ガラスコート金ナノ粒子及び蛍光増強金ナノ粒子とこれらの製造方法
【課題】特定の数と大きさの金ナノ粒子が、プライマーを用いることなく、特定の形態で含有されているガラス粒子の作製方法を提供、さらに、このような構造のガラスコート金ナノ粒子の近傍に蛍光体を配置して、蛍光増強効果を提供する。
【解決手段】平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子が、平均シェル厚２５ナノメートル以下のシリカガラスで覆われたガラスコート金ナノ粒子。当該ガラスコート金ナノ粒子は、シリコンアルコキシドの添加速度を変えることで作り分けることができる。また、当該ガラスコート金ナノ粒子上に、蛍光体を配置すれば、蛍光増強効果を得ることができる。ガラスコート金ナノ粒子上に蛍光体を配置するには、特定の蛍光体の表面を特定のアルコキシドで置換し、その後、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させればよい。
【解決手段】平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子が、平均シェル厚２５ナノメートル以下のシリカガラスで覆われたガラスコート金ナノ粒子。当該ガラスコート金ナノ粒子は、シリコンアルコキシドの添加速度を変えることで作り分けることができる。また、当該ガラスコート金ナノ粒子上に、蛍光体を配置すれば、蛍光増強効果を得ることができる。ガラスコート金ナノ粒子上に蛍光体を配置するには、特定の蛍光体の表面を特定のアルコキシドで置換し、その後、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させればよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスでコートされた金ナノ粒子及び蛍光増強金ナノ粒子とこれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属ナノ粒子は、触媒、センサー、電子材料、光学材料等に用いられる材料として、最近特に注目されている（非特許文献１及び２）。その中でも、金ナノ粒子の合成は、１９世紀半ばよりコロイド法によって行われ、種々改良されて簡便な方法が開発された。代表的な文献として、非特許文献３が挙げられる。また、総説（非特許文献４）も出版されている。近年でのナノ粒子研究においても、金ナノ粒子はその安定性、形状に由来する特異な反応性から特に注目されており、形態及び大きさを制御した作製法が盛んに研究されている（非特許文献５）。これらをもとに、金ナノ粒子は、直径２〜１００ナノメートルの範囲で作製できる。
【０００３】
さらに、作製した金ナノ粒子を自己組織化により１次元的（直線状又は曲線状）又は２次元的（平面状等）に適切に並べ、その物性を調べる研究も進んでいる（非特許文献６及び７）。金属ナノ粒子を並べる方法としては、溶媒の蒸発等の単純なものだけでなく、ビオチン−アビジンの結合、ファンデルワールス力、電磁気力、脂質又はポリマーの形状等を利用したものも知られている。
【０００４】
自己組織化をする際には、長距離の静電的力と短距離のファンデルワールス力とのバランスを取ることが一つのポイントである（非特許文献８）。特に１次元の構造を得るためには、ナノ粒子集合体が等方的ではなく、異方的な相互作用を持つ必要がある。金属ナノ粒子は双極子を持たないので、この異方的相互作用を起こさせるために、ナノ粒子表面の配位子を一部分除くことが行われる。このためには、溶液中の配位子の濃度を適切に減少させる方法が取られる。しかしながら、このようにして作られた１次元構造のナノ粒子集合体は、通常は不安定で、時間とともに大きな塊となってしまう。このため、１次元構造のナノ粒子集合体をそのまま固定し、その光特性を保つ方法は十分に開発されてはいない。
【０００５】
コロイド法で作製されたナノ粒子の分散性及び形状を長期間保つためには、適切な固体マトリックスが必要である。そのための固体マトリックスとしては、ガラスと有機高分子材料の２つが挙げられる。このなかでもガラス、とくにシリカガラスは、有機高分子と比較して形状安定性に優れ、化学的耐久性に優れ、透明性が高く、また紫外線照射にも強い。ナノ粒子の分散性及び形状を長期間保たせるためのガラスの作製には、ゾル−ゲル法が有利である。なぜならば、ゾル−ゲル法では、常温常圧付近の穏やかな条件下でガラス化が進むので、作製法を工夫すれば金ナノ粒子は透明なガラス中に分散固定されるからである。
【０００６】
ここで、「シリカガラス」という言葉について説明を加える。ゾル−ゲル法で作製したガラスは、有機物と水を含むにも拘わらず、関連する学会では、ガラス、シリカ、シリカガラス、シリカ系ガラス、アモルファスシリカ、ＳｉＯ２等と呼ばれている。これは、作製した固体マトリックス中に、ケイ素が作る網目構造を修飾する他の金属イオンを持たないためである。そこで、本願明細書においても、ゾル−ゲル法で作製したケイ素を含むマトリックスをガラス、シリカ又はシリカガラスと呼ぶことがある。
【０００７】
ゾル−ゲル法では、ガラスの原料としてアルコキシドを用いる。その中でも、ケイ素原子を含む４官能のアルコキシド（Ｓｉ（ＯＲ）４（Ｒは低級アルキル基等））が最も知られている。ここでＳｉの４つの結合手が全てアルコキシ基に繋がっているので、４官能のアルコキシドと呼ぶ。とくにＲが全てメチル基であるものをテトラメチルオルソシリケート、Ｒが全てエチル基であるものをテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）と呼ぶ。ゾル−ゲル反応は、加水分解及び脱水縮合の２つの過程に分けられる。
【０００８】
加水分解は、酸又はアルカリを触媒として行われ、アルコキシドは
Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ（ｎ＝１，２又は３）
の形となる。加水分解が進むとｎが大きくなり、最も進むとＳｉ（ＯＨ）４となる。加水分解したアルコキシドは、次にお互いが脱水縮合を起こす。これによって、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−というガラス網目構造が発達してガラスマトリックスになる。この方法によれば、室温付近でも反応方法を工夫すれば固体のガラスが得られる。
【０００９】
一方、４官能でないアルコキシドとして、オルガノアルコキシシランと称される一群の化合物も知られている。これはシランカップリグ剤の一種であり、ケイ素を含む骨格構造をもち、そのケイ素の４つの結合手のうち少なくとも１つが炭素原子と結合している化合物であり、次の一般式
Ｘｎ−Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ｎ＝１，２又は３）
で表される。この一般式で表される化合物の中でも、ｎ＝１のもの（３官能）が多く知られている。官能基Ｘとしては、ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エポキシ基（ＣＣＯの３員環を有する基）を含む基、アミノアルキル基（ＮＨ２ＣｍＨ２ｍ−；ｍは１〜６の整数）、メタクリル基（ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）ＣＯ−Ｏ−ＣｐＨ２ｐ−；ｐは１〜５の整数）、メルカプト基（ＨＳＣｑＨ２ｑ−；ｑは１〜１０の整数）、フェニル基（Ｃ６Ｈ５−）等が例示される。このなかでも特に、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＳ）、メルカプトプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＳ）等が好適に用いられる。ＡＰＳ中のアミノ基、ＭＰＳ中のメルカプト基等が金に配位することが知られており、これをプライマーとしてガラス層を成長させることが従来、行われてきた。
【００１０】
ガラス層を成長させる方法としては、ストーバー法が知られている。これは、水とアルコールの存在下、アルカリ性でアルコキシドを加水分解し、核となる小さな塊（例えば金ナノ粒子）の上に、シリカガラス分子（モノマー、Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ（ｎ＝１，２又は３））を降り積もらせることで、ガラス粒子を得る方法である。
【００１１】
金ナノ粒子は、例えばクエン酸を配位子として塩化金酸の還元によって作られる（非特許文献９）。これらをシリカガラスでコートする研究は、これまでも行われてきた。しかしながら、金属酸化物、半導体ナノ粒子等と違って、金は直接、シリカガラスでコートするのが難しいとされている。これは、ガラスと金属結晶の性質が大きく違って化学的な親和性に乏しいことが原因である。このため、通常は、金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる手法はとられていない。
【００１２】
アミノ基等の官能基が金に親和性があることは知られている。そのため、このことを利用して、アミノ基等を含むオルガノアルコキシシランを金ナノ粒子の表面に付けた後で、４官能のシリコンアルコキシドを用いてガラスの層をつくる方法が良く知られている。このようなオルガノアルコキシシランは、プライマーと呼ばれる。他に、高分子のポリビニルピロリドンもプライマーとして使えることが知られている（非特許文献１０）。
【００１３】
ゾル−ゲル法で作製したガラスは多孔性を有するので、低分子分散液に浸漬するとガラスマトリックス中に低分子を浸透させることができる。このとき、表面にプライマーがあると、ナノ粒子表面に目的の分子を配置させることができない。金ナノ粒子同士が接合した部分は、特に電場勾配が急峻であるために、ラマン効果が強く出るという利点がある。しかし、表面にプライマーがあると、この電場が特に急峻な部分に目的の分子を配置できなくなる。また、プライマーには官能基があるので、目的の計測の妨げになることもある。
【００１４】
そこで、プライマーなしで金ナノ粒子をガラスコートする研究も進んでいる。イングらは、金又は銀ナノ粒子を、逆ミセル法を用いて均一にガラスコートした（非特許文献１１）。また、先に説明したストーバー法によっても、プライマーなしで金又は銀ナノ粒子をガラスコートできることが報告されている（非特許文献１２、１３及び１４）。しかし、いずれの場合も金ナノ粒子は、平均直径が５０ナノメートル程度の大きさである。この程度の大きさの場合は、個々の結晶面の性質に大きな違いがなくなるので、均一なコートを行いやすい。
【００１５】
一方、金ナノ粒子の平均直径が４０ナノメートル以下になると、表面の結晶面の性質に違いが現れ、ガラスコートされやすい面とされにくい面が現れる。平均直径が３０ナノメートル以下になると、この性質が顕著になる。このため、この作製法を平均直径４０ナノメートル以下の金ナノ粒子に適応するのは難しく、平均直径が３０ナノメートル以下になるとさらに困難になる。
【００１６】
一方、直径１５ナノメートルの金ナノ粒子１個をガラスで直接コートする研究も行われた（非特許文献１５）。しかし、作製されたガラスコート金ナノ粒子は、直径１００ナノメートル程度であり、最小で７３ナノメートル（シェル厚にして２９ナノメートルと厚いガラス層で覆われている）と報告されている。また、金ナノ粒子を含まないガラスビーズも多数散見される。この程度の大きさの金ナノ粒子では、結晶面の性質がそれぞれに違っており、始めにガラスコートされる結晶面から横にかぶさるようにしてガラスコートされる面が広がっていくためである。なお、当該文献ではアルコキシドの添加速度についての記述はない。しかし、実際には、添加速度が速すぎることが原因で、ガラス層が一気に成長して厚くなり、また金ナノ粒子の表面に付かずにガラスだけで核形成、成長するものもあって、金ナノ粒子を含まないガラスビーズが成長すると解釈される。
【００１７】
このように、平均直径４０ナノメートル以下の金ナノ粒子の場合、薄いガラス層で覆う方法は開発されていなかった。また、特定の大きさの金ナノ粒子の１次元集合体（直線状または曲線状の集合体）を作製し、さらに薄いガラス層で固定する方法も知られていなかった。
【００１８】
一方で近年、金属ナノ粒子と蛍光体間の相互作用による発光増強の研究が進んでいる。蛍光体が励起されたとき、近くに金属ナノ粒子があるとそのエネルギーが金属に移動して蛍光が消光される。一方、金属ナノ粒子が励起されたときには、近接場効果によって蛍光体も励起され、蛍光は増強される。金属ナノ粒子と蛍光体の距離がdのときの消光率PQ(d)と増強率PE(d)から、合計の蛍光強度Iは、金属ナノ粒子がない場合の蛍光強度をI0とすると、
I／I0= PQ(d)×PE(d)
と書ける。PQ(d)はdとともに急速に減衰し、PE(d)はdとともに増加するので、I／I0は特定のdで最大値を示す。このような蛍光強度の増大現象は蛍光波長域と金属の局在表面プラズモン波長域が重なっているほど著しくなるため、金属ナノ粒子の表面プラズモン増強効果と呼ばれることがある。
【００１９】
例えば、金ナノ粒子を敷き詰めた平面に高分子を介して一定距離dだけ離して量子ドット（直径数ナノメートルの半導体結晶）を配置し、量子ドットからの蛍光強度を測定すると、距離dが１０ナノメートル程度のときに蛍光強度が最大値を示すことが報告されている（非特許文献１６）。このため、平面状でない場合にも、金ナノ粒子の近傍に量子ドットを適切に配置すれば蛍光増強効果が得られることが予想されるが、本願明細書が対象とする４官能のアルコキシドからなるガラスを使った材料での研究結果は知られていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Xia, Y. N.; Yang, P. D.; Sun, Y. G.; Wu, Y. Y.; Mayers, B.; Gates, B.; Yin, Y. D.; Kim, F.; Yan, H. Q. Adv. Mater. 2003, 15, 353.
