JP2005528466A - 種々の発光強度及び周波数を有する発光性の球状非自己蛍光性シリカゲル - Google Patents

Abstract

本発明は、１種又は２種以上の異なる発光性物質をシリカゲルマトリックス中にカプセル封入することにより生成された、高発光の球状透明シリカゲル粒子に関する。発光性物質の濃度変動及び異なる発光周波数を有する物質のカプセル化により、生体分析及び診断において、多重コード又は標識システムとしての本発明の粒子の使用が可能となる。

Description

本発明は、発光強度を変化させることのできる発光性の球状微粒子及びナノ粒子、それらの製造方法ならびにそれらの使用に関する。

発光は、あらかじめエネルギー吸収により励起した物質による、全スペクトル範囲における光の放出として定義される。蛍光及び燐光もこの用語に分類される。発光性物質は、蛍光又は燐光物質の形態で、生化学、医学、分析及び診断のすべての分野において、タンパク質、ペプチド、毒素、核酸等の検体を同定するため、及び細胞、細胞コンパートメントを視覚化するため、又は生物学的過程を検出するための標識（マーカー）として、今日、日常的に用いられる。

発光法の特に興味深い、革新的な使用の一つは、生体分子を同定するためのいわゆるアレイ技術（Array technique）である。アレイ技術は、今日の生体分析及び診断の分野において、平らな、ガラス又は高分子担体、あるいはバイオチップとも呼ばれる基板で、その上に公知の構造を有する多数の生体分子センサー（核酸、タンパク質又はペプチド）が格子状に配置されたもの、として理解されている。例えば組織又は細胞からバイオチップを用いてあらかじめ得られた、発光標識されたタンパク質又は核酸の試料をインキュベートすることにより、試料に対して相補的な物理化学的（chemico−physical）構造を有する表面上のそれらの部位で、特異的な結合が生じる。試料の発光標識により、結合が生じた部位における発光を検出することが可能となり、次に試料の化学的及び物理的構造の直接的な情報を提供する。チップ上に固定化された多数のセンサーにより、アレイ技術は薬剤開発における分子ライブラリーを試験するための貴重な手段である。

チップ技術の質及び適応性は、検出感度及び発光マーカーのスペクトル特異性に直接依存するため、生物学的試験（bioassays）の検出限界を顕著に低減することが可能な新しい、改良された発光システムを作り出すための数多くの開発がこれまでになされた。

発光性物質の開発は２つの分類の物質に集中した。一つは発光性分子であり、これらは最も一般的には、フルオレセイン（Fluorescein）、ローダミン（Rhodamin）、フィコエリトリン（Phycoerythrin）、クマリン（Coumarin）、Ｃｙ３、Ｃｙ５、ＴＡＭＲＡ、ＲＯＸ、オレゴングリーン（Oregon Green）、エチジウムブロミド（Ethidiumbromid）、テキサスレッド（Texas Red）、Ｄａｂｃｙｌである（これらの名称はすべて商品名である）。他の化合物のファミリーは、周期系のＩＩＢ及びＶＩＡ族、ＩＩＩＡ及びＶＡ又はＩＶＡから主として得られる半導体ナノ結晶であり、これらは最も一般的には、Ｃｄｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ及びＺｎＳｅである。これらの半導体ナノ結晶の特別な特徴は、一つは高量子効率であり、他は従来の発光色素と異なり、減衰する傾向がないという事実である。化合物が従来の蛍光色素の代替物として興味深い「量子ドット（quantum dots）」として文献中に参照されるさらに顕著な点は、量子ドットの吸収及び発光の動態がそれらの大きさに依存することである。具体的な専門用語において、このことは粒子サイズが小さくなると発光スペクトルが短波長域へシフトし、その逆も同様になることを意味する。

発光効果を用いる生物学的試験の開発に関して、このことは物質の選択によるだけでなく、粒子のサイズによっても異なる発光標識として機能するという更なる可能性を開くものである。このことは、バイオアレイ（bioarray）開発の局面において、生体分子の光学的コード化（optical coding）に基づく概念を提供するものである。

生体分析における蛍光マーカーの使用は、関連する文献の多くの箇所で記載されてきた。米国特許第4,777,123号は、２つの異なる発蛍光団（fluorogen）で標識したレセプターの使用を開示し、それによって第一の励起された発蛍光団から第二の発蛍光団へのエネルギーの移動が、検出するリガンドの存在により減少するイムノアッセイの原理を記載している。

米国特許第5,324,633号の主題は、生体高分子に結合した蛍光標識されたレセプターを、フォトンカウンター(photon counter)又は共焦点顕微鏡により検出するバイオアレイの方法である。標識された抗体により細胞を検出するための４５０〜６５０ｎｍの励起周波数を有するキサンテン蛍光色素が米国特許第5,066,580号に記載されている。米国特許第3,998,943号、第3,996,345号、第4,174,384号、第4,199,559号及び第4,261,968号には、発光動態がリガンド−レセプター結合に依存して検出される蛍光色素を用いて、レセプター及び／又はリガンドを標識することを基本原理とするリガンドレセプター分析が開示されている。

