1050 nm in FIG. 7, it was almost the same as around 1050 nm in the range of 1050 to 1100 nm.

[実験例3]
本発明の蛍光標識材が従来のシングルシェル構造に比べ水溶系溶媒中で高い安定性を示すことを実証するために、pH依存性を調べた。各pHにおける水溶性粒子の安定性は、励起光として365nmのUV光を照射しながら蛍光を目視で観察することで判断した。
[Experimental Example 3]
In order to demonstrate that the fluorescent labeling material of the present invention exhibits higher stability in an aqueous solvent than the conventional single shell structure, the pH dependency was investigated. The stability of the water-soluble particles at each pH was judged by visually observing fluorescence while irradiating 365 nm UV light as excitation light.

<実施例5>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で100分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。生成物を乾燥後に超純水に再分散させた後に、石英セルへ封入した。365nmのUV光で励起したところ赤色発光を得た。
<Example 5>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 100 minutes in hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis. The product was dried, redispersed in ultrapure water, and then enclosed in a quartz cell. Excitation with 365 nm UV light gave red emission.

<比較例4>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で100分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気したアクリル酸を含むメシチレン中で150℃熱処理することで、カルボキシル基で終端されたSiナノ結晶を得た。超純水に再分散させた後に、石英セルに封入した。365nmのUV光で励起したところ赤色発光を得た。
<Comparative example 4>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 100 minutes in hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing acrylic acid that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with a carboxyl group. After redispersion in ultrapure water, it was enclosed in a quartz cell. Excitation with 365 nm UV light gave red emission.

<比較例5>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で100分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気したアリルアミンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、カルボキシル基で終端されたSiナノ結晶を得た。超純水に再分散させた後に、石英セルに封入した。365nmのUV光で励起したところ赤色フォトルミネッセンスを示さなかった。
<Comparative Example 5>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 100 minutes in hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing deaerated allylamine to obtain Si nanocrystals terminated with a carboxyl group. After redispersion in ultrapure water, it was enclosed in a quartz cell. Excitation with 365 nm UV light did not show red photoluminescence.

<実施例5と比較例4、5との比較・検討>
実施例5から得た水溶性ナノ粒子は、pH1.5〜12の範囲で変化させても蛍光赤色は石英セルに封入された溶液全面から均一に放射されており、pHの変化に依存せず安定に分散していると確かめられた。比較例4から得たカルボキシル基で終端されたSiナノ結晶は、図6に示す通りpH1.7〜9.2の範囲では溶液全面から均一に蛍光が放射されたが、pH10を超えると粒子の凝集が始まり、pH12を超えると粒子は沈澱し溶液からの蛍光は見られなくなった。比較例5から得たアミノ基で終端されたSiナノ結晶は赤色蛍光を示さなかった。これは、アミノ基の窒素のローンペアが最表面Si原子と相互作用することで形成する分子軌道がSiナノ構造中に形成したエネルギー準位間に形成されたためであると考えられる。それゆえ、光励起により発生した電子―ホール対は、Siのナノ構造で規定されるHOMO−LUMO遷移ではなく、新たに形成された界面準位を経由して起こると考えられる。実証の一つとして、消光したと考えられたPLは850nmへレッドシフトしていた。
<Comparison and examination between Example 5 and Comparative Examples 4 and 5>
In the water-soluble nanoparticles obtained from Example 5, even if the pH was changed in the range of 1.5 to 12, the fluorescent red color was uniformly radiated from the entire surface of the solution enclosed in the quartz cell, and did not depend on the change in pH. It was confirmed to be stably dispersed. The carboxyl group-terminated Si nanocrystals obtained in Comparative Example 4 uniformly emitted fluorescence from the entire surface of the solution in the pH range of 1.7 to 9.2 as shown in FIG. Aggregation started, and when pH exceeded 12, particles precipitated and fluorescence from the solution was not seen. The amino group-terminated Si nanocrystals obtained from Comparative Example 5 did not show red fluorescence. This is considered to be because the molecular orbital formed by the interaction of the nitrogen loan pair of the amino group with the outermost surface Si atom was formed between the energy levels formed in the Si nanostructure. Therefore, it is considered that the electron-hole pair generated by photoexcitation occurs not through the HOMO-LUMO transition defined by the Si nanostructure but through the newly formed interface state. As one of the proofs, PL which was considered to be quenched was red-shifted to 850 nm.

