(57)【要約】ナノ結晶を嵩高い有機分子、特にデンドロンでコーティングすることによって、ナノ結晶またはナノ粒子のコロイド状懸濁液を溶媒または固体マトリックス内に安定化するための方法を提供する。ナノ結晶を高密度の有機デンドロンコートでコーティングして、さらにデンドロン配位子を架橋することによって、ナノ結晶の酸化及び配位子の解離が避けられる。本発明により、ナノ結晶は過酷な精製及び加工に耐えることができる。それは各種のナノ結晶に規則的に施されてもよい。
2005519836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ粒子を溶液または固体マトリクス中に安定化する方法であって、
複数の配位子をナノ粒子に共有結合させることを含み、該配位子のそれぞれがナノ粒子結合部位と少なくとも１つの活性部位を持つものである方法。
【請求項２】
該ナノ粒子がナノ結晶である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該配位子が複数の活性部位を持つデンドロンである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
該配位子の該活性部位の架橋をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
該活性部位の該架橋が架橋剤の添加を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
該配位子の少なくとも１つの活性部位が疎水性である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
該配位子の少なくとも１つの活性部位が親水性である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
該ナノ粒子が無機元素及び無機化合物からなる群より選択される物質で構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
該ナノ粒子が金、銀白金、銅、イリジウム、パラジウム、ケイ素、ゲルマニウム、鉄、コバルト、ニッケル、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化亜鉛、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、硫化水銀、セレン化水銀、テルル化水銀、インジウムリン、ヒ化インジウム、窒化インジウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ガリウム、セレン化ガリウム、硫化ガリウム、セレン化インジウム、硫化インジウム、及びテルル化インジウムからなる群より選択される物質で構成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
該ナノ粒子が周期律表による第ＩＶ族、第ＩＩ族及び第ＶＩ族または第ＩＩＩ族及び第Ｖ族の元素の組合せで構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
該少なくとも１つの活性部位が、ヒドロキシル基、アミン基、エチレン基、ジピリジン基、カルボン酸基、カルボニル基、ハライド基及びエステル基からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
該ナノ結晶結合部位が、チオール、カルボン酸、アミン、ヒドロキシルアミド、ホスフィン、酸化ホスフィン、及びホスホン酸からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
溶液または固体マトリックス中の安定なナノ粒子であって、
ナノ粒子に共有結合された複数の配位子を含み、該配位子のそれぞれがナノ粒子結合部位と少なくとも１つの活性部位を持つものである安定なナノ粒子。
【請求項１４】
該ナノ粒子がナノ結晶である、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項１５】
該配位子が複数の活性部位を持つデンドロンである、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項１６】
該配位子の該活性部位が化学的に架橋されている、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項１７】
架橋剤をさらに含む、請求項１６に記載の安定なナノ粒子。
【請求項１８】
該配位子の少なくとも１つの活性部位が疎水性である、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項１９】
該配位子の少なくとも１つの活性部位が親水性である、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項２０】