米国特許5,319,209号は蛍光センサー、特に細胞中のイオン濃度を測定するのに適したベンゾフラン−イソフタレートを開示している。相当する光学的特性を有する半導体ナノ結晶及び／又は量子ドットは、現状の技術水準により製造され、関連する文献：Koren等, J. Am. Chem. Soc. Vol. 112, 1327, 1990 ; Colvin等, Nature, Vol. 370, 354, 1994 ; Murray等, J. Am. Chem. Soc. Vol. 115, 8706, 1993 ; Hirai等, J. Phys. Chem. B, Vol. 103, 4228, 1999 ; Dabbousi等, J. Phys. Chem. B, Vol. 101, 9463, 1997 ; Hines等, J. Phys. Chem. Vol. 100, 468, 1996 ; Danek等, Chem. Mater. Vol. 8, 173, 1996, Steigerwald等, J. Am. Chem. Soc. (1988) 110 : 3046〜3050 及び Lianos等, Chem. Phys. Lett. Vol. 125, 299, 1986 にいろいろ記載されてきた。

しかしながら、生体分析における発光性物質の使用に関しては、発光標識と対応する生体物質の間の共有結合の可能性がまさに重要であるので、実際の合成のみが決め手ではない。発光色素を用いる場合、官能基は、主に生体分子のアミノ基と結合するN−ヒドロキシスクシンイミジルエステル類（N-hidroxysuccinimidyl esters）又はイソチオシアネート基の形態で導入される。

他方、量子ドットは常に以下の２つの方法によって官能基化される。一つは表面をメルカプトプロピオン酸、ジヒドロリポン酸（dihydroliponic acid）、チオグリコール酸、メルカプトシラン等のメルカプト化合物で被覆し、次に対応する生体分子と好ましくはカルボキシル基を介して結合する方法（Gerion等, J. Phys. Chem. Vol. 105, 8861, 2001 ; Mattoussi等, J. Am. Chem. Soc. Vol. 122, 12142, 2000 ; Chan等, Science Vol. 281, 2016, 1998 ; Mitchell等, J. Am. Chem. Soc. Vol. 121, 8122, 1999）であり、あるいは量子ドットを高分子マトリックス又はデンドリマー中にカプセル封入する方法（“capping”）である。Lemon等, (J. Am. Chem. Soc. Vol. 122, 12886, 2000), Sooklal等, (Adv. Mater. Vol. 10, 1083, 1998) 及び Lakowicz等, (J. Phys. Chem. Vol. 103, 7613, 1999) は、ポリアミドアミンデンドリマーにより、半導体ナノ結晶のカプセル封入化を記載している。ポリスチレン−ビニルピリジン共重合体（polystyrene−co−vinyl pyridine）、ポリスチレン、シリカゲル又はポリラウリルメタクリレートを用いるカプセル封入化がZhao等, (Chem. Mater. Vol. 14, 1418, 2002), Han等, (Nature Biotech., Vol. 19, 631, 2001), Correa−Duarte等, (Chem. Phys. Letters, Vol. 286, 497, 1998), Chang等, (J. Am. Chem. Soc. Vol. 116, 6739, 1994) 及び Lee等, (Adv. Mater., Vol. 12, 1102, 2000) により記載されている。

メルカプト成分中にカプセル封入された量子ドット及びジアミノカルボン酸とともに、スプレーシステムによりガス相中に生成した半導体ナノ結晶が、米国特許第6,114,038号及び第5,906,670号の主題事項になっている。アフィニティリガンドと結合することができるＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族からの半導体ナノ結晶の製造が、米国特許第6,207,397号, 第5,251,018号, 第5,751,018号, 第5,262,357号及び第5,505,928号で扱われている。

米国特許第6,326,144号及び第6,207,229号の主題事項は、生物学的成分に対してアフィニティ結合により被覆された半導体ナノ結晶、及びＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ又はＣｄＳｅにより被覆された単分散、発光ナノ結晶である。米国特許第5,293,050号及び第5,354,707号は、回路用のシリコーン発光性半導体層を扱っており、その第２のシリコーン層は少なくとも一種の量子ドットを含有する。米国特許第5,525,377号は、陰極線管又は電界発光ディスプレイに用いる、ポリメチルメタクリレートで被覆された２０〜１００Åのドープされた半導体化合物のナノ粒子を記載している。

電圧を加えたときに異なる可視光を発光する電界発光デバイスを製造するための電子輸送媒体（electron transport media）として、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＳ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ及びＩｎＳｂの形態の半導体ナノ結晶の使用が米国特許第5,537,000号で扱われている。遷移金属をドープされた、ＩＩ及びＶＩ族からなるレーザー増感（laser−intensifying）結晶が米国特許第5,541,948号の主題事項となっている。

発光ナノ結晶をドープされたガラスマトリックスが米国特許第5,585,640号に記載されている。前もって製造されたガラスにドープされた形態を作製するには、１０００℃以上の温度が必要である。米国特許第5,770,299号は、ＣｄＳ及び／又はＩＩＩ−Ｖ族成分からなる半導体ナノ結晶、あるいは塗料の顔料としてＩＩ−ＶＩ族半導体ナノ結晶を開示している。市販のシリカゲルビーズ上への蛍光標識ペプチドライブラリーの固相合成が、米国特許第5,789,162号に記載されている。

