JP2005501256A - 蛍光ベースの酸素センサシステム - Google Patents

Abstract

媒体中の酸素および酸素関連分析物の濃度を判定するための検知エレメント、センサシステム、および方法を提供する。検知エレメントは、酸素または関連分析物を透過させる固体ポリマーマトリックス（ポリジメチルシロキサンまたはポリジフェニルシロキサン）と、ポリマーマトリックス材料に共有結合した蛍光指示薬（フェナントロリン錯体）とを含む。指示薬は、フェナントロリン、およびジフェニルフェナントロリン（バトフェナントロリン）などの誘導体をベースとした白金族金属キレート錯体である。好ましい実施の形態において、ルテニウムＩＩトリス（ジフェニルフェナントロリン）を使用する。錯体は、リンカーアームによってポリマーマトリックスに共有結合され、リンカーアームは、ジフェニルフェナントロリンのフェニル基の１つと、ポリマーの主鎖とに結合している。センサは、検知エレメントと、励起アセンブリと、検出器アセンブリと、プロセッサアセンブリとを含む。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体中の酸素または酸素関連分析物の濃度を、検知し、判定するためのデバイスに広く関する。より具体的には、本発明は、検知用検知エレメント、および血液または組織の酸素濃度を判定するためのセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
手術手順の間、いくつかの血液分析物をリアルタイムに監視することが多い。たとえば、心臓切開手術中、手術チームの外科医および他のメンバーは、血液ｐＨ、ならびにＯ₂およびＣＯ₂などの、さまざまな血液ガスの濃度を監視することが多い。手術前または手術後、長期間、患者のこれらの分析物を監視することも、重要である。さらに、集中治療室の重態の患者のこれらの分析物を監視することが望ましいことが多い。また、重態の患者の、グルコースなどの、他の血液分析物を監視することも望ましいであろう。
【０００３】
それらの独特な特性のため、蛍光ベースの検知エレメントが、ｐＨ、ＣＯ₂、Ｏ₂、およびＫ⁺を含む血液分析物のリアルタイム監視のために設計されたセンサシステムに使用されている。検知エレメントは、センサフィルムと、センサフィルムを、保持し、患者の血液と接触させるための基材とを含む。典型的には、センサフィルムは、対象の分析物を透過させるポリマーマトリックス中に分配された蛍光物質を含む（たとえば、Ｏ₂センサおよびＣＯ₂センサ）。代わりに、蛍光物質を対象の分析物と接触させるポリマーフィルムに固定する（たとえば、ｐＨセンサおよびＫ⁺センサ）。
【０００４】
生体内用途の場合、ラバーズ（Ｌｕｂｂｅｒｓ）らの米国特許第Ｒｅ３１，８７９号明細書、およびマックスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）の米国特許第４，８３０，０１３号明細書に開示されているように、センサフィルムを、光ファイバの先端に配置し、次に、動脈カテーテル、または患者の組織に挿入するための針に挿入することができる。生体外（ｅｘ ｖｉｂｏ）および体外用途の場合、クーパー（Ｃｏｏｐｅｒ）の米国特許第４，６４０，８２０号明細書に示されているように、センサフィルムを、キャリヤディスク上に配置し、使い捨てフロースルーカセットに組入れることができ、次に、これを動脈ライン回路または体外血液ループ内に配置する。
【０００５】
適切な波長の光に曝されると、蛍光物質（以下「発蛍光団」と呼ぶ）は、エネルギーを吸収し、基底状態エネルギーレベルから励起状態エネルギーレベルに駆動される。発蛍光団は、励起状態で不安定であり、基底状態に戻ると、蛍光を発するか（放射性減衰（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｅｃａｙ））、熱エネルギーを発する（非放射性減衰（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｅｃａｙ））。蛍光強度Ｉは、発蛍光団が基底状態に戻ると発する発光の強度を表す。蛍光寿命τは、発蛍光団が、基底状態に戻る前の励起状態のままである時間の平均量を表す。
【０００６】
蛍光ベースの酸素検知エレメントは、酸素分子が、発蛍光団の励起状態を衝突により消光できるという原理で作用する。発蛍光団を、酸素分子の存在下で励起すると、励起状態と酸素分子との衝突相互作用が、非放射性減衰の新たな機構を導入し、それにより、蛍光強度および励起状態寿命の両方が減少する。したがって、発蛍光団の蛍光強度または励起状態寿命の酸素関連変化を監視するために、蛍光ベースの酸素検知エレメントを使用する血液ガス監視システムが設計されている。
【０００７】
酸素がない状態の蛍光強度および寿命（Ｉ_o、τ_o）と、酸素の存在下の蛍光強度および寿命（Ｉ、τ）との関係が、下記のシュテルン−フォルマーの式で示され、
【数１】

ここで、［Ｏ₂］は、検知エレメント中の酸素の濃度であり、ｐＯ₂は、検知されている媒体中の酸素の分圧であり、ａは、［Ｏ₂］／ｐＯ₂に等しい、検知エレメント中の酸素の溶解度定数であり、ｋ_qは、検知エレメントの二分子消光定数であり、ｋ_emは、放射性減衰の速度定数を表し、ｋ_nroは、酸素がない状態の非放射性減衰の速度定数を表し、Ｋ_SVは、シュテルン−フォルマー消光定数である。
【０００８】
相対蛍光強度（Ｉ_o／Ｉ）または相対蛍光寿命τ_o／τは、実験的に測定される。理想的には、ｐＯ₂に対するＩ_o／Ｉまたはτ_o／τのプロットは、Ｋ_SV＝ａｋ_qτ_oの勾配と１の切片とを有する直線を与えなければならない。校正曲線は、強度対濃度から作製することができ、これから、媒体中の消光種の濃度を判定することができる。
【０００９】
センサディスクを含有する使い捨てフロースルーカセットを、血液ガス監視デバイスの光ヘッド内にクリップする場合、検知エレメントによって発され、センサシステム検出器によって検出される蛍光リターン信号の強度の可変性をもたらし得るいくつかのファクタがある。同様に、繊維の末端でセンサフィルムを有する光ファイバプローブを、動脈カテーテルまたは組織に挿入する場合、蛍光リターン信号の強度の可変性をもたらし得るいくつかのファクタがある。両方の構成において、これらの可変性の原因としては、光学的列全体にわたる光学的結合効率、カセットまたは光ファイバプローブへの光学的結合、ランプ強度、検知エレメント中の発蛍光団の濃度、および検知エレメントの厚さが挙げられる。センサシステムを校正した後でも、繊維曲げ、ランプ強度の変動、光学的結合効率または検出エレクトロニクスの温度依存変化、および発蛍光団のフォトブリーチングの結果として、リターン信号強度がドリフトすることがある。繊維曲げおよびフォトブリーチングの影響は、光ファイバプローブにおいて特に顕著である。
【００１０】
酸素濃度を判定するために蛍光寿命を用いる、十分に認識された利点は、蛍光寿命が、センサフィルム厚さのばらつき、光学的結合効率、繊維曲げ、およびランプ強度の変動に影響されないことである。蛍光寿命を測定するための２つの最も一般的な技術が、パルス方法および位相変調方法である。パルス方法において、発蛍光団を、短い光のパルスによって励起し、蛍光の減衰を判定する。位相変調方法において、発蛍光団を、好ましくはラジアル周波数ω＝２πｆでシヌソイド振幅変調された光ビームによって、励起し、ここで、ｆは、１秒あたりのサイクルの周波数である。発蛍光団からの蛍光発光は、この励起信号に対する、強制された応答であり、したがって、励起信号と同じラジアル周波数ωで振幅変調する。しかし、励起状態の発蛍光団の有限寿命のため、発光を、励起信号に対して角度θだけ位相シフトする。さらに、発光の振幅または強度は、励起信号に対して、量ｍだけ、より少なく変調（復調）する。発蛍光団の寿命は、位相シフト（ｔａｎθ＝ωτ）および復調ファクタ（ｍ＝（１＋ω²τ²）^-1/2）の測定値から、既知の態様で計算することができる。
【００１１】
位相シフトを測定することによって、蛍光寿命を判定することができ、したがって、分析物濃度を判定することができる。位相シフトを測定し、下記式をプロットすることによって、シュテルン−フォルマー勾配を判定する。
【数２】

この方法は、依然として、光源またはドライバエレクトロニクスからの基準信号の測定が必要であり、この基準信号を使用して、検出エレクトロニクスの位相ドリフトを補正しなければならない。しかし、検知エレメントを経て基準信号を送る必要がなく、なぜなら、測定された位相シフトが、光学的結合損失、繊維曲げ、染料濃度のばらつき、または光源振幅の変化に無関係であるからだ。
【００１２】
寿命または強度を判定するのに使用される方法に関係なく、結果として生じるシュテルン−フォルマー校正プロットの勾配は、必然的に、τ_oの値に依存する。τ_oの測定値は、一般に、センサフィルム中の発蛍光団の自己消光および微小異質性（ｍｉｃｒｏｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｉｅｓ）の結果として、検知エレメントによって変わる。したがって、各検知エレメントを、２点校正方法を用いて個別に校正しなければならない。
【００１３】
ベンツェン（Ｂｅｎｔｓｅｎ）の米国特許第５，４０３，７４６号明細書に略述された手順は、ｐＨ、ＣＯ₂、およびＯ₂用の強度ベースの検知エレメントを含むフロースルーカセットの、２点校正問題に、首尾よく対処する。この構成および手順は、一般に、心臓切開手術中に使用される体外血液ガス検知システムに用いられる。この手順は、長く（３０分）、酸素および二酸化炭素の異なった分圧を有する２つの異なった校正気体混合物に、交互に曝される緩衝液溶液に、カセットを曝すことを伴う。２つの校正物質（ｃａｌｉｂｒａｎｔｓ）は、典型的には、既知の分析物濃度を有し、一方が、測定値をとるべき範囲の最大濃度に近く、他方が、最小濃度に近い。検知エレメントを２つの校正物質に交互に曝すことによって、センサシステムが血液分析物の未知の濃度を正確に測定できるように、校正プロットの勾配および切片を判定してもよい。２点校正では、センサプロセッサのメモリ内に記憶されたルックアップテーブルデータまたは数学的式によって表されるような校正データの勾配および切片を、データによって特徴づけられた関係が既知の校正物質の点に対応する点を通って延びるまで、調整する。同様の手順を、マックスウェルの米国特許第４，８３０，０１３号明細書に教示されているような、保護針内に組入れられるか、動脈カテーテルに挿入された単繊維検知エレメントの校正に適用することができる。
【００１４】
臨床用途において、長期間にわたって、一貫して、血液ガスを監視することが望ましい。たとえば、最大７２時間、すなわち、動脈カテーテルの標準留置時間、ａライン回路中に検知エレメントを残すことが望ましい。残念ながら、現在のセンサシステムは、この期間にわたって、かなりドリフトし、再校正が必要である。２点校正手順では、検知エレメントを２つの校正物質に曝す必要があるので、現在の検知エレメントを、患者の血液との接触から外すことが必要である。しかし、これは、ほとんどの臨床の状態において受入れられる手順ではなく、なぜなら、たとえば、感染の危険を増すことによって、患者が危なくなる恐れがあるからである。
【００１５】
現在の検知システムの強度ドリフトに対処するために、当該技術において、いくつかの基準方法が教示されている。一般に実施されている１つの方法は、光劣化（ｐｈｏｔｏ−ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）から生じるドリフトを補正する蛍光減衰定数を組入れることである。この方法は、ベンツェン（Ｂｅｎｔｓｅｎ）の米国特許第５，９５８，７８２号明細書に教示されたカリウムセンサシステムのドリフトを補正し、ナゲル（Ｎａｇｅｌ）の米国特許第５，４０９，６６６号明細書に教示された酸素センサシステムのドリフトを補正する際に用いられ、両方とも、ベンツェン（Ｂｅｎｔｓｅｎ）の米国特許第６，００９，３３９号明細書に教示されたＬＥＤベースのセンサシステムの一部として、商業的に組入れられている。これらの各特許の全体を、ここに援用する。そのような方法は、光劣化がカセットフォーマットより著しいことがあり（強度が４０％も低下した）、繊維曲げと関連した強度変動も、より顕著である（６０％もの強度の変動）、単繊維検知エレメントには不十分である。
【００１６】
手術環境および臨床環境は、下記に示されたような、血液酸素センサシステムの精度およびドリフトの厳しい制約を課す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
そのような精度を得るために、酸素検知システムのシュテルン−フォルマー消光定数Ｋ_SVは、好ましくは、０．００６ｍｍ^-1（Ｉ_o／Ｉ_air＝２）から０．０５ｍｍ^-1（Ｉ_o／Ｉ_air＝９）であり、より好ましくは、０．００７５ｍｍ^-1から０．０２ｍｍ^-1（Ｉ_o／Ｉ_air＝４．２）であり、最も好ましくは、０．００９ｍｍ^-1から０．０１５ｍｍ^-1である。光ファイバ化学センサおよびバイオセンサ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ）、Ｖｏｌ ＩＩ、ＣＲＣプレス（Ｐｒｅｓｓ）、１９９１年、においてウォルフベイス（Ｗｏｌｆｂｅｉｓ）によって論じられ、米国特許第５，０５７，２７７号明細書においてモーゼ（Ｍａｕｚｅ）によって教示されているように、分析物濃度を判定するために強度測定値または寿命測定値を用いる場合、大きすぎるシュテルン−フォルマー消光定数は、望ましくないことがある。特に、消光定数が大きすぎると、分析物濃度の狭い範囲にわたって、寿命値または強度値の比較的大きい変化が発生する。対象の分析物濃度がより大きいと、蛍光強度および寿命の分析物依存変化が、望ましくないほど小さくなる。これらの考慮事項は、ｐＯ₂＝４０〜１２０ｍｍＨｇの範囲、より好ましくは４０〜１８０ｍｍＨｇの範囲にわたって、正確さが望まれる、血液中の酸素分圧を監視するためのセンサシステムの適切な設計において特に問題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、臨床市場での使用のために、蛍光寿命のばらつきによって引起されるドリフトおよび不安定性に影響されず、臨床環境において必要な範囲内で動作でき、一方、最大７２時間の期間、ドリフトおよび精度の上記仕様を満たすことができる、勾配または勾配および切片を有する校正プロットを有する酸素センサシステムが必要である。また、ｐＯ₂の急速な（５分未満）校正を支持できる酸素センサシステムが必要である。また、小型および軽重量のフロースルーカセットベースのセンサシステムに組入れることができる酸素検知エレメントが必要である。体液または組織内への蛍光指示薬の浸出を回避する酸素検知エレメントが、特に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、媒体、特に血液または体の組織などの水性ベースの媒体中の酸素および酸素関連分析物の濃度を判定するためのセンサシステムおよび方法を提供する。１つの広い態様において、このセンサシステムは、検知エレメントと、励起アセンブリと、検出器アセンブリと、プロセッサアセンブリとを含み、検知エレメントは、酸素または酸素関連分析物を透過させる固体ポリマーマトリックス材料と、固体ポリマーマトリックス材料に共有結合した指示薬とを含む。指示薬は、酸素の存在によってそのルミネセンスを消光できるルミネセンス白金族金属多環芳香族キレート錯体である。白金族金属は、周期表のＶＩＩＩＡ族である。多環芳香族錯体は、３つの配位子を含み、そのうち少なくとも１つが二座ジフェニルフェナントロリンである。多環芳香族錯体は、マトリックス材料全体にわたって、実質的に均一に分配され、リンカーアームによってマトリックス材料に共有結合されている。リンカーアームは、ジフェニルフェナントロリン配位子のフェニル基と、ポリマーマトリックス材料の主鎖とに結合している。
【００２１】
特に有用な実施の形態において、錯体は、下記式を有し、
Ｍ⁺Ｌ₁Ｌ₂Ｌ₃、
ここで、Ｍ⁺は、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺である。配位子Ｌ₁およびＬ₂は、同一であるか、異なり、任意に置換された二座フェナントロリン配位子もしくはジフェニルフェナントロリン配位子または任意に置換されたシクロメタル化された二座フェニルピリジン配位子またはベンゾ［ｈ］キノリン配位子を表す。配位子Ｌ₃は、金属錯体をマトリックス材料に共有結合するリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子である。リンカーアームは、共有結合、Ｏ、Ｃ（Ｏ）Ｏ、任意に置換されたメチレン基、２〜２０の炭素原子を含む任意に置換された炭素鎖、およびそれらの組合せからなる群から選択される基を含む。炭素鎖は、任意に、１以上の次の部分またはそれらの組合せ、すなわち、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、複素環基、およびアリール基を含む。有利に、そのような検知エレメントにおいて、指示薬は、固体ポリマーマトリックス全体にわたって均一に分配され、これは、直線の再現可能な校正プロットをもたらす特徴である。
【００２２】
任意の適切なポリマーマトリックス材料を、ここで説明されるように作用するという条件で、検知エレメントに使用してもよい。マトリックス材料、またはその前駆体は、好ましくは、指示薬のリンカーアームと化学的に反応し、共有結合した指示薬を有する検知エレメントをもたらすべきである。
【００２３】
さまざまなポリマーをマトリックス材料として使用することができるが、マトリックス材料がシリコーンベースのポリマーであることが好ましい。特に有用なポリマーマトリックス材料としては、付加硬化型シリコーンポリマーをベースとしたものが挙げられる。シリコーンベースのポリマーをマトリックス材料に使用する場合、ビニル末端ポリシロキサンおよびポリアルキル（アリール）ヒドロシロキサンを含む前駆体から得られたポリマーを含んでもよい。そのようなポリアルキル（アリール）ヒドロシロキサンとしては、下記式を有するものが挙げられるが、それらに限定されず、
【化１】

