JP5920759B2 - Metal ion supply system - Google Patents
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Description
本発明は、金属イオン又は金属ナノ粒子が生物個体群や生物群集に与える影響を試験する場合等に用いられる金属イオン供給システムに関する。 The present invention relates to a metal ion supply system used when testing the influence of metal ions or metal nanoparticles on a biological population or a biological community.
最近、使用・廃棄されるナノ材料によって生じる人健康・環境・生態系へのリスクが懸念されている。化学物質の毒性評価にはOECDテストガイドライン等で定められた方法があるが、ナノ材料の毒性評価については、多くが難溶、不溶であることを含めて従来法の盲点を突いた形となっている。 Recently, there are concerns about risks to human health, the environment, and the ecosystem caused by nanomaterials that are used and disposed of. There are methods defined in the OECD test guidelines for the toxicity assessment of chemical substances, but the toxicity assessment of nanomaterials is in the form of blind spots of conventional methods, including the fact that many are hardly soluble or insoluble. ing.
すなわち、主原料が既存化学物質(炭素、金属など)であること、ナノサイズに基づく特異的な酸化活性による毒性を評価する試験法がないことなどである。毒性のスクリーニング及びメカニズムの解明が試験法確立と毒性評価のために必須である。 That is, the main raw material is an existing chemical substance (carbon, metal, etc.), and there is no test method for evaluating toxicity due to specific oxidation activity based on nanosize. Toxicity screening and mechanism elucidation are essential for establishing test methods and evaluating toxicity.
金属ナノ粒子の中でも、特に、酸化活性によるものとされる高い抗菌活性を持つ銀ナノ粒子は、使用・廃棄後に排水に混入した場合、下水処理場の生物処理(活性汚泥)の機能低下を引き起こすことが知られている。さらに、銀ナノ粒子の水環境への流亡と水生生物(水生植物、藻類、ミジンコ、魚類)個体群への毒性による水圏生態系へのリスク及び生物多様性への影響が懸念されており、化学物質の安全性を国際的に評価するOECDなどで議論されている。 Among metal nanoparticles, especially silver nanoparticles with high antibacterial activity attributed to oxidation activity cause deterioration of biological treatment (activated sludge) in sewage treatment plants when mixed into wastewater after use and disposal. It is known. Furthermore, there are concerns about the risks to aquatic ecosystems and the impact on biodiversity caused by the erosion of silver nanoparticles to the aquatic environment and toxicity to aquatic organisms (aquatic plants, algae, daphnia, fish) populations. It is discussed in OECD, which internationally evaluates the safety of substances.
銀ナノ粒子の毒性としては、活性汚泥の硝化作用阻害、藻類の光合成阻害、ミジンコへの取り込み、ゼブラフィッシュの胚発達阻害と孵化率低下が報告されている程度である。例えば、非特許文献1に示されるように、銀ナノ粒子によるファットヘッドミノーの胚への影響を実験したものがある。 Toxicity of silver nanoparticles has been reported to inhibit activated sludge nitrification, algae photosynthesis inhibition, incorporation into daphnia, zebrafish embryo development and hatchability reduction. For example, as shown in Non-Patent Document 1, there is an experiment on the effect of silver nanoparticles on fathead minnow embryos.
しかしながら、銀ナノ粒子の毒性作用機能及び生態リスクは未確認である。一方で、銀ナノ粒子の毒性について、銀ナノ粒子そのものは無害だが、pH依存的に解離する銀イオンによる影響が重要という報告がある。このため、解離銀イオンの影響も注目されているが、銀イオンのみの毒性試験法は確立していない。 However, the toxic function and ecological risk of silver nanoparticles have not been confirmed. On the other hand, regarding the toxicity of silver nanoparticles, there are reports that silver nanoparticles themselves are harmless, but the influence of silver ions that dissociate in a pH-dependent manner is important. For this reason, although the influence of dissociated silver ions has attracted attention, a toxicity test method using only silver ions has not been established.
