(57)【要約】【課題】シェル内不純物濃度、コア／シェル間の格子不整合等の観点からコア／シェル型半導体ナノ粒子を改善することにより、ブリンキング現象を抑制し、発光強度を向上させたコア／シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法を提供する。【解決手段】コア部とシェル層を有するコア／シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が５．０原子％以下であり、かつコア／シェル間の格子不整合率が１５％以下であることを特徴とするコア／シェル型半導体ナノ粒子。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部とシェル層を有するコア／シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が５．０原子％以下であり、かつコア／シェル間の格子不整合率が１５％以下であることを特徴とするコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【請求項２】
前記シェル層のシェル厚が０．１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【請求項３】
前記コア／シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【請求項４】
前記コア部がＳｉを含有していて、前記シェル層がＳｉＯ2又はＺｎＳを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子の製造方法であって、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いたことを特徴とするコア／シェル型半導体ナノ粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア／シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法に関する。詳しくは、コア／シェル構造を有するナノ粒子蛍光体において、シェル内の不純物濃度とシェル厚、更にはコア／シェル間の格子不整合を最適に制御することにより、コアからの発光の外部取り出し効率を向上させたコア／シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や金属などの超微細粒子のうち、電子の波長（１０ｎｍ程度）より小さい粒子径を有するナノサイズの粒子は、量子サイズ効果として電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるために、バルク体とは異なる特異な物性を示すことが知られている。
【０００３】
一般に、ナノ・メートルサイズの半導体物質で量子閉じ込め（ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）効果を示す物質、例えば半導体ナノ粒子は、「量子ドット」とも称されている。このような量子ドットは、半導体原子が数百個から数千個集まった１０数ｎｍ程度以内の小さな塊であるが、励起源から光を吸収してエネルギー励起状態に達すると、量子ドットのエネルギーバンドギャップに相当するエネルギーを放出する。したがって、量子ドットの大きさまたは物質組成を調節すると、エネルギーバンドギャップを調節することができて様々な水準の波長帯のエネルギーを利用することができる。
【０００４】
また、半導体ナノ粒子は、同一組成で、粒径を変化させることで、発光波長をコントロールできるという特徴をもつ。従来技術である有機蛍光色素に比較して安定性、発光の明るさの点で優れており注目されている。
【０００５】
なお、当該量子ドットは、粒径を量子効果が現れるサイズまで極小化すると、強い励起子をもたらす量子閉じ込め効果によって発光効率が向上し、目視で確認されるほどの発光が得られることも知られている。
【０００６】
コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子、すなわち、コア部とシェル層を有するコア／シェル型半導体ナノ粒子は、量子井戸構造を有することから電子の動きをシェル層により抑制でき、発光効率が向上することが知られている。
【０００７】
しかし、コア部表面に覆うシェル層は、コア粒子部との物性の違いや覆っている状態などにより、コア粒子部からの発光を円滑に外部へ取り出せず、本来の発光効率向上の能力より下回ってしまっていることが懸念されている。したがって、より発光効率を向上させるためには、コア／シェルの相性がよく、かつシェルの構成について改善が望まれている（例えば特許文献１〜３参照）。
【０００８】
特許文献１には、Ｓｉ又はＧｅからなるコアを有し、実質的に欠陥が無いとされるコア／シェル構造の半導体ナノ粒子（「量子ドット」ともいう。）が開示されている。また、シェル厚、シェル被服率などにより量子効率を調整することが開示されている。
【０００９】
特許文献２には、コア／シェル構造をもつ半導体ナノ粒子であって、シェルの一部が欠損していることにより、又はコアの一部がアモルファスである粒子が開示されている。
【００１０】
特許文献３には、化学的湿式合成法によって形成された半導体ナノ結晶を還元剤で表面処理して量子効率を向上させる技術が開示されている。
