JP4142675B2 - フラーレン分散液の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はフラーレン分散液の製造方法に関し、より詳しくは、他の化学物質の混入が無く且つ高い分散安定性を有するフラーレン分散液を簡便に製造するための方法に関するものである。

一般的に、フラーレンは、６０個以上の炭素原子が籠状に繋がった直径約１ｎｍ程度の中空の分子であり、例えば、炭素原子が６０個繋がったＣ_６０は、直径約０．７ｎｍのサッカーボール状の球形分子である。
かかる構造を有するフラーレンは、特異な電気化学特性、機械的特性、光学的特性、ガス吸着特性等を示すことが知られており、新規な機能性物質として、エレクトロニクス、ライフサイエンス、農畜等の多様な分野への応用が大いに期待されている。

このうち、ライフサイエンス分野への応用としては、癌の光線力学的療法剤への応用が注目されている。
光線力学療法剤に求められる性質は、弱い光で効率よく活性酸素を発生させる能力と、人体に対する毒性の低さであるが、Ｃ_６０は、一重項酸素の発生の量子収率（Φ＝０．９６）が、他の代表的な光増感剤であるメチレンブルー（Φ＝０．５２）、ローズベンガル（Φ＝０．８３）、エオシン（Φ＝０．５７）等に比べて格段に高く、また人体への毒性も無いと予測されていることから、光線力学的療法剤への応用が大いに期待されている。
しかしながら、Ｃ_６０は水に不溶であり、分散性も低いことから、体内への投与が困難であるという大きな問題があった。

フラーレンを水溶化或いは水分散化するための方法は、既に数多く提案されている。
このうち、代表的な方法としては、水溶性高分子によって化学修飾する方法（例えば、特許文献１参照）、シクロファン類、シクロデキストリンやカリックス−[８]−アレーン等の包接化合物によって包接する方法（例えば、特許文献２，３参照）、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解して水と混合した後、有機溶媒を除去する方法（溶媒置換法）（例えば、特許文献４、非特許文献１参照）が知られている。

しかしながら、上記したような従来の方法には夫々問題点が存在している。
第一の方法、即ち、フラーレンを水溶性高分子によって化学修飾する方法は、化学修飾されることによってフラーレン独自の物性が変化するおそれがあり、物性の変化によって発癌性が発現する可能性が指摘されている。
第二の方法、即ち、フラーレンをシクロファン類等の包接化合物によって包接する方法は、操作が非常に複雑である上に、純粋にフラーレンのみからなる分散液を得ることはできない。
第三の方法、即ち、フラーレンをベンゼン等の有機溶媒に溶解して水と混合した後、有機溶媒を除去する方法は、近年大いに注目されている方法であって、本方法による分散液の調製が行われ、数多くの論文が発表されているが、有機溶媒の残留の問題が指摘されている。

このように、フラーレンを水溶化或いは水分散化するための方法自体は従来公知であるものの、これら公知の方法は上記したような問題点を夫々有していることから、応用範囲が大きく制限されざるを得ず、特に上述した光線力学療法剤のような医学・薬学分野や、食品・環境分野への応用は困難であった。

特開平９−２３５２３５号公報 特開平７−２０６７６０号公報 特開平８−３２０１号公報 特開２００１−３４８２１４号公報 G. V. Andrievsky, V. K. Klosevuch, A. B. Bordyuh, G. I. Dovbeshko, "Comparative analysis of two arueous-colloidal solutions of C60 fullerene with help of FTIR reflectance and UV-Vis spectroscopy", C. P. L. 364. 8-17 (2002)

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、他の化学物質の混入が無く、しかも高い分散安定性を有することによって、医学・薬学分野や食品・環境分野などの従来の製造方法で得られたものでは応用が困難であった多様な分野への応用を可能とし得るフラーレン分散液の製造方法を提供するものである。

請求項１に係る発明は、水中に混入したフラーレン粒子に対してパルスレーザーを励起光強度３０〜５０mＪ／ｃｍ ^２ で照射することにより、該フラーレン粒子を粉砕してナノ粒子化することを特徴とするフラーレン分散液の製造方法に関する。