銀ナノ粒子は、環境生態系への影響が懸念されるため、生物個体群へのリスク評価及び銀毒性が生物群集に与える影響を定量化する手法の確立がOECD等で求められている。 Since silver nanoparticles are concerned about the impact on the environmental ecosystem, OECD and others are required to establish a method for assessing the risk to living organisms and quantifying the impact of silver toxicity on living organisms.
生態リスクのガイドラインを策定するにあたり、標準物質としての銀ナノ粒子の作製方法を確立する必要がある。同じ貴金属である金ナノ粒子の場合には、様々なサイズ及び形状のコロイド粒子を作製するプロトコールが確立されているが、銀コロイドに関しては、入手可能なサイズ及び形状は極めて限定されている。 In developing ecological risk guidelines, it is necessary to establish a method for producing silver nanoparticles as reference materials. In the case of gold nanoparticles that are the same noble metal, protocols have been established for making colloidal particles of various sizes and shapes, but for silver colloids, the available sizes and shapes are very limited.
銀ナノ粒子の毒性メカニズムとして、銀ナノ粒子が細胞内に取り込まれることによる影響と、pH依存的に解離する銀イオンの2つの影響が考えられるが、液中に浮遊する銀ナノ粒子を用いる限り、区別することは困難である。 The toxicity mechanism of silver nanoparticles can be considered to be influenced by the incorporation of silver nanoparticles into cells and silver ions that dissociate in a pH-dependent manner, but as long as silver nanoparticles floating in the liquid are used. , Difficult to distinguish.
その他にも、TiやCd等による金属イオンの生体への影響等が議論されているが、同様に、液体中に浮遊する金属ナノ粒子を用いる限り、イオンと粒子を区別することは困難である。このように、イオン化可能な金属については、粒子とイオンとを定量的に分離できないという問題があった。 In addition, the influence of metal ions on living bodies caused by Ti, Cd, and the like has been discussed. Similarly, as long as metal nanoparticles floating in a liquid are used, it is difficult to distinguish ions from particles. . As described above, the ionizable metal has a problem that particles and ions cannot be separated quantitatively.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、液体中における金属ナノ粒子と金属イオンとを完全に分離して、金属イオンを供給できるようにした金属イオン供給システムを提供することを目的とする。 The present invention has been developed to solve the above-described problems, and provides a metal ion supply system capable of supplying metal ions by completely separating metal nanoparticles and metal ions in a liquid. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明の金属イオン供給システムは、微粒子上に帽子状ナノ金属が真空蒸着又はスパッタリングにより形成された金属付着微粒子が吸着された基材を備え、前記金属付着微粒子を液体中に浸漬することで前記ナノ金属の総面積及び金属種類に基づいて発生する金属イオンを供給することを主要な特徴とする。 In order to achieve the above object, the metal ion supply system of the present invention includes a base material on which fine metal-attached fine particles formed by vacuum deposition or sputtering of cap-shaped nanometals are adsorbed on fine particles, The main feature is that metal ions generated based on the total area and metal type of the nanometal are supplied by being immersed in a liquid.
