JP2004261885A - 有機ナノチューブへ機能性物質を導入する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】常温や常圧等の穏やかな条件において、有機ナノチューブ中に簡単に所望の機能性物質を導入する。
【解決手段】疎水性の炭化水素基と親水基から成る界面活性有機化合物を溶媒中で自己集合させることにより内孔径が５ｎｍ以上の有機ナノチューブを形成させる第１段階、形成した有機ナノチューブを凍結乾燥させる第２段階、一方、所望の機能性物質を溶媒に溶解又は分散させる第３段階、前記界面活性有機化合物のゲル−液晶相転移温度以下の温度でこの溶液又は分散液に前記凍結乾燥させた有機ナノチューブを分散させる第４段階からなる。生成する有機ナノチューブは機能性物質の性質に応じた各種の応用が可能である。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶媒中で内孔径が５ｎｍ以上の有機ナノチューブの中空シリンダー状空間内に所望の機能性物質を導入する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飯島博士によるカーボンナノチューブの発見以来、ナノメータサイズの中空シリンダー状空間を有するナノチューブ形態を利用する基礎と応用の研究が盛んになっている。その中で、ナノチューブの中空シリンダー状空間に金属又は金属酸化物を充填して、ナノワイヤやナノデバイスを作成する研究が近年注目されている。
カーボンナノチューブ内部に金属又は金属酸化物を導入する方法は大まかに乾法と湿法に分けられる。乾法について、代表的な手法がアーク放電法（非特許文献１）と化学真空蒸着法（ＣＶＤ）法（非特許文献２）である。いずれも、高温や高真空が必要である。湿法についても、硝酸ニッケルの溶液でカーボンナノチューブを処理して、高温（１４０℃以上）において融解硝酸ニッケルをカーボンナノチューブ内に導入させた例が報告されている（非特許文献３）。
【０００３】
一方、有機物分子が水中（或は溶媒中）で自己集合（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）して、形成した有機ナノチューブは簡単に大量合成ができ、しかも、生体由来のものが多いので、新規材料として期待が寄せられている（特許文献１及び２、特願２００２−３５０３５、特願２００２−４９２３８、特願２００２−４９２３９、特願２００２−６１７９７、特願２００３−１３２６６）。
しかし、この有機ナノチューブ中に各種物質の導入すれば、多くの応用の道が開けると考えられるにもかかわらず、この有機ナノチューブに機能性物質を充填する適当な方法がなかった。
即ち、この有機ナノチューブは水（溶媒）中で合成したものであり、チューブ内部には溶媒が充満されており、溶液中でのターゲット物質の拡散によって物質をチューブ内部に導入することは困難であった。また、カーボンナノチューブの導入法も、まずは、カーボンナノチューブ先端の閉じているキャップを高温（１４０℃以上）で混酸などの強酸を用いて空け、かつ、そこへターゲット物質を高温や高真空で導入する必要があるため、柔らかい有機ナノチューブに適応することは不可能であった。従って、有機ナノチューブに適した穏やかな条件で、機能性物質をチューブ内に導入する方法が求められていた。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｃ． Ｇｕｅｒｒｅｔ−Ｐｉｅｃｏｕｒｔ ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ ３７２， ７６１ （１９９４）
【非特許文献２】
Ｂ．Ｋ．Ｐｒａｄｈａｎ， ｅｔ ａｌ． Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ． １０， ２５１０ （１９９８）
【非特許文献３】
Ｓ．Ｃ Ｔｓａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ ３７２， １５９ （１９９４）
【特許文献１】
特開２００２−８０４８９、
【特許文献２】
特開２００２−３２２１９０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、常温や常圧等の穏やかな条件において、有機ナノチューブ中に簡単に所望の機能性物質を導入する方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、凍結乾燥によって有機ナノチューブ内部の水（或は溶媒）を一旦除去した後、所望の機能性物質の溶液又は分散液に分散させることにより、所望の物質をチューブ内部に導入できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、疎水性の炭化水素基及び親水基から成る界面活性有機化合物を液相で自己集合させることにより内孔径が５ｎｍ以上の有機ナノチューブを形成させる段階（第１段階）、形成した有機ナノチューブを凍結乾燥させる段階（第２段階）、一方、所望の機能性物質を溶媒に溶解又は分散させる段階（第３段階）、前記界面活性有機化合物のゲル−液晶相転移温度以下の温度でこの溶液又は分散液に前記凍結乾燥させた有機ナノチューブを分散させる段階（第４段階）からなる、有機ナノチューブへ機能性物質を導入する方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の方法を段階ごとに説明する。