[実験例4]
内殻を形成する炭化水素単分子膜の酸化抑制効果を調べるために、水素終端Siナノ結晶とオクタデセン終端Siナノ結晶の乾燥粉末を大気に暴露して、酸素に対する反応性を調べた。結晶相の同定は粉末X線回折法から調べた。
[Experimental Example 4]
In order to investigate the effect of suppressing the oxidation of the hydrocarbon monomolecular film forming the inner shell, dry powders of hydrogen-terminated Si nanocrystals and octadecene-terminated Si nanocrystals were exposed to the atmosphere and their reactivity to oxygen was examined. The crystal phase was identified by powder X-ray diffractometry.

<実施例6>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で90分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。2週間大気放置した後に粉末X線回折で分析したところ回折図形に変化はなかった。
<Example 6>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring for 90 minutes in hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. When the powder was left for 2 weeks in the air and analyzed by powder X-ray diffraction, there was no change in the diffraction pattern.

<比較例6>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で90分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。2週間大気放置した後に粉末X線回折で分析したところ、Siの結晶相を示す回折は見受けられず、代わりに、21°附近に酸化シリコンの形成を示すブロードなピークが見られた。
<Comparative example 6>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring for 90 minutes in hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). When the powder was allowed to stand in the air for 2 weeks and then analyzed by powder X-ray diffraction, no diffraction showing the crystalline phase of Si was found, and instead, a broad peak showing the formation of silicon oxide was found near 21 °.

<実施例6と比較例6との比較・検討>
実施例6で作製したオクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶は、2週間の大気暴露下においても粉末X線回折図形に変化無く、それゆえ、シェラーの式から見積もることのできる結晶サイズにも変化無かった。これは、図3に示す透過型電子顕微鏡像から議論された通り、オクタデカン分子の末端炭素がナノ結晶最表面のSiと共有結合で強く結びつき、さらに、オクタデカン単分子膜内では炭化水素間で発生する疎水性相互作用を通じて高い密度のオクタデカン分子が結晶表面を覆っているために、酸素の侵入が阻害されたと考えられる。一方、比較例6の水素終端Siナノ結晶では容易に酸化が進んだ。水素原子はケイ素原子に比べると小さく、大気中に存在する酸素種の中でも特に反応性の高い活性酸素は容易にナノ結晶最表面まで接近できケイ素と反応、その後結晶内部へ拡散することで酸化が進んだと考えられる。通常、大気中に置かれた水素終端化Siの酸化はバルク結晶のウェハーでも起きる。酸化膜の厚さは季節によって多少の差があるが、室温下では1.7〜2.1nmであるので、蛍光発光特性を示すSiナノ粒子であれば酸化されて酸化シリコンナノ粒子になるのは納得できる。
<Comparison and examination between Example 6 and Comparative Example 6>
The octadecane monolayer-terminated Si nanocrystals produced in Example 6 did not change in the powder X-ray diffraction pattern even after exposure to the atmosphere for 2 weeks, and therefore had a crystal size that can be estimated from Scherrer's equation. There was no change. This is because, as discussed from the transmission electron microscope image shown in FIG. 3, the terminal carbon of the octadecane molecule is strongly bound to Si on the outermost surface of the nanocrystal by a covalent bond, and further, it occurs between hydrocarbons in the octadecane monolayer. It is considered that the invasion of oxygen was inhibited because the high-density octadecane molecule covered the crystal surface through the hydrophobic interaction. On the other hand, in the hydrogen-terminated Si nanocrystals of Comparative Example 6, oxidation proceeded easily. Hydrogen atoms are smaller than silicon atoms, and active oxygen, which is highly reactive among oxygen species present in the atmosphere, can easily reach the outermost surface of nanocrystals, reacts with silicon, and is oxidized by diffusing into the crystal interior. Probably advanced. Oxidation of hydrogen-terminated Si that is normally placed in the atmosphere also occurs in bulk crystal wafers. Although the thickness of the oxide film is slightly different depending on the season, it is 1.7 to 2.1 nm at room temperature, so that Si nanoparticles exhibiting fluorescence emission characteristics are oxidized into silicon oxide nanoparticles. Is convinced.

