JP2012062236A - Synthesis of mesoporous silica nanotube by using surfactant in cylindrical alumina pore as template, and the nanotube - Google Patents

Synthesis of mesoporous silica nanotube by using surfactant in cylindrical alumina pore as template, and the nanotube Download PDF

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Tetsuji Ito
徹二 伊藤
Takamasa Hanaoka
隆昌 花岡
Takeshi Shimomura
威 下村
Toru Sumiya
透 角谷
Masatoshi Ono
雅敏 小野
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Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To synthesize a mesoporous silica nanotube and to provide a silica nanotube thereof.SOLUTION: A method for producing a mesoporous silica nanotube body which has a pore parallel to a base board and having a pore diameter of at least 13 nm, which enables to be composited by inserting a protein through the pore, and a channel perpendicular to the base board and having a channel diameter of at least 100 nm, which enables a substrate to smoothly pass through the channel, includes sucking a precursor solution containing a surfactant of a triblock copolymer as a template in an alumina film by a high vacuum to thereby introduce the precursor solution in a cylindrical alumina pore formed in the alumina film, and drying the resultant to thereby produce a silica nanotube body having one-dimensional channel perpendicular to the base board and having a channel diameter of at least 100 nm and a pore parallel to the base board and having a pore diameter of at least 13 nm. The silica nanotube is manufactured by the method.

Description

本発明は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、ナノサイズのシリカナノチューブ体に関するものであり、更に詳しくは、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる大きさの細孔を有する1次元のシリカナノチューブ体であって、基板のアルミナ膜に平行な約13〜14nmの細孔を有し、かつ物質移動が可能な、基板のアルミナ膜に垂直な約100nmのチャンネルを有するシリカナノチューブ体に関するものである。   The present invention relates to a nano-sized silica nanotube body formed in a cylindrical alumina pore of an alumina membrane, and more specifically, a size that can be combined by inserting a protein molecule having a large molecular size. A one-dimensional silica nanotube body having pores, having about 13 to 14 nm pores parallel to the alumina film of the substrate, and capable of mass transfer, about 100 nm channel perpendicular to the alumina film of the substrate It is related with the silica nanotube body which has this.

従来、シリカナノチューブ体においては、その細孔径は、3〜4nm程度の大きさにすることが限界であり、当該ナノチューブ体と蛋白質等の高分子との複合化は不可能であった。これに対して、本発明は、細孔径の大きさを少なくとも13nmまで拡大して、分子サイズの大きい蛋白質分子を複合化することが可能であり、また、様々な物質の移動が可能であり、基板に垂直な約100nmのチャンネルを有することで、今まで、拡散が制限されていた基質が、スムーズに移動できることを可能にした、新しいチャンネル構造を有するシリカナノチューブ体に関する新技術・新製品を提供するものである。   Conventionally, in silica nanotube bodies, the pore diameter is limited to about 3 to 4 nm, and it has been impossible to complex the nanotube bodies with polymers such as proteins. On the other hand, the present invention can enlarge the pore size to at least 13 nm to complex protein molecules having a large molecular size, and can move various substances. Providing new technology and new products related to silica nanotubes with a new channel structure that allows the substrate, which had previously been limited in diffusion, to move smoothly by having a channel of about 100 nm perpendicular to the substrate To do.

界面活性剤を鋳型としたメソポーラスシリカにおける最近の傾向の一つは、該メソポーラスシリカを、その分子寸法の均一の細孔直径を利用することにより、ナノ流体システムへ応用することである。その目的のために、陽極酸化アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカの合成について、熱心な研究が行われてきた。   One recent trend in surfactant-templated mesoporous silica is to apply the mesoporous silica to nanofluidic systems by taking advantage of the uniform pore diameter of its molecular dimensions. To that end, intense research has been conducted on the synthesis of mesoporous silica within the cylindrical alumina pores of an anodized alumina membrane.

ここでは、上記アルミナ膜の円筒状の細孔内にメソポーラスシリカを有するアルミナ膜を、メソポーラス膜と称する。アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカの成長は、時として、円筒状のアルミナ細孔に沿った方向に、界面活性剤を鋳型とした、シリカ−ナノチューブの1次元の一列の成長になり、このナノチューブにおけるチャンネルの方向は、膜表面に対して、垂直の方向に向いている。   Here, the alumina film having mesoporous silica in the cylindrical pores of the alumina film is referred to as a mesoporous film. Growth of mesoporous silica within the cylindrical alumina pores of the alumina membrane is sometimes performed in a direction along the cylindrical alumina pores in a one-dimensional row of silica-nanotubes using a surfactant as a template. Thus, the direction of the channel in the nanotube is in a direction perpendicular to the film surface.

従来、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカを形成する3つの方法が提案されている。第1は、前駆体溶液におけるメソポーラスシリカの成長であり、アルミナ膜を、前駆体溶液中に浸して、数時間保持する方法である(非特許文献1、2)。第2は、ディップコーティング法であり、前駆体溶液は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔の中に供給され、メソポーラスシリカを、溶媒の蒸発の間に成長させる方法である(非特許文献3−7)。   Conventionally, three methods for forming mesoporous silica in the cylindrical alumina pores of an alumina membrane have been proposed. The first is growth of mesoporous silica in a precursor solution, which is a method in which an alumina film is immersed in the precursor solution and held for several hours (Non-patent Documents 1 and 2). The second is a dip coating method, in which a precursor solution is supplied into cylindrical alumina pores of an alumina film, and mesoporous silica is grown during evaporation of the solvent (Non-patent Document 3). -7).

これらの方法には、メソポーラスシリカの成長の間の、温度、又は温度と同様に、はじめの前駆体溶液における界面活性剤に対するシリカの割合の制御を可能とし、鋳型として、界面活性剤を用いて、1次元のメソポーラス膜の合成することに成功した幾つかの研究がある。しかし、メソポーラスシリカは、時として、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内だけでなく、膜表面にも形成される。そのため、ナノ流体システムのためのメソポーラス膜にするためには、膜表面のメソポーラスシリカは、除去される必要がある。   These methods allow for control of the ratio of silica to surfactant in the initial precursor solution, as well as temperature, or temperature, during the growth of mesoporous silica, using the surfactant as a template. There are several studies that have succeeded in synthesizing one-dimensional mesoporous membranes. However, mesoporous silica is sometimes formed not only in the cylindrical alumina pores of the alumina membrane but also on the membrane surface. Therefore, in order to obtain a mesoporous film for a nanofluidic system, the mesoporous silica on the film surface needs to be removed.

これに対して、本発明者らは、他の方法を提案しており、この方法では、アルミナ膜は、通常の膜フィルター装置にセットされ、前駆体溶液は、ゆるやかな撹拌下に、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔に導入される。メソポーラスシリカは、前駆体溶液が、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔を通過する間に成長するので、膜表面でのメソポーラスシリカの形成は、ほとんど起こらない。   In contrast, the present inventors have proposed another method, in which the alumina membrane is set in a normal membrane filter device, and the precursor solution is subjected to an alumina membrane under gentle stirring. Are introduced into cylindrical alumina pores. Mesoporous silica grows while the precursor solution passes through the cylindrical alumina pores of the alumina membrane, so that almost no mesoporous silica is formed on the membrane surface.

このようにして、本発明者らが提案した方法は、ナノ流体システムに使用するための1次元メソポーラス膜を合成するのに適していると思われる。実際に、本発明者らは、鋳型の界面活性剤として、セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)を用いて、1次元メソポーラス膜を合成し、均一なチャンネル直径(3.4nm)に起因する分子のサイズによる分離能を利用した、ナノ流体システムとしての応用を提案した(非特許文献8)。   Thus, the method proposed by the inventors appears to be suitable for synthesizing one-dimensional mesoporous membranes for use in nanofluidic systems. In fact, the present inventors synthesized a one-dimensional mesoporous film using cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a template surfactant, and the size of the molecule due to the uniform channel diameter (3.4 nm). Proposed application as a nanofluidic system using the separability of non-patent material (Non-patent Document 8).

