JP4766316B2 - 標的検出ナノセンサ用単分子膜 - Google Patents

Description

本発明は、形状パターン変化及び光学的変化を利用した標的検出ナノセンサに関するものである。

従来、表面形状が変化するセンサとしては、例えば、標識物質を担持させたものが提案されている（特許文献１参照）。この場合には、分子の検出を確認するのに、多段階の行程を経なければならない。すなわち、目的物質の捕捉、捕捉領域の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）による表面加工、次いで加工表面のＳＰＭ検出等の行程を要する。

自己組織化を利用した分子検出システムとしては、金のナノ微粒子上でのデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）の分子認識を行うバイオ素子が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この方法では、ターゲット物の捕捉に伴う自己組織性分子の形状変化を視覚的に捉えることは困難である。
低分子化合物の検出を自己組織性分子の導電性変化として捉える分子検出システムも提案されている（特許文献３参照）。ただし、この場合には電極間に適切に自己組織性分子を配置する必要があり、検出手法は導電性変化に限られる。

特開２００３−２１６３６号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００５−４９２９７号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００５−１２７９９８号公報（特許請求の範囲その他）

本発明の課題は、自己組織性分子を用いて、簡便かつ迅速に視覚的にターゲット物を検出するセンサを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、基板に自己組織性分子の単分子膜をパターン形成させたものであって、自己組織性分子がセンシング部位と基板への配設の安定化部位からなるものが、該分子のセンシング部位でターゲット物を捕捉すると単分子膜パターンを変化させることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、以下のとおりのものである。
（１）基板に自己組織性分子の単分子膜がパターン形成されてなり、自己組織性分子がセンシング部位と基板への配設の安定化部位からなり、自己組織性分子がそのセンシング部位でターゲット物を捕捉すると単分子膜パターンが変化することを特徴とする標的検出ナノセンサ。
（２）自己組織性分子が、一般式
［式中、Ｔはセンシング部位、その他は、基板への配設の安定化部位であり、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、ｎは１又は２以上の整数であり、Ｔは、一般式
Ａ−Ｂ−Ａ
（式中、Ａはアルキン結合を有する連結基、Ｂはビピリジル基又は一般式
（式中、ｋは１又は２以上の整数を示す）
で表される含酸素複素環基を示す］
で表される化合物である前記（１）記載の標的検出ナノセンサ。
（３）センシング部位Ｔを介して、自己組織性分子が左右対称の化学構造を有する前記（１）又は（２）記載の標的検出ナノセンサ。
（４）自己組織性分子が、一般式
（式中、Ｒは、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルキル基を示す）
で表されるビピリジル誘導体である前記（３）記載の標的検出ナノセンサ。
（５）基板が、高配向グラファイト、金、銀、銅、Ｓｉ、ＳｉＯ₂である前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の標的検出ナノセンサ。
（６）ターゲット物として重金属化合物又は重金属イオンを捕捉することができる前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の標的検出ナノセンサ。
（７）重金属がＰｄ、Ｐｔ及びＣｕの中から選ばれる少なくとも１種である前記（６）記載の標的検出ナノセンサ。
（８）ターゲット物の捕捉前後で蛍光が変化する前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の標的検出ナノセンサ。
（９）前記（８）に記載の標的検出ナノセンサを用いて、重金属化合物又は重金属イオンを含有する被検試料液と接触させ、蛍光変化を検出することを特徴とする重金属の検出方法。
（１０）一般式
［式中、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、ｎは１又は２以上の整数であり、Ａはアルキン結合を有する連結基、Ｂはビピリジル基又は一般式
（式中、ｋは１又は２以上の整数を示す）
で表される含酸素複素環基を示す］
で表される複素環式化合物。
（１１）一般式
（式中、Ｒは、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルキル基を示す）
で表されるビピリジル誘導体。

本発明の標的検出ナノセンサ（以下、本ナノセンサともいう）の基本原理は、ホスト−ゲスト化学及び該化学反応に基づいて表面パターンの変化が誘発されるというものである。
本ナノセンサによるターゲット物検出のためのパターン変化検出の基本概念を図１に示す。
本ナノセンサにおいて単分子膜のパターン形成に預かる自己組織性分子は、２つの部位から構成されている。すなわち、ターゲット物を検出するセンシング部位１、及び基板への配設の安定化を担う安定化部位２である。ターゲット物３が近接して、センシング部位１に捕捉されると基板上の分子間相互作用により、分子の配列パターンがターゲット物の捕捉前後で変化する。この幾何学的なパターン変化から検出対象のターゲット物或いは標的物の捕捉を確認することができる。
基板面のパターン変化は好ましくは走査型プローブ顕微鏡で視認・検出することができる
パターン変化の具体例を化学構造の変化で示すと、図２や図３のとおりである。

また、ターゲット物の捕捉前後で、センシング部位から生じる蛍光変化、代表的には蛍光の色調や強度の変化から、標的検出及び標的量を見積もることができる。
蛍光変化は、蛍光の色調やその強度の変化に代表され、これらの変化は好ましくは蛍光顕微鏡で視認・検出することができる。