請求項２に係る発明は、フラーレン粒子を混入した水を攪拌しながらレーザーを照射することを特徴とする請求項１記載のフラーレン分散液の製造方法に関する。

請求項３に係る発明は、前記パルスレーザーのパルス幅が、数十フェムト秒〜数百ナノ秒であることを特徴とする請求項１又は２記載のフラーレン分散液の製造方法に関する。

請求項４に係る発明は、フラーレンがC _６０ フラーレンであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のフラーレン分散液の製造方法に関する。

水中に混入したフラーレン粒子に対してレーザーを照射し、該フラーレン粒子を粉砕してナノ粒子化することによって、分散剤等を用いることなく高い分散安定性を有するフラーレン分散液を得ることができる。しかも、得られたフラーレン分散液は、高い分散安定性を有し且つ他の化学物質の混入が全く無いため、医学・薬学分野や食品・環境分野などの従来の製造方法で得られた分散液では応用が困難であった多様な分野への応用が可能となる。
また、レーザーとしてパルスレーザーを用いることによって、連続発振レーザーに比べてピーク出力を高くすることができ、フラーレン粒子を確実に破砕することが可能となる。
更に、パルスレーザーを励起光強度３０〜５０ｍＪ／ｃｍ ^２ で照射することによって、フラーレン粒子を確実に破砕することが可能となるとともに、フラーレン自体が破壊されない。

請求項２に係る発明によれば、フラーレン粒子を混入した水を攪拌しながらレーザーを照射することにより、水中にフラーレン粒子を満遍なく確実に混入した状態でレーザーを照射することが可能となり、効率良く且つ確実に高い分散安定性を有するフラーレン分散液を得ることができる。

請求項３に係る発明によれば、パルスレーザーのパルス幅が数十フェムト秒〜数百ナノ秒であることによって、フラーレン粒子を効率良く確実に破砕することが可能となる。

請求項４に係る発明は、フラーレンがＣ _６０ フラーレンであるため、得られたフラーレン分散液を、癌の光線力学的療法剤として応用することが可能となる。

以下、本発明に係るフラーレン分散液の製造方法の好適な実施形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。
本発明に係るフラーレン分散液の製造方法は、貧溶媒中に混入したフラーレン粒子に対してレーザーを照射することにより、該フラーレン粒子を粉砕してナノ粒子化することを特徴とするものである。

以下、本発明に係るフラーレン分散液の製造方法を説明するに当たって、先ず本発明の方法において用いられる製造装置について簡単に説明する。
図１は本発明に係るフラーレン分散液の製造方法において用いられる製造装置の一例を示す概略図である。
製造装置は、フラーレン粒子が混入された貧溶媒を収容する容器（１）と、容器（１）内に収容されたフラーレン懸濁液（４）を攪拌する攪拌装置（２）と、容器（１）内に収容された貧溶媒中に混入したフラーレン粒子に対してレーザー（３）を照射するレーザー照射装置（図示略）とから構成されている。

容器（１）は、レーザー光が透過可能な材料から形成されており、具体的にはガラスや石英等の透明な材料から形成されている。
本発明において、容器（１）内に収容されるフラーレン粒子が混入される貧溶媒としては、水、メタノール、エタノール、ｎ−ペンタン、シクロペンタン等を用いることができるが、最も代表的な貧溶媒としては水が挙げられる。従って、以下の説明では、貧溶媒を水として説明するが、水に代えて他の種類の貧溶媒（光に強く且つフラーレンが溶けないもの）を用いることもできる。

攪拌装置（２）は、容器（１）内に収容されたフラーレン懸濁液を攪拌することができるものであればよく、例えば攪拌羽根等の機械的手段を用いても良いが、図１ではマグネチックスターラーを用いた例が示されている。

レーザー照射装置の種類としては、ＹＡＧレーザー，チタンサファイアレーザー，ルビーレーザー等の固体レーザー、ＧａＡｓレーザー等の半導体レーザー、エキシマレーザー，Ａｒイオンレーザー，ＣＯ_２レーザー等の気体レーザー、色素レーザー等の液体レーザーを用いることができる。
また、発振形式については、パルス発振形式のものを用いる。

