JP6351157B2 - テルル化合物ナノ粒子及びその製法 - Google Patents

Description

本発明は、テルル化合物ナノ粒子及びその製法に関する。

波長７００−２５００ｎｍの光を近赤外光と呼び、中でも７００−１３００ｎｍの近赤外光は、水やヘモグロビンの吸収が弱いため、生体の透過性が高い。そのため、この波長領域の近赤外光を吸収して近赤外光を発光する標識剤（近赤外発光標識剤）は、生体イメージングに応用することができる。近年では、近赤外発光標識剤として量子ドットを用いた生体イメージングが注目されている。しかし、こうした量子ドットは、毒性が懸念される元素（ＣｄやＰｂ）を含んでいることが多い。こうした状況下、低毒性のＡｇ₂Ｓ量子ドットを生体イメージングに適用した例が報告されている（非特許文献１，２参照）。

Biomaterials 2012, vol.33, pp.5130-5135 Journal of Materials Chemistry 2012, vol.22, pp.14674-14681

しかしながら、非特許文献１，２及びそれ以外の文献に記載された値を総合すると、Ａｇ₂Ｓ量子ドットの発光量子収率は２−３９％であり、安定した値が得られにくいという問題あった。また、Ａｇ₂Ｓは吸収係数が低く、強度の小さな励起光によって効率よく光励起ができない欠点があった。そのため、Ａｇ₂Ｓに代わる低毒性で生体イメージングに適用可能な化合物の開発が望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、低毒性で生体イメージングに適用可能なテルル化合物ナノ粒子を提供することを主目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究を行ったところ、Ａｇ塩とＩｎ塩とを加えたチオール溶液にＴｅ前駆体を加えて加熱することでテルル化合物ナノ粒子が得られること、また、そのテルル化合物ナノ粒子が優れた近赤外発光特性を有することを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のテルル化合物ナノ粒子は、Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂（Ｍ¹は１１族元素であり、Ｍ²は１３族元素である）で表されるものである。

また、本発明のテルル化合物ナノ粒子の製法は、（ａ）トリアルキルホスフィンにＴｅ粉末を加えた混合液を２００−２５０℃で熱処理して透明な溶液を得る工程と、（ｂ）この透明な溶液を、炭化水素系チオールにＭ¹塩とＭ² 塩とを加えた溶液に加えたあと１８０−２８０℃に加熱する工程と、を含むものである。

本発明によれば、低毒性で生体イメージングに適用可能なテルル化合物ナノ粒子を提供することができる。具体的には、本発明のテルル化合物ナノ粒子は、ＣｄやＰｂなどの高毒性重金属元素を含まないため毒性が低く、生体透過性が高い波長領域の近赤外光を吸収して近赤外光を発光するため生体イメージングに適用可能である。

ＴＥＭ像の写真であり、（ａ）は実験例１、（ｂ）は実験例３、（ｃ）は実験例５、（ｄ）は実験例６の写真である。 ＴＥＭ像に基づいて算出した粒子の長さ及び標準偏差を示すグラフである。 各実験例のＸＲＤパターンを示すグラフである。 実験例３−６の吸収及び発光スペクトルを示すグラフである。 発光量子収率と反応温度との関係を示すグラフである。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂（Ｍ¹は１１族元素であり、Ｍ²は１３族元素である）で表されるものである。

ここで、ナノ粒子とは、大きさが１−１００ｎｍの粒子をいう。例えば、ナノ粒子の形状が球状の場合には、平均粒径が１−１００ｎｍの粒子であり、ロッド状の場合には長軸の平均長さも短軸の平均長さも１−１００ｎｍの粒子である。

