(57)【要約】【課題】  溶液中に金属ナノ粒子を一次元的に配列させる新しい技術を提供する。【解決手段】  一本鎖のβ−1,3−グルカン（例えばシゾフィラン）を含有する非プロトン性極性溶媒溶液またはアルカリ水溶液と、金属ナノ粒子の水分散液とを混合する。β−1,3−グルカンの疎水性内部空間に金属ナノ粒子が取り込まれていると考えられる一次元鎖状複合体が得られる。金属ナノ粒子として、例えば金ナノ粒子に適用される。非プロトン性極性溶媒の好ましい例は、ジメチルスルホキシドである。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ナノ粒子とβ−1,3−グルカンとから成ることを特徴とする一次元鎖状複合体。
【請求項２】
金属が金であることを特徴とする請求項１の複合体。
【請求項３】
β−1,3−グルカンが、シゾフィラン、スクレログルカンまたはレンチナンから選ばれたものであることを特徴とする請求項１または２の複合体。
【請求項４】
β−1,3−グルカンが側鎖に機能性官能基を有するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの複合体。
【請求項５】
金属ナノ粒子とβ−1,3−グルカンとから成る一次元鎖状複合体を製造する方法であって、一本鎖のβ−1,3−グルカンを含有する非プロトン性極性溶媒溶液またはアルカリ水溶液と、金属ナノ粒子の水分散液とを混合する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
非プロトン性極性溶媒として、ジメチルスルホキシドを用いることを特徴とする請求項５の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノテクノロジーの分野に属し、詳細には一次元に配列した金属ナノ粒子とβ−1,3−グルカンとから成る鎖状複合体、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルオーダー（数〜数十nm程度）の大きさを持つ金属ナノ粒子は、量子効果によりバルク中の金属とは異なったユニークな物理的・化学的性質を示すことが認められている。たとえば、金のナノ粒子は室温でのクーロン閉塞現象、紫外〜近赤外域の光電場との共鳴、生体高分子との相互作用、融点の劇的な低下などの観測がなされている。そのような、興味ある性質を生かした次世代の各種機能材料の開発が進められている。
【非特許文献１】G. Schmid,Chem. Rev., 92, 1709（1992）
【非特許文献２】N. Toshima andT. Yonezawa, New J. Chem., 1179（1998）
【非特許文献３】米澤徹, 戸嶋直樹, 高分子論文集, 52,809（1995）
【非特許文献４】P. Buffat and J. P. Borel, Phys. Rev.A, 13, 2287（1976）
【０００３】
さらに、ナノ粒子を単独ではなく組織化された構造体にすることによって、粒子単独では見られなかった新規な電子的、光学的、磁気的性質などを示すことから、先端的なエレクトロニクスおよび光学分野のナノデバイスへの応用等を期待した、ナノ粒子の組織化の研究が、近年盛んに行われている。
【０００４】
ところが、金属単独のナノ粒子間には特異的な相互作用はあまり存在しないため、自己組織的な集積は困難である。一方、DNAに代表される有機分子あるいは高分子は自身のプログラムに基づいて自己組織的にある種の高次構造を与えるという特徴を持っている。そこで、このような高分子鎖をテンプレートとして金属ナノ粒子を並べることができれば、配列固有の機能を創製することができるものと考えられる。
【０００５】
そして、これまでに金属ナノ粒子の二次元および三次元的な格子状組織化に関してはかなり多くの研究がなされている。しかしながら、一次元的な鎖状構造体への組織化に関する成果は比較的限定されたものが報告されているにすぎない。マイクロエレクトロニクスのデバイスを一層小型化するためには、トンネル効果の利用を期待できる一次元配列化が望まれており、そのための方法論の開発が大きな課題となっている。
【０００６】
テンプレートを用いる方法で金ナノ粒子の一次元配列化を行う例には、陽極酸化アルミナ膜、アモルファス炭素薄膜のステップ、生体高分子などを用いるものが報告されている。しかしながら、これらのテンプレート法では、広範囲にわたる一次元組織体を形成させることは困難である。
