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JP7489701B2 - Fullerene nanocube, its manufacturing method and quartz crystal resonator gas sensor using the same - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 (1)令和1年12月3日公開 ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY発行 Materials Horizons,2020,vol.7,787-795 DOI:10.1039/c9mh01866b (2)令和2年3月2日発行 The 13th MANA International Symposium 2020 jointly with ICYS予稿集P.9Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies (1) Published on December 3, 2019, Royal Society of Chemistry, Materials Horizons, 2020, vol. 7,787-795 DOI:10.1039/c9mh01866b (2)Published on March 2, 2020 The 13th MANA International Symposium 2020 jointly with ICYS Proceedings P. 9

本発明は、フラーレンナノキューブ、その製造方法およびそれを用いた水晶振動子ガスセンサに関する。 The present invention relates to fullerene nanocubes, their manufacturing method, and quartz crystal resonator gas sensors using them.

近年、液-液界面析出法(LLIP法)によりフラーレンナノキューブが報告されている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1によれば、メシチレンとイソプロパノールとの界面でC70からなるフラーレンナノキューブが製造されることが報告されている。このようなフラーレンナノキューブをさらに改良し、それを用いた新たな応用が期待されている。 In recent years, fullerene nanocubes have been reported by the liquid-liquid interface precipitation method (LLIP method) (see, for example, Non-Patent Document 1). According to Non-Patent Document 1, fullerene nanocubes made of C70 are reported to be produced at the interface between mesitylene and isopropanol. It is expected that such fullerene nanocubes will be further improved and used for new applications.

Chibeom Parkら,Angew.Chem.Int.Ed.,2010,49,9670-9675Chibeom Park et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 9670-9675

以上より、本発明の課題は、機能性を有するフラーレンナノキューブ、その製造方法およびそれを用いた水晶振動子ガスセンサを提供することである。 Based on the above, the objective of the present invention is to provide a functional fullerene nanocube, a manufacturing method thereof, and a quartz crystal resonator gas sensor using the same.

本発明のフラーレンナノキューブは、フラーレンを主成分とし、多孔質であり、前記フラーレンが窒素原子を含有し、これにより上記課題を解決する。
前記フラーレンは、C60フラーレン、C70フラーレン、C76フラーレン、C78フラーレン、C82フラーレン、C84フラーレン、C90フラーレン、C94フラーレン、および、これらの誘導体からなる群から少なくとも1種選択されてもよい。
前記フラーレンは、C70フラーレンおよび/またはその誘導体であってもよい。
単純立方格子構造(sc)および六方最密充填構造(hcp)を有してもよい。
親水性を有してもよい。
一辺が1μm以上4μm以下の範囲を有する四角柱であってもよい。
フーリエ変換赤外分光高度計で測定されるFTIRスペクトルにおいて3000cm-1以上3450cm-1以下の範囲にN-H伸縮振動に起因するピークを有してもよい。
X線光電子分光法で測定されるXPSスペクトルにおいて結合エネルギーが398.5eV以上400.5eV以下の範囲に窒素のN1sピークを有してもよい。
前記窒素原子は、3原子%以上10原子%以下の範囲で含有されてもよい。
前記窒素原子は、酸化されていてもよい。
前記フラーレンナノキューブの表面はアミノ化されていてもよい。
本発明による上記フラーレンナノキューブの製造方法は、メシチレンにフラーレンが分散したフラーレン分散液と、炭素数5以下の低級アルコールとを混合し、液液界面析出法によりフラーレンナノキューブを形成することと、前記メシチレンと前記低級アルコールとの合計に対して2wt%以上10wt%以下の範囲のエチレンジアミンを添加し、混合液を得ることと、前記混合液を5分以上30分以下の時間インキュベーションすることとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記インキュベーションすることに続いて、前記メシチレン、低級アルコールおよびエチレンジアミンの混合溶液で生成物を洗浄することをさらに包含してもよい。
前記低級アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、および、イソプロパノールからなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記フラーレンナノキューブを形成することは、超音波処理しながら行ってもよい。
前記混合液を得ることは、超音波処理しながら行ってもよい。
前記フラーレンは、C70フラーレンおよび/またはその誘導体であってもよい。
本発明によるガスセンサ膜を備えた水晶振動子ガスセンサは、前記ガスセンサ膜は、上記フラーレンナノキューブを含有し、これにより上記課題を解決する。
ギ酸、酢酸およびプロピオン酸からなる群から選択される酸性ガスを検知してもよい。
The fullerene nanocube of the present invention is composed mainly of fullerene, is porous, and contains nitrogen atoms, thereby solving the above-mentioned problems.
The fullerene may be at least one selected from the group consisting of C60 fullerene, C70 fullerene, C76 fullerene, C78 fullerene, C82 fullerene, C84 fullerene, C90 fullerene, C94 fullerene, and derivatives thereof.
The fullerene may be a C70 fullerene and/or a derivative thereof.
It may have a simple cubic lattice structure (sc) and a hexagonal close packed structure (hcp).
It may be hydrophilic.
It may be a square prism with one side having a length in the range of 1 μm to 4 μm.
The FTIR spectrum measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer may have a peak due to N--H stretching vibration in the range of 3000 cm -1 to 3450 cm -1 .
The compound may have a nitrogen N1s peak in a binding energy range of 398.5 eV or more and 400.5 eV or less in an XPS spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy.
The nitrogen atoms may be contained in an amount ranging from 3 atomic % to 10 atomic %.
The nitrogen atom may be oxidized.
The surface of the fullerene nanocube may be aminated.
The method for producing fullerene nanocubes according to the present invention comprises mixing a fullerene dispersion in which fullerenes are dispersed in mesitylene with a lower alcohol having 5 or less carbon atoms, forming fullerene nanocubes by liquid-liquid interface precipitation, adding ethylenediamine in a range of 2 wt % to 10 wt % based on the total of the mesitylene and the lower alcohol to obtain a mixed solution, and incubating the mixed solution for 5 minutes to 30 minutes, thereby solving the above-mentioned problem.
Following said incubation, the method may further comprise washing the product with said mixture of mesitylene, a lower alcohol and ethylenediamine.
The lower alcohol may be at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and isopropanol.
The forming of the fullerene nanocubes may be performed while performing an ultrasonic treatment.
The obtaining of the mixture may be performed while subjecting the mixture to ultrasonic treatment.
The fullerene may be a C70 fullerene and/or a derivative thereof.
The quartz crystal resonator gas sensor provided with the gas sensor film according to the present invention solves the above-mentioned problems by containing the above-mentioned fullerene nanocubes.
An acid gas selected from the group consisting of formic acid, acetic acid and propionic acid may be detected.

本発明のフラーレンナノキューブは、窒素を含有するので、親水性を有する。これにより、本発明のフラーレンナノキューブは水に対して分散性に優れるため、バイオ関連用途へ適用され得る。本発明のフラーレンナノキューブは、多孔質であるため、細孔を利用したナノメートルサイズやサブミクロンサイズ物体等のカプセル化、輸送、放出等のバイオ関連用途への適用が期待されている。また、本発明のフラーレンナノキューブは、揮発性の酸性ガスに対して優れた選択性を示す。そのため、本発明のフラーレンナノキューブは水晶振動子ガスセンサに利用できる。 The fullerene nanocubes of the present invention contain nitrogen and therefore have hydrophilicity. This allows the fullerene nanocubes of the present invention to have excellent dispersibility in water, making them applicable to bio-related applications. The fullerene nanocubes of the present invention are porous, and are therefore expected to be applicable to bio-related applications such as encapsulation, transportation, and release of nanometer-sized or submicron-sized objects using the pores. In addition, the fullerene nanocubes of the present invention show excellent selectivity for volatile acidic gases. Therefore, the fullerene nanocubes of the present invention can be used in quartz crystal resonator gas sensors.