[実験例5]
本発明の蛍光標識材の細胞毒性を調べた。本発明で記載のナノ構造を用いた場合に高い細胞生存率が達成されることを示す。また二光子励起によるバイオイメージングを行った。
[Experimental Example 5]
The cytotoxicity of the fluorescent labeling material of the present invention was investigated. It is shown that high cell viability is achieved when using the nanostructures described in the present invention. We also performed bioimaging by two-photon excitation.

<実施例7>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。当該水溶性蛍光標識材の細胞毒性試験は、Cell Counting Kit-8を用いておこなった。NIH3T3細胞の懸濁液をDulbecco's Modified Eagle Medium(通称:DMEM)培地へ分配した。尚、培地には、10%の fetal bovine serum、100units/mLのペニシリン、100mg/mLのストレプトマイシンが添加された。これを37℃、5%二酸化炭素を含む加湿空気中で1日インキュベート後に、蛍光標識材を所定量添加して37℃、5%二酸化炭素を含む加湿空気中で1日インキュベートした。これに10μLのCCK−8溶液を添加し、24時間インキュベート後に、マイクロプレートリーダーを用いて吸光度から細胞生存率を調べた。水溶性蛍光標識材の濃度を25〜500μg/mLまで増加させた時、300μg/mLまではNIH3T3細胞の生存率はほぼ100%、500μg/mLの高濃度下においても95%以上の生存率を示した。
<Example 7>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis. The cytotoxicity test of the water-soluble fluorescent labeling material was performed using Cell Counting Kit-8. A suspension of NIH3T3 cells was distributed in Dulbecco's Modified Eagle Medium (common name: DMEM) medium. The medium was supplemented with 10% fetal bovine serum, 100 units / mL penicillin, and 100 mg / mL streptomycin. This was incubated at 37 ° C. in humidified air containing 5% carbon dioxide for 1 day, then a predetermined amount of a fluorescent labeling agent was added, and incubated at 37 ° C. in humidified air containing 5% carbon dioxide for 1 day. To this, 10 μL of CCK-8 solution was added, and after incubation for 24 hours, cell viability was examined from the absorbance using a microplate reader. When the concentration of the water-soluble fluorescent labeling agent was increased to 25 to 500 μg / mL, the survival rate of NIH3T3 cells was almost 100% up to 300 μg / mL, and the survival rate of 95% or higher was obtained even at a high concentration of 500 μg / mL. Indicated.

<実施例8>
トリエトキシシランを加水分解することで得たHSiO1.5を真空下、1100℃で不均化することで、Siナノ結晶を内包するSiOを得た。フッ化水素酸水溶液中で80分撹拌することで、SiOを除去し、水素終端化されたSiナノ結晶(H−Si)を得た。H−Siナノ結晶を予め脱気した1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理することで、オクタデカン単分子膜で終端されたSiナノ結晶を得た。次にナノ結晶のトルエン分散液をプルロニック分散液と混合した。プルロニックにはF127を用い、酸水溶液(水:HCl=10:1)中に溶媒和させることでプルロニック分散液を得た。1時間混合した後にトルエン相を除去した。透析により未反応のプルロニックおよび塩化水素を取り除いた。
<Example 8>
HSiO 1.5 obtained by hydrolyzing triethoxysilane was disproportionated at 1100 ° C. under vacuum to obtain SiO 2 containing Si nanocrystals. By stirring 80 minutes in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the SiO 2, to obtain a hydrogen-terminated been Si nanocrystals (H-Si). The H—Si nanocrystals were heat-treated at 150 ° C. in mesitylene containing 1-octadecene that had been degassed in advance to obtain Si nanocrystals terminated with an octadecane monomolecular film. The nanocrystalline toluene dispersion was then mixed with the Pluronic dispersion. F127 was used for Pluronic, and the Pluronic dispersion was obtained by solvating in an aqueous acid solution (water: HCl = 10: 1). After mixing for 1 hour, the toluene phase was removed. Unreacted pluronic and hydrogen chloride were removed by dialysis.