シラン誘導体で被覆され、アフィニティ分子に結合することができる、生物学的応用のための発光性半導体ナノ結晶センサーが、米国特許第5,990,479号で扱われている。米国特許第5,043,265号は、免疫グロブリン及びポリヌクレオチドに対する標識としてＺｎＳ−Ａｇ及びＹ_２Ｏ_２Ｓ−Ｅｕの形態の蛍光粒子を開示している。

米国特許第5,985,353号の主題事項は、核酸又はタンパク質の形態の不活性ゲル高分子中に分散された陽イオン交換体の存在下、遷移金属、ランタノイド又はアクチノイドからのナノ粒子の製造である。イオン交換体に結合した陽イオンは、対応する陰イオンを添加することにより沈殿してナノ粒子を形成する。

有意なストークスシフト（Stokes shift）に対応する、励起周波数及び発光周波数の間のスペクトルの重なりを減少させることができるフィコビリタンパク質（Phycobiliprotein）マーカーが、米国特許第4,666,862号及びOi等（J. Cell. Biol. Vol. 93, 891 1982）により記載されている。

発光性物質の更なるグループは、その特徴が励起光に対して短波光を放射することである、いわゆる高変換（up−converting）蛍光物質である。このタイプの物質は主に酸素及び／又は硫黄及び／又はフッ素と、ランタノイド又はイットリウムからなる。

生物学的試験に用いる場合、これらの物質は、吸収及び発光の周波数が担体粒子、マイクロタイタースライド等の担体系の自己蛍光により妨げられることがないという利点を有し、担体系を用いる際に今日の生体分析における問題をなお提起するという現象がある。米国特許第5,674,698号及び第5,698,397号は、レーザー励起法により生物学的分析又は他の分析において使用される、Ｎａ−イットリウムフッ化物、ランタンフッ化物、ガドリニウムフッ化物、イットリウムオキシスルフィド等のドープされた高変換蛍光物質の形態の一連の分子センサーを記載している。

励起及び発光の周波数に対して透過的であり、官能基を介してタンパク質センサーと共有結合することのできるポリアクリレート微小担体中にカプセル封入された高変換蛍光粒子が米国特許第5,132,242号で扱われている。核酸配列の検出及びイムノアッセイのための高変換蛍光物質がCorstjens等により記載され（Clin. Chem. Vol. 47, 1885, 2001）及びNiedbala等（Anal. Biochem. Vol. 293, 22, 2001）、シラン被覆高変換蛍光物質がHampl等により記載されている（Anal. Biochem. Vol. 288, 176, 2001）。

生物学的物質を検出するために用いることのできる発光性金属ポルフィリンが、米国特許第6,004,530号の主題事項となっている。

現状の技術状態により公知の、単一分子又はナノ結晶の形態における発光マーカーには、その使用、特に生物学的試験における使用が、時間と操作の両方に関する複雑な調製を必要とするという不利益がある。このように、合成又は調製には、複雑な操作と関連して数時間から数日を要する（米国特許第5,132,242号参照）：窒素不活性ガス雰囲気中での操作、蒸留、有機媒体中での操作。さらに、生成物は、それが有機高分子である場合は、常にHan等の上に挙げた文献により参照される顕著な自己蛍光を有する。公知の発光系の最も重大な制約は、通常たった一つ又は非常に少数の発光粒子（半導体ナノ結晶又は高変換蛍光物質の結晶）が標識する各生体分子に結合できるにすぎないことである。結果的に、この制約は生物学的試験の検出感度を事実上低下させている。状況は発光分子についても同様であり、非常に少数の発光分子が生体分子に結合できるにすぎないため、標識された生体分子から放射されたシグナルを検出するのが困難である。

さらに、発光性物質が生体分子（例えば、抗体）に結合すると不活性となる場合がある。しかし、代替物として開発されてきた発光標識されたマイクロ粒子又はナノ粒子は、すべて製造、応用、検出が困難な粒子表面に結合する発光マーカーを有する；Fornusek 及び Vetvicka, “Polymeric Microspheres as Diagnostic Tools for Cell Surface Marker Tracing,” in CRC Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier Systems, 2, pp.137−174, 1986 参照。これらの論文はこの技術の批評的概要を含んでおり、さらに他の文献としては以下のものが引用される：Kaplan等 (Biochimica et Biophysica Acta, Vol. 728, 112, 1983) 及び米国特許第3,853,987号, 第4,035,316号, 第4,105,598号, 第4,108,972号, 第4,224,198号及び第4,326,008号。

本発明の目的は、現状の技術状態により公知の発光担体系の不利益を除き、多重発光性物質を含有し、適応性のある多孔性を有する透明な非自己蛍光の(non-autofluorescent)マイクロ及びサブマイクロ粒子を提供することである。分子及びナノ粒子又はコロイドの形態の発光剤の多くは、カプセル封入できるため、生体分析及び診断における生体分子の検出感度を一分子でも検出可能な程度に驚異的に改善することができる。さらに、様々な発光特性を有するいくつかの発光性物質をカプセル封入することにより、生体分子の種々の光学的コード化が可能である。