ここで、本発明の技術的特徴の理解に資するために、更に詳しく説明すると、これまでの先行技術として、従来、例えば、メソポーラス膜を作製するための界面活性剤や、アルコキシシラン化合物を含んだ前駆体溶液を用いて、該前駆体溶液と接する固体表面上で、自発的に形成される界面活性剤−シリカナノ複合体を利用したナノチューブ体を有するメソポーラス膜が作製されていた。このため、作製されたメソポーラス膜におけるナノチャンネルの配向は、基板表面に対して、必然的に、平行に配列した形になる。   Here, in order to contribute to the understanding of the technical features of the present invention, it will be described in more detail. Conventionally, as a prior art, conventionally, for example, a surfactant for producing a mesoporous film or an alkoxysilane compound was included. A mesoporous film having a nanotube body using a surfactant-silica nanocomposite that is spontaneously formed on a solid surface in contact with the precursor solution has been produced using the precursor solution. For this reason, the orientation of the nanochannels in the produced mesoporous film is inevitably arranged in parallel with the substrate surface.

この場合、このような配向からなるナノチューブ体に進入した物質の移動は、基板表面に対して、平行となり、例えば、溶液層−メソポーラス膜−固体基板の3層系において、溶液層からメソポーラス膜を透過して、基板表面に物質が移動するような膜透過を実現することができない。しかし、メソポーラス膜を、化学物質の分離、濃縮や、生化学分析、微量成分分析等のセンサや、高分子合成や触媒反応等に用いる場合には、ナノチューブ体を、基板表面に対して、垂直方向に配列させることにより、メソポーラス膜における物質透過を実現する必要がある。   In this case, the movement of the substance that has entered the nanotube body having such an orientation is parallel to the substrate surface. For example, in a three-layer system of solution layer-mesoporous film-solid substrate, the mesoporous film is moved from the solution layer. It is not possible to achieve membrane permeation that permeates and moves the substance to the substrate surface. However, when the mesoporous membrane is used for separation or concentration of chemical substances, sensors for biochemical analysis, trace component analysis, polymer synthesis, catalytic reaction, etc., the nanotube body is perpendicular to the substrate surface. It is necessary to realize material permeation in the mesoporous membrane by arranging in the direction.

そこで、ナノチューブ体が、基板表面に対して、ほぼ垂直方向となるような多孔体膜を作製することが種々試みられ、基板表面に対して、垂直に形成されているナノオーダーのマクロ細孔内に、界面活性剤を含む前駆体溶液を導入することにより、細孔壁を形成すると、この細孔壁とマクロ細孔内を透過する溶液との界面は、基板表面に対して垂直となることが分かった。すなわち、界面活性剤やアルコキシシラン化合物を含んだ前駆体溶液を、このマクロ細孔内に導入すれば、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、細孔壁に沿って形成されることが期待される。   Therefore, various attempts have been made to produce a porous film in which the nanotube body is substantially perpendicular to the substrate surface. Inside the nano-order macropores formed perpendicular to the substrate surface. In addition, when a pore wall is formed by introducing a precursor solution containing a surfactant, the interface between the pore wall and the solution that permeates through the macropores is perpendicular to the substrate surface. I understood. That is, if a precursor solution containing a surfactant or an alkoxysilane compound is introduced into the macropores, a nanotube body containing the surfactant micelles is formed along the pore walls. There is expected.

このナノチューブ体とマクロ細孔の配向は、同方向であり、結果的に、ナノチューブ体が、基板表面に対して、ほぼ垂直となることが期待される。また、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体を含むメソポーラス膜を、焼成することにより、この界面活性剤ミセルを除去したシリカナノ細孔が形成されることが期待される。   The orientation of the nanotube body and the macropore is the same direction, and as a result, the nanotube body is expected to be substantially perpendicular to the substrate surface. Further, it is expected that silica nanopores from which the surfactant micelles are removed are formed by firing a mesoporous film containing nanotube bodies enclosing the surfactant micelles.

マクロ細孔を有する薄膜の膜厚が薄く、かつマクロ細孔が表面から底面まで貫通するように形成されていれば、これらのナノチューブ体やシリカナノ細孔を含む多孔体膜を作製することができ、また、この多孔体膜は、物質が透過し得るメソポーラス膜として、取り扱うことができると想定される。   If the film thickness of the thin film having macropores is thin and the macropores are formed so as to penetrate from the surface to the bottom surface, it is possible to produce a porous membrane containing these nanotube bodies and silica nanopores. Moreover, it is assumed that this porous membrane can be handled as a mesoporous membrane through which a substance can permeate.

上述した想定に基づき、これまでに、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜であって、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されてなる多孔体膜が開発され、更に、シリカナノ細孔体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されてなる多孔体膜が開発されている。   Based on the above-mentioned assumption, a nanotube body comprising an oxide layer formed by oxidizing a substrate, and including a surfactant micelle, has been formed from the surface of the oxide layer to the bottom surface. A porous membrane formed so as to penetrate is developed, and further, a porous membrane is developed in which silica nanopores are formed so as to penetrate from the surface to the bottom of the oxide layer.

この多孔体膜では、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜において、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。また、この多孔体膜では、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜において、シリカナノ細孔体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。   In this porous membrane, a porous membrane consisting of an oxide layer formed by oxidizing the substrate is formed so that the nanotube body containing the surfactant micelle penetrates from the surface to the bottom of the oxide layer. Has been. In this porous film, the silica nanopores are formed so as to penetrate from the surface to the bottom surface of the oxide layer in the porous film formed of the oxide layer formed by oxidizing the substrate.

このように、従来、直径約10nm〜数μmのマクロ細孔が、表面から底面にかけて貫通するように形成されている酸化物層に、界面活性剤を接触させることで、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体を有する薄膜を作製することや、また、上記界面活性剤を接触させた酸化物層を更に焼成することにより、シリカナノ細孔体を有する薄膜を作製することが行われた。   Thus, surfactant micelles are included by bringing a surfactant into contact with an oxide layer that has been formed so that macropores having a diameter of about 10 nm to several μm penetrate from the surface to the bottom. A thin film having a silica nanopore was produced by producing a thin film having a nanotube body, and further firing the oxide layer in contact with the surfactant.

しかしながら、これまで合成したメソポーラス膜は、シリカナノ細孔体の細孔径は約3〜4nmの大きさが限界であり、それ以上の細孔径を有するシリカナノ細孔体は、合成されていなかった。例えば、上記界面活性剤ミセルを内包しているシリカナノ細孔体を有する薄膜を用いた物質の透過性についての実験系では、分子サイズが約4.0nmのミオグロビン分子、同6.4nmのアルブミン分子のような分子サイズの大きい蛋白質分子は、膜透過できないことが確認されている。   However, the mesoporous membranes synthesized so far have a limit of the pore diameter of silica nanopores of about 3 to 4 nm, and silica nanopores having pore sizes larger than that have not been synthesized. For example, in an experimental system for the permeability of a substance using a thin film having silica nanopores containing the surfactant micelles, myoglobin molecules having a molecular size of about 4.0 nm and albumin molecules having the same size of 6.4 nm are used. It has been confirmed that protein molecules having a large molecular size such as cannot pass through the membrane.

