(57)【要約】【課題】液滴一滴という極微量の溶液を用い、簡便な方法で０．１〜１０００μｇ／ｍｌという超低濃度の無機イオン又は有機イオンを検出、同定する方法を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡用基板に、被検査イオンに対して選択性並びに錯体形成能を有するキレート分子ないしカルボン酸分子の単分子膜又は多分子膜を形成し、該膜を無機イオン又は有機イオンと接触させ、錯体又はイオン対を形成させた後、走査型プローブ顕微鏡観測によりイオン対の形状や膜パターンを観察し、その観察画像から検出対象の特定のイオンを検出することを特徴とする有機イオン又は無機イオンの検出方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、検出対象の有機イオン又は無機イオンに対して選択性を有するキレート化合物ないしカルボン酸の単分子又は多分子膜を形成させ、次に、有機イオン又は無機イオンの溶液を接触させてイオン対あるいは錯体を形成させ、そのとき起こる膜のパターンの変化を走査型プローブ顕微鏡で観察し、その観察画像に基づいてイオンの検出を行うことを特徴とする有機イオン又は無機イオンの検出方法。
【請求項２】
キレート化合物ないしカルボン酸の少なくとも一種類の溶液に基板を浸し、引き上げて、その単分子膜又は多分子膜を形成させる、請求項１記載の検出方法。
【請求項３】
キレート化合物ないしカルボン酸の少なくとも一種類の難揮発性溶液を基板に滴下し、その単分子膜又は多分子膜を形成させる、請求項１記載の検出方法。
【請求項４】
上記単分子膜又は多分子膜に、０．１〜１０００μｇ／ｍｌの超低濃度の金属イオン又は有機イオンの溶液の０．０５〜５０μｌの滴を、一滴以上、付着又は滴下して接触させる、請求項１記載の検出方法。
【請求項５】
上記基板が、グラファイト、雲母、金、白金、銀、銅、鉄、Ｎｉ、Ｓｉ、ガラス、プラスチック、金属酸化物に代表される天然又は合成材料からなり、ナノスケールの表面平坦性に優れた基板である、請求項１記載の検出方法。
【請求項６】
上記キレート化合物ないしカルボン酸が、イオン選択性を有する化合物である、請求項１記載の検出方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の検出方法により、１平方ｎｍ〜１万平方μｍ程度の観察画像を単数ないし複数枚取得し、それらの画像の中で有機イオン又は無機イオンの導入により画像パターンが変化した分子数、イオン対の数又はそれらの面積の全体に占める割合を解析し、その数ないし割合を用いて、その個数比ないし面積比に対応した有機イオン又は無機イオンの溶液濃度を導き出すことを特徴とする有機イオン又は無機イオンの定量方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機イオン及び無機イオンの検出方法に関するものであり、更に詳しくは、走査型プローブ顕微鏡による観察画像を利用して、極微量（０．０５〜５０μｌ）の溶液中に含まれる超低濃度（０．１〜１０００μｇ／ｍｌ）の有機イオン又は無機イオンを検出、同定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、有機イオン及び無機イオンを検出、分析するために、既に多くの方法が開発され、実用に至っている。それらの方法として、例えば、イオンセンサー、イオンクロマトグラフ法、誘導プラズマ結合原子発光スペクトル法などが既に広く実用化されている。しかしながら、これらの方法は、有機イオン及び無機イオンの検出に、専用の分析機器と、少なくとも０．１ｍｌ以上の溶液を必要とし、しかも、複雑又は煩雑な検出及び分析操作を必要とする。
【０００３】
また、従来、金属イオンに関連するものとして、例えば、基体上の情報記録層が環状骨格を有しており、開環させた環状骨格間に金属イオンを取り込ませ、メタロセン骨格若しくはメタロセン類似骨格を形成することにより記録を行うことを特徴とする情報記録媒体が提案されている（特許文献１〜２参照）。しかしながら、これらは、情報を記録する方法として、金属イオンを環状骨格間に取り込ませているだけであり、これらの方法では、選択性を有するキレート化合物ないしカルボン酸は使用されておらず、金属イオンの検出や同定は全く想定されていない。
【０００４】
