JP2016148103A - 鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置及びこれを用いて製造された水溶性金属ナノ粒子 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置に関し、より詳しくは、均一かつ微細な金属ナノ粒子を生産することが可能な合成装置を提供する。【解決手段】本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置によれば、数秒以内にアポフェリチン溶液に金属イオン水溶液を注入することができるため、均一な核成長を誘導することができ、これにより、均一かつ微細な金属ナノ粒子を反応容器の体積サイズによる設定量に合わせて生産することができて金属ナノ粒子の量産が容易である。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置に係り、より詳しくは、均一かつ微細な金属ナノ粒子を生産することが可能な合成装置に関する。

半導体ナノ粒子または金属ナノ粒子は、サイズが小さいほど、粒子の体積に対する表面積が増加し、表面に存在する自由電子の挙動が大きくなり、陽電子効果または表面プラズモン（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）効果などの新しい特性が誘発される可能性がある。よって、このような小さいサイズのナノ粒子は、光学素子、記憶素子、磁性素子またはセンサー素子などの開発にさらに有用に応用できるため、科学的な研究効果だけでなく、産業的な波及効果もかなり大きいといえる。

このような脈絡から見て、公知のものよりもさらに小さいサイズのナノ粒子をタンパク質殻を用いて製作する研究は、非常に有用で、様々な応用の可能性を持っている。現在まで報告された研究の結果より、タンパク質殻を用いて合成されたナノ粒子は、サイズのバラツキが大きくないため均一であり、光学的、磁性的および触媒的活性などの価値のある特性が残るということが明らかにされている。したがって、タンパク質を用いて合成された微細なナノ粒子の追加的な用途を確認すると、様々な分野にわたって非常に画期的な応用が可能であると期待され、タンパク質を用いてナノ粒子を製造する方法に関する研究が盛んに行われている。

ナノ粒子を製造するために使用されるタンパク質は、一般に殻を含む３次元構造を有し、タンパク質の殻（ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｈｅｌｌ、ＰＳ）は複数のサブユニットからなるオリゴマー（ｏｌｉｇｏｍｅｒ）であって、内部と外部が連通している中空の（ｈｏｌｌｏｗ）特性を示す。このような特性により、タンパク質殻を通過して内部へのイオンの出入りが自由であるため、半導体や金属がイオンとしてタンパク質の内部に移動した後、酸化剤などを処理してナノ粒子を合成することができる。このようにタンパク質を用いてナノ粒子を合成するためには、タンパク質の殻を鋳型としてイオンの酸化反応を介して半導体または金属のナノ粒子を合成するが、このような技術は、バイオミネラリゼーション（ｂｉｏｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ）技術の一種であり、現在まではフェリチン（ｆｅｒｒｉｔｉｎ）タンパク質、小さな熱衝撃タンパク質（ｈｅａｔ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎ）、ＤＰＳ（ＤＮＡ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｆｒｏｍ ｓｔａｒｖｅｄ ｃｅｌｌｓ）またはウイルスカプシドタンパク質（ｖｉｒａｌ ｃａｐｓｉｄ Ｐｒｏｔｅｉｎ）などがこのような目的で使用されてきた。

前述したタンパク質の内部空間で半導体または金属ナノ粒子がどのように形成されるかのメカニズムは次の原理であると推定されている。タンパク質殻は、殻同士の間でオングストローム（Å）サイズのイオンの出入りが自由であって内部空間に陽イオン或いは陰イオンが流入できる。このとき、内部空間を構成するタンパク質のサブユニットは、電荷を帯びて表面に電荷分布（ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を示し、このような表面の電荷分布と流入した陽イオン或いは陰イオン分子は静電気引力作用（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ）を引き起こすことができる。よって、表面の電荷分布と流入するそれぞれのイオンとが近い距離に位置すると、核化（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）が発生する可能性があり、酸化剤が添加されると、酸化剤によってそれぞれのイオンが酸化された後、核化して粒子を形成させ、タンパク質内部の限られた内部空間まで成長して半導体或いは金属ナノ粒子が形成される。

