(57)【要約】【課題】メソポーラスシリカナノチューブの合成及びそのシリカナノチューブ体を提供する。【解決手段】タンパク質を挿入して複合化できる細孔径が少なくとも１３ｎｍの基板に平行な細孔と、基質がスムーズに通り抜けできるチャンネル径が少なくとも１００ｎｍの基板に垂直なチャンネルとを有するメソポーラスシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜に、トリブロック共重合体の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を、強真空で吸引し、アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させることにより、基板に垂直な、チャンネル径が少なくとも１００ｎｍの１次元のチャンネルを有し、基板に平行な、細孔径が少なくとも１３ｎｍの細孔を有するシリカナノチューブ体を製造することからなる、シリカナノチューブ体の製造方法、及びそのシリカナノチューブ体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、１次元のシリカナノチューブ体であって、該シリカナノチューブ体が、蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔とを有する構造を有し、当該基板に垂直なチャンネルの径が少なくとも１００ｎｍであり、基板に平行な細孔の細孔径が少なくとも１３ｎｍであることを特徴とするシリカナノチューブ体。
【請求項２】
上記１次元のシリカナノチューブ体が、陽極酸化アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、請求項１記載のシリカナノチューブ体。
【請求項３】
上記円筒状のアルミナ細孔の径が、少なくとも２００ｎｍで、その長さが、少なくとも４５μｍである、請求項１又は２記載のシリカナノチューブ体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のシリカナノチューブ体から得られたことを特徴とするシリカナノチューブ膜。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のシリカナノチューブ体において、鋳型となった界面活性剤ミセルが除去されていることを特徴とするシリカナノチューブ細孔体。
【請求項６】
蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、少なくとも１３ｎｍの細孔径の細孔を有する１次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔内に、トリブロック共重合体の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させることにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、１次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直な少なくとも１００ｎｍのチャンネルと、基板に平行な少なくとも１３ｎｍの細孔を有するシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするシリカナノチューブ体の製造方法。
【請求項７】
上記１次元のシリカナノチューブ体が、アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、請求項６記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
【請求項８】
上記シリカナノチューブ体を、所定の条件下で焼成することにより、鋳型となった界面活性剤ミセルを除去する、請求項６又は７記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
【請求項９】
トリブロック共重合体系の界面活性剤として、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーを用いて、基板に垂直な１００ｎｍ径のチャンネルを有し、基板に平行な１３〜１４ｎｍ径の細孔とを有するシリカナノチューブ体を製造する、請求項６から８のいずれかに記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、ナノサイズのシリカナノチューブ体に関するものであり、更に詳しくは、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる大きさの細孔を有する１次元のシリカナノチューブ体であって、基板のアルミナ膜に平行な約１３〜１４ｎｍの細孔を有し、かつ物質移動が可能な、基板のアルミナ膜に垂直な約１００ｎｍのチャンネルを有するシリカナノチューブ体に関するものである。
【０００２】