これらのことは、従来材のシリカナノ細孔体では、分子サイズの大きい蛋白質分子を膜透過させることが不可能であることを示すだけではなく、それと複合化することも不可能であることを示唆している。このようなことから、当技術分野においては、大きい分子サイズの蛋白質分子を複合化でき、基質が自由に行き来できる細孔を持ったナノチューブ体の合成方法、及びそのナノチューブ体、を開発することが強く要請されていた。   These facts indicate that the conventional silica nanopores not only make it impossible to permeate protein molecules with large molecular sizes but also cannot be combined with them. is doing. Therefore, in this technical field, it is possible to develop a method for synthesizing a nanotube body having pores that can complex protein molecules having a large molecular size and allow the substrate to freely pass back and forth, and the nanotube body. It was strongly requested.

J.Am.Chem.Soc.,2004,126,8650J. et al. Am. Chem. Soc. , 2004, 126, 8650 Chem.Mater.,2004,16,4851Chem. Mater. , 2004, 16, 4851 Langmuir,2006,22,1839Langmuir, 2006, 22, 1839 Angew.Chem.Int.Ed.,2003,42,4201Angew. Chem. Int. Ed. , 2003, 42, 4201 Nature Mater.,2004,3,816Nature Mater. , 2004, 3,816 Chem.Commun.,2005,166Chem. Commun. , 2005, 166 Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45,1134Angew. Chem. Int. Ed. , 2006, 45, 1134 Nature Mater.,2004,3,337Nature Mater. , 2004, 3,337

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、例えば、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる1次元の細孔径を有し、しかも、基質の拡散がスムーズな2種類の細孔を持ったシリカナノチューブ体を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤を使用すること、合成時の真空度を変えること、前駆体溶液の調製法を改良すること、及び前駆体溶液のアルミナ細孔への導入方法を改良することにより、所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, the present inventors have, for example, a one-dimensional pore size that can be complexed by inserting a protein molecule having a large molecular size in view of the above-described prior art, and further, diffusion of the substrate. As a result of intensive research aimed at developing silica nanotube bodies with two types of smooth pores, the use of a triblock copolymer surfactant as a template, the degree of vacuum during synthesis It is found that the intended purpose can be achieved by changing, improving the preparation method of the precursor solution, and improving the introduction method of the precursor solution into the alumina pores, and to complete the present invention. It came.

本発明は、細孔径の大きさを少なくとも13nmまで拡大して、例えば、大きな分子サイズを有する蛋白質分子を複合化することを可能であり、かつ、基質がスムーズに拡散できる、約100nmの基板に垂直な細孔を有する新しいナノチューブ体、及びその合成方法を提供することを目的とするものである。   The present invention expands the size of the pore diameter to at least 13 nm, for example, can be combined with a protein molecule having a large molecular size, and the substrate can be smoothly diffused to a substrate of about 100 nm. It is an object of the present invention to provide a novel nanotube body having vertical pores and a synthesis method thereof.

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)アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、1次元のシリカナノチューブ体であって、該シリカナノチューブ体が、蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔とを有する構造を有し、当該基板に垂直なチャンネルの径が少なくとも100nmであり、基板に平行な細孔の細孔径が少なくとも13nmであることを特徴とするシリカナノチューブ体。
(2)上記1次元のシリカナノチューブ体が、陽極酸化アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、前記(1)記載のシリカナノチューブ体。
(3)上記円筒状のアルミナ細孔の径が、少なくとも200nmで、その長さが、少なくとも45μmである、前記(1)又は(2)記載のシリカナノチューブ体。
(4)前記(1)から(3)のいずれかに記載のシリカナノチューブ体から得られたことを特徴とするシリカナノチューブ膜。
(5)前記(1)から(3)のいずれかに記載のシリカナノチューブ体において、鋳型となった界面活性剤ミセルが除去されていることを特徴とするシリカナノチューブ細孔体。
(6)蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、少なくとも13nmの細孔径の細孔を有する1次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔内に、トリブロック共重合体の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させることにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、1次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直な少なくとも100nmのチャンネルと、基板に平行な少なくとも13nmの細孔を有するシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするシリカナノチューブ体の製造方法。
(7)上記1次元のシリカナノチューブ体が、アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、前記(6)記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
(8)上記シリカナノチューブ体を、所定の条件下で焼成することにより、鋳型となった界面活性剤ミセルを除去する、前記(6)又は(7)記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
(9)トリブロック共重合体系の界面活性剤として、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーを用いて、基板に垂直な100nm径のチャンネルを有し、基板に平行な13〜14nm径の細孔とを有するシリカナノチューブ体を製造する、前記(6)から(8)のいずれかに記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A one-dimensional silica nanotube body formed in a cylindrical alumina pore of an alumina film, the silica nanotube body having a size capable of being complexed by inserting a protein, perpendicular to the substrate And a pore having a structure parallel to the substrate, the diameter of the channel perpendicular to the substrate is at least 100 nm, and the pore diameter of the pore parallel to the substrate is at least 13 nm. Silica nanotube body.
(2) The silica nanotube body according to (1), wherein the one-dimensional silica nanotube body is formed in cylindrical alumina pores formed in a direction perpendicular to the substrate of the anodized alumina film. .
(3) The silica nanotube body according to (1) or (2), wherein the cylindrical alumina pore has a diameter of at least 200 nm and a length of at least 45 μm.
(4) A silica nanotube film obtained from the silica nanotube body according to any one of (1) to (3).
(5) A silica nanotube porous body according to any one of (1) to (3), wherein the surfactant micelle used as a template is removed.
(6) A method for producing a one-dimensional silica nanotube body having pores with a pore diameter of at least 13 nm and having a size capable of being complexed by inserting a protein, wherein triblocks are formed in the pores of the alumina membrane. By sucking a precursor solution containing a copolymer surfactant as a template, the precursor solution is introduced into the cylindrical alumina pores formed in the alumina film, and dried, whereby the cylindrical shape is obtained. Silica, characterized in that a one-dimensional silica nanotube body having at least 100 nm channels perpendicular to the substrate and at least 13 nm pores parallel to the substrate is produced in the alumina pores of A method for producing a nanotube body.
(7) The production of the silica nanotube body according to (6), wherein the one-dimensional silica nanotube body is formed in cylindrical alumina pores formed in a direction perpendicular to the substrate of the alumina film. Method.
(8) The method for producing a silica nanotube body according to (6) or (7), wherein the surfactant micelle used as a template is removed by firing the silica nanotube body under predetermined conditions.
(9) Using a triblock polymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide as a surfactant of a triblock copolymer system, a channel having a diameter of 100 nm perpendicular to the substrate and a diameter of 13 to 14 nm parallel to the substrate The method for producing a silica nanotube body according to any one of (6) to (8), wherein a silica nanotube body having a plurality of pores is produced.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、例えば、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる大きさを有する1次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔(チャンネル)とを有し、上記基板に垂直なチャンネルの径が約100nmであり、上記基板に平行な細孔の径は、タンパク質を収納できる約13〜14nmであることを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a one-dimensional silica nanotube body formed in a cylindrical alumina pore of an alumina film, for example, having a size capable of inserting and complexing protein molecules having a large molecular size, It has a vertical channel and pores (channels) parallel to the substrate, the diameter of the channel perpendicular to the substrate is about 100 nm, and the diameter of the pores parallel to the substrate is about 13 that can accommodate proteins. It is characterized by being ˜14 nm.

本発明では、上記1次元のシリカナノチューブ体が、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されていること、上記円筒状のアルミナ細孔の径が約200nmで、その長さが約45μmであること、を好ましい実施の態様としている。   In the present invention, the one-dimensional silica nanotube body is formed in cylindrical alumina pores formed in a direction perpendicular to the substrate, and the diameter of the cylindrical alumina pores is about 200 nm. The preferred embodiment is that the length is about 45 μm.