本発明のフラーレンナノキューブの製造方法によれば、親水性処理を新たに施すことなく、上述の親水性を有し、かつ、高い機能を有するフラーレンナノキューブが得られるので、製造プロセスを簡略化でき、有利である。 The method for producing fullerene nanocubes of the present invention advantageously simplifies the production process by producing fullerene nanocubes that have the above-mentioned hydrophilic properties and are highly functional without the need for additional hydrophilic treatment.

本発明のフラーレンナノキューブを示す模式図Schematic diagram showing fullerene nanocubes of the present invention. 本発明のフラーレンナノキューブを構成する例示的なフラーレンを示す模式図Schematic diagram showing exemplary fullerenes constituting the fullerene nanocubes of the present invention. 本発明のフラーレンナノキューブを製造する工程を示すフローチャートA flow chart showing the steps for producing fullerene nanocubes of the present invention. 本発明のフラーレンナノキューブを用いた水晶振動子ガスセンサの正面図Front view of a quartz crystal gas sensor using fullerene nanocubes of the present invention. 本発明のフラーレンナノキューブを用いた水晶振動子ガスセンサの側面図Side view of a quartz crystal gas sensor using fullerene nanocubes of the present invention. 図2のステップS210によって得られたフラーレンナノキューブのSEM像を示す図FIG. 3 shows an SEM image of fullerene nanocubes obtained in step S210 of FIG. フラーレンナノキューブの辺長分布を示す図Diagram showing the side length distribution of fullerene nanocubes フラーレンナノキューブのSTEM像を示す図Figure showing an STEM image of a fullerene nanocube 例1の試料のSEM像を示す図FIG. 1 shows an SEM image of a sample of Example 1. 例1の試料のSTEM像を示す図FIG. 1 shows an STEM image of a sample of Example 1. 例1の試料の辺長分布を示す図FIG. 1 shows the side length distribution of the sample in Example 1 例1の試料のTEM像およびHRTEM像を示す図TEM and HRTEM images of the sample of Example 1. 例1の試料のXRDパターンを示す図FIG. 1 shows an XRD pattern of a sample of Example 1. 例1の試料のラマンスペクトルを示す図FIG. 1 shows the Raman spectrum of the sample of Example 1. 例1の試料の高周波数側のFTIRスペクトルを示す図FIG. 1 shows the FTIR spectrum of the sample in Example 1 on the high frequency side. 例1の試料の低周波数側のFTIRスペクトルを示す図FIG. 1 shows the FTIR spectrum of the sample in Example 1 on the low frequency side. 例1の試料のUV-visスペクトルを示す図FIG. 1 shows the UV-vis spectrum of the sample of Example 1. 例1の試料のXPSスペクトルを示す図FIG. 1 shows the XPS spectrum of the sample of Example 1. 例1の試料のN1sコアレベルのXPSスペクトルを示す図FIG. 1 shows an XPS spectrum of the N1s core level of the sample of Example 1. 例1のQCMセンサによる種々の揮発性有機化合物に対するQCM周波数シフトを示す図FIG. 1 shows the QCM frequency shift for various volatile organic compounds using the QCM sensor of Example 1.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の符号を付し、その説明を省略する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that similar elements are given similar reference numerals and their description will be omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明のフラーレンナノキューブおよびその製造方法について詳述する。
図1Aは、本発明のフラーレンナノキューブを示す模式図である。
図1Bは、本発明のフラーレンナノキューブを構成する例示的なフラーレンを示す模式図である。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, the fullerene nanocube and the method for producing the same of the present invention will be described in detail.
FIG. 1A is a schematic diagram showing a fullerene nanocube of the present invention.
FIG. 1B is a schematic diagram showing exemplary fullerenes that make up the fullerene nanocubes of the present invention.

本発明のフラーレンナノキューブ100は、図1Aに模式的に示すように、柱状構造を有しており、メソ細孔110を有する多孔質である。柱状構造は、立方体であってよい。 As shown in FIG. 1A, the fullerene nanocube 100 of the present invention has a columnar structure and is porous with mesopores 110. The columnar structure may be a cube.

本発明のフラーレンナノキューブ100は、フラーレンを主成分とする。本願明細書において、フラーレンは、置換基を有する、および/または、有しない、炭素原子を含有する球状の分子であれば、特に制限はないが、例示的には、C60フラーレン、C70フラーレン、C76フラーレン、C78フラーレン、C82フラーレン、C84フラーレン、C90フラーレン、C94フラーレン、および、これらの誘導体からなる群から少なくとも1種選択される。なお、フラーレン誘導体とは、フラーレンの少なくとも一部が修飾された化合物を意味する。 The fullerene nanocube 100 of the present invention is mainly composed of fullerene. In the present specification, the fullerene is not particularly limited as long as it is a spherical molecule containing carbon atoms with and/or without a substituent, but is illustratively selected from the group consisting of C60 fullerene, C70 fullerene, C76 fullerene, C78 fullerene, C82 fullerene, C84 fullerene, C90 fullerene, C94 fullerene, and derivatives thereof. Note that the fullerene derivative means a compound in which at least a part of the fullerene is modified.

中でも、フラーレンは、より好ましくは、C70フラーレンおよび/またはその誘導体である。これにより、後述する方法によりナノキューブが収率よく製造され得る。フラーレンがC70である場合、本発明のフラーレンナノキューブは、好ましくは、単純立方格子構造(sc)および六方最密充填構造(hcp)を有する。 Among them, the fullerene is more preferably C70 fullerene and/or its derivatives. This allows nanocubes to be produced with good yield by the method described below. When the fullerene is C70 , the fullerene nanocubes of the present invention preferably have a simple cubic lattice structure (sc) and a hexagonal close-packed structure (hcp).

本明細書においてフラーレンを主成分とするとは、X線回折パターンにおいて、フラーレン以外の明瞭な回折ピークを有さなければよいが、例示的には、フラーレンナノキューブは、90質量%以上、好ましくは95質量%以上のフラーレンを含有することをいう。 In this specification, the term "mainly composed of fullerene" means that there are no clear diffraction peaks other than those of fullerene in the X-ray diffraction pattern, but for example, the fullerene nanocube contains 90% by mass or more, preferably 95% by mass or more of fullerene.

本発明のフラーレンナノキューブ100において、フラーレンは窒素原子を含有する。窒素原子は、フラーレンを構成する炭素原子と置換されていてもよいし、フラーレンに修飾した置換基に含有されていてもよい。窒素原子によってフラーレンナノキューブ100は、親水性を有する。 In the fullerene nanocube 100 of the present invention, the fullerene contains a nitrogen atom. The nitrogen atom may be substituted for a carbon atom constituting the fullerene, or may be contained in a substituent that modifies the fullerene. The nitrogen atom gives the fullerene nanocube 100 hydrophilicity.

窒素原子は、好ましくは、3原子%以上10原子%以下の範囲で含有される。これにより高い親水性を示す。窒素原子は、より好ましくは、4原子%以上6原子%以下の範囲で含有される。これにより、さらに高い親水性を示す。なお、窒素原子の含有量は、X線光電子分光法(XPS)によって測定される。 The nitrogen atoms are preferably contained in a range of 3 atomic % or more and 10 atomic % or less. This results in high hydrophilicity. The nitrogen atoms are more preferably contained in a range of 4 atomic % or more and 6 atomic % or less. This results in even higher hydrophilicity. The nitrogen atom content is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

本発明のフラーレンナノキューブ100は、好ましくは、フーリエ変換赤外分光高度計で測定されるFTIRスペクトルにおいて3000cm-1以上3450cm-1以下の範囲にN-H伸縮振動に起因するピークを有する。このN-H伸縮振動に起因するピークを有することにより、親水性を発揮し得る。 The fullerene nanocube 100 of the present invention preferably has a peak due to N-H stretching vibration in the range of 3000 cm -1 to 3450 cm -1 in the FTIR spectrum measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer. By having this peak due to N-H stretching vibration, it can exhibit hydrophilicity.

