JP2016150893A - 酸化グラフェンシートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長さが１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下で、幅が２０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下の微小サイズであって、かつ構造欠陥が少ない酸化グラフェンシートを、簡便な方法で、しかも大量に生産可能な酸化グラフェンシートの製造方法を提供する。【解決手段】 原料として、通常使用しているグラファイトやカーボンナノチューブの代わりに、カーボンナノホーン集合体を用い、それを酸化処理した後、超音波処理することで、均一なナノサイズで、しかも構造欠陥の少ない酸化グラフェンシートを大量合成できる。【選択図】 なし

Description

本発明は、酸化グラフェンシートの製造方法に関し、特に、原料にカーボンナノホーン集合体を用いた酸化グラフェンシートの製造方法に関する。

グラフェンは、１原子厚さのシート状物質であり、ｓｐ²結合した炭素原子により形成された蜂の巣状の結晶格子で形成されている。グラフェンは、可視から赤外までの広い波長範囲の光に対する高い透明性、良好な電気伝導性・熱伝導性などの優れた特性があり、透明導電膜用の材料をはじめ、多様な可能性を有する素材として注目を集めている。

グラフェンを製造する方法としては、化学的酸化剥離法、エピタキシャル成長法、化学気相成長(ＣＶＤ)法等の多くの方法が続々と開発されている。なかでも、ＣＶＤ法は、高品質グラフェンの調製を制御することができる主要な方法である。一方、化学的酸化剥離法は、グラファイトから酸化グラフェン(以下、「ＧＯ」と称することもある)が簡単に作られ(非特許文献１〜４)、それを還元してグラフェンの大量生産が期待されている。

また、得られるＧＯは水溶性が高く、近赤外から可視・紫外光領域において発光(蛍光)があり、更に、エポキシ基、水酸基、カルボニル基、カルボン酸基等の酸素官能基が豊富なため機能化もされやすいなどと色々な優れた特性があるため、バイオ分野への応用にも注目されている。最近では、酸化ナノグラフェンを用いて、細胞イメージングや薬物配達(ＤＤＳ：Drug delivery system)への応用可能性が報告されている(非特許文献５〜７)。

しかし、化学的酸化剥離法により得られたＧＯシートは、原料であるグラファイトの結晶粉末の粒子サイズが均一ではないため、サイズ及び層数などの構造的特徴を制御するのが難しく、様々なサイズのＧＯシートになり、その大きさ(幅、長さ)は、大体１００ｎｍ〜数十μｍになってしまう。ＧＯシートを、バイオ・医療分野への応用する場合には１００ｎｍ以下の小さなＧＯが要求されるため、更に分離精製する必要がある。

原料のグラファイトの酸化剥離処理条件、例えば処理時間の延長や温度を高めにするなどによって微小なＧＯシートを作成することが可能であるが、作製したＧＯシートの構造欠陥が多い。また、作製したＧＯシートのサイズ(幅、長さ)をコントロールするのが難しく、様々なサイズが混合して共存している。
また、原料に短いカーボンナノチューブを用いて、小さい幅のシート(ナノリボン)の作製も可能であるが(非特許文献８、９)、僅かな量しか合成できず、シートの長さの調整も難しい。

品質の良いＧＯシートを大量に製造する方法として、特許文献１では、黒鉛、多層カーボンナノチューブなどのグラフェン含有炭素物質を界面活性剤などの分散剤により分散させて前記グラフェン含有炭素物質の集合単位を小さくし、好ましくは更に遠心分離により大きな塊状の集合体を除去した後、グラフェン含有炭素物質を酸化処理することが提案されている。
しかしながら、特許文献１では、得られたＧＯシートを、摩擦材、導電性繊維、炭素繊維、高強度軽量化金属材料などに応用することを目的とするものであって、そのため、黒鉛(グラファイト)を用いる場合、その形状はフレーク状で、その長さは、好ましくは１０ｎｍ〜５００μｍ、更に好ましくは５００ｎｍ〜２μｍとしており、また、カーボンナノチューブを用いる場合、その形状は帯状であり、その幅は、６ｎｍ〜３００ｎｍが好適であるとしている。すなわち、特許文献１では、長さが１００ｎｍ以下で、幅が２０ｎｍ以下の小さなＧＯシートを得ることについては何ら言及されていない。