また、本発明は、蛋白質を挿入して複合化できる大きさである約13〜14nm径の基板に平行な細孔を有し、基板に垂直な約100nm径のチャンネルを有する1次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔に、トリブロック共重合体系の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させる操作を行うことにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、1次元のシリカナノチューブ体で、細孔径が約13〜14nmであるシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするものである。   In addition, the present invention provides a one-dimensional silica nanotube having pores parallel to a substrate having a diameter of about 13 to 14 nm and a channel having a diameter of about 100 nm perpendicular to the substrate, the size of which can be combined by inserting a protein. A precursor solution containing a triblock copolymer surfactant as a template is sucked into the pores of an alumina membrane, and the inside of the cylindrical alumina pores formed in the alumina membrane Then, the precursor solution is introduced and dried to produce a one-dimensional silica nanotube body having a pore diameter of about 13 to 14 nm in the cylindrical alumina pores. It is characterized by doing.

本発明では、基板として、円筒状のアルミナ細孔を有するアルミナ基板が使用される。この基板は、好適には、例えば、Al基板を陽極酸化することにより生成した酸化物層を有する陽極酸化アルミナから構成される。該酸化物層には、直径約10nm〜500nmのマクロ細孔が酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。上述の操作を行うことにより、このマクロ細孔の細孔壁に沿って、ナノメートルサイズの均一な細孔径を有するナノチューブ体が形成される。   In the present invention, an alumina substrate having cylindrical alumina pores is used as the substrate. This substrate is preferably composed of, for example, anodized alumina having an oxide layer produced by anodizing an Al substrate. In the oxide layer, macropores having a diameter of about 10 nm to 500 nm are formed so as to penetrate from the surface to the bottom of the oxide layer. By performing the above-described operation, a nanotube body having a uniform pore diameter of nanometer size is formed along the pore wall of the macropore.

このナノチューブ体は、シリカ等の無機層と、界面活性剤等の有機分子の集合体がナノオーダーで組織化して、いわゆる疎水場を形成した界面活性剤−シリカナノ複合体からなるものである。このナノチューブ体は、界面活性剤ミセルを内包し、該ミセルは、酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成される。   This nanotube body is composed of a surfactant-silica nanocomposite in which an inorganic layer such as silica and an assembly of organic molecules such as a surfactant are organized in nano order to form a so-called hydrophobic field. The nanotube body includes a surfactant micelle, and the micelle is formed so as to penetrate from the surface to the bottom of the oxide layer.

このナノチューブ体は、酸化物層の表面又は底面に対して、ほぼ垂直となるように配向されている場合もある。このナノチューブ体の他に、該ナノチューブ体を所定の条件下で焼成することにより作製した、シリカナノ細孔体とすることも可能である。このシリカナノ細孔体は、例えば、上記のナノチューブ体を、例えば、約500℃で、6時間焼成し、鋳型として内包されていた界面活性剤ミセルを取り除いて、ナノ細孔を形成したものである。   The nanotube body may be oriented so as to be substantially perpendicular to the surface or bottom surface of the oxide layer. In addition to the nanotube body, a silica nanopore body produced by firing the nanotube body under a predetermined condition may be used. This silica nanopore body is obtained by, for example, firing the above-mentioned nanotube body at, for example, about 500 ° C. for 6 hours, and removing the surfactant micelles encapsulated as a template to form nanopores. .

焼成前に、チャンネル径が約13〜14nmである界面活性剤−シリカナノ複合体として構成されるナノチューブ体は、焼成後には、ほぼ同等の細孔径からなるシリカナノ細孔体として再形成される。このような構成からなるナノチューブ体及びシリカナノ細孔体では、試料溶液が接触する表面との界面に対して、ナノチューブ体やシリカナノ細孔体が、ほぼ垂直となるように配向している。   Before firing, the nanotube body configured as a surfactant-silica nanocomposite having a channel diameter of about 13 to 14 nm is re-formed as a silica nanopore body having substantially the same pore diameter after firing. In the nanotube body and the silica nanopore body having such a configuration, the nanotube body and the silica nanopore body are oriented so as to be substantially perpendicular to the interface with the surface in contact with the sample solution.

このため、ナノチューブ体の表面に接触する試料溶液は、このナノチューブ体やシリカナノ細孔体を通じて、当該多孔体膜を透過することが可能である。これらのナノチューブ体及びシリカナノ細孔体は、化学物質の分離、濃縮や、生化学分析、微量成分分析等のセンサとして、また、高分子合成や、触媒反応等において、適用することが可能である。   For this reason, the sample solution in contact with the surface of the nanotube body can pass through the porous body film through the nanotube body or the silica nanopore body. These nanotube bodies and silica nanopore bodies can be applied as sensors for separation and concentration of chemical substances, biochemical analysis, trace component analysis, and in polymer synthesis and catalytic reactions. .

本発明では、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤が使用される。本発明では、このトリブロック共重合体界面活性剤を使用することが重要である。この界面活性剤としては、例えば、トリブロック共重合体であるポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーのpluronic F127(BASF社製)が好適なものとして例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のトリブロック共重合体であれば、同様に使用することができる。   In the present invention, a triblock copolymer surfactant is used as a template. In the present invention, it is important to use this triblock copolymer surfactant. As this surfactant, for example, a triblock copolymer, polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide triblock polymer, pluronic F127 (manufactured by BASF) is exemplified as a suitable one, but is not limited thereto. Any triblock copolymer having the same effect as these can be used in the same manner.

本発明では、このトリブロック共重合体界面活性剤を含む前駆体溶液を調製する。この場合、例えば、上記ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーであるPF127を、エタノール、HCl水溶液及び水の混合物中に溶解し、次いで、還流コンデンサーで、1〜数時間程度撹拌し、これに、TEOSを添加し、更に、得られた混合物を、還流コンデンサーで、2〜20数時間程度撹拌して、前駆体溶液を調製する。   In the present invention, a precursor solution containing this triblock copolymer surfactant is prepared. In this case, for example, PF127, which is a polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide triblock polymer, is dissolved in a mixture of ethanol, aqueous HCl, and water, and then stirred in a reflux condenser for about 1 to several hours. TEOS is added thereto, and the resulting mixture is stirred with a reflux condenser for about 2 to 20 hours to prepare a precursor solution.

上記前駆体溶液の調製過程では、混合物の温度は、例えば、30〜60℃程度に保持される。次に、陽極酸化して作製されたアルミナ膜を、通常の膜フィルター装置にセットし、上述の前駆体溶液を、当該アルミナ膜に滴下する。この場合、高吸引装置を用いて、吸引を行って、前駆体溶液を円筒状のアルミナ細孔に導入する。滴下した前駆体溶液を、完全に円筒状アルミナ細孔に導入した後、前駆体溶液を含むアルミナ膜を、更に、吸引して乾燥を行うことで、本発明のメソポーラス膜を合成する。   In the process of preparing the precursor solution, the temperature of the mixture is maintained at about 30 to 60 ° C., for example. Next, the alumina film produced by anodic oxidation is set in a normal membrane filter device, and the above precursor solution is dropped onto the alumina film. In this case, suction is performed using a high suction device to introduce the precursor solution into the cylindrical alumina pores. After the dripped precursor solution is completely introduced into the cylindrical alumina pores, the alumina film containing the precursor solution is further sucked and dried to synthesize the mesoporous film of the present invention.

本発明の方法では、円筒状メソポーラスシリカは、各円筒状のアルミナ細孔内に認められ、メソポーラス膜の表面においては、従来法で認められるような、アルミナ細孔外に及ぶような著しいメソポーラスシリカの形成は認められない。本発明では、特に、前駆体溶液の調製方法と、真空度が重要である。   In the method of the present invention, the cylindrical mesoporous silica is found in each cylindrical alumina pore, and on the surface of the mesoporous membrane, the remarkable mesoporous silica extending outside the alumina pore is recognized as in the conventional method. The formation of is not allowed. In the present invention, the preparation method of the precursor solution and the degree of vacuum are particularly important.

