(57)【要約】【課題】炭素クラスター内にＤＮＡを内包させることができるＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置を提供する。【解決手段】ＤＮＡ含有溶液を貯留した容器と、該ＤＮＡ含有溶液中で対向配置した一対の電圧印加用電極と、電圧印加用電源とを備え、該一対の電極の一つが開口炭素クラスターを表面に有する電極であることを特徴とするＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡ含有溶液を貯留した容器と、該ＤＮＡ含有溶液中で対向配置した一対の電圧印加用電極と、電圧印加用電源とを備え、該一対の電極の一つが開口炭素クラスターを表面に有する電極であることを特徴とするＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置。
【請求項２】
前記のＤＮＡを含有させる溶液が、超純水、純水あるいは蒸留水である請求項１に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【請求項３】
前記一対の電圧印加用電極の素材がアルミニウムである請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【請求項４】
前記一対の電圧印加用電極の素材がシリコンである請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【請求項５】
前記一対の電圧印加用電極の素材が高配向性グラファイト（HOPG: Highly Oriented Pyrolytic Graphite）である請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【請求項６】
開口炭素クラスターを表面に有する電極を、該表面を他の電極に対向させてＤＮＡ含有溶液中に配置し、該電極間に電圧を印加することを特徴とするＤＮＡ内包炭素クラスターの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置により製造されたＤＮＡ内包炭素クラスター。
【請求項８】
請求項６に記載の製造方法により製造されたＤＮＡ内包炭素クラスター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラーレンやカーボンナノチューブといった炭素クラスターにＤＮＡを内包したＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置、ＤＮＡ内包炭素クラスターの製造方法、及びそれらによって製造されたＤＮＡ内包炭素クラスターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−３００７１３号公報
【特許文献２】特開平１０−３２４５１３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９９４１７号公報
【非特許文献１】T. Shimada et al., Transport properties of C78, C90 and Dy@C82 fullerenes-nanopeapods by field effect transistors, Physica E, Vol.21(2004), pp.1089-1092
【非特許文献２】M. Ueda et al, Atomic force Microscopy Observation of Deoxyribonucleic Acid Stretched and Anchored onto Aluminum Electrodes, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38(1999), pp. 2118-2119
【０００３】
近年、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、バッキーオニオンといった炭素クラスターが注目され、これらの製造装置や製造方法も注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、これらの炭素クラスターの中空領域に金属原子等を挿入し、新機能材料の有用性を検証する研究も精力的に行われている（例えば、特許文献２、特許文献３、非特許文献１参照）。
【０００５】
一方、ＤＮＡは立体構造の発見から５０数年が経過して、遺伝子組み換え技術への応用だけでなく、ＤＮＡ鑑定、機能性電子デバイスへの応用等といった新たな利用技術分野で実用化が急速に進んでいる。
【０００６】
ＤＮＡを電気泳動法を用いてアルミニウム電極上に吸着させる試みがなされている（例えば、非特許文献２参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＤＮＡは５種類の元素（Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｐ）からなる二重らせん構造をとり、熱やいろいろな薬品によって容易に構造が破壊されたり分解されたりしてその機能を失ってしまう。物質として見た場合、ＤＮＡは極めて壊れ易いと言える。このように、ＤＮＡは外部環境に非常に影響を受け易く、その取り扱いに相当の注意が必要である。
【０００８】
これに対し、炭素クラスター、特にカーボンナノチューブは、中空構造にも関わらず機械的強度が高く、ＤＮＡと比べて耐薬品性がある等の良好な保護容器としての構造を備えているうえに、ＤＮＡとほぼ同じかそれより大きいサイズのものを製造できる。
【０００９】
従って、ＤＮＡをカーボンナノチューブの中空領域に収容することができれば、カーボンナノチューブの保護容器としての機能を使って、ＤＮＡが外部環境に影響を受け易いという弱点を改善することができ、ＤＮＡの新たな利用分野が期待できる。