一方、特許文献２では、ペタル含有カーボンナノホーン集合体を、過酸化水素中加熱などによって酸化することにより、ペタル構造が大半を占めるカーボンナノホーン集合体を形成するとしている。
しかしながら、粒子径が５０〜９０ｎｍの球状集合体(凝集体)を得て、触媒担体、吸着剤、分散剤、インク、トナーなどに、特に、触媒担持カーボンナノホーン集合体に適用することを目的とするものであり、均一な、小さいサイズのシート状物を得ることについては何ら言及されていない。

Hummers, W. S.; Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339. Hirata, M.; Gotou, T.; Horiuchi, S.; Fujiwara, M.; Ohba, M. Thin-film particles of graphite oxide: High-yield synthesis and flexibility of the particles. Carbon 2004, 42, 2929. Dikin, D. A.; Stankovich, S.; Zimney, E. J.; Piner, R. D.; Dommett, G. H. B.; Evmenenko, G.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Preparation and characterization of graphene oxide paper. Nature 2007, 448, 457-460. Li, D.; Mueller, M. B.; Gilge, S.; Kaner, R. B.; Wallace, ２７９３G. G. Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nat. Nanotechol. 2008, 3, 101. Sun, X.; Liu, Z.; Welsher, K.; Robinson, J.; Goodwin, A.; Zaric, S.; Dai. H. Nano-graphene oxide for cellular imaging and drug delivery. Nano Res. 2008, 1, 203. Yang, K.; Zhang, S.; Zhang, G.; Sun, X.; Lee, S.; Liu, Z. Graphene in mice: Ultrahigh in vivo tumor uptake and efficient photothermal therapy. Nano Lett. 2010,10, 3318. Tian, B.; Wang, C.; Zhang, S.; Feng, L.; Liu, Z. Photothermally enhanced photodynamic therapy delivered by nano-graphene oxide. ACS Nano 2011, 5, 7000. Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 2009, 458, 877-880. Kosynkin, D. V. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 2009, 458, 872-876.

国際公開第２０１１／０７４１２５号 国際公開第２０１１／０９３６６１号

本発明は、こうした現状を鑑みてなされたものであって、バイオ・医療分野への応用が可能な、長さが１００ｎｍ以下で、幅が２０ｎｍ以下、好ましくは長さが５０ｎｍ以下で、幅が１０ｎｍ以下の、微小で、かつ構造欠陥が少ないＧＯシートを、簡便な方法で、しかも大量に生産可能なＧＯソートの製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者は、上記目的をこうした現状を鑑みてなされたものであって、原料として使用するグラファイトやカーボンナノチューブなどの代わりに、カーボンナノホーン集合体を用いるとともに、該集合体の分散工程を経ることなく酸化処理するという簡便な方法により、均一なナノサイズで、しかも構造欠陥の少ないＧＯシートを大量合成できることが判明した。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］カーボンナノホーン集合体を原料に用い、該カーボンナノホーン集合体を酸化処理した後、超音波処理することを特徴とする酸化グラフェンシートの製造方法。
［２］前記酸化処理に、濃硫酸及び過マンガン酸カリウムを用いることを特徴とする[１]に記載の酸化グラフェンシートの製造方法。
［３］[１]又は[２]に記載の製造方法で得られた酸化グラフェンシートであって、長さが５０ｎｍ以下、幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする酸化グラフェンシート。

本発明によれば、簡便に、大量生産が可能である。また、得られるＧＯシートは、長さが５０ｎｍ以下で、幅が１０ｎｍ以下の微小サイズであって、かつ構造欠陥が少ないために、医療分野へ応用が可能となり、また、還元して用いることにより、例えば、その優れた導電性等の特性を利用してエレクトロニクスなどへの応用が期待される。

実施例１で得られた微小酸化グラフェン(Ｓ−ＧＯ)シートの電子顕微鏡写真。 実施例１で得られたＳ−ＧＯシートの原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)写真と同Ｓ−ＧＯシートの厚み(高さ)の分析結果を示す図。 実施例１で得られたＳ−ＧＯシートの光吸収スペクトル(ａ)と蛍光スペクトル(ｂ)を示す図。 実施例１で得られたＳ−ＧＯシートの赤外分光スペクトルを示す図。 実施例１で得られたＳ−ＧＯシートの熱重量分析(ＴＧＡ)の結果を示す図であり、ａは酸素中、ｂはヘリウム中のものである。 ａは、ｐＧ付きビーズ回収後を撮影した写真であり、左から、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧ、Ｓ−ＧＯ−ＢＳＡ、Ｓ−ＧＯ＋ＩｇＧ、Ｓ−ＧＯの写真。ｂは、それぞれのビーズから溶出した液の蛍光スペクトルを示す図である。

