JP2008285384A

JP2008285384A - 蛍光ガラス微粒子

Info

Publication number: JP2008285384A
Application number: JP2007134142A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Hayashi; 英明林; Kuniaki Hiromatsu; 邦明廣松; Yutaka Kuroiwa; 裕黒岩
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】ＮａＹＦ_４とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供。
【解決手段】Ｅｒ_２Ｏ_３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子。前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがＹｂ_２Ｏ_３を含有し、Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３が０．２〜３モル％である前記蛍光ガラス微粒子。前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがモル％表示でＢｉ_２Ｏ_３を３０〜５５％、ＳｉＯ_２を１５〜４５％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３を３５％以下の範囲で含有する前記蛍光ガラス微粒子。
【選択図】なし

Description

本発明は、近赤外光で励起したときに可視域のアップコンバージョン蛍光を呈し生体のタギングやイメージングの分野において好適に使用される蛍光ガラス微粒子に関する。

細胞、たんぱく質、ＤＮＡ、バイオ試薬のタギングやイメージングを目的として、蛍光性ナノ微粒子の開発が進められている。
タギングやイメージングの方法としては、蛍光性ナノ微粒子に紫外光を照射し、照射光よりも波長の長い可視域の蛍光を検出する方法が一般的である。このような蛍光性ナノ微粒子の材料として、希土類元素をドープした有機色素や量子ドット（非特許文献１参照）などが使用されている。

しかし、有機色素を生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用する場合、紫外光を照射し続けたときに検出光の強度が低下しやすい、照射光と検出光の波長が近いため検出が難しい、という問題があった。

量子ドットは紫外光に対する耐性の面で有機色素より優れている。しかし、量子ドットはそのサイズによって発光波長が変化するのでこれをタギングやイメージングに使用する場合サイズの厳密な制御が必要であり製造が難しいという問題があり、また、量子ドットの材料には一般にセレン化合物や硫黄化合物が使用されるため生体毒性の点で懸念があった。
さらに、有機色素、量子ドットいずれにおいても紫外光を照射するので生体細胞がダメージを受ける、生体細胞自体が発光してしまうため検出光にノイズが混入する、という問題があった。

そこで、蛍光性ナノ微粒子に赤外光を照射し、照射光よりも波長の短い可視域の蛍光を検出する方法、たとえばＥｒ^３＋イオンをドープしたナノ微粒子に波長９８０ｎｍや８００ｎｍのレーザーを照射し緑色のアップコンバージョン蛍光を検出する方法が提案されている。そのようなアップコンバージョン蛍光を発するナノ微粒子材料としてはたとえばＥｒ^３＋イオンおよびＹｂ^３＋イオンがドープされたＮａＹＦ_４のようなフッ化物結晶が提案されている（非特許文献２参照）。

Ｂｒｕｃｈｅｚｅｔａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅｖｏｌ．２８１，１９９８，ｐｐ２０１３Ｈｅｅｒｅｔａｌ．，ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓｖｏｌ．１６，２００４，ｐｐ２１０２

アップコンバージョン蛍光材料には、照射光に紫外光を用いなくてもよいという利点がある。
アップコンバージョン蛍光を発するフッ化物ナノ結晶は、たとえばＥｒ^３＋イオンおよびＹｂ^３＋イオンがドープされたＮａＹＦ_４を高温の液体中に溶解し、液体の温度を下げながら結晶を析出させることで作製される。

しかし、このような結晶は易溶解性であるがゆえに最終形態になった後もその材料自体が安定性に欠けるという問題があった。
本発明は、ＮａＹＦ_４とは異なり安定性に優れた蛍光ガラス微粒子の提供を目的とする。

本発明は、Ｅｒ_２Ｏ_３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子を提供する。

本発明によれば、赤外光の照射によって可視域のアップコンバージョン蛍光を発する蛍光微粒子であって酸化物ガラスからなるものを得ることができる。
本発明の蛍光ガラス微粒子は酸化物であるため長時間にわたり蛍光強度が安定しており、また、化学的耐久性が高く生体へのダメージも少ない。
また、Ｅｒ^３＋イオンとＹｂ^３＋イオンを共ドープする態様においては高効率のアップコンバージョン発光を得ることができる。したがって、この態様のものは生体細胞、バイオ試薬のタギングやイメージングに使用される蛍光材料として好適である。