従来、シリカナノチューブ体においては、その細孔径は、３〜４ｎｍ程度の大きさにすることが限界であり、当該ナノチューブ体と蛋白質等の高分子との複合化は不可能であった。これに対して、本発明は、細孔径の大きさを少なくとも１３ｎｍまで拡大して、分子サイズの大きい蛋白質分子を複合化することが可能であり、また、様々な物質の移動が可能であり、基板に垂直な約１００ｎｍのチャンネルを有することで、今まで、拡散が制限されていた基質が、スムーズに移動できることを可能にした、新しいチャンネル構造を有するシリカナノチューブ体に関する新技術・新製品を提供するものである。
【背景技術】
【０００３】
界面活性剤を鋳型としたメソポーラスシリカにおける最近の傾向の一つは、該メソポーラスシリカを、その分子寸法の均一の細孔直径を利用することにより、ナノ流体システムへ応用することである。その目的のために、陽極酸化アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカの合成について、熱心な研究が行われてきた。
【０００４】
ここでは、上記アルミナ膜の円筒状の細孔内にメソポーラスシリカを有するアルミナ膜を、メソポーラス膜と称する。アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカの成長は、時として、円筒状のアルミナ細孔に沿った方向に、界面活性剤を鋳型とした、シリカ−ナノチューブの１次元の一列の成長になり、このナノチューブにおけるチャンネルの方向は、膜表面に対して、垂直の方向に向いている。
【０００５】
従来、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内におけるメソポーラスシリカを形成する３つの方法が提案されている。第１は、前駆体溶液におけるメソポーラスシリカの成長であり、アルミナ膜を、前駆体溶液中に浸して、数時間保持する方法である（非特許文献１、２）。第２は、ディップコーティング法であり、前駆体溶液は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔の中に供給され、メソポーラスシリカを、溶媒の蒸発の間に成長させる方法である（非特許文献３−７）。
【０００６】
これらの方法には、メソポーラスシリカの成長の間の、温度、又は温度と同様に、はじめの前駆体溶液における界面活性剤に対するシリカの割合の制御を可能とし、鋳型として、界面活性剤を用いて、１次元のメソポーラス膜の合成することに成功した幾つかの研究がある。しかし、メソポーラスシリカは、時として、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内だけでなく、膜表面にも形成される。そのため、ナノ流体システムのためのメソポーラス膜にするためには、膜表面のメソポーラスシリカは、除去される必要がある。
【０００７】
これに対して、本発明者らは、他の方法を提案しており、この方法では、アルミナ膜は、通常の膜フィルター装置にセットされ、前駆体溶液は、ゆるやかな撹拌下に、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔に導入される。メソポーラスシリカは、前駆体溶液が、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔を通過する間に成長するので、膜表面でのメソポーラスシリカの形成は、ほとんど起こらない。
【０００８】
このようにして、本発明者らが提案した方法は、ナノ流体システムに使用するための１次元メソポーラス膜を合成するのに適していると思われる。実際に、本発明者らは、鋳型の界面活性剤として、セチルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）を用いて、１次元メソポーラス膜を合成し、均一なチャンネル直径（３．４ｎｍ）に起因する分子のサイズによる分離能を利用した、ナノ流体システムとしての応用を提案した（非特許文献８）。
【０００９】
ここで、本発明の技術的特徴の理解に資するために、更に詳しく説明すると、これまでの先行技術として、従来、例えば、メソポーラス膜を作製するための界面活性剤や、アルコキシシラン化合物を含んだ前駆体溶液を用いて、該前駆体溶液と接する固体表面上で、自発的に形成される界面活性剤−シリカナノ複合体を利用したナノチューブ体を有するメソポーラス膜が作製されていた。このため、作製されたメソポーラス膜におけるナノチャンネルの配向は、基板表面に対して、必然的に、平行に配列した形になる。
【００１０】
この場合、このような配向からなるナノチューブ体に進入した物質の移動は、基板表面に対して、平行となり、例えば、溶液層−メソポーラス膜−固体基板の３層系において、溶液層からメソポーラス膜を透過して、基板表面に物質が移動するような膜透過を実現することができない。しかし、メソポーラス膜を、化学物質の分離、濃縮や、生化学分析、微量成分分析等のセンサや、高分子合成や触媒反応等に用いる場合には、ナノチューブ体を、基板表面に対して、垂直方向に配列させることにより、メソポーラス膜における物質透過を実現する必要がある。
【００１１】
