中空微粒子の製造方法
【課題】中空微粒子を簡単に製造する新規な中空微粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】液体８０中において電極２０，３０間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解及び相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程と、気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて外殻部分を形成する工程とを含む中空微粒子の製造方法である。
【解決手段】液体８０中において電極２０，３０間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解及び相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程と、気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて外殻部分を形成する工程とを含む中空微粒子の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は中空微粒子の製造方法に関し、特に外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以前より医薬分野等において、マイクロカプセルと呼ばれる直径が通常５〜５００μｍの薬剤を保持する粒子が開発され使われてきた。さらに近年ではナノカプセルと呼ばれる、マイクロカプセルよりも小さな微粒子も開発されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１，２）
【特許文献１】特開平５−５８８８２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２５６９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１１３３４０号公報
【特許文献４】特開２００５−２４５８１７号公報
【特許文献５】特開２００３−１４３８８５号公報
【特許文献６】特開２００５−７４３６９号公報
【特許文献７】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献８】再公表２００４／０９４３０６号公報
【特許文献９】特開２００８−２４００３９号公報
【非特許文献１】International Journal of Pharmaceutics, 187,143-152,1999
【非特許文献２】Journal of the Ceramics Society of Japan, 115(11),745-747,2007
【非特許文献３】「水の特性と新しい利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の特許文献や非特許文献に記載された技術では、粒径をコントロールして径の揃った多量のマイクロカプセルやナノカプセルを作製することは困難であった。特に、径が小さくて均一なナノカプセルを多量に簡単に作製することは困難であり、中空で内部が気体である微粒子を作製することも困難であった。
【０００４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中空微粒子を簡単に製造する新規な中空微粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本願発明は、外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法であって、液体中において電極間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解および相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程Ａと、気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて該外殻部分を形成する工程Ｂとを含む構成とした。ここでパルス状電圧とは、定常状態から電圧が所定の電圧に遷移して短時間持続し、その後元の定常状態の戻る波形を有する電圧のことをいう。またここでの相転移とは、液相から気相に転移することをいう。
【０００６】
前記液体を水としてもよい。
【０００７】
前記工程Ａでは前記交流電圧の半周期に１回以上あるいは前記パルス状電圧の１パルスに１回以上パルス電流を発生させて、該パルス電流のパルス高さは１Ａ以下としてもよい。なお、パルス電流が流れる電極が複数ある場合は、１つの電極に発生する１回のパルス電流が１Ａ以下であることが好ましい。
【０００８】
前記工程Ｂにおける前記気泡は前記工程Ａにおいて電気分解によって発生して未分裂のまま残存した気泡であってもよい。
【０００９】
前記外殻部分を構成する材料は、径が１００ｎｍ以下であって前記液体中に分散している粒子であってもよい。
【００１０】
前記外殻部分を構成する材料は前記液体中に溶解している物質であってもよい。その場合、前記外殻部分を構成する材料は帯電及び分極の少なくとも一方の状態である物質であってもよい。
【００１１】
前記工程Ａにおいて水酸化イオンを発生させ、該水酸化イオンを前記気泡の気液界面に集合させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
液体中で交流電圧またはパルス状電圧を印加して気泡を発生させて、気泡の気液界面に外殻部分を構成する材料を集合させるので、径が小さな中空微粒子を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願発明者らは、中空微粒子の新規な製造方法として液体中のナノバブルを利用することを考えた。そこで、まず液体中の気泡について検討した。
【００１４】
液体中に分散させた微細な気泡は、目視可能な直径が数百μｍ以上である気泡に比べて、体積に対して比表面積が大きく液中の滞在時間が長いなどの特徴を有している。このような特徴を生かして、浄化・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤、摩擦抵抗の低減など様々な分野において微細気泡は利用されている。例えば、気泡の直径が５０μｍ以下の微細気泡はマイクロバブルと呼ばれ、気泡内の気体が周囲の液相に溶け込むことによって直径が減少するため、表面張力の効果により内部が高圧・高温になり、気泡の消滅時にＯＨラジカル等酸化力の高いフリーラジカルと圧力波を生じることが知られている（例えば非特許文３参照）。さらに気泡直径が１μｍよりも小さく数十〜数百ｎｍのサイズの微細気泡は、ナノバブルと呼ばれている。
【００１５】
このような微細気泡を作製する方法として、例えば特許文献２には、被処理水の導入管の加圧ポンプの吸い込み側にエゼクタを設けオゾンガスを吸引して混合する手段と、オゾン混合水を加圧ポンプで圧入してオリフィスアトマイザから溶解槽に噴射してオゾンガスを微細気泡とする手段と、噴射されたオゾン混合水が滞留する内槽を具備した溶解槽とからなる加圧式オゾン処理装置を用いる方法が開示されている。
【００１６】
また、特許文献３には、気体供給口を液体中に設けた微細管の該気体供給口から液中に供給される気体が完全な気泡を生成する前に、該気体と該液体の気液界面に超音波を付与することで、気液界面から連続的に複数の微小気泡を生成させる方法が開示されている。
【００１７】
さらに特許文献４には、微小気泡発生装置により生成させたマイクロバブルに物理的刺激を加えることにより、このマイクロバブルを急激に縮小させてナノバブルを生成させる方法が開示されている。
【００１８】
特許文献５には常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解する微細気泡の生成方法およびメカニズムや物理化学的性質・機能等が開示されている。
【００１９】
しかしながら、上述の特許文献２〜５に開示された方法により作製された微細気泡は気泡径にばらつきが生じ、径の大きさに分布が生じてしまうという問題があった（例えば特許文献５参照）。また、微細気泡を生成させる装置が大型であったり生成に手間がかかったりするという問題もあった。
【００２０】
特許文献６に開示された方法では、微細気泡の径を均一にするために水の粘度の１０倍以上の粘度を有する液体を用いているが、このような液体はある種のシリコンオイル等特殊な液体であり、微細気泡を分散させたい液体として特に需要の高い水にはこの方法は使えない。
【００２１】
