(57)【要約】　　　（修正有）【課題】　ナノメートルサイズの細孔内の界面活性剤の存在が与える疎水場に着目し、センサー機能の新しい展開を可能にする。【解決手段】　酸化物層が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体薄膜において、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体中の標的物質の存在を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　酸化物層が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体の薄膜を有するナノチャンネルセンサーであって、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサー。
【請求項２】
　ナノチャンネル体の酸化物層が珪素酸化物を主として構成されていることを特徴とする請求項１の発光型ナノチャンネルセンサー。
【請求項３】
　発光型認識試薬と検体溶液とを混合し、発光型認識試薬とともにこれに認識された標的物質とをナノチャンネル内に抽出捕捉し、薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする請求項１または２の発光型ナノチャンネルセンサー。
【請求項４】
　発光型認識試薬をあらかじめナノチャンネル内に含浸させ、検体溶液中の標的物質を捕捉認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする請求項１または２の発光型ナノチャンネルセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　この出願の発明は、発光型ナノチャンネルセンサーに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、生化学分析、微量成分分析等のためのセンサーとして、医学、衛生、産業、農業、さらには環境評価等の広範囲な領域において有用な、ナノメートルサイズの細孔（ナノチャンネル）構造を利用した新しい発光型ナノチャンネルセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　従来より、ナノメートルサイズの細孔に注目して、この細孔（メソポーラス）物質を作製することが検討されてきている。これらの従来の検討では、アルコキシシラン化合物の加水分解を界面活性剤の存在下に行うことで、界面活性剤を鋳型として細孔をもつ物質を形成している。たとえば、従来の技術としては、マイカ基板上へのメソポーラス物質の作製（非特許文献１）や溶媒の蒸発によるメソポーラス薄膜の作製（非特許文献２）、メソポーラス薄膜のパターニングとシランカップリング剤による機能化（非特許文献３）等が報告されている。
【非特許文献１】Hong Yang, et al., Nature,Vol.379,22 Feb. 1996,p.703-705
【非特許文献２】Yun Feng Lu,et al.,Nature,Vol.389,25 Sep.1997, p.364-368
【非特許文献３】Hongyou Fan,et al.,Nature,Vol.405, 4May.2000,p.56-60
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　しかしながら、たとえば以上のような検討にもかかわらず、ナノメートルサイズの細孔をもつ物質、その薄膜についての機能性材料としての技術的展開は、ｐＨセンサーとしての利用等について示唆されているものの、ほとんど進展していないのが実情である。たとえばナノメートルスケールの細孔構造を利用しての超微量分析等の実現が期待されるもののいまだに具体化されていない。
【０００４】
　このようなこの理由の一つとしては、従来の技術においては、細孔形成のための鋳型として界面活性剤を使用しているが、この界面活性剤は焼成によって除去されており、界面活性剤による疎水場については着目されていないことがある。分析センサー等としての機能の展開のためには、この疎水場はもっと注目されてよい。
【０００５】
　そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであって、ナノメートルサイズの細孔をもつ物質について、その作製過程に用いられていた界面活性剤の存在が与える疎水場に着目し、その機能としてセンサーへの展開を可能にする新しい技術的手段を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体の薄膜を有するナノチャンネルセンサーであって、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを提供する。
【０００７】