また、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の優れた空間分解能をもって、試料表面の分析希望箇所の物質を同定する方法が提案されている（特許文献３参照）。しかしながら、この同定方法においては、ＳＰＭ探針からのパルス電圧によって試料の分析希望箇所がイオン化され、このイオンが、複雑な操作を必要とする質量分析器へ導入されて間接的にその同定が行われており、この方法は、その複雑な操作と専用の分析機器が必要とされる点で、簡便な同定方法とは言えないものである。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡を用いることで、分子レベルの解像度で観察像が得られる。この方法を用いて、金属結晶、無機結晶又は有機結晶の表面が観察され、原子ないし分子レベルの解像度を有する画像が多く得られている。また、表面に物理吸着あるいは化学吸着した分子、原子も数多く観察され、走査型プローブ顕微鏡の高い解像度が証明されている。本発明者は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いた観察で見出した、キレート化合物の分子像とキレート錯体の分子像を報告している（非特許文献１参照）。しかし、この報告は、キレート分子と錯体分子をそれぞれ別々に調製して観察した結果を示したものであり、これらは、イオンの検出又は同定を目的としたものではなく、０．５μｌ以上という極微量の溶液を用いた超低濃度のイオンの検出又は同定とは本質的に別異のものである。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２８６６５５４号
【特許文献２】
特開平６−１８７６９２号公報
【特許文献３】
特開平７−２７７７１号公報
【非特許文献１】
Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．２０００、ｐ１１１８
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、極微量の溶液中に含まれる超低濃度の有機イオン及び無機イオンを高精度で検出することが可能な新しい検出方法を確立することを目標として鋭意研究を重ねた結果、走査型プローブ顕微鏡観察用の基板にキレート分子あるいはカルボン酸の単分子ないし多分子膜を形成させ、走査型プローブ顕微鏡で観察した後、基板上に形成した膜に検出対象の無機イオンあるいは有機イオンが入った溶液を接触させ、イオン対あるいは錯体を形成させ、再び、走査型プローブ顕微鏡で観察することで、その観察画像から、有機イオンあるいは無機イオンの形状が直接観察できることを見出し、この知見に基づき、本発明を完成するに至った。
本発明は、極微量（０．０５〜５０μｌ）の溶液中に含まれる超低濃度（０．１〜１０００μｇ／ｍｌ）の有機イオン又は無機イオンの検出又は同定方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた観察で、分子の形状を直接観察することにより、検出対象の有機イオン又は無機イオンを検出することを可能とするイオン検出方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）基板上に、検出対象の有機イオン又は無機イオンに対して選択性を有するキレート化合物ないしカルボン酸の単分子又は多分子膜を形成させ、次に、有機イオン又は無機イオンの溶液を接触させてイオン対あるいは錯体を形成させ、そのとき起こる膜のパターンの変化を走査型プローブ顕微鏡で観察し、その観察画像に基づいてイオンの検出を行うことを特徴とする有機イオン又は無機イオンの検出方法。
（２）キレート化合物ないしカルボン酸の少なくとも一種類の溶液に基板を浸し、引き上げて、その単分子膜又は多分子膜を形成させる、前記（１）記載の検出方法。
（３）キレート化合物ないしカルボン酸の少なくとも一種類の難揮発性溶液を基板に滴下し、その単分子膜又は多分子膜を形成させる、前記（１）記載の検出方法。
（４）上記単分子膜又は多分子膜に、０．１〜１０００μｇ／ｍｌの超低濃度の金属イオン又は有機イオンの溶液の０．０５〜５０μｌの滴を、一滴以上、付着又は滴下して接触させる、前記（１）記載の検出方法。
（５）上記基板が、グラファイト、雲母、金、白金、銀、銅、鉄、Ｎｉ、Ｓｉ、ガラス、プラスチック、金属酸化物に代表される天然又は合成材料からなり、ナノスケールの表面平坦性に優れた基板である、前記（１）記載の検出方法。
（６）上記キレート化合物ないしカルボン酸が、イオン選択性を有する化合物である、前記（１）記載の検出方法。
