JP2008285384A - 蛍光ガラス微粒子 - Google Patents
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Abstract
【課題】NaYF4とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供。
【解決手段】Er2O3を3モル%以下の範囲で含有するBi2O3−SiO2系ガラスからなり、粒径が300nm以下である蛍光ガラス微粒子。前記Bi2O3−SiO2系ガラスがYb2O3を含有し、Er2O3+Yb2O3が0.2〜3モル%である前記蛍光ガラス微粒子。前記Bi2O3−SiO2系ガラスがモル%表示でBi2O3を30〜55%、SiO2を15〜45%、Al2O3+Ga2O3を35%以下の範囲で含有する前記蛍光ガラス微粒子。
【選択図】なし
【解決手段】Er2O3を3モル%以下の範囲で含有するBi2O3−SiO2系ガラスからなり、粒径が300nm以下である蛍光ガラス微粒子。前記Bi2O3−SiO2系ガラスがYb2O3を含有し、Er2O3+Yb2O3が0.2〜3モル%である前記蛍光ガラス微粒子。前記Bi2O3−SiO2系ガラスがモル%表示でBi2O3を30〜55%、SiO2を15〜45%、Al2O3+Ga2O3を35%以下の範囲で含有する前記蛍光ガラス微粒子。
【選択図】なし
Description
本発明は、近赤外光で励起したときに可視域のアップコンバージョン蛍光を呈し生体のタギングやイメージングの分野において好適に使用される蛍光ガラス微粒子に関する。
細胞、たんぱく質、DNA、バイオ試薬のタギングやイメージングを目的として、蛍光性ナノ微粒子の開発が進められている。
タギングやイメージングの方法としては、蛍光性ナノ微粒子に紫外光を照射し、照射光よりも波長の長い可視域の蛍光を検出する方法が一般的である。このような蛍光性ナノ微粒子の材料として、希土類元素をドープした有機色素や量子ドット(非特許文献1参照)などが使用されている。
タギングやイメージングの方法としては、蛍光性ナノ微粒子に紫外光を照射し、照射光よりも波長の長い可視域の蛍光を検出する方法が一般的である。このような蛍光性ナノ微粒子の材料として、希土類元素をドープした有機色素や量子ドット(非特許文献1参照)などが使用されている。
しかし、有機色素を生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用する場合、紫外光を照射し続けたときに検出光の強度が低下しやすい、照射光と検出光の波長が近いため検出が難しい、という問題があった。
量子ドットは紫外光に対する耐性の面で有機色素より優れている。しかし、量子ドットはそのサイズによって発光波長が変化するのでこれをタギングやイメージングに使用する場合サイズの厳密な制御が必要であり製造が難しいという問題があり、また、量子ドットの材料には一般にセレン化合物や硫黄化合物が使用されるため生体毒性の点で懸念があった。
さらに、有機色素、量子ドットいずれにおいても紫外光を照射するので生体細胞がダメージを受ける、生体細胞自体が発光してしまうため検出光にノイズが混入する、という問題があった。
さらに、有機色素、量子ドットいずれにおいても紫外光を照射するので生体細胞がダメージを受ける、生体細胞自体が発光してしまうため検出光にノイズが混入する、という問題があった。
そこで、蛍光性ナノ微粒子に赤外光を照射し、照射光よりも波長の短い可視域の蛍光を検出する方法、たとえばEr3+イオンをドープしたナノ微粒子に波長980nmや800nmのレーザーを照射し緑色のアップコンバージョン蛍光を検出する方法が提案されている。そのようなアップコンバージョン蛍光を発するナノ微粒子材料としてはたとえばEr3+イオンおよびYb3+イオンがドープされたNaYF4のようなフッ化物結晶が提案されている(非特許文献2参照)。
Bruchez et al., Science vol.281, 1998, pp2013
Heer et al., Advanced Materials vol.16, 2004, pp2102
アップコンバージョン蛍光材料には、照射光に紫外光を用いなくてもよいという利点がある。
アップコンバージョン蛍光を発するフッ化物ナノ結晶は、たとえばEr3+イオンおよびYb3+イオンがドープされたNaYF4を高温の液体中に溶解し、液体の温度を下げながら結晶を析出させることで作製される。
アップコンバージョン蛍光を発するフッ化物ナノ結晶は、たとえばEr3+イオンおよびYb3+イオンがドープされたNaYF4を高温の液体中に溶解し、液体の温度を下げながら結晶を析出させることで作製される。
しかし、このような結晶は易溶解性であるがゆえに最終形態になった後もその材料自体が安定性に欠けるという問題があった。
本発明は、NaYF4とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供を目的とする。
本発明は、NaYF4とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供を目的とする。
本発明は、Er2O3を3モル%以下の範囲で含有するBi2O3−SiO2系ガラスからなり、粒径が300nm以下である蛍光ガラス微粒子を提供する。
本発明によれば、赤外光の照射によって可視域のアップコンバージョン蛍光を発する蛍光微粒子であって酸化物ガラスからなるものを得ることができる。
本発明の蛍光ガラス微粒子は酸化物であるため長時間にわたり蛍光強度が安定しており、また、化学的耐久性が高く生体へのダメージも少ない。
また、Er3+イオンとYb3+イオンを共ドープする態様においては高効率のアップコンバージョン発光を得ることができる。したがって、この態様のものは生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用される蛍光材料として好適である。
本発明の蛍光ガラス微粒子は酸化物であるため長時間にわたり蛍光強度が安定しており、また、化学的耐久性が高く生体へのダメージも少ない。
