JP2012201623A - 殺菌性・抗菌性基材製造方法および抗菌性基材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 メソポーラス酸化チタン基材を形成し、それにシングルナノサイズの銀ナノ粒子を坦持して滅菌性を上げる。アークプラズマ蒸着源で銀ナノ粒子を、下方のガラス基板上につけたメソポーラスな酸化チタン粒子からなるメソポーラス酸化チタン基材にシングルサイズのナノ粒子を付けて紫外線で大腸菌に照射することで略100%死滅させることができ
【選択図】 図3
Description
毎年、950万人以上が、開発途上国の感染症により死亡する。環境のバクテリア汚染によって、多くの種類の疾病(例えばリステリア症、敗血性咽頭炎)が引き起こされている。大腸菌、淋菌、サルモネラ菌、ブドウ球菌バクテリア、連鎖球菌および腸チフス菌は、バクテリアとして有名である。
したがって、様々な危険の原因となるバクテリアを死滅、あるいは不活性化できる材料を開発することにより、これらの病気を予防することができる。
高い抗菌特性を備えた新素材の開発が期待されている。今まで、最も一般に使用された抗菌剤は環境には非常に有毒なものである。また、それらの残留物は環境に不利益な影響を与える。
強健な無機の材料は、それらの高い熱抵抗および長命のために、抗菌性市場および光触媒製品で広く用いられている。
特に、酸化チタン(チタニウム(TiO2))は、その生物学・化学的な不活性、強い酸化力、非毒性および長期安定のために広範囲の環境に適用し、最もよく知られている物質である。
最近、酸化チタンのナノ材料は、バクテリアを非活性化するために、空気浄化、有害廃棄物改善(環境上の浄化)、水処理のような広い分野で使用されている。
酸化チタンの抗菌性は強く、その抗菌性は結晶構造、表面積および表面の形態に依存する。
これらのいずれかの方法で製造された酸化チタン上に銀が坦持される。このとき、銀のナノ粒子の担持は、電折法で行われる。
具体的には、硫酸中に所定の大きさの酸化チタン粉末を入れ、さらに銀粉末を入れて硫酸中で銀を溶解する。そして、その溶液に2次電解法により電折させて銀のナノ粒子を酸化チタン粉末上に固定させる。
図3に示されるように、メソポーラス(Mesoporous)ではない酸化チタン基材上につけた銀ナノ粒子(図3に示す「Antese film without mesoporous」)では、紫外線を50分程度照射しても菌は50%程度しか死滅しない。
好適には、本発明の抗菌性基材製造方法の前記金属ナノ粒子は、白金、銀および銅のいずれか、あるいは、これらの合金である。
好適には、本発明の抗菌性基材製造方法は、同軸型真空アーク蒸着法を用いて、前記ナノ粒子を前記メソポーラスの酸化チタン基材に担持させる。
好適には、本発明の抗菌性基材の前記金属ナノ粒子は、白金、銀および銅のいずれか、あるいは、これらの合金である。
結晶化されたアナテーゼ・ナノ粒子(例えばデグサP−25)は、潜在的に汚染物質を容易かつ安価に浄化できる優れた光触媒機能を発揮する。
我々の研究では、バクテリアの優れた不活性化効果は、表面のエリア、アンテーゼ結晶度および表面の形態のようないくつかの要素を調整することで実現される。
例えば、図3において、「Meso−10Ag」、「Meso−50Ag」、「Meso−200Ag」で示されるように、紫外線放射をわずか10分行った後に、大腸菌の98%以上が不活性化された。それはこれまで報告されたすべての酸化チタン基材のなかで最も高い成果である。
上述した「Meso−10Ag」、「Meso−50Ag」、「Meso−200Ag」は、それぞれ後述する微粒子形成装置1によって10発、50発、200発の銀ナノ粒子を蒸着して得られたメソポーラス酸化チタン基材に関する結果を示している。