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１〜３では、シェル内不純物濃度、格子不整合について言及していない。したがって、これらの因子に着目した改善がなされておらず、量子効率を上げ、発光強度を向上させることができる余地があると考えられる。
【特許文献１】特開２００６−５１３４５８号公報
【特許文献２】特開２００７−１９７３８２号公報
【特許文献３】特開２００５−１０１６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、シェル内不純物濃度、コア／シェル間の格子不整合等の観点からコア／シェル型半導体ナノ粒子を改善することにより、ブリンキング現象を抑制し、発光強度を向上させたコア／シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、シェル内不純物濃度、コア／シェル間の格子不整合等を特定条件範囲に制御することにより、格子不整合に起因して生じていると思われているブリンキング現象等が改善され、コア／シェル型半導体ナノ粒子の発光強度を向上させることができることを見出し、本発明に至った。
【００１４】
すなわち、本発明に係る課題は以下の手段により解決される。
【００１５】
１．コア部とシェル層を有するコア／シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が５．０原子％以下であり、かつコア／シェル間の格子不整合率が１５％以下であることを特徴とするコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【００１６】
２．前記シェル層のシェル厚が０．１〜５ｎｍであることを特徴とする前記１に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【００１７】
３．前記コア／シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする前記１又は２に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【００１８】
４．前記コア部がＳｉを含有していて、前記シェル層がＳｉＯ2又はＺｎＳを含有していることを特徴とする前記１〜３のいずれか一項に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子。
【００１９】
５．前記１〜４のいずれか一項に記載のコア／シェル型半導体ナノ粒子の製造方法であって、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いたことを特徴とするコア／シェル型半導体ナノ粒子の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の上記手段により、シェル内不純物濃度、コア／シェル間の格子不整合等の観点からコア／シェル型半導体ナノ粒子を改善して、ブリンキング現象を抑制し、発光強度を向上させたコア／シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子は、コア部とシェル層を有するコア／シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が５．０原子％以下であり、かつコア／シェル間の格子不整合率が１５％以下であることを特徴とする。この特徴は、請求項１〜４に係る発明に共通する技術的特徴である。
【００２２】
本発明の実施態様としては、前記シェル層のシェル厚が０．１〜５ｎｍであることが好ましい。また、前記コア／シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が０．１〜１０ｎｍであることが好ましい。更に、前記コア部がＳｉを含有していて、前記シェル層がＳｉＯ2又はＺｎＳを含有していることが好ましい。
【００２３】
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子の製造方法としては、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いる製造方法であることが好ましい。
【００２４】
なお、本発明は、コア／シェル間の格子不整合率とシェル内不純物濃度、さらにはシェル厚を考慮することにより、蛍光体形成後のブリンキング（明滅）現象の抑制がされる特徴を有する。
【００２５】
本願において、「ブリンキング」とは、励起光を照射した時の照射時間もしくは照射量に対して発光強度が突然殆どゼロ（ＯＦＦ）となる滅時間（消滅時間）が数ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ近く続き、再び元の発光強度を得る現象の繰り返しをいう。
【００２６】
「蛍光強度が殆どゼロとなる滅時間」とは、励起光照射時間であれば例えば５分間励起光を照射した時の発光強度のＯＦＦ時間が１ｍｓｅｃ以上となるものの平均時間で表したものである。例えば、滅時間が３回繰り返されたとして各々１０ｍｓｅｃ、５０ｍｓｅｃ、１００ｍｓｅｃだった場合は、５３ｍｓｅｃが平均滅時間となる。一方、励起光照射量であればｍＪ／ｃｍ2で表した単位で例えば１０００ｍＪ／ｃｍ2での平均滅時間となる。
【００２７】