この課題は、基本物質の本質的発光特性に影響を与えないシリカゲルの透明マトリックス中に発光性物質をカプセル封入することにより、本発明にしたがって可能となる。さらに、この課題は、シリカゲルゾル及び発光性物質からなる混合物を、水と混合しない有機相中に分散させ、次いで多重濃縮する逆懸濁法（inverse suspension method）により、本発明にしたがって解決される。これは、カプセル封入された発光物質を含有する、３次元に架橋された真珠形状（pearl−shaped）高分子担体を生成する。

シリカゾルは、現状の技術状態により一般に知られている、希鉱酸を用いるアルコキシシランの加水分解の方法に従って製造される（Dave等, : Immobilized Biomolecules in Analysis, 編, Cass and Ligler, Oxford University Press, 1998 ; 国際公開第02/09125 A1号）。

脂肪族アルコールのシリコンオルトエステルは、アルコキシシランとして用いることができ、好ましくはメチル、エチル又はプロピルエステルであり、単独又は混合物のいずれであってもよい。対応する発光物質は第２段階においてシリカゾルに添加する。不均一ゾル―発光物質の混合物をより均一に混合できるようにするために、反応を超音波浴中又は超音波ソノトロード（sonotrode）を用いて行う。通常３０秒間曝す。この方法で得られたコロイド分散混合物を、通常撹拌しながら水と混合しない有機溶媒中に分散させる。真珠形状のゾル滴は、次に希塩基を添加することにより重縮合し、３次元架橋シリカゲルを形成する。一方で、安定な懸濁液を作製するため、ゾルの極性及び有機分散相を選択し、他方では添加した発光性物質がゾル相に高親和性を有するので、ゾルと有機相が明確に分離し、添加した発光性物質はゾル相中にのみ均一に分散する。全体としての製造方法は、処方に応じて約２０〜５０分要するシリカゲルの調製を含む。

発光粒子の合成の出発点は、酸性水溶液中で適当なアルコキシシランを加水分解する公知の方法に従って製造されるシリカゾルである。好ましくはC１〜C３のエステルを有するシランを方法及び生成物について用いる。これは、シランを特定の濃度とすることと共に、驚くべきことに完全に透明な粒子を製造することができる。当初の処方におけるアルコキシシラン濃度は、４０〜９０容量％であり、好ましくは６５〜８０容量％である。シラン処方中の容量％が通常１０〜４０容量％であり、濃度が通常０．０１〜０．５モル／リットルであるシランを酸水溶液の存在下で超音波に曝すことにより、透明溶液を生成する。曝露時間は、酸濃度に依存し５〜２０分である。この方法により得られるシリカゾルは、凍結状態温度（約−１８℃）で長期間保存することもできるし、随意に直ちに製造することもできる。

本発明によるシリカゲル技術の更なる特徴は、得られる粒子の気孔率が広い範囲に及ぶことができることであり、現状の技術状態により知られている他の方法が提供しない要素である。

検体を特異的に検出する能力が、担体上に固定化されたリガンド及び／又は受容体に対するそれらの結合に依存するため、粒子担体媒体の気孔率は、すべての生物学的試験又は分離過程において重要な役割を果たす。この結合過程の程度及び質は、アクセス可能な担体の表面により直接影響を受ける。後者は担体の気孔率により直接決定される。これは、ゾルに所定の物質を添加することにより、本発明による製造物及び方法を用いて驚くほど調整することができる。これらの物質は、一般にポロジェン（porogen）と呼ばれ、分散前にゾルに加えられる。添加剤として用いられる好ましい物質は、担体の吸収−発光特性に影響を与えない。本発明を限定するものではないこれらの例としては、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアミノ酸、多糖、タンパク質又はポリビニルピロリドンが挙げられる。それらは、分散及び架橋工程の間に球状粒子に封入される。１〜１０容量％水溶液として生成する有機高分子溶液の比率は、ゾル相に対して１〜２０容量％である。

気孔率を調整する他の要素は、種々の２、３又は４置換シラン成分の組成物の選択に由来する。例えば、純粋な４置換エステルのゲルは、原理的に２又は３置換エステル化合物の添加により生成するゾル又はゲルより低い気孔率を有する。２又は３官能基性エステル化合物の混合物を選択することにより、気孔径が５０〜２００ｎｍの生成物が得られる。２又は３官能基性シランの濃度は、全体のシラン濃度に対して、通常１〜１０容量％であり、好ましくは１〜５容量％である。

本発明による製造物及び方法の他の本質的な側面は、機械的撹拌の種類及び方法のどちらによっても、シリカゾルの粘度と同様に粒子のサイズを制御できることである。懸濁重合の間の撹拌速度により粒子のサイズが調整されることが知られており、このような方法では、粒子のサイズは常に撹拌速度の増大に従い小さくなる。これらの要素の相関性も、また本発明にあてはまる、すなわち、＞１０００ｒｐｍの撹拌速度では、一般に粒子のサイズが＜５０μｍとなり、＞５０００ｒｐｍの撹拌速度では、粒子のサイズが＜１０μｍとなる。マイクロメーター以下の範囲の微粒子を得ることを目的とする場合でも、分散装置が必要であり、例えば作業は回転子ステータ（rotor−stator）の原理により、＞１０,０００ｒｐｍの回転子速度を有する（例えば、Ultra−Turrax：登録商標）。超音波による処理も０．５〜１０μｍの範囲の大きさの粒子を生成する。

