JP5168092B2 - Semiconductor nanoparticle labeling agent - Google Patents

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Description

本発明は、生体物質を対象とした蛍光標識剤に用いられる、半導体ナノ粒子標識剤に関する。   The present invention relates to a semiconductor nanoparticle labeling agent used for a fluorescent labeling agent for biological substances.

生理活性物質を表面に有する粒子として、粒子表面に生体適合性ポリマーを持ち、それを介して生理活性物質である蛍光染料や特異的標的剤が結合している蛍光磁気ナノ粒子が知られている(たとえば、特許文献1参照)。   Fluorescent magnetic nanoparticles with a biocompatible polymer on the particle surface and a fluorescent dye that is a physiologically active substance or a specific target agent bound thereto are known as particles having a physiologically active substance on the surface. (For example, refer to Patent Document 1).

しかしながら、これらの表面処理は水中での分散性を向上させる一方で、ナノ粒子蛍光体に結合する生体分子結合物質の結合量の制御できていない点や、ナノ粒子の生体の細胞への取り込み率が低下してしまう点において問題があった。   However, while these surface treatments improve dispersibility in water, the amount of binding of the biomolecule-binding substance that binds to the nanoparticle phosphor cannot be controlled, and the uptake rate of nanoparticles to living cells There is a problem in that it decreases.

近年、バイオイメージングの分野において、生体分子の動向についてより詳細な情報を得るために一分子イメージングが行われている。しかし、この一分子イメージングを行う場合、生体分子とそれに結合する生体分子結合物質は1対1の反応が望まれ、標識剤に結合している生体分子結合物質は、標識剤に対しなるべく少ない量が望まれてきた。
特開2007−169261号公報
In recent years, single-molecule imaging has been performed in the field of bioimaging in order to obtain more detailed information on the trends of biomolecules. However, when performing this single-molecule imaging, a one-to-one reaction is desired between the biomolecule and the biomolecule-binding substance that binds to it, and the amount of biomolecule-binding substance that is bound to the labeling agent is as small as possible with respect to the labeling agent Has been desired.
JP 2007-169261 A

本発明の目的は、生体への取り込み率が優れ、生体分子結合物質の結合量が制御された、半導体ナノ粒子標識剤を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor nanoparticle labeling agent having an excellent uptake rate into a living body and a controlled binding amount of a biomolecule-binding substance.

本発明に係る上記課題は以下の手段により解決される。
1.
有機表面修飾層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子標識剤であって、有機表面修飾層が重量平均分子量の異なる2種類以上5種類以下のポリエチレングリコール鎖から構成され、前記ポリエチレングリコール鎖の重量平均分子量の差が、1000以上50000以下であることを特徴とする半導体ナノ粒子標識剤。
2.
前記半導体ナノ粒子標識剤は、ポリエチレングリコール鎖の末端に生体分子結合物質を持つことを特徴とする前記1に記載の半導体ナノ粒子標識剤。
3.
前記半導体ナノ粒子標識剤は、該半導体ナノ粒子が粒径の違いにより異なる励起波長及び蛍光を持つことを特徴とする前記1及び2のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子標識剤。
4.
前記重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖にあって、大きい重量平均分子量を有するポリエチレングリコール鎖が、ポリエチレングリコール鎖全体の20mol%以下10mol%以上含有していることを特徴とする前記1〜のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子標識剤。
The above-mentioned problem according to the present invention is solved by the following means.
1.
A semiconductor nanoparticle labeling agent comprising core / shell type semiconductor nanoparticles having an organic surface modification layer, wherein the organic surface modification layer is composed of 2 or more and 5 or less types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights , difference in weight average molecular weight of the polyethylene glycol chain is, the semiconductor nanoparticle labeling agent, characterized in der Rukoto 1000 to 50,000.
2.
2. The semiconductor nanoparticle labeling agent according to 1 above, wherein the semiconductor nanoparticle labeling agent has a biomolecule-binding substance at the end of a polyethylene glycol chain.
3.
3. The semiconductor nanoparticle labeling agent according to any one of 1 and 2, wherein the semiconductor nanoparticle labeling agent has different excitation wavelength and fluorescence depending on a difference in particle diameter.
4).
2 or more types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights, wherein the polyethylene glycol chain having a large weight average molecular weight contains 20 mol% or less and 10 mol% or more of the whole polyethylene glycol chain. The semiconductor nanoparticle labeling agent according to any one of to 3 .

本発明の上記手段により、生体への取り込み率が優れ、生体分子結合物質の結合量が制御された生体物質用蛍光標識剤を与える、半導体ナノ粒子標識剤が提供できる。重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖を表面に持つ半導体ナノ粒子標識剤は低重量平均分子量のポリエチレングリコール鎖に被覆されることにより、細胞への取り込み効率が上がり、さらに高重量平均分子量のポリエチレングリコール鎖と混ぜることにより、ポリエチレングリコール鎖の重量平均分子量の違いから生体分子結合物質との反応性が変化し、結合率が制御できるという考えに基づいている。   By the above means of the present invention, it is possible to provide a semiconductor nanoparticle labeling agent that provides a fluorescent labeling agent for a biological material that has an excellent uptake rate into a living body and has a controlled amount of binding of a biomolecular binding material. A semiconductor nanoparticle labeling agent having two or more types of polyethylene glycol chains with different weight average molecular weights on the surface is coated with a polyethylene glycol chain with a low weight average molecular weight, thereby increasing the efficiency of incorporation into cells and further increasing the weight average molecular weight. This is based on the idea that mixing with the polyethylene glycol chain changes the reactivity with the biomolecule-binding substance due to the difference in the weight average molecular weight of the polyethylene glycol chain, and the binding rate can be controlled.