ここで、ｘおよびｙの各々は、独立して、１から約５００の範囲内の整数であり、Ｒは、Ｈ、アルキル、置換アルキル、およびフェニルからなる群から独立して選択される。そのようなビニル末端ポリシロキサンは、下記式を有し、
【化２】

ここで、ｍとｎとの合計は、１００〜５００の範囲内であり、Ｒは、アルキル、置換アルキル、およびフェニルからなる群から独立して選択される。好ましくは、シリコーンベースのマトリックスは、検知エレメントから浸出し、その性能を変えることがある酸およびアミンがない。血液中に存在する酸素濃度を検知するために、Ｒ基の大部分がメチル基であることが好ましい。好ましくは、錯体のリンカーアームは、シロキサン結合またはシラン結合によって、シリコーンベースのポリマーに結合されている。
【００２４】
本発明者らは、上記のような、リンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナトロリン（ｄｉｐｈｅｎｙｌｐｈｅｎａｔｈｒｏｌｉｎｅ）配位子としてＬ₃を有する官能基化された指示薬と、シリコーンベースのマトリックス材料との組合せにより、校正勾配が高度に再現可能であるように、指示薬が十分に分散し共有結合によって結合している酸素検知エレメントが生じることを、思いがけず、見出した。これらの材料で作製されたセンサ組成物および検知エレメントは、先行技術のルテニウムベースの酸素検知エレメントと関連したいくつかの問題を克服する。特に、現存する発明の組成物により、１μｓｅｃを超える長い蛍光寿命を示す検知エレメントが生じる。さらに、指示薬の凝集を最小にし、これにより、０．００９ｍｍ^-1より一貫して大きく、４０〜１８０ｍｍＨｇの酸素分圧の範囲にわたって実質的に均一である、実質的に直線のシュテルン−フォルマー勾配が生じる。さらに、シロキサンポリマー中のメチル置換基とフェニル置換基との比の選択によって、シュテルン−フォルマー勾配を再現可能に調整することができる。
【００２５】
１つの好ましい実施の形態において、固体ポリマーマトリックス材料は、酸素を透過させるジメチルシロキサンポリマーまたはフェニル−メチルシロキサンポリマーであり、指示薬は、ポリマー主鎖に共有結合によって結合するリンカーアームを有する、少なくとも１つの二座ジフェニルフェナントロリン配位子を含むルミネセンス白金族金属錯体である。このマトリックス中の錯体からの発光は、シュテルン−フォルマー消光定数Ｋ_SVが、０．００６ｍｍ^-1（Ｉ_o／Ｉ_air＝２）より大きく、より好ましくは０．００７５ｍｍ^-1より大きく、最も好ましくは０．００９ｍｍ^-1より大きく、４０〜１８０ｍｍＨｇの酸素分圧の範囲にわたって実質的に均一であるように、酸素による消光のための二分子消光速度定数ｋ_q、および酸素がない状態の最低寿命τ_oL＝１μｓｅｃを超える、１以上の蛍光寿命τ_oによって、特徴づけられる。
【００２６】
センサシステムの励起アセンブリは、励起信号を検知エレメントに与えるように、配置され、適合されている。励起アセンブリは、発光ダイオード、レーザダイオード、周波数２倍レーザダイオード、および固体光源からなる群から好ましくは選択される光源を含む。検出器アセンブリは、検知エレメントからの分析物依存信号を検出し、プロセッサアセンブリによって分析することができる、対応する電気信号を与えるように、配置され、適合されている。
【００２７】
プロセッサアセンブリは、検出器アセンブリと連通する。プロセッサアセンブリは、分析物濃度と濃度依存パラメータとの校正関係を特徴づけるための情報を記憶するためのメモリを含む。プロセッサアセンブリは、検出された信号を処理して、濃度依存パラメータを得、分析物濃度を表す出力信号を、得られた濃度依存パラメータおよび記憶された情報の関数として与える。
【００２８】
以下「位相変調センサ」と呼ばれる、いくつかの特に有用な実施の形態において、センサシステムは、位相変調検出のために構成されている。位相変調センサシステムにおいて、検知エレメントから発された信号を、強度変調し、好ましくは、正弦波変調する。これは、たとえば、検知エレメントを強度変調された励起信号に曝すことによって行ってもよい。検出器アセンブリは、変調された励起信号と、検知エレメントから発された、変調された信号とを別々にサンプリングするように適合されている。
【００２９】
位相変調センサの第１の実施の形態において、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の位相シフトの程度を判定するように適合されている。この位相シフトの程度は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００３０】
位相変調センサの第２の実施の形態において、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との復調比の大きさを判定するように適合されている。この復調比の程度は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００３１】
位相変調センサの第３の実施の形態において、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の位相シフトの程度の大きさを判定するように適合されている。変調された励起信号と変調された発光信号との固定位相シフト差を維持するように、強度変調された励起信号の周波数を調整する。変調された励起信号と変調された発光信号との間の固定位相シフトを維持するのに必要な励起周波数は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００３２】
好ましくは、位相変調センサシステムが、条件［（ｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²＞＞１＋２ｋ_qτ_o［Ｏ₂］の範囲内で十分に動作できるように、位相変調センサシステムの励起アセンブリ、検出アセンブリ、およびプロセッサアセンブリは、１ＭＨｚを超えないように、より好ましくは５００ｋＨｚを超えないように、最も好ましくは２００ｋＨｚを超えないように、１以上の変調周波数で動作するように構成されており、ここで、［Ｏ₂］は、検知エレメント中の酸素の濃度である。［Ｏ₂］は、積ａｐＯ₂によって推定することができる。これにより、濃度依存パラメータと分析物濃度との関係の勾配が、動作範囲内の全分析物濃度、およびτ_oL＝１μｓｅｃを超える全寿命τ_oについて、τ_o可変性と無関係であることができる。好ましくは、検知エレメントおよび励起信号は、比［（ｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²／（１＋２ｋ_qτ_o［Ｏ₂］）が、４、より好ましくは６、最も好ましくは１０を超える動作条件を与えるように構成されている。これらの条件下で、一定の校正勾配を得ることができ、センサの急速な１点校正が可能である。
【００３３】
本発明のさらに広い態様は、媒体中の酸素関連分析物の濃度を検知するのに有用なセンサ組成物および検知エレメントの提供である。本発明は、また、センサ組成物を作製する方法、および本発明のセンサシステムを使用して患者の血液酸素レベルを判定する方法に関する。
【００３４】
このセンサシステムは、人間の血液中に通常存在する酸素濃度範囲にわたって、正確で、確実で、再現可能な酸素濃度測定をもたらす。さらに、このセンサシステムは、７２時間の期間にわたって、比較的ドリフトのない酸素濃度測定をもたらす。本発明の検知エレメントは、さらに、検知エレメントの急速な１点校正を行うことができるように、再現可能な校正勾配をもたらすように、製造することができる。
【００３５】
本発明のこれらおよび他の態様および利点は、特に添付の図面と関連して考慮された場合、詳細な説明および特許請求の範囲に述べられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
ここで使用されるように、「指示薬」という用語は、励起信号に応答して蛍光信号を与える物質を指す。
【００３７】
ここで使用されるように、「センサ組成物」という用語は、官能基化された指示薬に共有結合したポリマーを含む固体マトリックス材料を指す。センサ組成物のポリマー材料は、酸素を透過させ、対象の分析物を検知するのに利用される光の波長を透過させる。典型的には、センサ組成物は、フィルムの形態である。
【００３８】
「対象の分析物」は、患者の血液または体の組織中に存在する物質である。対象の分析物の濃度は、消光剤［Ｑ］、すなわち、指示薬によって発光された信号を消光する物質の測定濃度、および分析物と消光剤との既知の関係に基いて、判定される。
【００３９】
対象の分析物は、Ｏ₂、または以下「酸素関連分析物」として知られている生体分子である。酸素は、直接、蛍光信号を消光する物質である。したがって、酸素は、対象の分析物、消光剤、または両方として作用してもよい。酸素関連分析物は、酸素との既知の関係によって、間接的に蛍光信号を消光する物質である。媒体中の酸素関連分析物の濃度を、組成物中に存在する酸素の濃度に関連させることができる。たとえば、モレノ−ボンディ（Ｍｏｒｅｎｏ−Ｂｏｎｄｉ）らの論文、光ファイバグルコースバイオセンサに使用するための酸素オプトロード（Ｏｘｙｇｅｎ Ｏｐｔｒｏｄｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｇｌｕｃｏｓｅ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）、アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、Ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．２１（１９９０年１１月１日）は、酵素グルコースオキシダーゼによって触媒された酸素のグルコース依存消費に基いたグルコースセンサを記載している。グルコースオキシダーゼを、酸素検知エレメントの表面上に固定化する。外部媒体中のグルコースの濃度が増加するにつれて、より多くの酸素がセンサ組成物中で消費され、酸素による蛍光の動的消光の変化をもたらす。したがって、グルコース濃度を、機器によって実際に測定された消光剤濃度の関数として計算する。また、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）またはコレステロールを伴う酵素反応が、酸素の生成または消費をもたらし、それにより、酸素オプトロード（ｏｐｔｒｏｄｅｓ）が、これらの分析物のトランスデューサとして役立つことが可能なことも、当該技術において周知である。
【００４０】
ここで使用されるように、「検知エレメント」という用語は、センサ組成物、およびセンサ組成物を、保持し、分析すべき媒体と接触させるための基材を指す。１つの好ましい実施の形態において、基材は、センサ組成物のフィルムが上に配置された光ファイバである。別の好ましい実施の形態において、基材は、センサ組成物と透明なプラスチックウェブ支持体とを好ましくは含むセンサディスクを保持するフロースルーカセットである。
【００４１】
官能基化された指示薬は、リンカーアームと、ルミネセンス白金族金属および３つの配位子を含む多環芳香族（ｐｏｌｙａｒｏｍａｔｉｃ）キレート金属錯体とを含み、配位子の少なくとも１つが二座ジフェニルフェナントロリンである。必要であれば、誘導体化が、励起状態の錯体によって与えられた発光信号を実質的に妨げないという条件で、塩基性多核芳香族化合物を、１以上の他の基、すなわち、アルキル基などの非官能性置換基で誘導体化してもよい。そのような錯体は、単独でマトリックス材料に共有結合するのに適していない。したがって、官能基化された指示薬を共有結合するために、そのような錯体を、マトリックス材料またはマトリックス材料の前駆体と化学反応することができる官能性部分を有する少なくとも１つのリンカーアームを含むように化学修飾する。特に有用な実施の形態において、錯体は、ポリメチルヒドロシロキサンなどの、シリコーンベースのポリマーおよび／またはその前駆体と、反応し、結合することができる反応性基を有する、１以上の官能基化されたリンカーアームを含むように化学修飾されたルテニウムまたはオスミウムトリス［ジフェニルフェナントロリン］錯体である。リンカーアームは、ジフェニル−フェナントロリン配位子のフェニル部分に結合している。好ましくは、反応性基は、末端反応性基である。官能基化された指示薬をシリコーンベースのポリマーまたはその前駆体に共有結合するのに適した反応性基としては、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ（ｈａｌｏ）、カルボキシ、アセトキシ、フェノール、シロキサン、およびビニル基が挙げられる。指示薬をシリコーンベースのポリマー前駆体に共有結合するために、そのような基を、たとえば、ポリメチルヒドロシロキサンでヒドロシリル化することができる。結果として生じる前駆体または化合物を、ビニル末端ポリシロキサンと反応させることができ、それにより、指示薬に共有結合した付加硬化型シリコーンを形成することができる。検知エレメント全体にわたって、指示薬の実質的に均一な分配をもたらすために、硬化中、官能基化された指示薬が、ポリマー前駆体の混合物中で溶解したままであることが望ましい。
【００４２】
特に、有用な官能基化されたリンカーアームは、アルケニル基、置換アルケニル基、ヒドロキシアルキル基などを含む。リンカーアームは、好ましくは、主として脂肪族基からなるが、ポリマー前駆体の混合物中の官能基化された指示薬の溶解度が維持される限り、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子などの１以上のヘテロ原子、１以上の複素環基、１以上のアリール基、またはヘテロ原子および複素環基および／またはアリール基の組合せを含んでもよい。リンカーアームは、励起状態の錯体によって与えられた発光信号の分析物感度に、実質的に過度の悪影響を及ぼしてはならない。
【００４３】
官能基化された指示薬を調製するために、その多くが、従来のものであり、当該技術において周知である、さまざまな化学修飾技術を用いてもよい。錯体を官能基化するプロセスにおいて、発光信号の分析物感度および強度を、損なうか、実質的に減少させることさえ回避するように、注意しなければならない。化学修飾後、錯体の特徴的な構造が、実質的に影響されない、すなわち、そのままであれば、十分な感度が維持されることがわかっている。官能基化された指示薬を調製するための、特に適切な２つの方法の概略図が、図１ａおよび図１ｂに示されている。官能基化された指示薬を調製するための特に適切な方法の概略図が、図１ａに示されている。
【００４４】
検知エレメントに組入れる指示薬の量は、広範囲にわたって変わってもよく、たとえば、ホストマトリックス中の官能基化された指示薬の溶解度、およびより高い濃度、すなわち、ｍＭにおける、錯体の蛍光発光の濃度依存自己消光による。
【００４５】
特に有用な実施の形態において、官能基化された指示薬は、下記式を有し、
Ｍ⁺Ｌ₁Ｌ₂Ｌ₃、
ここで、Ｍ⁺は、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺であり、配位子Ｌ₁およびＬ₂は、同一であるか、異なり、任意に置換された二座フェナントロリン配位子もしくはジフェニルフェナントロリン配位子または任意に置換されたシクロメタル化された二座フェニルピリジン配位子またはベンゾ［ｈ］キノリン配位子を表し、配位子Ｌ₃は、錯体をマトリックス材料に共有結合する１以上のリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子である。マトリックス材料に共有結合したリンカーアームは、共有結合、Ｏ、Ｃ（Ｏ）Ｏ、任意に置換されたメチレン基、２〜２０の炭素原子を含む任意に置換された炭素鎖、およびそれらの組合せからなる群から選択される基を含み、炭素鎖は、任意に、１以上の次の部分またはそれらの組合せ、すなわち、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、複素環基、およびアリール基を含む。マトリックス材料に共有結合した、代表的な官能基化された指示薬としては、次の構造が挙げられるが、これらに限定されない。
【化３】