純粋な機械的要素とは別に、ゾルの粘度も粒子のサイズに重要な影響を与えることを示すことができる。ゾルの粘度の低下は、一般に粒子のサイズの同様の低下をもたらし、その逆も同じである。粘度の増加は粒子の増大をもたらす。望ましい粒子サイズ０．５〜５０μｍを有する本発明による製造物を得るためには、５〜３００ｃＰの範囲内にあることが要求される。

所望の性質を有するゾルを調製した後、次の工程で対応する発光マーカーを添加し、好ましくは超音波処理によりゾルと均一に混合する。ある波長の放射エネルギーを吸収した後、吸収周波数と異なる周波数において光子を放射することができ、シリカゾルと均一な混合物を形成するそれらの化合物は、発光性物質として用いることができる。

この型の種々の物質は、参照として挙げた文献に記載されている。本発明による生成物を限定するものではない、発光性分子及びマーカーの例としては、フルオレセイン、ローダミン、クマリン、ダンシルクロリド、エチジウムブロミド、テキサスレッド、フィコエリスリン、オレゴングリーン、カスケードブルー、並びに商品名ＢＯＤＩＰＹ、ＳＹＢＲ Ｇｒｅｅｎ、ＴＯＴＯ−１又はＹＯＹＯ−１、及びこれらの製品の誘導体が挙げられる。ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ等のＩＩ−ＶＩ系列からの化合物、及びＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族のナノ結晶は、半導体ナノ結晶として用いることができる。ゲルマニウム等のＩＶＡ族からの半導体も同様に適している。

高変換蛍光物質の好ましい例としては、Ｎａ−フッ化イットリウム、フッ化ランタン、ランタンオキシスルフィド、イットリウムオキシスルフィド、フッ化イットリウム、没食子酸イットリウム（yttrium gallate）、フッ化ガドリニウム、バリウム−フッ化イットリウム、ガドリニウムオキシスルフィド、及びイッテルビウム／エルビウム、イッテルビウム／ツリウム又はイッテルビウム／ホルミウム等の一対の活性化物質でドープした上記の型の化合物等の希土類化合物又はＩＩＩＢ族の元素が挙げられる。他の好ましい高変換蛍光物質は、エルビウム、ネオジム、ツリウム、ホルミウム及びプラセオジムのキレート化合物を含む。ロドプシン（rhodopsine）、緑色蛍光タンパク質（green fluorescent protein：GFP）、金属ポルフィリン等の発光性タンパク質は、類似の方法における発光物質として用いることができる。

添加する発光物質の濃度は、対応する生体分析又は診断の必要に応じ広範囲に変動させることができる。明確な発光を得るためには、通常マーカー物質濃度は１〜１０重量％が適当である。これらの濃度は、従来の分析において用いることのできる検体当たりの発光マーカー濃度を１０の数乗上回る。

シリカゾルの種々の物質との優れた混和性は、驚くべきことに磁性コロイドの形態の磁性化合物及び／又はナノ粒子を発光性物質とともに同時にカプセル封入することを可能にした。このことは、発光作用と磁性分離の並行した使用を許容する全く新しい特性の組合せを可能にする。このことは、高分子又はガラス物質においてもっぱら使用されるこれまでの分析では達成することのできない、非常に多くの生体分子（“分子ライブラリー”）を試験することのできる非常に効果的な生物学的試験の開発に関して全く新しい展望を開くものである。

使用可能な磁性物質としては、公知の強−、フェリ−又は超常磁性物質、及び強磁性流体が挙げられ、これらの多くは関連する文献：英国特許第1 439 031号、Shinkai等, Biocatalysis Vol 5, 61, 1991, Kondo等, Appl. Microbiol. Biotechn. Vol. 41, 99, 1994に記載されている。磁性コロイドの濃度は、発光マーカーの吸収及び発光特性に関して粒子の透明性が影響を受けないようにすべて選択される。その濃度はシリカゲル粒子に対して通常１０〜３０重量％である。

該方法の第３工程において、シリカゲル−発光マーカー混合物を撹拌により有機相中に分散させる。水と混合せず、シリカゾルの安定な分散を形成するそれらの溶媒は、分散剤として好適である。この種の分散剤は現状の技術状態により一般に公知であり、Laane等（“Biocatalysis in Organic Media”, Laane et al. 編, Elsevier, Amsterdam, pp65, 1987）により国際公開第02/09125号に記載されている。これらの要求に適合する溶媒には、ヘキサン、トリクロロエチレン、石油エーテル、トルエン、クロロホルム、1,1,1−トリクロロエタン、四塩化炭素、ヘプタンが含まれる。約１ｇ／ｃｍ³の密度を有する上記の混合溶液が分散に好適である。ヒドロゾルに対する有機相の容量比は、通常８：１〜３０：１である。