【非特許文献５】Hornyak, G.,et al., Chem. Eur. J., 3, 1951（1999）
【非特許文献６】Oku, T., etal., Chem. Commun., 2355（1999）
【非特許文献７】Berven, C. etal., Adv. Mater., 13, 109（2001）
【０００７】
また、溶液中で（人工）DNAを用いて金属イオンを並べることが報告されている。しかしながらこのようなDNAを用いる系では、合成に困難さを伴うことや金属体の複雑な配列を確認することの困難さなど問題点がある。また、これらの系はあくまでも金属イオンの配列であり、無電荷のナノ粒子の配列組織化にはそのままでは応用できない。
【非特許文献８】K.Tanaka,A.Tengeiji, T.Kato, N.Toyama and M.Shionoya, Science, 299, 1212（2003）
【非特許文献９】米澤徹, 尾上慎弥, 国武豊喜, 高分子論文集, 56, 855（1999）
【０００８】
最近公開された特許文献に、極性基を含むアルキルまたは芳香族チオールで保護された、Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn等の金属ナノ粒子、CdS、CdSe、HgS、PbS、Cu2S、In2S3などの金属イオウ化物（金属カルコゲナイド）よりなるナノ粒子（半導体ナノ粒子）、またはFe2O3、Ag2O、TiO2、SiO2などの金属酸化物よりなる無機ナノ粒子の、有機化合物との複合体およびそれらの一次元配列集積構造体の製造方法が示されている。
【特許文献１】特開２００４−９１３２８
【０００９】
また、予備核形成した各種金属のナノ粒子に、放射線への露光による金属イオンの還元で金属原子を生成させ、それによって金属ナノ粒子を一次元、二次元、もしくは三次元的に成長させていく方法が特許出願されている。その方法においては金属ナノ粒子を有機リガンドコーティングで保護されていることが重要で、その有機リガンド物質としては上記特許文献と類似のチオールを含む多官能性化合物が使用されている。
【特許文献２】特表２００４−５３１８７５
【００１０】
さらに、ナノスケールの山谷構造をもつテンプレートの基板を作成しておき、その上に金属ナノ粒子を一次元鎖状に配列させる方法が知られている。この方法は操作的にはかなりの煩雑さを伴うものであるが、アルカンチールで保護した溶液中の金属ナノ粒子を、NaClの特定の構造の単結晶で製作した基板上に展開するものである。
【特許文献３】特開２００４−９８２４６その他にも、脂質組織体上での金属イオンの還元、DNAの相補的水素結合の利用、アルミナポアの一次元的空間の利用などの方法が知られている。
【非特許文献１０】S.L. Burkettand S. Mann, Chem. Commun., 321（1996）
【非特許文献１１】A. P.Alivisatos, et al., Nature, 382, 609（1997）
【非特許文献１２】G. Schmid andL. F. Chi, Adv. Mater., 10, 515（1998）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、溶液中に金属ナノ粒子を一次元的に配列させることができる新しい技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、天然多糖の一種で、免疫賦活剤としても使用されているシゾフィラン（以下、SPGと略記することがある）およびSPGが属するβ−1,3−グルカン類が一次元状のナノ空間を有すること、およびその空間を利用することによってカーボンナノチューや導電性ポリマーおよびそのモノマーなどの各種機能性物質と安定な複合体を形成することを明らかにしてきた。
【非特許文献１３】M.Numata,M.Asai, K.Kaneko, T.Hasegawa, N.Fujita, Y.Kitada, K.Sakurai and S.Shinkai;Chem. Lett., 232 (2004)
【特許文献４】特願２００３−３３９５６９
【特許文献５】特願２００４−１３８２６０
【特許文献６】特願２００４−３２１７５７
【特許文献７】特願２００４−３４９２７７
【００１３】
