自然界に幅広く観察されるイオン間の選択的相互作用による水溶液中での難溶性沈殿形成(たとえば,AgCl.BaSO₄など)は,結晶生成過程が化学選択的であるため,新規イオン検出法及び分離・精製方法として興味深い.このような化学選択的沈殿形成現象は,古くからバルク分析手法である沈殿滴定,沈殿形成を伴う重量分析など,実際これまで重要な分析化学的手法として利用されてきた.特に,沈殿形成過程を利用した重量分析法は,結晶形成が検知できる物質であれば,分析化学に応用できる可能性があり,極めて高い一般性を有した手法である.しかしながら,化学選択的結晶形成過程を内在する難溶性無機化合物を用いた分析化学への応用は,その高い一般性にもかかわらず,近年見るべき発展を遂げていない.主に,界面分析手法として1960年代にPungorらにより提案された難溶性無機化合物を用いたイオン選択的電荷分離に基づく電位差測定,いわゆる固体膜イオン選択性電極が開発されてきたが,膜電位測定に感応膜の電気伝導性を必要とするなどの様々な問題があるため利用可能な難溶性無機化合物は制限され,取り組み難い分野であった.

　一方,近年,本研究室により固液界面のイオン選択吸着現象に基づいたQCM(uartz rystal icrobalance)無機リン酸イオンセンサーが報告された.しかし,この方法ではQCM電極上に難溶性無機リン酸化合物を接着材を用いて固定するため,作製した電極間の再現性や接着材成分による応答などの問題点を残した.さらに,その応答が単分子吸着によって生じるものであるために小さく,その変化を定量的に評価することが困難であった.

　そこで,本研究では上記の理由で従来感応膜材料として応用不可能であったものまで固液界面という限定された微小領域をイオンや分子の選択認識場とする化学センシングへの取り組みを機能性単分子膜(11-mercapto-1-undecanol(MUD)や11-mercaptoundecanoic acid(MUA))を用い,QCM金電極上に自己組織化配向単分子膜を形成し,その膜上に分析対象になるイオンや分子を含んでいる難溶性化合物を固定する方法を用いることにより,固液界面のイオンや分子の選択的吸着現象を詳しく研究し、それに基づく新規イオン検出法を開発する事を目的とした.また、以前の研究から単分子吸着による応答の小ささが,評価を困難にしていたことを考慮し、本研究はその応答が比較的大きいと予想される結晶成長を観察することにより精度を上げることを試みた.

　まず,水溶液中での結晶成長研究において典型的モデルであり,その結晶成長過程がよく知られている硫酸バリウムを用いて硫酸バリウムの結晶成長に基づく硫酸イオンの検出法について検討を行った.それから,近年,産業・環境・医学などの分野で分析のニーズが増え続けている亜セレン酸イオンの検出法を亜セレン酸カドミウムの結晶成長を用いて試みた.さらに,最も分析対象として困難であるキラル化合物の識別・検出を目的にし,必須アミノ酸であるL-leucineを用いてその可能性を検討した.

　自己組織化配向単分子膜は電気化学的検討を行った結果,11-mercapto-1-undecanol(MUD)が水晶振動子金電極上に化学的に安定なSAM(Self Assembly Monolayer)膜を形成することが分かった.そこでMUDを合成し,ethanol中で修飾し,さらにその末端の水酸基をリン酸化することにより,分析対象になる目的イオン(SO₄^2-)を含んでいる硫酸バリウム(BaSO₄)を固定させた(Fig.1).その各々の水晶振動子金電極上の修飾過程はX線光電子分光法(XPS)および原子間力顕微鏡(AFM)を用いてその表面変化を観察することによって表面キャラクタリゼイションを行った.こうして作製した水晶振動子はSO₄^2-イオンを含んでいるBaSO₄の飽和溶液を浸した後,SO₄^2-イオンを加えることにより,溶液を飽和から過飽和状態に変化させ,この際生じる結晶成長をその場で観察した.さらに目的イオンと他イオンとの選択性を検討した.