ブリンキングの評価方法は、励起光を当てながら１ｍｓｅｃの分解能で発光強度を追跡し、５分間照射した際のブリンキング頻度を計測した。つまり、発光している時と発光が消えた時の回数を計測した。
【００２８】
（コア／シェル型半導体ナノ粒子）
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子は、コア部（以下において「コア粒子」ともいう。）とシェル層を有する半導体ナノ粒子であることを特徴とする。
【００２９】
以下、コア部とシェル層の形成材料等について説明する。
【００３０】
〈コア部〉
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア部の形成材料としては、公知の種々の蛍光発光性化合物及びその原料を用いることができる。例えば、従来、半導体ナノ粒子の材料として知られている種々の半導体材料を用いて形成することができる。具体的には、例えば、元素の周期表のIV族、II−VI族、及びIII−Ｖ族の半導体化合物及びこれらの化合物を構成する元素を含む原料化合物を用いることができる。
【００３１】
II−VI族の半導体の中では、特に、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ及びＨｇＴｅを挙げることができる。
【００３２】
III−Ｖ族の半導体の中では、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ及びＡｌＳを挙げることができる。
【００３３】
IV族の半導体の中では、Ｇｅ及びＳｉは特に適している。
【００３４】
上記の各種半導体材料のうち、安全性を満たす組成という観点から、特に、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰが好ましい材料として挙げられるが、これらのうちで、本発明の半導体ナノ粒子を構成する主要成分原子としては、シリコン（Ｓｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）が最も好ましい。なお、本願において、「半導体ナノ粒子を構成する主要成分原子」とは、当該半導体ナノ粒子を構成する原子のうち含有比率が最大である原子をいう。
【００３５】
なお、本発明においては、半導体ナノ粒子をコア／シェル構造を有する粒子にすることを要する。この場合、半導体ナノ粒子は半導体微粒子からなるコア粒子と当該コア粒子を被覆するシェル層とで構成されるコア／シェル構造を有する半導体ナノ微粒子であって、該コア粒子とシェル層の化学組成が相異するものであることが好ましい。これにより、シェルのバンドギャップは、コアより高くすることが好ましい。
【００３６】
シェルはコア粒子の表面欠陥を安定化し輝度を向上させるために必要であるし、表面修飾剤が吸着・結合しやすい面を形成するためにも重要となる。
【００３７】
以下、コア粒子とシェル層について説明する。
【００３８】
本発明に係るコア部（コア粒子）の平均粒径に関しては、０．５〜１０ｎｍであることが好ましい。更には、０．１〜５ｎｍであること、特に０．１〜３ｎｍであることが好ましい。
【００３９】
なお、本発明において、半導体ナノ粒子の平均粒径は本来３次元で求める必要があるが、微粒子過ぎるため難しく、現実には二次元画像で評価せざるを得ないため、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて電子顕微鏡写真の撮影シーンを変えて数多く撮影し平均化することで求めることが好ましい。従って、ＴＥＭで撮影する粒子数としては１００個以上が好ましい。
【００４０】
本発明に係る半導体ナノ粒子は、赤外線領域の波長領域において蛍光発光する、すなわち赤外発光するように、コアの平均粒径を調整することも好ましい。
【００４１】
〈ドーパント〉
本発明の半導体ナノ粒子は、それを構成する主要成分原子と等価の価電子配置をもつ異種原子もしくは当該異種原子の原子対をドーパントとして含有することも好ましい。この場合、当該ドーパントが半導体ナノ粒子表面又はその近傍に均一に分布していることが好ましい。
【００４２】
なお、「価電子」とは、原子を構成する電子殻（Ｋ殻、Ｌ殻、Ｍ殻・・・）の最外殻に保有される電子のことをいう。従って、半導体ナノ粒子構成する主要成分原子をシリコン（Ｓｉ）とした場合は、その価電子は４電子を最外殻に配置しているため、等価の価電子配置をとる原子もしくは原子対はＢｅ−Ｂｅ（Ｂｅ対）、Ｍｇ−Ｍｇ（Ｍｇ対）、Ｇｅなどが挙げられる。
【００４３】
本発明の半導体ナノ粒子構成する主要成分原子をシリコン（Ｓｉ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）にした場合、ドーパントとして、特にＢｅ−Ｂｅが好ましい。
【００４４】
なお、本発明において、ドーパントの含有位置としては、半導体ナノ粒子の表面又はその近傍であることが好ましい。ここで、「表面の近傍」とは、半導体ナノ粒子の表面から半径の３０％の範囲以内、特に好ましくは１５％の以内範囲である。
【００４５】
本発明に係るドーパントの分布状態は、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ／ＥＳＣＡ；ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ／ＥＳＣＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）により観察・測定することができる。なお、Ｘ線光電子分光分析法は、単色の光（Ｘ線）照射で飛び出す電子の運動エネルギーを測定することにより、固体表面及びその近傍の状態（例えば元素の組成）を調べる方法である。
