JP5790570B2

JP5790570B2 - 半導体ナノ粒子集積体

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Publication number: JP5790570B2
Application number: JP2012077442A
Authority: JP
Inventors: 高橋　優; 優高橋; 敬三高野; 満関口; 中野　寧; 寧中野
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013204005A

Description

本発明は、半導体ナノ粒子集積体に関する。より詳しくは、半導体ナノ粒子の充填率および発光寄与率が高い半導体ナノ粒子集積体に関する。

蛍光発光する半導体ナノ粒子としては、II−VI族、及びIII−Ｖ族の半導体ナノ粒子が広く知られている。これらの蛍光発光する半導体ナノ粒子を標識剤として用いる場合、一粒子当たりの輝度が大きいほど感度が高くなることから、一粒子当たりの輝度のより高い粒子が望まれている。しかしながら、これらの半導体ナノ粒子を蛍光診断薬として使用するとなると、一粒子当たりの輝度がまだまだ足りないことが課題となってくる。

半導体ナノ粒子の輝度を上げる方法として、コア／シェル構造を有する半導体ナノ粒子（以下「コア／シェル半導体ナノ粒子」ともいう。）を作製する方法がある。コア／シェル半導体ナノ粒子においては、コア粒子よりもバンドギャップの広い半導体材料をシェルとして用いることにより、量子井戸が形成され量子閉じ込め効果が生じる。このため、コア／シェル半導体ナノ粒子は、シェル構造を有さない半導体ナノ粒子に比べ、輝度が著しく向上する。

半導体ナノ粒子をさらに高輝度化する方法として、コア／シェル半導体ナノ粒子を集積させて、一粒子当たりの輝度を上げる方法がある（コア／シェル半導体ナノ粒子を集積させたものを、以下「コア／シェル半導体ナノ粒子集積体」ともいう。）。

しかしながら、コア／シェル半導体ナノ粒子集積体の製造において、半導体ナノ粒子の充填率を上げて、より多くの半導体ナノ粒子を集積化することで、輝度をさらに向上させようとすると、蛍光強度が減少する濃度消光現象もより強くなり、内包させたコア／シェル半導体ナノ粒子数分の輝度が得られなくなる（すなわち半導体ナノ粒子の発光寄与率が低下する）という問題がある。

一方、半導体ナノ粒子の充填率を下げれば、濃度消光現象は弱くなり、半導体ナノ粒子の発光寄与率は高くなるが、集積体中に含まれる半導体ナノ粒子の数が少なくなる。このため、同時に粒子の輝度も低下する可能性があり、この場合、得られる半導体ナノ粒子集積体の利用価値が低いという問題が生じる。したがって、より高い輝度を有しつつ（すなわち、一定以上のコア／シェル半導体ナノ粒子の充填率を有しつつ）、充填された半導体ナノ粒子の発光寄与率が高いコア／シェル半導体ナノ粒子集積体の開発が強く望まれている。

特許文献１には、シリカビーズ表面をシランカップリング処理することにより末端をアミノ基化し、カルボキシル基末端の半導体ナノ粒子を反応させることで、シリカビーズと半導体ナノ粒子間をアミド結合で結合させる技術が開示されている。しかしながら、このように作製された半導体ナノ粒子集積体では、シリカビーズ中に内包された半導体ナノ粒子の数に応じた輝度は得られず、充填された半導体ナノ粒子の発光寄与率が低下しており、その発光寄与率は７０％程度である。

非特許文献１には、半導体ナノ粒子をｐｏｌｙ(ｍａｌｅｉｃａｎｈｙｄｒｉｄｅ−ｏｃｔａｄｅｃｅｎｅ)(ＰＭＡＯ)を用いて、両者の疎水的相互作用によりコーティングし、さらに、２，２−（Ｅｔｈｙｌｅｎｄｉｏｘｙｌ）ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）により架橋した半導体ナノ粒子集積体が開示されている。しかしながら、この半導体ナノ粒子集積体に充填された半導体ナノ粒子も発光寄与率が低下しており、その発光寄与率は７０％程度である。

特開２００５−２８１０１９号公報

Ｊ. ＡＭ. ＣＨＥＭ. ＳＯＣ. ２００８, １３０, ５２８６−５２９２

本発明の課題は、前記従来技術の問題点に鑑み、コア／シェル半導体ナノ粒子を一定以上の充填率で集積させた時の、コア／シェル半導体ナノ粒子の発光寄与率を上げることにある。

濃度消光現象の原因としては、高密度で半導体ナノ粒子を集積させると半導体ナノ粒子同士が接触し、それにより電子移送が起こって量子閉じ込め効果が低下することや、半導体ナノ粒子の吸収波長と発光波長とが一部重複していることにより、集積体の内部側にある半導体ナノ粒子の発光が外部側にある半導体ナノ粒子に吸収されてしまうことなどが考えられる。