【非特許文献２】Daniel, M. C.; Astruc, D. Chem. Rev. 2004, 104, 293.
【非特許文献３】J. Turkevitch, Gold Bulletin, 1985, 18, 86.
【非特許文献４】Edit by Gunter Schmid, Chapter 3.2 in Nanoparticles from theory to applications, Wiley-VCH (2004).
【非特許文献５】Xu, J.; Li, S.; Weng, J.; Wang, X.; Zhou, Z.; Yang, K.; Liu, M.; Chen, X.; Cui, Q.; Cao, M.; Zhang, Q. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 277.
【非特許文献６】Xing, S.; Tan, L. H.; Yang, M.; Pan, M.; Lv, Y.; Tang, Q.; Yang, Y. Chen, H. J. Mater. Chem. 2009, 19,3286.
【非特許文献７】Yang, M.; Chen, G.; Zhao, Y.; Silber, G.; Wang, Y.; Xing, S.; Han, Y.; Chen, H. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 11850.
【非特許文献８】Zhang, Z.; Wu, Y. Langmuir, 2010, 26, 9214.
【非特許文献９】Ojea-Jimenez, I.; Romero, F. M.; Bastus, N. G.; Puntes, V. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 1800.
【非特許文献１０】Graf, C.; Vossen, D. L. J.; Imhof, A.; van Blaaderen, A. Langmuir 2003, 19, 6693.
【非特許文献１１】Han, Y.; Jiang, J.; Lee, S. S.; Ying, J. Y., Langmuir 2008,24, 5842.
【非特許文献１２】Graf, C.; van Blaaderen, A. Langmuir 2002, 18, 524.
【非特許文献１３】Lu, Y.; Yin, Y.; Li, Z.-Y.; Xia, Y. Nano Lett. 2002, 2, 785.
【非特許文献１４】Liu, S.; Han, M. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 961.
【非特許文献１５】Mine, E.; Yamada, A.; Kobayashi, Y. Konno, M.; Liz-Marzan, L. M. J. Colloid Interface Sci. 2003, 264, 385.
【非特許文献１６】Chan, Y.-H.; Jixin, C.;, Wark, S. E.; Skiles, S. L.; Son, D. H.; Batteas, J. D.; ACS Nano, 2009, 3, 1735.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、小さい粒径の金ナノ粒子を、プライマーを用いることなく、概略決まった数だけ線状に繋げてシリカガラスで固定したガラスコート金ナノ粒子とその作製法を提供することを目的とする。また、本発明は、１個の小さい粒径の金ナノ粒子を、プライマーを用いることなく、シリカガラスで固定したガラスコート金ナノ粒子とその作製法を提供することも目的とする。さらに、このような構造のガラスコート金ナノ粒子の近傍に蛍光体を配置して、蛍光増強効果を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、本発明者らは、ストーバー法を用いたゾル−ゲル法でガラスコートする際において、アルコキシドを添加するスピードを変えることで形成されるガラスコート金ナノ粒子の形態を制御できることを見出し、上記課題を解決した。
【００２３】
さらに、金ナノ粒子の周りにほぼ一定の厚みでガラスコートが出来ることを利用して、その表面に蛍光体を配置することができる。これにより、金ナノ粒子と蛍光体とで蛍光増強効果が得られることも見出した。
【００２４】
即ち、本発明は、以下の項１〜１９に係るガラスコート金ナノ粒子及びガラスコート金ナノ粒子の製造方法を包含する。
項１．金ナノ粒子及びシリカガラスを有するガラスコート金ナノ粒子であって、前記金ナノ粒子はシリカガラスで覆われており、前記金ナノ粒子の平均直径が２〜４０ナノメートルであり、前記シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートル以下である、ガラスコート金ナノ粒子。
項２．前記金ナノ粒子の平均分散数が２個未満である項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項３．項１又は２に記載のガラスコート金ナノ粒子及び金ナノ粒子を含まないガラス粒子の２種類を含むガラス粒子集合体であって、前記金ナノ粒子を含まないガラス粒子の割合が５％以下である、ガラス粒子集合体。
項４．前記金ナノ粒子の平均分散数が２個以上３個未満であり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項５．前記金ナノ粒子の平均分散数が３個以上であり、該３個以上の金ナノ粒子が線状に配置されており、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項６．前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドが結合している、項１〜５のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項７．前記シリカガラス上に、さらに、１個又は複数個の蛍光体が配置されている、項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項８．前記１個又は複数個の蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されている、項７に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項９．前記蛍光体が量子ドットである、項７又は８に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１０．前記蛍光体と金ナノ粒子の間に位置するシリカガラスシェルの平均厚みが３〜２０ナノメートルである項７〜９のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１１．前記蛍光体を複数個有し、且つ、該蛍光体が同心円状に配置されている、項７〜１０のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１２．項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１３．前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる、項１２に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１４．項２又は３に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．０１５／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１５．項４に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００７／（Ｃ×Ｖ）〜０．０１５／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１６．項５に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．００７／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１７．項７〜１１のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
疎水性の蛍光体の表面を、部分的に加水分解したアルコキシドで置換する工程、及び
部分的に加水分解したアルコキシドで置換された蛍光体を、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させる工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１８．前記ガラスコート金ナノ粒子分散液は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加することにより得られる、項１７に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１９．部分的に加水分解したアルコキシドが、アミノ基又はチオール基を含む、項１７又は１８に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、粒径が小さくてシリカガラスへの親和性に違いがある複数の結晶面を持つ金ナノ粒子が薄いシリカガラスでコートされ、さらに線状（直線状又は曲線状）に繋がった形態をガラスマトリックスで固定化することができる。これらガラスコート金ナノ粒子は、ガラスの持つ形状安定性及び多孔性を生かし、高いラマン効果等の光学効果、触媒活性等の機能が期待される。
【００２６】
なお、金ナノ粒子が直接シリカガラスで覆われていることは、分析電子顕微鏡による該当部分の解析によってケイ素と酸素が含まれることから確認することができる。また、試料を真空乾燥して粉体にした後に、粉末Ｘ線回折（ＣｕのＫα線、１．５４０６オングストロームを照射）によって角度（２θ）が２３度の付近に半値全幅５度もしくはそれ以上の広い回折ピークが現れることからも確認できる。
【００２７】
さらに、金ナノ粒子を所望の厚みのシリカガラスで覆うことが出来るので、このシリカガラス表面に蛍光体を配置することで、金ナノ粒子の表面プラズモンによる蛍光増強効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１で作製したガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図２】金ナノ粒子分散液と実施例１で作製した試料３の概観写真である。
【図３】金ナノ粒子分散液と実施例１で作製した試料３の光吸収スペクトルである。
【図４】実施例３で作製した３種類（（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））のガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図５】量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子（図４の（ｂ）を使用）の透過電子顕微鏡写真である。
【図６】３種類（図４の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））から作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子の蛍光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明について、詳細に説明する。
【００３０】
Ｉ．ガラスコート金ナノ粒子
本発明のガラスコート金ナノ粒子は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子が、平均シェル厚２５ナノメートル以下のシリカガラスで直接覆われている。
【００３１】
金ナノ粒子の平均直径は、２〜４０ナノメートル、好ましくは１０〜２０ナノメートルである。金ナノ粒子の平均直径が４０ナノメートルをこえる場合には、バイオ用途で生体中の特定物質をラマン散乱スペクトルで同定したい場合には、全体のサイズが大きすぎて不都合である。また、一般に、全体のサイズが小さいほど、比表面積が増えて光学測定における感度が上昇する。一方で、平均直径が２ナノメートル未満の金ナノ粒子を作製するのは困難である。
【００３２】