本発明者は、このたび、このβ−1,3−グルカンの形成するナノ空間を利用することによって、金属のナノ粒子の一次元配列化が可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、金属ナノ粒子とβ−1,3−グルカンとから成ることを特徴とする一次元鎖状複合体とその製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属ナノ粒子は、安全性の高い天然の素材であるβ−1,3−グルカンと複合体化して一次元組織化された水溶液として得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明において用いられるβ−1,3−グルカンとは、よく知られているように、グルコースがβ−(1→3)−グルコシド結合により結合された多糖である。β−1,3−グルカンは、天然に存在する状態では、一般に三重のらせん構造を形成していることが知られている。また、非プロトン性極性溶媒またはアルカリ水溶液の中で一本鎖のランダムコイル状に解離すること、そして、そのランダムコイル状のβ−1,3−グルカンは水中で三重のらせん状に巻き戻ること、さらにその際に一本鎖の核酸などが共存すると、共存物を巻き込みながら、らせん状の複合体を形成することが本発明者らにより発見されている。
【特許文献８】再表２００１−０３４２０７
【００１６】
本発明は、β−1,3−グルカンのこのような特性を利用したものであり、本発明に従えば、予め非プロトン性極性溶媒またはアルカリ性水溶液に溶解させて一本鎖に解離させたβ−1,3−グルカンの溶液と、水に分散させた金属ナノ粒子とを混合し、適当な撹拌処理を行なう。これによって、当該金属ナノ粒子が、β−1,3−グルカンの内部（疎水性内部空間）に取り込まれβ−1,3−グルカンによって包接された一次元鎖状のβ−1,3−グルカン／金属ナノ粒子複合体が形成されることが確認されている（後述の実施例参照）。これは、一本鎖の状態に解離したβ−1,3−グルカンを中性の水中に入れると既述のように、らせん状に巻き戻ろうとするが、この際、ナノ粒子（金属ナノ粒子）が共存すると、そのナノ粒子へのβ−1,3−グルカンの巻き付き・ラッピングが起こり、当該ナノ粒子とβ−1,3−グルカンとの複合体が形成されるためと理解される（図１０の模式図参照）。
【００１７】
なお、β−1,3−グルカンを溶解させる非プロトン性極性溶媒として用いられるのに特に好適な例はジメチルスルホキシド（DMSO）であるが、これに限定されるものではない。また、β−1,3−グルカンを溶解させて一本鎖に解離させる好適なアルカリ水溶液の一例は苛性ソーダ水溶液であるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
また、本発明が適用されるナノ粒子における金属の種類は特に限定されるものではなく、金、銀、白金、銅、およびこれらの合金よりなる貴金属や、鉄、ニッケル、コバルトなどの磁性金属などが挙げられるが、好適な例は金である。これらの金属のナノ粒子は気相、液相、固相における各種の方法により製造されるが、たとえば金の場合、水媒体中で塩化金酸（HAuCl4）の化学還元により得られる直径数nm程度の粒子などは好適に使用することができる。
【００１９】
本発明で使用するβ−1,3−グルカンには多くの種類のものが知られており、そのいずれもナノ粒子の一次元組織化に効果を示すが、中でも、シゾフィラン、レンチナンまたはスクレログルカンのような天然に産出するもので、６位の炭素にグルコース置換基を30％程度以上有するものは、水に良く溶けて取り扱いやすいため、好適に使用される。さらには、これらのグルカンの側鎖の一部が適当な官能基で修飾されたものを用いることにより、その官能基に対応した機能を、複合体中の金属ナノ粒子に付与することも可能である。
【００２０】
生成する金属ナノ粒子とβ−1,3−グルカンの複合体は、通常、水に安定に分散・溶解している。なお、必要に応じて、この複合体にレーザー光を照射することなどによりナノ粒子を融着させ、ナノロッドやナノファイバーにすることが可能である。
以下、金属ナノ粒子として金ナノ粒子を使った実施例に沿って本発明の詳細を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
β−1,3−グルカンの調製（シゾフィランを例として）  三重らせん構造のシゾフィランを文献記載の定法に従って製造した。すなわち、ATCC（American Type Culture Collection）から入手したSchizophyllum commune. Fries（ATCC 44200)を、最小培地を用いて7日間静置培養した後、細胞成分および不溶残渣を遠心分離して得られた上清を超音波処理して分子量45万の三重らせんシゾフィランを得た。