本発明者らは前記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、コア／シェル半導体ナノ粒子集積体において、（１）コア／シェル半導体ナノ粒子間がほぼ等間隔になるように集積体を設計し、（２）コア／シェル半導体ナノ粒子間の距離がある程度の長さを有するように設計することで、半導体ナノ粒子の充填率が高く、かつ、発光寄与率が高いコア／シェル半導体ナノ粒子集積体が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明は以下に示す［１］〜［５］の事項を含む。

［１］コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子集積体であって、半導体ナノ粒子同士が架橋剤を用いて共有結合のみにより結合されており、半導体ナノ粒子の充填率が１０％以上であり、かつ、半導体ナノ粒子の発光寄与率が７５％以上であること特徴とする半導体ナノ粒子集積体。

[２] 前記半導体ナノ粒子の充填率が１５％以上であり、かつ、前記半導体ナノ粒子の発光寄与率が８０％以上である、項[１]に記載の半導体ナノ粒子集積体。
[３] 前記架橋剤が、メルカプトウンデカン酸と、エチレンジアミンおよびヘキサエチレンジアミンからなる群より選ばれる１種の化合物とである、項[１]または[２]に記載の半導体ナノ粒子集積体。

[４] 前記架橋剤が、チオールを両端に有する分子量１０，０００〜２０，０００のポリエチレングリコールである、項[１]または[２]に記載の半導体ナノ粒子集積体。
［５］前記コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子のコア部を構成する素材が、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、およびテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）からなる群から選ばれる化合物であることを特徴とする項［１］〜［４］のいずれかに記載の半導体ナノ粒子集積体。

本発明によれば、蛍光発光するコア／シェル半導体ナノ粒子をある一定以上の充填率で充填しても、濃度消光が少なく、充填された半導体ナノ粒子の発光寄与率が高い半導体ナノ粒子集積体を得ることができる。このことにより半導体ナノ粒子集積体の輝度を向上させることができる。逆に言えば、一定の高い輝度を担保しつつ、より少ない半導体ナノ粒子が集積された（すなわち、充填率が低くても一定の輝度を有する）、経済性に優れ、また廃棄の際にＣｄ等の有害物質の量を少なくすることができる半導体ナノ粒子集積体を得ることができる。

本発明のコア／シェル半導体ナノ粒子集積体の製造工程および結果物の一例を示す概念図である。実施例１の半導体ナノ粒子のＴＥＭ画像の一例である。スケールバーは２０ｎｍを示す。比較例１の半導体ナノ粒子のＴＥＭ画像の一例である。スケールバーは２０ｎｍを示す。半導体ナノ粒子集積体中の半導体ナノ粒子の体積充填率（％）に対して、半導体ナノ粒子の発光寄与率（％）をプロットしたグラフである。

本発明の半導体ナノ粒子集積体は、コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子集積体である。さらに詳しくは、コア／シェル半導体ナノ粒子同士の距離がほぼ等間隔であり、かつ、一定の距離を持つように集積させて作製されたコア／シェル半導体ナノ粒子集積体である。本発明の半導体ナノ粒子集積体は、構成する半導体ナノ粒子同士が架橋剤を用いて結合されていることを特徴とする。より詳しくは、半導体ナノ粒子が、一定の長さを有する分子（架橋剤）を介して共有結合により結合されていることを特徴とする。

本発明の半導体ナノ粒子集積体は、半導体ナノ粒子の充填率が１０％以上、かつ、発光寄与率が７５％以上であり、好ましくは、充填率が１５％以上、かつ、発光寄与率が８０％以上である。

または、充填率が１０〜２０％、かつ、発光寄与率が７５〜９０％であり、より好ましくは、充填率が１５〜２０％、かつ、発光寄与率が８０〜９０％であり、特に好ましくは、充填率が１５〜２０％、かつ、発光寄与率が８５〜９０％である。

本明細書において、「コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子」とは、後述する半導体形成材料（素材）を含有するナノサイズ（１〜１０００ｎｍ）の粒径を有する粒子であって、コア部（芯部）とそれを被覆するシェル部（被覆部）で構成される多重構造を有する粒子をいう。

なお、本明細書中コア／シェル構造を有する半導体ナノ粒子の表記法として、例えば、コア部がＣｄＳｅ、シェル部がＺｎＳの場合、「ＣｄＳｅ／ＺｎＳ」と表記し、このようなコア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を、「〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子」と記載する。

