(57)【要約】【課題】本発明は、透明高分子マトリクス中に金属微粒子を凝集させることなく、任意の微粒子密度で、任意の形状を有する高分子−金属微粒子複合体を簡便に製造することができる高分子−金属微粒子複合体の製造方法を提供することを主目的とするものである。【解決手段】窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子と、窒素と相互作用する透明高分子からなる金属微粒子−高分子複合体溶液、及び窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子における、窒素を含有する高分子が、ポリエチレンイミンであることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体溶液。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子中に金属微粒子が分散しており、金属微粒子の平均粒径が５ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする金属微粒子−高分子複合体。
【請求項２】
金属微粒子が含窒素高分子と接触していることを特徴とする請求項１に記載の金属微粒子−高分子複合体。
【請求項３】
高分子が、アクリル酸と疎水性ビニルモノマーとの共重合体であり、かつ該疎水性ビニルモノマーの高分子が透明性であることを特徴とする、請求項１に記載の金属微粒子−高分子複合体。
【請求項４】
窒素を含有する高分子が、ポリエチレンイミンであることを特徴とする、請求項２に記載の金属微粒子−高分子複合体。
【請求項５】
疎水性透明高分子が、ポリスチレン、もしくはポリメタクリル酸メチルであることを特徴とする、請求項３に記載の金属微粒子−高分子複合体。
【請求項６】
請求項１に記載の金属微粒子−高分子複合体のうち、該金属微粒子が金、銀または金および銀のナノ粒子であることを特徴とする金属微粒子−高分子複合体。
【請求項７】
含窒素高分子で保護された金属微粒子溶液と、アクリル酸含有高分子溶液とを溶液状態で混合することを特徴とする請求項１に記載の金属微粒子―高分子複合体の製造方法。
【請求項８】
アクリル酸含有高分子溶液の溶媒としてドナー数が２５以上である溶媒を使用することを特徴とする請求項７に記載の金属微粒子―高分子複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサ等、環境応答デバイスに使用可能である金属微粒子−高分子複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年医療における診断や食物の検査等において、小型で高速のセンシングが可能であり、低コストなバイオセンサの需要がますます増大しており、開発が求められている。このため、電極やＦＥＴを用いた電気化学的な手法を利用したバイオセンサが半導体加工技術を応用し、作製されてきた。
【０００３】
しかしながら、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められている。たとえば、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。この表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）によるバイオセンサは、特に蛋白質に代表される生体物質相互作用を、色素などの化学修飾が不要、かつ、相互作用の動的挙動を精度良くリアルタイムに測定できる技術として注目を浴びている。
【０００４】
表面プラズモンとは、量子力学の言葉で、金属中の自由電子によるプラズマ波の中で金属の表面に局在するもののことである。この表面プラズモンは、プラズマ波と電磁波の混成状態であり、波数は、金属の種類、金属表面近傍の屈折率等によって定まる。通常、金属表面上の表面プラズモンは、空間中を伝播する光とは共鳴しない。しかしながら、特定の入射角で、光を金属薄膜に入射し全反射を行った場合、金属薄膜上の表面プラズモンと共鳴条件を満たすため、反射光が減衰する。金属表面付近の屈折率が変化すると、表面プラズモンの波数も変化するため、入射光がプラズモン共鳴を示す条件、たとえば、入射角や入射光波長なども変化する。この原理を用いた、全反射減衰型ＳＰＲセンサが提案されている。
【０００５】
蛋白質の抗原検出センサとして、Ｋｒｅｔｓｃｈｅｍａｎｎ配置を持つ、全反射減衰型ＳＰＲセンサが、実用化されている（例えば、ファルマシア社製  ＢＩＡｃｏｒｅ）。Ｋｒｅｔｓｈｍａｎｎ配置とは、全反射型プリズム表面に金属薄膜を設け、測定媒体と接触させる配置である。このセンサにおいては金薄膜表面に有機薄膜が担持されており、その有機薄膜中に抗体が固定されている。固定された抗体と被検物中の抗原とが選択的に結合することにより有機薄膜の屈折率変化が生じるため、プラズモン共鳴条件が変化する。これをプラズモン共鳴角度の変化、吸収スペクトルの変化、反射強度の変化などを測定することにより検出する。
【０００６】