本発明のフラーレンナノキューブ100は、より好ましくは、フーリエ変換赤外分光高度計で測定されるFTIRスペクトルにおいて3300cm-1以上3350cm-1以下の範囲にN-H伸縮振動に起因するピークを有する。これにより、高い親水性を発揮し得る。 More preferably, the fullerene nanocube 100 of the present invention has a peak due to N-H stretching vibration in the range of 3300 cm -1 to 3350 cm -1 in the FTIR spectrum measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer, which allows it to exhibit high hydrophilicity.

本発明のフラーレンナノキューブ100は、好ましくは、X線光電子分光法で測定されるXPSスペクトルにおいて結合エネルギーが398.5eV以上400.5eV以下の範囲に窒素のN1sピークを有する。これにより、高い親水性を可能にする。さらに好ましくは、本発明のフラーレンナノキューブ100において、含有される窒素原子は、好ましくは、酸化されている。これにより窒素原子が安定となる。なお、このような酸化された窒素原子の存在は、XPSスペクトルにおいてN1sのコアレベルのピークの畳み込みを解けばよい。 The fullerene nanocube 100 of the present invention preferably has a nitrogen N1s peak in the binding energy range of 398.5 eV to 400.5 eV in the XPS spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy. This allows for high hydrophilicity. More preferably, the nitrogen atoms contained in the fullerene nanocube 100 of the present invention are preferably oxidized. This makes the nitrogen atoms stable. The presence of such oxidized nitrogen atoms can be determined by unfolding the N1s core level peak in the XPS spectrum.

本発明のフラーレンナノキューブ100の表面は、好ましくは、図1Bに示すように、アミノ化されている。図1BではフラーレンとしてC70の例を示すが、これに限らない。後述する製造方法において原料に用いるエチレンジアミンとフラーレンとが反応することにより、表面がアミノ化されるので、高い親水性を示し得る。表面のアミノ化は、マススペクトルによって特定できる。 The surface of the fullerene nanocube 100 of the present invention is preferably aminated as shown in FIG. 1B. In FIG. 1B, C70 is shown as an example of fullerene, but the fullerene is not limited to this. In the manufacturing method described below, the surface is aminated by reaction of ethylenediamine, which is used as a raw material, with fullerene, and therefore the fullerene can exhibit high hydrophilicity. The amination of the surface can be identified by mass spectrometry.

当然ながら、本発明のフラーレンナノキューブ100において、酸化された窒素を含有していてもよいし、表面がアミノ化されていてもよいし、その両方であってもよい。 Of course, the fullerene nanocubes 100 of the present invention may contain oxidized nitrogen, may have aminated surfaces, or may have both.

本発明のフラーレンナノキューブ100は、好ましくは、一辺が1μm以上4μm以下の範囲を有する四角柱である。本発明のフラーレンナノキューブ100は、より好ましくは、一辺が1μm以上2μm以下の範囲を有する四角柱である。四角柱は、好ましくは、立方体であってよい。このような大きさを有することにより、酸に対する高い選択性を示す。 The fullerene nanocube 100 of the present invention is preferably a square prism having a side length in the range of 1 μm to 4 μm. The fullerene nanocube 100 of the present invention is more preferably a square prism having a side length in the range of 1 μm to 2 μm. The square prism may preferably be a cube. By having such a size, it shows high selectivity to acid.

次に、本発明のフラーレンナノキューブの製造方法を説明する。
図2は、本発明のフラーレンナノキューブを製造する工程を示すフローチャートである。
Next, a method for producing fullerene nanocubes according to the present invention will be described.
FIG. 2 is a flow chart showing the steps of producing fullerene nanocubes of the present invention.

本発明のフラーレンナノキューブは、以下のステップS210~S230によって製造される。
ステップS210:メシチレンにフラーレンが分散したフラーレン分散液と、炭素数5以下の低級アルコールとを混合し、液液界面析出法によりフラーレンナノキューブを形成する。
ステップS220:メシチレンと低級アルコールとの合計に対して2wt%以上10wt%以下の範囲のエチレンジアミンを添加し、混合液を得る。
ステップS230:混合液を5分以上30分以下の時間インキュベーションする。
The fullerene nanocubes of the present invention are produced by the following steps S210 to S230.
Step S210: A fullerene dispersion in which fullerenes are dispersed in mesitylene is mixed with a lower alcohol having 5 or less carbon atoms, and fullerene nanocubes are formed by liquid-liquid interface precipitation.
Step S220: Ethylenediamine is added in an amount of 2 wt % to 10 wt % based on the total weight of mesitylene and the lower alcohol to obtain a mixed solution.
Step S230: The mixture is incubated for a period of time ranging from 5 minutes to 30 minutes.

各ステップについて詳述する。
ステップS210において、フラーレンは上述したフラーレンと同じであるため、説明を省略する。得られるフラーレンナノキューブは、多孔質ではなく、例えば、一辺が1μm以上4μm以下の範囲を有する四角柱である。
Each step will be described in detail.
In step S210, the fullerene is the same as the fullerene described above, and therefore the description will be omitted. The resulting fullerene nanocubes are not porous, and are, for example, square pillars each having a side length of 1 μm to 4 μm.

ステップS210において、メシチレンは、フラーレンの良溶媒であるため、フラーレンが良好に分散し得る。 In step S210, mesitylene is a good solvent for fullerenes, so fullerenes can be dispersed well.

ステップS210において、低級アルコールは、フラーレンの貧溶媒であり、メシチレンと液液界面を形成し得る。上述の炭素数を満たせば特に制限はないが、好ましくは、メタノール、エタノール、プロパノール、および、イソプロパノールからなる群から少なくとも1つ選択される。これらは、メシチレンと液液界面を形成し得、収率よくフラーレンナノキューブが得られる。 In step S210, the lower alcohol is a poor solvent for fullerene and can form a liquid-liquid interface with mesitylene. There are no particular limitations as long as the above-mentioned number of carbon atoms is satisfied, but preferably at least one is selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and isopropanol. These can form a liquid-liquid interface with mesitylene, and fullerene nanocubes can be obtained in good yield.

ステップS210において、好ましくは、フラーレン分散液に低級アルコールを添加する。これにより液液界面の形成が促進する。さらに、好ましくは、フラーレン分散液を超音波処理しながら、低級アルコールを添加する。これにより、良質な液液界面が形成され、フラーレンナノキューブの形成が促進する。 In step S210, a lower alcohol is preferably added to the fullerene dispersion. This promotes the formation of a liquid-liquid interface. Furthermore, the lower alcohol is preferably added while the fullerene dispersion is ultrasonically treated. This promotes the formation of a good quality liquid-liquid interface and the formation of fullerene nanocubes.

ステップS210において、低級アルコールは、好ましくは、芳香族炭化水素に対して、体積比で、1.5倍以上3倍以下の量を添加する。これにより、液液界面が形成され、フラーレンナノキューブの形成が促進する。 In step S210, the lower alcohol is preferably added in an amount of 1.5 to 3 times the volume of the aromatic hydrocarbon. This forms a liquid-liquid interface, accelerating the formation of fullerene nanocubes.

ステップS210において、フラーレン分散液中のフラーレンの濃度(mg/mL)は、好ましくは、0.05mg/mL以上0.2mg/mL以下の範囲である。この範囲であれば、フラーレンナノキューブの形成が促進する。 In step S210, the concentration (mg/mL) of fullerene in the fullerene dispersion is preferably in the range of 0.05 mg/mL or more and 0.2 mg/mL or less. This range promotes the formation of fullerene nanocubes.