本発明は、半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子標識剤であって、該半導体ナノ粒子の表面が重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖から構成されることを特徴とする。   The present invention is a semiconductor nanoparticle labeling agent containing semiconductor nanoparticles, wherein the surface of the semiconductor nanoparticles is composed of two or more types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights.

本発明においては、特に半導体ナノ粒子の表面を重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖で覆うことにより、細胞への取り込み率に優れる生体物質用蛍光標識剤を与える半導体ナノ粒子標識剤が提供できる。   In the present invention, there is provided a semiconductor nanoparticle labeling agent that provides a fluorescent labeling agent for biological materials that is excellent in uptake into cells, particularly by covering the surface of semiconductor nanoparticles with two or more types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights. Can be provided.

(半導体ナノ粒子標識剤)
本発明に係る半導体ナノ粒子標識剤は、半導体ナノ粒子の集合体である。半導体ナノ粒子標識剤とは、平均粒径が100nm以下である集合体をいう。
(Semiconductor nanoparticle labeling agent)
The semiconductor nanoparticle labeling agent according to the present invention is an aggregate of semiconductor nanoparticles. The semiconductor nanoparticle labeling agent refers to an aggregate having an average particle size of 100 nm or less.

平均粒径は、TEMを用いて電子顕微鏡写真を撮影し十分な数の粒子について断面積を計測し、その計測値を相当する円の面積としたときの直径を粒径として求めて、その算術平均を平均粒径とする。TEMで撮影する粒子数は、本願においては、1000個の粒子の算術平均を平均粒径とする。   The average particle diameter is obtained by taking an electron micrograph using a TEM, measuring the cross-sectional area of a sufficient number of particles, and determining the diameter when the measured value is the area of the corresponding circle as the particle diameter. Let the average be the average particle size. In the present application, the average particle diameter of the number of particles photographed with a TEM is the arithmetic average of 1000 particles.

(半導体ナノ粒子)
本発明に係る半導体ナノ粒子は種々の半導体材料を用いて形成することができる。例えば、元素の周期表のIV族、II−VI族、およびIII−V族の半導体化合物を用いることができる。
(Semiconductor nanoparticles)
The semiconductor nanoparticles according to the present invention can be formed using various semiconductor materials. For example, a semiconductor compound of Group IV, II-VI, and III-V of the periodic table of elements can be used.

II−VI族の半導体の中では、特に、MgS、MgSe、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、HgS、HgSeおよびHgTeを挙げることができる。   Among II-VI group semiconductors, in particular, MgS, MgSe, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, HgS, Mention may be made of HgSe and HgTe.

III−V族の半導体の中では、GaAs、GaN、GaPGaSb、InGaAs、InP、InN、InSb、InAs、AlAs、AlP、AlSbおよびAlSが好ましい。   Among group III-V semiconductors, GaAs, GaN, GaPGaSb, InGaAs, InP, InN, InSb, InAs, AlAs, AlP, AlSb, and AlS are preferable.

IV族の半導体の中では、Ge、PbおよびSiは特に適しており、本発明において、特に好ましいのは、Siである。   Among group IV semiconductors, Ge, Pb and Si are particularly suitable. In the present invention, Si is particularly preferable.

本発明においては、半導体ナノ粒子をコア/シェル構造を有する粒子とすることが好ましい。この場合、半導体ナノ粒子は半導体粒子からなるコア粒子と当該コア粒子を被覆するシェル層とで構成されるコア/シェル構造を有する半導体ナノ粒子であって、当該コア粒子とシェル層の化学組成が相異するものであることが好ましい。   In the present invention, the semiconductor nanoparticles are preferably particles having a core / shell structure. In this case, the semiconductor nanoparticles are semiconductor nanoparticles having a core / shell structure composed of core particles made of semiconductor particles and a shell layer covering the core particles, and the chemical composition of the core particles and the shell layer is It is preferable that they are different.

コア粒子に用いられる半導体材料としては、種々の半導体材料を用いることができる。具体例としては、例えば、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、GaAs、GaP、GaSb、InGaAs、InP、InN、InSb、InAs、AlAs、AlP、AlSb、AlS、PbS、PbSe、Ge、Si、またはこれらの混合物等が挙げられる。本発明において、特に好ましい半導体材料は、SiまたはGeである。なお、必要があればGaなどのドープ材料を極微量含んでもよい。   Various semiconductor materials can be used as the semiconductor material used for the core particles. Specific examples include, for example, MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, GaAs, GaP, GaSb, InGaAs, InP. InN, InSb, InAs, AlAs, AlP, AlSb, AlS, PbS, PbSe, Ge, Si, or a mixture thereof. In the present invention, a particularly preferable semiconductor material is Si or Ge. If necessary, a trace amount of a doping material such as Ga may be included.

シェルに用いられる半導体材料としては、種々の半導体材料を用いることができる。具体例としては、例えば、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgS、MgSe、GaS、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InN、InP、InSb、AlAs、AlN、AlP、AlSb、またはこれらの混合物等が挙げられる。本発明において、特に好ましい半導体材料は、SiO、ZnSである。 Various semiconductor materials can be used as the semiconductor material used for the shell. Specific examples include, for example, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaS, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP. , AlSb, or a mixture thereof. In the present invention, particularly preferred semiconductor materials are SiO 2 and ZnS.

なお、シェル層は、コア粒子が部分的に露出して弊害を生じない限り、コア粒子の全表面を完全に被覆するものでなくてもよい。   Note that the shell layer may not completely cover the entire surface of the core particle as long as the core particle is not partially exposed to cause a harmful effect.