Ｍは、イリジウム（Ｉｒ³⁺）カチオン、ロジウム（Ｒｈ³⁺）カチオン、ルテニウム（Ｒｕ²⁺）カチオン、またはオスミウム（Ｏｓ²⁺）カチオンであり、Ａは、上記のようなリンカーアームであり、ｍは、１または２であり、ｋおよび１は、独立して、０、１、または２である。マトリックス材料に共有結合する前、リンカーアームは、官能基化されたリンカーアームＡ−Ｘの形態であり、Ｘは、上記反応性基である。下記表は、いくつかの好ましいＡ−Ｘ（官能基化されたリンキングアーム）とＡ（リンキングアーム）との関係を示す。
【００４６】
【表２】

【００４７】
配位子は、官能基化された指示薬とポリマーマトリックスまたはポリマーマトリックス前駆体との適合性を著しく減じず、官能基化された指示薬の蛍光寿命を過度に減少させない他の置換基も、有してもよい。官能基化された指示薬中の代表的なカウンターアニオン（上で示されていない）としては、３−（トリメチルシリル）−１−プロピルスルホネート（ＤＳＳ^-）を含むオルガノスルホネート（ｏｒｇａｎｏｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、オルガノホスフェート（ｏｒｇａｎｏｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ）、テトラフェニルボレート、ＢＦ₄ ^-、Ｃｌ^-、Ｂｒ^-、ＰＦ₆ ^-、ＳｂＦ₆ ^-、ＣｌＯ₄ ^-などを挙げてもよいが、これらに限定されない。有用なカウンターアニオンは、ポリマーマトリックス前駆体と適合性があり、水素化シリルと反応しない。ＤＳＳ^-、ＰＦ₆ ^-、およびＣｌ^-が、好ましいカウンターアニオンである。
【００４８】
官能基化された指示薬を作製するためのいくつかの合成方法は、当業者によって想定されるであろう。しかし、好ましい方法を、ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−ヘキサノールフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）の調製で例示してもよい。この方法において、ジクロロテトラキス（ジメチルスルホキシド）ルテニウム（ＩＩ）を、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリンおよび塩化リチウムと反応させる。次に、結果として生じるジクロロビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）を、７−パラ−ヘキサノールフェニル−４−フェニル−１，１０−フェナントロリンおよび硝酸銀と反応させ、ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−ヘキサノールフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）を生成する。
【００４９】
センサシステムの機能または監視されている媒体に実質的な悪影響を及ぼさないという条件で、任意の適切なポリマー材料を、この検知エレメントに使用してもよい。実質的な気体透過性および光透過性ならびに不透水性特性のために、シリコーンベースのポリマー材料が好ましい。より好ましくは、架橋されたシリコーンベースのポリマー材料を使用する。臨床市場での使用のため、ポリマー材料は、好ましくは、架橋ポリジメチルシロキサン、またはジメチルシロキサンとジフェニルシロキサンとのコポリマーである。
【００５０】
ポリマー材料の前駆体、すなわち、ポリマー前駆体は、１以上のモノマー、プレポリマー、およびそれらの混合物から選択してもよい。１つの実施の形態において、ポリマー前駆体は、ビニル／水素化物付加硬化型ポリシロキサンポリマーの前駆体である。酸素が対象の分析物である場合に特に有用なポリマー前駆体は、ビニル末端ジメチルシロキサンである。ポリマー材料を架橋すべき場合、架橋剤をポリマー前駆体とともに含める。そのような架橋剤は、好ましくは、ポリマー材料中、たとえばポリマー鎖間に、架橋を形成するために、ポリマー前駆体および／または部分的に重合された中間体と反応させることができる１分子あたり少なくとも３つの官能基を含む化合物である。特に有用な架橋剤は、特にポリマー前駆体がビニル末端ジメチルシロキサンを含む場合、メチルヒドロシロキサン／ジメチルシロキサンコポリマーである。
【００５１】
この群のうち、Ｒ基（上記ポリアルキル（アリール）ヒドロシロキサン式中に示されている）の大部分がメチルであるポリマーが、気体透過性が高いため、好ましい。満足のいく架橋ポリマーまたは硬化ポリマーを提供するために、好ましくは、指示薬をマトリックス材料に共有結合するために、十分な数の水素化物基が存在しなければならない。当然、上記ポリマーを含む同族列の他のメンバーも使用してもよいことが理解される。最終的なシリコーンベースのマトリックス材料は、架橋されている。架橋マトリックス材料を形成するために、適切なビニル末端ポリシロキサンは、たとえばポリメチルヒドロシロキサンなどの、ポリアルキル（アリール）ヒドロシランの水素化物またはヒドロ基と反応する、２以上の官能性ビニル基を含む。そのような架橋は、有利に、白金含有触媒などの触媒の存在下で発生する。架橋シリコーンの特性は、架橋の程度を変えることによって、たとえば、たとえばポリメチルヒドロシロキサンなどの、ポリアルキル（アリール）ヒドロシロキサン上のＳｉ−Ｈ基または成分の濃度、および／またはビニル末端ポリシロキサンの分子量を調整することによって、変えることができる。本発明によって、官能基化された指示薬をシリコーンベースのポリマーマトリックスに結合し、シリコーンベースのポリマーマトリックスを形成するための概略図が、図１ｃに示されている。
【００５２】
ポリマー材料の、重合による形成を促進するために、１以上の触媒を使用してもよい。１つのそのような触媒は、ジビニル白金錯体である。触媒成分を含むセンサ組成物前駆体を、重合を促進する際に触媒成分を促進するのに十分な高い温度に、曝すか、あててもよい。そのような高い温度は、周囲温度（２２℃）より高く、好ましくは、約４０℃から約１００℃以上の範囲内である。使用する触媒成分の量は、所望の程度の重合を促進するのに十分でなければならない。触媒成分は、このシステムの機能または監視されている媒体に、実質的な悪影響を及ぼしてはならない。ここで使用されるように、「重合」および「重合する」という用語は、ポリマーまたはポリマー材料を形成する、架橋を含む、１以上の化学反応に関連する。
【００５３】
有用な実施の形態において、触媒成分は、好ましくは可視光エネルギーおよび紫外光エネルギーから選択される光エネルギー、および／またはここで定義されたような高い温度などの、１以上のファクタに曝されると、活性化される（たとえば、ポリマー前駆体の重合を促進するために）、たとえば、光活性化されるように、選択される。そのような「ファクタ」で活性化される触媒の１つの実質的な利点は、触媒を含むポリマー前駆体を、調製し、「活性化ファクタ」に曝すのを回避することによって、比較的長い時間、ポリマー前駆体として維持することができることである。したがって、ポリマー前駆体の自然重合のために厳しい製造スケジュールに従う必要性を有利に少なくするように、このセンサを製造する際に、ポリマー前駆体を重合する時である、１つの重要なプロセス変数を制御する。ポリマー前駆体を重合することが望ましいとき、前駆体を、単に、「活性化ファクタ」に曝す。「ファクタで活性化される」触媒の特に有用な種類は、光エネルギーによって活性化され、十分な光エネルギーによって活性化された後、ポリマー前駆体を部分的に重合するのに効果的であり、また、高い温度に曝されると、部分的に重合されたポリマー前駆体をさらに重合するのを促進するのに効果的であるものである。
【００５４】
任意の適切な、「ファクタ」で活性化される触媒を、このシステムまたは監視されている媒体に実質的な悪影響を及ぼさないという条件で、本発明に使用してもよい。光活性化されるヒドロシリル化触媒系が、特に有用である。特定の白金族金属含有材料が、本発明に使用するのに非常に効果的な「ファクタで活性化される」触媒である。いくつかのそのような触媒成分が、ドラナク（Ｄｒａｈｎａｋ）の米国特許第４，５１０，０９４号明細書および第４，５３０，８７９号明細書および第４，６００，４８４号明細書、ならびにボードマン（Ｂｏａｒｄｍａｎ）らの米国特許第４，９１６，１６９号明細書に開示されている。具体的な例としては、シクロペンタジエニルトリメチル白金、その誘導体、およびそれらの混合物、特に、可視光エネルギーまたは紫外光エネルギーによって活性化された後、高い温度で付加的な効果的な触媒活性をもたらすものが挙げられる。ポリマー前駆体の重合を促進するために、光エネルギーと高い温度との組合せを用いると、重合が、光エネルギーのみを使用する系に対して、より急速に、および／またはより完全に起こることができる。
【００５５】
特定の実施の形態において、マトリックス材料をジフェニル−ジメチルポリシロキサンコポリマーから形成する。３．０％から２３．５％のモル％ジフェニルシロキサンを有するビニル末端ジフェニルジメチルポリシロキサンコポリマーが市販されている。そのようなポリマーを、官能基化された指示薬、架橋剤、および触媒とブレンドして、触媒の光活性化によって光化学的に硬化できるウェブコーティング可能な組成物を作製することができる。代わりに、官能基化された指示薬および架橋剤を、まず、反応させ、次に、ベースポリマーおよび触媒とブレンドして、その後、触媒の活性化によって硬化できる複合体を作製する。この目的に特に適した架橋剤は、トリメチルシリル末端メチルヒドロシロキサン／ジメチルシロキサンコポリマーであり、これも、市販されている。
【００５６】
架橋密度およびフェニル基とメチル基との比の両方が、酸素透過性および酸素溶解度に影響を及ぼし、したがって、Ｋ_SVに影響を及ぼす。マトリックス中のフェニル含有量を増加させるか、架橋密度を増加させることによって、Ｋ_SVを減少させる。ポリマーマトリックス中の酸素の溶解度および拡散率を、マトリックス中のポリジフェニルシロキサンの量を変えることによって、操作することができるので、そのようなコポリマーは、酸素感度が低減した検知エレメントを調製するのに有用である。そのような検知エレメントは、酸素分圧が約４０ｍｍＨｇから１８０ｍｍＨｇである血液などの媒体中の酸素濃度を判定するのに十分に適している。マトリックスの正確な配合は、標準技術を用いて、実験的に判定する。
【００５７】
その全体をここに具体的に援用する、ヤフッソ（Ｙａｆｕｓｓｏ）の米国特許第５，５０８，５０９号明細書は、選択された多環芳香族炭化水素発蛍光団を含む付加硬化シリコーンを、透明なプラスチックウェブ上に均一にコーティングし、次に、硬化させて、検知材料の均一なシートを生じることができ、これから個別の均一なセンサディスクを打抜くことができることを教示している。
【００５８】
センサシステム
検知エレメントに加えて、このセンサシステムは、励起信号を検知エレメントに与えるように、配置され、適合された励起アセンブリと、検知エレメントからの分析物依存発光信号を検出し、対応する電気信号を与えるように、配置され、適合された検出器アセンブリと、検出された信号を処理して、出力信号を与えるプロセッサアセンブリとを含む。励起アセンブリは、発光ダイオード、レーザダイオード、周波数２倍レーザダイオード、および固体光源からなる群から好ましくは選択される光源を含む。検出器に結合されたプロセッサは、分析物濃度と分析物濃度依存パラメータとの校正関係を特徴づけるための情報を記憶するためのメモリを含む。プロセッサアセンブリは、検出された信号を処理して、濃度依存パラメータを得、分析物濃度を表す出力信号を、得られた濃度依存パラメータおよび記憶された情報の関数として与える。
【００５９】
好ましい実施の形態において、センサシステムは、位相変調センサであり、強度変調された、好ましくは正弦波変調された、励起信号を、検知エレメントに与えるように構成された励起アセンブリと、検知エレメントからの対応する強度変調された発光信号を検出するように構成された検出アセンブリとを含む。位相変調センサのプロセッサアセンブリは、媒体中の分析物の濃度を判定する際に、変調された発光信号を分析するように、配置され、適合されている。
【００６０】
実際には、位相変調検出は、分析物濃度の関数として変わる濃度依存パラメータを発生する、いくつかの異なったモードで実施することができる。これらの位相変調検出モードとしては、次のものが挙げられる。
１．一定の変調周波数における位相シフト対分析物濃度
２．一定の変調周波数における復調比対分析物濃度
３．一定の位相シフトにおける変調周波数対分析物濃度
４．一定の復調ファクタにおける変調周波数対分析物濃度
５．多周波数位相および／または変調対分析物濃度
【００６１】
これらの５モードは、パラメータ、すなわち、位相シフト、復調ファクタなどに関して異なり、これらは、媒体中の分析物濃度を判定するのに使用される。５モードのいずれを、このセンサに利用してもよいが、最初の３つが、一般に、より実施しやすく、したがって、好ましい。
【００６２】
第１のモードにおいて、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の位相シフトの程度を判定するように適合されている。この位相シフトの程度は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００６３】
第２のモードにおいて、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の復調ファクタ比を判定するように適合されている。この比の大きさは、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００６４】
第３のモードにおいて、第１のモードのように、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の位相シフトの程度を判定するように適合されている。しかし、第３のモードにおいて、次に、変調された励起信号と変調された発光信号との間の固定位相シフトを維持するように、強度変調された励起信号の周波数を調整する。この固定位相シフトを維持するのに必要な励起周波数は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００６５】
第４のモードにおいて、第２のモードのように、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の復調ファクタ比を判定するように適合されている。しかし、ここで、その比を固定値に維持するように、強度変調された励起信号の周波数を調整する。復調ファクタ間のこの固定比を維持するのに必要な励起周波数は、媒体中の分析物の濃度に依存する。
【００６６】
第５のモードにおいて、励起信号は、多数の離散周波数を含み、いくつかの周波数の各々における位相シフトおよび／または復調ファクタを使用して、分析物濃度を判定する。このタイプのシステムには、たとえばフーリエ解析ソフトウェアによる、発光信号のデコンボルーションが必要である。この多周波数処理方法によって得られた周波数ドメイン情報を、さらに処理して、蛍光寿命またはシュテルン−フォルマー勾配の値を得、次に、これらの値を分析物濃度に翻訳する。これらのマルチバリアント（ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｎｔ）センサシステムの不利な点は、励起システム、検出器、およびプロセッサが、分析物ごとに、多くの周波数で、順次にまたは同時に動作するために必要な、付加的な複雑さである。
【００６７】
上記各位相変調センサの場合、１つの好ましい実施の形態は、固体ポリマーマトリックス材料が、対象の分析物を透過させるポリマーであり、指示薬が、ポリマー主鎖に共有結合によって結合しているリンカーアームを有する、少なくとも１つの二座ジフェニルフェナントロリン配位子を含むルミネセンス白金族金属錯体である、検知エレメントを含む。このマトリックス中の錯体からの発光は、シュテルン−フォルマー定数Ｋ_SVが、０．００９ｍｍ^-1より大きく、４０〜１８０ｍｍＨｇの酸素分圧の範囲にわたって実質的に均一であるように、酸素による消光のための二分子消光速度定数ｋ_q、および酸素がない状態の最低寿命τ_oL＝１μｓｅｃを超える、１以上の蛍光寿命τ_oによって、特徴づけられる。
【００６８】
検出器アセンブリは、検知エレメントおよび励起アセンブリの両方に光学的に結合されている。光学的結合は、たとえば、光ファイバケーブル接続、光案内エレメント、米国特許第６，００９，３３９号明細書に教示されているような光ルーティングブロック、レンズアレイなどの使用によって達成することができる。検出器アセンブリは、これらの光信号を電気信号に変換する光検出器を含む。光検出器は、たとえば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、または光電子増倍管であってもよい。好ましくは、検出器アセンブリは、変調された励起信号および変調された発光信号を、１つの光検出器で、交互にサンプリングするように構成されている。
【００６９】
好ましくは、検出器アセンブリは、減衰およびスイッチ構成要素をさらに含む。この構成要素は、光検出器からの強度変調された電気出力信号と、励起アセンブリから発される光を変調する、発振器からの直接の電気信号とを受取る。この電気発振器信号は、基準信号として付加的に使用してもよく、また、光検出器から受取られた２つの電気信号と比較できる電圧に減衰しなければならない。スイッチ構成要素は、代わりに、３つの電気信号の各々を伝える。
【００７０】
好ましくは、検出器アセンブリは、また、光検出器からの強度変調された電気出力信号を、電子的に増幅し、帯域通過フィルタ処理するように、構成されている。そのような増幅は、特に生体内用途で望ましく、なぜなら、光検出器によって受取られる光の量が少なく、小さい電気信号をもたらすからである。フォトダイオードは、一般に、利得が小さいので、フォトダイオードと増幅器との組合せを、光検出器として使用することがさらに望ましいであろう。増幅器によって加えられた利得により、強度および位相シフトのばらつきを測定するのに、さらなる安定性が可能になる。フォトダイオードおよび増幅器は、任意に、アナログデジタル変換器と任意に一体化できる一体化デバイスとして組合せることができる。１つの好ましい実施の形態において、フォトダイオードの出力を、前置増幅器としても知られている高利得トランスインピーダンス増幅器に入力する。前置増幅器の出力を、任意に、帯域通過フィルタ／増幅器回路に入力して、信号対雑音比（ＳＮＲ）をさらに向上させる。２つの適切なフィルタ／増幅器は、デリアニス（Ｄｅｌｙｉａｎｎｉｓ）増幅器（図２）と、マルチフィードバック経路（ＭＦＰ）増幅器（図３）とを含む。図２および図３に示された構成要素値は、３０ｋＨｚの変調周波数で、信号を、増幅し、フィルタ処理するように作られた回路に対応する。デリアニス増幅器は、一般に、ＭＦＰ増幅器より、利得が高く、ＳＮＲが良好である。しかし、デリアニス（Ｄｅｌｙａｎｎｉｓ）増幅器は、一般に、ＭＦＰ増幅器より同調が必要である。