粒子サイズの分布をより狭め、より良好な分散特性を得る目的で、テンシデ(tenside)、分散安定剤又は乳化剤の形態による１種又は２種以上の界面活性物質を有機相に添加することができる。これらの例は、プロピレンオキシド−エチレンオキシドブロック共重合体、ポリヒドロキシ脂肪酸−ポリエチレングリコールブロック共重合体、ポリエチレングリコール−エーテル誘導体、ソルビタン脂肪酸エステル、ヒマシ油誘導体のブロック共重合体、ポリエチレングリコール−ヒマシ油誘導体、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、アルキルフェニルポリエチレングリコール誘導体、ポリグリセロールエステル、修飾ポリエステル、ポリオキシプロピレンエチレンジアミンブロック共重合体、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレン誘導体、ポリオキシエチレンアルコール誘導体を含む。この型の物質は市場において知られており、特に商品名として：Renex（登録商標）、Estol（登録商標）、Prisorine（登録商標）、Hypermer（登録商標）、Pluronic（登録商標）、Tween（登録商標）、Eumulgin（登録商標）、Pripol（登録商標）、Tetronic（登録商標）、Brij（登録商標）、Lameform（登録商標）、Arlacel（登録商標）、Span（登録商標）、Dehymuls（登録商標）、Synperonic（登録商標）又は Triton（登録商標）が知られている。粒子の製造に関連するテンシデの濃度は、０．１〜１５容量％及び／又は重量％であり、好ましくは０．５〜６容量％及び／又は重量％である。

該方法の最終工程において、ゾルと希釈した塩基を分散過程で混合し、前者を固体ゲルに重縮合する。ゾルは通常数秒（３〜２０秒）以内に所望するゲル粒子に凝固する。したがって、機械的な分散過程は数秒を要するのみである。塩基濃度を高く選択するほど、ゲル化及び並行する機械的分散過程がより短縮される。塩基としてはアンモニアの１〜１２％水溶液を好ましく用いることができる。ＮａＯＨ、ジエチルアミン、ＫＯＨ等の他の塩基も用いることができる。ゾルに対する塩基の容量比は、通常１：２〜１：４である。

非常に高速なゲル化反応の結果として、発光マーカーのカプセル封入を含む粒子製造方法の全体を１時間以内に行うことができる。このことは、従来の発光粒子の製造方法全体の所要時間を９０％まで節約することを意味する。

該製造方法は、アルコール及び水による数回の洗浄を伴う。得られる磁性担体は通常水中に貯蔵する。得られるシリカゲル粒子はさらに官能基化するために直接用いることができる。

発光粒子を、そのすべてが標的物質、受容体、生体リガンド又は検体センサーとして機能するタンパク質、抗体、ペプチド、酵素、核酸、オリゴ糖等の対応する生体分子に結合させるため、通常シリカゲルに対する公知の活性化及び結合方法及び／又はシラン化担体が用いられる。これらは、例えばアミノ、エポキシ、メルカプト、イソチオシアネート、アクリル又はハロゲン基を有する官能性アルコキシシランとの反応を含む。このような活性化剤及び結合剤の例としては、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシジルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、３−イソチオシアネートプロピルトリエトキシシラン、メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、クロロプロピルトリエトキシシランを含む。例えばアミノカルボン酸、グルタルアルデヒドを用いた、対応する上記アルコキシシランの誘導によるカルボキシ、ヒドロキシ又はアルデヒド基の導入、又は酸もしくは塩基を用いたエポキシ基の加水分解によるヒドロキシ誘導体も現状の技術状態により一般に公知である。同様に、エポキシ活性化担体とカルボン酸、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、ニトリロ三酢酸、イミノ二酢酸等のアミノ置換カルボン酸とを公知の方法に従って反応させ、金属キレート担体を得る。例えばアリールアジド又はジアジリン基を保有する光活性剤（photoactive agent）を介したシリカゲル粒子の活性化もまた、容易に行うことができ、光活性化剤はまずＵＶ照射により担体に結合し、次いで生体リガンド及び／又は生体分子と反応することができる。この型の物質には、N−ヒドロキシスクシンイミジル−４−アシド（acido）ベンゾエート、[２−ニトロ−４−[３−（トリフルオロメチル）−３Ｈ−ジアジリン−３−イル]フェノキシ]−アセチル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミデート、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミジル−（４−アシドフェニル）−１,３−ジチオプロピオネート、Ｎ−[ｍ−[３−（トリフルオロメチル）ジアジリン−３−イル]フェニル]−４−マレイミドブチルアミドが含まれる。

種々の活性化、官能基化及び結合の詳細な記載は、特別な反応方法が一般に知られており、この分野の専門家によりいつでも使用できるため、ここでは必要ない（Vansant et al., : “Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface”, Delmon and Yates編, Elsevier, Amsterdam, 1997 ; “Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers”, Haefeli et al. (編), Plenum Press, New York, 1997 ; Shriver-Lake : “Immobilized Biomolecules in Analysis”, Cass and Ligler, 編, Oxford University Press, 1998 ; WO 99/01766 ; Lottspeich and Zorbas 編, : “Bioanalytik”, Spektrum Verlag, Heidelberg, 1998）。実施の態様は原則として開示を限定するものとして解釈するべきではない。

本発明による発光粒子の応用範囲は、特異的な物質又は検体を検出又は定量するために色素反応、発光又は放射能強度を用いる生体分析及び診断のすべての分野にわたる。例としては、放射性又は酵素イムノアッセイの形態によるイムノアッセイ、核酸検出、プロテオーム解析、DNA塩基配列決定、ファージディスプレイ、核酸アレイ（nucleic acid array）又は細胞標識を含む。さらに、粒子発光マーカーはフローサイトメトリー又は蛍光活性化セルソーター（fluorescence−activated cell sorter、登録商標：FACS）において用いることができ、あるいはＤＮＡ又はタンパク質のライブラリーを試験するために用いることができる。

