JP2008510852A - 高発光性コロイド粒子の合成 - Google Patents

Abstract

本発明は、組成物とその使用方法とを含む。該組成物は、個々の被覆ナノ結晶を制御しながら凝集させて形成された、選択された大きさの被覆蛍光ナノ結晶のクラスターを含む。

Description

本出願は、２００４年８月１７日出願の米国仮出願番号６０／６０２，２７１の利益および優先権を主張するものであり、この仮出願の内容全体は参照により本明細書に援用される。

背景技術
蛍光に基づく分析法および非放射性検出システムは、科学研究および臨床診断において種々の測定法を用いて生体分子を検出するための強力なツールとなっている。このような測定法としては、フローサイトメトリー、核酸ハイブリダイゼーション、ＤＮＡシーケンシング、核酸増幅、イムノアッセイ、組織化学、および生細胞に関する機能アッセイなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
蛍光半導体ナノ結晶は、蛍光強度が高く、かつ、異なるナノ結晶を単一の光源により励起できることから、広範囲な用途が見出されてきた。このような非放射性材料を用いた種々の測定法および分析法の感度を上げるためには、これらの材料からのシグナルを増大させることが望ましいと考えられる。検出すべき標的分子の標識に使用しうる分析用途のためには、多数のナノ結晶および他の微粒子を制御可能に連結して構造体とすることが好都合であると考えられる。

ＭｉｒｋｉｎらはＷＯ９８／０４７４０（特許文献1）において、オリゴヌクレオチドを結合させたナノ粒子を開示している。また、オリゴヌクレオチドを結合させた１種類以上のナノ粒子と核酸とを接触させることを含む方法が開示されている。このオリゴヌクレオチドは、ナノ粒子に結合されており、かつ、核酸の配列の一部と相補的な配列を有する。ナノ粒子上のオリゴヌクレオチドと核酸とのハイブリダイゼーションの結果として、検出可能な変化、すなわち色の変化が起こる。開示された組成物は、コア／シェル半導体ナノ結晶を含んでおらず、ナノ粒子の複合体を形成するために、オリゴヌクレオチド、具体的には相補的オリゴヌクレオチドを使用している。

Ｍｉｒｋｉｎらは米国特許第６，３６１，９４４号（特許文献2）において、オリゴヌクレオチドを結合させたナノ粒子と、組成物のためのその使用方法を開示している。さらに、コア／シェル半導体ナノ結晶を含むナノ粒子に結合させたオリゴヌクレオチドが開示されており、オリゴヌクレオチドの配列は、検出すべき核酸の配列の一部と相補的である。ナノ粒子上のオリゴヌクレオチドと核酸とのハイブリダイゼーションの結果として、検出可能な変化が起こる。この開示では、相補的オリゴヌクレオチドを結合させたナノ粒子を組み合わせることにより、ナノ粒子凝集体、ナノ材料、およびナノ構造が形成されるとされており、ナノ粒子は相補的オリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションの結果として凝集体中に一緒に保持される。

ＨａｎｓｅｎらはＷＯ９８／３３０７０（特許文献3）において、均一結合測定法を開示している。この開示では、化学結合を測定する均一な方法を説明しており、この方法は、複素屈折率ｎ−ｉｋの虚部ｋが２^{（１／２）}に近づくに従って実部ｎがゼロに近づくという、よく知られた特定のクラスのコロイド粒子からの共振する、すなわち「増幅した」光減衰（光散乱プラス吸収）に依存している。化学結合のパートナーで被覆された粒子は、結合反応により凝集または分散すると、単一のコロイド粒子の数に定量的に関係する１つの波長で光減衰に変化が起こり、二重のコロイド粒子の数に定量的に関係する第２の波長でも変化が起こる。この開示では、（分割した共振波長における減衰の増大が出現することにより）粒子二量体の形成を測定し、かつ同時に（元の共振波長での減衰が減少することにより）単一粒子の消失を測定するための光減衰の使用方法を説明している。

ＢａｗｅｎｄｉらはＥＰ０９９０９０３（特許文献4）において、半導体ナノ結晶の生物学的用途を開示している。また、ある化合物に結合させた蛍光半導体ナノ結晶を包む組成物が開示されており、このナノ結晶は、そのサイズを制御することにより所望の波長に変えることができる特徴的なスペクトル発光を示し、その発光により生物学的状態もしくは事象に関する情報が得られる。

Ｂａｒｂｅｒａ−Ｇｕｉｌｌｅｍらは米国特許第６，２６１，７７９号（特許文献5）において、ポリヌクレオチド鎖を有するナノ結晶と、シグナル増幅システムにおいてデンドリマーを形成するためのその使用方法とを開示している。この開示では、周知の配列の複数のポリヌクレオチド鎖がナノ結晶から伸びている官能基化ナノ結晶を包む組成物、およびアッセイキットが提供されている。また、ある分子と操作可能に結合するために用いられる一次ドットが説明されており、二次ドットは、一次ドットの複数のポリヌクレオチド鎖と相補的な複数のポリヌクレオチド鎖を含む。また、この開示では、試料中の標的分子の有無を検出する方法が提供されており、この方法は、一次ドットを操作可能に分子に結合させ、形成された複合体を試料に接触させ、該試料に二次ドットおよび一次ドットを連続添加して接触させることを包む。試料中に標的分子が存在すれば、一次ドットおよび二次ドットはデンドリマーを形成し、これを蛍光放出によって検出することができる。

Ｐｅｎｇらは米国特許第６，８７２，２４９号（特許文献6）において、コロイドナノ結晶の合成を開示している。また、金属酸化物または金属塩を前駆物質として用いるコロイドナノ結晶の合成方法が開示されている。この金属酸化物または金属塩は、リガンドと結合され、続いて配位性溶媒と組み合わせた状態で加熱される。

Ｐｅｎｇらは米国特許第６，８６９，５４５号（特許文献7）において、高い光ルミネセンス量子収率を有するコロイドナノ結晶と、その調製方法とを開示している。この開示では、高い光ルミネセンス量子収率を有するコロイドナノ結晶を含む組成物、高発光コロイドナノ結晶を調製するための合成方法、およびコロイドナノ結晶の光ルミネセンス特性を制御する方法が提供されている。

Ｂａｗｅｎｄｉらは米国特許第６，３０６，６１０号（特許文献8）において、量子ドット白色および着色発光ダイオードを開示している。この開示では、ホストマトリクスに埋め込まれた量子ドット群と選択された色の二次光をドットに放出させる一次光源とを有する電子装置、およびそのような装置の製造方法が説明されている。この構造物から特定の色の光を放出できるように、量子ドットのサイズ分布が選択されている。ドットはＣｄＳｅなどの非ドープの半導体から構成することができ、任意に保護被覆を施して光ルミネセンスを増大させてもよい。この装置のためのホストマトリクスには、マトリクス内に孤立したドットが含まれており、定義済みのナノ結晶の凝集体は含まれない。

Ｍｉｒｋｉｎらに対する米国公開第２００４０１１０２２０号（特許文献9）は、オリゴヌクレオチドを結合させたナノ粒子と、そのような被覆されたナノ粒子の使用方法とを開示している。この開示では、オリゴヌクレオチドを結合させた１種類以上のナノ粒子が核酸と接触することを含む検出方法が提供されている。また、この開示では、オリゴヌクレオチドがナノ粒子に結合され、かつ、核酸の配列の一部と相補的な配列を有するようにする方法が説明されている。ナノ粒子上のオリゴヌクレオチドと核酸とのハイブリダイゼーションの結果として、検出可能な変化が起こる。この開示では、ナノ粒子とオリゴヌクレオチドとの複合体の形成方法と、この複合体の使用方法とを説明している。この開示では、ナノ粒子を含むナノ材料およびナノ構造物が説明され、さらに、ナノ粒子を利用するナノ加工の方法が説明されている。この開示では、選択した核酸を他の核酸から分離する方法が説明されている。

ＷＯ９８／０４７４０ 米国特許第６，３６１，９４４号 ＷＯ９８／３３０７０ ＥＰ０９９０９０３ 米国特許第６，２６１，７７９号 米国特許第６，８７２，２４９号 米国特許第６，８６９，５４５号 米国特許第６，３０６，６１０号 米国公開第２００４０１１０２２０号

