JP2004352542A

JP2004352542A - Inorganic formed body ornamented with nanoparticle and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP2004352542A
Application number: JP2003150695A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Teraoka; 啓寺岡; Yutaka Oi; 豊多井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP4009722B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inorganic formed body ornamented with a nanoparticle and a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: The inorganic formed body supports the nanoparticle in which (1) the nanoparticle has diameter of 0.1-20 nm, (2) the formed body has fine pore diameter of 0.3-60 nm, (3) the formed body has a coating film layer on the surface when needed, (4) the nanoparticle is fixed in the fine pores or on the surface of the formed body and (5) the color of the formed body in a ground state is controlled. In the method for manufacturing the formed body supporting the nanoparticle, the nanoparticle is electrostatically fixed in the fine pores or on the surface of the formed body by mixing a solution or slurry containing the nanoparticle with the formed body having surface charge reverse to that of the surface of the nanoparticle or the terminal of a surfactant applied on the nanoparticle. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノテクノロジーの分野において、ナノ粒子の制御技術として重要な、ナノ粒子を固定化した無機成形体に関するものであり、更に詳しくは、ナノ粒子をホスト成形体の細孔内もしくは表面に固定化して上記成形体の基底状態における色調を制御したことを特徴とするナノ粒子担持無機成形体及びその製造方法に関するものである。
本発明が対象とするナノ粒子の励起緩和時の粒径に応じた蛍光色は、有機系蛍光色素に比べて安定かつ高輝度であるため、本発明の成形体は、各種免疫学的検定用蛍光標識材として有用である。また、本発明の成形体の基底状態における色は、固定化するナノ粒子の種類、濃度により制御できるため、励起光源を必要としない標識材として有用である。
本発明によれば、色調制御された直径数十ナノから数十ミクロンのビーズを作製することができ、それらの表面を、例えば、抗体、ＤＮＡ等で修飾することにより、各種免疫学的検定用の標識材とすることができる。本発明による標識材は、発光安定性、操作性、色調自由度に関して、従来の標識材よりも優れているため、例えば、現在、国際的なスケールで研究されているゲノーム及びプロテオーム解析のプラットホーム技術として不可欠なフローサイトメトリー、遺伝子多型解析の感度、精度、効率を飛躍的に向上させることができる。また、本発明によれば、微量サンプル中の複数ターゲットの一期的標識、計測が可能である。更に、本発明による蛍光標識材で標識されたターゲットは、遠心分離等の簡便な方法で回収することができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ゲノム情報科学が提案する新しい医薬と医療を実現するために、様々な生体関連情報を計測する技術が研究開発されている。例えば、個人の遺伝子レベルの差違の解析（遺伝子多型解析）は、テーラーメイド医療の実現に大いに貢献する。また、遺伝子やその発現タンパクの機能の解析、及び上記に対する分子標的方法の開発は、癌やウィルス感染症の疾患のメカニズム解明、診断、治療法の開発に有用な指針を与える。しかるに、生体関連情報計測技術の多くは、特定の抗原、遺伝子やタンパク等を計測可能な状態にする標識技術に基づいており、計測精度は標識材の特性に影響を受ける。標識材は、適宜の蛍光色素を、ターゲットと特異的に結合する抗体や、遺伝子で修飾したものを用いる。しかし、今日実用化されている有機系蛍光色素の発光は微弱であり、寿命が極めて短い。そのため、長期間安定に発光する標識材が求められている。
【０００３】
直径が数ナノメートルの半導体粒子や、直径がサブナノの金属粒子は、光励起により、粒径に応じた蛍光を発色することが知られているため、標識材として有望視されている。ナノ粒子は、個々の効果が微弱であったり、耐候性が乏しかったり、又はハンドリングの困難さ等の理由により、目的に応じた大きさに集積化される必要がある。上記問題を解決する方法として、ナノ粒子を酸化物やラテックスに固定化することが検討されている。
【０００４】
従来、所望の物質に酸化物を複合化する方法として、所望の物質の表面に酸化物を化学的に形成する方法が一般的に知られてる。例えば、塗布法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法（例えば、非特許文献１参照）、化学的気相輸送法（例えば、非特許文献２参照）、自己組織化単分子膜法、ラングミュア・ブロシェ法（例えば、非特許文献３参照）、スパッタ法（例えば、非特許文献４参照）、及びＳｏｌ−Ｇｅｌ法とは別種の新しい化学反応による成膜法などが知られている。これらの内、まず塗布法は、非晶質あるいは結晶質の目的微粒子をバインダーと共に基体に塗布する方法である。Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法は、金属アルコキシドのアルコール溶液を安定化剤を添加することにより部分的に加水分解した安定化金属酸化物ゾルを調製し、これをコーティング液としてディッピング、スピニングなどで基体表面に塗布し、乾燥により基体表面上で脱水重縮合反応を行わせ安定な非晶質皮膜を形成させる方法である。この方法では、必要に応じて、加熱焼成により上記非晶質膜を結晶質にする。
