WO2019194148A1 - 金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置 - Google Patents

金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置 Download PDF

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和彦 河地
小野　昭一
友夫 神垣
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Definitions

  • the present invention relates to a high-sensitivity molecule detection apparatus using metal ion-encapsulated fullerene.
  • the exhalation of a cancer patient includes a substance that is not included in the exhalation of a person who is not a cancer patient.
  • patients with esophageal cancer are rich in four types of molecules such as 2-butanone, acetic acid, acetone, and acetonitrile.
  • it contains other molecules.
  • the molecules shown in FIG. 3 are gas substrates that are abundant in the exhalation of lung cancer patients. Attempts have been made to detect cancer at an early stage using detection of such substances. Currently, for example, the following techniques have been tried as detection techniques.
  • a technique in which gas is adsorbed to a functional film applied to a Si diaphragm formed by MEM and then mechanical strain of the functional film generated by the adsorption is detected as an electric current.
  • Technology for detecting resistance change due to adsorption of gas molecules semiconductor sensor system.
  • Technology for detecting fluorescence through molecules of olfactory receptors in genetically engineered mice biochip method.
  • a technique symmetric field ion transfer analysis method that utilizes a molecule having a specific mass cross-sectional area ratio to reach a detector when a dilute gas is passed through a fluctuating electric field.
  • the present inventor provides a photoelectric conversion device using the endohedral fullerene described in Patent Document 1.
  • the device is a photoelectric conversion device using an endohedral fullerene containing a supramolecular complex composed of an alkali ion-encapsulating fullerene and an anionic dye.
  • the detection concentration is at most the ppb level.
  • the technique (4) requires a large-scale apparatus.
  • a detection technique with higher sensitivity is desired considering that the substance concentration contained in exhaled breath is very small.
  • An object of the present invention is to provide a high-sensitivity molecule detection apparatus using metal ion-encapsulated fullerene that can be detected even at a concentration of ppt level.
  • the invention according to claim 1 is a container having an inlet for introducing a detection molecule into the container body; A complex of a dye and a metal ion-encapsulated fullerene contained in the container; A pair of electrodes; A light irradiating means for irradiating light inside the container; An ammeter for measuring the current flowing between the electrodes; Consists of In the ground state without light irradiation, there is no electron movement, In the excited state by light irradiation, the excited electrons move to the metal ion-encapsulating fullerene, and the energy level of the electron orbit is set as follows.
  • An electron orbital energy level is set so that electrons separated from the detection molecule move to a vacant space generated by excitation, and this is a highly sensitive molecular detection device using metal ion-encapsulating fullerene.
  • the invention according to claim 2 is the high-sensitivity molecular detector using the metal ion-containing fullerene according to claim 1, wherein the metal is an alkali metal.
  • the invention according to claim 3 is the high-sensitivity molecular detector using the metal ion-encapsulating fullerene according to claim 1, wherein the alkali metal is Li.
  • the invention according to claim 4 is the high-sensitivity molecular detector using the metal ion-encapsulating fullerene according to any one of claims 1 to 3, wherein the fullerene is C60.
  • the invention according to claim 5 is the photovoltaic device using the endohedral fullerene according to claim 1 or 2, wherein the alkali metal is lithium, and the ion-encapsulated fullerene according to claim 2 is Li + @ C60.
  • the invention according to claim 6 is characterized in that the dye is polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly p-phenylene, poly p-phenylene vinylene, polyaniline, polypyrrole, PEDOT, P3OT, POPT, MDMO-PPV,
  • P3HT poly-3-hexylthiophene
  • P3HT poly p-phenylene
  • P3OT poly p-phenylene vinylene
  • polyaniline polypyrrole
  • PEDOT P3OT
  • POPT polyaniline
  • MDMO-PPV MDMO-PPV
  • the high-sensitivity molecular detector using metal ion-encapsulating fullerene according to any one of claims 1 to 5, which is any one of a polymer such as MEH-PPV and a derivative thereof.
  • the detection target is not limited to molecules specifically included in the exhalation of cancer patients, and may be any of gas, solid, and liquid.
  • FIG. 1 is a conceptual perspective view of a high-sensitivity molecule detection apparatus using metal ion-encapsulating fullerenes according to an embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram for demonstrating the movement state of an electron. It is a figure which shows the gas substrate contained much in the expiration
  • the complex complex of electron donor and metal ion-encapsulated fullerene has a donor-acceptor structure, generates a state of electrification separation by light irradiation, and possesses oxidizing power.
  • a photoelectric conversion device is configured using this oxidizing power.
  • a basic configuration is a configuration in which a supramolecular complex of an electron donor 2 and a metal ion-encapsulating fullerene 3 is disposed inside a main body 1 and a pair of electrodes 5 and 6 are disposed with the supramolecular complex interposed therebetween.
  • This configuration is almost the same as that of the photoelectric conversion device.
  • the energy level of the complex complex of the electron donor and the metal ion-encapsulated fullerene is adjusted to the state shown in FIG.
  • the electrode is a transparent electrode and is made of SnO2.
  • One electrode uses Pt in this example.
  • HOMO highest occupied activation: the highest energy molecular orbital occupied by electrons
  • LUMO lowest empty activation: the lowest energy molecular orbital occupied by electrons
  • 1ppt contains a molecule to be detected in 500 cc of exhaled breath.
  • the number of molecules in a 500 cc breath is 5L / 25.36L ⁇ 6.02 ⁇ 1023 ⁇ 1.19 ⁇ 1022.
  • the number is 1.19 ⁇ 1022 ⁇ 10 ⁇ 12 ⁇ 1.19 ⁇ 1010.
  • an electrical signal is indirectly converted (for example, from strain), whereas in the present invention, electrons are taken from a molecule to be detected and converted directly into an electrical signal without changing to a mechanical quantity. Due to the change, a very sensitive detection device is achieved.
  • the dye include ⁇ -electron compounds such as porphyrins, metal chelate compounds, polyanilines, aromatic polycyclic compounds, and compounds having a polyacene skeleton structure.
  • the energy level of the molecule shown in FIG. 3 can be easily known.
  • a one-electron molecular orbital is created by combining atomic orbitals of each atom, and the one-electron molecular orbital having the highest approximation is obtained by optimizing it.
  • two electrons are stored in order from the low-energy one-electron molecular orbital (with the spins reversed) to store all the electrons of the molecule.
  • HOMO and LUMO are obtained qualitatively by the molecular orbital method, and more precisely, by using a known molecule to be detected, the apparatus shown in FIG. 1 is configured and whether or not current flows is confirmed. 2 can be confirmed whether or not the energy level relationship shown in FIG. 2 is achieved, and conversely, the HOMO and LUMO states of the dye can be known.
  • what is necessary is just to hold
  • the present invention is optimally applied to the medical field, but is applicable not only to the field but also to any field where a substance needs to be detected.

