(57)【要約】【課題】  検体試料と混合あるいは反応させた後に、効率的に検体試料と分離することができる磁気ビーズ用の磁性粒子を提供する。【解決手段】  金属酸化物粉末と炭素粉末を混合し、得られた混合粉末を非酸化性の雰囲気中で熱処理して前記金属酸化物粉末を還元することにより、炭素膜で被覆された金属粒子を形成し、前記炭素膜を貴金属被膜で被覆する（前記貴金属被膜は、金、銀もしくは白金族元素の少なくとも１つ。）ことを特徴とする磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物粉末と炭素粉末を混合し、得られた混合粉末を非酸化性の雰囲気中で熱処理して前記金属酸化物粉末を還元することにより、炭素膜で被覆された金属粒子を形成し、前記炭素膜を貴金属被膜で被覆する（前記貴金属被膜は、金、銀もしくは白金族元素の少なくとも１つである。）ことを特徴とする磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法。
【請求項２】
酸化鉄粉末と炭素粉末を混合し、得られた混合粉末を加熱炉内の非酸化性のガス中で熱処理して前記酸化鉄粉末を還元することにより、グラファイト膜で被覆されたＦｅ粒子を形成し、前記グラファイト膜を貴金属被膜（金）で被覆することを特徴とする磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記熱処理の温度は、６００〜１６００℃であることを特徴とする磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記熱処理後に、得られた粉末を液中に投入し、磁場により磁性粒子だけを回収し、ついで前記貴金属被膜の被覆を行うことを特徴とする磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
生体物質を溶液中から抽出することや溶液中に分散させることに用いる磁性粒子の製造方法に関する。特に、磁気ビーズとして用いる磁性粒子の製造方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や生物学的検査において微小な磁性粒子が利用されている。検体を固定する固相として超常磁性磁気ビーズが用いられ、タンパク質、細胞、ＤＮＡの分離、分析等に利用されている（例えば特許文献１）。超常磁性磁気ビーズとは、酸化鉄等の磁性体を磁区の大きさよりも小さい微粒子にしてビーズ中に分散して含ませたものであり、外部磁場が印加された時のみ強磁性を示す性質を有する。上記用途において磁性粒子は酸性またはアルカリ性溶液に曝されるため、表面が化学的に安定であることが好ましい。同時に目的物質を結合させる抗体が容易に張り付く表面であることが好ましい。そのためマグネタイト粒子にシリカ（ＳｉＯ２）をコートしたり（例えば、非特許文献１）、酸化鉄粒子にポリマーをコートする（例えば、非特許文献２）手法がある。また上記微粒子は比表面積が大きいため、効率良く抗体を貼り付けることができる。
【０００３】
【特許文献１】特表平４−５０１９５６号公報（第３頁）
【非特許文献１】Q.Liu,Z.Xu,J.A.Finch  and  R.Egerton,  Chem.Mater.,  Vol.10,No.12(1998)p3936-3940
【非特許文献２】R.L.Edelstein,  et  al.,  Biosensers  &  Bioelectronics,14  (2000)p805-813
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記磁気ビーズ用の磁性粒子は、超常磁性を発現させるため、その粒度が主に１〜１０ｎｍと小さかった。そのため外部磁場によって磁性粒子に働く外力は極端に小さく、粒子を効率よく集めることができないという問題があった。更に溶液を排出する際に、磁場による吸引力が弱いために一旦集めた磁性粒子が流出してしまうという問題があった。本発明の目的は、検体試料と混合あるいは反応させた後に、効率的に試料と分離することができる磁気ビーズ用の磁性粒子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法は、金属酸化物粉末と炭素粉末を混合し、得られた混合粉末を非酸化性の雰囲気中で熱処理して前記金属酸化物粉末を還元することにより、炭素膜で被覆された金属粒子を形成し、前記炭素膜を貴金属被膜で被覆する（前記貴金属被膜は、金、銀もしくは白金族元素の少なくとも１つである。）ことを特徴とする。
【０００６】
本発明の磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法は、詳細には、酸化鉄粉末と炭素粉末を混合し、得られた混合粉末を加熱炉内の非酸化性のガス中で熱処理して前記酸化鉄粉末を還元することにより、グラファイト膜で被覆されたＦｅ粒子を形成し、前記グラファイト膜を貴金属被膜（金）で被覆することが望ましい。