【０００５】
化学的気相輸送法は、反応容器内に固定した基体に対し、当該容器内に気化させた金属化合物を導入し、基体表面と当該基体との化学結合を利用して機体表面に金属酸化物膜を形成する方法である。このとき、基体を加熱することにより基体表面で結晶質層を形成する。自己組織化単分子膜法は、化学的気相輸送法に類似し、反応容器内に固定した基体に対し、当該容器内に金属化合物を含む液層あるいは気相を導入し、基体表面に形成した単分子膜と金属との間の化学結合を利用して基体表面に金属酸化物膜を形成する方法である。ラングミュア・ブロシェ法は、非晶質もしくは結晶質金属酸化物微粒子を懸濁した疎水性液体を静置した水上に展開し、その膜をディッピング等の手法により基体表面にすくい取ることで膜を形成する方法である。
【０００６】
スパッタ法は、高真空反応室内に整地した基体を加熱して基体表面の反応性を高めるとともに、反応室内にて加熱あるいはレーザー照射等の手法を用いて金属原子あるいは酸化金属錯体分子を蒸発させて、上記化学的気相輸送法と同様に、基体表面を非晶質酸化金属あるいは結晶質酸化金属により被覆する方法である。ラテックス中に固定化されたナノ粒子としては、ＱｕａｎｔｕｍＤｏｔ社の“Ｑｂｅａｄ（登録商標）”がよく知られている。
【０００７】
しかし、上記塗布法により作製された膜の耐候性は、バインダーの耐候性に依存するという欠点がある。Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法は、低温で比較的短時間に膜形成できる方法であるが、１）塗布用のゾル液の調整に時間がかかる、２）ゾル液の調製や塗布を大気中で行うことが難しい、及び、３）膜を形成する金属酸化物中に有機物が残存しやすい、等の問題がある。
【０００８】
上記ラングミュア・ブロシェ法は、基体表面が疎水性かつ平滑な表面であることが必要である。化学的気相輸送法、スパッタ法については、成膜の可能性が基体の耐熱性や表面特性に依存する。自己組織化単分子膜法は、基体の処理手順が煩雑であり、かつ汎用性に乏しい、という問題がある。ラテックスに固定化されたナノ粒子に関しては、耐候性や回収の容易さに関して問題が指摘されることがある。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｙｕｅｔａｌ．，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．３６（２００１）９７−１０７
【非特許文献２】
Ｇ．Ａ．Ｂａｔｔｉｓｔｏｎｅｔａｌ．，ＴｉｎＳｏｌｉｄｆｉｌｍｓ２３９（１９９４）１８６
【非特許文献３】
Ｋ．Ｉｋｅｇａｍｉｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９９７）Ｌ８８３
【非特許文献４】
Ｋ．Ｔａｋａｇｉｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１９（６）（２００１）２９３１−２９３５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を確実に解消することができる新しい酸化物とナノ粒子の複合化方法を、多角的な視点から検討し、開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、予め目的形状に成形したシリカもしくはチタニアゲルに、ナノ粒子を静電気的、もしくは毛管凝集現象的に吸着、固定すること、更に、上記成形体表面にシリカもしくはチタニア被覆層を設けることにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、ナノ粒子を固定化した酸化物成形体等の無機成形体及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、例えば、ナノ粒子を酸化物マトリックス及び外殻により、外界から遮断する方法を提供することを目的とするものである。
更に、本発明は、成形体及び被覆層の細孔径、表面電位、固定化するナノ粒子の種類、粒径、濃度及び固定化部位の組合せにより、成形体の色調を制御（コーディング）する方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）ナノ粒子を担持した成形体であって、
（ａ）ナノ粒子が、直径０．１から２０ｎｍである、
（ｂ）成形体が平均細孔径０．３〜６０ｎｍである、
（ｃ）成形体が表面に被覆層を持つ場合がある、
（ｄ）上記ナノ粒子が成形体の細孔内もしくは表面に固定化されている、
（ｅ）上記成形体の基底状態における色調が制御されている、
ことを特徴とする成形体。
（２）ナノ粒子が、酸化亜鉛、硫化亜鉛、二酸化珪素、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＴｉＯ_２、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔの群から選択された１種、あるいは２種以上の混合物である、前記（１）記載の成形体。
（３）成形体の成分の５０％以上が、シリカゲル、チタニアゲルの群から選ばれた１種、あるいは２種以上の混合物である、前記（１）記載の成形体。
（４）シリコンアルコキシドもしくは金属アルコキシドの加水分解により生じるコロイドを、凝集、脱水重縮合させることにより成形体の表面に被覆層を１層以上形成した、前記（１）記載の成形体。
（５）１層以上の被覆層にナノ粒子を固定化した前記（４）記載の成形体。
（６）固定化するナノ粒子の、粒径、濃度、種類、固定化部位の組合せによって、成形体の基底状態における色調が制御（コーディング）された、前記（１）記載の成形体。
（７）前記（１）から（３）のいずれかに記載の成形体を製造する方法であって、ナノ粒子を含む溶液もしくはスラリーと、ナノ粒子表面もしくはナノ粒子を被覆するサーファクタント末端と逆の表面電荷を持つ成形体を混合することにより、ナノ粒子を静電気的に成形体の細孔内もしくは表面に固定化することを特徴とするナノ粒子を担持した成形体の製造方法。
（８）ナノ粒子を含む溶液もしくはスラリーと、上記成形体を混合することにより、成形体内にナノ粒子を毛管凝集現象的に固定化する、前記（７）記載の方法。