NIH3T3細胞を1mLあたり10個の細胞を含むように調製し、所定のガラス基板上へ配設した。これに100μg/mLの780nmに発光極大をもつ水溶性Siナノ粒子を作用させ、24時間インキュベートした。リン酸バッファーで数回洗浄したあとに、パラフォルムアルデヒドで固定化することで蛍光イメージング用試料とした。 NIH3T3 cells were prepared so as to contain 10 5 cells per mL, and placed on a predetermined glass substrate. 100 μg / mL of water-soluble Si nanoparticles having an emission maximum at 780 nm was allowed to act on this and incubated for 24 hours. After washing with a phosphate buffer several times, it was fixed with paraformaldehyde to prepare a sample for fluorescence imaging.

蛍光イメージングは二光子励起法を用いた。波長790nmのフェムト秒チタンサファイアレーザパルスを励起光源とし、二光子励起発光をダイクロイックミラー、フィルターによって分離し、試料を395nmに相当するフォトンエネルギーで励起したところ、蛍光コントラストの高いNIH3T3細胞のイメージング像を獲た。   Two-photon excitation method was used for fluorescence imaging. When a femtosecond titanium sapphire laser pulse with a wavelength of 790 nm was used as an excitation light source, two-photon excitation emission was separated by a dichroic mirror and a filter, and the sample was excited with photon energy corresponding to 395 nm, and an imaging image of NIH3T3 cells with high fluorescence contrast I caught it.

<比較例7>
近年の水溶性Siナノ粒子の細胞毒性試験の結果を記載することで比較例とする。
・リン脂質のミセルで保護されたSiナノ粒子の膵臓がん細胞毒性をMTT試験で評価したところ、ナノ粒子濃度が4μg/mLを超えると細胞生存率は単調に減少を始め10μg/mLで80%、12μg/mLで60%を下回る(非特許文献9)
・リシンで修飾されたSiナノ粒子の膵臓がん細胞毒性をMTS試験で評価したところ、ナノ粒子濃度が200μg/mLまでは細胞生存率100%であったが、500μg/mLでは60%まで減少した(非特許文献10)。
・エポキシ基、アミノ基、ジオール基で終端されたSiナノ粒子のA549細胞およびHepG2ヒト肝癌由来細胞に対する細胞毒性をMTT試験で評価したところ、50μg/mLまでは、ほぼ細胞生存率100%であったが、100μg/mLを超えると生存率が50〜60%まで減少し、200μg/mLを超えると20%以下になった(非特許文献11)。
・アミノ基、カルボキシル基で終端されたSiナノ粒子のHella細胞毒性をMTT試験で評価したところ、ナノ粒子濃度が60μg/mLを超えると生存率が80%まで減少した(非特許文献12)。
・カルボキシ基で終端されたSiナノ粒子を分子量の高いポリエチレングリコールのミセルに封入した水溶性蛍光標識の膵臓がん細胞毒性をMTS試験で評価したところ、ナノ粒子濃度が200μg/mLまでは細胞生存率100%であったが、500μg/mLでは60%以下になった(非特許文献13)。
<Comparative Example 7>
The results of recent cytotoxicity tests of water-soluble Si nanoparticles will be described as comparative examples.
-The MTT test evaluated the pancreatic cancer cytotoxicity of Si nanoparticles protected by phospholipid micelles, and when the nanoparticle concentration exceeded 4 μg / mL, the cell viability began to decrease monotonically and reached 80 at 10 μg / mL. %, Less than 60% at 12 μg / mL (Non-Patent Document 9)
・ The MTS test evaluated the pancreatic cancer cytotoxicity of Si nanoparticles modified with lysine, and the cell viability was 100% at nanoparticle concentrations up to 200 μg / mL, but decreased to 60% at 500 μg / mL. (Non-patent document 10).
When the MTT test evaluated the cytotoxicity of Si nanoparticles terminated with epoxy groups, amino groups, and diol groups on A549 cells and HepG2 human hepatoma-derived cells, the cell viability was almost 100% up to 50 μg / mL. However, when it exceeded 100 μg / mL, the survival rate decreased to 50 to 60%, and when it exceeded 200 μg / mL, it fell to 20% or less (Non-patent Document 11).
When the Hella cytotoxicity of Si nanoparticles terminated with amino groups and carboxyl groups was evaluated by the MTT test, the survival rate decreased to 80% when the concentration of nanoparticles exceeded 60 μg / mL (Non-Patent Document 12).
・ The MTS test evaluated the pancreatic cancer cytotoxicity of a water-soluble fluorescent label in which Si nanoparticles terminated with a carboxy group were encapsulated in high molecular weight polyethylene glycol micelles, and cell survival was observed up to a nanoparticle concentration of 200 μg / mL. The rate was 100%, but it became 60% or less at 500 μg / mL (Non-Patent Document 13).