Fig.1 The reaction scheme of chemical modification sequence for BaSO₄ crystallization on phosphorylated 11-mercapto-1-undecanol(MUD).

　Fig.1に示した方法により作製した電極はX線光電子分光法(XPS)を用いてその表面変化を観察した結果(Table1),リン酸化されたMUD単分子膜上に硫酸バリウムが固定されたことが分かった.さらに原子間力顕微鏡(AFM)の結果(Fig.2)からMUDとリン酸化されたMUD単分子膜の表面はほぼ同様な荒さを示していることに対し,リン酸化されたMUD単分子膜上に硫酸バリウムが成長した場合はその表面が平らになっていった.これはおそらく硫酸バリウム結晶成長によるものであると考えられる.

Table 1.XPS data for the modified QCM gold surfaces

Fig.2 AFM images(a-c)of 10×10m arca for(a)mono-layer of MUD on QCM gold electrode.(b)phosphorylated MUD,and(c)BaSO₄ crystallization on(b).

　硫酸イオンに対する濃度依存性をQCMを用いて調べた結果,6.8×10^-5Mから4.5×10^-3Mの範囲で比例(<S.D.3%)することが分かった(Fig.3).また,他陰イオンとの選択性はSO₄^2->CO₃^2->>NO₃^-,I^-,Br^-,SCN^-であった.このような選択性はバリウムイオンと陰イオンとの相互作用,すなわち溶解度積および溶解度に基づくものであると考えられる(Table2).

Fig.3 Concentration dependence of the frequency changes during 10 minutes(-F)for sulfate and other anions on the response of a QCM oscillator modified with harium sulfate crystal grown on phosphorylated MUD self-assembly monolayers.

Table 2.Ion selectivity of the present QCM sulfate ion sensor

　3章の硫酸イオンセンサーとほぼ同様な方法を用いて亜セレン酸カドミウム結晶(CdSeO₃)を固定した.ethanol中で11-mercapto-1-undecanol(MUD)を用いて水晶振動子金電極上に自己組織化配向単分子膜を形成し,その末端の水酸基をリン酸化することにより,分析対象になる目的イオン(SeO₃^2-)を含んでいる亜セレン酸カドミウム結晶(CdSeO₃)を固定させた(Fig.4).その各々の水晶振動子金電極上の修飾過程はX線光電子分光法(XPS)および原子間力顕微鏡(AFM)を用いてその表面変化を観察することによって表面キャラクタリゼイションを行った.こうして作製した水晶振動子はSeO₃^2-イオンを含んでいるCdSeO₃の飽和溶液を浸した後,SeO₃^2-イオンを加えることにより,溶液を飽和から過飽和状態に変化させ,この際生じる結晶成長をその場で観察した.さらに目的イオンと他イオンとの選択性を検討した.

Fig.4 The reaction scheme of chemical modification sequence for CdSeO₃ crystallization on phosphorylated 11-mercapto-1-undecanol(MUD).

　Fig.4に示した方法により作製した電極はX線光電子分光法(XPS)を用いてその表面変化を観察した結果(Table3),リン酸化されたMUD単分子膜上に亜セレン酸カドミウムが固定されたことが分かった.さらに原子間力顕微鏡(AFM)の結果(Fig.5)からMUDとリン酸化されたMUD単分子膜の表面はほぼ同様な荒さを示していることに対し,リン酸化されたMUD単分子膜上に亜セレン酸カドミウムが成長した場合はその表面が平らになっていった.これはおそらく亜セレン酸カドミウムの結晶成長によるものであると考えられる.

Table 3.XPS data for the modified QCM gold surfaces

Fig.5 AFM images(a-c)of 2×2m area for(a)monolayer of MUD on QCM gold electrode,(b)phosphorylated MUD,and (c)CdSeO₃ crystallization on (b).