【００４６】
〈シェル層〉
シェル層に用いられる半導体材料としては、種々の半導体材料を用いることができる。具体例としては、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＧａＳ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、又はこれらの混合物等が挙げられる。
【００４７】
本発明において、特に好ましい半導体材料は、ＳｉＯ2、ＺｎＳである。
【００４８】
なお、本発明に係るシェル層は、コア粒子が部分的に露出して弊害を生じない限り、コア粒子の全表面を完全に被覆するものでなくてもよい。
【００４９】
《シェル厚》
当該シェル層の、シェル厚は、０．１〜５ｎｍであることが好ましい。更には、０．１〜２ｎｍであること、特に０．１〜１ｎｍであることが好ましい。
【００５０】
《シェル層の不純物濃度》
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子においては、当該シェル層内の不純物濃度は、５．０原子％以下であることを特徴とする。なお、当該不純物濃度は、２．０原子％以下であること、特に１．０原子％以下であることが好ましい。
【００５１】
なお、不純物濃度の調整は、シェル形成材料を精製（高純度化）することにより行う。
【００５２】
具体的には、シェル形成材料として、純度５Ｎ以上の高純度の酸素ガスやＨＳガス等を用いることが好ましい。ここで、「純度５Ｎ」とは、９９．９９９％以上の純度であることをいう。
【００５３】
《コア／シェル型半導体ナノ粒子の粒径》
本発明に係る半導体ナノ粒子の平均粒径は、０．１〜１０ｎｍであることが好ましい。更には、０．１〜５ｎｍであること、特に０．１〜３ｎｍであることが好ましい。
【００５４】
本発明に係るコア／シェル型半導体ナノ粒子は、３５０〜１１００ｎｍの範囲の蛍光を発光するように調整することができるが、当該粒子を生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）に適用する場合においては、生体細胞自らがもつ発光の影響をなくしＳＮ比を向上するため、近赤外領域の波長の発光も好ましく用いられる。
【００５５】
《コア／シェル間の格子不整合率》
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子の「コア／シェル間の格子不整合率」は、１５％以下であることを特徴とする。当該格子不整合率は、エピタキシャル結晶成長の観点等から、５．０以下であること、更には、２．０以下であることが好ましい。
【００５６】
なお、本願において、「コア／シェル間の格子不整合率」とは、コアの格子定数とシェルの格子定数から割出せ、“１−シェルの格子定数／コアの格子定数”から割り出せるパーセンテージの絶対値の値をいう。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
（半導体ナノ粒子の製造方法）
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア部（コア粒子）を構成する半導体ナノ粒子の製造方法としては、従来公知の液相法又は気相法による製造方法を用いることができる。本発明に係るコア粒子の製造については、特に液相法によることがこのましい。
【００５９】
〈液相法〉
液相法の製造方法としては、沈殿法、共沈法、ゾル−ゲル法、均一沈殿法、還元法などがある。そのほかに、逆ミセル法、超臨界水熱合成法、などもナノ粒子を作製する上で優れた方法である（例えば、特開２００２−３２２４６８号、特開２００５−２３９７７５号、特開平１０−３１０７７０号、特開２０００−１０４０５８号公報等を参照）。
【００６０】
なお、液相法により、半導体ナノ粒子を製造する場合においては、当該半導体の前駆体を還元反応により還元する工程を有する製造方法であることが好ましい。また、当該半導体前駆体の反応を界面活性剤の存在下で行う工程を有する態様が好ましい。なお、本発明に係る半導体前駆体は、上記の半導体材料として用いられる元素を含む化合物であり、たとえば半導体がシリコン（Ｓｉ）の場合、半導体前駆体としてはＳｉＣｌ4などが挙げられる。その他半導体前駆体としては、ＩｎＣｌ3、Ｐ（ＳｉＭｅ3）3、ＺｎＭｅ2、ＣｄＭｅ2、ＧｅＣｌ4、トリブチルホスフィンセレンなどが挙げられる。
【００６１】
反応前駆体の反応温度としては、半導体前駆体の沸点以上かつ溶媒の沸点以下であれば、特に制限はないが、７０〜１１０℃の範囲が好ましい。
【００６２】
《還元剤》
半導体前駆体を還元する還元剤としては、従来周知の種々の還元剤を反応条件に応じて選択し用いることができる。本発明においては、還元力の強さの観点から、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ4）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）、水素化ビス（２−メトキシエトキシ）アルミニウムナトリウム、水素化トリ（ｓｅｃ−ブチル）ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ（ｓｅｃ−Ｃ4Ｈ9）3）及び水素化トリ（ｓｅｃ−ブチル）ホウ素カリウム、水素化トリエチルホウ素リチウムなどの還元剤が好ましい。特に、還元力の強さから水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ4）が好ましい。