【００７１】
帯域通過フィルタは、前置増幅器段から出力された電気信号を受取る。帯域通過フィルタは、励起信号の変調周波数を中心とした周波数範囲内の、それらの電気信号のみを通過させる。
【００７２】
好ましくは、帯域通過フィルタを通過する電気信号は、アナログデジタル変換器（「Ａ／Ｄ変換器」）に進む。Ａ／Ｄ変換器は、電気信号をデジタルサンプリングし、この信号をプロセッサアセンブリに与える。任意に、別のＡ／Ｄ変換器は、励起アセンブリによって発される光の強度を変調するのに使用される強度変調された電気信号を、増幅およびデジタルサンプリングし、これらの基準電気信号をプロセッサアセンブリに与え、励起信号振幅の変動を補正する。励起アセンブリが、連続光信号を発し、連続電気信号をもたらす場合、Ａ／Ｄ変換器は、電気信号の一部のみを、複数回、サンプリングしてもよい。結果は、正確な結果を得るように平均されたボックスカーであってもよい。代わりに、励起アセンブリは、光バーストを発してもよく、その結果は、平均されたボックスカーである。３０秒間６秒ごとの２００ｍｓｅｃの光バーストが、正確な測定値に十分なデータを与える。
【００７３】
任意に、プロセッサアセンブリは、変調された励起信号と変調された発光信号との間の位相シフトの程度をより正確に判定する際に、励起アセンブリから伝わる基準電気信号を使用するように適合されている。プロセッサアセンブリは、これらの基準電気信号を使用して、変調された励起信号と変調された発光信号との間の、位相シフトの程度、相対強度、相対復調ファクタ、または他の比較測定値を判定する。任意に、プロセッサアセンブリは、デジタル化された変調励起信号およびデジタル化された変調発光信号からの位相シフトを判定する際に、デジタル最小二乗アルゴリズムを実施するように、適合され、構成されている。
【００７４】
検知エレメント、励起アセンブリ、検出アセンブリ、およびプロセッサアセンブリは、１ＭＨｚを超えないように、好ましくは５００ｋＨｚを超えないように、より好ましくは２００ｋＨｚを超えないように、１以上の変調周波数で動作するように構成されている。好ましくは、検知システムは、濃度依存パラメータと分析物濃度との関係の両方の勾配が、動作範囲内の全分析物濃度、およびτ_oL＝１μｓｅｃを超える全寿命τ_oについて、τ_o可変性と無関係であるように、条件［（ｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²＞＞１＋２ｋ_qτ_o［Ｏ₂］の範囲内で十分に動作することができる。好ましくは、検知エレメントおよび励起信号は、比［（ｋ_q［Ｏ₂］²＋ω²］τ²＞＞１＋２ｋ_qτ_o［Ｏ₂］が、４、より好ましくは６、より好ましくは１０を超える動作条件を与えるように構成されている。これらの条件下で、一定の校正勾配を得ることができ、センサの急速な１点校正が可能である。
【実施例】
【００７５】
実施例１：官能基化されたルテニウム（ＩＩ）トリス［ジフェニルフェナントロリン］錯体
Ａ．一般的な合成方法
好ましい実施の形態において、指示薬は、好ましくは架橋シリコーンであるポリマーに、共有結合によって結合しているルテニウム（ＩＩ）トリス［ジフェニルフェナントロリン］錯体を含む。したがって、ポリマー結合可能な官能基（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ）がジフェニルフェナントロリン配位子の１つに配置されたルテニウムセンサ錯体を合成するために努力がなされた。この場合、以前の文献報告（アイ・ピー・エバンズ（Ｅｖａｎｓ，Ｉ．Ｐ．）；エー・スペンサー（Ｓｐｅｎｃｅｒ，Ａ．）；ジー・ウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ，Ｇ．）、ダルトン・トランスアクションズ（Ｄａｌｔｏｎ Ｔｒａｎｓ．）、１９７３年、２０４〜２０９。エル・エフ・クーリー（Ｃｏｏｌｅｙ，Ｌ．Ｆ．）；エス・エル・ラーソン（Ｌａｒｓｏｎ，Ｓ．Ｌ．）；シー・エム・エリオット（Ｅｌｌｉｏｔ，Ｃ．Ｍ．）；ディー・エフ・ケリー（Ｋｅｌｌｅｙ，Ｄ．Ｆ．）、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．）、１９９１年、９５、１０６９４〜１０７００。ティー・アール・ウィーバー（Ｗｅａｖｅｒ，Ｔ．Ｒ．）；ティー・ジェイ・マイヤー（Ｍｅｙｅｒ，Ｔ．Ｊ．）ら、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ（Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）、１９７５年、９７、３０３９〜３０４８。）は、２つの同様のフェナトロリン（ｐｈｅｎａｔｈｒｏｌｉｎｅ）配位子をＲｕ（ＩＩ）に配置し、その後、後の工程で、第３の別個のフェナントロリンベースの配位子を加える可能性を示した。
【００７６】
複素環式縮合方法（図１ａ）によって、官能基化されたジフェニルフェナントロリンを合成するための努力が進められた。ここで、配位子を、一連の縮合反応によって段階的に構成する。この方法は、１または２の官能基化されたリンカーアームを結合できる点で融通がきく。一官能基化された（ｍｏｎｏ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）フェナントロリン配位子の場合、ケース（Ｃａｓｅ）およびストローム（Ｓｔｒｏｈｍ）（エフ・エイチ・ケース（Ｃａｓｅ，Ｆ．Ｈ．）；ピー・エフ・ストローム（Ｓｔｒｏｈｍ，Ｐ．Ｆ．）、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー（Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ）、１９６２年、２７、１６４１〜１６４３）によって報告され、アルフォード（Ａｌｆｏｒｄ）および共同研究者（ピー・シー・アルフォード（Ａｌｆｏｒｄ，Ｐ．Ｃ．）；エム・ジェイ・クック（Ｃｏｏｋ，Ｍ．Ｊ．）；エー・ピー・ルイス（Ｌｅｗｉｓ，Ａ．Ｐ．）；ジー・エス・ジー・マクオーリッフェ（ＭｃＡｕｌｉｆｆｅ，Ｇ．Ｓ．Ｇ．）；ブイ・スカーダ（Ｓｋａｒｄａ，Ｖ．）；エー・ジェイ・トムソン（Ｔｈｏｍｓｏｎ，Ａ．Ｊ．）；ジェイ・エル・グラスパー（Ｇｌａｓｐｅｒ，Ｊ．Ｌ．）；ディー・ジェイ・ロビンズ（Ｒｏｂｂｉｎｓ，Ｄ．Ｊ．）、ジャーナル・オブ・ザ・ケミカル・ソサエティ（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）、パーキン・トランスアクションズ（Ｐｅｒｋｉｎ Ｔｒａｎｓ．）ＩＩ、１９８５年、７０５〜７０９）によって拡大されているように、２−ニトロアニリンを、３−クロロ−１−フェニルプロパン−１−オンと縮合させ、４−フェニル−８−ニトロキノリンを生じる。次の工程において、塩化スズ（ＩＩ）を使用して、ニトロ基をアミンに還元する。結果として生じる８−アミノキノリンを、再び、置換３−クロロ−１−フェニルプロパン−１−オンと縮合させて、必要な、一置換（ｍｏｎｏ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ）４，７−ジフェニルフェナントロリンを生じることができる。
【００７７】
代わりに、一官能基化されたフェナントロリン配位子は、図１ｂに概略が示されているように、アクセスすることができる。ここで、４−ブロモ−７−フェニルフェナントロリンは、４−フェニル−８−アミノキノリンとアルコキシメチレンマロン酸エステルとを反応させ、２−｛［４−フェニルキノリン−８−イル）アミノ］メチレン｝マロネート中間体を生じることによって、得られる。この中間体を、閉環縮合およびエステル加水分解させ、４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボン酸を生じることができる。脱炭酸および臭素化により、４−ブロモ−７−フェニルフェナントロリンシントンを生じる。４−ブロモ−７−フェニルフェナントロリンシントンは、鈴木（Ｓｕｚｕｋｉ）カップリング条件を用いて、置換フェニルボロン酸（ｐｈｅｎｙｌｂｏｒｏｎｉｃ ａｃｉｄｓ）とのカップリング反応を行うのに有用である。代わりに、４−ブロモ−７−フェニルフェナントロリンを、７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イルボロン酸（ｙｌｂｏｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ）に変え、次に、鈴木カップリングによって、対応する置換臭化フェニルと反応させることができる。
【００７８】
本発明の共有結合によって結合可能な金属錯体の好ましい種類は、アルケニル基、好ましくは末端アルケニル基（二重結合した炭素が３つの水素を持つ）を含む、置換ジフェニルフェナントロリン配位子を使用して調製する。これらの新規の配位子は、４−ブロモ−７−フェニルフェナントロリンシントンと、一般構造（ＨＯ）₂Ｂ−Ｃ₆Ｈ₅−（ＣＨ₂）_nＣＨ＝ＣＨ₂の置換フェニルボロン酸との鈴木カップリング（エヌ・ミヤウラ（Ｍｉｙａｕｒａ，Ｎ．）；エー・スズキ（Ｓｕｚｕｋｉ，Ａ．）、ケミカル・レビューズ（Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．）、１９９５年、２４５７〜２４８３）によって得ることができ、アルケニル置換フェニルボロン酸を、ナカシマ（Ｎａｋａｓｈｉｍａ）およびイリエ（Ｉｒｉｅ）（エイチ・ナカシマ（Ｎａｋａｓｈｉｍａ，Ｈ．）；エム・イリエ（Ｉｒｉｅ，Ｍ．）、マクロモルキュラー・ケミストリー・アンド・フィジックス（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．）、２００、６８３〜６９２）の方法で調製する。代わりに、これらの配位子は、７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イルボロン酸と一般タイプＢｒ−Ｃ₆Ｈ₅−（ＣＨ₂）_nＣＨ＝ＣＨ₂のアルケニルフェニルブロミドとの鈴木カップリングによって得ることができる。また、図１ａのように、硝酸銀の存在下で、これらの配位子とジクロロビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）とを反応させることによって、対応する新規のビニル官能性ルテニウム錯体を調製することができる。
【００７９】
Ｂ．具体的な化合物の合成
特に明記しない限り、全化学物質は、アルドリッチ・ケミカル・カンパニー（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）から得られた。
８−ニトロ−４−フェニルキノリンの合成：
従った手順は、ケースおよびストローム（エフ・エイチ・ケース；ピー・エフ・ストローム、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー、１９６２年、２７、１６４１〜１６４３）の手順と同様であった。２−ニトロアニリン（３．８３ｇ）、ヒ酸（２１．５７ｇ）、および過剰のリン酸（３０ｍＬ）を、１００℃に加熱した。温度が１２０℃を超えないことを確実にするような速度で、３−クロロ−１−フェニルプロパン−１−オン（２．３３ｇ）を加えた。温度を、１時間、１２０〜１３０℃の間に維持し、次に、半時間、１４０℃に上昇させた。反応混合物を、冷却し、氷に注いだ。水酸化カリウム（３０％水溶液）を加え、暗褐色およびタール状に見える生成物を沈殿させた。生成物を、ガラスフィルタ上で単離し、高温のトルエンおよび石油エーテルから再結晶させた。
【００８０】
８−ニトロ−４−フェニルキノリンの８−アミノ−４−フェニルキノリンへの還元：
従った手順は、ケースおよびストローム（エフ・エイチ・ケース；ピー・エフ・ストローム、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー、１９６２年、２７、１６４１〜１６４３）の手順と同様であった。８−ニトロ−４−フェニルキノリン（５．０ｇ）、塩化スズ二水和物（ｔｉｎ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｈｙｄｒａｔｅ）（１０ｇストレム（Ｓｔｒｅｍ））、およびエタノール５０ｍＬを、混合し、８時間、還流させた。塩基性水（１００ｍＬ）を加えて、生成物を沈殿させた。濾過により、黄褐色固体材料および不透明な濾液を生じた。固体材料を、ガラスフィルタフリット上で、エーテルで、溶解し、洗浄した。濾液をクロロホルムで抽出した。クロロホルム溶液およびエーテル溶液の両方を混合し、溶媒を除去して、固体残留物を生じた。別個のランの、この残留物の¹Ｈ ＮＭＲ分析は、反応の程度が９０〜１００％であることを示した。
【００８１】
タート（ｔｅｒｔ）−ブチル（ジメチル）［（６−フェニルヘキシル）オキシ］シランの合成：
用いた手順は、コリー（Ｃｏｒｅｙ）およびベンカテスワール（Ｖｅｎｋａｔｅｓｗａｒｌｕ）（イー・ジェイ・コリー（Ｃｏｒｅｙ，Ｅ．Ｊ．）；エー・ベンカテスワール（Ｖｅｎｋａｔｅｓｗａｒｌｕ，Ａ．）、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）、１９７２年、９４、６１９０〜６１９１）によって説明された手順と同様であった。６−フェニル−１−ヘキサノール（１４．０ｇ）およびイミダゾール（１３．３６ｇ）を、乾燥ＤＭＦ（４０ｍＬ）に溶解した。次に、タート−ブチルジメチルシリルクロリド（１４．２０ｇ）を１部分、加えた。結果として生じる溶液を、室温で、８時間、撹拌させた。次に、重炭酸ナトリウム水溶液（１００ｍＬ、１０重量％）を加え、結果として生じる溶液を、１５分間、撹拌させた。次に、所望の生成物を、石油エーテル（３×２５０ｍＬ）で、混合物から抽出した。次に、石油エーテル抽出物を、蒸留Ｈ₂Ｏ（７×３００ｍＬ）で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、回転蒸発させ（ｒｏｔｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ）、所望の生成物を透明な油として生じた。
【００８２】
１−［４−（６−｛［タート−ブチル（ジメチル）シリル］オキシ｝ヘキシル）フェニル］−３−クロロプロパン−１−オンの合成：
タート−ブチル（ジメチル）［（６−フェニルヘキシル）オキシ］シラン（２１．００ｇ）、３−クロロフェニルプロピオニルクロリド（９．１４ｇ）、およびＣＳ₂溶媒（１００ｍＬ）を、還流冷却器を備えた２首フラスコに入れた。次に、混合物を−７８℃に冷却し、ＡｌＣｌ₃（１９．２０ｇ）を加えた。反応混合物を、−７８℃で、１５分間、撹拌し、その後、０℃で２０分間、２５℃で３０分間、４０℃で４０分間、２５℃で１４時間、撹拌した。温度ランピングの間、気体発生（おそらくＨＣｌ）が認められた。次に、反応を、１００ｍＬ水／３０ｍＬ濃縮ＨＣｌの数部分で抑え、結果として生じる混合物を分液漏斗に移した。有機生成物をクロロホルム（４×２００ｍＬ）中に抽出した。クロロホルムフラクションを、混合し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させた。次に、溶媒を回転蒸発（ｒｏｔｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって除去して、黄褐色油を生じ、これは、一晩、放置すると、固化した。¹Ｈ ＮＭＲは、所望の生成物と一致する共鳴の存在を示した。
【００８３】
３−クロロ−１−［４−（６−ヒドロキシヘキシル）フェニル］プロパン−１−オンの合成：
１−［４−（６−｛［タート−ブチル（ジメチル）シリル］オキシ｝ヘキシル）フェニル］−３−クロロプロパン−１−オンを、アナルテック・テーパード（Ａｎａｌｔｅｃｈ Ｔａｐｅｒｅｄ）シリカＴＬＣプレート上で精製し、ＣＨＣｌ₃で溶離した。ラポポート（Ｒａｐｏｐｏｒｔ）（エフ・ケイ・クレイン（Ｋｌｅｉｎ，Ｆ．Ｋ．）；エイチ・ラポポート（Ｒａｐｏｐｏｒｔ，Ｈ．）、ジャーナル・オブ・クロマトグラフィ（Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇ．）、１９７０年、４７、５０５〜５０６）によって説明されたものと同様の二次元ピペットを使用し、未加工の固体１００ｍｇを１０ｍＬのＣＨＣｌ₃に溶解し、２つの０．５ｍＬのスポットを各プレート上に置いた。装置を、１０プレートを同時に動作するように得た。レザーブレードを使用して、所望のバンド（低Ｒ_f）を、プレートから削り落とし、クロロホルム中１０％メタノールで溶離した。元の固体の４０パーセントを、単離し、所望の３−クロロ−１−［４−（６−ヒドロキシヘキシル）フェニル］プロパン−１−オンおよび環状エーテル４−オキサビシクロ［１０．２．２］ヘキサデカ（ｈｅｘａｄｅｃａ）−１（１４），１２，１５−トリエン−１１−オンの５０：５０モル混合物であることがわかった。エーテルが、その後の反応経路に向けて不活性であるので、この材料を次の合成工程で「そのまま」使用した。
【００８４】
６−［４−（７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イル）フェニル］ヘキサン−１−オール（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）の合成：
従った手順は、ケースおよびストローム（エフ・エイチ・ケース；ピー・エフ・ストローム、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー、１９６２年、２７、１６４１〜１６４３）の手順と同様であった。３−クロロ−１−［４−（６−ヒドロキシヘキシル）フェニル］プロパン−１−オン（０．７３ｇ）、８−アミノ−４−フェニルキノリン（０．２７ｇ）、ヒ酸（０．９９ｇ）、および８５％リン酸（１０ｍＬ）を、８−ニトロ−４−フェニルキノリンの合成手順に記載されたように反応させた。しかし、アルコール官能基がプロトン化されたままであることを確実にするために、未加工の生成物の沈殿中、６〜８のｐＨを維持した。未加工の生成物を、石油エーテルとクロロホルムとの５０：５０混合物で再結晶させた。所望の生成物のさらなる精製を、調製用ＴＬＣを使用して、２％メタノールおよび９８％クロロホルムで行った。
【００８５】
４，７−ジクロロ−１，１０−フェナントロリンの合成：