本発明によれば、液体中に浸漬される金属付着微粒子は、基材上に吸着されているために、通常の状態では液体中で剥離することがなく、浮遊金属ナノ粒子となることがない。一方、液体中に浸漬された金属付着微粒子のナノ金属からは、金属イオンが解離して液体中に拡散する。したがって、液体中には、金属ナノ粒子が存在せずに、解離金属イオンのみとなり、この金属イオンだけを、例えば、細胞や生体組織に供給することができる。 According to the present invention, since the metal-attached fine particles immersed in the liquid are adsorbed on the base material, the metal-attached fine particles are not peeled in the liquid in a normal state and do not become floating metal nanoparticles. . On the other hand, metal ions are dissociated and diffused into the liquid from the nanometal of the metal-attached fine particles immersed in the liquid. Therefore, in the liquid, metal nanoparticles are not present, and only dissociated metal ions are present, and only these metal ions can be supplied to, for example, cells or living tissues.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。構造に関する図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings relating to the structure are schematic and different from the actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
図1は、本発明の金属イオン供給システムに用いられる基本的構造を示す。ガラス、プラスティックやシリコン等の基材1の上に、微小球形状の金属付着微粒子10が形成されている。金属付着微粒子10は、例えば、粒径30nmから10μmの微小球形状の微粒子2と微粒子2に付着したナノ金属層3とで構成されている。基板1上に微粒子2が固相化されており、微粒子2の表面の上半分程度がナノ金属層3で帽子状に被覆されている。微粒子2はポリマー又はシリカ粒子等で構成される。ナノ金属層3は、銀、アルミ、チタン、カドミウム等のイオン化可能な金属で構成されている。ナノ金属層3の厚さは、微粒子2の直径に対して、1%から200%程度に形成される。
FIG. 1 shows the basic structure used in the metal ion supply system of the present invention. On a base material 1 such as glass, plastic or silicon, fine spherical metal-attached
本発明では、特性の評価を行いたい金属ナノ粒子の量と同じ量の基材上に固相化された金属付着微粒子10を用意する。浮遊した金属ナノ粒子は、生体組織内に取り込まれる可能性があるのに対して、固相化された金属付着微粒子10は取り込まれない。また、同じ個数の金属付着微粒子を集めさえすれば、その総面積は変わらずに一定であることから、金属付着微粒子に形成されたナノ金属から液体中に解離される金属イオンの濃度は、一定になる。したがって、金属付着微粒子の数を制御することにより、金属イオンの濃度を制御することができるとともに、金属イオンを安定的に供給できる。
In the present invention, the metal-attached
そこで、まず、容器を使ったシステムについて説明する。容器の基底(底面)に微粒子を吸着させるものである。すなわち、図1の基材1が容器の基底に相当する。培養用プレートなどの容器の基底表面上に粒径30nmから10μmの樹脂若しくはシリカの微粒子を単層として吸着させる。吸着の方法としては、基底表面と微粒子表面に官能基を導入し共有結合により微粒子を吸着させる方法がある。あるいは、イオン濃度を上昇させることにより、微粒子間の斥力を抑制することにより物理的に微粒子を吸着する方法がある。以下の実施例では、イオン濃度を上昇させることにより、微粒子間の斥力を抑制することにより物理的に微粒子を吸着する方法を用いた。 First, a system using containers will be described. Fine particles are adsorbed on the base (bottom surface) of the container. That is, the base material 1 in FIG. 1 corresponds to the base of the container. A fine particle of resin or silica having a particle diameter of 30 nm to 10 μm is adsorbed as a single layer on the base surface of a container such as a culture plate. As an adsorption method, there is a method in which fine particles are adsorbed by covalent bonding by introducing functional groups to the base surface and the fine particle surface. Alternatively, there is a method of physically adsorbing the fine particles by suppressing the repulsive force between the fine particles by increasing the ion concentration. In the following examples, a method of physically adsorbing fine particles by increasing repulsive force between the fine particles by increasing the ion concentration was used.