　また、この出願の発明は、第２には、ナノチャンネル体の酸化物層が珪素酸化物を主として構成されていることを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを、第３には、発光型認識試薬と検体溶液とを混合し、発光型認識試薬とともにこれに認識された標的物質とをナノチャンネル内に抽出捕捉し、薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを、第４には、発光型認識試薬をあらかじめナノチャンネル内に含浸させ、検体溶液中の標的物質を捕捉認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
　この出願の上記の発明によって、酸化物が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体薄膜において、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出し、ナノメートルサイズの細孔内の界面活性剤の存在が与える疎水場を活用することでセンサー機能の新しい展開を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
　なによりも特徴的なことは、この出願の発明においては、ナノチャンネルセンサーの構造として、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包してナノチャンネル内を疎水的な場として保持していることであり、また、この疎水的な場での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなうナノチャンネル体薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の検出が行われることである。このような特異な構造とその作用を可能とするナノチャンネル体の薄膜は、シリカ層の場合として模式的に示すと、たとえば図１の構成として考慮されるものである。
【００１１】
　このナノチャンネル体は、好適には、まず、原料としての酸化物形成性アルコキシド化合物と界面活性剤含有の酸性アルコール溶液より、加熱もしくは乾燥によって、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包するようにして作製することができる。
【００１２】
　一般的には、上記溶液の原料濃度が比較的希薄な場合は蒸発乾固の過程でミセルが形成され、それらが鋳型となってナノチャンネル体が形成される。一方、原料濃度が濃厚な場合は高温加圧下で原料等が溶融し、その過程でナノチャンネル体が形成される。
【００１３】
　この場合の酸化物形成性アルコキシド化合物としては、ナノチャンネル構造体の酸化物層を形成するものであれば各種のものであってよい。たとえば代表的には、珪素酸化物層を形成するものとして珪素アルコキシド化合物が挙げられるが、この他にも、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、ガリウム、希土類元素等の各種のもののアルコキシドを考慮することができる。
【００１４】
　これらのアルコキシド化合物とともに使用される界面活性剤については各種のものが考慮されてよく、たとえば代表的なものとしてはイオン性界面活性剤としての第四級アンモニウム塩型の界面活性剤で挙げられる。また、スルホン酸型のものも挙げられる。ポリエーテル型ノニオン型界面活性剤であってもよい。ただ、なかでも好適なものの一つは、カチオン性の第四級アンモニウム塩型のものである。
【００１５】
　アルコキシド化合物と界面活性剤との使用割合については、その両者の種類等によって相違し、特に限定的ではないが、一般的には、アルコキシド化合物に対する界面活性剤のモル比として、０．０１〜０．５を目安とすることができる。
【００１６】
　アルコキシド化合物と界面活性剤は酸性の水溶液中で混合し、加熱する。この際の加熱温度については、還流温度までとすることができる。酸性条件とするために、塩酸や硫酸、あるいは有機酸を混合することができる。また、水溶液中には、低沸点のエタノール、プロパノール、メタノール等のアルコールを共存させるのが好ましい。
【００１７】
　加熱後にこの出願の発明におけるナノチャンネル体が生成されるが、この際には、加熱溶液を固体基板上に展開するか、固体基板上で前記の溶液を加熱してもよい。こうすることによって、図１に模式的に示したようなナノチャンネル体の薄状物が得られることになる。これは薄膜と呼ぶことができる。もちろん、固体基板は各種のものであってもよい。マイカ・アルミナ等のセラミックス基板やガラス基板でもよいし、金属や有機高分子の基板であってもよい。
【００１８】
