(57)【要約】本発明は、（ｎ，ｍ）型に従って（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブの混合物を分類し、分離する方法に関する。（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブの混合物は懸濁し、その結果単層カーボンナノチューブは個々に分散する。ナノチューブの懸濁を界面活性剤−水溶液中で行うことができ、ナノチューブを囲繞する界面活性剤はナノチューブを単離されたままにし、他のナノチューブとの凝集を防ぐ。ナノチューブ懸濁液を酸性化して、ナノチューブのフラクションをプロトン化する。電場を印加し、プロトン化されたナノチューブはその（ｎ，ｍ）型に依存して電場中を様々な速度で移動する。ナノチューブのフラクションを様々な分画時刻に集める。プロトン化、電場の印加、及び分画の方法はpHを次第に高くして繰り返して、（ｎ，ｍ）ナノチューブ混合物を分離して個々の（ｎ，ｍ）ナノチューブフラクションにする。分離は、選択された（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを必要とする新たな電子装置を可能にする。
2005527455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブの混合物を（ｎ，ｍ）型に基づいて分離してフラクションにする方法であって：
ａ）液体中の（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブの混合物を懸濁して、個々に懸濁したナノチューブの懸濁液を形成することと；
ｂ）懸濁したナノチューブ混合物のpHを調節して、ナノチューブのｘフラクションの第１のフラクションのプロトン化を生じ、ここでｘは少なくとも１である任意の整数であることと；
ｃ）懸濁したナノチューブに電場を印加することによって、前記懸濁したナノチューブ混合物を分離し、（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブタイプは前記電場内部で様々な速度で移動し、前記様々な移動速度はプロトン化された（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブをタイプによって分離させることと；
ｄ）分離された（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブをタイプによって集めることと；
を含む方法。
【請求項２】
ａ）前記懸濁したナノチューブ混合物のpHを調節して、ナノチューブの残存しているＸ−１フラクションの追加のフラクションのプロトン化を生じることと；
ｂ）前記ナノチューブの残存しているＸ−１フラクションに関して前記懸濁したナノチューブ混合物を分離することと；
ｃ）前記ナノチューブの残存しているＸ−１フラクションに関して分離された（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブをタイプによって集めることと；
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
単層カーボンナノチューブの束及び非ナノチューブ材料を前記個々に懸濁したナノチューブの懸濁液から除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
除去は前記単層カーボンナノチューブ混合物を遠心分離することによって行われ、前記単層カーボンナノチューブの束及び前記非ナノチューブ材料は沈降中に濃縮し、除去され、前記個々に懸濁したナノチューブは懸濁液中にあるままである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記pHは酸を用いて調節される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記酸は、塩酸、フッ化水素酸、炭酸、硫酸、硝酸、クロロスルホン酸、フルオロ硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、発煙硫酸及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記液体は界面活性剤及び水を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記界面活性剤は、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤及び非イオン性界面活性剤からなる群から選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウムである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記界面活性剤は前記個々に懸濁したナノチューブの周りにミセル構造を形成する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記液体はポリマー及び水を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ポリマーは前記個々に懸濁したナノチューブをコーティングする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポリマーは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレンスルホネート（ＰＳＳ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−酢酸ビニル）（ＰＶＰ／ＶＡ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−アクリル酸）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリビニルサルフェート、ポリ（ナトリウムスチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、デキストラン、デキストラン硫酸、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリ（メタクリル酸メチル−ｃｏ−アクリル酸エチル）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、これらのコポリマー及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
分離工程は電気泳動によって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
電気泳動方法はキャピラリー電気泳動、ゲル電気泳動、濾紙電気泳動及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記分離工程はキャピラリー電気泳動によって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
（ｎ，ｍ）ナノチューブ混合物は分離されて少なくとも２つのタイプの単層カーボンナノチューブになり、第１のタイプは金属性（ｎ，ｍ）ナノチューブを含み、第２のタイプは半導性（ｎ，ｍ）ナノチューブを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
調節工程は前記pHを低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
分離されたプロトン化されたナノチューブを脱プロトンすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
脱プロトンは、分離されたナノチューブがプロトン化された前記pHを超えてpHを上昇させることによって行われる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブの混合物を（ｎ，ｍ）型に基づいて分離してフラクションにする方法であって：
ａ）液体中の（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブの混合物を懸濁して、個々に懸濁したナノチューブの懸濁液を形成することと；
ｂ）懸濁したナノチューブ混合物のイオン強度を調節して、ナノチューブのｘフラクションの第１のフラクションに電荷を運搬させ、ここでｘは少なくとも１である任意の整数であることと；
ｃ）前記懸濁したナノチューブ混合物を分離し、帯電した運搬（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブタイプは様々な速度で移動し、前記様々な移動速度は帯電した（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブを互いから分離させることと；
ｄ）分離された（ｎ，ｍ）単層カーボンナノチューブタイプ及び非帯電だったナノチューブのフラクションを集めることと；
を含む方法。
【請求項２２】
前記ナノチューブ混合物の非帯電フラクションを用いて工程ｂ）、ｃ）及びｄ）をＸ−１回繰り返し、（ｎ，ｍ）ナノチューブのｘフラクションは帯電し、集められることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
単層カーボンナノチューブの束及び非ナノチューブ材料を前記個々に懸濁したナノチューブの懸濁液から除去することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
除去は前記単層カーボンナノチューブ混合物を遠心分離することによって行われ、前記単層カーボンナノチューブの束及び前記非ナノチューブ材料は沈降中に濃縮し、除去され、前記個々に懸濁したナノチューブは懸濁液中にあるままである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電荷は、プロトン（Ｈ＋）、ヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋）、及びこれらの組合せからなる群から選択される種によって与えられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記電荷は、前記個々に懸濁したナノチューブをプロトン化できる酸によって与えられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記酸は、塩酸、フッ化水素酸、クロロスルホン酸？、炭6酸、硫酸、硝酸、フルオロ硫酸、クロロスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、発煙硫酸及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記酸は、塩酸、硫酸、硝酸、発煙硫酸及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体は界面活性剤及び水を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記界面活性剤は、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤及び非イオン性界面活性剤からなる群から選択される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記陰イオン界面活性剤は、Ｎ−ラウロイルサルコシンナトリウム塩、Ｎ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシンナトリウム塩及びナトリウムＮ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシネート、ポリスチレンスルホネート、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルスルホン酸ナトリウム、ナトリウムアルキルアリルスルホスクシネート並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウムである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記陽イオン界面活性剤は、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムクロリド及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記界面活性剤はドデシルトリメチルアンモニウムブロミドである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記非イオン性界面活性剤は、Ｎ−ラウロイルサルコシン、Ｎ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシン、ポリエチレングリコールドデシルエーテル、ポリエチレングリコールラウリルエーテル、ポリエチレングリコールヘキサデシルエーテル、ポリエチレングリコールステアリルエーテル、ポリエチレングリコールオレイルエーテル、ポリエチレン及びポリプロピレングリコールのブロックコポリマー、アルキルアリールポリエテテルアルコール、エトキシル化プロポキシル化Ｃ８〜Ｃ１０アルコール、ｔ−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコールｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンイソオクチルシクロヘキシルエーテル、ポリエチレングリコールソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタントリステアレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート、ポリオキシエチレンソルビタントリオレエート、及びポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテート、ポリビニルピロリドン、並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記界面活性剤は、アルキルアリールポリエテテルアルコール、エトキシル化プロポキシル化Ｃ８〜Ｃ１０アルコール、ｔ−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコールｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンイソオクチルシクロヘキシルエーテル、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
前記界面活性剤は前記個々に懸濁したナノチューブの周りにミセル構造を形成する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記液体はポリマー及び水を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記ポリマーは前記個々に懸濁したナノチューブをコーティングする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記ポリマーは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレンスルホネート（ＰＳＳ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−酢酸ビニル）（ＰＶＰ／ＶＡ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−アクリル酸）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリビニルサルフェート、ポリ（ナトリウムスチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、デキストラン、デキストラン硫酸、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリ（メタクリル酸メチル−ｃｏ−アクリル酸エチル）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、これらのコポリマー及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
凝集体または不純物を、前記個々に懸濁したナノチューブの懸濁液から密度の差に基づいた手段によって除去することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４２】
前記凝集体及び不純物は、前記個々に懸濁したナノチューブの懸濁液から遠心分離によって除去される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
分離工程は電場の存在下でクロマトグラフ手段によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項４４】
前記分離工程は電気泳動によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項４５】
電気泳動方法はキャピラリー電気泳動、ゲル電気泳動、濾紙電気泳動及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記分離工程はキャピラリー電気泳動によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項４７】
（ｎ，ｍ）ナノチューブ混合物は分離されて少なくとも２つのタイプの単層カーボンナノチューブになり、第１のタイプは金属性（ｎ，ｍ）ナノチューブを含み、第２のタイプは半導性（ｎ，ｍ）ナノチューブを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４８】
調節工程は前記イオン強度を高くする、請求項２１に記載の方法。
【請求項４９】
帯電し分離されたナノチューブを中和することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項５０】
（ｎ，ｍ）型に従って単層カーボンナノチューブを分離する方法であって：
ａ）（ｎ，ｍ）−型単層カーボンナノチューブの混合物を界面活性剤含有懸濁媒質中に分散させて、界面活性剤ミセル中に封じ込められた個々の単層カーボンナノチューブを含む懸濁液を形成することと；
ｂ）前記懸濁液を酸性化して、金属性及び小さなバンドギャップのナノチューブをプロトン化することと；
ｃ）個々の（ｎ，ｍ）型を有する単層カーボンナノチューブをそのプロトン化度に基づいて分離することと；
を含む方法。
【請求項５１】
前記界面活性剤は、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、中性界面活性剤、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウムである、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
超音波処理を使用して、分散工程を促進する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
酸性化工程は、各段階的酸添加の後にプロトン化されたナノチューブの分離を含む段階的添加を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
前記酸性化工程は非酸化酸を加えることを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
分離工程はクロマトカラムによる処理を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５７】
前記分離工程はクロマトグラフプレート上での処理を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５８】