このようにＳＰＲセンサを用いることにより、金属表面に担持された抗体への抗原の吸着といった微少量の物質の吸着を検出することが可能である。しかし、ＳＰＲ現象の条件として、金属薄膜への光の入射角が重要な要因を占めるため、一般に全反射減衰型ＳＰＲセンサはプリズムを構成要素として必要とした複雑な装置となり、大きい設置場所を必要とする。また、全反射減衰型ＳＰＲセンサにより精度の高い検出結果を得るためには、センサ・ユニットにおいて試料に接触する金属膜を形成するプリズムの一面を、平滑な平坦面に形成する必要があり、このため曲面形状の試料に対してはセンサを構築することができない。また、金属薄膜の形成には、通常蒸着法が用いられるが、簡便な方法ではなく、また形成可能個所が限定される。
【０００７】
最近、金属微粒子を用いた局在プラズモン共鳴センサが提案されている。局在プラズモン共鳴（ＬＰＲ）とは、誘電体微粒子表面のプラズモンと、光とが共鳴することである。貴金属の微粒子であれば、可視光の共鳴を起こすため、透過光が着色する。たとえば、粒径２０ｎｍの金ナノ粒子であれば、５２０ｎｍの吸収を示し、赤色に着色する。ＬＰＲセンサもＳＰＲセンサと同様に、金属表面近傍の屈折率変化によって吸収波長、吸光度等が変化する。したがって、屈折率変化の検出による微小物質の検出が可能である。非特許文献１に、ＳＰＲセンサと比較してＬＰＲセンサが有している特性が挙げられている。まず、応答が速いこと、測定面が小さくできること、ならびに、ＬＰＲ測定と表面増強ラマン散乱による観測を同時に行うことのできる能力を有していることである。
【０００８】
金属粒子によるＬＰＲ吸収は、金属粒子の種類と粒径により決定される。ところが、金属微粒子、特にナノ粒子においては、単独で放置した場合には凝集により粒子成長を起こし、粒径が大きくなる事が知られている。したがって、通常は高分子もしくは強く配位する分子などを保護剤として金属微粒子の安定化が図られている。保護剤として多く用いられている物質として以下のものが挙げられる。高分子では、水溶性の高分子であるポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸等が挙げられる。強く配位する分子としてはＳ−Ｈ結合を含む分子が挙げられる。しかし、研究の多くは、水溶液中での金属コロイドの安定化に主眼を置いて行われており、バイオセンサとして要求される、固体表面に固定化した上での、水溶液中での安定性に関しては、報告例が少ない。
【０００９】
このため、金属微粒子を高分子中に分散させる方法が色々と提案されている。例えば、特許文献１には、重合可能なモノマーを非水溶媒で希釈溶液とし金属をコロイド化して、これを重合し、金属コロイドを含むポリマーを単離する方法が提案されている。また特許文献２には、プラスチックパウダー上に金属を蒸着し、このパウダーに添加剤、可塑剤を混合する方法が開示されている。
【００１０】
また、特許文献３には、液状モノマーに金、銀又はパラジウムの化合物を溶解し、重合後、加熱する方法、非特許文献１に重合体と金又は銀の化合物を有機溶剤中に溶解したのち乾固し加熱する方法、非特許文献２に重合体表面に、金、銀又は銅を蒸着させたのち、加熱処理する方法などが提案されている。
【００１１】
それ以外にも、特許文献４には、ガラス状態にある高分子化合物に重金属を昇華性又は揮発性金属化合物の蒸気を接触させる方法がある。特許文献５には、高分子物質からなる高分子含有層に上記高分子物質を膨潤させることができる溶媒に微粒子が分散した微粒子分散液と上記高分子含有層とを接触させる方法などが提案されている。
【００１２】
また樹脂成型物を作製する際の溶融混練工程等の工程において直接に金属超微粒子粉体を添加すると金属超微粒子が凝集してしまい、金属超微粒子を均一に分散させることができない。ところが成型時の原料である高分子中で直接金属超微粒子を作製すると均一な分散状態を実現できることが見いだされている。
【００１３】
特許文献６では、金属錯体をモノマーに溶解し、これを重合・固化させた後、加熱還元をする方法により金属微粒子／高分子複合体を得ている。ところが、この方法では、樹脂に対する金属微粒子の体積分率は０．０１％以下であり、金属の添加量が少なく、しかも決定的な問題点としては、重合系内において金属錯体を分散させているため、加熱条件、重合熱等により、高分子中に分散している金属錯体が凝集し易い。更に高温で金属錯体を還元させるため、金属錯体が凝集し易く、金属粒子を析出させると、粒子径が数十ｎｍ以上のサイズの金属粒子も多数析出してしまう。
【００１４】
特許文献７に提案されているＬＰＲセンサは、金属微粒子を固定した基板に光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出するものである。金属粒子としては、可視光においてＬＰＲ吸収を示す金粒子および銀粒子が主に用いられている。この提案においては、任意の形状を持つ基板に対しての金属微粒子の固定が可能である。しかし、基板表面に、金属粒子と相互作用を行う官能基を形成する必要があるため、基板の材質に制限がある。また、金属微粒子層形成後に基板の形状を加工することは、困難である。
【００１５】
【特許文献１】特開平１―１６８７６２号公報
【特許文献２】米国特許第２，９４７，６４６号明細書
【特許文献３】特公平５−４７５８７号公報
【特許文献４】特許３０６２７４８号
【特許文献５】特開２００１−１９１０２５号公報
【特許文献６】特公平８−１６１７７号公報
【特許文献７】特許３４５２８３７号
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，３３号，Ｌ３３１頁（１９９４年）