該ナノ粒子が金、銀白金、銅、イリジウム、パラジウム、ケイ素、ゲルマニウム、鉄、コバルト、ニッケル、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化亜鉛、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、硫化水銀、セレン化水銀、テルル化水銀、インジウムリン、ヒ化インジウム、窒化インジウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ガリウム、セレン化ガリウム、硫化ガリウム、セレン化インジウム、硫化インジウム、及びテルル化インジウムからなる群より選択される物質で構成される、請求項１３に記載のナノ粒子。
【請求項２１】
該ナノ粒子が貴金属、遷移金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物、第ＩＶ族、第ＩＩ族及び第ＶＩ族または第ＩＩＩ族及び第Ｖ族からの元素の組合せで構成される、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項２２】
該少なくとも１つの活性部位が、ヒドロキシル基、アミン基、エチレン基、ジピリジン基、カルボン酸基、カルボニル基、ハライド基及びエステル基からなる群より選択される、請求項１３に記載の安定なナノ粒子。
【請求項２３】
該ナノ結晶結合部位が、チオール、カルボン酸、ヒドロキシルアミド、ホスフィン、アミン、酸化ホスフィン、及びホスホン酸からなる群より選択される、請求項１３に記載のナノ粒子。
【請求項２４】
生物医学検出試薬であって、
請求項１に記載の方法で生成された安定なナノ結晶と、
生物検体を検出するように設計された化合物であって、該ナノ結晶と該化合物が相互に共有結合する化合物とを含む生物医学検出試薬。
【請求項２５】
該化合物がイムノアッセイでの使用のための抗体である、請求項２４に記載の試薬。
【請求項２６】
該化合物がポリヌクレオチドハイブリダイゼーション反応での使用のためのポリヌクレオチドプローブである、請求項２４に記載の試薬。
【請求項２７】
請求項１に記載の方法により生成された安定なナノ粒子であって、光または電子励起時に光照射を放出するナノ粒子を含む、レーザーまたはＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術の背景
１.技術分野
本発明は、溶液中にナノ結晶コロイドを安定化させるための有機配位子の使用に関する。より詳細には、本発明は、コロイド状懸濁液または固体マトリクスにおけるナノ結晶の酸化、劣化、沈殿及び分離を防止するための、配位子、特に架橋配位子の使用に関する。
【０００２】
２.先行技術
ナノテクノロジーは、産業界で最も急速に成長している分野の１つである。マイクロデバイスは無数の用途を有している。現在、ナノ材料の合成及び加工の背後にある化学現象は、研究科学者が注目する２つの主要な分野である。ナノ材料が容易く合成及び加工されれば、ほぼすべてのデバイスをナノスケールで作成することができる。
【０００３】
コロイド状ナノ結晶は、溶媒または他の種類のマトリクス中に分散した、対応するバルク結晶のナノメートルサイズの断片である。それらは、その新規のサイズ依存特性及び潜在的に柔軟な加工化学作用のために、さまざまな用途に関して調査されている多くの材料の１つである。ある場合において、ナノメートルサイズの粒子は結晶性材料でなくてもよい。ナノ結晶及びナノ粒子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、バイオアッセイの標識及び他の用途のホストとしての使用に将来性を示している。高品質のナノ結晶の合成、特に半導体として使用するためのカルコゲニドナノ結晶の合成における最近の発展は、これらのナノ結晶を維持及び処理する方法の必要性を強調してきた。ナノデバイスや他のナノ構造でナノ結晶を利用するためにナノ結晶を加工する適切な方法が不可欠である。たとえば半導体ナノ結晶のサイズ依存性発光特性により、それらは生物医学用途のための標識試薬として、及びＬＥＤならびにレーザーにおける変色性発光材料として非常に望ましいものとなっている。
【０００４】
従来の光ルミネセンスベースの標識試薬と比較して、半導体ナノ結晶は、非常に貴重な利点を備えている。非常に狭いが、サイズ依存性であるバンド−エッジ発光スペクトル及び極めて広い吸収スペクトルによって、半導体ナノ結晶は現在の検出スキームを著しく容易にする。半導体ナノ結晶の発光は、光学放射下での従来の有機染料よりも長く、大きさを持続することができる。ごく少数の種類の半導体ナノ結晶のサイズを変更するだけで、検出ウィンドウは異なる数十の有機染料と同じ波長範囲を網羅することができる。
【０００５】