また、撹拌温度を60℃にすると、6〜24時間程度の撹拌で、1次元シリカ−ナノチャンネルの支配的な形成(95%以上)が行われる。このように、1次元シリカ−ナノチャンネルの構造と他の構造の割合が、撹拌時間と温度に依存していることが判明したが、生成される1次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径は、F127の場合、全ての前駆体溶液について、常に13±nmである。   When the stirring temperature is 60 ° C., dominant formation (95% or more) of one-dimensional silica-nanochannels is performed with stirring for about 6 to 24 hours. Thus, it has been found that the ratio of the structure of the one-dimensional silica-nanochannel to the other structure depends on the stirring time and temperature, but the channel diameter of the generated one-dimensional silica-nanotube is F127. In all cases, it is always 13 ± nm for all precursor solutions.

仮焼した後のメソポーラス膜(アルミナ膜のマトリックスのエッチングなしの場合)の窒素の吸着/脱着等温線から、各メソポーラス膜のBET表面積を分析したところ、撹拌時間が減少すると、BET表面積は、より小さくなる傾向があり、12時間程の撹拌で、最も高い値が得られる。鋳型の界面活性剤として、F127を使用して、1次元メソポーラス膜の形成を行った場合には、円筒状のアルミナ細孔内に形成されるメソポーラスシリカのチャンネル径は、8nmである。   When the BET surface area of each mesoporous film was analyzed from the nitrogen adsorption / desorption isotherm of the calcined mesoporous film (when the alumina film matrix was not etched), when the stirring time decreased, the BET surface area became more There is a tendency to decrease, and the highest value is obtained after stirring for about 12 hours. When a one-dimensional mesoporous film is formed using F127 as a template surfactant, the channel diameter of mesoporous silica formed in cylindrical alumina pores is 8 nm.

一方、F127の場合は、そのTEM像から見積もったナノチューブ体の細孔の細孔径は、13〜14nmである。これらは、分子サイズが、8.0nmのホルムアルデヒド脱水素酵素、同12nmのコリンエステラーゼ等の、大きい分子サイズを有する蛋白質分子を複合化するのに十分な細孔径サイズを有しており、特に、分子サイズの大きい蛋白質分子を複合化するナノチューブ体として好適に利用することが可能である。   On the other hand, in the case of F127, the pore diameter of the nanotube body estimated from the TEM image is 13 to 14 nm. These have a sufficient pore size size to complex protein molecules having a large molecular size such as formaldehyde dehydrogenase having a molecular size of 8.0 nm and cholinesterase having a molecular size of 12 nm. It can be suitably used as a nanotube body for complexing large protein molecules.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)基板に垂直な約100nm径のチャンネルと、基板と平行な約13〜14nm径の細孔を有するシリカナノチューブ体を製造し、提供することができる。
(2)分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化することが可能なナノチューブ体を提供することができる。
(3)従来材の細孔径(3〜4nm)と比べて、拡大した細孔径である約13nm以上の細孔径を有するナノチューブ体を合成することができる。
(4)メソポーラスシリカに関して、はじめて、大きな分子サイズを有する蛋白質分子と複合化することができる、大きい細孔径を有するナノチューブ体を提供することが可能である。
(5)約13nm以上の細孔径を有するナノチューブ体と蛋白質分子とを複合化したナノチャンネル体−蛋白質複合体を提供することができる。
The present invention has the following effects.
(1) A silica nanotube body having about 100 nm diameter channels perpendicular to the substrate and about 13-14 nm diameter pores parallel to the substrate can be produced and provided.
(2) It is possible to provide a nanotube body in which protein molecules having a large molecular size can be inserted and complexed.
(3) Compared with the pore diameter (3 to 4 nm) of the conventional material, a nanotube body having a pore diameter of about 13 nm or more, which is an enlarged pore diameter, can be synthesized.
(4) With respect to mesoporous silica, it is possible to provide a nanotube body having a large pore diameter that can be complexed with a protein molecule having a large molecular size for the first time.
(5) A nanochannel body-protein complex in which a nanotube body having a pore diameter of about 13 nm or more and a protein molecule are complexed can be provided.

ヘリウムの透過測定のための膜透過実験装置を示す。ヘリウムの透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定が可能である。1 shows a membrane permeation experiment apparatus for helium permeation measurement. In helium permeation measurement, the pore diameter can be measured by increasing the water vapor pressure. 陽極酸化アルミナと細孔内に形成されたシリカ複合体の模式図を示す。図中、Aは陽極酸化アルミナ、Bはその細孔内に形成されたF127−M、Cはその細孔内に形成されたP123−Mを表わす。The schematic diagram of the silica composite formed in the anodized alumina and the pore is shown. In the figure, A represents anodized alumina, B represents F127-M formed in the pores, and C represents P123-M formed in the pores. 水蒸気圧の増加に伴うヘリウムの透過測定の結果を示す。縦軸がヘリウムの透過量、横軸が水蒸気圧である。図に示されるように、ある一定の水蒸気圧で急激に透過率が減少するが、これは、規則的な細孔が開いていることを示している。図3の中のPore diameter(nm)に関する図は、その時の細孔径を示している。The result of permeation measurement of helium with an increase in water vapor pressure is shown. The vertical axis represents the helium permeation amount, and the horizontal axis represents the water vapor pressure. As shown in the figure, the transmittance decreases sharply at a certain water vapor pressure, which indicates that regular pores are open. The diagram regarding the pore diameter (nm) in FIG. 3 shows the pore diameter at that time. 本発明のナノチューブ体の電子顕微鏡図を示す。この図は、10%リン酸溶液に膜を浸すことで、支持体である金属部分を溶かした時の電子顕微鏡図であり、図より、規則的な筋が上から下まで通っていることが伺える。a〜cはSEM像、dはTEM像である。The electron microscope figure of the nanotube body of this invention is shown. This figure is an electron micrograph when the metal part as a support is melted by immersing the membrane in a 10% phosphoric acid solution. From the figure, it can be seen that regular lines pass from top to bottom. I can ask. a to c are SEM images, and d is a TEM image. 複合メンブレン(F127−M)の構造の模式図である。It is a schematic diagram of the structure of a composite membrane (F127-M).

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ではない。   Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.

本実施例では、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤(BAFS社製、Pluronic F127)を用いて、シリカ−ナノチューブの、より広い直径を持つ1次元のメソポーラス膜を合成した。1次元のメソポーラス膜の形成は、メソポーラスシリカの成長の間に、温度及び/又は湿度を制御することにより達成した。しかし、温度及び湿度の制御は、従来提案されている方法とは違うものであった。本実施例では、界面活性剤を鋳型としたシリカナノチャンネルの1次元の並びの規制を試みて、前駆体溶液の調製の条件(温度及び撹拌時間)を調べた。   In this example, a one-dimensional mesoporous film having a wider diameter of silica-nanotube was synthesized using a triblock copolymer surfactant (BAFS, Pluronic F127) as a template. The formation of a one-dimensional mesoporous film was achieved by controlling temperature and / or humidity during the growth of mesoporous silica. However, the control of temperature and humidity is different from the conventionally proposed method. In this example, the regulation of the one-dimensional alignment of silica nanochannels using a surfactant as a template was attempted, and the conditions (temperature and stirring time) for preparing the precursor solution were examined.