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Abstract

ｐｐｔレベルの濃度でも検出可能な金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置及を提供すること。　容器本体内部へ検出分子を導入するための導入口を有する容器と、 前記容器の内部に包含された、色素と金属イオン内包フラーレンとの錯体と、 一対の電極と、前記容器の内部に光を照射するための光照射手段と、 前記電極間を流れる電流を測定するための電流計と、からなり、 光照射のない基底状態においては電子の移動はなく、光照射による励起状態においては、励起により生じた空席に、前記検出分子から分離した電子が移動するように電子軌道のエネルギーレベルが設定されていることを特徴とする金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。

Description

金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置
　本発明は、金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置に関する。
　癌は早期発見が望まれている。例えば、癌患者の呼気には、癌患者ではない者の呼気には含まれない物質が含まれていることが知られている。
　例えば、食道がん患者には、２―ブタノン、酢酸、アセトン、アセトニトリルという４種類の分子が多く含まれていることがわかっている。他のがんについては、他の分子を含んでいる。また、今後、臨床の現場において数々の分子が見いだされることが予想される。
　なお、図３に示す分子は肺がん患者の呼気に多く含まれるガス基質である。
　そして、そのような物質の検出を利用して癌の早期発見を行うことが試みられている。現在、検出技術としては、例えば、以下の技術が試みられている。（１）ＭＥＭにより形成したＳｉダイヤフラムに塗布した官能膜にガスを吸着させ、次に吸着によって生じた官能膜の力学的歪を電流として検知する技術（カンチレバー方式）。（２）ガス分子の吸着による抵抗変化を検出する技術（半導体センサー方式）。（３）遺伝子操作したマウスの臭覚受容体に匂いを分子を通して蛍光を検出する技術（バイオチップ方式）。（４）変動電場中に希薄気体を通すと、特定の質量断面積比の分子だけが検知器に到達することを利用した技術（対称場イオン移動分析方式）。
　一方、内包フラーレンを用いた技術として、本発明者は、特許文献１に記載の内包フラーレンを用いた光電変換装置を提供している。その装置は、アルカリイオン内包フラーレンとアニオン性色素とからなる超分子複合体を含む内包フラーレンを用いた光電変換装置である。
特開２０１５－６９７３１号公報
　前述した（１）～（４）の検出技術によれば、いずれも検出濃度はよくてもｐｐｂレベルである。また、（４）の技術では」大がかりな装置を必要とする。
癌初期においては、呼気に含まれる物質濃度も微量であることを考えるとより高感度の検出技術が望まれる。
　本発明は、ｐｐｔレベルの濃度でも検出可能な金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置及を提供することを目的とする。
請求項１に係る発明は、容器本体内部へ検出分子を導入するための導入口を有する容器と、
前記容器の内部に包含された、色素と金属イオン内包フラーレンとの錯体と、
一対の電極と、
前記容器の内部に光を照射するための光照射手段と、
前記電極間を流れる電流を測定するための電流計と、
からなり、
光照射のない基底状態においては電子の移動はなく、
光照射による励起状態においては、励起された電子は、金属イオン内包フラーレンに移動し、電子軌道のエネルギーレベルを次のように設定したことを特徴とする高感度分子検出装置。
励起により生じた空席に、前記検出分子から分離した電子が移動するように電子軌道のエネルギーレベルが設定されていることを特徴とする金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
請求項２に係る発明は、前記金属はアルカリ金属である請求項１記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
請求項３に係る発明は、前記アルカリ金属はＬｉである請求項１記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
請求項４に係る発明は、前記フラーレンはＣ６０である請求項１ないし３のいずれか１項記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
請求項５に係る発明は、アルカリ金属はリチウムである請求項２記載のイオン内包フラーレンはＬｉ＋＠Ｃ６０である請求項１又は２記載の内包フラーレンを用いた光起電力装置である。
請求項６に係る発明は、前記色素は、ポリ-3-ヘキシルチオフェン（P3HT）などのポリチオフェン、ポリp-フェニレン、ポリp-フェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリピロール、PEDOT、P3OT、POPT、MDMO-PPV、MEH-PPVなどの高分子重合体、その誘導体のいずれかである請求項１ないし５のいずれか１項記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