<実施例7、8と比較例7との比較・検討>
細胞毒性はこれまで単分子膜で構成されるシングルシェル形成により水溶性化したSiナノ粒子において研究されてきた。従来、Siナノ粒子を対象にした細胞毒性は、表面官能基に強く依存されると報告され、チオール基は細胞毒性を増加させ、アミノ基やエステル基などは低細胞毒性基と考えられてきた。ところが、比較例7から、ナノ粒子の高濃度環境下では、アミノ基やエステル基なども細胞毒性が高いことが明らかになった。生体親和性の高いことで知られ他のナノ粒子においても表面保護材に使われるポリエチレングリコールを高分子量で保護しても、本発明の蛍光標識材に比べると毒性がある。さらにリン脂質などの生体親和性の高い表面保護層を用いても本発明の水溶性蛍光標識材と比較すると細胞毒性が高いと言える。プルロニック系界面活性剤の生体親和性はよく知られているが、細胞毒性の低さはプルロニックのもつ分子化学的な性質だけに依存するのではなく、内殻の存在により外殻の薄膜構造が自己組織化的に制御され、その結果として緻密親水膜を粒子最表面へ露出できたことによると考えられる。
<Comparison and examination between Examples 7 and 8 and Comparative Example 7>
Cytotoxicity has been studied so far in water-solubilized Si nanoparticles by forming a single shell composed of a monolayer. Conventionally, it has been reported that cytotoxicity for Si nanoparticles is strongly dependent on surface functional groups, thiol groups increase cytotoxicity, and amino groups and ester groups are low cytotoxic groups. . However, it was revealed from Comparative Example 7 that amino groups, ester groups, and the like also have high cytotoxicity in a high-concentration environment of nanoparticles. Even with other nanoparticles known to have high biocompatibility, polyethylene glycol used as a surface protective material with a high molecular weight is more toxic than the fluorescent labeling material of the present invention. Furthermore, it can be said that even if a surface protective layer having a high biocompatibility such as phospholipid is used, the cytotoxicity is high as compared with the water-soluble fluorescent labeling material of the present invention. The biocompatibility of pluronic surfactants is well known, but the low cytotoxicity does not depend only on the molecular chemical properties of pluronic, but the existence of the inner shell causes the thin film structure of the outer shell to It is considered that it was controlled in a self-organizing manner, and as a result, the dense hydrophilic film could be exposed to the outermost surface of the particles.