（７）前記（１）から（６）のいずれかに記載の検出方法により、１平方ｎｍ〜１万平方μｍ程度の観察画像を単数ないし複数枚取得し、それらの画像の中で有機イオン又は無機イオンの導入により画像パターンが変化した分子数、イオン対の数又はそれらの面積の全体に占める割合を解析し、その数ないし割合を用いて、その個数比ないし面積比に対応した有機イオン又は無機イオンの溶液濃度を導き出すことを特徴とする有機イオン又は無機イオンの定量方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、基板上に、検出対象の有機イオン又は無機イオンに対して選択性を有するキレート化合物ないしカルボン酸の単分子又は多分子膜を形成させ、次に、有機イオン又は無機イオンの溶液を接触させてイオン対あるいは錯体を形成させ、そのとき起こる膜のパターンの変化を走査型プローブ顕微鏡で観察し、その観察画像に基づいてイオンの検出を行うことを特徴とするものである。本発明では、キレート化合物あるいはカルボン酸が用いられるが、これらは、被検査イオンの種類に対して選択的にイオン対あるいは錯体を形成する特性を有するものであれば、適宜のものを使用することができる。すなわち、これらの化合物は、検出対象の有機イオン又は無機イオンに応じて、適宜、決定すれば良く、その種類は特に限定されるものではない。
【００１０】
本発明の方法は、上述のように、まず、基板にキレート分子あるいはカルボン酸の単分子ないし多分子膜を形成させ、これを走査型プローブ顕微鏡で観察し、次に、基板上に形成した膜に検出対象の有機イオンあるいは無機イオンが入った溶液を接触させてイオン対あるいは錯体を形成させ、そのとき起こる膜のパターンの変化を走査型プローブ顕微鏡で観察し、その画像からイオンを検出することを特徴としている。本発明の方法は、検出対象の有機イオンあるいは無機イオンに対して選択性を有するキレート化合物又はカルボン酸を用いることにより、適宜の有機イオンあるいは無機イオンの検出に適用することが可能である。検出対象の有機イオンあるいは無機イオンとしては、例えば、ビピリジンイオン、カルボン酸イオン、アンモニウムイオン、金属イオン、金属オキソイオンなどが例示されるが、これらに制限されるものではない。
【００１１】
本発明で使用する基板としては、例えば、グラファイト、雲母、金、白金、銀、銅、鉄、ニッケル、シリコン、ガラス、プラスチック、金属酸化物などの天然ないし合成材料からなる基板が例示されるが、特にこれらに限定されない。この場合、金、白金、銀、銅、鉄、ニッケルなどの金属は、単結晶、多結晶、薄膜などのナノスケールで平坦な表面を有するものが用いられる。また、キレート化合物、カルボン酸としては、例えば、シッフ塩基、ヒドロキサム酸、アミノ酸、アミンなどの被検査イオンの種類に対して、選択性を有するものを少なくとも一種類使用する。本発明に適用可能な代表的な化合物の一例として、化合物１〜６の分子式を化１〜化６に示す。しかし、本発明に適用可能な化合物は、これらに制限されるものではなく、それらと同効のものであれば同様に使用することができる。
【００１２】
【化１】
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【００１３】
【化２】
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【００１４】
【化３】
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【００１５】
【化４】
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【００１６】
【化５】
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【００１７】
【化６】
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【００１８】
本発明の方法では、例えば、キレート化合物、カルボン酸の少なくとも一種類の化合物をアルコール（メタノール、エタノールあるいは両者の混合物）に溶かした後、水で希釈する。溶液の組成は、アルコール：水＝１：９〜９：１、好ましくは１：９〜５：５であり、化合物濃度は０．１〜１０００μｇ／ｍｌ、好ましくは１〜１００μｇ／ｍｌである。この溶液にＳＰＭ基板を浸漬させ、ゆっくり垂直に引き出す。このとき、基板が疎水性のため、溶液は殆ど基板に残留しない。この基板をＳＰＭで観察すると、化合物の単分子膜のパターンが観察される。次いで、金属イオンあるいは有機イオンを含む水あるいは水及びアルコール溶液の滴（０．０５〜５０μｌ）を基板上に、一滴、滴下し、１分ないし１時間放置した後、溶液を窒素などの気流で飛散させる。この後、再び、ＳＰＭで観察すると、化合物のパターンは、金属錯体又はイオン対の新しいパターンに変化し、それにより、金属イオンあるいは有機イオンの存在を確認することができる。
【００１９】