【００６３】
《溶媒》
半導体前駆体の分散用溶媒としては、従来周知の種々の溶媒を使用できるが、エチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール等のアルコール類、トルエン、デカン、ヘキサンなどの炭化水素類溶媒を使用することが好ましい。本発明においては、特に、トルエン等の疎水性の溶媒が分散用溶媒として好ましい。
【００６４】
《界面活性剤》
界面活性剤としては、従来周知の種々の界面活性剤を使用でき、陰イオン、非イオン、陽イオン、両性界面活性剤が含まれる。なかでも第四級アンモニウム塩系である、テトラブチルアンモニウムクロリド、ブロミド又はヘキサフルオロホスフェート、テトラオクチルアンモニウムブロミド（ＴＯＡＢ）、またはトリブチルヘキサデシルホスホニウムブロミドが好ましい。特に、テトラオクチルアンモニウムブロミドが好ましい。
【００６５】
なお、液相法による反応は、液中の溶媒を含む化合物の状態により大きく変化する。単分散性の優れたナノサイズの粒子を製造する際には、特に注意を要する必要がある。例えば、逆ミセル反応法では、界面活性剤の濃度や種類により、反応場となる逆ミセルの大きさや状態が変わってくるため、ナノ粒子が形成される条件が限られてしまう。したがって、適切な界面活性剤は溶媒との組み合わせが必要となる。
【００６６】
〈気相法〉
気相法の製造方法としては、（１）対向する原料半導体を電極間で発生させた第一の高温プラズマによって蒸発させ、減圧雰囲気中において無電極放電で発生させた第二の高温プラズマ中に通過させる方法（例えば特開平６−２７９０１５号公報参照）、（２）電気化学的エッチングによって、原料半導体からなる陽極からナノ粒子を分離・除去する方法（例えば特表２００３−５１５４５９号公報参照）、（３）レーザーアブレーション法（例えば特開２００４−３５６１６３号参照）、（４）高速スパッタリング法（例えば特開２００４−２９６７８１号参照）などが用いられる。また、原料ガスを低圧状態で気相反応させて、粒子を含む粉末を合成する方法も、好ましく用いられる。
【００６７】
〈半導体ナノ粒子形成後の後処理〉
本発明の半導体ナノ粒子の製造方法においては、半導体ナノ粒子形成後、特にシェル形成後にプラズマ、熱、放射線、又は超音波による処理のいずれかの後処理を行う工程を含む態様も好ましい。
【００６８】
プラズマ処理であれば、その粒子組成・結晶性・表面性を考慮し低温・高温プラズマ、マイクロ波プラズマ、大気圧プラズマなど適応するものを選択するが、マイクロ波プラズマが好ましい。
【００６９】
熱処理については、大気、真空、不活性ガス領域のいずれかを選択し、熱を施すが蛍光体粒子の構成によりその適用する温度領域は異なる。温度が高すぎた場合にはコアとシェルの間にひずみが生じたり、剥がれが生じることもある。低温では効果に乏しく１００℃以上３００℃以下が好ましく用いられる。
【００７０】
放射線処理は、高エネルギーを要するＸ線、γ線、中性子線が用いられたり、エネルギーは低いものの真空紫外線（ＶＵＶ）、紫外線や短パルスレーザーなどが用いられる。その処理時間は放射線の種類によって異なる。Ｘ線などにおいては透過能が高いため、どのような組成においても比較的短時間で済むことが多く、紫外線においては比較的長時間の照射が必要となる。
【００７１】
これら後処理の効果については、原理的なものは解明できてないがコア／シェル型粒子のコアとシェルの界面の接合性を強化し、不動態化が促進した結果、発光効率が向上したと推定している。赤外発光体にはその影響が著しく現れ、特性に反映したものと推定する。
【００７２】
本発明においては、シェル層のバンドギャップはコア部より高いことが好ましい。シェルはコア粒子の表面欠陥を安定化し輝度を向上させるために必要であるし、蛍光標識剤とする場合には、表面修飾剤が吸着・結合しやすい面を形成するために重要となる。
【００７３】
［応用例］
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子は、種々の分野において応用ないし利用することができる。以下において、蛍光標識物質（蛍光標識剤）、特に生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）に適用する場合について説明する。
【００７４】
（蛍光標識物質）
本発明のコア／シェル型半導体ナノ粒子（以下、適宜、「半導体ナノ粒子」と略称する。）は、その表面に適当な表面修飾化合物を配置することにより標的（ターゲット）物質を蛍光標識するための蛍光標識物質（蛍光標識剤）に適用できる。特に、当該粒子表面にその表面に生体に親和性を有する、もしくは、接合できる表面修飾化合物を配置し、タンパク質やペプチドなどの標的物質を蛍光標識するための生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）とすることに適している。
【００７５】
