JP2007111816A - 多機能ナノワイヤとその製造方法、多機能ナノワイヤを用いた濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 医療、生体分野で利用可能であり、複数の種類の物質を化学的、物理的に付けることができる多機能ナノワイヤとその製造方法、この多機能ナノワイヤを用いた濃縮方法を提供する。
【解決手段】 鉄を主成分とする直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されていることとする。
【選択図】 なし

Description

本願発明は、多機能ナノワイヤとその製造方法、並びにこの多機能ナノワイヤを用いた濃縮方法に関するものである。

従来、医療、生体分野での多くの分析において、選択的に特定の物質を吸着する磁気ビーズが使われており、この磁気ビーズによって、たとえば、特定の物質を濃縮、精製することができる。その方法としては、まず、磁気ビーズに特定の物質を吸着させ磁場を使って固定させた後、残りの物質を洗い流す。次いで、磁気ビーズの表面から特定の物質を脱離させることでその物質を濃縮、精製することができる。このような磁気ビーズは、磁性粉末（マグネタイト等）を有機高分子で覆い、球状にしたもので、表面に抗体、タンパク質、有機物を付けたものである。

しかしながら、磁気ビーズは、その形状から表面に一種類の物質しか付けることができず単機能であったため、より最良のものへの検討が依然として進められていた。

また、従来よりニッケルや金などのナノワイヤに有機物を結合させることは知られている（たとえば、非特許文献１〜３参照）が、医療、生体分野への応用のためには十分なものとはいえなかった。
Laura Ann Buer, et al., Langmuir 2003, 19, 7043-7048 Benjamin R. Martin, et al., Adv. Mater. 1999, 11, No. 12 1021-1025 Monica Tanase, et al., Nano Lett., Vol. 1, No. 3, 2001, 155-158

そこで、本願発明は、以上のとおりの背景よりなされたものであって、医療、生体分野で利用可能であり、複数の種類の物質を化学的、物理的に付けることができる多機能ナノワイヤとその製造方法、この多機能ナノワイヤを用いた濃縮方法を提供することを課題としている。

本願発明は、上記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。
＜１＞ 鉄を主成分とする直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されていることを特徴とする多機能ナノワイヤ。
＜２＞ 少なくとも鉄を含む複数種の金属が長手方向に交互に並んで形成されている、鉄を主成分とする直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されていることを特徴とする多機能ナノワイヤ。
＜３＞ エポキシ基、ビニル基、アミノ基およびカルボキシ基のうちの少なくともいずれかの官能基がナノワイヤの表面に導入されており、その官能基に有機物が結合されていることを特徴とする上記＜１＞または＜２＞に記載の多機能ナノワイヤ。
＜４＞ 官能基としてエポキシ基、ビニル基、アミノ基またはカルボキシ基を持つシランカップリング剤で表面処理されて、官能基がナノワイヤの表面に導入されていることを特徴とする上記＜３＞に記載の多機能ナノワイヤ。
＜５＞ 有機物は、蛍光物質、一本鎖ＤＮＡ、モノクロナーム抗体、ケモカイン、デキストラン、ポリ乳酸、ポリスチレン、ポリ−Ｌ−リジン、またはポリエチレンイミンである
ことを特徴とする上記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の多機能ナノワイヤ。
＜６＞ 複数種の有機物が結合されていることを特徴とする＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の多機能ナノワイヤ。
＜７＞ 陽極酸化ポーラスアルミナのナノポーラス内に鉄を電解析出してこの陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型としたナノワイヤを形成した後、前記陽極酸化ポーラスアルミナを溶かしてナノワイヤを取り出し、そのナノワイヤの表面に有機物を結合させることを特徴とする多機能ナノワイヤの製造方法。
＜８＞ 陽極酸化ポーラスアルミナのナノポーラス内に少なくとも鉄を含む複数種の金属を交互に電解析出してこの陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型としたナノワイヤを形成した後、前記陽極酸化ポーラスアルミナを溶かしてナノワイヤを取り出し、そのナノワイヤの表面に有機物を結合させることを特徴とする多機能ナノワイヤの製造方法。
＜９＞ 陽極酸化ポーラスアルミナの一部を溶かしてナノワイヤの一部を晒し、その晒した表面に有機物を結合させることを特徴とする上記＜７＞または＜８＞に記載の多機能ナノワイヤの製造方法。
＜１０＞ ナノワイヤの一部が晒され他部分がナノポーラス内に残されて陽極酸化ポーラスアルミナに固定されているナノワイヤを磁場中に配置し、磁化させることでナノワイヤ同士を相互に反発させて有機物を結合させるようにしたことを特徴とする上記＜９＞に記載の多機能ナノワイヤの製造方法。
＜１１＞ 上記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の多機能ナノワイヤを用いて特定物質を選択的に集めて濃縮することを特徴とする濃縮方法。
＜１２＞ 多機能ナノワイヤで特定物質を選択的に集めた後、この多機能ナノワイヤを磁場で固定して回収するようにしたことを特徴とする上記＜１１＞に記載の濃縮方法。