前記分離工程は電場中での分離を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５９】
前記分離工程はキャピラリー電気泳動を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６０】
前記分離工程はゲル電気泳動を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６１】
個々の（ｎ，ｍ）型の単層カーボンナノチューブをラマン分光法を使用して同定することをさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６２】
前記個々の（ｎ，ｍ）型の単層カーボンナノチューブをルミネセンス分光法を使用して同定することをさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６３】
ａ）複数のナノチューブを懸濁媒質中に分散させ、前記ナノチューブの少なくとも幾つかは個々に分散し、他のナノチューブとの会合を防ぐコーティングを有することと；
ｂ）個々に懸濁したナノチューブを種にさらし、該種は、前記個々に懸濁したナノチューブの電子的性質が変更するように、前記個々に懸濁したナノチューブと相互作用することと；
ｃ）個々に分散した半導性ナノチューブが近赤外放射で蛍光を発するような光を前記ナノチューブに照射することと；
ｄ）前記個々に懸濁したナノチューブから放出された近赤外蛍光を監視し、放出された蛍光は、前記個々に懸濁したナノチューブと相互作用する前記種の量と相関することと；
を含む検出方法。
【請求項６４】
前記ナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記ナノチューブは単層カーボンナノチューブである、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記ナノチューブは半導性単層カーボンナノチューブである、請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記ナノチューブは、少なくとも約１５％の単一（ｎ，ｍ）型を含む半導性単層カーボンナノチューブである、請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
前記懸濁媒質は水性である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
前記コーティングは界面活性剤を含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項７０】
前記界面活性剤は、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤及び非イオン性界面活性剤を含む群から選択される、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記陰イオン界面活性剤は、Ｎ−ラウロイルサルコシンナトリウム塩、Ｎ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシンナトリウム塩及びナトリウムＮ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシネート、ポリスチレンスルホネート、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルスルホン酸ナトリウム、ナトリウムアルキルアリルスルホスクシネート並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウムである、請求項６９に記載の方法。
【請求項７３】
前記陽イオン界面活性剤は、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムクロリド及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７０に記載の方法。
【請求項７４】
前記界面活性剤はドデシルトリメチルアンモニウムブロミドである、請求項６９に記載の方法。
【請求項７５】
前記非イオン性界面活性剤は、Ｎ−ラウロイルサルコシン、Ｎ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシン、ポリエチレングリコールドデシルエーテル、ポリエチレングリコールラウリルエーテル、ポリエチレングリコールヘキサデシルエーテル、ポリエチレングリコールステアリルエーテル、ポリエチレングリコールオレイルエーテル、ポリエチレン及びポリプロピレングリコールのブロックコポリマー、アルキルアリールポリエテテルアルコール、エトキシル化プロポキシル化Ｃ８〜Ｃ１０アルコール、ｔ−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコールｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンイソオクチルシクロヘキシルエーテル、ポリエチレングリコールソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタントリステアレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート、ポリオキシエチレンソルビタントリオレエート、及びポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテート、ポリビニルピロリドン、並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７０に記載の方法。
【請求項７６】
前記界面活性剤は、アルキルアリールポリエテテルアルコール、エトキシル化プロポキシル化Ｃ８〜Ｃ１０アルコール、ｔ−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコールｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンイソオクチルシクロヘキシルエーテル、及びこれらの組合せである、請求項６９に記載の方法。
【請求項７７】
前記界面活性剤は前記個々に懸濁したナノチューブの周りにミセル構造を形成する、請求項６９に記載の方法。
【請求項７８】
前記コーティングはポリマーを含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項７９】
前記ポリマーは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレンスルホネート（ＰＳＳ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−酢酸ビニル）（ＰＶＰ／ＶＡ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−アクリル酸）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリビニルサルフェート、ポリ（ナトリウムスチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、デキストラン、デキストラン硫酸、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリ（メタクリル酸メチル−ｃｏ−アクリル酸エチル）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、これらのコポリマー及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記種は、帯電した種、中性種、化学吸着種、物理吸着種、吸着種及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項６３に記載の方法。
【請求項８１】
前記種は、表面の上で電子的性質に依存して前記個々に懸濁したナノチューブを吸収する、請求項６３に記載の方法。
【請求項８２】
半導性単層カーボンナノチューブを含む検出器において、少なくとも１つの半導性単層カーボンナノチューブは近赤外蛍光を放出する、検出器。
【請求項８３】
化学種を検知する方法であって：
ａ）個々に懸濁した半導性単層カーボンナノチューブに近赤外蛍光を放出させることができる電磁放射を該ナノチューブに照射することと；
ｂ）半導性ナノチューブの蛍光を監視することと；
ｃ）前記半導性ナノチューブを、前記蛍光に影響する化学種にさらすことと；
ｄ）前記半導性ナノチューブを前記化学種にさらすことによる蛍光の変化を相関させることと；
を含む方法。
【請求項８４】
前記化学種は生物学的細胞である、請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
露出工程は、医学的診断試験を実行する間に行われる、請求項８３に記載の方法。
【請求項８６】
前記電磁放射は、紫外、可視及び近赤外からなる群から選択される、請求項８３に記載の方法。
【請求項８７】
前記電磁放射は、レーザー、ランプ、発光ダイオード、及びこれらの組合せからなる群から選択される源から発生する、請求項８３に記載の方法。
【請求項８８】
前記ナノチューブはプローブに作られる、請求項８３に記載の方法。
【請求項８９】
前記化学種は、前記蛍光の変化によって定量化される、請求項８３に記載の方法。
【請求項９０】
（ａ）個々の半導性単層カーボンナノチューブを媒質中に分散させることと；
（ｂ）結合部分を前記個々の半導性単層カーボンナノチューブに化学的に結合させて、化学的に結合したナノチューブを形成し、前記結合部分は特定の細胞にのみ結合することと；
（ｃ）前記化学的に結合したナノチューブに生体適合性コーティングをコーティングして、コーティングされ化学的に結合したナノチューブを形成することと；
（ｄ）前記コーティングされ化学的に結合したナノチューブを、前記特定の細胞を含む生物学的環境中に注入し、前記コーティングされ化学的に結合したナノチューブは前記生物学的環境中を移動し、前記特定の細胞に結合することと；
（ｅ）前記コーティングされ化学的に結合したナノチューブに蛍光を発せしめることができる光源を用いて前記生物学的環境に照射することと；
（ｆ）前記生物学的環境を、前記コーティングされ化学的に結合したナノチューブからの蛍光に関して監視することと；
（ｇ）前記蛍光を生物学的環境全体にわたってマッピングして、前記特定の細胞の位置を示すことと；
を含む方法。
【請求項９１】
前記生物学的環境は生物内部である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記生物学的環境は組織培養である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９３】
前記生物学的環境は細胞培養である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９４】
生物学的コーティングは生分解性である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９５】
前記生物学的コーティングはポリマーである、請求項９０に記載の方法。
【請求項９６】
前記ポリマーは、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、コポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
前記生物学的コーティングは、デキストラン、デキストラン硫酸、ウシ血清アルブミン、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項９０に記載の方法。
【請求項９８】
前記特定の細胞はタンパク質である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９９】
前記特定の細胞は癌細胞である、請求項９０に記載の方法。
【請求項１００】
前記特定の細胞は悪性である、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０１】
前記結合部分は抗体である、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０２】
前記結合部分はモノクローナル抗体である、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０３】
薬物を前記ナノチューブと会合させることをさらに含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０４】
前記ナノチューブを加熱することさらに含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０５】
前記加熱は細胞壊死を生じる、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
前記加熱は前記ナノチューブと会合した薬物を放出させる、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０７】
複数の単層カーボンナノチューブを含む材料において、該複数は少なくとも約１５％の同じ（ｎ，ｍ）型を含み、ｎはｍと等しくない、材料。
【請求項１０８】
前記複数の単層カーボンナノチューブは少なくとも約３０％の同じ（ｎ，ｍ）型を含み、ｎはｍと等しくない、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１０９】
前記複数の単層カーボンナノチューブは少なくとも約５０％の同じ（ｎ，ｍ）型を含み、ｎはｍと等しくない、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１０】
前記複数の単層カーボンナノチューブは少なくとも約７０％の同じ（ｎ，ｍ）型を含み、ｎはｍと等しくない、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１１】
前記複数の単層カーボンナノチューブは少なくとも約９０％の同じ（ｎ，ｍ）型を含み、ｎはｍと等しくない、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１２】
前記単層カーボンナノチューブは２次元アレイに作られる、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１３】
前記単層カーボンナノチューブは３次元物体に作られる、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１４】
前記単層カーボンナノチューブは誘導体化される、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１５】
前記単層カーボンナノチューブは半導性である、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１６】
前記単層カーボンナノチューブはセンサーの一部分である、請求項１１５に記載の材料。
【請求項１１７】
前記材料はマトリックス材料中に埋込まれる、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１１８】
前記マトリックス材料は、ポリマー、セラミックス、金属、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１１５に記載の材料。
【請求項１１９】
前記材料は懸濁媒質中に分散される、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１２０】
（ｎ，ｍ）型を有する前記ナノチューブは、（５，４）、（６，４）、（９，１）、（８，３）、（６，５）、（７，５）、（１０，２）、（９，４）、（８，４）、（７，６）、（９，２）、（１２，１）、（８，６）、（１１，３）、（９，５）、（１０，３）、（１０，５）、（１１，１）、（８，７）、（１３，２）、（９，７）、（１２，４）、（１１，４）、（１２，２）、（１０，６）、（１１，６）、（９，８）、（１５，１）、（１０，８）、（１３，５）、（１２，５）、（１３，３）、及び（１０，９）からなる（ｎ，ｍ）型の群から選択される、請求項１０７に記載の材料。
【請求項１２１】
半導性単層カーボンナノチューブを含むセンサーにおいて、該単層カーボンナノチューブは、環境の変化に関連する強度で近赤外蛍光を放出する、センサー。
【請求項１２２】
前記環境の変化は化学的変化である、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２３】
前記環境の変化は物理的変化である、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２４】
前記環境の変化はpHを含む、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２５】
前記環境の変化は温度を含む、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２６】
前記環境の変化は吸着したガスを含む、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２７】
前記環境の変化は化学吸着を含む、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１２８】
前記環境の変化は物理吸着を含む、請求項１２７に記載のセンサー。
【請求項１２９】
前記単層カーボンナノチューブは、ナノチューブの少なくとも約１５％は個々の（ｎ，ｍ）型を有するような前記ナノチューブを含む、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１３０】
前記単層カーボンナノチューブは光学プローブによって離れて調べられる、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１３１】
前記単層カーボンナノチューブは基板に固定される、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１３２】
前記単層カーボンナノチューブはオプトロードに固定される、請求項１２１に記載のセンサー。
【請求項１３３】
半導性単層カーボンナノチューブを含むルミネッセント光源。
【請求項１３４】
光は電磁スペクトルの近赤外領域にある、請求項１３３に記載の光源。
【請求項１３５】
少なくとも約１５％の前記半導性単層カーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有する、請求項１３３に記載の光源。
【請求項１３６】
少なくとも約３０％の前記半導性単層カーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有する、請求項１３３に記載の光源。
【請求項１３７】
少なくとも約５０％の前記半導性単層カーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有する、請求項１３３に記載の光源。
【請求項１３８】
少なくとも約７０％の前記半導性単層カーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有する、請求項１３３に記載の光源。
【請求項１３９】
少なくとも約９０％の前記半導性単層カーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有する、請求項１３３に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全米科学財団によって与えられた助成第ＮＳＦ  ＤＭＲ−００７３０４６号、第ＮＳＦ  ＥＥＣ−０１１８００７号及び第ＮＳＦ  ＣＨＥ−９９００４１７号、アメリカ航空宇宙局（the National Aeronautic and Space Administration）によって与えられた助成第ＮＡＳＡ−ＪＳＣ  ＮＣＣ  ９−７７号、並びに海軍研究局（the Office of Naval Research）によって与えられた第Ｎ０００１４−０１−１−０７８９号の下で、米国政府の援助によりなされた。資金はまた、テキサス先端技術プログラム（the Texas Advanced Technology Program）の助成第ＴＡＴＰ  ９９−００３６０４−００５５−１９９９号並びにロバートＡ．ウェルチ財団（the Robert A. Welch Foundation）の助成第Ｃ−０６８９号及び第Ｃ−０８０７号によって提供された。政府は、本発明に一定の権利を有することができる。