前記熱処理の温度は、６００〜１６００℃であることが好ましい。
上述の磁気ビーズ用磁性粒子の製造方法において、前記熱処理後に、得られた粉末を液中に投入し、磁場により磁性粒子だけを回収し、ついで前記貴金属被膜の被覆を行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明の磁性粒子は、特に磁気ビーズ用の磁性粒子として用いることができる。ここで、“磁気ビーズ用”とは、生体物質を水溶液中から抽出したり、或いは生体物質を水溶液中に分散させるような用途に相当し、磁気ビーズとして用いることができるという意味である。従って、本願明細書において、“磁気ビーズ用”とは、本発明の磁性粒子の組成等を限定する用語ではない。
【０００８】
平均粒径は、例えば、金属超微粒子の試料粉末を溶媒中に分散させて、レーザー光線を照射して回折を利用して平均粒径を測定する方法（第１の方法）により求めることができる。第１の方法では平均粒径の測定が困難な場合には、試料を電子顕微鏡で観察して平均粒径を測定する試料の電子顕微鏡写真を取る。写真内で任意の長さの線分を引いて、線分の粒子を横断する部分の長さの和Ｌと線分が横断した粒子の数Ｎとから、平均粒径＝Ｌ／Ｎとして求める。ただし、測定対象の粒子の数を５０個以上として平均値を求める。
【０００９】
金、銀もしくは白金族元素の少なくとも一つで構成される貴金属で、上記の磁性粒子を被覆することが望ましい。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では金属酸化物を炭素で還元することによって得られる金属粒子であって、炭素膜が上記金属粒子を被覆していることを特徴とする磁性粒子を提供する。磁性粒子が金属粒子であることから、従来の酸化鉄に比べて飽和磁化が向上する。このため、外部磁場と磁性粒子間の相互作用が増大し、効率良く粒子を集めることができる。無磁場中での粒子同士の磁気的凝集を抑制するために、磁性粒子に含まれる金属粒子としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの軟磁性材料が好ましい。ただし上記磁性粒子はそもそも炭素粉末が磁性金属粒子を含んだ構造となっているため、自己凝集が生じ難い。
【００１１】
さらに、上記磁性粒子は貴金属で被覆されていることを特徴とする。貴金属としてはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ族元素（Ｐｔ，Ｐｄ）などが挙げられる。貴金属の被覆により、磁性粒子表面に抗体を付与することが容易となる。
球状の一次粒子で構成された粉体において、比表面積と粒子径は一般に上式の両辺が等しい関係にある。しかし、本発明の磁性粒子は表面に多数の凹凸を有し、粒度から換算される比表面積よりも実際の比表面積が大きいことが特徴である。これにより、より多くの抗体を粒子表面に付与することができる。貴金属の被膜の厚さは粒子の平均粒径に比べて小さい方が好ましい。例えば、被覆前の磁性粒子の平均粒径が１μｍとすると、貴金属被膜で被覆した後の平均粒径が１〜２μｍ程度となるようにする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る磁性粒子を用いることにより、検体試料と混合あるいは反応させた後に、効率的に試料と磁性粒子を分離することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に発明実施の形態を説明する。
（１）磁性粒子の作製
上記の磁性粒子は以下の手法により作製されるものである。すなわち、本発明者らは、遷移金属、なかでもＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属酸化物粉末と炭素粉末とを、非酸化性の雰囲気中で加熱することにより炭素が金属酸化物を還元し、冷却過程で金属に固溶していた余剰の炭素が表面に析出することによって、炭素で被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子と炭素の混合粉末が生成することを見出した。また、遷移金属、なかでもＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属酸化物粉末とホウ素粉末とを、窒素を含む不活性雰囲気中で加熱することにより、ホウ素が金属酸化物を還元し、さらには余剰のホウ素が雰囲気中の窒素と反応して窒化ホウ素（以下、ＢＮと称する）を生成し、ＢＮで被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子とＢＮの混合粉末を合成できることを見出した。