本願発明の多機能ナノワイヤは、強磁性体のナノワイヤの表面に複数種の物質を付けることが可能となる。また、このナノワイヤは異方性の形状であるため、同じ材質で同じ体積の磁気ビーズよりも磁化が大きいという性質を持っているため、医療、生体分野への応用を広げ、医療などにも使用することが可能である。さらに、本願発明の多機能ナノワイヤは複数種の有機物を結合させることができる。このため、たとえば蛍光物質などのマーカーと抗体とをひとつのナノワイヤに付け、これまで磁気ビーズでは不可能であったマーカー付きの抗体を作ることも可能となる。また、複数の抗体を付けることで選択性を増すことも可能である。

本願発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

本願発明の多機能ナノワイヤは、直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されている。そして、このナノワイヤは鉄を主成分として形成されている。ここで、鉄を主成分として形成されているとは、鉄がナノワイヤ全体に対して重量比で５０％以上であることを言い、好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上である。鉄は強磁性体であるため磁場による操作が可能であり、また人体への影響が小さいため、鉄を主成分とする多機能ナノワイヤは医療、生体分野で利用することができる。なお、このナノワイヤは、少なくとも鉄を含む複数種の金属が長手方向に交互に並んで形成されていてもよい。鉄以外の金属としては、たとえば、金、銅、鉛などが挙げられるが、医療、生体分野での利用を考慮すると金であることが好ましい。

また、本願発明における有機物は、ナノワイヤの表面に化学的に結合されていてもよいし、物理的に付着して直接固定されて結合されていてもよい。あるいは、エポキシ基、ビニル基、アミノ基およびカルボキシル基のうちの少なくともいずれかの官能基をナノワイ
ヤの表面に導入し、その官能基に有機物を結合させるようにしてもよい。ナノワイヤ表面への官能基の導入は、たとえば、官能基としてエポキシ基、ビニル基、アミノ基またはカルボキシ基を持つシランカップリング剤でナノワイヤを表面処理して、前記官能基をナノワイヤの表面に導入することが考慮される。

本願発明においてナノワイヤに結合される有機物としては、蛍光物質、タンパク質、核酸、または生分解性ポリマーや多糖類などの各種の高分子が例示され、特に限定されるものではない。本願発明では、蛍光物質、一本鎖ＤＮＡ、モノクロナーム抗体、ケモカイン、デキストラン、ポリ乳酸、ポリスチレン、ポリ−Ｌ−リジン、ポリエチレンイミンなどが好適なものとして考慮される。そして、これら複数種の有機物がナノワイヤ表面に結合されていてもよい。

次に、本願発明の多機能ナノワイヤの製造方法について説明する。

まず、シュウ酸や硫酸などの電解液中でアルミニウムを陽極酸化してその表面に細孔が形成された陽極酸化ポーラスアルミナ作製する。そして、この陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型として、ナノポーラス内に鉄を電解析出により充填しナノワイヤを形成する。アルミニウムの表面に形成された細孔の孔径や長さは、電解液の組成や電流密度、電解時間等を適宜に設定することで孔径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下に制御することができ、得られるナノワイヤについてその直径が３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のものを作製することができる。それぞれの下限値は、製法の観点から、直径が約１０ｎｍ、長さが約１μｍである。なお、鉄を含む複数種の金属を交互に電解析出させることで、鉄とそれ以外の金属とが長手方向に交互に並んだナノワイヤを形成することができる。鉄以外の金属としては、たとえば、金、銅、鉛などを例示することができる。

形成したナノワイヤは、非常に弱い酸またはアルカリで陽極酸化ポーラスアルミナを溶かすことで取り出すことができる。

ナノワイヤ表面に有機物を結合させる方法としては各種の方法が考慮される。たとえば、後述する実施例の場合では、有機物（蛍光物質：hematoporphyrin）が添加されたエタ
ノール中にナノワイヤを浸漬させることにより、この有機物を結合させることができる。あるいは、シランカップリング剤、チタンカップリング剤等のカップリング剤でナノワイヤを表面処理して有機物を結合させるようにしてもよい。

なお、本願発明は、ナノワイヤ表面の一部に有機物を結合させることができる。たとえば、陽極酸化ポーラスアルミナの一部を溶かしてナノワイヤの一部を晒し、他部分のナノワイヤがナノポーラス内に充填された状態で浸漬させることにより、晒されたナノワイヤの表面に有機物を結合させることができる。このとき、ナノワイヤの一部が晒され他部分がナノポーラス内に残されて陽極酸化ポーラスアルミナにナノワイヤが固定されている状態で、このナノワイヤを磁場中に配置して磁化させるようにしてもよい。これによって、ナノワイヤ同士が相互に反発することになり、ナノワイヤの表面に有機物をより均一に結合させることができる。

