JP5200931B2 - ＩＩＩ−Ｖ型半導体／ＳｉＯ２型ナノ粒子、及び生体物質標識剤 - Google Patents

Description

本発明は、III−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子、及び該III−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子を用いた生体物質標識剤に関する。

半導体ナノ粒子はその粒径がナノメートルサイズであるため、バンドギャップエネルギーの増大など量子サイズ効果を発現し、例えば、良好な光吸収特性及び発光特性などの光学特性を示すことが知られている。そのため、近年では半導体ナノ粒子に関する研究報告が活発になされるだけでなく、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ型半導体ナノ粒子、Ｓｉ／ＳｉＯ₂型半導体ナノ粒子などの半導体ナノ粒子は、ディスプレー用、ＬＥＤ用等様々な用途での検討が進められている。

一方、生体物質を標識する手段として、分子標識物質をマーカー物質に結合した生体物質標識剤を用いる方法が検討されている。しかし、上記方法で従来使用されてきた有機蛍光色素などのマーカー物質は、紫外線照射時の劣化が激しく寿命が短いことが欠点であり、また発光効率が低く、感度も十分ではなかった。

そのため、近年上記マーカー物質として半導体ナノ粒子を用いる方法が注目されている。例えば、極性官能基を有する高分子を半導体ナノ粒子の表面に物理的及び／または化学的に吸接合した生体物質標識剤が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。また、有機分子をＳｉ／ＳｉＯ₂型半導体ナノ粒子の表面に結合した生体物質標識剤が検討されている（例えば、特許文献２参照。）。

これら従来の半導体ナノ粒子を用いた生体物質標識剤には課題が存在している。

例えば、特許文献１で実質的にその効果も含めて開示されている半導体ナノ粒子は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ型半導体ナノ粒子であるが、生体物質標識剤として使用する場合には、その表面は有機分子で覆われているとはいうものの、この半導体ナノ粒子と使用される材料、特にＣｄＳｅは本質的に生体毒性、環境への負荷が指摘されており、生体物質標識剤としての使用には課題があった。

また、特許文献２で使用されるＳｉ／ＳｉＯ₂型半導体ナノ粒子粒子は、Ｓｉをそのコア材として使用しているが、条件によってはＳｉは他の物質、例えば、酸素との反応性が高すぎる場合があり、例えば、水分散液中で紫外線を照射し続けた場合の発光特性の劣化等の課題があった。
特開２００３−３２９６８６号公報 特開２００５−１７２４２９号公報

本発明は、毒性の少ないIII−VI型半導体ナノ粒子を用いて、発光強度が高く、劣化の少ない発光材料を提供すること、更に該III−VI型半導体ナノ粒子を用いた生体物質標識剤を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、下記構成により達成される。

１．III−Ｖ型半導体で形成されたコアとＳｉＯ₂で形成されたシェルとを有し、該コアの粒径が１〜５０ｎｍの範囲であり、且つ、該シェルの厚さが１〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とするIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。

２．前記III−Ｖ型半導体がＩｎＰ_xＧａ_1-x（０＜ｘ≦１）であることを特徴とする前
記１に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。

３．前記シェルの表面が親水化処理されていることを特徴とする前記１または２に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。

４．前記１〜３のいずれか１項に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子と分子標識物質とを有機分子を介して結合させたことを特徴とする生体物質標識剤。

５．前記分子標識物質がヌクレオチド鎖であることを特徴とする前記４に記載の生体物質標識剤。

６．前記分子標識物質が抗体であることを特徴とする前記４に記載の生体物質標識剤。

７．前記有機分子がビオチン及びアビジンであることを特徴とする前記４〜６のいずれか１項に記載の生体物質標識剤。

本発明によって、毒性の少ないIII−VI型半導体ナノ粒子を用いて、発光強度が高く、劣化の少ない発光材料を提供することができ、更に該III−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子を用いて生体物質標識剤を提供することができた。