極めて簡単な構成にもかかわらず、例えば、癌患者の呼気に特有的に含まれる分子をｐｐｔレベルの濃度でも検出可能となる。
検出対象は、癌患者の呼気に特有的に含まれる分子に限らない、気体、固体、液体のいずれでも対象となる。
本発明の実施形態に係る金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置の概念斜視図である。 電子の移動状況を説明するための概念図である。 肺がん患者の呼気に多く含まれるガス基質を示す図である。
１　本体
２　色素
３　金属イオン内包フラーレン
５，６　電極
７　検出対象分子を含む呼気
８　導入口
　電子供与体と金属イオン内包フラーレンとの複合錯体は、ドナー・アクセプターの構成をなしており、光照射により電化分離状態を生成し、酸化力を保有する。特許文献１においては、この酸化力を利用して光電変換装置を構成した。
　本発明者は、かかる特性を利用して他の装置への利用を検討したところ、エネルギーレベルを設計すれば分子の検出を行うことが可能となるとの知見を得た。
すなわち、図１に示すように、本体１内部に電子供与体２と金属イオン内包フラーレン３との超分子錯体を配置し、それを挟んで一対の電極５，６を配置する構成を基本構成とし（この構成は光電変換装置とほぼおなじである。）つつも、検出分子のエネルギーレベルに合わせて電子供与体と金属イオン内包フラーレンとの複合錯体のエネルギーレベルを、例えば、図２に示す状態に設定しておき、所定波長の光を照射すれば、分子から離脱した電子をほぼ一対一で捕獲することができることを知見した。
図１に示す例では、電極は透明電極であり、ＳｎＯ２からなる。一方の電極は本例ではＰｔを使用している。
図２ではＨＯＭＯ（最高被占起動：電子に占有されている最もエネルギーの高い分子軌道）とＬＵＭＯ（最低空起動：電子に占有されていない最もエネルギーの低い分子軌道）は次のように設定されている。
（ｄ）＜（色素のＨＯＭＯ）＜（検出対象分子のＨＯＭＯ）
（金属イオン内包フラーレンのＬＵＭＯ）＜（色素のＬＵＭＯ）＜（検出対象分子のＬＵＭＯ）
（金属イオン内包フラーレンのＬＵＭＯ＞（色素のＨＯＭＯ）
（色素のＬＵＭＯ＞（検出対象分子のＨＯＭＯ）
　かかる設定においては、基底状態（図２上段）では、検出知将分子を導入しても電子の移動は生じない。
一方、励起状態、すなわち、図２下段に示すように、光を照射した状態では、色素においては、ＨＯＭＯの電子は、励起されてＬＵＭＯの準位に移動し、ＨＯＭＯに空席が生じる。すなわち、電荷分離状態が生成され、酸ＨＯＭＯ化力を保有する。
光励起状態において、検出対象分子がイオン化すれば、分離した電子は、色素の空席に移動する。一方、色素において励起された電子は金属イオン内包フラーレンのＬＵＭＯに移動し、電流が流れる。
仮に、呼気５００ｃｃ中に１ｐｐｔだけ検出対象分子が含まれているとする。５００ｃｃの呼気に含まれる分子の数は、
５Ｌ／２５．３６Ｌ×６．０２×１０２３≒１．１９×１０２２個である。
１ｐｐｔだけ検出対象分子が含まれているとすると、その個数は、
１．１９×１０２２×１０－１２≒１．１９×１０１０個である。
１電子酸化で放出する電荷量は、
６×１０－１９Ｃ×１．１９×１０１０≒１．９×１０－９Ｃ
この電荷量を１秒間で流せば、１．９ｎＡ＝１０ｐＡである。
他の検出技術では、間接的に（例えば歪から）電気信号に変換しているのに対し、本発明においては、検出対象分子から電子を奪い、機械的量に変化することなく直接電気信号に変化するため、極めて感度の高い検出装置が達成される。
なお、色素としては、π電子系化合物、例えば、ポルフィリン類、金属キレート化合物、ポリアニリン類、芳香族多環化合物、ポリアセン系骨格構造を有する化合物などが例示できる。
　これらのエネルギーレベルは、分子軌道法により容易に求めることができる。なお、図３に示す分子のエネルギーレベルも容易に知ることができる。
分子軌道法は、各原子の原子軌道を組み合わせて１電子分子軌道を作り、それを最適化して近似性が最も高い１電子分子軌道を求める。ついで、エネルギーの低い１電子分子軌道から順に２個ずつ（スピンを逆にして）その分子が持つすべての電子を収納する。そのうえで、電子の存在確立の空間分布を計算し、電子が分子の周りにどのように広がっているかを明らかにする。このようにして分子の電子状態を知ることができる。ただ、分子の励起エネルギーとＨＯＭＯ－ＬＵＭＯギャップは必ずしも一致しない。ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯについては、分子軌道法により定性的に求めておき、より正確には、既知の検出対象分子を用いて、図１に示す装置を構成し、電流が流れるかどうかを確認することにより、図２に示すエネルギーレベルの関係が達成されているかどうかの確認をとることでき、逆に、該色素のＨＯＭＯ、ＬＵＭＯ状態を知ることができる。
　なお、色素と金属イオン内包フラーレンとの錯体は適宜の溶媒とともに容器本体１内に保持すればよい。また、電極５側に、金属イオン内包フラーレンがくるようにすることが好ましい。
本発明は、医療用分野に最適に適用されるが、分野のみならず、物質の検出が必要なあらゆる分野において適用可能である。