半導体金属合成物への処理によって、金属蒸着は、触媒作用を高めることが分かった。
半導体物質上の金属微粒子(例えばAg、Au、Pt)は、効率的に電子空孔分離を促進することができる。
発明者は、メソポーラス酸化チタン基材に一様に銀ナノ粒子を付けることにより、抗菌性を増強することができることを確認した。
銀ナノ粒子を備えたメソポーラスな酸化チタン・フィルムは、わずかに2分以内で90%の大腸菌を不活性化した。
ゾル・ゲル化学に基づいた本実施形態のプロセスは非常に単純、兼価であり、前述した従来技術の問題を解決できる。
本実施形態では、アークプラズマ蒸着源で銀ナノ粒子を、下方のガラス基板上につけたメソポーラスな酸化チタン粒子からなるメソポーラス酸化チタン基材にシングルサイズのナノ粒子を付けて紫外線で大腸菌に照射することで略100%死滅させることができる。
図2は、メソポーラス酸化チタン基材の表面を示す図である。
本実施形態では、上述した金属ナノ粒子の坦持を、以下に示すように同軸型真空アーク蒸着法により行う。
[材料の準備]
酸化チタン基板の基となるオルトチタン酸テトライソプロピル(別名:チタン(IV)テトライソプロポキシド)(TTIP)、トリブロック共重合体、塩化水素水,エタノール、並びにスライド・ガラスを準備する。
例えば、オルトチタン酸テトライソプロピル(別名:チタン(IV)テトライソプロポキシド)は、和光ケミカル社から取得した。
トリブロック共重合体(プルロニック(Pluronic) P123(PEO20-PPO70-PEO20))はオールドリッチ社から取得した。
濃度35%の塩化水素水およびエタノールは、ナクライテスキュー(Naclai Tesque)社および和光ケミカル社からそれぞれ取得した。
28mmx48mmのスライド・ガラスは、トロイシンコ(Toroishinko)社から取得した。
以下の手順により、メソポーラス酸化チタン基材を準備した。
0.2gのプルロニックP123(界面活性剤)を2.8gのエタノールに溶解する。
次に、1.05gのオルトチタン酸テトライソプロピル(別名:チタン(IV)テトライソプロポキシド)を、0.74gの高濃度の塩酸HCIによくかき混ぜる。ここで、オルトチタン酸テトライソプロピル(別名:チタン(IV)テトライソプロポキシド)の代わりに,テトラメトキシチタン(IV)(別名:チタン(IV)テトラメトキシド),オルトチタン酸テトラエチル(別名:チタニウム(IV)エトキシド),テトラ(tert−ブトキシ)チタン(IV)(別名:チタニウム(IV)tert−ブトキシド)などの各種チタンアルコキシドや塩化チタンなどを用いることができるが,これに限られるものではない。
上述したプロセスで得た2つの溶液を混合し、約24時間かき混ぜることで、分子比1のTTIP/0.01 P123/17.6 C2H5OH/1.9 HCl/7.2 H2Oを含む酸化チタン前駆体溶液(Precursor solution)を得る。
次に、上記酸化チタン前駆体溶液を、準備された薄いフィルム上で、低温(−20℃)および低い湿度(20RH%)で3日間保管した後、450℃で焼いて生石灰化する処理を4時間行い、メソポーラス酸化チタン基材を得る。
円柱形状の陰極が中心に設けられ、円筒状の陽極が同軸にマウントされている。
微粒子形成装置1では、メソポーラス酸化チタン基材は、ラジアル方向に垂直に置かれる。そして、チャンバ内を排気後に、トリガーによってターゲット棒の表面上にアーク放電を引き起こす。そして、高度にイオン化された金属プラズマが、ターゲット棒から、放電ガスを用いることなく生成され、メソポーラス酸化チタン基材の表面に銀ナノ粒子を蒸着する。