以上のような微細気泡の製造方法の課題に対して本願発明者らは特許文献９に開示された方法を考えついた。この方法により径が均一な微細気泡を水を含む液体中に簡単に作製することができるようになった。この微細気泡から中空微粒子を作製する方法に関してさらに検討した結果、本願発明に想到した。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００２３】
（実施形態１）
実施形態１に係る中空微粒子を製造する中空微粒子製造装置は、図１に示すように、液体８０の中に第１の電極２０と第２の電極３０とを挿入したものである。液体８０は容器１０の中に入れられている。
【００２４】
本実施形態の中空微粒子製造装置１はさらに電源４０を備えており、この電源４０は第１の電極２０、第２の電極３０に接続されているとともに第２の電極３０に接続された側が接地線５０により接地されている。
【００２５】
第１の電極２０および第２の電極３０は、図２に示すように線状の導電性部材２１の表面に絶縁体または誘電体からなる被覆２２が施されている構成を有している。導電性部材２１は金属やカーボン、有機導電性材料など導電性を有していればどのようなものであっても構わない。本実施形態ではＰｔ線としている。また、第１の電極２０の液体８０中に浸漬されている部分の先端は被覆２２により覆われておらず、導電性部材２１が露出している。このような構成により、電源４０から第１の電極２０および第２の電極３０の間に交流電圧あるいはパルス状電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生する。この気泡は、第１の電極２０の露出部分から発生する。そしてこの気泡の周囲（気液界面）に白金の微粒子が集合して白金からなる中空微粒子が形成される。即ち中空微粒子は、まず微小気泡を形成するステップとその気泡周囲に外殻材料が集まって来るステップとの二段階で形成される。
【００２６】
以下に中空微粒子製造装置１について詳しく説明し、気泡および中空微粒子に関しては、その後に詳述する。
【００２７】
被覆２２を構成する絶縁体は、ＰＦＡやＰＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素樹脂、シリコーン、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂などの電気絶縁性のポリマー、あるいはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のような電気絶縁性の無機物などを挙げることができる。また、被覆２２を構成する誘電体としては、チタン酸バリウムなどの誘電率が高い物質を挙げることができる。被覆２２を構成する絶縁体・誘電体は、電気絶縁性、耐熱性、耐衝撃性が大きい物質のほうが好ましい。本実施形態ではＰＴＦＥにより被覆２２を形成した。
【００２８】
電源４０は交流電圧あるいはパルス状電圧を印加するものであるが、第１の電極２０の形状や材質、長さなど、第１の電極２０と第２の電極３０との距離、液体８０の種類や温度等々で気泡が発生するかしないかということ及び気泡発生の速度が大きく影響されるため、交流電圧あるいはパルス状電圧の周波数・パルス幅・パルス周期や電圧の大きさは特に限定されない。パルス状電圧は図３に示すように、矩形波形状で時間的に連続して供給されると気泡が連続して発生するので、好ましい。
【００２９】
気泡は、交流電圧あるいはパルス状電圧の印加によって集中する電界が大きく変化する第１の電極２０の露出部分において、電気分解、熱分解及び相転移（蒸発）のいずれか、又はこれらの組み合わせによって生じる。電気分解、熱分解及び相転移（蒸発）のいずれにより気泡が生じるのかは、電圧条件や液体の種類、液体に加える溶質等の種類によって変わる。
【００３０】
なお、電源４０の周波数や電圧は特に限定されないと上で述べたが、発生する気泡径は周波数あるいはパルス幅に依存して変化する。従って、いわゆるマイクロバブルやナノバブルを発生させるには、周波数は１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。電圧は、気泡の発生量の観点から±１Ｖ〜±５００ｋＶであることが好ましく、装置の扱いやすさの点で±１Ｖ〜±２０ｋＶが好ましい。また、電源４０により交流電圧またはパルス状電圧が第１の電極２０に印加された際の第１の電極２０近辺の電界強度は、１０４Ｖ／ｍ以上１０１０Ｖ／ｍ以下が好ましい。
【００３１】
第１の電極２０の先端においては、集中する電界が短時間に大きな変化を起こして単位時間当たりの電界の変化率が大きいため、この先端近傍で熱が発生する。この熱によって液体８０が蒸発したり熱分解を起こして気泡が発生する場合がある。
【００３２】
液体８０は電気分解される物質を含んでいてもよい。電気分解される物質を含んでいると、本実施形態の中空微粒子製造装置１では、２つの電極２０，３０間に交流電圧またはパルス状電圧を印加することによって電気分解が行われ、電気分解により生じた気体が微細な気泡として液体８０中に分散していく。本実施形態では交流電圧あるいはパルス状電圧を印加して電気分解が行われているので、気体は交流の半周期またはパルス幅の時間に発生しこれが気泡となる（交流の次の半周期では別種の気体が発生することがある）。そして気泡が帯電しているので、第１の電極２０周りの電界によって第１の電極２０から離脱していく。あるいは電界により駆動された水の流れにより第１の電極２０から離脱していく。このようなメカニズムにより微細な気泡を発生させることができると共に、その気泡径も周波数あるいはパルス幅によってコントロールすることができる。
【００３３】
液体８０に含まれる電気分解される物質は、極性基を有している物質であり、例えば水、アルコール、アミン、酸（無機酸、有機酸）などを例示できる。なお、液体８０中に電気分解される物質が含まれていなくても第１の電極２０の周囲に誘電体バリア放電などによってプラズマが発生するようにすると、液体８０を構成する物質がそのプラズマによって物理的化学的変化を起こし、気泡が発生する。また、液体８０中に電気分解される物質が含まれていてもプラズマによる気泡の発生は生じる。従って、本実施形態の中空微粒子製造装置を用いれば、液体８０を構成する分子の極性の有無や液体８０の粘度などによらず液体８０中で気泡を発生させることができる。プラズマによって気泡が発生するときも、交流電圧の周波数あるいはパルス状電圧のパルス幅によって気泡の径が決まる。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。気泡の径は、１ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。径は１ｎｍ未満であってもよいが小さすぎるため取り扱いがしにくい。また径が１μｍよりも大きくてもよいが大きくなりすぎると気泡が潰れて小さな気泡が発生し、径が不均一になってしまう。
【００３４】
また、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径のばらつきは小さく、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径のばらつきが大きくなる。ここ発生するで気泡の径が均一であるかどうかの目安であるが、平均の気泡径をＴとしたときに、体積分率にして８０％以上の気泡の径が０．１Ｔ〜１０Ｔの範囲内にあればほぼ均一であるとみなすことができる。９０％以上が上記範囲内にあれば均一性が高く、好ましい。
【００３５】
液体８０を入れる容器１０は電気絶縁性の物質により構成されていることが好ましい。
【００３６】
次に本実施形態の中空微粒子製造装置１を用いた気泡を発生させる方法を説明する。
【００３７】
まず絶縁性の容器１０を用意する。その容器１０の中に第２の電極３０を設置する。それから容器１０の中に液体８０を入れる。
【００３８】
次に液体８０の中に第１の電極２０を入れる。この時第２の電極３０に第１の電極２０が接触しないように第１の電極２０の位置を調整する。
【００３９】
それから第１の電極２０と第２の電極３０とに電源４０を接続し、交流電圧またはパルス状電圧を印加する。電源４０は予め接地しておく。交流電圧またはパルス状電圧が印加されることによって第１の電極２０の先端から液体８０中に気泡が発生する。気泡は電界の力を受けて第１の電極２０から高速で離れていくと推定され、液体８０中に流れを生成させる。交流電圧の周波数またはパルス状電圧のパルス幅は所望する気泡径に応じて調節する。また、電圧条件を調節することにより第１の電極２０から同時にプラズマを発生させることもできる。プラズマが発生するとパルス状の電流が流れ、また発光するため、プラズマの発生は容易に確認できる。なお、以上説明した現象は目視によるものであるので、微視的には第１の電極２０の被覆２２によって覆われている部分や第２の電極３０から微細な気泡が発生している可能性もある。また、電圧条件によっては目視により気泡の発生が確認できなくても後述のように液体を顕微鏡観察するとナノバブルが生成していることが観察される場合もあり、気泡径が非常に小さいと気泡の目視ができない。従って、気泡が目視されなくてもナノバブルが発生している場合がある。
