(57)【要約】【課題】  光電変換素子を用いた高感度な測定方法、色素測定用光電変換素子及び色素増感型光電変換素子の提供。【解決手段】（１）導電性基板上に金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金を、当該基板上への色素の結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化したものに色素を結合させ、これに光を照射することで生じた電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定する方法、（２）高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化した色素測定用光電変換素子、並びに（３）高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化したものに色素を結合させた色素増感型光電変換素子。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板上に金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金を、当該基板上への色素の結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化したものに色素を結合させ、これに光を照射することで生じた電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定する方法。
【請求項２】
固定化が、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金を、高分子電解質を用いて導電性基板上に結合させることである、請求項１記載の測定方法。
【請求項３】
高分子電解質がフッ化炭素系アニオン性高分子電解質である請求項２記載の測定方法。
【請求項４】
金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金が光触媒能を有するものである請求項１〜３の何れかに記載の測定方法。
【請求項５】
金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金が、酸化チタン、窒化タリウム、酸化ルテニウム、酸化スズ、硫化カドミニウム、硫化亜鉛、金、白金、銀及びパラジウムから選ばれるもの、硫化カドミニウムと硫化亜鉛の合金、又はバナジウム、白金若しくは窒素をドープした酸化チタン合金である請求項４記載の測定方法。
【請求項６】
導電性基板がインジウムスズチタンオキサイド、炭素又は金からなるものである請求項１〜５の何れかに記載の測定方法。
【請求項７】
色素がポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルピラジン誘導体又はトリス(2,2'-ビピリジン)ルテニウム錯体誘導体である請求項１〜６の何れかに記載の測定方法。
【請求項８】
高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化した色素測定用光電変換素子。
【請求項９】
高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化したものに色素を結合させた色素増感型光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒能を有する金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金等が固定化されている光電変換素子を用いた色素の測定方法並びに色素測定用光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンパク質、酵素、抗体などの生体内成分の分析、環境ホルモン、窒素酸化物などの環境成分の分析、農薬、細菌などの食物成分の分析など、多分野にわたって微量成分の分析技術は必要となっている。現在の測定において、その多くは、測定対象となる成分量を適当な色素量に置き換えて測定する測光法、即ち、測定対象物質量に対応した色素量に由来する吸光度、濁度、蛍光光度或いは発光光度などの変化を直接的に測定し、その結果に基づいて成分比例関係にある測定対象物質の総量を算出する方法が主流となっている。測光法のメリットは、ほぼすべての化合物を測定対象とすることが可能であることであり、実際、多くの測定対象物質に対する測光法用の測定試薬や測定装置が多く販売されている。しかしながら、測光法の原理においては、検出に光学系を用いる必要があり、装置サイズが大型化するという難点があった。更に、試料中の共存成分の影響や、色素そのものの吸収度・蛍光光度などの影響のため、バックグラウンドが上昇し、測定値に誤差を与える等の問題もあった。
【０００３】