本発明に係る半導体ナノ粒子標識剤の平均粒径は1nm以上100nm以下が好ましい。より好ましくは10nm以上50nm以下、特に好ましくは10nm以上30nm以下である。   The average particle size of the semiconductor nanoparticle labeling agent according to the present invention is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. More preferably, they are 10 nm or more and 50 nm or less, Especially preferably, they are 10 nm or more and 30 nm or less.

なお、本発明に係る半導体ナノ粒子のうち、電子の波長(10nm程度)より小さい粒子径を有するナノサイズの粒子は、量子サイズ効果として電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるために、バルク体とは異なる特異な物性を示すことが知られている。一般に、ナノ・メートルサイズの半導体物質で量子閉じ込め(quantum confinement)効果を示す半導体ナノ粒子は、「量子ドット」とも称されている。このような量子ドットは、半導体原子が数百個から数千個集まった10数nm程度以内の小さな塊であるが、励起源から光を吸収してエネルギー励起状態に達すると、量子ドットのエネルギーバンドギャップに相当するエネルギーを放出する。したがって、量子ドットの大きさまたは物質組成を調節すると、エネルギーバンドギャップを調節することができて様々な水準の波長帯のエネルギーを利用することができる。また、量子ドット、すなわち半導体ナノ粒子は、同一組成で、粒径を変化させることで、発光波長をコントロールできるという特徴をもつ。   Of the semiconductor nanoparticles according to the present invention, nano-sized particles having a particle diameter smaller than the electron wavelength (about 10 nm) have a larger influence of size finiteness on electron motion as a quantum size effect. In addition, it is known to exhibit unique physical properties different from those of bulk bodies. In general, semiconductor nanoparticles that exhibit a quantum confinement effect with a nanometer-sized semiconductor material are also referred to as “quantum dots”. Such a quantum dot is a small lump within about 10 and several nanometers in which several hundred to several thousand semiconductor atoms are gathered, but when absorbing energy from an excitation source and reaching an energy excited state, the energy of the quantum dot Releases energy corresponding to the band gap. Therefore, by adjusting the size or material composition of the quantum dots, the energy band gap can be adjusted, and energy in various levels of wavelength bands can be used. In addition, quantum dots, that is, semiconductor nanoparticles, have the same composition and are characterized in that the emission wavelength can be controlled by changing the particle size.

本発明に係る半導体ナノ粒子は、350〜1100nmの範囲の蛍光を発光するように調整することができるが、本発明においては、生体細胞自らがもつ発光の影響をなくしSN比を向上するため、近赤外領域の波長の発光も好ましく用いられる。   The semiconductor nanoparticles according to the present invention can be adjusted so as to emit fluorescence in the range of 350 to 1100 nm, but in the present invention, in order to eliminate the influence of light emission of living cells themselves and improve the SN ratio, Light emission having a wavelength in the near infrared region is also preferably used.

(半導体ナノ粒子の製造方法)
本発明に係る半導体ナノ粒子の製造方法としては、従来公知の液相法又は気相法による製造方法を用いることができる。
(Method for producing semiconductor nanoparticles)
As a method for producing semiconductor nanoparticles according to the present invention, a conventionally known liquid phase method or gas phase method can be used.

液相法の製造方法としては、沈殿法、共沈法、ゾル−ゲル法、均一沈殿法、還元法などがある。そのほかに、逆ミセル法、超臨界水熱合成法、などもナノ粒子を作製する上で優れた方法である(例えば、特開2002−322468号、特開2005−239775号、特開平10−310770号、特開2000−104058号公報等を参照)。   Examples of the liquid phase method include a precipitation method, a coprecipitation method, a sol-gel method, a uniform precipitation method, and a reduction method. In addition, the reverse micelle method, the supercritical hydrothermal synthesis method, and the like are also excellent methods for producing nanoparticles (for example, JP 2002-322468, JP 2005-239775, JP 10-310770 A). No., JP 2000-104058 A, etc.).

なお、液相法により、半導体ナノ粒子を製造する場合においては、当該半導体の前駆体を還元反応により還元する工程を有する製造方法であることが好ましい。また、当該半導体前駆体の反応を界面活性剤の存在下で行う工程を有する態様が好ましい。なお、本発明に係る半導体前駆体は、上記の半導体材料として用いられる元素を含む化合物であり、たとえば半導体がシリコン(Si)の場合、半導体前駆体としてはSiClなどが挙げられる。その他半導体前駆体としては、InCl、P(SiMe、ZnMe、CdMe、GeCl、トリブチルホスフィンセレンなどが挙げられる。 In addition, when manufacturing semiconductor nanoparticles by a liquid phase method, it is preferable that it is a manufacturing method which has the process of reduce | restoring the precursor of the said semiconductor by a reductive reaction. Moreover, the aspect which has the process of performing reaction of the said semiconductor precursor in presence of surfactant is preferable. The semiconductor precursor according to the present invention is a compound containing an element used as the semiconductor material, for example semiconductor for silicon (Si), and the like SiCl 4 as semiconductor precursor. Other semiconductor precursors include InCl 3 , P (SiMe 3 ) 3 , ZnMe 2 , CdMe 2 , GeCl 4 , tributylphosphine selenium and the like.

気相法の製造方法としては、(1)対向する原料半導体を電極間で発生させた第一の高温プラズマによって蒸発させ、減圧雰囲気中において無電極放電で発生させた第二の高温プラズマ中に通過させる方法(例えば特開平6−279015号公報参照。)、(2)電気化学的エッチングによって、原料半導体からなる陽極からナノ粒子を分離・除去する方法(例えば特表2003−515459号公報参照。)、(3)レーザーアブレーション法(例えば特開2004−356163号参照。)、(4)高速スパッタリング法(例えば特開2004−296781号参照)などが用いられる。また、原料ガスを低圧状態で気相反応させて、粒子を含む粉末を合成する方法も、好ましく用いられる。   As a manufacturing method of the vapor phase method, (1) the opposing raw material semiconductor is evaporated by the first high temperature plasma generated between the electrodes, and in the second high temperature plasma generated by electrodeless discharge in a reduced pressure atmosphere. (2) A method of separating / removing nanoparticles from an anode made of a raw material semiconductor by electrochemical etching (for example, see JP-A-2003-515459). ), (3) laser ablation method (for example, see JP-A-2004-356163), (4) high-speed sputtering method (for example, see JP-A-2004-296781), or the like is used. A method of synthesizing a powder containing particles by reacting a raw material gas in a gas phase in a low pressure state is also preferably used.