フラスコ内に、４，７−ジヒドロキシ−１，１０−フェントロリン（ｐｈｅｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）（５ｇ）および５０ｍＬのＰＯＣｌ₃を導入した。これを、６時間、還流した。冷却した反応混合物を、砕いた氷とアンモニア溶液との混合物にゆっくり注ぎ、連続的に撹拌した。溶液を塩基性に保つように注意した。この手順により、沈殿物が発生し、これを、濾過し、水とｐ−ジオキサンとの混合物（２×１００ｍＬ）で洗浄し、エタノール−水から再結晶させ、¹Ｈ／¹³Ｃ ＮＭＲによって確認されるように、４，７−ジクロロ−１，１０−フェナントロリンを生じた。
【００８６】
４，７−ビス（４−ビニルフェニル）フェナントロリンの合成：
４，７−ジクロロ−１，１０−フェナントリン（ｐｈｅｎａｎｔｈｏｌｉｎｅ）（０．２８ｇ）を２０ｍＬのトルエンに溶かした溶液を、炭酸ナトリウム（０．９１８ｇ）と（Ｐｈ₃Ｐ）₄Ｐｄ（０）（０．０４３ｇ）とを含有する水５ｍＬと混合した。フラスコを、シールして、窒素で完全にパージした。次に、これに、４−ビニルフェニルボロン酸（ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｙｌｂｏｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ）（０．３６ｇ）を加え、その後、２．５ｍＬのエタノールを加えた。パージ手順を繰返した。フラスコの内容物を、４日間還流し、冷却すると、沈殿物が生じた。沈殿物を、濾過し、石油エーテルで洗浄し、次に、空気乾燥させた。¹Ｈ ＮＭＲ分光評価は、所望の化合物と一致した。
【００８７】
４−（４−ブロモフェニル）−８−ニトロキノリンの合成：
２−ニトロアニリン（３．７３ｇ）およびヒ酸（７．１０ｇ）を、８５％リン酸２５ｍＬに加え、混合物を、窒素パージ下で、１００℃に加熱し、そのポイントで、１−（４−ブロモフェニル）−３−クロロプロパン−１−オン（１０．２１ｇ）を加えた。反応混合物を、１２０〜１３０℃で、１時間、維持し、次に、１４０℃で、１５分間、維持した。室温に冷却後、反応混合物を、砕いた氷に注ぎ、３０％ＫＯＨでアルカリ性にした。濾過により、固体が生じ、これを、トルエンに溶解し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させた。濃縮により、¹Ｈ−ＮＭＲによって４−（４−ブロモフェニル）−８−ニトロキノリンと特徴づけられた生成物の２つのクロップ（ｃｒｏｐｓ）を生じた。
【００８８】
８−アミノ−４−（４−ブロモフェニル）キノリンの合成：
塩化スズ（ＩＩ）二水和物（ｔｉｎ（ＩＩ）ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｈｙｄｒａｔｅ）（９．５０ｇ）および４−（４−ブロモフェニル）−８−ニトロキノリン（４．６０ｇ）を５０ｍＬの無水エタノールに溶かした溶液を、６時間、還流した。反応混合物を、室温に冷却し、次に、３０％ＫＯＨ溶液でアルカリ性にした。沈殿した固体を、濾過して取出し、クロロホルムに溶解した。濾液をエーテルで抽出した。エーテル抽出物およびクロロホルム溶液を、混合し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させた。蒸発により、固体が生じ、¹Ｈ−ＮＭＲスペクトル信号は、８−アミノ−４−（４−ブロモフェニル）キノリンと一致した。
【００８９】
４，７−ビス（４−ブロモフェニル）−１，１０−フェナントロリンの合成：
８−アミノ−４−（４−ブロモフェニル）キノリン（２．０ｇ）と、ヒ酸（２．３ｇ）と、オルトリン酸（６ｍＬ）との撹拌溶液に、１−（４−ブロモフェニル）−３−クロロプロパン−１−オン（２．１ｇ）を加えた。加える間、温度が１２０℃を超えないように注意した。次に、温度を１４０℃にし、１．５時間、維持した。反応混合物を、室温に冷却し、氷に注ぎ、次に、３０％ＫＯＨでアルカリ性にした。沈殿した固体を、濾過して取出し、水で洗浄し、高温のトルエンで抽出した。この溶液を、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、蒸発させ、¹Ｈ ＮＭＲによって確認されるように４，７−ビス（４−ブロモフェニル）−１，１０−フェナントロリンを生じた。
【００９０】
４，７−ビス（４−アリルフェニル）−１，１０−フェナントロリンの合成：
シュレンク管（Ｓｃｈｌｅｎｋ ｔｕｂｅ）内で、５０ｍＬの無水テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）中の４，７−ビス（４−ブロモフェニル）−１，１０−フェナントロリン（０．３０ｇ）の溶液を溶解した。この溶液を、アセトン−ドライアイス浴中で冷却し、その後、１．０Ｍアリル（ブロモ）マグネシウム１．３０ｍＬを加えた。フラスコの内容物を、室温に温めながら、約１６時間、放置した。次に、溶媒を回転蒸発によって除去し、残留物をクロロホルムに溶解した。クロロホルム溶液を、水で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させた。回転蒸発により乾燥状態にすると、固体が生じた。¹Ｈ−ＮＭＲの特徴づけにより、生成物が未反応４，７−ビス（４−ブロモフェニル）−１，１０−フェナントロリンとともに存在することが示唆された。
【００９１】
ジクロロテトラキス（ジメチルスルホキシド（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｐｈｏｘｉｄｅ））ルテニウム（ＩＩ）；ＲｕＣｌ₂（ＤＭＳＯ）₄の合成：
用いた手順は、エバンズおよび共同研究者（アイ・ピー・エバンズ；エー・スペンサー；ジー・ウィルキンソン、ダルトン・トランスアクションズ、１９７３年、２０４〜２０９）の研究に基いている。塩化ルテニウム（ＩＩＩ）（１０．ｇ、ストレム）を、脱気したＤＭＳＯ１００ｍＬ中で、２０分間、還流した。混合物を、室温に冷却し、アセトン５０ｍＬと混合し、０℃に冷却し、黄色沈殿物を生じた。この沈殿物を、濾過して取出し、アセトンおよびエーテルで洗浄し、乾燥させた。生成物を、トルエンを加え、石油エーテルで洗浄することによって、高温のＤＭＳＯから再結晶させた。所望の生成物を、¹Ｈ−ＮＭＲ、ＩＲおよび元素分析によって確認した。
【００９２】
ジクロロビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）；Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂の合成：
用いた手順は、クーリーおよび共同研究者（エル・エフ・クーリー；エス・エル・ラーソン；シー・エム・エリオット；ディー・エフ・ケリー、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー、１９９１年、９５、１０６９４〜１０７００）の研究に基いている。ＲｕＣｌ₂（ＤＭＳＯ）₄（３．０ｇ）、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（＝ｐｈ₂ｐｈｅｎ、４．１２ｇ、ランカスター（Ｌａｎｃａｓｔｅｒ））、および塩化リチウム（２．６３ｇ、フィッシャー（Ｆｉｓｈｅｒ））を、５６０ｍＬのＤＭＦに加えた。混合物を、真空／窒素サイクルを用いて脱気し、次に、１２５℃で、３０分間、加熱した。次に、混合物を、室温に冷却し、蒸留水１Ｌと混合し、クロロホルムの３５０ｍＬアリコートで、６回、抽出した。有機層を、体積を減少させ、Ｎａ₂ＣＯ₃で乾燥させ、濾過し、さらに体積を約１００ｍＬに減少させた。エーテル４００ｍＬを、ゆっくり加え、混合物を、０℃に、一晩、冷却し、紫色沈殿物を生じ、これを濾過によって単離した。シリカゲル（２００〜４００メッシュ、６０Å）および５％ＣＨ₃ＯＨ／９５％ＣＨＣｌ₃を使用して、カラムクロマトグラフィによって、精製を行った。
【００９３】
トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）クロリド；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］Ｃｌ₂の合成：
この化合物を、クロスビー（Ｃｒｏｓｂｙ）（ジー・エー・クロスビー（Ｃｒｏｓｂｙ，Ｇ．Ａ．）ら、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ、１９７１年、９３、３１８４）によって示された手順を用いて、合成した。
【００９４】
トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）ヘキサフルオロホスフェート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＰＦ₆）₂の合成：
この反応の手順は、クーリーおよび共同研究者（エル・エフ・クーリー；エス・エル・ラーソン；シー・エム・エリオット；ディー・エフ・ケリー、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー、１９９１年、９５、１０６９４〜１０７００）の研究に基いている。Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂（９６．８ｍｇ）、ＡｇＮＯ₃（３９．５ｍｇ、メルク（Ｍｅｒｃｋ））、および４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（３８．４ｍｇ、ランカスター）を、乾燥ＤＭＦ（アルドリッチ・シュア−シール（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｓｕｒｅ−Ｓｅａｌ））６０ｍＬに溶解した。混合物を、真空／窒素サイクリングにおいて脱気し、次に、１１０℃に、４０分間、加熱した。混合物を、室温に冷却した後、濾過した。濾液に、ＮａＣｌ（１５ｍｇ）を蒸留水６０ｍＬに溶かした溶液を加えた。混合物を再び濾過した。次に、０．１ＭのＮＨ₄ＰＦ_6(aq)を３ｍＬ加え、混合物を０℃に冷却し、沈殿物を生じ、これを、濾過によって収集し、ＣＨ₂Ｃｌ₂に溶解し、蒸留Ｈ₂Ｏで洗浄し、無水Ｎａ₂ＣＯ₃で乾燥させた。回転蒸発により、固体が生じ、これを、真空中で乾燥させ、所望の生成物を固体として生じた。
【００９５】
トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＤＳＳ）₂の合成：
Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃Ｃｌ₂（０．９８３ｇ）および３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート（ＤＳＳ）（０．３８ｇ）を、１０ｍＬのＣＨ₂Ｃｌ₂と３０ｍＬの蒸留Ｈ₂Ｏとの混合物に溶解した。明るいオレンジ色の水性層をデカントした。付加的なＤＳＳ０．３５４ｇを、赤オレンジ色の有機層に加え、混合物を撹拌した。有機層を、蒸留Ｈ₂Ｏの３×３０ｍＬ部分で抽出した。有機層の各移動とともに、付加的なＣＨ₂Ｃｌ₂を加え、移動中の生成物の損失を最小にした。有機相を、モレキュラーシーブ（４Å）で乾燥させ、濾過し、減少させて乾燥状態にし、所望の生成物を生じた。
【００９６】
ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−ヘキサノールフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−Ｃ₆Ｈ₁₂ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂の合成：
この反応の手順は、クーリーおよび共同研究者（エル・エフ・クーリー；エス・エル・ラーソン；シー・エム・エリオット；ディー・エフ・ケリー、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー、１９９１年、９５、１０６９４〜１０７００）によって用いられた手順の修正である。Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂（９６．７ｍｇ）と、６−［４−（７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イル）フェニル］ヘキサン−１−オール（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）（５０．０ｍｇ）と、ＡｇＮＯ₃（４０．２ｍｇ、メルク）と、乾燥ＤＭＦ（６０ｍＬ、アルドリッチ・シュア−シール）との混合物を、真空／窒素サイクルを用いて脱気し、次に、窒素下で、１３０℃に、３０分間、加熱した。冷却すると、５ｍＭのＮａＣｌを６０ｍＬ加えて、いかなる残りの銀も沈殿させ、生成物に塩化物カウンターイオンを与えた。３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネートカウンターイオンへのメタセシスは、まず、同量の水およびＣＨ₂Ｃｌ₂（各１８０ｍＬ）を加え、その後、３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホン酸ナトリウム（０．５１６ｇ）を加えることによって行った。所望の生成物を、ＣＨ₂Ｃｌ₂層中に抽出した。次に、回転蒸発を用いて、ＣＨ₂Ｃｌ₂層を、体積を減少させて、ほぼ乾燥状態にし、所望の生成物を生じた。
【００９７】
次の合成説明は、予測例である。
【００９８】
４−｛４−［６−（アリルオキシ）ヘキシル］フェニル｝−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
鉱油（７６．１ｍｇ）中のＮａＨの６０％分散系を、ＤＭＦ（１０ｍｌ）に懸濁する。この懸濁液に、６−［４−（７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イル）フェニル］ヘキサン−１−オール（６５７ｍｇ）を加え、その後、室温で、３時間、混合する。次に、臭化アリル（２４２ｍｇ）を加え、混合物を、３５℃で、２４時間、またはＴＬＣによって反応が完了したと判断されるまで、撹拌する。過剰のＮａＨを、注意深く、水と反応させ、次に、反応混合物を酢酸エチルで希釈する。有機層を、６ＭのＮａＣｌの水溶液で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、回転蒸発によって濃縮し、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製し、所望の生成物を生じる。
【００９９】
４−ｐ−メトキシフェニル−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
４−ｐ−メトキシフェニル−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンを、アルフォードおよび共同研究者（ピー・シー・アルフォード；エム・ジェイ・クック；エー・ピー・ルイス；ジー・エス・ジー・マクオーリッフェ；ブイ・スカーダ；エー・ジェイ・トムソン；ジェイ・エル・グラスパー；ディー・ジェイ・ロビンズ、ジャーナル・オブ・ザ・ケミカル・ソサエティ、パーキン・トランスアクションズＩＩ、１９８５年、７０５〜７０９）の一般手順を用いて作製する。８−アミノ−４−フェニルキノリン（１．３４ｇ）と、ヒ酸（２．３ｇ）と、オルトリン酸（６ｍＬ）との撹拌混合物に、ｐ−メトキシフェニル−β−クロロエチルケトン（１．６７ｇ）を加え、確実に反応温度が１２０℃を超えないようにする。次に、温度を１４０℃に、１．５時間、上昇させる。次に、混合物を、冷却し、氷に注ぎ、３０％ＫＯＨでアルカリ性にし、その時、沈殿物が形成される。沈殿物を、濾過によって収集し、水で洗浄し、沸騰トルエンで抽出する。結果として生じるトルエン溶液を、さらに塩化メチレンで希釈し、混合物を、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、次に、回転蒸発させて乾燥状態にし、所望の化合物を生じる。
【０１００】
４−ｐ−ヒドロキシフェニル−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
窒素雰囲気下で、４−ｐ−ビフェニル−７−ｐ−メトキシフェニル−１，１０−フェナントロリン（２．７２ｇ）を１，２−ジクロロベンゼンに溶かした、氷のように冷たい溶液を、ＢＢｒ₃（４．３２ｇ）で処理する。撹拌を、約１２時間、続け、その間、氷浴が溶けて室温になる。反応混合物を、塩化メチレンで希釈し、水で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、次に、回転蒸発させて乾燥状態にし、所望の生成物を生じる。
【０１０１】
４−［４−（ペント（ｐｅｎｔ）−５−エニルオキシ）フェニル］−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
４−ｐ−ヒドロキシフェニル−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（０．３４８ｇ）を、エチレングリコールジメチルエーテル（１００ｍＬ）中でＮａ金属（０．０２３ｇ）と反応させる。この混合物に、５−ブロモ−１−ペンテン（０．２０ｇ）をエチレングリコールジメチルエーテル（１０ｍＬ）に溶かした溶液を加える。結果として生じる混合物を、３５℃で、２４時間、またはＴＬＣによって反応が完了したと判断されるまで、撹拌する。反応混合物を、トルエンで希釈し、１０％ＮａＯＨで洗浄し、水で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させる。溶媒の回転蒸発により、残留物が生じ、これを、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製する。
【０１０２】
４−［４−（アリルオキシ）フェニル］−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
４−ｐ−ヒドロキシフェニル−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（０．３４８ｇ）を、エチレングリコールジメチルエーテル（１００ｍＬ）中でＮａ金属（０．０２３ｇ）と反応させる。この混合物に、臭化アリル（０．１２５ｇ）をエチレングリコールジメチルエーテル（１０ｍＬ）に溶かした溶液を加える。結果として生じる混合物を、３５℃で、２４時間、またはＴＬＣによって反応が完了したと判断されるまで、撹拌する。反応混合物を、トルエンで希釈し、１０％ＮａＯＨで洗浄し、水で洗浄し、ＭｇＳＯ₄で乾燥させる。溶媒の回転蒸発により、残留物が生じ、これを、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製する。
【０１０３】