概要
安価な被覆材料を用い、制御された方法で粒子のコロイド凝集体またはクラスターを形成する必要がある。このようなクラスターは、量子収率の高い蛍光を含む、シグナルを増大させるための種々の非放射性検出システムにおいて使用できると考えられる。このようなクラスターを使用すれば、検出すべき標的分子の化学的性質に関するだけでなく、調節された(ｔａｉｌｏｒｅｄ)シグナル増幅が提供されるかもしれない。このような非放射性プローブを使用して種々の標的分子と結合させることができれば望ましいことであると考えられ、このようなプローブは単一の励起光源で励起され、その結果、ピークの離れた蛍光を放出できることが望ましいと考えられる。

本発明の実施形態はナノ結晶凝集体を含む。これらの組成物は、２つ以上の凝集したナノ結晶を含むことができ、このナノ結晶は被覆層を含み、該被覆層は１つ以上のイミダゾール基を含むことができる。被覆されたナノ結晶は、被覆層を介して相互作用し、もしくは結び付いて凝集体を形成する。

凝集ナノ結晶の組成物は、さらに架橋剤を含んでいてもよい。凝集ナノ結晶は、１つ以上の有機ホスフィン化合物により架橋することができる。該架橋剤には、トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィン、β−［トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィノ］プロピオン酸、これらの組み合わせ、または他の適切な有機ホスフィン化合物が含まれうる。

該ナノ結晶上の被覆層は、１つ以上のイミダゾール基により該ナノ結晶と結合もしくは操作可能に連結させることができる。このナノ結晶上の該被覆層には、ヒスチジン、カルノシン、ポリヒスチジン、ポリイミダゾール、グリシルヒスチジン、または他の類似のイミダゾール含有化合物が含まれうる。一部の実施形態では、被覆層の１つ以上のイミダゾール基が、イミダゾール被覆化合物をナノ結晶と結合させる、もしくは操作可能に連結させる。

凝集ナノ結晶は、発光性、蛍光性、または磁性を有することができ、これらのいずれかの特性を含む２つ以上の異なるナノ結晶を凝集させることにより、これらの特性の１つ以上を含むこともできる。一部の実施形態では、該凝集体には、半導体コアナノ結晶または半導体コア／シェルナノ結晶であるナノ結晶が含まれうる。

該凝集体はさらに、その表面上に少なくとも１つの官能基を含んでもよい。この凝集体はさらに、ヒドロキシル、チオール、アミノ、アセチレン、カルボキシル、エステル、アミド、ジカルボキシル、カルボキサミド、セレノール、ヒドラジド、アルデヒド、またはこれらの組み合わせなどの官能基を被覆ナノ結晶凝集体の表面上に含んでもよいが、これらに限定されない。この凝集体は、種々の有機溶媒、有機溶媒と水の混合物、または水性ベースの溶液に分散させることができる。

本発明の実施形態には、反応基で官能基化した凝集体が含まれうる。官能基化した凝集体の組成物は、ナノ結晶凝集体と少なくとも１つの親和性分子とを含むことができる。このナノ結晶凝集体は、２つ以上の被覆ナノ結晶を含み、該ナノ結晶は、１つ以上のイミダゾール基を含む被覆層を含み、この被覆層を介してナノ結晶が相互作用する。一部の実施形態では、凝集体はその表面上に少なくとも１つの官能基を含むことができ、少なくとも１つの親和性分子がこの官能基と連結される。

本発明の実施形態では、親和性分子は、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、ペプチド、アプタマー、核酸、ポリヌクレオチド、レクチン、脂質、有機小分子、ポリサッカライド、アビジン、ニュートラアビジン(ｎｅｕｔｒａｖｉｄｉｎ)、ストレプトアビジン、アビジン誘導体、ビオチン、ビオチン誘導体、またはこれらの親和性分子の組み合わせとすることができるが、これらに限定されない。この親和性分子は、共有結合的に官能基と連結することができる。この官能基としては、ヒドロキシル、チオール、アミノ、カルボキシル、エステル、アミド、ジカルボキシル、カルボキサミド、セレノール、ヒドラジド、アルデヒド、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の一部の実施形態では、定義済みの数の被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせを凝集体に含んでよい。該凝集体組成物は、約２から約２０までの被覆蛍光半導体ナノ結晶の凝集体を含んでもよい。該凝集体における被覆ナノ結晶および／または被覆ナノ粒子は、１つ以上のイミダゾール基を含む被覆層を含み、この被覆ナノ結晶はその被覆を介して相互作用して凝集体を形成する。一部の実施形態では、被覆層の１つ以上のイミダゾール基が、イミダゾール被覆化合物をナノ結晶またはナノ粒子と結合させ、もしくは操作可能に連結させる。凝集体またはクラスターにおける被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、もしくはこれらを組み合わせたものの数は、定義済みのサイズのクラスターを別々に形成することができ、被覆粒子の大きさが２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０ナノメータである被覆ナノ結晶が２〜２０個あることが好ましい。このクラスターまたは凝集体はコロイド粒子であり、かつ、この凝集体におけるナノ結晶および／またはナノ粒子は有機ホスフィン化合物により架橋されうる。

本発明の１つの実施形態は、被覆ナノ結晶から構成される凝集体の調製方法である。こうした凝集体の調製方法は、２つ以上のナノ結晶を準備する行為またはステップを含むことができる。該ナノ結晶は、被覆層を含み、該被覆層は少なくとも１つのイミダゾール基を含み、被覆ナノ結晶の凝集体を調製するために、ナノ結晶に接触または結合させる。ナノ結晶はその被覆層を介して相互作用し、凝集体を形成する。該方法はさらに、溶媒混合物中に２つ以上のナノ結晶を入れ、それらを接触もしくは結合させて凝集体または所定のサイズの凝集体を形成する行為も含んでもよい。該溶媒混合物は、水性溶媒混合物であってもよい。類似した行為またはステップを使用して、被覆層が少なくとも１つのイミダゾール基を有する被覆ナノ粒子、または被覆ナノ粒子と被覆ナノ結晶の組み合わせを含むクラスターまたは凝集体を調製できる。

本発明の１つの実施形態は、ナノ結晶凝集体の使用方法である。該方法には、こうしたナノ結晶凝集体による試料中の標的分子の検出が含まれうる。該方法には、標的分子を含むとみられる試料を提供する行為と、被覆ナノ結晶の１つ以上の凝集体を該試料に提供する行為とが含まれうる。該ナノ結晶は、１つ以上のイミダゾール基を有する材料で被覆されることが好ましく、さらに該被覆物は、標的分子に対して結合特異性を有する親和性リガンドもしくは他の反応性官能基を含むことが好ましい。該試料と該凝集体を接触させると、処理済みの試料が形成される。処理済みの試料はエネルギー（電磁放射、電場および／または磁場、高エネルギー粒子）で励起され、形成され励起された複合体を使用して、処理済みの試料中の凝集体と複合体を形成した標的分子の存在を検出することができる。類似した行為またはステップを行うことにより、被覆層が少なくとも１つのイミダゾール基を有する被覆ナノ粒子、または被覆ナノ粒子と被覆ナノ結晶の組み合わせを含むクラスターまたは凝集体を使用して標的分子を検出することができる。

該検出ステップまたは行為には、励起された凝集体またはクラスター複合体により放出される光を検出することが含まれうる。該検出ステップには、シンチレーション近接アッセイ(Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ａｓｓａｙ)において、放射性標識した標的分子とナノ結晶凝集体が複合体を形成することにより放出される光を検出することが含まれうる。該検出ステップまたは行為にはさらに、試料中の標的分子を定量することも含まれうる。一部の実施形態では、ナノ結晶の励起に使用されるエネルギーは約５００ｎｍ未満の波長を有しうる。