上記自己組織性分子は、一般式
［式中、Ｔはセンシング部位、その他は、基板への配設の安定化部位であり、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、ｎは１又は２以上の整数であり、Ｔは、一般式
Ａ−Ｂ−Ａ
（式中、Ａはアルキン結合を有する連結基、Ｂはビピリジル基又は一般式
（式中、ｋは１又は２以上の整数を示す）
で表される含酸素複素環基を示す］
で表される化合物、すなわち
一般式（Ｉ）
［式中、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、ｎは１又は２以上の整数であり、Ａはアルキン結合を有する連結基、Ｂはビピリジル基又は一般式（ＩＩ）
（式中、ｋは１又は２以上の整数を示す）
で表される含酸素複素環基を示す］
で表される複素環式化合物であるのが好ましく、この化合物は新規であり、その中でも特に後述の一般式（ＩＩＩ）の化合物が好ましい。
上記一般式中のＡ、Ｂ、ｋ、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ、ｍ、ｎについてさらに説明する。
先ず、Ａの所定連結基としては、エチニル基のようなアセチレン結合のみからなるものや、該結合の一端或いは両端にアルキレン基が延設されたものなどが挙げられる。
Ｂがビピリジル基である場合には５，５´‐ビピリジル基などが、また、一般式（ＩＩ）の含酸素複素環基である場合にはｋは２までであるのがそれぞれ好ましい。
また、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒの炭素原子数は１０〜２２であるのが、また、ｍ、ｎは３までであるのがそれぞれ好ましい。

一般式（ＩＩＩ）
（式中、Ｒは、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルキル基を示す）
で表されるビピリジル誘導体。

上記一般式（Ｉ）で表される化合物は、次のようにして製造することができる。
すなわち、一般式
（式中、Ｒ₁は炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、Ｘはハロゲン原子を示す）
及び一般式
（式中、Ｒ₂は炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｎは１又は２以上の整数、Ｘはハロゲン原子を示す）
で表される化合物と、一般式
Ｈ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｈ
（式中、Ａはアルキン結合を有する連結基、Ｂはビピリジル基又は一般式（ＩＩ）
（式中、ｋは１又は２以上の整数を示す）
で表される含酸素複素環基を示す］
で表される複素環式化合物とを反応させる。
この反応は好ましくはＰｄ（ＰＰｈ₃）₄、Ｐｄ（ＣＨ₃ＣＮ）₂Ｃｌ₂、ＰＰｈ₃、ＣｕＩ、これらの混合物等の触媒の存在下に行われ、さらに好ましくはトリエチルアミン、イソプロピルアミン等の塩基の存在下、テトラヒドロフラン、ジオキサン、トルエン等の溶媒中、もしくは塩基をそのまま溶媒として行われる。
反応温度は原料の種類、反応時間等の他の反応条件にもよるが、通常２０〜８０℃、好ましくは２５〜７０℃の範囲とするのがよい。
反応時間は原料の種類、反応温度等の他の反応条件にもよるが、通常８〜１６８時間、好ましくは１２〜７２時間の範囲とするのがよい。

本ナノセンサに用いられる基板は、該基板面に自己組織性分子を集積させその自己組織化を助長してその単分子膜のパターンを形成させるのに役立つものであればよく、このようなものとしては例えば高配向グラファイト、金、銀、銅、Ｓｉ、ＳｉＯ₂等が挙げられる。

本ナノセンサにより検出可能なターゲット物としては、例えば重金属化合物又は重金属イオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン等が挙げられ、中でも重金属がＰｄ、Ｐｔ及びＣｕの中から選ばれる少なくとも１種である重金属化合物又は重金属イオンが好ましい。

本ナノセンサによれば、該センサを、重金属化合物又は重金属イオン、中でも重金属がＰｄ、Ｐｔ及びＣｕの中から選ばれる少なくとも１種である重金属化合物又は重金属イオンを含有する被検試料液と接触させ、蛍光変化を検出することにより、重金属を検出することができる。

本ナノセンサは、基板に集積されパターニングされた自己組織性分子の単分子膜におけるナノメートルスケールの分子形状の変化をターゲット物の検出に利用していることから、高感度の超小型微量分析用に好適である。
また、本ナノセンサによれば、蛍光の色調やその強度の変化を求めることにより、ターゲット物の定量をも可能となるので、少量の検体に対し、煩雑な操作を必要としない、簡便な微量分析システムを提供することができる。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によりなんら限定されるものではない。