半導体ナノ粒子の充填率は、次のようにして算出される、個々の半導体ナノ粒子集積体の充填率の一定数についての個数平均値を指す。半導体ナノ粒子集積体のＴＥＭ画像（図２および図３参照）を観察し、ある半導体ナノ粒子集積体の体積（Ｖ：半導体ナノ粒子集積体を球とみなし、ＴＥＭ画像で観察される当該集積体の径から算出する。）および当該集積体を構成している半導体ナノ粒子の数（ｎ）を計測する。一方で、半導体ナノ粒子集積の作製に用いた半導体ナノ粒子についても、調製後にＴＥＭ画像を観察して、個々の半導体ナノ粒子の体積（ｖ：半導体ナノ粒子を球とみなし、ＴＥＭ画像で観察される当該粒子の径から算出する。）を計測し、その個数平均値（ｖ_mean）を算出しておく。ｎ×ｖ_mean／Ｖを個別の半導体ナノ粒子集積体の充填率とし、このような方法で一定数の半導体ナノ粒子集積体についての充填率を求め、それらの個数平均値を算出する。

半導体ナノ粒子の発光寄与率は、次のようにして算出される。蛍光顕微鏡で一定数の半導体ナノ粒子集積体を含む集団を観察し、その半導体ナノ粒子集積体の集団が発する蛍光の強度（Ｆ_sum）を計測する。一方で、半導体ナノ粒子集積の作製に用いた半導体ナノ粒子についても、調製後に蛍光顕微鏡で観察して、その半導体ナノ粒子の集団が発する蛍光の強度（ｆ_sum）および当該集団を構成している半導体ナノ粒子の数（ｍ）を計測し、半導体ナノ粒子が発する蛍光の強度の個数平均値（ｆ_mean＝ｆ_sum／ｍ）を算出しておく。さらに、前記充填率に関する計測と同様にして、半導体ナノ粒子集積体を構成している半導体ナノ粒子の数（ｎ）を計測し、その個数平均値（ｎ_mean）を算出しておく。Ｆ_sum／ｆ_mean×ｎ_mean（測定値／理論値に相当）を半導体ナノ粒子の発光寄与率とする。

半導体ナノ粒子の集積粒子数の計算は以下のようにして行っている。まず、半導体ナノ粒子の元素比をＩＣＰ−ＡＥＣ（ＩＣＰＳ-７５００島津製作所）を用いて計測し、乾燥重量からモル数を算出する。また、吸光度計Ｕ―２９００（日立ハイテク社製）により吸光度を測定することにより、モル吸光係数を求める。その後、半導体ナノ粒子集積体の乾燥重量を計算し、吸光度計Ｕ―２９００（日立ハイテク社製）で吸光度を測定する。半導体ナノ粒子、半導体ナノ粒子集積体構成化合物の密度は既知なので、シスメックス社製のゼータサイザーナノ（商品名）を用いて動的光散乱法で計算した平均粒径、半導体ナノ粒子集積体の吸光度と合わせて集積粒子数を見積もることが可能である。

以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細に説明する。

＜コア／シェル半導体ナノ粒子＞
本発明の半導体ナノ粒子集積体は、コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を含有する。コア／シェル半導体ナノ粒子は、コア部とシェル部とからなる。

（コア部形成素材）
本発明に用いるコア／シェル半導体ナノ粒子のコア部（以下「コア粒子」ともいう。）を形成するための素材（以下「コア部形成素材」ともいう。）としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＩｎＳ₂、ＡｇＩｎＳｅ₂、ＡｇＩｎＳ₂およびこれらの混合物などの半導体又はこれらを形成する原料を用いることができる。

本発明においては、特に、ＩｎＰ、ＣｄＴｅおよびＣｄＳｅが、単体の輝度が高いため集積体の輝度向上の観点から、より好ましく用いられる。

（シェル部形成素材）
本発明に用いるコア／シェル半導体ナノ粒子のシェル部を形成するための素材（以下「シェル部形成素材」ともいう。）としては、II−VI族、III−Ｖ族、IV族の無機半導体を用いることができる。例えば、各コア部形成無機材料であるＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＩｎＳ₂、ＡｇＩｎＳｅ₂、ＡｇＩｎＳ₂およびこれらの混合物などよりバンドギャップが大きく、毒性を有さない半導体又はこれらを形成する原料が好ましい。

本発明のコア／シェル半導体ナノ粒子のコア部形成素材としては、上述のように、ＩｎＰ、ＣｄＴｅおよびＣｄＳｅがより好ましく用いられる。これらのコア部形成素材を用いる場合には、シェル部形成素材としてＺｎＳを用いることが、輝度向上の観点から、また、後述する集積の際、シェル部上の硫黄を利用して結合反応を行うことができることから、より好ましい。