本発明の実施形態は、蛍光強度が高く、かつ、例えば水または水を含有する溶液中で分散もしくは可溶化されうる蛍光性ナノ結晶を含む。本発明は、官能基化した蛍光性ナノ結晶組成物を用いたコロイド粒子の合成を提供する。本発明の実施形態は、生物学的検出用途、材料の分離、およびバイオセンサーの作製において、これらの組成物を作製し使用する方法を提供する。該組成物は、２つ以上のナノ結晶、好ましくは２つ以上の蛍光性ナノ結晶をクラスター化することにより形成されたコロイド粒子である。該組成物およびその形成方法は、コロイド蛍光性ナノ結晶組成物を提供し、該組成物は、水分散性であり、化学的に安定で、光源または他のエネルギー源で励起されるとき、量子収率および／または発光効率の高い光を放出する。被覆ナノ結晶のクラスターまたは凝集体を構成するコロイド材料は、標的分子および細胞と結合するための部分を備えた化学的官能基、化合物またはリガンドを有してもよい。

本発明の実施形態における、クラスター化または凝集した被覆ナノ結晶の、高発光性で化学的に官能基化した水分散性のコロイド粒子は、２つ以上のナノ結晶のクラスターを含むことができ、蛍光半導体ナノ結晶などのサイズ依存特性を有するナノ結晶が好ましく、有機被覆物で被覆した蛍光半導体ナノ結晶がさらに好ましい。蛍光半導体ナノ結晶上の被覆物は、被覆した個々のナノ結晶の凝集を制御可能にするものであり、該ナノ結晶無機化合物と有機材料との錯体化により形成されてもよい。このような有機被覆物の例には、カルノシンおよびヒスチジンのようなイミダゾール基含有化合物があるが、これらに限定されず、該ナノ結晶を被覆するポリマーにはイミダゾール（またはイミダゾール模倣化合物）およびホスフィンまたはアミン架橋化合物などがあるが、これらに限定されない。

本発明の実施形態において１つ以上のイミダゾール基を含有する被覆物を有するナノ結晶から構成される、高発光性で化学的に官能基化した水分散性のコロイド粒子は、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料（このうちＺｎＳおよびＣｄＳｅは非限定的な具体例である）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（このうちＧａＡｓは非限定的な具体例である）、ＩＶ族半導体ナノ結晶、コロイド金、銀、強磁性、フェリ磁性ナノ結晶、またはこれらの粒子の組み合わせなどの２つ以上の量子ドットを含有するが、これらの粒子に限定されない。

被覆ナノ結晶の高発光性で化学的に官能基化した水分散性コロイド粒子、被覆ナノ結晶の凝集体、または被覆ナノ結晶のクラスターにおいて、該クラスターには２つ以上のコア、コア／シェル、もしくはこれらの組み合わせが含まれうる。量子ドットは、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料（このうちＺｎＳおよびＣｄＳｅは具体例である）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（このうちＧａＡｓは具体例である）、ＩＶ族半導体材料、コロイド金、銀、強磁性、フェリ磁性ナノ粒子、またはこれらの組み合わせなどの無機材料から選ぶことが可能であるが、これらに限定されない。化学的付加および結合の形成により、該量子ドットの無機材料と有機材料が複合体を形成することが望ましい。

ナノ結晶を覆う、付加を形成する有機被覆物は、イミダゾール含有化合物（このうちヒスチジン、カルノシン、ポリヒスチジン、ポリイミダゾールは具体例である）、またはイミダゾール模倣化合物（このうちチアゾール、オキサゾール、ピロール、チオフェン、フラン、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、トリアゾール、チオフェン、フタロシアニン、ポルフィリン、およびこれらの誘導体は具体例である）により形成されることが好ましい。被覆物のイミダゾール基含有化合物またはイミダゾール様化合物は、イミダゾール基またはイミダゾール様基を介してナノ結晶と結合することが好ましい。また任意で、該有機被覆物にアルキルホスフィン含有化合物（このうちトリス（ヒドロキシメチル）ホスフィンおよびβ−［トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィノ］プロピオン酸は具体例である）を含めてもよい。被覆ナノ結晶の、高発光性で化学的に官能基化した水分散性コロイドクラスター粒子、凝集体、またはクラスターは、イミダゾール基含有化合物（またはイミダゾール様化合物）および架橋したアルキルホスフィン含有化合物を有することができる。

高発光性で化学的に官能基化した水分散性コロイドクラスター粒子は、個々のナノ結晶上に被覆物を有することが好ましく、もしくは、該クラスターが官能基化されていることが好ましいが、これは、官能基化したコロイド粒子が標的分子、親和性分子、センサー分子またはセンサー基質と連結することができ、さらに、第１のエネルギーによる励起に反応して、検出に使用される第２のエネルギーを提供することができるようにするためである。

被覆ナノ結晶のコロイド凝集体または被覆ナノ結晶のクラスターと連結する標的分子もしくは親和性分子には、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、ペプチド、アプタマー、核酸、レクチン、脂質、有機小分子、ポリサッカライド、アビジン、ニュートラアビジン、ストレプトアビジン、アビジン誘導体、ビオチン、ビオチン誘導体が含まれうるが、これらに限定されない。センサー表面ダイオード、ナノデバイス、光ファイバー、またはその表面が官能基化され、該クラスターの被覆物表面上の反応基と相互作用するものも、標的となりうる。

高発光性で化学的に官能基化した水分散性コロイド粒子、被覆ナノ結晶の凝集体、または被覆ナノ結晶のクラスターは、標的分子または表面の検出に使用することができ、この検出には、１つ以上の官能基化したコロイドクラスター粒子を分析すべき試料（例えば、分子、細胞、組織、または基質）と接触させる行為が含まれる。試料中の標的分子または標的基質の有無は、該分子または該基質に対し結合特異性を有するクラスター上の親和性リガンドによって判断される。試料中に標的分子または基質が存在すれば、該基質と結合した官能基化コロイド粒子よりなる複合体が形成される。検出システムにおいて接触させた試料を、試料と結合した官能基化コロイドクラスター粒子の複合体を励起させて高発光ピークを放出させるのに適切な波長の光またはエネルギー源にさらせば、標的の有無を示す。標的が存在する場合に、該複合体が放出する発光ピークは、これを検出するための検出システムによって作成することができ、発光ピークが検出されれば試料中に標的が存在することを示している。たとえば、高発光性で化学的に官能基化した水分散性コロイドクラスター粒子の１つの検出方法には、シンチレーション近接アッセイで使用されるルミネセンスカウンター(ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｃｏｕｎｔｅｒ)などの検出システムが含まれうる。

本発明の利点には、（標準の官能基化ナノ結晶の場合のように）イミダゾール／ＴＨＰと複数のナノ結晶の影響により輝度が増強されることが含まれる。包埋ビーズとは異なり、コロイド蛍光性ナノ結晶は、フィルターのない薄い透明層で被覆される。その結果、遮光作用（内向きおよび外向き）が最小限にとどめられ、輝度の高い光を放つ。クラスター化したナノ結晶のスペクトルを組み合わせることにより、異なる発光のナノ結晶をクラスター化して独特のシグナル（フィンガープリント）を有する１つのクラスター粒子にすることができる。本発明のクラスターは、標的タンパク質またはバイオ薬との共有または静電的共役に向けてカルボキシル基で誘導体化してもよい。本発明のクラスターは、２つ以上のナノ結晶を含むため、ポリマー包埋ビーズとは異なり、密度が高く、遠心分離による有利な選別および分離が容易に行なえる。視覚による方法（コロイド金のように）および／または蛍光による方法の二重の検出潜在能力を使用できる。

以下に記載する本発明の詳細な説明を添付図面と併せて読むとき、本発明の上記のおよび他の目的、特徴ならびに利点が明らかであり、添付図面の参照符号は、いくつか記載した説明図および実施形態の全体において同一または類似の部分を示している。

本特許のファイルには、カラーで作成された写真または図面が少なくとも１つ含まれている。カラーの図面または写真と併せた本特許の写しは、要求に応じて、必要な料金が支払われた時点で米国特許商標庁により提供される。