エチル４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボキシレートの合成：
エチル４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボキシレートを、プライス（Ｐｒｉｃｅ）およびロバーツ（Ｒｏｂｅｒｔｓ）（シー・シー・プライス（Ｃ．Ｃ．Ｐｒｉｃｅ）およびアール・エム・ロバーツ（Ｒ．Ｍ．Ｒｏｂｅｒｔｓ）、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）、１９４６年、６８、１２０４〜１２０８）によって説明されているような３−アルコキシカルボニル−４−ヒドロキシキノリンを合成するための一般方法に従って、作製する。８−アミノ−４−フェニルキノリン（２２ｇ）を、ジエチルエトキシメチレンマロネート（２４ｇ）と混合する。この混合物を、１３０℃で、混合物から生じるエタノールの泡が検出できなくなるまで、加熱する（約１時間）。ジエチル２−｛［（４−フェニルキノリン−８−イル）アミノ］メチレン｝マロネート中間体を含有する、結果として生じる混合物を、室温に冷却し、高温のジフェニルエーテルに加え、加熱して、４５分間、還流し、閉環縮合物の沈殿をもたらす。結果として生じる混合物を、室温に冷却し、半固体マスを生じ、これを、石油エーテルに懸濁し、ジエチルエーテルで２回洗浄し、濾過して、所望の生成物を単離する。
【０１０４】
４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボン酸の合成：
エチル４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボキシレート（５．３７ｇ）を、１０％ＮａＯＨ水溶液（３２ｍＬ）で、２時間、沸騰させ、１０％ＨＣｌで酸性にし、沈殿物を生じ、これを、収集し、水で洗浄し、乾燥させて、所望の生成物を生じる。
【０１０５】
４−ブロモ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
４−ヒドロキシ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−３−カルボン酸を、２５０〜２７０℃で、ウッズ（Ｗｏｏｄｓ）金属浴中で、泡立ちが終わるまで加熱することによって、３グラムの量で、脱炭酸する。主として７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−オールを含むケークが、ビーカーの側面から亀裂し、これを乳鉢内ですり砕く。この材料を、過剰の臭化ホスホリル（１５ｍＬ）で処理し、混合物を、１４０℃に、８時間、加熱する。反応混合物を室温に冷却し、残りの臭化ホスホリルを、減圧下で蒸留し、半結晶性マスを生じる。この固体を、混合物をわずかに塩基性にするのに十分な希釈した重炭酸ナトリウムとトルエンとの混合物中に撹拌する。混合物を、数時間、撹拌し、その後、トルエン層を分離し、水性層を付加的なトルエンで抽出する。トルエンフラクションを、混合し、脱色炭で処理し、濾過し、蒸発させて、所望の生成物を生じ、これを、濾過によって収集し、トルエンから再結晶させる。
【０１０６】
７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イルボロン酸の合成：
４−ブロモ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（１．４２ｇ）をＴＨＦ溶媒（１５ｍＬ）に溶解する。混合物を、−３９℃に冷却し、−７８℃に冷却したｎ−ＢｕＬｉ（１．５Ｍ、３．１２ｍＬ）のｎ−ヘキサン溶液に、２０分の期間にわたって、加える。反応混合物を、３０分間、撹拌し、その後、−３９℃のＴＨＦ中のトリメチルボレート（０．４９ｍＬ）を、２０分の期間にわたって、加える。反応混合物を、−７８℃で、１時間、維持し、次に、１日間、室温に温める。反応混合物を、エーテルで抽出した冷たい２ＮのＨＣｌで酸性にする。有機層を、１ＮのＮａＯＨで抽出し、濾過する。濾液に、０℃の２ＮのＨＣｌを加え、沈殿物を生じ、これを、濾過し、洗浄し、乾燥させ、エタノールから再結晶させて、所望の生成物を生じる。
【０１０７】
４−（４−ブト（ｂｕｔ）−３−エニルフェニル）−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成（方法Ａ）：
４−（４−ブロモフェニル）−１−ブテンを、ピーターソン（Ｐｅｔｅｒｓｏｎ）および共同研究者（ピー・イー・ピーターソン（Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｐ．Ｅ．）；ディー・エム・チェブリ（Ｃｈｅｖｌｉ，Ｄ．Ｍ．）；ケイ・エー・シップ（Ｓｉｐｐ，Ｋ．Ａ．）、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー（Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．）、１９６８年、３３、９７２）の方法によって作製する。４−（４−ブロモフェニル）−１−ブテン（０．４２ｇ）と、Ｐｄ（ＰＰｈ₃）₄（５８ｍｇ））を脱気したトルエン５ｍＬに溶かした溶液とを、５０ｍＬシュレンク管内に入れる。混合物を窒素でパージし、その後、７−フェニル−１，１０−フェナントロリン−４−イルボロン酸（０．７５ｇ）およびＮａ₂ＣＯ₃（０．４２８ｇ、４ｍｍｏｌ）を脱気した４：１Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₃ＯＨ５ｍＬに溶かした溶液を、加える。結果として生じる混合物を、窒素下で、１００℃で、加熱し、ＴＬＣ監視により、反応が完了したことがわかるまで（約２４時間）、急速に撹拌する。次に、反応混合物を、分液漏斗に加え、エーテル（３×５０ｍＬ）で抽出する。混合した有機フラクションを、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、回転蒸発によって濃縮する。所望の生成物を、酢酸エチルとヘキサンとの混合物を使用して、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製する。
【０１０８】
４−（４−｛３−［ジアリル（メチル）シリル］プロピル｝フェニル）−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成：
４−｛３−［ジアリル（メチル）シリル］プロピル｝フェニルボロン酸を、カサド（Ｃａｓａｄｏ）およびストバート（Ｓｔｏｂａｒｔ）（エム・エー・カサド（Ｃａｓａｄｏ，Ｍ．Ａ．）；エス・アール・ストバート（Ｓｔｏｂａｒｔ，Ｓ．Ｒ．）、オルガニック・レターズ（Ｏｒｇ．Ｌｅｔｔ．）、２（１１）、２０００年、１５４９〜１５５２）の方法によって作製する。４−｛３−［ジアリル（メチル）シリル］プロピル｝フェニルボロン酸（０．５７６ｇ）と、Ｐｄ（Ｐｈ₃）₄（５８ｍｇ）を脱気したトルエン５ｍＬに溶かした溶液とを、５０ｍＬシュレンク管内に入れる。混合物を窒素でパージし、その後、４−ブロモ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（０．６７０ｇ）およびＮａ₂ＣＯ₃（４２８ｍｇ、４ｍｍｏｌ）を脱気した４：１Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₃ＯＨ５ｍＬに溶かした溶液を、加える。混合物を、窒素下で、１００℃で、加熱し、ＴＬＣ監視により、反応が完了したことがわかるまで（約２４時間）、急速に撹拌する。次に、反応混合物を、分液漏斗に加え、エーテル（３×５０ｍＬ）で洗浄する。混合した有機フラクションを、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、回転蒸発によって濃縮する。所望の生成物を、酢酸エチルとヘキサンとの混合物を使用して、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製する。
【０１０９】
４−（４−ブト−３−エニルフェニル）−７−フェニル−１，１０−フェナントロリンの合成（方法Ｂ）：
４−（３−ブテニル）フェニルボロン酸を、ナカシマおよびイリエ（エイチ・ナカシマ；エム・イリエ、マクロモルキュラー・ケミストリー・アンド・フィジックス、２００、６８３〜６９２）の方法で作製する。４−（３−ブテニル）フェニルボロン酸（０．４４ｇ）と、Ｐｄ（Ｐｈ₃）₄（５８ｍｇ）を脱気したトルエン５ｍＬに溶かした溶液とを、５０ｍＬシュレンク管内に入れる。混合物を窒素でパージし、その後、４−ブロモ−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（０．６７０ｇ）およびＮａ₂ＣＯ₃（４２８ｍｇ、４ｍｍｏｌ）を脱気した４：１Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₃ＯＨ５ｍＬに溶かした溶液を、加える。混合物を、窒素下で、１００℃で、加熱し、ＴＬＣ監視により、反応が完了したことがわかるまで（約２４時間）、急速に撹拌する。次に、反応混合物を、分液漏斗に加え、エーテル（３×５０ｍＬ）で洗浄する。混合した有機フラクションを、ＭｇＳＯ₄で乾燥させ、回転蒸発によって濃縮する。所望の生成物を、酢酸エチルとヘキサンとの混合物を使用して、シリカゲルで、カラムクロマトグラフィによって精製する。
【０１１０】
ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−３−ブテニルフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ブト−３−エニル）］（ＤＳＳ）₂の合成：
この反応の手順は、クーリーおよび共同研究者（エル・エフ・クーリー；エス・エル・ラーソン；シー・エム・エリオット；ディー・エフ・ケリー、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー、１９９１年、９５、１０６９４〜１０７００）によって用いられた手順の修正である。Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂（９６．７ｍｇ）と、４−（４−ブト−３−エニルフェニル）−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ブト−３−エニル）（４５．０ｍｇ）と、ＡｇＮＯ₃（４０．２ｍｇ、メルク）と、乾燥ＤＭＦ（６０ｍＬ、アルドリッチ・シュア−シール）との混合物を、真空／窒素サイクルを用いて脱気し、次に、窒素下で、１３０℃に、３０分間、加熱する。冷却すると、５ｍＭのＮａＣｌを６０ｍＬ加えて、いかなる残りの銀も沈殿させ、生成物に塩化物カウンターイオンを与える。３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネートカウンターイオンへのメタセシスは、まず、同量の水およびＣＨ₂Ｃｌ₂（各１８０ｍＬ）を加え、その後、３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホン酸ナトリウム（０．５１６ｇ）を加えることによって行う。所望の生成物を、ＣＨ₂Ｃｌ₂層中に抽出する。次に、回転蒸発を用いて、ＣＨ₂Ｃｌ₂層を、体積を減少させて、ほぼ乾燥状態にし、所望の生成物を生じる。
【０１１１】
ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−ジアリルメチルシリルプロピル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ジアリルメチルシリルプロピル）］（ＤＳＳ）₂の合成：
Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂（９６．７ｍｇ）と、４−（４−｛３−［ジアリル（メチル）シリル］プロピル｝フェニル）−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（＝ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ジアリルメチルシリルプロピル）（５５．０ｍｇ）と、ＡｇＮＯ₃（４０．２ｍｇ、メルク）と、乾燥ＤＭＦ（６０ｍＬ、アルドリッチ・シュア−シール）との混合物を、真空／窒素サイクルを用いて脱気し、次に、窒素下で、１３０℃に、３０分間、加熱する。冷却すると、５ｍＭのＮａＣｌを６０ｍＬ加えて、いかなる残りの銀も沈殿させ、生成物に塩化物カウンターイオンを与える。３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネートカウンターイオンへのメタセシスは、まず、同量の水およびＣＨ₂Ｃｌ₂（各１８０ｍＬ）を加え、その後、３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホン酸ナトリウム（０．５１６ｇ）を加えることによって行う。所望の生成物を、ＣＨ₂Ｃｌ₂層中に抽出する。次に、回転蒸発を用いて、ＣＨ₂Ｃｌ₂層を、体積を減少させて、ほぼ乾燥状態にし、所望の生成物を生じる。
【０１１２】
ビス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）（４−フェニル−７−パラ−アリルオキシヘキシル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネート；［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−アリルオキシヘキシル）］（ＤＳＳ）₂の合成：
Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂Ｃｌ₂（９６．７ｍｇ）と、４−｛４−［６−（アリルオキシ）ヘキシル］フェニル｝−７−フェニル−１，１０−フェナントロリン（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−アリルオキシヘキシル）（５３．０ｍｇ）と、ＡｇＮＯ₃（４０．２ｍｇ、メルク）と、乾燥ＤＭＦ（６０ｍＬ、アルドリッチ・シュア−シール）との混合物を、真空／窒素サイクルを用いて脱気し、次に、窒素下で、１３０℃に、３０分間、加熱する。冷却すると、５ｍＭのＮａＣｌを６０ｍＬ加えて、いかなる残りの銀も沈殿させ、生成物に塩化物カウンターイオンを与える。３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホネートカウンターイオンへのメタセシスは、まず、同量の水およびＣＨ₂Ｃｌ₂（各１８０ｍＬ）を加え、その後、３−（トリメチルシリル）−１−プロパンスルホン酸ナトリウム（０．５１６ｇ）を加えることによって行う。所望の生成物を、ＣＨ₂Ｃｌ₂層中に抽出する。次に、回転蒸発を用いて、ＣＨ₂Ｃｌ₂層を、体積を減少させて、ほぼ乾燥状態にし、所望の生成物を生じる。
【０１１３】
結果
［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＤＳＳ）₂および［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂のスペクトル特徴づけ
［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＤＳＳ）₂（１）および［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂（２）の約２×１０^-5Ｍ溶液を、ＣＨ₂Ｃｌ₂中で調製した。両方のサンプルは、４４２および４６４ｎｍで最大吸光度を示し、４６４ｎｍで３×１０⁴Ｍ^-1ｃｍ^-1の吸光係数を示した。溶液を、１０のファクタで希釈し、窒素でパージして、酸素をすべて除去した。ＳＰＥＸフルオロログ（Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇ）２（商標）シリーズ分光蛍光計（ＳＰＥＸインダストリーズ・インコーポレイテッド（Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）；ニュージャージ州エジソン（Ｅｄｉｓｏｎ，Ｎ．Ｊ．））を使用して、窒素でパージした溶液の蛍光発光スペクトルを得た。同一条件下で、両方のサンプルを、４６４ｎｍで励起し、６０８ｎｍを中心とした発光を生じさせた。各サンプルの相対発光強度を、サンプル吸光度に正規化した。この分析に基いて、化合物２の相対蛍光量子効率φ₂が、化合物１の相対蛍光量子効率φ₁よりわずかに小さいだけであることが判定された。観測された比は、φ₂／φ₁＝０．８１であった。化合物１の蛍光量子収率は、溶媒によって、０．２２から０．３７までさまざまに報告されている。したがって、化合物２の蛍光量子効率は、０．１８から０．３の範囲内であると推定する。
【０１１４】
酸素消光の感度
化合物１および２の希釈した塩化メチレン溶液からの蛍光発光を、窒素下で、および空気（２０．９５％酸素または１５９．２２ｍｍＨｇＯ₂）との平衡後、測定した。両方の化合物の発光を、表１に示されているのと同様の程度に、空気によって消光した。
【０１１５】
表１：塩化メチレン溶液中の化合物１および２のシュテルン−フォルマー消光速度定数の比較
Ｉ_o／Ｉ_air Ｋ_SV＝ａｋ_qτ_o（ｍｍ^-1）
化合物１ １１．０ ０．０６２８
化合物２ １０．６ ０．０６０３
【０１１６】
これらの結果は、Ｒｕ（ＤＰＰ）₃ ²⁺のフェニル環の１つにペンダントＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ基を組入れることにより、酸素による二分子消光の効率が著しく変化しないことを示す。
【０１１７】
実施例２：センサフィルム
［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂（２）から得られた、共有結合した［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＤＳＳ）₂部分を含有する、一連の付加硬化型シリコーンセンサフィルムを製造した。これらのセンサフィルムに使用されたビニル末端ポリジメチルシロキサンポリマーおよびヒドロメチル架橋剤（ペンシルバニア州ブリストル（Ｂｒｉｓｔｏｌ，ＰＡ）のユナイテッド・ケミカル・テクノロジーズ（Ｕｎｉｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）（ＵＣＴ）から、ペトラーチ（Ｐｅｔｒａｒｃｈ）商品名で入手可能）の特性が、対応するＵＣＴ製品番号とともに、表２に示されている。
【０１１８】
いくつかのセンサフィルムの配合が、表３に示されている。
【０１１９】
【表３】