（９）成形体及び被覆層の細孔径、表面電位により、固定化するナノ粒子の粒径、濃度を制御する、前記（７）記載の方法。
（１０）固定化するナノ粒子の、粒径、濃度、種類、固定化部位の組合せにより、成形体の色調を制御する、前記（７）記載の方法。
（１１）前記（１）から（６）のいずれかに記載の成形体を、９０〜５００℃で加熱することを特徴とする無孔質成形体の製造方法。
（１２）前記（１）から（６）のいずれかに記載の成形体を用いた、免疫学的検定（ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙｓ）用蛍光標識。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を更に詳細に説明する。
本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、１）ゲル成形体の表面電位、細孔径に応じて吸着固定されるナノ粒子の種類、粒径及び濃度により、ゲル成形体の色調が制御できること、２）上記ナノ粒子固定化ゲル成形体を、ゲル被膜で被覆することにより、耐候性を改善することができること、３）上記被覆層を多層化し、その内１層以上にナノ粒子を固定化することにより、成形体の色調をコントロールできること、を見出した。本発明において、ゲル成形体とは、ゾル−ゲル法もしくはアルコキシド法により作製された、透明無機酸化物のことである。
【００１３】
本発明は、ナノ粒子固定化により、酸化物、好ましくはシリカもしくはチタニアゲルの色調を制御するための方法であって、固定化されるナノ粒子が、直径０．１から２０ｎｍであることを特徴とするナノ粒子・酸化物複合体に係るものであり、更に、本発明は、耐候性に優れたナノ粒子集積体製造方法、に係るものである。
【００１４】
本発明のゲル成形体は、例えば、チタンアルコキシドの加水分解により形成されたチタン酸コロイド粒子が、凝集、脱水重縮合することにより形成される。また、シリコンアルコキシドの加水分解により形成されたシリカのコロイド粒子が、凝集、脱水重縮合することにより形成される。上記ゲル成形体は、作製条件により、平均細孔径０．３〜６０ｎｍの多孔体となるが、必要に応じて、９０〜５００℃で加熱することにより、緻密体とすることができる。しかし、これらの製法は、これらの方法に制限されるものではない。
【００１５】
上記ゲル成形体形状は、用途に応じて適宜の形状を持ちうる。球状成形体は、例えば、適宜の濃度に希釈されたシリコンアルコキシドを、純水中に滴下し、加水分解することにより得ることができる。また、板状成形体は、例えば、所望の大きさの容器に、目的板厚達成に必要なシリコンアルコキシドを充填し、緩徐に加水分解することによって得られる。しかし、これらの作製方法は、これらの方法に制限されるものではない。また、上記ゲル成形体として、市販のシリカゲル微粒子を使用することができる。このとき、平均細孔径１０ｎｍ以下のものが、ナノ粒子吸着・固定の観点から好適であるが、適宜のシリカゲルを使用することができる。
【００１６】
本発明においては、チタンアルコキシドとしては、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトライソプロポキシド、及びチタンテトラブトキシドの群から選ばれた１種、あるいは２種以上の混合物が使用されるが、好ましくは、チタンテトラエトキシドあるいはチタンテトライソプロポキシドが使用される。また、シリコンアルコキシドとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランの群から選ばれた１種、あるいは２種以上の混合物が使用されるが、好ましくは、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）あるいはフェニルトリエトキシシラン（ＰＴＥＳ）が使用される。
【００１７】
溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールの群から選ばれた１種、あるいは２種以上の混合物が使用されるが、好ましくは、エタノールあるいはイソプロパノールが使用される。その濃度範囲は、好適には、０．０１〜１．０ｍｏｌ／ｌであり、望ましくは、０．０２５〜０．１ｍｏｌ／ｌである。上記金属アルコキシドを加水分解してコロイドを発生させるために、アルコキシドに対してモル比で１〜１００の範囲で水を溶媒に混合する。
【００１８】
本発明において、ナノ粒子は、適宜の溶媒により溶液もしくはスラリーとして用いられる。溶媒は、好適には、トルエンもしくはエタノールを使用するが、適宜の溶媒を使用することができる。また、ナノ粒子の凝集を防ぐために、適宜のサーファクタントを用いることができる。サーファクタントとしては、好適には、アルカンチオールが例示されるが、適宜のサーファクタントを用いることができる。
【００１９】
上記ナノ粒子溶液もしくはスラリーに、ゲル成形体を浸漬することによって、ナノ粒子がゲル成形体内部もしくは表面に吸着・固定化される。このとき、ゲル成形体とナノ粒子を、互いの表面電位が逆の関係になるように選択することによって、ナノ粒子を静電気的にゲル成形体の内部もしくは表面に吸着固定することができる。また、ナノ粒子はゲル成形体の細孔が奏する毛管凝集現象によっても吸着される。ナノ粒子を固定化した成形体は帯色する。このときの色調は、成形体及び被覆層の細孔径、表面電位、複合化するナノ粒子の種類、粒径、濃度によって制御することができる。また、励起発光するナノ粒子が成形体に固定化されている場合、成形体はナノ粒子粒径に応じた励起発光色を呈する。
【００２０】
上記成形体表面に、１層以上のゲル被覆層を設けることができる。ゲル被覆層は、アルコキシドの加水分解によるコロイド粒子が、上記成形体上に付着し、凝集、脱水重縮合することにより形成される。ゲル被覆層により、成形体に固定化されたナノ粒子を効果的に外界と遮断することができる。また、上記のように形成されたゲル被覆層は多孔質であるため、ゲル成形体の場合と同様に、ナノ粒子を吸着固定することができる。従って、コアとなるゲル成形体及び被覆層の細孔径、表面電位、固定化するナノ粒子の種類、粒径、濃度、及び励起発光特性を、それぞれ適宜組合せることにより、成形体の色調及び励起発光色を制御することができる（図１）。ナノ粒子で色調制御された成形体は、多孔質のままでもよいし、目的に応じて、加熱により緻密体としてもよい。
【００２１】
