(57)【要約】【課題】ＮａＹＦ４とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供。【解決手段】Ｅｒ２Ｏ３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子。前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがＹｂ２Ｏ３を含有し、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０．２〜３モル％である前記蛍光ガラス微粒子。前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがモル％表示でＢｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２を１５〜４５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３を３５％以下の範囲で含有する前記蛍光ガラス微粒子。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｅｒ２Ｏ３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子。
【請求項２】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがＹｂ２Ｏ３を含有し、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０．２〜５モル％である請求項１の蛍光ガラス微粒子。
【請求項３】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスのＹｂ２Ｏ３含有量とＥｒ２Ｏ３含有量の比が０．２〜５である請求項２の蛍光ガラス微粒子。
【請求項４】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスのＥｒ２Ｏ３含有量が０．２モル％以上である請求項１、２または３の蛍光ガラス微粒子。
【請求項５】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがモル％表示でＢｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２を１５〜４５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３を３５％以下の範囲で含有する請求項１〜４のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
【請求項６】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスのＳｉＯ２含有量が１５〜４０モル％である請求項５の蛍光ガラス微粒子。
【請求項７】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがＬａ２Ｏ３を１０モル％以下の範囲で含有する請求項５または６の蛍光ガラス微粒子。
【請求項８】
前記Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスがＣｅＯ２を２モル％以下の範囲で含有する請求項５、６または７の蛍光ガラス微粒子。
【請求項９】
粒径が１００ｎｍ未満である請求項１〜８のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかの蛍光ガラス微粒子であって、レーザーアブレーション法によって製造された蛍光ガラス微粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光で励起したときに可視域のアップコンバージョン蛍光を呈し生体のタギングやイメージングの分野において好適に使用される蛍光ガラス微粒子に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞、たんぱく質、ＤＮＡ、バイオ試薬のタギングやイメージングを目的として、蛍光性ナノ微粒子の開発が進められている。
タギングやイメージングの方法としては、蛍光性ナノ微粒子に紫外光を照射し、照射光よりも波長の長い可視域の蛍光を検出する方法が一般的である。このような蛍光性ナノ微粒子の材料として、希土類元素をドープした有機色素や量子ドット（非特許文献１参照）などが使用されている。
【０００３】
しかし、有機色素を生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用する場合、紫外光を照射し続けたときに検出光の強度が低下しやすい、照射光と検出光の波長が近いため検出が難しい、という問題があった。
【０００４】
量子ドットは紫外光に対する耐性の面で有機色素より優れている。しかし、量子ドットはそのサイズによって発光波長が変化するのでこれをタギングやイメージングに使用する場合サイズの厳密な制御が必要であり製造が難しいという問題があり、また、量子ドットの材料には一般にセレン化合物や硫黄化合物が使用されるため生体毒性の点で懸念があった。
さらに、有機色素、量子ドットいずれにおいても紫外光を照射するので生体細胞がダメージを受ける、生体細胞自体が発光してしまうため検出光にノイズが混入する、という問題があった。
【０００５】
