銀ナノ粒子

銀ナノ材料:特性および用途

Steven J. Oldenburg, Ph. D., President

nanoComposix, Inc. San Diego, California 92111

はじめに

銀ナノ材料が有する他に類を見ない物理的、化学的、光学的性質は多種多様な用途で活用されています。多様な抗菌剤としての銀の有用性に対する関心が高まったことで、銀ナノ粒子を組み込んだ数百もの製品が開発され、各種表面および衣類における細菌の増殖を抑えることに役立っています。また、銀ナノ粒子は、入射光の特定の波長と強くカップリングするためその光学特性が注目されています。この性質により光学的応答を調節することが可能になるため、超高輝度レポーター分子や高効率熱吸収体、局所的電磁場の強度を増幅してナノ粒子環境の変化を検出するナノスケール「アンテナ」の開発に利用されています。ここでは、銀ナノ粒子の大きさと形状を精密に制御することが、様々な用途においていかに重要であるかについて論じます。

形態と表面機能化

銀ナノ材料を作製する際の反応条件を調節することで、単分散ナノスフェア、三角形プリズムまたはナノプレート、キューブ、ワイヤー、ナノロッドなどの様々な形状の銀コロイドナノ粒子を作ることができます(図1)。多くの用途では、ターゲットとする環境で必要な機能性を得るために、ナノ粒子表面の化学的性質やその形状、光学的性質を慎重に選択しなければなりません。粒子表面の化学的性質、すなわち結合強度や官能基、粒子を被覆するキャッピング剤の大きさを変えることで、粒子の挙動をより制御することができます。水性媒体中では、粒子表面に荷電種を付加することで、多くのナノ粒子が静電的に安定化します。たとえば、銀ナノ粒子の表面電荷は、クエン酸イオンで粒子を被覆して強い負電荷を付与することで制御できます。また、クエン酸イオンの代わりに分岐ポリエチレンイミン(BPEI:branched polyethylenimine)を用いると、強い正の電荷を持つアミン濃度の高い表面となります。他にも異なる機能が得られるキャッピング剤として、ポリエチレングリコール(PEG:polyethylene glycol)で被覆したナノ粒子は塩濃度の高い溶液中で優れた安定性を示し、カルボキシ基を含むリポ酸で被覆した粒子はバイオコンジュゲーションに使用されます。

多様な形状の銀ナノ材料

図1 銀ナノ材料の液相合成中の反応化学や速度を制御することにより、多様なサイズと形状のナノ材料が作製できます。透過型電子顕微鏡画像:(左から右)均一な直径50 nmのスフェア、75 nmのキューブ、120 nmの三角ナノプレート、銀ナノワイヤー。

光学的性質

銀およびその他貴金属ナノ粒子は光との強い相互作用を示します。これは、特定波長の光で励起された際に金属表面上の伝導電子が集団的な振動を起こすためです。表面プラズモン共鳴(SPR:surface plasmon resonance)として知られるこの振動のため、銀ナノ粒子の吸収および散乱強度は、プラズモン共鳴が起きない同サイズのナノ粒子よりも遥かに強くなります。銀ナノ粒子の吸収および散乱特性は、粒子の大きさや形、粒子表面付近の局所的な屈折率を制御することで調節できます。

異なるサイズの銀ナノスフェアおよびナノプレートの消光スペクトルと、これらナノ粒子の希釈分散液の外観を図2に示します。粒径の小さいナノスフェアの場合、主に光を吸収し、400 nm付近にプラズモン共鳴のピークが見られます。大きいスフェアでは散乱強度が増加し、ピーク幅が広がって長波長側に移動します。銀ナノプレートは形状異方性を持つため、スペクトルの可視および近赤外領域にわたって極めて大きな吸収断面積と散乱断面積を持ちます。プレートの直径および厚さを精密に制御することで、プラズモン共鳴のピークを特定波長に合わせることができます(図2)。

銀ナノ材料の消光スペクトルおよび溶液の外観

図2 いくつかの銀ナノ材料の消光スペクトルおよび溶液の外観。()直径10~100 nmの銀ナノスフェア ()直径50~150 nmの銀ナノプレート。ナノ粒子の形状と大きさを制御することで、可視および近赤外領域にわたってプラズモン共鳴を調節することが可能です。

