多機能ナノ構造体及びその製造方法
病原菌及び遺伝子種の超高感度の同定の使用における機能性ナノ粒子は、磁気コアと、前記磁気コアを囲う絶縁性の第１シェルと、前記第１シェルを囲う発光性の第２シェルと、を有する。前記第２シェルは、量子ドット及び染料からなる群から選択される材料がドーピングされる。前記第２シェルは、半導体材料からなる。前記半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ及びＩＩＩ−Ｖ半導体ナノ結晶からなる群から選択される。前記半導体材料は、Ｃｄカルコゲニド、ＩｎＰ及びＧａＡｓからなる群から選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ナノテクノロジーの分野に関し、特に新規なナノ構造体及びそのナノ構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
病原菌及び遺伝子種の高速で超高感度の同定は、臨床検査薬、遺伝子治療、公安、生物医学的研究及びバイオテクノロジー発展において極めて重要である。高効率の同定技術の実現を妨げる主たる問題は、多重病原体を同時に同定することが不可能なこと、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅なしで遺伝子を検出することが不可能なこと、培養を待つ必要性、及び、病原体をヒトゲノムから分離することの困難性である。
【０００３】
ナノ技術は、これらの問題に対する解決方法を提供する相当な妥協点を示す。様々な技術は、有力な分離及び収集を実現するために相応しい超常磁性材料を用いること、非常に高感度な検出を実現するために量子ドット及び染料などがドーピングされたナノ粒子などの、非常に反応性がある光安定性の信号伝達材料を用いること、及び、非常に効率的な多重用途においてそれらの表面に付けられるフルオロフォアを有する超常磁性ナノ粒子などの多機能ナノ材料を採用することを提案している。
【０００４】
従来技術の欠点は、生物環境に一旦晒された超常磁性ナノ粒子の安定性の欠如、生物学実験室での通常のスキャナーでの量子ドット及び量子ドットの起こり得る毒性における検出チャンネルの欠如、及び、超常磁性ナノ粒子によるあらゆる付近の発光団の消光を含む。
【０００５】
参照することによってここに含まれる以下の論文、Ｄ．Ｋ．Ｙｉ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００５，１２７，４９９０、Ｘ．Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００３，７５，３４７６−３４８３、Ｈ．Ｋｉｍ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１２７，５４４−５４６、Ｓ Ｓａｎｔｒａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００１，７３，４９８８−４９９３、に対して特定の参照がなされる。
【０００６】
米国特許番号６，５１４，７６７には、活性表面を有するガラス封入された複合ナノ粒子を記載されている。
【特許文献１】米国特許第６，５１４，７６７号明細書
【非特許文献１】Ｄ．Ｋ．Ｙｉ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００５，１２７，４９９０
【非特許文献２】Ｘ．Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００３，７５，３４７６−３４８３
【非特許文献３】Ｈ．Ｋｉｍ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１２７，５４４−５４６
【非特許文献４】Ｓ Ｓａｎｔｒａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ． ２００１，７３，４９８８−４９９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超常磁性及び発光の２つの機能を有する多機能ナノ構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理によれば、超常磁性及び発光の２つの有用な機能は、簡単に操られたシリカの表面または他の適切な絶縁材料の表面に加えて、１つの多機能ナノ構造に含まれる。
【０００９】
本発明の第１側面によれば、磁気コア；前記磁気コアを囲う絶縁性の第１シェル；及び、前記第１シェルを囲う発光性の第２シェル；を有する機能性ナノ粒子が提供される。
【００１０】
磁気ナノ粒子の染料分子の直接的な取り付けは、消光の問題を引き起こす。この問題を回避するために、適切な厚さを有する絶縁性の第１シェルは、他の絶縁材料からなることもできるが本発明の実施形態ではシリカであるが、磁気コアを染料から分離するように、それらを被覆しなければならない。その後、エミッション信号を集中させ、その染料の光安定性を向上させるために、この第１シェルの表面に染料分子を付ける代わりに、それらは、本発明の実施形態ではシリカである同一の絶縁材料の第２シェル内にドーピングされる。
【００１１】
本発明の実施形態ではシリカである絶縁性の第３シェルは、さらに保護を提供するために成長され、様々な生物種と接合するために使用されることができる。この第３シェルは、第２シェルと同様の方法で成長されることができる。これらのナノ複合体は、標的薬物伝達などの診断及び治療をリアルタイムのインサイチュモニタリングするために使用されることができる。
【００１２】
代わりに、この第２シェルは、ＣｄＳｅなどの発光半導体材料で作られることができる。ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＰｂＳｅなどの、より一般的には、ＩＩ−ＶＩ（例えば、Ｃｄカルコゲニド）及びＩＩＩ−Ｖ（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ）半導体ナノ結晶である多くの他の組成物は、半導体材料として使用されることができる。ＣｄＴｅＳｅなどの三成分系も採用されることができる。
【００１３】
また、コア及び第１シェルは、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅ（ＣｄＳｅ＠ＺｎＳ）などのコアシェル系を構成する。
【００１４】
磁気コアは、ＦｅｘＯｙでありえ、より一般的には、それは、ＭｘＦｅｙＯｚ（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ・・・）などのフェライト材料に加えてＦｅ及びＣｏなどのゼロ価金属、ＦｅＣｏ、ＳｍＣｏ５、ＦｅＰｔからなることができる。
【００１５】
他の側面では、本発明は、磁気ナノ粒子を用意し；絶縁性の第１シェルで前記ナノ粒子を被覆し；その後に前記第１シェルの外側に発光性の第２シェルを付ける；ことを含む機能性ナノ粒子の製造方法を提供する。
【００１６】
本発明の多機能素子では、磁気及び光学特性は、区分化され、前記素子内で互いに物理的及び化学的に分離される。
【００１７】
本発明は、新規な多機能コア／マルチシェルナノ構造を達成するために、２段階工程、すなわち、修正されたストーバー法（Ｓｔｏｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ）と、それに続くリバースマイクロエマルジョン法（ｒｅｖｅｒｓｅ ｍｉｃｒｏ−ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）とを採用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、例示としてのみ添付の図面を参照してより詳細に以下に説明されるだろう。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態による新規なナノ粒子を示す。図２ａは、ＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＭＥ顕微鏡写真である。図２ｂは、ラブピー（Ｒｕｂｐｙ）ドーピングで使用される修正されたストーバー法によって形成されるＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ（ＦｅｘＯｙ＠ＳｉＯ２）ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｃ及び２ｄは、２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｅは、ラブピードーピングされたものに匹敵するシェル厚さを有するドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｆは、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ二重シェルナノ粒子の粒径分布を示すヒストグラムである。図３ａは、リバースマイクロエマルジョン法によって合成されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図３Ｂは、リバースマイクロエマルジョン法によって用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である（矢印は、超常磁性コアを示す）。図４は、正味のラブピー（ｎｅａｔ Ｒｕｂｐｙ）（正方形）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子（円形）及びラブピードーピングされたシリカナノ粒子（三角形）における、４５０ｎｍでの吸光度に対する集積されたフォトルミネッセンス強度を示すプロットである。