そこで、ナノチューブ体が、基板表面に対して、ほぼ垂直方向となるような多孔体膜を作製することが種々試みられ、基板表面に対して、垂直に形成されているナノオーダーのマクロ細孔内に、界面活性剤を含む前駆体溶液を導入することにより、細孔壁を形成すると、この細孔壁とマクロ細孔内を透過する溶液との界面は、基板表面に対して垂直となることが分かった。すなわち、界面活性剤やアルコキシシラン化合物を含んだ前駆体溶液を、このマクロ細孔内に導入すれば、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、細孔壁に沿って形成されることが期待される。
【００１２】
このナノチューブ体とマクロ細孔の配向は、同方向であり、結果的に、ナノチューブ体が、基板表面に対して、ほぼ垂直となることが期待される。また、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体を含むメソポーラス膜を、焼成することにより、この界面活性剤ミセルを除去したシリカナノ細孔が形成されることが期待される。
【００１３】
マクロ細孔を有する薄膜の膜厚が薄く、かつマクロ細孔が表面から底面まで貫通するように形成されていれば、これらのナノチューブ体やシリカナノ細孔を含む多孔体膜を作製することができ、また、この多孔体膜は、物質が透過し得るメソポーラス膜として、取り扱うことができると想定される。
【００１４】
上述した想定に基づき、これまでに、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜であって、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されてなる多孔体膜が開発され、更に、シリカナノ細孔体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されてなる多孔体膜が開発されている。
【００１５】
この多孔体膜では、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜において、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。また、この多孔体膜では、基板を酸化させて生成した酸化物層からなる多孔体膜において、シリカナノ細孔体が、上記酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。
【００１６】
このように、従来、直径約１０ｎｍ〜数μｍのマクロ細孔が、表面から底面にかけて貫通するように形成されている酸化物層に、界面活性剤を接触させることで、界面活性剤ミセルを内包しているナノチューブ体を有する薄膜を作製することや、また、上記界面活性剤を接触させた酸化物層を更に焼成することにより、シリカナノ細孔体を有する薄膜を作製することが行われた。
【００１７】
しかしながら、これまで合成したメソポーラス膜は、シリカナノ細孔体の細孔径は約３〜４ｎｍの大きさが限界であり、それ以上の細孔径を有するシリカナノ細孔体は、合成されていなかった。例えば、上記界面活性剤ミセルを内包しているシリカナノ細孔体を有する薄膜を用いた物質の透過性についての実験系では、分子サイズが約４．０ｎｍのミオグロビン分子、同６．４ｎｍのアルブミン分子のような分子サイズの大きい蛋白質分子は、膜透過できないことが確認されている。
【００１８】
これらのことは、従来材のシリカナノ細孔体では、分子サイズの大きい蛋白質分子を膜透過させることが不可能であることを示すだけではなく、それと複合化することも不可能であることを示唆している。このようなことから、当技術分野においては、大きい分子サイズの蛋白質分子を複合化でき、基質が自由に行き来できる細孔を持ったナノチューブ体の合成方法、及びそのナノチューブ体、を開発することが強く要請されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００４，１２６，８６５０
【非特許文献２】Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，１６，４８５１
【非特許文献３】Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００６，２２，１８３９
【非特許文献４】Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，２００３，４２，４２０１
【非特許文献５】Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒ．，２００４，３，８１６
【非特許文献６】Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２００５，１６６
【非特許文献７】Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，２００６，４５，１１３４
【非特許文献８】Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒ．，２００４，３，３３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