発明の詳細な説明
本組成物および方法を説明する前に、本発明は、説明する特定の分子、組成物、方法、またはプロトコルに限定されるものではなく、様々に異なってもよいことを理解すべきである。説明に使用した用語は、特定のバージョンまたは実施形態のみを説明する目的で使用されており、本発明の範囲を限定する意図はなく、本発明の範囲は添付の請求項のみによって限定されるものであることも理解すべきである。

本明細書および添付の請求項で使用されているように、単数形の「ある（ａ、ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」などは、文脈から明らかにそうではないと示されていない限り、複数にも言及していることに注意しなければならない。このため、たとえば、「細胞」は１つ以上の細胞のほか、当業者に周知の１つ以上の細胞の等価物についても言及している。別に定義されていない限り、本明細書に使用した技術用語および科学用語はすべて、当業者に広く理解されている意味と同一の意味を有するものである。本発明の実施形態の実施または試験には、本明細書で説明した方法および材料と類似または同等の方法および材料を使用することができるが、好適な方法、装置、および材料は、以下に説明する。本明細書で言及した公開公報は、すべて参照により援用されている。本明細書の記載はいずれも、従来の発明により本発明がそのような開示の日付を早める権利がないことを是認するものとして解釈されるべきではない。

「任意の」または「任意に」は、その後に説明する事象または状況が起こるかもしれないし、起こらないかもしれないことを意味し、その説明には事象が起こる事例または材料が存在する事例のほか、事象が起こらない事例または材料が存在しない事例を含めていることを意味する。

本出願の本明細書全体を通して、「一次」、「二次」、「第１」、「第２」のような種々の用語が使用されている。これらの用語は、異なる要素を区別するために便利な用語であり、異なる要素の利用の仕方について限定する意図はない。

本発明の実施形態は、ナノ結晶の凝集体を形成させることができる有機リンカーまたはポリマー被覆物を有するナノ結晶を対象としている。好適な実施形態では、有機被覆物はイミダゾール基含有化合物であるが、本発明は開示した特定の被覆物に限定されるものではなく、サイズを制御した、もしくはサイズ分布の狭い凝集体を形成できるナノ結晶上の被覆物であれば使用できる。

本発明の組成物は、２つ以上のナノ結晶、好ましくは２つ以上の蛍光ナノ結晶をクラスター化することにより形成されるコロイド粒子を含んでよい。本発明の他の実施形態におけるコロイド凝集体またはクラスターは、被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせから形成することができる。分散した被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせは、結び付いて２つ以上の被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせを含む、サイズのより大きい凝集体またはクラスターを形成することができる。

凝集した被覆ナノ結晶のクラスターの調製は、自己集合により形成されたリガンドから構成される有機シェルもしくはキャッピング層で被覆した蛍光性ナノ結晶または量子ドットを含み、該リガンドは、その官能基を介してナノ結晶と結合することが好ましい。次に、被覆ナノ結晶の制御された凝集が促される。凝集した被覆ナノ結晶のクラスター（ファンデルワールス型相互作用）は、例えば、個々に被覆されたナノ結晶の凝集を助ける溶媒混合物を使用することにより促進されてもよい。該クラスターの架橋およびキャッピングを使用して、該クラスターにおける個々のナノ結晶を互いに連結または結合させることができる。被覆ナノ結晶も、被覆化合物の官能基によってその凝集を制御または修正できると考えられる。類似の材料およびプロセスを使用して、被覆ナノ粒子のクラスターもしくは凝集体、または被覆ナノ粒子と被覆ナノ結晶との組み合わせを含む凝集体を調製してもよい。

本発明のナノ結晶の調製では、自己集合により形成されるイミダゾールリガンドまたはイミダゾール様リガンドで被覆したナノ結晶に関して説明する。このリガンドは、イミダゾール基またはイミダゾール様基を介してナノ結晶と結合することが好ましい。ナノ結晶の被覆および溶媒からの抽出は、出願日２００２年９月１７日、発明の名称「生物学的および物理学的用途のための高発光性官能基化半導体ナノ結晶」の米国特許公開第２００４-０００９３４１Ａ１号に開示されている方法を使用して実施することができる。例えば、５０％エタノール／５０％水の溶媒混合物（水に対するエタノールの比により、コロイド粒子の最終サイズを決定することができる）を使用して、被覆ナノ結晶の制御された凝集を促し、被覆ナノ結晶のクラスター（ファンデルワールス型相互作用）を形成させる。１粒子あたりのナノ結晶の数（すなわち形成された粒子のサイズ）は、エタノールの比を変えることにより操作することができる。加えるエタノールの濃度を高くすることにより、より大きい粒子を形成することができる。約８０ｎｍサイズ（１粒子あたりナノ結晶が５〜１０個）とするには、５０％のエタノール（最終濃度）を使用することができる。被覆ナノ結晶の制御された凝集を促してクラスターを形成するには、他の溶媒または他の混合溶媒を使用してもよい。最後に、クラスターの表面に伸びた架橋およびキャッピングを使用して、個々の被覆ナノ結晶を互いに連結または結合させることができる。イミダゾール基被覆ナノ結晶またはイミダゾール様化合物で被覆したナノ結晶は、被覆化合物上の官能基によっても、その凝集を制御または修正してよい。好都合なことに、本発明の被覆化合物は、互いに相補的な個々の認識基で該ナノ粒子をさらに官能基化する必要がなく、相補的ではないが二重特異性リンカーを介して架橋される認識基を有する必要がなく、さらに、１つ以上のナノ粒子の表面を認識して凝集に使用される二価のリンカーの必要もないため、クラスター形成のプロセスが単純化される。イミダゾール基被覆ナノ結晶またはイミダゾール様化合物で被覆したナノ結晶は、２００３年４月９日出願、発明の名称「生物学的および物理学的用途のための高発光性官能基化半導体ナノ結晶」の米国特許出願第１０／４１０,１０８号に開示されたトリス（ヒドロキシ）ホスフィンまたは他の架橋化合物（これらに限定されない）のような化合物により、互いに連結してクラスターを形成できる被覆ナノ結晶である。上記開示の内容は、参照によりその全体が本出願に援用される。

図１は、本発明の組成物の実施形態とその調製方法を示す。ナノ結晶および／またはナノ粒子１０４、１０８、および１１２は、同一であっても異なっていてもよく、各ナノ結晶または各ナノ粒子と操作可能に連結した１つ以上の被覆分子１１６および／または１１８を有するリガンド被覆物を含む。分子１１６および／または１１８は、任意に、標的分子、親和性分子、または架橋剤と連結するための反応性官能基を有していてもよい。被覆ナノ結晶は、被覆ナノ結晶またはナノ粒子を懸濁させる溶媒の濃度を調整することにより凝集すること（１２０）ができる。懸濁した粒子は凝集し、その被覆物を介して相互作用または結合して、被覆ナノ結晶および／または被覆ナノ粒子のコロイドクラスター１２４を形成する。該コロイドクラスターまたは凝集体１２４は、任意に架橋して（１２６）、架橋したコロイドクラスターまたは凝集体１３６を形成してもよい。例えば、１つ以上の架橋分子１２８および／または１３２を使用して、凝集体１２４における被覆ナノ結晶を操作可能に互いに連結させることができる。架橋分子１２８および／または１３２は同一の分子であっても異なる分子であってもよく、凝集体１３６を１つ以上の架橋基、親和基、標的分子、または基質と結合させる反応性官能基を有していてもよい。

本発明の１つの実施形態は、１つ以上のコロイド粒子を含む組成物である。該コロイド粒子は、２つ以上の蛍光半導体ナノ結晶を含んでもよい。各蛍光半導体ナノ結晶は、該蛍光半導体ナノ結晶とイミダゾール基含有分子との間で、また任意の有機ホスフィン化合物との間で、錯体化を生じることにより形成しうる有機シェルで被覆される。該被覆では、イミダゾール基含有分子の１つ以上のイミダゾール基が該蛍光半導体ナノ結晶と結合される。該被覆蛍光半導体ナノ結晶は、凝集してコロイドクラスターを形成し、コロイドクラスターは任意に、有機ホスフィン含有化合物により該コロイド中で互いに結合することができる。該コロイドのサイズは、イミダゾール基含有化合物で被覆した２つ以上の蛍光半導体ナノ結晶の凝集を制御することにより修正することができる。一部の実施形態では、該コロイドは、２つ以上の量子ドットまたは半導体ナノ結晶から構成される被覆ナノ結晶のクラスターまたは凝集体である。一部の実施形態では、被覆ナノ結晶のコロイド粒子または凝集体は、２つ以上のコアもしくはコア／シェル量子ドット、またはコア／シェル半導体ナノ結晶から構成される。被覆ナノ結晶から構成されるコロイド粒子または凝集体は、発光性であることができる。組成物の一部の実施形態では、コロイドクラスターまたはナノ結晶の凝集体は、３、４、５、６、７、８、９個を超える、もしくは１０個を超える量子ドットまたは半導体ナノ結晶を含む。