【００１０】
本発明は、ＤＮＡを内包するＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置、ＤＮＡ内包炭素クラスターの製造方法、及びこれらにより製造されたＤＮＡ内包炭素クラスターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＤＮＡ含有溶液を貯留した容器と、前記ＤＮＡ含有溶液中で対向配置した一対の電圧印加用電極と、電圧印加用電源とを備え、前記一対の電極の一つの表面に開口炭素クラスターを付着させていることを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【００１２】
請求項１に記載のＤＮＡを含有する溶液が、超純水、純水あるいは蒸留水であることを特徴とする請求項２に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【００１３】
請求項１あるいは請求項２に記載の一対の電圧印加用電極の素材がアルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【００１４】
請求項１あるいは請求項２に記載の一対の電圧印加用電極の素材がシリコンであることを特徴とする請求項４に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【００１５】
請求項１あるいは請求項２に記載の一対の電圧印加用電極の素材が高配向性グラファイトであることを特徴とする請求項５に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置。
【００１６】
請求項６に記載の、開口炭素クラスターを表面に有する電極を、該表面を他の電極に対向させてＤＮＡ含有溶液中に配置し、該電極間に電圧を印加することを特徴とするＤＮＡ内包炭素クラスターの製造方法。
【００１７】
請求項７に記載の、請求項１乃至請求項５に記載のＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置により製造されたＤＮＡ内包炭素クラスター。
【００１８】
請求項６に記載の製造方法により製造されたＤＮＡ内包炭素クラスターを特徴とする請求項８に記載のＤＮＡ内包炭素クラスター。
【発明の効果】
【００１９】
請求項1の発明によれば、簡便な装置を使用して、効率良く、炭素クラスター内にＤＮＡを内包させることができ、炭素クラスターの保護容器としての機能を利用した耐環境性能を有すＤＮＡが得られ、これまで、外部環境によって影響を受けて裸のＤＮＡが適用できなかった医薬、医療分野への応用が可能になる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、ＤＮＡを電気泳動させる溶媒として、比較的容易に入手できる材料を用いることができるので、ＤＮＡ内包炭素クラスターの製造コスト低減が期待される。
【００２１】
請求項３の発明によれば、ＤＮＡが電気泳動でアルミニウムに吸着しやすい性質を利用して、容器外部から電極部にレーザー光を入射させて透過量をモニターすることにより、電極部へのＤＮＡの吸着量（炭素クラスター内に内包されるＤＮＡ量と相関関係がある）を計測でき、請求項１、２の効果の他に、ＤＮＡ内包炭素クラスターの生産管理効率を向上できる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、シリコンは半導体製造プロセスとの整合性が高いので、ＤＮＡ内包炭素クラスターを材料とした半導体素子が実現でき、新しい応用分野が期待できる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、高配向性グラファイトはシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）との相互作用が強いので、高配向性グラファイト基板上にＳＷＣＮＴを高密度に付着でき、ＤＮＡ内包炭素クラスターの製造効率を高めることができる。
【００２４】
請求項６、７、８の発明により、耐環境性能を有すＤＮＡを経済的に量産でき、ＤＮＡの医薬、医療分野への応用範囲を広めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のＤＮＡ内包炭素クラスターの製造装置を図面に基づいて説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例によって限定されるものではない。
図１は、本発明のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置の構成図である。
【００２６】
図１において、１はガラス容器、２はガラス容器に貯留されたＤＮＡ含有溶液である。ＤＮＡ含有溶液２は、ＤＮＡを好ましくはＤＮＡ濃度50μｇ／mlの割合で純水若しくは蒸留水に溶解して準備する。ＤＮＡ含有溶液として純水あるいは蒸留水を選んだのは、比較的簡易に入手でき、ＤＮＡ以外の不純物の混入防止とその不純物によるイオン性リーク電流の防止が容易であるためである。半導体製造ラインで用いられる超純水を用いても良い。一対のアルミニウム電極３、４はガラス容器１中に１ｍｍ間隔で対向配置した。陽極４には後述の方法を用いて両端を開口したＳＷＣＮＴ５を付着してある。
【００２７】
ＳＷＣＮＴ５を付着させる電極材料としてアルミニウムを選んだのは、高純度の素材を比較的安価で容易に入手できることと、ＤＮＡが電気泳動でアルミニウムに吸着し易く、ＤＮＡの吸着量を外部からモニターできるためである。
【００２８】