【００４０】
電圧印加を止めると気泡の発生も止まる。なお、電流が流れることによって液体８０に熱が加わるので、液体８０を冷却することが好ましい。
【００４１】
上記気泡発生方法において、容器１０の中に第２の電極３０，液体８０，第１の電極２０を入れる順番は上記記載の順番に限定されない。また、第１の電極２０、第２の電極３０を液体８０中に入れる前に電源４０と接続しておいても構わない。
【００４２】
次に中空微粒子の形成ステップについて説明する。
【００４３】
電圧印加を数分程度行って気泡を発生させ、その後電圧印加を止めて容器１０をそのまま静置する。静置してしばらく経つと気泡は目視できなくなる。しかしながら液体８０を顕微鏡観察すると微小気泡（ナノバブル）が観察される。この微小気泡は数日以上安定に存在している。一方、電圧印加によって第１の電極２０の先端から電極素材（白金）が微粒子となって液体８０中に散らばっていき、この白金微粒子が微小気泡の表面（気液界面）に集まっていく。白金微粒子が微小気泡の気液界面に集まっていくメカニズムは明確には判明していないが、微小気泡の表面は帯電しているために安定して存在し続けることができると考えられるため、その電気的な作用によって白金微粒子が引き寄せられたり、気液界面に白金微粒子がたまたま来た場合に表面張力が下がって系として安定になるためと推定される。一つの微小気泡の表面全体が白金微粒子によって全て覆われて、隣接する白金微粒子同士が相互作用を及ぼして互いにくっつき合い、中空微粒子が形成されるのには数時間から数日という時間がかかる。ここでは白金が中空微粒子の外殻部分の構成材料であり、外殻部の内側は中空な中心部分である。
【００４４】
白金以外の微粒子を予め液体８０中に入れておくことにより、中空微粒子の外殻部分としてもよい。外殻部分となる物質はナノバブルよりも小さいことが好ましい。具体的には１００ｎｍよりも小さいことが好ましい。
【００４５】
本実施形態の中空微粒子製造装置１および中空微粒子の製造方法は、容器１０に入った液体８０中に２つの電極２０，３０を入れて交流電圧またはパルス状電圧を印加するという簡単な装置および方法であるので、中空微粒子製造装置１を低コストで作製できるとともに中空微粒子を製造したい場所や広さなどによって装置構成を比較的自由に設計できる。また、種々の液体において気泡径を電源の周波数あるいはパルス幅によってコントロールでき、しかも径のばらつきは小さくできるので、種々の用途に応用できる。特に径が小さいナノカプセルを簡単な方法で均一径で形成することは従来は困難であったが、本実施形態の中空微粒子製造装置および中空微粒子製造方法を用いれば容易に均一径のナノカプセルを低コストで形成させることができる。これにより、医薬などの医療分野や触媒等の化学反応への応用を広く行うことができる。
【００４６】
さらに電源電圧、電流の調整を行うことで、プラズマで生成した化学種を中空微粒子の中に閉じ込めることが可能と考えられる。即ち、第１の電極２０にプラズマを発生させて、気泡も同時に発生させれば、プラズマにより発生した化学的活性種を気泡中に閉じ込められると考えられ、それがそのまま中空微粒子の中に入ると考えられるからである。特許文献７、８には液体中の気泡にプラズマを発生させる装置が開示されているが、これらは超音波などを利用した従来の気泡発生装置を用いて気泡を発生させ、そこへマイクロ波を照射してプラズマを発生させるものであり、気泡径を任意の大きさにして均一に揃えることは現状では実現されていない。なお、気泡中にプラズマが発生すると、ラジカルなどが気泡の中に閉じ込められ、より高いエネルギー状態を保つ。さらに中空微粒子が圧壊する際に大きなエネルギーが発生し、さらに高エネルギーのプラズマが発生すれば、この高エネルギープラズマを種々の用途に利用できる。
【００４７】
−実施例−
＜実施例１＞
図１に示す装置と同様の装置を用い、水に微細な気泡を発生させ中空微粒子を形成した。
【００４８】
具体的には、まず、ガラス製の円筒形の容器に約１００ｍｌほど超純水を入れた。超純粋は、生成させた後に５０ｎｍのフィルターで濾過をし大気開放下で放置したものを用いた。第１および第２の電極として磁性管被覆した白金線を用い、それらを容器の中に入れた。磁性管と白金線との間のすき間はシリコーンを充填して塞いだ。白金線は直径０．３ｍｍのものを用いた。磁性管にはアルミナを用いた。第１の電極は直線状で、先端のみ磁性管およびシリコーンの被覆を除去しており、第２の電極は円形にして、容器の底に設置した。なお、第２の電極の容器内に入っている部分は全て絶縁被覆されており、第１の電極の先端は、白金線が数十μｍから数百μｍ突出している。第１の電極と第２の電極とは接触しないように設置した。容器にはシリコーン製の蓋をした。
【００４９】
第２の電極と第１の電極を電源に接続した。第２の電極の接続側は接地しておいた。この電源からパルス状電圧（１０ｋＨｚ、最大−５．５ｋＶ、最小−２．５ｋＶの矩形波）を印加した。電源はファンクションジェネレータ（ＮＦ Corporation製、ＷＦ１９４３Ｂ）と高電圧アンプ（Ｔｒｅｃｋ製）とを組み合わせたものであり、矩形波の信号をファンクションジェネレータで発生させて昇電速度が１０００Ｖ／μｓの高電圧アンプにより電圧を増幅させた。電圧の計測は、高電圧アンプの電圧モニタ端子からの信号をデジタルオシロスコープ（Ｌｅｃｒｏｙ製、ＷＲ６２Ｘｉ）に入力させて行った。
【００５０】
このときの電流を電流プローブ（Ｌｅｃｒｏｙ製、ＡＰ０１５）により計測したところ、電圧が−５．５ｋＶから−２．５ｋＶに変わる際、および−２．５ｋＶから−５．５ｋＶに変わる際に数十ｍＡ流れている以外に、１パルスの間に１から数十回程度不規則に１０ｎｓ〜１００ｎｓ程度の時間に１００ｍＡから３００ｍＡのパルス電流が流れていたことが観察された。
【００５１】
電圧を印加した直後から第１の電極先端から微細な発光が観察され、プラズマが生成していることが確認された。気泡の吹き出しは目視では明確には確認できなかった。電圧を２０分間連続して印加し続けたところ水温が２Ｋ上昇した。
【００５２】
第１の電極先端の発光をデジタルマイクロスコープ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＸ-９７００）に焦点距離８０ｍｍの長焦点レンズ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＨ-５００Ｒ）を装着して第１の電極に対して水平方向から、露出３秒、倍率１００倍で撮影した。その撮影した光の波長解析をした結果、６５６ｎｍの水素原子由来の光と、２８２ｎｍ〜３０９ｎｍのＯＨ分子由来の光の存在を確認し、水素原子とＯＨ分子とが熱分解により生成していることおよび後述の微小気泡中には水素が含まれていて微小気泡の表面にはＯＨ−が存していることが推察された。
【００５３】
電圧印加を終了した後、容器から電極を取り出して蓋をし、超純水を２５℃で保管した。この超純水から保管直後および保管後１日毎に３日までシリンジで１ｍｌを採取し、スライドガラス上に直径数ｍｍの水滴となるように滴下してデジタルマイクロスコープ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＸ-９７００）に焦点距離４．４ｍｍ、５０００倍までの拡大が可能な高深度高倍率レンズ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＨ-Ｚ５００Ｒ）を装着して拡大観察を行った。
【００５４】
保管直後から保管後３日まで、スライドグラス上の水滴の縁に沿って多数のナノバブルが観察された。このナノバブルはブラウン運動をしていることが観察され、粒径既知のポリマー微粒子（１００，２００，５００ｎｍ）を超純水に拡散させて拡大観察した画像と比較することにより、ナノバブルの径は１００〜２００ｎｍ程度であると推察された。さらにこのナノバブルを、動的光散乱式粒径分布装置（Ｓｙｍｐａｔｅｃ製、ＮＡＮＯＦＯＸ、及び大塚電子製、ＤＬＳ-６５００）を用いて測定したところ、図４に示す結果が得られた（計測範囲１ｎｍ〜１μｍ）。この測定結果より、数十ｎｍから数百ｎｍ（平均径１３０ｎｍ）のナノバブルが多数発生し、３日経過しても安定して残っていることが判明した。このナノバブルの大部分は径が５０〜５００ｎｍ程度であって、本実施例では径がほぼ均一の多数のナノバブルを得ることができた。一方、パルス状電圧を印加しなかった超純水を同様に観察したところ、ナノバブルは観察されなかった。
【００５５】
従来のナノバブルの形成方法は、一旦マイクロバブル（径が１μｍより大きい気泡）を形成させて、それが潰れることによりナノバブルを生成させる方法であるが、この方法ではナノバブルの径を制御することが困難であり、径の大きさも非常に大きくばらついてしまう。本実施例では、パルス状電圧を印加しているときにはバブルの発生が目視されておらず、従ってマイクロバブルの発生はない。即ち、本実施例でははじめからナノバブルが発生していると考えられる。