本願発明は、多機能ナノワイヤを用いて特定物質を選択的に集めて濃縮する方法をも提供する。本願発明の多機能ナノワイヤは、その表面に結合された有機物によって特定の物質を選択的に物理的または化学的に吸着することができる。さらに、強磁性体である鉄を主成分とするため、容易に磁場によりその運動を制御することが可能である。異方性の大きい（つまり、長さ／直径が約１０００である）ため、反磁場係数が長手方向を０とすると他の２方向は１／２ずつである。球の場合は各方向等しく１／３である。そのため、磁場中に同じ体積の鉄の球とナノワイヤを置いた場合、ナノワイヤには球に比べ遥かに強い
磁気力が作用する。また、ナノワイヤは断面積が小さいため、たとえば血管中を移動する場合でも、流れから受ける抵抗は小さくなる。このようにナノワイヤは磁気ビーズよりも磁場による運動の制御が容易である。

以上のことから、溶液中に多機能ナノワイヤを分散させ、その表面に選択的に物質を吸着させた後に、その溶液に磁場をかけることで、多機能ナノワイヤを効率よく回収することができる。磁場を使った回収方法としては、開放型磁気分離装置や高勾配磁気分離装置が工業的にすでに使用されているため、ナノワイヤのような微小な強磁性体に対してこれらの方法の最適化を行えば効率よく回収することが可能である。回収されたナノワイヤの表面についた物質は、ｐＨ、温度等の環境を変えたり、簡単な化学反応により、ナノワイヤの表面から脱離させる。脱離させた後再びナノワイヤをその溶液から磁場によって回収することによって、残った溶液内には分離された物質が濃縮されて残る。このような多機能ナノワイヤを用いた分離濃縮方法は、ナノワイヤの多機能性と磁化の大きさによって、磁気ビーズに比べて更に効率のよい分離濃縮が実現できる。

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本願発明が限定されることはない。

＜実施例１＞
高純度アルミニウムシートをアセトンで洗浄後、室温、４０Ｖで０．３規定のシュウ酸中で陽極酸化を行なった。これにより直径５０ｎｍの孔をアルミニウムシートに三角格子上状に開けることができた。次に、この孔が形成されたアルミニウムシート（陽極酸化ポーラスアルミナ）を電極として５０Ｈｚ、２８Ｖで電解析出を行った。電解液は硫酸鉄とホウ酸の水溶液である。これにより、図１に示すように、鉄がナノポーラス内に析出し、陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型としてナノワイヤが作製された。

次に、ポーラスアルミナを溶かしナノワイヤを取り出した。ナノワイヤは直径３０ｎｍ、長さ約１０μｍであった。これをエタノールに懸濁させた後、エタノールに溶かした蛍光物質（Hematoporphrin）を添加して攪拌後約一日放置した。洗浄後、乾燥させてから蛍光顕微鏡で確認したところ、ナノワイヤが蛍光を発していることが確認できた。図２は蛍光顕微鏡によるナノワイヤの観察写真である。ナノワイヤが青い蛍光を発していることがわかる。図３は、ナノワイヤの表面に蛍光物質が結合した状態を示す概念図である。
＜実施例２＞
実施例１と同様にしてナノポーラス内にナノワイヤを形成した後、図４に示すように、ナノワイヤの上半分程度が露出するように陽極酸化ポーラスアルミナを溶かした。これをエタノールで洗浄して、さらにエタノールに浸した後、エタノールに溶かした蛍光物質を添加して攪拌後約一日放置した。エタノールを除いてから、残ったポーラスアルミナを溶かし、ナノワイヤを取り出して蛍光顕微鏡で観察した。ナノワイヤの長さの約半分から蛍光を発していることが確認できた。より詳細に観察すると、蛍光にむらがあることが分かった。これは、露出したナノワイヤが直立せず周囲のナノワイヤと接触し蛍光物質が均一に付かなかったためと思われる。
＜実施例３＞
蛍光物質を付ける操作を磁場中で行った以外は、実施例２と同様にして多機能ナノワイヤを作製した。この多機能ナノワイヤを観察したところ、実施例２で作製した多機能ナノワイヤに比べて蛍光のむらは減っていた。この結果は、磁場によってナノワイヤ同士が反発し、ナノワイヤ間に隙間ができて蛍光物質が均一に付いたことを示している。
＜実施例４＞
実施例２で作製した上半分が露出しているナノワイヤの表面処理のため、等圧滴下漏斗に脱水トルエン５０ｍｌをとり５ｍｌのアミノ基を持つシランカップリング剤を添加した
。次いで、三口フラスコに乾燥させたナノワイヤ５ｍｇ及び５ｍｌのトリエチルアミンを添加して窒素雰囲気下で４８時間攪拌した。その後、遠心分離や磁場による分離によってデカンデーション後、トルエン、テトラヒドロフラン、メタノールで洗浄した。洗浄後、減圧乾燥し、アミノ基を表面に付けたナノワイヤを得た。図５はナノワイヤの上半分にアミノ基が結合された状態を示している。

