サブミクロンセレンナノ結晶およびナノロッドの効率的合成と光学キャラクタリゼーション

概要

セレンは人体健康に不可欠な元素であり、微小サイズはセレンナノ粒子の人体吸収に極めて有利です。本研究では、亜セレン酸ナトリウム（Na₂SeO₃）をグリセリンに溶解し、グルコースを還元剤として用いることで、微小セレンナノ粒子（Nano-Se）およびナノロッドを製造する容易な手法を提示します。調製したセレンナノ粒子をX線回折（XRD）、UV-Vis吸収分光、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）で評価しました。TEM像で微小Seナノ粒子とナノロッドの形態を確認しました。微量の3-メルカプトプロピオン酸（MPA）とグリセリンが、粒子サイズ制御とグリセリン溶液中でのNano-Se分散安定化に鍵となる役割を果たします。この手法で、サイズ2-6 nmの非常に微小で均一なSeナノ粒子を得ました。この寸法は、文献報告の最高値（>20 nm）よりはるかに小さいです。これらのSeナノ粒子のサイズ依存的光学スペクトルにおいて、強い量子閉じ込め効果が観察されました。

背景

ナノ材料は独自の物理化学的特性により多くの研究分野の焦点となっています。酸化チタン、銀、金、セレン化カドミウムなどのナノ粒子は、触媒、撥水衣料、日焼け止め、化粧品、エレクトロニクスなどで既に利用されています[1-3]。純セレンおよびセレン含有ナノ材料は、優れた光電特性、半導体特性、高い生物活性を備えています[3]。1D構造を持つセレンナノ材料は、高い光伝導度により整流器、複写機、露出計、ゼログラフィ、太陽電池などの光電子デバイスの鍵材料です[4-6]。

重要な無機材料として、セレンは1.6 eVのバンドギャップを持つ優れた半導体挙動で注目されています[7,8]。さらに、ナノセレンは優れた生物活性と低毒性により生物医学で重要な役割を果たし、がん細胞を選択的に殺傷できる物質として緊急の優先課題となっています[9-16]。セレンは人体健康に不可欠な微量元素で、ほとんどの食品に含まれます。食品中では主にセレノメチオニンとセレノシステインというアミノ酸形態で存在します。セレン化合物は抗酸化剤としてin vitroでフリーラジカルを除去し、セレノ酵素グルタチオンペルオキシダーゼの活性を高め、in vivoでフリーラジカルによる細胞・組織損傷を防ぎます[17-19]。近年、セレンナノ粒子がトウモロコシや穀物の生育添加剤、ビタミン中の有機セレン化合物置換として用いられ、人体必須微量セレンを補給しています。

過去数年間、Seナノ粒子、ナノロッド、ナノワイヤー、ナノチューブ[20-24]が多くの戦略[5,24,25]で生成されてきました。例えば、Raoグループの水熱法[26]、Zhangグループのカーボサーマル化学気相成長法[27]などは、比較的厳しい反応条件を必要とします。溶液相化学法はNano-Se製造の優れた経路を提供しますが、上記手法で調製されるSeナノ粒子のサイズは非常に大きく（>20 nm）、中には100 nm超もあり、人体でのセレン吸収効率を低下させる可能性があります。明らかに、微小粒子サイズ（<10 nm）のSeナノ粒子を大量に製造する効果的かつ環境友好な経路の開発は課題ですが、ヘルスケア応用には不可欠です。

本研究では、グルコースを還元剤、グリセリンを安定化剤として用い、6 nm未満の微小Seナノ粒子を製造する制御可能かつ迅速な手法を提示します。従来研究と比較し、グリセリンとグルコースが人体細胞と相溶性であるため、この手法はグリーンかつ環境友好です。より小さなサイズは人体でのセレンナノ粒子吸収効率を向上させ、食品、ビタミン、医薬品への微量セレン供給への幅広い応用が期待されます。

実験方法

Na₂SeO₃粉末、グリセリン、グルコース粉末、エタノール、3-メルカプトプロピオン酸（MPA、99%、Alfa Aesar）を無精製で使用しました。まず、Na₂SeO₃ 0.023 gを蒸留水20 mLとエタノール2 mLの混合液に溶解し、さらにグリセリン18 mLを添加してストック前駆体溶液を調製しました。還元剤は、グルコース 1.0076 gを蒸留水20 mLとMPA 1 mLの混合液に溶解して調製しました。Na₂SeO₃前駆体溶液を60 °Cに加熱し、グルコース還元剤溶液を注入しました。その後、混合溶液を120 °Cまで徐々に加熱し3分間保持しました。分散液が透明から暗赤色へ変化し、以下の還元反応によりSeナノ粒子が生成されたことを示しました：

$$ \begin{array}{l} \mathrm{Na}_2\mathrm{SeO}_3 \to \mathrm{Na}_2\mathrm{O} + \mathrm{SeO}_2 \\ \mathrm{SeO}_2 + 2\mathrm{C}_5\mathrm{H}_6(\mathrm{OH})_5\mathrm{CHO} \to \mathrm{Se}\downarrow + 2\mathrm{C}_5\mathrm{H}_6(\mathrm{OH})_5\mathrm{COOH} \end{array} $$