　それから亜セレン酸イオンに対し,9.7×10^-5Mから9.0×10^-4Mの範囲で比例(<S.D.5%)することが分かった.また,他陰イオンとの選択性(Fig.6)はSeO₃^2->>CO₃^2->SeO₄^2-,SO₄^2-,Br^-,I^-,NO₃^-の序列を示した.このような選択性は基本的に溶解度積および溶解度に基づくものであると考えられる(Table4).

Fig.6 Concentration dependence of the frequency changes during 10 minutes(-F)for selenite and other anions on the response of a QCM oscillator modified with cadmium selenite crystal grown on phosphorylated MUD self-assembly monolayers.

Table 4.Ion selectivity of the present QCM selenite ion sensor

　自己組織化配向単分子膜として11-mercapto-1-undecanoic acid(MUA)を合成し,ethanol中で水晶振動子金電極上に自己組織化配向単分子膜を形成し,その上に1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride(WSC)とN-hydroxysuccinimide(NHS)を用いてペプチド合成方法によってL-leucineを結合させた(Fig.7).こうして作製した水晶振動子はDL-leucineのラセミ飽和溶液を浸した後,L-leucineを加えることにより,溶液を飽和から過飽和状態に変化させ,この際生じる結晶成長をその場で観察した.さらにL-leucineとD-leucineとの選択性を検討した.

Fig.7 The reaction scheme of chemical modification sequence for L-leucine-seed on 11-mercapto-1-undecanoic acid(MUA).

　キラル精製・分離方法として知られている優先晶出法(preferential crystallization)はラセミ体の溶液中に一方の活性体の種を加えることによって優先的に一方の結晶のみを成長させる一般的方法である.このような原理に基づいてDL-leucineのラセミ飽和溶液に一方の活性体であるL-leucineを加えることにより修飾した水晶振動子電極上にL-leucineを晶出させた(Fig.8).また,L-leucineとD-leucineの選択性を検討した結果,8.0×10^-5Mから6.0×10^-4Mの範囲(<S.D.7%)でD-leucineには応答せず,L-leucineのみ応答することがわかった(Fig.9).このような特異的選択性で,修飾したL-leucine種結晶上にL-leucine分子のみがキラル識別され,優先的に晶出されるものであると思われ,今後新たなキラル分析法として有用であることを示した。

Fig.8 A typical time course of the QCM frequency change of the L-leucine-seed-modified QCM oscillator.(a)L-leucine saturated condition,(b)L-leucine supersaturated condition.

Fig.9 Concentration dependence of the frequency changes during 10 minutes(-F)for L-leucine and D-leucine on the QCM oscillator modified with L-leucine crystal grown on MUA self-assembly monolayers.

　第3章〜5章で示したように本法は硫酸,亜セレン酸,L-leucineの新規分析法として利用できる可能性があることを示した.しかし,本法は結晶成長過程を観察するため,イオン・分子の認識場になる結晶の表面状態が大きく変化する場合,アナルナイト濃度に対するQCM応答は濃度依存性を失う傾向がある.そのため,検量範囲が狭くなってしまう問題点を残した.この問題点の改良策としてまず,原子間力顕微鏡(AFM)を用いて目的物質の濃度変化に対する結晶表面状態の変化をリアルタイムで観察することにより,どのようなメカニズムで結晶成長が行われているかを明らかにする必要がある.また,本法にフローシステムを導入すれば,実用化できると思われる.

　本研究では機能性自己組織化配向単分子膜上に感応化合物を固定した水晶振動子を用い,結晶成長過程に基づく新規化学センシング法を提案した.また,本法のQCMの周波数変化は結晶成長をその場で示していることが分かった.さらに,本法は従来の分析法(たとえば,HPLC,イオンクロマトグラフィー)に比べ,感度および選択性の観点から優れていることが分かった.また,本法は高い一般性を持つため結晶成長を伴う無機または有機化合物を用いれば,界面でのその結晶成長あるいは単分子・イオン吸着過程に基づき,どのようなイオン・分子の分析方法としても利用できる可能性があることを示した.