Claims (6)

  1. 容器本体内部へ検出分子を導入するための導入口を有する容器と、
    前記容器の内部に包含された、色素と金属イオン内包フラーレンとの錯体と、
    一対の電極と、
    前記容器の内部に光を照射するための光照射手段と、
    前記電極間を流れる電流を測定するための電流計と、
    からなり、
    光照射のない基底状態においては電子の移動はなく、
    光照射による励起状態においては、
    励起により生じた空席に、前記検出分子から分離した電子が移動するように電子軌道のエネルギーレベルが設定されていることを特徴とする金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。
  2. 前記金属はアルカリ金属である請求項１記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。
  3. 前記アルカリ金属はＬｉである請求項１記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。
  4. 前記フラーレンはＣ６０である請求項１ないし３のいずれか１項記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。
  5. アルカリ金属はリチウムである請求項２記載のイオン内包フラーレンはＬｉ＋＠Ｃ６０である請求項１又は２記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置。
  6. 前記色素は、ポリ-3-ヘキシルチオフェン（P3HT）などのポリチオフェン、ポリp-フェニレン、ポリp-フェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリピロール、PEDOT、P3OT、POPT、MDMO-PPV、MEH-PPVなどの高分子重合体、その誘導体のいずれかである請求項１ないし５のいずれか１項記載の金属イオン内包フラーレンを用いた高感度分子検出装置である。
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