【００５６】
次に、電圧印加処理を行った超純水をスライドガラス上に滴下し、乾燥させ、その水滴の外縁部分をＴＥＭ、ＳＥ−ＦＥＭ、およびレーザー顕微鏡で観察した。保管３日後の超純水では、白金の外殻部を備えたナノバブル＝中空微粒子が観察された。また、電圧印加処理を行った超純水の３つのサンプルをＩＣＰ-ＭＳにより白金濃度を測定したところ、１０から１２ｐｐｂｗｔの白金が検出された。従来から水中プラズマによって発生する白金微粒子の大きさは数ｎｍ程度であることが知られており、白金の外殻部を備えた中空微粒子は、５０〜５００ｎｍの径のナノバブルの気液界面に数ｎｍ程度の白金微粒子が集合して出来上がったものと考えられる。白金微粒子がナノバブルの気液界面に集合してくると気液界面の面積が減少するため自由エネルギーが減少して表面張力が小さくなり、ナノバブルがより安定して存在できるようになる。このような理由から白金粒子はナノバブルの気液界面に集合してくるものと考えられる。なお、白金微粒子は第１の電極先端からナノバブルとともに生成されたものと考えられる。
【００５７】
白金が外殻部分をなす中空微粒子は、電圧印加処理直後の超純水にはほとんど検出できないので、白金による中空微粒子の形成は数十時間程度の時間が必要であると考えられる。
【００５８】
＜実施例２＞
実施例２は、パルス状電圧の電圧条件を、１０ｋＨｚ、最大−３．５ｋＶ、最小−０．５ｋＶの矩形波に変更した以外は、実施例１と同様にして超純水にパルス状電圧を印加した。
【００５９】
本実施例ではパルス電流の発生が見られず、気泡の発生や第１の電極先端の発光も観察されなかった。このパルス状電圧印加を行った超純水をデジタルマイクロスコープによって拡大観察したところ、径が１００ｎｍ以上のナノバブルが観察はされたが、実施例１に比較するとその量はかなり少なかった。白金濃度もＩＣＰ-ＭＳでの観察結果では０．１３ｐｐｂｗｔ以下であり、白金が外殻部分をなす中空微粒子は形成されるが、実施例１に比べればその量は１／１００ぐらいである。しかしながら、パルス状電圧を印加しなかった超純水には、ナノバブルが見当たらず、白金も０．０３ｐｐｂｗｔ以下しか含まれていないので、この超純水に比較すれば、本実施例でもナノバブルが発生して白金からなる中空微粒子が形成されているといえる。
【００６０】
さらに電圧条件を変えてパルス電流が１Ａを越えるようにしてみると、電圧の１パルスの間に数十回以上のパルス電流が流れるようになって、目視できる大きな気泡が発生した。この大きな気泡は潰れたり、表面から大気中に消えてゆき、１０分ほど静置すると目視できなくなってしまったが、ナノバブルは水中に存在しており、その径は実施例１よりも幅広く分布していた。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態２に係る中空微粒子製造装置は、図５に示すように、液体８０の中に第１の電極２０を入れて、その第１の電極２０に電源４０を接続している点は実施形態１と同じであるが、第２の電極３５が実施形態１とは異なっているので、実施形態１と異なっている点を以下に説明する。
【００６２】
本実施形態では容器１１と第２の電極３５とが一体化している。即ち、容器１１の側壁面および底面が第２の電極３５によって構成されており、液体８０と接触する容器１１内面においては第２の電極３５は絶縁被覆されている。なお、第２の電極３５の導電性部材および絶縁被覆については実施形態１と同じである。この第２の電極３５は電源４０に接続されており、これら両者を接続する線は接地されている。
【００６３】
本実施形態の中空微粒子製造装置２によっても実施形態１と同様に、容器１１中の液体８０に微細な気泡が発生しその後中空微粒子が形成される。本実施形態では、第２の電極３５と一体となった容器１１を準備しておきさえすれば実施形態１よりも第１の電極２０の位置調節が容易である。それ以外の効果は実施形態１と同じである。
【００６４】
（その他の実施形態）
上記の実施形態および実施例は本発明の例であり、本発明はこれらの例に限定されない。第１の電極の形状は線状以外の板状や球形等の立体形状であっても構わない。液体が水の場合は超純水に限定されず、イオン交換水や精製水、蒸留水、水道水などでもよく、また、液体は水だけではなく、電気分解される物質が含まれている液体やプラズマによって気体が発生する液体なども本発明に用いることができる。例えばエタノールなどのアルコールを液体として用いると水の場合と同様にナノバブルが発生し、中空微粒子が形成されると考えられる。
【００６５】
印加させる電圧はパルス状電圧に限定されず、交流電圧であってもよい。
【００６６】
第１の電極の液体に浸漬している部分には、複数箇所の導電体露出部が存していても構わない。それらの導電体露出部に電流集中が生じ、それらの部分から気泡が発生する。また、第１の電極を剣山のような形状とし、複数の針形状の先端を導電体露出部としてもよい。
【００６７】
第２の電極は液体を入れる容器の壁部全体ではなく一部としてもよい。例えば、容器の底面に絶縁被覆電極を敷いたり、容器の側壁に電極を埋め込み、液体とは絶縁被膜と隔てるような構成としたりしてもよい。
【００６８】
さらに液体に、中空微粒子の外殻部分となる物質を予め入れておいてもよい。例えば、抗ガン剤などの薬剤を水に溶解あるいは混合・分散させておけば、ナノバブルを発生させた後にナノバブルの気液界面にその薬剤が集合して薬剤成分が外殻部分となっている中空微粒子が形成される。このように径の大きさが揃っていて、径が小さい薬剤粒子は体中の様々な場所に運ばれていくことが可能であり、径の大きさや薬剤の構造・構成の設計を工夫することにより、所定の患部に効率よく薬剤を届けることができる。径の大きさは電圧条件を調節することによりコントロールできる。
【００６９】
液体中に溶解あるいは混合させておく中空微粒子の外殻部分となる物質は、電離して帯電していたり分子内で分極していることが好ましい。交流電圧またはパルス状電圧が印加されることにより発生するナノバブルの気液界面は通常帯電していると考えられ、そのため中空微粒子の外殻部分となる物質が帯電していたり分極していると気液界面に集まって行きやすくなる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る中空微粒子の製造方法は、中空微粒子を液体中に容易に製造できて、医薬分野や化学分野等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１の中空微粒子製造装置の模式図である。
【図２】電極の模式的な断面図である。
【図３】パルス状電圧を示す模式的な図である。
【図４】実施例１におけるナノバブルの径の分布図である。
【図５】実施形態２の中空微粒子製造装置の模式図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 中空微粒子製造装置
１０ 容器
２０ 第１の電極
３０ 第２の電極
４０ 電源
８０ 液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は中空微粒子の製造方法に関し、特に外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以前より医薬分野等において、マイクロカプセルと呼ばれる直径が通常５〜５００μｍの薬剤を保持する粒子が開発され使われてきた。さらに近年ではナノカプセルと呼ばれる、マイクロカプセルよりも小さな微粒子も開発されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１，２）
【特許文献１】特開平５−５８８８２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２５６９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１１３３４０号公報
【特許文献４】特開２００５−２４５８１７号公報
【特許文献５】特開２００３−１４３８８５号公報
【特許文献６】特開２００５−７４３６９号公報
【特許文献７】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献８】再公表２００４／０９４３０６号公報
【特許文献９】特開２００８−２４００３９号公報
【非特許文献１】International Journal of Pharmaceutics, 187,143-152,1999
【非特許文献２】Journal of the Ceramics Society of Japan, 115(11),745-747,2007