【０００２】
関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、２００２年３月４日に出願された米国仮特許出願第60/361,593号、２００２年３月４日に出願された第60/361,594号及び２００２年６月２４日に出願された第60/390,887号の優先権を請求する。この出願を本明細書において参考のために引用する。  本発明は一般に、単層カーボンナノチューブに関し、より詳細には、単層カーボンナノチューブをタイプによって分離する方法、こうした分離された単層カーボンナノチューブから形成される新たな材料及び装置、並びにこうした単層カーボンナノチューブを例えば光学化学センサーのために使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に“バッキーチューブ（bucky tube）”として周知の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）は、高い強度、こわさ、熱伝導率及び電気伝導率をはじめとする類のない特性を有する。ＳＷＮＴは、典型的には六角形及び五角形で配置されたｓｐ２混成炭素原子から本質的になる中空で円筒状のフラーレン分子である。単層カーボンナノチューブは典型的には約０．５ナノメートル（nm）及び約３．５nmの範囲内の直径、並びに通常約５０nmを超える長さを有する。単層カーボンナノチューブに関する背景情報は、B. I. Yakobson and R. E. Smalley, American Scientist, Vol. 85, July-August, 1997, pp. 324-337及びDresselhaus, et al., Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, 1996, San Diego: Academic Press, Ch. 19, ("Dresselhaus")に見い出すことができる。
【０００４】
フラーレンの幾つかの合成方法が、高温での蒸発した炭素の凝縮から開発された。フラーレン、例えばＣ６０及びＣ７０を、高温で蒸発した炭素を使用して炭素アーク法によって製造してよい。カーボンナノチューブはまた、炭素アーク法において陰極上の堆積物のうちの１つとして製造された。
【０００５】
単層カーボンナノチューブは、直流アーク放電装置中で、炭素と少量パーセントのＶＩＩＩＢ族遷移金属とを同時にアーク放電装置の陽極から蒸発させて製造された。こうした技術は低い収率のカーボンナノチューブのみを製造し、カーボンナノチューブの集団は構造及びサイズのかなりの変動を示す。
【０００６】
単層ナノチューブの別の製造方法は、遷移金属原子（例えばニッケル、コバルトまたはこれらの混合物）をドープしたグラファイト基板のレーザー蒸発を含む。この方法で製造した単層カーボンナノチューブは、平行に整列し、ファンデルワールス力で保持されて最密三角格子になった約１０〜約１０００本の単層カーボンナノチューブの“ロープ”と名づけられるクラスターで形成される傾向がある。この方法で製造したナノチューブは構造が変化するが、特定の構造が支配的であるとしてよい。レーザー蒸発プロセスは改良された収率の単層カーボンナノチューブを製造することができるが、生成物は依然として不均一であり、ナノチューブはこうした材料の多くの潜在的な使用にとっては絡まり過ぎている傾向がある。加えて、炭素のレーザー蒸発は高エネルギープロセスである。
【０００７】
カーボンナノチューブを合成する別の様式は、基板表面に担持されたナノメートルスケールの金属粒子による炭素含有ガスの接触分解による。炭素原料分子は金属粒子表面で解離し、得られた炭素原子は化合して、ナノチューブを形成する。この方法は典型的には不完全な多層カーボンナノチューブを製造するが、特定の反応条件下で、優れた単層カーボンナノチューブを製造することができる。この方法の１例は、坦体の例えばアルミナ表面に存在するＭｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはこれらの混合物を含む遷移金属触媒粒子によって触媒される単層カーボンナノチューブ及びＣＯ２を形成するためのＣＯの不均化を含む。この方法は廉価な原料及び適度の温度を使用することができるが、単層カーボンナノチューブの収率は低くなり得、多量の他の形態の炭素の例えば無定形炭素及び多層カーボンナノチューブが生成物中に存在する。この方法はしばしば絡まったカーボンナノチューブを生じ、また多くの用途の場合坦体材料の除去を必要とする。
【０００８】
全気相プロセスを使用して、単層カーボンナノチューブを形成することができる。全気相プロセスの１例においては、ベンゼンを炭素含有原料として及びフェロセンを遷移金属触媒前駆体として使用して単層カーボンナノチューブを合成する。ベンゼン及びフェロセンの分圧を制御することによって及びチオフェンを助触媒として加えることによって、単層カーボンナノチューブを製造することができる。しかしながら、この方法は、高品質単層カーボンナノチューブを製造するために必要な高温条件下で、多層カーボンナノチューブ、無定形炭素、及び炭化水素熱分解の他の生成物の同時製造という欠点を有する。
【０００９】
単層カーボンナノチューブの別の製造方法は、高圧ＣＯを炭素原料として及び気体状遷移金属触媒前駆体を使用する全気相方法を含む（"Gas Phase Nucleation and Growth of Single-Wall Carbon Nanotubes from High Pressure Carbon Monoxide"、これは２０００年５月１１日に公開された国際特許公開WO 00/26138であり、本明細書において参考のためにその全体を引用する。）。この方法は連続ナノチューブ製造を可能にし、これは工業的量の単層カーボンナノチューブを製造するために拡大するための潜在性を有する。この方法はまた、同時に多層ナノチューブを製造すること無く単層カーボンナノチューブを製造する際に有効である。その上、この方法は単層カーボンナノチューブを高純度で製造し、その結果、固体生成物中の炭素の約１０重量％未満が、黒鉛質炭素及び無定形炭素の両方を含む他の炭素含有種に帰する。
【００１０】
単層ナノチューブの全ての周知の形成方法は遷移金属触媒を含み、この残留分は製造したままの材料中に常に存在する。同様に、こうした方法はまた、単層ナノチューブの形態ではない様々な量の炭素材料の製造を伴う。下文で、この非ナノチューブ炭素材料を“無定形炭素”と呼ぶ。
【００１１】
単一カーボンナノチューブの全ての周知の合成方法はまた、反応生成物の分布を生じ、反応生成物としては、単層カーボンナノチューブ、無定形炭素、金属性触媒残留分、及び場合によっては多層カーボンナノチューブが挙げられるがこれらに限定されるものではない。反応生成物の分布は、方法及び方法において使用される稼働条件に依存して変化しよう。反応生成物の分布に加えて、方法のタイプ及び稼働条件はまた直径及び立体配座の特定の分布を有する単層カーボンナノチューブを製造しよう。
【００１２】
単層カーボンナノチューブの直径及び立体配座は、Dresselhausが説明する命名法を使用して説明することができる。単層円筒状フラーレンは、二重指数（double index）（ｎ，ｍ）によって互いに区別され、このｎ及びｍは、六方グラファイトの単一ストリップを円筒の表面の上に巻き付けた時に両端部が継ぎ目なしに接合するような切断方法を説明する整数である。ｍ＝ｎである時、得られるチューブは、チューブ軸に対して垂直にチューブを切断すると、六角形の側辺のみが露出してチューブ端部の周囲をかこむ型がｎ回繰り返したアームチェアのアームと座席に類似しているため、“アームチェア”（またはｎ，ｎ）型を呈していると言われている。ｍ＝０である時、得られるチューブは、チューブ軸に対して垂直にチューブを切断すると、端部がジグザグ型であるため、“ジグザグ（zig-zag）”または（ｎ，０）型を呈していると言われている。ｎ≠ｍ及びｍ≠０である場合、得られたチューブはキラリティーを有し、これに対するらせん状のねじれ含み、この程度はキラル角に依存する。図１は、（ｎ，ｍ）ナノチューブのための命名法を図示する。
【００１３】
単層カーボンナノチューブの電子的性は立体配座に依存する。例えば、アームチェアチューブは金属性であり、非常に高い電気伝導率を有する。全ての単層カーボンナノチューブは、その立体配座に依存して、金属性、半金属、または半導性に類別することができる。明瞭かつ簡潔にするために金属性チューブ及び半金属チューブの両方を総称して金属性ナノチューブと呼ぶ。単層カーボンナノチューブの場合、チューブの約３分の１は金属性であり、約３分の２は半導性である。金属性（ｎ，ｍ）−型ナノチューブは次の条件を満たすものである：２ｎ＋ｍ＝３ｑ、またはｎ−ｍ＝３ｑ、式中、“ｑ”は整数である。金属性ナノチューブは伝導性であり、エネルギー状態でゼロバンドギャップである。いずれの条件も満たさないナノチューブは半導性であり、あるエネルギーのバンドギャップを有する。一般に、より小さな直径を有する半導性ナノチューブはより大きなエネルギーのバンドギャップを有する。チューブタイプにかかわらず、全ての単層ナノチューブは非常に高い熱伝導率及び引張強さを有する。
【００１４】
特定のナノチューブ直径及び立体配座が単層カーボンナノチューブの物理的及び電子的性質に影響する。例えば、強度、こわさ、密度、結晶化度、熱伝導率、電気伝導率、吸収、磁気特性、ドーピングに対する応答、半導体としての有用性、光学的性質の例えば吸収及びルミネセンス、エミッター及び検出器としての有用性、エネルギー移動、熱伝導、pHの変化に対する反応、緩衝容量、ある範囲の化学薬品に対する感度、電荷または化学的相互作用による収縮及び膨張、ナノ細孔性ろ過膜並びにさらに多くの特性が単層カーボンナノチューブの直径及び立体配座によって影響される。
【００１５】
特定の（ｎ，ｍ）選択されたカーボンナノチューブを集めたものの特性は、異なる製造方法によって製造された単層カーボンナノチューブの混合物のものとは異なろう。ナノチューブタイプの混合物の特性は、特性値の分布にわたる複合体値を表す。この複合体値は一般に“平均”挙動ではない。実際に、複合体の特性は、特定の選択された（ｎ，ｍ）タイプナノチューブのものと比較してより劣るのみならず単層カーボンナノチューブの混合物中に全く欠けていることがある。加えて、単層カーボンナノチューブの直径の範囲内で（一般に約０．５nm〜約３．５nm）、ナノチューブが最密アレイで互いに整列すること、例えば周知の単層カーボンナノチューブ“ロープ”は、全てのナノチューブが同じ直径を有する場合に最適化することができ、異なる直径を有するチューブ同士の間の不適合を最小にする。
【００１６】
特定のタイプを有する単層カーボンナノチューブを分離し、分類する方法は、選択されたナノチューブの単数または複数のタイプの所望の特性を獲得するために望ましいが、このような方法は２つの主要なファクターによって複雑である。第１は、ナノチューブは水及び大部分の一般的な溶媒中への溶解度が非常に乏しい点である。第２は、単層カーボンナノチューブは一緒に“ロープ化”して、ファンデルワールス力によって一緒に強く保持される束になる強い傾向がある点である。ロープ化現象は様々なタイプの単層カーボンナノチューブを一緒に凝集して整列した束または“ロープ”にし、最高約５００eV／ミクロンまでのかなり大きいチューブ間結合エネルギーで一緒に保持する。こうした凝集体は一般に、様々な直径を有する金属性及び半導性タイプのナノチューブのランダム混合物を含む。結束凝集体である間に電気的に接触した場合に、カーボンナノチューブは、異なるタイプのナノチューブ同士の間の識別を複雑にする他の点では初期の状態の電子構造からのかなり大きい摂動を経験する。また、側壁官能基化または末端基誘導体化によってナノチューブの混合物の化学的多様性を利用する試みは、特定の立体配座を有するナノチューブを分離する際に成功しなかったが、主としてナノチューブの束またはかなり変更された電子的性質を有するナノチューブを製造した。
【００１７】
製造されたかなりの量のカーボンナノチューブは単一（ｎ，ｍ）型を有するような単層カーボンナノチューブの有効な製造方法は周知ではない。その上、現在まで、多量の単層カーボンナノチューブを（ｎ，ｍ）型によって分離する方法は周知ではなく、巨視的量のこのような単一（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブ材料は製造されていない。最も広い範囲の可能なナノチューブ特性及び用途を提供すると思われる巨視的量のタイプ−分類単層カーボンナノチューブはこれまで周知ではない。
【発明の開示】
【００１８】
本発明は、ナノチューブの電子的及び光学的性質に基づいて、カーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブを直径及び立体配座によって分類し、分離する方法に関する。本発明はまた、選択されたナノチューブタイプを有する組成物、及びこれを含む検知装置に関する。
【００１９】
本発明は、（ｎ，ｍ）型に従って（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブの混合物を分類し、分離する方法に関する。（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブの混合物は懸濁し、その結果単層カーボンナノチューブは個々に分散する。ナノチューブの懸濁を界面活性剤−水溶液中で行うことができ、ナノチューブを囲繞する界面活性剤はナノチューブを単離されたままにし、他のナノチューブとの凝集を防ぐ。ナノチューブ懸濁液を酸性化して、ナノチューブのフラクションをプロトン化する。電場を印加し、プロトン化されたナノチューブはその（ｎ，ｍ）型に依存して電場中を様々な速度で移動する。ナノチューブのフラクションを様々な分画時刻に集める。プロトン化、電場の印加、及び分画の方法はpHを次第に高くして繰り返して、（ｎ，ｍ）ナノチューブ混合物を分離して個々の（ｎ，ｍ）ナノチューブフラクションにする。分離は、選択された（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを必要とする新たな電子装置を可能にする。
【００２０】
本発明はさらに、巨視的量の（ｎ，ｍ）型単層カーボンナノチューブ並びに特定のナノチューブタイプを含む検知及び監視装置に関する。単層カーボンナノチューブの選択された（ｎ，ｍ）−型フラクションは混合した単層カーボンナノチューブの懸濁液から分離され、個々に分散し、単離される。ナノチューブは単離し、非摂動分子種の例えば界面活性剤分子またはナノチューブの周りに巻き付けことができるポリマーで包囲することで、他のナノチューブとの再会合を妨げる。金属性単層カーボンナノチューブとは異なり、半導性単層カーボンナノチューブは電磁スペクトルの近−ＩＲ領域で蛍光を発することが見い出された。ナノチューブは環境の摂動に対して非常に鋭敏であり、ナノチューブの蛍光プロフィルはこうした摂動によよって影響されよう。従って、ナノチューブを広く様々な用途の例えばガス濃度及びpH、並びに悪性細胞活性の生物学的マッピングのための蛍光タグのためのセンサーとして使用できる。
【００２１】
本発明の１具体例においては、単層カーボンナノチューブを流体中に分散させ、その結果ナノチューブの特定のフラクションは実効電荷を有し、電場中での分離にさらされる。単層カーボンナノチューブは、電場の影響下で、単層カーボンナノチューブの実効電荷、構造及びキラリティーに依存する速度で媒質を通って移動する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは異なる速度で移動し、異なる時刻に溶出し、集められる。
【００２２】
本発明の別の具体例においては、単層カーボンナノチューブを流体中に分散させ、ここで、流体のpHを調節し、その結果実効電荷を運搬する単層カーボンナノチューブの特定のフラクションを生じる。各ナノチューブによって運搬される電荷はその個々の構造及びキラリティーに依存する。ナノチューブ分散系は次に電場中でのクロマトグラフ分離にさらされ、ここで、単層カーボンナノチューブは電場の影響下で、その構造及びキラリティーに依存する速度で流体を通って移動する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは、異なる時刻に溶出し、集められる。
【００２３】
本発明のさらに別の具体例においては、単層カーボンナノチューブを水系中に分散させ、ここで、ナノチューブは一般に非摂動コーティングの例えば界面活性剤分子のミセル配置によって囲繞される。ナノチューブ及びコーティング前駆体の例えば界面活性剤を含む混合物は、個々のナノチューブをコーティングするために激しく撹拌され、それに続いて金属性触媒残留分及び他の炭素形態の例えばナノチューブロープ及び無定形炭素から分離する。個々に分散したナノチューブ懸濁液のpHを塩基性にし、次にほぼ中性のpHに酸性化し、その結果単層カーボンナノチューブの第１のフラクションをプロトン化する。ナノチューブ分散系は次に電気泳動分離にさらされ、ここで、プロトン化された単層カーボンナノチューブは、電場の影響下で、単層カーボンナノチューブの構造及びキラリティーに依存する速度で媒質表面を移動するかまたは流体を通って拡散する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは、異なる時刻に溶出し、集められる。ナノチューブ混合物の残存している非プロトン化部分を酸性化し、ナノチューブを電気泳動する工程を、ナノチューブの全集団がプロトン化され、立体配座及び構造に従って分離されるまで段階的に繰り返す。“立体配座”という用語は、キラリティーのまたはこれを欠く全ての態様を含むものとすることに留意されたい。“構造”という用語は、寸法の全ての態様の例えば直径及び長さを含むものとする。
【００２４】
タイプ−分類単層カーボンナノチューブを、個々の（ｎ，ｍ）型として、または選択されたタイプの組合せで使用でき、その結果ナノチューブ特性の所望の組合せを有する混合物または複合材料を得る。タイプ−選択ナノチューブ、及びこれらの特定の組合せは、個々のタイプの単層カーボンナノチューブによって所有されるものに基づいて、材料の連続スペクトル及び電子的性質を実現するための潜在性を提供する。所望の単数または複数の特性を実現するために各（ｎ，ｍ）選択されたナノチューブタイプの量を変化させることによって、密度、強度、伝導率、光学的性質等をインクレメントで調節することができる。材料及び電子的性質の拡張された範囲は、ナノチューブ混合物を用いてこれまで実現されていない広く様々な用途を可能にする。分離されたタイプ−選択単層カーボンナノチューブは、センサー、検出器、超小型電気機械的装置、及び多数の他の用途において有用な特定の特性を提供する。
【００２５】
選択された単層カーボンナノチューブは、その分子環境に対して非常に鋭敏な分光学的特性を有する。特に、半導性ナノチューブは、電磁スペクトルの近赤外部分でルミネセンスを発することが見い出された。ナノチューブ表面の化学的吸着物質は、その分光学的特性に影響し、変更し、変調することができる。ナノチューブはまた、流体環境の一般的な状態の例えばpH、温度、圧力及び流れに対して鋭敏である。ナノチューブは無侵襲光学プローブの一部分としてこうした条件を検知することができ、ナノスケール環境において使用するのに適しており、ナノスケール環境としては生体系が挙げられるがこれに限定されるものではない。選択されたタイプのＳＷＮＴの動的検知能力は、広く様々な検知及び監視用途に対処したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、電子的及び光学的性質に基づいて、カーボンナノチューブを直径及びキラリティータイプによって分類し、分離する方法に関し、これは、ナノチューブを分散させ、電荷をナノチューブの選択的なフラクションに与え、ナノチューブの実効電荷に基づいてナノチューブを分離することによる。ナノチューブが対処できる電荷の量は、その電子構造、直径及び立体配座の関数である。本発明はまた、単層カーボンナノチューブを含むセンサーに関し、ここで、金属性及び半導性ナノチューブをナノチューブの混合物から分離することができ、検知は半導性ナノチューブの鋭敏な電子的性質を監視することによって成し遂げられ、半導性ナノチューブは、電磁スペクトルの近赤外部分で吸収し、ルミネセンスを発することができ、広く様々な用途のための鋭敏なプローブを提供する。ナノチューブの電子的性質は分子環境に対して非常に鋭敏であり、ルミネッセントスペクトル中の摂動によって、吸着物質、化学結合、双極子相互作用及び他の流体特性を検知する能力を提供する。