トリブロック共重合体界面活性剤を含む前駆体溶液を調製した。すなわち、トリブロック共重合体界面活性剤のF127(1.0g)を、エタノール(15g)、HCl(0.10gの37wt%水溶液)、及び水(2.0g)の混合物中に溶解し、得られた混合物を、還流コンデンサーで、1時間撹拌した。次いで、TEOS(Tetraethoxysilane、2.13g)を、上記混合物に添加して、得られた混合物を、還流コンデンサーで、約2時間から24時間撹拌した。撹拌した後、得られた最終の混合物を、前駆体溶液として使用した。   A precursor solution containing a triblock copolymer surfactant was prepared. That is, the triblock copolymer surfactant F127 (1.0 g) was dissolved in a mixture of ethanol (15 g), HCl (0.10 g of a 37 wt% aqueous solution), and water (2.0 g) to obtain The resulting mixture was stirred with a reflux condenser for 1 hour. TEOS (Tetraethoxysilane, 2.13 g) was then added to the above mixture and the resulting mixture was stirred with a reflux condenser for about 2-24 hours. After stirring, the final mixture obtained was used as a precursor solution.

陽極酸化アルミナ膜(膜直径=4cm、孔径=約200nm、厚さ=約60μm、Whatmman)を、普通の膜フィルター装置にセットし、上記前駆体溶液を、当該アルミナ膜に滴下した。前駆体溶液の滴下は、F127の前駆体溶液について、各々の容量を、好適な範囲に適宜調整して行った。   An anodized alumina membrane (membrane diameter = 4 cm, pore size = about 200 nm, thickness = about 60 μm, Whatman) was set in an ordinary membrane filter device, and the precursor solution was dropped onto the alumina membrane. The dripping of the precursor solution was performed by appropriately adjusting the respective capacities of the precursor solution of F127 within a suitable range.

吸引装置(Model UN820,KNF Neuberger,Inc.)を使用して、急激な吸引を行って、前駆体溶液を、上記アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔に導入した。その後、滴下した前駆体溶液を、完全に上記アルミナ膜のアルミナ細孔に入れた後、前駆体溶液を含む当該アルミナ膜を、約5分の吸引により乾燥した。ここで、高真空にすることで、チューブが形成された。以後、F127を用いたメソポーラス膜を、F127−MSTと称する。   Using a suction device (Model UN820, KNF Neuberger, Inc.), rapid suction was performed to introduce the precursor solution into the cylindrical alumina pores of the alumina membrane. Then, after dripping the precursor solution completely into the alumina pores of the alumina membrane, the alumina membrane containing the precursor solution was dried by suction for about 5 minutes. Here, the tube was formed by applying a high vacuum. Hereinafter, the mesoporous film using F127 is referred to as F127-MST.

得られたF127−MSTを、SEMによって構造を評価した。F127−MSTのSEMで典型的に示されるように、円筒状メソポーラスシリカは、各円筒状アルミナ膜内に認められ、メソポーラス膜の表面においては、著しいメソポーラスシリカの形式は認められなかった。10wt%のリン酸溶液を用いて、F127−MSTのアルミナ膜のマトリックスを完全にエッチングした後、円筒状のメソポーラスシリカを、アルミナ膜上に捕集した。   The structure of the obtained F127-MST was evaluated by SEM. As typically shown in the F127-MST SEM, cylindrical mesoporous silica was found in each cylindrical alumina membrane, and no significant mesoporous silica form was observed on the surface of the mesoporous membrane. After the matrix of the F127-MST alumina membrane was completely etched using a 10 wt% phosphoric acid solution, cylindrical mesoporous silica was collected on the alumina membrane.

ここで、F127−MSTのサブミクロン(100nm)サイズの太さの物質拡散領域は、電子伝達体の移動のために、膜を貫通している必要がある。そこで、細孔が膜を貫通しているかどうかを確認するために、ヘリウムと水蒸気を用いて、膜の透過測定を行った。測定方法は、水蒸気とヘリウムの混合気体を流し、その後、水蒸気の量を増やすことで、水蒸気圧を上げて、そのときのヘリウムの透過量を測定した。ヘリウムの量は、ガスクロマトグラフィーによって測定した。図1に、膜透過実験装置を示す。ヘリウムの透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定が可能である。   Here, the submicron (100 nm) size material diffusion region of F127-MST needs to penetrate the film in order to move the electron carrier. Therefore, in order to confirm whether the pore penetrates the membrane, the permeation measurement of the membrane was performed using helium and water vapor. The measurement method was to flow a mixed gas of water vapor and helium, and then increase the amount of water vapor, thereby increasing the water vapor pressure and measuring the amount of permeated helium at that time. The amount of helium was measured by gas chromatography. FIG. 1 shows a membrane permeation experiment apparatus. In helium permeation measurement, the pore diameter can be measured by increasing the water vapor pressure.

使用した膜は、図2に示す3種類の膜(A:陽極酸化アルミナ膜、B:F127−MST(F127−Mと記載することがある。)膜)、C:P123−M膜)を用いて測定を行った。その結果を、図3に示す。水蒸気圧が0.1のとき、Aの陽極酸化アルミナ膜は、10000nmolm−2−1Pa−1であるが、BのF127−M膜、CのP123−M膜は、それぞれ2000及び500nmolm−2−1Pa−1に減少した。このことは、陽極酸化アルミナ膜の細孔に、シリカの複合体が形成されていることを示している。更に、水蒸気圧が0.63になると、Aの陽極酸化アルミナ膜は、ほぼ変わらないが、BのF127−M膜、CのP123−M膜は、それぞれ652及び5.6nmolm−2−1Pa−1に減少した。ケルビンの式から、8〜15nmの細孔を有していることが分かった。 As the films used, three kinds of films shown in FIG. 2 (A: anodized alumina film, B: F127-MST (may be described as F127-M) film), C: P123-M film) are used. And measured. The result is shown in FIG. When the water vapor pressure is 0.1, the A anodized alumina film is 10000 nmolm −2 s −1 Pa −1 , while the B F127-M film and the C P123-M film are 2000 and 500 nmolm , respectively. It decreased to 2 s −1 Pa −1 . This indicates that a composite of silica is formed in the pores of the anodized alumina film. Further, when the water vapor pressure becomes 0.63, the A anodized alumina film is almost the same, but the B F127-M film and the C P123-M film are 652 and 5.6 nmolm −2 s −1 , respectively. It decreased to Pa- 1 . From the Kelvin equation, it was found to have 8-15 nm pores.

ここで、図2CのP123−M膜のように、細孔が、全てシリカで埋まっている場合は、水蒸気圧が0.63で、ほぼヘリウムの透過が無くなった。それに比べ、図2BのF127−M膜のように、基板に対して、100nmの細孔を有している場合は、水蒸気圧が0.63であっても、652nmolm−2−1Pa−1のヘリウムの透過が確認された。以上のことから、F127−M膜の細孔は、貫通孔であり、基板に平行な直径約13nm〜14nmの大きさの無数の微細孔を壁面部分に有する、口径約200nmで、基板と垂直に約100nmの貫通孔を有する構造体であることが分かった。 Here, as in the P123-M film in FIG. 2C, when all the pores were filled with silica, the water vapor pressure was 0.63 and almost no helium was permeated. In contrast, when the substrate has 100 nm pores as in the F127-M film in FIG. 2B, even if the water vapor pressure is 0.63, 652 nmolm −2 s −1 Pa −. 1 helium permeation was confirmed. From the above, the pores of the F127-M film are through-holes and have numerous fine holes with a diameter of about 13 nm to 14 nm parallel to the substrate in the wall surface portion, with a diameter of about 200 nm and perpendicular to the substrate. It was found that the structure had a through hole of about 100 nm.

F127−M膜について、更に詳しく、SEM、TEMによってその構造を評価した。SEM、TEMの測定は、10%リン酸水溶液により、F127−M膜のアルミナをエッチングした後、円柱状メソポーラスシリカを捕集して行った、図4aのSEM像に示すように、陽極酸化アルミナ膜の細孔内に形成されたシリカの集合体を、アルミナが溶けることで、無数の直径約200nmのシリカチューブの集合体として観察することができた。そして、シリカチューブは、直径約100nm程度の1次元の細孔が開いていることが観察された。   The structure of the F127-M film was evaluated in more detail by SEM and TEM. The SEM and TEM measurements were performed by etching the alumina of the F127-M film with a 10% aqueous phosphoric acid solution, and then collecting cylindrical mesoporous silica. As shown in the SEM image of FIG. The aggregate of silica formed in the pores of the membrane could be observed as an aggregate of countless silica tubes having a diameter of about 200 nm by dissolving alumina. The silica tube was observed to have a one-dimensional pore having a diameter of about 100 nm.