(ポリエチレングリコール)
本発明の、重量平均分子量の異なる2種類以上5種類以下のポリエチレングリコール鎖の重量平均分子量の差は1000以上50000以下であり、重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖のうち、大きい重量平均分子量を有するポリエチレングリコール鎖が、ポリエチレングリコール鎖全体の20mol%以下10mol%以上含有しているものである。
(Polyethylene glycol)
The difference in the weight average molecular weight of two or more and five or less types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights of the present invention is 1,000 or more and 50,000 or less. Among two or more types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights, The polyethylene glycol chain having an average molecular weight contains 20 mol% or less and 10 mol% or more of the entire polyethylene glycol chain.

本発明において用いることができるポリエチレングリコール鎖を形成する事のできるポリエチレングリコール類としては、ポリエチレングリコール鎖を有する化合物であれば特に限定されないが、具体例としては、HS−C(OCHCH−OCH、NH−C−(OCHCH−OCH、C(=O)H−C−(OCHCH−OCH、NH−C−(CHCHO)−OC(=O)O−スクシンイミド、マレイミド−(CHC(=O)NHC−(CHCHO)−OC(=O)O−スクシンイミド、HO−(CHCHO)−CHCHC(=O)H、HO−(CHCHO)−CNH、HN(CH30(CHCHO)(CHC(=O)OH、ビオチン−(CHC(=O)NHC(CHCHO)−OC(=O)O−スクシンイミド等のポリエチレングリコール類を挙げることができる。 The polyethylene glycol that can form a polyethylene glycol chain that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound having a polyethylene glycol chain, and specific examples include HS-C 2 H 4 (OCH 2 CH 2) n -OCH 3, NH 2 -C 2 H 4 - (OCH 2 CH 2) n -OCH 3, C (= O) H-C 2 H 4 - (OCH 2 CH 2) n -OCH 3, NH 2 -C 2 H 4 - ( CH 2 CH 2 O) n -OC (= O) O- succinimide, maleimide - (CH 2) 2 C ( = O) NHC 3 H 6 - (CH 2 CH 2 O) n -OC (= O) O- succinimide, HO- (CH 2 CH 2 O ) n -CH 2 CH 2 C (= O) H, HO- (CH 2 CH 2 O) n -C 3 H 6 n 2, H 2 N (CH 2 ) 30 (CH 2 CH 2 O) n (CH 2) 5 C (= O) OH, biotin - (CH 2) 4 C ( = O) NHC 3 H 6 (CH 2 CH And polyethylene glycols such as 2 O) n -OC (= O) O-succinimide.

本発明の半導体ナノ粒子標識剤は、半導体ナノ粒子の粒子表面にポリエチレングリコール鎖が結合し、さらに生体分子結合物質により修飾されることで、半導体ナノ粒子標識剤として機能する。   The semiconductor nanoparticle labeling agent of the present invention functions as a semiconductor nanoparticle labeling agent by binding a polyethylene glycol chain to the particle surface of the semiconductor nanoparticle and further modifying it with a biomolecule-binding substance.

ポリエチレングリコール鎖と半導体ナノ粒子との結合は、半導体ナノ粒子にポリエチレングリコール類を直接結合させてもよいが、シランカップリング剤なの有機分子を介して結合させてもよい。有機物質としては、ポリエチレングリコール鎖末端にカルボキシ基を持つ場合、結合可能な官能基を有する化合物であり、この官能基としては、アミノ基、メルカプト基、ヒドロキシ基などが挙げられる。また、ポリエチレングリコール鎖末端にアミノ基を持つ場合、有機物質の官能基はカルボキシル基などが挙げられる。好ましいカップリング剤は、例えば、3−アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)のようなアミノトリアルコキシシランである。   The polyethylene glycol chain and the semiconductor nanoparticles may be bonded by directly bonding polyethylene glycols to the semiconductor nanoparticles, but may also be bonded via an organic molecule such as a silane coupling agent. The organic substance is a compound having a bondable functional group when it has a carboxy group at the end of the polyethylene glycol chain, and examples of the functional group include an amino group, a mercapto group, and a hydroxy group. When the polyethylene glycol chain has an amino group at the end, examples of the functional group of the organic substance include a carboxyl group. A preferred coupling agent is an aminotrialkoxysilane such as, for example, 3-aminopropyltriethoxysilane (APS).

本発明の半導体ナノ粒子を修飾するポリエチレングリコール類は、重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール類が使用され、この重量平均分子量の差は、細胞取り込み率の向上の観点や生体分子結合物質の結合量制御の観点から500以上であることが好ましい。   As the polyethylene glycols for modifying the semiconductor nanoparticles of the present invention, two or more types of polyethylene glycols having different weight average molecular weights are used. From the viewpoint of controlling the amount of bonding, it is preferably 500 or more.