加えて、異なるサイズ／種類の半導体ナノ結晶を生物機能種と結合させるための接合化学現象は、カップリング反応が常に配位子層の外部表面で発生するために、潜在的に同じでありうる。このことはすでに、亜硫酸亜鉛シェル及びチオール−シリカ配位子層を持つセレン化カドミウムナノ結晶によって示されている。あいにく本プロセスは、再現することが非常に困難であり、生じるナノ結晶は急速に劣化して、次の精製手順にはあまり適さない。
【０００６】
場合によりキャッピング基または界面活性剤などとも呼ばれる、コロイド状ナノ結晶の表面上の配位子は、識別可能な２つの部分を備えたある種の有機分子である。分子の一方の部分は、無機ナノ結晶（またはナノ粒子）の表面に化学的に結合可能であり、もう一方の部分は、ナノ結晶（またはナノ粒子）が溶媒またはマトリクスに分散するのを助ける。
【０００７】
ナノ結晶はチオール配位子の損失により、溶液から沈殿することが多い。この問題を軽減する１つの方法は、安定性を向上させるために、ジチオール配位子を使用することである。あいにく、本プロセスはなお困難であり、ナノ結晶はなお比較的迅速に劣化する。
【０００８】
ナノ結晶に関する重要な問題の１つは、迅速に酸化してその独自の特性を失う傾向である。ナノ結晶に関する別の問題は、低い溶解度である。ナノ結晶は、そのサイズのために、コロイド状懸濁液中で維持される必要があり、まさにその特性により不溶性である。チオール配位子の使用は、これらの両方の問題を解決しようとする試みであった。
【０００９】
ナノ結晶の表面に配位子を結合させることによって、このことは酸化を立体的に妨げると考えられてきた。配位子は酸化に対してわずかな影響を持つが、現在まで、ナノ結晶に所望の用途に必要な安定性を付与することはできていない。
【００１０】
同様に配位子はこれまでに、ナノ結晶のコロイド状懸濁液を維持することにおいて不本意であることがわかっている。所望の疎水性または親水性特性を持つ官能基は、配位子の末端に結合して、実際にコロイド状懸濁液を維持するのに役立っている。しかし、配位子は解離するため、コロイドの寿命は比較的短い。
【００１１】
それゆえ、ナノ結晶のコロイド状懸濁液を非常に長時間維持する方法を提供することが望ましい。
【００１２】
ナノ結晶の酸化を防止する方法を提供することも望ましい。
【００１３】
発明の概要
本発明において、デンドロン配位子ナノ結晶またはナノ粒子に結合され、引き続き架橋されることがある。配位子を架橋することにより、それらはナノ結晶周囲にさらに強く保持され、解離が防止される。加えて、嵩高いデンドロン配位子の架橋は、酸素分子が、ナノ結晶の酸化を促進するために十分に近づくことを防止する。
【００１４】
デンドロンは焦点を持つ高分岐有機分子である。本発明において、焦点は有機ナノ結晶またはナノ粒子の表面の結合部位として使用される。一般的に、デンドロンは規則的な分岐構造を持つ分子のみを指す。しかし本発明において、デンドロンは不規則に分岐した分子も含む。
【００１５】
本発明において、さらに一般的な単鎖配位子よりも多分岐デンドロンを使用することが好ましい。多分岐デンドロンは、単鎖配位子に勝る多くの利点を有する。追加の質量が酸化に対する保護を著しく向上させる。それはナノ結晶を懸濁させるために溶液と相互作用する官能基の数も増加させる。別の利点は、架橋のための追加の官能基を供給することである。
【００１６】
各デンドロン配位子は架橋可能な複数の官能基を持つため、架橋反応を完了させる必要がない。隣接デンドロン配位子と架橋した１または２の官能基によって、酸化速度は大きく低下し、解離が避けられる。無機ナノ結晶鉱石（ｏｒｅｓ）が所与の環境において化学的に安定であれば、本発明により保護されるナノ結晶は、無期限に持続するであろう。加えて、それら生物医学標識などの一部の用途で必要な過酷な処理や精製方法に、難なく耐えるであろう。
【００１７】
したがって本発明の目的は、溶液中のナノ結晶の酸化を低下させる方法を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、長期安定性を持つナノ結晶のコロイド状懸濁液を形成する方法を提供することである。
【００１９】
好ましい形態の詳細な説明
本発明は、無機ナノ結晶のコロイド状懸濁液の安定性を改善する、有機デンドロン配位子と他の嵩高い分子を開発することを目的としている。これらの分子の立体クラウディング（ｃｒｏｗｄｉｎｇ）特性と広範囲にわたる複雑な二級／三級構造のために、これらの配位子は高密度に充填かつ架橋されて、ナノ結晶を完全にコーティングする高密度の緻密な配位子層を形成する。これらのデンドロン保護ナノ結晶（ＤＰ−ナノ結晶）は、高度に安定なナノ結晶コロイド状懸濁液を形成する。さらにこれらのＤＰ−ナノ結晶は、生物医学や他の用途に必要なカップリング反応及び精製ならびに分離技法に難なく耐えるほど十分に安定している。当業者は、ナノ粒子結合部位（ＮＢＳ）と活性部位の官能基を変更することにより、これらの保護配位子を任意の種類の溶液または固体マトリックスにおける任意の種類のナノ結晶に作用させられることを認識するであろう。