【００１４】
金属酸化物を構成する金属元素としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んでいればよく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んだ合金の酸化物であってもよい。金属と酸素の組成比は特に限定されない。酸化物を原料とするため酸化安定性に優れており、大気中での取り扱いが容易である。金属酸化物粉末の平均粒径は還元後の金属粒子の平均粒径に影響するため、０．００１〜１μｍの範囲で選択できる。炭素粉末としては炭素単体の粉末が適しているが、炭素を含有する金属、半金属の粉末やポリビニルアルコールなどの高分子体の粉末も使用できる。炭素単体の粉末としては黒鉛、石墨、アモルファスカーボンやカーボンブラックなど、主要構成元素が炭素である粉末を使用できる。炭素粉末の平均粒径は０．００１〜１００μｍの範囲内で選択できるが、より好ましくは０．１〜５０μｍとする。平均粒径が極端に微細であると、原料コストが高くなる。炭素粉末が５０μｍを越えると前記金属酸化物粒子と混合する際、分散に不均一が生じ、未反応生成物発生の原因となる。金属酸化物と炭素粉末の混合粉において、金属酸化物の含有率は５〜８０ｍａｓｓ％が好ましい。５ｍａｓｓ％未満では金属含有率が極端に小さくなって収率が低くなる。８０ｍａｓｓ％を越えると炭素が不足して金属酸化物の還元が不十分となるとともに、金属粒子の粒成長が促進されて粗大粒発生の原因となる。金属酸化物粉末と炭素粉末との混合においては、乳鉢などで手動混合してもよいし、Ｖ字型混合機などの自動混合機を使用することもできる。
【００１５】
前記手法により得た混合粉を熱処理する際、アルミナ、黒鉛、ＢＮなどの耐熱性かつ安定性に優れた材料で構成されるルツボを使用することができる。熱処理時の雰囲気は非酸化性雰囲気であれば特に限定されず、例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅなどの不活性ガスや窒素ガスを使用する。熱処理温度は６００℃以上の温度とすることができるが、実用的には１０００〜１６００℃が好ましい。１０００℃未満の温度では熱処理時間が著しく長時間化する。１６００℃を越える温度では加熱炉に耐熱部材を使用しなければならず製造コストが高くなる。熱処理中の反応は、以下の３工程を経る。
【００１６】
第一工程：炭素が金属酸化物を還元して炭酸ガスが発生し、還元された金属粒子と余剰の炭素粉が共存する工程。
第二工程：金属中に炭素が固溶する工程。
第三工程：冷却とともに金属粒子表面へ析出してきた炭素が成長して金属粒子を被覆する工程。
【００１７】
以上の工程より、金属酸化物を還元することによって得られた金属粒子であって、前記金属粒子の表面は炭素で被覆されており、平均粒径が０．００１〜１μｍであることを特徴とする磁性粒子が得られる。本発明の磁性粒子としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む軟磁性金属粒子を核に有することが好ましい。
【００１８】
以下に、ＢＮで被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子の製法を説明する。金属酸化物を構成する金属元素としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んでいればよく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んだ合金の酸化物であってもよい。金属と酸素の組成比は特に限定されない。酸化物を原料とするため酸化安定性に優れており、大気中での取り扱いが容易である。金属酸化物粉末の平均粒径は還元後の金属粒子の平均粒径に影響するため、０．００１〜１μｍの範囲で選択できる。ホウ素粉末としてはホウ素単体の粉末が適しているが、ホウ素を含有する金属あるいは半金属の粉末も使用できる。ホウ素粉末の平均粒径は０．００１〜１００μｍの範囲内で選択できるが、より好ましくは０．１〜５０μｍとする。０．１μｍ未満のホウ素粉末は作製するのが困難であり、原料コストが高くなる。ホウ素粉末が５０μｍを越えると前記金属酸化物粒子と混合する際、分散に不均一が生じ、未反応生成物発生の原因となる。金属酸化物とホウ素粉末の混合粉において、金属酸化物の含有率は５〜８０ｍａｓｓ％が好ましい。５ｍａｓｓ％未満では金属含有率が極端に小さくなって収率が低くなる。８０ｍａｓｓ％を越えるとホウ素が不足して金属酸化物の還元が不十分となるとともに、窒化ホウ素が生成しなくなる。ここで、ｍａｓｓ％は、混合粉の単位質量当たりに含有される割合を百分率で表わすものである。