これらの問題を解決する目的で、新しい理論で微量成分の測定技術の開発が進められている。即ち、SPR(表面プラズモン共鳴)を利用して検出する方法、水晶発振子を利用して検出する方法等の物理的検出方法である。これらのメリットは、検出系に光学系を用いないことで装置の小型化ができることであり、実際に携帯可能なグルコースセンサーなどが市販されている。しかしながら、これらの測定方法は、その原理が細密なことから、測定環境や試料中の共存物質などから受ける影響が大きく、その結果、測定誤差が大きくなるという難点があり、広い分野での応用が困難であった。
【０００４】
一方、光エネルギーを電気エネルギーに変換する技術、即ち光電変換素子を利用した技術開発も進められている。この技術は、グレッツェルセル(B.O'Regan, M.Gratzel, Nature, 1991, 353, 737-739)と呼ばれる色素増感型光電変換素子を用いてエネルギー変換を起こすことで電気エネルギーを得る方法である。グレッツェルセルの基本構造は、導電性基板−酸化チタン膜−有機色素より構成される。また、該方法に於いて酸化チタンの光触媒機能を効果的に発現させるためには、薄膜化するのが望ましいと考えられている。酸化チタン薄膜の作製方法としては、CVD法(真空蒸着法)やスパッタリング法等の気相法や、ゾル−ゲル法が挙げられる。しかし、気相法は高価で特殊な装置や高い温度を必要とし、薄膜製作のコストが高くなるという問題や、装置の制約上面積の大きい薄膜作製は困難であるという問題がある。ゾル−ゲル法は、複雑な形状の薄膜作製が困難であり、また加熱過程が必要なことから、耐熱性の観点から固定化できる基板に制約がある上、膜の変形や亀裂(クラック)が生じる恐れがある。更には、市販のガラスにコーティングする場合、加熱処理を行うことによってガラス中のナトリウム成分が拡散して酸化チタンと反応し、光触媒機能が失活してしまうという問題がある。そのためガラス上にあらかじめシリカをコートし、ナトリウムの拡散をブロックする等の処置が必要であるため簡便に製造するには問題があった。
【０００５】
グレッツェルセルは、導電性基板−酸化チタン薄膜−有機色素より構成されるため、酸化チタン薄膜に固定化される色素は、薄膜上に物理的に吸着される。そのため、一旦吸着させた色素を脱離させることが容易ではないという問題点も有している。そのため、グレッツェルセルを用いて、不均一な溶液、即ち様々な成分が混在した溶液から色素成分だけを選択的に吸着させて、その吸着量に応じた発電をさせることは、その構造上適してはいなかった。
【０００６】
上記問題を解決するため、電子受容体にフラーレンを用いた光電変換素子の開発もなされている（特開2002-64146、特開2003-31832等）。本法では、イオン性官能基で修飾されたカリックスアレーンを用いて、フラーレンを導電性基板上に固定化していることから、イオン的な色素の脱着を可能としている。しかしながら、フラーレン自身が光電変換力を有するためにブランク値が上がる、フラーレンを多層構造にできないため、発生する最大高電流量が低い等の問題があり、微量成分の測定に応用するのは難しい現状にある。
【０００７】
【特許文献１】特開2002-64146
【特許文献２】特開2003-31832
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した問題を解決すべく、光電変換素子を用いた高感度な測定方法及び色素測定用光電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、本発明者は上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金を、当該基板上への色素の結合及び結合した色素の遊離が可能なように導電性基板上に固定化して光電変換素子を作製し、該素子に脱着可能なように色素を結合させ、光を照射し、それにより発生する電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定することで、感度よく色素量を測定し得ることを見出し本発明に至った。即ち、本発明は、
（１）導電性基板上に金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金を、当該基板上への色素の結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化したものに色素を結合させ、これに光を照射することで生じた電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定する方法、
（２）高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化した色素測定用光電変換素子、並びに