以下の例により本発明に従う製造物及び方法をさらに詳細に説明するが、本発明に従う製造物及び方法をこれらの例に限定するものではない。

例１
５ｍｌのテトラメトキシシランを２ｍｌの０．０５ＭＨＣｌとともに室温にて超音波浴中で１０分間超音波に曝す。得られた２ｍｌの透明ゾルを１ｍｌの０．０５％ローダミンＢ溶液と混合する。次にこの混合物を０．４ｍｌのＫｏｒａｎｔｉｎ（ＢＡＳＦ）を含有する２５ｍｌのヘキサンに加える。分散装置（Ｕｌｔｒａ−Ｔｕｒｒａｘ）により調合物を２０，０００ｒｐｍで３秒間分散させる。１ｍｌの１％アンモニア溶液を加えた後、さらに５秒間分散させる。さらに５分後、２分間の遠心分離により粒子を沈澱させる。過剰分を傾寫法で除き、エタノール、アセトン及び水各約１０ｍｌで３回洗浄する。粒子のサイズが１〜３μｍの発光粒子が得られる。

得られた粒子は、無水トルエンで何回か洗浄し、次にアルゴン雰囲気中で５ｍｌの無水トルエン及び２ｍｌの３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランと撹拌しながら９０℃で３時間反応させる。次いでトルエン及びアセトンで５回洗浄する。

得られた１００ｍｇの生成物をｐＨ８．５の０．５モルのリン酸緩衝液で３回洗浄し、次いで１０ｍｇのストレプトアビジンを溶解した２ｍｌの同じ緩衝液とともに、４０℃で５時間インキュベートする。生成物を遠心分離操作を用いて、ｐＨ７．２の０．０５Ｍのリン酸緩衝液により再び５回洗浄する。残存するエポキシ基を遮断するため、結合した生成物を０．１％の血清アルブミンを含有する１％エタノールアミン溶液中、室温で２４時間貯蔵する。ｐＨ８．０の０．０５トリス／塩酸緩衝液で何回か洗浄する。これによりビオチン化生体分子に結合又は標識するために使用できる生成物を得る。

例２
例１と同様に調製された２ｍｌのシリカゾルを、Sooklal等 (Adv. Mater., Vol. 10,1083, 1998)の規格に従って合成された１３８ｎｍの平均粒子サイズを有する、１０ｍｇのＣｄＳ−半導体ナノ結晶と混合し、次いで室温で２分間超音波に曝す。混合物を２．５容量％の溶解したＳｐａｎ６０及び０．５容量％の溶解したＴｗｅｅｎ８０を含有する２５ｍｌのトルエン中に、Ｕｌｔｒａ−Ｔｕｒｒａｘを用いて２０，０００ｒｐｍで５秒間分散させる。１ｍｌの６％アンモニア溶液を加えた後、さらに５秒間分散させる。粒子を分離し、例１と同様に調製する。３．６μｍの平均粒子サイズを有し、５１０ｎｍの極大発光を示す発光粒子が得られる。

粒子を活性化するため、[２−ニトロ−４−[３−（トリフルオロメチル）−３Ｈ−ジアジリン−３−イル]フェノキシ]−アセチル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミデート（調製：５ｍｇを０．５ｍｌのエタノール−水（１：１）に溶解した）の存在下、７５ｍｇの発光粒子をＳｔｒａｔａｌｉｎｋｅｒ ＵＶ ２４００（Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ）を用いて２０分間照射した。核酸、タンパク質、抗体等のアミノ基を含有する生体分子、リガンド又は受容体は、公知の方法（Matson and Little, J. Chromatogr., Vol. 458, 67, 1988）に従ってエタノール及び水で洗浄した後、活性化された生成物と結合することができる。

例３
０．５ｍｌのテトラエトキシシランを０．１ｍｌの水及び０．０８ｍｌの０．１ＭＨＣｌと混合し、超音波浴中、室温で１０分間超音波に曝す。得られた０．２ｍｌのゾルを、Hampl 等（Anal. Biochem., Vol. 288, 176, 2001）の規格に従って調製された５ｍｇの（ＹＹｂＥｒ）_２Ｏ_２Ｓと混合し、超音波浴中で５分間処理する。次いで３０ｍｇの磁鉄鉱の粉末（Bayferrox 318M, Bayer, FRG）を混合物に加える。混合物をさらに２分間超音波に曝す。次に混合物を２容量％のＤｅｈｙｍｕｌｓ ＨＲＥ７（登録商標）及び０．５容量％のＰｒｉｓｏｒｉｎｅ ３７００（登録商標）が溶解した３ｍｌのトリクロロエチレン中に１２，０００ｒｐｍで撹拌（Ｕｌｔｒａ−Ｔｕｒｒａｘ）しながら分散させる。０．０８ｍｌの６％アンモニア水溶液を分散中に加える。混合物をさらに５秒間撹拌する。分離及び得られた発光粒子の調製は、例１と同様にして行う。平均粒子サイズが６．７μｍの発光粒子が得られる。