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、例えば、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる１次元の細孔径を有し、しかも、基質の拡散がスムーズな２種類の細孔を持ったシリカナノチューブ体を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤を使用すること、合成時の真空度を変えること、前駆体溶液の調製法を改良すること、及び前駆体溶液のアルミナ細孔への導入方法を改良することにより、所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２１】
本発明は、細孔径の大きさを少なくとも１３ｎｍまで拡大して、例えば、大きな分子サイズを有する蛋白質分子を複合化することを可能であり、かつ、基質がスムーズに拡散できる、約１００ｎｍの基板に垂直な細孔を有する新しいナノチューブ体、及びその合成方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
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）アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、１次元のシリカナノチューブ体であって、該シリカナノチューブ体が、蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔とを有する構造を有し、当該基板に垂直なチャンネルの径が少なくとも１００ｎｍであり、基板に平行な細孔の細孔径が少なくとも１３ｎｍであることを特徴とするシリカナノチューブ体。
（２）上記１次元のシリカナノチューブ体が、陽極酸化アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、前記（１）記載のシリカナノチューブ体。
（３）上記円筒状のアルミナ細孔の径が、少なくとも２００ｎｍで、その長さが、少なくとも４５μｍである、前記（１）又は（２）記載のシリカナノチューブ体。
（４）前記（１）から（３）のいずれかに記載のシリカナノチューブ体から得られたことを特徴とするシリカナノチューブ膜。
（５）前記（１）から（３）のいずれかに記載のシリカナノチューブ体において、鋳型となった界面活性剤ミセルが除去されていることを特徴とするシリカナノチューブ細孔体。
（６）蛋白質を挿入して複合化できる大きさを有する、少なくとも１３ｎｍの細孔径の細孔を有する１次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔内に、トリブロック共重合体の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させることにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、１次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直な少なくとも１００ｎｍのチャンネルと、基板に平行な少なくとも１３ｎｍの細孔を有するシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするシリカナノチューブ体の製造方法。
（７）上記１次元のシリカナノチューブ体が、アルミナ膜の、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されている、前記（６）記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
（８）上記シリカナノチューブ体を、所定の条件下で焼成することにより、鋳型となった界面活性剤ミセルを除去する、前記（６）又は（７）記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
（９）トリブロック共重合体系の界面活性剤として、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーを用いて、基板に垂直な１００ｎｍ径のチャンネルを有し、基板に平行な１３〜１４ｎｍ径の細孔とを有するシリカナノチューブ体を製造する、前記（６）から（８）のいずれかに記載のシリカナノチューブ体の製造方法。
【００２３】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔内に形成された、例えば、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化できる大きさを有する１次元のシリカナノチューブ体であって、基板に垂直なチャンネルと、基板に平行な細孔（チャンネル）とを有し、上記基板に垂直なチャンネルの径が約１００ｎｍであり、上記基板に平行な細孔の径は、タンパク質を収納できる約１３〜１４ｎｍであることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明では、上記１次元のシリカナノチューブ体が、基板に対して垂直方向に形成された円筒状のアルミナ細孔内に形成されていること、上記円筒状のアルミナ細孔の径が約２００ｎｍで、その長さが約４５μｍであること、を好ましい実施の態様としている。