（半導体ナノ粒子の製造方法）
本発明に係る半導体ナノ粒子の製造方法としては、液相法による方法を採用できる。液相法の製造方法としては、沈殿法、共沈法、ゾル−ゲル法、均一沈殿法、還元法などがある。そのほかに、逆ミセル法、超臨界水熱合成法などもナノ粒子を作製する上で優れた方法である（例えば、特開２００２−３２２４６８号、特開２００５−２３９７７５号、特開平１０−３１０７７０号、特開２０００−１０４０５８号公報等を参照。）。

なお、液相法により、半導体ナノ粒子の集合体を製造する場合においては、当該半導体の前駆体を還元反応により還元する工程を有する製造方法であることも好ましい。
また、当該半導体前駆体の反応を界面活性剤の存在下で行う工程を有する態様が好ましい。なお、本発明に係る半導体前駆体は、上記の半導体材料として用いられる元素を含む化合物であり、たとえば半導体がＳｉの場合、半導体前駆体としてはＳｉＣｌ₄などが挙げられる。その他半導体前駆体としては、ＩｎＣｌ₃、Ｐ（ＳｉＭｅ₃）₃、ＺｎＭｅ₂、ＣｄＭｅ₂、ＧｅＣｌ₄、トリブチルホスフィンセレンなどが挙げられる。

反応前駆体の反応温度としては、半導体前駆体の沸点以上かつ溶媒の沸点以下であれば、特に制限はないが、７０〜１１０℃の範囲が好ましい。

〈還元剤〉
半導体前駆体を還元する還元剤としては、従来周知の種々の還元剤を反応条件に応じて選択し用いることができる。本発明においては、還元力の強さの観点から、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ₄）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄）、水素化ビス（２−メトキシエトキシ）アルミニウムナトリウム、水素化トリ（ｓｅｃ−ブチル）ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ（ｓｅｃ−Ｃ₄Ｈ₉）₃）及び水素化トリ（ｓｅｃ−ブチル）ホウ素カリウム、水素化トリエチルホウ素リチウムなどの還元剤が好ましい。特に、還元力の強さから水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ₄）が好ましい。

〈溶媒〉
半導体前駆体の分散用溶媒としては、従来周知の種々の溶媒を使用できるが、エチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール等のアルコール類、トルエン、デカン、ヘキサンなどの炭化水素類溶媒を使用することが好ましい。本発明においては、特に、トルエン等の疎水性の溶媒が分散用溶媒として好ましい。

〈界面活性剤〉
界面活性剤としては、従来周知の種々の界面活性剤を使用でき、陰イオン、非イオン、陽イオン、両性界面活性剤が含まれる。なかでも第四級アンモニウム塩系である、テトラブチルアンモニウムクロリド、ブロミド又はヘキサフルオロホスフェート、テトラオクチルアンモニウムブロミド（ＴＯＡＢ）、またはトリブチルヘキサデシルホスホニウムブロミドが好ましい。特に、テトラオクチルアンモニウムブロミドが好ましい。

なお、液相法による反応は、液中の溶媒を含む化合物の状態により大きく変化する。単分散性の優れたナノサイズの粒子を製造する際には、特に注意を要する必要がある。例えば、逆ミセル反応法では、界面活性剤の濃度や種類により、反応場となる逆ミセルの大きさや状態が変わってくるため、ナノ粒子が形成される条件が限られてしまう。したがって、適切な界面活性剤と溶媒との組み合わせが必要となる。

＜半導体ナノ粒子集積体の製造方法＞
本発明に係る半導体ナノ粒子集積体は、上記のようにして調製される半導体ナノ粒子同士を、架橋剤（スペーサーまたはリンカーともいう）を用いて共有結合のみにより結合することで作製することができる。

架橋剤として用いる分子は、作製される半導体ナノ粒子が所定の充填率および発光寄与率の条件を満たすことができれば特に限定されるものではないが、たとえば、直鎖状の分子の中から適切な分子長（炭素原子数、ポリマーのユニットの繰り返し単位数などを指標にできる）を有するものを選択して用いることができる。

架橋剤は、シェル部形成素材に応じて、適切な結合能を有する化合物を用いるようにする。また、架橋剤として、１種類の分子だけを用いても、２種類以上の分子を用いてもよい。

架橋剤として１種類の分子だけを用いる態様としては、たとえば、一分子中に含まれる（たとえば両末端に位置する）官能基のそれぞれに半導体ナノ粒子を結合させる、つまり半導体ナノ粒子同士を直接架橋するような態様が挙げられる。なお、このような態様における架橋剤は、半導体ナノ粒子との結合に関与する官能基について、２官能性の分子を用いることが一般的であるが、３官能性以上の分子を用いることも可能である。

