大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜、その製造方法及び色素増感型デバイス電極
【課題】生体関連分子等を選択的かつ大量にハンドリングできるような、直径が３０〜１５０ｎｍの範囲の大孔径が存在し、その連結孔に関しても生体関連分子が通過できるような大きさの遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方及び透明薄膜を提供する。
【解決手段】親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニットと、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニットのブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする。
【解決手段】親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニットと、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニットのブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面活性剤存在下で調製した酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛の大孔径ナノ空間を大量に有する透明薄膜及びその製造方法に関するものであり、遷移金属酸化物の表面と生体関連分子との相互作用から誘導される吸着分離材として、また、遷移金属酸化物の表面に固定化した生体関連分子を利用する色素増感型デバイスの高感度センシングを可能とする電極部材としての、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
両親媒有機化合物が溶液中で自己集合する性質を利用して合成されるメソ多孔体は、骨格を構成する組成に応じて様々な応用展開が期待される。その中でも、シリカ系材料を中心に、孔径の制御、形態の制御、骨格内への異種元素の導入、メソ孔内の機能化等に関する研究開発と並行して、有機修飾等も利用しながら、医薬品等の比較的大きな有機分子の関与する吸着分離や、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）、触媒反応等への利用が検討されている。しかしながら、シリカ系材料によるメソ多孔体の孔径の制御範囲は広いものではなく、上記の利用に関しては未だ満足できるものとはなっていないのが現状である。
【０００３】
また、非シリカ系材料に関しても、有機分子集合体を利用した多様なメソ多孔体の合成が報告されているが、そのほとんどがポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン−ポリオキシエチレン（ＥＯｎＰＯｍＥＯｎ、ｎ、ｍは各ユニットの重合数）系トリブロック共重合体を利用して合成されたものであり、孔径の制御範囲は広いものではない。
【０００４】
また、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛等の半導体酸化物のメソ多孔体合成も数多く提案されているが、孔径は概ね１０ｎｍ以下の範囲であり、従って、タンパク質やＤＮＡのような大きさが１０ｎｍを超えるような生体関連分子等を選択的にハンドリングすることには利用できず、そのため更なる孔径の増大が望まれている。
【０００５】
さらに、ポリスチレン（以下、ＰＳと略称する）等の球状粒子の規則的な積層構造（オパール構造）を転写して無機酸化物の大孔径ナノ空間を有するマクロ多孔体（逆オパール構造）を得る方法が提案されている（非特許文献１）。この場合には２００ｎｍを超えるような大きな直径の球状細孔の形成は比較的多く提案されているが、それより小さな直径の多孔体薄膜の合成は知られていない。分散溶媒の揮発速度に比べて、小さなＰＳ球状粒子の積層（沈降）速度が遅いために、ＰＳ球状粒子を精密に積層することが困難であり、また、球状粒子の積層、無機前駆溶液の浸漬、分散溶媒の乾燥等多段階の合成プロセスが必要となる点もこのプロセスの短所である。例えば、薄膜の形成を行う場合にスピンコート法で成膜すると溶媒の揮発速度が速いために球状粒子が積層する前に薄膜が形成してしまい、球状ＰＳ粒子が孤立した状態で薄膜内部に導入されてしまう場合がある。
【０００６】
これらの状況に対し、ポリスチレン−ポリオキシエチレンジブロック共重合体（以下、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍと略称する）（ｎ、ｍは各ユニットの重合数）を用いた合成により、幾つかの大孔径メソ多孔体の合成が報告されているが、これらにおいても孔径の増大は不十分である。
【０００７】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた合成の特徴は球状メソ孔が生成しやすい点にあるが、生成したメソ孔の直径が生体関連分子のサイズに対応したものであったとしても、球状のメソ孔間の連結孔を生体関連分子が通過できなければ薄膜内部全体を有効に利用できないことから、単純に生成したメソ孔の直径をそのまま生体関連分子のサイズと関係付けてハンドリングが可能となることにはならない。
【０００８】
例えば、ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９を用いてメソポーラスシリカを合成した場合、孔径１０ｎｍの球状メソ孔が１ｎｍにも満たない孔で連結されており、ほぼ孤立した状態で存在している（非特許文献２）。また、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５を用いて合成したメソポーラスカーボンにおいても球状メソ孔が生成し、孔径は最大で２６ｎｍであるが、５ｎｍ程度の連結孔が存在しており、シリカの場合には孔径が３１ｎｍ近くのものが得られるが、その球状メソ孔は孤立しており、水熱処理を行うことで漸く孔で連結された状態にできる（非特許文献３）。ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９を用いて合成したメソポーラス白金の孔径も１５ｎｍにしかなっておらず、この場合も小さな孔で連結されているに過ぎない（非特許文献４）。
【０００９】
また、酸化チタン薄膜をＰＳ６０−ｂ−ＰＥＯ４５０を用いた合成例では、薄膜全体にクレーター状の空間（凹凸構造）が存在しているだけで、多孔質薄膜になっているわけではない。記載内容から算出できるクレーター状の空間の直径は３０ｎｍ程度とそれほど大きいものではない（非特許文献５）。従って、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた合成に関しては、生体分子を薄膜全体にまで拡散できるような多孔質構造を有する薄膜の合成は実現されていないのが現状である。
【００１０】
上記のように、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを利用したことにより、ある程度の孔径の増大は実現されたが、十分とは言えず、更には、連結孔が非常に小さいために、タンパク質やＤＮＡ等の１０ｎｍ以上の大きさの生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングできるような直径が３０〜１００ｎｍ、或いはそれ以上の範囲の大孔径を有する無機酸化物の合成はほとんど例がないのが現状である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Chemistry of Materials, 2008, Vol.20, p.649-666.「Morphological control in colloidal crystal templating of inverse opals, hierarchical structures, and shape particles」
【非特許文献２】Advanced Functional Materials, 2003, Vol.13, p.47-52.「Self-assembly and characterization of mesostructured silica films with a 3D arrangement of isolated spherical mesopores」
【非特許文献３】Journal of the Americal Chemical Society, 2007, Vol.129, p.1690-1697.「Ordered mesoporous silicas and carbons with large accessible pores templated from amphiphilic diblock copolymer poly(ethylene oxide)-b-polystyrene」
【非特許文献４】Angewandte Chemie International Edition, 2008, Vol.47, p.5371-5373.「Mesoporous platinum with giant mesocages templated from lyotropic liquid crystals consisting of diblock copolymers」
【非特許文献５】Journal of Materials Chemistry, 2009, Vol.19, p.7245-7250.「A versatile approach to the fabrication of TiO2 nanostructures with reverse morphology and mesoporous Ag/TiO2 thin films via cooperative PS-b-PEO self-assembly and a sol-gel process」
【非特許文献６】特許庁ＨＰ「資料室（その他参考情報）標準技術集：色素増感太陽電池2007.3.14」
【非特許文献７】Nature, 1991, Vol.353, p.737-740.「A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films」
【非特許文献８】Journal of the American Chemical Society, 1993, Vol.115, p.6382-6390.「Conversion of light to electricity by cis-X2bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II) charge-transfer sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-) on nanocrystalline titanium dioxide electrodes」
【非特許文献９】Nature, 1998, Vol.395, p.583-585.「Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、生体関連分子等を選択的かつ大量にハンドリングできるような、直径が３０〜１５０ｎｍの範囲の大孔径が存在し、その連結孔に関しても生体関連分子が通過できるような大きさの遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法及び透明薄膜を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、鋭意研究を積み重ねた結果、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの存在下で半導体酸化物薄膜を合成する際に、重合数の極めて大きいものを利用すると同時に、添加する無機原料を最適化することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
即ち、本発明によれば上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
【００１５】
第１：親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニット（以下、ＰＥＯユニットと略称する）と、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニット（以下、ＰＳユニットと略称する）のブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法である。
【００１６】
第２：上記第１の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜の構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される規則的、又は不規則的な球状空間の集合である。
【００１７】
第３：上記第２の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、界面活性剤の自己集合によって規定される大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍの範囲内である。
【００１８】
第４：上記第１から第３の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、大孔径ナノ空間が、１０ｎｍより大きい孔によって連結される。
【００１９】
第５：上記第１から第４の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜の主成分が、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛であって、非晶質構造、結晶構造又はその中間相を有する。
【００２０】
第６：上記第１から第５の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜を、高温で界面活性剤を除去する過程で結晶化させる。
【００２１】
第７：上記第１から第６の方法によって製造された透明薄膜であって、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が規則的又は不規則に集合してなることを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜である。
【００２２】
第８：上記第７の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍである。
【００２３】
第９：上記第７又は第８の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が、直径が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなる。
【００２４】
第１０：上記第７から第９の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、透明薄膜が、非晶質の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛から選択される１種以上から構成されている。
【００２５】
第１１：上記第７から第１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜からなることを特徴とする生体関連分子の吸着分離材である。
【００２６】