前述したように、タンパク質を用いて金属ナノ粒子を作製すると、内部空間がイオンの酸化および粒子成長を制限して均一なサイズのナノ粒子を作製することができ、他の物質では見つけることができないユニークな光学的、電気的、磁気的、力学的および化学的性質を有し、ナノ粒子の合成後にタンパク質を熱処理などによって容易に除去することができるなどの様々な利点がある。

一例として、フェリチン（ｆｅｒｒｉｔｉｎ）は、２４個のサブユニット（ｓｕｂｕｎｉｔ）からなる鉄（Ｆｅ）イオンの貯蔵の役割を担当するタンパク質であって、鉄タンパク質と呼ばれるし、７ｎｍの内部空間を有するため、このタンパク質を用いてナノ粒子を作製する場合、７ｎｍサイズの球状の均質な金属ナノ粒子を作製することができる。

前述したフェリチンタンパク質は、鉄または鉄化合物とアポフェリチン（ａｐｏｆｅｒｒｉｔｉｎ）との複合体を意味するものである。鉄（Ｆｅ）は必要以上に体内に存在すると生体にとって有害であるおそれがあるため、生体内での余剰の鉄（Ｆｅ）はフェリチンの形で体内に貯蔵されるが、体内に必要以上の鉄（Ｆｅ）が存在すると、フェリチンは必要に応じて鉄（Ｆｅ）イオンを放出してアポフェリチンに戻る。

このような機序で生物系に広く存在するアポフェリチンは、生体内で必須微量元素たる鉄（Ｆｅ）の量を調節する役割を果たすものと知られている。フェリチンは、生体外で酸素分子の存在下にＦｅ（II）をアポフェリチンと反応させることにより再置換でき、鉄（Ｆｅ）だけでなく、Ｃｄ（II）、Ｚｎ（II）、Ｍｎ（II）、Ａｌ（III）およびＵＯ_２（II）などの金属イオンもフェリチンに結合可能であり、コア（ｃｏｒｅ）内でミネラルを形成することができて生体内で非常に重要な役割を果たすものと知られている。

前述したフェリチン（鉄−アポフェリチン複合体）は、図１に示すように、１本のポリペプチド鎖から形成される単量体サブユニットが非共有結合により２４個集合した分子量約４６万の球状タンパク質であり、その直径は約１２ｎｍで、通常のタンパク質に比べて高い熱安定性と高いｐＨ安定性を示す。

また、フェリチンタンパク質（外殻２）の中心には直径約６ｎｍの空洞状の保持部４があり、外部と保持部４とはチャンネル３を介してつながっている構造を持つ。フェリチン粒子の外部と内部とを結ぶチャネル３（図１参照）の内表面にはｐＨ７〜８の条件でマイナス電荷を有するアミノ酸が露出しており、プラス電荷を持っているＦｅ^２＋イオンは静電相互作用によりチャンネル３に取り込まれる。このチャネル３は１つのアポフェリチンあたり８個存在している。フェリチン保持部４の内表面には、チャネル３の内表面と同じく、ｐＨ７〜８でマイナス電荷を持つグルタミン酸残基が多量露出しており、チャネル３から取り込まれたＦｅ^２＋イオンは鉄（Ｆｅ）酸化活性中心（ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｓｅ ｃｅｎｔｅｒ）で酸化し、さらに内部の保持部４へと導かれる。そして、静電相互作用により鉄（Ｆｅ）イオンは濃縮されて、フェリハイドライト（５Ｆｅ_２Ｏ_３・９Ｈ_２Ｏ）結晶の核形成が起こる。その後、順次取り込まれる鉄（Ｆｅ）イオンがこの結晶の核に付着して酸化鉄からなる核が成長し、直径６ｎｍの核１が保持部４内に形成される。以上が、鉄イオンの取り込みと酸化鉄からなる核形成の概略である。