【００２７】
様々なタイプの単層カーボンナノチューブの分離
本発明の１具体例においては、単層カーボンナノチューブを流体中に分散させ、その結果ナノチューブの特定のフラクションは実効電荷を有し、電場中でのクロマトグラフ分離にさらされる。単層カーボンナノチューブは電場の影響下で、単層カーボンナノチューブの実効電荷、構造及びキラリティーに依存する速度で媒質を通って移動する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは異なる速度で移動し、異なる時刻に溶出し、集められる。
【００２８】
本発明の別の具体例においては、単層カーボンナノチューブを流体中に分散させ、ここで、流体のpHを調節し、その結果単層カーボンナノチューブの特定のフラクションをプロトン化し、実効電荷を運搬させる。ナノチューブ分散系は次に電場の影響下で電気泳動分離にさらされ、ここで、単層カーボンナノチューブは、電場の影響下で、その構造及びキラリティーに依存する速度で媒質表面または流体を通って移動する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは異なる速度で移動し、異なる時刻に溶出し、集められる。
【００２９】
１具体例においては、単層カーボンナノチューブをまず流体の例えば、巻き付け、封じ込めるかまたは他の方法でナノチューブを互いから単離することができる分子、化合物またはポリマーを含む水系中に分散させる。激しく撹拌され、混合して、ナノチューブは個々のカーボンナノチューブとして水系中に分散し、ナノチューブの電子的性質を摂動しないコーティングまたは巻き付けとの再凝集から保護される。１具体例においては、非摂動コーティングを流体中のナノチューブに施用することによって、ナノチューブの分散を成し遂げることができ、ここで、コーティングは、ナノチューブの再凝集及び／または結束を防ぐ。剪断混合、音波処理、及びこれらの組合せを使用して、ナノチューブを個々のナノチューブとして激しく分散させることができる。ナノチューブ分散系中の単層カーボンナノチューブのあるフラクションは束またはロープの形態であり得るので、分散系を遠心分離して、より緻密な結束ロープ化ナノチューブ及び不純物を個々のナノチューブから分離することがある。遠心分離後に、個々の分散したナノチューブは流体の上澄み部分中に懸濁したままであり、傾瀉することができる。
【００３０】
本発明のさらに別の具体例においては、単層カーボンナノチューブを水系中に分散させ、ここで、ナノチューブは一般に非摂動コーティングの例えば界面活性剤分子のミセル配置によって囲繞される。ナノチューブ及びコーティング前駆体を含む懸濁液は、個々のナノチューブをコーティングするために激しく撹拌され、それに続いて金属性触媒残留分及び他の炭素形態の例えばナノチューブロープ及び無定形炭素から分離する。個々に分散したナノチューブ懸濁液のpHを塩基性にし、次にほぼ中性のpHに酸性化し、その結果単層カーボンナノチューブの第１のフラクションをプロトン化する。ナノチューブ分散系は次に電場にさらされ、ここで、プロトン化された単層カーボンナノチューブは、電場の影響下で、その構造及びキラリティーに依存する速度で流体を通って拡散する。異なる構造及びキラリティーを有するナノチューブは、異なる時刻に溶出し、集められる。ナノチューブ混合物の残存している非プロトン化部分を酸性化し、電場中で分離する工程を、ナノチューブの全集団がプロトン化され、電場によって分離されるまで段階的に繰り返す。
【００３１】
ナノチューブを分散させるための流体は、水、極性溶媒、炭化水素、酸素化炭化水素、アミノ化炭化水素、芳香族、またはナノチューブのための非摂動コーティングと相溶性のある任意の溶媒とすることができる。溶媒の例としては、水、アルコール、酢酸、ジメチルホルムアミド、及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。好ましい溶媒は極性溶媒及び水である。水は最も好ましい溶媒である。
【００３２】
単層カーボンナノチューブのための非摂動コーティングは、ナノチューブの電子構造を妨げないかまたは無視できるほど影響するコーティング、分子またはポリマーである。例えば、使用される可能性がある非摂動コーティングとしてはポリマーの例えばポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレンスルホネート（ＰＳＳ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−酢酸ビニル）（ＰＶＰ／ＶＡ）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−アクリル酸）、ポリ（１−ビニルピロリドン−ｃｏ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリビニルサルフェート、ポリ（ナトリウムスチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、デキストラン、デキストラン硫酸、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリ（メタクリル酸メチル−ｃｏ−アクリル酸エチル）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、これらのコポリマー及びこれらの組合せが挙げられる。ポリマーをナノチューブの周りに巻き付け、水及び他の相溶性溶媒中に可溶にすることができる。その上、ポリマー巻き付けまたはコーティングを、カーボンナノチューブ構造に影響することなく除去することができる。単層カーボンナノチューブのポリマー巻き付けに関するさらなる詳細は、O'Connell, et al., "Reversible Water Solubilization of Single-Walled Carbon Nanotubes by Polymer Wrapping," Chem. Phys. Lett., Vol., pp. 265-271, 2001及び"Polymer-Wrapped Single-Wall Carbon Nanotubes"（２００１年８月２３日に出願された国際特許公開WO 02/016257である）に見い出すことができ、この両方を本明細書において参考のために引用する。
【００３３】
界面活性剤もまた個々の単層カーボンナノチューブを懸濁のための非摂動コーティングとして使用することができる。“界面活性剤”は一般に極性及び無極性末端を有する分子であり、一般に界面で位置決めされて不混和性化学種同士の間の表面張力を低下させる。界面活性剤は、適切な溶媒媒質中でナノチューブを有するミセルアセンブリを形成することができる。水系中、界面活性剤分子の無極性尾部（tail）はナノチューブを囲繞しようし、界面活性剤分子はナノチューブから外へミセル様様式で車輪のスポークのように放射し、ミセルの外側表面の極性末端基は水性媒質と接触した状態になっている。陰イオン、陽イオンまたは非イオン性界面活性剤（陰イオン及び非イオン性界面活性剤はより好ましい）は適切な溶媒媒質中に使用できる。水は適切な溶媒媒質の例である。陰イオン界面活性剤の例としては、サルコシル（登録商標）ＮＬ（SARKOSYL（登録商標）NL）界面活性剤（サルコシル（登録商標）はチバガイギーＵＫ、リミテド（Ciba-Geigy UK, Limited）の登録商標である；サルコシルＮＬ界面活性剤のための他の命名法としてはＮ−ラウロイルサルコシンナトリウム塩、Ｎ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシンナトリウム塩及びナトリウムＮ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシネートが挙げられる）、ポリスチレンスルホネート（ＰＳＳ）、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ドデシルスルホン酸ナトリウム（ＳＤＳＡ）、ナトリウムアルキルアリルスルホスクシネート（ＴＲＥＭ）及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。使用できる好ましい陰イオン界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）である。使用できる陽イオン界面活性剤の例としては、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド（ＤＴＡＢ）、セチルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）、セチルトリメチルアンモニウムクロリド（ＣＴＡＣ）及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。使用できる好ましい陽イオン界面活性剤の例はドデシルトリメチルアンモニウムブロミドである。非イオン性界面活性剤の例としては、サルコシル（登録商標）Ｌ界面活性剤（またＮ−ラウロイルサルコシンまたはＮ−ドデカノイル−Ｎ−メチルグリシンとして周知である）、ブリジ（登録商標）（BRIJ（登録商標））界面活性剤（ブリジ（登録商標）はＩＣＩアメリカズ、Ｉｎｃ．（ICI Americas, Inc.）の登録商標である；ブリジ界面活性剤の例はポリエチレングリコールドデシルエーテル、ポリエチレングリコールラウリルエーテル、ポリエチレングリコールヘキサデシルエーテル、ポリエチレングリコールステアリルエーテル、及びポリエチレングリコールオレイルエーテルである）、プルロニック（登録商標）（PLURONIC（登録商標））界面活性剤（プルロニック（登録商標）はＢＡＳＦコーポレーションの登録商標である；プルロニック界面活性剤はポリエチレン及びポリプロピレングリコールのブロックコポリマーである）、トリトン（登録商標）−Ｘ（TRITON（登録商標）-X）界面活性剤（トリトン（登録商標）は、以前はローム・アンド・ハースＣｏ．（Rohm and Haas Co.）が所有した登録商標であり、現在はユニオン・カーバイド（Union Carbide）が所有している；トリトン−Ｘ界面活性剤の例とし���は、アルキルアリールポリエテテルアルコール（alkylaryl polyethether alcohol）、エトキシル化プロポキシル化Ｃ８〜Ｃ１０アルコール、ｔ−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコールｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテル、及びポリオキシエチレンイソオクチルシクロヘキシルエーテルが挙げられるこれらに限定されるものではない）、トゥイーン（登録商標）（TWEEN（登録商標））界面活性剤（トゥイーン（登録商標）はＩＣＩアメリカズ、Ｉｎｃ．の登録商標である；トゥイーン界面活性剤としては、ポリエチレングリコールソルビタンモノラウレート（またポリオキシエチレンソルビタンモノラウレートとして周知である）、ポリオキシエチレンモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタントリステアレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート、ポリオキシエチレンソルビタントリオレエート、及びポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテートが挙げられるがこれらに限定されるものではない）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。使用できる好ましい非イオン性界面活性剤はアルキルアリールポリエテテルアルコールであり、トリトン−Ｘ（登録商標）界面活性剤として商業的に周知である。
【００３４】
単層カーボンナノチューブの製造及び分散させて個々のチューブにすることを促進するために、ナノチューブ及び非摂動コーティング溶液の例えば界面活性剤溶液は高剪断混合にさらされる。明瞭かつ簡潔にするために、同じかまたは同様の条件は他の非摂動コーティングに適用されることを理解した上で、界面活性剤は非摂動コーティングの模範例として使用されよう。分散系をさらに促進するために、ナノチューブ−界面活性剤溶液は音波処理または超音波処理にさらされることができる。
【００３５】
単層カーボンナノチューブの分散系を形成した後に、個々に分散したナノチューブは、束になって分散しているナノチューブ及び他の非ナノチューブ固形物から分離される。遠心分離及び超遠心分離は、ロープ化ナノチューブ及び金属性不純物を個々に分散したナノチューブから分離するのに適した手段である。遠心分離を用いて、分散したナノチューブ束及び金属性触媒粒子（通常黒鉛質炭素オーバーコートの１つ以上の層を有する）は、遠心分離管の底部で沈降中に濃縮し、一方個々に分散したナノチューブは上澄み中に懸濁したままである。
【００３６】
上澄みは、保護非摂動コーティングによって囲繞される様々な個々の単層カーボンナノチューブタイプを含む。界面活性剤の場合には、コーティングはミセル配置でナノチューブを囲繞することができる。水性媒質中、陰イオン界面活性剤がミセルを形成する場合に、無極性尾部成分はミセルの中央の方を向き、負電荷を有する一方極性頭部（head）は外を向き、ミセルの表面にある。陰イオン界面活性剤が個々のナノチューブを囲繞する場合に、ミセル配置は同様であり、ただしナノチューブはミセルの中央にあり、界面活性剤の無極性尾部によって囲繞される。ナノチューブ包囲ミセルの外部の部分は、水系中の従来のミセルにおけるように、界面活性剤の極性頭部を含む。
【００３７】
個々に分散したナノチューブを次にナノチューブタイプに従って分離することができる。分離を成し遂げるために、電荷をナノチューブに与える。１具体例においては、ナノチューブを水性環境中に懸濁させ、ここで、ナノチューブはミセル様式で配置された界面活性剤分子によって囲繞される。水系中、プロトン化によって電荷をナノチューブに与えてよい。プロトン化を、ナノチューブの表面の近くでまたは表面でのプロトン（Ｈ＋）の接近した会合と定義するものとする。プロトン化はまた、ナノチューブの表面の近くでまたは表面でプロトンと会合することができるイオンまたは他の分子種を包含することができる。例えば、ナノチューブ包囲ミセルは様々な化合物及びイオンによってプロトン化することができ、化合物及びイオンとしては、ヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋）、塩酸（ＨＣｌ）、フッ化水素酸（ＨＦ）、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、硝酸（ＨＮＯ３）、フルオロ硫酸（ＦＳＯ３Ｈ）、クロロスルホン酸（ＣｌＳＯ３Ｈ）、メタンスルホン酸（ＣＨ３ＳＯ３Ｈ）、トリフルオロメタンスルホン酸（ＣＦ３ＳＯ３Ｈ）、発煙硫酸（Ｈ２ＳＯ４／ＳＯ３）及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００３８】
プロトン化は、ナノチューブの化学反応性、電子的及び光学的性質並びに電場中の移動度を変更する。理論によって限定されるものではないが、プロトン化はナノチューブのバンドギャップエネルギーに従って選択的に実行することができ、ナノチューブをタイプによって選択し、分離する手段を提供する。プロトン化方法は容易に可逆的であり、その結果一旦分離完了したらカーボンナノチューブはその初期の状態に戻すことができる。タイプによるナノチューブの分離及び単離は、新たな組成物を表す巨視的量を製造するための同じ（ｎ，ｍ）型を有する個々の単層カーボンナノチューブの濃縮を可能にする。巨視的量を少なくとも約０．０１μgの量と定義する。
【００３９】
様々なナノチューブタイプの選択的なプロトン化を、懸濁したナノチューブの溶液のpHを変化させる及び／またはナノチューブを特定のガスの例えばＣＯ２にさらすことによって行うことができる。酸性条件下で、選択的なプロトン化はナノチューブ表面の電荷を変化させる。プロトン化はまた、他のものと比較して、特定の直径ナノチューブの他の特性を変化させ、従って分離において利用することができる特性の差を生成する。特定のタイプを有するカーボンナノチューブは、プロトン化方法の最中に優先的にプロトン化する。例えば、単層カーボンナノチューブの混合物中、金属性ナノチューブは最初にプロトン化するが、最大バンドギャップエネルギーを有する最小直径ナノチューブは最後にプロトン化する。バンドギャップエネルギーの関数としてナノチューブ表面の電荷を変化させることは、様々な異なる手段によるナノチューブの分離を可能にし、こうした手段としては、クロマトグラフィー、電気泳動、及び例えばナノチューブの巨大分子会合または巻き付けによる選択的な非共有結合官能基化が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００４０】
選択的なプロトン化は、単層カーボンナノチューブを溶液中に懸濁させ、溶液のpHを予め設定した値に低下させることによって行うことができる。個々のpH値は、より大きなバンドギャップでより小さな直径の半導性ナノチューブと比較して、より小さなバンドギャップの金属性ナノチューブのプロトン化の程度を決定することができる。
【００４１】
ナノチューブの分離は、各ナノチューブの電子的性質に基づいて、ナノチューブの構造及びキラリティーに依存し、これらによって決定される。ナノチューブを個々に分散させた後に、ナノチューブ分散系のpHをpH７を超える塩基性条件に調節する。pHを上記の塩基性条件に調節することは、塩基の例えば水酸化ナトリウムまたはトリス塩基緩衝液（また（トリス−ヒドロキシメチル）アミノメタンとして周知である）を用いて便利に行われる。ナノチューブの第１のフラクションは、酸を加えてpHをほぼ中性に低下させることによってプロトン化される。金属性ナノチューブはほぼ中性の条件下でプロトン化し、従って、最初にプロトン化するナノチューブである。半導性ナノチューブは影響されない。第１のプロトン化されたフラクションの分離は、完全な混合物が電気泳動分離にさらされることによって成し遂げられる。電場の存在下で、プロトン化されたナノチューブはその構造に比例して場中を様々な速度で移動する。プロトン化条件下で、ナノチューブの移動及び分離は、分光学の手段の例えばラマン、共鳴ラマン、吸収、ルミネセンス及びこれらの組合せによって監視することができる。
【００４２】
選択されたナノチューブの場合、近−ＩＲ検出を使用して、ナノチューブの分離を監視することができる。半導性ナノチューブは、近赤外でルミネセンスを発することが見い出された。ルミネセンスはプロトン化条件下で観察されないので、近−ＩＲ蛍光による半導性ナノチューブの分離の監視は、非プロトン化半導性ナノチューブの蛍光を監視することによって行うことができる。塩基性条件下で及びほぼ中性のpHで、大部分の半導性ナノチューブは非プロトン化されたままであり、近−ＩＲで蛍光を発しよう。pHを低下させると、特定の半導性ナノチューブはプロトン化し、蛍光を発しないだろう。蛍光はプロトン化と共に減少しようし、非プロトン化半導性ナノチューブのみから放出されよう。プロトン化を用いるナノチューブの分離を監視する関連する方法は、ナノチューブの吸収スペクトルを監視することである。
【００４３】