【０１２０】
【表４】

【０１２１】
Ａ．センサフィルム
センサフィルムを次のとおりに調製した。バイアル内で、ポリメチルヒドロシロキサン（表２のＰＳ１２３）０．０５ｇを、ＣＨ₂Ｃｌ₂１ｍＬと混合した。別個のバイアル内で、ある量（表２に示されたような）のビニル末端ジメチルシロキサンおよび／またはジフェニルジメチルシロキサンを、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂（２）をＣＨ₂ＣＬ₂に溶かした５×１０^-4Ｍ溶液０．５ｍＬ、およびジビニル−白金触媒溶液（製品番号ＰＣＯ７２としてＵＣＴから入手可能、白金ジビニル錯体、キシレン中２〜３％の白金濃度）２滴と混合した。この第２の混合物を、５分間、硬化させた。次に、２つのバイアルを、同時に、直径２インチの平底のアルミニウム皿内に注いだ。溶媒の蒸発を伴う熱硬化により、共有結合した［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆Ｈ₁₂Ｏ−）］（ＤＳＳ）₂部分を含有する透明な薄いフィルムが生じた。
【０１２２】
センサフィルムＢおよびＦと同じシリコーン材料を有する一連の関連したセンサフィルムを、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎＣ₆ＯＨ）］（ＤＳＳ）₂（２）溶液の濃度を、１×１０^-4Ｍ、５×１０^-4Ｍ、１×１０^-3Ｍ、５×１０^-3Ｍと変えた以外は、上で略述したのと同じ手順で調製した。
【０１２３】
センサフィルムＣ、Ｄ、Ｅ、およびＦのジフェニル／ジメチル比は、表３に示されているように、それぞれ、２．７％、７．３％、１４．５％、および２１．４％である。
【０１２４】
上記タイプの付加硬化組成物を、また、Ｍ−ゾルで処理したポリエチレンフィルム、ポリカーボネートフィルム、またはゼオネックス（Ｚｅｏｎｅｘ）フィルム上にキャストした。ポリマーフィルムを、まず、５％ｍ−ゾル中に、１５分間、浸し、乾燥させることによって、処理した。次に、フィルムを平らに置いた。次に、付加硬化型シリコーン混合物を、フィルムのｍ−ゾルで処理した面上にコーティングし、溶媒のゆっくりした蒸発により確実に泡および沈殿を防止するために、ガラスジャーで覆った。
【０１２５】
硬化後、センサディスクを、コーティングされたフィルム構造からカットし、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）５分グルーを用いてフロースルーカセットに結合させ、所定位置にしっかりと保持し、均一なシールを作った。
【０１２６】
ビニル末端ルテニウム錯体［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ブト−３−エニル）］（ＤＳＳ）₂、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ジアリルメチルシリルプロピル）］（ＤＳＳ）₂、および［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−アリルオキシヘキシル）］（ＤＳＳ）₂を使用して調製したセンサフィルム
１つの好ましい実施の形態において、次のビニル末端ルテニウムキレート錯体、すなわち、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ブト−３−エニル）］（ＤＳＳ）₂、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−ジアリルメチルシリルプロピル）］（ＤＳＳ）₂、［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−アリルオキシヘキシル）］（ＤＳＳ）₂の各々を使用して、センサフィルムを調製した。バイアル内で、ポリメチルヒドロシロキサン（表２のＰＳ１２３）０．０５ｇを、ＣＨ₂Ｃｌ₂１ｍＬと混合する。別個のバイアル内で、ビニル末端ジメチルシロキサン（表２のＰＳ４４１）０．５ｇを、ルテニウムキレート錯体をＣＨ₂ＣＬ₂に溶かした５×１０^-4Ｍ溶液０．５ｍＬ、およびジビニル−白金触媒溶液（製品番号ＰＣＯ７２としてハルズ・アメリカ・インコーポレイテッド（Ｈｕｌｓ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．）から入手可能、白金ジビニル錯体、キシレン中２〜３％の白金濃度）２滴と混合した。この第２の混合物を、５分間、硬化させる。次に、２つのバイアルを、同時に、直径２インチの平底のアルミニウム皿内に注ぐ。溶媒の蒸発を伴う熱硬化により、共有結合した［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₂（ｐｈ₂ｐｈｅｎ−Ａ−）］（ＤＳＳ）₂部分を含有する透明な薄いフィルムが生じる。
【０１２７】
結果
センサフィルム蛍光
センサフィルムＡ−Ｆを、前面発光ジオメトリで動作するＳＰＥＸフルオロログ２（商標）分光光度計のハウジング内の窒素の１雰囲気と平衡させた。センサフィルムを４６４ｎｍで励起し、共有結合した化合物２からの発光強度Ｉ_oを６０８ｎｍで監視した。次に、センサフィルムを、空気の１雰囲気（酸素分圧１５９ｍｍＨｇまたは２０．９％）と平衡させ、発光強度Ｉ_airを再び測定した。酸素の存在により、各センサフィルムの発光強度が著しく低下した。酸素依存蛍光消光は、完全に可逆的であった。Ｉ_o／Ｉ_air比が、表３に示されている。
【０１２８】
ジメチルシロキサンポリマーのみを有し、酸素によって、最大の程度に消光されるセンサフィルムＡおよびＢは、それぞれ、Ｉ_o／Ｉ_air＝９．０７および８．２７の消光比を示した。これらの数字は、塩化メチレン中の化合物２の観測された消光比（Ｉ_o／Ｉ_air）＝１０．６）より小さい。これは、塩化メチレンに対して、ジメチルシリコーン中の酸素の溶解度および透過性がより低いことから生じると考えられる。センサフィルムＣ−Ｆは、大部分がジメチルシロキサンのフィルム中のジフェニルシロキサン含有量の増加がある。表３に示されているように、ジフェニルシロキサン含有量が増加するにつれて、消光比が減少する。センサフィルムＦは、調製したセンサフィルムの最高ジフェニルシロキサン含有量（２３．５％ジフェニルシロキサン）を有し、最低消光比Ｉ_o／Ｉ_air＝２．９９を示した。
【０１２９】
指示薬の浸出
化合物２が、実際に、シロキサンフィルム中に共有結合によって固定されているかを確立しようとして、センサフィルムＡおよびＦを、各々、別個の、塩化メチレン０．５ｍＬの溶液中に、２４時間、浸した。対照センサフィルムＧおよびＨを、それぞれ、センサフィルムＡおよびＦと同じポリマー中の非共有結合によって結合可能な化合物１で作製し、また、テストした。各センサフィルム中のルテニウム化合物の吸収強度を、２４時間、浸す前と後に、吸光分光光度計で、４６４ｎｍで測定した。センサフィルムＡおよびＦの場合、吸光度は、検出の限界（±０．３％）まで変わらず、化合物２が、実際に、シロキサンマトリックスに共有結合によって結合していることを示唆した。センサフィルムＧおよびＨの場合、４６４ｎｍにおける吸光度が、それぞれ、３６％および２８％降下し、結合していない化合物１が、これらのフィルムから浸出していることを示唆した。各フィルムを浸すのに使用された別個の塩化メチレン溶液を、窒素でパージし、ルテニウム錯体の１０^-6Ｍ溶液を検出できる条件下で、ＳＰＥＸ蛍光光度計を使用して、残留ルテニウム錯体についてテストした。センサフィルムＡおよびＦと関連した浸し溶液は、６０８ｎｍで認められる発光がなく、センサフィルムＧおよびＨの浸し溶液は、溶解した化合物１からの強い発光を示した。これらの結果は、化合物１が、ジメチルシロキサンセンサフィルムから浸出し、化合物２が、共有結合によって結合し、浸出しないことを示す。
【０１３０】
対照センサフィルムの調製
［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］Ｃｌ₂錯体および［Ｒｕ（ｐｈ₂ｐｈｅｎ）₃］（ＤＳＳ）₂錯体をジメチルシリコーンフィルム中にブレンドするか、これらの錯体のＣＨ₂Ｃｌ₂溶液中にジメチルシリコーンフィルムを浸すことによって、対照センサフィルムを調製した。これらの各センサフィルムは、酸素敏感反応を示した。しかし、これらの錯体を、ジメチルシリコーンまたはジメチル−ジフェニルシリコーンコポリマーに組入れた場合、再現可能なセンサ勾配をもたらすのが困難であった。また、錯体が、さまざまな有機溶媒に曝された場合、センサフィルムから容易に浸出することがわかった。
【０１３１】
実施例３：３０ｋＨｚＬＥＤ位相ブレッドボード
図４は、本発明の酸素センサシステムとともに、振幅および位相変調ベースの酸素検知をテストするのに使用される３０ＫＨｚＬＥＤ位相変調ブレッドボードの概略図を示す。
【０１３２】
ＧａＮ ＬＥＤ（日亜（Ｎｉｃｈｉａ））１１０を、３０ｋＨｚ搬送周波数、バースト期間０．２秒、繰返し速度５秒、および平均出力電力２．５ｍＷで、振幅変調した。光を、集束させ、帯域通過励起フィルタ１１２（４５０ｎｍ±２５ｎｍ；％Ｔ＝５２％；帯域外ブロッキング＝０．００１％Ｔ；マサチューセッツ州ウォーバーンのスペクトロフィルム（ＳｐｅｃｔｒｏＦｉｌｍ；Ｗｏｂｕｒｎ，ＭＡ）から入手可能）を通過させ、多繊維光励起ケーブル１１４中に再集束させた。末端で、励起ケーブルの繊維は、多繊維発光ケーブルからの繊維と、ランダムに二又に分かれていた。末端は、フロースルーカセットを受取るように適合された光ヘッド１１６で終わった。発光ケーブルは、変調された蛍光リターン光信号１１８を、スペクトロフィルムから入手可能なような帯域通過発光フィルタ１２０（６１０±３５ｎｍ；％Ｔ＝６４％；帯域外ブロッキング＝０．００１％Ｔ）に戻した。フィルタ処理された光出力を、Ｈ５７８３光電子増倍管センサモジュールまたはＳ１３３７−３３−ＢＲ（商標）フォトダイオード検出器１２２（両方とも浜松（Ｈａｍａｍａｔｓｕ）から入手可能）の活性領域上に集束させた。励起繊維の小部分を、直接、１２４を検出器アセンブリにルーティングし、減光フィルタ（ｎｅｕｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）１２６で減衰して、ＬＥＤからの基準光信号を与えた。
【０１３３】
コンピュータ制御された光シャッタ１２８を使用して、光検出器は、励起／光基準信号１２４と蛍光リターン光信号１１８とを交互にサンプリングした。これは、ＬＥＤ出力振幅の変動を補正するための光基準を与えた。さらに、電子減衰およびスイッチ１３２を使用して、検出器光信号１３０と、周波数発生器１３４からの３０ＫＨｚ電気基準信号１３６とを交互にサンプリングした。検出器出力を、３段電子回路に送り、３段電子回路は、フォトダイオード検出器からの光電流を電圧に変換した。減衰およびスイッチ１３２を使用して、ＬＥＤ駆動発振器からの電気基準信号１３６を減衰し、この減衰された電気基準信号１３６と減衰されていない光信号１３０との間で切換えた。トランスインピーダンス前置増幅（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）段１３８は、ＯＰＡ６２７演算増幅器回路を使用して、光信号１３０または電気基準信号１３６を電圧に変換する。次の段は、２つのＯＰＡ６２７演算増幅器を使用する２段デリアニス式帯域通過フィルタ１４０であった。２つの同一段のうちの１つが、図２に示されている。この段は、雑音電力を帯域制限し、一方、信号をさらに増幅する。３段回路の利得は、７．３×１０⁸Ｖ／Ａ（１７７ｄＢ）であり、４００Ｈｚに帯域制限され、約３０ｋＨｚの中心周波数であった。第２の実施において、トランスインピーダンス前置増幅段１３８からの出力を、２段ＭＦＰフィルタ／増幅器に入力し、２つの同一段のうちの１つが、図３に示されている。
【０１３４】
帯域通過フィルタ１４０からの、増幅され、フィルタ処理された信号１４２、および周波数発生器１３４からの基準電気信号１４６を、１００ｋＨｚで、１４４および１４８にデジタルサンプリングし、位相、強度、および信号対雑音比（ＳＮＲ）の最小二乗推定を用いて、ＬａｂＶＩＥＷ（商標）バーチャル機器ソフトウェアを使用して処理した。これらのサンプリング条件下で、雑音電力を、さらに約１２．５Ｈｚに帯域制限し、ＳＮＲをさらに増加させた。
【０１３５】
オペレーションにおいて、ＬａｂＶＩＥＷ（商標）ソフトウェアは、サンプルからの光信号１１８、光基準信号１２４、および電子基準信号１３６を交互にサンプリングした。光基準信号１２４は、ＬＥＤ変動を補正し、電子基準信号１３６は、温度、湿度、および無線周波数（ＲＦ）調整と関連した電子ドリフトを補正した。光レベル測定値は、光学的結合が失われた状態で、フォトダイオード検出器によって取入れられた２０ｎＷ蛍光リターンが、パルス積分方法と組合された場合に高ＳＮＲを支持するのに十分であることを示した。１０ｋＨｚ帯域幅（１０Ｍｏｈｍフィードバックおよび１．４ｐＦキャパシタ）および５Ｖ／μＷの利得のＯＰＡ−６２７演算増幅器を使用して、２０ｎＷ蛍光リターンは、１パルスあたり１００μＶの雑音フロアで１００ｍＶの電気信号を与えた。これは、１パルスあたり０．１％の雑音フロアを与えた。多数のパルスを平均することによって、さらに改良し、５０ｄＢのＳＮＲを与えた。５０時間の期間にわたって連続的に行われた安定性テストにより、基準位相シフトが０．０２度以内に安定したままであり、基準振幅が０．１％以内に安定したままであることがわかった。
【０１３６】
実施例４：デジタル信号処理
上記センサフィルムの位相シフトおよび復調比を判定するために、新規なデジタル信号処理アルゴリズムを開発した。これらのパラメータから、センサフィルム中の指示薬の酸素依存蛍光寿命を判定することができる。
【０１３７】
フーリエ方法および最小二乗方法の両方を、３０ｋＨｚの変調周波数で使用されるブレッドボード上で、ＬａｂＶＩＥＷソフトウェアで実施した（実施例３）。図４は、オプトエレクトロニクス、および最小二乗方法と関連するデジタル信号処理を概略的に示す。図５に示されたフーリエ方法の場合、ブレッドボードのオプトエレクトロニクス部分は、同じままであった。アルゴリズムのＬａｂｖｉｅｗ実施のみが変わった。
【０１３８】
この実施における位相検出の場合、デジタル化しなければならない波形は、センサ信号
【数３】