第１２：上記第７から第１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の大孔径ナノ空間に機能性色素分子を固定化したことを特徴とする色素増感型デバイス電極である。
【発明の効果】
【００２７】
上記第１から第６の本発明の方法によれば、ＰＳユニットのブロック共重合体の重合数を規定した重合数の極めて大きいＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの存在下で遷移金属酸化物の種類を規定して透明な前駆溶液を調製することにより、直径が１００ｎｍを超えるような大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の成膜が可能であり、大孔径ナノ空間周囲の壁厚を薄くすることで連結孔を生成、増大させることができる。
【００２８】
また、上記第７から第１０の発明によれば、上記第１から第６の発明の方法によって大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を現実のものとすることができる。
【００２９】
また、上記１１、１２の発明によれば、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は、生体関連分子を大量に固定化することができるので、吸着分離材として利用でき、更に、色素分子を標識した生体関連分子を利用することで色素増感太陽電池の電極部材、色素増感の原理を利用した有害化学物質の高感度センサーの電極部材としての利用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は実施例１の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略称する）写真であり、（ｂ）は拡大したＳＥＭ写真である。
【図２】実施例１の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を合成する際に利用した透明前駆溶液を乾燥して得られた粉末試料の粉末Ｘ線回折（以下、ＸＲＤと略称する）のグラフである。
【図３】実施例２の大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜のＳＥＭ写真である。
【図４】実施例２の大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜のＸＲＤのグラフである。
【図５】（ａ）は実施例４のスピンコート速度を３０００ｒｐｍで成膜し、４００℃で焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着挙動を示したグラフであり、（ｂ）は脱離挙動を示したグラフである。
【図６】実施例４の異なる焼成温度で合成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の変化を示したグラフである。
【図７】実施例４の各種酸化チタンの多孔体薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の比較である。
【図８】実施例４の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンと酸化スズの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の比較を示したグラフである。
【図９】実施例５の各種酸化チタンの多孔体薄膜表面へのＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着量の比較を示したグラフである。
【図１０】実施例５の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ｓｓＤＮＡを１２０ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１１】実施例５の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ｓｓＤＮＡを６ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１２】実施例６の４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面へのＣｙ５−ＸＧ６９の吸着を示したグラフである。
【図１３】実施例６の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ＸＧ６９を１２０ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１４】実施例６の４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面での抗原抗体反応を経て吸着する２次抗体からの蛍光値測定結果を示すグラフである。
【図１５】実施例６の４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面での抗原抗体反応を経て吸着する２次抗体に標識したＣｙ５からの光電流測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
【００３２】
本発明に用いる遷移金属酸化物の金属原料としては、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの内から選択される１種以上を用いることができる。
【００３３】
前記金属原料を遷移金属酸化物とするには、エタノール溶液に金属塩を添加する方法、また、金属アルコキシドに塩酸を加えて加水分解する方法により調製することができる。
【００３４】
上記金属原料を用いることにより、例えば、反応時に塩化物から塩化水素が発生する或いは塩酸を添加することで溶液が塩酸酸性になっていれば、後述する界面活性剤の親水性部がプロトン化され、溶解無機種との相互作用が強くなる。
【００３５】
また、金属アルコキシドを用いた場合にも、反応を制御する目的と同時に、塩酸を添加して酸性の前駆溶液を調製すればよく、最終的に無機原料を含む溶液が塩酸酸性であれば各種金属塩（硝酸塩、酢酸塩等）を出発原料に用いても問題はない。塩化物とアルコキシドを混合するだけでも酸化物ネットワークの形成が促され、同時に塩化水素が発生して酸性の前駆溶液を調製することができる。
【００３６】
本発明に用いられる界面活性剤は、親水的な役割を果たすＰＥＯユニットと疎水的な役割を果たすＰＳユニットから構成されるブロック共重合体である。
【００３７】
上記界面活性剤を本発明の製造方法に適用するには、溶媒に上記の界面活性剤を溶解して界面活性剤溶液を調製する。
【００３８】
界面活性剤溶液を調製するためにはＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを完全に溶解することが可能な溶媒の選択が重要である。ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍは各種溶媒への溶解性が低いためにその選択は容易ではないが、例えば、溶媒にはテトラヒドロフラン（以下、ＴＨＦと略称する）が好ましく、ＴＨＦとエタノールとの混合溶媒を用いることで比較的容易に透明な界面活性剤溶液を調製することができる。また、ジオキサン等の極性溶媒もＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを溶解する能力に優れており好適に用いることができる。
【００３９】
ＰＥＯユニットは、溶液中で溶解無機種と水素結合によって相互作用することが可能であり、また、塩酸酸性溶液中で使用することでプロトン化したＰＥＯユニットと溶解無機種がより強く静電的に相互作用し、界面活性剤が自己集合する過程でも親水性部近傍に安定的に無機種を存在させることができ、無機種間の結合生成等を経て、無機有機メソ構造体を生成させることができるため好ましい。
【００４０】
疎水性を示すユニットをＰＳユニットとする理由は、親水性と疎水性の差が大きい場合には、分子量の大きい、即ち重合度の大きいブロック共重合体を用いた場合にも界面活性剤としての自己集合構造を形成するからである。例えば、ＥＯｎＰＯｍＥＯｎを用いたメソ多孔体の合成は世界中から数多く論文報告されているが、ユニット毎の重合数は最大でも１００程度である。それ以上の重合度のＥＯｎＰＯｍＥＯｎを利用すると相分離を起こすようになるために、ナノレベルでの構造規則性を付与するために利用しずらくなる。そのため、ポリオキシプロピレン鎖ではなく、疎水性の強いＰＳユニットを含むブロック共重合体が大孔径ナノ空間を有する化合物の構造規定剤として必要となる。
【００４１】
ＰＥＯ−ＰＳジブロック共重合体以外にも、ＰＥＯ−ＰＳ−ＰＥＯトリブロック共重合体であっても親水性と疎水性の差は同様であるので、大孔径ナノ空間を有する化合物の構造規定剤として利用することができる。
【００４２】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ等の親水性と疎水性の差が大きいユニットから構成されるブロック共重合体は、極性溶媒中では球状に自己集合する性質が強い。そのため、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜のナノ構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される球状の大孔径ナノ空間の集合体であるとしている。
【００４３】
用いるブロック共重合体の分子量分布が広いと、会合数や分子量の違いから球状の集合体にもサイズのばらつきが生じるため、ナノ孔の集合が不規則になる場合がある。
【００４４】
一方、分子量分布が狭い場合には均一なナノ孔が生成し易く、大孔径ナノ空間が規則的に集合する傾向がある。しかし、無機種との相互作用の程度によっても親水部の見かけの分子量が変化するために最適条件下では規則性が高くなることがある。従って、球状粒子の規則的な積層構造として、各種立方構造及び三次元六方構造を有する大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造も可能である。
【００４５】
直径が３０ｎｍを超える大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得るためには、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの重合数、特に球状集合体のコア部分に相当するＰＳユニットの重合数が重要である。
【００４６】
例えば、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍが１分子で球状の集合体を形成すると仮定すると、ＰＳユニットの密度を１．０６ｇｃｍ-３（１００ｎｍラテックス球の密度を参考）、ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９では直径１０ｎｍ（シリカでは１０ｎｍ）（非特許文献２参照）、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５では直径が２０ｎｍ（シリカでは３１ｎｍ）（非特許文献２参照）の球状のＰＳ部分が生成していると計算できる。即ち、ＰＳユニットの重合数と孔径が単純な比例関係にあるわけではなく、重合数が大きなＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた場合には数分子が会合していると解釈することができる。
【００４７】
例えば、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５を用いた合成で孔径が３０ｎｍ程度の多孔体が生成しているならば（非特許文献３参照）、少なくとも４分子前後のＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５分子が会合していると解釈できる。
【００４８】
例えば、１分子集合体で直径３０ｎｍのＰＳユニットのコア部分の生成を実現するためにはＰＳユニットの分子量が１０００００（重合数は約９６０）程度のものが必要であり、数分子が会合することができれば、更に大きなＰＳユニットのコア部分が生成すると予想できる。
【００４９】
しかしながら、このような巨大な界面活性剤分子が単独で球状粒子を生成するか、又は複数分子が集合するのか、相分離を起こすのかは明らかにはなっていない。加えて、重合数の増大は溶解性を大きく低下させてしまうために、透明な前駆溶液を調製できるかも疑問である。球状粒子の生成或いは複数分子からなる集合体の形成が可能であると仮定すると、例えば、ＰＳユニットの分子量が１０００００の場合に５０ｎｍになるには５分子、１００ｎｍになるには３２分子、１５０ｎｍになるには１０８分子が会合する必要があるとすることができる。
【００５０】
一般に界面活性剤の会合数は分子量が大きいほど大きくなるとされているので、重合数と会合能力の両方を考慮して界面活性剤の分子構造を規定することができ、実際に直径が３０ｎｍを超える大孔径ナノ空間を有する化合物を得るためには、ＰＳユニットの重合数と会合数の両方を同時に考慮する必要がある。
【００５１】
従って、ＰＳユニットの重合数が３００程度であれば３分子が会合すると３０ｎｍ余りのＰＳコア部分の形成は可能であると考えられる。重合数を４０００程度まで増大しても、１分子で５０ｎｍ程度の球状の集合体の形成が可能であり、１５０ｎｍのＰＳユニットのコア部分を形成するには会合数が３０分子程度あればよい。
【００５２】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの重合数としては生成したコア部分を取り囲むことが可能であれば、ＰＥＯユニットの重合数（ｍ）にそれほど厳密な制限はない。
【００５３】
ただし、ＰＳユニットの重合数が大きくなると溶解性が大きく低下することが考慮されるので透明な前駆溶液を調製するための溶媒の選択が重要になる。
【００５４】
ＰＥＯユニットはシェル部分に相当し、その部分と相互作用して骨格を形成する遷移金属種の量が多すぎると折角生成した大きな孔は孤立してしまう。直径が３０〜１５０ｎｍのような大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜が得られても、１０ｎｍを超えるような生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングするのに十分なサイズの連結孔が必ずしも存在しているわけではない。
【００５５】
ＰＥＯユニットの重合数とも関連しながら、大孔径ナノ空間周囲の壁厚は無機原料の供給量によって概ね決定するので、その量を制御して壁厚を薄くしていくことで連結孔を制御することができる。
【００５６】
本発明の所望の連結孔を形成するための透明な前駆溶液の調製は、酸化チタンの場合、ＰＳ−ｂ−ＰＥＯ／溶媒（ＴＨＦ：エタノール＝４：１）の重量比で、０．５〜１．２の範囲で球状のマクロ孔が形成し、０．８〜１．０の範囲で連結孔の生成が多くなり好ましい。１．２〜２．０の範囲では球状のマクロ孔は消失し、酸化物粒子が生成する。
【００５７】
具体的には、例えば、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、チタンテトラプロポキシド（０．１３５ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）を加水分解したものを混合して調製した前駆溶液を挙げることができ、また、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、無水二塩化スズ（０．０６ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）を加水分解して純水（０．２ｍＬ）を添加したものを混合して調製した前駆溶液、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、塩酸酸性下、無水酢酸亜鉛（０．０８７ｇ）から調製された前駆溶液等を挙げることができる。