十分な移動時間後に、プロトン化されたナノチューブは分離して同様なタイプのナノチューブのフラクションになろうし、さらに使用するために集めることができる。様々な波長で同調可能なラマン分光法またはラマンを使用して、各ナノチューブフラクションから生じる各（ｎ，ｍ）型のナノチューブを同定することができる。溶出の同時及び補充監視は、溶出したナノチューブの吸収及び蛍光スペクトルを集めることによって行うことができる。分離し、集めた後に、プロトン化はpHを調節して塩基性条件に戻すことによって逆転することができる。
【００４４】
単層カーボンナノチューブの第１のフラクションの分離後に、ナノチューブの第２のフラクションをプロトン化するために、より多くの酸を加えることによって非プロトン化ナノチューブのpHを低下させる。pHを低下させると、半導性ナノチューブはプロトン化し始めよう。金属性チューブとは異なり、半導性ナノチューブは、エネルギー状態にバンドギャップを有することでキャラクタリゼーションされる。約pH５で、より小さなバンドギャップの半導性ナノチューブはプロトン化する。得られた混合物は再度電場にさらされ、ここで、プロトン化されたナノチューブはその構造に依存する速度で移動する。十分な移動時間後に、プロトン化されたナノチューブは分離して同様なタイプのナノチューブのフラクションになろうし、さらに使用するために集めることができる。プロトン化された状態にある場合に、様々なフラクションへのナノチューブの分離は、可変波長ラマン及び近−ＩＲ蛍光及び吸光光度法によって監視することができる。半導性ナノチューブの様々なフラクションを集めた後に、チューブを可変波長ラマン分光法によって類別してよい。
【００４５】
ナノチューブタイプの混合物のさらなる分離は、pHをさらに低下させることによって得ることができる。より低いpHの例えばpH３で、最大バンドギャップを有する半導性ナノチューブ（最小直径の半導性ナノチューブに対応する）はプロトン化しよう。再度、得られたナノチューブ混合物は電場にさらされ、分離する。より初期の分画と同様に、プロトン化されたナノチューブは、その構造に依存する速度で電場を通って移動する。十分な移動時間後に、プロトン化されたナノチューブは分離して同様なタイプのナノチューブのフラクションになろうし、さらに使用するために集めることができる。プロトン化された状態にある場合に、ラマン並びに近−ＩＲ吸収及び蛍光分光法を使用して、様々なフラクションへのナノチューブの分離を監視することができる。半導性ナノチューブの様々なフラクションを集めた後に、チューブを様々な波長で同調可能なラマン分光法またはラマンを使用して類別してよい。
【００４６】
別の具体例においては、ナノチューブタイプの混合物の分離を段階的に行うことができ、これはpHを低下させて特定のナノチューブフラクションをプロトン化し、電場を印加して、プロトン化されたナノチューブを分離し、非プロトン化フラクションのpHをさらに低下させ、その結果別のフラクションをプロトン化し、電場を印加し、その結果プロトン化されたナノチューブの第２のフラクションを分離することによる。残存している非プロトン化フラクションの部分をプロトン化するためにpHを低下させ、電場を印加する工程は、ナノチューブの全混合物がプロトン化され、分離されるまで、交互に行うことができる。
【００４７】
別の具体例においては、ナノチューブの分離を連続的に行うことができ、これは、pHを連続的に低下させ、同時に電場を印加し、別個のナノチューブフラクションを集めることによる。分離は、適切な波長を使用してラマン分光法によって監視することができる。分離されたナノチューブは、ラマン分光法によって同定することができる。
【００４８】
１具体例においては、プロトン化されたナノチューブは電場中の示差的移動によって分離する。このタイプの分離技術の例としては、キャピラリー電気泳動、キャピラリー通電クロマトグラフィー、ゲル電気泳動、濾紙電気泳動、これらの変形例及び組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。キャピラリー電気泳動（ＣＥ）はまた、キャピラリーゾーン電気泳動（ＣＺＥ）として周知である。キャピラリー電気泳動においては、試料を電解液を充填したキャピラリーに加え、電流にさらす。溶液中の帯電したナノチューブは陽極または陰極に向かって移動し、また電気浸透流れ（電極のうちの１つに向かう緩衝液イオンの移動）によってキャピラリーを通って運搬される。従って、分離はナノチューブの電荷及びサイズの両方に基づくことができる。キャピラリー通電クロマトグラフィー（ＣＥＣ）においては、試料をシリカゲル固定相を充填したキャピラリーの上に負荷し、その結果電流の存在下で、分離は電気泳動的及びクロマトグラフ的の両方である。キャピラリー電気泳動はプロトン化されたナノチューブの分離のための好適な具体例である。典型的には、電場の強度は約０．１kV及び約３０kVの範囲内である。
【００４９】
別の具体例においては、ナノチューブタイプの集団を選択的にプロトン化するために、酸素の存在下でpHを約７から約３に低下させることによって個々に懸濁したナノチューブの懸濁液を含む流体のpHを調節することによって、カーボンナノチューブをタイプによって分離することができる。金属性ナノチューブはほぼ中性の条件でプロトン化し、半導性ナノチューブを影響されないままにする。pHを約５に低下させると、小さなバンドギャップの半導性ナノチューブが次にプロトン化する。約pH３で、全ての残存している半導性ナノチューブがプロトン化する。
【００５０】
選択的なプロトン化後に、ナノチューブを分離して、プロトン化されたかまたは反応したナノチューブを非プロトン化または未反応のナノチューブから除去する。分離する方法としては、電場の印加、選択的な結合、選択吸着、クロマトグラフィー、及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されるものではない。キャピラリー電気泳動はナノチューブを分離する好ましい方法である。ナノチューブを分離した後に、水酸化ナトリウムまたは他の適切な塩基を用いてpHを塩基性条件の例えばpH１０に上昇させることによって、ナノチューブの全てのフラクションをその初期の状態に戻すことができる。
【００５１】
別の具体例においては、強酸を使用する方法によって、金属性ナノチューブをカーボンナノチューブの混合物から分離することができる。理論によって限定されるものではないが、強酸は金属性ナノチューブの優先的なイオン化を生じ、電気泳動、示差的溶媒和または示差的懸濁方法によってその分離を可能にするようである。非水性媒質中では、強酸を溶液相として使用できる。強酸は金属性ナノチューブを優先的にイオン化し、これを電気泳動タイプの分離を受けやすくする。金属性単層カーボンナノチューブを優先的にイオン化するために使用することができる強酸の例としては、酸の例えばトリフルオロメタンスルホン酸（ＣＦ３ＳＯ３Ｈ）、濃硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、塩酸（ＨＣｌ）、フッ化水素酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ３）、フルオロ硫酸（ＦＳＯ３Ｈ）、クロロスルホン酸（ＣｌＳＯ３Ｈ）、メタンスルホン酸（ＣＨ３ＳＯ３Ｈ）、及び発煙硫酸（Ｈ２ＳＯ４／ＳＯ３）が挙げられるがこれらに限定されるものではない。合成したまままたは精製された単層カーボンナノチューブ材料を強酸を用いて処理することができ、強酸中の金属性ナノチューブの選択的な溶媒和、強酸からの電着、及び強酸媒質中の電気移動法をはじめとする様々な異なる技術を使用して金属性ナノチューブを分離して、半導性タイプから分離された高濃度の金属性ナノチューブを与えることができる。フラクションを分離されたフラクションとして沈殿させ、洗浄して過剰の酸を除去し、ろ過して固形物を除去することができる。
【００５２】
方法の他の具体例は、ナノチューブ分離にとって必要な時間を低減するための最適化されたパラメータ及び多量のナノチューブ材料に対処するための規模を変更した方法を含むと思われる。試料の初期出発pHは、分離の時間及び効率の両方に影響する。従って、所望の用途のための分離要件に依存して、出発試料の初期pHは酸性の例えばpH５となる可能性がある。初期ナノチューブ試料のpHはまた塩基性範囲内にあり例えばpH１０となる可能性がある。
【００５３】
所望の分離を実現するために、ナノチューブの分離を様々な様式で行うことができる。特定の分離条件を使用して、特定のチューブタイプの分離を促進してよい。他の分離条件を用いて分離を促進するかまたは別個のナノチューブタイプ若しくはフラクション同士の間の分離度を増大させてよい。１具体例においては、ナノチューブの分離は様々な温度で行うことができるかまたは温度はナノチューブの分離の間中ランプさせることができる。例えば、分離は約１０℃及び約４０℃の範囲内の温度で行われる可能性がある。
【００５４】
他の具体例においては、ナノチューブ試料及び緩衝液において使用される界面活性剤媒質は同一または異なるとすることができる。様々なタイプ及びpHを有する緩衝液がナノチューブの分離のために使用される可能性がある。ナノチューブ試料及び緩衝液のイオン強度は、懸濁した混合物のものから界面活性剤の臨界ミセル濃度に調節される可能性がある。キャピラリー壁の官能基化もまた使用して、選択的な結合または特定のナノチューブ種との相互作用を促進することができる。キャピラリー両端に加えた０から１０psiまでの圧力勾配及び印加した場のランプの使用は、他の可能な具体例である。場の方向はまた注入末端で負（−）及び出口で正（＋）に逆転することができる。
【００５５】
分離工程の別の変形例は分離手段のタイプを含む。例えば、ゲル電気泳動、選択的な巻き付けまたは結合、続いて溶媒移動、クロマトグラフィーまたは帯電した及び非帯電のナノチューブの競合吸着によって、ナノチューブを分離する可能性がある。
【００５６】
巨視的量の特定の（ｎ，ｍ）−型カーボンナノチューブは新たな組成物を表す。選択されたナノチューブタイプは、ナノチューブの混合物のものとは異なる類のない別個の特性を有する。このような特定のナノチューブで構成される物質の特性を選択することができ、選択されたナノチューブの量を調節して、所望の特性を提供する特定のナノチューブタイプの組合せを得ることができる。全ての新規なクラスの物質はナノチューブをタイプによって分類することで生成され、物質の特性は、事実上、調節可能であり、同調可能である。
【００５７】
本発明は、新たな特性を有する新たな組成物を与えるために個々のカーボンナノチューブを分離する方法を提供する。新たな物質は巨視的量のタイプ−分類単層カーボンナノチューブからなる。一般に、巨視的量のタイプ−選択ナノチューブは少なくとも約１５％の選択された（ｎ，ｍ）型のナノチューブ、すなわち、特定の（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを含む可能性がある。好ましくは、巨視的量は少なくとも約３０％の特定の（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約５０％の特定の（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約７０％の特定の（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約９０％の特定の（ｎ，ｍ）ナノチューブタイプを含むと思われる。タイプ選択ナノチューブは狭い範囲の電子的性質、または、特定の量の選択されたタイプのナノチューブを効果的に組合せることによって同調できる可能性がある範囲の特性を有すると思われる。
【００５８】
別の具体例においては、金属性タイプナノチューブを半導性ナノチューブから分離する。金属性ナノチューブは、所望により、特定の（ｎ，ｍ）型に従ってさらに分離される可能性がある。金属性タイプによるさらなる分離を用いても用いなくても、巨視的量の金属性ナノチューブは整列し、伝導性繊維またはナノチューブワイヤになる可能性があり、この伝導率は銅と拮抗する可能性がある。束になったナノチューブのいずれでも金属性であり、ロープまたはワイヤの長手方向の軸に沿って金属性チューブに接触している場合、ナノチューブのロープまたは束の繊維またはナノチューブワイヤは伝導性と思われる。このような用途のために金属性ナノチューブの濃度少なくとも約１５％は好ましいと思われる。金属性ナノチューブは半導性ナノチューブから分離する可能性があり、その結果単層カーボンナノチューブの巨視的量の得られた物質は少なくとも約１５％の金属性−タイプナノチューブを含むと思われる。好ましくは、巨視的量は少なくとも約３０％の金属性−タイプナノチューブを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約５０％の金属性−タイプナノチューブを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約７０％の金属性−タイプ単層カーボンナノチューブを含むと思われる。より好ましくは、巨視的量は少なくとも約９０％の金属性−タイプ単層カーボンナノチューブを含むと思われる。ナノチューブロープの製造方法を含む例は、"Method of Making Ropes of Single-Wall Carbon Nanotubes"（２００１年２月６日に発行された米国特許第6,183,714号）に見い出すことができ、本明細書において参考のためにその全体を含む。
【００５９】
高い特異性を有して巨視的量の任意の単層カーボンナノチューブタイプを分離する能力を用いて、さらに多くの任意の選択されたナノチューブタイプを成長させることための種としてタイプ−選択チューブを使用することが可能である。ナノチューブをナノチューブ種から成長させる方法の例は、"Process Utilizing Pre-formed Cluster Catalysts for Making Single-Wall Carbon Nanotubes"（２００２年１０月１０日に公開された国際特許公開WO 02/079082）に見い出すことができ、本明細書において参考のためにその全体を含む。この技術は、本出願において開示するものと共に、タイプ−選択単層カーボンナノチューブのバルク製造を可能にする。このような製造は大量用途の例えば複合材料において有用であり、ここで材料の特性は少なくとも部分的にはタイプ−選択ナノチューブの特性に由来する。例は電気的及び熱伝導性ポリマー複合体を含む。単数または複数の電気的または電磁応答を有する材料は、少なくとも部分的には、タイプ−選択ナノチューブの特性に由来する。本発明によって可能になる別の用途は、タイプ−選択単層カーボンナノチューブを利用する電気回路及び電子回路の大規模製造である。巨視的量のタイプ−特異的ナノチューブ材料の可用性は、ナノメートルスケール電子回路の大量生産を可能にする。特定のタイプ−選択単層カーボンナノチューブは、１つ以上の電子装置の要素として役立つことができ、こうしたものとしては、他の装置との間の相互接続、抵抗、キャパシタ、ダイオード、トランジスタ、通過要素、変換器、アテニュエーター、熱伝達装置、メモリ要素、アンテナ、熱電装置、ピエゾ装置、マイクロ波回路、方向性結合器、光電子装置、電気化学装置、燃料電池電極、燃料電池膜、光電池電極、光電池能動要素、回路基板、及び電子回路に関連する熱伝導要素が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００６０】
選択されたナノチューブタイプのルミネセンスを利用する光学センサー
ラマン分光法を使用して、全ての（ｎ，ｍ）ナノチューブの個々の直径及び立体配座を決定することができ、ナノチューブの決定的な同定を、様々な波長の入射放射を用いる可変波長ラマン分光法またはラマンを使用して行うことができるが、煩雑で複雑な分析を含む。現在、新たに発見されたルミネセンス、特に、選択された単層カーボンナノチューブの近−ＩＲ蛍光を使用して、様々な（ｎ，ｍ）ナノチューブの分析を促進することが可能である。電磁スペクトルの近−ＩＲ領域を使用する能力は、化学的及び物理的環境の関数としてカーボンナノチューブの検知及び監視を含むナノチューブのための広く様々な従来周知ではない用途、装置、及び使用の可能性を開く。近−ＩＲ蛍光を例えば、ナノチューブの混合物の組成を迅速に分析し、特性をまとめ、便利に決定するための補充方法として使用できる。近−ＩＲ蛍光もまた、分離されたタイプ−選択ナノチューブを使用して検出器または監視装置において使用することができる。他に、分離しない場合でさえも、近−ＩＲ蛍光を使用して、ナノチューブの組成の特性をまとめることができる。後者の能力は、製造したままのナノチューブの迅速な“フィンガープリント”方法として特に有用であり、品質管理技術として使用される可能性がある。
【００６１】
ナノチューブの特定の（ｎ，ｍ）型またはフラクションを分離する能力を、近−ＩＲ蛍光検出の容易で有用であり強健な能力と組み合わせて、さらに広い様々な可能な用途を提供する。半導性ナノチューブを選択し、近−ＩＲ蛍光を検出の便利で有用な無侵襲手段として使用することは、生体系におけるインビトロ用途を含む多くの用途のためのセンサーとしてのナノチューブの使用を可能にする。近−ＩＲは組織を変更も破壊もせずに生体系を透過できる能力有し、従って、生体系中の単層カーボンナノチューブを検出するための便利な無侵襲方法として使用される可能性がある。
【００６２】
ルミネセンスを発しない金属性ナノチューブとは異なり、半導性ナノチューブタイプは放射を吸収し、近−ＩＲでルミネセンスを発することができる。ルミネセンスは、蛍光、リン光、ホトルミネセンス、発光の他の形態、熱ルミネセンス、エレクトロルミネセンス及びこれらの組合せを包含することができることに留意されたい。半導性ナノチューブの場合、ナノチューブの直径及びキラリティーは電子バンドギャップを決定し、従ってナノチューブが入射光子を吸収し、ホトルミネセンスを示す波長を決定する。ナノチューブルミネセンスはナノチューブの電子環境に非常に依存するので、半導性ナノチューブは広く様々な異なる用途及び使用のための変化した電子または化学的環境を監視及び検知するための非常に鋭敏なプローブである。加えて、半導性ナノチューブは例えば一方または両方の末端で１つ以上の官能基を用いて誘導体化することができ、その結果ナノチューブがその電子的識別特性を保存する。官能基化ナノチューブは、半導性構造のルミネッセント特性が理由となって、系における指標として使用でき、ここで官能基は集合し、反応するかまたは優先的に吸収されてよい。
【００６３】
タイプ−選択ナノチューブの使用を最適化し、選択された半導性ナノチューブの迅速な検出に対処するために、励起及び蛍光放出周波数を可変レーザー周波数を使用してラマンシフトと相関させて、各特定の（ｎ，ｍ）チューブタイプとの一致を決定した。放出周波数は電磁スペクトルの近−ＩＲ部分（すなわち、波長７００nm及び２０００nmの範囲内）の全てであるようであるが、励起周波数は近−ＩＲから、可視（すなわち、波長４００nm及び７００nmの範囲内）を通って、電磁スペクトルの紫外部分（すなわち、約３００nm及び約４００の範囲内の波長を、幾つかの小さな直径の半導性ナノチューブの励起のために使用する可能性がある）の範囲にさえにわたることができる。構造帰属決定及び理論の詳細は、Bachilo, et al., "Structure-Assigned Optical Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes, "Science, Vol. 298, Dec. 20,2002, p. 2361-2365、に与えられ、これを本明細書において参考のためにその全体を含む。表１は、選択された（ｎ，ｍ）半導性ナノチューブの放出及び励起周波数並びに予測及び観察ラマン動径ブリージングモード周波数（ＶＲＢＭ）との相関を与える。
【００６４】
【表１】
2005527455.tif 000003
【００６５】
【表２】
2005527455.tif 000004
【００６６】