【００２０】
図１に示されるように、本発明のナノ粒子は、例えば、鉄またはコバルトベースの化合物である超常磁性コア１０と、シリカまたはＡｌ２Ｏ３などの適切な絶縁材料からなる絶縁性の第１シェル１２と、染料または量子ドットドーピングされることができ、または、ＣｄＳｅなどの半導体材料からなる発光性の第２シェル１２と、シリカなどのあらゆる適切な絶縁材料でありえ、コアと発光部材に保護を提供し、それが研究される種に結合することができるような表面機能性を有する追加的な外部絶縁シェル１６と、を有する。
【００２１】
本発明は、Ｗ．Ｓｔｏｂｅｒ，ｅｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６，ｐｐ．６２−６９（１９６８）に記載され、参照することによってここに含まれるストーバー法（Ｓｔｏｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて新規なナノ粒子を製造する。ストーバー法では、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）、及び、水がエタノールを含有するガラスビーカーに加えられ、混合物が一晩攪拌される。ストーバー粒子のサイズは、反応剤の相対濃度に依存する。
【００２２】
通常、ストーバー法（または修正されたストーバー）及びリバースマイクロエマルジョン法は、シリカ粒子またはシリカシェルを形成するために単独で使用されている。このリバースマイクロエマルジョン工程は、例えば、参照することによってここに含まれる、Ｔａｍｋａｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ ４，ｐｐ．１９９−２０４（２００４）に記載される。磁気粒子及び染料分子の存在に関して、リバースマイクロエマルジョン法を用いた上述の構造体の開発における主たる問題が、多くのコアフリーシリカ粒子に加えて制御されないマルチコア構造体及び凝集体の形成である一方で、修正されたストーバー法を用いた上述の構造体の開発における主たる問題は、凝集体と多くのコアフリーシリカ粒子との形成である。
【００２３】
新規な２段階方法、すなわち修正されたストーバー法（第１段階）と、それに続くリバースマイクロエマルジョン法（第２段階）とを採用することによって、より良い結果が得られる。
【００２４】
第１段階中に、シリカの第１シェルの良く制御されたモルフォロジーと厚さとを有するコアシェル構造体は、修正されたストーバー工程を用いて合成される。第２段階中に、シリカの第２シェルは、成長され、染料分子は、リバースマイクロエマルジョン内のナノリアクターに同時にドーピングされる。
【００２５】
この組合せの利点は、（ａ）ナノ粒子表面上の初期界面活性剤が第１段階中に除去され、後続のリバースマイクロエマルジョンシステムの複雑性を減少させること、（ｂ）シリカの第１シェル（１０〜１５ｎｍ）を含有する生成物が、第２段階において“良好な”種子としての機能を果たし、マルチコア、多過ぎるコア自由粒子及び凝集体の形成を避けることである。
【００２６】
（実験例）
（新規な２段階方法を用いた発光コアシェルナノ粒子の合成）
市販名フェロフロイドＥＭＧ３０４（ｆｅｌｌｏｆｌｕｉｄ ＥＭＧ ３０４）という、水に分散され、報告された１０ｎｍの平均粒径を有する酸化鉄（ＦｅｘＯｙ）ナノ粒子をフェロテック社（Ｆｅｒｒｏｔｅｃ ＵＳＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から購入した。
【００２７】
トリス（２，２−ビピリジン）ルテニウム（ＩＩ）塩化物（ラブピー）は、アルファイーザージョンマッティ社（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって供給された。テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）は、ゲルセット社（Ｇｅｌｓｅｔ Ｉｎｃ）から得られた。
【００２８】
アンモニア水酸化物（ＮＨ４ＯＨ、２８−３０重量％）及び高純度イソプロパノールは、共にＥＭＤ化学薬品社（ＥＭＤ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）のトリトンＸ−１００（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１ＯＯ）から得られ、シクロヘキサン及びヘキシルアルコールは、シグマアルドリッチ社（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｉｎｃ．）、ＢＤＨ社（ＢＤＨ Ｉｎｃ．）及びアナケミアカナダ社（Ａｎａｃｈｅｍｉａ Ｃａｎａｄａ Ｉｎｃ．）からそれぞれ購入した。
【００２９】
全ての化学薬品は、さらなる精製なしに直接使用された。調製の間、純粋（１８Ｍ〜ｃｍ）が独占的に使用された。水は、ミリポアキューガード（登録商標）２（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｑ−ｇｕａｒｄ ２）浄水システム（ミリポア社（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ））を用いて精製された。
【００３０】
第１段階は、１２ｎｍ程度のシェル厚さを有する染料フリーのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙコアシェルナノ粒子を形成するために、酸化鉄（ＦｅｘＯｙ）ナノ粒子をシリカで被覆する。このナノ粒子は、修正されたストーバー法によって用意された。一般的に、イソプロパノール（１ｍＭ）中のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ、ゲルセット社）２００ｍｌに２８ｍｌのＦｅｘＯｙ粒子水分散液（粒子数濃度：〜９×１０１２／ｍｌ）が強力な攪拌下で加えられた。次いで、３ｍｌのＮＨ４ＯＨ（２８−３０重量％、ＥＭＤ化学薬品社）は、反応混合物に滴下された。この反応は、室温で少なくとも５時間進行された。最後に、茶色のコアシェルナノ粒子は、遠心分離によって収集され、数回にわたり水で洗浄された。次いで、このナノ粒子は、後続の被覆及びドーピング工程用に水中に分散された。
【００３１】
この第２段階は、ラブピー染料を、若干の修正を加えた、Ｓ．Ｓａｎｔｒａ，Ｐ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｔａｐｅｃ、及び、Ｗ．Ｔａｎ，Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．２００１，７３，４９８８で報告されたリバースマイクロエマルジョン法を用いてドーピング工程中に同時に製造されるシリカの第２シェルに封入する。この油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００）（シグマ−アルドリッヒ社（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｉｎｃ．））、７．５ｍｌのシクロヘキサン（ＢＤＨ社）、１．８ｍｌのヘキシルアルコール（９８％、アナケミアカナダ社）、及び、３４０μｌの水を混合することによって用意された。
【００３２】
２ｍｌのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子分散（粒子数濃度：〜９×１０１２ｍｌ）と、７７４μｌのラブピー（アルファエーザー，ジョンソンマッティー社）水溶液（２．５８ｍｇ／ｍｌ）は、マイクロエマルジョンに加えられ、均一な分散を得るために超音波で分解された。
【００３３】
このシリカ被覆反応は、２５μｌのＴＥＯＳと１４．７μｌのＮＨ４ＯＨとを加えることによって開始された。この反応は、アルミニウムフォイルで覆われた反応器内で穏やかな振動下で４日間以上続けられた。反応を停止するために、アセトンが加えられ、このナノ粒子は、遠心分離によって分離された。第１段階と同様に、このナノ粒子は、反応していない試薬を除去するために数回にわたって繰り返して洗浄された。
【００３４】
他の実施形態では、内部シリカシェルの成長と染料がドーピングされた外部シェルの成長の両方がリバースマイクロエマルジョンで実行された。油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００、７．５ｍｌのシクロヘキサン、１．８ｍｌのヘキシルアルコール、及び、３４０μｌ以上（３４０μｌ〜）の水を混合することによって上述と同様の方法で用意された。次に、２．７７４ｍｌの水分散ＦｅｘＯｙ（粒子数濃度：〜１０１３ｍｌ−ｌ）が、均一な粒子分散を形成するためにこのマイクロエマルジョンに加えられた。続いて、１５ｌ以上（１５〜ｌ）のＴＥＯＳと、８．８ｌ以上（８．８〜ｌ）のＮＨ４ＯＨが、ＦｅｘＯｙナノ粒子を第１シリカシェルで被覆するためにこの混合物に加えられた。この反応は、２４時間後に停止された。ドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙコアシェルナノ粒子は、洗浄され、後続処理用に２ｍｌの水で再分散された。染料ドープされた外部のシリカシェルの成長は、上述と同様の方法で実施された。
【００３５】