実施例8において、二光子励起によって細胞の蛍光イメージングを行った。入射光は790nmであるので、395nmに相当するフォトンエネルギーで蛍光体を励起したことになる。図3より395nmは励起極大に非常に近い波長であることから、蛍光体を効率良く励起したことになる。蛍光体には780nmに蛍光極大をもつナノ粒子であることから、本イメージングは生体分光窓に相当する波長範囲で行われたことを意味している。重要な点は、フェムト秒レーザーのなかでもっとも汎用される波長790nmは、本発明ナノ粒子全てを効率良く光励起できる波長に相当することである。たとえば、実施例8で使用したナノ粒子は、図5に記載の通り、励起極大で光励起することで、絶対蛍光量子収率40%を超える効率で発光するため、励起強度が微弱で済み、コントラスの高い蛍光イメージングを提供できた。   In Example 8, fluorescence imaging of cells was performed by two-photon excitation. Since the incident light is 790 nm, it means that the phosphor is excited by the photon energy corresponding to 395 nm. Since 395 nm is a wavelength very close to the excitation maximum from FIG. 3, it means that the phosphor was efficiently excited. Since the fluorescent substance is nanoparticles having a fluorescence maximum at 780 nm, it means that the present imaging was performed in the wavelength range corresponding to the biological spectroscopic window. The important point is that the most widely used wavelength of 790 nm among femtosecond lasers corresponds to the wavelength capable of efficiently photoexciting all the nanoparticles of the present invention. For example, as shown in FIG. 5, the nanoparticles used in Example 8 emit light with an efficiency of more than 40% in absolute fluorescence quantum yield by being optically excited at the excitation maximum, so that the excitation intensity may be weak. It was possible to provide high fluorescence imaging.

以上説明したように、本発明によれば、発光効率が良くまた安定して発光するシリコンナノ粒子が得られ、これを例えば生体の蛍光イメージングのための蛍光標識材に応用できるため、産業上の利用可能性は大きいものがある。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain silicon nanoparticles that emit light efficiently and stably, and can be applied to, for example, a fluorescent labeling material for fluorescent imaging of a living body, and thus, it is possible to use it in industrial Some are highly available.

特開2006-77124号公報JP, 2006-77124, A 特開2009−227703号公報JP, 2009-227703, A 特開2009−256530号公報JP, 2009-256530, A 特開2013−227253号公報JP, 2013-227253, A 特開2013−56916号公報JP, 2013-56916, A 特表2013−504692号公報Special table 2013-504692 gazette

Small,2011,7,199.Small, 2011,7,199. https://www.env.go.jp/kijun/wt1.htmlhttps://www.env.go.jp/kijun/wt1.html ACS Nano 2011, 5, 413.ACS Nano 2011, 5, 413. Physical Chemistry Chemical Physics 2011, 13, 7284.Physical Chemistry Chemical Physics 2011, 13, 7284. Science and Technology of Advanced Materials, 2014, 15,014207.Science and Technology of Advanced Materials, 2014, 15,014207. ACS Nano 2011, 5, 413.ACS Nano 2011, 5, 413. Journal of Physical Chemistry Letters 4 (2013) 402.Journal of Physical Chemistry Letters 4 (2013) 402. 日本油化学会誌 49(200)1071:プルロニック系界面活性剤の総説Journal of Japan Oil Chemists' Society 49 (200) 1071: Review of Pluronic surfactants ACS Nano, 2008, 2, 873-878.ACS Nano, 2008, 2, 873-878. Bioconjugate Chemistry, 2011, 22, 1081-1088.Bioconjugate Chemistry, 2011, 22, 1081-1088. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 248-253.J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 248-253. Langmuir 2014, 30, 5209-5216.Langmuir 2014, 30, 5209-5216. ACS Nano 2011, 5, 413-423.ACS Nano 2011, 5, 413-423.