ステップS210の液液界面析出法は、15℃以上200℃未満の温度範囲で行われてよい。200℃を超えると反応が進まない場合があり得る。好ましくは、15℃以上100℃以下、さらに好ましくは15℃以上50℃以下である。 The liquid-liquid interface precipitation method in step S210 may be carried out at a temperature range of 15°C or higher and lower than 200°C. If the temperature exceeds 200°C, the reaction may not proceed. The temperature is preferably 15°C or higher and 100°C or lower, and more preferably 15°C or higher and 50°C or lower.

ステップS220において、上述の所定量のエチレンジアミンを添加することにより、エチレンジアミンとフラーレンナノキューブとの間でアミノ化を生じさせる。 In step S220, the above-mentioned predetermined amount of ethylenediamine is added to cause amination between the ethylenediamine and the fullerene nanocubes.

ステップS220において、エチレンジアミンの添加量が2wt%よりも少ないと、アミノ化が十分に進まない場合がある。エチレンジアミンの添加量が10wt%を超えても、アミノ化の進行に変化はないため、10wt%を上限とするとよい。より好ましくは、エチレンジアミンの添加量は、メシチレンと低級アルコールとの合計に対して2wt%以上6wt%以下の範囲である。この範囲であれば、効率よくアミノ化が進行し得る。 In step S220, if the amount of ethylenediamine added is less than 2 wt%, amination may not proceed sufficiently. Even if the amount of ethylenediamine added exceeds 10 wt%, there is no change in the progress of amination, so it is advisable to set the upper limit at 10 wt%. More preferably, the amount of ethylenediamine added is in the range of 2 wt% to 6 wt% of the total of mesitylene and the lower alcohol. Within this range, amination can proceed efficiently.

本願発明者らは、ステップS230においてインキュベーション処理を行うことにより、ステップS210で得られたフラーレンナノキューブがエッチングされ、多孔質のフラーレンナノキューブとなることを見出した。 The inventors of the present application discovered that by performing the incubation process in step S230, the fullerene nanocubes obtained in step S210 are etched to form porous fullerene nanocubes.

詳細には、ステップS230において、所定濃度のエチレンジアミンを用い、5分以上30分以上インキュベーション(保持)することにより、フラーレンナノキューブの各面が均等にエッチングされるので、エッチング後も、四角柱が維持される。 In detail, in step S230, a predetermined concentration of ethylenediamine is used and the fullerene nanocube is incubated (held) for 5 to 30 minutes, so that each face of the fullerene nanocube is etched evenly, and the square prism shape is maintained even after etching.

ステップS230において、インキュベーションを、超音波処理をしながら行ってもよい。これによりエッチングが促進される。 In step S230, the incubation may be performed with ultrasonic treatment, which will accelerate the etching.

インキュベーションすることに続いて、メシチレン、低級アルコールおよびエチレンジアミンの混合溶液で生成物を1回以上洗浄してもよい。これにより、さらにエッチングを促進できる。 Following incubation, the product may be washed one or more times with a mixture of mesitylene, a lower alcohol, and ethylenediamine, which can further enhance etching.

このようにして本発明のフラーレンナノキューブが得られるが、ステップS230に続いて、遠心分離を行い、低級アルコールで洗浄後、生成物を乾燥して回収されてよい。 In this way, the fullerene nanocubes of the present invention are obtained, and following step S230, centrifugation may be performed, and the product may be dried and recovered after washing with a lower alcohol.

(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1で説明した本発明のフラーレンナノキューブを用いた水晶振動子ガスセンサを説明する。
図3Aは、本発明のフラーレンナノキューブを用いた水晶振動子ガスセンサの正面図である。
図3Bは、本発明のフラーレンナノキューブを用いた水晶振動子ガスセンサの側面図である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a quartz crystal resonator gas sensor using the fullerene nanocubes of the present invention described in the first embodiment will be described.
FIG. 3A is a front view of a quartz crystal gas sensor using fullerene nanocubes according to the present invention.
FIG. 3B is a side view of a quartz crystal gas sensor using fullerene nanocubes of the present invention.

本発明によるQCMガスセンサ300の水晶振動子(QCM)電極310には、実施の形態1で説明したフラーレンナノキューブを含有するガスセンサ膜320が設けられている。 The quartz crystal oscillator (QCM) electrode 310 of the QCM gas sensor 300 according to the present invention is provided with a gas sensor film 320 containing fullerene nanocubes as described in the first embodiment.

詳細には、QCM電極310は、水晶基板330と、その表裏主面に形成された電極340a、340bと、電極340a、340bにそれぞれ接続されたリード線350a、350bとを備える。水晶基板330は、略円板形状のATカット基板である。電極340a、340bは、物理蒸着等で形成される金、白金、クロム、ニッケル等の電極である。リード線350a、350bは、交流電源等に接続され、水晶基板330に電位を加えるとともに、周波数の変化を測定可能な周波数カウンタ等に接続され得る。ガスセンサ膜320は、少なくとも電極340a、340bのいずれか一方の上に付与されるが、両方の電極340a、340b上に形成されてもよい。 In detail, the QCM electrode 310 comprises a quartz substrate 330, electrodes 340a, 340b formed on the front and back principal surfaces thereof, and lead wires 350a, 350b connected to the electrodes 340a, 340b, respectively. The quartz substrate 330 is an AT-cut substrate having a substantially circular plate shape. The electrodes 340a, 340b are electrodes made of gold, platinum, chromium, nickel, or the like, formed by physical vapor deposition or the like. The lead wires 350a, 350b are connected to an AC power source or the like, and can be connected to a frequency counter or the like capable of applying a potential to the quartz substrate 330 and measuring changes in frequency. The gas sensor film 320 is provided on at least one of the electrodes 340a, 340b, but may be formed on both the electrodes 340a, 340b.

ガスセンサ膜320は、フラーレンナノキューブ100を含有する膜の形態であってよい。このような膜は、フラーレンナノキューブ100を水または有機溶媒に分散させ、これを電極340a、340bが形成された水晶基板330上に付与すれば得られる。有機溶媒は、例示的には、エタノール、エチレングリコール、α-テルピネオールである。付与は、塗布、ドロップキャスト、スプレー、浸漬、スピンコート、スクリーン印刷などによって行われる。好ましくは、付与後に溶媒を除去するために、加熱が行われる。ガスセンサ膜320は、50nm以上500nm以下の範囲の厚さを有する。これにより、センサ感度が高まる。ガスセンサ膜320は、フラーレンナノキューブ100単体からなってもよいし、これに加えて、有機バインダ樹脂、有機溶剤等を含んでもよい。 The gas sensor film 320 may be in the form of a film containing fullerene nanocubes 100. Such a film can be obtained by dispersing fullerene nanocubes 100 in water or an organic solvent and applying this to the quartz substrate 330 on which the electrodes 340a, 340b are formed. The organic solvent is illustratively ethanol, ethylene glycol, or α-terpineol. The application is performed by coating, drop casting, spraying, immersion, spin coating, screen printing, or the like. Preferably, heating is performed to remove the solvent after application. The gas sensor film 320 has a thickness in the range of 50 nm to 500 nm. This enhances the sensor sensitivity. The gas sensor film 320 may be made of fullerene nanocubes 100 alone, or may additionally contain an organic binder resin, an organic solvent, or the like.