シリカナノ粒子の核生成及び成長、及び、ラブピードーピング工程は、ワンポット反応で同時に行われた。この油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００、７．５ｍｌのシクロヘキサン、１．８ｍｌのヘキシルアルコール、及び、３４０ｌ以上（３４０〜ｌ）の水を混合することによって用意された。次いで、７７４ｌ以上（７７４〜ｌ）のラブピー水溶液（１０．３ｍｇ／ｍｌ）が、マイクロエマルジョンに加えられ、均一な分散を得るために超音波で分解された。続いて、１００ｌ以上（１００〜ｌ）のＴＥＯＳ及び１４．７ｌ以上（１４．７〜ｌ）ＮＨ４ＯＨが加えられた。この反応は、アルミニウムフォイルで覆われた反応器内で穏やかな振動下で４時間以上続けられた。アセトンを加えることによるこの反応の停止に続いて、発光ナノ粒子は、遠心分離によって抽出され、反応されていない試薬を除去するために水とエタノールで洗浄された。次いで、精製された発光ナノ粒子は、同定のために水中に分散された。
【００３６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像は、２００ｋＶで動作するフィリップスＣＭ２０ＦＥＧ（Ｐｈｉｌｉｐｓ ＣＭ２０ ＦＥＧ）電子顕微鏡を用いて得られた。この試料は、格子に粒子水溶液分散のいくつかの滴を滴下することによって用意された。
【００３７】
紫外−可視スペクトルは、３００ｎｍ／ｍｉｎの走査速度でキャリー５００ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ（Ｃａｒｙ ５０００ ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ）分光光度計（バリアン（Ｖａｒｉａｎ））を用いて得られた。発光スペクトルは、４５０ｎｍの励起波長を用いたキセノンランプを備えたＣ７００−ＰＴＩシステム（Ｃ７００ ＰＴＩ ｓｙｓｔｅｍ）（フォトンテクノロジーインターナショナル（Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））を用いて測定された。寿命測定は、フルオロログ−タウ−３寿命システム（Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇ−Ｔａｕ−３ Ｌｉｆｅｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ）（ジョビンイボン社（Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ Ｉｎｃ．））を用いて行われた。試験された試料の全ては、水に分散され、０．１と同じかそれ以下の吸光度を有した。この位相シフト及び復調因子データ（ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｄａｔａ）は、一連の周波数で記録され、その寿命は、製造者によって提供される基本寿命モデリングソフトウェア（バージョン２．２．１２）を用いて周波数に対して両方のデータのセットを適合することによって得られた。κ２は、データ適合の妥当性を評価するために使用され、１に近いか１より小さいκ２値を有する適合は、満足いくものであると考えられる。
【００３８】
ナノ粒子の磁気特性は、磁力計（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ＰＰＭＳ Ｍｏｄｅｌ ６０００ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定された。粉末形態のナノ粒子は、ゼラチンカプセルに挿入され、パラフィルムでシールされた。磁場に依存した磁化は、４テスラ（Ｔ）までの磁界で３００Ｋで測定された。温度依存のゼロ磁界冷却（ＺＦＣ）及び磁界冷却（ＦＣ）磁化は、それぞれゼロ及び５０エールステッド（Ｏｅ）の磁界で２Ｋまで試料を初期冷却することによって１０−３５０Ｋの範囲で測定された。
【００３９】
酸化鉄ナノ粒子（ＥＭＧ３０４）は、水中で界面活性剤を用いて安定化された。ＴＥＭ画像（図２ａ）は、粒子径が、９．７ｎｍの平均径と、対数正規フィッティングで決定される０．４ｎｍの標準偏差とを有して５から２４ｎｍの範囲であることを示した。
【００４０】
ＦｅｘＯｙナノ粒子を封入する内部シリカシェルの製造工程は、そのほとんどが、それらの少数が多重コアを有する単一または二重コアの何れかを有するハイブリッドナノ粒子をもたらす（図２ｂ）。このシェル表面は、滑らかであり、平均シェル厚さは、約１２ｎｍである。このシェル厚さは、ＴＥＯＳ濃度を調整することによって良好に制御されている。それは、数ナノメートルから１００ｎｍ超にまで変化されてもよい。
【００４１】
この粒径は、ラブピー分子が含浸された外部シリカシェルを成長した後に、より大きくなる（図２ｃ）。この直径は、約８０から１３０ｎｍ超までの範囲にある（図２ｆ）。このサイズ分布は、対数正規形状に適合し、９８．２ｎｍの平均直径と０．１の標準偏差とを生み出す。この大きなサイズの粒子は、二重または多重コアを含む。コアフリーナノ粒子の割合は小さいが、それらは、粒径分布内に考慮されない。ほとんどの粒子の二重シェルの厚さは、４０−５０ｎｍである。このシェル厚さは、反応時間に加えてＴＥＯＳ、水、及び、ＮＨ４ＯＨに依存する。
【００４２】
この外部シリカシェルは、染料フリーシェルよりコンパクトである。高倍率ＴＥＭ画像からより明らかに見られるように（図２ｄ、２ｅ）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子は、同様のシェル厚さを有する染料フリーのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子と比較して、ランダムなコントラスト変化及び粗いシェル質感を示す。これは、染料分子によるシリカネットワークの摂動によると考えられる。内部の染料フリーシェルの表面と異なって、染料がドーピングされた外部シリカシェルの表面が相対的に粗いことは指摘されるべきである。
【００４３】
比較として、リバースマイクロエマルジョン法を用いて用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ画像が図３ａに示されており、コアフリーシリカナノ粒子に加えてマルチコア構造体及び凝集体が明らかである。さらに、磁気粒子がドーピングされたシリカネットワークも観察される（図３ａに示されない）。劣った構造体の形成は、磁気粒子中の磁気双極子相互作用によるものであろうし、それは、界面活性剤の凝集状態を掻き乱し、リバースマイクロエマルジョンシステムの局所安定性を妨げる。さらに、受容されるＦｅｘＯｙ粒子表面上の界面活性剤は、マイクロエマルジョンのモルフォロジーに対して知られていない効果も有することができる。各々の単一のミセルの反応環境が、被覆工程中に完全に均質ではないかも知れないことが考えられる。
【００４４】
本発明の２段階方法によって用意される発光性のＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のモルフォロジーは、リバースマイクロエマルジョン法によって成長されるナノ粒子より優れている。
【００４５】
リバースマイクロエマルジョン法を用いたラブピードーピングされたナノ粒子の合成は、磁気ナノ粒子がない状態でかなり容易であり、図３ｂに示されるように規則的な、ほぼ球形の分離されたナノ粒子を生成する。これらの結果は、リバースマイクロエマルジョン技術が使用される場合のみに形成される磁気ナノ粒子含有構造体の劣ったモルフォロジーにおける上記の説明の正当性を間接的に立証する。粒子間の双極子相互作用の減少及びシリカ被覆の第１段階でのＦｅｘＯｙ粒子表面上の界面活性剤の除去は、リバースマイクロエマルジョンで実行される第２段階において、より良い構造体の形成を容易にする。
【００４６】
ＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子内に埋め込まれ、リバースマイクロエマルジョン法を用いて合成されたシリカナノ粒子内に埋め込まれる、水中のラブピーのフォトルミネッセンス強度（５１５から８００ｎｍで集積された）は、ラブピーのフォトルミネッセンス効率におけるホストシリカと磁気コアとの効果を決定するために４５０ｎｍにおける吸光度の関数として報告されている。図４に示されるように、３つの全ての環境におけるラブピーの集積された強度は、吸光度に対して線形に変化し、実験的な精度内で所定の吸光度値においてほぼ等しい。第１に、シリカ内のラブピー分子の埋め込みは、それらのフォトルミネッセンス効率に影響を与えず、第２に、１２ｎｍ以下（〜１２ｎｍ）またはそれ以上の、シリカに埋め込まれたラブピー分子から分離される磁気コアは、ラブピーフォトルミネッセンスを消さないということが見られる。
【００４７】
多機能コアシェルナノ粒子を合成するための、ストーバー法とリバースマイクロエマルジョン法を連続して組み合わせる２段階アプローチは、超常磁性及び発光の両方の効率的な組み合わせを示す改善された構造体をもたらす。コアシェル構造体は、超常磁性コア、絶縁性の染料フリーシリカシェル、染料がドーピングされたシリカシェル、及び、機能化することができるシリカ表面を含む。絶縁性のシリカシェルは、染料発光を消し、コア結合に対する磁気コアを最小化するという、２つの役割を果たす。
【００４８】
光学測定は、フリー染料及び組み込まれた染料が同様の吸光度と発光特性を表し、同様の量子吸収を示し、それによって、１２ｎｍの絶縁性のシリカシェルの存在が、ラブピー及び磁気コア間の“光学”相互作用を効率的に防止することを確証することを例証する。この微細な多機能ナノ構造体の合成における成功をもたらす重要な鍵となる要因は、ラブピードーピング工程用のリバースマイクロエマルジョンにおける、実際に封入された磁気コアを含有する表面的な／シリカナノ粒子の使用である。
【００４９】