このような構造を持つため、二価の鉄（Ｆｅ）イオンまたは二価の鉄（Ｆｅ）イオンと類似する電気的特性を有する金属イオンがフェリチンへ取り込まれることが可能であるが、二価の鉄（Ｆｅ）イオンを例として説明すると、鉄（Ｆｅ）イオンはチャンネル３から入り、一部のサブユニット内にある鉄（Ｆｅ）酸化活性中心（ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｓｅ ｃｅｎｔｅｒ）で酸化された後、保持部４に到達し、保持部４の内表面のマイナス電荷領域で濃縮され、３０００〜４０００個の鉄（Ｆｅ）原子が集合してフェリハイドライト（５Ｆｅ_２Ｏ_３・９Ｈ_２Ｏ）結晶の形で保持部４に保持されて核１を形成する。形成された核１の直径は保持部４の直径とほぼ等しい約６ｎｍであるが、本明細書中では、保持部に保持された金属原子を含む微粒子を「核」と称する。

また、核１が除去されて外殻２のみからなる粒子をアポフェリチンと称する。前述した核１は、比較的簡単な化学操作で除去できる。このような特性を持つアポフェリチンを用いて、人工的に鉄（Ｆｅ）以外の金属や金属化合物を担持させたアポフェリチン−微粒子複合体も作製されている。

現在までに、フェリチンタンパク質を用いた金属ナノ粒子の合成に関連して、マンガン（Ｐ．Ｍａｃｋｌｅ，１９９３，Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１５，８４７１−８４７２；Ｆ．Ｃ．Ｍｅｌｄｒｕｍ ｅｔ ａｌ．，１９９５，Ｊ．Ｉｎｏｒｇ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．５８，５９−６８）、ウラニウム（Ｊ．Ｆ．Ｈａｉｎｆｅｌｄ，１９９２，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，８９，１１０６４−１１０６８）、ベリリウム（Ｄ．Ｊ．Ｐｒｉｃｅ，１９８３，Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２５８，１０８７３−１０８８０）、アルミニウム（Ｊ．Ｆｌｅｍｉｎｇ，１９８７，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，８４，７８６６−７８７０）、亜鉛（Ｄ．Ｐｒｉｃｅ ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｊｏｓｈｉ，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，１９８２，７９，３１１６−３１１９）、またはコバルト（Ｔ．Ｄｏｕｇｌａｓ ａｎｄ Ｖ．Ｔ．Ｓｔａｒｋ，Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，３９，２０００，１８２８−１８３０）といった金属あるいは金属化合物のアポフェリチンへの導入が報告されている。これらの金属あるいは金属化合物からなるアポフェリチン−微粒子複合体の核１の直径も、アポフェリチンの保持部４の直径とほぼ等しい約６ｎｍを示すことが報告されており、このような直径を有する金属ナノ粒子が様々な分野の素材として活用が可能であって、これを大量で製造する方法に関する研究が盛んに行われている。

前述したナノ粒子が産業に活用されるためには、均一で微細なサイズのナノ粒子を設定量以上に生産することができてこそ、安定した高付加価値産業材料としての供給が可能であるが、このようなナノ粒子を設定量以上に生産するためには、最適に均一な反応を誘導することが非常に重要である。しかし、ナノ粒子の合成反応は、非常に微細に起こり、均一な合成を誘導するため、タンパク質を設定量以上に生産することは非常に難しいと知られてきた。このような問題を解決するために、前駆体溶液を均一に投入しなければならず、反応温度及びｐＨのバラツキに対する管理が非常に重要な変数となる。

したがって、タンパク質殻を鋳型として均一かつ微細な金属ナノ粒子を設定量以上に生産するためには、適切な反応温度およびｐＨを提供することが可能な金属ナノ粒子の合成装置に関する研究が求められる。