（化合物ＩＶの合成）
Ｐｄ（ＰＰｈ₃）₄８２．５ｍｇ（０．０７ｍｍｏｌ）及びＣｕＩ１３．６ｍｇ（０．０７ｍｍｏｌ）を触媒として、５，５´‐ジエチニル‐２，２´‐ビピリジン２４０ｍｇ（１．１９ｍｍｏｌ）及び１，２‐ジドデシルオキシ‐４‐ヨードベンゼン１．５ｇ（２．６２ｍｍｏｌ）を窒素雰囲気下でＴＨＦ及びトリエチルアミン中、６０℃で４日間加熱撹拌して反応させた後、固体をろ別して得たろ液から溶媒を減圧留去した。
このようにして得られた残渣をクロロホルムに溶解し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより精製し、式（ＩＶ）
で表されるビピリジル誘導体を収率４５％で得た。
この式（ＩＶ）の目的化合物（化合物ＩＶ）の同定資料を以下に示す。
¹Ｈ ＮＭＲ （ＣＤＣｌ₃）： δ ０．８８（ｔ，Ｊ＝７．０Ｈｚ，１２Ｈ），１．２２−１．４０（ｂｒ ｓ，６４Ｈ），１．４２−１．５０（ｍ，８Ｈ），１．８０−１．８８（ｍ，８Ｈ），４．０３（ｔ，Ｊ＝６．６Ｈｚ，８Ｈ），６．８５（ｄ，Ｊ＝８．４Ｈｚ，２Ｈ），７．０７（ｄ， Ｊ＝１．７Ｈｚ，２Ｈ），７．１４（ｄｄ，Ｊ₁＝８．３Ｈｚ，Ｊ２＝１．７Ｈｚ、２Ｈ），７．９２（ｄ，Ｊ＝８．１Ｈｚ，２Ｈ），８．４１（ｄ，Ｊ＝６．６Ｈｚ，２Ｈ），８．７９（ｓ、２Ｈ）
ＩＲ（ＫＢｒ）：２９２０，２８５１，２２０８，１５１３，１４６７，１２５４，１２２０，１１２５ｃｍ^-1

（化合物ＩＶを用いたターゲットモデル化合物の検出）
化合物ＩＶをジクロロメタンに溶解し、０．１ｍＭ溶液を調製し、最終的に０．０５ｍＭ以下の濃度となるように１‐フェニルオクタンに分散させた後、溶液を高配向グラファイト上に滴下し、化合物ＩＶの単分子膜を固‐液界面に調製し、後述のターゲットモデル化合物の添加前の単分子膜の形態を走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）によって観察した。別に、上記と同一の溶液中にターゲットモデル化合物としてＰｄ（ＣＨ₃ＣＮ）₂Ｃｌ₂を添加して固‐液界面の単分子膜を再度ＳＴＭで観察した。このようにして、図４に示すように、ターゲットモデル化合物の添加前後で表面パターンが変化していることが確認された。

本発明は、自己組織性分子の形状変化を利用したセンサであり、極微量の金属種をも高感度で幾何学的及び光学的に検出することができることから、例えば環境水中に潜在する微量金属種の検出を簡便かつ迅速に行うことが可能となる。

本ナノセンサの要部の説明図。 パターン変化を化学構造の変化で示す一具体例。 パターン変化を化学構造の変化で示す別の具体例。 ターゲットモデル化合物の添加前後での、実施例１の化合物ＩＶの単分子膜のＳＴＭ像（本ナノセンサの動作確認の一例）。

Claims (6)

1. 基板上に自己組織性分子の単分子膜がパターン形成されてなり、自己組織性分子がセンシング部位と基板への配設の安定化部位からなり、自己組織性分子がそのセンシング部位でターゲット物を捕捉すると単分子膜パターンが変化する標的検出ナノセンサに用いる標的検出ナノセンサ用単分子膜であって、
   一般式
   ［式中、Ｔはセンシング部位、その他は、基板への配設の安定化部位であり、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは１又は２以上の整数、ｎは１又は２以上の整数であり、Ｔは、下記式
   である］
   で表される自己組織性分子から構成されることを特徴とする標的検出ナノセンサ用単分子膜。
2. 自己組織性分子が、一般式
   （式中、Ｒは、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルキル基を示す）
   で表されるビピリジル誘導体である請求項１記載の標的検出ナノセンサ用単分子膜。
3. ターゲット物として重金属化合物又は重金属イオンを捕捉することができる請求項１または２記載の標的検出ナノセンサ用単分子膜。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の標的検出ナノセンサ用単分子膜を用いて、重金属化合物又は重金属イオンを含有する被検試料液と接触させ、単分子膜のパターン変化を検出することを特徴とする重金属の検出方法。
5. 一般式
   ［式中、Ｔはセンシング部位、その他は、基板への配設の安定化部位であり、Ｒ₁及びＲ₂は、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルコキシ基又はアルキル基、ｍは２以上の整数、ｎは２以上の整数であり、Ｔは、下記式
   である（ただし、ｍ＝２かつｎ＝２であって、Ｒ _１ およびＲ _２ の置換位置が共にベンゼン環の２位及び５位であり、かつＲ _１ 及びＲ _２ が共に−ＯＣ _１２ Ｈ _２５ である場合を除く）］
   で表されるビピリジル誘導体。
6. 一般式
   （式中、Ｒは、同一でも或いは異なってもよい、炭素原子数８〜３０のアルキル基を示す）
   で表されるビピリジル誘導体。