以下に述べる実験では、両端を開口したＳＷＣＮＴとして、非特許文献１に記載されている公知技術を使用して東北大学学内で試作した試料を使用した。市販のＳＷＣＮＴを用いても、非特許文献１に記載されている熱処理技術により、両端を開口したＳＷＣＮＴ試料が得られる。
【００２９】
両端を開口したＳＷＣＮＴ粉末をメタノール溶液中に分散させて超音波処理を施し、この懸濁液の小滴をアルミニウム電極表面に滴下乾燥させ、開口ＳＷＣＮＴの付着した陽極４を準備する。
【００３０】
一重らせんＤＮＡ試料として、アデニン基が１５個連鎖している全長５nm程度の市販品を用いた。
【００３１】
図１のＤＮＡ含有溶液２中で、アルミニウム電極対３、４間に直流安定化電源を用いて直流電圧を印加した。ＤＮＡは溶液中で負に帯電することが知られている。図２に原理図を示すように、溶液中のＤＮＡは電気泳動して陽極に引き寄せられ、両端が開口されたＳＷＣＮＴの開口部に達してＳＷＣＮＴ内部に入り込む。こうしてＤＮＡをＳＷＣＮＴに内包させる。
【００３２】
ＤＮＡを内包したＳＷＣＮＴ５１の両端が開放したままであると、保護容器としての完全な機能を具備させることが困難である場合がある。このときは、必要に応じて、図３に原理図を示すように、ＤＮＡ内包ＳＷＣＮＴ５１の開放端をフラーレン７で閉口すると良い。図２で説明したＤＮＡ内包処理の後で、ＤＮＡ含有溶液にフラーレンを溶解させて、電極間に電圧を印加すればＤＮＡ内包ＳＷＣＮＴ５１の開放端をフラーレン７で閉口できる。
【００３３】
本発明で、両端を開口したＳＷＣＮＴ５にＤＮＡが内包されたかは、以下の実験データーで確認した。
【００３４】
まず、このＤＮＡ含有溶液の光吸収特性を測定したのが図４である。このＤＮＡは波長２６０nm付近に固有の光吸収特性を示す。上記ＤＮＡ含有溶液中で対向させた電極間に室温で電圧ＶＤを印加して、溶液に入射させた試験光の波長２５６nmにおける吸光度ピークの印加電圧、印加時間依存性を測定した結果を図５に示す。縦軸が吸光度（初期値を１に規格化している）で、横軸が電圧印加時間（分）である。電極間に電圧を印加することにより、時間とともに波長２５６nmの透過光の光吸収量が減ることから、ＤＮＡ含有溶液中のＤＮＡが陽極に引き寄せられて、ＤＮＡ含有溶液中のＤＮＡ濃度が減少していることが分かる。
【００３５】
印加電圧ＶＤ＝１０Ｖで１０分間通電した後、陽極に付着させたＳＷＣＮＴの一部を剥がして透過型電子顕微鏡で撮影した。電子顕微鏡写真を図６に示す。図６のＡ点に示すように、ＳＷＣＮＴの中にＤＮＡが入っている。電子顕微鏡写真の添付を省略するが、印加電圧ＶＤ＝５Ｖで１０分間通電後のＳＷＣＮＴの一部からも同様にＤＮＡ内包が観測された。
【００３６】
電極３、４間に直流電圧を印加通電した後で、陽極に付着しているＳＷＣＮＴのラマン分光分析を実施した。結果を図７に示す。ラマンシフト１２０cm-1と１３５cm-1に二つのピークが確認でき、これらはそれぞれ直径の異なるカーボンナノチューブ由来のピークである。印加電圧ＶＤが増加するにつれてラマンシフト１３５cm-1のピーク強度のみが減少していることから、ラマンシフト１３５cm-1に対応する直径約１．８nmのカーボンナノチューブへのＤＮＡの内包率が増加していると解釈できる。この図７のＡ点のピーク変化がＤＮＡ内包を証拠立ている。
【００３７】
対向電極間隔を精密に制御して数10μmにすれば、印加電圧ＶＤ＝１Ｖ以下で開口したＳＷＣＮＴ５にＤＮＡを内包できる。また、図８に示すように、対向電極間に周波数５００ＫＨｚから１ＭＨｚ程度の高周波電圧を重畳して印加すれば、非特許文献２で観測されているように、高周波電界により、糸玉状のＤＮＡが直線状に引き伸ばされる効果が期待できるので、直線状の開口したＳＷＣＮＴ５にＤＮＡが入りやすくなる。
【００３８】
上の実施例では、ＤＮＡ含有溶液中で対向配置する電極としてアルミニウム板の例を記述したが、耐薬品性に優れ、半導体製造プロセスと整合性の良いシリコン結晶板、ＳＷＣＮＴ５と相互作用の強い高配向性グラファイト（HOPG: Highly Oriented Pyrolytic Graphite）もＤＮＡ内包ＳＷＣＮＴの製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置の構成図である。
【図２】炭素クラスターにＤＮＡが内包される原理を示す概念図である。
【図３】ＤＮＡ内包炭素クラスターの開口端を閉口する概念図である。
【図４】アデニン基が１５個連鎖した一重らせんＤＮＡ含有溶液の光吸収特性である。
【図５】アデニン基が１５個連鎖した一重らせんＤＮＡ含有溶液に入射した試験光の波長２５６nmにおける吸光度ピーク値の印加電圧、印加時間依存性を測定した結果である。
【図６】通電により開口ＳＷＣＮＴの中にＤＮＡが入った透過型電子顕微鏡写真である。
【図７】ＤＮＡ内包ＳＷＣＮＴのラマン分光分析結果である。
【図８】他の実施例である、交流電圧を重畳して印加するＤＮＡ内包炭素クラスター製造装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１……ガラス容器
２……ＤＮＡ含有溶液
３……アルミニウム電極（負極）
４……両端を開口したシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）を付着したアルミニウム電極（陽極）
５……両端を開口したＳＷＣＮＴ
６……ＤＮＡ
７……フラーレン
８……直流安定化電源
９……高周波電源
５１…ＤＮＡ内包ＳＷＣＮＴ
【図１】
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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８】
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