また、Er3+イオンとYb3+イオンを共ドープする態様においては高効率のアップコンバージョン発光を得ることができる。したがって、この態様のものは生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用される蛍光材料として好適である。
まず、本発明におけるBi2O3−SiO2系ガラス(以下、本発明のガラスという。)の成分について説明する。なお、ガラス中の各成分の含有量はモル百分率で表示し、また、たとえばEr2O3の含有量とはガラス中のErがすべてEr2O3の形で存在するとした場合のものである。
Er2O3はアップコンバージョン蛍光を得るための光学活性成分であり、必須である。Er2O3が3%超ではガラス化が困難になる、またはEr3+イオンの濃度消光のためにアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下する。好ましくは2.5%以下、典型的には2%以下である。また、Er2O3は0.2%以上であることが好ましい。0.2%未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.5%以上である。
Yb2O3は必須ではないが、Er2O3のアップコンバージョン蛍光を増感したい場合には含有することが好ましい。
Yb2O3を含有する場合、その含有量は0.2〜3%であることが好ましい。0.2%未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。より好ましくは0.3%以上、典型的には0.5%以上である。3%超ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは2.5%以下、典型的には2%以下である。
Yb2O3を含有する場合、その含有量は0.2〜3%であることが好ましい。0.2%未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。より好ましくは0.3%以上、典型的には0.5%以上である。3%超ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは2.5%以下、典型的には2%以下である。
Yb2O3とEr2O3の含有量との合計Er2O3+Yb2O3は0.2〜5%であることが好ましい。0.2%未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。より好ましくは0.4%以上、典型的には1%以上である。5%超ではガラス化が困難になるおそれがある。典型的には2%以下である。
Yb2O3とEr2O3の含有量の比Yb/Erは0.2〜5であることが好ましい。0.2未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。典型的には0.8以上である。5超ではアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下するおそれがある。典型的には3以下である。
Bi2O3はアップコンバージョン蛍光を得るための成分であり、必須である。
Bi2O3の含有量は30〜55%であることが好ましい。30%未満ではアップコンバージョン蛍光強度が得られにくくなる。典型的には35%以上である。55%超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られにくくなる。より好ましくは50%以下、典型的には45%以下である。
Bi2O3の含有量は30〜55%であることが好ましい。30%未満ではアップコンバージョン蛍光強度が得られにくくなる。典型的には35%以上である。55%超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られにくくなる。より好ましくは50%以下、典型的には45%以下である。
SiO2はネットワークフォーマーであり、また、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分であり、必須である。
SiO2の含有量は15〜45%であることが好ましい。15%未満ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは20%以上、典型的には25%以上である。45%超ではガラス中のネットワークフォーマーの格子振動の最大エネルギーが大きくなり、アップコンバージョン蛍光が得られにくくなるおそれがある、または、後述するレーザーアブレーション法におけるレーザー照射時に充分な量の微粒子が得られにくくなるおそれがある。典型的には40%以下である。
SiO2の含有量は15〜45%であることが好ましい。15%未満ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは20%以上、典型的には25%以上である。45%超ではガラス中のネットワークフォーマーの格子振動の最大エネルギーが大きくなり、アップコンバージョン蛍光が得られにくくなるおそれがある、または、後述するレーザーアブレーション法におけるレーザー照射時に充分な量の微粒子が得られにくくなるおそれがある。典型的には40%以下である。
Al2O3は必須ではないが、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために10%まで含有してもよい場合がある。10%超ではガラス化が困難になるおそれがある。好ましくは8%以下、典型的には5%以下である。
Al2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上、より好ましくは1%以上、典型的には2%以上である。
Al2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上、より好ましくは1%以上、典型的には2%以上である。
Ga2O3は必須ではないが、アップコンバージョン蛍光強度を増大させるために30%まで含有してもよい場合がある。30%超ではガラス化が困難になる。好ましくは25%以下、典型的には20%以下である。