次に、本発明に係るフラーレン分散液の製造方法について詳細に説明する。
先ず、フラーレン粒子を容器（１）内に収容された水中に浮遊させる。このとき、水中への残留を防ぐために本発明では分散剤の添加は行わない。
本発明において用いられるフラーレンは特に限定されず、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７４、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８８、Ｃ_９０、Ｃ_９６等の任意の炭素数のものを単独で若しくはこれらの混合物を用いることができる。また、空フラーレンだけでなく、金属内包フラーレンを用いることも可能である。

上記した種類のフラーレンのうち、本発明ではＣ_６０（空フラーレン）が最も好ましく用いられる。
その理由は、上述したように、Ｃ_６０は一重項酸素の発生の量子収率が高く、人体への毒性も無いと予測されていることから、現時点において、癌の光線力学的療法剤への応用が大いに期待されており、また入手も比較的容易であるためである。

水中に混入するフラーレンは、合成後の粗製粉末を用いても良いが、前処理にて粉砕した粒子（結晶）を用いることが好ましく、この場合、平均粒径１〜１００μｍ程度となるようにすることが好ましい。これは、１００μｍを超える程に粒径が大きいとナノ粒子化されるまでに時間がかかり処理効率が低下する一方、前処理により１μｍ未満まで粉砕することは困難であるという理由による。
また、レーザー照射によるナノ粒子化の効率の観点からすると、水中に混入するフラーレンの量を適当に設定することが好ましい。一例として、水１ｍＬに対してフラーレン８０〜４００μｇという条件を例示することができる。

次いで、フラーレンを混入した水（フラーレン懸濁液）を、マグネチックスターラー等の攪拌装置（２）を用いて攪拌しながら、レーザー照射装置によって該フラーレン懸濁液中のフラーレンに対してレーザーを照射する。

水中に混入したフラーレンに対してレーザーを照射すると、フラーレン粒子がレーザー光を吸収し、光吸収部において急激且つ局所的な温度上昇が生じる。
この光吸収部の温度上昇はレーザー光照射後瞬間的に起こり、一方、光吸収部周囲の温度上昇は熱伝導によって起こるため、比較的大きな粉末からなるフラーレンを原料として用いた場合には、光吸収部とその周辺部に著しい内部応力が生じて粒子にクラックが発生して破砕が起こる。
フラーレン粒子が、レーザー光の照射波長に強い吸収性を有する場合、光吸収は主として粒子の表面で起こり、光照射表面と内部との間に温度差が生じるので、この場合でも、粒子表面が周囲の水によって冷却されることで、内部との間に温度勾配が生じて応力が発生し、破砕が達成される。

照射されるレーザーは、特に限定されるものではなく、紫外光、可視光、近赤外光、遠赤外光のいずれの波長をもつレーザーを使用することも可能であり、レーザーの種類は、上述したような公知の固体レーザー、半導体レーザー、気体レーザー、液体レーザーの中から適宜選択して用いることができる。
尚、レーザーの波長については、200〜600ｎｍ程度の波長のものを用いることが好ましい。その理由は、波長が200ｎｍより短いとレーザーの光エネルギーが水に吸収され易くなるとともにガラスや石英等の容器への吸収も無視できなくなり、600ｎｍより長いとフラーレン粒子の破砕効率が低下する傾向があるためである。

本発明において照射されるレーザーの具体的な例としては、Ｎｄ^３＋：ＹＡＧレーザー（基本波長１０６４ｎｍ）の第２高調波（波長５３２ｎｍ），第３高調波（波長３５５ｎｍ），第４高調波（波長２６６ｎｍ）、エキシマレーザー（波長１９３ｎｍ，２４８ｎｍ，３０８ｎｍ．３５１ｎｍ）、窒素レーザー（波長３３７ｎｍ）、Ａｒイオンレーザー（波長４８８ｎｍ又は５１４ｎｍ）等を挙げることができる。

照射されるレーザーの発振形式については、パルスレーザーを用いる。
パルスレーザーとしては、フラーレン粒子の破砕効率の観点から、パルス幅が数十フェムト秒〜数百ナノ秒のものを用いることが好ましい。
また、パルスレーザーの励起光強度は30〜50ｍＪ／ｃｍ^２とすることが好ましい。その理由は、励起光強度が30ｍＪ／ｃｍ^２未満であると、フラーレン粒子が確実に破砕できず、50ｍＪ／ｃｍ^２を超えると、フラーレン自体が破壊されるおそれがあるためである。