（３）高分子電解質と、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを導電性基板上に固定化したものに色素を結合させた色素増感型光電変換素子に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来の色素脱着が可能な光電変換素子を用いた色素測定法に於ける問題点であった、光電変換率の低さを解消し、高感度に色素の測定を可能とし、それにより、光電変換素子を用いた測定方法を微量成分測定に応用することを可能とする。また、本発明の色素測定用光電変換素子又は色素増感型光電変換素子を用いれば、上記のような高感度測定を可能とし、更に、従来の装置と比較してサイズの小さい装置の製造を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金（以下、金属酸化物等と略記する場合がある）は、光触媒能を有するものであれば何れでもよく、具体的には例えば金属酸化物としては酸化チタン、酸化ルテニウム、酸化スズ等が、金属硫化物としては硫化亜鉛、硫化カドミニウム等が、金属窒化物としては窒化タリウム等が、金属クラスターとしては、金、白金、銀、パラジウム等が挙げられ、その合金としては、硫化カドミニウムと硫化亜鉛の合金や、バナジウム、白金若しくは窒素をドープした酸化チタン合金が挙げられ、中でも、酸化チタン又はバナジウム、白金若しくは窒素等をドープした酸化チタン合金等が光触媒能が高く好ましい。尚、これら金属酸化物等を導電性基板上に、当該基板上への色素の結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化する方法としては、そのような性質を有するように固定化し得る方法であれば特に限定されないが、例えば高分子電解質を用いる方法が好ましいものとして挙げられる。
【００１２】
本発明に係る高分子電解質は、電解質性を有する高分子であれば何れでもよく、具体的には例えばアニオン性高分子電解質、カチオン性高分子電解質、両性高分子電解質等のイオン性高分子電解質、例えばポリアニリン，ポリチオフェン等の電解重合系ポリマー、例えばポリリジン，ポリアスパラギン酸等の天然型電解性ポリマー等が挙げられ、中でもアニオン性高分子電解質，カチオン性高分子電解質，両性高分子電解質等のイオン性高分子電解質が好ましい。アニオン性性高分子電解質の具体例としては、例えばナフィオン（Nafion(R)、デュポン社)，ダウ（Daw(R)、ダウケミカル社)，フレミオン（Flemion(R) 、旭硝子（株）)，アシプレックス（Aciplex(R)、旭化成（株）)等の、フッ化炭素を主鎖とし、スルホン酸基、カルボキシル基等のアニオン性官能基を有するフッ化炭素系アニオン性高分子電解質、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム等が挙げられ、カチオン性高分子電解質の具体例としては、例えばポリアリルトリメチルアミン，ポリアリルジメチルアミン，ポリアリルアミン等が挙げられ、両性高分子電解質の具体例としては、例えばポリメタアクリル酸ホスホコリン等が挙げられる。これらの中でも、ナフィオン（Nafion(R)、デュポン社)，ダウ（Daw(R)、ダウケミカル社)，フレミオン（Flemion(R) 、旭硝子（株）)，アシプレックス（Aciplex(R)、旭化成（株）)等のフッ化炭素系アニオン性高分子電解質が好ましく、フッ化炭素系アニオン性高分子電解質の中でもナフィオンが特に好ましい。
【００１３】
本発明に係る導電性基板としては、インジウムスズチタンオキサイド、炭素又は金からなるものであるものであればよく、具体的には通常電極として用いられているものが挙げられ、例えば、インジウムチタンオキサイド電極（ITO電極）、炭素電極、金電極等が挙げられ、中でもITO電極が好ましい。
【００１４】
本発明に係る色素としては、色素増感型光電変換素子の色素として用いられているものであれば何れでもよく、中でも、電荷を帯びているものが好ましい。具体的には例えばテトラフェニルポルフィリン，テトラキス(4-ピリジル)ポルフィリン，テトラキス(1-メチルピリジニウム-4-イル)ポルフィリン，テトラキス(4-アミノフェニル)ポルフィリン，テトラキス(4-ヒドロキシフェニル)ポルフィリン，テトラキス(4-カルボキシフェニル)ポルフィリン，テトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸，テトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸ナトリウム等のポルフィリン誘導体、例えばテトラスルホニルフタロシアニン，テトラスルホニルフタロシアニンナトリウム塩，オクタカルボキシフタロシアニン，オクタヒドロキシフタロシアニン，テトラスルホンアミドフタロシアニン等のフタロシアニン誘導体、例えばテトラスルホニルポルピラジン，オクタカルボキシポルピラジン等のポルピラジン誘導体、例えばテトラスルホニルナフタロシアニン，オクタカルボキシナフタロシアニン等のナフタロシアニン誘導体、例えばトリス[2,2'-ビ(4-カルボキシピリジン)]ルテニウム錯体等のトリス(2,2'-ビピリジン)ルテニウム錯体誘導体等が挙げられる。尚、上記ポルピラジン誘導体は、フタロシアニン誘導体に含まれていてもよい。また、上記色素は、亜鉛、銅、鉄、アルミニウム、コバルトなどの金属と1:1で錯体を形成していてもよい。上記具体例の中でも、ポルフィリン誘導体及びその金属錯体が好ましい。
【００１５】