本発明のガラスコート金ナノ粒子において、金ナノ粒子が覆われているシリカガラスの平均シェル厚は２５ナノメートル以下、好ましくは１〜１５ナノメートルである。シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートルをこえる場合には、金ナノ粒子が４０ナノメートル以上である場合と同様に、やはりバイオ用途では不具合が生じる。また、触媒やラマン散乱計測のために目的の物質をガラスに浸み込ませて金ナノ粒子近傍に配置する場合にも、ガラス層が厚すぎることが問題となる。
【００３３】
本発明のガラスコート金ナノ粒子において、金ナノ粒子は、プライマーを介することなく、直接シリカガラスで覆われており、特に、金ナノ粒子の表面に、直接４官能のシリコンアルコキシドが結合していることが好ましい。このように、プライマーを介さないことにより、金ナノ粒子同士が接合した部分は、特に電場勾配が急峻であるために、ラマン効果が強く出る。そのため、高いラマン効果等の光学効果が期待できる。このような効果は、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である場合に特に顕著である。
【００３４】
ＩＩ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の種類と構造
本発明では、金ナノ粒子が、所望の厚みのシリカガラスで覆われているので、このシリカガラス表面に蛍光体を配置することができる。これにより、金ナノ粒子の表面プラズモンによる蛍光増強効果が得られる。
【００３５】
ここで、蛍光体を俯瞰すると、大きく分けて有機色素、遷移元素（遷移金属及び希土類元素）のイオン及び量子ドットの３種類である。本発明では、このうちのどの蛍光体も用いることができる。但し、蛍光波長域と金属の局在表面プラズモン波長域が重なっているほど蛍光増強効果は著しくなる。この効果を得るためには、上記のガラスコート金ナノ粒子のシリカガラス表面に蛍光体を配置すればよい。蛍光増強効果を得るために適切なシリカガラスの厚みは、蛍光体の種類によって変わるが概略３〜２０ナノメートルが好ましく、５〜１５ナノメートルがさらに好ましく、７〜１２ナノメートルが最も好ましい。
【００３６】
上記のように、蛍光体が配置されている場合、当該蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されていてもよい。当該シリカガラスの平均シェル厚は１０ナノメートル以下、特に２〜６ナノメートルとするのが好ましい。シリカガラスの平均シェル厚が１０ナノメートルをこえる場合には、金ナノ粒子が４０ナノメートル以上である場合と同様に、やはりバイオ用途では不具合が生じる。また、触媒やラマン散乱計測のために目的の物質をガラスに浸み込ませて金ナノ粒子近傍に配置する場合にも、ガラス層が厚すぎることが問題となる。
【００３７】
ＩＩＩ．ガラスコート金ナノ粒子の作製
本発明のガラスコート金ナノ粒子は、金ナノ粒子の作製及びガラスコート金ナノ粒子の作製を経て作製されるので、以下その工程を説明する。
【００３８】
（１）金ナノ粒子の作製
本発明が対象とする金ナノ粒子は、平均直径２〜４０ナノメートルであり、コロイド法によって作製される（たとえば非特許文献９）。また、ロッド状の金の作製法（K. Esumi, K. Matsuhisa, K. Torigoe, Langmuir, 11, 3285(1995). ）も知られている。本明細書で金ナノ粒子の直径といった場合、球形でない場合には、３つの慣性主軸方向の大きさの平均値を表すものとする。
【００３９】
（２）ガラスコート金ナノ粒子の作製
この工程では、４官能のシリコンアルコキシドを用い、ストーバー法によって金ナノ粒子にガラスコートする。
【００４０】
本発明で使用されるシリコンアルコキシドは、一般式（１）：
Ｓｉ（ＯＲ）４
（式中、Ｒは低級アルキル基、特に炭素数１〜５のアルキル基である）
で表されるものが好ましい。具体的には、Ｒが全てメチル基であるテトラメチルオルソシリケート、Ｒが全てエチル基であるテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）等を好ましく使用することができる。
【００４１】
この工程においては、酸又はアルカリを触媒として加水分解が行われる。この際、シリコンアルコキシドは、一般式（２）：
Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ
（式中、Ｒは式（１）と同じ；ｎ＝１，２又は３である）
の形となる。加水分解が進むとｎが大きくなり、最も進むとＳｉ（ＯＨ）４となる。加水分解したシリコンアルコキシドは、次にお互いが脱水縮合を起こす。これによって、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−というガラス網目構造が発達してガラスマトリックスになる。この方法によれば、室温付近でも反応方法を工夫すれば固体のガラスが得られる。
【００４２】
酸とアルカリの２種類の触媒のうち、アルカリ性の場合はアンモニアを用いることができる。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等のＣ１−４のアルコールが挙げられる。使用する金属アルコキシドのアルコキシドに対応する炭素数のアルコールを用いることが好ましい。例えば、金属アルコキシドとしてＴＥＯＳを用いる場合、アルコールとしてエタノールを用いると良い。
【００４３】
なお、４官能でないアルコキシドとして、一般式（３）：
Ｘｎ−Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ
（式中、Ｘはビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エポキシ基（ＣＣＯの３員環を有する基）を含む基、アミノアルキル基（ＮＨ２ＣｍＨ２ｍ−；ｍは１〜６の整数）、メタクリル基（ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）ＣＯ−Ｏ−ＣｐＨ２ｐ−；ｐは１〜５の整数）、メルカプト基（ＨＳＣｑＨ２ｑ−；ｑは１〜１０の整数）又はフェニル基（Ｃ６Ｈ５−）；ｎ＝１，２又は３である）で表されるオルガノアルコキシシランも知られている。しかし、本発明において、金ナノ粒子を覆うためのシリカガラスを形成する用途としては、オルガノアルコキシシランは使用しない。オルガノアルコキシシランを使用して金ナノ粒子の表面にプライマーを形成すると、優れたラマン効果等が得られないからである。
【００４４】
この工程では、例えば以下の手順で合成を進めることができる。
【００４５】
金ナノ粒子を０．１マイクロモル／リットルの濃度で分散した分散液１ミリリットルに、アルコール１〜３０ミリリットル（さらに好ましくは２〜２０ミリリットル、最も好ましくは５〜１２ミリリットル）、アンモニア水（２５重量％）５〜８００マイクロリットル（さらに好ましくは１０〜５００マイクロリットル、最も好ましくは５０〜２００マイクロリットル）を加える。アルコールとしては、エタノール、メタノール、イソプロパノールが例示される。金ナノ粒子の濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）又は容量Ｖ（ミリリットル）が変わった場合は、それに比例してアルコールとアンモニア水の容量を変えればよい。また、アンモニア水の濃度を変える場合には、アンモニア水の量は、溶解しているアンモニアの量が同程度となるように調整すればよい。この溶液を激しく攪拌しつつ、あらかじめ決めた速度Ｐ（マイクロモル／リットル）で４官能のシリコンアルコキシドを添加する。
【００４６】
本発明では、ゾル−ゲル法でガラスコートする際において、シリコンアルコキシドを添加するスピードＰを変えることで形成されるガラスコート金ナノ粒子の形態を制御できる。
【００４７】
スピードＰは、以下に説明するように、金ナノ粒子の形態によって３つの場合（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、但しＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３）に分類されるので、適切なスピードを選択すればよい。いずれの場合も、金ナノ粒子はまずストーバー法によってシリカガラス分子で直接に覆われ、その上に、同じシリカガラスが堆積し、シリカガラス層となる。
【００４８】
本発明では、金ナノ粒子分散液にアルコールとアンモニア水とを添加し、激しく攪拌しつつ、４官能のシリコンアルコキシドを添加し、ゾルゲル反応を起こさせる。添加スピードが速い（スピードＰ１）と、金ナノ粒子はすぐにシリカガラスで覆われ、平均して２個未満、特に０．９個以上２個未満、さらには１個以上２個未満の金ナノ粒子を含んだガラスビーズが形成される。しかし、添加スピードが後述するＰ１の上限よりもさらに速いと、金ナノ粒子を含まないガラス粒子も同時に多数形成され、また、金ナノ粒子の周りのシリカガラス層が厚くなり、シェル厚を２５ナノメートル以下とするのは困難となる。
【００４９】
添加スピードが中くらい（スピードＰ２）の場合は、まず金ナノ粒子の結晶面のうちガラスへの親和性が高い面がコートされ、同時に金ナノ粒子同士が接合して線上に繋がり始める。添加スピードが後述のＰ３よりは速いので、平均して２個以上３個未満の金ナノ粒子が繋がった形態となる。なお、２個の金ナノ粒子が繋がった形態のものをダイマー、３個の金ナノ粒子が繋がった形態のものをトライマーと呼ぶ。これらの形態ができたのち、その上にさらにシリカガラス分子が堆積することで、その形状が固定される。これにより、ガラスコート金ナノ粒子中に存在する金ナノ粒子は、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔が２ナノメートル以下となる。
【００５０】
添加スピードが遅い（スピードＰ３）場合は、金ナノ粒子の線状（直線状又は曲線状の１次元の繋がり）結合が伸び、３個以上の金ナノ粒子が繋がった構造が形成される。その後、この上にシリカガラス分子が堆積し、線状に繋がった金ナノ粒子の形状が固定される。これにより、ガラスコート金ナノ粒子中に存在する金ナノ粒子は、３個以上が線状に繋がり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔が２ナノメートル以下となる。なお、金ナノ粒子は、直線状に繋がっていてもよいし、曲線状に繋がっていてもよい。
【００５１】
ここで、アルコキシドの添加スピードＰ（マイクロリットル／分）は、金ナノ粒子の濃度Ｃ（モル／リットル）と全体の溶液量Ｖ（ミリリットル、金ナノ粒子分散液にアルコールとアンモニア水溶液を加えた量）で規格化して以下のように一般化することができる。Ｐ、Ｃ、Ｖは、それぞれ括弧の中に示した単位で表したときの数値である。
【００５２】
本発明で目的とするガラスコート金ナノ粒子を製造するためには、シリコンアルコキシドの添加スピードＰを０．００１＜Ｐ／ＣＶ＜０．０３とするのが良い。添加スピードＰが速すぎると金ナノ粒子を含まないガラス粒子が同時に多数形成され、また、金ナノ粒子の周りのシリカガラス層が厚くなり、シェル厚を２５ナノメートル以下とするのが困難となる。また、添加スピードＰが遅すぎると、凝集・沈殿が生じ易くなると言う問題点がある。得ようとするガラスコート金ナノ粒子の形態に応じて、後述する３つ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）のいずれかを採用すればよい。
【００５３】
Ｐ１は０．０１５＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０３とするのが良く、０．０１６＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０２８とするのがさらに好ましく、０．０１８＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０２５とするのが最も良い。
【００５４】
Ｐ２は０．００７＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１５とするのが良く、０．００８＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１３とするのがさらに好ましく、０．００９＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１２とするのが最も良い。
【００５５】