　たとえば以上のようなプロセスによって作製することのできる界面活性剤ミセルを酸化物層に内包しているナノチャンネル体薄膜によって、この出願の発明の発光型ナノチャンネルセンサーが構成される。その形態としては次の抽出型と含浸型のものとに大別される。図２はその概要を模式的に示したものである。
【００１９】
　抽出型では、たとえば検体水溶液中に発光型認識試薬を溶解させ、これと標的物質との錯形成させつつ疎水性相互作用でナノチャンネル内に抽出し、薄膜の蛍光強度をもとに標的物質を検出する。一方、含浸型では予め発光性の認識試薬をその水溶液からナノチャンネル内に導入しておき、その後、検体水溶液中の標的物質をチャンネル内に存在する発光性認識試薬で捕集し、膜の蛍光強度をもとに標的物質を検出する。この含浸型は、異なる認識試薬を有するナノチャンネル体薄膜を同一基板上にそれぞれ配置することによって、多種類の化学物質を一斉に検出することを可能にする。
【００２０】
　以上のいずれの場合においても、発光型認識試薬は各種のものであってよく、標的物質との錯形成が可能なもの、あるいは反応による結合や、物理的な捕捉結合が可能なもの等の各種のものとすることができる。ナノチャンネル内の疎水場においては、発光型認識試薬がその分子構造として各種の官能基をもつものであっても使用することが可能である。これらの発光型認識試薬については、発光機能は種々の方法によって可能としてよい。また、これらの試薬は、低分子化合物だけでなく、ＤＮＡ、タンパク質、酵素等の高分子や生物由来のものであってもよい。
【００２１】
　また、この出願の発明においては、前記ナノチャンネル体の疎水性の保持のための方法として、前記ナノチャンネル体を水または水性溶液に浸漬すると、ナノチャンネル（細孔）に内包されている界面活性剤ミセルの一部が水または水性溶液中に溶出し、ナノチャンネル内の疎水性が時間とともに低下することがあることから、あらかじめナノチャンネル内壁を疎水化処理し、界面活性剤ミセルとこの内壁との疎水性相互作用を増すことで、水または水性溶液中への界面活性剤ミセルの溶出を抑えるようにすることも有効である。
【００２２】
　このような疎水化処理には、ナノチャンネル体との親和性等を考慮しての疎水化処理剤を用いることができる。たとえばナノチャンネル体が珪素酸化物により構成されている場合には、適宜なシランカップリング剤、より具体的にはメルカプト基を有するシランカップリング剤を好適なものとして考慮される。
【００２３】
　このような疎水化処理の条件については実験的に適宜に選定されてよい。より好適な方法としては、前記のようなこの出願の発明のナノチャンネル構造体あるいはナノチャンネル薄膜の製造において、ナノチャンネル体の形成時に前記疎水化処理剤を界面活性剤とともに添加して含有させておくことが考慮される。
【００２４】
　ナノチャンネル体形成のためのアルコキシド化合物と界面活性剤に対する添加割合としては、たとえばシランカップリング剤等の疎水化処理剤を、前者に対してのモル比０．３〜１．２倍、後者に対してのモル比３〜２０倍程度とすることが考慮される。
【００２５】
　前記のナノチャンネル体薄膜の発光強度の検出は、たとえば図２にも示したように、励起光照射にともなう発光の強度変化を測定してもよいし、あるいは別の発光機構とその検出方法に基づくようにしてもよい。
【００２６】
　そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく発明の実施の形態について説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【実施例】
【００２７】
１．ナノチャンネル体薄膜の作製
　以下の手順に従って、
　界面活性分子集合体（ミセル）を鋳型として、ナノメートルサイズの細孔（ナノチャンネル）構造を有するシリカー界面活性剤ナノチャンネル体薄膜を作製した。
＜薄膜作製用溶液の調製＞
・溶液の組成（モル比）を次のとおりとした。
【００２８】
　ＴＥＯＳ：ＥｔＯＨ：Ｈ2Ｏ：ＨＣｌ：ＣＴＡＢ＝１：８．８：５．０：０．００４：０．０７５
　ＣＴＡＢ：セチルトリメチルアンモニウムプロミド
　ＴＥＯＳ：オルトけい酸テトラエチル
　1)　ＥｔＯＨ９．７ｍＬ，ＴＥＯＳ１２．３ｍＬ，２．７８×１０-3ＭＨＣ　　　ｌｍＬを混合し６０℃で９０分還流した。
【００２９】
　2)　還流後の溶液にＥｔＯＨ１８．４ｍＬ，ＣＴＡＢ１．５１９ｇ，５．４　　　８×１０-2ＭＨＣｌ４ｍＬを加えて３０分攪拌した。
＜薄膜作製＞
　1)　前記調製により得られた薄膜溶液３５０μＬを、洗浄、乾燥したガラス　　　基板上へ滴下し、
　2)　回転塗布（spin-coat法）（４０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃ）した。
＜薄膜の乾燥＞
　spin-coatした後、常温で１時間乾燥した。
＜アルカリ処理＞（薄膜にふくまれているＨＣｌの中和）
・使用するアルカリ緩衝液（ＮＨ4Ｃｌ−ＮＨ3）
　０．１ＭＮＨ4Ｃｌと０．１ＭＮＨ3ａｑを混合（約ｐＨ１０）
　1)　乾燥させた薄膜をアルカリ緩衝液へ２０分浸積した。