抗菌性

銀イオンは、細菌の生命維持に不可欠な酵素およびタンパク質のチオール基と相互作用して細胞呼吸に影響を与え、細胞死をもたらすため、有効な抗菌剤となります1,2。この毒性は細菌に特有であり、人体に対する毒性は低いため、創傷被覆材、梱包材、防汚コーティングなどの多種多様な製品に銀が用いられています。

銀ナノ粒子の抗菌作用の主要なメカニズムは、簡単には、高い表面積を有する銀イオン源であるという点にあります。水性環境では酸素およびプロトンの存在により粒子が酸化され、粒子表面の溶解に伴いAg+イオンが放出されます。そのため、多様な溶液中での有効な銀イオン濃度の維持により、銀ナノ粒子の抗菌性が長期間持続されます。銀イオンの放出速度は、大きさ、形、キャッピング剤、凝集状態、周囲環境などの複数の要素に依存します。銀ナノ粒子のサイズが小さいもしくは形に異方性がある場合、ナノ粒子表面の大きな曲率や歪みによる高い表面エネルギーのため、通常は高いイオン放出速度を示します。また、ナノ粒子の環境も重要であり、高い温度や、塩素、チオール、酸素の存在は、いずれもイオン放出に強い影響を与えます3,4

バイオイメージングのための標識化および標的化

銀ナノ粒子は非常に高い効率で光吸収および散乱を起こすため、標識化やイメージング用途で利用されています。ナノ粒子の大きな散乱断面積により、個々の銀ナノ粒子を暗視野顕微鏡(図3)やハイパースペクトルイメージングシステムで画像化することが可能です5。銀ナノ粒子の表面に抗体やペプチドなどの生体分子を結合することで、特定の細胞や細胞成分を標的とする銀ナノ粒子を得ることができます。表面に標的化分子を結合させるには、ナノ粒子表面への物理吸着や、EDC(ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide)による抗体中の遊離アミンとリポ酸でキャップしたナノ粒子上のカルボキシ基との共有結合、などの方法を用いることができます。

銀ナノ材料の暗視野顕微鏡画像

図3 暗視野顕微鏡画像:(左から右)直径60 nmの銀ナノスフェア、直径75 nmの銀ナノキューブ、直径100 nmの銀ナノキューブ。銀ナノ材料の大きさや形により銀ナノ材料の散乱色を調節することが可能です。

生物学的用途における銀ナノ粒子の他の応用例として、銀ナノ粒子表面および表面近傍での電磁場増強効果を利用したものがあります。プラズモン共鳴波長において、銀ナノ粒子はナノスケール「アンテナ」として機能し、局所的な電磁場強度を増幅します。

このような電磁場増強の恩恵を受ける分光法の一つがラマン分光法で、固有の振動モードから分子を同定することができます。分子からのラマン散乱光の強度は本来弱く、ラマンスペクトルを得るためには長時間の測定が必要です。しかし、プラズモン共鳴を示す銀ナノ粒子表面近傍にある分子からの表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)により、大幅に増強されたラマン信号が得られます。ナノ粒子に結合した分子のラマン散乱はSERS効果により14桁も増強されるので、単一分子の検出も可能になります6,7

また、電磁場増強効果は、表面増強蛍光(SEF:surface enhanced fluorescence)として知られる現象を起こし、蛍光色素を銀ナノ粒子表面から近距離に置いた場合に蛍光色素の発光強度を数桁増加させることが可能です8。この蛍光色素が増強される理由として2つの効果が考えられます。一つ目は、プラズモン粒子の吸収断面積および散乱断面積が大きいことによる入射光の集光効果、二つ目は色素の蛍光寿命の短縮(より高い頻度で励起状態から基底状態に戻ることで、時間内により多くの光が発光されます)です。これらの効果は、蛍光色素とナノ粒子の光学的な一致度合や粒子周囲の蛍光色素の物理的位置に強く依存します。