【００２０】
「ナノ結晶」は、ナノメートルスケールの結晶性粒子を指す。本発明はナノ結晶に関して説明されているが、本発明は、結晶性であろうとなかろうと、任意のナノ粒子の安定化に使用することができる。当業者は、デンドロンの焦点でナノ粒子に共有結合することが可能な適切な官能基がある限り、そのことを認識するであろう。
【００２１】
「配位子」は、ナノ粒子を安定させるために使用される１またはそれ以上の鎖を持つ分子を指す。配位子は、ナノ粒子に結合する片端にある焦点と、周囲環境と相互作用するか、他の活性部位と架橋するか、その両方を行う、少なくとも１個の活性部位とを持つ。
【００２２】
「活性部位」は、１または２の機能を実施するよう設計された配位子における部位を指す。それらは通常、安定されているナノ粒子またはナノ結晶から最も遠い鎖の端に位置する。活性部位は、ナノ結晶が配置される環境により一部決定される。たとえば極性活性部位は極性環境で使用される。
【００２３】
「ナノ粒子結合部位」、「ナノ結晶結合部位」及び「ＮＢＳ」は、ナノ粒子またはナノ結晶に共有結合する配位子の焦点を指す。
【００２４】
本発明は、ナノ結晶周囲の配位子層の充填密度が、ナノ結晶の安定性を決定する重要な役割を果たすという発見から生じる。単鎖チオール配位子でコーティングされたＣｄＳｅナノ結晶が最初に研究された。結果は、チオールコーティングＣｄＳｅナノ結晶の安定性がチオール基の電子供与能力と関連していないことを証明した。したがってジチオール配位子は、分子内反応を通じてジスルフィドを形成する傾向が大きいため、ナノ結晶の光化学及び化学安定性を改善しない。単鎖炭化水素チオール配位子では、ナノ結晶−配位子錯体の光化学、化学及び熱安定性は、炭化水素鎖の長さだけによって決定される。結果はさらに、薄い配位子コートが、Ｏ２などの小型分子のナノ結晶と配位子との内部界面への拡散を減速することによって系を安定させることを示している。同じ結果は、チオールコート金ナノ結晶でも観察された。
【００２５】
本発明では、配位子タンパク質にかなりの嵩を加える、配位子または他の嵩高い分子の追加側鎖が、ナノ結晶コロイド状懸濁液の安定性の背後の駆動力であるという発見が生まれた。嵩に容積を加えることだけでナノ結晶のコロイド状懸濁液の安定性が著しく向上するが、多鎖配位子を架橋させることによって、ナノ結晶の安定性がさらに少なくとも一桁向上することが発見されている。
【００２６】
有機デンドロン配位子は、ナノ結晶表面上のアニオン／金属元素用の結合部位として使用される中央焦点を備えた、規則的な高分岐有機分子（図６の例）である。焦点から外部末端基までの１本の鎖に沿った分岐点の数は、デンドロンの生成数である。有機デンドロン配位子を選択する２つの理由がある。第一に、その立体クラウディング特性が、長く可撓性（ｆｌｏｐｐｙ）である単鎖を持つ配位子により形成されたシェルと同程度に有効である、密接に充填されているが薄い配位子シェルを供給しうる。重要なことに、デンドロン配位子がナノ結晶表面の円錐形を自然に充填するため、デンドロンの立体クラウディングは配位子層を充填するのにたいへん理想的である。第二に、比較的柔軟な分岐を持つデンドロンの分子間及び分子内鎖の絡み合いが、バルク溶液からの小型分子またはイオンの、ナノ結晶と配位子との界面への拡散をさらに減速させる。図２は、単純配位子とデンドロン配位子の場合の、バルク溶液からのＯ２の、ナノ結晶とその配位子シェルとの間の内部界面への拡散についての比較図である。デンドリマー内部にカプセル化された有機染料の光ルミネセンス効果の改善を説明するために、同様の機構が実際に提案された。
【００２７】
図１は、ＤＰ−ナノ結晶の概略図を示す。ナノ結晶２２は、多くの無機化合物のいずれから構成されてもよい。それは周期律表の第ＩＩ族と第ＶＩ族からの元素の組合せでも、第ＩＩＩ族及び第Ｖ族からの元素の組合せ、たとえばＣｄＳｅまたはＩｂＰでもよい。それは貴金属、遷移金属、金属酸化物などでもよい。当業者は、一部のさらに一般的なナノ結晶があることを認識するであろう。当業者は、実験室で容易に増殖されるどのナノ結晶も本発明に適していることも認識するであろう。
【００２８】
デンドロン２４は、ナノ結晶２２に共有結合するＮＢＳ２６を有する。ＮＢＳ２６は、多数の官能基のいずれでもよい。当業者は、一般に求核性官能基が、ナノ結晶への結合に最も適していること認識するであろう。すなわち、陰荷電または電子供与官能基が得てして、結晶への結合に最も適している。当業界では、この目的のためにはチオール官能基が大半の化合物半導体や貴金属に非常に適していることが既知である。当業者は、チオール及びアミノ官能基の両方が、半導体ナノ結晶、特に周期律表の第ＩＩ族及び第ＶＩ族または第ＩＩＩ族または第Ｖ族の元素の組合せにより形成されるナノ結晶に特に適していることを認識するであろう。チオールＮＢＳ基も、貴金属ナノ結晶への結合によく適している。酸化鉄、鉄、コバルト及びニッケルなどの磁気ナノ結晶では、カルボン酸、カルボキシルまたはヒドロキシアミン官能基を含むＮＢＳが好ましい。