【非特許文献３】「水の特性と新しい利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の特許文献や非特許文献に記載された技術では、粒径をコントロールして径の揃った多量のマイクロカプセルやナノカプセルを作製することは困難であった。特に、径が小さくて均一なナノカプセルを多量に簡単に作製することは困難であり、中空で内部が気体である微粒子を作製することも困難であった。
【０００４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中空微粒子を簡単に製造する新規な中空微粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本願発明は、外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法であって、液体中において電極間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解および相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程Ａと、気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて該外殻部分を形成する工程Ｂとを含む構成とした。ここでパルス状電圧とは、定常状態から電圧が所定の電圧に遷移して短時間持続し、その後元の定常状態の戻る波形を有する電圧のことをいう。またここでの相転移とは、液相から気相に転移することをいう。
【０００６】
前記液体を水としてもよい。
【０００７】
前記工程Ａでは前記交流電圧の半周期に１回以上あるいは前記パルス状電圧の１パルスに１回以上パルス電流を発生させて、該パルス電流のパルス高さは１Ａ以下としてもよい。なお、パルス電流が流れる電極が複数ある場合は、１つの電極に発生する１回のパルス電流が１Ａ以下であることが好ましい。
【０００８】
前記工程Ｂにおける前記気泡は前記工程Ａにおいて電気分解によって発生して未分裂のまま残存した気泡であってもよい。
【０００９】
前記外殻部分を構成する材料は、径が１００ｎｍ以下であって前記液体中に分散している粒子であってもよい。
【００１０】
前記外殻部分を構成する材料は前記液体中に溶解している物質であってもよい。その場合、前記外殻部分を構成する材料は帯電及び分極の少なくとも一方の状態である物質であってもよい。
【００１１】
前記工程Ａにおいて水酸化イオンを発生させ、該水酸化イオンを前記気泡の気液界面に集合させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
液体中で交流電圧またはパルス状電圧を印加して気泡を発生させて、気泡の気液界面に外殻部分を構成する材料を集合させるので、径が小さな中空微粒子を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願発明者らは、中空微粒子の新規な製造方法として液体中のナノバブルを利用することを考えた。そこで、まず液体中の気泡について検討した。
【００１４】
液体中に分散させた微細な気泡は、目視可能な直径が数百μｍ以上である気泡に比べて、体積に対して比表面積が大きく液中の滞在時間が長いなどの特徴を有している。このような特徴を生かして、浄化・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤、摩擦抵抗の低減など様々な分野において微細気泡は利用されている。例えば、気泡の直径が５０μｍ以下の微細気泡はマイクロバブルと呼ばれ、気泡内の気体が周囲の液相に溶け込むことによって直径が減少するため、表面張力の効果により内部が高圧・高温になり、気泡の消滅時にＯＨラジカル等酸化力の高いフリーラジカルと圧力波を生じることが知られている（例えば非特許文３参照）。さらに気泡直径が１μｍよりも小さく数十〜数百ｎｍのサイズの微細気泡は、ナノバブルと呼ばれている。
【００１５】
このような微細気泡を作製する方法として、例えば特許文献２には、被処理水の導入管の加圧ポンプの吸い込み側にエゼクタを設けオゾンガスを吸引して混合する手段と、オゾン混合水を加圧ポンプで圧入してオリフィスアトマイザから溶解槽に噴射してオゾンガスを微細気泡とする手段と、噴射されたオゾン混合水が滞留する内槽を具備した溶解槽とからなる加圧式オゾン処理装置を用いる方法が開示されている。
【００１６】
また、特許文献３には、気体供給口を液体中に設けた微細管の該気体供給口から液中に供給される気体が完全な気泡を生成する前に、該気体と該液体の気液界面に超音波を付与することで、気液界面から連続的に複数の微小気泡を生成させる方法が開示されている。
【００１７】
さらに特許文献４には、微小気泡発生装置により生成させたマイクロバブルに物理的刺激を加えることにより、このマイクロバブルを急激に縮小させてナノバブルを生成させる方法が開示されている。
【００１８】
特許文献５には常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解する微細気泡の生成方法およびメカニズムや物理化学的性質・機能等が開示されている。
【００１９】
しかしながら、上述の特許文献２〜５に開示された方法により作製された微細気泡は気泡径にばらつきが生じ、径の大きさに分布が生じてしまうという問題があった（例えば特許文献５参照）。また、微細気泡を生成させる装置が大型であったり生成に手間がかかったりするという問題もあった。
【００２０】
特許文献６に開示された方法では、微細気泡の径を均一にするために水の粘度の１０倍以上の粘度を有する液体を用いているが、このような液体はある種のシリコンオイル等特殊な液体であり、微細気泡を分散させたい液体として特に需要の高い水にはこの方法は使えない。
【００２１】
以上のような微細気泡の製造方法の課題に対して本願発明者らは特許文献９に開示された方法を考えついた。この方法により径が均一な微細気泡を水を含む液体中に簡単に作製することができるようになった。この微細気泡から中空微粒子を作製する方法に関してさらに検討した結果、本願発明に想到した。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００２３】
（実施形態１）
実施形態１に係る中空微粒子を製造する中空微粒子製造装置は、図１に示すように、液体８０の中に第１の電極２０と第２の電極３０とを挿入したものである。液体８０は容器１０の中に入れられている。
【００２４】
本実施形態の中空微粒子製造装置１はさらに電源４０を備えており、この電源４０は第１の電極２０、第２の電極３０に接続されているとともに第２の電極３０に接続された側が接地線５０により接地されている。
【００２５】
第１の電極２０および第２の電極３０は、図２に示すように線状の導電性部材２１の表面に絶縁体または誘電体からなる被覆２２が施されている構成を有している。導電性部材２１は金属やカーボン、有機導電性材料など導電性を有していればどのようなものであっても構わない。本実施形態ではＰｔ線としている。また、第１の電極２０の液体８０中に浸漬されている部分の先端は被覆２２により覆われておらず、導電性部材２１が露出している。このような構成により、電源４０から第１の電極２０および第２の電極３０の間に交流電圧あるいはパルス状電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生する。この気泡は、第１の電極２０の露出部分から発生する。そしてこの気泡の周囲（気液界面）に白金の微粒子が集合して白金からなる中空微粒子が形成される。即ち中空微粒子は、まず微小気泡を形成するステップとその気泡周囲に外殻材料が集まって来るステップとの二段階で形成される。
【００２６】
以下に中空微粒子製造装置１について詳しく説明し、気泡および中空微粒子に関しては、その後に詳述する。
【００２７】
被覆２２を構成する絶縁体は、ＰＦＡやＰＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素樹脂、シリコーン、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂などの電気絶縁性のポリマー、あるいはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のような電気絶縁性の無機物などを挙げることができる。また、被覆２２を構成する誘電体としては、チタン酸バリウムなどの誘電率が高い物質を挙げることができる。被覆２２を構成する絶縁体・誘電体は、電気絶縁性、耐熱性、耐衝撃性が大きい物質のほうが好ましい。本実施形態ではＰＴＦＥにより被覆２２を形成した。
【００２８】