Ｐ３は０．００１＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００７とするのが良く、０．００２＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００６５とするのがさらに好ましく、０．００３＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００６とするのが最も良い。
【００５６】
このように、シリコンアルコキシドの添加スピードを制御することで、粒径の小さい金ナノ粒子を、薄いシリカガラス層で覆うことができ、しかも、ガラスコート金ナノ粒子中の金ナノ粒子の数を制御することができる。
【００５７】
ＩＶ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の作製
蛍光体は、吸着や化学結合によってガラスコート金ナノ粒子の表面に接着させて、目的のナノ構造物とすることができる。
【００５８】
上述の方法で作製されたガラスコート金ナノ粒子は、作製直後はＯＨ基を表面に有するため、親水性である。このＯＨ基は、中性領域ではマイナスに帯電している。このため、プラスに帯電した蛍光体を添加すれば容易に接着する。一例として、疎水性の量子ドットの表面を、加水分解したアルコキシドに疎水性溶媒中で置換し、さらに水に分散したガラスコート金ナノ粒子と接触させる手法がある。このとき、部分的に加水分解したアルコキシドは水相に移動するため、容易にガラスコート金ナノ粒子に吸着する。この際、アルコキシドとして、上述のオルガノアルコキシシラン（好ましくはアミノ基又はチオール基を有するもの、例えば、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＳ））を使用すれば、当該オルガノアルコキシシラン中の官能基（アミノ基等）は中性領域でプラスに帯電するため、さらに容易に、蛍光体をガラスコート金ナノ粒子に吸着させることができる。このとき、加水分解したアルコキシドとガラスコート金ナノ粒子表面のＯＨ基が脱水縮合して、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのガラス網目構造の形成も伴うことがある。
【００５９】
さらに、上述の４官能のシリコンアルコキシド又はオルガノアルコキシシランを用いて従来のストーバー法により、さらに別途シリカガラス層を、蛍光体を覆うように形成させることもできる。使用目的に応じて、例えば抗体に接着したい場合には、チオール基、アミノ基、またはカルボキシル基を有するオルガノアルコキシシランを用いれば良い。
【００６０】
また、上記と同様に、量子ドットの替わりにアミノ基を有する色素をガラスコート金ナノ粒子に吸着させることも可能である。
【００６１】
Ｖ．ガラスコート金ナノ粒子の用途
このようにして作製されたガラスコート金ナノ粒子は、ラマン散乱用の媒体、触媒の担体等に用いられる。このような金ナノ粒子とその集合体の各種の応用の可能性については、総説（R. Jin, Angew. Chem. Int. Ed., 49, 2829 (2010)）に詳しく解説されている。
【００６２】
ＶＩ．ガラスコート金ナノ粒子の評価
金ナノ粒子の粒径は、金ナノ粒子の合成条件でほぼ決定されるが、透過電子顕微鏡によって確かめられる。金ナノ粒子分散液中の金ナノ粒子の濃度も合成条件でほぼ決定されるが、溶液を蒸発させて重量測定して、粒径と比較することで確かめられる。また、金ナノ粒子のモル吸光係数を用いて、表面プラズモンピーク（直径１０ナノメートル程度では、５００ナノメートル付近に現れる）の吸光係数から求めることができる。
【００６３】
ガラスコート金ナノ粒子の形態、中に含まれる金ナノ粒子の分散数と分散状態も、透過電子顕微鏡観察により確かめられる。金の電子線散乱能が高いので、加速電圧１００キロボルトでも観察が可能である。より詳細な分散状態の観察のためには、加速電圧３００キロボルトの電顕を用いるのが良い。
【００６４】
金ナノ粒子は、１次元に繋がると水溶液の吸収スペクトルが長波長側にシフトする。このシフトの程度から、金の分散状態を知ることができる。また、水溶液の色が深い赤色から紫色に変化するので、概略については目視でも確認ができる。
【００６５】
当該ガラスコート金ナノ粒子は、金表面にプライマーがないので、硫黄や窒素を含有しない。このため、試料全体の化学分析や、金表面の分析電顕による解析でプライマーがないことの指針を得ることができる。
【００６６】
ＶＩＩ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の評価と用途
作製したナノ構造体（蛍光体を有するガラスコート金ナノ粒子）は、分散させる蛍光体の濃度を一定にして蛍光強度を比較することで、プラズモン共鳴による増強効果の有無を判定することが出来る。蛍光体として量子ドットを用いる場合は、蛍光体の数や分布を透過型電子顕微鏡で直接に観察できる。
【００６７】
ナノ構造体の全体のサイズは５０ナノメートル程度にできるから、その表面にカルボキシル基、アミノ基、チオール基等をとりつけることで抗体に感作させ、目的の生体物質に結合させることが出来る。このようにすることで、従来よりも輝度が高く耐久性のある蛍光試薬として用いることが出来る。
【実施例】
【００６８】
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００６９】
実施例１
金ナノ粒子の合成
クエン酸ナトリウム（９０ミリグラム）を１００ミリリットルの純水に激しく攪拌しながら添加し、１００℃に加熱して溶液Ａとする。塩化金酸（濃度５０ミリモル／リットル）を１ミリグラム取り出し、０．２ミリリットル／分の速度で溶液Ａに注入する。この状態で３分放置したのち、室温に戻した。限外濾過フィルター（３０００−ＭＷＣＯ）を用いて、遠心分離（４８００ｇ）によって３回濃縮することで未反応物を取り除いた。これにより、平均粒径１１ナノメートルの金ナノ粒子分散液が作製された。
【００７０】
ガラスコート金ナノ粒子の合成と評価
上記で作製した金ナノ粒子分散液の濃度を０．１マイクロモル／リットルに調整した。８ミリリットルのエタノールおよび０．１ミリリットルのアンモニア水（重量濃度２５％）の混合液を激しく攪拌しながら、上記の金ナノ粒子分散液１ミリリットルを加えた。この状態で、シリコンアルコキシド（ＴＥＯＳ）を加えた。このときの添加速度と合計の添加量、作製されたガラス粒子中の金ナノ粒子の分散数、分散形態を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
分散形態は、透過電子顕微鏡（加速電圧１００キロボルト）によって観察した。このように、ＴＥＯＳの添加スピードによって、ガラス粒子中の金ナノ粒子の分散数を制御することができた。
【００７３】
実施例２
実施例１で作製したガラスコート金ナノ粒子のうち、試料２、３、４、６、７、８及び９を透過電子顕微鏡で詳細に観察した。撮影した電顕像を、図１に示す。それぞれ、ダイマー、トライマー、４つ以上の金ナノ粒子集合体、単一金ナノ粒子含有ガラス粒子の様子がわかる。この場合のシリカガラスの平均シェル厚は、順に１４ナノメートル、１４ナノメートル、２２ナノメートル、１１ナノメートル、３ナノメートル、９ナノメートル、１９ナノメートルであった。表面に直接ガラス分子がつくので、２個以上の金ナノ粒子を含む場合（試料２、３、４）、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔は２ナノメートル以下であることがわかる。また、１個の金粒子が含まれる場合（試料６、７、８、９）、シリカガラスだけが核形成、成長したもの（金ナノ粒子を含まないもの）は、存在しないことがわかる。これは、シリコンアルコキシドの添加速度や添加量が適切に制御されたためである。
【００７４】
試料３及び金ナノ粒子のみの分散液の写真を図２に示す。金ナノ粒子が繋がると、赤色から薄紫色になることがわかる。この試料の光吸収スペクトルを測定すると、図３のようになった。金ナノ粒子が繋がると、長波長の光吸収成分が増えることがわかる。
【００７５】
実施例３
実施例１と同様の方法で、添加するＴＥＯＳの量をそれぞれ３、５、９マイクロリットルとすることで、３種類のガラスコート金ナノ粒子を作製した（（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つのビーズ）。ＴＥＯＳの添加速度は、いずれも０．２マイクロリットル／秒とした。これらは、実施例１における試料７〜９と同じ条件である。このときの透過電子顕微鏡による観察像を図４に示す。図４において、左上に付されている符号（（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））は、それぞれ試料（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を示す。ガラス層の厚みは、ビーズ（ａ）〜（ｃ）でそれぞれ５、１２．５、２０ナノメートルである。
【００７６】
次にエタノール、水及びＡＰＳを混合した。それぞれのモル比は３０：１．５：１とした。これを室温で２０時間攪拌後、６０℃程度に加熱してエタノールを蒸発させることでＡＰＳゾルを得た。このＡＰＳゾル０．３ミリリットルをトルエン分散したＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット（０．５ミリリットル）に添加し、７分間攪拌した。この段階で、量子ドット表面は、加水分解したＡＰＳに置換される。さらに、先に作製したガラスコート金ナノ粒子水溶液０．３ミリリットル（ビーズ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類、金ナノ粒子の濃度１ナノモル／リットル）を添加し、１０分間攪拌した。これにより、量子ドットは水に転換し、ガラスコート金ナノ粒子表面に付着した。この水溶液を１４５００回転／分、２分の条件で３回遠心することで精製した。
【００７７】
作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡像をビーズ（ｂ）の場合について図５に示す。量子ドットがガラスビーズの周りに付加していることがわかる。
【００７８】
さらに、３つのビーズの量子ドット付加後の蛍光スペクトルを図６に示す。ビーズ（ｂ）から作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子が最も蛍光強度が高いことがわかる。また、ビーズ（ｃ）から作製したものは、量子ドットのみの場合と発光強度が同じであった。このことから、量子ドットと金ナノ粒子の距離が１２．５ナノメートルの時には、特に優れた蛍光強度増強効果が見られることがわかった。
【００７９】
実施例４
実施例１の試料３及び４のように、４つ以上の金ナノ粒子を含有するガラス粒子においても、実施例３と同様の方法で量子ドットをガラス粒子表面に付加できた。さらに、実施例３と同様に、通常のストーバー法により、エタノールと水を含むＴＥＯＳのアルカリ性領域での加水分解により量子ドット表面にシリカガラス層を付加できた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスでコートされた金ナノ粒子及び蛍光増強金ナノ粒子とこれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属ナノ粒子は、触媒、センサー、電子材料、光学材料等に用いられる材料として、最近特に注目されている（非特許文献１及び２）。その中でも、金ナノ粒子の合成は、１９世紀半ばよりコロイド法によって行われ、種々改良されて簡便な方法が開発された。代表的な文献として、非特許文献３が挙げられる。また、総説（非特許文献４）も出版されている。近年でのナノ粒子研究においても、金ナノ粒子はその安定性、形状に由来する特異な反応性から特に注目されており、形態及び大きさを制御した作製法が盛んに研究されている（非特許文献５）。これらをもとに、金ナノ粒子は、直径２〜１００ナノメートルの範囲で作製できる。
【０００３】
さらに、作製した金ナノ粒子を自己組織化により１次元的（直線状又は曲線状）又は２次元的（平面状等）に適切に並べ、その物性を調べる研究も進んでいる（非特許文献６及び７）。金属ナノ粒子を並べる方法としては、溶媒の蒸発等の単純なものだけでなく、ビオチン−アビジンの結合、ファンデルワールス力、電磁気力、脂質又はポリマーの形状等を利用したものも知られている。
【０００４】
自己組織化をする際には、長距離の静電的力と短距離のファンデルワールス力とのバランスを取ることが一つのポイントである（非特許文献８）。特に１次元の構造を得るためには、ナノ粒子集合体が等方的ではなく、異方的な相互作用を持つ必要がある。金属ナノ粒子は双極子を持たないので、この異方的相互作用を起こさせるために、ナノ粒子表面の配位子を一部分除くことが行われる。このためには、溶液中の配位子の濃度を適切に減少させる方法が取られる。しかしながら、このようにして作られた１次元構造のナノ粒子集合体は、通常は不安定で、時間とともに大きな塊となってしまう。このため、１次元構造のナノ粒子集合体をそのまま固定し、その光特性を保つ方法は十分に開発されてはいない。
