特集

生体分子の分離技術を利用したカーボンナノチューブの分離
田中

はじめに単層カーボンナノチューブ（CNT）は直径やらせん度の違いによって多様な構造をとる（図 1）．たとえば，
直径 0.7 〜 1.3 nm の分布を持つ CNT は約 70 種類，鏡像丈士

離法といった，生体分子の分離に汎用されている手法がCNT の分離に非常に有効であることである．以下に，
これら CNT の分離法の詳細について説明する．
密度勾配超遠心分離体も考慮すると約 120 種類の異なる構造を取りうる．

密度勾配超遠心分離法はバイオテクノロジー分野におCNT は構造の違いによって異なる電気特性（金属型といて，染色体 DNA とプラスミド DNA，細胞内小器官，半導体型）や光学特性を示すため，これらの特性を利用細胞などの分離分画に用いられる手法である．密度を連するためには，多様な構造の中から特定の構造の CNT続的，あるいは段階的に変化させた媒体中で遠心分離をを選択的に得る必要がある．1993 年の飯島による単層行うことにより，分析物は対応する密度の領域に層をな

1)

CNT の発見 から 10 年弱が経過した 2002 年に，界面活性剤存在下での超音波照射と超遠心分離による CNT の孤立分散液（CNT 一本一本が孤立に分散した液）の調製法が Smalley らによって報告された 2)．この報告以降，多様な構造を含む CNT 分散液の中から特定の構造のCNT を分離する本格的な研究が進み始めた．そして，
2006 年の Hersam らによる，密度勾配超遠心法によるCNT の分離の報告が大きな転換期となり，後を追ってして濃縮され，分離される．2006 年に Hersam らはこのさまざまな優れた分離法が報告されるようになった．直を用いて密度勾配超遠心を行うと，鮮やかなオレンジ色径分離，金属型・半導体型分離，単一構造分離，さらにを呈する半導体型 CNT が上層に，緑色を呈する金属型

密度勾配超遠心分離法を CNT の分離に適用し，CNT の直径に応じた分離（直径分離）あるいは金属型と半導体型という CNT の電気的性質に応じた分離（金属型・半導体型分離）（図 2）に成功した 3)．
コール酸ナトリウム（SC）を分散剤に用いて密度勾配超遠心を行うと，直径の違いで分離された．一方，分散剤に SC とドデシル硫酸ナトリウム（SDS）の混合物

現在では，右巻きと左巻き（エナンチオマー）も分離さ

CNT が下層に分離された（金属型と半導体型では可視光れた真に単一構造の CNT が得られるまでになっている．

領域での光吸収波長帯が互いに異なるため色が異なる．

興味深い点は，密度勾配超遠心分離法，アガロースゲル

また，CNT が太くなるにつれて吸収波長が長波長側に電気泳動法，カラムクロマトグラフィー法，水性二相分シフトするため，直径によっても色が異なる）．CNT は炭素からなる黒い「すす」であるが，高純度に分離精製すると鮮やかな色彩を放つのを目にして，多くの研究者は衝撃を受けた．分離原理については，金属型と半導体型の CNT で密度が異なるわけではなく，それぞれのCNT に吸着する界面活性剤の組成が異なり，界面活性図 1．CNT の構造は（n,m）の 2 つの自然数で規定される．図中のグラフェンシート（六角形が並んだシート）を，◎で示す（0,0）と●が重なるように丸めた構造は金属型 CNT に，◎と○を重ねると半導体型 CNT になる．同じ（n,m）でもシートを丸める方向が表か裏かで鏡像関係となる．点線で囲った領域に含まれるものは直径 0.7 〜 1.3 nm の CNT．
著者紹介730

図 2．密度勾配超遠心による金属型・半導体型 CNT の分離

国立研究開発法人産業技術総合研究所ナノ材料研究部門（上級主任研究員） E-mail: tanaka-t@aist.go.jp

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第95巻第12号（2017）

ナノカーボンとバイオの接点剤の「ころも」を含めた密度が金属型と半導体型の CNTいことが判明した．たとえば，アガロースゲル電気泳動で異なる結果，分離されると考えられる．実際，混合す後にゲルから DNA を回収する簡易的な手法として，ゲる界面活性剤の組成を変化させると，遠心管中の半導体