図1は、同軸型真空アーク蒸着5を用いた微粒子形成装置1の模式図である。
図1に示す微粒子形成装置1は、例えば、真空雰囲気のチャンバ内にスライドガラス72(2cm×4cm)を設け、モータ74でスライドガラス72を回転駆動して、それにメソポーラスナノ粒子をディップコートさせて付着し、そのスライドガラスを基板ステージに3〜4枚載せて、それに対してアークプラズマで銀をナノ粒子を蒸着する。
同軸型真空アーク蒸着源5は、カソード電極に取付けられたシリコンで成る円柱状の蒸着材料11と、アルミナで成るハット状の絶縁碍子14(以下、ハット型碍子と呼ぶ)と、トリガ電極13とを有する。
カソード電極に取付けられた蒸着材料11と、ハット型碍子14と、トリガ電極13は同心円状に密着させて取り付けられている。
なお、同軸型真空アーク蒸着源5は、図示しない支柱と図示しない真空フランジを介して、真空チャンバ2の壁面に取付けられている。
電源装置6は、トリガ電源31、アーク電源32、コンデンサユニット33を有する。
トリガ電源31は、パルストランスからなり、入力200VのμS単位のパルス電圧を約17倍に変圧して、3.4kV、数μS単位のプラス極性のトリガパルスを出力する。
コンデンサユニット33は、720〜1800μFに設定され、耐圧100Vである。コンデンサユニット33は、アーク電源32により、100Vで充電される。
ターボ分子ポンプ51からロータリポンプ53までは、金属製の配管で接続されており、真空チャンバ2内の真空排気を行っている。真空排気を行うことで、真空チャンバ2内は、10−4Pa以下に保たれている。
[同軸型真空アーク蒸着源5の動作例]
アーク電源32により、100Vで電荷を充電しておく。ここで、コンデンサユニット33は、720〜1800μFとする。
トリガ電極13にトリガ電源31からの3.4kVのトリガパルスを印加し、カソード電極に取付けられた蒸着材料11とトリガ電極13の間に、ハット型碍子14を介して印加することで、ハット型碍子14表面で沿面放電が発生し、カソード電極とハット型碍子14とのつなぎ目から電子が発生する。このとき、蒸着材料11とアノード電極23との間でコンデンサユニット33に蓄電された電荷が放電され、カソード電極に多量の電流が流入し、銀(触媒金属材料)で成るカソード電極に取付けられた蒸着材料11が液相から気相、さらに銀のプラズマが形成される。
蒸着量は、0発、20発、50発,200発の4種類でおこなった。
銀の蒸着量は、それぞれ0発の場合は0、20発の場合は2.77×10−5
mg・cm−2、50発の場合は1.39×10−4 mg・cm−2、そして200発の場合は5.54×10−4
mg・cm−2となる。
50発(「Meso−50Ag」),200発(「Meso−200Ag」)だけ銀ナノ粒子を蒸着したものは約20分で全部死滅した。10発(「Meso−10Ag」)だけ蒸着したものは約10分で全部死滅した。
そのTEM像を図4、図5および図6にそれぞれ示す。
本実施例では図1に示す同軸型アークプラズマ蒸着源でナノ粒子を蒸着したが坦持方法はこれに限ることなく銀ナノ粒子ペーストを付着させても効果がある。
メソポーラス酸化チタン基材の銀蒸着後のSEMイメージを、図2に示す。
メソポーラス酸化チタン基材は、クラックのない非常に滑らかな表面をしている。メソポーラス構造は、N2ガス吸着脱着等温線によって検知された。
XRDパターンは、図7に示すように、アナターゼフェーズに割り当て可能な2θ=25°で広い回析ピークを示した。
「Meso−10Ag」および「Meso−50Ag」のフィルムは、銀の粒子の塊のないフィルム表面上で銀ナノ粒子が素晴らしく分散したことを示し、銀と関係するピークを示さない。銀蒸着後でさえ、開いたメソポーラスは、依然としてフィルム表面に存在した。