【００１９】
金属酸化物粉末とホウ素粉末との混合には、乳鉢などで手動混合してもよいし、Ｖ字型混合機などの自動混合機を使用することもできる。前記手法により得た混合粉を熱処理する際、アルミナ、黒鉛、ＢＮなどの耐熱性かつ安定性に優れた材料で構成されるルツボを使用することができる。熱処理時の雰囲気は窒素を含む不活性雰囲気であって、窒素のみならず窒素とＡｒ、窒素とＨｅ、窒素とＮｅ、窒素とアンモニア、あるいは窒素と水素、といった混合ガスも使用できる。安全性を考慮すれば窒素または窒素と不活性ガス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎｅなど）との混合ガスを使用することが好ましい。熱処理温度は８００℃以上の温度とすることができるが、実用的には１０００〜１６００℃が好ましい。１０００℃未満の温度では熱処理時間が著しく長時間化する。１６００℃を越える温度では加熱炉に耐熱部材を使用しなければならず製造コストが高くなる。熱処理中の反応は、以下の３工程を経る。
【００２０】
第一工程：ホウ素が金属酸化物を還元して、金属とホウ素とホウ素酸化物の混相状態となる工程。
第二工程：還元された金属とホウ素が反応して化合物を形成し、金属と金属ホウ化物とホウ素酸化物の混相状態となる工程。
第三工程：金属ホウ化物のホウ素が表面へ拡散して雰囲気中の窒素と反応し、ＢＮが形成する工程。この工程で金属ホウ化物粒子がＢＮで被覆された金属粒子へと変化する。
【００２１】
以上の工程より、金属酸化物を還元することによって得られた金属粒子であって、前記金属粒子の表面は窒化ホウ素で被覆されており、平均粒径が０．００１〜１μｍであることを特徴とする磁性粒子が得られる。本発明の磁気ビーズ用の磁性粒子はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む軟磁性金属粒子を核として有することが好ましい。
【００２２】
（２）貴金属の被覆
粒子表面に抗体を容易に貼り付けるために、上記磁性粒子の表面は貴金属で被覆されていることが好ましい。貴金属としてはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄなどが挙げられる。付与可能な抗体の選択性が広がるという点で、Ａｕで被覆されることがより好ましい。貴金属の被覆法は電気めっき、無電解めっき、スプレーコート、晶析反応、メカノフュージョン、プラズマコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、等から選択される。
【００２３】
貴金属で被覆された磁性粒子は、その形状が真球ではなく凹凸のある表面を有しているため、比表面積をγ（ｍ２／ｇ）、粒度をｒ（μｍ）、密度をρ（ｇ／ｃｍ3）とした時、
γ＞６／（ｒ・ρ）
を満足する。ここでγは窒素ガスを用いたＢＥＴ法により測定される値である。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例について説明する。ただし、これら実施例によって本発明は必ずしも限定されるものではない。
（実施例１）
酸化鉄粉（堺化学工業（株）製、ＦＲＯ−３）と炭素粉末（高純度化学社製、ｃａ．５μｍ）を原料として用いた。ここで平均粒径は酸化鉄粉が０．０３μｍ、炭素粉末が５μｍである。酸化鉄粉と炭素粉末を５：５の割合で秤量し、Ｖ字型ミキサーによって１０分間混合した。得られた混合粉をアルミナ製ボートに充填し、管状炉にて１１００℃で２時間熱処理した。加熱時の雰囲気は窒素ガスとした。室温まで炉冷した熱処理済の混合粉は特に凝集は見られず、直接回収した。上記粉末のＸ線回折測定結果を図１のグラフに示す。主要ピークはグラファイトと鉄（α−Ｆｅ）である。さらに透過型電子顕微鏡により上記粉末を観察すると、図２に示すように鉄粒子をグラファイト膜が被覆していた。
【００２５】
図２は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した実施例１に係る粒子の構造の顕微鏡写真である。ＴＥＭ観察するにあたり、必要とされる試料調整以外、粒子への損傷や変異などを与える加工は一切施していない。図３は、図２の構造を模式的に説明する概略図であり、若干拡大している。磁性粒子１は、α−Ｆｅの粒子２の表面が全て所定の厚さのグラファイト薄膜１０で被覆された粒子である。この被覆はα−Ｆｅの粒子２の表面を保護しており、効果的に酸化防止している。グラファイト薄膜１０の外側に散在する凸部８，９は、グラファイトの異層が成長したものか、異物が付着したもののいずれかと推定される。α−Ｆｅの粒子２自体の明暗のパターン３ａ，３ｂ，３ｃは、α−Ｆｅの粒子２の形状（略球形）に起因する干渉パターン（２点鎖線で表示）である。
【００２６】