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，１０号，４７７頁（１９９１年）
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１２３号、１４７１頁（２００１年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、透明性高分子マトリクス中に金属微粒子を凝集させることなく、任意の微粒子密度で、任意の形状を有する高分子−金属微粒子複合体を簡便に製造することができる高分子−金属微粒子複合体の製造方法を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子と、窒素と相互作用する透明性高分子からなる金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００１８】
透明性高分子が、ポリアクリル酸共重合体であることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００１９】
また、本発明は、該透明性高分子が、アクリル酸と疎水性ビニルモノマーとの共重合体であり、かつ該疎水性ビニルモノマーの高分子が透明性であることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００２０】
窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子における、窒素を含有する高分子が、ポリエチレンイミンであることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００２１】
ポリアクリル酸と疎水性透明高分子との共重合体高分子における、疎水性透明高分子が、ポリスチレン、もしくはポリメタクリル酸メチルであることを特徴とする、上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００２２】
金属微粒子−高分子複合体における、金属微粒子が金、銀または金と銀との合金のナノ粒子であることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００２３】
金属微粒子−高分子複合体が、金属微粒子により着色していることを特徴とする上記の金属微粒子−高分子複合体に関する。
【００２４】
上記の金属微粒子−高分子複合体を用いることを特徴とする、媒体の屈折率変化の検出方法に関する。
【００２５】
上記の金属微粒子−高分子複合体を用いることを特徴とする、金属微粒子の吸光度変化をトランスジューサとした媒体の屈折率変化の検出方法に関する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の金属微粒子−高分子複合体溶液は、常温常圧で安定に存在させることができ、空気中で放置した場合でも高分子の凝集を起こさない。この金属微粒子―高分子複合体溶液により作製した金属微粒子―高分子複合体は、水中で安定に存在させることができる。また、作製法は非常に簡便であり、安価に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明において、上記目的を実現するため、透明高分子中に金属微粒子が取り込まれた構造の金属微粒子―高分子金属微粒子を、以下の手順で作製する。窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子を作製する。次に高分子により安定化された金属微粒子を、ポリアクリル酸と疎水性を示す透明高分子との共重合体とを混合する。その結果、透明高分子中に金属微粒子が取り込まれた構造の金属微粒子―高分子複合体が形成される。
【００２８】
また、本発明は、金属粒子−高分子複合体中の金属微粒子表面近傍、例えば、金属微粒子の直径程度の距離までにある媒質の屈折率を検出する事を可能にしている。したがって、液体内に配置した場合には、当該液体の屈折率を測定することもできる。
【００２９】
金や銀などの金属微粒子に光を入射すると、局在プラズモン共鳴により、ある波長において散乱光や吸収が増大する。この散乱および吸収を行う共鳴波長は周りの媒質の屈折率に依存する。金属微粒子周辺の媒質の屈折率が大きくなるに従って、共鳴ピークの吸光度は大きくなり、長波長側へシフトするようになる。したがって、金属微粒子の吸光度変化をトランスジューサとして媒体の屈折率変化を検出することが可能である。
【００３０】
本発明で用いられる金属微粒子−高分子複合体において、金属微粒子を安定化させる作用のある高分子として、含窒素高分子から構成されることが好ましい。
【００３１】
また、相互作用を行う高分子として、アクリル酸と、疎水性高分子の共重合体から構成されることが好ましい。
【００３２】
金属微粒子を安定化させる作用のある含窒素高分子の具体例としては、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルピリジン、ポリアニリン等が挙げられる。
【００３３】
疎水性を示す透明高分子の具体例としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸プロピル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル等が挙げられる。