【０００５】
コロイド法で作製されたナノ粒子の分散性及び形状を長期間保つためには、適切な固体マトリックスが必要である。そのための固体マトリックスとしては、ガラスと有機高分子材料の２つが挙げられる。このなかでもガラス、とくにシリカガラスは、有機高分子と比較して形状安定性に優れ、化学的耐久性に優れ、透明性が高く、また紫外線照射にも強い。ナノ粒子の分散性及び形状を長期間保たせるためのガラスの作製には、ゾル−ゲル法が有利である。なぜならば、ゾル−ゲル法では、常温常圧付近の穏やかな条件下でガラス化が進むので、作製法を工夫すれば金ナノ粒子は透明なガラス中に分散固定されるからである。
【０００６】
ここで、「シリカガラス」という言葉について説明を加える。ゾル−ゲル法で作製したガラスは、有機物と水を含むにも拘わらず、関連する学会では、ガラス、シリカ、シリカガラス、シリカ系ガラス、アモルファスシリカ、ＳｉＯ２等と呼ばれている。これは、作製した固体マトリックス中に、ケイ素が作る網目構造を修飾する他の金属イオンを持たないためである。そこで、本願明細書においても、ゾル−ゲル法で作製したケイ素を含むマトリックスをガラス、シリカ又はシリカガラスと呼ぶことがある。
【０００７】
ゾル−ゲル法では、ガラスの原料としてアルコキシドを用いる。その中でも、ケイ素原子を含む４官能のアルコキシド（Ｓｉ（ＯＲ）４（Ｒは低級アルキル基等））が最も知られている。ここでＳｉの４つの結合手が全てアルコキシ基に繋がっているので、４官能のアルコキシドと呼ぶ。とくにＲが全てメチル基であるものをテトラメチルオルソシリケート、Ｒが全てエチル基であるものをテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）と呼ぶ。ゾル−ゲル反応は、加水分解及び脱水縮合の２つの過程に分けられる。
【０００８】
加水分解は、酸又はアルカリを触媒として行われ、アルコキシドは
Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ（ｎ＝１，２又は３）
の形となる。加水分解が進むとｎが大きくなり、最も進むとＳｉ（ＯＨ）４となる。加水分解したアルコキシドは、次にお互いが脱水縮合を起こす。これによって、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−というガラス網目構造が発達してガラスマトリックスになる。この方法によれば、室温付近でも反応方法を工夫すれば固体のガラスが得られる。
【０００９】
一方、４官能でないアルコキシドとして、オルガノアルコキシシランと称される一群の化合物も知られている。これはシランカップリグ剤の一種であり、ケイ素を含む骨格構造をもち、そのケイ素の４つの結合手のうち少なくとも１つが炭素原子と結合している化合物であり、次の一般式
Ｘｎ−Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ｎ＝１，２又は３）
で表される。この一般式で表される化合物の中でも、ｎ＝１のもの（３官能）が多く知られている。官能基Ｘとしては、ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エポキシ基（ＣＣＯの３員環を有する基）を含む基、アミノアルキル基（ＮＨ２ＣｍＨ２ｍ−；ｍは１〜６の整数）、メタクリル基（ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）ＣＯ−Ｏ−ＣｐＨ２ｐ−；ｐは１〜５の整数）、メルカプト基（ＨＳＣｑＨ２ｑ−；ｑは１〜１０の整数）、フェニル基（Ｃ６Ｈ５−）等が例示される。このなかでも特に、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＳ）、メルカプトプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＳ）等が好適に用いられる。ＡＰＳ中のアミノ基、ＭＰＳ中のメルカプト基等が金に配位することが知られており、これをプライマーとしてガラス層を成長させることが従来、行われてきた。
【００１０】
ガラス層を成長させる方法としては、ストーバー法が知られている。これは、水とアルコールの存在下、アルカリ性でアルコキシドを加水分解し、核となる小さな塊（例えば金ナノ粒子）の上に、シリカガラス分子（モノマー、Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ（ｎ＝１，２又は３））を降り積もらせることで、ガラス粒子を得る方法である。
【００１１】
金ナノ粒子は、例えばクエン酸を配位子として塩化金酸の還元によって作られる（非特許文献９）。これらをシリカガラスでコートする研究は、これまでも行われてきた。しかしながら、金属酸化物、半導体ナノ粒子等と違って、金は直接、シリカガラスでコートするのが難しいとされている。これは、ガラスと金属結晶の性質が大きく違って化学的な親和性に乏しいことが原因である。このため、通常は、金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる手法はとられていない。
【００１２】
アミノ基等の官能基が金に親和性があることは知られている。そのため、このことを利用して、アミノ基等を含むオルガノアルコキシシランを金ナノ粒子の表面に付けた後で、４官能のシリコンアルコキシドを用いてガラスの層をつくる方法が良く知られている。このようなオルガノアルコキシシランは、プライマーと呼ばれる。他に、高分子のポリビニルピロリドンもプライマーとして使えることが知られている（非特許文献１０）。
【００１３】
ゾル−ゲル法で作製したガラスは多孔性を有するので、低分子分散液に浸漬するとガラスマトリックス中に低分子を浸透させることができる。このとき、表面にプライマーがあると、ナノ粒子表面に目的の分子を配置させることができない。金ナノ粒子同士が接合した部分は、特に電場勾配が急峻であるために、ラマン効果が強く出るという利点がある。しかし、表面にプライマーがあると、この電場が特に急峻な部分に目的の分子を配置できなくなる。また、プライマーには官能基があるので、目的の計測の妨げになることもある。
【００１４】
そこで、プライマーなしで金ナノ粒子をガラスコートする研究も進んでいる。イングらは、金又は銀ナノ粒子を、逆ミセル法を用いて均一にガラスコートした（非特許文献１１）。また、先に説明したストーバー法によっても、プライマーなしで金又は銀ナノ粒子をガラスコートできることが報告されている（非特許文献１２、１３及び１４）。しかし、いずれの場合も金ナノ粒子は、平均直径が５０ナノメートル程度の大きさである。この程度の大きさの場合は、個々の結晶面の性質に大きな違いがなくなるので、均一なコートを行いやすい。
【００１５】
一方、金ナノ粒子の平均直径が４０ナノメートル以下になると、表面の結晶面の性質に違いが現れ、ガラスコートされやすい面とされにくい面が現れる。平均直径が３０ナノメートル以下になると、この性質が顕著になる。このため、この作製法を平均直径４０ナノメートル以下の金ナノ粒子に適応するのは難しく、平均直径が３０ナノメートル以下になるとさらに困難になる。
【００１６】
一方、直径１５ナノメートルの金ナノ粒子１個をガラスで直接コートする研究も行われた（非特許文献１５）。しかし、作製されたガラスコート金ナノ粒子は、直径１００ナノメートル程度であり、最小で７３ナノメートル（シェル厚にして２９ナノメートルと厚いガラス層で覆われている）と報告されている。また、金ナノ粒子を含まないガラスビーズも多数散見される。この程度の大きさの金ナノ粒子では、結晶面の性質がそれぞれに違っており、始めにガラスコートされる結晶面から横にかぶさるようにしてガラスコートされる面が広がっていくためである。なお、当該文献ではアルコキシドの添加速度についての記述はない。しかし、実際には、添加速度が速すぎることが原因で、ガラス層が一気に成長して厚くなり、また金ナノ粒子の表面に付かずにガラスだけで核形成、成長するものもあって、金ナノ粒子を含まないガラスビーズが成長すると解釈される。
【００１７】
このように、平均直径４０ナノメートル以下の金ナノ粒子の場合、薄いガラス層で覆う方法は開発されていなかった。また、特定の大きさの金ナノ粒子の１次元集合体（直線状または曲線状の集合体）を作製し、さらに薄いガラス層で固定する方法も知られていなかった。
【００１８】
一方で近年、金属ナノ粒子と蛍光体間の相互作用による発光増強の研究が進んでいる。蛍光体が励起されたとき、近くに金属ナノ粒子があるとそのエネルギーが金属に移動して蛍光が消光される。一方、金属ナノ粒子が励起されたときには、近接場効果によって蛍光体も励起され、蛍光は増強される。金属ナノ粒子と蛍光体の距離がdのときの消光率PQ(d)と増強率PE(d)から、合計の蛍光強度Iは、金属ナノ粒子がない場合の蛍光強度をI0とすると、
I／I0= PQ(d)×PE(d)
と書ける。PQ(d)はdとともに急速に減衰し、PE(d)はdとともに増加するので、I／I0は特定のdで最大値を示す。このような蛍光強度の増大現象は蛍光波長域と金属の局在表面プラズモン波長域が重なっているほど著しくなるため、金属ナノ粒子の表面プラズモン増強効果と呼ばれることがある。
【００１９】
例えば、金ナノ粒子を敷き詰めた平面に高分子を介して一定距離dだけ離して量子ドット（直径数ナノメートルの半導体結晶）を配置し、量子ドットからの蛍光強度を測定すると、距離dが１０ナノメートル程度のときに蛍光強度が最大値を示すことが報告されている（非特許文献１６）。このため、平面状でない場合にも、金ナノ粒子の近傍に量子ドットを適切に配置すれば蛍光増強効果が得られることが予想されるが、本願明細書が対象とする４官能のアルコキシドからなるガラスを使った材料での研究結果は知られていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Xia, Y. N.; Yang, P. D.; Sun, Y. G.; Wu, Y. Y.; Mayers, B.; Gates, B.; Yin, Y. D.; Kim, F.; Yan, H. Q. Adv. Mater. 2003, 15, 353.
【非特許文献２】Daniel, M. C.; Astruc, D. Chem. Rev. 2004, 104, 293.
【非特許文献３】J. Turkevitch, Gold Bulletin, 1985, 18, 86.
【非特許文献４】Edit by Gunter Schmid, Chapter 3.2 in Nanoparticles from theory to applications, Wiley-VCH (2004).
【非特許文献５】Xu, J.; Li, S.; Weng, J.; Wang, X.; Zhou, Z.; Yang, K.; Liu, M.; Chen, X.; Cui, Q.; Cao, M.; Zhang, Q. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 277.
【非特許文献６】Xing, S.; Tan, L. H.; Yang, M.; Pan, M.; Lv, Y.; Tang, Q.; Yang, Y. Chen, H. J. Mater. Chem. 2009, 19,3286.
【非特許文献７】Yang, M.; Chen, G.; Zhao, Y.; Silber, G.; Wang, Y.; Xing, S.; Han, Y.; Chen, H. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 11850.
【非特許文献８】Zhang, Z.; Wu, Y. Langmuir, 2010, 26, 9214.
【非特許文献９】Ojea-Jimenez, I.; Romero, F. M.; Bastus, N. G.; Puntes, V. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 1800.
【非特許文献１０】Graf, C.; Vossen, D. L. J.; Imhof, A.; van Blaaderen, A. Langmuir 2003, 19, 6693.
【非特許文献１１】Han, Y.; Jiang, J.; Lee, S. S.; Ying, J. Y., Langmuir 2008,24, 5842.
