(57)【要約】      （修正有）【課題】診断と治療の両側面を満たす貴金属ナノ粒子関連技術を提供する。【解決手段】周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子を共存させた状態で、鎖状に凝集させた貴金属ナノ粒子集合体の状態を保持する。金ナノ粒子などが鎖状に凝集すれば、長軸方向の局在プラズモン共鳴が近赤外領域に生じるので、優れたフォトサーマル効果及びフォトサーマル効果による治療が期待できる。また金ナノ粒子の集合体には、表面増強効果をもたらす粒子間隙が多く存在し、自ずからボトルネック構造が生じるので、優れた表面増強効果による高感度分子分析による診断が可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貴金属ナノ粒子の異方性集合体と周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子からなるナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項２】
貴金属ナノ粒子が金ナノ粒子あるいは銀ナノ粒子である請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項３】
貴金属ナノ粒子の集合体が３個以上のナノ粒子からなる請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項４】
貴金属ナノ粒子の集合体の局在プラズモン共鳴波長が６００ ｎｍよりも長波長にあることを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項５】
表面増強効果が、表面増強ラマン散乱、表面増強赤外吸収、表面増強蛍光、表面増強比色であることを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項６】
周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子が、化学反応あるいは生化学反応によって構造変化することを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液。
【請求項７】
周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子が、化学反応あるいは生化学反応によって構造変化することを表面増強効果によって検出することを特徴とする請求項６に記載のナノ粒子構造体およびその分散液を用いる物質の測定方法。
【請求項８】
化学反応あるいは生化学反応が、pH変化、酸化還元反応、複素環生成反応であることを特徴とする請求項６に記載のナノ粒子構造体およびその分散液および請求項７に記載の物質の測定方法。
【請求項９】
酸化還元反応が複素環のヘテロ電子への酸素付加と脱離に関するものであることを特徴とする請求項８に記載のナノ粒子構造体およびその分散液および請求項７に記載の物質の測定方法。
【請求項１０】
複素環が、ピリジン、トリアジン、トリアゾール、テトラジン、ビピリジンなどの複素環およびその酸化体であるＮオキシド類、レザズリンなどの群から選ばれることを特徴とする請求項９に記載のナノ粒子構造体およびその分散液および請求項７に記載の物質の測定方法。
【請求項１１】
複素環生成反応が、ジアミノナフタレンなどの芳香族ジアミノ化合物などの群から選ばれる化合物を周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子として用いることを特徴とする請求項９に記載のナノ粒子構造体およびその分散液、そのナノ粒子構造体および請求項７に記載の物質の測定方法。
【請求項１２】
請求項１に記載のナノ粒子構造体およびその分散液に、請求項４に記載の局在プラズモン波長に相応する光を照射することを特徴とする熱の発生方法およびその応用による化学反応。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健康さらに食の安全、環境の保全のための分子センシングと、医療におけるセラノスティクスを始めとするナノメディシンやナノサージェリーなど周辺技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、予防医学や個別的治療を目的とする検査診断の重要性が増し、セラノスティックスに関する技術開発が発展著しい。セラノスティクスとは治療（Therapy）と診断（Diagnostics）の合成語で、個別化医療を実現するための臨床的価値の高い検査を行うことである。
【０００３】
ナノメディシンとしての機能が再注目されている金ナノ粒子、金ナノロッド、銀ナノ粒子などの貴金属ナノ粒子は、その形状、粒子径、集合状態等が適当であると光と強く相互作用し、表面増強ラマン散乱や近赤外領域の光吸収という特性を示すことが知られている。そこで表面増強ラマン散乱による診断法や、近赤外領域の光吸収による治療法の開発が注目を集めている。
【０００４】
例えば特許文献１では金ナノロッドが近赤外領域の光を効率的に吸収することを利用した治療方法が開示されている。また特許文献２では金ナノ粒子に配位させたリガンドが近赤外領域の光を効率的に吸収することが開示されている。この近赤外領域の光を効率的に吸収することによりフォトサーマル効果による患部の治癒が行われる。あるいはナノメディシンとして患部に運ばれた金ナノ粒子あるいは金ナノロッドに近赤外光を照射することにより、生じる熱によって金ナノ粒子に吸着させた薬物等の放出が行われる。このような金ナノ粒子の機能については、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に報告されている。