【００５８】
また、逆にＰＥＯユニットの重合数を減らしても、相互作用によりシェル部分に存在できる無機種の量が制御できるので、その重合数と無機原料の添加量の合成条件を最適化することにより壁厚を制御して連結孔を制御することができる。
【００５９】
上記のように、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の構造とＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの分子構造とは大きく関係していることは言うまでもなく、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの分子量分布は孔径分布、重合数は孔径や溶解性に主に影響すること等を考慮して、ＴＨＦ／エタノール比、溶媒量、塩酸量、反応時間等種々の合成条件を適宜調製して所望の透明薄膜を得ることが可能となる。ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ自身が単独でも溶媒中で球状に集合する傾向が強いことから、透明な前駆溶液を調製することが極めて重要である。ただし、透明薄膜全体に大孔径ナノ空間を導入するためにはＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍに対する遷移金属種の量も重要であり、このことは球状のナノ空間の連結性にも大きく影響する。
【００６０】
次に、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の具体的な製造方法について説明する。
【００６１】
遷移金属種を含む透明な前駆溶液を調製するためには、エタノール溶液に塩化物を添加して得られた酸性溶液或いはアルコキシドに濃塩酸を加えて加水分解した溶液を、別に調製した界面活性剤溶液と混合する。
【００６２】
得られた透明な前駆溶液を基板上に成膜した後、界面活性剤を除去して、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得る。
【００６３】
上記基板としては、表面が平滑であり、成膜に支障をきたすものでなければ特に制限はなく、例えば、ガラス、石英、シリコン、単結晶ＩＴＯ、グラファイト、テフロン(登録商標)等の基板を好適に用いることができる。
【００６４】
また、成膜のための塗布方法としては、スピンコート、ディップコート等の公知の方法により塗布することができる。これらの方法によれば、スピンコート速度や、ディップコートの引き上げ速度等の塗布条件を適宜調製することにより膜厚をコントロールすることができる。
【００６５】
成膜した薄膜から界面活性剤を除去する方法としては、焼成又は、ＵＶオゾン処理により除去することができる。
【００６６】
焼成による界面活性剤の除去条件としては、例えば、２５０℃という低温でも界面活性剤を除去することは可能であり、その際には遷移金属種は非晶質構造のままで大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。また、遷移金属種により結晶化温度は異なるが、更に高温で処理しても大孔径ナノ空間の構造は崩壊することなく、遷移金属種が結晶化した大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。
【００６７】
球状のＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ集合体を大量に含む遷移金属酸化物薄膜は透明性が高いため、上記の焼成による界面活性剤除去の他、紫外線照射によるＵＶオゾン処理によっても界面活性剤を除去することがでる。
【００６８】
低温での焼成又は、ＵＶオゾン処理により界面活性剤を除去した場合には、非晶質な骨格構造の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛からなる大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。また、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛それぞれの結晶化温度以上で焼成して界面活性剤を除去すると、同時に骨格構造の結晶化が徐々に進行し、微結晶を含む（非晶質構造と結晶構造の中間相）構造から特有の結晶構造を有する酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛からなる大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることが可能となる。
【００６９】
以下に、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の利用方法について具体的に例示して説明する。
【００７０】
医薬品等の比較的大きな有機分子の関与する吸着分離、ＤＤＳ、触媒反応等の利用には、既存の１０ｎｍ以下の孔径のメソ多孔体でも十分に対応することができるが、タンパク質やＤＮＡ等の生体関連分子等は１０ｎｍを超えるような分子サイズを有するため、これらの分子を選択的かつ大量にハンドリングすることは困難である。
【００７１】
本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜によれば、遷移金属酸化物の透明薄膜内に直径が３０〜１５０ｎｍの範囲に大孔径ナノ空間が大量に存在し、１０ｎｍを超えるような生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングするのに十分なサイズの連結孔を有しているので、酵素反応等に代表されるように、タンパク質やＤＮＡ等の生体内では極めて選択的かつ効率的に各種反応に重要な役割を果たすような機能性有機化合物を取り扱うための特異反応場とすることができる。
【００７２】
大孔径ナノ空間を構築する遷移金属酸化物の表面との相互作用を利用することで、機能性色素分子を選択的かつ大量に吸着させることができ、機能性色素分子が強く固定化できる場合には混合物からの分離も可能である。
【００７３】
また、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を電極材料として用いることもできる。
【００７４】
Ｇｒａｔｚｅｌ型の色素増感太陽電池（非特許文献６参照）に関する研究では、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化タングステン等の遷移金属酸化物と色素との各種組み合わせが検討されているが、酸化チタンとルテニウム錯体との組み合わせを超えるような変換効率を示すものは見つかっていない。例えば、酸化チタンのナノ結晶粒子とルテニウム錯体との組み合わせで変換効率１０％を実現したと報告されている（非特許文献７〜９参照）。これには、酸化チタン電極をナノ粒子で設計しているのは色素分子（ルテニウム錯体）の吸着量をより多くするためであるということが記されている。
【００７５】
本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は極めて有用な電極材料として、色素分子の吸着量を大幅に増大させられるだけでなく、薄膜の透明性が極めて高いために光エネルギーの効率的な変換も期待できる。
【００７６】
即ち、大量の機能性色素分子が酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛の大孔径ナノ空間の表面に強く固定化することができ、光エネルギーを大量に色素分子で捕捉して半導体電極へ移動させられるので、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は色素増感太陽電池の電極材料として有効に用いることができる。
【００７７】
更に、色素増感の原理を利用したセンサー系の構築にも、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を電極材料として利用することができる。
【００７８】
例えば、ごく微量でも毒性の高い環境ホルモンを高感度にセンシングするために、標識色素を利用して色素増感型デバイスを構成する。環境ホルモンとして疑われている化学物質（ダイオキシン類、エストラジオール、ビスフェノールＡ等）を可能な限り大量かつ選択的に半導体電極表面に吸着させることが高感度化にとって極めて重要となる。色素増感太陽電池では、光励起した色素からエネルギーが半導体電極に移動して電流が発生するという原理で太陽光の利用が可能になる。
【００７９】
センサー系では、光励起された標識色素から発生する蛍光或いは電子（光電流）をそれぞれ蛍光スペクトル測定或いは電流計を用いて検出する。例えば、電極表面に色素標識したＤＮＡを固定化すると、ダイオキシン類が極めて選択的にＤＮＡ分子と相互作用する。吸着と同時に標識色素が変性するので、変性した色素からの蛍光或いは光電流を検出することで高感度にダイオキシン類をセンシングできる。このときのＤＮＡをダイオキシン受容体と呼ぶ。エストラジオール受容体を電極表面に固定化しておけば、エストラジオールを高感度にセンシングできる。酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛いずれの大孔径ナノ空間を有する透明電極でも大量にＤＮＡ分子を固定化できる。
【００８０】
ビスフェノールＡの場合には、抗原抗体反応（モノクローナル抗体）を利用することで選択的な捕捉が可能である。抗体（１次）を電極表面に固定化し、ビスフェノールＡが存在する場合に限り、抗原がビスフェノールＡ挟み込む形で抗体（２次）と反応する。即ち、２次抗体を色素標識しておくことで、色素増感の原理を利用したセンシングが可能になる。
【実施例】
【００８１】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍとして、ＰＳユニットの数平均分子量が１００，０００（重合数が約９６０）、ＰＥＯユニットの数平均分子量１５０，０００（重合数が約３４００）のもの（ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００）を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）は、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、チタンテトラプロポキシド（０．１３５ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）をゆっくり滴下して予め加水分解した透明な溶液を調製し、その後界面活性剤の溶液と混合して透明な前駆溶液を得た。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで薄膜を得た。成膜直後に、酸化チタン骨格のネットワーク形成を減速さるために薄膜を−２０℃に冷却し、空気中の湿気で薄膜内部に霜が張る前までに５０℃での乾燥作業に進み、２５０℃或いは４００℃で焼成して界面活性剤の除去を行い、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を得た。同様にして、重合数の少ないＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを利用することで、任意により小さい直径のナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を得ることも可能であった。
【００８２】
図１（ａ）に示す得られた薄膜のＳＥＭ観察から大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在している様子が確認できた。この場合、ナノ空間の直径には分布があり、１０〜２００ｎｍ、多くは３０〜１５０ｎｍの範囲のナノ空間の存在を確認することができた。また、図１（ｂ）に示す高倍率でのＳＥＭ観察からは、大孔径ナノ空間が１０ｎｍより大きな孔によって連結している様子も確認することができた。
【００８３】
透明前駆溶液をトレイで乾燥させて得られた粉末試料を２５０℃及び４００℃で焼成して、酸化チタン骨格の結晶性と焼成温度との関係をＸＲＤ測定した。その結果を図２に示す。２５０℃で焼成した場合にはほとんどが非晶質構造、４００℃で焼成した場合には酸化チタンのアナターゼ相に帰属可能な回折ピークの存在が確認できた。
【００８４】
これにより、焼成温度によって、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の骨格の結晶性を制御することができることが確認された。また、薄膜を削り取って、透過型電子顕微鏡で高倍率観察を行うと、４００℃で焼成した薄膜の骨格内部に５〜１０ｎｍ程度のアナターゼ結晶が大量に存在している様子が見られた。スピンコート速度を８００〜３０００ｒｐｍで成膜した結果、２５０℃或いは４００℃で焼成した後の膜厚は２００ｎｍ前後であった。クリプトン（Ｋｒ）ガス吸着測定により薄膜の多孔性を評価した結果、比表面積は３０ｍ２ｃｍ-３前後であった。
実施例２
ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１０ｇ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、無水二塩化スズ（０．０６ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）滴下して予め加水分解して得た溶液に純水（０．２ｍＬ）を添加し、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００溶液と混合して透明な前駆溶液を調製した。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで薄膜を得た。成膜直後に一端薄膜を−２０℃に冷却し、５０℃で乾燥した後に４５０℃で焼成して界面活性剤の除去を行った。
【００８５】
図３に示すＳＥＭ観察から、得られた薄膜の大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在しており、ナノ空間の直径は１０〜１５０ｎｍと見積もることができ、更に、大孔径ナノ空間が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなる様子も確認できた。大孔径ナノ空間は酸化スズのナノ結晶によって取り囲まれている様子も確認されており、透明薄膜のＸＲＤ測定を直接行った結果、酸化スズ骨格が十分に結晶化していることが確認できた。そのＸＲＤ測定の結果を図４に示す。
【００８６】
以上より、大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜を得ることができたわけであるが、この場合には、スピンコート速度を１５００ｒｐｍとした結果、４５０℃焼成後の膜厚は約２００ｎｍ、Ｋｒガス吸着測定により算出した比表面積は約４０ｍ２ｃｍ-３であった。
実施例３
ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化亜鉛の透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．７６ｍＬ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、塩酸酸性下、無水酢酸亜鉛（０．０８７ｇ）から調製された透明溶液を界面活性剤溶液と混合して透明な前駆溶液を調製した。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで成膜し、完全に乾燥させた後に４００℃で焼成して界面活性剤の除去並びに酸化亜鉛骨格の結晶化を行った。
【００８７】
酸化チタンや酸化スズの場合と同様に、得られた薄膜のＳＥＭ観察から大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在していることが確認できた。透明薄膜のＸＲＤ測定から、酸化亜鉛骨格が十分に結晶化していることが確認できた。無水酢酸亜鉛の代りに無水塩化亜鉛を用いた場合にも、大孔径ナノ空間を有する透明薄膜を得ることができた。
実施例４
大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜表面への生体関連色素分子の吸着実験を行った。
【００８８】
０．１μｍのシトクロムｃ（以下、Ｃｙ−ｃと略称する）の水溶液を調製し、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を浸漬して吸着実験を行った。シトクロムは共有結合したヘム基を持つ色素タンパクであり、紫外可視分光測定（ＵＶ−Ｖｉｓ）で４１０ｎｍ付近にヘム基に由来するソーレー帯吸収が観察されるため、その吸収ピークの減少からＣｙ−ｃの吸着挙動を追跡し、初期濃度との変化から吸着量を算出した。吸着実験開始から１２０分経過するとスペクトルの変化がほとんど観察されなくなるため、次に吸着実験後の薄膜を純水中に再度浸漬して、Ｃｙ−ｃの脱離挙動を追跡した。
【００８９】
実施例１で調製した透明な前駆溶液を、スピンコート速度を３０００ｒｐｍで成膜し、４００℃で焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着挙動を図５（ａ）に、脱離挙動を図５（ｂ）に示す。透明薄膜を浸漬すると、時間の経過とともにＣｙ−ｃが吸着している様子が確認でき、吸着実験開始から１２０分経過するとスペクトルの変化がほぼ定常状態に達した。
【００９０】
脱離挙動のスペクトル変化を示す図５（ｂ）は縦軸のスケールを１５倍に拡大しているが、Ｃｙ−ｃの脱離がほとんど観察されなかった。このことは、酸化チタン表面にＣｙ−ｃが強く固定化していることを示している。
【００９１】
図６に、２５０〜６００℃の異なる焼成温度で合成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量の変化を示す。このＸＲＤ測定により、焼成温度を高くするとアナターゼ相が生成して結晶性が向上することが確認された。焼成温度を高くすると、比表面積はほとんど変わらないのに、Ｃｙ−ｃの吸着量が増大した。従って、酸化チタン骨格の結晶性もＣｙ−ｃの吸着量に影響を与えていることがわかる。
【００９２】
比較として、各種酸化チタンの多孔体薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量の比較を行った。その結果を図７に示す。メソ多孔体薄膜（Ｆ１２７と表記する）、エマルジョン由来のマクロ孔を含むメソ多孔体薄膜（Ｆ１２７＋ＴＩＰＢｚと表記する）、ＰＳビーズを添加して導入したマクロ孔を含め（Ｆ１２７＋ＰＳ（ｘ）と表記する）（ｘは５重量％ＰＳ水溶液添加量）メソ多孔体薄膜並びに酸化チタンのナノ粒子の体積膜（Ｐ２５ ｆｉｌｍと表記する）と比較して、比表面積が小さいにも関わらず、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量が圧倒的に大きな値を示した。このことは、メソ多孔体薄膜内にはＣｙ−ｃ（１０ｎｍ程度の分子径）が導入できず、Ｃｙ−ｃの吸着が表面近傍に制限されたためである。従って、マクロ孔のみからなり大きな連結孔が大量に存在している本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜がＣｙ−ｃのような比較的大きな分子に対して優れた吸着特性を示したと解釈できる。
【００９３】
実施例２の酸化スズで調製した透明な前駆溶液及び、実施例３の酸化亜鉛で調製した透明な前駆溶媒による、大孔径ナノ空間を有する酸化スズ及び酸化亜鉛の透明薄膜を用いて同様の実験を行った。これによれば、酸化スズを用いた場合にも大量のＣｙ−ｃが吸着することが確認された（図８参照）。ここから、大孔径ナノ空間の存在がＣｙ−ｃの吸着には重要であり、薄膜内部にまで吸着していることが推測することができる。シトクロムはタンパク質がヘム基を取り囲むような構造しているため、酸化チタンや酸化スズ等の遷移金属酸化物骨格の表面にはタンパク質が相互作用しているものと考えられる。従って、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物は、シトクロムだけでなく、塩基配列構造を有するＤＮＡやタンパク質等の生体関連分子の吸着分離材として極めて高い性能を示すと考えられる。
実施例５
実施例１で調製した透明な前駆溶液による大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜をフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）基板上へ成膜し、ＤＮＡの吸着実験を行った。ＤＮＡ１分子に対して１分子の色素（シトクロム）を標識して、その標識色素からの蛍光発光の強度測定からＤＮＡ吸着量を算出した。その分子をＣｙ５−ｓｓＤＮＡ（塩基配列：ＧＣＧＧＣＡＴＧＡＡＣＣＴＧＡＧＧＣＣＣＡＴＣＣＴ）と表記する。シトクロムのヘム基内部には金属中心が鉄（Ｆｅ）のポルフィリン環構造が存在しており、生体内では電子伝達タンパク質として機能するが、光エネルギーを捕捉するための色素分子としてポルフィリン環構造が利用されている。
【００９４】
具体的には、水に溶かしたｓｓＤＮＡを９５℃で１０分間加熱して変性させ、薄膜に５ｍＬをスポット滴下して、９５℃で１０分間保持した。薄膜を０．２％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液で洗浄、純水での濯ぎ、沸騰水中２分間浸漬、エタノール中４℃で２分間浸漬の順で基板を洗浄処理して余分な生体分子を除去した。
【００９５】
色素増感太陽電池の動作原理を利用して、光で励起して吸着している標識色素（Ｃｙ５）から発生する電子（光電流）が検出されるかを検討した。Ｃｙ５が吸着してない状態も評価するために、標識色素のないＤＮＡ（塩基配列：ＴＴＧＡＧＣＡＡＧＴＴＣＡＧＣＣＴＧＧＴＴＡＡＧ）の吸着実験も同様に行った。
【００９６】
実施例４に示したＣｙ−ｃの吸着、脱離挙動の調査では、水溶液からの吸着並びに水中への脱離の挙動からＣｙ−ｃが酸化チタン並びに酸化スズの表面と強く相互作用していることを示した。実施例５では、Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡを薄膜表面に固定化後、徹底的に基板を洗浄処理して余分な生体分子の除去行っているが、それにも拘らずＣｙ５−ｓｓＤＮＡは薄膜表面に固定化されていたことから、極めて強く固定化されていることが確認された。
【００９７】
各種酸化チタンの多孔体薄膜表面へのＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着量の比較を行った。その結果を図９に示す。４００℃焼成して骨格を結晶（アナターゼ）化したＦ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）と比較しても、本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜（３０００ｒｐｍで成膜した場合を表示）が極めて高い吸着性能を示していることがわかる。Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡの分子サイズが大きいために、Ｆ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）の場合は薄膜内部までＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着ができないことを表している。標識色素が無い場合には当然蛍光発光が観察されないが、Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡを吸着させると蛍光発光が確認でき、濃度を高くするとより多くのＣｙ５−ｓｓＤＮＡが吸着する様子が観察された。
【００９８】
次に、光で励起して吸着しているＣｙ５から発生する電子（光電流）が検出されるかを確認した。図１０に示すように、１２０ｍＷという強い光で励起したにも関わらず、Ｆ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）では極微量の光電流しか検出できなかった。一方、本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜（３０００ｒｐｍで成膜した場合を表示）は非常に高い電流値を示している。図１１に示すように、光源を６ｍＷと非常に弱いものに変えても、励起色素からの光電流を十分に検出することができた。即ち、各種色素増感の原理を利用した太陽電池等、色素増感型デバイスの高感度電極として極めて有望であることが確認された。
【００９９】
また、４５０℃焼成して骨格を結晶化した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面にもＣｙ５−ｓｓＤＮＡが吸着することが確認された。４００℃焼成して骨格を結晶化した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜の場合よりもＣｙ５−ｓｓＤＮＡ吸着量は１桁少なかったが、１２０ｍＷの光で励起すると電流値が飽和してしまうほどであり、光源を６ｍＷと非常に弱いものにすると光電流と色素吸着量の間に良好な関係が見られ、酸化チタン薄膜よりも大きな電流値を示した。
実施例６
実施例１で調製した透明な前駆溶液による大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜をＦＴＯ基板上へ成膜し、タンパク質（Ａｎｔｉ−ＡＦＰ抗体ＮＢ０−１３、ＡＦＰ：ａｌｐｈａ−ｆｅｔｏ−ｐｒｏｔｅｉｎ、日本バイオテスト）の吸着実験を行った。ＮＢ０−１３１分子に対して１分子の色素（Ｃｙ５）を標識した分子をＣｙ５−ＮＢ０−１３と表記し、その標識色素からの蛍光発光の強度測定からタンパク質の吸着量を算出した。吸着しているＣｙ５から発生する光電流が検出されるかについても確認した。
【０１００】
さらに、抗原抗体反応を利用したタンパク質の検出を行った。ＰＳＡ（Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｔｉｇｅｎ）抗体（ＸＧ−６９、ｇｏａｔ：Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．）を１次抗体として固定化し、２次抗体にはタンパク質（Ａｎｔｉ−ＰＳＡ ｍｏｎｏｃｌｏｎａｌ抗体：５Ａ６、ｍｏｕｓｅ：Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ−Ｏｎｌｉｎｅ ＧｍｂＨ）を用いた。この場合、５Ａ６１分子に対して１分子のＣｙ５を標識して（Ｃｙ５−５Ａ６）、その標識色素からの蛍光発光の強度測定並びに電流値測定から、タンパク質の吸着並びに光電流による検出が可能であるかをそれぞれ調査した。なお、タンパク質の蛍光修飾は全てＣｙ５ ｍＡｂ ｌａｂｅｌｌｉｎｇ ｋｉｔ（ＰＡ３５００１、ＧＥ Ｈｅａｌｔｈ Ｃａｒｅ）を用い、付属マニュアルに従って行った。
【０１０１】
図１２からもわかるように、ＸＧ−６９の濃度を濃くすると蛍光値が大きくなり、４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面にＡｎｔｉ−ＡＦＰ抗体が吸着することが確認できた。４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜でも同様な結果が得られた。図１３に示すように、吸着しているＣｙ５から発生する光電流も検出され、色素吸着量と良好な相関関係が確認された。
【０１０２】
４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面で抗原抗体反応が進行している様子が蛍光測定からは確認できたが、光電流は検出されなかった。一方、図１４に示すように、４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜でも、蛍光測定から抗原抗体反応が進行していることが確認できた。しかも、図１５に示すように、光電流測定の結果も蛍光値と良好な相関が確認でき、酸化スズ薄膜の場合には、色素増感太陽電池の原理を利用した光電流の検出が可能であった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面活性剤存在下で調製した酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛の大孔径ナノ空間を大量に有する透明薄膜及びその製造方法に関するものであり、遷移金属酸化物の表面と生体関連分子との相互作用から誘導される吸着分離材として、また、遷移金属酸化物の表面に固定化した生体関連分子を利用する色素増感型デバイスの高感度センシングを可能とする電極部材としての、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
両親媒有機化合物が溶液中で自己集合する性質を利用して合成されるメソ多孔体は、骨格を構成する組成に応じて様々な応用展開が期待される。その中でも、シリカ系材料を中心に、孔径の制御、形態の制御、骨格内への異種元素の導入、メソ孔内の機能化等に関する研究開発と並行して、有機修飾等も利用しながら、医薬品等の比較的大きな有機分子の関与する吸着分離や、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）、触媒反応等への利用が検討されている。しかしながら、シリカ系材料によるメソ多孔体の孔径の制御範囲は広いものではなく、上記の利用に関しては未だ満足できるものとはなっていないのが現状である。
【０００３】
また、非シリカ系材料に関しても、有機分子集合体を利用した多様なメソ多孔体の合成が報告されているが、そのほとんどがポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン−ポリオキシエチレン（ＥＯｎＰＯｍＥＯｎ、ｎ、ｍは各ユニットの重合数）系トリブロック共重合体を利用して合成されたものであり、孔径の制御範囲は広いものではない。
【０００４】
また、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛等の半導体酸化物のメソ多孔体合成も数多く提案されているが、孔径は概ね１０ｎｍ以下の範囲であり、従って、タンパク質やＤＮＡのような大きさが１０ｎｍを超えるような生体関連分子等を選択的にハンドリングすることには利用できず、そのため更なる孔径の増大が望まれている。
【０００５】