電源４０は交流電圧あるいはパルス状電圧を印加するものであるが、第１の電極２０の形状や材質、長さなど、第１の電極２０と第２の電極３０との距離、液体８０の種類や温度等々で気泡が発生するかしないかということ及び気泡発生の速度が大きく影響されるため、交流電圧あるいはパルス状電圧の周波数・パルス幅・パルス周期や電圧の大きさは特に限定されない。パルス状電圧は図３に示すように、矩形波形状で時間的に連続して供給されると気泡が連続して発生するので、好ましい。
【００２９】
気泡は、交流電圧あるいはパルス状電圧の印加によって集中する電界が大きく変化する第１の電極２０の露出部分において、電気分解、熱分解及び相転移（蒸発）のいずれか、又はこれらの組み合わせによって生じる。電気分解、熱分解及び相転移（蒸発）のいずれにより気泡が生じるのかは、電圧条件や液体の種類、液体に加える溶質等の種類によって変わる。
【００３０】
なお、電源４０の周波数や電圧は特に限定されないと上で述べたが、発生する気泡径は周波数あるいはパルス幅に依存して変化する。従って、いわゆるマイクロバブルやナノバブルを発生させるには、周波数は１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。電圧は、気泡の発生量の観点から±１Ｖ〜±５００ｋＶであることが好ましく、装置の扱いやすさの点で±１Ｖ〜±２０ｋＶが好ましい。また、電源４０により交流電圧またはパルス状電圧が第１の電極２０に印加された際の第１の電極２０近辺の電界強度は、１０４Ｖ／ｍ以上１０１０Ｖ／ｍ以下が好ましい。
【００３１】
第１の電極２０の先端においては、集中する電界が短時間に大きな変化を起こして単位時間当たりの電界の変化率が大きいため、この先端近傍で熱が発生する。この熱によって液体８０が蒸発したり熱分解を起こして気泡が発生する場合がある。
【００３２】
液体８０は電気分解される物質を含んでいてもよい。電気分解される物質を含んでいると、本実施形態の中空微粒子製造装置１では、２つの電極２０，３０間に交流電圧またはパルス状電圧を印加することによって電気分解が行われ、電気分解により生じた気体が微細な気泡として液体８０中に分散していく。本実施形態では交流電圧あるいはパルス状電圧を印加して電気分解が行われているので、気体は交流の半周期またはパルス幅の時間に発生しこれが気泡となる（交流の次の半周期では別種の気体が発生することがある）。そして気泡が帯電しているので、第１の電極２０周りの電界によって第１の電極２０から離脱していく。あるいは電界により駆動された水の流れにより第１の電極２０から離脱していく。このようなメカニズムにより微細な気泡を発生させることができると共に、その気泡径も周波数あるいはパルス幅によってコントロールすることができる。
【００３３】
液体８０に含まれる電気分解される物質は、極性基を有している物質であり、例えば水、アルコール、アミン、酸（無機酸、有機酸）などを例示できる。なお、液体８０中に電気分解される物質が含まれていなくても第１の電極２０の周囲に誘電体バリア放電などによってプラズマが発生するようにすると、液体８０を構成する物質がそのプラズマによって物理的化学的変化を起こし、気泡が発生する。また、液体８０中に電気分解される物質が含まれていてもプラズマによる気泡の発生は生じる。従って、本実施形態の中空微粒子製造装置を用いれば、液体８０を構成する分子の極性の有無や液体８０の粘度などによらず液体８０中で気泡を発生させることができる。プラズマによって気泡が発生するときも、交流電圧の周波数あるいはパルス状電圧のパルス幅によって気泡の径が決まる。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。気泡の径は、１ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。径は１ｎｍ未満であってもよいが小さすぎるため取り扱いがしにくい。また径が１μｍよりも大きくてもよいが大きくなりすぎると気泡が潰れて小さな気泡が発生し、径が不均一になってしまう。
【００３４】
また、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径のばらつきは小さく、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径のばらつきが大きくなる。ここ発生するで気泡の径が均一であるかどうかの目安であるが、平均の気泡径をＴとしたときに、体積分率にして８０％以上の気泡の径が０．１Ｔ〜１０Ｔの範囲内にあればほぼ均一であるとみなすことができる。９０％以上が上記範囲内にあれば均一性が高く、好ましい。
【００３５】
液体８０を入れる容器１０は電気絶縁性の物質により構成されていることが好ましい。
【００３６】
次に本実施形態の中空微粒子製造装置１を用いた気泡を発生させる方法を説明する。
【００３７】
まず絶縁性の容器１０を用意する。その容器１０の中に第２の電極３０を設置する。それから容器１０の中に液体８０を入れる。
【００３８】
次に液体８０の中に第１の電極２０を入れる。この時第２の電極３０に第１の電極２０が接触しないように第１の電極２０の位置を調整する。
【００３９】
それから第１の電極２０と第２の電極３０とに電源４０を接続し、交流電圧またはパルス状電圧を印加する。電源４０は予め接地しておく。交流電圧またはパルス状電圧が印加されることによって第１の電極２０の先端から液体８０中に気泡が発生する。気泡は電界の力を受けて第１の電極２０から高速で離れていくと推定され、液体８０中に流れを生成させる。交流電圧の周波数またはパルス状電圧のパルス幅は所望する気泡径に応じて調節する。また、電圧条件を調節することにより第１の電極２０から同時にプラズマを発生させることもできる。プラズマが発生するとパルス状の電流が流れ、また発光するため、プラズマの発生は容易に確認できる。なお、以上説明した現象は目視によるものであるので、微視的には第１の電極２０の被覆２２によって覆われている部分や第２の電極３０から微細な気泡が発生している可能性もある。また、電圧条件によっては目視により気泡の発生が確認できなくても後述のように液体を顕微鏡観察するとナノバブルが生成していることが観察される場合もあり、気泡径が非常に小さいと気泡の目視ができない。従って、気泡が目視されなくてもナノバブルが発生している場合がある。
【００４０】
電圧印加を止めると気泡の発生も止まる。なお、電流が流れることによって液体８０に熱が加わるので、液体８０を冷却することが好ましい。
【００４１】
上記気泡発生方法において、容器１０の中に第２の電極３０，液体８０，第１の電極２０を入れる順番は上記記載の順番に限定されない。また、第１の電極２０、第２の電極３０を液体８０中に入れる前に電源４０と接続しておいても構わない。
【００４２】
次に中空微粒子の形成ステップについて説明する。
【００４３】
電圧印加を数分程度行って気泡を発生させ、その後電圧印加を止めて容器１０をそのまま静置する。静置してしばらく経つと気泡は目視できなくなる。しかしながら液体８０を顕微鏡観察すると微小気泡（ナノバブル）が観察される。この微小気泡は数日以上安定に存在している。一方、電圧印加によって第１の電極２０の先端から電極素材（白金）が微粒子となって液体８０中に散らばっていき、この白金微粒子が微小気泡の表面（気液界面）に集まっていく。白金微粒子が微小気泡の気液界面に集まっていくメカニズムは明確には判明していないが、微小気泡の表面は帯電しているために安定して存在し続けることができると考えられるため、その電気的な作用によって白金微粒子が引き寄せられたり、気液界面に白金微粒子がたまたま来た場合に表面張力が下がって系として安定になるためと推定される。一つの微小気泡の表面全体が白金微粒子によって全て覆われて、隣接する白金微粒子同士が相互作用を及ぼして互いにくっつき合い、中空微粒子が形成されるのには数時間から数日という時間がかかる。ここでは白金が中空微粒子の外殻部分の構成材料であり、外殻部の内側は中空な中心部分である。
【００４４】
白金以外の微粒子を予め液体８０中に入れておくことにより、中空微粒子の外殻部分としてもよい。外殻部分となる物質はナノバブルよりも小さいことが好ましい。具体的には１００ｎｍよりも小さいことが好ましい。
【００４５】
本実施形態の中空微粒子製造装置１および中空微粒子の製造方法は、容器１０に入った液体８０中に２つの電極２０，３０を入れて交流電圧またはパルス状電圧を印加するという簡単な装置および方法であるので、中空微粒子製造装置１を低コストで作製できるとともに中空微粒子を製造したい場所や広さなどによって装置構成を比較的自由に設計できる。また、種々の液体において気泡径を電源の周波数あるいはパルス幅によってコントロールでき、しかも径のばらつきは小さくできるので、種々の用途に応用できる。特に径が小さいナノカプセルを簡単な方法で均一径で形成することは従来は困難であったが、本実施形態の中空微粒子製造装置および中空微粒子製造方法を用いれば容易に均一径のナノカプセルを低コストで形成させることができる。これにより、医薬などの医療分野や触媒等の化学反応への応用を広く行うことができる。
【００４６】