韓国公開特許第１０−２００５−００７３４７０号公報

本発明は、かかる問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、均一かつ微細な金属ナノ粒子を生産することができる、鉄タンパク質（ｆｅｒｒｉｔｉｎ）を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置に関する技術情報を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、アポフェリチン溶液が投入される反応容器と、前記反応容器に連通するように取り付けられ、前記反応容器に金属イオン含有水溶液を供給するための金属イオン水溶液注入部と、前記反応容器の上部に設置され、前記反応容器内に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液とを撹拌させる撹拌部と、前記反応容器の下部に取り付けられ、前記反応容器を冷却させる冷却部と、反応が終結して、金属ナノ粒子およびフェリチンを含む反応溶液を排出分離するための排出部と、前記反応容器、前記金属イオン水溶液注入部、前記攪拌部、前記冷却部及び前記排出部の駆動をそれぞれ制御する制御部とを含んでなることを特徴とする、鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を提供する。

また、前記金属イオン水溶液注入部は、マルチスプレーインジェクター（ｍｕｌｔｉ−ｓｐｒａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）からなることを特徴とする。

また、前記金属イオンは、Ｆｅ（II）、Ｃｄ（II）、Ｚｎ（II）、Ｍｎ（II）、Ａｌ（III）およびＵＯ_２（II）の中から選ばれる１種であることを特徴とする。

また、水溶性金属ナノ粒子の合成装置は、前記反応容器の内部に投入されたアポフェリチン溶液および前記金属イオン水溶液のｐＨを調節するｐＨ調節部をさらに含むことを特徴とする。

また、前記ｐＨ調節部は、前記反応容器のｐＨがｐＨ６〜７となるように調節することを特徴とする。

また、水溶性金属ナノ粒子の合成装置は、前記反応容器の内部に投入されたアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液との反応温度を測定する温度感知部をさらに含むことを特徴とする。

また、水溶性金属ナノ粒子の合成装置は、前記反応容器の外部に設置され、温度の変化を防止する断熱膜をさらに含むことを特徴とする。

また、前記攪拌部は、前記反応容器に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオンを含む水溶液とを攪拌する攪拌器、および前記攪拌器の回転運動を制御する駆動モーターを含むことを特徴とする。

また、前記冷却部は、前記反応容器の温度が５〜２５℃となるように冷却することを特徴とする。

また、水溶性金属ナノ粒子の合成装置は脱気（ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）制御バルブをさらに含むことを特徴とする。

また、前記排出部は、合成済みのフェリチンと反応完了溶液を分離排出することが可能なメンブレンフィルター部をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明は、前述した鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を用いて製造された水溶性金属ナノ粒子を提供する。

また、前記水溶性金属ナノ粒子は、粒子サイズが２０ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置によれば、数秒以内にアポフェリチン溶液に金属イオン水溶液を注入することができるため、均一な核成長を誘導することができ、これにより均一かつ微細な金属ナノ粒子を反応容器の体積サイズによる設定量に合わせて生産することができて金属ナノ粒子の量産が容易である。

フェリチン（鉄−アポフェリチン複合体）の構造を示す模式図である。 実施例に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を示す断面図である。

本発明を説明するにあたり、関連した公知の機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にするおそれがあると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。

本発明の概念による実施例は、様々な変更を加えることができ、様々な形態を有することができる。よって、特定の実施例を図面に例示し、本明細書または出願に詳細に説明しようとする。ところが、これは本発明の概念による実施例を特定の開示形態について限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物及び代替物を含むものと理解されるべきである。

本明細書で使用された用語は、単に特定の実施例を説明するためのもので、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈上明らかに別の意味で使用しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、説示された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせが存在することを指定しようとするのであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