例えば上記に与えた相関によって選択された（ｎ，ｍ）ナノチューブの素性を確定した後に、吸収及びｎ−ＩＲ蛍光を選択的なプロトン化または他の分離手段によるナノチューブの分離を監視するための分光学の手段として使用できる。近−ＩＲ蛍光を選択的なプロトン化と共に使用する場合、非プロトン化半導性ナノチューブは蛍光を発しよう。半導性ナノチューブがプロトン化された場合、蛍光を観察するために、ナノチューブのプロトン化は、例えばＮａＯＨを加えることによってより高いpH条件に逆転することができる。個々のナノチューブタイプを迅速に同定する能力の他に、近−ＩＲ蛍光を使用して、ナノチューブの個々のフラクションを分離すること無くナノチューブ混合物をキャラクタリゼーションすることができる。この具体例においては、ナノチューブを、ナノチューブをコーティングし、単離することができるポリマー、界面活性剤または他の分子を有する液体媒質中に分散させる。懸濁液を、例えば剪断混合、音波処理またはこれらの組合せによって激しく撹拌し、その結果個々のナノチューブをコーティングし、懸濁する。個々に懸濁したナノチューブを遠心分離によってナノチューブのロープ及び他のより緻密な種から分離し、ここで個々に懸濁したナノチューブは上澄み中にあるままである。遠心分離から回収した上澄みを適切な励起周波数を用いて走査することによって、特定の試料中の半導性ナノチューブの組成（すなわち、素性及び量）を決定することができる。この手順は、ナノチューブ試料が製造された時にキャラクタリゼーションする迅速な方法として使用される可能性があり、例えば品質管理ツールとなる。
【００６７】
半導性ナノチューブが近−ＩＲ光学周波数範囲で蛍光を発する能力は非常に有用であり、迅速な検出方法を提供し、検知及び検出の新たな広範囲な領域（生体系における非破壊的または最小侵襲センサーとしてさえも）を可能にする。近−ＩＲの励起放射線を使用し、放出放射を検出することができるという利点のうちの１つは、生体系を透過する能力であり、その結果ナノチューブを有するプローブ、センサー及び検出器は、細胞、組織、界面膜、及び生物さえも含む生体系中に使用できる。
【００６８】
１具体例においては、複数の単層カーボンナノチューブは、ナノチューブを互いとの相互作用から単離できるポリマー、界面活性剤または他の部分と混合する。ナノチューブに単離コーティングをコーティングまたは巻き付けるために、混合物は激しく撹拌される。混合した系を遠心分離して、ナノチューブの束またはロープ及び他の不純物を沈降中に凝集し、一方個々にコーティングした単層カーボンナノチューブは上澄み中にあるままであり、傾瀉することができる。所望により、ナノチューブを（ｎ，ｍ）型によって分離してよいかまたは分離して（ｎ，ｍ）ナノチューブの群を含むフラクションしてよい。好ましくは、金属性チューブをプロトン化し、混合物は電気泳動分離にさらすことによって、半導性ナノチューブを金属性ナノチューブから分離し、ここで、金属性ナノチューブは電場中を移動し、半導性チューブから分離する。半導性チューブは、混合した半導性チューブの群として、または半導性チューブのさらに分離されたサブセットとして、または個々の（ｎ，ｍ）型半導性チューブとしてさえも、半導性ナノチューブのための検出体として近−ＩＲ蛍光を使用して様々な用途において使用できる。
【００６９】
ナノチューブの分光学的特性、特にルミネセンス特性は、そのナノスケール環境に対して非常に鋭敏である。ナノチューブ表面の化学的吸着物質はこうした分光学的特性を変更することができ、従って、半導性ナノチューブは、吸着したガス、液体及び固形物のための鋭敏な光学的検知手段を提供する。ナノチューブは、化学的に並びに物理的に結合した置換基に応答し、これを使用して、その環境の一般的な状態（例えば、pH、温度、流れ、圧力及び流体力学及び組成の変化であるがこれらに限定されるものではない）を検知することができる。これはまた、例えば電気的及び／または熱的ルミネセンスによって、光学的励起を受け取り、電子及び熱エネルギーをその環境に送達することができる。
【００７０】
ナノチューブは、それ自体の状態及び会合度に対して鋭敏であり、状態（例えば、水懸濁液中のミセル内部の包囲、巻き付けポリマー、タンパク質、またはＤＮＡによる封じ込め、及び他の材料の例えば酸による挿入が挙げられるがこれらに限定されるものではない）を検知することができるという点でまた自己監視である。ナノチューブは異なるチューブタイプとの自己会合に対して分光学的に鋭敏である。例えば、金属性ＳＷＮＴが半導性ＳＷＮＴに接近している場合、半導性ナノチューブのルミネセンス応答が著しく低減するであろうのみならず、吸収及びラマンスペクトルはまた変更しよう。ナノメートルによって分離する場合でさえ、ナノチューブは互いのこの接近を双極子−双極子結合によって検知することができ、その結果ナノチューブのルミネセンス特性は影響されることができる。各タイプのナノチューブはその環境中で独特に挙動するので、様々な異なるタイプのＳＷＮＴの使用は環境に関するデータのマトリックスを提供することができる。
【００７１】
その小さなナノメートルサイズが理由となって、センサー装置中のタイプ−選択半導性単層カーボンナノチューブは、状態を無侵襲または最小侵襲光学プローブによって検知することができる。ＵＶ、可視または近−ＩＲの光は、ナノチューブの励起に対処したものである。好ましくは、光源は近−ＩＲである。光源は光ファイバーによって伝導することができる。放出されたかまたはナノチューブから戻る光を波長鋭敏な手段によって検出し、分光分析する。その結果として得られる分光学的情報は、ナノチューブ並びに化学的及び物理的環境に関する情報を提供する。
【００７２】
１具体例においては、個々に分散し、単離され、その結果他のナノチューブと接触した状態になっておらず、所望によりタイプ−選択カーボンナノチューブは、容器（例えばマイクロ流体装置中のキャピラリーフロー管または混合チャンバが挙げられるがこれらに限定されるものではない）内部の液体中に懸濁する。容器は、近赤外のものを含む光に対して透明な窓または構造を備える。
【００７３】
光源の例えば従来の源またはレーザーの例えばダイオードレーザーを使用して、懸濁したナノチューブを含む容器に光ファイバー及び／または従来の光学によって光を送達する。光がナノチューブに当ると、ナノチューブは光の幾らか吸収し、半導性ナノチューブはルミネッセントになり、蛍光を放出する。透過光はまた、ナノチューブ環境に関する分光学的情報を含む。
【００７４】
ルミネッセント光を光ファイバー及び／または従来の光学によって集め、分光分析のために分光計に送達する。様々な放出された波長を検出し、スペクトルをコンピュータに記録する。同様の装置セットアップもまた使用して、ラマン散乱及び吸収分光分析から分光学的情報を得ることができる。
【００７５】
吸着及び溶存ガスの例えば二酸化炭素の検出及び検知に適した装置の１具体例は、水性媒質中に分散させた単離した単層カーボンナノチューブである。７８０〜７９０nmの範囲内の赤色光を放出するダイオードレーザーは光ファイバーによって伝達され、光学的に透明な手段を装備した容器に焦点を合わせられる。多くのシリカに基づくガラスはこの目的に適している。容器は、例えばドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）ミセル中の封じ込めたカーボンナノチューブを含み、これは少なくとも幾つかのは水中に個々に懸濁（すなわち、ロープまたは束としてではなく）するように製造されている。得られる蛍光及びラマン散乱光を光学レンズによって集め、１つ以上の光ファイバーによって分光計に伝達する。散乱レーザー光はフィルター手段によって拒絶される。放出光線は分散し、アレイ検出器の例えばインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）検出器または電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラによって検出される。電子信号をコンピュータによって記録し、その結果ラマン散乱の場合には放出光線の強度を波長または周波数シフトの関数として相関させる。
【００７６】
放出光線は、蛍光特徴のスペクトルまたはピーク（約８７０nm〜約１４００nmに延在する）を含む。様々な直径のナノチューブは様々な波長を放出し、より大きな直径を有するナノチューブは一般により長い波長を放出する。分子がナノチューブの壁の上に吸着する場合、こうしたスペクトル特徴は変更される。吸着物質分子の濃度が増大すると、より長い波長特徴は一般に最初に変更される。
【００７７】
多くの分子種と同様に、二酸化炭素（本明細書において吸収されたガスの例として使用する）が水中に存在する場合、捕捉される蛍光スペクトルは変更しよう。より低い濃度では、より大きなナノチューブに由来するより長い波長の放出は最初に減少し、濃度が次第に増大すると共に単調に減少する。濃度が増大すると、より長い波長の蛍光は消える。次第に高濃度になると共に、より小さなナノチューブから生じるより短い波長の蛍光が次に減少する。信号強度は、吸着したガスの無いナノチューブの場合の参照スペクトルと比較される。二酸化炭素吸着物質または他のガスまたは液体の濃度を次に決定することができる。ＳＷＮＴの水懸濁液が様々なレベルの溶解した二酸化炭素にさらされると分光学的特性は変化するので、ナノチューブは定量的センサーのための基礎を提供する。
【００７８】
同様な装置及び手順を使用して、ナノチューブ試料の組成及び囲繞する環境条件（例えば、酸性度のファクター、溶存ガス、液体、及び固形物の濃度、温度等が挙げられるがこれらに限定されるものではない）を測定することができる。
【００７９】
ＳＷＮＴセンサーを化学的“鼻”として使用して、吸着物質の例えばオゾン、二酸化炭素、アンモニア、ハロゲン、窒素酸化物、酸素、並びにまた空気及び水中の環境汚染物となり得る他のかなり反応性の種を監視することができる。ＳＷＮＴセンサーはまた、細胞に基づく化学センサー、脂質二重層中のセンサー、触媒表面のセンサー、酵素に付着または相互作用するセンサーとして、マイクロ−反応器、マイクロ流体、マイクロ電子用途において使用することができる。その上、ＳＷＮＴセンサーを使用して、溶解した液体を監視することができ、この液体は特に電子ドナー−アクセプター結合または水素結合する傾向があるものの例えばケトン、アルコール、エーテル、カルボン酸、エステル、アミド、ヒドロキシル含有分子、及び置換芳香族化合物である。これをまた使用して、溶解または懸濁した固体材料の例えばポリマーを監視し、消光物質としても働いてよい金属性種の結合を監視することができる。
【００８０】
本発明の幾つかの具体例は化学的用途に関し、ここで、ＳＷＮＴセンサーは、酸、塩基、または任意の他の反応物を加える、消費した時の光学的滴定監視装置を提供する。他の具体例においては、ＳＷＮＴセンサーは、インシトゥ監視装置を提供して、反応進行を追跡する。本発明の幾つかの具体例においては、周知の様々なＳＷＮＴサイズを、pH、流れ、温度、酸化電位、及び光にさらしたことによる変更のための多波長センサーとして使用できる。幾つかの具体例においては、ナノチューブ表面に吸着されない分子は、分離されたナノチューブ同士の間のエネルギー移動の倍音消光によって検出することができる。さらに別の具体例においては、選択されたナノチューブをプローブまたはポリマー挿入剤として使用して、散乱光の偏光によるポリマーにおける整列度を監視できる可能性がある。
【００８１】
ＳＷＮＴセンサー／プローブを使用する方法は医用生体用途を含むことができる。このような用途は、生体組織及び細胞物質は本質的に、近赤外（ＮＩＲ）に周波数を有する光に対して透明であるという事実から利益を得る。こうした方法は上記に説明した化学的用途の主としてマイクロスケール用途である。こうした方法は、隣接するタンパク質表面の発色団、核酸他の発色団が理由となって蛍光強度及び／または寿命の変化を測定することを含む。特に大きな発色団を有する分光学的吸収種、例えばポルフィリンを含むものは、変更した蛍光によって検出可能であろう。他の医用生体用途は蛍光信号に基づくサイトメトリータイプ分類を含む。接着タンパク質、細胞等を有する小滴中のＳＷＮＴは変化した寿命または強度を示し、選択され、分離されることができる。本発明のさらに他の具体例においては、カーボンナノチューブはモノクローナル抗体に付着することができ、ルミネセンス分光法を使用して、ナノチューブ局在化度を監視することができる。パルスＩＲレーザーを次に、悪性腫瘍に対する選択的熱変性及び局在化された損傷のために使用することができる。
【００８２】
本発明の具体例においては、カーボンナノチューブを使用して、界面活性剤濃度を測定することができる。カーボンナノチューブ監視装置は、こうした場合ＳＤＳ応答に基づいて、薬物送達、輸送及びミセル相互作用に関する非常に正確な情報を与えることができる。ＳＷＮＴセンサーは多孔質膜表面に取り付けられて流通装置を生成する具体例においては、界面活性剤、対イオン、及び電解液の濃度を一般に連続的にリアルタイムで検出することができる。これは流体混合、流れ、せん断効果、層流挙動、及び膜を横切るガス流束の監視を可能にする。
【００８３】
ＳＷＮＴセンサーを使用する方法はさらに、ＳＷＮＴ状態を監視を含むことができる。このようなセンサーを使用して、凝集、束、ロープ、繊維または膜中のナノチューブタイプ、直径、キラリティー、長さ、並びにこのような特性の分布を決定することができる。ＳＷＮＴセンサーを使用して、吸着物質、汚染物、化学的的結合種、酸化、金属触媒、他のフラーレン種、他の炭素汚染物の存在、純度、長距離規則度及び不規則度、及び励起された電子散乱種を決定することができる。ＳＷＮＴセンサーを使用して、ナノチューブのロープ、膜、及び束中の挿入種の存在及び量を決定することができる。これを使用して、偏光ラマン及びレイリー散乱によってナノチューブ繊維及び膜の整列度を決定することができる。これを使用して、自己会合度、及び半導性ナノチューブと凝集した金属性ナノチューブの存在を決定することができる。これを使用して、ＳＷＮＴがポリマーで“巻き付けられた”かまたは陰イオンミセルの例えばＳＤＳ、陽イオンミセルの例えばドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、または中性ミセルの例えばトリトン−Ｘ中に取り入れられた程度を監視することができる。これをまた使用して、任意の電子−ドナーアクセプター（ＥＤＡ）または水素結合可逆吸着種の存在を監視することができる。
【００８４】
カーボンナノチューブセンサーを使用して、多数のＳＷＮＴ処理条件を測定、監視及び最適化することができる。こうしたものとしては、最適音波処理時間、温度及び環境を見い出すこと、分離方法の例えば基板表面への吸着、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）分離、膜に基づく分離、溶媒抽出、相の反転、及び磁気分離を監視することが挙げられる。
【００８５】
加えて、ＳＷＮＴセンサーを使用する他のより変化した方法としては、電気泳動、静電分離、クロマトグラフィー、ＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィー）、超臨界流体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー、及び磁気クロマトグラフィーの効力を監視すること；検知、通信、または計算のためのエレクトロルミネッセント源として及び検知用途のための光学能動回路要素のための光伝導性固形物としてナノチューブを個々にまたは薄膜または繊維で使用することが挙げられる。波長−選択された光を使用して、対応する吸収を有するナノチューブをプロトン化から保護することができ、その結果これはＰＶＰまたは別の材料を選択的に巻き付けることができる。この選択された直径のナノチューブを次に、他のナノチューブの混合物から物理的に分離する。レーザー光、特にパルスレーザー光の選択的な吸収は、ミセル及びポリマー巻き付けを破壊し得、その結果として選択的なフロッキングを生じ得る。本発明の他の具体例においては、伝達された単数または複数の波長を決定するナノチューブタイプの選択し、選択された直径及びタイプのＳＷＮＴを透明なマトリックス（例えばポリマー様ＰＶＰまたはガラス）または薄膜に入れ、これを特に近赤外で蛍光及び吸収フィルターとして使用できる。対応する吸収バンドを有する単一タイプのＳＷＮＴを用いて製造したこのようなフィルターを、レーザーラインブロッカーとして使用できる。
【００８６】
ＳＷＮＴセンサーをまた個々に液体中に分散させることができる。これをまた気体状環境中に“浮遊する”ように製造することができる。他の具体例においては、ＳＷＮＴセンサーをランダムにまたは配向させて基板に“固定する”。配向している場合、これは基板に対して平行、基板に対して垂直、または２つの組合せとすることができる。こうしたものは１つのみのナノチューブに依拠するかまたは複数のナノチューブに依拠し得る。
【００８７】
カーボンナノチューブの小さなサイズ、化学的不活性、及び物理的強健性は、こうしたものをマイクロ−ナノスケール流体含有装置のための並びに生細胞のためのインシトゥプローブとして有用にする。透明な手段が調べられる容器に一体化され場合に、例えば細胞壁の場合、追加の透明な手段を加える必要は無い。このような状況では、単一カーボンナノチューブがセンサーとして十分かもしれない。光ファイバーを介在レンズ無しで容器に直接に結合してよい。単モード光ファイバーは小さな体積からの最も有効な光の送達及び戻りを提供し、この場合には同じ光ファイバーは両方の機能に役立つことができる。マイクロスケール用途の例は、単一細胞の“ブリージング”を監視できる可能性がある。
【００８８】
本発明の具体例においては、調べられる液体中の懸濁液中ではなく光ファイバーの末端の上に単数または複数のＳＷＮＴを固定してよい。この形態で、これは“オプトロード（optrode）”または光学的検知プローブを構成する。囲繞する溶液中の生物学的材料によって変更した生存しうる細胞は、その二酸化炭素の発生を変化させようし、これはオプトロードによって検知することができる。この用途において、増大した感度を得るために同様なＳＷＮＴのクラスターまたは凝集体が存在するかもしれない。異なるナノチューブの凝集体を分離したままに保ってエネルギー移動を最小にすることは好ましい。このような凝集体は好ましくはある程度多孔質であるべきであり、その結果調べられる流体の挿入及び循環を可能にする。他の具体例は、励起を１タイプのＳＷＮＴに“注ぎ込む”ための異なるが非消光のナノチューブを利用し、ＳＷＮＴは囲繞するナノチューブの励起エネルギーを引き、それ自体の励起と比較して単一波長ピークに集中されたかなり増強された信号を示そう。これはカメラ及び分散体の代わりに単一検出器を用いること可能にしよう。
【００８９】
光学装置はまた放出ではなく吸収の原理で機能することがある。こうした具体例においては、光源はレーザーではなく広帯域または“白色光”である。幾つかのものにおいては、光ファイバーを通過する光は、で光ファイバーのプローブ末端でプリズム状手段中減衰全反射（ＡＴＲ）し得る。プリズムオプトロードの反射表面に付着したかまたはこの近くのカーボンナノチューブは波長の幾らかを吸収し、これは吸着物質のタイプ及び濃度に従って変化する。変更された分光学的信号は光ファイバーに及び分光計手段中に戻り、信号はコンピュータで処理される。流体中の溶解した物質のタイプ及び濃度を次に決定する。ＡＴＲ表面は容器の流体包囲体の一部分を含んでよく、またはこれに付着した単数または複数の生物学的細胞を有してよく、またはナノチューブを取り入れた組織と接触した状態になっていてよい。
【００９０】
特定の具体例においては、プローブは光ファイバーとしてよく、光はコア中を伝搬し、被覆を薄くするかまたは除去して微細な波（evanescent wave）が調べられる媒質中に伝搬することを可能にする。信号光は源光ファイバーまたは隣接する光ファイバーに戻る。光ファイバーは、その表面に付着したかまたは監視する囲繞する媒質中のナノチューブを有する。光伝導性手段はまた中空または円筒状としてよく、流体は通って流れ、少なくとも部分的に励起光の微細な波によって囲繞される。
【００９１】
さらなる具体例においては、ナノチューブはまた近赤外の光源を提供してよい。同様なナノチューブの薄膜アセンブリを、電流を用いて狭帯域赤外線ルミネセンスを提供するように製造することができる。ルミネセンス波長は光学的に励起した蛍光に見られるものに対応しよう。ナノチューブタイプの混合物は分光学的放出を変更することができる。こうした装置は、検知、光通信、及び計算用途のための有用な光源を提供することができる。これは、同調可能または波長調節可能な赤外線レーザー源を含む。このような光源の励起はレーザー、ランプ、ＬＥＤ照射、若しくはエレクトロルミネセンスまたはＳＷＮＴを通過する交流、誘導結合、若しくは直流からの直接電気的励起によることができる。より短い波長のレーザーの例えば周波数二倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（５３２nm）、及びアルゴンイオン（５１４または４８８nm）の使用は、金属性ＳＷＮＴに対する感度を向上させる。パルス照射または高周波変調は寿命測定のために利用されよう。
