JP5733622B2

JP5733622B2 - 金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法、並びにこの蛍光体組成物を用いた金属センサー及び蛍光フィルム

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Publication number: JP5733622B2
Application number: JP2011121283A
Authority: JP
Inventors: 隆一荒川; 英也川崎; 大剛溝口; 直之増田
Original assignee: Dai Nippon Toryo KK; Kansai University
Current assignee: Dai Nippon Toryo KK; Kansai University
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012246449A

Description

この発明は、金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物の新規な製造方法に関し、また、この蛍光体組成物を用いて得られた金属センサー及び蛍光フィルムに関する。

従来、蛍光プローブとしては、フルオレセイン、ローダミン、Alexa色素等の低分子蛍光色素や、緑色蛍光色素（GFP）、黄色蛍光タンパク質（YEP）、赤色蛍光タンパク質（REP）等の蛍光性タンパク質や、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｒｕ等の金属錯体や、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳｅ、Ｓｉ等の量子ドット等が知られており、ナノマテリアル、バイオイメージング、光エレクトロニクス（レーザー、通信）等の分野で研究が進められている。

上記の量子ドットの中でも、Ａｕナノ粒子は、粒子サイズに依存した発光波長の蛍光を発することが知られており、また、金属の中でも特に生体適合性が高いことから、バイオセンシング素材としての用途を始めとして、多くの用途への適用が期待されている。

このように、Ａｕナノ粒子は、生体適合性の点で他の蛍光プローブよりも優位性があるが、これまでの既存の製造方法においては、特定の粒子径のナノ粒子として得られているに過ぎず、また、その製造過程で危険性の高い試薬を用いる必要がある等の問題がある。

例えば、非特許文献１には、アルブミン水溶液中でＡｕイオンを還元し、Ａｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法では、特定の粒子径以外のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を合成することができず、より多彩で自由な粒子径のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を得ることが求められている。

また、非特許文献２には、ポリアミドアミンデンドリマー〔poly(amidoamine) dendrimers〕水溶液中でＡｕイオンを還元し、Ａｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を製造する方法が報告されており、Ａｕナノ粒子の粒子径を制御できることも記載されている。しかしながら、この製造方法においては、強力な還元剤である水素化ホウ素ナトリウムを使用しており、また、高価なデンドリマーを調製する必要があるため、実用的規模あるいは工業的規模での大量生産には不向きであり、改良が求められている。

更に、非特許文献３には、リゾチーム（lysozyme）水溶液中で安定化されたＡｕナノ粒子蛍光体をＨｇ²⁺イオン検出のためのＨｇ²⁺センサーとして利用することが記載されている。しかしながら、この非特許文献３においては、高ｐＨ下でリゾチーム中のチロシン（tyrosine）残基によりＡｕ³⁺がＡｕ⁰に還元されることが記載されているだけで、異なる粒子サイズのＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を調製することについては記載されていない。

また、特許文献１には、ジメチルホルムアミド含有溶媒中でＳｉ化合物、Ｐｔ化合物、Ｐｄ化合物、Ｆｅ化合物、Ａｕ化合物、Ｃｕ化合物、及びＡｇ化合物から選ばれた少なくとも１種の金属化合物を加熱還流し、金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を製造する方法が記載されている。しかしながら、この特許文献１においても、異なる粒子サイズの金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を調製することについては記載されていない。

このようなことから、Ａｕナノ粒子に代表される金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物については、実用的規模あるいは工業的規模での大量生産が可能な簡便な方法であって、かつ、比較的小さな粒子径を持つものから比較的大きな粒子径を持つものまで幅広く制御され、種々の異なる粒子径を持つ金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を製造することができる新たな製造方法の開発が望まれている。

特開2011-012,097号公報

J. Xie et al., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 888. R. M. Dickson et al., Phys. Rev. lett. 2004, 93(7), 077402 H. Wei et al., Analyst, 2010, 135, 1406.