そこで、蛍光性ナノ微粒子に赤外光を照射し、照射光よりも波長の短い可視域の蛍光を検出する方法、たとえばＥｒ３＋イオンをドープしたナノ微粒子に波長９８０ｎｍや８００ｎｍのレーザーを照射し緑色のアップコンバージョン蛍光を検出する方法が提案されている。そのようなアップコンバージョン蛍光を発するナノ微粒子材料としてはたとえばＥｒ３＋イオンおよびＹｂ３＋イオンがドープされたＮａＹＦ４のようなフッ化物結晶が提案されている（非特許文献２参照）。
【０００６】
【非特許文献１】Ｂｒｕｃｈｅｚ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ｖｏｌ．２８１，  １９９８，  ｐｐ２０１３
【非特許文献２】Ｈｅｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｖｏｌ．１６，  ２００４，  ｐｐ２１０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アップコンバージョン蛍光材料には、照射光に紫外光を用いなくてもよいという利点がある。
アップコンバージョン蛍光を発するフッ化物ナノ結晶は、たとえばＥｒ３＋イオンおよびＹｂ３＋イオンがドープされたＮａＹＦ４を高温の液体中に溶解し、液体の温度を下げながら結晶を析出させることで作製される。
【０００８】
しかし、このような結晶は易溶解性であるがゆえに最終形態になった後もその材料自体が安定性に欠けるという問題があった。
本発明は、ＮａＹＦ４とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、Ｅｒ２Ｏ３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、赤外光の照射によって可視域のアップコンバージョン蛍光を発する蛍光微粒子であって酸化物ガラスからなるものを得ることができる。
本発明の蛍光ガラス微粒子は酸化物であるため長時間にわたり蛍光強度が安定しており、また、化学的耐久性が高く生体へのダメージも少ない。
また、Ｅｒ３＋イオンとＹｂ３＋イオンを共ドープする態様においては高効率のアップコンバージョン発光を得ることができる。したがって、この態様のものは生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用される蛍光材料として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
まず、本発明におけるＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス（以下、本発明のガラスという。）の成分について説明する。なお、ガラス中の各成分の含有量はモル百分率で表示し、また、たとえばＥｒ２Ｏ３の含有量とはガラス中のＥｒがすべてＥｒ２Ｏ３の形で存在するとした場合のものである。
【００１２】
Ｅｒ２Ｏ３はアップコンバージョン蛍光を得るための光学活性成分であり、必須である。Ｅｒ２Ｏ３が３％超ではガラス化が困難になる、またはＥｒ３＋イオンの濃度消光のためにアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下する。好ましくは２．５％以下、典型的には２％以下である。また、Ｅｒ２Ｏ３は０．２％以上であることが好ましい。０．２％未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．５％以上である。
【００１３】
Ｙｂ２Ｏ３は必須ではないが、Ｅｒ２Ｏ３のアップコンバージョン蛍光を増感したい場合には含有することが好ましい。
Ｙｂ２Ｏ３を含有する場合、その含有量は０．２〜３％であることが好ましい。０．２％未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。より好ましくは０．３％以上、典型的には０．５％以上である。３％超ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは２．５％以下、典型的には２％以下である。
【００１４】
Ｙｂ２Ｏ３とＥｒ２Ｏ３の含有量との合計Ｅｒ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３は０．２〜５％であることが好ましい。０．２％未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。より好ましくは０．４％以上、典型的には１％以上である。５％超ではガラス化が困難になるおそれがある。典型的には２％以下である。
【００１５】
Ｙｂ２Ｏ３とＥｒ２Ｏ３の含有量の比Ｙｂ／Ｅｒは０．２〜５であることが好ましい。０．２未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。典型的には０．８以上である。５超ではアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下するおそれがある。典型的には３以下である。
【００１６】
Ｂｉ２Ｏ３はアップコンバージョン蛍光を得るための成分であり、必須である。
Ｂｉ２Ｏ３の含有量は３０〜５５％であることが好ましい。３０％未満ではアップコンバージョン蛍光強度が得られにくくなる。典型的には３５％以上である。５５％超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られにくくなる。より好ましくは５０％以下、典型的には４５％以下である。
【００１７】
ＳｉＯ２はネットワークフォーマーであり、また、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分であり、必須である。