まず、微粒子2を吸着させるためには、次の前処理が必要となる。微粒子2にポリスチレン粒子を用いる場合は、まず、図2(a)に示す容器20の基底20Aの表面に厚さ10nm以上の金属膜を真空蒸着法等により形成する(図示せず)。次に、微粒子2となるポリスチレン微粒子の懸濁液に同等量の塩化マグネシウム水溶液を加える。濃度は、1mM(1×10−3mol/m3)から500mMとする。
First, the following pretreatment is required to adsorb the
図2(a)に示すように、この混合液21を容器20に加え、1分から10分間ゆっくり撹拌する。添加量は、容器20の面積1cm2当たり、100μLから1mLとする。次に、多量の純水を加え(図2(b))、過剰量の微粒子2を除去する(図2(c))。図3(d)と図3(d)の点線部分の拡大図である図3(e)に示すように、容器20の基底20Aに吸着された微粒子2を乾燥させる。次に、図3(f)に示すように、真空蒸着装置にて銀等のイオン化可能なナノ金属層3を微粒子2上に蒸着して金属付着微粒子10を形成する。ナノ金属層3の厚さは、微粒子2の直径に対して、1%から200%とする。
As shown to Fig.2 (a), this
微粒子2にシリカ微粒子を用いる場合は、ガラス表面を用いることが望ましい。したがって、ガラスにより形成されている容器20を用い、容器20にアミノプロピルメルトキシシランもしくはアミノプロピルエトキシシラン(0.1%から10%重量比)を加え、1分から10分間撹拌する。添加量は、容器20の面積1cm2当たり、20μLから200μLとする。次に多量の純水により容器20を洗浄し乾燥させる。さらにシリカ微粒子懸濁液に同等量の塩化マグネシウム水溶液を加える。濃度は、1mM(1×10−3mol/m3)から500mMとする。
When silica fine particles are used for the
この混合液21を容器20に加え、1分から10分間ゆっくり撹拌する(図2(a))。添加量は、容器20の面積1cm2当たり、100μLから1mLとする。次に、多量の純水を加え(図2(b))、過剰量の微粒子を除去する(図2(c))。図3(d)と図3(d)の点線部分の拡大図である図3(e)に示すように容器20の基底20Aに吸着された微粒子2を乾燥させる。図3(f)に示すように、真空蒸着装置にて銀等のイオン化可能なナノ金属層3を蒸着して金属付着微粒子10を形成する。ナノ金属層3の厚さは、微粒子2の直径に対して、1%から200%とする。
This
上記のように、基材1に相当する基底20A上に、高密度に吸着された微粒子2を真空蒸着法又はスパッタリング法により金属コーティングすることにより、微粒子の表面に帽子状の金属ナノ粒子となるナノ金属層3が形成される。
As described above, hat-shaped metal nanoparticles are formed on the surface of the fine particles by coating the
上記の方法で調製された金属付着微粒子10は、超音波に晒すことにより、容易に剥離できる。金属付着微粒子10を剥離するためには、厚さ3mmから20mm程度の平坦なガラス基板もしくは金属基板からなる剥離用基板を用いる。形状は容器の形状とほぼ同じとする。すなわち、容器が円形であれば円形とし、長方形であれば長方形とする。大きさとしては、容器のサイズに対して30%〜95%とすることが望ましい。
The metal-attached
図4(a)に示すように、ガラス基板もしくは金属基板からなる剥離用基板25を容器20の中に設置する。次に、容器20と剥離用基板25の間の領域が完全に浸漬される程度の純水又はエタノール、メタノール等のアルコールによる液体26を加える。次に容器20を超音波洗浄装置内部の容器30に浮かせ、剥離用基板25や容器20等が矢印の方向に振動するように超音波を加える(図4(b))。剥離用基板25を金属付着微粒子10の方へ若干押し付けることにより、より効率良く微粒子を剥離することができる(図4(c))。吸着された金属ナノ粒子と同じ数の浮遊金属ナノ粒子を調製するには、吸着された金属付着微粒子10をすべて剥離することにより可能となる。
As shown in FIG. 4A, a peeling
上記のように、容器20を簡易超音波洗浄装置中に置き超音波を発生させると、容器20の基底と剥離用基板25との間に振動が発生し、金属付着微粒子10は数分以内に完全に剥離する。
As described above, when the
容器の基底に、直接金属付着微粒子10を形成する方法以外にも、図6のように、浮遊金属微粒子がない所定の濃度の金属イオンのみが存在する状態を形成することができる。樹脂、金属又はガラスの薄いシートからなる基板11上に金属付着微粒子10を吸着させておき、図6(a)に示すように、この基板11を容器20に入れ、水溶液中に沈めても良い。また、図6(b)に示すように、フィルター等の多孔質状のシートからなる基板12の表面の両面に金属付着微粒子10を形成して、複数枚数の基板12を容器20の基底に沈めても良い。図6(c)は、図6(b)の点線部分の拡大図を示す。
In addition to the method in which the metal-attached
図6(c)のように、培養液中には、複数の基板12が存在するが、基板毎に基板表面に吸着している金属付着微粒子のナノ金属層の金属の種類を変えるようにしても良い。このようにすれば、複数の種類の解離金属イオンによる影響を検査することができる。
As shown in FIG. 6 (c), there are a plurality of
また、容器20については、樹脂又はガラス製のシャーレ、又は4〜96の穴が形成されているマルチプレートの容器とし、この中に金属付着微粒子10を形成することが望ましい。このようにすれば、金属付着微粒子10の形成後に、細胞及び生体組織に直接金属イオン等を供給することができるからである。
The