該クラスターは、２つ以上の被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、または互いに連結したこれらの組み合わせを含んでもよい。また、二量体、三量体、およびｎ量体が形成されてもよい。ここで、ｎは２以上の整数であり、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０であることが好ましく、約２、３、４、５、６、７、８、９、または１０であることが最も好ましい。クラスターのサイズに分布が生じる場合は、例えばサイズ選択的な沈殿、またはふるい分け濾過により、クラスターのサイズをさらに選別することができる。

ナノ結晶という用語は、最大寸法が約１ｎｍから約１０００ｎｍの間、より典型的には約２ｎｍから約２０ｎｍの間にある無機微結晶を表しており、ドープした金属酸化物、半導体、およびドープした半導体ナノ結晶などが含まれるが、これらに限定されない。半導体ナノ結晶または量子ドットは、励起により電磁放射線を放出することができ（すなわち、半導体ナノ結晶は発光性である）、１つ以上の第１の半導体材料によるコアを含んでおり、第２の半導体材料によるシェルによって周囲を取り囲まれていてもよい。被覆ナノ結晶は、蛍光性のナノ結晶であることが好ましい。半導体シェルで囲まれた半導体ナノ結晶のコアは、「コア／シェル」半導体ナノ結晶とよばれる。周囲の「シェル」材料は、典型的に、コア材料のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、コア基質の原子空間に近接する原子空間を有するように選択できる。コアおよび／またはシェルは、ＩＩ−ＶＩ族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅなど）、ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなど）、ＩＶ族（Ｇｅ、Ｓｉなど）、およびこれらの合金または混合物などの半導体材料でよいが、これらに限定されない。

ナノ粒子とは、１０００ｎｍ未満の大きさの粒子を表し、半結晶質アモルファスである領域、これらの領域の組み合わせ、または結晶質領域をさらに含むこれらの領域の組み合わせを含んでもよい。凝集体またはクラスターにおける被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせの間の結びつきは、種々の化学的相互作用、物理的相互作用、またはこれらの結合相互作用の組み合わせを介して生じることができる。このような相互作用には、共有結合、イオン結合、水素結合、ファンデルワールス、化学吸着、物理吸着などがあるが、これらに限定されない。

本発明の実施形態におけるコロイド凝集体またはコロイドクラスターは、被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせから構成することができる。被覆ナノ結晶および／またはナノ粒子は、半導体、金属性材料、磁性材料、またはセラミック材料であってもよい。凝集した被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせのクラスターは、蛍光性、発光性、強磁性、反強磁性、フェリ磁性、反フェリ磁性、または超常磁性を有するクラスターを含んでもよい。

凝集体またはクラスター組成物の実施形態では、ナノ結晶またはナノ粒子上の被覆物は、イミダゾール基含有分子またはイミダゾール基含有化合物を含む。該組成物の一部の実施形態では、凝集させるため、または綿状に固まらせるために使用するナノ結晶またはナノ粒子上の被覆材料は、イミダゾール基含有化合物（このうちヒスチジン、カルノシン、ポリヒスチジン、ポリイミダゾールは具体例である）、またはイミダゾール様化合物（このうちチアゾール、オキサゾール、ピロール、チオフェン、フラン、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、トリアゾール、チオフェン、フタロシアニン、ポルフィリン、およびこれらの誘導体は具体例である）から構成される。本発明の実施形態における被覆物は、２つ以上のイミダゾール基を有するイミダゾールおよびイミダゾール様化合物を含んでもよい。たとえば、１，１’−カルボニルジイミダゾール（またはＷａｎｇイミダゾリドカルバメート樹脂）と称されるジイミダゾールを使用して凝集を促すことができる。別の例として、４−イミダゾールアクリル酸（またはウロカニン酸）と称されるイミダゾール化合物が挙げられるが、これは加熱または他の重合開始剤によって重合してナノ結晶の凝集を促すことができる。

該組成物の一部の実施形態では、凝集した被覆ナノ結晶、凝集した被覆ナノ粒子、または凝集した被覆ナノ結晶と凝集した被覆ナノ粒子とは、有機ホスフィン含有化合物により、コロイド中で互いに結合または架橋される。一部の実施形態では、イミダゾール基含有化合物（またはイミダゾール様化合物）とアルキルホスフィン含有化合物が架橋により結合する。一部の実施形態では、凝集した被覆量子ドットは、トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィン、またはβ−［トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィノ］プロピオン酸などのアルキルホスフィン含有化合物と架橋することができる。種々の三価および／または二価のリンカーをナノ結晶またはナノ粒子の被覆に使用してもよい。例えば、ＴＳＡＴ（トリス−スクシンイミジルアミノトリアセテート）およびＴＨＰ（トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィン）のような三価の架橋剤を使用することにより、ナノメートルサイズの粒子の制御された凝集が実現できるかもしれない。

凝集した被覆ナノ結晶、凝集した被覆ナノ粒子、または凝集した被覆ナノ結晶と凝集した被覆ナノ粒子との実施形態は、第１のエネルギーによる励起に反応して検出に使用される第２のエネルギーを提供することができる。これらのコロイド凝集体は、任意に架橋することができ、さらに、該コロイド凝集体の表面上に、標的分子、親和性分子、センサー表面、ウェルプレート、ダイオードの表面、ＭＥＭＳセンサー、光ファイバー、または他の類似の分子および基質と連結することができる官能基を有していてもよい。標的分子または親和性分子には、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、ペプチドおよびポリペプチド、アプタマー、核酸またはポリヌクレオチド、レクチン、脂質、有機小分子、ポリサッカライド、アビジン、ニュートラアビジン、ストレプトアビジン、アビジン誘導体、ビオチン、ビオチン誘導体、または他の親和性基および標的基が別々に含まれうるが、これらに限定されない。

被覆ナノ結晶および／または被覆ナノ粒子の、化学的に官能基化した水分散性コロイドクラスターを検出システムにおいて使用する方法には、コロイドクラスター上の親和性リガンドが結合特異性を有する基質または標的分子の有無を検出するため、分析すべき試料と官能基化したコロイドクラスター粒子とを接触させることを含んでもよい。基質または標的分子が試料中に存在すれば、該基質と結合した官能基化コロイドクラスター粒子を含む複合体が形成される。複合体が形成された場合、該方法は、検出システムにおいて複合体の官能基化コロイド粒子に第２のエネルギーを放出させる波長の光またはエネルギー源に該複合体をさらすことを含んでもよい。一部の実施形態では、第２のエネルギーは、被覆蛍光コア／シェル半導体ナノ結晶を含むコロイドクラスターにより放出される高発光性ピークであってもよい。該方法はさらに、標的または基質の存在を示す第２のエネルギーを検出することを含んでもよい。例えば、標的と結合した被覆蛍光コア／シェル半導体ナノ結晶よりなるコロイドクラスターの複合体により放出される発光ピークを使用して、標的分子の存在を示すことができる。一部の実施形態では、凝集体またはクラスターは単一の励起光源で励起され、その結果、ピークの離れた蛍光が放出され、これが検出されるかもしれない。