最適なSERS効果とSEF効果を得るためには、色素分子をそれぞれ異なる方法で結合させる必要があります(図4)。色素分子を金属ナノ粒子に結合させると、通常、蛍光色素の励起状態と金属の間でエネルギー移動が起こり、発光は消光されます。しかし、粒子表面の強い電磁場のため、分子のラマンスペクトルは大幅に増強されます(図4A)。蛍光色素が粒子表面から少し離れた位置にあると、局所的電磁場が強いまま蛍光消光が抑制されるので、分子からの発光が大幅に増加します。

SERS効果とSEF効果の模式図

図4A)有機蛍光色素を金属基板に直接結合させた場合、通常、蛍光は消光されるものの強い表面増強ラマンスペクトルが得られます。(B)蛍光色素と金属表面が離れている場合、表面増強蛍光が得られます。

ナノメディシンおよびナノ毒性学

in-vitroおよびin-vivo用途における銀ナノ粒子の利用が急速に増加しています。銀ナノ粒子を使用した標識やナノタグに加えて、温熱療法の熱源や、粒子表面コーティングからの制御された熱放出にも銀ナノ粒子が使用されています。また、銀ナノ粒子をコアとしてアモルファスシリカ層を均一に成長させることで、コア・シェル型構造体として銀ナノ粒子を利用することも可能です。このシェルには多様な官能基を導入することができ、標識や薬物送達に利用するための蛍光色素や薬物分子、その他高分子量の有機分子をシェル内部に取り込むことを可能とします。

今後期待される銀ナノ粒子の生物医学的応用の多くにおいて、ナノ粒子と生体システムの相互作用を十分に理解することが必要になることが予想されます。in-vivo用途では、血液循環時間が長く、低毒性の粒子の設計が大きな課題となります。in-vivo系でのナノ粒子の最適化実験は、ナノ粒子自身とその置かれた環境の双方の複雑性のため容易ではありません。ナノ粒子の生体内における挙動や移動は、粒子の一次的特徴(コアの化学的性質、大きさ、形、結晶性、表面および凝集状態など)に依存するだけでなく、ナノ粒子と標的となる生体システムの相互作用に由来する二次的な特徴(タンパク質コロナ、溶解速度、生体内分布など)にも依存します9

要約

銀ナノ粒子の他に類を見ない光学的性質および幅広い抗菌性により、生物学的用途における銀ナノ粒子の利用が急速に増加しています。銀ナノ粒子の大きさ、形、表面を高度に制御することで、生物学的用途に向けた機能性材料の開発のみならず、生体システムにおけるナノ粒子の移動や相互作用の基礎的なメカニズムの理解のためにも、有用なライブラリを構築することができます。さらに、より複雑な多機能型銀ナノ複合材料の構築とを組み合わせることで、銀ナノ粒子を使用した次世代のプローブ、デバイス、治療法が可能になると予想されます。

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銀ナノ粒子・ナノワイヤについては左記のページもご参考ください。

References

  1. Rai, M., Yadav, A., Gade, A., Biotech. Adv., 2009, 27, 76
  2. Marambio-Jones, C., Hoek, E. M. V., J. Nanopart. Res., 2010, 12, 1531
  3. Sondi, I, Salopek-Sondi, B., J. Colloid Interface Sci., 2004, 275, 177
  4. Kim, JS, Kuk, E, Yu, K, Kim, JH, Park, SJ, Lee, HJ, Kim, SH, Park, YK, Park, YH, Hwang, C-Y, Kim, YK, Lee, YS, Jeong, DH, Cho, MH, Nanomedicine, 2007, 3, 95
  5. Carlson, C., Hussain, S. M., Schrand, A. M., Braydich-Stolle, L. K., Hess, K. L., Jones, R. L. & Schlager, J. J., J. Phys. Chem. B, 2008, 112, 13608
  6. Moskovits, M., J. Chem. Phys., 1978, 69, 4159.
  7. Kneipp, K., Wang, Y., Kneipp, H., Perelman, L. T. & Itzkan, I., Phys. Rev. Lett., 1997, 78, 1667
  8. Geddes, C. D. & Lakowicz, J. R., J. Fluoresc., 2002, 12, 121
  9. Powers, K. W., Palazuelos, M., Moudgil, B. M., Roberts, S. M., Nanotoxicology, 2007, 1, 42
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