【００２９】
デンドロン２４は、複数の分岐鎖を持つ有機分子である。デンドロンは当業界で既知の各種の有機化合物のいずれによっても形成されうる。この詳細な形態において、デンドロン２４は４の分岐を持つ。一般にデンドロンの分岐が増加すると、ナノ結晶はさらに効果的に安定化及び保護される。当業者は、デンドロン２４が持つ分岐が増えると、より小型の分子に対してさらに多くの立体障害が与えられることを認識するであろう。デンドロンの容積が増えると、酸化剤がナノ結晶に到達して、それを酸化することがより困難になる。このことはまた、酸化剤がＮＢＳ２６と反応することと、デンドロン２４が解離することを防止する。当業界では、単鎖のみを持つ配位子は一般に無効であることが既知である。以前は、単鎖配位子の無効性は、主としてチオールＮＢＳの不安定性によるものと考えられた。本発明の重大な特徴の１つは、単鎖配位子の無効性が主として、ナノ結晶を効果的にコーティングできないことによるという発見である。デンドロン２４などの多数の鎖を持つ配位子を利用することによって、ナノ結晶に対してはるかに高度の保護が与えられる。加えて多鎖デンドロンはそれ自体のＮＤＳを保護して、ナノ結晶への共有結合において、それを解離させる遮断剤によってあらゆる不安定性を軽減する。このことは、チオール基を配位子に加えることを含む、以前の試みよりも大きな改善である。
【００３０】
デンドロン２４の分岐の末端に、活性部位３０が位置している。活性部位３０は好ましくは２つの機能を果たす。第一にそれらは隣接環境、すなわちナノ結晶が懸濁されている溶液と相互作用する。ナノ結晶が水溶液または固体マトリックス中に配置されている場合、活性部位３０は好ましくは親水性である。あるいはナノ結晶が油性溶媒中に配置されている場合、活性部位３０は好ましくは疎水性である。当業者は、溶液の性質が望ましい活性部位を決定することを認識するであろう。
【００３１】
第二に、活性部位３０は好ましくは、デンドロン２４と架橋するために互いに相互作用する。当業者は、多種多様な架橋官能基が存在することを認識するであろうが、本明細書ではそのうち２、３についてのみ述べる。本発明の別の重要な側面は、デンドロン２４を架橋するために、活性部位３０を使用することである。このことは、デンドロン２４に、ナノ結晶コア２２の周囲に高密度に充填されたコーティングを形成させる。架橋は多鎖デンドロンと相乗的に作用して、ナノ結晶２２をさらに安定させる。デンドロンコーティングの密充填は、ナノ結晶−配位子錯体の酸化剤及び劣化または解離を引き起こす他の有害分子への耐性を著しく向上させる。さらにデンドロンのＮＢＳがナノ結晶２２へのその共有結合を解放したとしても、溶液にはならずに、むしろデンドロンコーティングの一部として残るであろう。このことは、デンドロンも架橋活性部位によって隣接デンドロンに共有結合されているためである。ナノ結晶をコーティングするために架橋した多鎖デンドロンを使用することによって、従来技術で見られた問題は本質的に消滅される。
【００３２】
図２は、多鎖デンドロンを使用することの利点を示す。ナノ結晶３６は、単鎖配位子４０によって保護される。あるいはデンドロン保護ナノ結晶３８は、多鎖デンドロン４２によって保護されている。配位子４０は、酸化剤４４を立体的に阻害するには不十分である。デンドロン４２が架橋されていなくても、その容積により、剤４４がナノ結晶４６の表面に到達することが阻止される。単鎖配位子４０は、ナノ結晶４８の表面に容易く到達する剤４４を立体的に阻害する容積を欠いている。この図には示していないが、デンドロン４２を架橋することが一般に好ましい。
【００３３】
デンドロン配位子の架橋は一般に、比較的強力な分子相互作用の形成により実施される。水素結合及び静電相互作用以外の架橋法は、架橋試薬を必要とする。無機錯体の形成の場合、無機イオンを架橋試薬として使用する。架橋は、各種の配位子の活性部位と複数の共有結合を形成可能なこれらの架橋試薬を用いて実施することもできる。図３は、そのような多官能性架橋試薬の１つの簡単な例である。必要な場合には、複数の架橋方式を利用してもよい。
【００３４】