(標識剤とバイオイメージング)
(蛍光標識剤)
本発明の蛍光標識剤は、半導体ナノ粒子の表面に適当な表面修飾化合物を配置することにより標的(ターゲット)物質を蛍光標識するための蛍光標識剤として適用できる。特に、当該粒子表面にその表面に生体に親和性を有する、もしくは、接合できる表面修飾化合物を配置し、タンパク質やペプチドなどの標的物質を蛍光標識するための生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)とすることに適している。
(Labeling agents and bioimaging)
(Fluorescent labeling agent)
The fluorescent labeling agent of the present invention can be applied as a fluorescent labeling agent for fluorescently labeling a target substance by disposing an appropriate surface modifying compound on the surface of semiconductor nanoparticles. In particular, a biomolecule fluorescent labeling agent (biosubstance fluorescent labeling agent) is used for fluorescently labeling target substances such as proteins and peptides by placing a surface-modifying compound on the surface of the particle that has affinity for or can be attached to the living body. It is suitable for use as an agent.

なお、生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)とする場合、近赤外〜赤外励起で赤外発光する特性を有するように半導体ナノ粒子の発光特性を粒径等により調整することが生体分子に対する非侵襲性、生体組織の透過性等の観点から好ましい。   When a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) is used, the emission characteristics of the semiconductor nanoparticles can be adjusted by the particle size or the like so as to have infrared emission characteristics in the near infrared to infrared excitation. It is preferable from the viewpoints of non-invasiveness to biomolecules, permeability of living tissue, and the like.

本発明においては、表面修飾化合物としては、少なくとも1つの官能基と少なくとも1つの半導体ナノ粒子に結合する基を有する化合物であることが好ましい。後者は疎水性の半導体ナノ粒子に吸着できる基であり、他方は生体物質に親和性があり生体分子に結合する官能基である。互いの表面修飾化合物は互いをつなぐ各種のリンカーを使用してもよい。   In the present invention, the surface modifying compound is preferably a compound having at least one functional group and at least one group capable of binding to semiconductor nanoparticles. The latter is a group that can be adsorbed to hydrophobic semiconductor nanoparticles, and the other is a functional group that has affinity for biological substances and binds to biomolecules. The surface modification compounds of each other may use various linkers that connect each other.

例えば、半導体ナノ粒子に結合する基としては、当該半導体ナノ粒子を形成するための半導体材料に結合する官能基であれば良い。本発明においては、当該官能基として、特にメルカプト基(チオール基)が好ましい。   For example, the group that binds to the semiconductor nanoparticles may be a functional group that binds to the semiconductor material for forming the semiconductor nanoparticles. In the present invention, a mercapto group (thiol group) is particularly preferable as the functional group.

生体物質に親和的に結合する官能基としては、カルボキシル基、アミノ基、フォスフォン酸基、スルフォン酸基などが挙げられる。   Examples of the functional group that binds to a biological substance with affinity include a carboxyl group, an amino group, a phosphonic acid group, and a sulfonic acid group.

なお、ここで、「生体物質」とは、細胞、DNA、RNA、オリゴヌクレオチド、蛋白質、抗体、抗原、小胞体、核、ゴルジ体等を指す。   Here, “biological substance” refers to cells, DNA, RNA, oligonucleotides, proteins, antibodies, antigens, endoplasmic reticulums, nuclei, Golgi bodies, and the like.

また、半導体ナノ粒子に結合させる方法としては、表面修飾に適するpHに調整することによりメルカプト基を粒子に結合させることができる。それぞれ他端にはアルデヒド基、アミノ基、カルボキシル基が導入され、生体のアミノ基、カルボキシル基とペプチド結合することができる。また、DNA、オリゴヌクレオチドなどにアミノ基、アルデヒド基、カルボキシル基を導入しても同様に結合させることができる。   As a method for bonding to semiconductor nanoparticles, a mercapto group can be bonded to particles by adjusting the pH to be suitable for surface modification. An aldehyde group, an amino group, and a carboxyl group are introduced into the other end, respectively, and a peptide bond can be formed with a biological amino group or carboxyl group. Moreover, even if an amino group, an aldehyde group, or a carboxyl group is introduced into DNA, oligonucleotide or the like, it can be similarly bonded.

本発明に係る半導体ナノ粒子を用いて生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)を作製する具体的方法としては、例えば、親水化処理された半導体ナノ粒子を有機分子を介して分子標識物質と結合させる方法を挙げることができる。この方法により作製された生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)において、分子標識物質は、標的とする生体物質と特異的に結合及び/又は反応することにより、生体物質の蛍光標識が可能となる。   As a specific method for producing a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) using the semiconductor nanoparticles according to the present invention, for example, the hydrophilically treated semiconductor nanoparticles are converted into molecular labeling substances via organic molecules. The method of combining with can be mentioned. In the biomolecular fluorescent labeling agent (biomaterial fluorescent labeling agent) produced by this method, the molecular labeling substance can specifically bind to and / or react with the target biological substance, thereby enabling fluorescent labeling of the biological substance. It becomes.

当該分子標識物質としては例えば、ヌクレオチド鎖、抗体、抗原およびシクロデキストリン等が挙げられる。   Examples of the molecular labeling substance include nucleotide chains, antibodies, antigens and cyclodextrins.

また、有機分子としては半導体ナノ粒子と分子標識物質とを結合できる有機分子であれば特に制限はないが、例えば、タンパク質中でも、アルブミン、ミオグロビンおよびカゼイン等、またタンパク質の一種であるアビジンをビオチンと共に用いることも好適に用いられる。上記結合の態様としては特に限定されず、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合、物理吸着および化学吸着等が挙げられる。結合の安定性から共有結合などの結合力の強い結合が好ましい。   The organic molecule is not particularly limited as long as it is an organic molecule capable of binding a semiconductor nanoparticle and a molecular labeling substance. For example, among proteins, albumin, myoglobin, casein, etc., and avidin, which is a kind of protein, are combined with biotin. It is also preferably used. The form of the bond is not particularly limited, and examples thereof include a covalent bond, an ionic bond, a hydrogen bond, a coordinate bond, physical adsorption, and chemical adsorption. A bond having a strong bonding force such as a covalent bond is preferable from the viewpoint of bond stability.