また、本発明の方法では、例えば、キレート化合物ないしカルボン酸の少なくとも一種類の化合物を、例えば、アルキルベンゼン類、長鎖アルキル化合物などの難揮発性溶媒又は水に溶かした後（化合物濃度は０．１〜１０００μｇ／ｍｌ、好適には約１０μｇ／ｍｌである）、この溶液をＳＰＭ基板に、一滴（０．０５〜５０μｌ）、滴下する。この基板をＳＰＭで観察すると、化合物の単分子膜のパターンが観察される。次いで、金属イオンあるいは有機イオンの有機溶剤溶液を基板上に、一滴、滴下し、１分ないし１時間放置する。その後、再び、ＳＰＭで観察すると、化合物のパターンは、金属イオンあるいは有機イオンの錯体あるいはイオン対のパターンに変化し、それにより、金属イオンあるいは有機イオンの検出ができる。上記難揮発性溶媒としては、好適には、例えば、アルキルベンゼン類、長鎖アルキル化合物、アルコール類が例示されるが、これらに制限されるものではない。このように、本発明の方法により、金属イオンあるいは有機イオンの分子像が選択的に観察できるため、目的の被検出イオンと妨害物との区別が可能である。
【００２０】
本発明では、上記方法により、１平方ｎｍ〜１万平方μｍ程度の観察画像を単数ないし複数枚、例えば、１〜２０枚程度取得し、それらの画像の中で有機イオン又は無機イオンの導入により画像パターンが変化した分子数、イオン対の数又はそれらの面積の全体に占める割合を解析し、その数ないし割合を用いて、その個数比や面積比に対応した有機イオン又は無機イオンの溶液濃度を導き出すことができる。従来、走査型プローブ顕微鏡による観察で、例えば、キレート化合物の分子像や、キレート錯体の分子像が観察画像として得られることは知られている。しかし、これらの画像が極微量（０．０５〜５０μｌ）の溶液中に含まれる超低濃度（０．１〜１０００μｇ／ｍｌ）の有機イオン又は無機イオンの検出に利用し得るか否かは全く未知であった。
【００２１】
本発明は、これらの画像を利用することにより、上記超低濃度の有機イオン又は無機イオンを高精度で検出し得ることを実験的に実証したものであり、これらは、上記従来の知見からは格別の実験をすることなしには到底予期し得ない非自明のことである。従来のイオンの検出、及び分析方法は、イオンの分光学的特性や電気化学的特性などを利用し、イオンの分析を行っている。しかしながら、分子の形状を直接観察する検出方法は、未だ実用化されていない。分子形状を直接観察しながら検出する方法は、全く新規な方法であり、この方法を確立することで、０．０５μｌ以上の滴一滴という極微量の溶液からでも数分子のイオンを検出及び／又は同定することが可能になり、これらの点で、本発明の方法は、従来の方法とは本質的に別異の先進的な技術と言えるものである。
【００２２】
【実施例】
次に、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（Ｓ）−１６−メチルステアリン酸（化合物２、ｎ＝１、ｍ＝１４、Ｒ＝ＣＨ３  ）のオクチルベンゼン溶液（濃度約１ｍｇ／ｍｌ）を、一滴、グラファイト基板に滴下し、液膜を形成した。この液膜をＳＰＭで観察したところ、図１（ａ）の（Ｓ）−１６−メチルステアリン酸の分子会合パターンが観察された。この液膜に４，４’−ビピリジンのエタノール溶液（濃度：〜０．０１ｍＭ）を、一滴（約８μｌ）、滴下した。数分後、ＳＰＭで観察される分子パターンは、図１（ｂ）に示したように、（Ｓ）−１６−メチルステアリン酸−ビピリジン塩の分子会合パターンに変化し、４１．７平方ｎｍ当たり２３個の４，４’−ビピリジン分子が検出できた。
【００２３】
実施例２
長鎖アルキル鎖シッフ塩基（化合物３，ｎ＝１７）をメタノールに溶かした後、水で希釈した。このときの溶液の組成は、メタノール：水＝１：９、シッフ塩基濃度：〜１０μｇ／ｍｌであった。この溶液にグラファイト基板を浸漬させ、ゆっくり垂直に引き出した。このとき、基板が疎水性のため、溶液は殆ど基板に残留しなかった。この基板をＳＰＭで観察したところ、図２（ａ）に示したように、シッフ塩基の単分子膜のパターンが観察された。次に、塩化パラジウム（ＩＩ）の水及びエタノール混合溶液（濃度：０．０１ｍＭ）を基板上に、一滴（約６μｌ）、滴下し、しばらく放置した後、溶液を窒素気流で飛散させた。この後、ＳＰＭで観察したところ、図２（ｂ）のシッフ塩基のパターンは、パラジウム（ＩＩ）錯体のパターンに変化し、１００平方ｎｍ当たり３６個のパラジウムイオンを検出できた。
【００２４】
実施例３
ステアリン酸（化合物１、ｎ＝１６）のオクチルベンゼン溶液（濃度：約１ｍｇ／ｍｌ）を、一滴、グラファイト基板に滴下し、液膜を形成した。この液膜をＳＰＭで観察したところ、図３（ａ）のステアリン酸の分子会合パターンが観察された。この液膜に４，４’−ビピリジンのエタノール溶液（濃度：〜０．０１ｍＭ）を、一滴（４．５μｌ）、滴下した。数分後、ＳＰＭで観察される分子パターンは、図３（ｂ）に示したように、ステアリン酸−ビピリジン塩の分子会合パターンに変化し、４１．７平方ｎｍ当たり１５個のビピリジンが同定できた。ステアリン酸の他に、１２−ＯＨステアリン酸などのカルボン酸も同様に同定に使えることを確認した。