Ｍ¹は周期表第１１族元素であり、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどが挙げられるが、このうちＡｇ、Ｃｕが好ましく、Ａｇが特に好ましい。Ｍ²は周期表第１３族元素であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂなどが挙げられるが、このうち、Ｉｎ、Ｇａが好ましく、Ｉｎが特に好ましい。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、近赤外発光量子ドットとして用いることができる。この場合の近赤外光は、生体透過性の高い波長７００−１３００ｎｍの光をいう。近赤外発光量子ドットとは、近赤外光又はそれよりも短い波長を吸収し、近赤外光を発光する量子ドットをいう。近赤外光は、水やヘモグロビンの吸収が弱いため、生体の透過性が高い。近赤外発光量子ドットは、細胞に取り込ませたあと近赤外光を吸収し発光することで、生体イメージングの標識剤として利用可能である。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、結晶構造が六方晶及び／又は正方晶であることが好ましい。近赤外発光量子収率の高いものから順に並べると、（１）六方晶、（２）六方晶及び正方晶の混合、（３）正方晶、となる。なお、六方晶はウルツ鉱型、正方晶はカルコパイライト型である。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、粒子の形状が球状又はロッド状であることが好ましい。球状粒子においては、平均粒径が１−１２ｎｍであることが好ましく、ロッド状粒子においては、短軸の平均長さが１−１２ｎｍで長軸の平均長さが１０−２０ｎｍであることが好ましい。ロッド状としては、ＴＥＭ像において長方形状、楕円形状、長円形状、多角形が長く延びた形状などが挙げられる。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、その表面が各種化合物で修飾されていてもよいが、炭化水素系チオールで修飾されていることが好ましい。炭化水素系チオールの炭化水素部位は、炭素数４−２０であることが好ましく、例えば、ｎ−ブタン、イソブタン、ｎ−ペンタン、ｎ−オクタン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ｎ−ヘキサデカン、ｎ−オクタデカンなどの分岐を有していてもよい飽和脂肪族炭化水素；シクロペンタン、シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素；ベンゼン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素などが挙げられ、このうち飽和脂肪族炭化水素が好ましい。炭化水素系チオールは、テルル化合物ナノ粒子の表面に硫黄が配位結合すると考えられる。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、Ｚｎ系化合物を含むシェルの中にコアとして存在していてもよい。このような構造をコアシェル構造と呼ぶ。コアシェル構造を持つ粒子が凝集したとしても、シェルが存在していることからコア同士が凝集することはない。このため、こうしたコアシェル構造を持つ粒子が凝集したとしても、コアをなすテルル化合物ナノ粒子は近赤外発光量子ドットとしての機能を十分発揮することができる。Ｚｎ系化合物としては、例えばＺｎＴｅやＺｎＳ，ＺｎＳｅなどが挙げられる。

本発明のテルル化合物ナノ粒子は、Ｚｎがドープされていてもよい。ＡｇＩｎＳ₂量子ドットでは粒子内にＺｎをドープすることで発光が増強されることが知られている。本発明のテルル化合物ナノ粒子においても、粒子内にＺｎをドープすることで発光が増強されることが期待される。

本発明のテルル化合物ナノ粒子の製法は、（ａ）トリアルキルホスフィンにＴｅ粉末を加えた混合液を２００−２５０℃で熱処理して透明な溶液を得る工程と、（ｂ）この透明な溶液を、炭化水素系チオールにＭ¹塩とＭ² 塩とを加えた溶液に加えたあと１８０−２８０℃に加熱する工程と、を含むものである。

工程（ａ）において、トリアルキルホスフィンにＴｅ粉末を加えた混合液を２００−２５０℃で熱処理して透明な溶液を調製したのは、その後の反応をスムーズに進行させるためである。すなわち、工程（ｂ）において、Ｔｅ粉末をそのまま用いると、Ｔｅ粉末が溶媒中に不均一に存在するためＭ¹塩やＭ² 塩と反応しにくいが、工程（ａ）で調整した透明な溶液を用いると、透明な溶液中に均一に存在するＴｅ−ホスフィン錯体がＭ¹塩やＭ² 塩と反応しやすくなる。工程（ａ）で使用するトリアルキルホスフィンのアルキル基は、３つとも同じであってもよいし、２つが同じで１つが異なっていてもよいし、３つとも異なっていてもよいが、３つとも同じであることが好ましい。アルキル基としては、特に限定するものではないが、例えば炭素数４−２０の炭化水素基が好ましく、例えば、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｎ−ペンチル基、ｎ−ヘキシル基、ｎ−オクチル基、ｎ−デシル基、ｎ−ドデシル基、ｎ−ヘキサデシル基、ｎ−オクタデシル基などの飽和脂肪族炭化水素基が好ましい。