銀のナノ金属層3を持つ金属付着微粒子10を細胞培養に適用した例を図5に示す。図2〜図3の方法により得られた容器20の基底に吸着された金属付着微粒子10を用い、培養液27を加え、単離細胞23を播種する(図5(a))。すると、細胞が培養されてコロニー22Aが形成されるとともに、コロニー22A内の培養された細胞が解離銀イオン(Ag+)に晒される。このとき、浮遊した金属微粒子は、細胞内に取り込まれる可能性があるのに対して、基底に吸着された金属付着微粒子10は取り込まれない。したがって、銀イオンのみの細胞に対する影響を測定することができる。
An example in which the metal-attached
次に、一旦、容器20を洗浄し、図4の方法で、容器20の基底に吸着された金属付着微粒子10を基底から剥離する。次に、培養液27を加え、単離細胞23を播種する(図5(b))。すると、細胞が培養されてコロニー22Bが形成されるとともに、コロニー22B内の培養された細胞が銀イオン(Ag+)に晒される。また、培養液27中に、金属付着微粒子10は浮遊しているので、コロニー22B内の培養された細胞には、図5(b)の点線部の拡大図である図5(c)に示すように、一部の金属付着微粒子10が取り込まれる。以上のように、銀ナノ粒子の取り込みによる影響と銀イオンに晒されることによる影響の2つの影響を測定することができる。
Next, the
すなわち、図5(a)と図5(b)では、同じ数の金属付着微粒子(金属ナノ粒子)が容器20には存在するので、解離銀イオンの濃度は、図5(a)の溶液中と図5(b)の溶液中で同じである。したがって、図5(b)の細胞への影響を測定し、この測定結果から図5(a)の細胞への影響を測定した結果を引き算すれば、金属付着微粒子(金属ナノ粒子)の取り込みによる細胞への影響を算出することができる。
That is, in FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), since the same number of metal-attached fine particles (metal nanoparticles) are present in the
また、図6のように、フィルター等の多孔質状の基板12表面の両面に金属付着微粒子10を形成して、複数枚数のシートを容器20の基底に沈めた場合でも同様に、細胞が銀イオンに晒されることによる影響と金属付着微粒子(金属ナノ粒子)の取り込みによる細胞への影響を別々に検出することができる。
Further, as shown in FIG. 6, even when the metal-adhered
図5(b)に示すように、金属付着微粒子10が吸着された基板12を培養液27中に沈めておき、単離細胞23を播種する。すると、コロニー22が形成され、コロニー22の細胞が、培養液中に解離している銀イオンに晒されることなる。また、銀の金属層が形成されている金属付着微粒子10は、基板12に固定されているので、培養液中に浮遊することがない。したがって、銀イオンによる影響のみを測定することができる。
As shown in FIG. 5B, the
一方、容器20を洗浄し、図4のように、容器20内にシート12を液体26中に沈め、超音波洗浄装置により振動させて、金属付着微粒子10を剥離し、その後、培養液27、単離細胞23を加えてコロニー22を成長させる。コロニー22の細胞は、解離された銀イオンによる影響と浮遊している金属付着微粒子10を取り込んだ影響との2つの影響を測定することができる。したがって、シート12を培養液27中に沈めて測定した結果と金属付着微粒子10を剥離して培養液中に浮遊させて測定した結果との差を取れば、金属付着微粒子(金属ナノ粒子)の取り込みによる細胞への影響を算出することができる。
On the other hand, the
なお、銀イオン濃度は、図7に示すように、制御することができる。図7の横軸はpHを、縦軸は銀イオン(Ag+)濃度(mg/L)を示す。これは、水溶液中に10mg/Lの銀ナノ粒子を入れて測定した。図7に示すように、銀ナノ粒子が入った溶液のpHを小さく(酸性を強くする)すれば、解離する銀イオン濃度を上げることができ、逆にpHを大きく(アルカリ性を強く)すれば、解離する銀イオン濃度を下げることができる。銀イオン濃度を高くしたい場合は、例えば、塩酸等を溶液に加えて酸性を強くすれば良い。銀イオン濃度を低くしたい場合は、例えば、水酸化ナトリウム等を溶液に加えてアルカリ性を強くすれば良い。 The silver ion concentration can be controlled as shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents pH, and the vertical axis represents silver ion (Ag + ) concentration (mg / L). This was measured by putting 10 mg / L of silver nanoparticles in an aqueous solution. As shown in FIG. 7, if the pH of the solution containing silver nanoparticles is reduced (increases the acidity), the concentration of dissociated silver ions can be increased, and conversely, if the pH is increased (increases alkalinity). , The concentration of dissociated silver ions can be lowered. In order to increase the silver ion concentration, for example, hydrochloric acid or the like may be added to the solution to increase the acidity. In order to reduce the silver ion concentration, for example, sodium hydroxide or the like may be added to the solution to increase the alkalinity.