ルを凍結・融解後に圧搾する方法があるが，これを型と金属型の CNT の位置が上下逆転することもあり，これは CNT 自体の密度が分離の主因ではないことを示

CNT 含有ゲルに対して行うと，半導体型 CNT はゲル固形中に残り，金属型 CNT のみが搾り出された 6)．このしている．Weisman らは，密度勾配を精密に調整する

結果は，分離に電場が必要ないことを示している．

ことにより，単一構造の半導体型 CNT の分離，さらには，右巻きと左巻きの CNT の光学分割（エナンチオマー分離）にも成功した 4)．エナンチオマー分離は，光学活性

カラムクロマトグラフィー
筆者らのグループはアガロースゲル電気泳動の成果をな界面活性剤である SC の右巻き・左巻き CNT に対するもとに，カラムクロマトグラフィーによる CNT の分離認識能力の違いによる結果であると考えられる．

技術の開発を行った．生化学分野では，タンパク質のカ

アガロースゲル電気泳動

ラム精製に，アガロースからなる Sepharose ゲルやアガロースと同様に多糖であるデキストランをベースにしたアガロースゲル電気泳動は，生物系の学部・学科であSephacryl ゲルが広く用いられている．これらのゲルは，れば学生実験でもよく行われる，おなじみの DNA の分

元々はサイズ排除クロマトグラフィー用の担体として開離法である．ゲルの網目が分子ふるいとなり，DNA を発されたものであるが，CNT の分離にも適用可能であ長さで分離するものである．筆者らのグループは，先のる（図 4）．ただし，CNT の分離においては，吸着クロ密度勾配超遠心法による分離の成功に触発され，アガマトグラフィーの担体として機能する．

ロースゲル電気泳動を用いた CNT の分離を試みた 5)．

Sepharose ゲルを充填したオープンカラムに，SDS で

ただし，DNA の分離で用いられるサブマリン型の泳動装置ではなく，ガラス管中でアガロースゲルを調製し，垂直方向に電気泳動を行う装置を用いた（図 3）．

SDS で分散した CNT をアガロース電気泳動に供すると，電気泳動の先端と後端で色味に違いが認められ，金属型 CNT がゲル先端に，半導体型 CNT がゲル後端に分離されることが判明した（図 3a）．さらに条件検討を重ねた結果，あらかじめ CNT 分散液とアガロースを混合し，ゲル中に固めた状態のもの（CNT 含有ゲル）を電気泳動に供すると，半導体型 CNT は始めの位置から移動せず，金属型 CNT のみが泳動した（図 3b）．30 分程度の短時間で分離され，高価な装置も必要としない点が本法の優れた点である．当初，金属型と半導体型という電気的性質の異なるものが分離されるため，電場が重要な役割を果たすと考えられたが，実際には電場は必要ではな

図 3．アガロースゲル電気泳動による金属型・半導体型 CNTの分離．試料に CNT 分散液（a），CNT 含有ゲル（b）を使用．

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図 4．カラムクロマトグラフィーによる CNT の分離．
（a）ア
ガロースゲルを用いた金属型・半導体型 CNT 分離．
（b）デキストラン系ゲルを用いたオーバーロードによる単一構造半導体型 CNT 分離と得られた単一構造半導体型 CNT 分散液．

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特集

分散したCNTを注入すると，金属型CNTがフロースルーをランダムに含む一本鎖オリゴ DNA（60 mer）を用い液として回収され，半導体型 CNT はゲルに吸着する．て CNT を分散し，陰イオン交換カラムにかけることで，その後，半導体型 CNT はデオキシコール酸ナトリウム