上記のとおり作製した成形体に光を照射すると、成形体からは、固定化したナノ粒子群の粒径、濃度を反映した色が混ざって観測される。上記の色調を、ナノ粒子の粒径、濃度により制御し、標識材とすることができる。また、上記成形体が発する光を分光すると、固定化したナノ粒子の粒径、濃度に応じたスペクトルが得られる（図２）。従って、上記成形体によれば、多くのターゲットを標識することが可能である（マルチカラー標識）。成形体表面を、例えば、ターゲットＤＮＡと相補的配列のＤＮＡで修飾することにより、多くのＤＮＡ配列を一期的に標識することができる（図３）。上記によれば、遺伝子多型解析を効率よく行うことができる。また、本発明の成形体表面を、特定細胞、タンパク等と結合する抗体で修飾したものは、例えば、マルチカラーフローサイトメトリーやセルソーター用の標識材として好適に用いることができる（図４）。
【００２２】
【作用】
本発明は、ナノ粒子を成形体の細孔内もしくは表面に固定化したナノ粒子担持無機成形体及びその製造方法、であり、本発明により、ナノ粒子を酸化物成形体等の無機成形体中に固定化することができる。それにより、ナノ粒子を外界から遮断することができる。また、例えば、ナノ粒子を酸化物成形体に担持させることにより、酸化物成形体の色調及び励起発光色を制御することができる。それにより、それらの表面を、例えば、抗体、ＤＮＡ等で修飾することにより、各種免疫学的検定用の標識として用いることができ、これらの技術分野へのナノテクノロジーの適用が可能となる。また、本発明によれば、溶液中に分散したナノ粒子を、例えば、酸化物との複合体として容易に回収することができる。
【００２３】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
３０ｍｍｏｌの塩化金酸水溶液３０ｍｌと臭化テトラオクチルアンモニウムのトルエン溶液（５０ｍｍｏｌ，８０ｍｌ）を混合し、撹拌することにより、塩化金酸イオンをトルエン相に抽出した。トルエン相を分離・抽出し、これにドデカンチオール０．２０１ｍｌ（０．８４２ｍｍｏｌ）を加え、３時間撹拌した。この溶液にホウ酸水素ナトリウム水溶液（０．４ｍｏｌ／ｌ．２５ｍｌ）を滴下し、３時間撹拌することにより金イオンを還元した。トルエン相を分離・抽出した後、溶液を約１０ｍｌまで濃縮し、エタノール４００ｍｌと混合した。この混合液を−１８℃で保存することにより、金超微粒子を析出させた。生成した金超微粒子はトルエン−エタノール混合液から再結晶させることにより２回精製した。生成した粒子の金コアの直径は平均２．６ｎｍであった。粒径分布の半値巾は約２ｎｍであった。
【００２４】
上記金ナノ粒子結晶３ｍｇを、５０ｍｌのトルエンに溶解し、金ナノ粒子溶液とした。ＴＥＯＳとエタノールを１：８の割合で混合したものを、１Ｎ塩酸中に振動滴下し、７日間静置した。上記で得られたシリカ湿潤ゲルを１００℃で乾燥することにより、平均粒径２０μｍ、平均細孔径６．６ｎｍのシリカ乾燥ゲルビーズとした（図５）。上記ビーズ５ｍｇを、金ナノ粒子溶液１０ｍｌに添加し、２４時間静置した（図６）。その結果、金ナノ粒子をシリカゲルビーズ中に固定化することができた（図７）。金ナノ粒子を固定化したシリカゲルビーズは、それぞれのビーズ固有の細孔径分布幅を反映した色調を呈した（図８）。
【００２５】
実施例２
実施例１で作製した金ナノ粒子を固定化したシリカゲルビーズを、０．２ｍｏｌ／ｌに調整したＴＥＯＳと混合し、１２時間１００ｒｐｍで撹拌後、遠心分離により沈殿を回収した。上記沈殿を６０℃で乾燥後、２５０℃まで加熱することにより、シリカガラスで被覆された金ナノ粒子固定化シリカゲルビーズを得ることができた。
上記シリカガラス被覆部分は無色透明の多孔体であり、金ナノ粒子を固定化することができた。
【００２６】
実施例３
１５ｗｔ％の酸化亜鉛スラリー（媒質：エタノール、酸化亜鉛平均粒径６０ｎｍ）中に、ゾル−ゲル法により作製したシリカゲル板（φ２０ｍｍ×厚さ５ｍｍ、平均細孔径１５０ｎｍ）を２４時間浸漬し、シリカゲル表面に酸化亜鉛ナノ粒子を固定化することができた。酸化亜鉛を固定化したシリカゲルは、酸化亜鉛濃度を反映した乳白色を呈した。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、ナノ粒子を固定化した無機成形体及びその製造方法に係るものであり、本発明により、以下のような格別の作用効果が奏される。
（１）ナノ粒子を酸化物成形体等の無機成形体中に固定化することができる。
（２）ナノ粒子を外界から遮断することができる。
（３）ナノ粒子により、酸化物成形体等の無機成形体の色調及び励起発光色を制御することができる。
（４）それらの表面を、例えば、抗体、ＤＮＡ等で修飾することにより、各種免疫学的検定用の標識として用いることができる。
（５）溶液中に分散したナノ粒子を、酸化物との複合体として容易に回収することができる。
（６）本発明のナノテクノロジーを用いることにより、例えば、ゲノーム及びプロテオーム解析のプラットホーム技術として不可欠なフローサイトメトリー、遺伝子多型解析の感度、精度、効率を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、適宜の場所に異なるナノ粒子を固定化した、多重被覆層付きゲル成形体の模式図を示す。
【図２】図２は、異なる粒径、濃度のナノ粒子群でコーディングされた成形体が呈するスペクトルの模式図を示す。
【図３】図３は、本発明成形体により、多くのＤＮＡ配列を一期的に標識した状態の模式図を示す。
【図４】図４は、特定細胞と結合する抗体で修飾した成形体が、細胞表面の抗原と結合した状態の模式図を示す。
【図５】図５は、平均細孔径が６．６ｎｍである市販のシリカゲルビーズを示す。
【図６】図６は、金ナノ粒子溶液と混合したシリカゲルビーズを示す。
【図７】図７は、２４時間静置後の、金ナノ粒子溶液と混合したシリカゲルビーズを示す。
【図８】図８は、金ナノ粒子を固定化したシリカゲルビーズが呈する色を示す。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inorganic molded article having nanoparticles immobilized thereon, which is important as a technique for controlling nanoparticles in the field of nanotechnology. The present invention relates to a nanoparticle-supported inorganic molded body, which is immobilized to control the color tone of the molded body in a ground state, and to a method for producing the same.