【非特許文献１２】Graf, C.; van Blaaderen, A. Langmuir 2002, 18, 524.
【非特許文献１３】Lu, Y.; Yin, Y.; Li, Z.-Y.; Xia, Y. Nano Lett. 2002, 2, 785.
【非特許文献１４】Liu, S.; Han, M. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 961.
【非特許文献１５】Mine, E.; Yamada, A.; Kobayashi, Y. Konno, M.; Liz-Marzan, L. M. J. Colloid Interface Sci. 2003, 264, 385.
【非特許文献１６】Chan, Y.-H.; Jixin, C.;, Wark, S. E.; Skiles, S. L.; Son, D. H.; Batteas, J. D.; ACS Nano, 2009, 3, 1735.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、小さい粒径の金ナノ粒子を、プライマーを用いることなく、概略決まった数だけ線状に繋げてシリカガラスで固定したガラスコート金ナノ粒子とその作製法を提供することを目的とする。また、本発明は、１個の小さい粒径の金ナノ粒子を、プライマーを用いることなく、シリカガラスで固定したガラスコート金ナノ粒子とその作製法を提供することも目的とする。さらに、このような構造のガラスコート金ナノ粒子の近傍に蛍光体を配置して、蛍光増強効果を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、本発明者らは、ストーバー法を用いたゾル−ゲル法でガラスコートする際において、アルコキシドを添加するスピードを変えることで形成されるガラスコート金ナノ粒子の形態を制御できることを見出し、上記課題を解決した。
【００２３】
さらに、金ナノ粒子の周りにほぼ一定の厚みでガラスコートが出来ることを利用して、その表面に蛍光体を配置することができる。これにより、金ナノ粒子と蛍光体とで蛍光増強効果が得られることも見出した。
【００２４】
即ち、本発明は、以下の項１〜１９に係るガラスコート金ナノ粒子及びガラスコート金ナノ粒子の製造方法を包含する。
項１．金ナノ粒子及びシリカガラスを有するガラスコート金ナノ粒子であって、前記金ナノ粒子はシリカガラスで覆われており、前記金ナノ粒子の平均直径が２〜４０ナノメートルであり、前記シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートル以下である、ガラスコート金ナノ粒子。
項２．前記金ナノ粒子の平均分散数が２個未満である項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項３．項１又は２に記載のガラスコート金ナノ粒子及び金ナノ粒子を含まないガラス粒子の２種類を含むガラス粒子集合体であって、前記金ナノ粒子を含まないガラス粒子の割合が５％以下である、ガラス粒子集合体。
項４．前記金ナノ粒子の平均分散数が２個以上３個未満であり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項５．前記金ナノ粒子の平均分散数が３個以上であり、該３個以上の金ナノ粒子が線状に配置されており、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項６．前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドが結合している、項１〜５のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項７．前記シリカガラス上に、さらに、１個又は複数個の蛍光体が配置されている、項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項８．前記１個又は複数個の蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されている、項７に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項９．前記蛍光体が量子ドットである、項７又は８に記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１０．前記蛍光体と金ナノ粒子の間に位置するシリカガラスシェルの平均厚みが３〜２０ナノメートルである項７〜９のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１１．前記蛍光体を複数個有し、且つ、該蛍光体が同心円状に配置されている、項７〜１０のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
項１２．項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１３．前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる、項１２に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１４．項２又は３に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．０１５／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１５．項４に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００７／（Ｃ×Ｖ）〜０．０１５／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１６．項５に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．００７／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１７．項７〜１１のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
疎水性の蛍光体の表面を、部分的に加水分解したアルコキシドで置換する工程、及び
部分的に加水分解したアルコキシドで置換された蛍光体を、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させる工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１８．前記ガラスコート金ナノ粒子分散液は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加することにより得られる、項１７に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
項１９．部分的に加水分解したアルコキシドが、アミノ基又はチオール基を含む、項１７又は１８に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、粒径が小さくてシリカガラスへの親和性に違いがある複数の結晶面を持つ金ナノ粒子が薄いシリカガラスでコートされ、さらに線状（直線状又は曲線状）に繋がった形態をガラスマトリックスで固定化することができる。これらガラスコート金ナノ粒子は、ガラスの持つ形状安定性及び多孔性を生かし、高いラマン効果等の光学効果、触媒活性等の機能が期待される。
【００２６】
なお、金ナノ粒子が直接シリカガラスで覆われていることは、分析電子顕微鏡による該当部分の解析によってケイ素と酸素が含まれることから確認することができる。また、試料を真空乾燥して粉体にした後に、粉末Ｘ線回折（ＣｕのＫα線、１．５４０６オングストロームを照射）によって角度（２θ）が２３度の付近に半値全幅５度もしくはそれ以上の広い回折ピークが現れることからも確認できる。
【００２７】
さらに、金ナノ粒子を所望の厚みのシリカガラスで覆うことが出来るので、このシリカガラス表面に蛍光体を配置することで、金ナノ粒子の表面プラズモンによる蛍光増強効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１で作製したガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図２】金ナノ粒子分散液と実施例１で作製した試料３の概観写真である。
【図３】金ナノ粒子分散液と実施例１で作製した試料３の光吸収スペクトルである。
【図４】実施例３で作製した３種類（（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））のガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図５】量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子（図４の（ｂ）を使用）の透過電子顕微鏡写真である。
【図６】３種類（図４の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））から作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子の蛍光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明について、詳細に説明する。
【００３０】
Ｉ．ガラスコート金ナノ粒子
本発明のガラスコート金ナノ粒子は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子が、平均シェル厚２５ナノメートル以下のシリカガラスで直接覆われている。
【００３１】
金ナノ粒子の平均直径は、２〜４０ナノメートル、好ましくは１０〜２０ナノメートルである。金ナノ粒子の平均直径が４０ナノメートルをこえる場合には、バイオ用途で生体中の特定物質をラマン散乱スペクトルで同定したい場合には、全体のサイズが大きすぎて不都合である。また、一般に、全体のサイズが小さいほど、比表面積が増えて光学測定における感度が上昇する。一方で、平均直径が２ナノメートル未満の金ナノ粒子を作製するのは困難である。
【００３２】
本発明のガラスコート金ナノ粒子において、金ナノ粒子が覆われているシリカガラスの平均シェル厚は２５ナノメートル以下、好ましくは１〜１５ナノメートルである。シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートルをこえる場合には、金ナノ粒子が４０ナノメートル以上である場合と同様に、やはりバイオ用途では不具合が生じる。また、触媒やラマン散乱計測のために目的の物質をガラスに浸み込ませて金ナノ粒子近傍に配置する場合にも、ガラス層が厚すぎることが問題となる。
【００３３】
本発明のガラスコート金ナノ粒子において、金ナノ粒子は、プライマーを介することなく、直接シリカガラスで覆われており、特に、金ナノ粒子の表面に、直接４官能のシリコンアルコキシドが結合していることが好ましい。このように、プライマーを介さないことにより、金ナノ粒子同士が接合した部分は、特に電場勾配が急峻であるために、ラマン効果が強く出る。そのため、高いラマン効果等の光学効果が期待できる。このような効果は、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である場合に特に顕著である。
【００３４】
ＩＩ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の種類と構造
本発明では、金ナノ粒子が、所望の厚みのシリカガラスで覆われているので、このシリカガラス表面に蛍光体を配置することができる。これにより、金ナノ粒子の表面プラズモンによる蛍光増強効果が得られる。
【００３５】
ここで、蛍光体を俯瞰すると、大きく分けて有機色素、遷移元素（遷移金属及び希土類元素）のイオン及び量子ドットの３種類である。本発明では、このうちのどの蛍光体も用いることができる。但し、蛍光波長域と金属の局在表面プラズモン波長域が重なっているほど蛍光増強効果は著しくなる。この効果を得るためには、上記のガラスコート金ナノ粒子のシリカガラス表面に蛍光体を配置すればよい。蛍光増強効果を得るために適切なシリカガラスの厚みは、蛍光体の種類によって変わるが概略３〜２０ナノメートルが好ましく、５〜１５ナノメートルがさらに好ましく、７〜１２ナノメートルが最も好ましい。
【００３６】
上記のように、蛍光体が配置されている場合、当該蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されていてもよい。当該シリカガラスの平均シェル厚は１０ナノメートル以下、特に２〜６ナノメートルとするのが好ましい。シリカガラスの平均シェル厚が１０ナノメートルをこえる場合には、金ナノ粒子が４０ナノメートル以上である場合と同様に、やはりバイオ用途では不具合が生じる。また、触媒やラマン散乱計測のために目的の物質をガラスに浸み込ませて金ナノ粒子近傍に配置する場合にも、ガラス層が厚すぎることが問題となる。
【００３７】
ＩＩＩ．ガラスコート金ナノ粒子の作製
本発明のガラスコート金ナノ粒子は、金ナノ粒子の作製及びガラスコート金ナノ粒子の作製を経て作製されるので、以下その工程を説明する。
【００３８】
（１）金ナノ粒子の作製
本発明が対象とする金ナノ粒子は、平均直径２〜４０ナノメートルであり、コロイド法によって作製される（たとえば非特許文献９）。また、ロッド状の金の作製法（K. Esumi, K. Matsuhisa, K. Torigoe, Langmuir, 11, 3285(1995). ）も知られている。本明細書で金ナノ粒子の直径といった場合、球形でない場合には、３つの慣性主軸方向の大きさの平均値を表すものとする。
【００３９】
（２）ガラスコート金ナノ粒子の作製
この工程では、４官能のシリコンアルコキシドを用い、ストーバー法によって金ナノ粒子にガラスコートする。
【００４０】
本発明で使用されるシリコンアルコキシドは、一般式（１）：
Ｓｉ（ＯＲ）４
（式中、Ｒは低級アルキル基、特に炭素数１〜５のアルキル基である）
で表されるものが好ましい。具体的には、Ｒが全てメチル基であるテトラメチルオルソシリケート、Ｒが全てエチル基であるテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）等を好ましく使用することができる。
【００４１】
この工程においては、酸又はアルカリを触媒として加水分解が行われる。この際、シリコンアルコキシドは、一般式（２）：
Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ（ＯＨ）ｎ
（式中、Ｒは式（１）と同じ；ｎ＝１，２又は３である）
の形となる。加水分解が進むとｎが大きくなり、最も進むとＳｉ（ＯＨ）４となる。加水分解したシリコンアルコキシドは、次にお互いが脱水縮合を起こす。これによって、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−というガラス網目構造が発達してガラスマトリックスになる。この方法によれば、室温付近でも反応方法を工夫すれば固体のガラスが得られる。
【００４２】
酸とアルカリの２種類の触媒のうち、アルカリ性の場合はアンモニアを用いることができる。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等のＣ１−４のアルコールが挙げられる。使用する金属アルコキシドのアルコキシドに対応する炭素数のアルコールを用いることが好ましい。例えば、金属アルコキシドとしてＴＥＯＳを用いる場合、アルコールとしてエタノールを用いると良い。
【００４３】
なお、４官能でないアルコキシドとして、一般式（３）：
Ｘｎ−Ｓｉ（ＯＲ）４−ｎ
（式中、Ｘはビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エポキシ基（ＣＣＯの３員環を有する基）を含む基、アミノアルキル基（ＮＨ２ＣｍＨ２ｍ−；ｍは１〜６の整数）、メタクリル基（ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）ＣＯ−Ｏ−ＣｐＨ２ｐ−；ｐは１〜５の整数）、メルカプト基（ＨＳＣｑＨ２ｑ−；ｑは１〜１０の整数）又はフェニル基（Ｃ６Ｈ５−）；ｎ＝１，２又は３である）で表されるオルガノアルコキシシランも知られている。しかし、本発明において、金ナノ粒子を覆うためのシリカガラスを形成する用途としては、オルガノアルコキシシランは使用しない。オルガノアルコキシシランを使用して金ナノ粒子の表面にプライマーを形成すると、優れたラマン効果等が得られないからである。
【００４４】
この工程では、例えば以下の手順で合成を進めることができる。
【００４５】
金ナノ粒子を０．１マイクロモル／リットルの濃度で分散した分散液１ミリリットルに、アルコール１〜３０ミリリットル（さらに好ましくは２〜２０ミリリットル、最も好ましくは５〜１２ミリリットル）、アンモニア水（２５重量％）５〜８００マイクロリットル（さらに好ましくは１０〜５００マイクロリットル、最も好ましくは５０〜２００マイクロリットル）を加える。アルコールとしては、エタノール、メタノール、イソプロパノールが例示される。金ナノ粒子の濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）又は容量Ｖ（ミリリットル）が変わった場合は、それに比例してアルコールとアンモニア水の容量を変えればよい。また、アンモニア水の濃度を変える場合には、アンモニア水の量は、溶解しているアンモニアの量が同程度となるように調整すればよい。この溶液を激しく攪拌しつつ、あらかじめ決めた速度Ｐ（マイクロモル／リットル）で４官能のシリコンアルコキシドを添加する。
【００４６】
本発明では、ゾル−ゲル法でガラスコートする際において、シリコンアルコキシドを添加するスピードＰを変えることで形成されるガラスコート金ナノ粒子の形態を制御できる。
【００４７】
スピードＰは、以下に説明するように、金ナノ粒子の形態によって３つの場合（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、但しＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３）に分類されるので、適切なスピードを選択すればよい。いずれの場合も、金ナノ粒子はまずストーバー法によってシリカガラス分子で直接に覆われ、その上に、同じシリカガラスが堆積し、シリカガラス層となる。
【００４８】
本発明では、金ナノ粒子分散液にアルコールとアンモニア水とを添加し、激しく攪拌しつつ、４官能のシリコンアルコキシドを添加し、ゾルゲル反応を起こさせる。添加スピードが速い（スピードＰ１）と、金ナノ粒子はすぐにシリカガラスで覆われ、平均して２個未満、特に０．９個以上２個未満、さらには１個以上２個未満の金ナノ粒子を含んだガラスビーズが形成される。しかし、添加スピードが後述するＰ１の上限よりもさらに速いと、金ナノ粒子を含まないガラス粒子も同時に多数形成され、また、金ナノ粒子の周りのシリカガラス層が厚くなり、シェル厚を２５ナノメートル以下とするのは困難となる。
【００４９】
添加スピードが中くらい（スピードＰ２）の場合は、まず金ナノ粒子の結晶面のうちガラスへの親和性が高い面がコートされ、同時に金ナノ粒子同士が接合して線上に繋がり始める。添加スピードが後述のＰ３よりは速いので、平均して２個以上３個未満の金ナノ粒子が繋がった形態となる。なお、２個の金ナノ粒子が繋がった形態のものをダイマー、３個の金ナノ粒子が繋がった形態のものをトライマーと呼ぶ。これらの形態ができたのち、その上にさらにシリカガラス分子が堆積することで、その形状が固定される。これにより、ガラスコート金ナノ粒子中に存在する金ナノ粒子は、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔が２ナノメートル以下となる。
【００５０】
添加スピードが遅い（スピードＰ３）場合は、金ナノ粒子の線状（直線状又は曲線状の１次元の繋がり）結合が伸び、３個以上の金ナノ粒子が繋がった構造が形成される。その後、この上にシリカガラス分子が堆積し、線状に繋がった金ナノ粒子の形状が固定される。これにより、ガラスコート金ナノ粒子中に存在する金ナノ粒子は、３個以上が線状に繋がり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔が２ナノメートル以下となる。なお、金ナノ粒子は、直線状に繋がっていてもよいし、曲線状に繋がっていてもよい。
【００５１】
ここで、アルコキシドの添加スピードＰ（マイクロリットル／分）は、金ナノ粒子の濃度Ｃ（モル／リットル）と全体の溶液量Ｖ（ミリリットル、金ナノ粒子分散液にアルコールとアンモニア水溶液を加えた量）で規格化して以下のように一般化することができる。Ｐ、Ｃ、Ｖは、それぞれ括弧の中に示した単位で表したときの数値である。
【００５２】
本発明で目的とするガラスコート金ナノ粒子を製造するためには、シリコンアルコキシドの添加スピードＰを０．００１＜Ｐ／ＣＶ＜０．０３とするのが良い。添加スピードＰが速すぎると金ナノ粒子を含まないガラス粒子が同時に多数形成され、また、金ナノ粒子の周りのシリカガラス層が厚くなり、シェル厚を２５ナノメートル以下とするのが困難となる。また、添加スピードＰが遅すぎると、凝集・沈殿が生じ易くなると言う問題点がある。得ようとするガラスコート金ナノ粒子の形態に応じて、後述する３つ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）のいずれかを採用すればよい。
【００５３】
Ｐ１は０．０１５＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０３とするのが良く、０．０１６＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０２８とするのがさらに好ましく、０．０１８＜Ｐ１／ＣＶ＜０．０２５とするのが最も良い。
【００５４】
Ｐ２は０．００７＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１５とするのが良く、０．００８＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１３とするのがさらに好ましく、０．００９＜Ｐ２／ＣＶ＜０．０１２とするのが最も良い。
【００５５】
Ｐ３は０．００１＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００７とするのが良く、０．００２＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００６５とするのがさらに好ましく、０．００３＜Ｐ３／ＣＶ＜０．００６とするのが最も良い。
【００５６】
このように、シリコンアルコキシドの添加スピードを制御することで、粒径の小さい金ナノ粒子を、薄いシリカガラス層で覆うことができ、しかも、ガラスコート金ナノ粒子中の金ナノ粒子の数を制御することができる。
【００５７】
ＩＶ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の作製
蛍光体は、吸着や化学結合によってガラスコート金ナノ粒子の表面に接着させて、目的のナノ構造物とすることができる。
【００５８】
上述の方法で作製されたガラスコート金ナノ粒子は、作製直後はＯＨ基を表面に有するため、親水性である。このＯＨ基は、中性領域ではマイナスに帯電している。このため、プラスに帯電した蛍光体を添加すれば容易に接着する。一例として、疎水性の量子ドットの表面を、加水分解したアルコキシドに疎水性溶媒中で置換し、さらに水に分散したガラスコート金ナノ粒子と接触させる手法がある。このとき、部分的に加水分解したアルコキシドは水相に移動するため、容易にガラスコート金ナノ粒子に吸着する。この際、アルコキシドとして、上述のオルガノアルコキシシラン（好ましくはアミノ基又はチオール基を有するもの、例えば、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＳ））を使用すれば、当該オルガノアルコキシシラン中の官能基（アミノ基等）は中性領域でプラスに帯電するため、さらに容易に、蛍光体をガラスコート金ナノ粒子に吸着させることができる。このとき、加水分解したアルコキシドとガラスコート金ナノ粒子表面のＯＨ基が脱水縮合して、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのガラス網目構造の形成も伴うことがある。
【００５９】
さらに、上述の４官能のシリコンアルコキシド又はオルガノアルコキシシランを用いて従来のストーバー法により、さらに別途シリカガラス層を、蛍光体を覆うように形成させることもできる。使用目的に応じて、例えば抗体に接着したい場合には、チオール基、アミノ基、またはカルボキシル基を有するオルガノアルコキシシランを用いれば良い。
【００６０】
また、上記と同様に、量子ドットの替わりにアミノ基を有する色素をガラスコート金ナノ粒子に吸着させることも可能である。
【００６１】
Ｖ．ガラスコート金ナノ粒子の用途
このようにして作製されたガラスコート金ナノ粒子は、ラマン散乱用の媒体、触媒の担体等に用いられる。このような金ナノ粒子とその集合体の各種の応用の可能性については、総説（R. Jin, Angew. Chem. Int. Ed., 49, 2829 (2010)）に詳しく解説されている。
【００６２】
ＶＩ．ガラスコート金ナノ粒子の評価
金ナノ粒子の粒径は、金ナノ粒子の合成条件でほぼ決定されるが、透過電子顕微鏡によって確かめられる。金ナノ粒子分散液中の金ナノ粒子の濃度も合成条件でほぼ決定されるが、溶液を蒸発させて重量測定して、粒径と比較することで確かめられる。また、金ナノ粒子のモル吸光係数を用いて、表面プラズモンピーク（直径１０ナノメートル程度では、５００ナノメートル付近に現れる）の吸光係数から求めることができる。
【００６３】
ガラスコート金ナノ粒子の形態、中に含まれる金ナノ粒子の分散数と分散状態も、透過電子顕微鏡観察により確かめられる。金の電子線散乱能が高いので、加速電圧１００キロボルトでも観察が可能である。より詳細な分散状態の観察のためには、加速電圧３００キロボルトの電顕を用いるのが良い。
【００６４】
金ナノ粒子は、１次元に繋がると水溶液の吸収スペクトルが長波長側にシフトする。このシフトの程度から、金の分散状態を知ることができる。また、水溶液の色が深い赤色から紫色に変化するので、概略については目視でも確認ができる。
【００６５】
当該ガラスコート金ナノ粒子は、金表面にプライマーがないので、硫黄や窒素を含有しない。このため、試料全体の化学分析や、金表面の分析電顕による解析でプライマーがないことの指針を得ることができる。
【００６６】
ＶＩＩ．蛍光体−ガラスコート金ナノ粒子の評価と用途
作製したナノ構造体（蛍光体を有するガラスコート金ナノ粒子）は、分散させる蛍光体の濃度を一定にして蛍光強度を比較することで、プラズモン共鳴による増強効果の有無を判定することが出来る。蛍光体として量子ドットを用いる場合は、蛍光体の数や分布を透過型電子顕微鏡で直接に観察できる。
【００６７】
ナノ構造体の全体のサイズは５０ナノメートル程度にできるから、その表面にカルボキシル基、アミノ基、チオール基等をとりつけることで抗体に感作させ、目的の生体物質に結合させることが出来る。このようにすることで、従来よりも輝度が高く耐久性のある蛍光試薬として用いることが出来る。
【実施例】
【００６８】
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００６９】
実施例１
金ナノ粒子の合成
クエン酸ナトリウム（９０ミリグラム）を１００ミリリットルの純水に激しく攪拌しながら添加し、１００℃に加熱して溶液Ａとする。塩化金酸（濃度５０ミリモル／リットル）を１ミリグラム取り出し、０．２ミリリットル／分の速度で溶液Ａに注入する。この状態で３分放置したのち、室温に戻した。限外濾過フィルター（３０００−ＭＷＣＯ）を用いて、遠心分離（４８００ｇ）によって３回濃縮することで未反応物を取り除いた。これにより、平均粒径１１ナノメートルの金ナノ粒子分散液が作製された。
【００７０】
ガラスコート金ナノ粒子の合成と評価
上記で作製した金ナノ粒子分散液の濃度を０．１マイクロモル／リットルに調整した。８ミリリットルのエタノールおよび０．１ミリリットルのアンモニア水（重量濃度２５％）の混合液を激しく攪拌しながら、上記の金ナノ粒子分散液１ミリリットルを加えた。この状態で、シリコンアルコキシド（ＴＥＯＳ）を加えた。このときの添加速度と合計の添加量、作製されたガラス粒子中の金ナノ粒子の分散数、分散形態を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
分散形態は、透過電子顕微鏡（加速電圧１００キロボルト）によって観察した。このように、ＴＥＯＳの添加スピードによって、ガラス粒子中の金ナノ粒子の分散数を制御することができた。
【００７３】
実施例２