【００２５】
比較例１
化合物７（ＣＨ３  −（ＣＨ２  ）１１−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−（ＣＨ２  ）８  −ＣＯＯＨ）のオクチルベンゼン溶液（濃度：約１ミリグラム／ｍｌ）を、一滴、グラファイト基板に滴下し、液膜を形成した。この液膜をＳＰＭで観察したところ、図４（ａ）に示したように、化合物７の分子会合パターンが観察された。この液膜に４，４’−ビピリジンのエタノール溶液（濃度：〜０．０１ｍＭ）を、一滴、（約６μｌ）、滴下した。数分後、ＳＰＭで観察される分子パターンは、図４（ｂ）に示したように、化合物７の分子会合パターンのままであった。その結果、化合物７の液膜によっては、４，４’−ビピリジンは検出されなかった。化合物７は、化合物１、２と異なり、分子鎖が中間で折れ曲がっている。化合物７単独では、グラファイト基板上で密に充填して安定な単分子膜を形成するが、４，４’−ビピリジンと化合物７との分子会合体は、グラファイト基板上で密に充填できないため、基板上に安定な単分子膜が形成し得ない。言い換えれば、基板上の膜は、検出対象分子に対する安定性が弱いため該分子を検出できなかった。
【００２６】
実施例４
ステアリン酸（化合物１、ｎ＝１６）のオクチルベンゼン溶液（濃度約１ｍｇ／ｍｌ）を一滴グラファイト基板に滴下し、液膜を形成した。この液膜をＳＰＭで観察すると、図３（ａ）のようなステアリン酸の分子会合パターンが観察された。この液膜に４，４’−ビピリジンのエタノール溶液（濃度：未定）を一滴（１μｌ）付着させた。数分後ＳＰＭで観察される分子パターンについては、図５に示したように、ステアリン酸−ビピリジン塩の分子会合部（Ａ部、面積比２３．４％）、ステアリン酸分子未吸着部（Ｂ部、面積比９．３％）及びステアリン酸の分子会合部（Ａ、Ｂ部以外、６７．３％）が観察された。このような面積比の測定を観測位置を変えて２０回行ったところ、Ｂ部以外の有効測定面積に対するＡ部の面積の比は観測地位置による差が小さく、平均２１％であった。また、有効面積の７０％がＡ部になる濃度が０．８μｇ／ｍｌ、有効面積の１０％がＡ部になる濃度が０．１μｇ／ｍｌであり、この濃度間では濃度が有効面積に対するステアリン酸−ビピリジン塩の分子会合部の面積比に比例すると見なした場合、上記２１％の面積比となる溶液の４，４’−ビピリジンの濃度は０．１２８μｇ／ｍｌと算出された。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、有機イオン及び無機イオンの検出方法に係るものであり、本発明によれば、１）煩雑な操作が必要とされる専用の分析機器を使用せずに、汎用の走査型プローブ顕微鏡を用いて、０．１μｇ／ｍｌ程度の超低濃度の金属イオンないし有機イオンを１μｌ程度の滴一滴という極微量の試料で、高感度、かつ簡便に検出することができる、２）走査型プローブ顕微鏡によって、１０平方ｎｍあたり数個の被検出イオンの形状や１平方μｍあたり数十万個のイオンから成る膜パターンを観察することができる、３）目的の被検出イオンの検出と同時に目的の被検出イオンと妨害物とを区別することができる、４）基板上の膜に取り込まれるイオンの数やイオンを取り込んでいる部分の膜面積は、溶液濃度と平衡状態を反映しており、観測画像内におけるイオン数比や面積比から、それらのイオン数比や面積比に対応した溶液濃度を導き出すことが可能である、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ｓ）−１６−メチルステアリン酸の走査型プローブ顕微鏡による観測像を示す〔（ａ）：ビピリジン無し、（ｂ）：ビピリジン検出〕。
【図２】シッフ塩基の走査型プローブ顕微鏡による観測像を示す〔（ａ）：パラジウム無し、（ｂ）：パラジウム検出〕。
【図３】ステアリン酸の走査型プローブ顕微鏡による観測像を示す〔（ａ）：ビピリジン無し、（ｂ）：ビピリジン検出〕。
【図４】ジアセチレンカルボン酸の走査型プローブ顕微鏡による観測像を示す〔（ａ）：ビピリジン無し、（ｂ）：ビピリジン有り〕。
【図５】走査型プローブ顕微鏡で観察される分子パターンを示す〔Ａ：ステアリン酸−ビピリジン塩の分子会合部、Ｂ：ステアリン酸分子未吸着部、及びＣ：ステアリン酸の分子会合部（Ａ、Ｂ以外）〕。
【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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