以下、本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を添付図面に基づいてより詳細に説明する。

本発明に係る鉄タンパク質（ｆｅｒｒｉｔｉｎ）を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００は、図２に示すように、反応容器１１０、金属イオン水溶液注入部１２０、攪拌部１３０、冷却部１４０、制御部１５０、断熱膜１６０、ｐＨ調節部１７０、温度感知部１８０および排出部１９０を含む。

より詳しく説明すると、本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００は、アポフェリチン溶液が投入される反応容器１１０と、前記反応容器１１０に連通するように取り付けられ、前記反応容器１１０に金属イオンを含む水溶液を供給するための金属イオン水溶液注入部１２０と、前記反応容器１１０の上部に設置され、前記反応容器１１０内に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液とを撹拌させる撹拌部１３０と、前記反応容器１１０の下部に取り付けられ、前記反応容器１１０を冷却させる冷却部１４０と、反応が終結し、金属ナノ粒子およびフェリチンを含む反応溶液を排出分離するための排出部１９０と、前記反応容器１１０、前記金属イオン水溶液注入部１２０、前記攪拌部１３０、前記冷却部１４０および前記排出部の駆動をそれぞれ制御する制御部１５０とを含む。

前記反応容器１１０は、外部と遮断される空間を提供し、セラミック材質からなってもよい。金属ナノ粒子の製造のために、反応容器１１０の内部にアポフェリチン溶液を準備して注入し、前記注入されたアポフェリチン溶液の内部にｐＨ７．０の２０ｍＭ ＭＯＰＳ（３−［Ｎ−ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ］ｐｒｏｐａｎｅ ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）バッファ溶液内に分散している金属イオン水溶液を金属イオン水溶液注入部１２０を介して反応容器１１０の内部に注入する。前記反応容器１１０内のアポフェリチン溶液と金属イオン水溶液は、反応容器１１０内で直接製作せずに、別個に設置した容器中で予め製作した後、反応容器１１０の内部に注入するように構成することもできる。

前記反応容器１１０の内部は、窒素またはアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気とすることが好ましく、さらに好ましくは窒素ガスで充填されて酸化を促進するように構成することができる。また、前記合成装置１００は、反応の進行に伴って発生する気体を排出するために脱気（ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）制御バルブ（図示せず）を含むことができる。

前記金属イオン水溶液注入部１２０は、複数の排出口を含むマルチスプレーインジェクター形式で備えられ、金属イオン水溶液注入部１２０を介してマルチスプレーインジェクション（ｍｕｌｔｉ−ｓｐｒａｙ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式で金属イオン水溶液を数秒以内の短時間で均一に注入することにより、金属イオン水溶液をアポフェリチン溶液と一度に反応させることができるため、均一な核生成が可能となり、これにより均一かつ微細な金属ナノ粒子を反応容器１１０の体積サイズによる設定量に合わせて生産することができて金属ナノ粒子の量産が容易である。

前述した金属イオン水溶液注入部１２０は、金属イオン水溶液を反応容器１１０に連通するように取り付けられ、前記反応容器１１０に前記金属イオン水溶液を供給する役割を果たす。図示してはいないが、金属イオン水溶液注入部は、金属イオン水溶液を所定の速度および供給量で供給するためのポンプ（図示せず）を備えることができる。

撹拌部１３０は、前記反応容器１１０に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液とを攪拌する攪拌器１３２、および前記攪拌器１３２の回転運動を制御する駆動モーター１３４を含むことができる。撹拌部１３０は、反応容器１１０の上部に設置され、前記反応容器１１０内に投入されるアポフェリチン溶液と金属イオン水溶液とを攪拌する役割を果たすが、攪拌は１００〜５００ｒｐｍの速度で行うことが好ましい。これは、攪拌速度が１００ｒｐｍ未満の場合には均一な混合が行われないおそれがあり、撹拌速度が５００ｒｐｍを超える場合にはそれ以上の効果なしに製造コストのみを上昇させる問題があるからである。