さらに、ポリスチレン（以下、ＰＳと略称する）等の球状粒子の規則的な積層構造（オパール構造）を転写して無機酸化物の大孔径ナノ空間を有するマクロ多孔体（逆オパール構造）を得る方法が提案されている（非特許文献１）。この場合には２００ｎｍを超えるような大きな直径の球状細孔の形成は比較的多く提案されているが、それより小さな直径の多孔体薄膜の合成は知られていない。分散溶媒の揮発速度に比べて、小さなＰＳ球状粒子の積層（沈降）速度が遅いために、ＰＳ球状粒子を精密に積層することが困難であり、また、球状粒子の積層、無機前駆溶液の浸漬、分散溶媒の乾燥等多段階の合成プロセスが必要となる点もこのプロセスの短所である。例えば、薄膜の形成を行う場合にスピンコート法で成膜すると溶媒の揮発速度が速いために球状粒子が積層する前に薄膜が形成してしまい、球状ＰＳ粒子が孤立した状態で薄膜内部に導入されてしまう場合がある。
【０００６】
これらの状況に対し、ポリスチレン−ポリオキシエチレンジブロック共重合体（以下、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍと略称する）（ｎ、ｍは各ユニットの重合数）を用いた合成により、幾つかの大孔径メソ多孔体の合成が報告されているが、これらにおいても孔径の増大は不十分である。
【０００７】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた合成の特徴は球状メソ孔が生成しやすい点にあるが、生成したメソ孔の直径が生体関連分子のサイズに対応したものであったとしても、球状のメソ孔間の連結孔を生体関連分子が通過できなければ薄膜内部全体を有効に利用できないことから、単純に生成したメソ孔の直径をそのまま生体関連分子のサイズと関係付けてハンドリングが可能となることにはならない。
【０００８】
例えば、ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９を用いてメソポーラスシリカを合成した場合、孔径１０ｎｍの球状メソ孔が１ｎｍにも満たない孔で連結されており、ほぼ孤立した状態で存在している（非特許文献２）。また、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５を用いて合成したメソポーラスカーボンにおいても球状メソ孔が生成し、孔径は最大で２６ｎｍであるが、５ｎｍ程度の連結孔が存在しており、シリカの場合には孔径が３１ｎｍ近くのものが得られるが、その球状メソ孔は孤立しており、水熱処理を行うことで漸く孔で連結された状態にできる（非特許文献３）。ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９を用いて合成したメソポーラス白金の孔径も１５ｎｍにしかなっておらず、この場合も小さな孔で連結されているに過ぎない（非特許文献４）。
【０００９】
また、酸化チタン薄膜をＰＳ６０−ｂ−ＰＥＯ４５０を用いた合成例では、薄膜全体にクレーター状の空間（凹凸構造）が存在しているだけで、多孔質薄膜になっているわけではない。記載内容から算出できるクレーター状の空間の直径は３０ｎｍ程度とそれほど大きいものではない（非特許文献５）。従って、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた合成に関しては、生体分子を薄膜全体にまで拡散できるような多孔質構造を有する薄膜の合成は実現されていないのが現状である。
【００１０】
上記のように、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを利用したことにより、ある程度の孔径の増大は実現されたが、十分とは言えず、更には、連結孔が非常に小さいために、タンパク質やＤＮＡ等の１０ｎｍ以上の大きさの生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングできるような直径が３０〜１００ｎｍ、或いはそれ以上の範囲の大孔径を有する無機酸化物の合成はほとんど例がないのが現状である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Chemistry of Materials, 2008, Vol.20, p.649-666.「Morphological control in colloidal crystal templating of inverse opals, hierarchical structures, and shape particles」
【非特許文献２】Advanced Functional Materials, 2003, Vol.13, p.47-52.「Self-assembly and characterization of mesostructured silica films with a 3D arrangement of isolated spherical mesopores」
【非特許文献３】Journal of the Americal Chemical Society, 2007, Vol.129, p.1690-1697.「Ordered mesoporous silicas and carbons with large accessible pores templated from amphiphilic diblock copolymer poly(ethylene oxide)-b-polystyrene」
【非特許文献４】Angewandte Chemie International Edition, 2008, Vol.47, p.5371-5373.「Mesoporous platinum with giant mesocages templated from lyotropic liquid crystals consisting of diblock copolymers」
【非特許文献５】Journal of Materials Chemistry, 2009, Vol.19, p.7245-7250.「A versatile approach to the fabrication of TiO2 nanostructures with reverse morphology and mesoporous Ag/TiO2 thin films via cooperative PS-b-PEO self-assembly and a sol-gel process」
【非特許文献６】特許庁ＨＰ「資料室（その他参考情報）標準技術集：色素増感太陽電池2007.3.14」
【非特許文献７】Nature, 1991, Vol.353, p.737-740.「A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films」
【非特許文献８】Journal of the American Chemical Society, 1993, Vol.115, p.6382-6390.「Conversion of light to electricity by cis-X2bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II) charge-transfer sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-) on nanocrystalline titanium dioxide electrodes」
【非特許文献９】Nature, 1998, Vol.395, p.583-585.「Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、生体関連分子等を選択的かつ大量にハンドリングできるような、直径が３０〜１５０ｎｍの範囲の大孔径が存在し、その連結孔に関しても生体関連分子が通過できるような大きさの遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法及び透明薄膜を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、鋭意研究を積み重ねた結果、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの存在下で半導体酸化物薄膜を合成する際に、重合数の極めて大きいものを利用すると同時に、添加する無機原料を最適化することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
即ち、本発明によれば上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
【００１５】
第１：親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニット（以下、ＰＥＯユニットと略称する）と、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニット（以下、ＰＳユニットと略称する）のブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法である。
【００１６】
第２：上記第１の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜の構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される規則的、又は不規則的な球状空間の集合である。
【００１７】
第３：上記第２の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、界面活性剤の自己集合によって規定される大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍの範囲内である。
【００１８】
第４：上記第１から第３の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、大孔径ナノ空間が、１０ｎｍより大きい孔によって連結される。
【００１９】
第５：上記第１から第４の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜の主成分が、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛であって、非晶質構造、結晶構造又はその中間相を有する。
【００２０】
第６：上記第１から第５の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法において、透明薄膜を、高温で界面活性剤を除去する過程で結晶化させる。
【００２１】
第７：上記第１から第６の方法によって製造された透明薄膜であって、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が規則的又は不規則に集合してなることを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜である。
【００２２】
第８：上記第７の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍである。
【００２３】
第９：上記第７又は第８の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が、直径が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなる。
【００２４】
第１０：上記第７から第９の発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜において、透明薄膜が、非晶質の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛から選択される１種以上から構成されている。
【００２５】
第１１：上記第７から第１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜からなることを特徴とする生体関連分子の吸着分離材である。
【００２６】
第１２：上記第７から第１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の大孔径ナノ空間に機能性色素分子を固定化したことを特徴とする色素増感型デバイス電極である。
【発明の効果】
【００２７】
上記第１から第６の本発明の方法によれば、ＰＳユニットのブロック共重合体の重合数を規定した重合数の極めて大きいＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの存在下で遷移金属酸化物の種類を規定して透明な前駆溶液を調製することにより、直径が１００ｎｍを超えるような大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の成膜が可能であり、大孔径ナノ空間周囲の壁厚を薄くすることで連結孔を生成、増大させることができる。
【００２８】
また、上記第７から第１０の発明によれば、上記第１から第６の発明の方法によって大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を現実のものとすることができる。
【００２９】
また、上記１１、１２の発明によれば、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は、生体関連分子を大量に固定化することができるので、吸着分離材として利用でき、更に、色素分子を標識した生体関連分子を利用することで色素増感太陽電池の電極部材、色素増感の原理を利用した有害化学物質の高感度センサーの電極部材としての利用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は実施例１の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略称する）写真であり、（ｂ）は拡大したＳＥＭ写真である。
【図２】実施例１の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を合成する際に利用した透明前駆溶液を乾燥して得られた粉末試料の粉末Ｘ線回折（以下、ＸＲＤと略称する）のグラフである。
【図３】実施例２の大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜のＳＥＭ写真である。
【図４】実施例２の大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜のＸＲＤのグラフである。
【図５】（ａ）は実施例４のスピンコート速度を３０００ｒｐｍで成膜し、４００℃で焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着挙動を示したグラフであり、（ｂ）は脱離挙動を示したグラフである。
【図６】実施例４の異なる焼成温度で合成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の変化を示したグラフである。
【図７】実施例４の各種酸化チタンの多孔体薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の比較である。
【図８】実施例４の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンと酸化スズの透明薄膜の表面へのシトクロムｃの吸着量の比較を示したグラフである。
【図９】実施例５の各種酸化チタンの多孔体薄膜表面へのＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着量の比較を示したグラフである。