そこで、本発明者らは、大量生産が可能な簡便な方法であって、しかも、粒子径の異なる種々の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を製造することができる新たな製造方法を開発すべく鋭意検討した結果、意外なことには、タンパク質を含むと共にｐＨ調整剤によりｐＨが調整されたタンパク質含有水溶液中で所定の金属化合物を還元することにより、タンパク質含有水溶液のｐＨに応じて粒子径の異なる種々の金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を制御良く製造できることを見い出し、本発明を完成した。

従って、本発明の目的は、大量生産が可能な簡便な方法で、しかも、制御された異なる粒子径を持つ種々の金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を幅広く製造することができる金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、このような金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を用いて調製された金属イオンセンサーや蛍光フィルムを提供することにある。

すなわち、本発明は、Ａｕ化合物、Ａｇ化合物、Ｃｕ化合物、Ｐｔ化合物、Ｐｄ化合物、Ｎｉ化合物、Ｉｒ化合物、Ｓｉ化合物、及びＦｅ化合物からなる群から選択された少なくとも１種の金属化合物を、ペプシン、トリプシン、及びブロメラインからなる群から選択された少なくとも１種のタンパク質を含むと共にｐＨ調整剤によりｐＨ調整されたタンパク質含有水溶液中で還元し、この還元反応で生成した金属ナノ粒子含有生成物を含む蛍光体組成物を製造することを特徴とする金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法である。

また、本発明は、上記の方法によって製造された金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を含む金属イオンセンサーであり、また、蛍光フィルムである。

本発明において、金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を製造するために用いられる原料（金属化合物）については、例えば、Ａｕ化合物としては、ＨＡuＣl₄、Ｎa[Ａu(ＣＮ)₄]等が挙げられる。Ａｇ化合物としては、ＡgＮＯ₃、[Ａg(ＮＨ₃)₂]ＮＯ₃等が挙げられる。Ｃｕ化合物としては、ＣuＣl₂、ＣuＳＯ₄等が挙げられる。Ｐｔ化合物としては、Ｈ₂ＰtＣl₆、[Ｐt(ＮＨ₃)₄]Ｃl₂等が挙げられる。Ｐｄ化合物としては、ＰdＣl₂、[Ｐd(ＮＨ₃)₄]Ｃl₂等が挙げられる。Ｎｉ化合物としては、ＮiＣl₂、ＮiＳＯ₄等が挙げられる。Ｉｒ化合物としては、ＩrＣl₃、ＩrＯ₂等が挙げられる。Ｓｉ化合物であればＳiＣl₄、Ｓi₂Ｃl₆等が挙げられる。Ｆｅ化合物としては、ＦeＣl₃、Ｆe₂(ＳＯ₄)₃等が挙げられる。これらの金属化合物の中でも、還元され易く、かつ、微粒子が得られ易いことから、塩化物を用いることが好ましい。

また、本発明において、上記金属化合物の還元に際して用いられるタンパク質含有水溶液については、水系溶剤中に所定のタンパク質が含まれていると共に、製造目的である金属ナノ粒子の粒子径に応じてｐＨが所定の値に調整されていることが必要である。

ここで、上記タンパク質含有水溶液の調製に用いられるタンパク質としては、水系溶媒中でｐＨの変化によりその構造が変化するものであるのがよく、ペプシン、トリプシン、及びブロメラインからなる群から選択される少なくとも１種のタンパク質であるのがよく、特にペプシンを用いることが好ましい。ペプシンは胃酸中に存在するタンパク質として知られている。

また、タンパク質含有水溶液の調製に用いられる水系溶剤としては、水単独でもよく、水に他の溶剤（例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類等）が混合されていてもよい。水系溶剤として２種以上の溶剤を混合して用いる場合には、タンパク質の化学構造が変化する可能性があることから、水系溶剤中の水含有量は、好ましくは６０重量%以上、より好ましくは９０重量%以上であり、６０重量%より低くなると、粒子径の制御が困難になるという問題が生じる。

このタンパク質含有水溶液のｐＨの調整に用いられるｐＨ調整剤については、使用するタンパク質の種類や調整目的のｐＨ値等に応じて適宜選択されるものであり、特に制限されるものではないが、塩基としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア水等が挙げられ、また、酸としては、例えば塩酸、硫酸、硝酸等が挙げられる。

本発明において、上記金属化合物、タンパク質、及びｐＨ調整剤の使用量については、使用される金属化合物を完全に還元できる割合であれば特に制限はなく、また、使用する金属化合物、タンパク質、及びｐＨ調整剤の種類によっても異なるが、金属化合物の１molに対して、タンパク質が０．０００１g以上１００g以下、好ましくは０．１g以上１０g以下であって、ｐＨ調整剤が調整目的のｐＨ値を達成できる量である。