冷却部１４０は、反応容器１１０の下部に取り付けられ、反応容器１１０を冷却する役割を果たす。冷却部１４０は、後述する温度感知部１８０および制御部１５０と電気的に接続され、反応容器１１０の内部温度を一定に維持させる役割を果たすことができ、反応容器１１０の内部温度を５〜２５℃に維持するように冷却する役割を果たすことができる。前記反応容器１１０の内部温度はアポフェリチン溶液と金属イオン水溶液との反応に関連する温度であって、反応温度が５℃未満の場合には、その温度があまり低いため、反応がよく起こらないという問題があり、反応温度が２５℃を超える場合には、それ以上の温度上昇効果なしに工程費用および時間のみを増加させる問題点があって、反応温度を適切に維持するように構成することが好ましい。

制御部１５０は、反応容器１１０、金属イオン水溶液注入部１２０、攪拌部１３０、冷却部１４０および排出部１９０の駆動をそれぞれ制御する役割を果たす。このとき、制御部１５０は、冷却部１４０の下部に配置できるが、必ずしもこれに限定される必要はない。図示してはいないが、制御部１５０は、反応容器１１０、冷却部１４０、温度感知部１８０などの装置と分離される形態、すなわち反応容器１１０と離隔した外側に配置されてもよい。

本発明に係る水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００は、前記反応容器１１０の内部に投入されたアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液のｐＨを調節する制御部１５０に連結されたｐＨ調節部１７０をさらに含んで構成することにより、反応容器１１０の内部のｐＨを一定に維持するようにすることができ、合成反応中に反応容器１１０の内部がｐＨ６〜７となるように制御部１５０によって調節できる。

ｐＨの調節は、水酸化ナトリウムＮａＯＨまたは炭酸カルシウムＣａＣＯ_３などの塩基性物質を含む水溶液を用いてｐＨ調節部１７０によって反応容器１１０の内部のｐＨを調節するようにすることが好ましい。

本発明に係る水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００は、反応容器１１０の内部に投入されたアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液との反応温度を測定する制御部１５０に連結された温度感知部１８０をさらに含んで構成することができ、反応容器１１０の内部温度を感知して制御部１５０による温度調節を可能とする。このように、測定された温度は後述の制御部１５０に入力され、これにより、前記制御部１５０は温度感知部１８０で測定された温度を用いて冷却部１４０の駆動を制御することにより、反応容器１１０の内部、具体的にはアポフェリチン溶液と金属イオン水溶液との混合溶液の温度を制御することができる。

本発明に係る水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００は、反応容器１１０の温度を一定に維持するように断熱膜１６０をさらに含んで構成することができる。断熱膜１６０は、反応容器１１０の外部に取り付けられ、反応容器１１０の外部を遮断し、冷却部１４０によって調節される反応容器の内部の温度が一定に維持されるようにすることができる。

排出部１９０は、前記反応容器１１０の下端部に設置され、合成済みのフェリチンのみ集積する容器（図示せず）と反応完了溶液のみを分離排出することが可能なメンブレンフィルター部１９２を含むように構成され、合成反応済みの金属ナノ粒子とフェリチンを含む反応完了溶液のみを分離するようにすることができる。

前述したような構成の本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置は、アポフェリチンと反応することが可能なＦｅ（II）、Ｃｄ（II）、Ｚｎ（II）、Ｍｎ（II）、Ａｌ（III）およびＵＯ_２（II）の金属イオンを水溶性金属ナノ粒子に製造することができ、反応が完了した反応完了溶液は、前述した金属イオンによって形成された金属ナノ粒子とフェリチンを含む。