（１）第１段階
この段階では、水を主体とする溶媒中に界面活性有機化合物を溶解させることにより、この界面活性有機化合物が自己集合して中空のナノチューブを形成する。この界面活性有機化合物は、疎水性の炭化水素基と親水基から成る。この炭化水素基は、炭素数が約６〜５０程度の炭化水素鎖が好ましく、直鎖であることが好ましく、飽和でも不飽和でもよい。不飽和の場合には３個以下の二重結合を有することが好ましい。親水基は、糖鎖、ペプチド鎖、金属塩から成る群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これら親水基と疎水基は直接又はアミド結合、アリーレン基（ａｒｙｌｅｎｅ）又はアリーレンオキシ基を介して結合する。
【０００９】
この界面活性有機化合物として、発明者らの研究室で開発された以下のような化合物が挙げられる。
（ａ）下記一般式

（式中、Ｇは糖残基を表し、Ｒは炭素数６〜２５の炭化水素基を表す。）で表わされる構造を有するＯ−グリコシド型糖脂質（特許文献１、特願２００２−６１７９７等）。
（ｂ）一般式 Ｒ’−ＮＨＣＯ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯＯＨ（式中、Ｒ’はアルドピラノースの還元末端水酸基を除いた残基、ｎは６〜２０を表す。）で表わされる非対称双頭型脂質（特許文献２）。
【００１０】
（ｃ）下記一般式
Ｇ’−ＮＨＣＯ−Ｒ’’
（式中、Ｇ’は糖のアノマー炭素原子に結合するヘミアセタール水酸基を除いた糖残基を表し、Ｒ’’は炭素数が１０〜３９の不飽和炭化水素基を表す。）で表わされるＮ−グリコシド型糖脂質（特願２００３−１３２６６）。
（ｄ）一般式
Ｒ’’’ＣＯ（ＮＨＣＨ_２ＣＯ）_ｍＯＨ
（式中、Ｒ’’’は炭素数６〜１８の炭化水素基、ｍは１〜３の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質と遷移金属とから成る化合物（特願２００３−０３９２７６）。
【００１１】
このような化合物を溶媒に溶解させると自己集合して中空のナノチューブとなる。好ましい条件として以下のような条件が挙げられる。
上記界面活性有機化合物の水溶液を所定温度（４０〜１００℃）まで加熱し、この水溶液を所定の冷却速度（５．０℃／分以下）で所定温度（水溶液の凍結温度〜３０℃）まで冷却し、及びこの水溶液をこの保存温度で所定時間（１日以上）保存する。
このような工程により上記界面活性有機化合物は自己集合して中空のナノチューブが形成される。そのサイズは条件によっても異なるが、通常、内孔径は５ｎｍ以上、好ましくは５００ｎｍ以下、特に１０〜２００ｎｍ、かつ、外径が１０００ｎｍ以下、特に５０〜３００ｎｍである。内孔径が５ｎｍ未満のものが含まれていても内孔径が５ｎｍ以上のものが主であれば本発明の方法に用いることができる。
ここで用いる溶媒として、蒸留水、精製水、超純水等の水、その他各種塩溶液、リン酸などから成るｐＨ緩衝溶液等を用いることができる。溶媒中の界面活性有機化合物の濃度は好ましくは０．００１ｗ／ｖ％〜０．０２ｗ／ｖ％である。
【００１２】
（２）第２段階
この段階では第１段階で生成した中空のナノチューブを凍結乾燥させる。
凍結乾燥の凍結温度は好ましくは−７０℃以下であり、液体窒素中で凍結することが簡便である。凍結乾燥の真空度は好ましくは２０Ｐａ以下、より好ましくは１．０Ｐａ以下である。凍結乾燥の時間は好ましくは２４時間以上、より好ましくは７２時間以上である。
【００１３】
（３）第３段階
この段階では所望の機能性物質を溶媒に溶解又は分散させる。この溶媒は第１段階で用いる溶媒とは異なり、水又は有機溶媒であり、その溶媒の種類及び機能性物質の濃度は、機能性物質や目的によって適宜選択すればよい。
この機能性物質に特に制限はなく目的に応じて適宜選択できる。この機能物質が溶媒に溶解するものであれば溶液とし、溶媒に溶けなくても分散できる微粒子（サイズは原子サイズから５０ｎｍ程度が望ましい）であれば分散液とする。
機能性物質とその用い方の例を下記に挙げる。
（ａ）金属
この場合、金属を金属塩の形で水溶液としてもよい。金属塩としては、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物などが挙げられる。
【００１４】
（ｂ）金属、金属酸化物、金属硫化物、デントリマー、カーボンナノチューブ、高分子