本発明においては、タンパク質含有水溶液中で原料の金属化合物を還元して金属ナノ粒子蛍光体を製造するが、このときの反応方法としては、攪拌下に、好ましくは８００rpm以上の攪拌強度での激しい攪拌下に、反応温度１０℃以上５０℃未満、好ましくは３０℃以上４０℃以下のタンパク質含有水溶液中に、原料の金属化合物を一度に添加し、その後、引き続き所定時間攪拌下に反応温度を維持して還元することが好ましい。激しく攪拌することにより、得られる金属ナノ粒子蛍光体の粒子径が整い易くなり、また、上記の反応温度で還元することにより、得られる金属ナノ粒子蛍光体の平均粒子径を制御し易くなる。また、反応温度が１０℃未満の場合には還元力が弱くなり、反対に、５０℃以上の場合はタンパク質の化学構造が変化して粒子径の制御が困難になる。

上記金属化合物の還元により、この金属化合物に対応する金属、すなわちＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｓｉ及びＦｅから選択される少なくとも１種の金属種からなる金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物が得られるが、この際に、得られる蛍光体組成物中の金属ナノ粒子は、還元の際のｐＨ値に応じてその粒子径が制御され、また、この粒子径に応じた蛍光性を示す。

具体的には、例えば、Ａｕナノ粒子含有蛍光体組成物を製造する際に、還元時のｐＨを１０．２以上に調整することにより、Ａｕ原子２５個からなる粒子径１〜２nm程度のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物が得られ、３６０nmの紫外線を照射した際に波長６００〜７００nmの赤色の蛍光を発し、また、還元時のｐＨを１．８未満に調整することにより、Ａｕ原子１３個からなる粒子径１nm前後のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物が得られ、３３０nmの紫外線を照射した際に波長４５０〜５５０nmの緑色の蛍光を発し、更に、還元時のｐＨを１．８未満に調整して粒子径１nm前後のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物を得た後、再び還元時のｐＨを８．５以上９．５未満に調整して反応を継続することにより、Ａｕ原子５個若しくは８個からなる粒子径１nm以下のＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物が得られ、３３０nmの紫外線を照射した際に波長３５０〜４５０nmの青色の蛍光を発する。

このようにして調製される蛍光体組成物中の金属ナノ粒子の平均粒子径については、通常０．５〜４nm程度が好ましく、具体的には、Ａｕナノ粒子の場合には０．５nm以上４nm以下、好ましくは０．５nm以上３nm以下程度がよく、このＡｕナノ粒子以外の他の金属ナノ粒子の場合にはいずれも０．５nm以上２nm以下程度が好ましい。なお、金属化合物の還元の終了時は、金属ナノ粒子の平均粒子径が目的の値に到達した時点とすればよい。

本発明の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物については、上記の還元反応で用いられた水系溶剤を含む液体状の蛍光体組成物として種々の用途に用いることができるほか、この還元反応で用いた水系溶剤を除去して得られた粉末状の蛍光体組成物として種々の用途に用いることもできる。

例えば、本発明の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物は、Ｈg²⁺イオンの存在下においてその発光が消失する性質を有している。この性質は、複数種の金属イオンが共存する環境においても発揮される。そのため、本発明による金属ナノ粒子蛍光体は、複数種の金属イオンが共存する溶液に対して、金属種の分離を必要とせずにＨg²⁺イオンを検出できるＨg²⁺イオンセンサーとして用いることができる。

また、本発明の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物は、Ｐb²⁺イオンの存在下においてその発光が増大する性質を有している。この性質は、複数種の金属イオンが共存する環境においても発揮される。そのため、本発明による金属ナノ粒子蛍光体は、複数種の金属イオンが共存する溶液に対して、金属種の分離を必要とせずにＰb²⁺イオンを検出できるＰb²⁺イオンセンサーとしても用いることができる。

そして、本発明の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物をこれらＨg²⁺イオンセンサーやＰb²⁺イオンセンサー等の金属イオンセンサーとして用いる場合、還元反応で用いられた水系溶剤を含む液体状の蛍光体組成物として用いてもよく、また、この還元反応で用いた水系溶剤を除去して得られた粉末状の蛍光体組成物として用いてもよく、更には、液体状の蛍光体組成物を吸水樹脂、紙等の担体に担持させ、用途に適した形態の金属イオンセンサーにして用いることもできる。