架橋剤として２種類以上の分子を用いる態様としては、たとえば、第１の架橋剤が有する第１の官能基に半導体ナノ粒子を結合させ、そのように半導体ナノ粒子を修飾した第１の架橋剤の第２の官能基同士を第２の架橋剤で結合させる、つまり半導体ナノ粒子同士を間接的に架橋するような態様が挙げられる。なお、このような態様における架橋剤は、半導体ナノ粒子との結合に関与する官能基および架橋剤同士の結合に関与する官能基、それぞれについて単官能性のものを用いることが一般的であるが、一方または両方について、２官能性以上の分子を用いることも可能である。

本発明において、半導体ナノ粒子の高い充填率および発光寄与率を達成できる好適な態様として、たとえば以下のような架橋剤を用いる例が挙げられる。
まず、コア／シェル半導体ナノ粒子を長鎖のメルカプト酸を用いて修飾（水溶化）し、1−Ｅｔｈｙｌ−3−［3−Ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ］Ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ, Ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ（以下「ＥＤＣ」という。）を用いて当該メルカプト酸のカルボキシル基を活性化させた後、ジアミンを反応させてアミド結合を生成させることにより、半導体ナノ粒子同士を直接架橋した構造を有する態様が好適な例として挙げられる（図１）。このような態様は、メルカプト酸が有するメルカプト基（チオール基）との親和性の高いシェル、たとえば硫黄原子を含むＺｎＳ等のシェルを有するコア／シェル半導体ナノ粒子に対して適用することができる。このとき、メルカプト酸としてメルカプトウンデカン酸を、ジアミンとしてエチレンジアミンまたはヘキサエチレンジアミンを用いることが特に好ましい。

あるいは、両端にメルカプト基を有するポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を用いて半導体ナノ粒子同士を直接架橋した構造をとる態様も好適な例として挙げられる（図１）。このとき、チオールを両端に有する分子量１０，０００〜２０，０００のポリエチレングリコールを用いることが特に好ましい。

＜応用例＞
以下において、本発明の代表的な応用例について説明する。
（生体物質標識剤とバイオイメージング）
本発明の半導体ナノ粒子集積体は、生体物質蛍光標識剤に適応することができる。また、標的（追跡）物質を有する生細胞もしくは生体に本発明に係る生体物質標識剤を添加することで、標的物質と結合もしくは吸着し、当該結合体もしくは吸着体に所定の波長の励起光を照射し、当該励起光に応じて蛍光半導体微粒子から発生する所定の波長の蛍光を検出することにより、上記標的（追跡）物質の蛍光動態イメージングを行うことができる。すなわち、本発明に係る生体物質標識剤は、バイオイメージング法（生体物質を構成する生体分子やその動的現象を可視化する技術手段）に利用することができる。

〔半導体ナノ粒子集積体の親水化処理〕
上述した半導体ナノ粒子集積体表面は、一般的には、親水性であるが、疎水性である時、例えば生体物質標識剤として使用する場合は、このままでは水分散性が悪く、半導体ナノ粒子集積体が凝集してしまう等の問題があるため、半導体ナノ粒子集積体の表面を親水化処理することが好ましい。

親水化処理の方法としては例えば、表面の親油性基をピリジン等で除去した後に半導体ナノ粒子集積体表面に表面修飾剤を化学的および／または物理的に結合させる方法がある。表面修飾剤としては、親水基として、カルボキシル基・アミノ基を持つものが好ましく用いられ、具体的にはメルカプトプロピオン酸、メルカプトウンデカン酸、アミノプロパンチオールなどがあげられる。具体的には、例えば、Ｇｅ／ＧｅＯ₂型ナノ粒子１０^-5ｇをメルカプトウンデカン酸０．２ｇが溶解した純水１０ｍＬ中に分散させて、４０℃、１０分間攪拌し、シェルの表面を処理することで無機ナノ粒子のシェルの表面をカルボキシル基で修飾することができる。

〔生体物質標識剤〕
本発明に係る生体物質標識剤は、上述した親水化処理された半導体ナノ粒子集積体と、分子標識物質と有機分子を介して結合させて得られる。

〈分子標識物質〉
本発明に係る生体物質標識剤は分子標識物質が目的とする生体物質と特異的に結合および／または反応することにより、生体物質の標識が可能となる。

当該分子標識物質としては、例えば、ヌクレオチド鎖、抗体、抗原、シクロデキストリン等が挙げられる。

〈有機分子〉
本発明に係る生体物質標識剤は、親水化処理された半導体ナノ粒子集積体と、分子標識物質とが有機分子により結合されている。当該有機分子としては半導体ナノ粒子集積体と分子標識物質とを結合できる有機分子であれば特に制限はないが、例えば、タンパク質中でも、アルブミン、ミオグロビンおよびカゼイン等、またタンパク質の一種であるアビジンをビオチンと共に用いることも好適に用いられる。上記結合の態様としては特に限定されず、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合、物理吸着、化学吸着等が挙げられる。結合の安定性から共有結合などの結合力の強い結合が好ましい。