さらに電源電圧、電流の調整を行うことで、プラズマで生成した化学種を中空微粒子の中に閉じ込めることが可能と考えられる。即ち、第１の電極２０にプラズマを発生させて、気泡も同時に発生させれば、プラズマにより発生した化学的活性種を気泡中に閉じ込められると考えられ、それがそのまま中空微粒子の中に入ると考えられるからである。特許文献７、８には液体中の気泡にプラズマを発生させる装置が開示されているが、これらは超音波などを利用した従来の気泡発生装置を用いて気泡を発生させ、そこへマイクロ波を照射してプラズマを発生させるものであり、気泡径を任意の大きさにして均一に揃えることは現状では実現されていない。なお、気泡中にプラズマが発生すると、ラジカルなどが気泡の中に閉じ込められ、より高いエネルギー状態を保つ。さらに中空微粒子が圧壊する際に大きなエネルギーが発生し、さらに高エネルギーのプラズマが発生すれば、この高エネルギープラズマを種々の用途に利用できる。
【００４７】
−実施例−
＜実施例１＞
図１に示す装置と同様の装置を用い、水に微細な気泡を発生させ中空微粒子を形成した。
【００４８】
具体的には、まず、ガラス製の円筒形の容器に約１００ｍｌほど超純水を入れた。超純粋は、生成させた後に５０ｎｍのフィルターで濾過をし大気開放下で放置したものを用いた。第１および第２の電極として磁性管被覆した白金線を用い、それらを容器の中に入れた。磁性管と白金線との間のすき間はシリコーンを充填して塞いだ。白金線は直径０．３ｍｍのものを用いた。磁性管にはアルミナを用いた。第１の電極は直線状で、先端のみ磁性管およびシリコーンの被覆を除去しており、第２の電極は円形にして、容器の底に設置した。なお、第２の電極の容器内に入っている部分は全て絶縁被覆されており、第１の電極の先端は、白金線が数十μｍから数百μｍ突出している。第１の電極と第２の電極とは接触しないように設置した。容器にはシリコーン製の蓋をした。
【００４９】
第２の電極と第１の電極を電源に接続した。第２の電極の接続側は接地しておいた。この電源からパルス状電圧（１０ｋＨｚ、最大−５．５ｋＶ、最小−２．５ｋＶの矩形波）を印加した。電源はファンクションジェネレータ（ＮＦ Corporation製、ＷＦ１９４３Ｂ）と高電圧アンプ（Ｔｒｅｃｋ製）とを組み合わせたものであり、矩形波の信号をファンクションジェネレータで発生させて昇電速度が１０００Ｖ／μｓの高電圧アンプにより電圧を増幅させた。電圧の計測は、高電圧アンプの電圧モニタ端子からの信号をデジタルオシロスコープ（Ｌｅｃｒｏｙ製、ＷＲ６２Ｘｉ）に入力させて行った。
【００５０】
このときの電流を電流プローブ（Ｌｅｃｒｏｙ製、ＡＰ０１５）により計測したところ、電圧が−５．５ｋＶから−２．５ｋＶに変わる際、および−２．５ｋＶから−５．５ｋＶに変わる際に数十ｍＡ流れている以外に、１パルスの間に１から数十回程度不規則に１０ｎｓ〜１００ｎｓ程度の時間に１００ｍＡから３００ｍＡのパルス電流が流れていたことが観察された。
【００５１】
電圧を印加した直後から第１の電極先端から微細な発光が観察され、プラズマが生成していることが確認された。気泡の吹き出しは目視では明確には確認できなかった。電圧を２０分間連続して印加し続けたところ水温が２Ｋ上昇した。
【００５２】
第１の電極先端の発光をデジタルマイクロスコープ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＸ-９７００）に焦点距離８０ｍｍの長焦点レンズ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＨ-５００Ｒ）を装着して第１の電極に対して水平方向から、露出３秒、倍率１００倍で撮影した。その撮影した光の波長解析をした結果、６５６ｎｍの水素原子由来の光と、２８２ｎｍ〜３０９ｎｍのＯＨ分子由来の光の存在を確認し、水素原子とＯＨ分子とが熱分解により生成していることおよび後述の微小気泡中には水素が含まれていて微小気泡の表面にはＯＨ−が存していることが推察された。
【００５３】
電圧印加を終了した後、容器から電極を取り出して蓋をし、超純水を２５℃で保管した。この超純水から保管直後および保管後１日毎に３日までシリンジで１ｍｌを採取し、スライドガラス上に直径数ｍｍの水滴となるように滴下してデジタルマイクロスコープ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＸ-９７００）に焦点距離４．４ｍｍ、５０００倍までの拡大が可能な高深度高倍率レンズ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製、ＶＨ-Ｚ５００Ｒ）を装着して拡大観察を行った。
【００５４】
保管直後から保管後３日まで、スライドグラス上の水滴の縁に沿って多数のナノバブルが観察された。このナノバブルはブラウン運動をしていることが観察され、粒径既知のポリマー微粒子（１００，２００，５００ｎｍ）を超純水に拡散させて拡大観察した画像と比較することにより、ナノバブルの径は１００〜２００ｎｍ程度であると推察された。さらにこのナノバブルを、動的光散乱式粒径分布装置（Ｓｙｍｐａｔｅｃ製、ＮＡＮＯＦＯＸ、及び大塚電子製、ＤＬＳ-６５００）を用いて測定したところ、図４に示す結果が得られた（計測範囲１ｎｍ〜１μｍ）。この測定結果より、数十ｎｍから数百ｎｍ（平均径１３０ｎｍ）のナノバブルが多数発生し、３日経過しても安定して残っていることが判明した。このナノバブルの大部分は径が５０〜５００ｎｍ程度であって、本実施例では径がほぼ均一の多数のナノバブルを得ることができた。一方、パルス状電圧を印加しなかった超純水を同様に観察したところ、ナノバブルは観察されなかった。
【００５５】
従来のナノバブルの形成方法は、一旦マイクロバブル（径が１μｍより大きい気泡）を形成させて、それが潰れることによりナノバブルを生成させる方法であるが、この方法ではナノバブルの径を制御することが困難であり、径の大きさも非常に大きくばらついてしまう。本実施例では、パルス状電圧を印加しているときにはバブルの発生が目視されておらず、従ってマイクロバブルの発生はない。即ち、本実施例でははじめからナノバブルが発生していると考えられる。
【００５６】
次に、電圧印加処理を行った超純水をスライドガラス上に滴下し、乾燥させ、その水滴の外縁部分をＴＥＭ、ＳＥ−ＦＥＭ、およびレーザー顕微鏡で観察した。保管３日後の超純水では、白金の外殻部を備えたナノバブル＝中空微粒子が観察された。また、電圧印加処理を行った超純水の３つのサンプルをＩＣＰ-ＭＳにより白金濃度を測定したところ、１０から１２ｐｐｂｗｔの白金が検出された。従来から水中プラズマによって発生する白金微粒子の大きさは数ｎｍ程度であることが知られており、白金の外殻部を備えた中空微粒子は、５０〜５００ｎｍの径のナノバブルの気液界面に数ｎｍ程度の白金微粒子が集合して出来上がったものと考えられる。白金微粒子がナノバブルの気液界面に集合してくると気液界面の面積が減少するため自由エネルギーが減少して表面張力が小さくなり、ナノバブルがより安定して存在できるようになる。このような理由から白金粒子はナノバブルの気液界面に集合してくるものと考えられる。なお、白金微粒子は第１の電極先端からナノバブルとともに生成されたものと考えられる。
【００５７】
白金が外殻部分をなす中空微粒子は、電圧印加処理直後の超純水にはほとんど検出できないので、白金による中空微粒子の形成は数十時間程度の時間が必要であると考えられる。
【００５８】
＜実施例２＞
実施例２は、パルス状電圧の電圧条件を、１０ｋＨｚ、最大−３．５ｋＶ、最小−０．５ｋＶの矩形波に変更した以外は、実施例１と同様にして超純水にパルス状電圧を印加した。
【００５９】
本実施例ではパルス電流の発生が見られず、気泡の発生や第１の電極先端の発光も観察されなかった。このパルス状電圧印加を行った超純水をデジタルマイクロスコープによって拡大観察したところ、径が１００ｎｍ以上のナノバブルが観察はされたが、実施例１に比較するとその量はかなり少なかった。白金濃度もＩＣＰ-ＭＳでの観察結果では０．１３ｐｐｂｗｔ以下であり、白金が外殻部分をなす中空微粒子は形成されるが、実施例１に比べればその量は１／１００ぐらいである。しかしながら、パルス状電圧を印加しなかった超純水には、ナノバブルが見当たらず、白金も０．０３ｐｐｂｗｔ以下しか含まれていないので、この超純水に比較すれば、本実施例でもナノバブルが発生して白金からなる中空微粒子が形成されているといえる。
【００６０】
さらに電圧条件を変えてパルス電流が１Ａを越えるようにしてみると、電圧の１パルスの間に数十回以上のパルス電流が流れるようになって、目視できる大きな気泡が発生した。この大きな気泡は潰れたり、表面から大気中に消えてゆき、１０分ほど静置すると目視できなくなってしまったが、ナノバブルは水中に存在しており、その径は実施例１よりも幅広く分布していた。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態２に係る中空微粒子製造装置は、図５に示すように、液体８０の中に第１の電極２０を入れて、その第１の電極２０に電源４０を接続している点は実施形態１と同じであるが、第２の電極３５が実施形態１とは異なっているので、実施形態１と異なっている点を以下に説明する。