工程（ｂ）で使用する炭化水素系チオール、Ｍ¹、Ｍ² については、既に述べたとおりであるため、ここではその説明を省略する。Ｍ¹塩やＭ² 塩は、特にどのような塩でもよいが、例えば酢酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩、リン酸塩などが挙げられる。炭化水素系チオールは、Ｍ¹塩やＭ² 塩と反応してチオレート錯体になると思われる。そして、このチオレート錯体とＴｅのホスフィン錯体とが反応して目的とするテルル化合物Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂になると思われる。一方、炭化水素系チオールの代わりに炭化水素系アミンを用いた場合には、目的物が得られない。この場合、炭化水素系アミンがＭ¹塩やＭ²塩と反応してアミン錯体となり、そのアミン錯体の反応性が高すぎてＭ¹ ₂Ｔｅなどとして沈下してしまうからだと思われる。反応温度については、１５０℃以下では、目的とするテルル化合物Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂が生成しにくいため好ましくない。また、２８０℃より高くても、得られるテルル化合物Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂の光学特性（特に発光量子収率）が向上しないため好ましくない。反応温度とテルル化合物Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂の結晶構造との間には相関関係があり、結晶構造は１８０−２８０℃のうちの低温領域（１８０−２２０℃）では六方晶になりやすく、中温領域（２２０−２５０℃）では正方晶と六方晶との混合物になりやすく、高温領域（２５０−２８０℃）では正方晶になりやすい。近赤外発光量子収率は正方晶に比べて六方晶の方が高くなる傾向にあるため、工程（ｂ）では低温領域（１８０−２２０℃）で加熱するのが好ましい。

工程（ｂ）の後、例えば以下のようにして目的とするテルル化合物を反応混合液から回収することができる。すなわち、工程（ｂ）で加熱した混合液を放冷し、その混合液にアルコールを加えて沈澱を生成させ、その沈澱を混合液から分離し、分離した沈澱に炭化水素系溶媒を加えたあと粗大粒子を除去することにより、テルル化合物ナノ粒子を含む溶液を得ることができる。アルコールとしては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノールなどの低級アルコールを用いるのが好ましい。炭化水素溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素溶媒を用いてもよいし、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナンなどの脂肪族炭化水素溶媒を用いてもよい。

本発明のテルル化合物ナノ粒子の製法によれば、上述したテルル化合物ナノ粒子を比較的容易に製造することができる。

なお、本発明は上述した例示に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

１．ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットについて
（１）Ｔｅ前駆体の合成
１０．７ｍｍｏｌのＴｅ粉末をフラスコに加え、内部を窒素雰囲気に置換した後、同じく窒素雰囲気下で保管しておいたｎ−トリオクチルホスフィン３０ｃｍ³を加えた。一度フラスコ内を減圧し、撹拌しながらマントルヒーターで加熱した。混合液の温度が８０℃となったところで、フラスコ内に再び窒素を充填し、毎時１００℃の速度で２２０℃になるまで昇温させた。加熱開始から３時間経過したところで、溶液がオレンジ色の透明な溶液となった。その後室温まで放冷すると、溶液は黄色に変化した。得られた前駆体溶液は実験に使用するまで窒素雰囲気下で保管した。