具体的には、半導体ナノ粒子をメルカプトウンデカン酸で親水化処理した場合は、有機分子としてアビジンおよびビオチンを用いることができる。この場合親水化処理された当該ナノ粒子のカルボキシル基はアビジンと好適に共有結合し、アビジンがさらにビオチンと選択的に結合し、ビオチンがさらに分子標識物質と結合することにより生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)となる。   Specifically, when the semiconductor nanoparticles are hydrophilized with mercaptoundecanoic acid, avidin and biotin can be used as organic molecules. In this case, the carboxyl group of the nanoparticle subjected to the hydrophilic treatment is preferably covalently bonded to avidin, the avidin is further selectively bonded to biotin, and biotin is further bonded to the molecular labeling substance (biomolecule fluorescent labeling agent ( Biological substance fluorescent labeling agent).

(蛍光標識剤とそれを用いた生体分子検出システム)
本発明の蛍光標識剤は、上記特徴を有することにより、当該蛍光標識剤を標的となる生細胞又は生組織に供給し、半導体ナノ粒子の放射線励起により放出される蛍光を検出することにより当該標的となる生細胞又は生体組織における生体分子を検出することを特徴とする生体分子検出システムに好ましく適応できる。
(Fluorescent labeling agent and biomolecule detection system using it)
Since the fluorescent labeling agent of the present invention has the above-described characteristics, the fluorescent labeling agent is supplied to a target living cell or tissue, and the target is detected by detecting the fluorescence emitted by radiation excitation of the semiconductor nanoparticles. The present invention can be preferably applied to a biomolecule detection system characterized by detecting biomolecules in living cells or living tissues.

標的(追跡)生体分子を有する生細胞もしくは生体組織に本発明に係る蛍光標識剤を添加することで、標的分子と結合もしくは吸着し、当該結合体もしくは吸着体に所定の波長の励起光(放射線)を照射し、当該励起光に応じて半導体ナノ粒子(蛍光半導体微粒子)から発生する所定の波長の蛍光を検出することにより、上記標的(追跡)生体分子の蛍光動態イメージングを行うことができる。すなわち、本発明に係る蛍光標識剤は、バイオイメージング法(生体物質を構成する生体分子やその動的現象を可視化する技術手段)に利用することができる。   By adding the fluorescent labeling agent according to the present invention to a living cell or biological tissue having a target (tracking) biomolecule, it binds or adsorbs to the target molecule, and excitation light (radiation) having a predetermined wavelength is attached to the conjugate or adsorbent. ) And detecting fluorescence of a predetermined wavelength generated from the semiconductor nanoparticles (fluorescent semiconductor fine particles) in accordance with the excitation light, the fluorescence dynamic imaging of the target (tracking) biomolecule can be performed. That is, the fluorescent labeling agent according to the present invention can be used for a bioimaging method (technical means for visualizing biomolecules constituting a biological substance and dynamic phenomena thereof).

なお、励起のための放射線としては、ハロゲンランプ、タングステンランプなどの可視光からLED、近赤外レーザ光、赤外レーザ光、X線、γ線などが含まれる。   The radiation for excitation includes visible light such as halogen lamps and tungsten lamps, LEDs, near infrared laser light, infrared laser light, X-rays, γ rays, and the like.

〈分子・細胞イメージング法〉
本発明に係る半導体ナノ粒子は、標的(ターゲット)とする細胞組織の内部若しくは表面に存在する分子に特異的に反応するプローブ分子(探索用分子)を結合させて蛍光標識剤として使用することができる。
<Molecular / cell imaging method>
The semiconductor nanoparticles according to the present invention may be used as a fluorescent labeling agent by binding a probe molecule (search molecule) that specifically reacts with a molecule present inside or on the surface of a target cell tissue. it can.

本願において、「標的(ターゲット)」とは、半導体ナノ粒子の標的とする生体分子等をいい、例えば、組織および細胞で優先的に発現したりするタンパクであったり、細胞内のゴルジ体、核、膜タンパクなどである。なお、適当なターゲット物質としては、例えば、酵素および蛋白質、細胞表面受容体;核酸;脂質およびリン脂質を挙げることができるが、これらに限定されない。   In the present application, “target” refers to a biomolecule or the like targeted by a semiconductor nanoparticle, for example, a protein that is preferentially expressed in tissues and cells, a Golgi body in a cell, a nucleus And membrane proteins. Examples of suitable target substances include, but are not limited to, enzymes and proteins, cell surface receptors; nucleic acids; lipids and phospholipids.

本発明において、プローブ分子としては、生体内部の画像化、細胞内の物質動態計測等を目的として、標的(測定)物質に対応する適切なプローブ分子を採用することが好ましい。   In the present invention, as a probe molecule, it is preferable to employ an appropriate probe molecule corresponding to a target (measurement) substance for the purpose of imaging the inside of a living body, measuring intracellular substance dynamics, and the like.

本発明に係る半導体ナノ粒子を利用した蛍光標識剤(生体分子蛍光標識剤)は、従来公知の種々の分子・細胞イメージング法に適用することができる。例えば、レーザインジェクション法、マイクロインジェクション法、エレクトロポレーション法などによる分子・細胞イメージング法が挙げられる。これらの方法うち、レーザインジェクション法による分子・細胞イメージング法に適用することが好ましい。   The fluorescent labeling agent (biomolecule fluorescent labeling agent) using the semiconductor nanoparticles according to the present invention can be applied to various conventionally known molecular / cell imaging methods. Examples thereof include molecular / cell imaging methods such as laser injection, microinjection, and electroporation. Among these methods, it is preferable to apply to a molecular / cell imaging method by a laser injection method.