フェリチンは、内径８ｎｍの球状の鉄（Ｆｅ）貯蔵タンパク質あるいは鉄タンパク質であって、タンパク質１分子あたり最大４５００個の鉄（Ｆｅ）イオンを貯蔵することができる。鉄（Ｆｅ）イオンは、フェリハイドライト（ｆｅｒｒｉｈｙｄｒｉｔｅ）のミネラル形態で貯蔵されるようにするが、フェリチンは、生体外で酸素分子の存在下に鉄（II）をアポフェリチンと反応させることにより再置換される特性を示し、Ｆｅ（II）イオンだけでなく、Ｃｄ（II）、Ｚｎ（II）、Ｍｎ（II）、Ａｌ（III）およびＵＯ_２（II）などの金属イオンも、フェリチンに結合されて核形成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）し、鉄、カドミウム、亜鉛、マンガン、アルミニウムまたはウラニウムからなる金属ナノ粒子を形成することができる。このように生産された金属ナノ物質は優れた均一性および安定性を示す。

鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を用いて金属ナノ粒子を製造するための所定の反応時間が経過した後には、合成反応を終結させなければならない。一般な反応終結法は、ナノ粒子が溶解されないメタノールやアセトンなどの溶液に反応溶液を含浸することにより反応を終結させるが、このような方法を使用する場合、合成されたナノ粒子の量が多くなると、このような反応終結法が容易ではなく、均一な反応終結を実現することが難しいという欠点がある。

したがって、本発明では、氷水を用いて反応溶液を急速に冷却させることにより反応を終結させるように構成し、均一な反応終結のために瞬間的に温度を下げて反応を終結することができる。そのために、冷却部を用いてより容易に反応終結を実現することができて好ましく使用することができる。

そして、急速冷却による減温によって金属ナノ粒子の合成反応を終結した後は、別の装置を図示していないが、メタノールやアセトンなどの洗浄溶液で金属ナノ粒子を十分に洗浄して不純物を除去するように構成することができる。

このように、上述した鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置１００を用いて金属ナノ粒子を製造すると、マルチスプレーインジェクション方式で金属イオン水溶液を投入することが可能なので、略１Ｌの体積の溶液を反応させることが可能な反応装置を設計することができる。

したがって、反応容器の体積サイズによる設定量に合わせてナノ粒子を合成することができ、核生成のための金属イオン水溶液の投入時間を短縮させることができ、均一なナノ粒子の核生成を誘導することができて効率よく利用することができる。また、合成された金属ナノ粒子は、非常に均一な構造を示すため、半導体工程でパターンを形成する２Ｄ配列によるリソグラフィー工程によって少量でも高付加価値の経済利益を得ることができる。

以下、本発明を下記の実施例を挙げて例示するが、本発明の保護範囲は下記実施例にのみ限定されるものではない。

＜実施例＞水溶性金属ナノ粒子の合成
本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置を使用して金属ナノ粒子を、次のとおり製造した。

反応バッファである２０ｍＭ ＭＯＰＳ（３−［Ｎ−ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ］ｐｒｏｐａｎｅ ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）にＦＡＳ（Ｆｅｒｒｏｕｓ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｓｕｌｆａｔｅ）１．５６９ｋｇを完全に溶かした金属イオン水溶液を、図２に示すように設計されたアポフェリチン１０００ｍｇ／ｍＬの濃度の溶液が入っている１Ｌの反応容器に詰め込んだ。反応容器の温度は約２０〜２５℃の範囲で自動調節した。反応容器には、均一な粒子の成長のために窒素ガスの充填と３００ｒｐｍの攪拌を持続的に行った。

一方、反応容器内に大量の酸化された鉄を注入するとき、酸化された鉄のアポフェリチンのランダム（ｒａｎｄｏｍ）な再吸着が発生するので、タンパク質１分子あたり５００個の鉄が入れる金属イオン水溶液５２．４ｍＬをアポフェリチン１０００ｍｇ／ｍＬの濃度の反応容器にマルチスプレーインジェクション方式によって２５分間隔で自動注入した。このとき、注入時間は１０秒以内であり、反応容器の部分別温度勾配の差が２℃未満となるように調節した。