本発明の種々の実施形態において、任意に１つ以上の標的分子または基質と連結した１つ以上の被覆ナノ結晶、被覆ナノ粒子、またはこれらの組み合わせを有する凝集体またはクラスターを特徴付けるために適した励起源は、多色光の紫外線および可視光線ランプ、ほぼ単色光の光源、偏光、^３３Ｐ、^１２５Ｉ、および^３Ｈなど（これらに限定されない）のβ放射体を含むことができるが、これらに限定されない。光源には、低圧、中圧、および高圧のランプのほか、レーザーも含まれうる。一部の実施形態では、ナノ結晶またはナノ粒子の励起に使用するエネルギーは、約５００ｎｍ未満の波長を有することができる。ナノ結晶またはナノ粒子の電流および電子衝撃も励起に使用してよい。１つのエネルギー源は、交番磁場を作るための交番磁場発生器であってもよく、交番磁場は磁気回路により特定の場所（ウェルプレート、組織試料、または患者の体内の場所）に誘導してもよい。適切な検出器には、視覚的検出、フォトダイオード、光電子増倍管、熱検出器、および電荷結合素子（ＣＣＤ）が含まれうるが、これに限定されず、検出器には偏光フィルターの使用を含めてもよい。コロイド凝集体およびクラスターにおける励起された官能基化蛍光性ナノ結晶からの光の放出およびその強度は、励起源に対していずれの方向でも測定してよいが、励起源に対し平行、垂直、またはこの両方の方向で放出強度を測定することが好ましい。１つ以上の被覆された強磁性、反強磁性、フェリ磁性、反フェリ磁性、または超常磁性のナノ粒子またはナノ結晶を含むナノ結晶および／またはナノ粒子の凝集体の場所および濃度は、それぞれ磁気共鳴撮像などの既存の技術を用いて測定でき、もしくは超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）などの適切な磁力計を用いて別の診断技術を確立して実施することもできる。

検出ステップまたは行為は、励起された複合体により放出される光またはエネルギーの検出を含んでもよい。検出ステップまたは行為は、１つ以上の被覆蛍光性ナノ結晶、１つ以上の被覆ナノ結晶、１つ以上の被覆ナノ粒子、もしくはこれらの組み合わせを有する凝集体またはクラスターから放出される光などの磁束および／またはエネルギーの検出を含めてもよい。

１つの実施形態では、検出ステップまたは行為は、シンチレーション近接アッセイにおいて、１つ以上の被覆蛍光性ナノ結晶を有する凝集体またはクラスターを使用することを含んでもよい。例えば標的分子は、反応部位に放射性標識が付されたものであってもよい。該標的分子に対する親和基を有するナノ結晶の凝集体は、シンチラントとして作用し、放射性標識した標的分子が、１つ以上の被覆蛍光性ナノ結晶を有する該凝集体またはクラスターと結合または結び付くと、光を放出する。放射性標識した標的分子が、１つ以上の被覆蛍光ナノ結晶を有する該凝集体またはクラスターと複合体を形成すると、該蛍光ナノ結晶の特性を示す光が凝集体から放出される。例えば、リン酸化部位を有するビオチン化した標的ペプチドは、酵素を用いて［γ−^３３Ｐ］源で放射性標識し、１つ以上の被覆コア／シェル蛍光ナノ結晶を有する凝集体またはクラスターと連結するストレプトアビジン親和基と結合させてもよい。^３３Ｐで標識した該ペプチドは、１つ以上の被覆コア／シェル蛍光性ナノ結晶を有する凝集体またはクラスターを励起することができる。検出ステップまたは行為にはさらに、試料中の標的分子の定量を含めてもよい。

１つ以上の被覆蛍光ナノ結晶、１つ以上の被覆ナノ結晶、１つ以上の被覆ナノ粒子、もしくはこれらの組み合わせを有する凝集体またはクラスターを含む１つ以上の組成物を備えたキットが提供される。コロイドサイズのクラスターまたは凝集体を含む組成物を備えたキットは、標的分子の検出に使用してもよく（例えばハイブリダイゼーションにより）、または、種々の診断目的もしくはマイクロアレイ分析に使用することもできる。１つ以上の反応性官能基もしくは親和性分子を有するこのようなコロイドサイズの凝集体またはクラスターは、直接的または間接的に（例えばハイブリダイゼーションにより）、１つ以上の固相支持体もしくは１つ以上のアレイに結合してもよい。これらの結合したコロイドサイズの凝集体または結合したコロイドクラスターがキットに含まれてもよい。これらのコロイド凝集体またはクラスターを含有するキットには、官能基化できる、もしくはコロイド凝集体または標的基質を染み込ませることができる、１つ以上のブランクの固相支持体または１つ以上のアレイを含めてもよい。

上記キットは、本発明の方法の実施形態とともに使用することができる。該キットは、標的分子または他の基質の検出に使用することができる。該キットには、１つ以上の被覆蛍光ナノ結晶を有する１種類または数種類（例えば、２種類、３種類、４種類、またはこれ以上）のコロイド凝集体もしくはコロイドクラスターを含めてもよい。各種類の凝集体またはクラスターには、異なる被覆蛍光ナノ結晶および／または官能基および／または親和性分子を含めてもよい。これらは（１つ以上の別々の容器に入れて）保存してもよい。本発明のキットは、同一の容器または異なる容器に入れた状態で、１つ以上のＤＮＡポリメラーゼ（熱安定性ポリメラーゼが好ましい）、１つ以上のプライマー、１つ以上のテンプレート、適切な緩衝液、酵素（例えばキナーゼ、ただしこれに限定されない）、またはこれらもしくは他の試薬の組み合わせの中から選択した少なくとも１つの構成物を備えてもよい。

以下に記載する実施例は、本発明の種々の実施形態を説明する役目を果たすが、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。以下の実施例では特定の試薬および条件の概要を説明しているが、本発明の趣旨および範囲に包含されるようになされる修正は行うことができることを、当業者であれば十分に理解するものと考える。

＜実施例１＞
この実施例では、コロイド状ナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）の調製を説明する。

ＣｄＳｅ／ＺｎＳコア／シェルナノ結晶２ｍｇを有機溶媒（ピリジンなど）中に懸濁させ、５００ｍＭイミダゾール含有化合物（Ｇｌｙ−Ｈｉｓなど）１．６ｍｌで抽出した。クロロホルム（ピリジンの５倍量）を加えた後、この調製液を回転ミキサーで３０分間ゆっくり混合した。上部の水層を別のチューブに移し、蒸留水６ｍｌで希釈した。次に、この調製液を、１０ｋＤを介して蒸留水に対し７０分間透析した。透析後、１０％ｖ／ｗグリセロールを加える。この結果生じた溶液に、等量の無水エタノールを加えた。１粒子あたりのナノ結晶の数（すなわち、形成された粒子のサイズ）は、エタノールの比を変えることにより操作できると考えられる。加えるエタノールの濃度を高くすることにより、より大きい粒子を形成できると考えられる。約８０ｎｍサイズ（１粒子あたりナノ結晶が５〜１０個）とするため、５０％のエタノール（最終濃度）を使用した。１０分後、５ｍＭのトリス−（ヒドロキシメチルホスフィン）（ＴＨＰ）を調製液に加え、続いて回転ミキサーを使用してこの溶液を室温で１５時間混合した。同一の条件でＴＨＰ処理をさらに１回繰り返した。半透明の溶液が形成された。最後に、遠心分離フィルター（ＭＷＣＯ １０ｋＤ）を用いてコロイド粒子を洗浄し、望ましい緩衝液に再懸濁させた。

＜実施例２＞
この実施例では、アビジンと結合させた、凝集した被覆ナノ結晶のコロイドクラスターの調製を説明する。

当技術分野で公知の方法（ＥＤＣ（１−エチル−３−［３−ジメチル−アミノプロピル］カルボジイミド）による処理など）を用い、続いてスルホ−ＮＨＳ（スルホ−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド）で処理することにより、遊離カルボキシル反応基を有するプローブ分子を、コロイド粒子（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）の被覆物を含むアルキルホスフィン含有またはイミダゾール含有化合物の分子と操作可能に連結してもよい。