この方法でSeナノ粒子が製造され、残留溶媒はNa₂O、グルコン酸、MPA、水で構成されます。還元反応を完全に進行させるためグルコースを過量添加しました。様々な温度段階で、Seナノ粒子を含む分散液7 mLを少量のガラス瓶に吸引し、光学測定とTEM測定を行いました。こうしてグリセリン溶液中に分散した微小セレンナノ粒子を得ました。分散液を45日間エージングし、その後蒸留水で数回洗浄しました。エージング過程でセレンナノ粒子は徐々にナノロッドへ成長しました。

調製物を各種手法で評価しました。XRD試料は、Seナノ粒子分散液を12,000 rpmで30分遠心分離し、得られた粉末を400 °Cで1時間加熱してナノ結晶を完全結晶化させました。調製Seナノ粒子の微細構造はJEOL 2100F高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）で測定しました。Seナノ粒子またはナノロッド分散液のUV-vis光学スペクトルをPhenix 1900PC UV-Vis-NIR分光光度計で取得しました。

結果と考察

Seナノ粒子の構造同定

Seナノ粒子のXRD測定では、遠心分離後、水とアルコールで3回パージしました。Seナノ粒子は分散液から分離して空気曝露すると活性を失い黒色化します。構造とサイズ情報を得るため、2種類の試料をXRDとTEM用に調製しました。1つは新規合成Seコロイド懸濁液を80 °Cで3分加熱したもの、もう1つは遠心分離コロイド分散液を400 °Cで1時間焼成して得たナノ粉末です。新規調製Seナノ粒子は非晶質（a-Se）でしたが、400 °Cアニールしたものは良好に結晶化していました。XRD回折ピーク（図1）は、六方晶Seの(100)、(101)、(110)、(102)、(111)、(200)、(201)、(003)面に指数付けられ、標準カード（PDF 65-1876）の特性ピークと良く一致します[24,28]。上記XRDパターンの詳細解析から、Seナノ粒子が純粋な三方晶相で結晶化していることが判明しました。格子定数はこのXRDパターンからa=0.437 nm、b=0.496 nmと決定され、文献値（a=0.436 nm、b=0.495 nm）と整合します[29]。

Seナノ粒子の光学特性

実験全体が色変化を伴って進行しました。まず、MPAとグルコース溶液をNa₂SeO₃前駆体溶液に添加した直後、混合液は透明でした。その後、温度が60から120 °Cへ上昇するにつれ、分散液の色が淡黄色→明るいオレンジ→ブラッドオレンジ→深紅へと変化しました。このSeナノ粒子分散液の色変化は、図2のUV-Vis吸収スペクトルでより明確に現れています。図2は、60、80、100、120 °Cで調製した試料の光学スペクトルを示しています。新規調製Seナノ粒子の活性損失を防ぐため、光学測定は新規調製分散液で即座に行いました。残留溶媒（グルコン酸、MPA、グリセリン）はすべて無色透明溶液で、約240 nmに吸収ピークを示しますが、可視域に吸収ピークは現れません。したがって、図2の吸収ピークはすべてSeナノ粒子由来です。Seナノ結晶の元々の吸収ピークは292 nm（a）に位置し、反応温度80 °Cで371 nm（b）へシフト、さらに100 °Cで504 nm（c）、120 °Cで618 nm（d）へとレッドシフトします。これらNano-Seの複数吸光ピークは反応温度と連動しています。温度が高いほど粒子サイズが大きくなります。粒子サイズに伴うSeナノ粒子のレッドシフトした光学スペクトルは、実際には量子サイズ効果によって制限されています（図2）。

セレンはバンドギャップエネルギー1.6 eV（775 nm）の典型的な直接遷移型半導体です。粒子サイズがボーア励起半径より小さい場合、量子閉じ込め効果によりバンドギャップが拡大します。したがって、光学吸収スペクトルはバルク対応物と比較してSeナノ結晶のバンドギャップエネルギーの大きなブルーシフトを示します。吸収ピークはバルクSeの775 nmから、60 °C製造のSeナノ粒子で292 nmへシフトします。反応温度が80 °Cになると吸収ピークが371 nmへレッドシフトし、さらに100 °Cで504 nmへシフトします。最終的に、120 °Cで30分加熱後45日間エージングした懸濁液で吸収ピークは618 nmへ移動します。Seナノ粒子のバンドギャップエネルギー総シフト量はバルク対応物比で483 nm（0.39 eV）に達します。Seナノ結晶のバンドギャップエネルギーは粒子サイズとともに減少し、粒子サイズは反応温度で変化します。粒子が大きいほどバンドギャップエネルギーは小さくなります。吸収ピークの温度依存シフトの起源は、よく知られた量子閉じ込め効果によるもので、Seナノ粒子懸濁液の色変化をもたらします。