なお、生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）とする場合、近赤外〜赤外励起で赤外発光する特性を有するように半導体ナノ粒子の発光特性を粒径等により調整することが生体分子に対する非侵襲性、生体組織の透過性等の観点から好ましい。
【００７６】
本発明においては、表面修飾化合物としては、少なくとも１つの官能基と少なくとも１つの半導体ナノ粒子に結合する基を有する化合物であることが好ましい。後者は疎水性の半導体ナノ粒子に吸着できる基であり、他方は生体物質に親和性があり生体分子に結合する官能基である。互いの表面修飾化合物は互いをつなぐ各種のリンカーを使用してもよい。
【００７７】
半導体ナノ粒子に結合する基としては、当該半導体ナノ粒子を形成するための半導体材料に結合する官能基であれば良い。本発明においては、当該官能基として、特にメルカプト基（チオール基）が好ましい。
【００７８】
生体物質に親和的に結合する官能基としては、カルボキシル基、アミノ基、フォスフォン酸基、スルホン酸基などが挙げられる。
【００７９】
なお、ここで、「生体物質」とは、細胞、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、蛋白質、抗体、抗原、小胞体、核、ゴルジ体等を指す。
【００８０】
また、半導体ナノ粒子に結合させる方法としては、表面修飾に適するｐＨに調整することによりメルカプト基を粒子に結合させることができる。それぞれ他端にはアルデヒド基、アミノ基、カルボキシル基が導入され、生体のアミノ基、カルボキシル基とペプチド結合することができる。また、ＤＮＡ、オリゴヌクレオチドなどにアミノ基、アルデヒド基、カルボキシル基を導入しても同様に結合させることができる。
【００８１】
本発明の半導体ナノ粒子を用いて生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）を作製する具体的方法としては、例えば、親水化処理された半導体ナノ粒子を有機分子を介して分子標識物質と結合させる方法を挙げることができる。この方法により作製された生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）において、分子標識物質は、標的とする生体物質と特異的に結合及び／又は反応することにより、生体物質の蛍光標識が可能となる。
【００８２】
当該分子標識物質としては例えば、ヌクレオチド鎖、抗体、抗原およびシクロデキストリン等が挙げられる。
【００８３】
また、有機分子としては半導体ナノ粒子と分子標識物質とを結合できる有機分子であれば特に制限はないが、例えば、タンパク質中でも、アルブミン、ミオグロビンおよびカゼイン等、またタンパク質の一種であるアビジンをビオチンと共に用いることも好適に用いられる。上記結合の態様としては特に限定されず、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合、物理吸着および化学吸着等が挙げられる。結合の安定性から共有結合などの結合力の強い結合が好ましい。
【００８４】
具体的には、半導体ナノ粒子をメルカプトウンデカン酸で親水化処理した場合は、有機分子としてアビジンおよびビオチンを用いることができる。この場合親水化処理された当該ナノ粒子のカルボキシル基はアビジンと好適に共有結合し、アビジンがさらにビオチンと選択的に結合し、ビオチンがさらに分子標識物質と結合することにより生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）となる。
【００８５】
〈半導体ナノ粒子の親水化処理〉
上述した半導体ナノ粒子表面は、一般的には、疎水性であるため、例えば生体分子標識試薬として使用する場合は、このままでは水分散性が悪く、粒子が凝集してしまう等の問題があるため、半導体ナノ粒子の表面を親水化処理することが好ましい。
【００８６】
親水化処理の方法としては、例えば、表面の親油性基をピリジン等で除去した後に粒子表面に表面修飾剤を化学的および／または物理的に結合させる方法がある。表面修飾剤としては、親水基として、カルボキシル基・アミノ基を持つものが好ましく用いられ、具体的にはメルカプトプロピオン酸、メルカプトウンデカン酸、アミノプロパンチオールなどがあげられる。具体的には、例えば、Ｇｅ／ＧｅＯ2型ナノ粒子１０-5ｇをメルカプトウンデカン酸０．２ｇが溶解した純水１０ｍｌ中に分散させて、４０℃、１０分間攪拌し、シェルの表面を処理することで半導体ナノ粒子の表面をカルボキシル基で修飾することができる。
【００８７】
なお、半導体ナノ粒子の表面修飾のための具体的調製は、例えば、Ｄａｂｂｏｕｓｉ等（１９９７）Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０１：９４６３、Ｈｉｎｅｓら（１９９６）Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１００：４６８−４７１、Ｐｅｎｇ等（１９９７）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９：７０１９−７０２９、及びＫｕｎｏ等（１９９７）Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１０６：９８６９に記載されている方法に準拠して行うことができる。
【００８８】