具体的には、半導体ナノ粒子集積体をメルカプトウンデカン酸で親水化処理した場合は、有機分子としてアビジンおよびビオチンを用いることができる。この場合親水化処理されたナノ粒子のカルボキシル基はアビジンと好適に共有結合し、アビジンがさらにビオチンと選択的に結合し、ビオチンがさらに生体物質標識剤と結合することにより生体物質標識剤となる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜コア／シェル構造半導体ナノ粒子の合成＞
（〈ＩｎＰ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子の合成）
ＩｎＰコア粒子の合成は、下記の加熱溶液法によって行った。三つ口フラスコに６ｍＬのオクタデセンを入れ、その溶媒中に１ｍＬのオクタデセンに溶解させたＩｎ（ａｃａｃ）₃とトリス（トリメチルシリル）ホスフィンをＩｎとＰの比がＩｎ／Ｐ＝１／１となるように加え、アルゴン雰囲気中で３００℃、１時間反応させＩｎＰコア粒子（分散液）を得た。

〈ＩｎＰ／ＺｎＳ〉コア／シェル粒子の合成は、３００℃、１時間反応後のＩｎＰコア粒子分散液を８０℃まで放冷した後、その分散液に１ｍＬのオクタデセンに溶解させたステアリン酸亜鉛および硫黄をＩｎ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓの比がＩｎ／Ｐ／Ｚｎ／Ｓ＝１／１／１／１となるように加え、８０℃から２３０℃に昇温し、３０分間反応させることにより得た。このようにして得られた〈ＩｎＰ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子は６３０ｎｍに極大発光波長を持った粒子であった。

（〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子の合成）
〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子の合成は以下のように行った。アルゴン気流下、トリ−ｎ−オクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）７．５ｇに、ステアリン酸２．９ｇ、ｎ−テトラデシルホスホン酸６２０ｍｇ、及び、酸化カドミニウム２５０ｍｇを加え、３７０℃に加熱混合した。これを２７０℃まで放冷させた後、トリブチルフォスフィン２．５ｍＬにセレン２００ｍｇを溶解させた溶液を加え、減圧乾燥し、ＴＯＰＯで被覆されたＣｄＳｅコア半導体ナノ粒子を得た。

得られたＣｄＳｅコア粒子に、ＴＯＰＯ１５ｇを加えて加熱し、引き続き２７０℃でトリオクチルホスフィン１０ｍＬにジエチルジチオカルバミン酸亜鉛１．１ｇを溶解した溶液を加え、〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子を得た。

（〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子の合成）
〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子に関しては特開２００５−２８１０１９号公報の実施例１に従い合成した。ＣｄＴｅコア粒子については、ヒェミー、１００巻、１７７２頁（１９９６）による方法に従って合成した。

すなわち、アルゴンガス雰囲気下、界面活性剤としてのチオグリコール酸（ＨＯＯＣＣＨ₂ＳＨ）の存在下で２５℃、ｐＨ＝１１．４に調整した過塩素酸カドミウム水溶液を激しく撹拌しながら、テルル化水素ガスを反応させた。この水溶液を大気雰囲気下で６日間還流することにより、ＣｄＴｅコア粒子を得た。このようにして得られたＣｄＴｅコア粒子は６４０ｎｍに極大発光波長を持った粒子であった。

このＣｄＴｅコア粒子を含む水溶液を８０℃まで加熱した後、その溶液に１ｍＬの水に溶解させたステアリン酸亜鉛および硫黄をＣｄ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｓの比がＣｄ／Ｔｅ／Ｚｎ／Ｓ＝１／１／１／１となるように加え、８０℃から２３０℃に昇温し、３０分間反応させることにより〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子を得た。

＜半導体ナノ粒子集積体の作製＞
［比較例１］
Ｊ. ＡＭ. ＣＨＥＭ. ＳＯＣ. ２００８, １３０, ５２８６−５２９２記載の方法に従い、ポリマー中にＣｄＳｅ／ＺｎＳが存在する半導体ナノ粒子集積体を作成した。