Ga2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上である。0.1%未満ではアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果が小さくなる。より好ましくは5%以上、典型的には10%以上である。
Ga2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上である。0.1%未満ではアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果が小さくなる。より好ましくは5%以上、典型的には10%以上である。
ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために、Al2O3およびGa2O3の少なくともいずれか一方を含有することが好ましく、この場合これらの含有量の合計Al2O3+Ga2O3は35%以下であることが好ましい。35%超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られないおそれがある。典型的には25%以下である。また、Al2O3+Ga2O3は好ましくは3%以上、より好ましくは7.5%以上、典型的には11%以上である。
La2O3は濃度消光を起こりにくくする効果、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果を有し、10%まで含有してもよい場合がある。10%超ではガラス化が困難になる。好ましくは7%以下、典型的には5%以下である。
La2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上である。0.1%未満では前記効果が小さい。好ましくは0.2%以上、典型的には0.5%以上である。Er2O3含有量が1%以上であって濃度消光を抑制したい場合などでは、La2O3を1%以上含有することが好ましく、典型的な含有量は2.5%以上である。
La2O3を含有する場合その含有量は好ましくは0.1%以上である。0.1%未満では前記効果が小さい。好ましくは0.2%以上、典型的には0.5%以上である。Er2O3含有量が1%以上であって濃度消光を抑制したい場合などでは、La2O3を1%以上含有することが好ましく、典型的な含有量は2.5%以上である。
CeO2は必須ではないが、Bi2O3がガラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透過率を低下させるのを防止するなどのために2%まで含有してもよい場合がある。2%超ではガラス化しないおそれがある。好ましくは1%以下、典型的には0.5%以下である。CeO2を含有する場合、その含有量は0.05%以上であることが好ましい。0.05%未満では含有効果が小さい。
本発明のガラスは本発明の目的を損なわない範囲で上記列挙成分以外の成分を含有してもよい。そのような成分としては、たとえばガラス化を容易にするため、またはアニ−ル工程での結晶析出を抑制するため等の成分として、GeO2、SnO2、TiO2、WO3、TeO2、Ta2O5、In2O3、Y2O3、Gd2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O、ZrO2、ZnO、CdO、PbO等が挙げられる。
本発明のガラスの好ましい態様として、Bi2O3 30〜55%、SiO2 15〜45%、Al2O3+Ga2O3 3〜35%、La2O3 0〜10%、CeO2 0〜2%、Er2O3 0.2〜3%、Yb2O3 0〜3%、から本質的になるものが挙げられる。ここで、たとえば「La2O3 0〜10%」とはLa2O3は必須ではないが10%まで含有してもよいの意であり、「から本質的になる」とはこれら列挙成分以外の成分を本発明の目的を損なわない範囲で含有してもよいの意である。上記列挙成分以外の成分を含有する場合その成分またはそれら成分の含有量の合計は、好ましくは10%以下、典型的には5%以下である。
本発明の蛍光ガラス微粒子は、生体細胞、タンパク質、DNAのタギング、イメージングなどに応用できるようにするためにその粒径は300nm以下とされる。好ましくは100nm未満、より好ましくは30nm以下である。
生体細胞などのタギング、イメージングなどに使用する際に本発明の蛍光ガラス微粒子に照射される赤外光としては、たとえば波長800nmや980nmの市販の半導体レーザーからの光を使用することができる。
本発明の蛍光ガラス微粒子は、たとえば溶融法を用いて作製したバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用して、すなわち高出力のレーザーを照射しアブレーションを起こさせることによってナノサイズのガラス微粒子を得る方法によって製造できる。
溶融法でバルクガラスを作製する場合は、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、800〜1300℃で空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることで製造できる。レーザーアブレーション法におけるレーザー照射時の割れを低減するためには、キャストしたガラスを400〜600℃で熱処理を行うことが好ましい。
レーザーアブレーション法を利用する場合、アブレーションを起こさせるために使用するレーザーとしては、たとえば波長10.6μmの炭酸ガスレーザー、波長1.05μmのYbレーザー等を挙げることができる。
レーザーは連続波で照射してもよいし、パルスを生成して照射してもよい。
また、レーザーの照射は通常空気中で行う。
アブレーションによって生成した粉体は、空気中でガラスやシリコンの基板上に堆積させて捕集する。
レーザーは連続波で照射してもよいし、パルスを生成して照射してもよい。
また、レーザーの照射は通常空気中で行う。
アブレーションによって生成した粉体は、空気中でガラスやシリコンの基板上に堆積させて捕集する。