図３は、そのような１つの架橋反応を示す。ＤＰナノ結晶５０は、デンドロン５２により保護される。デンドロン５２は、ヒドロキシル基で構成される活性部位５４を持つ。架橋剤５６をナノ結晶５０が懸濁されている溶液に添加する。架橋剤５６は活性部位５４のヒドロキシル基と相互作用して、架橋５８を生じる。簡単にするために、図３は結晶５０における部分的な配位子コーティングのみを示す。多鎖デンドロンを使用する別の利点は、架橋反応を１００％完了まで実施する必要がないことである。各デンドロンは多数の活性部位を持つため、部分的な完了に達した架橋反応は、ナノ結晶表面のデンドロン配位子を十分に架橋するであろう。図３に示した架橋反応は、親水性環境におけるナノ結晶によく適している。単鎖配位子を使用する場合は、架橋反応が１００％完了に達しない限り、なお部分的に解離し、ナノ結晶を劣化させる配位子コートが生じる。単鎖配位子は、多ステップ架橋を利用することによって、または図３に示した共有結合や図５に示した錯体形成などの、多架橋反応が可能な配位子を使用することによって、十分に架橋することができる。したがって本発明は、単鎖配位子による安定化に利用できる。
【００３５】
図４は、疎水性溶液中の懸濁液に適したＤＰナノ結晶の部分図である。ＤＰナノ結晶６０は、デンドロン６４が結合したナノ結晶６２で構成されている。デンドロン６４の活性部位６６は、エチレン基で構成されている。当業者は、グラブズ（Ｇｒｕｂｂｓ）触媒が複合ＤＰナノ結晶６０である場合、活性部位６６を架橋させ、それゆえ架橋６８を形成する反応を触媒することを認識するであろう。このことは、結晶６２周囲に疎水性デンドロンコートを形成させる。
【００３６】
図５は、ナノ結晶を架橋デンドロンによって保護する別の方法の部分図である。ＤＰナノ結晶７０は、デンドロン７４に共有結合したナノ結晶７２で構成されている。デンドロン７４は、ビピリジンで構成される活性部位７６を有する。これらのＤＰナノ結晶がルテニウムまたは他の遷移金属イオンと結合すると、隣接するビピリジン活性部位がルテニウムと架橋錯体８０を形成する。架橋錯体８０は、非常に安定である。当業者は、ビピリジン／Ｒｕ３＋錯体及びこの目的に適した他の錯体に精通するであろう。しかし、このことは本錯体が、デンドロン配位子をコロイド状ナノ結晶の表面に架橋させるように設計された最初の例である。
【００３７】
チオール基は、多用途のその配位化学的性質により、半導体及び貴金属ナノ結晶にとって好ましいＮＢＳである。コロイド状半導体及び貴金属ナノ結晶の生物医学への応用では、デンドロン配位子の外部末端基は、親水性タンパク質または糖に似ている、アミド、カルボン酸、アルコール、エステルでもよい。デンドロン配位子の分岐は、おそらく、配位子シェル全体にわたる、より優れた立体クラウディング効果とさらに効率的なカップリング反応をもたらすため、完全に対称でなくてもよい。実験結果は、本パラグラフで述べるデンドロン配位子が水及び極性溶媒中に分散したサイズの異なるＣｄＳｅナノ結晶及び金ナノ結晶に対してよく作用することを示している。
【００３８】
ＤＰ−ナノ結晶の光化学、熱及び化学安定性は、単鎖チオール配位子でコーティングされたナノ結晶と比較して、例外的に良好である。ＣｄＳｅナノ結晶などの半導体ナノ結晶では、ナノ結晶の元の励起吸収ピークにおける正規化光学密度（ＯＤ）を、ナノ結晶の光酸化の指標として使用した。図７は、ＣｄＳｅナノ結晶の光化学安定性が同様の構造を持つデンドロン配位子の生成数の増加とともに上昇することを示している。チオールデンドロンの分子構造を図６に示す。過剰な配位子を除去した後のＧ２及びＧ３デンドロン−ナノ結晶の水溶液は、さらにＵＶ照射を行わなくても、沈殿を生ぜずに少なくとも数ヶ月間、周囲条件下で保管することができる。以下で述べるように、Ｇ２またはＧ３デンドロンでコーティングされたＣｄＳｅナノ結晶の例外的な安定性は、必要な結合及び精製手順には十分である。
【００３９】
以前報告された結果は、ナノ結晶／配位子錯体の光化学安定性が、単鎖配位子の分子量を増加させるだけで著しく向上可能なことを明らかにしている。鎖が長くなればなるほど、配位子層がより厚くなるため、このことは当てはまる。このため、デンドロン−ナノ結晶の安定性の向上が、デンドロンの分子量の増加だけによって起こったものでないことを確認することが重要であった。この問題を解明するために、図６に示す、分岐度は異なるが、同様の分子量の３種類の配位子を研究した。実験結果は、ＣｄＳｅナノ結晶／配位子錯体の安定性が、配位子の分岐度に強く関連していることを示した。
【００４０】
ＭＵＡなどの、単鎖チオールでコーティングされた金ナノ結晶は一般に非常に脆弱である。それらは塩化ナトリウム溶液による沈殿に耐えられず、生じた沈殿は純水には溶解しない。それらはナノ結晶／配位子錯体を固体／粉末形に変換しない遠心分離によって精製する必要がある。これに対して、金デンドロン−ナノ結晶は塩化ナトリウム溶液によって沈殿され、水に繰り返し再分散させることができる。一般に金ＤＰ−ナノ結晶は、対応するＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶よりも光酸化に対して安定である。
【００４１】