次に、本発明について具体的に説明する。

本発明ではＡ／Ｂ型ナノ粒子という表現を用いることがあるが、これはＡでコアが形成され、Ｂでシェルが形成されたナノ粒子を意味する。例えば、ＩｎＰ／ＳｉＯ₂型ナノ粒子とはＩｎＰでコアが形成され、ＳｉＯ₂でシェルが形成されたナノ粒子を意味する。本発明はシェルがＳｉＯ₂であることを一つの特徴としている。シェルの物質として、コアの物質よりもバンドギャップエネルギーの大きい物質を選択することで、コアをなす半導体ナノ粒子の量子効果が安定することが知られている。ＳｉＯ₂はバンドギャップが９ｅＶと大きく、コアの中の励起子の安定化に好ましい。また、ＳｉＯ₂は化合物として非常に安定な物質であることから、空気中、様々なｐＨの水溶液中、還元／酸化の雰囲気下でナノ粒子コア部分の安定性に大きく寄与することができる。

前記シェルの厚みは０．２〜５０ｎｍの範囲であり、更に好ましくは１〜２０ｎｍの範囲である。シェルの厚みが上記範囲の下限値よりも大きいと、シェルとしての厚みが十分であり、コアと他の物質との化学反応や光照射を続けた際の発光強度の低下等の原因とならない。また、シェルの厚みが上記範囲の上限値よりも小さいと、ナノ粒子の光学特性を十分に発揮できるため好ましい。

III−Ｖ族半導体は、III族元素とＶ族元素を用いた半導体である。III族（１３族）元
素としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）が、Ｖ族（１５族）元素としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）がよく用いられている。これらを組み合わせ、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）、ＩｎＰ（インジウム・リン）、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ（ゲイナス）、ＩｎＰ_xＧａ_1-x（０＜ｘ≦１）などが作製される。これらIII−Ｖ族半導体はバンドギャップが可視光領域に近い位置にあることから、主に発光デバイス材料として用いられている。例えば、現在の赤、緑、青などの発光ダイオードは、その多くがIII−Ｖ族半導体を材料としている。

本発明において、III−Ｖ半導体で形成されるコアの粒径は１〜５０ｎｍの範囲であり、好ましくは１〜２０ｎｍの範囲であり、更に好ましくは２〜１２ｎｍの範囲である。コアの粒径が上記範囲の下限値以上であれば、粒子径の調整が容易となり、粒子径のばらつきが小さくなる。また、コアの粒径が上記範囲上限値以下であれば、良好な光学特性を有する。本発明において、III−Ｖ半導体の中でもＩｎＰ_xＧａ_1-x（０＜ｘ≦１）が好ましい。それは、バンドギャップが狭く量子効果により可視光域での発光が起こることに加え可視光発光を示す粒径範囲が広いため、発光色をコントロールしやすいという利点があるからであり、中でもＩｎＰは最もバンド幅が狭く、発光強度が高く特に好ましい。

上述したIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子のシェルの表面は疎水性であるため、例えば、生体物質標識剤として使用する場合はこのままでは水分散性が悪く、粒子が凝集してしまう等の問題があるためナノ粒子のシェルの表面を親水化処理することが好ましい。

親水化処理の方法としては、例えば、表面の親油性基をピリジン等で除去した後に、粒子表面に表面修飾剤を化学的及び／または物理的に結合させる方法がある。表面修飾剤としては、親水基としてカルボキシル基、アミノ基を持つものが好ましく用いられ、具体的にはメルカプトプロピオン酸、メルカプトウンデカン酸、アミノプロパンチオールなどが挙げられる。

本発明の生体物質標識剤は、上述した親水化処理されたIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子と分子標識物質とを有機分子を介して結合させて得られる。

本発明の生体物質標識剤は、分子標識物質が目的とする生体物質と特異的に結合及び／または反応することにより、生体物質の標識が可能となる。該分子標識物質としては、例えば、ヌクレオチド鎖、抗体、抗原及びシクロデキストリン等が挙げられる。