図5で、銀イオン濃度を制御する場合は、図5(a)の溶液中と図5(b)の溶液中で同じ銀イオン濃度としておくために、両方の培養液のpHは同じにしておく必要がある。 In FIG. 5, when controlling the silver ion concentration, the pH of both culture solutions should be the same in order to keep the same silver ion concentration in the solution of FIG. 5 (a) and the solution of FIG. 5 (b). It is necessary to keep.
以上のように、浮遊金属ナノ粒子に細胞もしくは生体組織を晒した場合であっても、浮遊金属ナノ粒子が細胞又は生体組織に金属ナノ粒子が取り込まれることにより発生する効果と、浮遊金属ナノ粒子に基づいて生じる解離金属イオンに晒されることにより発生する効果を区別することができる。 As described above, even when cells or biological tissues are exposed to floating metal nanoparticles, the effects of floating metal nanoparticles generated by incorporation of metal nanoparticles into cells or biological tissues, and floating metal nanoparticles It is possible to distinguish the effects generated by exposure to dissociated metal ions generated based on the above.
これにより、金属毒性のメカニズムが解明されスクリーニング試験法確立と毒性評価が可能となる。 As a result, the mechanism of metal toxicity is elucidated, and screening test methods can be established and toxicity can be evaluated.
本発明の金属イオン供給システムは、金属イオン又は金属ナノ粒子が生物個体群や生物群集に与える影響の試験、リスク評価等に適用することができる。 The metal ion supply system of the present invention can be applied to testing of the influence of metal ions or metal nanoparticles on a biological population or a biological community, risk assessment, and the like.
1 基板
2 微粒子
3 ナノ金属層
20 容器
20A 基底
21 混合液
10 金属付着微粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記金属付着微粒子を液体中に浸漬することで前記ナノ金属の総面積及び金属種類に基づいて発生する金属イオンを、細胞又は生体組織に取り込ませるよう供給し、
さらに、前記金属付着微粒子を前記基材から剥離して液体中に浮遊させ、前記発生した金属イオンと同じ濃度の金属イオンとともに金属付着微粒子も、前記細胞又は前記生体組織に取り込ませるよう供給することを特徴とする金属イオン供給システム。 A base material on which metal-attached fine particles formed by vacuum deposition or sputtering of hat-shaped nano metal on fine particles is adsorbed,
Supplying metal ions generated based on the total area and metal type of the nanometal by immersing the metal-adhered fine particles in a liquid so as to be taken into cells or living tissues ,
Furthermore, the metal-attached fine particles are peeled off from the substrate and suspended in a liquid, and the metal-attached fine particles are supplied together with the metal ions having the same concentration as the generated metal ions so as to be taken into the cells or the living tissue. Metal ion supply system characterized by.
The metal ion supply system according to claim 3 , wherein a plurality of the substrates are used, and the nanometal of the metal-attached fine particles adsorbed on each substrate is a different metal type.
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