磁気ナノ粒子が、それらの磁気相互作用を分離するために十分に厚いシリカシェルによって既に覆われている限りは、同一の又は若干修正されたリバースマイクロエマルジョン条件は、様々な磁気ナノ粒子の染料ドーピングに適用することができるべきであり、この記載された方法は、水に分散する磁気ナノ粒子のほとんどに通常適用することができるべきである。リバースマイクロエマルジョン法は、特定の界面活性剤を必要とするので、この方法の直接的な使用は、初期のナノ粒子合成で使用される界面活性剤における制限を有する。
【００５０】
この処理は、様々な検出要求に適合するように、様々な染料または量子ドットをシリカシェル内に収容するために修正されることができる。
【００５１】
本発明は、病原菌及び遺伝子種の効率的な捕獲予備濃縮及び伝達の可能性、高感度検出、捕獲処理のリアルタイムのインサイチュトラッキング、治療経過のリアルタイムのインサイチュモニタリング（例えば、標的薬物伝達、癌組織殺消工程）を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態による新規なナノ粒子を示す。
【図２ａ】ＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＭＥ顕微鏡写真である。
【図２ｂ】ラブピードーピングで使用される修正されたストーバー法によって形成されるＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｃ】２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｄ】２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｅ】ラブピードーピングものに匹敵するシェル厚さを有するドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｆ】ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ二重シェルナノ粒子の粒径分布を示すヒストグラムである。
【図３ａ】リバースマイクロエマルジョン法によって合成されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図３ｂ】リバースマイクロエマルジョン法によって用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である（矢印は、超常磁性コアを示す）。
【図４】ニートラブピー（正方形）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子（円形）及びラブピードーピングされたシリカナノ粒子（三角形）における、４５０ｎｍでの吸光度に対する集積されたフォトルミネッセンス強度を示すプロットである。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 超常時性コア
１２ 絶縁性の第１シェル
１４ 発光性の第２シェル
１６ 絶縁性の外部シェル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ナノテクノロジーの分野に関し、特に新規なナノ構造体及びそのナノ構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
病原菌及び遺伝子種の高速で超高感度の同定は、臨床検査薬、遺伝子治療、公安、生物医学的研究及びバイオテクノロジー発展において極めて重要である。高効率の同定技術の実現を妨げる主たる問題は、多重病原体を同時に同定することが不可能なこと、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅なしで遺伝子を検出することが不可能なこと、培養を待つ必要性、及び、病原体をヒトゲノムから分離することの困難性である。
【０００３】
ナノ技術は、これらの問題に対する解決方法を提供する相当な妥協点を示す。様々な技術は、有力な分離及び収集を実現するために相応しい超常磁性材料を用いること、非常に高感度な検出を実現するために量子ドット及び染料などがドーピングされたナノ粒子などの、非常に反応性がある光安定性の信号伝達材料を用いること、及び、非常に効率的な多重用途においてそれらの表面に付けられるフルオロフォアを有する超常磁性ナノ粒子などの多機能ナノ材料を採用することを提案している。
【０００４】
従来技術の欠点は、生物環境に一旦晒された超常磁性ナノ粒子の安定性の欠如、生物学実験室での通常のスキャナーでの量子ドット及び量子ドットの起こり得る毒性における検出チャンネルの欠如、及び、超常磁性ナノ粒子によるあらゆる付近の発光団の消光を含む。
【０００５】
参照することによってここに含まれる以下の論文、Ｄ．Ｋ．Ｙｉ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００５，１２７，４９９０、Ｘ．Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００３，７５，３４７６−３４８３、Ｈ．Ｋｉｍ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１２７，５４４−５４６、Ｓ Ｓａｎｔｒａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００１，７３，４９８８−４９９３、に対して特定の参照がなされる。
【０００６】
米国特許番号６，５１４，７６７には、活性表面を有するガラス封入された複合ナノ粒子を記載されている。
【特許文献１】米国特許第６，５１４，７６７号明細書
【非特許文献１】Ｄ．Ｋ．Ｙｉ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００５，１２７，４９９０
【非特許文献２】Ｘ．Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００３，７５，３４７６−３４８３
【非特許文献３】Ｈ．Ｋｉｍ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１２７，５４４−５４６
【非特許文献４】Ｓ Ｓａｎｔｒａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ． ２００１，７３，４９８８−４９９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超常磁性及び発光の２つの機能を有する多機能ナノ構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理によれば、超常磁性及び発光の２つの有用な機能は、簡単に操られたシリカの表面または他の適切な絶縁材料の表面に加えて、１つの多機能ナノ構造に含まれる。
【０００９】
本発明の第１側面によれば、磁気コア；前記磁気コアを囲う絶縁性の第１シェル；及び、前記第１シェルを囲う発光性の第２シェル；を有する機能性ナノ粒子が提供される。
【００１０】
磁気ナノ粒子の染料分子の直接的な取り付けは、消光の問題を引き起こす。この問題を回避するために、適切な厚さを有する絶縁性の第１シェルは、他の絶縁材料からなることもできるが本発明の実施形態ではシリカであるが、磁気コアを染料から分離するように、それらを被覆しなければならない。その後、エミッション信号を集中させ、その染料の光安定性を向上させるために、この第１シェルの表面に染料分子を付ける代わりに、それらは、本発明の実施形態ではシリカである同一の絶縁材料の第２シェル内にドーピングされる。
【００１１】
本発明の実施形態ではシリカである絶縁性の第３シェルは、さらに保護を提供するために成長され、様々な生物種と接合するために使用されることができる。この第３シェルは、第２シェルと同様の方法で成長されることができる。これらのナノ複合体は、標的薬物伝達などの診断及び治療をリアルタイムのインサイチュモニタリングするために使用されることができる。
【００１２】
代わりに、この第２シェルは、ＣｄＳｅなどの発光半導体材料で作られることができる。ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＰｂＳｅなどの、より一般的には、ＩＩ−ＶＩ（例えば、Ｃｄカルコゲニド）及びＩＩＩ−Ｖ（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ）半導体ナノ結晶である多くの他の組成物は、半導体材料として使用されることができる。ＣｄＴｅＳｅなどの三成分系も採用されることができる。
【００１３】
また、コア及び第１シェルは、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅ（ＣｄＳｅ＠ＺｎＳ）などのコアシェル系を構成する。
【００１４】
磁気コアは、ＦｅｘＯｙでありえ、より一般的には、それは、ＭｘＦｅｙＯｚ（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ・・・）などのフェライト材料に加えてＦｅ及びＣｏなどのゼロ価金属、ＦｅＣｏ、ＳｍＣｏ５、ＦｅＰｔからなることができる。
【００１５】
他の側面では、本発明は、磁気ナノ粒子を用意し；絶縁性の第１シェルで前記ナノ粒子を被覆し；その後に前記第１シェルの外側に発光性の第２シェルを付ける；ことを含む機能性ナノ粒子の製造方法を提供する。
【００１６】
本発明の多機能素子では、磁気及び光学特性は、区分化され、前記素子内で互いに物理的及び化学的に分離される。
【００１７】