表1のBi2O3からYb2O3までの欄にモル%表示で示す組成のガラス(バルクガラス)を溶融法により作製した。なお、例1〜8のBi2O3−SiO2系ガラスは本発明のガラスであり、1200℃で溶解した。
次に、例1〜9のバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用してガラス微粒子を作製した。すなわち、例1〜7、9のバルクガラスについては波長10.6μmの炭酸ガスレーザー(10W)を連続波で照射し、ビームをf=100mmのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子を市販のスライドガラス上に捕集した。また、例8のバルクガラスについては波長1045nmのYbファイバーレーザーをパルス波(パルス幅375fs、繰り返し1MHz、パルスエネルギー500nJ)で照射し、ビームをf=3.5mmのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子をシリコン基板上に捕集した。なお、レーザーの照射、ガラス微粒子の捕集はいずれも空気中で行った。
このようにして得られた例1〜9のガラス微粒子について粉末X線回折(Cu−Kα線、照射強度40mA、50kV)を行ったところ、いずれについてもガラス特有のハローパターンがみられ、結晶ピークは認められなかった。
例1〜4、9のガラス微粒子各150個について50000倍の倍率でSEM(Hitachi社製S−4300)による観察を行い、各150個の微粒子の粒径(単位:nm)を測定した。粒径の最も大きなものを表1の最大粒径の欄に、粒子解析することにより算出した平均粒径を同表の平均粒径の欄にそれぞれ示す。
また、例8のガラス微粒子200個についてTEM観察を行い、最大粒径および平均粒径を求めた。平均粒径はn=200で粒子解析することにより算出した。
なお、例5〜7のガラス微粒子については最大粒径および平均粒径の推定値を表1に記載した。
また、例8のガラス微粒子200個についてTEM観察を行い、最大粒径および平均粒径を求めた。平均粒径はn=200で粒子解析することにより算出した。
なお、例5〜7のガラス微粒子については最大粒径および平均粒径の推定値を表1に記載した。
例1〜9のガラス微粒子について波長980nmまたは800nmの半導体レーザーを照射したところ、例1〜8のガラス微粒子については目視で強い緑色のアップコンバージョン蛍光が観測されたが、例9のガラス微粒子については目視でアップコンバージョン蛍光は観測できなかった。
例1〜5、9のアップコンバージョン蛍光強度を比較するため、20mm×15mm×3.5mmの鏡面研磨したバルクガラスをサンプルとして次のような測定を行った。すなわち、サンプルに波長980nmの半導体レーザ(1W)を照射し、ガラスからの発光および散乱光をf=100mmのレンズを用いて集光して550nmの波長で分光した分光器(受光スリット0.5mm)内へ導入した。
分光した光は分光器に接続された光電子倍増管で検出した。
検出光はプリアンプおよびロックインアンプを用いて増幅し、ロックインアンプ上に表示された電圧値(単位:mV)をアップコンバージョン蛍光強度とした。
分光した光は分光器に接続された光電子倍増管で検出した。
検出光はプリアンプおよびロックインアンプを用いて増幅し、ロックインアンプ上に表示された電圧値(単位:mV)をアップコンバージョン蛍光強度とした。
この蛍光強度を表1に示す。なお、例9の検出光は光電子倍増管の検出感度以下であった。また、表1の例6〜8のアップコンバージョン蛍光強度は推定値である。
表2に示す例10〜19は本発明のガラスの他の例であるが、その蛍光強度は組成からの推定値である。
生体細胞などのタギング、イメージングに利用できる。
Claims (10)
- Er2O3を3モル%以下の範囲で含有するBi2O3−SiO2系ガラスからなり、粒径が300nm以下である蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスがYb2O3を含有し、Er2O3+Yb2O3が0.2〜5モル%である請求項1の蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスのYb2O3含有量とEr2O3含有量の比が0.2〜5である請求項2の蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスのEr2O3含有量が0.2モル%以上である請求項1、2または3の蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスがモル%表示でBi2O3を30〜55%、SiO2を15〜45%、Al2O3+Ga2O3を35%以下の範囲で含有する請求項1〜4のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスのSiO2含有量が15〜40モル%である請求項5の蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスがLa2O3を10モル%以下の範囲で含有する請求項5または6の蛍光ガラス微粒子。
- 前記Bi2O3−SiO2系ガラスがCeO2を2モル%以下の範囲で含有する請求項5、6または7の蛍光ガラス微粒子。
- 粒径が100nm未満である請求項1〜8のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
- 請求項1〜9のいずれかの蛍光ガラス微粒子であって、レーザーアブレーション法によって製造された蛍光ガラス微粒子。
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2007
- 2007-05-21 JP JP2007134142A patent/JP2008285384A/ja active Pending
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