（２）ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットの作製（実験例１−６）
酢酸銀（ＡｇＯＡｃ）、酢酸インジウム（Ｉｎ（ＯＡｃ）₃）を０．０７４ｍｍｏｌずつ試験管に量り取り、これに１−ドデカンチオール３．０ｃｍ³を加えた混合液を作製した。試験管内部を減圧後、窒素充填した。先に作製したＴｅ前駆体溶液０．４２ｃｍ³を撹拌しながら加え、表１に示した各実験例の実験条件（反応温度１２０−２８０℃）で１０分間加熱した後、室温まで放冷した。得られた生成物にエタノールを加えた後、遠心分離して沈澱を集め、その沈殿にトルエン若しくはオクタンを加えて沈澱を溶解させ、再び遠心分離することで粗大な粒子などを取り除き、半導体量子ドットを含む溶液を得た。

（３）ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットの特性
（ａ）形状
実験例１−６で得られた半導体量子ドットについて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日立ハイテクノロジーズ、Ｈ−７６５０）を用いた観察を行った。ＴＥＭグリッドとして、市販のエラスティックカーボン支持膜付き銅グリッド（応研商事）を用いた。代表例として、実験例１，３，５，６で得られたＴＥＭ像を図１（ａ）−（ｄ）に示す。また、各実験例のＴＥＭ像に基づいて算出した粒子の長さ及び標準偏差を図２に示す。反応温度１２０℃では球状の粒子が主に生成したが、１８０℃以上の反応温度では球状粒子とロッド状粒子の生成が見られ、ロッド状の粒子が主生成物であった。また、１８０℃以上の反応温度において、反応温度の増大に伴いロッド状の粒子のサイズが増大する傾向がみられた。

（ｂ）結晶構造
実験例１−６で得られた量子ドットについて、ＸＲＤパターンを測定し、ＩｎＴｅ，Ｉｎ₂Ｔｅ₃，カルコパイライト型ＡｇＩｎＴｅ₂，ウルツ鉱型ＡｇＩｎＴｅ₂と比較した。カルコパイライト型ＡｇＩｎＴｅ₂は正方晶系、ウルツ鉱型ＡｇＩｎＴｅ₂は六方晶系である。ウルツ鉱型ＡｇＩｎＴｅ₂の回折パターンは報告されていないため、粉末Ｘ線結晶構造解析ソフト（ＲＩＥＴＡＮ−ＦＰ）及び結晶構造描画ソフト（ＶＥＳＴＡ）を用いて、表２の結晶構造パラメータからシミュレーションを行った。図３のＸＲＤパターンから明らかなように、反応温度が１５０℃以下ではＡｇＩｎＴｅ₂の結晶構造とは一致せず、ＩｎＴｅのパターンなどと良く一致した。また、１８０℃ではウルツ鉱型ＡｇＩｎＴｅ₂、２８０℃ではカルコパイライト型ＡｇＩｎＴｅ₂が生成していることがわかった。これらの間の反応温度では、温度の上昇に伴って、ウルツ鉱型のみに見られるピーク（例えば４３°付近）の強度がウルツ鉱型、カルコパイライト型いずれにも観察されるピーク（例えば４０°付近）の強度と比較して、徐々に減少している。このことから、反応温度が高くなるにつれてウルツ鉱型ＡｇＩｎＴｅ₂が減少し、カルコパイライト型ＡｇＩｎＴｅ₂が増加していることが示唆される。また、ＥＤＸ（堀場製作所製、ＥＭＡＸ Ｅｎｅｒｇｙ ＥＸ−２５０）の測定結果から、すべての条件で合成した量子ドットの組成を分析したところ、１５０℃以上の反応温度において、ＡｇＩｎＴｅ₂の化学量論組成であるＡｇ：Ｉｎ：Ｔｅ＝１：１：２とほぼ一致した。