カーボンナノホーンは、巻かれたグラフェンシートの先端が閉じて角(ホーン)状に尖った、直径２〜５ｎｍ、長さ４０〜５０ｎｍの円錐型の形状を持つものであり、これが数千本寄り集まって直径１００ｎｍ程度の球形集合体を形成しているものである。
本発明は、原料にこのカーボンナノホーン集合体を用い、これを酸化処理した後、超音波処理することにより酸化グラフェンシートを得ることを特徴とするものである。

すなわち、本発明においては、特許文献１に記載のような集合体の分散工程を経ることなく、カーボンナノホーン集合体を酸化処理することにより、長さが５０ｎｍ以下で、幅が１０ｎｍ以下の、微小な酸化グラフェンシート(ＧＯ)を得ることができるものである。
なお、本発明においては、得られたＧＯシートの形状は一定ではないため、便宜上、長いほうの大きさを「長さ」とし、短いほうの最大値を「幅」ということとする。

本発明において、原料に用いるカーボンナノホーン集合体は、特に限定されず各種の手段で製造することができるが、不活性ガス雰囲気中で原料の炭素物質に対してレーザー光を照射するレーザーアブレーション法により製造されたものは、サイズ(直径１００ｎｍ程度)が揃っていることから、好ましく用いられる。

本発明において、酸化処理は、従来の化学的酸化剥離法に用いられていた、塩素酸塩などの酸化剤を用いて酸化する方法や、濃硝酸と過マンガン酸カリウムで処理する等の公知の方法により行うことができる。

特に、酸化剤として過マンガン酸カリウムを用いる場合、好ましくは、カーボンナノホーン集合体を濃硫酸に分散させた液に、過マンガン酸カリウムを加えるのが好ましい。
具体的には、例えば、カーボンナノホーン集合体を濃硫酸の中で２〜２４時間攪拌して得られた分散液に、過マンガン酸カリウムを室温(２０〜２５℃)で添加し、その後６０〜８０℃で４０〜６０分撹拌し、さらに純水を添加した後３０〜４０分反応させる。

酸化処理後、得られた反応液を、遠心分離／沈殿の再分散を、上澄み液のｐＨが中性になるまで繰り返し、沈殿物を得る。この得られた沈殿物に、水を加えて超音波処理してから、遠心分離し、遠心水を回収する。こうして得られた遠心水が、本発明の微小サイズのＧＯシートの透明な分散液である。
この場合の超音波処理の条件は、２６０〜３００Ｗ、２０〜６０分が好ましく、特に、２８０Ｗ、３０分が好ましい。

本発明の方法により製造された微小ＧＯシートは、長さ２０〜１００ｎｍ、好ましくは、２０〜５０ｎｍ、幅が、２〜２０ｎｍ、好ましくは、２〜１０ｎｍの、ナノサイズのシートであり、表面積が大きく、多くの官能基を有し、親水性が高い。そのため、薬物のキャリアーとしてドラッグデリバリー(ＤＤＳ)への応用が期待できる。特に、均一で小さいサイズであるため、ナノカーボンＤＤＳへの実用化に求められている長い血中滞留時間、患部への高い選択的到達率、体外への排出などが改善可能であると期待できる。

また、本発明で製造した微小ＧＯシートは、可視光領域において発光(蛍光)があり、蛍光ラベルとしての免疫検査への応用が可能である。また、その豊富なカルボキシル基と蛋白質などのアミノ基をアミド結合にて結合させることができるので、その表面には生体分子検出のための機能性分子が付加でき、バイオイメージングや、バイオセンサへの応用が可能である。

また、本発明の方法により製造された微小ＧＯシートは、熱処理や、光照射または化学反応により還元すると、一般のグラフェンや酸化グラフェンの様に、透明導電膜、蓄電・発電、トランジスタ集積回路などのエレクトロニクスにも応用できる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、以下のようにして、微小ＧＯシート(以下、「Ｓ−ＧＯシート」とする)を製造した。
レーザーアブレーション法により製造された１００ｍｇカーボンナノホーン集合体(粒子直径８０〜１００ｎｍ)を１００ｍＬのガラス瓶に入れ、１０ｍＬ濃硫酸(９８％)を加え、２０時間室温で撹拌した後、室温でゆっくり過マンガン酸カリウム１００ｍｇを加えた。その後、該ガラス瓶を７０℃(水浴)で１時間撹拌した。
その後、該ガラス瓶を取り出して、氷浴中撹拌しながら５０ｍＬの純水を添加し、再度７０℃の水浴で４０分撹拌し、過酸化水素水(３０％、８ｍＬ)と１２ｍＬの純水を加え、反応を停止させた。