本発明は、新規な多機能コア／マルチシェルナノ構造を達成するために、２段階工程、すなわち、修正されたストーバー法（Ｓｔｏｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ）と、それに続くリバースマイクロエマルジョン法（ｒｅｖｅｒｓｅ ｍｉｃｒｏ−ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）とを採用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、例示としてのみ添付の図面を参照してより詳細に以下に説明されるだろう。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態による新規なナノ粒子を示す。図２ａは、ＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＭＥ顕微鏡写真である。図２ｂは、ラブピー（Ｒｕｂｐｙ）ドーピングで使用される修正されたストーバー法によって形成されるＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ（ＦｅｘＯｙ＠ＳｉＯ２）ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｃ及び２ｄは、２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｅは、ラブピードーピングされたものに匹敵するシェル厚さを有するドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図２ｆは、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ二重シェルナノ粒子の粒径分布を示すヒストグラムである。図３ａは、リバースマイクロエマルジョン法によって合成されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。図３Ｂは、リバースマイクロエマルジョン法によって用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である（矢印は、超常磁性コアを示す）。図４は、正味のラブピー（ｎｅａｔ Ｒｕｂｐｙ）（正方形）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子（円形）及びラブピードーピングされたシリカナノ粒子（三角形）における、４５０ｎｍでの吸光度に対する集積されたフォトルミネッセンス強度を示すプロットである。
【００２０】
図１に示されるように、本発明のナノ粒子は、例えば、鉄またはコバルトベースの化合物である超常磁性コア１０と、シリカまたはＡｌ２Ｏ３などの適切な絶縁材料からなる絶縁性の第１シェル１２と、染料または量子ドットドーピングされることができ、または、ＣｄＳｅなどの半導体材料からなる発光性の第２シェル１２と、シリカなどのあらゆる適切な絶縁材料でありえ、コアと発光部材に保護を提供し、それが研究される種に結合することができるような表面機能性を有する追加的な外部絶縁シェル１６と、を有する。
【００２１】
本発明は、Ｗ．Ｓｔｏｂｅｒ，ｅｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６，ｐｐ．６２−６９（１９６８）に記載され、参照することによってここに含まれるストーバー法（Ｓｔｏｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて新規なナノ粒子を製造する。ストーバー法では、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）、及び、水がエタノールを含有するガラスビーカーに加えられ、混合物が一晩攪拌される。ストーバー粒子のサイズは、反応剤の相対濃度に依存する。
【００２２】
通常、ストーバー法（または修正されたストーバー）及びリバースマイクロエマルジョン法は、シリカ粒子またはシリカシェルを形成するために単独で使用されている。このリバースマイクロエマルジョン工程は、例えば、参照することによってここに含まれる、Ｔａｍｋａｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ ４，ｐｐ．１９９−２０４（２００４）に記載される。磁気粒子及び染料分子の存在に関して、リバースマイクロエマルジョン法を用いた上述の構造体の開発における主たる問題が、多くのコアフリーシリカ粒子に加えて制御されないマルチコア構造体及び凝集体の形成である一方で、修正されたストーバー法を用いた上述の構造体の開発における主たる問題は、凝集体と多くのコアフリーシリカ粒子との形成である。
【００２３】
新規な２段階方法、すなわち修正されたストーバー法（第１段階）と、それに続くリバースマイクロエマルジョン法（第２段階）とを採用することによって、より良い結果が得られる。
【００２４】
第１段階中に、シリカの第１シェルの良く制御されたモルフォロジーと厚さとを有するコアシェル構造体は、修正されたストーバー工程を用いて合成される。第２段階中に、シリカの第２シェルは、成長され、染料分子は、リバースマイクロエマルジョン内のナノリアクターに同時にドーピングされる。
【００２５】
この組合せの利点は、（ａ）ナノ粒子表面上の初期界面活性剤が第１段階中に除去され、後続のリバースマイクロエマルジョンシステムの複雑性を減少させること、（ｂ）シリカの第１シェル（１０〜１５ｎｍ）を含有する生成物が、第２段階において“良好な”種子としての機能を果たし、マルチコア、多過ぎるコア自由粒子及び凝集体の形成を避けることである。
【００２６】
（実験例）
（新規な２段階方法を用いた発光コアシェルナノ粒子の合成）
市販名フェロフロイドＥＭＧ３０４（ｆｅｌｌｏｆｌｕｉｄ ＥＭＧ ３０４）という、水に分散され、報告された１０ｎｍの平均粒径を有する酸化鉄（ＦｅｘＯｙ）ナノ粒子をフェロテック社（Ｆｅｒｒｏｔｅｃ ＵＳＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から購入した。
【００２７】
トリス（２，２−ビピリジン）ルテニウム（ＩＩ）塩化物（ラブピー）は、アルファイーザージョンマッティ社（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって供給された。テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）は、ゲルセット社（Ｇｅｌｓｅｔ Ｉｎｃ）から得られた。
【００２８】
アンモニア水酸化物（ＮＨ４ＯＨ、２８−３０重量％）及び高純度イソプロパノールは、共にＥＭＤ化学薬品社（ＥＭＤ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）のトリトンＸ−１００（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１ＯＯ）から得られ、シクロヘキサン及びヘキシルアルコールは、シグマアルドリッチ社（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｉｎｃ．）、ＢＤＨ社（ＢＤＨ Ｉｎｃ．）及びアナケミアカナダ社（Ａｎａｃｈｅｍｉａ Ｃａｎａｄａ Ｉｎｃ．）からそれぞれ購入した。
【００２９】
全ての化学薬品は、さらなる精製なしに直接使用された。調製の間、純粋（１８Ｍ〜ｃｍ）が独占的に使用された。水は、ミリポアキューガード（登録商標）２（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｑ−ｇｕａｒｄ ２）浄水システム（ミリポア社（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ））を用いて精製された。
【００３０】
第１段階は、１２ｎｍ程度のシェル厚さを有する染料フリーのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙコアシェルナノ粒子を形成するために、酸化鉄（ＦｅｘＯｙ）ナノ粒子をシリカで被覆する。このナノ粒子は、修正されたストーバー法によって用意された。一般的に、イソプロパノール（１ｍＭ）中のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ、ゲルセット社）２００ｍｌに２８ｍｌのＦｅｘＯｙ粒子水分散液（粒子数濃度：〜９×１０１２／ｍｌ）が強力な攪拌下で加えられた。次いで、３ｍｌのＮＨ４ＯＨ（２８−３０重量％、ＥＭＤ化学薬品社）は、反応混合物に滴下された。この反応は、室温で少なくとも５時間進行された。最後に、茶色のコアシェルナノ粒子は、遠心分離によって収集され、数回にわたり水で洗浄された。次いで、このナノ粒子は、後続の被覆及びドーピング工程用に水中に分散された。
【００３１】
この第２段階は、ラブピー染料を、若干の修正を加えた、Ｓ．Ｓａｎｔｒａ，Ｐ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｔａｐｅｃ、及び、Ｗ．Ｔａｎ，Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．２００１，７３，４９８８で報告されたリバースマイクロエマルジョン法を用いてドーピング工程中に同時に製造されるシリカの第２シェルに封入する。この油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００）（シグマ−アルドリッヒ社（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｉｎｃ．））、７．５ｍｌのシクロヘキサン（ＢＤＨ社）、１．８ｍｌのヘキシルアルコール（９８％、アナケミアカナダ社）、及び、３４０μｌの水を混合することによって用意された。
【００３２】
２ｍｌのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子分散（粒子数濃度：〜９×１０１２ｍｌ）と、７７４μｌのラブピー（アルファエーザー，ジョンソンマッティー社）水溶液（２．５８ｍｇ／ｍｌ）は、マイクロエマルジョンに加えられ、均一な分散を得るために超音波で分解された。
【００３３】
このシリカ被覆反応は、２５μｌのＴＥＯＳと１４．７μｌのＮＨ４ＯＨとを加えることによって開始された。この反応は、アルミニウムフォイルで覆われた反応器内で穏やかな振動下で４日間以上続けられた。反応を停止するために、アセトンが加えられ、このナノ粒子は、遠心分離によって分離された。第１段階と同様に、このナノ粒子は、反応していない試薬を除去するために数回にわたって繰り返して洗浄された。
【００３４】
他の実施形態では、内部シリカシェルの成長と染料がドーピングされた外部シェルの成長の両方がリバースマイクロエマルジョンで実行された。油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００、７．５ｍｌのシクロヘキサン、１．８ｍｌのヘキシルアルコール、及び、３４０μｌ以上（３４０μｌ〜）の水を混合することによって上述と同様の方法で用意された。次に、２．７７４ｍｌの水分散ＦｅｘＯｙ（粒子数濃度：〜１０１３ｍｌ−ｌ）が、均一な粒子分散を形成するためにこのマイクロエマルジョンに加えられた。続いて、１５ｌ以上（１５〜ｌ）のＴＥＯＳと、８．８ｌ以上（８．８〜ｌ）のＮＨ４ＯＨが、ＦｅｘＯｙナノ粒子を第１シリカシェルで被覆するためにこの混合物に加えられた。この反応は、２４時間後に停止された。ドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙコアシェルナノ粒子は、洗浄され、後続処理用に２ｍｌの水で再分散された。染料ドープされた外部のシリカシェルの成長は、上述と同様の方法で実施された。
【００３５】
シリカナノ粒子の核生成及び成長、及び、ラブピードーピング工程は、ワンポット反応で同時に行われた。この油中水滴マイクロエマルジョンは、１．８ｍｌのトリトンＸ−１００、７．５ｍｌのシクロヘキサン、１．８ｍｌのヘキシルアルコール、及び、３４０ｌ以上（３４０〜ｌ）の水を混合することによって用意された。次いで、７７４ｌ以上（７７４〜ｌ）のラブピー水溶液（１０．３ｍｇ／ｍｌ）が、マイクロエマルジョンに加えられ、均一な分散を得るために超音波で分解された。続いて、１００ｌ以上（１００〜ｌ）のＴＥＯＳ及び１４．７ｌ以上（１４．７〜ｌ）ＮＨ４ＯＨが加えられた。この反応は、アルミニウムフォイルで覆われた反応器内で穏やかな振動下で４時間以上続けられた。アセトンを加えることによるこの反応の停止に続いて、発光ナノ粒子は、遠心分離によって抽出され、反応されていない試薬を除去するために水とエタノールで洗浄された。次いで、精製された発光ナノ粒子は、同定のために水中に分散された。
【００３６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像は、２００ｋＶで動作するフィリップスＣＭ２０ＦＥＧ（Ｐｈｉｌｉｐｓ ＣＭ２０ ＦＥＧ）電子顕微鏡を用いて得られた。この試料は、格子に粒子水溶液分散のいくつかの滴を滴下することによって用意された。
【００３７】
紫外−可視スペクトルは、３００ｎｍ／ｍｉｎの走査速度でキャリー５００ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ（Ｃａｒｙ ５０００ ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ）分光光度計（バリアン（Ｖａｒｉａｎ））を用いて得られた。発光スペクトルは、４５０ｎｍの励起波長を用いたキセノンランプを備えたＣ７００−ＰＴＩシステム（Ｃ７００ ＰＴＩ ｓｙｓｔｅｍ）（フォトンテクノロジーインターナショナル（Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））を用いて測定された。寿命測定は、フルオロログ−タウ−３寿命システム（Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇ−Ｔａｕ−３ Ｌｉｆｅｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ）（ジョビンイボン社（Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ Ｉｎｃ．））を用いて行われた。試験された試料の全ては、水に分散され、０．１と同じかそれ以下の吸光度を有した。この位相シフト及び復調因子データ（ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｄａｔａ）は、一連の周波数で記録され、その寿命は、製造者によって提供される基本寿命モデリングソフトウェア（バージョン２．２．１２）を用いて周波数に対して両方のデータのセットを適合することによって得られた。κ２は、データ適合の妥当性を評価するために使用され、１に近いか１より小さいκ２値を有する適合は、満足いくものであると考えられる。
【００３８】
ナノ粒子の磁気特性は、磁力計（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ＰＰＭＳ Ｍｏｄｅｌ ６０００ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定された。粉末形態のナノ粒子は、ゼラチンカプセルに挿入され、パラフィルムでシールされた。磁場に依存した磁化は、４テスラ（Ｔ）までの磁界で３００Ｋで測定された。温度依存のゼロ磁界冷却（ＺＦＣ）及び磁界冷却（ＦＣ）磁化は、それぞれゼロ及び５０エールステッド（Ｏｅ）の磁界で２Ｋまで試料を初期冷却することによって１０−３５０Ｋの範囲で測定された。
【００３９】
酸化鉄ナノ粒子（ＥＭＧ３０４）は、水中で界面活性剤を用いて安定化された。ＴＥＭ画像（図２ａ）は、粒子径が、９．７ｎｍの平均径と、対数正規フィッティングで決定される０．４ｎｍの標準偏差とを有して５から２４ｎｍの範囲であることを示した。
【００４０】
ＦｅｘＯｙナノ粒子を封入する内部シリカシェルの製造工程は、そのほとんどが、それらの少数が多重コアを有する単一または二重コアの何れかを有するハイブリッドナノ粒子をもたらす（図２ｂ）。このシェル表面は、滑らかであり、平均シェル厚さは、約１２ｎｍである。このシェル厚さは、ＴＥＯＳ濃度を調整することによって良好に制御されている。それは、数ナノメートルから１００ｎｍ超にまで変化されてもよい。
【００４１】
この粒径は、ラブピー分子が含浸された外部シリカシェルを成長した後に、より大きくなる（図２ｃ）。この直径は、約８０から１３０ｎｍ超までの範囲にある（図２ｆ）。このサイズ分布は、対数正規形状に適合し、９８．２ｎｍの平均直径と０．１の標準偏差とを生み出す。この大きなサイズの粒子は、二重または多重コアを含む。コアフリーナノ粒子の割合は小さいが、それらは、粒径分布内に考慮されない。ほとんどの粒子の二重シェルの厚さは、４０−５０ｎｍである。このシェル厚さは、反応時間に加えてＴＥＯＳ、水、及び、ＮＨ４ＯＨに依存する。
【００４２】
この外部シリカシェルは、染料フリーシェルよりコンパクトである。高倍率ＴＥＭ画像からより明らかに見られるように（図２ｄ、２ｅ）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子は、同様のシェル厚さを有する染料フリーのＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子と比較して、ランダムなコントラスト変化及び粗いシェル質感を示す。これは、染料分子によるシリカネットワークの摂動によると考えられる。内部の染料フリーシェルの表面と異なって、染料がドーピングされた外部シリカシェルの表面が相対的に粗いことは指摘されるべきである。
【００４３】
比較として、リバースマイクロエマルジョン法を用いて用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ画像が図３ａに示されており、コアフリーシリカナノ粒子に加えてマルチコア構造体及び凝集体が明らかである。さらに、磁気粒子がドーピングされたシリカネットワークも観察される（図３ａに示されない）。劣った構造体の形成は、磁気粒子中の磁気双極子相互作用によるものであろうし、それは、界面活性剤の凝集状態を掻き乱し、リバースマイクロエマルジョンシステムの局所安定性を妨げる。さらに、受容されるＦｅｘＯｙ粒子表面上の界面活性剤は、マイクロエマルジョンのモルフォロジーに対して知られていない効果も有することができる。各々の単一のミセルの反応環境が、被覆工程中に完全に均質ではないかも知れないことが考えられる。
【００４４】
本発明の２段階方法によって用意される発光性のＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のモルフォロジーは、リバースマイクロエマルジョン法によって成長されるナノ粒子より優れている。
【００４５】
リバースマイクロエマルジョン法を用いたラブピードーピングされたナノ粒子の合成は、磁気ナノ粒子がない状態でかなり容易であり、図３ｂに示されるように規則的な、ほぼ球形の分離されたナノ粒子を生成する。これらの結果は、リバースマイクロエマルジョン技術が使用される場合のみに形成される磁気ナノ粒子含有構造体の劣ったモルフォロジーにおける上記の説明の正当性を間接的に立証する。粒子間の双極子相互作用の減少及びシリカ被覆の第１段階でのＦｅｘＯｙ粒子表面上の界面活性剤の除去は、リバースマイクロエマルジョンで実行される第２段階において、より良い構造体の形成を容易にする。
【００４６】
ＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子内に埋め込まれ、リバースマイクロエマルジョン法を用いて合成されたシリカナノ粒子内に埋め込まれる、水中のラブピーのフォトルミネッセンス強度（５１５から８００ｎｍで集積された）は、ラブピーのフォトルミネッセンス効率におけるホストシリカと磁気コアとの効果を決定するために４５０ｎｍにおける吸光度の関数として報告されている。図４に示されるように、３つの全ての環境におけるラブピーの集積された強度は、吸光度に対して線形に変化し、実験的な精度内で所定の吸光度値においてほぼ等しい。第１に、シリカ内のラブピー分子の埋め込みは、それらのフォトルミネッセンス効率に影響を与えず、第２に、１２ｎｍ以下（〜１２ｎｍ）またはそれ以上の、シリカに埋め込まれたラブピー分子から分離される磁気コアは、ラブピーフォトルミネッセンスを消さないということが見られる。
【００４７】
多機能コアシェルナノ粒子を合成するための、ストーバー法とリバースマイクロエマルジョン法を連続して組み合わせる２段階アプローチは、超常磁性及び発光の両方の効率的な組み合わせを示す改善された構造体をもたらす。コアシェル構造体は、超常磁性コア、絶縁性の染料フリーシリカシェル、染料がドーピングされたシリカシェル、及び、機能化することができるシリカ表面を含む。絶縁性のシリカシェルは、染料発光を消し、コア結合に対する磁気コアを最小化するという、２つの役割を果たす。
【００４８】
光学測定は、フリー染料及び組み込まれた染料が同様の吸光度と発光特性を表し、同様の量子吸収を示し、それによって、１２ｎｍの絶縁性のシリカシェルの存在が、ラブピー及び磁気コア間の“光学”相互作用を効率的に防止することを確証することを例証する。この微細な多機能ナノ構造体の合成における成功をもたらす重要な鍵となる要因は、ラブピードーピング工程用のリバースマイクロエマルジョンにおける、実際に封入された磁気コアを含有する表面的な／シリカナノ粒子の使用である。
【００４９】
磁気ナノ粒子が、それらの磁気相互作用を分離するために十分に厚いシリカシェルによって既に覆われている限りは、同一の又は若干修正されたリバースマイクロエマルジョン条件は、様々な磁気ナノ粒子の染料ドーピングに適用することができるべきであり、この記載された方法は、水に分散する磁気ナノ粒子のほとんどに通常適用することができるべきである。リバースマイクロエマルジョン法は、特定の界面活性剤を必要とするので、この方法の直接的な使用は、初期のナノ粒子合成で使用される界面活性剤における制限を有する。
【００５０】
この処理は、様々な検出要求に適合するように、様々な染料または量子ドットをシリカシェル内に収容するために修正されることができる。
【００５１】
本発明は、病原菌及び遺伝子種の効率的な捕獲予備濃縮及び伝達の可能性、高感度検出、捕獲処理のリアルタイムのインサイチュトラッキング、治療経過のリアルタイムのインサイチュモニタリング（例えば、標的薬物伝達、癌組織殺消工程）を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態による新規なナノ粒子を示す。
【図２ａ】ＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＭＥ顕微鏡写真である。
【図２ｂ】ラブピードーピングで使用される修正されたストーバー法によって形成されるＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｃ】２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｄ】２段階方法によって用意されるラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｅ】ラブピードーピングものに匹敵するシェル厚さを有するドーピングされていないＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図２ｆ】ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ二重シェルナノ粒子の粒径分布を示すヒストグラムである。
【図３ａ】リバースマイクロエマルジョン法によって合成されたラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図３ｂ】リバースマイクロエマルジョン法によって用意されたラブピードーピングされたＳｉＯ２ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である（矢印は、超常磁性コアを示す）。
【図４】ニートラブピー（正方形）、ラブピードーピングされたＳｉＯ２におけるＦｅｘＯｙナノ粒子（円形）及びラブピードーピングされたシリカナノ粒子（三角形）における、４５０ｎｍでの吸光度に対する集積されたフォトルミネッセンス強度を示すプロットである。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 超常時性コア
１２ 絶縁性の第１シェル
１４ 発光性の第２シェル
１６ 絶縁性の外部シェル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気コア；
前記磁気コアを囲う絶縁性の第１シェル；
前記第１シェルを囲う発光性の第２シェル；
を有する、機能性ナノ粒子。
【請求項２】
前記第２シェルは、量子ドット及び染料からなる群から選択される材料がドーピングされる、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項３】
前記第２シェルは、半導体材料からなる、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項４】
前記半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ及びＩＩＩ−Ｖ半導体ナノ結晶からなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項５】
前記半導体材料は、Ｃｄカルコゲニド、ＩｎＰ及びＧａＡｓからなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項６】
前記半導体材料は、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ及びＰｂＳｅからなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項７】
前記半導体材料は、ＣｄＳｅである、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項８】
前記半導体材料は、三成分系である、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項９】
前記三成分系は、ＣｄＴｅＳｅである、請求項８に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１０】
前記コア及び第１シェルは、ナノ粒子コアシェル系を構成する、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１１】
前記コアシェル系は、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅである、請求項１０に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１２】
前記磁気コアは、ゼロ価金属及びフェライト材料からなる群から選択される、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１３】
前記磁気コアは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＳｍＣｏ５、ＦｅＰｔ及びＭｘＦｅｙＯｚ（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ・・・）からなる群から選択される、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１４】
前記磁気コアは、ＦｅｘＯｙである、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１５】
前記第１及び第２シェルは、シリカである、請求項１から１４の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１６】
前記第２シェルを囲う表面機能性を有する絶縁性の第３シェルをさらに有する、請求項１から１５の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１７】
前記第３シェルは、シリカである、請求項１６に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１８】
磁気ナノ粒子を用意し；
絶縁性の第１シェルで前記ナノ粒子を被覆し；
その後に前記第１シェルの外側に発光性の第２シェルを付ける；