純度が低いながらも金属型と半導体型の CNT の分離に（DOC）など別の界面活性剤で溶出して回収される（図成功したのが 2003 年のことである 11)．その後，同グルー4a）7)．一般に，クロマトグラフィーは分析だけでなくプは約350種類のさまざまな配列（長さが10〜30 merで，製造プロセスにも実用されている手法であり，スケール2 〜 4 塩基の繰り返し配列）の一本鎖オリゴ DNA を検アップやポンプ送液による高速化と自動化などによる，討し，特定の DNA で特定の単一構造の CNT を分離すスループットの向上や低コスト化に適した手法である．

ることに成功した 12)．本分離では，カラム担体に吸着し実際に，直径 20 cm で容量約 9 L のパイロットスケールた CNT は塩のグラジエントで溶出されるが，目的ののカラムを用いた際には，日産 2 g のスループットで金CNT/DNA 複合体が他の CNT よりも早く溶出されるた
め，CNT を分離することが可能である．この現象は，特定の構造の CNT には特定の DNA が規則正しく巻き付き，CNT の表面が均質に負電荷を帯びるのに対し，他の CNT には DNA がランダムに張り付くことで CNT属型と半導体型の CNT の大量分離が可能である（2 g/ 日を少ないと感じられるかもしれないが，組換えタンパク質を 2 g 精製する大変さと同様のイメージをしていただきたい）．

Sephacryl ゲルを用いたカラム分離では様子が少々異なり，特に，少量のゲルに対して吸着容量の数 10 倍程度の大過剰の CNT を投入（オーバーロード）すると，特定の単一構造の半導体型 CNT がゲル吸着成分として得られることが分かった 8)．これは，吸着力のもっとも大きい CNT が競合的に吸着した結果である．さらに複数のカラムを直列に配置しオーバーロードすると，複数種 の 単 一 構 造 の 半 導 体 型 CNT が 同 時 に 得 ら れ る（ 図の表面が一部むき出しになり，その部分がゲルのイオン交換基以外の部分と相互作用して溶出が遅れることに起因すると考察されている．本法は，らせん構造を持つCNT の分離に，DNA のらせん度と配列の多様性を巧みに利用したものであり，10 種類を超える単一構造半導体 CNT の分離を報告した初めてのものである．
水性二相分離4b）．半導体型 CNT も単一構造にまで精製されると，水と油が混和せず二相に分かれるように，特定の 2 種

黄，紫，青，青緑，緑と鮮やかな色を呈する．最近では，類の高分子を含む水溶液はある条件で互いに水溶液であSDS/SC/DOC の三種の混合界面活性剤系で DOC の濃度りながら二相に分かれる．この二つの相への溶質の分配のみを段階的に上げていく溶出法により，より再現性やを利用して分離を行うのが，水性二相分離法である．バ

制御性の高い分離が実現されている 9)．さらに，DOC

イオテクノロジーの分野では，タンパク質や細胞小器官，濃度を 0.005％刻みで変化させる非常に細かい段階溶出細胞の分離に使用されている．溶液を混和し，静置するを行うことによって，単一構造の半導体型 CNT のエナだけという非常に簡単な操作で，短時間のうちに溶液は10)ンチオマー分離に成功した ．12 種類のエナンチオマー上下に相分離する．先述の Zheng らのグループは，こが得られており，既存の手法と比較しても，高いエナンの水性二相分離法を CNT の分離に応用した．

チオマー純度が得られる手法となっている．光学活性をポリエチレングリコール（PEG）とデキストランを持たない SDS のみを用いたオーバーロード法でも CNT用いた系では，上相の PEG 相に半導体型 CNT，下相ののエナンチオマーの分離がある程度起こることがわかっ