次いで、ガラス瓶から反応液を遠心管に移し、５０００ｒｐｍにて１時間遠心し、上澄みを廃棄した。この遠心管に１０％塩酸を加え、沈殿を再分散させてから、５０００ｒｐｍ、１時間遠心分離し、上澄みを廃棄する。さらに該遠心管に純水を加え、再分散・遠心分離(２００００ｒｐｍ、２０ｍｉｎ)し、上澄みを廃棄した。
上澄み液のｐＨが中性になるまで、この再分散／遠心分離操作を１０回繰り返した。
こうして沈殿物を５０ｍＬの純水を加え、超音波(２８０Ｗ、２０分)処理してから、遠心分離(２０００ｒｐｍ、２０ｍｉｎ)し、遠心液の９０％を回収した。
回収した遠心液は、Ｓ−ＧＯシートの透明な分散液であった。

（実施例２）
本実施例では、実施例１で得られたＳ−ＧＯシートの特性を調べた。
実施例１で得られたＳ−ＧＯの分散液の一滴を電子顕微鏡用Ｇｒｉｄや、シリコンウェーハに載せて、Ｓ−ＧＯの構造と大きさ及びＳ−ＧＯシートの厚みを、電子顕微鏡、及び原子間力顕微鏡で確認した。

図１は、Ｓ−ＧＯシートの電子顕微鏡写真である。図１から明らかなように、Ｓ−ＧＯシートは、長さが２０〜５０ｎｍ、幅が２〜１０ｎｍであった。このサイズは一本のナノホーンとほぼ同じである。

図２は、Ｓ−ＧＯシートの原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)写真とその分析結果を示す図であり、ＡＦＭ写真に示す１〜３の３点における、Ａ−Ｂ方向の距離(幅)及び高さ(厚み)をまとめて表にしたものである。
表に示すように、Ｓ−ＧＯシートの厚みは０.７〜２.１ｎｍで、単層〜数層のグラフェンシートが共存していることがわかる。

図３に、Ｓ−ＧＯシートの光吸収スペクトル(Lambda 1050 UV-Vis-NIR spectrophotometer, Perkin-Elmer)（ａ）と、波長３４５ｎｍの光で励起した際の蛍光スペクトル(FluoroLog 3, Horiba)（ｂ）を示す。
図３から明かなように、得られたＳ−ＧＯの分散液は、３００ｎｍに広い吸収ピークショルダーがあり、３４５ｎｍ光で光励起すると４００〜８００ｎｍの波長領域で強い蛍光が見られた。

また、作製したＳ−ＧＯの分散液を凍結乾燥し、乾燥したＳ−ＧＯの量から、Ｓ−ＧＯの収率が約４０％であることが分かった。

図４に、Ｓ−ＧＯシートの赤外分光(ＦＴ−ＩＲ)スペクトル(Spectrum One, Perkin-Elmer)を示す。
ＦＴ−ＩＲスペクトルの結果から、Ｓ−ＧＯシートが、−ＯＨ、−Ｏ＝Ｏ、Ｃ−Ｏ−Ｃなどの官能基を有することがわかった。

図５に、熱重量分析(TGA 2950, TA instruments)の結果を示す。なお、参考として、原料であるナノカーボンホーン集合体についても熱重量分析を行った。
図５において、ａは、燃焼を調べるための酸素中でのものであり、ｂは、熱分解を調べるためのヘリウム中でのものであり、それぞれ、実線で示すものがＳ−ＧＯシートの結果、点線で示すものが参考に用いたカーボンナノホーン集合体の結果である。
該図のａから、カーボンナノホーン集合体の酸素中の燃焼温度は６００℃であるのに対して、Ｓ−ＧＯシートの燃焼温度が低くなり、約４２０℃であることがわかった。室温〜約４２０℃までの重量減少は、−ＯＨ、−Ｏ＝Ｏ、Ｃ−Ｏ−Ｃなどの官能基が酸化されＣＯあるいはＣＯ₂となって離脱したことによるものである。
また、該図のｂから、カーボンナノホーン集合体は殆ど分解していないのに対して、Ｓ−ＧＯシートは４００℃において約５０％分解していることがわかり、このことから−ＯＨ、−Ｏ＝Ｏ、Ｃ−Ｏ−Ｃなどの官能基の重量は約５０％であることが確認できた。