【００３４】
窒素を含有する高分子により安定化された金属微粒子の作製方法としては、クエン酸、タンニン酸などの低分子と接触した金属コロイドの保護基を変換する方法がある。さらに、窒素を含有する高分子存在下で金属含有イオンを水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いて還元して金属粒子を作製する方法や窒素を含有する高分子存在下で金属含有イオンを高分子の還元力により還元する方法等もある。
【００３５】
本発明で用いられる溶媒としては、ドナー数２５以上となる有機溶媒が望ましい。具体的には、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（２６．６）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（２７．８）、ジメチルスルホオキシド（２９．８）、ピリジン（３３．１）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（２７．３）、エチレンジアミン（５５）、ピペリジン（５１）等が挙げられる。
【００３６】
ドナー数とは、溶媒分子がルイス塩基として作用する際の電子対供与性を表す尺度の一つである。１，２−ジクロロエタン中で１０−３ｍｏｌ／ｌのＳｂＣｌ５と、溶媒分子とが反応する際のエンタルピーをｋｃａｌ／ｍｏｌ単位で表したときの絶対値である。
【００３７】
本発明で用いられる金属微粒子−高分子複合体において、金属微粒子の金属としては、可視光領域でＬＰＲを起こす金属が好ましい。具体的には、金、銀、金と銀との合金等の貴金属が挙げられる。
【００３８】
金属微粒子の粒径は、５〜１０００ｎｍが良く、特に１０〜１００ｎｍが好ましい。
【００３９】
上記の金属微粒子−高分子複合体により散乱された散乱光を、分光分析器により分光することによって金属微粒子による吸光度を測定する。金属微粒子―高分子複合体の近傍が水等の高い屈折率を持つ物質である場合、空気の場合と比べ、金属微粒子によるＬＰＲ吸収の波長が長波長にシフトし、吸光度も変化する。したがって、金属微粒子の吸光度を測定することにより金属微粒子―高分子複合体の近傍の屈折率を測定することができる。また、特定の波長の吸光度をモニタすることで、金属微粒子―高分子複合体の近傍の屈折率変化を検出することができる。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
塩化金（III）酸  ０．０５ｇを、５重量％ＰＥＩ  ＤＭＦ溶液３ｇに溶解させたのち、ＤＭＦ５０ｇで希釈した。該溶液を７０℃で２時間還流することにより暗赤色のＰＥＩ保護金ナノ粒子ＤＭＦ溶液を作製した。該ＰＥＩ保護金ナノ粒子ＤＭＦ溶液１０ｇをメタクリル酸メチル−アクリル酸ランダム共重合体の５重量％ＤＭＦ溶液１０ｇとを混合すると、暗赤色の溶液となった。該溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて２ｍｌまで濃縮することにより、被覆に用いることができる濃厚溶液を作製した。該濃厚溶液を、ガラス基板上にキャストし６０℃で乾燥させることによって赤色の被膜を作製した。該被膜を水中に浸漬することによりガラス基板から剥離させ、赤色に着色した高分子自立膜を作製した。
【００４１】
（実施例２）
塩化金（III）酸  １ｇおよびＰＥＩ  １ｇを水１００g中に溶解させたのち、８０℃で２時間還流することにより暗赤色のＰＥＩ保護金ナノ粒子水溶液を作製した。該ＰＥＩ保護金粒子溶液５０ｇを、メタクリル酸メチル−アクリル酸ランダム共重合体の５重量％ＤＭＦ溶液５ｇとを混合すると暗赤色の溶液となった。該溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて５ｍｌまで濃縮することにより、被覆に用いることができる濃厚溶液を作製した。該濃厚溶液をガラス基板上に３０００回転３０秒間スピンコートすることで、赤色の被膜を作製した。
【００４２】
（実施例３）
実施例２でのメタクリル酸メチル−アクリル酸ランダム共重合体の代わりにスチレン−アクリル酸ランダム共重合体を用いたこと以外は同様に行った。同様に赤色の被膜を作製した。
【００４３】
（実施例４）
実施例１と同様に作製したＰＥＩ保護金ナノ粒子水溶液を、メタクリル酸メチル−アクリル酸ランダム共重合体のＮ，Ｎ―ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液とを混合すると、赤紫色のゲル状の物質が析出した。真空乾燥を行い、粉砕することで、赤紫色の粉末を得た
【００４４】
実施例１、２、３においては、該金ナノ粒子―高分子複合体が、赤紫色に着色していることが確認される。
【００４５】
実施例４について、透過型電子顕微鏡写真を図１に示す。金粒子が１０ｎｍの粒径を示すこと、ならびに金粒子が粒子全体に分散していることが示される。
【００４６】
実施例１、２のいずれも、水中で安定に存在し、溶解しない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例２について、透過型電子顕微鏡写真を示す。
【図１】
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