【００２５】
また、本発明は、蛋白質を挿入して複合化できる大きさである約１３〜１４ｎｍ径の基板に平行な細孔を有し、基板に垂直な約１００ｎｍ径のチャンネルを有する１次元のシリカナノチューブ体を製造する方法であって、アルミナ膜の細孔に、トリブロック共重合体系の界面活性剤を鋳型として含む前駆体溶液を吸引させ、該アルミナ膜に形成された円筒状のアルミナ細孔内に、上記前駆体溶液を導入し、乾燥させる操作を行うことにより、上記円筒状のアルミナ細孔内に、１次元のシリカナノチューブ体で、細孔径が約１３〜１４ｎｍであるシリカナノチューブ体を製造することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明では、基板として、円筒状のアルミナ細孔を有するアルミナ基板が使用される。この基板は、好適には、例えば、Ａｌ基板を陽極酸化することにより生成した酸化物層を有する陽極酸化アルミナから構成される。該酸化物層には、直径約１０ｎｍ〜５００ｎｍのマクロ細孔が酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成されている。上述の操作を行うことにより、このマクロ細孔の細孔壁に沿って、ナノメートルサイズの均一な細孔径を有するナノチューブ体が形成される。
【００２７】
このナノチューブ体は、シリカ等の無機層と、界面活性剤等の有機分子の集合体がナノオーダーで組織化して、いわゆる疎水場を形成した界面活性剤−シリカナノ複合体からなるものである。このナノチューブ体は、界面活性剤ミセルを内包し、該ミセルは、酸化物層の表面から底面にかけて貫通するように形成される。
【００２８】
このナノチューブ体は、酸化物層の表面又は底面に対して、ほぼ垂直となるように配向されている場合もある。このナノチューブ体の他に、該ナノチューブ体を所定の条件下で焼成することにより作製した、シリカナノ細孔体とすることも可能である。このシリカナノ細孔体は、例えば、上記のナノチューブ体を、例えば、約５００℃で、６時間焼成し、鋳型として内包されていた界面活性剤ミセルを取り除いて、ナノ細孔を形成したものである。
【００２９】
焼成前に、チャンネル径が約１３〜１４ｎｍである界面活性剤−シリカナノ複合体として構成されるナノチューブ体は、焼成後には、ほぼ同等の細孔径からなるシリカナノ細孔体として再形成される。このような構成からなるナノチューブ体及びシリカナノ細孔体では、試料溶液が接触する表面との界面に対して、ナノチューブ体やシリカナノ細孔体が、ほぼ垂直となるように配向している。
【００３０】
このため、ナノチューブ体の表面に接触する試料溶液は、このナノチューブ体やシリカナノ細孔体を通じて、当該多孔体膜を透過することが可能である。これらのナノチューブ体及びシリカナノ細孔体は、化学物質の分離、濃縮や、生化学分析、微量成分分析等のセンサとして、また、高分子合成や、触媒反応等において、適用することが可能である。
【００３１】
本発明では、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤が使用される。本発明では、このトリブロック共重合体界面活性剤を使用することが重要である。この界面活性剤としては、例えば、トリブロック共重合体であるポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーのｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７（ＢＡＳＦ社製）が好適なものとして例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のトリブロック共重合体であれば、同様に使用することができる。
【００３２】
本発明では、このトリブロック共重合体界面活性剤を含む前駆体溶液を調製する。この場合、例えば、上記ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシドのトリブロックポリマーであるＰＦ１２７を、エタノール、ＨＣｌ水溶液及び水の混合物中に溶解し、次いで、還流コンデンサーで、１〜数時間程度撹拌し、これに、ＴＥＯＳを添加し、更に、得られた混合物を、還流コンデンサーで、２〜２０数時間程度撹拌して、前駆体溶液を調製する。
【００３３】
上記前駆体溶液の調製過程では、混合物の温度は、例えば、３０〜６０℃程度に保持される。次に、陽極酸化して作製されたアルミナ膜を、通常の膜フィルター装置にセットし、上述の前駆体溶液を、当該アルミナ膜に滴下する。この場合、高吸引装置を用いて、吸引を行って、前駆体溶液を円筒状のアルミナ細孔に導入する。滴下した前駆体溶液を、完全に円筒状アルミナ細孔に導入した後、前駆体溶液を含むアルミナ膜を、更に、吸引して乾燥を行うことで、本発明のメソポーラス膜を合成する。
【００３４】
本発明の方法では、円筒状メソポーラスシリカは、各円筒状のアルミナ細孔内に認められ、メソポーラス膜の表面においては、従来法で認められるような、アルミナ細孔外に及ぶような著しいメソポーラスシリカの形成は認められない。本発明では、特に、前駆体溶液の調製方法と、真空度が重要である。
【００３５】