それぞれを磁性分離した後、生成物を真空中で３時間乾燥し、乾燥トルエンで５回洗浄し、３ｍｌのトルエン及び０．２５ｍｌの３−アミノプロピルトリエトキシシランを加え、還流下で１２時間沸騰させる。磁性粒子を再び磁性分離し、約５ｍｌのトルエン及びクロロホルムで３回洗浄する。それらを真空中で数時間乾燥する。アミノ修飾した生成物は、４ｍｌのｐＨ９．０の０．１Ｍ炭酸ナトリウム緩衝液中、６％グルタルアルデヒド溶液により、３５℃で２時間転換する。次にｐＨ７．２の０．１Ｍリン酸緩衝液で十分に洗浄する。タンパク質、ペプチド、５’末端に置換されたアミノ基を有する核酸又はオリゴヌクレオチド等のアミノ基を有する生体分子は、公知の方法に従ってアルデヒドで官能基化した、得られた発光粒子と結合することができる。このように官能基化した発光粒子は、タンパク質又は核酸のアレイにおいてセンサーとして用いることができる。

Claims (25)

1. 透明なシリカゲルマトリックス中に１種又は２種以上の発光性物質を含有する、発光性シリカゲル粒子。
2. 自己蛍光性（self-fluorescent）でないことを特徴とする、請求項１に記載の粒子。
3. 発光性物質が粒子中にカプセル封入されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の粒子。
4. 発光性物質が蛍光、燐光、化学発光、電界発光又は発光エネルギー移動（luminescence energy transfer）を表示する物質の群から選ばれたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の粒子。
5. 発光性物質の濃度が１〜１０重量％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の粒子。
6. 発光性物質が異なる発光周波数を表すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の粒子。
7. 発光性物質が、その励起周波数が発光周波数より高い分子であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の粒子。
8. 発光性物質が、ＩＩＩＡ及びＶＡ族、ＩＩＢ及びＶＩＡ族又はＩＶＡ族の元素から形成された半導体ナノ結晶からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の粒子。
9. 発光性半導体ナノ結晶が銅及び／又は銀添加物をドープされたことを特徴とする、請求項８に記載の粒子。
10. 発光性物質が、発光周波数より低い励起周波数を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の粒子。
11. 発光性物質が、ＶＩＡ及び／又はＶＩＩＡ族からの元素を有する希土類元素及び／又はイットリウムの微晶質化合物であることを特徴とする、請求項１０に記載の粒子。
12. 発光性物質が、中心原子がＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ族又は希土類元素族から選ばれた金属キレート化合物であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の粒子。
13. 発光性物質が、ピロール色素であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の粒子。
14. 発光性物質が、発光性タンパク質であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の粒子。
15. さらに、磁性コロイドが含有されているか、又はカプセル封入されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の粒子。
16. 磁性コロイドが、フェロ−、フェリ−及び超常磁性化合物並びに強磁性流体を含む群から選ばれたことを特徴とする、請求項１５に記載の粒子。
17. 磁性コロイドが、高分子粒子に対して１０〜５０重量％の濃度で存在することを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の粒子。
18. シリカゲルが、タンパク質、ペプチド、細胞受容体、核酸、核酸断片、多糖、オリゴ糖、抗体、抗体断片、ストレプトアビジン、アビジン、ビオチン及び酵素を含む群から選ばれた生体分子に結合できる官能基、あるいは１種又は２種以上のかかる生体分子に結合している官能基を有することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の粒子。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の発光性シリカゲル粒子の製造方法であって、
    ａ）希酸とアルコキシシランからなる混合物を縮合して、透明なシリカゾルとし、
    ｂ）前記透明なシリカゾルを１種又は２種以上の発光性物質と均一に混合し、
    ｃ）ゾル−発光性物質の混合物を水と混合しない有機相中に分散させ、及び
    ｄ) ゾル−発光性物質の混合物を、分散中又は分散後に塩基を加えることにより架橋する
    ことを特徴とする、前記方法。
20. １０〜５０重量％の強−、フェリ−又は超常磁性物質をゾル−発光性物質の混合物に加えることを特徴とする、請求項１９に記載の発光性透明シリカゲル粒子の製造方法。
21. 水と混合しない有機相が１種又は２種以上の界面活性物質を０．１〜１５容量％で含有することを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の発光性シリカゲル粒子の製造方法。
22. 有機相に対するゾルの容量比が１：５〜１：３０であることを特徴とする、請求項１９〜２１のいずれかに記載の発光性シリカゲル粒子の製造方法。
23. 分散−架橋工程を２〜３０秒で行うことを特徴とする、請求項１９〜２２のいずれかに記載の発光性シリカゲル粒子の製造方法。
24. １〜２０容量％の、有機高分子、多糖又はタンパク質を含む水溶液を、分散前にゾルと混合することを特徴とする、請求項１９〜２３のいずれかに記載の発光性シリカゲル粒子の製造方法。
25. 核酸、核酸断片、タンパク質、ペプチド、抗体、抗体断片、細胞、細胞受容体、ビオチン化された生体分子の分析及び／又は診断のため、並びにタンパク質又は核酸ライブラリーの試験のための、アレイ技術又は核酸配列決定に関するセンサーとしての請求項１〜１８のいずれかに記載の発光性シリカゲル粒子の使用。