【非特許文献１４】Gregory G.Martin, Michael F. Richardson, Gordon C. Cannon and Charles L. McCormick, Am.Chem. Soc. Poly. Prep., 38, 253（1997）
【非特許文献１５】Kengo Tabata,Wataru Ito, Takemasa Kojima, Shozo Kawabata and Akira Misaki, CarbohydrateRes., 89, 121（1981）
【実施例２】
【００２２】
Au-SPG複合体の調製  実施例１で調製した三重らせんシゾフィラン（SPG）のDMSO溶液50μl（0.5g/dl）に、粒子径約5nmの金（Au）粒子を水に5×1013個／ml分散させた液250μlを加え、軽く撹拌した（溶液の水／DMSO容量比；83／17）。次に、得られた溶液を遠心分離（9000rpm、60min）にかけ、Au−SPG複合体を沈殿物として回収した。この複合体に蒸留水250μlを加え再び均一に分散させた。この遠心分離操作を3回繰り返すことにより、溶媒を水へと置換するとともに未反応のSPGを上澄みとして完全に除去した。なお、用いた金粒子は塩化金酸（HAuCl4）をクエン酸ナトリウムで還元して調製されたもので、水分散液としてBBInternationalより購入したものである。
【実施例３】
【００２３】
UV−VISスペクトルによる複合体生成の評価  Au粒子が凝集すると紫外−可視（UV−VIS）スペクトルがブロード化することが知られている。
【非特許文献１６】M.Brust,D.Bethell, C.J.Kiely and D. J. Schiffrin, Langmuir, 14, 5425（1998）
【００２４】
Au粒子とSPGが複合体を形成することにより、Au粒子の凝集状態がどのように変化するかを調べるため、Au−SPG複合体のUV−VISスペクトル測定を行った。また、参考としてAu粒子の水分散液のみと遠心分離後の上澄み溶液のUV−VISスペクトル測定も行った。粒系5nm程度のAu粒子は520nm付近に特徴的なプラズモンピークを与えることが知られている。測定の結果を図１に示したが、遠心分離後の上澄み溶液にはAu粒子由来のピークが確認でき、複合化しなかったAuのみが含まれていることが分かった。一方、Au−SPG複合体のスペクトルはAuのみに比べてブロードとなり、Au粒子がSPGと相互作用していることが明らかである。
【実施例４】
【００２５】
AFMによるAu−SPG複合体の観察  上記実施例２で調製したAu−SPG複合体の原子間力顕微鏡（AFM）観察を行った。SPGのみの場合のイメージ（図２（1））と異なり、Au−SPG複合体の場合は幅が約6〜7nmの鎖状に繋がった構造体（図２（2））が確認できた。
【実施例５】
【００２６】
TEMによるAu−SPG複合体の観察  次に、Au−SPG水溶液をグリッド上に滴下し、未染色で透過型電子顕微鏡（TEM）による観察を行った（加速電圧：120kV）。Au粒子のみの場合は粒子がグリッド上に均一に分散しているが（図３(1））、Au−SPG複合体の場合はAu粒子が一次元的に並んでいることが確認できた（図３(2)）。このことは、SPGがAu粒子を一次元に並べる作用をしていることを示している。
【実施例６】
【００２７】
ナノプローブ顕微鏡によるAu−SPG複合体の元素マッピング（EDX）  SPGの疎水場である内部にAu粒子が並んでいる直接的な証拠を得るために、ナノプローブ顕微鏡によってAu−SPG複合体の観察を行った。ナノプローブ顕微鏡では電子線を試料に照射し、発生する特性X線を検出することにより通常の電子顕微鏡では行えないEDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)測定が行なえる。さらにこのEDX像を基に、二次元像を作成することにより元素のマッピングが可能となる。このナノプローブ顕微鏡を用いて、Au粒子の周りでSPGに由来する原子（すなわち、酸素（O））が観察されればSPGの疎水場である内部にAu粒子が存在することを直接的な証拠になると考えられる。そこで、図４(1)に示したように、Au−SPG複合体が一次元に並んでいる領域についてEDX測定を行った。得られた図４(1)のスペクトルは、図４(2)の線に沿った元素分布を示しているが、その結果から、期待通りに、Au粒子周りに酸素元素が確認され、SPGがAuを被覆していることが確認された。その結果、SPGの疎水場であるSPG内部にAuナノ粒子が明らかに存在し、Au粒子がSPGで被覆されていることが分かる。すなわち、SPGがAuナノ粒子を一次元的に配列させていることを示すものである。