【図１０】実施例５の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ｓｓＤＮＡを１２０ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１１】実施例５の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ｓｓＤＮＡを６ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１２】実施例６の４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面へのＣｙ５−ＸＧ６９の吸着を示したグラフである。
【図１３】実施例６の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面に固定化したＣｙ５−ＸＧ６９を１２０ｍＷの光で励起した場合に発生する光電流と各種酸化チタンの多孔体薄膜との比較を示したグラフである。
【図１４】実施例６の４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面での抗原抗体反応を経て吸着する２次抗体からの蛍光値測定結果を示すグラフである。
【図１５】実施例６の４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面での抗原抗体反応を経て吸着する２次抗体に標識したＣｙ５からの光電流測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
【００３２】
本発明に用いる遷移金属酸化物の金属原料としては、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの内から選択される１種以上を用いることができる。
【００３３】
前記金属原料を遷移金属酸化物とするには、エタノール溶液に金属塩を添加する方法、また、金属アルコキシドに塩酸を加えて加水分解する方法により調製することができる。
【００３４】
上記金属原料を用いることにより、例えば、反応時に塩化物から塩化水素が発生する或いは塩酸を添加することで溶液が塩酸酸性になっていれば、後述する界面活性剤の親水性部がプロトン化され、溶解無機種との相互作用が強くなる。
【００３５】
また、金属アルコキシドを用いた場合にも、反応を制御する目的と同時に、塩酸を添加して酸性の前駆溶液を調製すればよく、最終的に無機原料を含む溶液が塩酸酸性であれば各種金属塩（硝酸塩、酢酸塩等）を出発原料に用いても問題はない。塩化物とアルコキシドを混合するだけでも酸化物ネットワークの形成が促され、同時に塩化水素が発生して酸性の前駆溶液を調製することができる。
【００３６】
本発明に用いられる界面活性剤は、親水的な役割を果たすＰＥＯユニットと疎水的な役割を果たすＰＳユニットから構成されるブロック共重合体である。
【００３７】
上記界面活性剤を本発明の製造方法に適用するには、溶媒に上記の界面活性剤を溶解して界面活性剤溶液を調製する。
【００３８】
界面活性剤溶液を調製するためにはＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを完全に溶解することが可能な溶媒の選択が重要である。ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍは各種溶媒への溶解性が低いためにその選択は容易ではないが、例えば、溶媒にはテトラヒドロフラン（以下、ＴＨＦと略称する）が好ましく、ＴＨＦとエタノールとの混合溶媒を用いることで比較的容易に透明な界面活性剤溶液を調製することができる。また、ジオキサン等の極性溶媒もＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを溶解する能力に優れており好適に用いることができる。
【００３９】
ＰＥＯユニットは、溶液中で溶解無機種と水素結合によって相互作用することが可能であり、また、塩酸酸性溶液中で使用することでプロトン化したＰＥＯユニットと溶解無機種がより強く静電的に相互作用し、界面活性剤が自己集合する過程でも親水性部近傍に安定的に無機種を存在させることができ、無機種間の結合生成等を経て、無機有機メソ構造体を生成させることができるため好ましい。
【００４０】
疎水性を示すユニットをＰＳユニットとする理由は、親水性と疎水性の差が大きい場合には、分子量の大きい、即ち重合度の大きいブロック共重合体を用いた場合にも界面活性剤としての自己集合構造を形成するからである。例えば、ＥＯｎＰＯｍＥＯｎを用いたメソ多孔体の合成は世界中から数多く論文報告されているが、ユニット毎の重合数は最大でも１００程度である。それ以上の重合度のＥＯｎＰＯｍＥＯｎを利用すると相分離を起こすようになるために、ナノレベルでの構造規則性を付与するために利用しずらくなる。そのため、ポリオキシプロピレン鎖ではなく、疎水性の強いＰＳユニットを含むブロック共重合体が大孔径ナノ空間を有する化合物の構造規定剤として必要となる。
【００４１】
ＰＥＯ−ＰＳジブロック共重合体以外にも、ＰＥＯ−ＰＳ−ＰＥＯトリブロック共重合体であっても親水性と疎水性の差は同様であるので、大孔径ナノ空間を有する化合物の構造規定剤として利用することができる。
【００４２】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ等の親水性と疎水性の差が大きいユニットから構成されるブロック共重合体は、極性溶媒中では球状に自己集合する性質が強い。そのため、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜のナノ構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される球状の大孔径ナノ空間の集合体であるとしている。
【００４３】
用いるブロック共重合体の分子量分布が広いと、会合数や分子量の違いから球状の集合体にもサイズのばらつきが生じるため、ナノ孔の集合が不規則になる場合がある。
【００４４】
一方、分子量分布が狭い場合には均一なナノ孔が生成し易く、大孔径ナノ空間が規則的に集合する傾向がある。しかし、無機種との相互作用の程度によっても親水部の見かけの分子量が変化するために最適条件下では規則性が高くなることがある。従って、球状粒子の規則的な積層構造として、各種立方構造及び三次元六方構造を有する大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造も可能である。
【００４５】
直径が３０ｎｍを超える大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得るためには、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの重合数、特に球状集合体のコア部分に相当するＰＳユニットの重合数が重要である。
【００４６】
例えば、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍが１分子で球状の集合体を形成すると仮定すると、ＰＳユニットの密度を１．０６ｇｃｍ-３（１００ｎｍラテックス球の密度を参考）、ＰＳ３５−ｂ−ＰＥＯ１０９では直径１０ｎｍ（シリカでは１０ｎｍ）（非特許文献２参照）、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５では直径が２０ｎｍ（シリカでは３１ｎｍ）（非特許文献２参照）の球状のＰＳ部分が生成していると計算できる。即ち、ＰＳユニットの重合数と孔径が単純な比例関係にあるわけではなく、重合数が大きなＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを用いた場合には数分子が会合していると解釈することができる。
【００４７】
例えば、ＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５を用いた合成で孔径が３０ｎｍ程度の多孔体が生成しているならば（非特許文献３参照）、少なくとも４分子前後のＰＳ２３０−ｂ−ＰＥＯ１２５分子が会合していると解釈できる。
【００４８】
例えば、１分子集合体で直径３０ｎｍのＰＳユニットのコア部分の生成を実現するためにはＰＳユニットの分子量が１０００００（重合数は約９６０）程度のものが必要であり、数分子が会合することができれば、更に大きなＰＳユニットのコア部分が生成すると予想できる。
【００４９】
しかしながら、このような巨大な界面活性剤分子が単独で球状粒子を生成するか、又は複数分子が集合するのか、相分離を起こすのかは明らかにはなっていない。加えて、重合数の増大は溶解性を大きく低下させてしまうために、透明な前駆溶液を調製できるかも疑問である。球状粒子の生成或いは複数分子からなる集合体の形成が可能であると仮定すると、例えば、ＰＳユニットの分子量が１０００００の場合に５０ｎｍになるには５分子、１００ｎｍになるには３２分子、１５０ｎｍになるには１０８分子が会合する必要があるとすることができる。
【００５０】
一般に界面活性剤の会合数は分子量が大きいほど大きくなるとされているので、重合数と会合能力の両方を考慮して界面活性剤の分子構造を規定することができ、実際に直径が３０ｎｍを超える大孔径ナノ空間を有する化合物を得るためには、ＰＳユニットの重合数と会合数の両方を同時に考慮する必要がある。
【００５１】
従って、ＰＳユニットの重合数が３００程度であれば３分子が会合すると３０ｎｍ余りのＰＳコア部分の形成は可能であると考えられる。重合数を４０００程度まで増大しても、１分子で５０ｎｍ程度の球状の集合体の形成が可能であり、１５０ｎｍのＰＳユニットのコア部分を形成するには会合数が３０分子程度あればよい。
【００５２】
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの重合数としては生成したコア部分を取り囲むことが可能であれば、ＰＥＯユニットの重合数（ｍ）にそれほど厳密な制限はない。
【００５３】
ただし、ＰＳユニットの重合数が大きくなると溶解性が大きく低下することが考慮されるので透明な前駆溶液を調製するための溶媒の選択が重要になる。
【００５４】
ＰＥＯユニットはシェル部分に相当し、その部分と相互作用して骨格を形成する遷移金属種の量が多すぎると折角生成した大きな孔は孤立してしまう。直径が３０〜１５０ｎｍのような大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜が得られても、１０ｎｍを超えるような生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングするのに十分なサイズの連結孔が必ずしも存在しているわけではない。
【００５５】
ＰＥＯユニットの重合数とも関連しながら、大孔径ナノ空間周囲の壁厚は無機原料の供給量によって概ね決定するので、その量を制御して壁厚を薄くしていくことで連結孔を制御することができる。
【００５６】
本発明の所望の連結孔を形成するための透明な前駆溶液の調製は、酸化チタンの場合、ＰＳ−ｂ−ＰＥＯ／溶媒（ＴＨＦ：エタノール＝４：１）の重量比で、０．５〜１．２の範囲で球状のマクロ孔が形成し、０．８〜１．０の範囲で連結孔の生成が多くなり好ましい。１．２〜２．０の範囲では球状のマクロ孔は消失し、酸化物粒子が生成する。
【００５７】
具体的には、例えば、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、チタンテトラプロポキシド（０．１３５ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）を加水分解したものを混合して調製した前駆溶液を挙げることができ、また、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、無水二塩化スズ（０．０６ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）を加水分解して純水（０．２ｍＬ）を添加したものを混合して調製した前駆溶液、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）に溶解した混合溶媒に対し、塩酸酸性下、無水酢酸亜鉛（０．０８７ｇ）から調製された前駆溶液等を挙げることができる。
【００５８】
また、逆にＰＥＯユニットの重合数を減らしても、相互作用によりシェル部分に存在できる無機種の量が制御できるので、その重合数と無機原料の添加量の合成条件を最適化することにより壁厚を制御して連結孔を制御することができる。
【００５９】
上記のように、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の構造とＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの分子構造とは大きく関係していることは言うまでもなく、ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍの分子量分布は孔径分布、重合数は孔径や溶解性に主に影響すること等を考慮して、ＴＨＦ／エタノール比、溶媒量、塩酸量、反応時間等種々の合成条件を適宜調製して所望の透明薄膜を得ることが可能となる。ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ自身が単独でも溶媒中で球状に集合する傾向が強いことから、透明な前駆溶液を調製することが極めて重要である。ただし、透明薄膜全体に大孔径ナノ空間を導入するためにはＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍに対する遷移金属種の量も重要であり、このことは球状のナノ空間の連結性にも大きく影響する。
【００６０】
次に、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の具体的な製造方法について説明する。
【００６１】
遷移金属種を含む透明な前駆溶液を調製するためには、エタノール溶液に塩化物を添加して得られた酸性溶液或いはアルコキシドに濃塩酸を加えて加水分解した溶液を、別に調製した界面活性剤溶液と混合する。
【００６２】
得られた透明な前駆溶液を基板上に成膜した後、界面活性剤を除去して、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得る。
【００６３】
上記基板としては、表面が平滑であり、成膜に支障をきたすものでなければ特に制限はなく、例えば、ガラス、石英、シリコン、単結晶ＩＴＯ、グラファイト、テフロン(登録商標)等の基板を好適に用いることができる。
【００６４】
また、成膜のための塗布方法としては、スピンコート、ディップコート等の公知の方法により塗布することができる。これらの方法によれば、スピンコート速度や、ディップコートの引き上げ速度等の塗布条件を適宜調製することにより膜厚をコントロールすることができる。
【００６５】
成膜した薄膜から界面活性剤を除去する方法としては、焼成又は、ＵＶオゾン処理により除去することができる。
【００６６】
焼成による界面活性剤の除去条件としては、例えば、２５０℃という低温でも界面活性剤を除去することは可能であり、その際には遷移金属種は非晶質構造のままで大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。また、遷移金属種により結晶化温度は異なるが、更に高温で処理しても大孔径ナノ空間の構造は崩壊することなく、遷移金属種が結晶化した大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。
【００６７】