【０００５】
一方、良く制御された金ナノ粒子集合体には表面近傍のラマン活性分子のラマン散乱強度を著しく増強させる表面増強ラマン散乱などの表面増強効果が知られている（特許文献３および特許文献４）。この技術では、蛍光色素などの代わりにラマン散乱光を発するラベルとしてイメージングに用いたり、金ナノ粒子集合体まわりに存在する分子をそのラマン散乱光から高感度に検知することができる。
【０００６】
特許文献５においては、高感度なラマン散乱検出を可能とするための分子について開示されている。特許文献５に開示された技術は、蛍光色素などの代わりにラマン散乱光を発するラベルとしての用途に限定されている。この場合は、まわりに存在する分子を高感度に検知することはかなわない。
【０００７】
これに対して、非特許文献５および非特許文献６には、まわりに存在する分子と反応して生じる新たな分子を増強されたラマン散乱で計測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−４６６７６「ロッド状金微粒子構造体とその製造方法および用途」
【特許文献２】ＷＯ２００９／０８４６８０「金ナノ粒子組成物、ＤＮＡチップ、近赤外線吸収材、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）用薬物保持体、着色剤、バイオセンサー、化粧品、生体内診断用組成物および治療用組成物」
【特許文献３】US 2011/0228264 A1 SERS NANOTAG WITHIMPROVED BUOYANCY IN LIQUID
【特許文献４】特許4772273 物質の分析方法
【特許文献５】US 2012/0156491 A1 SERS REPORTER MOLECULESAND METHODS
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】E. C. Dreaden, A. M. Alkilany, X. Huang, C.J. Murphy and M. A. El-Sayed, "The golden age: gold nanoparticles forbiomedicine", Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2740―2779.
【非特許文献２】T. L. Doane and C. Burda, "The uniquerole of nanoparticles in nanomedicine: imaging, drug delivery andtherapy", Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2885―2911.
【非特許文献３】A. M. Alkilany, L. B. Thompson, S. P.Boulos, P. N. Sisco and C. J. Murphy, "Gold nanorods: their potential forphotothermal therapeutics and drug delivery, tempered by the complexity oftheir biological interactions", Adv. Drug Delivery Rev., 64(2),190-199(2012).
【非特許文献４】K. L. Wustholz, A-I. Henry, J. M. McMahon,R. G. Freeman, N. Valley, M. E. Piotti, M. J. Natan, G. C. Schatz, and R. P.Van Duyne, "Structure-Activity Relationships in Gold Nanoparticle Dimersand Trimers for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy", J. Am. Chem. Soc.,132, 10903-10910 (2010).
【非特許文献５】A. Ingram,  R. J. Stokes, J. Redden,K. Gibson, B. Moore, K. Faulds, D. Graham, "8-hydroxyquinolinyl azo dyes:a class of surface-enhanced resonance Raman scattering-based probes forultrasensitive monitoring of enzymatic activity.", Anal Chem. 2007,79(22), 8578-8583(2007).