実施例１で作製したガラスコート金ナノ粒子のうち、試料２、３、４、６、７、８及び９を透過電子顕微鏡で詳細に観察した。撮影した電顕像を、図１に示す。それぞれ、ダイマー、トライマー、４つ以上の金ナノ粒子集合体、単一金ナノ粒子含有ガラス粒子の様子がわかる。この場合のシリカガラスの平均シェル厚は、順に１４ナノメートル、１４ナノメートル、２２ナノメートル、１１ナノメートル、３ナノメートル、９ナノメートル、１９ナノメートルであった。表面に直接ガラス分子がつくので、２個以上の金ナノ粒子を含む場合（試料２、３、４）、隣接する２個の金ナノ粒子間の間隔は２ナノメートル以下であることがわかる。また、１個の金粒子が含まれる場合（試料６、７、８、９）、シリカガラスだけが核形成、成長したもの（金ナノ粒子を含まないもの）は、存在しないことがわかる。これは、シリコンアルコキシドの添加速度や添加量が適切に制御されたためである。
【００７４】
試料３及び金ナノ粒子のみの分散液の写真を図２に示す。金ナノ粒子が繋がると、赤色から薄紫色になることがわかる。この試料の光吸収スペクトルを測定すると、図３のようになった。金ナノ粒子が繋がると、長波長の光吸収成分が増えることがわかる。
【００７５】
実施例３
実施例１と同様の方法で、添加するＴＥＯＳの量をそれぞれ３、５、９マイクロリットルとすることで、３種類のガラスコート金ナノ粒子を作製した（（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つのビーズ）。ＴＥＯＳの添加速度は、いずれも０．２マイクロリットル／秒とした。これらは、実施例１における試料７〜９と同じ条件である。このときの透過電子顕微鏡による観察像を図４に示す。図４において、左上に付されている符号（（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））は、それぞれ試料（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を示す。ガラス層の厚みは、ビーズ（ａ）〜（ｃ）でそれぞれ５、１２．５、２０ナノメートルである。
【００７６】
次にエタノール、水及びＡＰＳを混合した。それぞれのモル比は３０：１．５：１とした。これを室温で２０時間攪拌後、６０℃程度に加熱してエタノールを蒸発させることでＡＰＳゾルを得た。このＡＰＳゾル０．３ミリリットルをトルエン分散したＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット（０．５ミリリットル）に添加し、７分間攪拌した。この段階で、量子ドット表面は、加水分解したＡＰＳに置換される。さらに、先に作製したガラスコート金ナノ粒子水溶液０．３ミリリットル（ビーズ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類、金ナノ粒子の濃度１ナノモル／リットル）を添加し、１０分間攪拌した。これにより、量子ドットは水に転換し、ガラスコート金ナノ粒子表面に付着した。この水溶液を１４５００回転／分、２分の条件で３回遠心することで精製した。
【００７７】
作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子の透過電子顕微鏡像をビーズ（ｂ）の場合について図５に示す。量子ドットがガラスビーズの周りに付加していることがわかる。
【００７８】
さらに、３つのビーズの量子ドット付加後の蛍光スペクトルを図６に示す。ビーズ（ｂ）から作製した量子ドット−ガラスコート金ナノ粒子が最も蛍光強度が高いことがわかる。また、ビーズ（ｃ）から作製したものは、量子ドットのみの場合と発光強度が同じであった。このことから、量子ドットと金ナノ粒子の距離が１２．５ナノメートルの時には、特に優れた蛍光強度増強効果が見られることがわかった。
【００７９】
実施例４
実施例１の試料３及び４のように、４つ以上の金ナノ粒子を含有するガラス粒子においても、実施例３と同様の方法で量子ドットをガラス粒子表面に付加できた。さらに、実施例３と同様に、通常のストーバー法により、エタノールと水を含むＴＥＯＳのアルカリ性領域での加水分解により量子ドット表面にシリカガラス層を付加できた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金ナノ粒子及びシリカガラスを有するガラスコート金ナノ粒子であって、前記金ナノ粒子はシリカガラスで覆われており、前記金ナノ粒子の平均直径が２〜４０ナノメートルであり、前記シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートル以下である、ガラスコート金ナノ粒子。
【請求項２】
前記金ナノ粒子の平均分散数が２個未満である請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガラスコート金ナノ粒子及び金ナノ粒子を含まないガラス粒子の２種類を含むガラス粒子集合体であって、前記金ナノ粒子を含まないガラス粒子の割合が５％以下である、ガラス粒子集合体。
【請求項４】
前記金ナノ粒子の平均分散数が２個以上３個未満であり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項５】
前記金ナノ粒子の平均分散数が３個以上であり、該３個以上の金ナノ粒子が線状に配置されており、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項６】
前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドが結合している、請求項１〜５のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項７】
前記シリカガラス上に、さらに、１個又は複数個の蛍光体が配置されている、請求項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項８】
前記１個又は複数個の蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されている、請求項７に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項９】
前記蛍光体が量子ドットである、請求項７又は８に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１０】
前記蛍光体と金ナノ粒子の間に位置するシリカガラスシェルの平均厚みが３〜２０ナノメートルである請求項７〜９のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１１】
前記蛍光体を複数個有し、且つ、該複数個の蛍光体が同心円状に配置されている、請求項７〜１０のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１３】
前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる、請求項１２に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１４】
請求項２又は３に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．０１５／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１５】
請求項４に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００７／（Ｃ×Ｖ）〜０．０１５／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１６】
請求項５に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．００７／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１７】
請求項７〜１１のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
疎水性の蛍光体の表面を、部分的に加水分解したアルコキシドで置換する工程、及び
前記部分的に加水分解したアルコキシドで置換された蛍光体を、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させる工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１８】
前記ガラスコート金ナノ粒子分散液は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加することにより得られる、請求項１７に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１９】
部分的に加水分解したアルコキシドが、アミノ基又はチオール基を含む、請求項１７又は１８に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１】
金ナノ粒子及びシリカガラスを有するガラスコート金ナノ粒子であって、前記金ナノ粒子はシリカガラスで覆われており、前記金ナノ粒子の平均直径が２〜４０ナノメートルであり、前記シリカガラスの平均シェル厚が２５ナノメートル以下である、ガラスコート金ナノ粒子。
【請求項２】
前記金ナノ粒子の平均分散数が２個未満である請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガラスコート金ナノ粒子及び金ナノ粒子を含まないガラス粒子の２種類を含むガラス粒子集合体であって、前記金ナノ粒子を含まないガラス粒子の割合が５％以下である、ガラス粒子集合体。
【請求項４】
前記金ナノ粒子の平均分散数が２個以上３個未満であり、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項５】
前記金ナノ粒子の平均分散数が３個以上であり、該３個以上の金ナノ粒子が線状に配置されており、且つ、隣接する２個の金ナノ粒子間の平均間隔が２ナノメートル以下である、請求項１に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項６】
前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドが結合している、請求項１〜５のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項７】
前記シリカガラス上に、さらに、１個又は複数個の蛍光体が配置されている、請求項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項８】
前記１個又は複数個の蛍光体を覆うように、さらに、別途シリカガラスが形成されている、請求項７に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項９】
前記蛍光体が量子ドットである、請求項７又は８に記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１０】
前記蛍光体と金ナノ粒子の間に位置するシリカガラスシェルの平均厚みが３〜２０ナノメートルである請求項７〜９のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１１】
前記蛍光体を複数個有し、且つ、該複数個の蛍光体が同心円状に配置されている、請求項７〜１０のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１３】
前記金ナノ粒子の表面に直接４官能のシリコンアルコキシドを結合させる、請求項１２に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１４】
請求項２又は３に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．０１５／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１５】
請求項４に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００７／（Ｃ×Ｖ）〜０．０１５／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１６】
請求項５に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．００７／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加する工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１７】
請求項７〜１１のいずれかに記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法であって、
疎水性の蛍光体の表面を、部分的に加水分解したアルコキシドで置換する工程、及び
前記部分的に加水分解したアルコキシドで置換された蛍光体を、ガラスコート金ナノ粒子分散水溶液に接触させる工程
を備える、ガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１８】
前記ガラスコート金ナノ粒子分散液は、平均直径２〜４０ナノメートルの金ナノ粒子を、濃度Ｃ（マイクロモル／リットル）で含有する容量Ｖ（ミリリットル）の分散液に、４官能のシリコンアルコキシドを０．００１／（Ｃ×Ｖ）〜０．０３／（Ｃ×Ｖ）マイクロリットル／分の速度で添加することにより得られる、請求項１７に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【請求項１９】
部分的に加水分解したアルコキシドが、アミノ基又はチオール基を含む、請求項１７又は１８に記載のガラスコート金ナノ粒子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４０６９７（Ｐ２０１２−１４０６９７Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１３７０（Ｐ２０１１−１４１３７０）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人科学技術振興機構「Ｉｎ ｖｉｖｏナノイメージング技術の開発と生体運動機構の解明」中の「多粒子量子ドットの合成」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人科学技術振興機構「Ｉｎ ｖｉｖｏナノイメージング技術の開発と生体運動機構の解明」中の「多粒子量子ドットの合成」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]