ＳｉＯ２の含有量は１５〜４５％であることが好ましい。１５％未満ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは２０％以上、典型的には２５％以上である。４５％超ではガラス中のネットワークフォーマーの格子振動の最大エネルギーが大きくなり、アップコンバージョン蛍光が得られにくくなるおそれがある、または、後述するレーザーアブレーション法におけるレーザー照射時に充分な量の微粒子が得られにくくなるおそれがある。典型的には４０％以下である。
【００１８】
Ａｌ２Ｏ３は必須ではないが、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために１０％まで含有してもよい場合がある。１０％超ではガラス化が困難になるおそれがある。好ましくは８％以下、典型的には５％以下である。
Ａｌ２Ｏ３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上、より好ましくは１％以上、典型的には２％以上である。
【００１９】
Ｇａ２Ｏ３は必須ではないが、アップコンバージョン蛍光強度を増大させるために３０％まで含有してもよい場合がある。３０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは２５％以下、典型的には２０％以下である。
Ｇａ２Ｏ３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上である。０．１％未満ではアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果が小さくなる。より好ましくは５％以上、典型的には１０％以上である。
【００２０】
ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を含有することが好ましく、この場合これらの含有量の合計Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３は３５％以下であることが好ましい。３５％超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られないおそれがある。典型的には２５％以下である。また、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３は好ましくは３％以上、より好ましくは７．５％以上、典型的には１１％以上である。
【００２１】
Ｌａ２Ｏ３は濃度消光を起こりにくくする効果、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果を有し、１０％まで含有してもよい場合がある。１０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは７％以下、典型的には５％以下である。
Ｌａ２Ｏ３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上である。０．１％未満では前記効果が小さい。好ましくは０．２％以上、典型的には０．５％以上である。Ｅｒ２Ｏ３含有量が１％以上であって濃度消光を抑制したい場合などでは、Ｌａ２Ｏ３を１％以上含有することが好ましく、典型的な含有量は２．５％以上である。
【００２２】
ＣｅＯ２は必須ではないが、Ｂｉ２Ｏ３がガラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透過率を低下させるのを防止するなどのために２％まで含有してもよい場合がある。２％超ではガラス化しないおそれがある。好ましくは１％以下、典型的には０．５％以下である。ＣｅＯ２を含有する場合、その含有量は０．０５％以上であることが好ましい。０．０５％未満では含有効果が小さい。
【００２３】
本発明のガラスは本発明の目的を損なわない範囲で上記列挙成分以外の成分を含有してもよい。そのような成分としては、たとえばガラス化を容易にするため、またはアニ−ル工程での結晶析出を抑制するため等の成分として、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＴｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｉｎ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ等が挙げられる。
【００２４】
本発明のガラスの好ましい態様として、Ｂｉ２Ｏ３  ３０〜５５％、ＳｉＯ２  １５〜４５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３  ３〜３５％、Ｌａ２Ｏ３  ０〜１０％、ＣｅＯ２  ０〜２％、Ｅｒ２Ｏ３  ０．２〜３％、Ｙｂ２Ｏ３  ０〜３％、から本質的になるものが挙げられる。ここで、たとえば「Ｌａ２Ｏ３  ０〜１０％」とはＬａ２Ｏ３は必須ではないが１０％まで含有してもよいの意であり、「から本質的になる」とはこれら列挙成分以外の成分を本発明の目的を損なわない範囲で含有してもよいの意である。上記列挙成分以外の成分を含有する場合その成分またはそれら成分の含有量の合計は、好ましくは１０％以下、典型的には５％以下である。
【００２５】
本発明の蛍光ガラス微粒子は、生体細胞、タンパク質、ＤＮＡのタギング、イメージングなどに応用できるようにするためにその粒径は３００ｎｍ以下とされる。好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは３０ｎｍ以下である。