この場合、これら機能性物質のコロイドの溶液としてもよい。
（ｃ）生理活性物
これらはそのまま溶液として用いることができる。生理活性物としては、免疫蛋白質、核酸、低分子有機化合物、非免疫蛋白質、免疫グロブリン結合性蛋白質、糖結合性蛋白質、酵素、微生物等が挙げられる。
（ｄ）薬物
これらは溶液又は分散液として用いることができる。医療に使用する治療薬、診断薬、造影剤、化粧品の有効成分である薬物が挙げられる。
【００１５】
（４）第４段階
この段階では、第３段階で作成した機能性物質の溶液に第２段階で乾燥した有機ナノチューブを分散させる。この機能性物質の溶液又は分散液は毛細管現象の吸引力によりチューブ内部に吸い込まれるものと考えられる。有機ナノチューブの添加量に特に制限はなく、最終使用目的、溶液中の機能性物質の濃度、有機ナノチューブのサイズ等によって適宜選択すればよい。
この段階では、溶媒の温度が、界面活性有機化合物のゲル−液晶相転移温度以下であるが、好ましくは常温、即ち、特に加温や冷却をしない温度である。
このゲル−液晶相転移温度は示差走査熱量分析により測定することができる。具体的には、界面活性有機化合物１〜５ｍｇを水３０〜５０マイクロリットルと混ぜて完全に化合物を水和させた試料をこの熱分析計にかけ、吸熱ピークとして、ゲルー液晶相転移現象が現れ、その最大ピークを与える位置の温度が相転移温度として求まる。
このゲル−液晶相転移温度は、コロイド化学でいう界面活性剤の水中での融点の意味であり、この温度以上に水分散液を熱すると、チューブ構造は球状の小胞体（ベシクル）に瞬間に形態変化を起こし、チューブ構造が破壊されるため、好ましくない。このゲル−液晶相転移温度は、界面活性有機化合物の種類に依存し、通常約３０〜９０℃である。
圧力は大気圧で行われることが好ましいが、０．２ＭＰａ以下の圧力を加えてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
有機ナノチューブ中に各種機能性物質の導入すれば、機能性物質の性質に応じた各種の応用が可能である。例えば、薬物、たんぱく質、ＤＮＡ等の有効成分を内包させることによるＤＤＳや化粧品への応用、金属導入によるセンサーデバイスとしての応用などがあげられる。
【００１７】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を例証するが、本発明を限定することを意図するものではない。
製造例１
フラスコに、Ｄ−（＋）−グルコピラノース（Ｆｌｕｋａ社製、１．０ｇ、５．５５ミリモル）を採り、水５０ｍＬを加えて溶解した。これに炭酸水素アンモニウム（Ｗａｋｏ社製）１０ｇをフラスコの底に結晶が析出するまで加えた。これを３〜５日間、３７℃の油浴中で磁気撹拌した。反応中飽和状態を保つために、炭酸水素アンモニウムをときどき加えた。炭酸水素アンモニウムの全体量は４０〜５０ｇであった。反応は薄層クロマトグラフィーにより追跡した（Ｒｆ値＝０．４０、展開溶媒：酢酸エチル／酢酸／メタノール／水（容積比４／３／３／１））。
後処理として反応系から未反応の炭酸水素アンモニウムを除くために、冷却して炭酸水素アンモニウムを結晶として析出させた。この方法以外にも、反応系に水を適当量加えて濃縮することで気化させたり、又は脱塩装置を利用して、未反応の炭酸水素アンモニウムを除いてもよい。このようにしてβ−Ｄ−グルコピラノシルアミンを得た。
【００１８】
製造例２
フラスコに、１１−ｃｉｓ−オクタデセノイック アシド（ＷＡＫＯ社製、２８２ｍｇ、１．０ミリモル）をジメチルスルホキシド１ｍＬに溶解させたものを入れて、反応系とした。ＨＯＢｔ（ＷＡＫＯ社製、１５３ｍｇ、１．０ミリモル）及びＢＯＰ（ＷＡＫＯ社製、１．３３ｇ、３．０ミリモル）をジメチルスルホキシド１．５ｍＬに溶解させたものを、反応系に加え２５℃で１０分間磁気撹拌した。
次に、製造例１で得たβ−Ｄ−グルコピラノシルアミン（１．２４ｇ、６．９ミリモル）を反応系に加え、２５℃で５時間以上磁気撹拌して、反応させた。この反応は薄層クロマトグラフィーにより追跡した（Ｒｆ値＝０．５６、展開溶媒：クロロホルム／メタノール（容積比４／１））。
得られた粗生成物をクロロホルム／メタノール（容積比４／１）混合溶媒を溶出液としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、次にメタノールを溶出液としてゲルろ過剤トヨパールＨＷ−４０Ｓカラムクロマトグラフィー（東ソー社製）を行い、白色固体のＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン（８５ｍｇ、収率１９％）を得た。
この生成物の物理的性質は次のとおりである。

【００１９】
製造例３
製造例２で得たＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン５ ｍｇを１００ ｍｌ純水中に超音波で４０分間分散させて、その後１１０℃で１時間沸騰させた後、常温で冷却し、一晩置いた。