まず、本発明におけるＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス（以下、本発明のガラスという。）の成分について説明する。なお、ガラス中の各成分の含有量はモル百分率で表示し、また、たとえばＥｒ_２Ｏ_３の含有量とはガラス中のＥｒがすべてＥｒ_２Ｏ_３の形で存在するとした場合のものである。

Ｅｒ_２Ｏ_３はアップコンバージョン蛍光を得るための光学活性成分であり、必須である。Ｅｒ_２Ｏ_３が３％超ではガラス化が困難になる、またはＥｒ^３＋イオンの濃度消光のためにアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下する。好ましくは２．５％以下、典型的には２％以下である。また、Ｅｒ_２Ｏ_３は０．２％以上であることが好ましい。０．２％未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．５％以上である。

Ｙｂ_２Ｏ_３は必須ではないが、Ｅｒ_２Ｏ_３のアップコンバージョン蛍光を増感したい場合には含有することが好ましい。
Ｙｂ_２Ｏ_３を含有する場合、その含有量は０．２〜３％であることが好ましい。０．２％未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。より好ましくは０．３％以上、典型的には０．５％以上である。３％超ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは２．５％以下、典型的には２％以下である。

Ｙｂ_２Ｏ_３とＥｒ_２Ｏ_３の含有量との合計Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３は０．２〜５％であることが好ましい。０．２％未満では充分なアップコンバージョン蛍光強度が得られないおそれがある。より好ましくは０．４％以上、典型的には１％以上である。５％超ではガラス化が困難になるおそれがある。典型的には２％以下である。

Ｙｂ_２Ｏ_３とＥｒ_２Ｏ_３の含有量の比Ｙｂ／Ｅｒは０．２〜５であることが好ましい。０．２未満では充分な増感効果が得られないおそれがある。典型的には０．８以上である。５超ではアップコンバージョン蛍光強度がかえって低下するおそれがある。典型的には３以下である。

Ｂｉ_２Ｏ_３はアップコンバージョン蛍光を得るための成分であり、必須である。
Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量は３０〜５５％であることが好ましい。３０％未満ではアップコンバージョン蛍光強度が得られにくくなる。典型的には３５％以上である。５５％超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られにくくなる。より好ましくは５０％以下、典型的には４５％以下である。

ＳｉＯ_２はネットワークフォーマーであり、また、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分であり、必須である。
ＳｉＯ_２の含有量は１５〜４５％であることが好ましい。１５％未満ではガラス化が困難になるおそれがある。より好ましくは２０％以上、典型的には２５％以上である。４５％超ではガラス中のネットワークフォーマーの格子振動の最大エネルギーが大きくなり、アップコンバージョン蛍光が得られにくくなるおそれがある、または、後述するレーザーアブレーション法におけるレーザー照射時に充分な量の微粒子が得られにくくなるおそれがある。典型的には４０％以下である。

Ａｌ_２Ｏ_３は必須ではないが、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために１０％まで含有してもよい場合がある。１０％超ではガラス化が困難になるおそれがある。好ましくは８％以下、典型的には５％以下である。
Ａｌ_２Ｏ_３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上、より好ましくは１％以上、典型的には２％以上である。

Ｇａ_２Ｏ_３は必須ではないが、アップコンバージョン蛍光強度を増大させるために３０％まで含有してもよい場合がある。３０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは２５％以下、典型的には２０％以下である。
Ｇａ_２Ｏ_３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上である。０．１％未満ではアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果が小さくなる。より好ましくは５％以上、典型的には１０％以上である。

ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させるために、Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３の少なくともいずれか一方を含有することが好ましく、この場合これらの含有量の合計Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３は３５％以下であることが好ましい。３５％超ではガラス化が困難になるおそれがある、またはナノサイズの微粒子が得られないおそれがある。典型的には２５％以下である。また、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３は好ましくは３％以上、より好ましくは７．５％以上、典型的には１１％以上である。