本発明の生体物質標識剤は、親水化処理されたIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子と、分子標識物質とが有機分子により結合されている。該有機分子としては、III−Ｖ型半
導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子分子標識物質とを結合できる有機分子であれば特に制限はない
が、例えば、タンパク質中でもアルブミン、ミオグロビン及びカゼイン等、またタンパク質の一種であるアビジンをビオチンと共に用いることも好適に用いられる。上記結合の態様としては特に限定されず、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合、物理吸着及び化学吸着等が挙げられる。結合の安定性から共有結合などの結合力の強い結合が好ましい。

具体的には、III−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子をメルカプトウンデカン酸で親水化処理した場合は、有機分子としてアビジン及びビオチンを用いることができる。この場合、親水化処理されたIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子のカルボキシル基はアビジンと好適に結合し、アビジンが更にビオチンと選択的に結合し、ビオチンが更に生体物質標識剤と結合することにより生体物質標識剤となる。

次に本発明について実施例を示して更に詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

実施例１
〔ナノ粒子分散液の調製〕
（ナノ粒子分散液１の調製）
グロ−ブボックス内をＡｒ雰囲気として、脱酸素状態とし、この中で合成を行う。

三口フラスコ中にＴＯＰＯ（ｔｒｉ−ｎ−ｏｃｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ ｏｘｉｄｅ）、０．５ｇ、ＴＯＰ（ｔｒｉ−ｎ−ｏｃｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）、４．５ｇを入れ、２９０℃に昇温する。この中にＩｎＣｌ₃０．８ｇ、トリスメチルシリルホスフィン０．７５ｇ、ＴＯＰＯ、０．５ｇ、ＴＯＰ、４．５ｇの混合液を急速に注入する。この後、温度を２７０℃で１日保った後、室温まで降温する。この状態で脱水メタノールを滴下し凝集沈殿させ、遠心分離で上澄み液を除去し、ナノ粒子を得る。この際、脱水メタノールの量をコントロールし、メタノール滴下→沈殿→遠心分離を繰り返すことで、ナノ粒子の沈殿凝集物を得、更にピリジンで洗浄して、ＴＯＰ、ＴＯＰＯを表面から除去し、５．１ｎｍのＩｎＰナノ粒子凝集物を得ることができた。

その後、２．０８×１０^-4ｇのテトラエトキシシラン、ＨＣｌ０．５ｍｏｌ／Ｌ、５０ｍｌ、５０ｍｌのエタノール及び１０^-6ｍｏｌのＩｎＰナノ粒子凝集物をビーカー中に入れ８０℃に昇温し、１時間攪拌した。

この結果、粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子表面に０．１ｎｍのＳｉＯ₂シェリングを行った１０^-5Ｍナノ粒子分散液１を得ることができた。

（ナノ粒子分散液２の調製）
テトラエトキシシランの量を３．７×１０^-3ｇにする以外はナノ粒子分散液１の調製と同様にして、粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子表面に１．２ｎｍのＳｉＯ₂シェリングを行った１０^-5Ｍナノ粒子分散液２を得ることができた。

（ナノ粒子分散液３の調製）
テトラエトキシシランの量を１．８７×１０^-2ｇにする以外はナノ粒子分散液１の調製と同様にして、粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子表面に５．１ｎｍのＳｉＯ₂シェリングを行った１０^-5Ｍナノ粒子分散液３を得ることができた。

（ナノ粒子分散液４の調製）
テトラエトキシシランの量を０．４１３ｇにする以外はナノ粒子分散液１の調製と同様にして、粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子表面に１５．２ｎｍのＳｉＯ₂シェリングを行った１０^-5Ｍナノ粒子分散液４を得ることができた。

（ナノ粒子分散液５の調製）
テトラエトキシシランの量を２３．６ｇにする以外はナノ粒子分散液１の調製と同様にして、粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子表面に６０ｎｍのＳｉＯ₂シェリングを行った１０^-5Ｍナノ粒子分散液５を得ることができた。

（ナノ粒子水系分散液６の調製）
ナノ粒子分散液１の調製で得られた粒径５．１ｎｍのナノ粒子の凝集沈殿物を、メルカプトウンデカン酸０．２ｇを溶解した１０ｍｌ純水中に１０^-5Ｍとなるように再分散させ、４０℃、１０分間攪拌することで表面が親水化処理された１０^-5ＭシェルなしＩｎＰナノ粒子の水系分散液６を得ることができた。