また、撹拌温度を６０℃にすると、６〜２４時間程度の撹拌で、１次元シリカ−ナノチャンネルの支配的な形成（９５％以上）が行われる。このように、１次元シリカ−ナノチャンネルの構造と他の構造の割合が、撹拌時間と温度に依存していることが判明したが、生成される１次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径は、Ｆ１２７の場合、全ての前駆体溶液について、常に１３±ｎｍである。
【００３６】
仮焼した後のメソポーラス膜（アルミナ膜のマトリックスのエッチングなしの場合）の窒素の吸着／脱着等温線から、各メソポーラス膜のＢＥＴ表面積を分析したところ、撹拌時間が減少すると、ＢＥＴ表面積は、より小さくなる傾向があり、１２時間程の撹拌で、最も高い値が得られる。鋳型の界面活性剤として、Ｆ１２７を使用して、１次元メソポーラス膜の形成を行った場合には、円筒状のアルミナ細孔内に形成されるメソポーラスシリカのチャンネル径は、８ｎｍである。
【００３７】
一方、Ｆ１２７の場合は、そのＴＥＭ像から見積もったナノチューブ体の細孔の細孔径は、１３〜１４ｎｍである。これらは、分子サイズが、８．０ｎｍのホルムアルデヒド脱水素酵素、同１２ｎｍのコリンエステラーゼ等の、大きい分子サイズを有する蛋白質分子を複合化するのに十分な細孔径サイズを有しており、特に、分子サイズの大きい蛋白質分子を複合化するナノチューブ体として好適に利用することが可能である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）基板に垂直な約１００ｎｍ径のチャンネルと、基板と平行な約１３〜１４ｎｍ径の細孔を有するシリカナノチューブ体を製造し、提供することができる。
（２）分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化することが可能なナノチューブ体を提供することができる。
（３）従来材の細孔径（３〜４ｎｍ）と比べて、拡大した細孔径である約１３ｎｍ以上の細孔径を有するナノチューブ体を合成することができる。
（４）メソポーラスシリカに関して、はじめて、大きな分子サイズを有する蛋白質分子と複合化することができる、大きい細孔径を有するナノチューブ体を提供することが可能である。
（５）約１３ｎｍ以上の細孔径を有するナノチューブ体と蛋白質分子とを複合化したナノチャンネル体−蛋白質複合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ヘリウムの透過測定のための膜透過実験装置を示す。ヘリウムの透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定が可能である。
【図２】陽極酸化アルミナと細孔内に形成されたシリカ複合体の模式図を示す。図中、Ａは陽極酸化アルミナ、Ｂはその細孔内に形成されたＦ１２７−Ｍ、Ｃはその細孔内に形成されたＰ１２３−Ｍを表わす。
【図３】水蒸気圧の増加に伴うヘリウムの透過測定の結果を示す。縦軸がヘリウムの透過量、横軸が水蒸気圧である。図に示されるように、ある一定の水蒸気圧で急激に透過率が減少するが、これは、規則的な細孔が開いていることを示している。図３の中のＰｏｒｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ（ｎｍ）に関する図は、その時の細孔径を示している。
【図４】本発明のナノチューブ体の電子顕微鏡図を示す。この図は、１０％リン酸溶液に膜を浸すことで、支持体である金属部分を溶かした時の電子顕微鏡図であり、図より、規則的な筋が上から下まで通っていることが伺える。ａ〜ｃはＳＥＭ像、ｄはＴＥＭ像である。
【図５】複合メンブレン（Ｆ１２７−Ｍ）の構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるもではない。
【実施例１】
【００４１】
本実施例では、鋳型として、トリブロック共重合体界面活性剤（ＢＡＦＳ社製、Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７）を用いて、シリカ−ナノチューブの、より広い直径を持つ１次元のメソポーラス膜を合成した。１次元のメソポーラス膜の形成は、メソポーラスシリカの成長の間に、温度及び／又は湿度を制御することにより達成した。しかし、温度及び湿度の制御は、従来提案されている方法とは違うものであった。本実施例では、界面活性剤を鋳型としたシリカナノチャンネルの１次元の並びの規制を試みて、前駆体溶液の調製の条件（温度及び撹拌時間）を調べた。
【００４２】
トリブロック共重合体界面活性剤を含む前駆体溶液を調製した。すなわち、トリブロック共重合体界面活性剤のＦ１２７（１．０ｇ）を、エタノール（１５ｇ）、ＨＣｌ（０．１０ｇの３７ｗｔ％水溶液）、及び水（２．０ｇ）の混合物中に溶解し、得られた混合物を、還流コンデンサーで、１時間撹拌した。次いで、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ、２．１３ｇ）を、上記混合物に添加して、得られた混合物を、還流コンデンサーで、約２時間から２４時間撹拌した。撹拌した後、得られた最終の混合物を、前駆体溶液として使用した。
【００４３】