市販のＣｄＳｅ／ＺｎＳ（Ｑｄｏｔ６５５、ｅｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ社）にエタノールを加え粒子を沈殿させた後、遠心分離を数回繰り返し、溶媒を乾燥させることにより精製した〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子を得ることが出来る。精製した〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子と、Ｐｏｌｙ（ｍａｌｅｉｃａｎｈｙｄｒｉｄｅ−ｏｃｔａｄｅｃｅｎｅ）（ＰＭＡＯ）を０．２ｍＬのＴＨＦに溶解させ、強攪拌下０．８ｍＬのＤＭＦを加えてそれぞれ０．２μＭ、２．５μＭとした。その溶液にＤＭＦに溶解した２，２−（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｌ）ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）（１０ｍＭ）を２．８５μＬ加えた。一時間攪拌後、トリスバッファー（２０ｍＭ、ｐＨ１０）を用いて透析を行い、その後トリスバッファー（１０ｍＭ、ｐＨ８．１）を用いて数回遠心分離を行い洗浄を行った。この溶液に５０μＬのＥＤＣ（１ｗｔ％）、１００μＬのＳｕｌｆｏ−ＮＨＳを加え１５分間攪拌することによりポリマー中に〈ＣｄＳｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子が存在する半導体ナノ粒子集積体を得た。

［比較例２、３］
特開２００５−２８１０１９号公報記載の実施例１に従い、シリカマトリックス中に〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子が存在する半導体ナノ粒子集積体を作成した。

〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子分散液を２５℃、ｐＨ＝１０の条件下、界面活性剤としてチオグリコール酸を加えることにより水溶化した。その後、疎水性有機溶媒としてのイソオクタン（２，２，４−トリメチルペンタン）２５ｍＬに、逆ミセル（逆マイクロエマルジョン）を形成させるために必要な界面活性剤ビス（２−エチルヘキシル）スルホこはく酸ナトリウム（エーロゾルＯＴ）（以下「ＡＯＴ」とも表記する。）１．１１１５ｇを溶解し、次に、この溶液を撹拌しながら、水０．７４ｍＬと、上記の水溶化〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子溶液０．３ｍＬ加えて溶解した。次に、この溶液を撹拌しながら、ゾル−ゲルガラスの前駆体として、アルコキシドであるテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）０．３９９ｍＬ、および、有機アルコキシシランである３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＳ）０．０７９ｍＬを加えた。この分散液を２日間撹拌することによりシリカマトリックス中に〈ＣｄＴｅ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子が存在する半導体ナノ粒子集積体を得た（比較例２）。また、同様の手法を用いて、シリカマトリックス中に〈ＩｎＰ／ＺｎＳ〉コア／シェル半導体ナノ粒子が存在する半導体ナノ粒子集積体を得た（比較例３）。

［比較例４、５、６、８、９、１０、１１、１３、１４、１５、１６、１７、実施例１、２、５、６、９、１０］
上記比較例と実施例に関しては下記の方法で同様に得ることができる。
上記＜コア／シェル構造半導体ナノ粒子の合成＞において得られた各コア／シェル半導体ナノ粒子を含む溶液に、超純水（ＭｉｌｌｉＱ（登録商標）、メルク社）とメルカプト酸（メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸またはメルカプトウンデカン酸）を、コア／シェル半導体ナノ粒子のモル当量で１０倍加えることにより水溶化されたコア／シェル半導体ナノ粒子が得られる。超遠心により、水溶化コア／シェル半導体ナノ粒子を沈殿させ、溶媒をＤｉｍｅｔｈｙｌＳｕｌｆｏｘｉｄｅ（ＤＭＳＯ）に置換した。その後、ＤＭＳＯ中に溶解させたコア／シェル半導体ナノ粒子と同じモル当量のジアミン（エチレンジアミンまたはヘキサメチレンジアミン）と、コア／シェル半導体ナノ粒子の１／１０モル当量のＥＤＣを加え１時間攪拌することにより、各実施例および比較例の半導体ナノ粒子集積体を得た（表1）。

［比較例７、１２、１８、実施例３、４、７、８、１１、１２］
上記比較例と実施例に関しては下記の方法で同様に得ることができる。上記＜コア／シェル構造半導体ナノ粒子の合成＞において得られた各コア／シェル半導体ナノ粒子を含む溶液に、両末端がＳＨ基のＰＥＧ（ＳＵＮＢＲＩＧＨＴ（登録商標）ＤＥ−０３４ＳＨ（分子量３，４００）、ＤＥ−１００ＳＨ（分子量１０，０００）、ＤＥ−２００ＳＨ（分子量２０，０００）（以上、日油社製）をコア／シェル半導体ナノ粒子のモル当量で１０倍加え１時間攪拌することにより、各実施例および比較例の半導体ナノ粒子集積体を得た（表１）。

＜評価項目＞
<相対輝度>
蛍光顕微鏡ＡｘｉｏＩｍａｇｅｒ．Ｚ１（カール・ツァイス社製）で一定数の各半導体ナノ粒子集積体を含む集団を観察し、その半導体ナノ粒子集積体の集団が発する蛍光の強度（Ｆ_sum）を計測した。この測定値より、下記式（Ｉ）で得られる、比較例１を１００とした場合の相対輝度を求めた。
［相対輝度＝各実施例または各比較例の半導体ナノ粒子集積体の蛍光強度／比較例１の蛍光強度×１００］・・・・・・（Ｉ）