Ｌａ_２Ｏ_３は濃度消光を起こりにくくする効果、またはアップコンバージョン蛍光強度を増大させる効果を有し、１０％まで含有してもよい場合がある。１０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは７％以下、典型的には５％以下である。
Ｌａ_２Ｏ_３を含有する場合その含有量は好ましくは０．１％以上である。０．１％未満では前記効果が小さい。好ましくは０．２％以上、典型的には０．５％以上である。Ｅｒ_２Ｏ_３含有量が１％以上であって濃度消光を抑制したい場合などでは、Ｌａ_２Ｏ_３を１％以上含有することが好ましく、典型的な含有量は２．５％以上である。

ＣｅＯ_２は必須ではないが、Ｂｉ_２Ｏ_３がガラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透過率を低下させるのを防止するなどのために２％まで含有してもよい場合がある。２％超ではガラス化しないおそれがある。好ましくは１％以下、典型的には０．５％以下である。ＣｅＯ_２を含有する場合、その含有量は０．０５％以上であることが好ましい。０．０５％未満では含有効果が小さい。

本発明のガラスは本発明の目的を損なわない範囲で上記列挙成分以外の成分を含有してもよい。そのような成分としては、たとえばガラス化を容易にするため、またはアニ−ル工程での結晶析出を抑制するため等の成分として、ＧｅＯ_２、ＳｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、ＴｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ等が挙げられる。

本発明のガラスの好ましい態様として、Ｂｉ_２Ｏ_３３０〜５５％、ＳｉＯ_２１５〜４５％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３３〜３５％、Ｌａ_２Ｏ_３０〜１０％、ＣｅＯ_２０〜２％、Ｅｒ_２Ｏ_３０．２〜３％、Ｙｂ_２Ｏ_３０〜３％、から本質的になるものが挙げられる。ここで、たとえば「Ｌａ_２Ｏ_３０〜１０％」とはＬａ_２Ｏ_３は必須ではないが１０％まで含有してもよいの意であり、「から本質的になる」とはこれら列挙成分以外の成分を本発明の目的を損なわない範囲で含有してもよいの意である。上記列挙成分以外の成分を含有する場合その成分またはそれら成分の含有量の合計は、好ましくは１０％以下、典型的には５％以下である。

本発明の蛍光ガラス微粒子は、生体細胞、タンパク質、ＤＮＡのタギング、イメージングなどに応用できるようにするためにその粒径は３００ｎｍ以下とされる。好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは３０ｎｍ以下である。

生体細胞などのタギング、イメージングなどに使用する際に本発明の蛍光ガラス微粒子に照射される赤外光としては、たとえば波長８００ｎｍや９８０ｎｍの市販の半導体レーザーからの光を使用することができる。

本発明の蛍光ガラス微粒子は、たとえば溶融法を用いて作製したバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用して、すなわち高出力のレーザーを照射しアブレーションを起こさせることによってナノサイズのガラス微粒子を得る方法によって製造できる。

溶融法でバルクガラスを作製する場合は、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００〜１３００℃で空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることで製造できる。レーザーアブレーション法におけるレーザー照射時の割れを低減するためには、キャストしたガラスを４００〜６００℃で熱処理を行うことが好ましい。

レーザーアブレーション法を利用する場合、アブレーションを起こさせるために使用するレーザーとしては、たとえば波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザー、波長１．０５μｍのＹｂレーザー等を挙げることができる。
レーザーは連続波で照射してもよいし、パルスを生成して照射してもよい。
また、レーザーの照射は通常空気中で行う。
アブレーションによって生成した粉体は、空気中でガラスやシリコンの基板上に堆積させて捕集する。

表１のＢｉ_２Ｏ_３からＹｂ_２Ｏ_３までの欄にモル％表示で示す組成のガラス（バルクガラス）を溶融法により作製した。なお、例１〜８のＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスは本発明のガラスであり、１２００℃で溶解した。