Claims (9)

トリエトキシシランを加水分解してHSiO1.5を作製するステップ、
前記HSiO1.5に真空下で1150℃の熱処理を施してSiナノ結晶を内包するSiO粉末を作製するステップ、
前記SiO粉末をフッ化水素水溶液中で70〜120分間攪拌し、SiOを除去して水素終端化されたSiナノ結晶を作製するステップ、
前記水素終端化されたSiナノ結晶の表面を、炭素数が11〜22のアルキル単分子膜で被覆するステップ、
前記アルキル単分子膜で被覆されたSiナノ粒子をトルエンに分散させたナノ結晶トルエン分散液を作製するステップ、
親水性のエチレンオキサイドと疎水性のプロピレンオキシドとのトリブロック共重合型の非イオン性界面活性剤を酸水溶液中に溶媒和させた非イオン性界面活性剤分散液を作製するステップ、
前記ナノ結晶トルエン分散液と前記非イオン性界面活性剤分散液を混合するステップ、
および、前記混合による混合液からトルエンを除去するステップを行う、励起光の照射により近赤外域で発光するシリコンナノ粒子の製造方法。
Hydrolyzing triethoxysilane to make HSiO 1.5 ,
Subjecting said HSiO 1.5 to a heat treatment at 1150 ° C. under vacuum to produce SiO 2 powder containing Si nanocrystals;
Stirring the SiO 2 powder in a hydrogen fluoride aqueous solution for 70 to 120 minutes to remove SiO 2 and produce hydrogen-terminated Si nanocrystals;
Coating the surface of the hydrogen-terminated Si nanocrystal with an alkyl monomolecular film having 11 to 22 carbon atoms;
Preparing a nanocrystalline toluene dispersion of the Si nanoparticles coated with the alkyl monolayer in toluene.
The step of preparing a non-ionic surfactant component dispersion liquid obtained by solvating the triblock copolymer type nonionic surfactant in the acid aqueous solution of hydrophilic ethylene oxide and a hydrophobic propylene oxide,
The step of mixing the nanocrystalline toluene dispersion before Symbol nonionic surfactant component dispersion liquid,
And a method for producing silicon nanoparticles that emit light in the near infrared region by irradiation with excitation light, which comprises performing a step of removing toluene from the mixed solution by the above mixing.
前記フッ化水素水溶液の濃度が48%である、請求項1に記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1, wherein the concentration of the hydrogen fluoride aqueous solution is 48%. 前記アルキル単分子膜で被覆するステップは、前記水素終端化されたSiナノ結晶を、1−オクタデセンを含むメシチレン中で150℃熱処理するステップである、請求項1または2に記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The silicon nanoparticle according to claim 1 or 2, wherein the step of coating with the alkyl monolayer is a step of heat-treating the hydrogen-terminated Si nanocrystal at 150 ° C in mesitylene containing 1-octadecene. Production method. 前記シリコンナノ粒子は、励起光の照射により700nm〜1000nmの範囲のピーク波長で発光する、請求項1から3の何れかに記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1, wherein the silicon nanoparticles emit light with a peak wavelength in a range of 700 nm to 1000 nm upon irradiation with excitation light. 前記発光のスペクトルの半値幅は150meV〜300meVである、請求項4に記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 4, wherein the full width at half maximum of the emission spectrum is 150 meV to 300 meV. 前記シリコンナノ粒子は、発光量子収率が30%以上である、請求項1から5の何れかに記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1, wherein the silicon nanoparticles have an emission quantum yield of 30% or more. 前記アルキル単層膜で被覆されたSiナノ粒子が内包するSiナノ結晶は、
サイズが1.9nm〜6.1nmの範囲である、
請求項1から6の何れかに記載のシリコンナノ粒子の製造方法。
The Si nanocrystals encapsulated by the Si nanoparticles coated with the alkyl monolayer film are
The size is in the range of 1.9 nm to 6.1 nm,
The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1.
前記Siナノ結晶は単分散粒子である、請求項1に記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1, wherein the Si nanocrystals are monodisperse particles. 前記シリコンナノ粒子は、近赤外域の励起光の照射による二光子吸収に基づいて近赤外域で発光する、請求項1から8の何れかに記載のシリコンナノ粒子の製造方法。   The method for producing silicon nanoparticles according to claim 1, wherein the silicon nanoparticles emit light in the near infrared region based on two-photon absorption by irradiation with excitation light in the near infrared region.
JP2015059049A 2015-03-23 2015-03-23 Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles Active JP6687933B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015059049A JP6687933B2 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015059049A JP6687933B2 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016176039A JP2016176039A (en) 2016-10-06
JP6687933B2 true JP6687933B2 (en) 2020-04-28