Since the fluorescent color according to the particle size of the nanoparticle targeted by the present invention upon relaxation of excitation is more stable and has higher brightness than the organic fluorescent dye, the molded article of the present invention is used for various immunological assays. Useful as a fluorescent labeling material. Further, the color of the molded article of the present invention in the ground state can be controlled by the type and concentration of the nanoparticles to be immobilized, and thus is useful as a labeling material that does not require an excitation light source.
According to the present invention, beads of several tens of nanometers to several tens of microns in diameter that can be controlled in color tone can be produced, and their surfaces are modified with, for example, antibodies, DNA, etc., for various immunoassays. Marker material. Since the labeling material according to the present invention is superior to conventional labeling materials in terms of luminescence stability, operability, and color tone freedom, for example, platform technologies for genome and proteome analysis currently being studied on an international scale As a result, the sensitivity, accuracy, and efficiency of flow cytometry and gene polymorphism analysis, which are indispensable, can be dramatically improved. Further, according to the present invention, it is possible to perform one-time labeling and measurement of a plurality of targets in a small amount of sample. Further, the target labeled with the fluorescent labeling material according to the present invention can be collected by a simple method such as centrifugation.
[0002]
[Prior art]
In recent years, technologies for measuring various bio-related information have been researched and developed in order to realize new medicines and medical treatments proposed by genome information science. For example, analysis of differences in individual gene levels (gene polymorphism analysis) greatly contributes to the realization of tailor-made medicine. In addition, the analysis of the functions of genes and their expressed proteins, and the development of molecular targeting methods for the above, will provide useful guidelines for elucidating the mechanisms of cancer and viral infectious diseases, and for developing diagnostic methods. However, most of the bio-related information measurement technology is based on a labeling technology that makes a specific antigen, gene, protein, or the like measurable, and the measurement accuracy is affected by the characteristics of the labeling material. As the labeling material, an appropriate fluorescent dye that is modified with an antibody or a gene that specifically binds to a target is used. However, the light emission of the organic fluorescent dyes put to practical use today is weak and has a very short life. Therefore, a labeling material that emits light stably for a long period of time is required.
[0003]
Semiconductor particles having a diameter of several nanometers and metal particles having a diameter of sub-nano are known to emit fluorescent light according to their particle diameters by photoexcitation, and thus are considered promising as labeling materials. Nanoparticles need to be integrated in a size suitable for the purpose, for example, due to weak individual effects, poor weather resistance, or difficulty in handling. As a method for solving the above-mentioned problem, immobilization of nanoparticles to an oxide or latex has been studied.
[0004]
Conventionally, as a method of compounding an oxide with a desired substance, a method of chemically forming an oxide on the surface of a desired substance is generally known. For example, a coating method, a Sol-Gel method (for example, see Non-Patent Document 1), a chemical vapor transport method (for example, see Non-Patent Document 2), a self-assembled monolayer method, a Langmuir-Brochet method (for example, Non-Patent Document 3), a sputtering method (for example, see Non-Patent Document 4), a film forming method by a new chemical reaction different from the Sol-Gel method, and the like are known. Among them, the coating method is a method of coating amorphous or crystalline target fine particles together with a binder on a substrate. In the Sol-Gel method, a stabilized metal oxide sol is prepared by partially hydrolyzing an alcohol solution of a metal alkoxide by adding a stabilizer, and the sol is applied to a substrate surface as a coating solution by dipping or spinning. Then, a dehydration polycondensation reaction is performed on the substrate surface by drying to form a stable amorphous film. In this method, if necessary, the amorphous film is made crystalline by heating and baking.
[0005]
In the chemical vapor transport method, a vaporized metal compound is introduced into a substrate fixed in a reaction vessel, and a metal oxide is formed on the body surface by utilizing a chemical bond between the substrate surface and the substrate. This is a method of forming a film. At this time, the crystalline layer is formed on the surface of the substrate by heating the substrate. The self-assembled monolayer method is similar to the chemical vapor transport method, in which a liquid layer or a gas phase containing a metal compound is introduced into a substrate fixed in a reaction vessel and formed on the surface of the substrate. In this method, a metal oxide film is formed on the surface of a substrate by utilizing the chemical bond between the monomolecular film and the metal. In the Langmuir-Brochet method, a hydrophobic liquid, in which amorphous or crystalline metal oxide particles are suspended, is spread on standing water, and the film is scooped on the surface of the substrate by a technique such as dipping to form a film. How to
[0006]
In the sputtering method, a grounded substrate is heated in a high-vacuum reaction chamber to increase reactivity of the substrate surface, and metal atoms or metal oxide complex molecules are evaporated in the reaction chamber using a method such as heating or laser irradiation. This is a method in which the surface of a substrate is coated with an amorphous metal oxide or a crystalline metal oxide as in the case of the chemical vapor transport method. As the nanoparticles immobilized in the latex, “Qbead (registered trademark)” manufactured by QuantumDot is well known.
[0007]
However, there is a disadvantage that the weather resistance of the film produced by the above coating method depends on the weather resistance of the binder. The Sol-Gel method is a method capable of forming a film at a low temperature in a relatively short time, but 1) it takes time to adjust a sol liquid for coating. 2) It is necessary to prepare and coat a sol liquid in the air. It is difficult, and 3) organic substances are likely to remain in the metal oxide forming the film.
[0008]
The Langmuir-Brochet method requires that the substrate surface be hydrophobic and smooth. For the chemical vapor transport method and the sputtering method, the possibility of film formation depends on the heat resistance and surface characteristics of the substrate. The self-assembled monolayer method has a problem that the processing procedure of the substrate is complicated and the versatility is poor. With regard to nanoparticles immobilized on latex, problems may be pointed out with respect to weather resistance and ease of recovery.