本発明のQCMガスセンサ300の動作を説明する。QCMガスセンサ300のリード線350a、350bおよび電極340a、340bを介して、水晶基板330に電位を印加する。これにより、水晶基板330は、厚みすべり振動にて所定の共振周波数にて振動する。ここで、酸性ガスをQCMガスセンサ300に通すと、ガス中の酸がガスセンサ膜320中のフラーレンナノキューブに吸着される。これにより、吸着した酸の質量分のエネルギー損失が発生するため、所定の共振周波数が変化する。周波数変化は、リード線350a、350bを介して周波数カウンタ等により測定される。このようにして、本発明のQCMガスセンサ300を用いれば、周波数変化によりガス中の酸を検出することができる。 The operation of the QCM gas sensor 300 of the present invention will be described. A potential is applied to the quartz substrate 330 via the lead wires 350a, 350b and electrodes 340a, 340b of the QCM gas sensor 300. This causes the quartz substrate 330 to vibrate at a predetermined resonance frequency by thickness-shear vibration. When an acidic gas is passed through the QCM gas sensor 300, the acid in the gas is adsorbed by the fullerene nanocubes in the gas sensor film 320. This causes an energy loss equivalent to the mass of the adsorbed acid, and the predetermined resonance frequency changes. The frequency change is measured by a frequency counter or the like via the lead wires 350a, 350b. In this way, the QCM gas sensor 300 of the present invention can be used to detect the acid in the gas by the frequency change.

特に、本発明のQCMガスセンサ300は、好ましくは、ギ酸、酢酸およびプロピオン酸からなる群から選択される酸性ガスを高精度に検知する。 In particular, the QCM gas sensor 300 of the present invention preferably detects acidic gases selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, and propionic acid with high accuracy.

本発明のフラーレンナノキューブの酸性ガスに対する高い選択性からQCMセンサ用途を説明してきたが、本発明のフラーレンナノキューブは親水性を有するため、ナノサイズやサブミクロンサイズ物体等をカプセル化し、輸送・放出等を行うバイオ関連用途への適用も可能である。 The fullerene nanocubes of the present invention have been described as being used as QCM sensors due to their high selectivity for acidic gases, but because the fullerene nanocubes of the present invention are hydrophilic, they can also be used in bio-related applications, such as encapsulating nano- or submicron-sized objects and transporting or releasing them.

次に、具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 Next, the present invention will be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.

[例1]
例1では、図2に示す方法にしたがってフラーレンナノキューブの製造を試みた。
[Example 1]
In Example 1, an attempt was made to produce fullerene nanocubes according to the method shown in FIG.

フラーレンC70粉末(純度99.5%、MTR Ltd.製)をメシチレン(純度99.8%、ナカライテスク株式会社製)に分散させ、1時間超音波処理をし、フラーレン分散液を調製した。フラーレン分散液中のフラーレン濃度は、0.1mg/mLであった。フラーレン分散液を用いて液液界面析出法によりフラーレンナノキューブを形成した(図2のステップS210)。 Fullerene C70 powder (purity 99.5%, manufactured by MTR Ltd.) was dispersed in mesitylene (purity 99.8%, manufactured by Nacalai Tesque, Inc.) and ultrasonicated for 1 hour to prepare a fullerene dispersion. The fullerene concentration in the fullerene dispersion was 0.1 mg/mL. Fullerene nanocubes were formed by liquid-liquid interface precipitation using the fullerene dispersion (step S210 in FIG. 2).

詳細には、フラーレン分散液(1mL)を13.5mLの洗浄したガラス瓶に入れ、これを超音波浴に配置し、超音波処理した。次いで、イソプロパノール(2mL、純度99.7%、ナカライテスク株式会社製)をフラーレン分散液に迅速(約2秒)に添加した。超音波処理を1分間行い、ガラス瓶を超音波浴から取り出し、25℃で5分間保持した。 In detail, the fullerene dispersion (1 mL) was placed in a 13.5 mL cleaned glass bottle, which was placed in an ultrasonic bath and sonicated. Isopropanol (2 mL, 99.7% purity, Nacalai Tesque, Inc.) was then added quickly (approximately 2 seconds) to the fullerene dispersion. Sonication was performed for 1 minute, and the glass bottle was removed from the ultrasonic bath and kept at 25°C for 5 minutes.

一部の試料について、遠心分離を行い、生成物をイソプロパノールで洗浄し、80℃で24時間乾燥後、フラーレンナノキューブ(以降ではFCと称することがある)が形成していることを、電界放出形走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製、S-4800)を用いて確認し、FCの一辺の長さ(辺長)分布を調べた。結果を図4~図6に示す。 Some samples were centrifuged, the product was washed with isopropanol, and dried at 80°C for 24 hours. The formation of fullerene nanocubes (hereafter sometimes referred to as FC) was confirmed using a field emission scanning electron microscope (Hitachi High-Technologies Corporation, S-4800), and the distribution of the side length (side length) of the FC was investigated. The results are shown in Figures 4 to 6.

エチレンジアミン(EDA、純度99.0%、富士フイルム和光純薬株式会社製)を、先のフラーレン分散液に添加し、混合液を得た(図2のステップS220)。このとき、エチレンジアミンの濃度は、メシチレンとイソプロパノールとの合計に対して4wt%であった。 Ethylenediamine (EDA, purity 99.0%, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the fullerene dispersion to obtain a mixed liquid (step S220 in FIG. 2). At this time, the concentration of ethylenediamine was 4 wt % relative to the total of mesitylene and isopropanol.

添加後、混合液をインキュベーションした(図2のステップS230)。インキュベーションは、25℃で10分間、超音波処理をしながら行った。 After addition, the mixture was incubated (step S230 in FIG. 2). The incubation was performed at 25°C for 10 minutes with ultrasonic treatment.

得られた混合液は褐色であった。最後に、遠心分離を行い、生成物をイソプロパノールで3回洗浄し、80℃で24時間乾燥後、観察、評価を行った。評価に用いた試料をFC-EDAと称する場合がある。 The resulting mixture was brown in color. Finally, the mixture was centrifuged, and the product was washed three times with isopropanol and dried at 80°C for 24 hours before being observed and evaluated. The sample used for evaluation is sometimes called FC-EDA.

試料を、電界放出形走査電子顕微鏡、電界放出形透過電子顕微鏡(TEM、日本電子株式会社製、JEM-2100F)を用いて観察した。試料を、X線回折装置(XRD、株式会社リガク製、RINT-Ultima III)を用いて評価した。試料の表面官能基を、全反射式フーリエ変換赤外分光高度計(ATR-FTIR、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社、Nexus 670)を用いて特定した。 The samples were observed using a field emission scanning electron microscope and a field emission transmission electron microscope (TEM, JEM-2100F, manufactured by JEOL Ltd.). The samples were evaluated using an X-ray diffraction apparatus (XRD, Rigaku Corporation, RINT-Ultima III). The surface functional groups of the samples were identified using an attenuated total reflection Fourier transform infrared spectrophotometer (ATR-FTIR, Thermo Fisher Scientific Inc., Nexus 670).

試料のラマンスペクトルを、トリプルレーザラマン分光測定装置(Jobin Yvon社製、T64000)を用いて測定した。測定には、0.01mW出力の波長514.5nmのレーザを用いた。 The Raman spectrum of the sample was measured using a triple laser Raman spectrometer (T64000, manufactured by Jobin Yvon). A laser with an output of 0.01 mW and a wavelength of 514.5 nm was used for the measurement.