（ｃ）吸収と発光
実験例３−６で得られた量子ドット溶液について、吸収及び発光スペクトルを測定した。その結果を図４に示す。吸収スペクトルより、１８０℃以上で反応させたサンプルでは、いずれの場合にも近赤外域である１１００ｎｍ（１．１ｅＶ）以下に吸収が観察された。この値はバルクのＡｇＩｎＴｅ₂報告値（０．９６ｅＶ）よりも小さく、量子サイズ効果が発現しているものと考えられる。蛍光Ｘ線分析により実験例３のＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットのモル吸光係数を求めたところ、波長７００ｎｍにおいて１．４×１０⁶ｄｍ³ｍｏｌ（particle）^-1ｃｍ^-1であった。この値を低毒性近赤外発光量子ドットであるＡｇ₂Ｓと比較するため、ジエチルジチオカルバミン酸銀をオレイルアミン中１００℃で５分間反応させて、平均粒径１２．４ｎｍのＡｇ₂Ｓ量子ドットを合成した。このＡｇ₂Ｓ量子ドットのモル吸光係数を算出したところ、同じく波長７００ｎｍで５．９×１０⁵ｄｍ³ｍｏｌ（particle）^-1ｃｍ^-1であり、ＡｇＩｎＴｅ₂の吸光係数のおよそ２／５であった。このことから、実験例３のＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットはＡｇ₂Ｓ量子ドットに比べて近赤外付近の光を効率よく吸収することがわかった。

実験例３−６で得られた量子ドット溶液を、７００ｎｍで吸光度０．１（光路長：１ｃｍ）となるように溶媒で希釈し、同じ波長で励起した際の発光スペクトル測定を行った（図４）。発光波長は温度によらずおよそ９００−１３００ｎｍであり、反応温度によってその強度が大きく異なった。代表的な近赤外発光有機蛍光色素であるインドシアニングリーン（量子収率１３．２％）を標準サンプルとして算出した、相対発光量子収率と、反応温度との関係を図５に示す。この図より、反応温度が低いサンプルほど発光量子収率が向上する傾向が見られ、１８０℃で発光量子収率は最大値である１４％となった。このことから、ＡｇＩｎＴｅ₂は正方晶系よりも六方晶系の方が発光量子収率が高いことがわかった。

（４）ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットの作製（実験例７−１３）
実験例７−１０では、実験例３−６の条件で、溶媒にオレイルアミンを５０ｖｏｌ％添加した。このようにしても、ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットが得られた。実験例１１−１３では、反応溶媒にオレイルアミンのみを用いた。これらの場合には、反応後に粒子は凝集体となり沈殿した。沈殿物のＸＲＤ測定結果からは、シャープなピークを持つＡｇ₂Ｔｅに帰属されるパターンが得られた。つまり、反応溶媒としてオレイルアミンを単独で用いた場合には、ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットが得られず、Ａｇ₂Ｔｅが得られることがわかった。その理由は明らかではないが、オレイルアミンがＡｇＯＡｃと反応してＡｇアミン錯体となり、そのＡｇアミン錯体の反応性が高すぎてＴｅと反応してＡｇ₂Ｔｅが沈下してしまったからだと思われる。

２．ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットのコアシェル化
ＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットは既報の文献（Chem. Commun. 2010, vol.46, pp.2082-2084）を参考にすることで、別の物質で表面を被覆したコア−シェル構造を形成することが可能である。具体的には、上記１．（２）で１０分間加熱した後、エタノールを加えて沈殿させた量子ドットを、再び１−ドデカンチオールに分散させ、亜鉛源として酢酸亜鉛８０．１５ｍｍｏｌ）を加えた後、ＺｎＳでシェルを形成する場合には０．１５ｍｍｏｌのチオアセトアミドを、ＺｎＴｅでシェルを形成する場合には上記１．（１）で作製したＴｅ前駆体溶液（０．４ｃｍ³）を加え、窒素雰囲気下１８０℃で３０分間加熱した。反応後の生成物を室温まで冷却した後、エタノールを加え遠心分離し、沈殿にトルエン若しくはオクタンを加えて溶解させ、再び遠心分離することで粗大な粒子を取り除き、コアがＡｇＩｎＴｅ₂量子ドットでシェルがＺｎＳ又はＺｎＴｅであるコアシェル構造体を含む溶液を得た。得られた粒子は、７００ｎｍの光照射によって近赤外光領域で発光し、そのピークは約１１００ｎｍであることを確認した。