球状のＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍ集合体を大量に含む遷移金属酸化物薄膜は透明性が高いため、上記の焼成による界面活性剤除去の他、紫外線照射によるＵＶオゾン処理によっても界面活性剤を除去することがでる。
【００６８】
低温での焼成又は、ＵＶオゾン処理により界面活性剤を除去した場合には、非晶質な骨格構造の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛からなる大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることができる。また、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛それぞれの結晶化温度以上で焼成して界面活性剤を除去すると、同時に骨格構造の結晶化が徐々に進行し、微結晶を含む（非晶質構造と結晶構造の中間相）構造から特有の結晶構造を有する酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛からなる大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を得ることが可能となる。
【００６９】
以下に、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の利用方法について具体的に例示して説明する。
【００７０】
医薬品等の比較的大きな有機分子の関与する吸着分離、ＤＤＳ、触媒反応等の利用には、既存の１０ｎｍ以下の孔径のメソ多孔体でも十分に対応することができるが、タンパク質やＤＮＡ等の生体関連分子等は１０ｎｍを超えるような分子サイズを有するため、これらの分子を選択的かつ大量にハンドリングすることは困難である。
【００７１】
本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜によれば、遷移金属酸化物の透明薄膜内に直径が３０〜１５０ｎｍの範囲に大孔径ナノ空間が大量に存在し、１０ｎｍを超えるような生体関連分子を選択的かつ大量にハンドリングするのに十分なサイズの連結孔を有しているので、酵素反応等に代表されるように、タンパク質やＤＮＡ等の生体内では極めて選択的かつ効率的に各種反応に重要な役割を果たすような機能性有機化合物を取り扱うための特異反応場とすることができる。
【００７２】
大孔径ナノ空間を構築する遷移金属酸化物の表面との相互作用を利用することで、機能性色素分子を選択的かつ大量に吸着させることができ、機能性色素分子が強く固定化できる場合には混合物からの分離も可能である。
【００７３】
また、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を電極材料として用いることもできる。
【００７４】
Ｇｒａｔｚｅｌ型の色素増感太陽電池（非特許文献６参照）に関する研究では、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化タングステン等の遷移金属酸化物と色素との各種組み合わせが検討されているが、酸化チタンとルテニウム錯体との組み合わせを超えるような変換効率を示すものは見つかっていない。例えば、酸化チタンのナノ結晶粒子とルテニウム錯体との組み合わせで変換効率１０％を実現したと報告されている（非特許文献７〜９参照）。これには、酸化チタン電極をナノ粒子で設計しているのは色素分子（ルテニウム錯体）の吸着量をより多くするためであるということが記されている。
【００７５】
本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は極めて有用な電極材料として、色素分子の吸着量を大幅に増大させられるだけでなく、薄膜の透明性が極めて高いために光エネルギーの効率的な変換も期待できる。
【００７６】
即ち、大量の機能性色素分子が酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛の大孔径ナノ空間の表面に強く固定化することができ、光エネルギーを大量に色素分子で捕捉して半導体電極へ移動させられるので、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜は色素増感太陽電池の電極材料として有効に用いることができる。
【００７７】
更に、色素増感の原理を利用したセンサー系の構築にも、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜を電極材料として利用することができる。
【００７８】
例えば、ごく微量でも毒性の高い環境ホルモンを高感度にセンシングするために、標識色素を利用して色素増感型デバイスを構成する。環境ホルモンとして疑われている化学物質（ダイオキシン類、エストラジオール、ビスフェノールＡ等）を可能な限り大量かつ選択的に半導体電極表面に吸着させることが高感度化にとって極めて重要となる。色素増感太陽電池では、光励起した色素からエネルギーが半導体電極に移動して電流が発生するという原理で太陽光の利用が可能になる。
【００７９】
センサー系では、光励起された標識色素から発生する蛍光或いは電子（光電流）をそれぞれ蛍光スペクトル測定或いは電流計を用いて検出する。例えば、電極表面に色素標識したＤＮＡを固定化すると、ダイオキシン類が極めて選択的にＤＮＡ分子と相互作用する。吸着と同時に標識色素が変性するので、変性した色素からの蛍光或いは光電流を検出することで高感度にダイオキシン類をセンシングできる。このときのＤＮＡをダイオキシン受容体と呼ぶ。エストラジオール受容体を電極表面に固定化しておけば、エストラジオールを高感度にセンシングできる。酸化チタン、酸化スズ及び酸化亜鉛いずれの大孔径ナノ空間を有する透明電極でも大量にＤＮＡ分子を固定化できる。
【００８０】
ビスフェノールＡの場合には、抗原抗体反応（モノクローナル抗体）を利用することで選択的な捕捉が可能である。抗体（１次）を電極表面に固定化し、ビスフェノールＡが存在する場合に限り、抗原がビスフェノールＡ挟み込む形で抗体（２次）と反応する。即ち、２次抗体を色素標識しておくことで、色素増感の原理を利用したセンシングが可能になる。
【実施例】
【００８１】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
ＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍとして、ＰＳユニットの数平均分子量が１００，０００（重合数が約９６０）、ＰＥＯユニットの数平均分子量１５０，０００（重合数が約３４００）のもの（ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００）を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）は、体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．２５ｍＬ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、チタンテトラプロポキシド（０．１３５ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）をゆっくり滴下して予め加水分解した透明な溶液を調製し、その後界面活性剤の溶液と混合して透明な前駆溶液を得た。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで薄膜を得た。成膜直後に、酸化チタン骨格のネットワーク形成を減速さるために薄膜を−２０℃に冷却し、空気中の湿気で薄膜内部に霜が張る前までに５０℃での乾燥作業に進み、２５０℃或いは４００℃で焼成して界面活性剤の除去を行い、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を得た。同様にして、重合数の少ないＰＳｎ−ｂ−ＰＥＯｍを利用することで、任意により小さい直径のナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を得ることも可能であった。
【００８２】
図１（ａ）に示す得られた薄膜のＳＥＭ観察から大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在している様子が確認できた。この場合、ナノ空間の直径には分布があり、１０〜２００ｎｍ、多くは３０〜１５０ｎｍの範囲のナノ空間の存在を確認することができた。また、図１（ｂ）に示す高倍率でのＳＥＭ観察からは、大孔径ナノ空間が１０ｎｍより大きな孔によって連結している様子も確認することができた。
【００８３】
透明前駆溶液をトレイで乾燥させて得られた粉末試料を２５０℃及び４００℃で焼成して、酸化チタン骨格の結晶性と焼成温度との関係をＸＲＤ測定した。その結果を図２に示す。２５０℃で焼成した場合にはほとんどが非晶質構造、４００℃で焼成した場合には酸化チタンのアナターゼ相に帰属可能な回折ピークの存在が確認できた。
【００８４】
これにより、焼成温度によって、大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の骨格の結晶性を制御することができることが確認された。また、薄膜を削り取って、透過型電子顕微鏡で高倍率観察を行うと、４００℃で焼成した薄膜の骨格内部に５〜１０ｎｍ程度のアナターゼ結晶が大量に存在している様子が見られた。スピンコート速度を８００〜３０００ｒｐｍで成膜した結果、２５０℃或いは４００℃で焼成した後の膜厚は２００ｎｍ前後であった。クリプトン（Ｋｒ）ガス吸着測定により薄膜の多孔性を評価した結果、比表面積は３０ｍ２ｃｍ-３前後であった。
実施例２
ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１０ｇ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、無水二塩化スズ（０．０６ｇ）に濃塩酸（０．２９６ｍＬ）滴下して予め加水分解して得た溶液に純水（０．２ｍＬ）を添加し、ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００溶液と混合して透明な前駆溶液を調製した。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで薄膜を得た。成膜直後に一端薄膜を−２０℃に冷却し、５０℃で乾燥した後に４５０℃で焼成して界面活性剤の除去を行った。
【００８５】
図３に示すＳＥＭ観察から、得られた薄膜の大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在しており、ナノ空間の直径は１０〜１５０ｎｍと見積もることができ、更に、大孔径ナノ空間が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなる様子も確認できた。大孔径ナノ空間は酸化スズのナノ結晶によって取り囲まれている様子も確認されており、透明薄膜のＸＲＤ測定を直接行った結果、酸化スズ骨格が十分に結晶化していることが確認できた。そのＸＲＤ測定の結果を図４に示す。
【００８６】
以上より、大孔径ナノ空間を有する酸化スズの透明薄膜を得ることができたわけであるが、この場合には、スピンコート速度を１５００ｒｐｍとした結果、４５０℃焼成後の膜厚は約２００ｎｍ、Ｋｒガス吸着測定により算出した比表面積は約４０ｍ２ｃｍ-３であった。
実施例３
ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００を用いて大孔径ナノ空間を有する酸化亜鉛の透明薄膜の合成を行った。ＰＳ９６０−ｂ−ＰＥＯ３４００（０．０８ｇ）を体積比４：１のＴＨＦ／エタノール（１１．７６ｍＬ）混合溶媒に完全に溶解した。次に、塩酸酸性下、無水酢酸亜鉛（０．０８７ｇ）から調製された透明溶液を界面活性剤溶液と混合して透明な前駆溶液を調製した。得られた溶液をガラス基板上にスピンコートすることで成膜し、完全に乾燥させた後に４００℃で焼成して界面活性剤の除去並びに酸化亜鉛骨格の結晶化を行った。
【００８７】
酸化チタンや酸化スズの場合と同様に、得られた薄膜のＳＥＭ観察から大孔径ナノ空間が薄膜全体に存在していることが確認できた。透明薄膜のＸＲＤ測定から、酸化亜鉛骨格が十分に結晶化していることが確認できた。無水酢酸亜鉛の代りに無水塩化亜鉛を用いた場合にも、大孔径ナノ空間を有する透明薄膜を得ることができた。
実施例４
大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜表面への生体関連色素分子の吸着実験を行った。
【００８８】
０．１μｍのシトクロムｃ（以下、Ｃｙ−ｃと略称する）の水溶液を調製し、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜を浸漬して吸着実験を行った。シトクロムは共有結合したヘム基を持つ色素タンパクであり、紫外可視分光測定（ＵＶ−Ｖｉｓ）で４１０ｎｍ付近にヘム基に由来するソーレー帯吸収が観察されるため、その吸収ピークの減少からＣｙ−ｃの吸着挙動を追跡し、初期濃度との変化から吸着量を算出した。吸着実験開始から１２０分経過するとスペクトルの変化がほとんど観察されなくなるため、次に吸着実験後の薄膜を純水中に再度浸漬して、Ｃｙ−ｃの脱離挙動を追跡した。
【００８９】
実施例１で調製した透明な前駆溶液を、スピンコート速度を３０００ｒｐｍで成膜し、４００℃で焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着挙動を図５（ａ）に、脱離挙動を図５（ｂ）に示す。透明薄膜を浸漬すると、時間の経過とともにＣｙ−ｃが吸着している様子が確認でき、吸着実験開始から１２０分経過するとスペクトルの変化がほぼ定常状態に達した。
【００９０】
脱離挙動のスペクトル変化を示す図５（ｂ）は縦軸のスケールを１５倍に拡大しているが、Ｃｙ−ｃの脱離がほとんど観察されなかった。このことは、酸化チタン表面にＣｙ−ｃが強く固定化していることを示している。
【００９１】
図６に、２５０〜６００℃の異なる焼成温度で合成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量の変化を示す。このＸＲＤ測定により、焼成温度を高くするとアナターゼ相が生成して結晶性が向上することが確認された。焼成温度を高くすると、比表面積はほとんど変わらないのに、Ｃｙ−ｃの吸着量が増大した。従って、酸化チタン骨格の結晶性もＣｙ−ｃの吸着量に影響を与えていることがわかる。
【００９２】
比較として、各種酸化チタンの多孔体薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量の比較を行った。その結果を図７に示す。メソ多孔体薄膜（Ｆ１２７と表記する）、エマルジョン由来のマクロ孔を含むメソ多孔体薄膜（Ｆ１２７＋ＴＩＰＢｚと表記する）、ＰＳビーズを添加して導入したマクロ孔を含め（Ｆ１２７＋ＰＳ（ｘ）と表記する）（ｘは５重量％ＰＳ水溶液添加量）メソ多孔体薄膜並びに酸化チタンのナノ粒子の体積膜（Ｐ２５ ｆｉｌｍと表記する）と比較して、比表面積が小さいにも関わらず、大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜の表面へのＣｙ−ｃの吸着量が圧倒的に大きな値を示した。このことは、メソ多孔体薄膜内にはＣｙ−ｃ（１０ｎｍ程度の分子径）が導入できず、Ｃｙ−ｃの吸着が表面近傍に制限されたためである。従って、マクロ孔のみからなり大きな連結孔が大量に存在している本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタンの透明薄膜がＣｙ−ｃのような比較的大きな分子に対して優れた吸着特性を示したと解釈できる。