本発明の色素測定用光電変換素子としては、上記のような高分子電解質と金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属クラスター又はその合金とを上記のような導電性基板上に色素との結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化したものであれば特に限定はされないが、以下のようにして作製されるものが好ましい。
【００１６】
即ち、高分子電解質と金属酸化物等とを混合した後に、超音波照射して金属酸化物等−高分子電解質ゾル液を調製し、該ゾル液を電極基板上に塗布することにより作製される。
【００１７】
より具体的には、先ず、例えばナフィオン等の高分子電解質を0.5〜５、好ましくは１〜３(w/v)%となるように例えば水，メタノール，エタノール等の溶媒に懸濁させ、該懸濁液に粒径２〜１００nm、好ましくは５〜２０nmの例えば酸化チタン等の金属酸化物等の微粒子１０〜３０(w/v)％水溶液を添加し混合し、最終的に高分子電解質を0.3〜２(w/v)％、金属酸化物等を３〜２０(w/v)％含有する溶液を調製する。次いで、該溶液を１０〜１００分、好ましくは３０〜８０分超音波照射し金属酸化物等（酸化チタン）−高分子電解質（ナフィオン）ゾル分散液を得、該ゾル分散液例えばITO基板に１cm2当たり１０〜１００μl、好ましくは１０〜４０μｌを載せ、コーティングすることにより、作製される。コーティングの際には必要に応じて乾燥工程を設けてもよく、当該乾燥工程は、通常この分野で行われる方法であればよく、例えば風乾、加熱乾燥等の方法が挙げられる。また、固定化されるゾル分散液の膜厚は、コーティング方法により異なるが、10nm〜10mmが好ましい。尚、該コーティング方法としては、例えばディップコーティング法、スプレーコーティング法、塗布法、スピンコーティング法等が挙げられるが、中でも膜厚を容易に調整できる点でスピンコーティング法が好ましく、該方法でコーティングする際、例えば回転数を３０００ｒｐｍで行った場合には通常２０〜６０秒間、好ましくは３０〜４０秒間コーティングを行うのが好ましい。このようにコーティングを行った場合、通常乾燥工程は不要である。また、この操作を複数回行ってもよい。
【００１８】
本発明の色素増感型光電変換素子は、上記の如き本発明の光電変換素子に上記の如き色素を結合させたものであり、該結合方法としては通常この分野で行われている方法、例えば色素含有の溶液中に本発明の光電変換素子を浸漬し、要すれば乾燥等の行程を施す等によりなされればよい。
【００１９】
また、結合した色素はイオン交換樹脂の洗浄方法に準じて、即ち、適当な、酸、アルカリ溶液（例えば塩酸水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等）、高塩濃度溶液（例えば塩化ナトリウム水溶液等）を用いて洗浄する等により脱着（脱離）させることができる。
【００２０】
本発明の色素量の測定方法としては、金属酸化物等を導電性基板上に上記の如くして固定化したものに上記の如き色素を結合させ、これに光を照射し生じた電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定すればよい。好ましくは、高分子電解質と金属酸化物等とを導電性基板上に色素との結合及び結合した色素の遊離が可能なように固定化したもの、即ち本発明の色素測定用光電変換素子に上記の如き色素を結合させ、これに光を照射し生じた電流量を測定し、その電流量から結合した色素量を測定するのがよい。
【００２１】
具体的には、例えば色素を含有する溶液中に本発明の色素測定用光電変換素子を、一定時間、要すれば攪拌しながら浸漬させて、色素を光電変換素子に吸着させる。次いで、該色素吸着光電変換素子に光を照射し、光電変換により電気を発生させ、該電気の電流量を測定する。得られた電流量から、予め作成しておいた色素量と電流量の検量線から、色素量を算出すればよい。
【００２２】
尚、この際に照射される光の光源としては、例えば、キセノン光源、水銀光源、レーザー光源等が挙げられるが、下記波長及び光量の光を照射できるものであれば、特に限定はされない。また、該光の照射波長は、用いられる色素によって変化させるのが好ましいが、通常３００〜８００nm、好ましくは４００〜７００nmであり、例えば色素にテトラ(4-ピリジル)ポルフィリンやテトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸等のポルフィリン誘導体を用いる場合には通常４００〜５００nmの範囲内で照射し、例えばテトラスルホニルフタロシアニンやオクタカルボキシフタロシアニン等のフタロシアニン誘導体を用いる場合には、通常６５０〜７５０nmの範囲内で照射し、また、例えばトリス(2,2'-ビピリジン)ルテニウム錯体を用いる場合には、通常３００〜５００nmの範囲内で照射すればよい。また、照射光量は、その光源によって異なるが、通常0.1〜５０mW cm-2であり、好ましくは１〜５mW cm-2である。
【００２３】
また、本発明に於ける電流量の測定は、通常の電流量測定方法に従って行えばよく、例えば三電極式電流測定法等で測定すればよい。尚、三電極式電流測定は、通常この分野で行われている例えば「技報堂出版株式会社  電気化学測定法(下) p.380-385」、「丸善株式会社 電気化学測定マニュアル 基礎編、p.53-142」等に記載の方法に準じて行えばよい。また、市販の電流測定器を用いて電流を測定してもかまわない。