試料のX線光電子スペクトルを、シータプローブ分光計(サーモエレクトロン社製)を用いて測定した。測定には、Al-Kα単色線(エネルギー15keV)を用いた。コアレベルXPSのC1s(Cの1s軌道のエネルギーピーク位置)、O1s(Oの1s軌道のエネルギーピーク位置)およびN1s(Nの1s軌道のエネルギーピーク位置)を0.05eVステップで記録した。試料に電荷が蓄積するのを避けるため、測定には、ビルトイン式エレクトロフラッドガンを用いた。試料のUV-visスペクトルを、分光光度計(日本分光株式会社製、V-670)を用いて測定した。料の質量分析スペクトルを、質量分析計(MALDI-TOF-MS、株式会社島津製作所製、H17S00282)を用いて測定した。 X-ray photoelectron spectra of the samples were measured using a Theta Probe Spectrometer (Thermo Electron). Al-Kα monochromatic radiation (energy 15 keV) was used for the measurements. Core level XPS C1s (energy peak position of C 1s orbital), O1s (energy peak position of O 1s orbital), and N1s (energy peak position of N 1s orbital) were recorded in 0.05 eV steps. To avoid charge accumulation on the samples, a built-in electroflood gun was used for the measurements. UV-vis spectra of the samples were measured using a spectrophotometer (JASCO Corporation, V-670). Mass spectrometry spectra of the samples were measured using a mass spectrometer (MALDI-TOF-MS, Shimadzu Corporation, H17S00282).

水晶振動子マイクロバランス(QCM)を用いて、得られた試料のガスセンサ能を調べた。9MHz(AT-カット)の共振周波数を用い、各試料を塗布したAu共振器(QCM電極)について、ゲストガスの吸着/脱着時の周波数変化を記録した。QCM電極は次のようにして調整した。試料(0.5mg)をイソプロパノール(1mL)に分散させ、30秒攪拌した。得られた懸濁液の一定分量(2μL)をQCM電極にドロップキャストし、真空中、12時間、80℃で乾燥させた。 The gas sensor capabilities of the obtained samples were investigated using a quartz crystal microbalance (QCM). Using a resonant frequency of 9 MHz (AT-cut), the frequency change during adsorption/desorption of guest gas was recorded for Au resonators (QCM electrodes) coated with each sample. The QCM electrodes were prepared as follows: the sample (0.5 mg) was dispersed in isopropanol (1 mL) and stirred for 30 s. An aliquot (2 μL) of the resulting suspension was drop-cast onto the QCM electrode and dried in vacuum at 80°C for 12 h.

なお、周波数変化が平衡に達した際には、QCM電極を空気に晒し、吸着したガスを脱離させた。QCM電極の再現性試験については、ガスの暴露と脱離の繰り返し時の周波数シフト(Δf)の時間依存性を記録した。以上の結果を図7~図18に示す。 When the frequency change reached equilibrium, the QCM electrode was exposed to air to desorb the adsorbed gas. To test the reproducibility of the QCM electrode, the time dependence of the frequency shift (Δf) when gas exposure and desorption were repeated was recorded. The results are shown in Figures 7 to 18.

図4は、図2のステップS210によって得られたフラーレンナノキューブのSEM像を示す図である。
図5は、フラーレンナノキューブの辺長分布を示す図である。
図6は、フラーレンナノキューブのSTEM像を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an SEM image of the fullerene nanocubes obtained in step S210 of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the side length distribution of fullerene nanocubes.
FIG. 6 is a diagram showing an STEM image of a fullerene nanocube.

図4によれば、均一な結晶性のフラーレンからなる四角柱(フラーレンナノキューブ)であることが分かる。ナノキューブの表面は滑らかであり、立方体であった。SEM像から100個のランダムに選別したナノキューブについて、一辺の長さ(辺長)のヒストグラムを図5に示す。図5によれば、一辺の長さ1μm以上3μm以下の範囲を有するナノキューブであることが分かった。また、図6によれば、フラーレンナノキューブは多孔質ではないことが分かった。 Figure 4 shows that the nanocubes are square pillars (fullerene nanocubes) made of uniformly crystalline fullerenes. The nanocubes had smooth surfaces and were cubic. Figure 5 shows a histogram of the side lengths of 100 nanocubes randomly selected from the SEM image. Figure 5 shows that the nanocubes have side lengths in the range of 1 μm to 3 μm. Figure 6 also shows that the fullerene nanocubes are not porous.

図7は、例1の試料のSEM像を示す図である。
図8は、例1の試料のSTEM像を示す図である。
図9は、例1の試料の辺長分布を示す図である。
図10は、例1の試料のTEM像およびHRTEM像を示す図である。
FIG. 7 shows an SEM image of the sample of Example 1.
FIG. 8 is a diagram showing an STEM image of the sample of Example 1.
FIG. 9 is a diagram showing the side length distribution of the samples of Example 1.
FIG. 10 shows TEM and HRTEM images of the sample of Example 1.

図7および図8によれば、例1の試料は、多数の孔を有した多孔質であり、その形状は四角柱であった。例1の試料は、マクロチャネルとミクロチャネルとの2種類の多孔を有した。例1の試料の表面と、フラーレンナノキューブ(図4)のそれとを比較すると、例1の試料の表面は、フラーレンナノキューブのそれに比べて粗かった。 According to Figures 7 and 8, the sample of Example 1 was porous with many pores and had a square prism shape. The sample of Example 1 had two types of pores: macrochannels and microchannels. Comparing the surface of the sample of Example 1 with that of the fullerene nanocube (Figure 4), the surface of the sample of Example 1 was rougher than that of the fullerene nanocube.

SEM像から100個のランダムに選別したナノキューブについて、一辺の長さのヒストグラムを図9に示す。図9によれば、例1の試料の一辺の長さは、1μm以上2μm以下の範囲であった。これらから、例1の試料は、図2のステップS230によるエッチング後も、エッチング前のフラーレンナノキューブの大きさを維持し、フラーレンナノキューブの各面が均一にエッチングされたことが示唆される。 Figure 9 shows a histogram of the side lengths of 100 nanocubes randomly selected from the SEM images. According to Figure 9, the side lengths of the sample in Example 1 were in the range of 1 μm or more and 2 μm or less. This suggests that the sample in Example 1 maintained the size of the fullerene nanocube before etching even after etching in step S230 in Figure 2, and each face of the fullerene nanocube was uniformly etched.

図10は、例1の試料のTEM像(A)およびHR-TEM像(B)を示す。図10(B)によれば、例1の試料は、フラーレンC70に由来する格子縞を示し、エッチング後も、結晶性を有することが分かった。 Figure 10 shows a TEM image (A) and an HR-TEM image (B) of the sample of Example 1. According to Figure 10(B), the sample of Example 1 exhibits lattice fringes derived from fullerene C70 , and it was found to have crystallinity even after etching.

図11は、例1の試料のXRDパターンを示す図である。 Figure 11 shows the XRD pattern of the sample in Example 1.

図11には、例1の試料(FC-EDA)のXRDパターンに加えて、エッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)のXRDパターンも併せて示す。C70は、格子定数a=1.08nmおよびc=1.74nmを有する六方最密充填構造(hcp)を示したが、FCは、格子定数a=1.06nmおよびV=1.194nmを有する単純立方格子構造(sc)を有することが分かった。驚くべきことに、エッチング後の例1の試料は、a=1.05nmおよびV=1.142nmの格子パラメータである単純立方格子構造と、a=1.08nmおよびc=1.5nmの格子パラメータである六方最密充填構造との両方を有した。 In addition to the XRD pattern of the sample (FC-EDA) of Example 1, the XRD pattern of the fullerene nanocubes (FC) before etching is also shown in Figure 11. It was found that C70 exhibited a hexagonal close-packed structure (hcp) with lattice parameters a = 1.08 nm and c = 1.74 nm, while FC had a simple cubic lattice structure (sc) with lattice parameters a = 1.06 nm and V = 1.194 nm3 . Surprisingly, the sample of Example 1 after etching had both a simple cubic lattice structure with lattice parameters a = 1.05 nm and V = 1.142 nm3 and a hexagonal close-packed structure with lattice parameters a = 1.08 nm and c = 1.5 nm.