【００９２】
他の具体例においては、ラマン周波数シフト並びに強度変化の監視を使用して、囲繞する化学的環境を検知することができる。これは酸化及び還元の監視装置として使用するのに特に適しているようであり、周波数シフトはナノチューブの酸化（電荷求引）の場合に増大する。Ｇ’の２つのフォノンピークは側壁会合度と共に減少する。
【００９３】
本発明のＳＷＮＴセンサー装置を使用する方法において、カーボンナノチューブセンサーのための多くの追加の位置が存在し、例えば：（ａ）基板表面に定着させ、固定する；（ｂ）光ファイバー“オプトロード”の末端に固定する；（ｃ）エレクトロルミネセンスのための導電体及び電源に定着させる；（ｄ）電極表面に結合したＳＷＮＴ；（ｅ）エレクトロスプレーによって、またはレーザー融解懸濁によって注入されてガス流れ中に浮遊、ここでこれは次に吸着物質のためのガス流れに浮遊し、調べることができる；（Ｆ）多孔質ポリマーマトリックス中に液体またはガスのための支持体として埋込まれる（すなわち、ガスは通って流れ、これがナノチューブに接着すると蛍光を変更し、これは金属性チューブを使用する場合ポリマーをより伝導性にする）；（ｇ）高表面積ガスセンサーのためのエーロゲル及び低密度支持体表面のナノチューブ；及び（ｈ）高温センサーのための無機（例えば、セラミック）マトリックス中に埋込まれる。
【００９４】
他の具体例においては、光及び熱を使用して、ナノチューブ表面を清浄化し、検知能力を回復してよい。こうした場合の多くに、紫外及び／または光フラッシュ脱離法は吸着物質を除去することができる。カーボンナノチューブ及び光を使用して、ガスの例えば水素を発生させ、沸騰を促進する。
【００９５】
単層カーボンナノチューブの他に、近−ＩＲ吸収及び蛍光に基づくナノチューブ分離及びセンサーは、多層カーボンナノチューブ、並びに拡張パイ曇共役を有する他のナノチューブの例えば窒化ホウ素で製造されたものに適用可能であるとみなすべきである。二層カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブの例である。この場合には、１／９（両方のナノチューブ殻は金属性であろう）、４／９（両方の殻は半導性であろう）、及び４／９（１つの殻は半導性であり１つの殻は金属性であろう）という統計学的確率が存在する。少なくとも１つの金属性チューブを有するナノチューブ（全体の５／９）は、金属性ナノチューブのようにふるまい、蛍光を示さないと予想され、全体の４／９は近−ＩＲ蛍光挙動を示す可能性を有する。二層ナノチューブ及び他の多層ナノチューブの経済性及び可用性は、特定のセンサー用途のための費用効果的センサーを提供する可能性がある。
【００９６】
こうした装置及び装置はカーボンナノチューブの新たに発見された近赤外ホトルミネセンスに基づくので、これはホトルミネセンスを利用する最初の装置である。このルミネセンスは従来周知ではなく、従って本明細書において説明するホトルミネセンスを利用する実質的に全てのこのような用途は新規であると予想される。本発明は適切な製造による単層カーボンナノチューブを利用し、また著しく異なる鋭い吸収及び共鳴ラマン分光学の特徴を提供する；従って本明細書において説明する多くのこのような用途はまた新規であると予想される。こうしたナノチューブは物理的、化学的、及び光学的に非常に強健である。これは、マイクロ流体及び医用生体用途において使用するのに適した広く様々なインシトゥ及び無侵襲センサー並びに化学的“鼻”の開発に対処する。
【００９７】
カーボンナノチューブは適切に分離され、製造され、容器の例えばマイクロ流体装置中のキャピラリーフロー管または混合チャンバ内部の液体中に懸濁する。容器は、近赤外を含む光に対して透明な窓または構造を備える。
【００９８】
本発明の１具体例は、狭帯域または広帯域光源、光を送達する光学的手段、固定するかまたは監視され光を受け取ることができる媒質中に自由に懸濁した１つ以上のＳＷＮＴを有する、光学的に透明な窓または領域を備えてよい容器、光を集め、分光計に伝達するための光学的手段、１つ以上の波長の光を選択でき分散、干渉計、または他の手段を利用する波長選択的機器、スペクトルの近赤外の領域の光を検出し、電気的信号に変換できる光鋭敏な検出器、アレイ検出器、またはＣＣＤ検出器、及び信号を記録し、分析するためのコンピュータで構成される装置である。
【００９９】
解離した単層カーボンナノチューブに依拠した装置は、特殊な製造を必要とし得る。ミセル懸濁液またはＰＶＰ若しくは他のポリマーを巻き付けたナノチューブは、幾つかの状況では幾つかの状況では懸濁液から出る傾向がある。自由浮遊センサー用途の場合、ナノチューブをそれに続く工程においてろ過することが必要かもしれない。
【０１００】
多くの他の化学的状態の変化をまた、ルミネッセントプローブを使用して検知することができる。幾つかの実施例としては、他の溶存ガスを監視、水中に溶解した他の液体の例えばアルコール及びケトンの存在を決定、及び溶解した固形物を検知することが挙げられるがこれらに限定されるものではない。ナノチューブの光伝導率の変化はまた、様々な吸着を用いて近−ＩＲ蛍光及び可視ピーク比の変化を比較することによって、吸着物質がナノチューブと近くに接触するとみなすことができる。
【０１０１】
以下の実施例を、本発明の好適な具体例を証明するために含ませる。下記の実施例において開示する技術は、本願発明者によって本発明の実施において満足に機能すると発見された技術を表し、従ってその実施のための好適な態様を構成するとみなすことができることは、当業者であれば了解されるはずである。しかしながら、当業者であれば、本開示を考慮して、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、開示され依然として同様なまたは類似の結果を得る具体例に多くの変更を行い得ることは了解されよう。
【実施例】
【０１０２】
実施例１
この実施例は、流体媒質中の個々の単層カーボンナノチューブの分散系の製造及び半導性−タイプ単層カーボンナノチューブからの蛍光の検出を証明する。高温高圧ＣＯ不均化プロセスから得た未精製のＨＩＰＣＯ（登録商標）単層カーボンナノチューブ製品（ＨＩＰＣＯはカーボン・ナノテクノロジーズＩｎｃ．、ヒューストン、ＴＸ（Carbon Nanotechnologies, Inc., Houston, TX）が所有する登録商標である）を、１時間の高剪断混合（ポリサイエンスＸ−５２０（Polyscience X-520））によって、２００mlの水性１重量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）界面活性剤溶液中に分散させた。得られた分散系をカップ−ホーン音波発生装置（cup-horn sonicator）コール・パルマーＣＰＸ−６００（Cole Palmer CPX-600）中で１０分間、出力レベル５４０Wで処理した。音波処理の直後に、試料を１２２，０００gで４時間遠心分離した（シュアスピン６３０スイングバケットローターを有するソバール１００Ｓディスカバリーウルトラセントリフュージ（Sovall 100S Discovery Ultracentrifuge with Surespin 630 swing bucket rotor））。上部の７５％〜８０％の上澄みを次に注意深く傾瀉し、典型的な質量濃度２０〜２５mg／リットルでミセル懸濁したナノチューブ溶液を与えた。幾つかの実験では、約１重量％の４０kDaポリ（ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）をＳＤＳ懸濁液に加えることによって、こうしたナノチューブ試料を、ポリマーの競合巻き付けのためにさらに処理した。原子間力顕微鏡法よる試料の分析は、大部分のナノチューブは長さ約８０〜約２００nm、平均長さ１３０nmであることを示した。この長さ分布は広範囲の源から得た強く音波処理したフラーレンナノチューブに典型的なものであり、音波処理誘発チューブ切断から生じると考えられている。しかしながら、こうした試料のスペクトル（ラマン特徴の例えば強い動径ブリージングモード（ＲＢＭ）及び１３３０cm−１近くの“不規則度ピーク”がほぼ無いことを含む）は、この音波処理はチューブ側壁を実質的に損傷していないことを強く示唆する。ＴＥＭ、Ｘ線回折、及びＲＢＭラマン測定は、ＨｉＰｃｏ単層カーボンナノチューブ直径に典型的なチューブ直径０．７〜１．１nmを示す。
【０１０３】
図２は、最密柱状ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）ミセルの１可能な形状に包囲された個々の単層カーボンナノチューブを示し、比重約１．０を有するがＳＤＳ−コーティングした７本のナノチューブ束の比重は約１．２であると思われる。遠心分離において、ナノチューブのナノチューブ束及び３〜５nm直径の残存鉄触媒粒子（各々炭素の１または２原子層でオーバーコーティングし、密度約２〜３g/cm３）は遠心分離管の底部で集合し、Ｄ２Ｏ（密度１．１g/cm３）中でさえも上澄みを個々のナノチューブで非常に豊富にする。
【０１０４】
個々のナノチューブのＳＤＳ懸濁液は、より穏和な音波処理によって製造したナノチューブ束の懸濁液よりもはるかに安定であることが見い出された。１重量％ＳＤＳ中の２０mg／リットルのナノチューブを含む試料は、７０に加熱し、最高４０％までのメタノール、最高２００nMまでのＮａＣｌ濃度、及び最高１０nMまでのＭｇＣｌ２濃度を加えて、２４時間を超える時間フロキュレーションせずに残存した。
【０１０５】
実施例２
この実施例は、１重量％ドデシル硫酸ナトリウム（９９．９％、シグマ−オールドリッチ（ＳSigma-ALDRICH）（ＳＤＳ）／Ｄ２Ｏ（９９．９％、ケンブリッジ・アイソトープＬａｂ．（Cambridge Isotope Lab.））溶液中の単層カーボンナノチューブの懸濁液のpHを変化させる影響を証明する。溶液pHを約pH１０．３から約３．８に低下させ、pH１０に戻して、界面活性剤懸濁した単層カーボンナノチューブをラマン、吸収及び蛍光分光法を使用して監視した。１NＮａＯＨまたはＨＣｌ（フィッシャー・サイエンティフィック（Fisher Scientific））のアリコートを加えて所望のpHに平衡させた。滴定を、空気にさらし、開口し、撹拌する三首２５０mlフラスコ中で実行した。平衡はラマンスペクトルの接線モードの一時的な変化を監視することによって確認した。２０mWレーザー強度をフラスコ中の溶液に焦点を合わせ、ラマン分光法をインシトゥでカイザー法ラマン分光計（カイザー・オプティカルＩｎｃ．（Kaiser Optical Inc.））を使用して実行した。
励起波長５３２及び７８５nmを用いた。溶液の１ml試料を各平衡pHでフラスコから除去し、吸光度スペクトルを島津ＵＶ−３１０１走査型分光光度計（Shimadzu UV-3101 Scanning spectrophotometer）を用いて記録した。pHを低下させると、ラマン特徴、吸収及び蛍光は選択的に減少した。一連のラマンスペクトルを図３Ａ〜３Ｇに与える。小さなバンドギャップの半導性ナノチューブ（図３Ｄを参照されたい）は、より大きなバンドギャップでより小さな直径の半導性ナノチューブ（図３Ｅ及び３Ｆを参照されたい）の前に最初にプロトン化する。０．１NＮａＯＨ塩基を加えてpHを１０．３に戻して上昇させることで（図３Ｈを参照されたい）、試料は図３Ａに示すような初期非プロトン化状態に戻すようである。光度スペクトルを図４Ａに示し、ここで吸収スペクトルは、変化（pH６、−０．１（線４０４）；pH５．４、−０．２（線４０３）；pH５．１、−０．３（線４０２）；pH２．５、−０．４．（線４０１））を示すためにpH８（線４０５）から一定値分岐している。図４Ｂは、２つの特定の半導性ナノチューブ、すなわち（１３，３）及び（１０，２）ナノチューブ（それぞれ線４０６及び４０７）の場合にpHの関数としての吸光度の図を示す。
【０１０６】
実施例３
この実施例は、選択的な電荷移動及びキャピラリー電気泳動を使用して、製造したままの単層カーボンナノチューブの混合物をタイプによって分離する方法を証明する。製造したままのＨＩＰＣＯ（登録商標）単層カーボンナノチューブ材料（ＣＯの高温高圧不均化によって製造した）を、水中の１重量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）陰イオン界面活性剤の溶液と混合し、５４０Wで超音波処理し、超遠心分離機に入れ、１２２，０００gの力で回転した。様々なタイプの個々の単層カーボンナノチューブの分布の均一混合物を含む上澄み（凝集した束、または“ロープ、”としてではなく）を傾瀉した。過剰のＳＤＳ界面活性剤を使用して、傾瀉物のイオン強度を約７０nMに調節した。濃ＨＣｌを加えることによって、ナノチューブ−ＳＤＳ溶液を酸性化してナノチューブプロトン化を達成した。ＨＣｌを加えた後のpHはpH３だった。ナノチューブ試料のイオン強度を調節し、所望のイオン強度で制御された量の界面活性剤、電解液及び対イオンを含む溶液中に入れた。
【０１０７】
過剰のＳＤＳ界面活性剤を加えることによってナノチューブ／界面活性剤傾瀉溶液のほぼ一致するイオン強度（７０nM）を有するように、トリス塩基（（トリス−ヒドロキシメチル）アミノメタン）（分子量１２１．１）を用いてpH８のトリス緩衝液を作製した。
【０１０８】
０．５psiの圧力を溶液に１５秒間加えることで、酸性化したナノチューブ／ＳＤＳ（pH３）溶液の試料を溶融シリカ毛細管（内径７５ミクロン、外径３７５ミクロン、及び長さ５０cm）中に射出して、約１．７cmのキャピラリーを試料で充填した。各末端を別個の緩衝液リザーバー、すなわち各々トリス緩衝液を充填した容器（体積約２ml）中に入れた。
【０１０９】
電場（１２０V/cmを超えない）をキャピラリーの両端に印加し、キャピラリーはサーモスタットによる温度制御によって一定温度２５℃で保持した。キャピラリーのいずれかの末端で白金コーティングした電極を各緩衝液リザーバー中に置くことによって、場を印加した。正（＋）電位をキャピラリーの入口末端で印加し、負（−）電位を出口末端で印加した。電場をゼロから作動強度５kVまで２分間にわたってランプさせ、約２．５時間一定で保持する。
【０１１０】
プロトン化されたナノチューブは、負に帯電した電極に向かって電気浸透流れによって流れた。ナノチューブは電場中をその電荷に基づいて様々な速度で移動した。誘起した流れと共に移動するにつれてナノチューブは分離し（タイプに基づいて）、同時に実効電荷の変動に基づいて阻害された。
【０１１１】
ナノチューブ移動及び分離を、ラマン散乱及び近−ＩＲ蛍光によって監視した。非プロトン化半導性ナノチューブのみが蛍光を発するだろうから、pHがこれをプロトン化ために十分に低くなるまで、近−ＩＲ蛍光は半導性ナノチューブに関して観察することができる。図５〜９は、pH５で電場の影響下で様々な所要時間でのナノチューブの分離の発生を示す。図５に示すように、電場が無くかつ圧力勾配のみの状態で、ナノチューブ試料の分離は観察されず、試料はキャピラリーを通って単一ピークとして移した。（図５において、線５０１は“Ｇ”ピークであり；線５０２はＲＢＭ”である）２３３cm−１；及び線５０３は９１２nmでの蛍光特徴である）。図５はまた全てのラマン散乱特徴及び蛍光特徴はほぼ一定の比で存在し、無視できる分離を示すことを示す。
【０１１２】
図６は、ゼロから５kVに２分にわたってランプとして次第に増大する電場を試料に印加し、次に圧力勾配を使用して試料を追い出した結果を示す。（図６において、線６０１は“Ｇ”ピークであり；線６０２はＲＢＭ２３３cm−１であり；及び線６０３は９１２nmでの蛍光特徴である）。初期ピークは分岐して双峰分布になった。図７に示すように、電場を３分間印加してさらに分離を増大させた。（図７において、線７０１は“Ｇ”ピークであり；線７０２はＲＢＭ２３３cm−１であり；及び線７０３は９１２nmでの蛍光特徴である）。
【０１１３】
図８及び９に示すように、圧力勾配がある場合とない場合とで電場を２時間印加して、試料を分離して双峰分布にすると、第２の濃縮したフラクションは高い量子収率を有した。図８は、pH５で圧力勾配を用いた分離を示す。（図８において、線８０１は“Ｇ”ピークであり；線８０２はＲＢＭ２３３cm−１であり；線８０３は９１２nmでの蛍光特徴であり、及び線８０４は８７０nmでの蛍光特徴である）。図９は、圧力勾配を用いない分離を示す。分離は再現性があり、ナノチューブ凝集の証拠を示さなかった（図９にいて、線９０１は“Ｇ”ピークであり；線９０２はＲＢＭ２３３cm−１であり；線９０３は９１２nmでの蛍光特徴であり、及び線９０４は８７０nmでの蛍光特徴である）。
【０１１４】
ナノチューブ懸濁液のpHをpH３に調節し、試料を電場にさらすことは、３つのピークを有するより広いナノチューブ分離を生じた。（図１０を参照されたい）。図１０は、選択されたラマン及び蛍光ピークで見たナノチューブの分離を溶出時間の関数として示す。（図１０において、線１００１は“Ｇ”ピークであり；線１００２はＲＢＭ２３３cm−１であり；線１００３は９１２nmでの蛍光特徴であり、及び線１００４は８７０nmでの蛍光特徴である）。“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、及び“Ｄ”は、それぞれ概略の溶出時間０．７５時間、１．２５時間、１．６時間及び１．８時間に対応する図１０のプロフィルを標識する。
【０１１５】
図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１ＩＤは、同じ概略の溶出時間、すなわち、それぞれ０．７５時間、１．２５時間、１．６時間及び１．８時間に測定し、図１０の時間軸の“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、及び“Ｄ”標識に対応するラマンスペクトルである。図１１Ａは約０．７５時間で測定し、初期のフラクションは蛍光を発しないナノチューブタイプであることを示すが、２１５、２２５及び２３３cm−１での共鳴増強動径ブリージングモードピークを示す。図１２Ａ及び１２Ｂは、それぞれ個々に分散した、ロープ化または未精製の単層カーボンナノチューブの場合の特性ブリージングモードピークのラマンスペクトル（レーザー波長７８５nmを使用して）を示す。図１２Ａは、個々に分散したナノチューブの場合の主な２３３cm−１ピークを示す。図１２Ｂは、ロープ化または凝集ナノチューブを示し、これは蛍光を発せず、ピーク２１５、２２５及び２３３cm−１の共鳴増強の劇的な損失を、可視になる２６６cm−１でのピークと比較して一致して示す。図１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄに示す後者の溶出フラクションは、蛍光強度によって決定して、大きなバンドギャップの半導性ナノチューブの増大した量子収率を示す。図１０のＣ点及び図１１Ｃは、約１５９０cm−１での蛍光対ラマン接線モード“Ｇ”ピークのピーク強度比を示し、これはカーボンナノチューブ試料に関して任意の従来記録されたよりもはるかに高い。
【０１１６】
実施例４
この実施例は、強酸を使用した単層ナノチューブタイプの混合物中の金属性ナノチューブの優先的イオン化を使用した単層カーボンナノチューブの分離を証明する。強酸は金属性ナノチューブを優先的にイオン化し、これを電気泳動タイプの分離を受けやすくする。金属性単層カーボンナノチューブを優先的にイオン化するために使用することができる強酸としては、酸の例えばトリフルオロメタンスルホン酸（ＣＦ３ＳＯ３Ｈ）、濃硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、塩酸（ＨＣｌ）、フッ化水素酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ３）、フルオロ硫酸（ＦＳＯ３Ｈ）、クロロスルホン酸（ＣｌＳＯ３Ｈ）、メタンスルホン酸（ＣＨ３ＳＯ３Ｈ）、及び発煙硫酸（Ｈ２ＳＯ４／ＳＯ３）が挙げられるがこれらに限定されるものではない。合成したまままたは精製された単層カーボンナノチューブ材料を強酸を用いて処理することができ、強酸中の金属性ナノチューブの選択的な溶媒和、強酸からの電着、及び強酸媒質中の電気移動法をはじめとする様々な異なる技術を使用して金属性ナノチューブを分離して、半導性タイプから分離された高濃度の金属性ナノチューブを与えることができる。影響を図１３Ａ及び１３Ｂに示し、これは、様々な酸を使用した、レーザー−オーブン製造ＳＷＮＴ材料及びＨＩＰＣＯ  ＳＷＮＴ材料（それぞれ図１３Ａ及び１３Ｂ）の場合の接線モードラマンピークでのアップシフトの図である。