<体積充填率>
各半導体ナノ粒子集積体のＴＥＭ画像を観察し、ある半導体ナノ粒子集積体の体積（Ｖ：半導体ナノ粒子集積体を球とみなし、ＴＥＭ画像で観察される当該集積体の径から算出する。）および当該集積体を構成している半導体ナノ粒子の数（ｎ）を計測した。一方で、半導体ナノ粒子集積の作製に用いた半導体ナノ粒子についても、調製後にＴＥＭ画像を観察して、個々の半導体ナノ粒子の体積（ｖ：半導体ナノ粒子を球とみなし、ＴＥＭ画像で観察される当該粒子の径から算出する。）を計測し、その個数平均値（ｖ_mean）を算出した。ｎ×ｖ_mean／Ｖを個別の半導体ナノ粒子集積体の充填率とし、このような方法で一定数の半導体ナノ粒子集積体についての充填率を求め、それらの個数平均値を算出した。

<発光寄与率>
半導体ナノ粒子の発光寄与率は、次のようにして算出した。蛍光顕微鏡で一定数の半導体ナノ粒子集積体を含む集団を観察し、その半導体ナノ粒子集積体の集団が発する蛍光の強度（Ｆ_sum）を上記のとおり計測した。一方で、半導体ナノ粒子集積の作製に用いた半導体ナノ粒子についても、調製後に蛍光顕微鏡で観察して、その半導体ナノ粒子の集団が発する蛍光の強度（ｆ_sum）および当該集団を構成している半導体ナノ粒子の数（ｍ）を計測し、半導体ナノ粒子が発する蛍光の強度の個数平均値（ｆ_mean＝ｆ_sum／ｍ）を算出した。さらに、前記充填率に関する計測と同様にして、半導体ナノ粒子集積体を構成している半導体ナノ粒子の数（ｎ）を計測し、その個数平均値（ｎ_mean）を算出し、Ｆ_sum／ｆ_mean×ｎ_mean（測定値／理論値に相当）を半導体ナノ粒子の発光寄与率とした。

半導体ナノ粒子の集積粒子数の計算は以下のようにして行った。まず、半導体ナノ粒子の元素比をＩＣＰ−ＡＥＣ（ＩＣＰＳ-７５００島津製作所）を用いて計測し、乾燥重量からモル数を算出した。また、吸光度計Ｕ―２９００（日立ハイテク社製）により吸光度を測定することにより、モル吸光係数を求めた。その後、半導体ナノ粒子集積体の乾燥重量を計算し、吸光度計Ｕ―２９００（日立ハイテク社製）で吸光度を測定した。ここで、既知の半導体ナノ粒子、半導体ナノ粒子集積体構成化合物の密度を用いて、シスメックス社製のゼータサイザーナノ（商品名）を用いて動的光散乱法で計算した平均粒径、半導体ナノ粒子集積体の吸光度と合わせて集積粒子数を計算した。

＜結果＞
表１および図４に、実施例および比較例の体積充填率、発光寄与率および相対輝度を示した。これらの結果より、実施例１〜１２の半導体ナノ粒子集積体は、従来技術である比較例１〜３、ならびに比較例４〜１８と比較して、一定の充填率を維持しつつ、高い発光寄与率を有することが示された。すなわち、より少ない半導体ナノ粒子によって、同等の輝度が得られていることが示され、製造効率の向上の効果が得られていることがわかる。

Claims

コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子集積体であって、半導体ナノ粒子同士がメルカプトウンデカン酸と、エチレンジアミンおよびヘキサエチレンジアミンからなる群より選ばれる１種の化合物からなる架橋剤を用いて共有結合のみにより結合されており、半導体ナノ粒子の充填率が１０％以上であり、かつ、半導体ナノ粒子の発光寄与率が７５％以上である、半導体ナノ粒子集積体。
コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子を含有する半導体ナノ粒子集積体であって、半導体ナノ粒子同士がチオールを両端に有する分子量１０，０００〜２０，０００のポリエチレングリコールである架橋剤を用いて共有結合のみにより結合されており、半導体ナノ粒子の充填率が１０％以上であり、かつ、半導体ナノ粒子の発光寄与率が７５％以上である、半導体ナノ粒子集積体。
前記半導体ナノ粒子の充填率が１５％以上であり、かつ、前記半導体ナノ粒子の発光寄与率が８０％以上である、請求項１または２に記載の半導体ナノ粒子集積体。
前記コア／シェル構造を持つ半導体ナノ粒子のコア部を構成する素材が、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）およびテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）からなる群から選ばれる化合物である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体ナノ粒子集積体。