陽極酸化アルミナ膜（膜直径＝４ｃｍ、孔径＝約２００ｎｍ、厚さ＝約６０μｍ、Ｗｈａｔｍｍａｎ）を、普通の膜フィルター装置にセットし、上記前駆体溶液を、当該アルミナ膜に滴下した。前駆体溶液の滴下は、Ｆ１２７の前駆体溶液について、各々の容量を、好適な範囲に適宜調整して行った。
【００４４】
吸引装置（Ｍｏｄｅｌ  ＵＮ８２０，ＫＮＦ  Ｎｅｕｂｅｒｇｅｒ，Ｉｎｃ．）を使用して、急激な吸引を行って、前駆体溶液を、上記アルミナ膜の円筒状のアルミナ細孔に導入した。その後、滴下した前駆体溶液を、完全に上記アルミナ膜のアルミナ細孔に入れた後、前駆体溶液を含む当該アルミナ膜を、約５分の吸引により乾燥した。ここで、高真空にすることで、チューブが形成された。以後、Ｆ１２７を用いたメソポーラス膜を、Ｆ１２７−ＭＳＴと称する。
【００４５】
得られたＦ１２７−ＭＳＴを、ＳＥＭによって構造を評価した。Ｆ１２７−ＭＳＴのＳＥＭで典型的に示されるように、円筒状メソポーラスシリカは、各円筒状アルミナ膜内に認められ、メソポーラス膜の表面においては、著しいメソポーラスシリカの形式は認められなかった。１０ｗｔ％のリン酸溶液を用いて、Ｆ１２７−ＭＳＴのアルミナ膜のマトリックスを完全にエッチングした後、円筒状のメソポーラスシリカを、アルミナ膜上に捕集した。
【００４６】
ここで、Ｆ１２７−ＭＳＴのサブミクロン（１００ｎｍ）サイズの太さの物質拡散領域は、電子伝達体の移動のために、膜を貫通している必要がある。そこで、細孔が膜を貫通しているかどうかを確認するために、ヘリウムと水蒸気を用いて、膜の透過測定を行った。測定方法は、水蒸気とヘリウムの混合気体を流し、その後、水蒸気の量を増やすことで、水蒸気圧を上げて、そのときのヘリウムの透過量を測定した。ヘリウムの量は、ガスクロマトグラフィーによって測定した。図１に、膜透過実験装置を示す。ヘリウムの透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定が可能である。
【００４７】
使用した膜は、図２に示す３種類の膜（Ａ：陽極酸化アルミナ膜、Ｂ：Ｆ１２７−ＭＳＴ（Ｆ１２７−Ｍと記載することがある。）膜）、Ｃ：Ｐ１２３−Ｍ膜）を用いて測定を行った。その結果を、図３に示す。水蒸気圧が０．１のとき、Ａの陽極酸化アルミナ膜は、１００００ｎｍｏｌｍ−２ｓ−１Ｐａ−１であるが、ＢのＦ１２７−Ｍ膜、ＣのＰ１２３−Ｍ膜は、それぞれ２０００及び５００ｎｍｏｌｍ−２ｓ−１Ｐａ−１に減少した。このことは、陽極酸化アルミナ膜の細孔に、シリカの複合体が形成されていることを示している。更に、水蒸気圧が０．６３になると、Ａの陽極酸化アルミナ膜は、ほぼ変わらないが、ＢのＦ１２７−Ｍ膜、ＣのＰ１２３−Ｍ膜は、それぞれ６５２及び５．６ｎｍｏｌｍ−２ｓ−１Ｐａ−１に減少した。ケルビンの式から、８〜１５ｎｍの細孔を有していることが分かった。
【００４８】
ここで、図２ＣのＰ１２３−Ｍ膜のように、細孔が、全てシリカで埋まっている場合は、水蒸気圧が０．６３で、ほぼヘリウムの透過が無くなった。それに比べ、図２ＢのＦ１２７−Ｍ膜のように、基板に対して、１００ｎｍの細孔を有している場合は、水蒸気圧が０．６３であっても、６５２ｎｍｏｌｍ−２ｓ−１Ｐａ−１のヘリウムの透過が確認された。以上のことから、Ｆ１２７−Ｍ膜の細孔は、貫通孔であり、基板に平行な直径約１３ｎｍ〜１４ｎｍの大きさの無数の微細孔を壁面部分に有する、口径約２００ｎｍで、基板と垂直に約１００ｎｍの貫通孔を有する構造体であることが分かった。
【００４９】
Ｆ１２７−Ｍ膜について、更に詳しく、ＳＥＭ、ＴＥＭによってその構造を評価した。ＳＥＭ、ＴＥＭの測定は、１０％リン酸水溶液により、Ｆ１２７−Ｍ膜のアルミナをエッチングした後、円柱状メソポーラスシリカを捕集して行った、図４ａのＳＥＭ像に示すように、陽極酸化アルミナ膜の細孔内に形成されたシリカの集合体を、アルミナが溶けることで、無数の直径約２００ｎｍのシリカチューブの集合体として観察することができた。そして、シリカチューブは、直径約１００ｎｍ程度の１次元の細孔が開いていることが観察された。
【００５０】
このことは、陽極酸化アルミナ膜の細孔の壁面に、高次ナノ構造体が形成されていることを示している。次に、シリカチューブの表面を観察した。図４ｂに、その結果を示す。このシリカチューブは、中央に向かって規則的な細孔が開いていることが分かる。更に、図３ｃに、そのチューブが半分になったＳＥＭ像を示す。その結果、チューブの中にも、細孔があることが分かった。
【００５１】
その後、ＴＥＭ観察によって、規則的な約１３〜１４ｎｍ程度の細孔が基板に対して平衡に開いていることが分かった（図４ｄ）。この構造体は、口径が約２００ナノメートル（ｎｍ）程度、長さが約５０μｍ程度の、両端が開いた微細管の無数の束（１次ナノ構造）から成り、各微細管の壁面部分に、直径１３〜１４ｎｍ程度の均一で規則的な微細孔が基板に平行で無数に空いている構造（２次ナノ構造）であり、サブミクロン（１００ｎｍ）サイズの太さの物質拡散領域と、ナノサイズの微細孔を有する構造体であることが分かった。
【００５２】