平均サイズは、それぞれ3.7nm(「Meso−10Ag」)、3.9nm(「Meso−50Ag」)および5.6nm(「Meso−200Ag」)である。少数の大きなナノ粒子(直径約6nmを備えた)が観察されたが、「Meso−10Ag」のための銀ナノ粒子は3.2nmの直径で中心に集まっている。
しかしながら、「Meso−50Ag」および「Meso−200Ag」の場合には、粒径分布が2つのピークを示した。「Meso−200Ag」については、この傾向ははるかにより明白になる。5nm未満の銀ナノ粒子はすべてのサンプルにおいて目立って形成されているが、第2の粒径分布はより大きなサイズへ変わり、それによって、平均粒子サイズを増加させる。
fcc構造に割り当て可能な輪を示す。
図8および図9に示すように、Ti 2pおよびAg 3dピークの両方がすべてのサンプルに現われた。ここで、Ti
2pおよびAg 3dピークは、それぞれの元素がサンプル中に存在することを意味する。
Ag 3d5/2領域では、368.2、367.7および367.3eVに3のピークが解析により検出された。これら3つのピークは、それぞれメタリックAg(0)、酸化Ag(I)(AgO2)および酸化Ag(II)
(AgO)に対応している(図10、図11、図12)。
その結果、メタリックAg(0)(Ag/(Ag(0)+Ag(I)+Ag(II))の相対的な原子比率は、52%(「Meso−10Ag」)、33%(「Meso−50Ag」)および24%(「Meso−200Ag」)となる。
上述した実施形態では、金属ナノ粒子として銀を例示したが、白金あるいは銅、または白金、銀および銅の合金を用いてもよい。
2…真空チャンバ
5…同軸型真空アーク蒸着源
7…被蒸着体
11…蒸着材料
13…トリガ電極
14…ハット型碍子
Claims (9)
- メソポーラスの酸化チタン基材を得る第1の工程と、
前記メソポーラスの酸化チタン基材に金属ナノ粒子を付けて抗菌性基材を製造する第2の工程と
を有する抗菌性基材製造方法。 - 前記第2の工程は、前記メソポーラスの酸化チタン基材に前記金属ナノ粒子を担持する
請求項1に記載の抗菌性基材製造方法。 - 前記金属ナノ粒子は、白金、銀および銅のいずれか、あるいは、これらの合金である
請求項2に記載の抗菌性基材製造方法。 - ナノ銀水溶液を用いて前記ナノ粒子を形成する
請求項3に記載の抗菌性基材製造方法。 - 同軸型真空アーク蒸着法を用いて、前記ナノ粒子を前記メソポーラスの酸化チタン基材に担持させる
請求項3に記載の抗菌性基材製造方法。 - 前記第1の工程は、
界面活性剤をエタノールに溶解して第1の溶液を生成する3工程と、
オルトチタン酸テトライソプロピル(別名:チタン(IV)テトライソプロポキシド)を塩酸と混合して第2の溶液を生成する第4の工程と、
前記第1の溶液と前記第2の溶液とを混合して第3の溶液を生成する第5の工程と、
ガラス基板上で前記第3の溶液を回転する第6の工程と、
前記第6の工程後に、前記第3の溶液をフィルム上で一定期間保管して前記メソポーラスの酸化チタン基材を得る第7の工程と
を有する請求項5に記載の抗菌性基材製造方法。 - メソポーラスの酸化チタン基材に金属ナノ粒子を付けた抗菌性基材。
- 前記金属ナノ粒子は、前記メソポーラスの酸化チタン基材に担持されている
請求項7に記載の抗菌性基材。 - 前記金属ナノ粒子は、白金、銀および銅のいずれか、あるいは、これらの合金である
請求項8に記載の抗菌性基材。
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