このことは、陽極酸化アルミナ膜の細孔の壁面に、高次ナノ構造体が形成されていることを示している。次に、シリカチューブの表面を観察した。図4bに、その結果を示す。このシリカチューブは、中央に向かって規則的な細孔が開いていることが分かる。更に、図3cに、そのチューブが半分になったSEM像を示す。その結果、チューブの中にも、細孔があることが分かった。   This indicates that higher-order nanostructures are formed on the wall surfaces of the pores of the anodized alumina film. Next, the surface of the silica tube was observed. FIG. 4b shows the result. It can be seen that this silica tube has regular pores toward the center. Further, FIG. 3c shows an SEM image with the tube halved. As a result, it was found that there were pores in the tube.

その後、TEM観察によって、規則的な約13〜14nm程度の細孔が基板に対して平衡に開いていることが分かった(図4d)。この構造体は、口径が約200ナノメートル(nm)程度、長さが約50μm程度の、両端が開いた微細管の無数の束(1次ナノ構造)から成り、各微細管の壁面部分に、直径13〜14nm程度の均一で規則的な微細孔が基板に平行で無数に空いている構造(2次ナノ構造)であり、サブミクロン(100nm)サイズの太さの物質拡散領域と、ナノサイズの微細孔を有する構造体であることが分かった。   Thereafter, TEM observation revealed that regular pores of about 13 to 14 nm were opened in equilibrium with the substrate (FIG. 4d). This structure consists of an infinite number of bundles (primary nanostructures) of microtubules with both ends open and having a diameter of about 200 nanometers (nm) and a length of about 50 μm. , A structure (secondary nanostructure) in which uniform and regular micropores with a diameter of about 13 to 14 nm are parallel to the substrate and open innumerably (sub-micron (100 nm) size) It was found to be a structure having fine pores of size.

以上を総合すると、10%リン酸溶液に陽極酸化アルミナ膜を浸すことにより、支持体である金属部分を溶かした時の電子顕微鏡図より、規則的な筋が上から下まで通っていることが伺える。メソポーラスのシリカチューブの直径及び長さはそれぞれ、約200nm及び約45μmと見積もられた。これらの値は、界面活性剤の種類及び前駆体溶液の調製条件に依存しないものであった。   To summarize the above, regular streaks pass from top to bottom from the electron micrograph when the metal part as the support was dissolved by immersing the anodized alumina film in a 10% phosphoric acid solution. I can ask. The diameter and length of the mesoporous silica tube was estimated to be about 200 nm and about 45 μm, respectively. These values were independent of the type of surfactant and the preparation conditions of the precursor solution.

円筒状のメソポーラスシリカのメソ構造を、TEMによって調べた結果、F127−Mについては、2つのメソ構造が観察された。その構造は、円筒状のアルミナ膜の細孔の壁に沿って並行に向いた細孔の1次元の並びと、垂直方向のシリカ−ナノチューブの1次元体とである。これらの2つの区別される構造は、例えば、並行な細孔には、タンパク質を導入し、垂直な細孔には、基質を通すものとして区別することができる。   As a result of examining the mesostructure of the cylindrical mesoporous silica by TEM, two mesostructures were observed for F127-M. The structure is a one-dimensional array of pores oriented in parallel along the pore walls of the cylindrical alumina membrane and a one-dimensional body of silica-nanotubes in the vertical direction. These two distinct structures can be distinguished, for example, as introducing proteins into parallel pores and passing a substrate through vertical pores.

TEM像から、1次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径を見積ったところ、少なくとも約13〜14nmの円筒状のアルミナ膜の細孔の壁に沿って並行に向いた1次元の細孔と、少なくとも100nmで垂直方向の細孔を持ったシリカ−ナノチューブの1次元体であることが分かった。図5に、複合メンブレンであるF127−Mの構造の模式図を示す。上述したように、作製したシリカナノチューブ膜について、ヘリウム流通測定を行うための膜透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定をすることができた。   From the TEM image, the channel diameter of the one-dimensional silica-nanotube was estimated, and the one-dimensional pores oriented in parallel along the pore walls of the cylindrical alumina film of at least about 13 to 14 nm and at least 100 nm It was found to be a one-dimensional body of silica-nanotube with vertical pores. FIG. 5 shows a schematic diagram of the structure of F127-M, which is a composite membrane. As described above, in the membrane permeation measurement for performing the helium flow measurement on the produced silica nanotube film, the pore diameter could be measured by increasing the water vapor pressure.

また、図3に示す、水蒸気圧の増加に伴うヘリウムの透過測定の結果において、縦軸がヘリウムの透過量、横軸が水蒸気圧であるが、ある一定の水蒸気圧で、急激に透過率が減少した。これは、規則的な細孔が開いていることを示している。図3の中のPore diameter(nm)に関する図は、その時の細孔径を示している。1次元シリカ−ナノチューブと他の構造の割合が、撹拌時間と温度に依存しているとしても、1次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径は、全ての前駆体溶液について、常に100±nmであった。更に、窒素吸着により、図3の中の図に示すように、約13nmの細孔が確認された。   Further, in the results of the measurement of helium permeation accompanying the increase in the water vapor pressure shown in FIG. 3, the vertical axis represents the helium permeation amount and the horizontal axis represents the water vapor pressure. Diminished. This indicates that regular pores are open. The diagram regarding the pore diameter (nm) in FIG. 3 shows the pore diameter at that time. Even though the proportion of one-dimensional silica-nanotubes and other structures depends on the stirring time and temperature, the channel diameter of the one-dimensional silica-nanotubes was always 100 ± nm for all precursor solutions. Furthermore, as shown in the diagram in FIG. 3, pores of about 13 nm were confirmed by nitrogen adsorption.

仮焼した後のメソポーラス膜の、窒素の吸着/脱着等温線(アルミナ膜のマトリックスのエッチングなしの場合)から、各メソポーラス膜のBET表面積を分析した。その結果、BET表面積は、撹拌時間が減少すると、より少さくなる傾向であり、最も高い値は、約12時間の撹拌時間で得られた。上記TEM及び窒素吸着/脱着等温線の測定の結果により、1次元の並びを得る好適な条件は、撹拌温度及び時間が、60℃、12時間程度である、と結論した。   The BET surface area of each mesoporous film was analyzed from the nitrogen adsorption / desorption isotherm (when the alumina film matrix was not etched) of the calcined mesoporous film. As a result, the BET surface area tended to become smaller as the stirring time decreased, with the highest value obtained with a stirring time of about 12 hours. From the results of the above TEM and nitrogen adsorption / desorption isotherm measurements, it was concluded that the preferred conditions for obtaining a one-dimensional alignment were a stirring temperature and time of about 60 ° C. for about 12 hours.

観察した窒素の吸着/脱着等温線が、BET表面積の見積りに使用されるとしても、TEM像で与えられるメソポロシティーにかかわらず、細孔分布プロットで、その吸着等温線は、約13〜14nmで著しいピークを与えなかった。したがって、1次元シリカ−ナノチューブの直径は、TEM像から見積った。   Even if the observed adsorption / desorption isotherm of nitrogen is used to estimate the BET surface area, the adsorption isotherm is about 13-14 nm in the pore distribution plot, regardless of the mesoporosity given by the TEM image. Did not give a significant peak. Therefore, the diameter of the one-dimensional silica-nanotube was estimated from the TEM image.