生物学的な用途では、ナノ結晶／配位子錯体は、ナノ結晶／配位子錯体に生物活性種を共役させるある種のカップリング反応のために、十分安定であることが必須である。エステル−アミンカップリングまたは従来のＥＤＣカップリングのどちらかによるデンドロン−ナノ結晶のアミドカップリングは、大変うまくいく。グリシンアミド、２−アミノアセトニトリル、ベンジルアミン、２−アミノエタノール及びアンモニアなどの、複数の種類の第１級アミンは、ＤＰ−ナノ結晶の外部表面にうまく結合した。ＤＰ−ナノ結晶の溶解度は、生じたアミドに大きく依存する。たとえば、エステル末端ＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶は、有機溶媒のみに溶解した。アンモニアまたは２−アミノエタノールと反応させた後、デンドロン−ナノ結晶は水のみに溶解するようになった。赤外線（ＩＲ）及びＨ１  ＮＭＲ試験により、エステル−アミノカップリング反応は１００％完了に近づきうることが明らかになった。１７４０ｃｍ−１付近のエステル伸縮振動バンド及び１３７０ｃｍ−１におけるメチル変形モードは、ＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶がアミノエタノール液体と１００℃にて約１０分間反応した後に、完全に消失した。図８を参照。カップリング反応の生じたナノ結晶のスペクトルの１６４０ｃｍ−１及び１５５０ｃｍ−１付近に現れたピークは、第二級アミド振動モードによるものであり、新たなアミド結合の形成を示す。ＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶のＩＲスペクトルは、エステルカップリング反応の前か後のどちらかにおいて、その相当する遊離配位子のＩＲスペクトルとほぼ等しい、図９を参照。デンドロン−ナノ結晶が−ＣＯＯＨ基によって終端されている場合、アミドカップリングは、従来のＥＤＣ結合によって実施され、同様のＩＲ結果が観測された。
【００４２】
生物医学用途の他の要件は、ＤＰ−ナノ結晶が分離プロセスに耐えるために十分安定した方法で生物官能基と共役することである。デンドロン−ナノ結晶の分離ならびに精製は、従来の技法によって実施できる。ＣｄＳｅ及びＡｕのＤＰ−ナノ結晶はどちらも、適当なクロマトグラフィーカラムを容易く通過することができる。過剰な配位子のないＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶は、ナノ結晶がタイトバンドを通過した後に残留物を一切残さずに、セファデックスＧ−２５（またはＮＡＰＴＭ−１０）カラム内に、室内灯によって数時間とどまることが可能であった。これに対してＭＰＡによってコーティングされたＣｄＳｅナノ結晶は、完全に汚れ（ｓｍｅａｒｅｄ）、同じ条件下で洗い流すことはできなかった。
【００４３】
ＣｄＳｅ  ＤＰ−ナノ結晶は、過剰配位子なしで、ゲル電気泳動によって精製及び分離することができる。陰荷電デンドロン−ナノ結晶は、正電極に向かって移動する。元のエステル末端ＤＰ−ナノ結晶は、水に溶けないため、ゲル上で移動しなかった。これに対して、２つの反応生成物は、ゲル上の２つのタイトなバンド内で、識別可能な移動度で移動した。ゲル電気泳動の後、ＤＰ−ナノ結晶は純水中に完全に戻すことができる。紫外−可視試験は、ゲルから復元されたナノ結晶が不変であることを示した。しかし電気泳動中にゲル電気泳動チャンバを覆うことは、チャンバ内の強力な酸化環境により、室内灯照射を避けるために有用である。従来の単鎖チオール配位子によってコーティングされると、ＣｄＳｅ及びＡｕナノ結晶はどちらも、大量な過剰の遊離チオール配位子なしでは、分離／復元工程後に残存することができない。
【００４４】
本明細書で示すカップリング反応は、溶液中の過剰な遊離配位子なしで、単鎖チオール配位子によってコーティングされたＣｄＳｅ及び他の半導体ナノ結晶で実現できない場合でも、固体サブストレートへの機能性有機／生物種のカップリングに共通なものである。これらの反応の成功は、これらの安定化ナノ結晶が、イムノアッセイ用の抗体の標識やポリヌクレオチドハイブリダイゼーションアッセイのポリヌクレオチドプローブの標識などの、各種の生物医学アッセイのために適した標識剤であることを示している。カップリング反応と同様に、ゲル電気泳動も半導体ナノ結晶について実施するには非常に困難であった。過剰な遊離配位子は、半導体及び大きなサイズの金ナノ結晶のゲル電気泳動に必要であることがわかっており、ナノ結晶は回収できないことが多かった。
【００４５】
本明細書で報告されたデンドロン配位子は、ナノ結晶の光化学安定性を劇的に改善した。
【００４６】
光触媒酸化により生成されて得られた配位子が、溶媒に不溶性となるように設計されたナノ結晶の表面に現れる場合、酸化された配位子はなお無機コアを包囲して、配位子と無機コアの間に化学結合がなくてもミセル構造を形成する。無機コアが光酸化に対して安定であるならば、得られたナノ結晶／配位子錯体は安定かつ加工可能なままである。不溶性配位子シェルは、上述のような複数の水素結合、共有結合、または比較的強力な相互作用による、鎖間の分子内架橋により、デンドロン配位子に対して実現することができる。無機コアでは、活性半導体と金属ナノ結晶は、それらを光酸化不活性にするためのデンドロン配位子による表面修飾の前に、別の無機成分によってコーティングできる。