以上を総合すると、１０％リン酸溶液に陽極酸化アルミナ膜を浸すことにより、支持体である金属部分を溶かした時の電子顕微鏡図より、規則的な筋が上から下まで通っていることが伺える。メソポーラスのシリカチューブの直径及び長さはそれぞれ、約２００ｎｍ及び約４５μｍと見積もられた。これらの値は、界面活性剤の種類及び前駆体溶液の調製条件に依存しないものであった。
【００５３】
円筒状のメソポーラスシリカのメソ構造を、ＴＥＭによって調べた結果、Ｆ１２７−Ｍについては、２つのメソ構造が観察された。その構造は、円筒状のアルミナ膜の細孔の壁に沿って並行に向いた細孔の１次元の並びと、垂直方向のシリカ−ナノチューブの１次元体とである。これらの２つの区別される構造は、例えば、並行な細孔には、タンパク質を導入し、垂直な細孔には、基質を通すものとして区別することができる。
【００５４】
ＴＥＭ像から、１次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径を見積ったところ、少なくとも約１３〜１４ｎｍの円筒状のアルミナ膜の細孔の壁に沿って並行に向いた１次元の細孔と、少なくとも１００ｎｍで垂直方向の細孔を持ったシリカ−ナノチューブの１次元体であることが分かった。図５に、複合メンブレンであるＦ１２７−Ｍの構造の模式図を示す。上述したように、作製したシリカナノチューブ膜について、ヘリウム流通測定を行うための膜透過測定では、水蒸気圧を増やすことで、細孔径の測定をすることができた。
【００５５】
また、図３に示す、水蒸気圧の増加に伴うヘリウムの透過測定の結果において、縦軸がヘリウムの透過量、横軸が水蒸気圧であるが、ある一定の水蒸気圧で、急激に透過率が減少した。これは、規則的な細孔が開いていることを示している。図３の中のＰｏｒｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ（ｎｍ）に関する図は、その時の細孔径を示している。１次元シリカ−ナノチューブと他の構造の割合が、撹拌時間と温度に依存しているとしても、１次元シリカ−ナノチューブのチャンネル径は、全ての前駆体溶液について、常に１００±ｎｍであった。更に、窒素吸着により、図３の中の図に示すように、約１３ｎｍの細孔が確認された。
【００５６】
仮焼した後のメソポーラス膜の、窒素の吸着／脱着等温線（アルミナ膜のマトリックスのエッチングなしの場合）から、各メソポーラス膜のＢＥＴ表面積を分析した。その結果、ＢＥＴ表面積は、撹拌時間が減少すると、より少さくなる傾向であり、最も高い値は、約１２時間の撹拌時間で得られた。上記ＴＥＭ及び窒素吸着／脱着等温線の測定の結果により、１次元の並びを得る好適な条件は、撹拌温度及び時間が、６０℃、１２時間程度である、と結論した。
【００５７】
観察した窒素の吸着／脱着等温線が、ＢＥＴ表面積の見積りに使用されるとしても、ＴＥＭ像で与えられるメソポロシティーにかかわらず、細孔分布プロットで、その吸着等温線は、約１３〜１４ｎｍで著しいピークを与えなかった。したがって、１次元シリカ−ナノチューブの直径は、ＴＥＭ像から見積った。
【００５８】
更に、前駆体溶液中のＴＥＯＳ及びＦ１２７の組成の効果を調べた。前駆体溶液中のＦ１２７の分量が１．０ｇから増加する（１．５ｇ）、又は１．０ｇから減少（０．６ｇ）すると、メソ構造のゆがみが、ＴＥＭ観察によって、観察された。また、メソ構造のゆがみは、ＴＥＯＳの量が１．２８ｇ及び３．２ｇであるとき、観察された。したがって、１次元メソポーラス膜のＴＥＯＳ及びＦ１２７の好適な組成は、約２．１３ｇ及び１．０ｇであることが分かった。
【００５９】
見積られたＢＥＴ表面積は、約２２ｍ２ｇ−１であり、この値は、前駆体溶液の調製の条件に依存しないものであった。結論として、鋳型の界面活性剤として、Ｆ１２７を使用して、１次元−メソポーラス膜の形成を行った場合、円筒状のアルミナ膜の細孔内に形成された円筒状のメソポーラスシリカは、直径約２００ｎｍ、長さ約４５μｍであった。
【００６０】
円筒状のメソポーラスシリカは、界面活性剤を鋳型とした、シリカ−ナノチューブの１次元の並びからなり、チャンネル径は、約１３〜１４ｎｍであった。このチャンネル径は、ＣＴＡＢ系の１次元−メソポーラス膜で得られるもの（３．４ｎｍ）より、約２−４倍大きいものであった。これらの１次元−メソポーラス膜は、例えば、ナノ流体システム分子の分離、化学−センシング及びバイオ−センシング、触媒反応、及び１次元ナノワイヤの合成の鋳型として、好適に使用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上詳述したように、本発明は、円筒状のアルミナ細孔内における界面活性剤を鋳型としたメソポーラスシリカの合成及びそのナノチューブ体に係るものであり、本発明により、従来法では、合成することができなかった、約１３ｎｍ以上の細孔径を有するナノチューブ体を合成し、提供することができる。本発明は、従来材では達成することができなかった、分子サイズの大きい蛋白質分子を挿入して複合化することが可能な、大きい細孔径を持つナノチューブ体を合成する方法、そのナノチューブ体及びその蛋白質複合体を提供することを可能にするものとして有用である。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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