【非特許文献６】福岡隆夫, ナノ粒子を用いた表面増強ラマンによる超高感度分子分析, エレクトロニクス実装学会誌, 13(3), 168-176(2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、増強されたラマン散乱のための機能と近赤外領域の光吸収という、診断と治療の両側面を満たす貴金属ナノ粒子関連技術はまだ達成されていない。例えば、特許文献３および特許文献４および非特許文献４は、高感度なラマン散乱検出を可能とするものであるが、近赤外領域の光吸収によるフォトサーマル効果は確認されていない。また他方、特許文献１および非特許文献３にあるような金ナノロッドは優れたフォトサーマル効果を示すのであるが、金ナノロッド単体に増強電場をもたらす粒子間隙やボトルネック構造が存在しないなどのため、表面増強ラマン散乱による高感度計測を行うための機能は概して乏しい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子を共存させた状態で、鎖状に凝集させた貴金属ナノ粒子集合体の状態を保持する。
【発明の効果】
【００１２】
集合体
金ナノ粒子などが鎖状に凝集すれば、長軸方向の局在プラズモン共鳴が近赤外領域に生じるので、優れたフォトサーマル効果が期待できる。また金ナノ粒子の集合体には、表面増強効果をもたらす粒子間隙が多く存在し、自ずからボトルネック構造が生じるので、優れた表面増強効果による高感度分子分析が可能になる。
【００１３】
また、該金ナノ粒子等の周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子を共存させることにより、特異的な該物質の高感度検出が可能となる。そのような物質の例として水素イオン濃度、酸素濃度、神経伝達物質濃度などが上げられる。
【００１４】
マイクロカプセル化などの適切な手段を用いて該金ナノ粒子等の凝集状態を保持することにより、近赤外光に対する優れた表面増強効果による高感度分子分析と、近赤外光に対する優れたフォトサーマル効果の両機能を有するインテリジェントナノ粒子ユニットとして、診断と治療ないしは補修に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は酸化還元環境に応じたインテリジェントナノ粒子ユニットの応答を示すスペクトルである。（実施例１）
【図２】図２は酸化還元環境に応じたインテリジェントナノ粒子ユニットの応答を示すスペクトルの別の例である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１６】
説明の簡略化のため、金ナノ粒子について記すが金ナノ粒子に限定されるものではない。公知の方法により、金ナノ粒子を含む金ナノ粒子分散液を調製する。金ナノ粒子の粒子径は10 nmから200 nmが好ましく、20 nmから80 nmが特に好ましいがこれに限定されるものではない。粒子の個数濃度は、例えば粒子径40 nmの場合、１L中に約１０の１４乗個含まれることが望ましいがこれに限定されるものではない。
【００１７】
最適な金ナノ粒子の粒子径と個数濃度は、金ナノ粒子を適切な手段で凝集させたときに、近赤外領域に新たな局在プラズモン共鳴による吸収が現れることなどで実験的に決定すればよい。この局在プラズモン共鳴波長が６００ ｎｍよりも長波長にあることが特に望ましい。したがって粒子径の分布が多分散であっても問題はない。また粒子個数濃度が正確にわからなくても問題はない。
【００１８】
金ナノ粒子を凝集させる適切な手段としては、公知の拡散律速凝集が上げられる。また該金ナノ粒子等の周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子が金ナノ粒子どうしをつなげるリンカーとして用いても良い。少なくとも３個以上の金ナノ粒子が結合していることが特に望ましい。
【００１９】
該金ナノ粒子の鎖状集合体は必ずしも直線状に結合している必要はなく、分岐や曲がりがあっても良い。なぜならば集合体のフラクタル次元Dを測定することにより、N個の金ナノ粒子が連結した集合体の見かけのアスペクト比は、直線状の場合のN に対してN の２／（D−１）乗と補正できるのであり、近似的にはこのアスペクト比に応じた局在プラズモン共鳴が生じるからである。
【００２０】
該金ナノ粒子等の周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子は、一分子レベル計測が可能である公知の科学的事実を踏まえて金ナノ粒子１個に対して１０分子から１００万分子あれば十分であり特に限定されない。したがって該金ナノ粒子等の周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子の適切な濃度は、金ナノ粒子の個数濃度にも依存するので一該に限定されるものではないが、１０ｐＭから１０ｍＭであればよい。この分子は集合体を合成するときにあらかじめ添加していても、集合体の調製後に添加させてもよく、表面増強効果を利用した測定を行うときに該集合体と共存していれば良い。
【００２１】
該金ナノ粒子等の周辺環境の物質濃度に応じて構造変化する分子の例としては、公知のpH指示薬、非特許文献６に開示されているジアミノナフタレンなどの複素環を生成する化合物、公知の酸化還元指示薬、酸化されてNオキシドやスルホキシド類を生じる複素環類およびその酸化体、酸化されてカルボシルキ基を生じるアルキル基を有する化合物およびその酸化体があげられる。
【００２２】
公知のpH指示薬は周辺の水素イオン濃度に応じた信号を与える。非特許文献６に開示されているジアミノナフタレンなどの複素環を生成する化合物は、周辺の一酸化窒素濃度や亜硝酸イオン濃度に応じた信号を与える。公知の酸化還元指示薬、酸化されてNオキシドやスルホキシドを生じる複素環類およびその酸化体、酸化されてカルボシルキ基を生じるアルキル基を有する化合物およびその酸化体は、周辺の酸素濃度や酸化還元の生じやすさに応じた信号を与える。