次に、例１〜９のバルクガラスにレーザーアブレーション法を適用してガラス微粒子を作製した。すなわち、例１〜７、９のバルクガラスについては波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザー（１０Ｗ）を連続波で照射し、ビームをｆ＝１００ｍｍのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子を市販のスライドガラス上に捕集した。また、例８のバルクガラスについては波長１０４５ｎｍのＹｂファイバーレーザーをパルス波（パルス幅３７５ｆｓ、繰り返し１ＭＨｚ、パルスエネルギー５００ｎＪ）で照射し、ビームをｆ＝３．５ｍｍのレンズでバルクガラスの表面付近に集光し、このようなアブレーションによって発生したガラス微粒子をシリコン基板上に捕集した。なお、レーザーの照射、ガラス微粒子の捕集はいずれも空気中で行った。

このようにして得られた例１〜９のガラス微粒子について粉末Ｘ線回折（Ｃｕ−Ｋα線、照射強度４０ｍＡ、５０ｋＶ）を行ったところ、いずれについてもガラス特有のハローパターンがみられ、結晶ピークは認められなかった。

例１〜４、９のガラス微粒子各１５０個について５００００倍の倍率でＳＥＭ（Ｈｉｔａｃｈｉ社製Ｓ−４３００）による観察を行い、各１５０個の微粒子の粒径（単位：ｎｍ）を測定した。粒径の最も大きなものを表１の最大粒径の欄に、粒子解析することにより算出した平均粒径を同表の平均粒径の欄にそれぞれ示す。
また、例８のガラス微粒子２００個についてＴＥＭ観察を行い、最大粒径および平均粒径を求めた。平均粒径はｎ＝２００で粒子解析することにより算出した。
なお、例５〜７のガラス微粒子については最大粒径および平均粒径の推定値を表１に記載した。

例１〜９のガラス微粒子について波長９８０ｎｍまたは８００ｎｍの半導体レーザーを照射したところ、例１〜８のガラス微粒子については目視で強い緑色のアップコンバージョン蛍光が観測されたが、例９のガラス微粒子については目視でアップコンバージョン蛍光は観測できなかった。

例１〜５、９のアップコンバージョン蛍光強度を比較するため、２０ｍｍ×１５ｍｍ×３．５ｍｍの鏡面研磨したバルクガラスをサンプルとして次のような測定を行った。すなわち、サンプルに波長９８０ｎｍの半導体レーザ（１Ｗ）を照射し、ガラスからの発光および散乱光をｆ＝１００ｍｍのレンズを用いて集光して５５０ｎｍの波長で分光した分光器（受光スリット０．５ｍｍ）内へ導入した。
分光した光は分光器に接続された光電子倍増管で検出した。
検出光はプリアンプおよびロックインアンプを用いて増幅し、ロックインアンプ上に表示された電圧値（単位：ｍＶ）をアップコンバージョン蛍光強度とした。

この蛍光強度を表１に示す。なお、例９の検出光は光電子倍増管の検出感度以下であった。また、表１の例６〜８のアップコンバージョン蛍光強度は推定値である。

表２に示す例１０〜１９は本発明のガラスの他の例であるが、その蛍光強度は組成からの推定値である。

生体細胞などのタギング、イメージングに利用できる。

Claims

Ｅｒ_２Ｏ_３を３モル％以下の範囲で含有するＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスからなり、粒径が３００ｎｍ以下である蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがＹｂ_２Ｏ_３を含有し、Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３が０．２〜５モル％である請求項１の蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスのＹｂ_２Ｏ_３含有量とＥｒ_２Ｏ_３含有量の比が０．２〜５である請求項２の蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスのＥｒ_２Ｏ_３含有量が０．２モル％以上である請求項１、２または３の蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがモル％表示でＢｉ_２Ｏ_３を３０〜５５％、ＳｉＯ_２を１５〜４５％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３を３５％以下の範囲で含有する請求項１〜４のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスのＳｉＯ_２含有量が１５〜４０モル％である請求項５の蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがＬａ_２Ｏ_３を１０モル％以下の範囲で含有する請求項５または６の蛍光ガラス微粒子。
前記Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスがＣｅＯ_２を２モル％以下の範囲で含有する請求項５、６または７の蛍光ガラス微粒子。
粒径が１００ｎｍ未満である請求項１〜８のいずれかの蛍光ガラス微粒子。
請求項１〜９のいずれかの蛍光ガラス微粒子であって、レーザーアブレーション法によって製造された蛍光ガラス微粒子。