図12は、例1の試料のラマンスペクトルを示す図である。 Figure 12 shows the Raman spectrum of the sample in Example 1.

図12には、例1の試料(FC-EDA)のラマンスペクトルに加えて、エッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)のラマンスペクトルも併せて示す。図12によれば、例1の試料のラマンスペクトルは、FCのそれと同じであった。C70は、1563cm-1と1228cm-1とに主要なピークを有するが、ステップS230のエチレンジアミンによるエッチング前後でピークシフトはなかった。このことは、エッチング後の例1の試料においてもC70を主とすることを示す。 In addition to the Raman spectrum of the sample (FC-EDA) of Example 1, Figure 12 also shows the Raman spectrum of the fullerene nanocube (FC) before etching. According to Figure 12, the Raman spectrum of the sample of Example 1 was the same as that of FC. C 70 has major peaks at 1563 cm -1 and 1228 cm -1 , but there was no peak shift before and after etching with ethylenediamine in step S230. This indicates that C 70 is also the main component in the sample of Example 1 after etching.

図13は、例1の試料の高周波数側のFTIRスペクトルを示す図である。
図14は、例1の試料の低周波数側のFTIRスペクトルを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing the FTIR spectrum of the sample of Example 1 on the high frequency side.
FIG. 14 is a diagram showing the FTIR spectrum of the sample of Example 1 on the low frequency side.

図13および図14には、例1の試料(FC-EDA)のFTIRスペクトルに加えて、エッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)のFTIRスペクトルも併せて示す。いずれのFTIRFスペクトルも、フラーレンC70の特徴に由来するピークを示した。 13 and 14 show the FTIR spectrum of the sample (FC-EDA) of Example 1 as well as the FTIR spectrum of the fullerene nanocube (FC) before etching. Both FTIRF spectra showed peaks characteristic of fullerene C70 .

また、いずれのFTIRスペクトルも、3018cm-1~2900cm-1に小さなピークを示した。これらのピークは、溶媒分子に相当するC-H伸縮振動に起因する。しかしながら、例1の試料のFTIRペクトルは、N-H伸縮振動に起因する3315cm-1にブロードなバンドを示したが、FCのそれは示さなかった。このことは、例1の試料の表面には、エチレンジアミンに係る種が存在することを示す。 In addition, both FTIR spectra showed small peaks at 3018 cm -1 to 2900 cm -1 . These peaks are due to C-H stretching vibrations corresponding to solvent molecules. However, the FTIR spectrum of the sample of Example 1 showed a broad band at 3315 cm -1 due to N-H stretching vibrations, but the FTIR spectrum of the FC sample did not. This indicates the presence of ethylenediamine-related species on the surface of the sample of Example 1.

図15は、例1の試料のUV-visスペクトルを示す図である。 Figure 15 shows the UV-vis spectrum of the sample in Example 1.

図15には、例1の試料(FC-EDA)のUV-visスペクトルに加えて、エッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)のUV-visスペクトルも併せて示す。図15によれば、例1の試料の電子吸収バンドの強度は、FCのそれにくらべて大きく減少した。このことは、例1の試料溶液の色が黄褐色であったことからも、例1の試料中には、Herzberg-Tellerの振動・電子相互作用を示す窒素原子が存在しており、電子遷移が減衰したことを示唆する。 Figure 15 shows the UV-vis spectrum of the sample of Example 1 (FC-EDA) as well as the UV-vis spectrum of the fullerene nanocube (FC) before etching. According to Figure 15, the intensity of the electronic absorption band of the sample of Example 1 was significantly reduced compared to that of FC. This, as the color of the sample solution of Example 1 was yellowish brown, suggests that the sample of Example 1 contains nitrogen atoms that exhibit Herzberg-Teller vibration-electron interaction, and that the electronic transition is attenuated.

図16は、例1の試料のXPSスペクトルを示す図である。 Figure 16 shows the XPS spectrum of the sample in Example 1.

図16には、例1の試料(FC-EDA)のXPSスペクトルに加えて、C70およびエッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)のXPSスペクトルも併せて示す。図16によれば、原料に用いたC70およびFCのXPSスペクトルは、C1sおよびO1sのコアレベルピークを示した。酸素は、空気酸化によるものである。一方、例1の試料のXPSスペクトルは、C1sおよびO1sのコアレベルピークに加えて、400eVにN1sのコアレベルピークを示した。これらから、図2の製造プロセスを行うことにより、窒素原子を含有するフラーレンナノキューブが得られることが示された。 In addition to the XPS spectrum of the sample (FC-EDA) of Example 1, FIG. 16 also shows the XPS spectrum of C 70 and fullerene nanocubes (FC) before etching. According to FIG. 16, the XPS spectrum of C 70 and FC used as raw materials showed core level peaks of C1s and O1s. The oxygen was due to air oxidation. On the other hand, the XPS spectrum of the sample of Example 1 showed a core level peak of N1s at 400 eV in addition to the core level peaks of C1s and O1s. From these, it was shown that fullerene nanocubes containing nitrogen atoms can be obtained by carrying out the manufacturing process of FIG. 2.

さらに、例1のXPSスペクトルから窒素原子の含有量を算出したところ、5.3原子%の窒素原子を含有した。本発明のフラーレンナノキューブは、4原子%以上6原子%以下の範囲の窒素原子を含有することが分かった。 Furthermore, the nitrogen atom content was calculated from the XPS spectrum of Example 1 and was found to be 5.3 atomic %. It was found that the fullerene nanocubes of the present invention contain nitrogen atoms in the range of 4 atomic % to 6 atomic %.

図17は、例1の試料のN1sコアレベルのXPSスペクトルを示す図である。 Figure 17 shows the N1s core level XPS spectrum of the sample in Example 1.

図17は、試料1の試料の畳み込みを解いたN1sピークを示し、例1の試料中に酸化された窒素原子が存在することが分かった。図示しないが、例1の試料のマススペクトルを測定したところ、例1の試料は主としてフラーレンC70からなり、表面はアミノ化されていることが分かった。 17 shows the deconvoluted N1s peak of Sample 1, which indicates the presence of oxidized nitrogen atoms in the sample of Example 1. Although not shown, the mass spectrum of the sample of Example 1 was measured, and it was found that the sample of Example 1 is mainly composed of fullerene C70 and has an aminated surface.

これらから、図2の製造プロセスを行うことにより、フラーレンとエチレンジアミンとが反応し、例1の試料は、アミノ化された表面を有することが分かった。 From these, it was found that by carrying out the manufacturing process shown in Figure 2, fullerene reacted with ethylenediamine, and the sample of Example 1 had an aminated surface.

例1の試料(FC-EDA)およびエッチング前のフラーレンナノキューブ(FC)の接触角を調べた。その結果、FCは、140°を超える高い撥水性を示したが、例1の試料は、40°の高い親水性を示した。 The contact angles of the sample of Example 1 (FC-EDA) and the fullerene nanocubes (FC) before etching were examined. As a result, FC showed high water repellency of over 140°, while the sample of Example 1 showed high hydrophilicity of 40°.

以上説明してきたように、図2の製造プロセスにより、窒素原子を含有するフラーレンを主成分とし、多孔質のフラーレンナノキューブが得られることが分かった。 As explained above, it has been found that the manufacturing process shown in Figure 2 can produce porous fullerene nanocubes whose main component is fullerenes containing nitrogen atoms.