Family

ID=57069748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015059049A Active JP6687933B2 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6687933B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020246297A1 (en) * 2019-06-04 2020-12-10 株式会社村田製作所 Luminous body, method for manufacturing luminous body, and biological-substance labeling agent

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7846412B2 (en) * 2003-12-22 2010-12-07 Emory University Bioconjugated nanostructures, methods of fabrication thereof, and methods of use thereof
JP4504267B2 (en) * 2005-06-28 2010-07-14 株式会社東芝 Method for producing semiconductor nanoparticles and method for coating the surface of a semiconductor material
JPWO2012057253A1 (en) * 2010-10-27 2014-05-12 国立大学法人 東京大学 Fluorescent silicon nanoparticles and method for producing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016176039A (en) 2016-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Canham Introductory lecture: origins and applications of efficient visible photoluminescence from silicon-based nanostructures
JP5907544B2 (en) Method for producing nanoparticles
Hullavarad et al. Cadmium sulphide (CdS) nanotechnology: synthesis and applications
Pichaandi et al. Near-infrared emitting quantum dots: Recent progress on their synthesis and characterization
Hu et al. Encapsulation of single quantum dots with mesoporous silica
JP5686096B2 (en) Quantum dot-encapsulating silica nanoparticles, method for producing the same, and biological material labeling agent using the same
JP2011251283A (en) Nanoparticle, nanocrystal, nanocrystal solution, and method for making water-soluble nanoparticle
US20060114960A1 (en) Optical feedback structures and methods of making
JP5371011B2 (en) Novel nanoparticle emitter
US20120187373A1 (en) Stepwise Surface Assembly of Quantum Dot-Fullerene Heterodimers
Chatterjee et al. A novel strategy towards designing a CdSe quantum dot–metallohydrogel composite material
Philippot et al. New core–shell hybrid nanoparticles for biophotonics: fluorescent organic nanocrystals confined in organosilicate spheres
JP6687933B2 (en) Method for producing water-soluble near-infrared emitting nanoparticles
Pramanik et al. Template-free hydrothermal synthesis of amphibious fluorescent carbon nanorice towards anti-counterfeiting applications and unleashing its nonlinear optical properties
FR2964665A1 (en) LUMINESCENT NANOPARTICLES USED AS MARKERS AND PROCESS FOR THEIR PREPARATION
Fan et al. Near-infrared multiphoton absorption and third harmonic generation with CsPbBr 3 quantum dots embedded in micro-particles of metal–organic frameworks
WO2009116408A1 (en) Process for producing core/shell-type semiconductor nanoparticles, and core/shell-type semiconductor nanoparticles
Yuan et al. Spectral tuning of colloidal Si nanocrystal luminescence by post-laser irradiation in liquid
JP5381711B2 (en) Aggregate of semiconductor nanoparticle phosphors, method for producing the same, and single molecule observation method using the same
JP2010105149A (en) Semiconductor nanoparticle and production method of the same
Lu et al. Enhanced luminescence and dispersion stability of lead halide perovskite nanocrystals by surface modification via O/W emulsion
Chang et al. Luminescent Nanomaterials (I)
KR101762887B1 (en) Complex containing fluorescence nanoparticles and method for measuring dispersion state of suspension using the same
Lourenço et al. Surface engineering in alloyed CdSe/CdSe x CdS 1–x/CdS Core-Shell colloidal quantum dots for enhanced optoelectronic applications
JP2009280841A (en) Film containing semiconductor nanoparticles, semiconductor nanoparticles and biological labeling agent using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180115

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181030

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181204

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190130

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190709

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190903

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200225

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200312

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200324

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200327

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6687933

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250