パルスの繰り返し周波数は、処理効率を考慮した場合、高い繰り返し周波数とすることが好ましいが、周波数が高くなると水が加熱されることにより、フラーレン粒子との温度差が少なくなって破砕理効率が低下するおそれがある。
そのため、水温が高くなり過ぎない範囲において高い繰り返し周波数とすることが好ましい。エキシマレーザーを用いる場合、例えば５〜２０Ｈｚの範囲に設定する。

本発明では、上記したようなレーザー照射に伴う水温の上昇による処理効率の低下を防ぐために、容器（１）を冷却する冷却装置を設けることによって、容器（１）内に収容されたフラーレン懸濁液の水温を常に一定値以下（例えば１０℃以下程度）に維持するように構成することもできる。
このように、水温が常に一定値以下となるように冷却することによって、レーザー照射時において、水とフラーレン粒子の表面、並びに、フラーレン粒子の表面と内部の間に顕著な温度差を生じさせて、フラーレン粒子を容易に破砕することが可能となる。

以下、本発明の実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。但し、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例）
図１に示す製造装置を用いてフラーレン分散液を製造した。
先ず、容器（１）内に水を収容し、水中に原料となるフラーレン（Ｃ_６０）粒子（微結晶）を供給した。
供給されたフラーレン粒子は、その多くが容器の底に沈殿して上澄み水は透明となったが、マグネチックスターラーにより攪拌を行うことによって、フラーレン粒子を水中に浮遊させた。

次いで、フラーレン粒子が混入された水に対して、レーザー照射装置からＮｄ^３＋：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ、パルス半値幅７ｎｓ、繰り返し周波数１０Ｈｚ）を励起光強度５０ｍＪ／ｃｍ^２で照射したところ、アブレーションが誘起されて、水中でフラーレン粒子が粉砕されることにより、黄色く透明なコロイド溶液が得られた。

レーザー照射前後の上澄み液を、疎水化処理したシリコン基板上にそれぞれ滴下し、乾燥後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、レーザー照射前には粒径数百μｍの粒子が観測されたが、レーザー照射後には粒径１０〜８０ｎｍの球状Ｃ_６０ナノ粒子が観測された。

更に、レーザー照射後のＣ_６０分散液について、遠心分離（回転数２０００ｒｐｍ）後のものと、遠心分離後の分散液を遮光下室温で２週間放置した後のものについて夫々ＵＶ−Ｖｉｓ吸光計により吸収スペクトルを測定した。
測定結果を図２に示す。尚、図２において、太線（上側）が遠心分離後の吸収スペクトル、細線（下側）が２週間後の吸収スペクトルである。
図から明らかなように、吸収スペクトルの変化は殆ど見られず、本発明に係る方法により得られたフラーレン分散液は、優れた分散安定性を有していることが確認された。

本発明により得られるフラーレン分散液は、エレクトロニクス、ライフサイエンス、農畜等の多様な分野への応用が可能であり、特に医学・薬学分野への利用可能性は極めて大きいものである。

本発明に係るフラーレン分散液の製造方法において用いられる製造装置の一例を示す概略図である。 本発明に係る製造方法により得られたフラーレン分散液の遠心分離後の吸収スペクトルと２週間放置後の吸収スペクトルを比較した図である。

符号の説明

１ 容器
２ 攪拌装置
３ レーザー
４ フラーレン懸濁液

Claims (4)

1. 水中に混入したフラーレン粒子に対してパルスレーザーを励起光強度３０〜５０mＪ／ｃｍ ^２ で照射することにより、該フラーレン粒子を粉砕してナノ粒子化することを特徴とするフラーレン分散液の製造方法。
2. フラーレン粒子を混入した水を攪拌しながらレーザーを照射することを特徴とする請求項１記載のフラーレン分散液の製造方法。
3. 前記パルスレーザーのパルス幅が、数十フェムト秒〜数百ナノ秒であることを特徴とする請求項１又は２記載のフラーレン分散液の製造方法。
4. フラーレンがC _６０ フラーレンであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のフラーレン分散液の製造方法。

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