[0009]
[Non-patent document 1]
J. Yu et al. , Mater. Res. Bull. 36 (2001) 97-107
[Non-patent document 2]
G. FIG. A. Battiston et al. , Tin Solid films 239 (1994) 186.
[Non-Patent Document 3]
K. Ikegami et al. , Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) L883
[Non-patent document 4]
K. Takagi et al. , J. et al. Vac. Sci. Technol. A 19 (6) (2001) 2931-2935
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In such a situation, the present inventors have considered in view of the above-mentioned conventional technology, a new method of compounding oxides and nanoparticles that can surely solve the problems in the above-mentioned conventional technology, from various perspectives. As a result of intensive research with the aim of examining and developing from the viewpoint, it has been found that the nanoparticles are electrostatically adsorbed and fixed to the silica or titania gel formed in advance in the desired shape by electrostatic or capillary aggregation phenomena. It has been found that the intended object can be achieved by providing a silica or titania coating layer on the surface of the molded product, and the present invention has been completed.
That is, an object of the present invention is to provide an inorganic molded article such as an oxide molded article in which nanoparticles are immobilized, and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a method for shielding nanoparticles from the outside world by using an oxide matrix and an outer shell, for example.
Further, the present invention provides a method for controlling (coding) the color tone of a molded article by a combination of a pore diameter, a surface potential, a type of nanoparticles to be immobilized, a particle diameter, a concentration and an immobilized portion of the molded article and the coating layer. It is intended to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-mentioned problems includes the following technical means.
(1) A molded article carrying nanoparticles,
(A) the nanoparticles have a diameter of 0.1 to 20 nm,
(B) the molded article has an average pore diameter of 0.3 to 60 nm;
(C) the molded article may have a coating layer on the surface,
(D) the nanoparticles are fixed in the pores or on the surface of the molded article,
(E) the color tone of the molded body in the ground state is controlled,
A molded article, characterized in that:
(2) The method according to (1), wherein the nanoparticles are one selected from the group consisting of zinc oxide, zinc sulfide, silicon dioxide, CdS, CdSe, CdTe, TiO ₂ , Au, Ag, and Pt, or a mixture of two or more thereof. The molded article according to 1).
(3) The molded article according to (1), wherein 50% or more of the components of the molded article are one kind selected from the group consisting of silica gel and titania gel, or a mixture of two or more kinds.
(4) The molded article according to (1), wherein one or more coating layers are formed on the surface of the molded article by agglomeration and dehydration polycondensation of a colloid produced by hydrolysis of silicon alkoxide or metal alkoxide.
(5) The molded article according to (4), wherein the nanoparticles are immobilized on one or more coating layers.
(6) The molded article according to (1), wherein the color tone in the ground state of the molded article is controlled (coded) by a combination of the particle size, concentration, type, and immobilization site of the nanoparticles to be immobilized.
(7) A method for producing a molded article according to any one of the above (1) to (3), wherein the solution or slurry containing the nanoparticles is opposite to the surface of the nanoparticles or the surface of the surfactant that covers the nanoparticles. A method for producing a molded article carrying nanoparticles, wherein the nanoparticles are electrostatically immobilized in the pores or on the surface of the molded article by mixing the molded article having a surface charge.
(8) The method according to (7), wherein the nanoparticles are immobilized in a molded body by a capillary aggregation phenomenon by mixing a solution or a slurry containing nanoparticles with the molded body.
(9) The method according to the above (7), wherein the particle diameter and concentration of the nanoparticles to be immobilized are controlled by the pore diameter and the surface potential of the molded article and the coating layer.
(10) The method according to (7), wherein the color tone of the molded article is controlled by a combination of the particle size, concentration, type, and immobilization site of the nanoparticles to be immobilized.
(11) A method for producing a nonporous molded article, wherein the molded article according to any one of (1) to (6) is heated at 90 to 500 ° C.
(12) A fluorescent label for immunoassay using the molded article according to any one of (1) to (6).
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail.
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and as a result, 1) the surface potential of the gel molded body, the type, the particle size and the size of the nanoparticles adsorbed and fixed according to the pore size. The concentration can control the color tone of the gel molded body, 2) that the nanoparticle-immobilized gel molded body can be improved in weather resistance by being coated with a gel coating, 3) the coating layer is multi-layered, It has been found that the color tone of a molded article can be controlled by immobilizing nanoparticles in one or more layers. In the present invention, the gel formed body is a transparent inorganic oxide produced by a sol-gel method or an alkoxide method.
[0013]
The present invention provides a method for controlling the color of an oxide, preferably silica or titania gel, by immobilizing nanoparticles, wherein the nanoparticles to be immobilized have a diameter of 0.1 to 20 nm. The present invention also relates to a method for producing a nanoparticle assembly having excellent weather resistance.
[0014]
The gel molded article of the present invention is formed, for example, by subjecting colloidal titanate particles formed by hydrolysis of titanium alkoxide to aggregation, dehydration and polycondensation. Further, colloidal particles of silica formed by hydrolysis of silicon alkoxide are formed by aggregation, dehydration and polycondensation. The above gel molded body becomes a porous body having an average pore diameter of 0.3 to 60 nm depending on the preparation conditions, but can be made into a dense body by heating at 90 to 500 ° C. if necessary. However, these production methods are not limited to these methods.
[0015]
The shape of the gel molded body may have an appropriate shape depending on the application. The spherical molded body can be obtained, for example, by dropping silicon alkoxide diluted to an appropriate concentration into pure water and hydrolyzing it. In addition, the plate-like molded body is obtained, for example, by filling a container of a desired size with a silicon alkoxide necessary for achieving a target plate thickness and slowly hydrolyzing. However, these production methods are not limited to these methods. In addition, commercially available silica gel fine particles can be used as the gel molded body. At this time, those having an average pore diameter of 10 nm or less are preferable from the viewpoint of adsorption and fixation of nanoparticles, but appropriate silica gel can be used.