次に、窒素原子を含有し、親水性を有する多孔質なフラーレンナノキューブである例1の試料を用いたQCMセンサについて説明する。以降では、例1の試料を用いたQCMセンサを例1のQCMセンサと称する。 Next, we will explain the QCM sensor using the sample of Example 1, which is a porous fullerene nanocube that contains nitrogen atoms and has hydrophilic properties. Hereinafter, the QCM sensor using the sample of Example 1 will be referred to as the QCM sensor of Example 1.

図18は、例1のQCMセンサによる種々の揮発性有機化合物に対するQCM周波数シフトを示す図である。 Figure 18 shows the QCM frequency shifts for various volatile organic compounds using the QCM sensor of Example 1.

図18によれば、例1のQCMセンサは、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、フェノール、ホルムアルデヒド、水などに対して周波数シフトの応答を示した。中でも、本発明のフラーレンナノキューブは、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等の酸性ガスの吸着に対してより大きな周波数シフトを示した。図示しないが、例1のQCMセンサは、再現性に優れることを確認した。 According to FIG. 18, the QCM sensor of Example 1 showed a frequency shift response to formic acid, acetic acid, propionic acid, phenol, formaldehyde, water, etc. In particular, the fullerene nanocube of the present invention showed a larger frequency shift in response to the adsorption of acidic gases such as formic acid, acetic acid, and propionic acid. Although not shown, it was confirmed that the QCM sensor of Example 1 has excellent reproducibility.

本発明のフラーレンナノキューブは、親水性を有するため、バイオ関連用途に適用される。本発明のフラーレンナノキューブは、特定の酸性ガスに対して選択的反応性を有するため、水晶振動子ガスセンサに適用される。 The fullerene nanocubes of the present invention are hydrophilic and therefore applicable to bio-related applications. The fullerene nanocubes of the present invention are selectively reactive to specific acidic gases and therefore applicable to quartz crystal gas sensors.

100 フラーレンナノキューブ
110 メソ細孔
300 水晶振動子(QCM)ガスセンサ
310 水晶振動子(QCM)電極
320 ガスセンサ膜
330 水晶基板
340a、340b 電極
350a、350b リード線
REFERENCE SIGNS LIST 100 Fullerene nanocube 110 Mesopore 300 Quartz crystal oscillator (QCM) gas sensor 310 Quartz crystal oscillator (QCM) electrode 320 Gas sensor film 330 Quartz substrate 340a, 340b Electrode 350a, 350b Lead wire

Claims (17)

フラーレンを主成分とするフラーレンナノキューブであって、
多孔質であり、
前記フラーレンは窒素原子を含有し、
単純立方格子構造(sc)および六方最密充填構造(hcp)を有し、
表面はアミノ化されている、フラーレンナノキューブ。
A fullerene nanocube mainly composed of fullerene,
It is porous,
The fullerene contains a nitrogen atom ,
It has a simple cubic lattice structure (sc) and a hexagonal close packed structure (hcp),
Fullerene nanocubes with aminated surfaces .
前記フラーレンは、C60フラーレン、C70フラーレン、C76フラーレン、C78フラーレン、C82フラーレン、C84フラーレン、C90フラーレン、C94フラーレン、および、これらの誘導体からなる群から少なくとも1種選択される、請求項1に記載のフラーレンナノキューブ。 2. The fullerene nanocube of claim 1, wherein the fullerene is at least one selected from the group consisting of C60 fullerene, C70 fullerene, C76 fullerene, C78 fullerene, C82 fullerene, C84 fullerene, C90 fullerene, C94 fullerene, and derivatives thereof. 前記フラーレンは、C70フラーレンおよび/またはその誘導体である、請求項2に記載のフラーレンナノキューブ。 The fullerene nanocube of claim 2 , wherein the fullerene is C70 fullerene and/or a derivative thereof. 親水性を有する、請求項1~3のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 The fullerene nanocube according to any one of claims 1 to 3 , which has hydrophilicity. 一辺が1μm以上4μm以下の範囲を有する四角柱である、請求項1~4のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 The fullerene nanocube according to any one of claims 1 to 4 , which is a square prism having one side of 1 μm or more and 4 μm or less. フーリエ変換赤外分光高度計で測定されるFTIRスペクトルにおいて3000cm-1以上3450cm-1以下の範囲にN-H伸縮振動に起因するピークを有する、請求項1~5のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 6. The fullerene nanocube according to claim 1 , which has a peak due to N--H stretching vibration in the range of 3000 cm -1 to 3450 cm -1 in an FTIR spectrum measured with a Fourier transform infrared spectrophotometer. X線光電子分光法で測定されるXPSスペクトルにおいて結合エネルギーが398.5eV以上400.5eV以下の範囲に窒素のN1sピークを有する、請求項1~6のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 7. The fullerene nanocube according to claim 1 , which has a nitrogen N1s peak in the binding energy range of 398.5 eV to 400.5 eV in an XPS spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy. 前記窒素原子は、3原子%以上10原子%以下の範囲で含有される、請求項1~7のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 The fullerene nanocube according to any one of claims 1 to 7 , wherein the nitrogen atoms are contained in an amount ranging from 3 atomic % to 10 atomic %. 前記窒素原子は、酸化されている、請求項1~8のいずれかに記載のフラーレンナノキューブ。 The fullerene nanocube according to any one of claims 1 to 8, wherein the nitrogen atom is oxidized. メシチレンにフラーレンが分散したフラーレン分散液と、炭素数5以下の低級アルコールとを混合し、液液界面析出法によりフラーレンナノキューブを形成することと、
前記メシチレンと前記低級アルコールとの合計に対して2wt%以上10wt%以下の範囲のエチレンジアミンを添加し、混合液を得ることと、
前記混合液を5分以上30分以下の時間インキュベーションすることと
を包含する、請求項1~9のいずれかに記載のフラーレンナノキューブを製造する方法。
mixing a fullerene dispersion in which fullerene is dispersed in mesitylene with a lower alcohol having 5 or less carbon atoms, and forming fullerene nanocubes by a liquid-liquid interface precipitation method;
adding ethylenediamine in an amount of 2 wt % to 10 wt % based on the total amount of the mesitylene and the lower alcohol to obtain a mixed solution;
and incubating the mixture for a period of 5 minutes to 30 minutes.
前記インキュベーションすることに続いて、前記メシチレン、低級アルコールおよびエチレンジアミンの混合溶液で生成物を洗浄することをさらに包含する、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10 , further comprising washing the product with the mixed solution of mesitylene, a lower alcohol and ethylenediamine following said incubating. 前記低級アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、および、イソプロパノールからなる群から少なくとも1つ選択される、請求項10または11のいずれかに記載の方法。 12. The method of claim 10 , wherein the lower alcohol is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and isopropanol. 前記フラーレンナノキューブを形成することは、超音波処理しながら行う、請求項10~12のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 10 to 12, wherein the forming of the fullerene nanocubes is carried out under ultrasonic treatment. 前記混合液を得ることは、超音波処理しながら行う、請求項10~13のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 10 to 13, wherein obtaining the mixture is performed under ultrasonic treatment. 前記フラーレンは、C70フラーレンおよび/またはその誘導体である、請求項10~14のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 10 to 14 , wherein the fullerene is a C70 fullerene and/or a derivative thereof. ガスセンサ膜を備えた水晶振動子ガスセンサであって、
前記ガスセンサ膜は、請求項1~9のいずれかに記載のフラーレンナノキューブを含有する、水晶振動子ガスセンサ。
A quartz crystal gas sensor having a gas sensor membrane,
A quartz crystal gas sensor, wherein the gas sensor film contains the fullerene nanocubes according to any one of claims 1 to 9 .
ギ酸、酢酸およびプロピオン酸からなる群から選択される酸性ガスを検知する、請求項16に記載の水晶振動子ガスセンサ。
17. The quartz crystal gas sensor according to claim 16 , which detects an acid gas selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, and propionic acid.
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