ここで、「レーザインジェクション法」とは、レーザ光を細胞に直接照射し、細胞に微細な穴を開けて遺伝子などの外来物質を導入する光学的方法をいう。   Here, the “laser injection method” refers to an optical method in which a cell is directly irradiated with laser light, a minute hole is formed in the cell, and a foreign substance such as a gene is introduced.

「マイクロインジェクション法」とは、微細な針(マイクロピペット、マイクロシリンジ)を用いて空気圧で機械的に、細胞内に遺伝子などの外来物質を直接注入して導入する方法をいう。   The “microinjection method” refers to a method in which a foreign substance such as a gene is directly injected and introduced into a cell mechanically by air pressure using a fine needle (micropipette, microsyringe).

また、「エレクトロポレーション法」(「電気穿孔法」ともいう。)とは、細胞に電気的刺激を印加し、細胞の変形を誘起して細胞内に遺伝子などの外来物質を導入する物理的方法をいう。例えば、細胞懸濁液に数千V/cmの高電圧を数十マイクロ秒のパルスで与えた時に細胞膜に短時間生じる小孔を通して外液が取り込まれることを利用して、細胞外液にDNA等の注入したい試料を加えておき、これを細胞内に導入する方法である。   The “electroporation method” (also referred to as “electroporation method”) is a physical method in which an electrical stimulus is applied to a cell to induce deformation of the cell to introduce a foreign substance such as a gene into the cell. Say the method. For example, when a high voltage of several thousand V / cm is applied to a cell suspension with a pulse of several tens of microseconds, DNA is incorporated into the extracellular fluid using the fact that the external fluid is taken in through a small hole that occurs in the cell membrane for a short time. This is a method in which a sample to be injected is added and introduced into cells.

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to this.

(液相法によるSiナノ粒子蛍光体の調製)
トルエン200mlにテトラオクチルアンモニウムブロマイド(TOAB)3質量を溶解する。室温で攪拌しながらSiClを5ml滴下し、1時間後に、水素化リチウムアルミニウムをSiClの2倍モル滴下して還元反応させる。3時間後にメタノール40mlを添加して、余分な還元剤を失活させたのちに、アリルアミンを白金触媒とともに添加してから、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去する。メチルホルムアミドと純水で数回洗浄し、水100mlに分散しアミノ基により終端化されたSiナノ粒子蛍光体を得た。
(Preparation of Si nanoparticle phosphor by liquid phase method)
Dissolve 3 masses of tetraoctylammonium bromide (TOAB) in 200 ml of toluene. While stirring at room temperature, 5 ml of SiCl 4 is dropped, and after 1 hour, lithium aluminum hydride is dropped twice as much as SiCl 4 to cause a reduction reaction. After 3 hours, 40 ml of methanol is added to deactivate the excess reducing agent, allylamine is added together with the platinum catalyst, and then the solvent is removed with a rotary evaporator. It was washed several times with methylformamide and pure water, and dispersed in 100 ml of water to obtain an Si nanoparticle phosphor terminated with an amino group.

(Siナノ粒子蛍光体とポリエチレングリコール鎖との反応)
得られたアミノ基に終端化されたSiナノ粒子蛍光体に、表1及び表2に示す重量平均分子量の異なる2種類のエチレングリコール(NHS−PEG−maleimido(ピアス(株)、日油(株)))を添加し、12時間反応させた。重量平均分子量の異なる2種類のポリエチレングリコールは、合計の濃度が0.1mol/lとなるように添加した。その後、ゲルろ過クロマトグラフィーにより精製を行い、ポリエチレングリコール鎖を持つ本発明の試料No.2、4、5、及び6のSiナノ粒子蛍光体を得た。
(Reaction between Si nanoparticle phosphor and polyethylene glycol chain)
Two types of ethylene glycol (NHS-PEG-maleimido (Pierce Co., Ltd., NOF Corporation) with different weight average molecular weights shown in Table 1 and Table 2 were used for the obtained Si nanoparticle phosphors terminated with amino groups. ))) Was added and allowed to react for 12 hours. Two types of polyethylene glycols having different weight average molecular weights were added so that the total concentration was 0.1 mol / l. Thereafter, the sample was purified by gel filtration chromatography and sample No. 1 of the present invention having a polyethylene glycol chain was obtained. 2, 4, 5, and 6 Si nanoparticle phosphors were obtained.

重量平均分子量が一種類のエチレングリコールのみを使用した以外は、上記同様にして比較資料1、3及び7を得た。   Comparative materials 1, 3 and 7 were obtained in the same manner as above except that only one ethylene glycol having a weight average molecular weight was used.

(ポリエチレングリコールと生体結合物質の結合)
ポリエチレングリコールで修飾されたSiナノ粒子蛍光体に、終濃度1mmolとなるように葉酸を加え、さらに終濃度4mmolのとなるように1−エチル−3−(3−(ジメチルアミノ)プロピル)カルボジイミドを添加し、24時間室温にて反応させ、その後、ゲルろ過クロマトグラフィーにより、未反応の葉酸を除去し、葉酸が結合したポリエチレングリコール鎖を持つSiナノ粒子蛍光体を得た。
(Binding of polyethylene glycol and biobinding substance)
Folic acid is added to the Si nanoparticle phosphor modified with polyethylene glycol to a final concentration of 1 mmol, and 1-ethyl-3- (3- (dimethylamino) propyl) carbodiimide is added to a final concentration of 4 mmol. After addition, the mixture was reacted at room temperature for 24 hours, and then unreacted folic acid was removed by gel filtration chromatography to obtain a Si nanoparticle phosphor having a polyethylene glycol chain to which folic acid was bound.