【００３０】
　2)　アルカリ緩衝液を超純水で置換しながらすすぎ、超純水に２０分浸積した。
２．薄膜のキャラクタリゼーション
＜Ｘ線回折＞
　前記プロセスにより得られた薄膜について、図３にはそのＸ線回折の結果を示した。２θが２．０にピークがみられ、ナノメートルオーダーの周期構造が薄膜内に形成されたことがわかる。ナノチャンネルが図１に示すようなハニカム類似構造をとっているものとすると、この２θ値から隣接したチャンネル間の距離は５．１ｎｍと算出される。シリカ壁の厚みを１ｎｍとすると、チャンネルの孔径はおよそ４ｎｍであると推定される。またＸ線回折と示差走査熱量の同時測定により、３００℃まで界面活性分子がチャンネル内に存在し、ミクロな秩序構造に顕著な変化がないことを確認した。
＜膜厚＞
　エリプソメトリー及び原子間力顕微鏡による段差測定によって得られた膜厚はほぼ同一であり、およそ３９０ｎｍであった。次に、薄膜作製用溶液をエタノールで希釈し、薄膜の制御を試みた。図４は、薄膜作製用溶液におけるＴＥＯＳのモル分率に対して、膜厚をプロットしたものである。膜厚はＴＥＯＳの含有量にほぼ比例していることが明らかとなった。
３．抽出型によるアルミニウムイオンの検出
　前記プロセスに従って基板上に作製した界面活性分子集合体（ミセル）を含有するナノチャンネル体薄膜をガラス基板とともに図５の８−キノリノール−５−スルホン酸（Ｑｓ）２０μＭを含む濃度の異なるアルミニウム水溶液に２０分間浸漬し、風乾後、大気中で発光スペクトルおよび強度を測定した。図６に発光スペクトルのアルミニウム濃度依存性を、図７に発光強度の増幅率（アルミニウムイオンが存在しない場合を１）をアルミニウムイオン濃度に対してプロットしたものを示した。発光強度はアルミニウムイオン濃度とともに増大し、３０μＭ付近でおよそ７倍程度まで増大していることがわかる。また、図８は、５μＭまでのアルミニウムイオン濃度に対しての発光強度の相対比を示したものであって、これによれば１μＭ以下のアルミニウムイオンの検出が可能であることがわかる。
【００３１】
　以上のような結果は、これは、図９に示すように試料溶液中のＱｓとＡｌが錯体を形成しつつナノチャンネル内のミセルに捕集され、Ａｌ濃度に伴ってその量が増加することを示している。以上の結果は、μＭ（およそｐｐｂ）オーダー、さらには１μＭ以下のオーダーのアルミニウムイオンを極めて高感度かつ簡便に検出可能であることを実証している。
４．抽出型によるマグネシウムイオンの検出
　上記と同様の薄膜基板を所定のＱｓ（１μＭおよび１０μＭ）を含む濃度の異なるマグネシウム水溶液に２０分間浸漬し、風乾後、大気中で蛍光スペクトルおよび強度を測定した。その結果を図１０に示した。いずれのＱｓ濃度の場合でも、Ｍｇ濃度が３オーダー異なる範囲で、Ｍｇ濃度にともなって発光強度が増大していることがわかる。このことから、この出願の発明のセンサーの測定濃度範囲が極めて広く、ダイナミックレンジの広い物質検出法であることが理解される。また、Ｍｇ濃度に対する発光強度の増幅率はＱｓ濃度が高い方が良好である。
５．含浸型によるマグネシウムイオンの検出
　上記と同様の薄膜基板を用意し、１０μＭ，２００μＭ，２ｍＭのＱｓ水溶液にそれぞれ２０分間浸漬した。これによって、ナノチャンネル内に含浸されるＱｓ量を制御した。これらの基板を濃度の異なるＭｇ水溶液に２０分間浸漬し、風乾後、大気中で発光スペクトルおよび強度を測定した。その結果を図１１に示した。Ｑｓ処理濃度がいずれの場合においても、増幅率は単調に増加せずに、あるＭｇ濃度で極大を有することがわかる。さらにその極大を与えるＭｇ濃度は、Ｑｓ処理濃度ともに増加している。この結果は、Ｑｓ処理濃度を変えることで、マグネシウムに対するセンサーの最適検出濃度範囲が制御可能であることを示している。このことは、検体に応じてセンサーの最適検出濃度を設定できることを意味する。また、最適検出濃度のことなるナノチャンネルセンサーを同一基板上に集積することにより、標的物質濃度が全く未知であっても他の予備測定を必要とせずにその濃度を決定することが可能である。さらに、異なる認識試薬を有するナノチャンネル薄膜を同一基板上にそれぞれ配置することによって、多種類の化学物質を一斉に検出することを可能にする。
６．カリウムイオンの検出
　前記５．の場合と同様に、含浸型センサーの薄膜を、蛍光性分子認識試薬の水溶液に浸漬し、認識試薬をナノチャンネル内に導入した。
【００３２】
　認識試薬としては、
　　Ｎ−（９−Anthrylmethyl）monoaza−18crown−６
を用いた。
【００３３】
　その後、ＫＣｌ、ＮａＣｌの水溶液（ｐＨ７．６に調整）に浸漬し、カリウムイオン、ナトリウムイオンに対する発光応答を測定した。その結果を図１２に示した。
【００３４】
　図１２の結果から、カリウムイオンの濃度に依存して蛍光強度が増大することと、ナトリウムイオンにはほとんど応答しないことがわかる。つまり、カリウムイオン選択性のセンサーとして優れたものであることがわかる。