ことを含む機能性ナノ粒子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１シェルは、ストーバー法で付けられ、前記第２シェルは、リバースマイクロエマルジョン法で付けられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シェルの両方は、リバースマイクロエマルジョン法で付けられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２シェルの外側に機能性表面を有する第３シェルを有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２シェルに、その成長中に、発光材料をドーピングすることを含む、請求項１８から２１の何れか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記発光材料は、染料及び量子ドットからなる群から選択される材料である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記発光材料は、ラブピー染料である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２シェルは、半導体材料からなる、請求項１８から２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記半導体材料は、ＣｄＳｅである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記磁気コアは、ＦｅｘＯｙである、請求項１８から２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記シェルの各々は、シリカである、請求項１８から２７の何れか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記コア及び第１シェルは、ナノ粒子コアシェル系を構成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記コアシェル系は、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅである、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
磁気コア；
前記磁気コアを囲う絶縁性の第１シェル；
前記第１シェルを囲う発光性の第２シェル；
を有する、機能性ナノ粒子。
【請求項２】
前記第２シェルは、量子ドット及び染料からなる群から選択される材料がドーピングされる、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項３】
前記第２シェルは、半導体材料からなる、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項４】
前記半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ及びＩＩＩ−Ｖ半導体ナノ結晶からなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項５】
前記半導体材料は、Ｃｄカルコゲニド、ＩｎＰ及びＧａＡｓからなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項６】
前記半導体材料は、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ及びＰｂＳｅからなる群から選択される、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項７】
前記半導体材料は、ＣｄＳｅである、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項８】
前記半導体材料は、三成分系である、請求項３に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項９】
前記三成分系は、ＣｄＴｅＳｅである、請求項８に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１０】
前記コア及び第１シェルは、ナノ粒子コアシェル系を構成する、請求項１に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１１】
前記コアシェル系は、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅである、請求項１０に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１２】
前記磁気コアは、ゼロ価金属及びフェライト材料からなる群から選択される、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１３】
前記磁気コアは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＳｍＣｏ５、ＦｅＰｔ及びＭｘＦｅｙＯｚ（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ・・・）からなる群から選択される、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１４】
前記磁気コアは、ＦｅｘＯｙである、請求項１から１１の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１５】
前記第１及び第２シェルは、シリカである、請求項１から１４の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１６】
前記第２シェルを囲う表面機能性を有する絶縁性の第３シェルをさらに有する、請求項１から１５の何れか一項に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１７】
前記第３シェルは、シリカである、請求項１６に記載の機能性ナノ粒子。
【請求項１８】
磁気ナノ粒子を用意し；
絶縁性の第１シェルで前記ナノ粒子を被覆し；
その後に前記第１シェルの外側に発光性の第２シェルを付ける；
ことを含む機能性ナノ粒子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１シェルは、ストーバー法で付けられ、前記第２シェルは、リバースマイクロエマルジョン法で付けられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シェルの両方は、リバースマイクロエマルジョン法で付けられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２シェルの外側に機能性表面を有する第３シェルを有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２シェルに、その成長中に、発光材料をドーピングすることを含む、請求項１８から２１の何れか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記発光材料は、染料及び量子ドットからなる群から選択される材料である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記発光材料は、ラブピー染料である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２シェルは、半導体材料からなる、請求項１８から２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記半導体材料は、ＣｄＳｅである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記磁気コアは、ＦｅｘＯｙである、請求項１８から２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記シェルの各々は、シリカである、請求項１８から２７の何れか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記コア及び第１シェルは、ナノ粒子コアシェル系を構成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記コアシェル系は、ＺｎＳにおけるＣｄＳｅである、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図２ｆ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図２ｆ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【公表番号】特表２００９−５２３０７１（Ｐ２００９−５２３０７１Ａ）
【公表日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４１５６３（Ｐ２００８−５４１５６３）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００６／００１９３５
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５９６３０
【国際公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（５９５００６２２３）ナショナル リサーチ カウンシル オブ カナダ (25)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００６／００１９３５
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５９６３０
【国際公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（５９５００６２２３）ナショナル リサーチ カウンシル オブ カナダ (25)
【Ｆターム（参考）】
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