(葉酸結合率試験)
葉酸の結合率は、粒子濃度の揃った溶液のタンパク質濃度をBradford法により測定することにより求めた。また、表1及び表2には重量平均分子量5000のポリエチレングリコールを用いた場合を100%とした。
(Folate binding rate test)
The binding rate of folic acid was determined by measuring the protein concentration of a solution with a uniform particle concentration by the Bradford method. In Tables 1 and 2, the case where polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 5000 was used was defined as 100%.

(細胞取り込み試験)
葉酸受容体をもつHeLa(ヒト上皮癌)細胞株を播種し、次いで上記で得た標的剤を結合したナノ粒子蛍光体(標的剤試料)を200μg添加し、各細胞株をそれぞれ洗浄して回収した。
(Cell uptake test)
HeLa (human epithelial cancer) cell line with folate receptor is seeded, then 200 μg of nanoparticle phosphor (target agent sample) bound with the target agent obtained above is added, and each cell line is washed and collected did.

蛍光顕微鏡を用いて、細胞へ取り込まれたナノ粒子蛍光体の発光を観察した。いずれも、細胞が発光し、ナノ粒子蛍光体が細胞に内在化したことが確認できた。   The fluorescence of the nanoparticle phosphor incorporated into the cells was observed using a fluorescence microscope. In both cases, it was confirmed that the cells emitted light and the nanoparticle phosphor was internalized in the cells.

さらに、フローサイトメトリーを使い、各細胞内に取り込まれたSiナノ粒子蛍光体の量を測定し、取り込み率を測定した。結果を表1及び表2に示す。   Furthermore, the amount of Si nanoparticle phosphor incorporated into each cell was measured using flow cytometry, and the incorporation rate was measured. The results are shown in Tables 1 and 2.

Figure 0005168092
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Figure 0005168092
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表1の結果から、本発明の試料重量平均分子量の異なる2つのポリエチレングリコール鎖を用いることにより、ナノ粒子の取り込み効率が高く、葉酸の修飾率の低いポリエチレングリコール鎖を持つSiナノ粒子蛍光体を得られたことがわかる。   From the results of Table 1, by using two polyethylene glycol chains having different sample weight average molecular weights of the present invention, Si nanoparticle phosphors having polyethylene glycol chains with high nanoparticle uptake efficiency and low folic acid modification rate were obtained. You can see that it was obtained.

また、表2の結果から、重量平均分子量の異なる2つのポリエチレングリコール鎖のうち重量平均分子量の大きい化合物が、全体の中の20mol%以下10mol%以上の試料3、4、5、及び6であるとき、より細胞取り込み率の優れ、修飾率の低い半導体ナノ粒子標識剤を得られたことがわかる。   Moreover, from the results of Table 2, the compounds having a large weight average molecular weight among the two polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights are Samples 3, 4, 5, and 6 having 20 mol% or less and 10 mol% or more of the whole. It can be seen that a semiconductor nanoparticle labeling agent having a better cell uptake rate and a lower modification rate was obtained.

以上の作成した試料の内、試料No.2、4、5、6を葉酸受容体のイメージングに用いた場合、比較例の試料No.1、3、7よりも、より一分子イメージングに近い葉酸受容体の動態観察が可能となった。また、試料No.5は細胞取り込み率に優れ、修飾率の最も低いため、最も一分子イメージングに近い動態を観察することができた。   Of the samples prepared above, sample no. When 2, 4, 5, and 6 were used for folate receptor imaging, Sample No. Compared with 1, 3, and 7, it became possible to observe the dynamics of the folate receptor closer to single-molecule imaging. Sample No. Since 5 had an excellent cell uptake rate and the lowest modification rate, it was possible to observe the dynamics closest to single-molecule imaging.

Claims (4)

有機表面修飾層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子標識剤であって、有機表面修飾層が重量平均分子量の異なる2種類以上5種類以下のポリエチレングリコール鎖から構成され、前記ポリエチレングリコール鎖の重量平均分子量の差が、1000以上50000以下であることを特徴とする半導体ナノ粒子標識剤。 A semiconductor nanoparticle labeling agent comprising core / shell type semiconductor nanoparticles having an organic surface modification layer, wherein the organic surface modification layer is composed of 2 or more and 5 or less types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights , difference in weight average molecular weight of the polyethylene glycol chain is, the semiconductor nanoparticle labeling agent, characterized in der Rukoto 1000 to 50,000. 前記半導体ナノ粒子標識剤は、ポリエチレングリコール鎖の末端に生体分子結合物質を持つことを特徴とする請求項1に記載の半導体ナノ粒子標識剤。   The semiconductor nanoparticle labeling agent according to claim 1, wherein the semiconductor nanoparticle labeling agent has a biomolecule-binding substance at the end of a polyethylene glycol chain. 前記半導体ナノ粒子標識剤は、該半導体ナノ粒子が粒径の違いにより異なる励起波長及び蛍光を持つことを特徴とする請求項1及び2のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子標識剤。   3. The semiconductor nanoparticle labeling agent according to claim 1, wherein the semiconductor nanoparticle labeling agent has different excitation wavelength and fluorescence depending on a difference in particle diameter. 前記重量平均分子量の異なる2種類以上のポリエチレングリコール鎖にあって、大きい重量平均分子量を有するポリエチレングリコール鎖が、ポリエチレングリコール鎖全体の20mol%以下10mol%以上含有していることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子標識剤。 The two or more types of polyethylene glycol chains having different weight average molecular weights, wherein the polyethylene glycol chain having a large weight average molecular weight contains 20 mol% or less and 10 mol% or more of the entire polyethylene glycol chain. The semiconductor nanoparticle labeling agent according to any one of 1 to 3 .
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