あるいは、当技術分野で公知の方法（ＥＤＣ（１−エチル−３−［３−ジメチル−アミノプロピル］カルボジイミド）による処理など）を用い、続いてスルホ−ＮＨＳ（スルホ−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド）で処理することにより、遊離アミン反応基を有するプローブ分子を、コロイド粒子（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）の被覆物を含むアルキルホスフィン含有またはイミダゾール基含有化合物の分子と操作可能に連結してもよい。

上記の反応を使用して、先に調製した（実施例１）コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）にアビジンを操作可能に連結して複合体を形成した。また、これと同様の手順を用いて、実施例１からの凝集した被覆ナノ結晶のクラスターにおける官能基化蛍光ナノ結晶を、ＣｏｎＡ、レクチン、ＩｇＧ、および核酸と操作可能に結合させた。１粒子あたり４〜８個のナノ結晶から構成されるコロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）（本明細書の実施例１に記載した方法により形成した）をアビジンと操作可能に結合させた。アビジンのアミノ基を、コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）のカルボキシル基と操作可能に結合させた。

結合緩衝液（５０ｍＭ ＭＥＳ、２５０ｍＭ ＮａＣｌ）２ｍｌに懸濁させたコロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）１ｍｇを２ｍＭのＥＤＣおよび５ｍＭのスルホＮＨＳで処理した。その結果生じた溶液を室温で１５分間混合し、続いて、分子量カットオフ値（ＭＷＣＯ）１０，０００ダルトンの透析膜を使用して、結合緩衝液に対し９０分間透析した。その結果生じた溶液に１００〜２００マイクログラムのアビジン（結合緩衝液５００ｕｌに溶解したもの）を加え、溶液全体を室温で３０分間混合した。２５ｍＭグリシンを加えてさらに３０分間混合することにより、反応を終了させた。続いて、１０ＫＤのＭＷＣＯを有する限外濾過遠心分離膜を用いて過剰のアビジンおよび試薬を除去して、この溶液を精製した。

＜実施例３＞
この実施例では、コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）のアビジンとの共有結合を説明する。

実施例１で調製したコロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）上のカルボキシル基の活性化。コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）１ｍｌ（１００ｕｇ／ｍｌのコロイドナノ結晶１ｍｌ）を１．５ｍｌチューブに入れ、０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０を含有する結合緩衝液（ＭＥＳ（５０ｍＭ）、ＮａＣｌ（２００ｍＭ）、ｐＨ６．７）中で約５秒間ボルテックスにより撹拌し、懸濁を確実に均一にした。

上記コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）に、使用前に新たに水に溶解して調製した２０ｍＭのＥＤＣ（１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミド塩酸塩、Ｐｉｅｒｃｅ）１００μｌ、および水に溶解した５０ｍＭのスルホ−ＮＨＳ（新たに調製したスルホ−ＮＨＳ，（Ｐｉｅｒｃｅ））１００ｕｌを加え、ＥＤＣおよびスルホ−ＮＨＳの最終濃度をそれぞれ２ｍＭおよび５ｍＭとした。続いてこれを、室温で１０分間、手で穏やかに混合してインキュベートした（回転ミキサーも使用できると考えられる）。

結合反応：０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０を含有する結合緩衝液（ＭＥＳ（５０ｍＭ）、ＮａＣｌ（２００ｍＭ）、ｐＨ６．７）で７０分から約９０分間に亘って、１０ｋＤのＭＷＣＯによる透析（Ｓｌｉｄ−Ａ−Ｌｙｚｅｒ（ＭＷＣＯ １０，０００ダルトン；Ｐｉｅｒｃｅ）を行って過剰なＥＤＣおよびスルホ−ＮＨＳを除去した（コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）溶液の最終容量は１．２ｍｌである）。

次に、上記懸濁液を透析カセットから１５ｍｌチューブに移し、アビジン溶液（０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０を含有する結合緩衝液２００μｌ中にアビジン２０〜４０μｇ（Ｓｉｇｍａ））を加えることにより撹拌した。これを、室温で穏やかに混合しながら約１時間インキュベートした。活性を測定し、かつ、凝集した被覆ナノ結晶のクラスターに異なるリガンドを結合させるための好ましい条件を判断するために、各リガンドについてインキュベーション時間を決定した。

最終濃度１０ｍＭのグリシン（１．４ｍｌに対しては１Ｍのグリシン溶液を１４μｌ加える）で反応を終了させ、炭酸ナトリウム（１．４ｍｌに対しては１ＭのＮａ_２ＣＯ_３を約１０μｌ）で最終ｐＨを７．５に調整し、さらに３０分間混合を続けた。

上記混合物を４ｍｌのＭｉｌｌｉｐｏｒｅ遠心分離フィルター（ＭＷＣＯ １０ｋ）中に移し、０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０とともにＴＢＳを加えて４ｍｌとし、混合して２０００ｒｐｍ／５ｍｉｎで回転した。続いて慎重に上清を取り、別の採取チューブに入れた。綿毛状の沈殿物を０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０を含有するＴＢＳに再懸濁し、２０００ｒｐｍで約５分間回転した。慎重に上清を取り、最初の上清と合わせた。最後に、綿毛状の沈殿物を、適切な容量（約１ｍｌ）の０．０５％Ｔｗｅｅｎ−２０含有ＴＢＳで再懸濁し、使用するまで４℃で保存した。

合わせた上清の２８０ｎｍ吸光度を測定して結合した分画を算出することにより、タンパク質の濃度を決定することができる。

他の標的またはタンパク質については、結合のための適切な量を経験的に決定することができる。アビジンのＭＷは約６５ｋＤである。抗体（ＭＷ約１５０ｋＤ）については、同数の分子を入れ替える方法が使用できる。例えば、コロイドナノ結晶（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）１００μｇとマッチさせるには、２０〜４０μｇではなく、５０〜１００μｇの抗体で開始するのが適切であると考えられる。

＜実施例４＞
この実施例では、アビジン結合ナノ結晶コロイド（凝集した被覆ナノ結晶のアビジン結合クラスター）によるビオチン標的抗原の検出を示す。

１μｇから３０ｎｇまでの濃度範囲で、ニトロセルロース上にあるコロイドクラスタービオチン結合型（標的）および非結合型（陰性対照）抗体を、６ウェルプレート中のシート上に置いた。

上記シートを０．１％Ｔｗｅｅｎ含有ＴＢＳで洗浄した。該ＴＢＳを、１％Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｂｌｏｃｋ（ＭｏＢｉＴｅｃ）含有０．１％Ｔｗｅｅｎで、室温で１時間に亘ってブロックした。アビジン結合クラスターコロイドをブロッキング溶液で５μｇ／ｍｌに希釈した。陽性対照として、同一の方法でアビジン結合ＦＩＴＣ（Ｓｉｇｍａ）を希釈してもよい。

上記蛍光性結合体２ｍｌを各ウェルに加え、撹拌せずに室温で１時間インキュベートした。続いてこれを、洗浄緩衝液が直接ニトロセルロースにかからないようにしながら、０．１％Ｔｗｅｅｎ含有ＴＢＳで３回洗浄した。次に該膜に、上方からＵＶ光を照射した。該コロイドは、ＵＶ照射なしでオレンジ色に見えた。図２は、ＥＤＣ化学を用いてコロイドナノ結晶をアビジンと結合し、ドットブロットアッセイによる試験を行い、ニトロセルロース膜にブロットしたビオチン化抗体を検出した試験結果を示している。上段はビオチン化した抗体、下段は非ビオチン化抗体（対照）である。上段のドットに対する結合は、特異的なアビジン−ビオチン相互作用であり、下段のドットに対する結合は非結合コロイドクラスターの存在を示していた。同一の緩衝液および試薬濃度がラテラルフロー測定システムでも使用でき、もしくはウェスタンブロットにおいてビオチン化抗原を検出する場合も使用できる。