（ナノ粒子水系分散液７の調製）
ナノ粒子分散液１の調製で得られた粒径５．１ｎｍのＩｎＰ粒子をピリジン中に分散し、この分散液を１００℃に昇温し、ジメチル亜鉛、０．００１７ｇ、トリブチルチオホスフィン、０．００５３ｇ、トリブチルフォスフィン、１０ｇの混合液を添加した。３０分攪拌した後、メタノールを添加し粒子を凝集沈殿させ、遠心分離により凝集物を分離した。更にメルカプトウンデカン酸０．２ｇを溶解した１０ｍｌ純水中に１０^-5Ｍとなるように再分散させ、４０℃、１０分間攪拌することで表面が親水化処理された１０^-5ＭＺｎＳシェリングＩｎＰナノ粒子の水系分散液７を得ることができた。

〔ナノ粒子分散液の評価〕
日立分光蛍光光度計Ｆ−７０００を用いて、上記７種類のナノ粒子それぞれについて、励起波長３６５ｎｍでの発光スペクトルの測定を行い、ピーク波長強度の比較をナノ粒子分散液の強度を１００として行った。粒径は高分解能ＴＥＭで測定を行った。シェリング前後の粒径を測定し、粒径変化分の１／２をシェル厚とした。

表１より、ＳｉＯ₂のシェリングを表１の範囲で行うことで発光強度が上昇することが確認できた。シェリングがない場合、またはシェリングが薄い場合には発光強度の上昇は見られない。また、シェリングが厚すぎると逆に発光強度が減少した。

また、上記７種類のナノ粒子分散液それぞれについて、発光スペクトルの時間変化を測定し、各ナノ粒子の初期の発光強度に対する１時間後の相対発光強度を求めた。結果を表２に示す。

シェリングがない場合、またはシェリングが薄い場合には光安定性が悪いことがわかる。また、ＺｎＳのシェリングは光安定性にはあまり効果的ではないことがわかる。このように、本発明にかかるシェリングを行った粒子は発光強度の変化が少なく、光照射に対して安定性が高いことが示された。

実施例２
実施例１のナノ粒子分散液２に親水化処理を施したナノ粒子分散液１０ｍｌにアビジン２５ｍｇを添加し、４０℃で１０分間攪拌を行い、アビジンコンジュゲートナノ粒子を作製した。得られたアビジンコンジュゲートナノ粒子溶液に、ビオチン化された塩基配列が既知であるオリゴヌクレオチドを混合攪拌し、ナノ粒子でラベリングされたオリゴヌクレオチドを作製した。

様々な塩基配列を持つオリゴヌクレオチドを固定化したＤＮＡチップ上に、上記のラベリングしたオリゴヌクレオチドを滴下、洗浄したところ、ラベリングされたオリゴヌクレオチドと相補的な塩基配列を持つオリゴヌクレオチドのスポットのみが紫外線照射により発光した。このことより、ナノ粒子でのオリゴヌクレオチドのラベリングを確認することができた。

Claims (7)

1. III−Ｖ型半導体で形成されたコアとＳｉＯ₂で形成されたシェルとを有し、該コアの粒径が１〜５０ｎｍの範囲であり、且つ、該シェルの厚さが１〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とするIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。
2. 前記III−Ｖ型半導体がＩｎＰ_xＧａ_1-x（０＜ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。
3. 前記シェルの表面が親水化処理されていることを特徴とする請求項１または２に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のIII−Ｖ型半導体／ＳｉＯ₂型ナノ粒子と分子標識物質とを有機分子を介して結合させたことを特徴とする生体物質標識剤。
5. 前記分子標識物質がヌクレオチド鎖であることを特徴とする請求項４に記載の生体物質標識剤。
6. 前記分子標識物質が抗体であることを特徴とする請求項４に記載の生体物質標識剤。
7. 前記有機分子がビオチン及びアビジンであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の生体物質標識剤。