α−Ｆｅの粒子の両端では、グラファイト薄膜の境界４が若干不明瞭に撮影されているため、点線で表示した。これは略球形の形状により全てに焦点を合わせることが難しいためであり、実際の形状が不明瞭になっている訳ではない。１点鎖線で輪郭を表示した領域は、磁性粒子１をＴＥＭ観察のサンプルホルダーに固定させるためのコロジオン膜５である。符号２０の線と符号は、その３本線の長さが２０ｎｍに相当するスケールであり、図２を撮影した際のスケールに基づいて図３に付け加えたものである。
【００２７】
粒子および被覆膜の組成分析にはＥＤＸおよびＥＥＬＳ分析を用いた。熱処理済の混合粉から非磁性粉を除去するため、アセトン中に上記粉末を投入して３０分間超音波を印加した後、永久磁石を液面上部に近づけて磁性粒子だけを回収した。アセトンを自然乾燥させて磁性粉末とした。
【００２８】
（参考例１）
Ｎｉの磁性粉末１ｇをメッキ用下地処理液（商品名：エニパック）１００ｍｌ中で８８℃×５分間攪拌させてＮｉ−Ｐ下地を設ける処理を施し、純水にて水洗した。その後、金メッキ用溶液（商品名：スーパーメックス）１００ｍｌ中で７５℃×１０分間攪拌し、無電解金メッキを施した。純水にて水洗後、乾燥させることにより、平均粒径２２μｍの磁気ビーズ用の磁性粒子を得た。ここで平均粒径はレーザ回折測定装置（ＨＯＲＩＢＡ製  ＬＡ−９２０）にて測定した。得られた磁性粒子をさらに凝集させた塊の様子を図４に示す。
【００２９】
ついで、窒素ガスをキャリアとしたＢＥＴ法にて比表面積を測定した結果、ＢＥＴ比表面積は３．３２ｍ２／ｇであった。式（１）においてｒ＝２２μｍ、ρ＝８ｇ／ｃｍ３と仮定すると右辺は０．０３となり、式（１）を満足していた。このことから、上記磁性粒子の比表面積は粒子を球状と仮定した場合の比表面積よりもはるかに大きいことがわかる。図４に磁性粒子の断面ＳＥＭ像を示す。粒子は複雑な形状をしており、比表面積が大きいことを裏付けている。
【００３０】
図４は、磁気ビーズ用磁性粒子の断面を電子顕微鏡で観察した顕微鏡写真である。図５は、図４の様子を模写した模式図である。より詳細には、多数の磁性粒子を凝集させた塊２０を基板２１上に接着剤で固定し、基板ごと前記塊２０を切断し、磁性粒子の断面を観察した。塊にて磁性粒子をつなぐ部分は下地膜やメッキ膜であり、粉末支持膜２２と見なせる。凝集させた塊にすると、基板への固定と、明瞭な断面の露出とが容易である。断面において、１つの粒子に着目する。Ｎｉ粒子２３は、Ｎｉ−Ｐの下地膜２４に覆われており、さらに下地膜の表面は薄いＡｕ膜２５で被覆されている。
【００３１】
なお、Ａｕ膜の様子は図４では判り難いので、図４の一部を拡大し模写した図６の模式図に示す。Ｎｉ粒子２３は下地膜２４／Ａｕ膜２５に被覆されていることがわかる。図５の右下に表示した点線は図５のスケールであり、その長さは７．５０μｍに相当する。図６の右下に表示した点線は、図６のスケールであり、その長さは６００ｎｍに相当する。なお、凝集していない単一の磁性粒子に限らず、図４及び図５に示す凝集させた磁性粒子の状態でも、粒子間の空隙が多い構造であるために、比表面積が大きく、磁気ビーズ用の磁性粒子として用いることができた。
【００３２】
（実施例２）
実施例１の磁性粒子についても、参考例１と同様にＡｕメッキ膜を被覆したところ、同様に磁気ビーズ用の磁性粒子として用いることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
生体物質を水溶液中から抽出することや水溶液中に分散させることに用いる磁性粒子に利用することができる。特に、磁気ビーズ用の磁性粒子として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】熱処理後の粉末のＸ線回折パターンを示すグラフである。
【図２】電子顕微鏡で観察した粉末を構成する粒子の顕微鏡写真である。
【図３】図２の写真の構造を若干拡大して模写した概略図である。
【図４】磁性粒子の断面を電子顕微鏡で観察した顕微鏡写真である。
【図５】図４の写真の構造に対応する概略図である。
【図６】図４中の磁性粒子の状態を拡大して模写した概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  磁性粒子、  ２  α−Ｆｅの粒子、
３ａ，３ｂ，３ｃ  明暗のパターン、
４  グラファイト薄膜の境界、  ５  コロジオン膜、
８，９  凸部、
１０  グラファイト薄膜、
２０  塊、  ２１  基板、  ２２  粉末支持膜、  ２３  Ｎｉ粒子、
２４  下地膜、  ２５  Ａｕ膜
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図４】
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