【００２６】
生体細胞などのタギング、イメージングなどに使用する際に本発明の蛍光ガラス微粒子に照射される赤外光としては、たとえば波長８００ｎｍや９８０ｎｍの市販の半導体レーザーからの光を使用することができる。
【００２７】
本発明の蛍光ガラス微粒子は、たとえば溶融法を用いて作製したバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用して、すなわち高出力のレーザーを照射しアブレーションを起こさせることによってナノサイズのガラス微粒子を得る方法によって製造できる。
【００２８】
溶融法でバルクガラスを作製する場合は、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００〜１３００℃で空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることで製造できる。レーザーアブレーション法におけるレーザー照射時の割れを低減するためには、キャストしたガラスを４００〜６００℃で熱処理を行うことが好ましい。
【００２９】
レーザーアブレーション法を利用する場合、アブレーションを起こさせるために使用するレーザーとしては、たとえば波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザー、波長１．０５μｍのＹｂレーザー等を挙げることができる。
レーザーは連続波で照射してもよいし、パルスを生成して照射してもよい。
また、レーザーの照射は通常空気中で行う。
アブレーションによって生成した粉体は、空気中でガラスやシリコンの基板上に堆積させて捕集する。
【実施例】
【００３０】
表１のＢｉ２Ｏ３からＹｂ２Ｏ３までの欄にモル％表示で示す組成のガラス（バルクガラス）を溶融法により作製した。なお、例１〜８のＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスは本発明のガラスであり、１２００℃で溶解した。
【００３１】
次に、例１〜９のバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用してガラス微粒子を作製した。すなわち、例１〜７、９のバルクガラスについては波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザー（１０Ｗ）を連続波で照射し、ビームをｆ＝１００ｍｍのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子を市販のスライドガラス上に捕集した。また、例８のバルクガラスについては波長１０４５ｎｍのＹｂファイバーレーザーをパルス波（パルス幅３７５ｆｓ、繰り返し１ＭＨｚ、パルスエネルギー５００ｎＪ）で照射し、ビームをｆ＝３．５ｍｍのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子をシリコン基板上に捕集した。なお、レーザーの照射、ガラス微粒子の捕集はいずれも空気中で行った。
【００３２】
このようにして得られた例１〜９のガラス微粒子について粉末Ｘ線回折（Ｃｕ−Ｋα線、照射強度４０ｍＡ、５０ｋＶ）を行ったところ、いずれについてもガラス特有のハローパターンがみられ、結晶ピークは認められなかった。
【００３３】
例１〜４、９のガラス微粒子各１５０個について５００００倍の倍率でＳＥＭ（Ｈｉｔａｃｈｉ社製Ｓ−４３００）による観察を行い、各１５０個の微粒子の粒径（単位：ｎｍ）を測定した。粒径の最も大きなものを表１の最大粒径の欄に、粒子解析することにより算出した平均粒径を同表の平均粒径の欄にそれぞれ示す。
また、例８のガラス微粒子２００個についてＴＥＭ観察を行い、最大粒径および平均粒径を求めた。平均粒径はｎ＝２００で粒子解析することにより算出した。
なお、例５〜７のガラス微粒子については最大粒径および平均粒径の推定値を表１に記載した。
【００３４】
例１〜９のガラス微粒子について波長９８０ｎｍまたは８００ｎｍの半導体レーザーを照射したところ、例１〜８のガラス微粒子については目視で強い緑色のアップコンバージョン蛍光が観測されたが、例９のガラス微粒子については目視でアップコンバージョン蛍光は観測できなかった。
【００３５】
例１〜５、９のアップコンバージョン蛍光強度を比較するため、２０ｍｍ×１５ｍｍ×３．５ｍｍの鏡面研磨したバルクガラスをサンプルとして次のような測定を行った。すなわち、サンプルに波長９８０ｎｍの半導体レーザ（１Ｗ）を照射し、ガラスからの発光および散乱光をｆ＝１００ｍｍのレンズを用いて集光して５５０ｎｍの波長で分光した分光器（受光スリット０．５ｍｍ）内へ導入した。
分光した光は分光器に接続された光電子倍増管で検出した。
検出光はプリアンプおよびロックインアンプを用いて増幅し、ロックインアンプ上に表示された電圧値（単位：ｍＶ）をアップコンバージョン蛍光強度とした。
【００３６】
この蛍光強度を表１に示す。なお、例９の検出光は光電子倍増管の検出感度以下であった。また、表１の例６〜８のアップコンバージョン蛍光強度は推定値である。
【００３７】
【表１】
2008285384.tif 000002
【００３８】
表２に示す例１０〜１９は本発明のガラスの他の例であるが、その蛍光強度は組成からの推定値である。
【００３９】
【表２】
2008285384.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００４０】
生体細胞などのタギング、イメージングに利用できる。