３．ＣｕＩｎＴｅ₂量子ドットについて
実験例３と同様の合成条件で、前駆体に用いる酢酸銀を酢酸銅（II）に変更して量子ドットの合成を行った。得られた量子ドットはサイズが約２０ｎｍであり、ＸＲＤよりカルコパイライト型ＣｕＩｎＴｅ₂であることが確認された。吸収スペクトルから、粒子は８００ｎｍ以下の波長で光吸収することがわかり、また吸収スペクトルはエキシトンピークを示さないブロードなものであった。

なお、実験例３−１０及び上記２，３が本発明の実施例に相当し、その他の実験例が比較例に相当する。本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではない。

本発明は、発光材料、特に生体イメージングの標識剤として利用可能である。

Claims (9)

1. Ｍ¹Ｍ²Ｔｅ₂（Ｍ¹は１１族元素であり、Ｍ²は１３族元素である）で表され、結晶構造が六方晶であるテルル化合物ナノ粒子。
2. Ｍ¹はＡｇ又はＣｕであり、 Ｍ²はＩｎ又はＧａである、請求項１に記載のテルル化合物ナノ粒子。
3. 近赤外発光量子ドットである、請求項１又は２に記載のテルル化合物ナノ粒子。
4. 粒子の形状が球状又はロッド状であり、球状粒子においては平均粒径が１−１２ｎｍであり、ロッド状粒子においては短軸の平均長さが１−１２ｎｍで長軸の平均長さが１０−２０ｎｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のテルル化合物ナノ粒子。
5. 前記テルル化合物ナノ粒子の表面は炭化水素系チオールで修飾されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のテルル化合物ナノ粒子。
6. Ｚｎ系化合物を含むシェルの中にコアとして存在している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のテルル化合物ナノ粒子。
7. Ｚｎがドープされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のテルル化合物ナノ粒子。
8. （ａ）トリアルキルホスフィンにＴｅ粉末を加えた混合液を２００−２５０℃で熱処理して透明な溶液を得る工程と、
   （ｂ）この透明な溶液を、炭化水素系チオールにＭ¹塩（Ｍ¹は１１族元素）とＭ² 塩（Ｍ²は１３族元素）とを加えた溶液に加えたあと１８０−２８０℃に加熱する工程と、
   を含むテルル化合物ナノ粒子の製法。
9. 前記テルル化合物ナノ粒子は、
   （１）Ｍ ¹ Ｍ ² Ｔｅ ₂ （Ｍ ¹ は１１族元素であり、Ｍ ² は１３族元素である）で表されるテルル化合物ナノ粒子、
   （２）Ｍ ¹ はＡｇ又はＣｕであり、 Ｍ ² はＩｎ又はＧａである、前記（１）に記載のテルル化合物ナノ粒子、
   （３）近赤外発光量子ドットである、前記（１）又は（２）に記載のテルル化合物ナノ粒子、
   （４）結晶構造が六方晶及び／又は正方晶である、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のテルル化合物ナノ粒子、
   （５）粒子の形状が球状又はロッド状であり、球状粒子においては平均粒径が１−１２ｎｍであり、ロッド状粒子においては短軸の平均長さが１−１２ｎｍで長軸の平均長さが１０−２０ｎｍである、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のテルル化合物ナノ粒子、
   又は、
   （６）前記テルル化合物ナノ粒子の表面は炭化水素系チオールで修飾されている、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のテルル化合物ナノ粒子
   である、
   請求項８に記載のテルル化合物ナノ粒子の製法。