（蛍光標識物質とそれを用いた生体分子検出システム）
本発明に係る蛍光標識物質は、上記特徴を有することにより、当該蛍光標識物質を標的となる生細胞又は生組織に供給し、半導体ナノ粒子の放射線励起により放出される蛍光を検出することにより当該標的となる生細胞又は生体組織における生体分子を検出することを特徴とする生体分子検出システムに好ましく適応できる。
【００８９】
標的（追跡）生体分子を有する生細胞もしくは生体組織に本発明に係る蛍光標識物質を添加することで、標的分子と結合もしくは吸着し、当該結合体もしくは吸着体に所定の波長の励起光（放射線）を照射し、当該励起光に応じて半導体ナノ粒子（蛍光半導体微粒子）から発生する所定の波長の蛍光を検出することにより、上記標的（追跡）生体分子の蛍光動態イメージングを行うことができる。すなわち、本発明に係る蛍光標識物質は、バイオイメージング法（生体物質を構成する生体分子やその動的現象を可視化する技術手段）に利用することができる。
【００９０】
なお、励起のための放射線としては、ハロゲンランプ、タングステンランプなどの可視光からＬＥＤ、近赤外レーザー光、赤外レーザー光、Ｘ線、γ線などが含まれる。
【００９１】
〈分子・細胞イメージング法〉
本発明の半導体ナノ粒子は、標的（ターゲット）とする細胞組織の内部若しくは表面に存在する分子に特異的に反応するプローブ分子（探索用分子）を結合させて蛍光標識物質として使用することができる。
【００９２】
本願において、「標的（ターゲット）」とは、半導体ナノ粒子の標的とする生体分子等をいい、例えば、組織および細胞で優先的に発現したりするタンパクであったり、細胞内のゴルジ体、核、膜タンパクなどである。なお、適当なターゲット物質としては、例えば、酵素および蛋白質、細胞表面受容体；核酸；脂質およびリン脂質を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００９３】
本発明において、プローブ分子としては、生体内部の画像化、細胞内の物質動態計測等を目的として、標的（測定）物質に対応する適切なプローブ分子を採用することが好ましい。
【００９４】
本発明の半導体ナノ粒子を利用した生体分子蛍光標識剤（生体物質蛍光標識剤）は、従来公知の種々の分子・細胞イメージング法に適用することができる。例えば、レーザインジェクション法、マイクロインジェクション法、エレクトロポレーション法などによる分子・細胞イメージング法が挙げられる。これらの方法うち、レーザインジェクション法による分子・細胞イメージング法に適用することが好ましい。
【００９５】
ここで、「レーザインジェクション法」とは、レーザ光を細胞に直接照射し、細胞に微細な穴を開けて遺伝子などの外来物質を導入する光学的方法をいう。
【００９６】
「マイクロインジェクション法」とは、微細な針（マイクロピペット、マイクロシリンジ）を用いて空気圧で機械的に、細胞内に遺伝子などの外来物質を直接注入して導入する方法をいう。
【００９７】
また、「エレクトロポレーション法」（「電気穿孔法」ともいう。）とは、細胞に電気的刺激を印加し、細胞の変形を誘起して細胞内に遺伝子などの外来物質を導入する物理的方法をいう。例えば、細胞懸濁液に数千Ｖ／ｃｍの高電圧を数十マイクロ秒のパルスで与えた時に細胞膜に短時間生じる小孔を通して外液が取り込まれることを利用して、細胞外液にＤＮＡ等の注入したい試料を加えておき、これを細胞内に導入する方法である。
【実施例】
【００９８】
〈比較例１〉：シェルがＳｉＯ2で、シェル原料の純度が低く、シェル厚が厚い場合
コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＳｉＯ2を用い、シェル原料に純度３Ｎの酸素ガスを用いた。製造方法は、噴霧装置を用いて、原料を噴霧状にしたまま反応ガスと同様にキャリアガスとして酸素ガスを１．５Ｌ／ｍｉｎの流量で流し加熱部へ搬送し、１２００℃の加熱温度で焼成、その後に捕集するといった粒子作製を行った。
【００９９】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．８％であった。
【０１００】
この形成粒子のシェルの結晶性、不純物濃度、シェル厚、発光強度を、それぞれ、ＸＲＤ、ＡＥＳ、ＴＥＭ、蛍光光度計により測定し、また、励起光を当てながら１ｍｓｅｃの分解能で発光強度を追跡し、５分間照射した際のブリンキング頻度を測定した。その結果については、シェル素材の半値幅は０．４８°（粒子をＸＲＤ測定して得られた結果から、バックグランドと最高ピークの半分の位置での回折角度を表す。）で、シェル厚は１ｎｍ以上、不純物濃度は４．２１原子％であった。この比較例１で得られた粒子のブリンキング頻度、発光強度を、他の作製条件で得られた粒子の発光強度と比較するため比較基準の発光強度と定める。この試料を比較例粒子１とする。
【０１０１】
〈比較例２〉：シェルがＺｎＳで、シェル原料の純度が低くて、シェル厚が薄い場合
コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＺｎＳを用い、シェル原料に純度３ＮのＺｎ金属とＨＳガスを用いた。
【０１０２】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．４％であった。