[0016]
In the present invention, as the titanium alkoxide, one selected from the group consisting of titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetraisopropoxide, and titanium tetrabutoxide, or a mixture of two or more types is used. Preferably, titanium tetraethoxide or titanium tetraisopropoxide is used. As the silicon alkoxide, one selected from the group consisting of tetramethoxysilane, tetraethoxysilane (TEOS), tetrapropoxysilane, and tetrabutoxysilane, or a mixture of two or more, is preferably used. Ethoxysilane (TEOS) or phenyltriethoxysilane (PTES) is used.
[0017]
As the solvent, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol and butanol is used, and preferably, ethanol or isopropanol is used. The concentration range is suitably from 0.01 to 1.0 mol / l, preferably from 0.025 to 0.1 mol / l. In order to hydrolyze the metal alkoxide to generate a colloid, water is mixed with the solvent in a molar ratio of 1 to 100 with respect to the alkoxide.
[0018]
In the present invention, the nanoparticles are used as a solution or slurry with an appropriate solvent. As the solvent, toluene or ethanol is preferably used, but an appropriate solvent can be used. In addition, an appropriate surfactant can be used to prevent aggregation of the nanoparticles. As the surfactant, alkanethiol is preferably exemplified, but an appropriate surfactant can be used.
[0019]
By immersing the gel compact in the nanoparticle solution or slurry, the nanoparticles are adsorbed and immobilized inside or on the surface of the gel compact. At this time, by selecting the gel molded body and the nanoparticles so that the surface potentials of the gel molded body and the nanoparticles are opposite to each other, the nanoparticles can be electrostatically adsorbed and fixed to the inside or the surface of the gel molded body. Further, the nanoparticles are also adsorbed by a capillary agglomeration phenomenon caused by the pores of the gel molded body. The molded body on which the nanoparticles are immobilized is colored. The color tone at this time can be controlled by the pore diameter and surface potential of the molded article and the coating layer, the type, the particle diameter, and the concentration of the composite nanoparticles. In addition, when the nanoparticles that emit and emit light are immobilized on the molded body, the molded body exhibits an excited emission color according to the particle diameter of the nanoparticles.
[0020]
One or more gel coating layers can be provided on the surface of the molded product. The gel coating layer is formed by the colloidal particles obtained by hydrolysis of the alkoxide adhering to the above-mentioned molded product, and agglomeration and dehydration-polycondensation. The gel coating layer can effectively block the nanoparticles immobilized on the molded body from the outside. Further, since the gel coating layer formed as described above is porous, the nanoparticles can be fixed by adsorption in the same manner as in the case of the gel molded body. Therefore, by appropriately combining the pore size, surface potential, type of nanoparticle to be immobilized, particle size, concentration, and excitation light emission characteristics of the core gel formed body and the coating layer, the color tone and excitation of the formed body are appropriately combined. The emission color can be controlled (FIG. 1). The molded body whose color tone is controlled by the nanoparticles may be porous or may be made into a dense body by heating according to the purpose.
[0021]
When light is applied to the molded body produced as described above, mixed colors reflecting the particle diameter and concentration of the immobilized nanoparticles are observed from the molded body. The color tone described above can be controlled by the particle size and concentration of the nanoparticles to be used as a labeling material. Further, when the light emitted from the molded body is dispersed, a spectrum corresponding to the particle diameter and concentration of the immobilized nanoparticles is obtained (FIG. 2). Therefore, according to the molded article, it is possible to label many targets (multicolor labeling). By modifying the surface of the molded body with, for example, DNA having a sequence complementary to the target DNA, many DNA sequences can be labeled in a one-time manner (FIG. 3). According to the above, gene polymorphism analysis can be performed efficiently. Further, the surface of the molded article of the present invention modified with an antibody that binds to a specific cell, protein or the like can be suitably used, for example, as a labeling material for multicolor flow cytometry or a cell sorter (FIG. 4).
[0022]
[Action]
The present invention is directed to a nanoparticle-supported inorganic molded article having nanoparticles immobilized in pores or on the surface of the molded article, and a method for producing the same. Can be immobilized. Thereby, the nanoparticles can be shielded from the outside. Further, for example, by supporting the nanoparticles on the oxide molded body, the color tone and the excited emission color of the oxide molded body can be controlled. Thus, by modifying those surfaces with, for example, antibodies, DNAs, etc., they can be used as labels for various immunoassays, and nanotechnology can be applied to these technical fields. Further, according to the present invention, nanoparticles dispersed in a solution can be easily collected, for example, as a complex with an oxide.
[0023]
【Example】
Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.
Example 1
30 ml of a 30 mmol aqueous solution of chloroauric acid and a toluene solution of tetraoctylammonium bromide (50 mmol, 80 ml) were mixed and stirred to extract chloroauric acid ions into the toluene phase. The toluene phase was separated and extracted, and 0.201 ml (0.842 mmol) of dodecanethiol was added thereto, followed by stirring for 3 hours. An aqueous solution of sodium hydrogen borate (0.4 mol / 1.25 ml) was added dropwise to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to reduce gold ions. After separating and extracting the toluene phase, the solution was concentrated to about 10 ml and mixed with 400 ml of ethanol. This mixture was stored at -18 ° C to precipitate ultrafine gold particles. The resulting ultrafine gold particles were purified twice by recrystallization from a mixed solution of toluene and ethanol. The diameter of the gold core of the resulting particles was 2.6 nm on average. The half width of the particle size distribution was about 2 nm.