【００３５】
　そして、溶液内に共存する高濃度なナトリウムイオンの影響は極めて小さい。以上のことから、この例に示したセンサーは、血液、尿などの生体試料分析に利用可能である。
７．センサーアレイ
　前記同様に、ガラス基板上に薄膜作製溶液を複数箇所で滴下して風乾し、複数の円形スポット状（約３ｍｍφ）のナノチャンネル薄膜が配列したアレイ構成体とした。次いで、このものを発光性分子認識試薬としての前記Ｑｓの水溶液中に浸漬し、このものをナノチャンネル内に導入した。
【００３６】
　得られたセンサーアレイを用いて、各々のスポット状ナノチャンネル薄膜に、濃度の異なるアルミニウムイオン（Ａｌ3+）含有の水溶液を滴下し、円形スポットでの発光を測定した。
【００３７】
　励起波長３６５ｍｍで、１／３カラーＣＣＤカメラ検出器による検出結果を図１３に示した。また、センサーアレイの蛍光像を図１４に示した。
【００３８】
　この結果から、センサーアレイの構成とすることにより、複数の試料溶液を瞬時に測定することができ、たとえば、図１３のようにして、標準溶液を用いた検量線作成および試料の定量分析を１回の測定で完了できることがわかる。そして、ナノチャンネルの傑出した物質捕集特性により、分子認識試薬等を高濃度に捕集しているために蛍光が強いことから、高価で大規模な検出器を必要とせず、小型で省電力なＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラあるいは民生用カメラ付き携帯電話を利用でき、可動性の高い微小な測定装置を構築できる。
【００３９】
　そして、機能の異なる蛍光生分子認識試薬を同一基板上の薄膜スポットにそれぞれ含浸させることにより、複数化学種の一斉検出も可能とされる。
【００４０】
　図１５はその例を示したものである。Ａｌ3+イオンとＫ+イオンの同時分析を行った結果を示した写真である。Ａｌ3+検出列ではＡｌ3+溶液に対して蛍光が増大し、Ｋ+溶液に対しては応答していない。これによりＡｌ3+の選択的検出が確認される。一方、Ｋ+検出列では、Ｋ+溶液に対して蛍光が増大し、Ａｌ3+溶液に対しては応答していない。Ｋ+の選択的検出が確認される。
【００４１】
　そして、Ａｌ3+とＫ+共存溶液に対しては、対応するそれぞれの検出サイトの発光が増大し、このことから同時検出が確認される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
　この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、ナノメートルサイズの細孔をもつナノチャンネルが内包する界面活性剤の存在が与える疎水場に着目し、センサーとしての機能の新しい展開を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ナノチャンネル体の薄膜についてこれを模式的に示した図である。
【図２】抽出型と含浸型のセンサーについて模式的に示した図である。
【図３】実施例におけるナノチャンネル体薄膜についてのＸ線回析の結果を例示した図である。
【図４】実施例におけるＴＥＯＳ含有率と膜厚との関係を例示した図である。
【図５】８−キノタノール−５−２スルホン酸（Ｑｓ）の分子構造を示した図である。
【図６】発光スペクトル（薄膜）のアルミニウム濃度依存性を例示した図である。
【図７】発光型ナノチャンネルセンサー（抽出型）のアルミニウムイオンに対する応答性を例示した図である。
【図８】５μＭまでのアルミニウムイオン濃度に対しての発光強度の相対比を示した図である。
【図９】ナノチャンネル内ミセルによるアルミニウム−キノリノール錯体の抽出のメカニズムを示した図である。
【図１０】発光型ナノチャンネルセンサー（抽出型）のマグネシウムイオンに対する応答性を例示した図である。
【図１１】発光型ナノチャンネルセンサー（含浸型）のマグネシウムイオンに対する応答性を例示した図である。
【図１２】カリウムイオン、ナトリウムイオンに対しての発光応答の測定結果を示した図である。
【図１３】センサーアレイによる発光についてアルミニウムイオンの濃度と発光強度との対応を示した図である。
【図１４】センサーアレイによる発光像を示した図である。
【図１５】センサーアレイによる二元素（イオン）同時分析の発光像の例を示した図である。
【図１】
2004117350.tif 000003
【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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【図１１】
2004117350.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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