【００２３】
これらの構造変化には、酵素などの触媒作用によるものであってもよい。一例としてキサンチン酸化還元酵素、ＤＭＳＯレダクターゼが上げられる。
【００２４】
複素環類およびその酸化体としては、ピリジン、トリアジン、トリアゾール、テトラジン、ビピリジンなどの複素環およびその酸化体であるＮオキシド類、レザズリンなどが上げられる。これに限定されるものではないが、複素環のヘテロ電子への酸素付加と脱離が起きる分子が特に好ましい。
【００２５】
酸化されてカルボシルキ基を生じるアルキル基を有する化合物は特に限定されないが、複素環にアルキル基が存在する実施例２の化合物があげまれる。
【００２６】
非特許文献６に開示されているジアミノナフタレンなどの複素環を生成する化合物としては、特に限定されないが、芳香族ジアミノ化合物が特に好ましくあげられる。
【００２７】
凝集状態を保持する方法としては特に限定されず公知の処方を用いてもよい。そのような処方には、エトキシシランを原料とするゾルゲル法によるマイクロカプセル化、スメクタイトに代表される凝集停止剤の利用、ポリビニルアルコールとホウ酸によるマイクロカプセル化、アルギン酸ポリマーとカルシウムイオンによるマイクロカプセル化、およびこれらの組みあわせが上げられる。
【００２８】
近赤外レーザーによる表面増強ラマン散乱などの表面増強効果が、該構造変化の信号を検出する手段として好ましく利用できる。しかしこれに限定されるものではなく、表面増強効果は、表面増強ラマン散乱のほか、表面増強赤外吸収、表面増強蛍光、表面増強比色等の公知技術であっても良い。
【実施例１】
【００２９】
粒子径が約４０nmの金ナノ粒子をクエン酸還元法で調製し、塩化ナトリウムを加えて拡散律速凝集条件のもとに凝集させた。当初の赤色から紫色に変化したところで凝集を停止させるためにスメクタイトを添加した。ピリジンおよびピリジンN オキシドを適切な濃度となるようにこの集合体に共存させ、７８５nmのレーザーを備えたラマン分光器でラマン散乱スペクトルを測定した。図１は５μM ピリジンおよび５０μMピリジンN オキシドのラマン散乱スペクトルである。ピリジンでは強いピークが１０１０cm−１付近に現れるのであるが、複素環の窒素原子に酸素が付加したNオキシドではそのピークが著しく減少した（図１では１０倍濃いN オキシドのスペクトルを示した）。またピーク位置にも変化があった。このようにピーク強度およびピーク位置から明瞭に、複素環のヘテロ電子への酸素付加と脱離が識別できることがわかった。この現象は、酸化還元反応の追跡や、酸素欠乏環境の識別などに利用できる。
【実施例２】
【００３０】
粒子径が約４０nmの金ナノ粒子をクエン酸還元法で調製し、塩化ナトリウムを加えて拡散律速凝集条件のもとに凝集させた。当初の赤色から紫色に変化したところで凝集を停止させるためにスメクタイトを添加した。図２に示した日本感光色素製のNKシリーズ色素を溶液中で５０μMとなるようにこの集合体に共存させたのち、７８５nmのレーザーを備えたラマン分光器でラマン散乱スペクトルを測定した。図２から明かなようにＲ１がアルキル基である還元体では明瞭なラマンスペクトルが現れるのであるが、Ｒ２がカルボルシル基である酸化体では明瞭なピークが現れなかった。このようにピーク強度およびピーク位置から明瞭に、酸化体と還元体を識別できることがわかった。
【実施例３】
【００３１】
粒子径が約４０nmの金ナノ粒子をクエン酸還元法で調製し、塩化ナトリウムを加えて拡散律速凝集条件のもとに凝集させた。当初の赤色から紫色に変化したところで凝集を停止させるためにスメクタイトを添加した。遠心分離により金ナノ粒子集合体を沈降回収し、スライドグラスに少量を載せて７８５nmのレーザーとカメラを備えた顕微ラマン装置Lab RAM 1Bで観察した。レーザーを照射すると、該金ナノ粒子集合体に照射したときのみに気泡が発生することをカメラ画像から確認した。このように該集合体はフォトサーマル効果を示した。
【実施例４】
【００３２】
アルギン酸ナトリウムの水溶液と塩化カルシウムの水溶液を、人工イクラの実験として公知の方法で調製した。実施例１と類似の方法で合成した金ナノ粒子集合体をアルギン酸ナトリウムと混合したのち、塩化カルシウムの水溶液に添加し、金ナノ粒子集合体を含むアルギン酸カルシウムのマイクロカプセルを得た。水溶性色素を含むアルギン酸カルシウムのマイクロカプセルでは、液中にマイクロカプセルから色素が溶け出すために液が着色するのであるが、金ナノ粒子集合体を含むマイクロカプセルではそのようなことが生じなかった。また比較的大きな金ナノ粒子集合体を含むマイクロカプセルの色調を目視観察したところ、原料である金ナノ粒子集合体の色調とほとんど変わらなかった。この実験事実は、表面増強効果機能を有する鎖状に凝集させた貴金属ナノ粒子集合体の状態がマイクロカプセルとして保持されていることを意味する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
近赤外光に対する優れた表面増強効果による高感度分子分析と、近赤外光に対する優れたフォトサーマル効果の両機能を有するインテリジェントナノ粒子ユニットとして、診断と治療ないしは補修に利用できる。
【図１】
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【図２】
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