更に、還元反応で用いた水系溶剤を除去して得られた粉末状の蛍光体組成物については、例えば、水溶液の状態で水溶性樹脂中に混合する方法、懸濁重合、乳化重合、溶液重合等により透明樹脂を製造する際に添加する方法等の適当な方法で樹脂中に添加し、所望の形状、例えばフィルム、ペレット、ビーズ等の形状に成形し、太陽電池増感剤、サインディスプレイ、インビジブルインク、蛍光塗料、等の用途に用いることができる。

本発明の製造方法によれば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｓｉ及びＦｅから選択される少なくとも１種の金属種からなる金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を、製造過程で危険性の高い試薬を用いることなく、実用的規模あるいは工業的規模での大量生産が可能な簡便な方法で、しかも、制御された異なる粒子径を持つ種々の金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を幅広く製造することができる。

また、本発明の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を用いて調製された金属イオンセンサーは、例えば、Ｈg²⁺イオンセンサーやＰb²⁺イオンセンサー等として好適に用いることができ、また、蛍光フィルムは、紫外線を可視光線に変換可能なので、例えば、太陽電池増感剤、サインディスプレイ、インビジブルインク、蛍光塗料等の用途に好適に用いることができる。

図１は、本発明の実施例１〜３で得られた液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａ〜ｃの蛍光性を示す写真である。

図２は、本発明の実施例１〜３で得られた液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａ〜ｃにおける発光の波長と強度を示すグラフ図である。

図３は、本発明の実施例１〜３で得られた液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａ〜ｃについて、蛍光体組成物ａ〜ｃ中のＡｕナノ粒子の粒子径を測定するために撮影されたＴＥＭ画像写真である。

図４は、本発明の実施例１〜３で得られた液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａ〜ｃについて測定された紫外-可視吸収スペクトルを示すグラフ図である。

図５は、実施例１で得られた液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａに各種の金属イオンを添加した後の蛍光の強度変化を示すグラフ図である。

図６は、実施例１〜３で得られた粉末状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物ａ〜ｃを含む蛍光フィルムを示す写真である。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の実施の形態を具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例及び比較例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例及び比較例で使用された測定装置は以下の通りである。
紫外可視近赤外分光光度計：V-670、JASCO製
蛍光分光光度計：FP-6300、JASCO製
透過型電子顕微鏡：JEM-2010F、JEOL製

〔実施例１〕
サンプル管（9ml）に空気雰囲気下で蒸留水（2.4ml）とペプシン（100mg）とを加えた。インキュベーター中でサンプル管を３７℃に加温し、マグネティックスターラーを用いて空気雰囲気下で約１０分激しく撹拌した。次に、マイクロピペットを用い、空気雰囲気下で攪拌強度８００rpm以上の激しい撹拌下にHAuCl₄水溶液（2.5ml、0.0125mmol）をサンプル管中に添加し、３７℃を保ちながら５分間激しい撹拌を継続した。

その後、マイクロピペットを用い、空気雰囲気下で激しい撹拌を継続しながらｐＨ調整剤としてNaOH水溶液（0.75ml、0.75mmol）を反応液中に添加し、ｐＨを１３に調整した後、更に３７度を保ちながら２時間激しい撹拌を継続し、Ａｕナノ粒子を含む液体状の蛍光体組成物を得た。

得られたＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物について、蛍光分光光度計FP-6300を用い、発光の波長と強度との関係を調べ、更に、透過型電子顕微鏡JEM-2010Fを用い、粒子径の測定を行った。

結果を図１(a)、図２(a)、図３(a)、及び図４(a)に示す。
得られたＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物は、Ａｕ原子２５個を有し、３６０nmの紫外線を吸収し６７０nmにピークを有する赤色の蛍光性を示し、その粒子径は１〜２nmの範囲であって平均粒子径が１．８nmであった。

〔実施例２〕
ｐＨ調整剤として塩酸（0.75ml、0.75mmol）を用い、ｐＨを１に調整した後、３７℃を保ちながら７２時間撹拌した以外は、上記実施例１と同様にしてＡｕナノ粒子蛍光体を得た。