【００２４】
本発明の色素量の測定方法は、従来の色素を用いた測定方法の何れにも適用（応用）することができ、例えば酵素免疫測定方法に応用する場合には、以下のようにして行うことができる。
【００２５】
即ち、先ず、自体公知の方法例えば「東京化学同人  続生化学実験講座５ 免疫生化学研究法 p.62-65」、「金原出版株式会社 臨床検査法提要 第30版  p.862-865、p.1145-1149」等に記載の方法に準じて抗体を固定化した例えばラテックス等の固相を調製する。該固相を用いて、測定対象物質である前記抗体に対する抗原を捕捉し、更にそこに適当な色素を標識した二次抗体を抗原抗体反応させ、固相抗体−抗原−色素標識抗体のサンドイッチを生成する。その後、該生成物から、例えば酵素的、或いは化学的に色素を加水分解的に遊離させる。次いで、該遊離色素を本発明の色素測定用光電変換素子に吸着させ、該光電変換素子に光を照射し、発生した電流量を例えば三電極式電流測定法により測定する。得られた電流量から、予め作成しておいた色素量と電流量の検量線を基に、色素量を算出することで、測定対象物質である抗原量が算出される。
以下に本発明の特徴を更に明らかにするため実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
1.酸化チタン微粒子薄膜の作製
17mgのナフィオン（Nafion(R)、Aldrich社製，商品名；Nafion117，平均分子量1000）を1mlのエタノールに懸濁し、これに20.5％酸化チタン微粒子水溶液(TAYCA社製，商品名；TKS-203，粒径約6 nm)400mlを加え、混合した。これを60分間超音波照射して、均一に分散した酸化チタン−ナフィオンゾル分散液を得た。このゾル分散液100mlを、1.5cm×2.0 cm平方のITO基板(甲子光学社製，抵抗値10Ω以下)に載せ、スピンコート(3000 rpm, 30秒間)し、酸化チタン修飾ITO電極を作製した。
【００２７】
2.色素の吸着
13.7mgのテトラキス(1-メチルピリジニウム-4-イル)ポルフィリンを40mlのイオン交換水に溶解し、0.25mMの色素溶液を調製した。次いで、上記1.で作製した酸化チタン修飾ITO電極を、該色素溶液に1時間浸漬した後、0.1M-硫酸ナトリウム水溶液で洗浄し、色素吸着酸化チタン修飾ITO電極を作製した。
【００２８】
3.光電流の測定
上記2.で得た色素吸着酸化チタン修飾ITO電極を作用極とし、銀−塩化銀電極を参照電極とし、更に白金線を対極とした三電極式で光電流測定を行った。測定条件を下記に示す。
【００２９】
測定機器；電気化学アナライザーALS600a(ALS社製)
照射波長；420±10 nm，
引加電圧；0.4 V，
照射光量；2.2 mW cm-2，
電解質溶液；0.1M-硫酸ナトリウム−0.05M-トリエタノールアミン水溶液，
電極半径；φ= 0.3 cm
【００３０】
このときの発生光電流量は約1.7mA［単位光電流量(1mW/1cm2の照射光量で照射光量における1cm2当りの発生電流量)に換算すると2.7mA］、量子収率は約2%であった。Youichi Tsuchiya, Atsushi Ikeda, Toshifumi Konishi, and Jun-ichi Kikuchi, J. Mater. Chem., 2004,issue 14, DOI: 10.1039/b315577c.によれば、酸化チタン粒子を添加しないナフィオンを用いて実験した場合その発生光電流量は400nA（単位光電流量は640nA）であり、また、カリックスアレーン−フラーレン錯体を固定化した光電変換素子により得られる単位光電流量は1.7mAであることから（特開2003-31832）、本発明の光電流量（単位光電流量）は、既知の方法と比較して明らかに高くなっていることが分かる。
【実施例２】
【００３１】
色素量の変化に伴う光電流の変化測定
実施例１の2.で得た0.25mMのテトラキス(1-メチルピリジニウム-4-イル)ポルフィリン溶液を純水で希釈し、1mM，10mM，25mM，50mM，100mM色素溶液を調製した。実施例１の1.の方法で作製した酸化チタン修飾ITO電極を、この各色素溶液に正確に1分間浸漬した後、超純水で洗浄し、所定濃度の色素が吸着した酸化チタン修飾ITO電極を作製した。この該色素吸着酸化チタン修飾ITO電極を用いて、実施例１の3.に記載した条件で光電流測定を行った。
その結果を表１及び図１に示す。
【００３２】
【表１】
2005251426.tif 000002
【００３３】
上記結果から明らかなように、溶液濃度と発生する光電流量には良好な相関関係が認められた。即ち、本発明の測定方法により、色素濃度の定量が可能であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例２に於いて、所定濃度の色素が吸着した酸化チタン修飾ITO電極を用いて光電流量を測定したときの、色素濃度と光電流量の相関を表したグラフである。
【図１】
2005251426.tif 000003