【００６２】
本実施形態では容器１１と第２の電極３５とが一体化している。即ち、容器１１の側壁面および底面が第２の電極３５によって構成されており、液体８０と接触する容器１１内面においては第２の電極３５は絶縁被覆されている。なお、第２の電極３５の導電性部材および絶縁被覆については実施形態１と同じである。この第２の電極３５は電源４０に接続されており、これら両者を接続する線は接地されている。
【００６３】
本実施形態の中空微粒子製造装置２によっても実施形態１と同様に、容器１１中の液体８０に微細な気泡が発生しその後中空微粒子が形成される。本実施形態では、第２の電極３５と一体となった容器１１を準備しておきさえすれば実施形態１よりも第１の電極２０の位置調節が容易である。それ以外の効果は実施形態１と同じである。
【００６４】
（その他の実施形態）
上記の実施形態および実施例は本発明の例であり、本発明はこれらの例に限定されない。第１の電極の形状は線状以外の板状や球形等の立体形状であっても構わない。液体が水の場合は超純水に限定されず、イオン交換水や精製水、蒸留水、水道水などでもよく、また、液体は水だけではなく、電気分解される物質が含まれている液体やプラズマによって気体が発生する液体なども本発明に用いることができる。例えばエタノールなどのアルコールを液体として用いると水の場合と同様にナノバブルが発生し、中空微粒子が形成されると考えられる。
【００６５】
印加させる電圧はパルス状電圧に限定されず、交流電圧であってもよい。
【００６６】
第１の電極の液体に浸漬している部分には、複数箇所の導電体露出部が存していても構わない。それらの導電体露出部に電流集中が生じ、それらの部分から気泡が発生する。また、第１の電極を剣山のような形状とし、複数の針形状の先端を導電体露出部としてもよい。
【００６７】
第２の電極は液体を入れる容器の壁部全体ではなく一部としてもよい。例えば、容器の底面に絶縁被覆電極を敷いたり、容器の側壁に電極を埋め込み、液体とは絶縁被膜と隔てるような構成としたりしてもよい。
【００６８】
さらに液体に、中空微粒子の外殻部分となる物質を予め入れておいてもよい。例えば、抗ガン剤などの薬剤を水に溶解あるいは混合・分散させておけば、ナノバブルを発生させた後にナノバブルの気液界面にその薬剤が集合して薬剤成分が外殻部分となっている中空微粒子が形成される。このように径の大きさが揃っていて、径が小さい薬剤粒子は体中の様々な場所に運ばれていくことが可能であり、径の大きさや薬剤の構造・構成の設計を工夫することにより、所定の患部に効率よく薬剤を届けることができる。径の大きさは電圧条件を調節することによりコントロールできる。
【００６９】
液体中に溶解あるいは混合させておく中空微粒子の外殻部分となる物質は、電離して帯電していたり分子内で分極していることが好ましい。交流電圧またはパルス状電圧が印加されることにより発生するナノバブルの気液界面は通常帯電していると考えられ、そのため中空微粒子の外殻部分となる物質が帯電していたり分極していると気液界面に集まって行きやすくなる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る中空微粒子の製造方法は、中空微粒子を液体中に容易に製造できて、医薬分野や化学分野等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１の中空微粒子製造装置の模式図である。
【図２】電極の模式的な断面図である。
【図３】パルス状電圧を示す模式的な図である。
【図４】実施例１におけるナノバブルの径の分布図である。
【図５】実施形態２の中空微粒子製造装置の模式図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 中空微粒子製造装置
１０ 容器
２０ 第１の電極
３０ 第２の電極
４０ 電源
８０ 液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法であって、
液体中において電極間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解及び相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程Ａと、
気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて該外殻部分を形成する工程Ｂと
を含む、中空微粒子の製造方法。
【請求項２】
前記液体は水である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項３】
前記工程Ａでは前記交流電圧の半周期に１回以上あるいは前記パルス状電圧の１パルスに１回以上パルス電流を発生させており、該パルス電流のパルス高さは１Ａ以下である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項４】
前記工程Ｂにおける前記気泡は前記工程Ａにおいて電気分解によって発生して未分裂のまま残存した気泡である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項５】
前記外殻部分を構成する材料は、径が１００ｎｍ以下であって前記液体中に分散している粒子である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項６】
前記外殻部分を構成する材料は前記液体中に溶解している物質である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項７】
前記外殻部分を構成する材料は帯電及び分極の少なくとも一方の状態である物質である、請求項６に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項８】
前記工程Ａにおいて水酸化イオンを発生させ、該水酸化イオンを前記気泡の気液界面に集合させる、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項１】
外殻部分と中空な中心部分とからなる中空微粒子を液体中において製造する中空微粒子の製造方法であって、
液体中において電極間に交流電圧またはパルス状電圧を印加し、電気分解、熱分解及び相転移の少なくとも一つによって径が１ｎｍ以上１μｍ以下の気泡を発生させる工程Ａと、
気泡の気液界面に前記外殻部分を構成する材料を集合させて該外殻部分を形成する工程Ｂと
を含む、中空微粒子の製造方法。
【請求項２】
前記液体は水である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項３】
前記工程Ａでは前記交流電圧の半周期に１回以上あるいは前記パルス状電圧の１パルスに１回以上パルス電流を発生させており、該パルス電流のパルス高さは１Ａ以下である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項４】
前記工程Ｂにおける前記気泡は前記工程Ａにおいて電気分解によって発生して未分裂のまま残存した気泡である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項５】
前記外殻部分を構成する材料は、径が１００ｎｍ以下であって前記液体中に分散している粒子である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項６】
前記外殻部分を構成する材料は前記液体中に溶解している物質である、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項７】
前記外殻部分を構成する材料は帯電及び分極の少なくとも一方の状態である物質である、請求項６に記載されている中空微粒子の製造方法。
【請求項８】
前記工程Ａにおいて水酸化イオンを発生させ、該水酸化イオンを前記気泡の気液界面に集合させる、請求項１に記載されている中空微粒子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１８４２０１（Ｐ２０１０−１８４２０１Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３０２２７（Ｐ２００９−３０２２７）
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
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