デキストラン層に金属型 CNT が分離された 13)．CNT のているため，エナンチオマーの認識は光学活性を持つデ分散に使用する界面活性剤の種類や濃度により上下相へキストラン（カラム担体）が担っているものと考えられの CNT の分配が変化する．また，煩雑な分離操作を必る．ただし，上述のように SC と DOC の共存下では，要としないため，分離操作の繰り返しが容易である．実より高純度のものが得られていることから，これら光学際，4，5 回分離操作を繰り返すことにより，半導体型活性な分散剤もエナンチオマー分離において重要な働きのみならず，金属型の単一構造 CNT の分離にも成功しをしていると予想される．ている 14)．さらに最近では，水性二相分離法の分散剤に一方，Zheng らは，DNA が CNT の分散剤として機能換クロマトグラフィーで分離した．本法では，DNA のDNA を適用し，単一構造分離とエナンチオマー分離も実現している 15)．本分離のために Zheng らは改めて 300種以上の一本鎖オリゴ DNA（長さが 12 mer で，2 種類塩基部分が疎水基として働き，リン酸エステル結合部がの塩基からなるパリンドローム（回文配列））をスクリー親水基として働くと考えられる．シトシンまたはチミンニングし，最終的に 20 種類以上の金属型 CNT と半導体することを見いだし，DNA で分散した CNT をイオン交

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ナノカーボンとバイオの接点型 CNT に対する単一構造あるいはエナンチオマーの分ないなど解決すべき課題が存在する．したがって，CNT離に成功している．

を産業応用するには，現状では本稿で紹介したようなおわりに生体分子の分離法が CNT に対して有効な理由に，生CNT の分離法によって単一構造の CNT を得るほうが現実的である．
最後に，分離した CNT の活用について触れる．単一体分子も CNT も共に水系で行う分離である，という点

構造半導体型 CNT は，近赤外蛍光を利用した血管造影があげられる．生体分子の多くは水溶液中に存在するた（本特集，蓬田）9) や，量子暗号通信の実現に重要な室温め，その構造や機能を保ったまま分離精製するには生体単一光子源 20) などに利用可能で，CNT のエナンチオマー分子を水溶液中で取り扱うことが基本となる．一方，は CNT のバンド構造解析に利用可能である 10)．このよ

CNT では，分離に先立って界面活性剤を用いて CNT をうに，分離した CNT はこれまで純粋な試料がなかった水溶液中に孤立分散させる必要があるため，その後の分ために進まなかった基礎研究や応用開発の進展に大いに離も水系で行う必要がある．この水系で分離を行う必要貢献している．生体分子の分離法はその縁の下の力持ち性という共通性が，CNT の分離に生体分子の分離法がとして，これからも活躍するに違いない．

有効になる理由となっている．また，CNT のサイズが謝

生体分子のサイズと似通っている点も，ゲルを用いて電気泳動やクロマトグラフィーで分離するうえで重要な要因の一つとなっていると考えられる．

CNT の分離における残された課題として，より太いCNT の分離がある．図 1 からも分かるように，直径が太くなるにつれて，CNT の取りうる構造の多様性が広がり，加えて金属型と半導体型 CNT の電気的性質の違

本稿で紹介したゲルを用いた CNT の分離に関する研究は，（国研）産業技術総合研究所の片浦弘道首席研究員をはじめ共同研究者の方々との成果であり，この場を借りて深謝致します．また，日本学術振興会 科学研究費助成事業，および新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）産業技術研究助成事業などの支援を受けてなされた．

文

いが小さくなってくるため，分離の難度が増す．別の課題として，ハイスループットで良質の孤立分散液を調製する手法の確立も重要である．本稿で紹介した CNT の分離は，いずれも分離に先立つ孤立分散液の調製のために，超音波照射と超遠心分離の過程を必要とする．前者
は CNT に欠陥を導入して性能を劣化させ，また両者とも大量処理を行ううえでのボトルネックとなっており，これらを解決する必要がある．
本稿の対象外である「生体分子の分離法以外の方法」
を用いた CNT の分離例はあまり多くはないが，ポリフルオレンなどの半導体性芳香族性高分子を分散剤に用いて有機溶媒中で半導体型 CNT を選択的に抽出する手法
や 16)，アルキルアミンを分散剤に用いて有機溶媒中で金属型 CNT を抽出する手法

17)などがある．前者では，数種類にまで絞られた半導体型 CNT の混合物や単一構造の半導体型 CNT が得られている．また，合成後の分離ではなく，単一構造の CNT を選択的に合成することに成功した報告もあるが 18,19)，量や純度や採算性が十分で

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辞

1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
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19)
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