サイズ８ｎｍの球状タンパク質による粒子の成長が頂点となる、タンパク質１分子あたり最大４５００個の鉄イオンまで貯蔵する時点で、反応物は濃い胆汁色に変化し、このときまでかかる反応時間は約４時間程度である。最後に、反応の完了した再合成フェリチンを含む反応溶液は、合成済みの鉄フェリチンのみを集積する容器と反応完了溶液のみを分離排出することが可能なメンブレンフィルター部を経て鉄合成ナノ粒子のみを選択的に分離した。

分離された鉄ナノ粒子は、２Ｄ配列を持つマイクロ篩を用いて、半導体工程に必要な２Ｄ配列リソグラフィー工程を行った後、完全に乾燥させた。その後、ＦＥ−ＳＥＭを介してその粒度分布を確認した結果、約８ｎｍの鉄ナノ粒子が合成されたことを確認することができた。

このような本発明に係る鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置によれば、合成率を極大化することが可能な鉄水溶液濃度の調節、ｐＨ、温度などの様々な条件を最適化して均一な核成長を誘導することができ、これにより、均一かつ微細な高付加価値の金属ナノ粒子を生成することができるという効果があることを確認することができた。

１００ 合成装置
１１０ 反応容器
１２０ 金属イオン水溶液注入部
１３０ 撹拌部
１３２ 撹拌器
１３４ 駆動モーター
１４０ 冷却部
１５０ 制御部
１６０ 断熱膜
１７０ ｐＨ調節部
１８０ 温度感知部
１９０ 排出部
１９２ メンブレンフィルター部

Claims (13)

1. アポフェリチン溶液が投入される反応容器と、
   前記反応容器に連通するように取り付けられ、前記反応容器に金属イオンを含む水溶液を供給するための金属イオン水溶液注入部と、
   前記反応容器の上部に設置され、前記反応容器内に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液とを撹拌させる撹拌部と、
   前記反応容器の下部に取り付けられ、前記反応容器を冷却させる冷却部と、
   反応が終結して、金属ナノ粒子およびフェリチンを含む反応溶液を排出分離するための排出部と、
   前記反応容器、前記金属イオン水溶液注入部、前記攪拌部、前記冷却部及び前記排出部の駆動をそれぞれ制御する制御部とを含んでなることを特徴とする、鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
2. 前記金属イオン水溶液注入部はマルチスプレーインジェクター（ｍｕｌｔｉ−ｓｐｒａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）からなることを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
3. 前記金属イオンはＦｅ（II）、Ｃｄ（II）、Ｚｎ（II）、Ｍｎ（II）、Ａｌ（III）およびＵＯ_２（II）の中から選ばれる１種であることを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
4. 前記反応容器の内部に投入されたアポフェリチン溶液および前記金属イオン水溶液のｐＨを調節するｐＨ調節部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
5. 前記ｐＨ調節部は、前記反応容器のｐＨがｐＨ６〜７となるように調節することを特徴とする、請求項４に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
6. 前記反応容器の内部に投入されたアポフェリチン溶液と前記金属イオン水溶液との反応温度を測定する温度感知部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
7. 前記反応容器の外部に設置され、温度の変化を防止する断熱膜をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
8. 前記攪拌部は、前記反応容器に投入されるアポフェリチン溶液と前記金属イオンを含む水溶液とを攪拌する攪拌器、および
   前記攪拌器の回転運動を制御する駆動モーターを含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
9. 前記冷却部は、前記反応容器の温度が５〜２５℃となるように冷却することを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
10. 脱気（ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）制御バルブをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
11. 前記排出部は、合成済みのフェリチンと反応完了溶液を分離排出することが可能なメンブレンフィルター部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の鉄タンパク質を用いた水溶性金属ナノ粒子の合成装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の合成装置を用いて製造された水溶性金属ナノ粒子。
13. 粒子サイズが２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１２に記載の水溶性金属ナノ粒子。

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