更に、前駆体溶液中のTEOS及びF127の組成の効果を調べた。前駆体溶液中のF127の分量が1.0gから増加する(1.5g)、又は1.0gから減少(0.6g)すると、メソ構造のゆがみが、TEM観察によって、観察された。また、メソ構造のゆがみは、TEOSの量が1.28g及び3.2gであるとき、観察された。したがって、1次元メソポーラス膜のTEOS及びF127の好適な組成は、約2.13g及び1.0gであることが分かった。   Furthermore, the effect of the composition of TEOS and F127 in the precursor solution was investigated. As the amount of F127 in the precursor solution increased from 1.0 g (1.5 g) or decreased from 1.0 g (0.6 g), distortion of the mesostructure was observed by TEM observation. Also, mesostructure distortion was observed when the amount of TEOS was 1.28 g and 3.2 g. Accordingly, it was found that the preferred composition of TEOS and F127 for the one-dimensional mesoporous film was about 2.13 g and 1.0 g.

見積られたBET表面積は、約22m−1であり、この値は、前駆体溶液の調製の条件に依存しないものであった。結論として、鋳型の界面活性剤として、F127を使用して、1次元−メソポーラス膜の形成を行った場合、円筒状のアルミナ膜の細孔内に形成された円筒状のメソポーラスシリカは、直径約200nm、長さ約45μmであった。 The estimated BET surface area was about 22 m 2 g −1 and this value was independent of the conditions for the preparation of the precursor solution. In conclusion, when a one-dimensional mesoporous film is formed using F127 as a template surfactant, the cylindrical mesoporous silica formed in the pores of the cylindrical alumina film has a diameter of about It was 200 nm and the length was about 45 μm.

円筒状のメソポーラスシリカは、界面活性剤を鋳型とした、シリカ−ナノチューブの1次元の並びからなり、チャンネル径は、約13〜14nmであった。このチャンネル径は、CTAB系の1次元−メソポーラス膜で得られるもの(3.4nm)より、約2−4倍大きいものであった。これらの1次元−メソポーラス膜は、例えば、ナノ流体システム分子の分離、化学−センシング及びバイオ−センシング、触媒反応、及び1次元ナノワイヤの合成の鋳型として、好適に使用することが可能である。   Cylindrical mesoporous silica consisted of a one-dimensional array of silica-nanotubes using a surfactant as a template, and the channel diameter was about 13-14 nm. This channel diameter was about 2-4 times larger than that obtained with a CTAB type one-dimensional mesoporous film (3.4 nm). These one-dimensional mesoporous membranes can be suitably used as templates for, for example, separation of nanofluidic system molecules, chemical-sensing and bio-sensing, catalysis, and synthesis of one-dimensional nanowires.

以上詳述したように、本発明は、円筒状のアルミナ細孔内における界面活性剤を鋳型としたメソポーラスシリカの合成及びそのナノチューブ体に係るものであり、本発明により、従来法では、合成することができなかった、約13nm以上の細孔径を有するナノチューブ体を合成し、提供することができる。本発明は、従来材では達成することができなかった、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化することが可能な、大きい細孔径を持つナノチューブ体を合成する方法、そのナノチューブ体及びその蛋白質複合体を提供することを可能にするものとして有用である。   As described above in detail, the present invention relates to synthesis of mesoporous silica using a surfactant as a template in cylindrical alumina pores and a nanotube body thereof. According to the present invention, the conventional method synthesizes mesoporous silica. A nanotube body having a pore diameter of about 13 nm or more that could not be synthesized can be synthesized and provided. The present invention relates to a method for synthesizing a nanotube body having a large pore diameter, which can be combined by inserting protein molecules having a large molecular size, which could not be achieved by conventional materials, the nanotube body and the It is useful as one that makes it possible to provide protein complexes.

Claims (9)

アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、1次元のシリカナノチューブ体であって、該シリカナノチューブ体が、蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔とを有する構造を有し、当該基板に垂直なチャンネルの径が少なくとも100nmであり、基板に平行な細孔の細孔径が少なくとも13nmであることを特徴とするシリカナノチューブ体。   A one-dimensional silica nanotube body formed in a cylindrical alumina pore of an alumina film, the silica nanotube body having a size capable of inserting and complexing a protein, and a channel perpendicular to the substrate Silica nanotubes having a structure having pores parallel to the substrate, the diameter of the channel perpendicular to the substrate is at least 100 nm, and the pore diameter of the pores parallel to the substrate is at least 13 nm body. 上記1次元のシリカナノチューブ体が、陽極酸化アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、請求項1記載のシリカナノチューブ体。   The silica nanotube body according to claim 1, wherein the one-dimensional silica nanotube body is formed in cylindrical alumina pores formed in a direction perpendicular to the substrate of the anodized alumina film. 上記円筒状のアルミナ細孔の径が、少なくとも200nmで、その長さが、少なくとも45μmである、請求項1又は2記載のシリカナノチューブ体。   The silica nanotube body according to claim 1 or 2, wherein the cylindrical alumina pores have a diameter of at least 200 nm and a length of at least 45 µm. 請求項1から3のいずれかに記載のシリカナノチューブ体から得られたことを特徴とするシリカナノチューブ膜。   A silica nanotube film obtained from the silica nanotube body according to any one of claims 1 to 3. 請求項1から3のいずれかに記載のシリカナノチューブ体において、鋳型となった界面活性剤ミセルが除去されていることを特徴とするシリカナノチューブ細孔体。   The silica nanotube body according to any one of claims 1 to 3, wherein the surfactant micelle used as a template is removed. 蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、少なくとも13nmの細孔径の細孔を有する1次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔内に、トリブロック共重合体の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させることにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、1次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直な少なくとも100nmのチャンネルと、基板に平行な少なくとも13nmの細孔を有するシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするシリカナノチューブ体の製造方法。   A method for producing a one-dimensional silica nanotube body having pores having a pore diameter of at least 13 nm and having a size capable of being complexed by inserting a protein, wherein a triblock copolymer is formed in the pores of an alumina film. The precursor solution containing the surfactant as a template is sucked, the precursor solution is introduced into the cylindrical alumina pores formed in the alumina film, and dried, whereby the cylindrical alumina fine particles are dried. A silica nanotube body comprising a one-dimensional silica nanotube body having at least 100 nm channels perpendicular to the substrate and at least 13 nm pores parallel to the substrate in the pores. Production method. 上記1次元のシリカナノチューブ体が、アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、請求項6記載のシリカナノチューブ体の製造方法。   The method for producing a silica nanotube body according to claim 6, wherein the one-dimensional silica nanotube body is formed in cylindrical alumina pores formed in a direction perpendicular to the substrate of the alumina film. 上記シリカナノチューブ体を、所定の条件下で焼成することにより、鋳型となった界面活性剤ミセルを除去する、請求項6又は7記載のシリカナノチューブ体の製造方法。   The method for producing a silica nanotube body according to claim 6 or 7, wherein the surfactant micelle used as a template is removed by firing the silica nanotube body under predetermined conditions. トリブロック共重合体系の界面活性剤として、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーを用いて、基板に垂直な100nm径のチャンネルを有し、基板に平行な13〜14nm径の細孔とを有するシリカナノチューブ体を製造する、請求項6から8のいずれかに記載のシリカナノチューブ体の製造方法。   Using a triblock polymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide as a surfactant of a triblock copolymer system, a pore having a diameter of 13 to 14 nm parallel to the substrate having a 100 nm diameter channel perpendicular to the substrate The method for producing a silica nanotube body according to any one of claims 6 to 8, wherein a silica nanotube body having the following is produced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022111336A (en) * 2012-04-16 2022-07-29 プレジデント・アンド・フェロウズ・オブ・ハーバード・カレッジ Mesoporous silica compositions for modulating immune responses

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