このアミノ基に蛍光物質、一本鎖ＤＮＡ、モノクロナール抗体、ケモカイン、デキストラン、ポリ乳酸、ポリスチレンなどの有機物を付けることは通常の有機化学反応により問題なくできることが確認された。この概念図を図６に示す。

また、残りの陽極酸化ポーラスアルミナを溶かし、ナノワイヤの下半分に別の有機物を結合させることができることを確認した。この概念図を図７に示す。
＜実施例５＞
官能基としてエポキシ基、ビニル基またはカルボキシル基を持つカップリング剤を用いた場合でも、実施例４と同様の操作により、前記官能基をナノワイヤの表面に付けることが可能であることが確認された。

ナノワイヤがナノポーラス内に形成された陽極酸化ポーラスアルミナの断面図である。 ナノワイヤがナノポーラス内に形成された陽極酸化ポーラスアルミナの断面図である。 ナノワイヤの表面に蛍光物質が結合した状態を示す概念図である。 陽極酸化ポーラスアルミナの一部を溶かしてナノワイヤの上半分程度を露出させた状態を示す陽極酸化ポーラスアルミナの断面図である。 ナノワイヤの上半分にアミノ基が結合された状態を示す陽極酸化ポーラスアルミナの断面図である。 アミノ基に有機物が結合された状態を示す陽極酸化ポーラスアルミナの断面図である。 ナノワイヤの表面に複数種の有機物が結合した状態を示す概念図である。

Claims (12)

1. 鉄を主成分とする直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されていることを特徴とする多機能ナノワイヤ。
2. 少なくとも鉄を含む複数種の金属が長手方向に交互に並んで形成されている、鉄を主成分とする直径３００ｎｍ以下、長さ３００μｍ以下のナノワイヤの表面に有機物が結合されていることを特徴とする多機能ナノワイヤ。
3. エポキシ基、ビニル基、アミノ基およびカルボキシ基のうちの少なくともいずれかの官能基がナノワイヤの表面に導入されており、その官能基に有機物が結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多機能ナノワイヤ。
4. 官能基としてエポキシ基、ビニル基、アミノ基またはカルボキシ基を持つシランカップリング剤で表面処理されて、官能基がナノワイヤの表面に導入されていることを特徴とする請求項３に記載の多機能ナノワイヤ。
5. 有機物は、蛍光物質、一本鎖ＤＮＡ、モノクロナーム抗体、ケモカイン、デキストラン、ポリ乳酸、ポリスチレン、ポリ−Ｌ−リジン、またはポリエチレンイミンであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多機能ナノワイヤ。
6. 複数種の有機物が結合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の多機能ナノワイヤ。
7. 陽極酸化ポーラスアルミナのナノポーラス内に鉄を電解析出してこの陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型としたナノワイヤを形成した後、前記陽極酸化ポーラスアルミナを溶かしてナノワイヤを取り出し、そのナノワイヤの表面に有機物を結合させることを特徴とする多機能ナノワイヤの製造方法。
8. 陽極酸化ポーラスアルミナのナノポーラス内に少なくとも鉄を含む複数種の金属を交互に電解析出してこの陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型としたナノワイヤを形成した後、前記陽極酸化ポーラスアルミナを溶かしてナノワイヤを取り出し、そのナノワイヤの表面に有機物を結合させることを特徴とする多機能ナノワイヤの製造方法。
9. 陽極酸化ポーラスアルミナの一部を溶かしてナノワイヤの一部を晒し、その晒した表面に有機物を結合させることを特徴とする請求項７または８に記載の多機能ナノワイヤの製造方法。
10. ナノワイヤの一部が晒され他部分がナノポーラス内に残されて陽極酸化ポーラスアルミナに固定されているナノワイヤを磁場中に配置し、磁化させることでナノワイヤ同士を相互に反発させて有機物を結合させるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の多機能ナノワイヤの製造方法。
11. 請求項１から６のいずれかに記載の多機能ナノワイヤを用いて特定物質を選択的に集めて濃縮することを特徴とする濃縮方法。
12. 多機能ナノワイヤで特定物質を選択的に集めた後、この多機能ナノワイヤを磁場で固定して回収するようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の濃縮方法。