得られた水溶液を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察すると、内径が４５〜２００ｎｍ、外径が７５〜５００ｎｍの中空繊維状の有機ナノチューブが確認された（図１（ａ））。
【００２０】
実施例１
製造例３で得た有機ナノチューブの分散液を液体窒素中（−１９６℃）に１０分間置き、完全凍結させた。その後、凍結乾燥機（東京理化器械株式会社製）に移して、真空（＜１Ｐａ）で２５℃にて７２時間乾燥させた。その後、チューブを取り出して、その構造をＴＥＭで確認した。その結果を図１（ｂ）に示す。凍結乾燥前後によってチューブの構造は変化しなかったため、凍結乾燥処理によって、チューブの構造は崩壊せず維持されていることがわかる。
次に、乾燥した有機ナノチューブの粉末と１０ ｍＬ塩化金溶液（５ ｍＭ ＨＡｕＣｌ_４； ５０ ｍＭ Ｔｒｉｓ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ）を攪拌混合した。１時間後、限外ろ過法でバルク中の塩化金溶液を除去し、純水による洗浄を５回行った。その後、ＵＶ（セン特殊光源株式会社、低圧水銀ランプ（ＵＶＢ−１０）、１３５Ｗ、λ＝２５４ｎｍ）を４０分照射した。この操作により塩化金は金に還元される。
この有機ナノチューブをＴＥＭで観察した。その結果を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。図２（ａ）及び（ｂ）から、金のナノ結晶が有機ナノチューブに充てんしていることがわかる。更に、この有機ナノチューブの金ナノ微粒子の部分を電子線回折装置（ＬＥＯ社製）を用いて電子線回折を測定すると、［１１１］、［２００］、［２２０］、［３１１］面に帰属できる回折パターンが観測され、この電子回折パターンが金のナノ結晶によるものであることを示している。即ち、塩化金溶液がチューブの毛細管吸引力によりチューブ内部に導入されたものと考えられる。
【００２１】
実施例２
まず金コロイドを作成した。９８ｍＬ塩化金溶液（０．０１％）を２００ｍｌフラスコに入れ、沸騰まで（１００℃）加熱する。攪拌しながら重量濃度１％の水溶液２ｍＬを添加した。継続加熱し、１５分間反応させた。その後常温にもどるまで置いた。できた金コロイド溶液は赤いワイン色を呈した。この金粒子の平均粒子径は２０ｎｍであった。
次に、製造例３で得た有機ナノチューブを凍結乾燥して得た粉末を１０ ｍＬ金コロイド溶液に分散させて、常温、常圧において、１時間攪拌した。
この有機ナノチューブをＴＥＭで観察した。その結果を図３に示す。図３から、金コロイド粒子が有機ナノチューブに充てんしていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得たチューブのＴＥＭ写真を示す図である。（ａ）は凍結乾燥前、（ｂ）は凍結乾燥後の形状を示す。
【図２】実施例１で金のナノ結晶を充てんした有機ナノチューブのＴＥＭ写真を示す図である。チューブの内部に金のナノ粒子が詰まっている。（ａ）は低倍率のＴＥＭ、（ｂ）は高倍率のＴＥＭ、（ｃ）は電子回折パターンを示す。
【図３】実施例２で金コロイドを充てんした有機ナノチューブのＴＥＭ写真を示す図である。チューブの右上側の付着物は金コロイド凝集体である。

Claims (5)

1. 疎水性の炭化水素基及び親水基から成る界面活性有機化合物を液相で自己集合させることにより内孔径が５ｎｍ以上の有機ナノチューブを形成させる段階、形成した有機ナノチューブを凍結乾燥させる段階、一方、所望の機能性物質を溶媒に溶解又は分散させる段階、前記界面活性有機化合物のゲル−液晶相転移温度以下の温度でこの溶液又は分散液に前記凍結乾燥させた有機ナノチューブを分散させる段階からなる、有機ナノチューブへ機能性物質を導入する方法。
2. 前記界面活性有機化合物が、炭素数が約６〜５０程度の炭化水素鎖と、糖鎖、ペプチド鎖、金属塩から成る群から選択される少なくとも１種の親水基を有し、これらが直接に又はアミド結合、アリーレン基（ａｒｙｌｅｎｅ）若しくはアリーレンオキシ基を介して結合した界面活性有機化合物である請求項１に記載の方法。
3. 前記溶媒が、水、塩溶液、又はｐＨ緩衝溶液であり、溶媒が水又は有機溶媒である請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記所望の機能性物質を溶媒に溶解又は分散させる段階が、大気圧下の常温で行われる請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 凍結乾燥が、−７０℃以下、２０Ｐａ以下、及び２４時間以上の条件で行われる請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

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