【００９３】
実施例２の酸化スズで調製した透明な前駆溶液及び、実施例３の酸化亜鉛で調製した透明な前駆溶媒による、大孔径ナノ空間を有する酸化スズ及び酸化亜鉛の透明薄膜を用いて同様の実験を行った。これによれば、酸化スズを用いた場合にも大量のＣｙ−ｃが吸着することが確認された（図８参照）。ここから、大孔径ナノ空間の存在がＣｙ−ｃの吸着には重要であり、薄膜内部にまで吸着していることが推測することができる。シトクロムはタンパク質がヘム基を取り囲むような構造しているため、酸化チタンや酸化スズ等の遷移金属酸化物骨格の表面にはタンパク質が相互作用しているものと考えられる。従って、本発明の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物は、シトクロムだけでなく、塩基配列構造を有するＤＮＡやタンパク質等の生体関連分子の吸着分離材として極めて高い性能を示すと考えられる。
実施例５
実施例１で調製した透明な前駆溶液による大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜をフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）基板上へ成膜し、ＤＮＡの吸着実験を行った。ＤＮＡ１分子に対して１分子の色素（シトクロム）を標識して、その標識色素からの蛍光発光の強度測定からＤＮＡ吸着量を算出した。その分子をＣｙ５−ｓｓＤＮＡ（塩基配列：ＧＣＧＧＣＡＴＧＡＡＣＣＴＧＡＧＧＣＣＣＡＴＣＣＴ）と表記する。シトクロムのヘム基内部には金属中心が鉄（Ｆｅ）のポルフィリン環構造が存在しており、生体内では電子伝達タンパク質として機能するが、光エネルギーを捕捉するための色素分子としてポルフィリン環構造が利用されている。
【００９４】
具体的には、水に溶かしたｓｓＤＮＡを９５℃で１０分間加熱して変性させ、薄膜に５ｍＬをスポット滴下して、９５℃で１０分間保持した。薄膜を０．２％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液で洗浄、純水での濯ぎ、沸騰水中２分間浸漬、エタノール中４℃で２分間浸漬の順で基板を洗浄処理して余分な生体分子を除去した。
【００９５】
色素増感太陽電池の動作原理を利用して、光で励起して吸着している標識色素（Ｃｙ５）から発生する電子（光電流）が検出されるかを検討した。Ｃｙ５が吸着してない状態も評価するために、標識色素のないＤＮＡ（塩基配列：ＴＴＧＡＧＣＡＡＧＴＴＣＡＧＣＣＴＧＧＴＴＡＡＧ）の吸着実験も同様に行った。
【００９６】
実施例４に示したＣｙ−ｃの吸着、脱離挙動の調査では、水溶液からの吸着並びに水中への脱離の挙動からＣｙ−ｃが酸化チタン並びに酸化スズの表面と強く相互作用していることを示した。実施例５では、Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡを薄膜表面に固定化後、徹底的に基板を洗浄処理して余分な生体分子の除去行っているが、それにも拘らずＣｙ５−ｓｓＤＮＡは薄膜表面に固定化されていたことから、極めて強く固定化されていることが確認された。
【００９７】
各種酸化チタンの多孔体薄膜表面へのＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着量の比較を行った。その結果を図９に示す。４００℃焼成して骨格を結晶（アナターゼ）化したＦ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）と比較しても、本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜（３０００ｒｐｍで成膜した場合を表示）が極めて高い吸着性能を示していることがわかる。Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡの分子サイズが大きいために、Ｆ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）の場合は薄膜内部までＣｙ５−ｓｓＤＮＡの吸着ができないことを表している。標識色素が無い場合には当然蛍光発光が観察されないが、Ｃｙ５−ｓｓＤＮＡを吸着させると蛍光発光が確認でき、濃度を高くするとより多くのＣｙ５−ｓｓＤＮＡが吸着する様子が観察された。
【００９８】
次に、光で励起して吸着しているＣｙ５から発生する電子（光電流）が検出されるかを確認した。図１０に示すように、１２０ｍＷという強い光で励起したにも関わらず、Ｆ１２７及びＦ１２７＋ＰＳ（ｘ）では極微量の光電流しか検出できなかった。一方、本発明の大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜（３０００ｒｐｍで成膜した場合を表示）は非常に高い電流値を示している。図１１に示すように、光源を６ｍＷと非常に弱いものに変えても、励起色素からの光電流を十分に検出することができた。即ち、各種色素増感の原理を利用した太陽電池等、色素増感型デバイスの高感度電極として極めて有望であることが確認された。
【００９９】
また、４５０℃焼成して骨格を結晶化した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜表面にもＣｙ５−ｓｓＤＮＡが吸着することが確認された。４００℃焼成して骨格を結晶化した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜の場合よりもＣｙ５−ｓｓＤＮＡ吸着量は１桁少なかったが、１２０ｍＷの光で励起すると電流値が飽和してしまうほどであり、光源を６ｍＷと非常に弱いものにすると光電流と色素吸着量の間に良好な関係が見られ、酸化チタン薄膜よりも大きな電流値を示した。
実施例６
実施例１で調製した透明な前駆溶液による大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜をＦＴＯ基板上へ成膜し、タンパク質（Ａｎｔｉ−ＡＦＰ抗体ＮＢ０−１３、ＡＦＰ：ａｌｐｈａ−ｆｅｔｏ−ｐｒｏｔｅｉｎ、日本バイオテスト）の吸着実験を行った。ＮＢ０−１３１分子に対して１分子の色素（Ｃｙ５）を標識した分子をＣｙ５−ＮＢ０−１３と表記し、その標識色素からの蛍光発光の強度測定からタンパク質の吸着量を算出した。吸着しているＣｙ５から発生する光電流が検出されるかについても確認した。
【０１００】
さらに、抗原抗体反応を利用したタンパク質の検出を行った。ＰＳＡ（Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｔｉｇｅｎ）抗体（ＸＧ−６９、ｇｏａｔ：Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．）を１次抗体として固定化し、２次抗体にはタンパク質（Ａｎｔｉ−ＰＳＡ ｍｏｎｏｃｌｏｎａｌ抗体：５Ａ６、ｍｏｕｓｅ：Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ−Ｏｎｌｉｎｅ ＧｍｂＨ）を用いた。この場合、５Ａ６１分子に対して１分子のＣｙ５を標識して（Ｃｙ５−５Ａ６）、その標識色素からの蛍光発光の強度測定並びに電流値測定から、タンパク質の吸着並びに光電流による検出が可能であるかをそれぞれ調査した。なお、タンパク質の蛍光修飾は全てＣｙ５ ｍＡｂ ｌａｂｅｌｌｉｎｇ ｋｉｔ（ＰＡ３５００１、ＧＥ Ｈｅａｌｔｈ Ｃａｒｅ）を用い、付属マニュアルに従って行った。
【０１０１】
図１２からもわかるように、ＸＧ−６９の濃度を濃くすると蛍光値が大きくなり、４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面にＡｎｔｉ−ＡＦＰ抗体が吸着することが確認できた。４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜でも同様な結果が得られた。図１３に示すように、吸着しているＣｙ５から発生する光電流も検出され、色素吸着量と良好な相関関係が確認された。
【０１０２】
４００℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化チタン薄膜表面で抗原抗体反応が進行している様子が蛍光測定からは確認できたが、光電流は検出されなかった。一方、図１４に示すように、４５０℃焼成した大孔径ナノ空間を有する酸化スズ薄膜でも、蛍光測定から抗原抗体反応が進行していることが確認できた。しかも、図１５に示すように、光電流測定の結果も蛍光値と良好な相関が確認でき、酸化スズ薄膜の場合には、色素増感太陽電池の原理を利用した光電流の検出が可能であった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニットと、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニットのブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項２】
透明薄膜の構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される規則的、又は不規則的な球状空間の集合であることを特徴とする請求項１に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項３】
界面活性剤の自己集合によって規定される大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項４】
大孔径ナノ空間が、１０ｎｍより大きい孔によって連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項５】
透明薄膜の主成分が、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛であって、非晶質構造、結晶構造又はその中間相を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項６】
透明薄膜を、高温で界面活性剤を除去する過程で結晶化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の方法によって製造された透明薄膜であって、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が規則的又は不規則に集合してなることを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項８】
大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項９】
大孔径ナノ空間が、直径が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなることを特徴とする請求項７又は８に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項１０】
透明薄膜が、非晶質の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛から選択される１種以上から構成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜からなることを特徴とする生体関連分子の吸着分離材。
【請求項１２】
請求項７〜１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の大孔径ナノ空間に機能性色素分子を固定化したことを特徴とする色素増感型デバイス電極。
【請求項１】
親水的な役割を果たすポリオキシエチレンユニットと、疎水的な役割を果たす重合数が３００〜４０００の範囲内のポリスチレンユニットのブロック共重合体から構成される界面活性剤と、チタン、スズ又は亜鉛の金属塩及び金属アルコキシドの一種以上を無機原料とした遷移金属酸化物の前駆体を混合して成膜した後、界面活性剤を除去することを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項２】
透明薄膜の構造が、界面活性剤の自己集合によって規定される規則的、又は不規則的な球状空間の集合であることを特徴とする請求項１に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項３】
界面活性剤の自己集合によって規定される大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項４】
大孔径ナノ空間が、１０ｎｍより大きい孔によって連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項５】
透明薄膜の主成分が、酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛であって、非晶質構造、結晶構造又はその中間相を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項６】
透明薄膜を、高温で界面活性剤を除去する過程で結晶化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の方法によって製造された透明薄膜であって、界面活性剤の自己集合が規定する球状の大孔径ナノ空間が規則的又は不規則に集合してなることを特徴とする大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項８】
大孔径ナノ空間の直径が３０〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項９】
大孔径ナノ空間が、直径が１０ｎｍより大きな孔によって連結してなることを特徴とする請求項７又は８に記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項１０】
透明薄膜が、非晶質の酸化チタン、酸化スズ又は酸化亜鉛から選択される１種以上から構成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜からなることを特徴とする生体関連分子の吸着分離材。
【請求項１２】
請求項７〜１０のいずれかに記載の大孔径ナノ空間を有する遷移金属酸化物の透明薄膜の大孔径ナノ空間に機能性色素分子を固定化したことを特徴とする色素増感型デバイス電極。
【図２】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１９５３９４（Ｐ２０１１−１９５３９４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６５０９８（Ｐ２０１０−６５０９８）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【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）（経済産業省平成１９年度戦略的技術開発委託費（高感度環境センサ部材開発に係るもの）（国庫債務負担行為に係るもの））委託研究
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【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）（経済産業省平成１９年度戦略的技術開発委託費（高感度環境センサ部材開発に係るもの）（国庫債務負担行為に係るもの））委託研究
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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