【００２８】
続いて、観察されたAu−SPG複合体の元素マッピングを行った。その結果、図５に示すように白色のAuの周りに灰色の酸素が被覆していることが観察された。
このことからも、Auの周りにSPGが巻き付いていることが明らかである。
【００２９】
比較例１
アミロースおよび三重らせんシゾフィランの使用例  上述した結果がランダムコイル状のβ−1,3−グルカン（SPG等）に固有のものかどうかを確認するために非β−1,3−グルカンのアミロース（Amylose）とβ−1,3−グルカンに属するが三重らせん構造のSPGを用い、同様の実験を行った。まず、Au−Amylose複合体調製の試みは、Tokyo Kasei Kogyoより購入した分子量1.5万のAmyloseを、実施例２と同じ方法で一本鎖のSPGとAu粒子とを接触させ、得られた生成物のTEM観察を行った結果は図６に示したように、Au粒子が配列しているイメージは得られなかった。また、同様に行った、三重らせんのSPG（t−SPG）とAuの相互作用の結果も、図７に示したようにランダムなAu粒子のイメージが得られただけで、一次元配列の気配は認められなかった。
【実施例７】
【００３０】
ローダミン修飾SPGと金の複合体形成  ローダミン（Rhodamine）に代表される有機系色素はAu粒子によってその蛍光が消光されることがよく知られている。
【非特許文献１７】D.J.Maxwell,J.R.Taylor and S.Nie, J.Am.Chem.Soc., 124, 9606（2002）
【００３１】
そこで、RhodamineをSPGの側鎖に修飾したRhod／SPG（図８）を用いてAu−Rhod／SPG複合体を形成させれば、RhodamineからAuにエネルギー移動が起こり、SPGがAu粒子近傍に存在していることを蛍光スペクトルにより読み出すことができると期待される。複合体のサンプルの調製はAu-SPG複合体の調製方法と同様に行った。蛍光測定の結果を図９に示す。Rhodamineを励起する（λex＝450 nm）とAuにエネルギー移動が起き、Rhodamineに由来する蛍光スペクトルが完全に消光することが明らかになった。この結果から、Au上にRhodamineで修飾されたSPGの近傍にAu粒子が存在していることが強く示唆された。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明により、ナノテクノロジー分野での新規素材として期待されている、各種金属のナノ粒子一次元組織体を、β−1,3−グルカンとの複合体として形成させることができる。本発明の金属ナノ粒子／β−1,3−グルカン複合体は水溶性であり、各種用途に好適に利用することができる。また、官能基で修飾されたβ−1,3−グルカンを使用すれば、その官能基に対応する機能を金属ナノ粒子に付与することが可能となる。さらには、複合体中の金属ナノ粒子を熱的に融合することにより、金属ナノワイヤーまたはナノロッドに変換する可能性も拓いている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に従うAu−SPG複合体のUV-VISスペクトル（実施例３）。
【図２】本発明に従うAu−SPG複合体の原子間力顕微鏡（AFM）観察図（実施例４）。
【図３】本発明に従うAu−SPG複合体の透過型電子顕微鏡（TEM）観察図（実施例５）。
【図４】本発明に従うAu−SPG複合体のナノプローブ顕微鏡観察領域および線図（実施例６）。
【図５】本発明に従うAu−SPG複合体の元素マッピング図（実施例６）。
【図６】比較のために示すAu−Amylose混合物のTEM観察図（比較例１）。
【図７】比較のために示すt−SPGとAuの混合物のTEM観察図（比較例１）。
【図８】本発明に従うRhodamine修飾SPGの合成スキーム（実施例７）。
【図９】本発明に従うAu−Rhod/SPG複合体の蛍光測定の結果（実施例７）。
【図１０】本発明に従うAu−SPG複合体の生成模式図。
【図１】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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