[0024]
3 mg of the gold nanoparticle crystal was dissolved in 50 ml of toluene to obtain a gold nanoparticle solution. A mixture obtained by mixing TEOS and ethanol at a ratio of 1: 8 was dropped into 1N hydrochloric acid by vibration and allowed to stand for 7 days. The silica wet gel obtained above was dried at 100 ° C. to obtain silica dry gel beads having an average particle diameter of 20 μm and an average pore diameter of 6.6 nm (FIG. 5). 5 mg of the above beads were added to 10 ml of the gold nanoparticle solution, and left to stand for 24 hours (FIG. 6). As a result, the gold nanoparticles could be immobilized in the silica gel beads (FIG. 7). The silica gel beads on which the gold nanoparticles were immobilized exhibited a color tone reflecting the pore size distribution width unique to each bead (FIG. 8).
[0025]
Example 2
The silica gel beads having gold nanoparticles immobilized thereon prepared in Example 1 were mixed with TEOS adjusted to 0.2 mol / l, stirred at 100 rpm for 12 hours, and then the precipitate was recovered by centrifugation. The precipitate was dried at 60 ° C. and then heated to 250 ° C., whereby silica gel beads coated with silica glass and immobilized with gold nanoparticles could be obtained.
The silica glass-coated portion was a colorless and transparent porous body, and was able to immobilize the gold nanoparticles.
[0026]
Example 3
A silica gel plate (φ20 mm × thickness 5 mm, average pore diameter 150 nm) prepared by a sol-gel method is immersed in a 15 wt% zinc oxide slurry (medium: ethanol, zinc oxide average particle diameter 60 nm) for 24 hours, and the silica gel surface The zinc oxide nanoparticles could be immobilized on the surface. The silica gel on which zinc oxide was immobilized exhibited a milky white color reflecting the zinc oxide concentration.
[0027]
【The invention's effect】
As described in detail above, the present invention relates to an inorganic molded article having nanoparticles immobilized thereon and a method for producing the same. The present invention has the following special effects.
(1) The nanoparticles can be immobilized in an inorganic molded article such as an oxide molded article.
(2) The nanoparticles can be shielded from the outside world.
(3) The color tone and excited emission color of an inorganic molded article such as an oxide molded article can be controlled by the nanoparticles.
(4) By modifying those surfaces with, for example, antibodies, DNA, etc., they can be used as labels for various immunological assays.
(5) The nanoparticles dispersed in the solution can be easily collected as a complex with an oxide.
(6) By using the nanotechnology of the present invention, for example, the sensitivity, accuracy, and efficiency of flow cytometry and gene polymorphism analysis, which are indispensable as platform technologies for genome and proteome analysis, can be dramatically improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a gel molded body with multiple coating layers, in which different nanoparticles are immobilized at appropriate locations.
FIG. 2 shows a schematic diagram of a spectrum exhibited by a molded article coded with a group of nanoparticles having different particle diameters and concentrations.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state where many DNA sequences are temporarily labeled with the molded article of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which a molded body modified with an antibody that binds to a specific cell binds to an antigen on the cell surface.
FIG. 5 shows commercially available silica gel beads having an average pore diameter of 6.6 nm.
FIG. 6 shows silica gel beads mixed with a gold nanoparticle solution.
FIG. 7 shows silica gel beads mixed with a gold nanoparticle solution after standing for 24 hours.
FIG. 8 shows colors exhibited by silica gel beads on which gold nanoparticles are immobilized.

Claims

A molded article carrying nanoparticles,
(1) the nanoparticles have a diameter of 0.1 to 20 nm,
(2) the molded article has an average pore diameter of 0.3 to 60 nm;
(3) the molded article may have a coating layer on the surface,
(4) the nanoparticles are fixed in the pores or on the surface of the molded article,
(5) the color tone of the molded body in the ground state is controlled;
A molded article, characterized in that:

Nanoparticles, zinc oxide, zinc sulfide, silicon dioxide, CdS, a CdSe, _CdTe, TiO 2, Au, Ag, 1 kind selected from a group of Pt, or a mixture of two or more, according to claim 1, wherein Molded body.

The molded article according to claim 1, wherein 50% or more of the components of the molded article are one kind selected from the group consisting of silica gel and titania gel, or a mixture of two or more kinds.

The molded article according to claim 1, wherein one or more coating layers are formed on the surface of the molded article by agglomeration and dehydration polycondensation of a colloid produced by hydrolysis of silicon alkoxide or metal alkoxide.

The molded article according to claim 4, wherein the nanoparticles are fixed to one or more coating layers.

The molded article according to claim 1, wherein a color tone in a ground state of the molded article is controlled (coded) by a combination of a particle diameter, a concentration, a type, and an immobilization site of the nanoparticles to be immobilized.

The method for producing a molded article according to any one of claims 1 to 3, wherein the molded article has a solution or slurry containing nanoparticles and a surface charge opposite to the surface of the nanoparticles or the surface of the surfactant that coats the nanoparticles. Wherein the nanoparticles are electrostatically immobilized in the pores or on the surface of the molded body by mixing the particles.

The method according to claim 7, wherein the nanoparticles are immobilized in the molded body by a capillary aggregation phenomenon by mixing the molded body with a solution or slurry containing nanoparticles.

The method according to claim 7, wherein the particle size and concentration of the nanoparticles to be immobilized are controlled by the pore size and surface potential of the molded article and the coating layer.

The method according to claim 7, wherein the color tone of the molded body is controlled by a combination of the particle size, concentration, type, and immobilization site of the nanoparticles to be immobilized.

A method for producing a nonporous molded article, comprising heating the molded article according to claim 1 at 90 to 500 ° C.

A fluorescent label for immunoassay using the molded article according to any one of claims 1 to 6.