＜実施例５＞
この実施例では、コロイド（凝集した被覆ナノ結晶のクラスター）の形成に使用したコア−シェルナノ結晶の官能基化または被覆を説明する。

５００ｍＭのＧｌｙ−Ｈｉｓを１Ｍ Ｎａ_２ＣＯ_３で溶解した。コア−シェルナノ結晶を超音波処理し、続いて不活性雰囲気中でＧｌｙ−Ｈｉｓ溶液にコア−シェルナノ結晶２ｍｇを加えた。次に、ナノ結晶１ｍｇあたり約３ｍｌとなるようにクロロホルム６ｍｌを加え、回転プラットホーム上で、室温で３０分間抽出した。続いて、遠心分離機を５００ｒｐｍで２分間使用した。上層を５０ｍｌチューブに取った。次に、界面をエッペンドルフチューブに取り、遠心分離機を６０００ｒｐｍで１分間使用した。上層を採取し、先に採取した材料に加えた（総回収量は約１ｍｌ）。蒸留水５ｍｌを加え、１０ｋＤのＭＷＣＯによるＳｌｉｄｅ−Ｌｙｚｅｒで蒸留水２Ｌに対し室温で７０分間透析した。透析した材料を５０ｍｌチューブに移し、ボルテックスで撹拌しながら９５％ＥｔＯＨ／５％イソプロパノールを素早く加え、１０分間穏やかに混合した。Ｈ２Ｎ−ＰＥＧ−ＣＯＯＨ（Ｎｅｋｔａｒ、ｍｗ３，４００）４ｍｇを加え、穏やかに３分間混合した。続いてグリセロールを加えて最終濃度１０％とし、１Ｍクエン酸でｐＨを９．０＋／−０．５に調整した。該チューブをアルゴンで満たし、５分間超音波処理した。５ｍＭのＴＨＰ（新たに調製したもの）を加え、回転プラットホーム上で（遮光しながら）一晩インキュベートした。Ａｍｉｃｏｎフィルター（１０ｋＤのＭＷＣＯ）を用い、遠心分離機を５００ｒｐｍで２分間使用した。真のペレットがコロイドの凝集を妨げないようにすること。上清（蛍光性でないことを確実にチェックする）を除去した。蒸留水にペレットを再懸濁させ、遠心分離機を５００ｒｐｍで２分間使用すること。コロイドを望ましい緩衝液に再懸濁させた。

被覆ナノ結晶の凝集体または被覆ナノ結晶のクラスターであるコロイドナノ結晶の生成を概略的に示す。 被覆ナノ結晶の凝集体または被覆ナノ結晶のクラスターから構成されるコロイドナノ結晶がアビジンと結合したことを、ＥＤＣ化学を用いて示した試験結果と、ニトロセルロース膜上にブロットしたビオチン化抗体を検出するためのドットブロットアッセイにより試験を行った試験結果とを示す。上段はビオチン化抗体、下段は非ビオチン化抗体（対照）である。

Claims (31)

1. ナノ結晶の凝集体を含む組成物であって、
   前記ナノ結晶は、被覆層を含み、
   前記被覆層は、１つ以上のイミダゾール基を含み、および
   前記ナノ結晶は、前記被覆層を介して相互作用して前記凝集体を形成する組成物。
2. 前記凝集体が架橋されている、請求項１記載の組成物。
3. 前記凝集体の架橋に架橋剤が使用されている、請求項２記載の組成物。
4. 前記架橋剤が、トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィンである、請求項３記載の組成物。
5. 前記架橋剤が、β−［トリス（ヒドロキシメチル）ホスフィノ］プロピオン酸である、請求項３記載の組成物。
6. 前記被覆層が、１つ以上のイミダゾール基で前記ナノ結晶と結合している、請求項１記載の組成物。
7. 前記ナノ結晶の凝集体が、１つ以上の有機ホスフィン化合物で架橋されている、請求項１記載の組成物。
8. 前記ナノ結晶が発光性である、請求項１記載の組成物。
9. 前記ナノ結晶が蛍光性である、請求項１記載の組成物。
10. 前記凝集体が水性ベースの溶液に分散されている、請求項１記載の組成物。
11. 前記凝集体が、その表面に少なくとも１つの官能基をさらに含む、請求項１記載の組成物。
12. 前記凝集体が、被覆ナノ結晶凝集体の表面に、ヒドロキシル、チオール、アミノ、アセチレン、カルボキシル、エステル、アミド、ジカルボキシル、カルボキサミド、セレノール、ヒドラジド、アルデヒド、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される官能基をさらに含む、請求項１記載の組成物。
13. 前記ナノ結晶が半導体コアナノ結晶である、請求項１記載の組成物。
14. 前記ナノ結晶が半導体コア／シェルナノ結晶である、請求項１記載の組成物。
15. 前記被覆層が、ヒスチジン、カルノシン、ポリヒスチジン、ポリイミダゾール、またはグリシルヒスチジンを含む、請求項１記載の組成物。
16. ナノ結晶の凝集体と、少なくとも１つの親和性分子とを含む組成物であって、
    前記凝集体は、２つ以上の被覆ナノ結晶を含み、
    前記ナノ結晶は、１つ以上のイミダゾール基を含む被覆層を含み、
    前記ナノ結晶は、前記被覆層を介して相互作用して前記凝集体を形成し、
    前記凝集体は、その表面に少なくとも１つの官能基を含み、および
    前記少なくとも１つの親和性分子は、前記官能基と結合している組成物。
17. 前記親和性分子が、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、ペプチド、アプタマー、核酸、レクチン、脂質、有機小分子、ポリサッカライド、アビジン、ニュートラアビジン(ｎｅｕｔｒａｖｉｄｉｎ)、ストレプトアビジン、アビジン誘導体、ビオチン、ビオチン誘導体、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１６記載の組成物。
18. 前記親和性分子が前記官能基と共有結合している、請求項１６記載の組成物。
19. 前記官能基が、ヒドロキシル、チオール、アミノ、アセチレン、カルボキシル、エステル、アミド、ジカルボキシル、カルボキサミド、セレノール、ヒドラジド、アルデヒド、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１６記載の組成物。
20. ２から約２０までの蛍光半導体ナノ結晶の凝集体を含む組成物であって、
    前記蛍光ナノ結晶は、被覆層を含み、
    前記被覆層は、１つ以上のイミダゾール基を含み、および
    前記ナノ結晶は、その被覆層を介して相互作用して凝集体を形成し、該凝集体は、約２から約２０の蛍光半導体ナノ結晶から構成される組成物。
21. 前記ナノ結晶が、前記凝集体中の有機ホスフィン化合物で架橋されている、請求項２０記載の組成物。
22. ナノ結晶の凝集体を調製する方法であって、
    ２つ以上のナノ結晶を溶媒中で接触させ、前記ナノ結晶は、少なくとも１つのイミダゾール基を含む被覆層を含み、および
    前記ナノ結晶を接触させて被覆ナノ結晶の凝集体を調製することを含む方法。
23. 前記溶媒を変更することにより前記凝集体の大きさを制御することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
24. 前記ナノ結晶が、その被覆層を介して相互作用する、請求項２２記載の方法。
25. 前記接触ステップが、２つ以上のナノ結晶を溶媒混合物中に入れることをさらに含む、請求項２２記載の方法。
26. 前記接触ステップが、２つ以上のナノ結晶を水性溶媒混合物中に入れることをさらに含む、請求項２２記載の方法。
27. 試料中の標的分子を検出する方法であって、
    標的分子を含むと推測される試料を提供し、
    １つ以上の被覆ナノ結晶の凝集体を提供し、該被覆ナノ結晶の凝集体は、ナノ結晶、イミダゾールを含む被覆、および前記標的分子に対する結合特異性を有する親和性リガンドを含み、
    前記試料と前記凝集体とを接触させて処理済みの試料を形成し、処理済みの試料において前記凝集体は前記標的分子と複合体を形成し、
    励起された複合体を形成するエネルギーの波長で前記複合体を励起し、
    前記励起された複合体を検出することを含む方法。
28. 前記検出ステップが、前記励起された複合体により発せられた光を検出することを含む、請求項２７記載の方法。
29. 前記検出ステップが、シンチレーション近接アッセイ(Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ａｓｓａｙ)を使用することを含む、請求項２７記載の方法。
30. 前記検出ステップが、前記試料中の前記標的分子の量を定量することをさらに含む、請求項２７記載の方法。
31. 前記波長が約５００ｎｍ未満である、請求項２７記載の方法。

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