得られたＡｕナノ粒子蛍光体について、実施例１と同様にして発光の波長と強度との関係を調べ、また、粒子径の測定を行った。
結果を図１(b)、図２(b)、図３(b)、及び図４(b)に示す。
得られたＡｕナノ粒子蛍光体は、Ａｕ原子１３個を有して緑色の蛍光性を有し、３３０nmの紫外線を吸収し５１０nmにピークを有する赤色の蛍光性を示し、その粒子径は１nm前後であって平均粒子径０．９nmであった。

〔実施例３〕
実施例２で得られた反応混合物中に、ｐＨ調整剤としてNaOH水溶液（0.43ml、0.43mmol）をマイクロピペットで空気雰囲気下に添加し、ｐＨを９に調整した後、３７℃を保ちながら１時間激しく撹拌し、Ａｕナノ粒子蛍光体を得た。

得られたＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物について、実施例１と同様にして発光の波長と強度との関係を調べ、また、粒子径の測定を行った。
結果を図１(c)、図２(c)、図３(b)、及び図４(b)に示す。
得られたＡｕナノ粒子蛍光体は、Ａｕ原子５個又はＡｕ原子８個を有して青色の蛍光性を有し、３３０nmの紫外線を吸収し４００nmにピークを有する赤色の蛍光性を示し、その粒子径は１nm以下であって平均粒子径が０．５nmであった。

実施例１〜３において得られたＡｕナノ粒子を含む蛍光体組成物の発光の波長と強度（a.u.）との関係を示す図２から、還元反応の際におけるｐＨの値を変化させることにより、発光波長が変化することが判明した。

〔実施例４：金属イオンセンサー〕
実施例１で製造した反応混合物（液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物）に対して、金属イオンのＣａ²⁺、Ｃｄ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｈｇ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｐｂ²⁺、又はＺｎ²⁺を含む硝酸塩水溶液を、それぞれ添加後のイオン濃度が０．０１mmol/Lになるように添加し、金属イオン添加前の蛍光強度を１００として金属イオン添加後の蛍光強度を比較した。

結果は図５に示す通りであり、Ｈｇ²⁺を添加したものについてはその蛍光が完全に消失し、また、Ｐｂ²⁺を添加したものについてはその蛍光が大幅に増大した。
従って、この実施例１のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物については、Ｈｇ²⁺イオンセンサーやＰｂ²⁺イオンセンサーとして使用できることが判明した。

〔実施例５：蛍光フィルム〕
実施例１〜３で得られた反応混合物（液体状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物）１mLにポリビニルアルコール（20wt%-PVOH水溶液）１mLを混合し、次いでこの混合溶液を常温で乾燥させ、粉末状のＡｕナノ粒子含有蛍光体組成物を含む蛍光フィルムａ〜ｃを調製した。
得られた蛍光フィルムａ〜ｃについて、ＵＶランプ（UVLS-28、UVP社製）を用いて目視により発光性を調べた。
結果を図６に示す。

Claims

Ａｕ化合物、Ａｇ化合物、Ｃｕ化合物、Ｐｔ化合物、Ｐｄ化合物、Ｎｉ化合物、Ｉｒ化合物、Ｓｉ化合物、及びＦｅ化合物からなる群から選択された少なくとも１種の金属化合物を、ペプシン、トリプシン、及びブロメラインからなる群から選択された少なくとも１種のタンパク質を含むと共にｐＨ調整剤によりｐＨ調整されたタンパク質含有水溶液中で還元し、この還元反応で生成した金属ナノ粒子含有生成物を含む蛍光体組成物を製造することを特徴とする金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法。
前記金属ナノ粒子蛍光体の平均粒子径が０．５〜４nmである請求項１に記載の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法。
蛍光体組成物が、還元反応で用いられた水系溶剤を含む液体状の蛍光体組成物である請求項１又は２に記載の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法。
蛍光体組成物が、還元反応で用いた水系溶剤を除去して得られた粉末状の蛍光体組成物である請求項１又は２に記載の金属ナノ粒子含有蛍光体組成物の製造方法。
請求項１〜４のいずれかの方法によって製造された金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を含むことを特徴とする金属イオンセンサー。
請求項１〜４のいずれかの方法によって製造された金属ナノ粒子含有蛍光体組成物を含むことを特徴とする蛍光フィルム。