Seナノ粒子の微細構造

調製Seナノ粒子の微細構造と形態を図3に示します。pH 11でMPAを安定化剤として用いた調製Seナノ粒子のTEM像です。粒子サイズは2-10 nm範囲で平均4.8 nmでした。この像は少量の凝集を伴う多数の微小Seナノ粒子を示しています。インセットは3個の個別Seナノ粒子のHRTEM像で、格子縞が明確に見えます。像(a)は3 nm未満の極微小Seナノ粒子、像(b)は5 nmサイズ、像(c)は約10 nmのやや大きな粒子です。これらのナノ結晶の格子縞は明確に見え、ほとんどの縞が六方晶構造の{101}面に帰属されます。HRTEM像の高速フーリエ変換による逆空間での1次元格子縞の間隔は2.978 Åと決定され、{101}面の間隔と一致します。1次元格子縞のみ出現するため、これらナノ粒子の配向決定は困難です。個別ナノ粒子のHRTEM像は、調製Seナノ粒子の六方晶構造をさらに確認し、XRD結果と整合します。HRTEM像で観察された最小Seナノ粒子は約2 nm径です（図3d）。HRTEM像から、これらナノ粒子は希少な欠陥を持つ良好な結晶化状態にあり、転位、積層欠陥、双晶は観察されず、これら水溶性Seナノ粒子がほぼ欠陥フリーであることを示しています。

これまで、10 nm未満の微小Seナノ粒子製造は極めて困難とされてきました。Seナノ粒子サイズは>20 nmと報告されており[30]、中には50 nm超もあります[31-33]。従来の化学プロセスでは、反応時間に伴うSeナノ粒子の急速な成長制御が非常に困難と思われます。

本手法では、Seナノ粒子サイズを良好に制御できます。これらSeナノ粒子は均質なサイズ分布を示し、2-6 nm範囲で稀に6 nm超の大粒子が生じます（図4）。実際、図4のHRTEM像は、試料を3週間エージング後のSeナノ粒子懸濁液から直接撮像したもので、Seナノ粒子がグリセリン含有溶液中で安定であることを示しています。

しかし、これらSeナノ粒子を水で数回洗浄すると、分散液が黒色化し、粒子サイズが50 nm超へ成長しました。中には数百ナノメートル長のナノロッドへ成長する粒子もあります。洗浄プロセスでグリセリンがSeナノ粒子表面から除去され、空気中で3か月以上エージングさせると、Seナノ粒子は活性を失い、[022]または[110]方向に沿って急速にナノロッドへ成長します（図5）。微小Seナノ粒子のエージングから発展するこれらナノロッドの形態を図5に示します。この種のSeナノロッドは文献でほとんど報告されていません[28-30]。これらSeナノロッドのHRTEM像と像のフーリエ変換を図6、7に示し、それぞれ六方晶構造と単斜晶構造を表示しています。図6には2本のナノロッドがあり、両方とも六方晶構造です。ロッドAは[01-11]方向、ロッドBは[1-2-1-3]方向です。ロッドAとBの成長方向はそれぞれ(110)と(001)です。一方、図7のSeナノロッドは単斜晶構造で、(022)方向に成長します。したがって、エージングしたSeナノ粒子はすべてナノロッドへ変換され、実際には六方晶構造と単斜晶構造の2つの結晶構造で構成されます。Seナノ粒子がグリセリン溶液中に分散している間は、微小Seナノ粒子は非常に安定で、エージング時間とともに大粒子やナノロッドへ成長することはありません。グリセリンはSeナノ粒子の成長抑制と溶液中での高活性維持に鍵となる役割を果たします。洗浄で粒子からグリセリンが除去されると、Seナノ粒子は活性を失い、特定方向へ急速にナノロッドへ成長します。一方、グリセリンは生物適合性有機化合物であり、このような生物友好性剤で安定化されたSeナノ粒子は、人体へのSe供給源としてヘルスケア製品への応用可能性を秘めています。

結論

微小均一Seナノ粒子合成の新規で容易かつグリーンな手法を提示しました。この方法では、グルコースでNa₂SeO₃を還元してSeナノ粒子を製造し、グリセリンを安定化剤として用いてSeナノ粒子の異常成長を抑制しました。ここでグリセリンは、セレンナノ粒子のサイズ制御と溶液中での安定性に鍵となる役割を果たします。この方法で、サイズ2-6 nmの水溶性Seナノ粒子を得ました。これらSeナノ粒子は強い量子閉じ込め効果を示し、光学吸収スペクトルはバルク対応物比でSeナノ結晶のバンドギャップエネルギーの大きなブルーシフトを示します。Seナノ粒子のバンドギャップエネルギーは、バルクの775 nmから292 nmへブルーシフトします。これはグリーンで環境友好的な合成プロセスであり、何より重要なことに、Seナノ粒子サイズが2 nmまで微小化可能で狭いサイズ分布を実現できます。グリセリン溶液中のこれらSeナノ粒子は生物適合性を持ち、医薬分野への応用可能性を秘めています。

略語

1D:

1次元

eV:

電子ボルト

HRTEM:

高分解能透過型電子顕微鏡

MPA:

3-メルカプトプロピオン酸

nm:

ナノメートル

TEM:

透過型電子顕微鏡

XRD:

X線回折