（実施例３）
前述のとおり、本発明で作製したＳ−ＧＯシートは可視光蛍光が強いため、蛍光ラベルとしての免疫検査への応用が可能である。また、Ｓ−ＧＯシートの豊富なカルボキシル基と蛋白質などのアミノ基をアミド結合にて結合させることができる。そこで、本実施例では、以下のようにして、蛍光ラベルとしての免疫検査への応用を検討した。

実施例１で得られたＳ−ＧＯを含有する液(２００μＬ、２ｍｇ／ｍＬ)に約２ｍｇのＥＤＣ(Ｎ,Ｎ'-ジシクロヘキシルカルボジイミド)と２ｍｇＮＨＳ(Ｎ-ヒドロキシスクシンイミド)を加え、１５分撹拌し、Ｓ−ＧＯのカルボキシル基を活性化させた。その後、活性化したＳ−ＧＯ分散液を、限界濾過(Ｍｗ５０００)により、未反応ＮＨＳとＥＤＣを除去し、活性化したＳ−ＧＯを２００μＬのリン酸緩衝生理食塩水(ＰＢＳ)に分散し、１００μｇの免疫グロブリンＧ(Immunoglobulin G：ＩｇＧ)と室温で２時間反応させ、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧを合成した。反応後、未反応のＩｇＧを限界濾過(Ｍｗ３００Ｋ)で除去し、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧをＰＢＳ中に分散し回収した。

得られたＳ−ＧＯ−ＩｇＧを、プロテインＧ(ｐＧ)付き磁気ビーズ(Bio-Adem beads Protein G)と混合し、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧとｐＧをカップリングさせ、その後、磁石により、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧ／ｐＧ磁気ビーズを回収した。
同様にして、ＩｇＧとＢＳＡ(非抗体たんぱく質)を反応させて得たＳ−ＧＯ−ＢＳＡ、Ｓ−ＧＯとＩｇＧを混合したもの(Ｓ−ＧＯ＋ＩｇＧ)、及びＳ−ＧＯのみのものについても、磁石でｐＧ付きビーズを回収した。

図６ａは、ｐＧ付きビーズを回収した後のものを撮影した写真であり、左から、Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧ、Ｓ−ＧＯ−ＢＳＡ、Ｓ−ＧＯ＋ＩｇＧ、Ｓ−ＧＯの写真である。また、図６ｂは、それぞれのビーズから溶出した液の蛍光スペクトルを示す図である。

Ｓ−ＧＯ−ＩｇＧは、図６ａの左端の写真から明らかなように、回収に伴い、Ｓ−ＧＯにより茶色を呈していた溶液は完全に透明になり、特異的にターゲット物質Protein G(ｐＧ)と完全反応したことがわかった。そして、反応したＳ−ＧＯ−ＩｇＧ−ｐＧをビーズから溶出して、溶出液を３４５ｎｍの光により励起するとＳ−ＧＯの蛍光発光を確認できた(図６ｂ参照)。

一方、ＩｇＧとＢＳＡ(非抗体たんぱく質)を反応させて得たＳ−ＧＯ−ＢＳＡやＳ−ＧＯとＩｇＧを混合したもの(Ｓ−ＧＯ＋ＩｇＧ)とＳ−ＧＯのみを用いた場合は、ターゲット物質ｐＧとカップリングせず、磁石でｐＧ付きビーズを回収しても、ＧＯによる溶液の茶色は変化せず、蛍光強度も非常に弱かった。
この結果から、Ｓ−ＧＯは免疫検査用蛍光ラベルとして応用可能であると期待できる。

Claims (3)

1. カーボンナノホーン集合体を原料に用い、該カーボンナノホーン集合体を酸化処理した後、超音波処理することを特徴とする酸化グラフェンシートの製造方法。
2. 前記酸化処理に、濃硫酸及び過マンガン酸カリウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェンシートの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法で得られた酸化グラフェンシートであって、長さが５０ｎｍ以下、幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする酸化グラフェンシート。

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