【０１１７】
実施例５
この実施例は、半導性単層カーボンナノチューブの蛍光の変化をpHの関数として証明する。Ｄ２Ｏ中の１重量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）を作製した。製造したままのＨＩＰＣＯ（登録商標）単層カーボンナノチューブ材料（ロット番号ＨＰＲ４５、ライス・ユニバーシティ（Rice University）でＣＯの高温高圧不均化によって製造した）を１重量％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液と混合し、その結果ナノチューブの濃度は約１０mg/lだった。溶液を超音波処理して、個々の単層カーボンナノチューブを界面活性剤ミセル中に懸濁した。懸濁液を遠心分離して、ロープ化ナノチューブ、金属性不純物及び他のより高い炭素形態を沈降中に濃縮した。
【０１１８】
個々に懸濁したナノチューブを含む上澄みの蛍光スペクトルを、波長３５０nmを有する励起にさらした。懸濁液の蛍光スペクトルをpH７で集めた。Ｈ２ＳＯ４を用いてpH７からpH３までpHを段階的に低下させた。蛍光スペクトルを再度各pHで集めた。全てのスペクトルの複合物をpHの関数として図１４Ａに与える。（図１４において、線１４０１はpH３であり；線１４０２はpH４であり；線１４０３はpH５であり；線１４０４はpH６であり；及び線１４０５はpH７である）。半導性ナノチューブの漸進的なプロトン化によって、蛍光はpHと共に減少する。理論によるものではないが、半導性ナノチューブのプロトン化はより高いpHからより低いpHに進行し、最小バンドギャップの半導性ナノチューブから最大半導性のナノチューブのプロトン化に対応する。pH３で、半導性ナノチューブの全てはプロトン化し、蛍光信号は放出されない。図１４Ｂは、pHがpH４（線１４０６）からpH３（線１４１２）に低下する時の蛍光強度の減少（線１４０６−１４１２を参照されたい）を示す。
【０１１９】
実施例６
この実施例は、溶解した二酸化炭素を検出するためのＳＷＮＴセンサー装置を説明する。
個々のカーボンナノチューブは、蛍光を発し、光子吸収スペクトルに鋭いピークを与えるように製造されるような様式で処理されたナノチューブを指す。これはまたレーザー励起時により高い強度のラマン散乱を有する。こうした未精製で未処理のＨＩＰＣＯを得るために、単層カーボンナノチューブを高圧高温鉄触媒ＣＯ不均化によって製造した。こうしたものを重水（Ｄ２Ｏ）中の１重量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）と組み合わせて２００mg/lのナノチューブ溶液を作製した。溶液を１０分間音波処理し、２００，０００gで２時間超遠心分離し、次に傾瀉抽出した。０．１NＮａＯＨを使用してナノチューブ懸濁液をpH＝１０に調節し及び／または光及び不活性ガスパージにさらして消光成分をナノチューブから除去し、ファンホーベ特異点の独特の吸収特徴を得、強い共鳴ラマンピーク、及び強い蛍光特徴を近赤外に提供する。この方法は個々に懸濁したナノチューブを提供し、凝集または吸着した不純物による消光を最小にする。
【０１２０】
作製したナノチューブ懸濁液を、液体を撹拌するかまたは流すための手段を装備した閉じたガラス容器中に入れた。検出されるべきガスを容器中に導入した。温度、圧力、及び流量は標準的な実験室用装置を用いて監視した。７８５nmの範囲内の赤色光を放出するダイオードレーザーは光ファイバーによって伝達され、レンズを用いてガラス表面を通って懸濁液中のカーボンナノチューブを含む容器に焦点を合わせられる。
【０１２１】
得られる蛍光及びラマン散乱光を光学レンズによって集め、光ファイバーによって分光計に伝達する。散乱レーザー光はフィルター手段によって拒絶される。放出光線は分散し、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）アレイ検出器によって検出される。ＩｎＧａＡｓアレイ検出器は、赤外線にまで拡張される感度を有するのでまた適切である。検出器からの電子信号をコンピュータによって記録し、これはラマン散乱の場合には放出光線の強度を波長または周波数シフトの関数として提供する。
【０１２２】
スペクトルは、一連の蛍光特徴のスペクトルまたはピーク（約８７０nm〜約１４００nmに延在する）を示す。様々な直径のナノチューブは様々な波長を放出し、より大きな直径を有するナノチューブは一般により長い波長を放出する。分子がナノチューブの壁の上に吸着する場合、こうしたスペクトル特徴は変更される。吸着物質分子の濃度が増大すると、より長い波長特徴は一般に最初に変更される。
【０１２３】
多くの分子種と同様に、二酸化炭素が水中に存在する場合、これは捕捉されるスペクトルを変更しよう。より低い濃度では、より大きなナノチューブに由来するより長い波長の放出は最初に減少し、濃度が次第に増大すると共に単調に減少する。濃度が増大すると、より長い波長の蛍光は消える。次第に高濃度になると共に、より小さなナノチューブから生じるより短い波長の蛍光が次に減少する。信号強度は、吸着したガスの無いナノチューブの場合の参照スペクトルと比較される。二酸化炭素吸着物質または他のガスまたは液体の濃度を次に決定することができる。蛍光はまた、一般に電子ドナー−アクセプター（ＥＤＡ）結合できる酸素を有するものである吸着物質に対して鋭敏なより長い波長への“赤方シフト”を示す。
【０１２４】
スペクトルはまた共鳴ラマン特徴を有する。ブリージングモード及び強共鳴モードの例えば２３４cm−１の動径ブリージングモード（ＲＢＭ）特徴に対応する２００から３７０cm−１の範囲内の低周波シフトは、二酸化炭素濃度が増大するとかなり減少する。“Ｇ−ピーク（”約１５９２cm−１）はまた、約２６００cm１の２つのフォノン“Ｇ’−ピーク”モードと同様に減少する。約１３００cm−１の不規則度“Ｄ−ピーク”は増大する傾向がある。
【０１２５】
こうしたＳＷＮＴ検知装置は解離した単層カーボンナノチューブに依拠し、特殊な製造を必要とし得る。ミセル懸濁液またはＰＶＰ若しくは他のポリマーを巻き付けたナノチューブは、幾つかの状況では幾つかの状況では懸濁液から出る傾向がある。自由浮遊センサー用途の場合、ナノチューブをそれに続く工程においてろ過することが必要かもしれない。
【０１２６】
実施例７
この実施例は単層カーボンナノチューブを使用するpHのためのナノチューブに基づくセンサーを示す。その小さなサイズが理由となって、ナノチューブチップセンサーはナノスケール、界面センサーとして使用される可能性がある。センサーは、６６１−nm光を照射する光ファイバープローブ及びプローブの末端に単層カーボンナノチューブの表面を含む。プローブチップをpH測定のために溶液中に入れた場合に、溶液から生じたプロトンはナノチューブチップと相互作用する。励起光はナノチューブチップの蛍光を誘起する。pHに依存して、ナノチューブの幾つかは放出しようが、他は放射しないだろう。各々が光を放出する程度は溶液pHの直接関数である。光は軸を上がって別個の光ファイバーを通り、集めた光を分析する近−ＩＲ（赤外線）分光計に移動する。
【０１２７】
タイプ−選択ナノチューブを使用する特殊センサーを同じ様式で製造できるる可能性があり、選択されたpH限度、化学薬品または状態を検出する。
【０１２８】
実施例８
この実施例は様々な分子または分子種の例えばアミン、イオン、ヨウ素、臭素等を検知するための単層カーボンナノチューブの使用を示す。センサーは実施例６において説明したものと同様に構成される可能性がある。用途及び検出される化学的部分に依存して、放出ピークのシフトが監視される可能性がある。他の用途の場合、放出及び吸収ピークの減衰が監視される可能性がある。このようにして系は非常に強健である。プローブの小さなサイズが理由となって、界面検知はまたこうしたタイプのセンサーを用いて行われる可能性がある。濃度特異的センサーは、タイプ−選択ナノチューブを用いて製造される可能性がある。
【０１２９】
実施例９
この実施例は酸素（Ｏ２）を検出するための単層カーボンナノチューブの使用を示す。センサーは実施例６において説明したものと同様に構成される可能性がある。Ｏ２センサーの場合には、レーザーをプローブチップのバレルを通って指向して、測定前にナノチューブチップを清浄化する可能性がある。プローブを、酸性の溶液を有する包囲膜容器に入れる可能性がある。Ｏ２が表面で吸着されない限りは、ナノチューブは蛍光を発すると思われ、というのはＯ２の表面被覆は放出を系統的に低減するからである。従って、溶液中の酸素の量を測定することができる。プローブは、界面用途及び他の空間が限定された用途のために一定の割合で非常に細く製造される可能性がある（ナノメートルでさえも）。
【０１３０】
実施例１０
この実施例は悪性細胞（例えば、体内の癌細胞が挙げられるがこれに限定されるものではない）を検出するための単層カーボンナノチューブの使用を示す。単層カーボンナノチューブは、非共有結合単離部分の例えば生体適合性ポリマーを使用して溶液中に個々に分散する。生体適合性ポリマーの例としては、ポリエチレンオキシド及びポリプロピレンオキシドのポリマー及びコポリマーが挙げられるがこれらに限定されるものではない。ナノチューブは生体適合性ポリマー中に巻き付けられるかまたはコーティングされ。水性媒質の例えば水中に懸濁する。激しく剪断混合し、音波処理を溶液に施用して、ナノチューブの少なくとも幾つかを個々に懸濁させる。個々に懸濁したナノチューブを次に、混合物を超遠心分離し、上澄みを傾瀉することによって、結束ナノチューブ及び他の炭素質及び金属性物質から分離する。上澄み中の個々に懸濁したナノチューブは、生物学的ターゲッティング部分の例えばモノクローナル抗体または癌性若しくは他の悪性細胞に付着する他の部分と反応しよう。
【０１３１】
ターゲッティング部分を巻き付け、“タグ付け”した個々のナノチューブのための懸濁媒質は、生体適合性流体の例えば生理的食塩水溶液と交換されるか、または生体適合化剤を加えることによって適合性になって、巻き付けし、タグ付けしたナノチューブを生物中に導入する。一旦体内に入ったら、モノクローナル抗体または他の悪性細胞−結合部分は身体を通って移動し、標的悪性細胞に付着する。選択されたナノチューブタイプの場合、十分な移動及び付着のための時間が経過した後に、身体に適切な励起、組織を透過する能力が理由となって好ましくは近−ＩＲを照射し、近−ＩＲ蛍光放出に関して同時に走査する。蛍光の位置をマッピングし、これは悪性細胞に付着する標的部分を有するナノチューブの位置に帰する。悪性細胞のためのこのセンサーは、身体への最小侵襲で生物に使用できる。
【０１３２】
実施例１１
この実施例は悪性細胞（例えば、体内の癌細胞が挙げられるがこれに限定されるものではない）を検出し、これに照射するための単層カーボンナノチューブのインビトロ使用を示す。単層カーボンナノチューブを実施例１０におけるように製造し、その結果ナノチューブを生体適合性溶液中に個々に懸濁し、一般に非摂動生体適合性ポリマーでコーティングするかまたは巻き付ける。個々に懸濁したナノチューブを遠心分離によって他のナノチューブ束及び不純物から分離する。傾瀉した上澄み中の個々に懸濁したナノチューブは、生物学的ターゲッティング部分の例えばモノクローナル抗体または癌性若しくは他の悪性細胞に付着する他の部分と反応しよう。
【０１３３】
ターゲッティング部分を巻き付け、“タグ付け”した個々のナノチューブのための懸濁媒質は、生体適合性流体の例えば生理的食塩水溶液と交換されるか、または生体適合化試剤を加えることによって適合性になって、巻き付けし、タグ付けしたナノチューブを生物中に導入する。一旦体内に入ったら、モノクローナル抗体または他の悪性細胞−結合部分は身体を通って移動し、標的悪性細胞に付着する。選択されたナノチューブタイプの場合、十分な移動及び付着のための時間が経過した後に、身体に適切な励起、組織を透過する能力が理由となって好ましくは近−ＩＲを照射し、近−ＩＲ蛍光放出に関して同時に走査する。蛍光の位置は、悪性細胞に付着する標的部分を有するナノチューブに帰するもので、３Ｄ様式でマッピングすることができる。
【０１３４】
悪性細胞をマッピングする他に、ナノチューブに放射を吸収させ、加熱させる近赤外レーザーをナノチューブに照射することによって、悪性細胞を破壊し、照射してよい。悪性細胞と接触した状態になっているナノチューブの局在化加熱は、悪性細胞を熱壊死によって死なせる。ラマン分光法を使用して、ナノチューブの局所的温度を監視することができる。
【０１３５】
ナノチューブにターゲッティング部分を用いて“タグ付け”することに加えて、ナノチューブはまた薬物送達のためのビヒクルとして使用することができる。この場合には、モノクローナル抗体または悪性細胞部位で付着または集合するように設計された他の部分を用いてタグ付けしたナノチューブは、また悪性腫瘍に特異的な付着した薬物を有する。ナノチューブを加熱すると、付着した薬物はナノチューブから放されるように設計される。従って、悪性細胞は熱及び化学的プロセスの両方を使用して攻撃され、照射される。
【０１３６】
本明細書において開示し、主張する組成物及び方法の全ては、本開示を考慮して、過度の実験を行うことなく成し得るものであり、また実行し得るものである。好適な具体例の点から本発明の組成物及び方法を説明したが、本発明の概念、精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において説明する組成物及び方法に並びに方法の工程または工程の順序において変形例を適用してよいことは当業者には明白であろう。特に、化学的にかつ生理学的に関連する特定の物質を、本明細書において説明する物質の代わりに用いてよく、同じかまたは同様の結果が実現されると思われることは明白であろう。当業者には明白な全てのこのような類似の置換及び修正は、添付の請求の範囲によって定義される本発明の精神、範囲及び概念の範囲内にあるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】カーボンナノチューブのための命名法の図である。
【図２】ナノチューブの周りにミセル様式で配置された界面活性剤分子によって囲繞される単層カーボンナノチューブを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、pH１０．３に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、pH８．８に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、pH６．６３に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、pH５．９８に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｅ】図３Ｅは、pH４．５５に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｆ】図３Ｆは、pH４．０７に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｇ】図３Ｇは、pH３．８に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図３Ｈ】図３Ｈは、pH１０．３に調節した１％ＳＤＳ／Ｄ２Ｏ溶液中の個々に懸濁した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルを示す。
【図４】図４Ａは、吸収によって監視された、ＳＤＳ懸濁液中の個々に分散したカーボンナノチューブの分光光度滴定を示す。吸収スペクトルは、変化を示すためにpH８から一定値分岐している。図４Ｂは、２つの特定の半導性ナノチューブの場合の吸収の光度変化をpHの関数として示す。
【図５】pH３で電場を印加しない場合のキャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピークの監視を示す。
【図６】pH３で電場を印加して０から５kVに２分でランプさせた場合の、キャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピークの監視を示す。
【図７】pH３で電場を印加して０から５kVに２分でランプさせ、５kVで１分間保持した場合の、キャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピークの監視を示す。
【図８】pH５で電場を印加して０から５kVに２時間でランプさせた場合の、キャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピークの監視を示す。
【図９】pH５で圧力勾配を加えず電場を印加して０から５kVに２時間でランプさせた場合の、キャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピークの監視を示す
【図１０】pH３で電場を印加して０から５kVに２時間にわたってランプさせた場合の、キャピラリー電気泳動の最中の、プロトン化された単層カーボンナノチューブの試料に関するラマン及び近−ＩＲピーク蛍光の監視を示す。図における“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、及び“Ｄ”はキャピラリーを通る移動時間を表し、“Ａ”点で約０．７５時間、“Ｂ”点で１．２５時間、“Ｃ”点で１．６時間及び“Ｄ”点で１．８時間である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、キャピラリー電気泳動カラムから約０．７５時間で溶出したプロトン化された単層カーボンナノチューブの試料の場合のラマンスペクトルを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、キャピラリー電気泳動カラムから約１．２５時間で溶出したプロトン化された単層カーボンナノチューブの試料の場合のラマンスペクトルを示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、キャピラリー電気泳動カラムから約１．６時間で溶出したプロトン化された単層カーボンナノチューブの試料の場合のラマンスペクトルを示す。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、キャピラリー電気泳動カラムから約１．８時間で溶出したプロトン化された単層カーボンナノチューブの試料の場合のラマンスペクトルを示す。
【図１２】図１２Ａは、pH１０で個々の分散したＳＷＮＴ材料の場合の、単層カーボンナノチューブ動径ブリージングモードの範囲内のラマンスペクトル（７８５−nmレーザー波長を使用して）を示す。図１２Ｂは、pH１０でロープ化または未精製のＳＷＮＴ材料の場合の、単層カーボンナノチューブ動径ブリージングモードの範囲内のラマンスペクトル（７８５−nmレーザー波長を使用して）を示す。
【図１３】図１３Ａは、様々なプロトン化酸の存在下での、レーザー−オーブン製造単層カーボンナノチューブの場合の、接線モードピークでのラマンスペクトルアップシフトを示す。図１３Ｂは、様々なプロトン化酸の存在下での、ＨＩＰＣＯ（登録商標）単層カーボンナノチューブの場合の、接線モードピークでのラマンスペクトルアップシフトを示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、波長３５０nmで励起した半導性単層カーボンナノチューブから得た蛍光スペクトルをpHの関数として示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、波長３５０nmで励起した半導性単層カーボンナノチューブから得た蛍光スペクトルをpHの関数として示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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