【０１０３】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．３８°で、シェル厚１ｎ未満、不純物濃度３．０５原子％、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ６０、１．２５倍であった。この試料を比較例粒子２とする。
【０１０４】
〈比較例３〉：シェルがＳｉＯ2で、シェル原料の純度が低く、シェル厚が薄い場合。
【０１０５】
コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＳｉＯ2を用い、シェル原料に純度３Ｎの酸素ガスを用いた。
【０１０６】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．８％であった。
【０１０７】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．４４°で、シェル厚１ｎｍ未満、不純物濃度３．２１原子％で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ７０、１．１８倍であった。この試料を比較例粒子３とする。
【０１０８】
〈実施例１〉：シェルがＳｉＯ2で、シェル原料の純度が５Ｎで、シェル厚が薄い場合  コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＳｉＯ2を用い、シェル原料に純度５Ｎの酸素ガスを用いた。
【０１０９】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．８％であった。
【０１１０】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．３４°で、シェル厚１ｎｍ未満、不純物濃度２．１５原子％で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ２５、１．３３倍であった。この試料を実施例粒子１とする。
【０１１１】
〈実施例２〉：シェルがＳｉＯ2で、シェル原料の純度が６Ｎで、シェル厚が薄い場合  コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＳｉＯ2を用い、シェル原料に純度６Ｎの酸素ガスを用いた。
【０１１２】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．８％であった。
【０１１３】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．２６°で、シェル厚１ｎｍ未満、不純物濃度１．５３原子％で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ１０、１．４５倍であった。この試料を実施例粒子２とする。
【０１１４】
〈実施例３〉：シェルがＺｎＳで、シェル原料の純度が６Ｎで、シェル厚が薄い場合
コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＺｎＳを用い、シェル原料に純度６ＮのＺｎ金属とＨＳガスを用いた。
【０１１５】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．４％であった。
【０１１６】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．２１°で、シェル厚１ｎｍ未満、不純物濃度１．２１原子％で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ５、１．５３倍であった。この試料を実施例粒子３とする。
【０１１７】
〈実施例４〉：シェルがＳｉＯ2で、シェル原料の純度が６Ｎで、シェル厚が厚い場合  コア形成素材としてＳｉを、シェル形成材料としてＳｉＯ2を用い、シェル原料に純度６Ｎの酸素ガスを用いた。
【０１１８】
上記により製造（形成）したコア／シェル型半導体ナノ粒子のコア／シェル間の格子不整合率は、０．８％であった。
【０１１９】
この形成粒子について、比較例１と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は０．３０°で、シェル厚１ｎｍ以上、不純物濃度２．０７原子％で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例１の発光強度と比較してそれぞれ３０、１．３５倍であった。この試料を実施例粒子４とする。
【０１２０】
以上の、測定・評価を表２にまとめて示す。
【０１２１】
【表２】
2009132771.tif 000003
【０１２２】
表２に示した結果から次のことが言える。
【０１２３】
（ｌ）実施例２、実施例４、比較例１、比較例３の結果から、シェル厚の厚さによって、シェル内の結晶性も異なり、かつ厚さによりコアから発光された光が散乱、反射され一部外部へ放出されない減少が起きていると考えられる。
【０１２４】
（２）実施例１、実施例２、比較例３の結果から、シェル材料に用いた原料により、シェル内の不純物濃度が変化しており、そのことにより、シェル内に欠陥が生じたと考えられ結晶性が変化し、発光強度に影響を与えていると考えられる。
【０１２５】
上記の実施例及び比較例から、コア／シェル間の格子不整合率、シェル内の不純物濃度、シェル厚の３因子を考慮に入れることで、発光効率の向上も実現でき、されにはブリンキング現象の抑制も可能とすることができた。