【００４７】
ある種のデンドロン配位子はおそらく、高品質半導体ナノ結晶の多くの別経路が最近発見されたならば、高品質の半導体ナノ結晶の合成に使用できる。合理的に設計された配位子により、安定性ナノ結晶は、所望の機能を備えて調製することができる。本明細書におけるチオールベースの配位子は、チオールが既存の合成スキームに適合しないことがわかったため、高品質半導体ナノ結晶の合成に使用できない。カルボン酸、アミン、酸化ホスフィン、またはリン酸基をナノ結晶結合部位として使用するデンドロン配位子は、高品質半導体ナノ結晶及び磁気ナノ結晶の直接合成に使用できる。本発明で示されたチオールベースのデンドロンは、既存の方法を用いた安定な貴金属ナノ結晶の合成に利用してもよい。
【００４８】
デンドロンの分岐間で絡まっている分子内及び分子間鎖は、デンドロンの立体クラウディング機能に加えて、半導体ナノ結晶を安定させるために重要な役割を果たしてきた。デンドロン配位子も、異なる世代のデンドロンによる金ナノ結晶のサイズを制御することを願って、剛性の分岐を持つキノンベース（−Ｃ＝Ｏ）疎水性デンドロンの異なる世代を使用する金ナノ結晶の合成のためのものである。結果は、高世代のデンドロンによって合成された金ナノ結晶は、本研究の結果とは異なり、強い凝集傾向を持つことを示した。この結果は、ナノ結晶の表面に十分な立体クラウディングを与えることができず、分子間及び分子内鎖絡み合いを持たない、そのデンドロンの剛性分岐によって引き起こされる。
【００４９】
デンドロン配位子の円錐形構造の特徴と単一結合部位は、配位子シェルのより良好な充填と、ナノ結晶表面の配位子の明白な配向を与える。
【００５０】
実験結果は、半導体及び貴金属ナノ結晶／配位子錯体の光化学安定性が、これらのナノ結晶の信頼できる加工化学の発展の鍵であることを確認した。ナノ結晶のデンドロン配位子による表面改質化学は、簡単かつ率直である。デンドロン−ナノ結晶の配位子層の厚さは、これらのデンドロン−ナノ結晶が標準化学試薬として操作されるための実質的な安定性を実現するために、約１ｎｍの薄さになりうる。ＣｄＳｅデンドロン−ナノ結晶に関連する化学的性質は、生物医学用途の半導体ナノ結晶を用いる光ルミネセンスベースの標識試薬の開発に利用できる。示された化学的性質は、化学及び生物医学用途に貴金属ナノ結晶を利用するための別の経路も提供する。本発明は、簡単かつ手ごろな価格の加工化学を可能にするため、コロイド状ナノ結晶及び関連物質の分野に多くの新たな機会も創出する。たとえば、安定な磁気デンドロン−ナノ結晶は、ドラッグデリバリーまたは高度な磁気共鳴撮像に磁気ナノ結晶を使用するために新たな手段を示している。
【００５１】
当業者は、本明細書に開示されていないが、多くの種類のコロイド状ナノ結晶を安定させるのに適した各種のデンドロン配位子があることを認識するであろう。デンドロンは過度に嵩高くないことが好ましい。ナノ結晶周囲には比較的薄い有機デンドロンコーティングを有することが望ましい。過度に厚いデンドロンコーティングは、ナノ結晶の電子及び構造特性に対して有害な影響を持つであろう。そうでなければ、任意の数のデンドロンが本発明で使用される。デンドロンの重要な側面は、それらが有害分子を立体的に阻害するために十分に嵩高いことである。
【００５２】
本発明は本明細書に添付された図面に関して述べられてきたが、本明細書で表示または提示したものとは別に、他のまたはさらなる改良が本発明の精神及び範囲内で行えることを理解する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、デンドロン保護ナノ結晶の概略図である。
【図２】図２は、配位子保護ナノ結晶とデンドロン保護ナノ結晶の概略図である。
【図３】図３は、本発明のデンドロン架橋反応の概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の別の架橋反応の概略図を示す。
【図５】図５は、本発明の別の架橋方法の概略図を示す。
【図６】図６は、ナノ結晶を保護するために利用される各種の配位子の概略図を示す。
【図７】図７は、ナノ結晶を保護するためのデンドロンの有効性を明示するグラフを示す。
【図８】図８は、アミドカップリング反応の有効性を明示するＩＲスペクトルを示す。
【図９】図９は、デンドロン単独と比較したデンドロン保護ナノ結晶のＩＲスペクトルを示す。
【図１０】図１０は、２つの異なる化学反応前後のデンドロン保護ナノ結晶のゲル電気泳動アッセイの結果を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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