および基準信号である。
【数４】

ここで、ｇ_s（ｔ）およびｇ_r（ｔ）は、雑音項であり、
【数５】

は、変調周波数である。３０ｋＨｚブレッドボードの場合、ベースバンド検出には、
【数６】

が必要である。位相角φ_sおよびφ_rは、信号がそれぞれのオプトエレクトロニクス信号経路を通って遭遇する累積位相シフトを表す。これらの位相角の差のみが、血液ガス測定と関連する。サンプリング理論では、デジタル化レートが、対象の信号の帯域幅の少なくとも２倍でなければならない。３０ｋＨｚの公称変調周波数および１ｋＨｚの雑音帯域幅の場合、１００ｋＨｚの好都合なデジタル化レートを用いた。これは、データ取得ボード上のプリセットサンプリング周波数であった。サンプリングされたセンサ信号および基準信号は、それぞれ、
【数７】

および
【数８】

であり、ここで、
【数９】

は、サンプリング期間であり、
【数１０】

は、サンプリング周波数である。
【０１３９】
位相、強度、および信号対雑音比（ＳＮＲ）を、フーリエ推定で測定してもよい。変調周波数におけるｘ_s（ｋ）の正規化された離散時間フーリエ変換（ＤＴＦＴ）５５０は、下記式によって与えられる複素数であり、
【数１１】

ここで
【数１２】

は、ラジアンでの正規化されたデジタル周波数であり、Ｎは、取得されたサンプルポイントの数である。
【０１４０】
変調周波数におけるｘ_s（ｋ）の位相５５２は、下記式によって与えられ、
【数１３】

大きさまたは強度５５４は、下記式によって与えられる。
【数１４】

フーリエ大きさがＲＭＳ振幅ではないことに留意されたい。雑音がない場合、フーリエ大きさは、Ａ_sであり、これは、センサ信号の真の振幅である。シヌソイドの真の振幅は、
【数１５】

によってＲＭＳ振幅に関連している。実際は、フーリエ大きさは、真の振幅または強度の良好な推定値であり、なぜなら、大きいＮの場合、ＤＴＦＴが狭帯域通過フィルタであるからだ。
【０１４１】
これに留意すると、ＳＮＲの妥当な推定値は、下記のとおりである。
【数１６】

ここで、分子は、シヌソイド成分ｐ_s（ｋ）の推定電力５５８であり、分母は、雑音項ｇ_s（ｋ）の推定電力である。雑音電力推定値は、センサ信号の全電力５５６からシヌソイド成分ｐ_s（ｋ）の推定電力５５８をひくことによって、与えられる。ｐ_s（ｋ）およびｇ_s（ｋ）は、相互に関連していないと想定される。
【０１４２】
基準信号のＤＴＦＴ５６２を繰返すことによって、センサ信号と基準信号との推定位相差５６４は、下記式によって与えられる。
【数１７】

フーリエ位相推定値およびフーリエ大きさ推定値の両方とも、センサ信号を同期にサンプリングすることによって、より正確にすることができる。このようなサンプリングは、期間の整数を収集することを保証し、切捨て誤差をなくす。しかし、大きいＮの場合、誤差は小さい。
【０１４３】
図４に示されているように、最小二乗推定４５４を、フーリエ推定の代わりに利用してもよく、一般に好ましい。基本原理は、センサ信号４５０とフィルタ処理された基準信号４５２との二乗された差が最小になるような、１組のデジタルフィルタ係数を見出すことである。言換えると、
【数１８】

ここで、［ｈ（ｋ）］は、Ｌフィルタ係数の組である。基準信号４５２を使用し、なぜなら、基準信号４５２は、センサ信号４５０と同一の周波数を有する高ＳＮＲ信号であるからだ。フィルタ係数は、クリーン基準信号がセンサ信号と一致するように、クリーン基準信号を、スケーリングし、位相シフトするだけである。したがって、ω_mにおけるこれらのフィルタ係数のＤＴＦＴ４５６は、センサ信号と基準信号との位相差を生じる。
【数１９】

【０１４４】
フーリエ方法に対する最小二乗方法の１つの利点は、変調周波数
【数２０】

の誤差に対する感度がずっと低いことである。これは、ＤＴＦＴのサイズが増加するにつれて、周波数オフセットに対するＤＴＦＴの感度が、増加するからである。直接フーリエ方法では、ＤＴＦＴのサイズは、Ｎであり、これは、取得されたサンプルポイントの数である。典型的には、Ｎは、１０００を超え、［ｈ（ｋ）］のサイズＬは、通常、２である（任意にシヌソイドを位相シフトしスケーリングするのに、２つのフィルタ係数しか必要ではない）。一般に、収集間隔がより長いと（Ｎがより大きいと）、位相推定値の分散が減少する。しかし、実際には、周波数誤差が、フーリエ推定のこの利点を打消すことがある。最小二乗方法は、変調周波数に敏感であるが、取得されたサンプルポイントの数に依存しない。最小二乗技術では、周波数不一致に対してずっと低い感度で、収集間隔を大きくすることができる。
【０１４５】
最小二乗方法では、雑音項が信号と相互に関連せず、また、基準信号のＳＮＲが非常に高いことを想定する。実験結果は、これらの想定を確認する。
【０１４６】
最小二乗最適化の誤差残り、
【数２１】

は、雑音項ｇ_s（ｋ）の推定４６２である。フィルタ処理された基準信号４５８、
【数２２】

は、シヌソイドセンサ成分ｐ_s（ｋ）の推定４６０である。したがって、センサ信号のＲＭＳ振幅は、下記式として、４６４と推定することができ、
【数２３】

ＳＮＲは、下記式として、４６６と推定することができる。
【数２４】

【０１４７】
フーリエ技術および最小二乗技術は、ソフトウェアで実施する。したがって、それらは、修正およびアップグレードしやすく、両方の方法とも、事実上、コストを追加しないで、同じ機器で実施することができる。さらに、新たな推定アルゴリズムを、ソフトウェア改訂によって容易に加えることができる。基本アーキテクチャ（図４および図５）は、同じままである。フーリエ方法および最小二乗方法は、ガウス雑音において性能が本質的に同じであるが、他の雑音環境において性能が異なってもよい。アルゴリズムを、オプトエレクトロニクス回路内に存在する特定の雑音に対して最適化することができる。
【０１４８】
推定器性能における最も重要なファクタは、収集間隔であり、収集間隔が長いほど、推定が良好である。１つの間隔におけるサンプルの数を増加させるために、サンプリング周波数を増加させると、一般に、性能が向上しない。ナイキスト基準が満たされる限り、サンプリングレートは、性能に影響を及ぼさない。
【０１４９】
多くの信号処理システムにおける望ましい特徴が、同期サンプリングである。これは、図４または図５に示されていないが、図示された回路を、安価なコストで修正することができる。同期サンプリングは、Ａ／Ｄ変換器サンプリングレートを、システム内のいくつかの他のクロックまたは発振器に結合する。この場合、Ａ／Ｄサンプリングレートを、基準信号に同期化するだけである。ナイキストサンプリング基準を満たすために、Ａ／Ｄサンプリングレートを４倍にする必要がある。この種類の周波数逓倍は、実施するのが困難ではない。同期サンプリングシステムがあれば、基準信号上のＡ／Ｄ変換器をなくすことが可能であり、なぜなら、そのサンプリング位相は、常に知られているからである。さらに、推定アルゴリズムは、事実上、周波数誤差およびオフセットに影響されない。これは、重要な利点である。
【０１５０】
直接デジタル合成（ＤＤＳ）は、計測装置および電気通信装置において一般的になった信号発生技術である。本質的に、それは、非常に高速のデジタルアナログ変換器である。ＤＤＳには多くの利点がある。１つは、任意の波形を発生できることである。より重要なのは、シヌソイド波形発生器としての、その正確さおよび精度である。ＤＤＳ信号の位相を、非常に精密に制御することができる。図６は、ブレッドボード上で実施されたＤＤＳシステムを示す。この実施において、ＤＤＳ位相が知られているので、１つのＡ／Ｄ変換器６０２しか必要ではないことに留意されたい。デジタル位相推定は、アナログ技術の強力な代替である。
【０１５１】
実施例５：３０ｋＨｚ位相ブレッドボードならびにセンサフィルムＡおよびＦを使用する、酸素分圧の位相変調蛍光検出
センサフィルムＡを、Ｓ４００フロースルーカセット（ＣＤＩ／３Ｍヘルス・ケア（Ｈｅａｌｔｈ Ｃａｒｅ）；カリフォルニア州タスティン（Ｔｕｓｔｉｎ，Ｃａｌｉｆ．））のＯ₂チャネルにヒートステークした（ｈｅａｔ ｓｔａｋｅｄ）。センサフィルムＦを、第２のＳ４００フロースルーカセットのＯ₂チャネルにヒートステークした。これらの２つのセンサフィルムを、３０ｋＨｚ位相ブレッドボード上で別々にテストした。まず、センサカセットを、ブレッドボードのＳ４００光ヘッドに接続した。次に、サーモスタットで調温した２５ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．６、３７℃）を、閉ループシステム内のセンサカセットを通してポンピングした。緩衝液溜めに、窒素中、０．００、５．００、１０．０、１５．０、および２０．０％の酸素を含む、５の精密な気体混合物の各々を、引続いて散布した。センサカセットからの蛍光発光の振幅および位相シフトを、測定し、コンピュータ上に記憶した。
【０１５２】
図７および図８は、センサフィルムＡについて得られた振幅および位相シフトを酸素分圧の関数として示す。明らかに、振幅および位相シフトは、センサフィルムＡの、酸素分圧に対する著しい依存を示す。これらのプロットは、センサ蛍光応答が、酸素分圧と、可逆的および再現可能に応じることを示す。図７および図８は、センサフィルムＡ（１００％ジメチルシロキサンで作製された）が、０から５％の酸素分圧で最大酸素感度を示すことを示す。０％から５％の酸素に進むと、蛍光強度は５９％降下し、位相シフトは６５％（または２８．３度）降下する。バイオリアクタにおける微量酸素検出などの、特定の用途では、この高感度が好ましい。再び、図７および図８を参照すると、酸素分圧が、５から、１０、１５、および２０％に、段階的に増加するにつれて、蛍光強度および位相シフトの変化が、ますます小さくなることがわかる。たとえば、１５％から２０％への酸素分圧の変化は、蛍光強度の付加的な３．８％の低下、および位相シフトの付加的な２．７％（または１．１９度）の低下をもたらす。
【０１５３】
図９および図１０は、センサフィルムＦ（２１．４％ジフェニル含有量）について得られた振幅および位相シフトを酸素分圧の関数として示す。この場合、０％から５％の酸素に進むと、蛍光強度は２７％だけ降下し、位相シフトは３４％（または１２．７度）だけ降下する。センサフィルムＦは、また、上記センサフィルムＡと比較すると、より高い酸素分圧で、高い感度を示す。センサフィルムＦの場合、１５％から２０％への酸素の変化は、蛍光強度の付加的な５．９％の低下、および位相シフトの付加的な６．２％の低下（または２．３３度）をもたらす。
【０１５４】
図７および図９を参照すると、センサフィルムＡおよびＦの蛍光発光の振幅を、曲線の各プラトー上のデータポイントをすべて平均することによって示された酸素分圧ごとに判定した。これらの平均値を、図１１にプロットした。このプロットから、約１００ｍｍＨｇ（または１３．２％の酸素）の酸素分圧で、センサフィルムＦが、センサフィルムＡより勾配が高く、したがって、この範囲内の酸素分圧の小さい変化により敏感であることがわかる。
【０１５５】
動脈シャントの使用による臨床セッティングにおける血液ガスの監視などの、特定の用途において、断続的ベースで、正確な動脈血液ガス測定値を与えることが、重要である。健康な患者の場合、動脈酸素分圧は、約１００ｍｍＨｇであり、±１ｍｍＨｇに測定しなければならない。３０ＫＨｚブレッドボードと組合せると、これは、センサフィルムＡ、より好ましくは、センサフィルムＦで、容易に達成することができる。
【０１５６】
図１２は、酸素が存在しない場合の蛍光強度と、さまざまな酸素分圧の存在下での対応する強度との比をプロットすることによって得られた、センサフィルムＡおよびＦのシュテルン−フォルマー校正プロットを示す。これらのプロットは、本質的に直線であり、シュテルン−フォルマー消光キネティクス（式１）と一致する。センサフィルムＡおよびＦの場合、シュテルン−フォルマー勾配Ｋ_svは、０．０３８ｍｍ^-1および０．００９９ｍｍ^-1であり、図１２の２つのプロットの最小二乗回帰から判定された。本発明者らのブレッドボードで得られた、０．１％の振幅精度に対して、対応する酸素分圧の精度を、判定することができ、２つのセンサフィルムの各々について、図１２に括弧内に示されている。
【０１５７】
図８および図１０を参照すると、センサフィルムＡおよびＦの蛍光発光の位相シフトを、曲線の各プラトー上のデータポイントをすべて平均することによって示された酸素分圧ごとに判定した。これらの平均値が、図１３にプロットされている。このプロットから、約１００ｍｍＨｇ（または１３．２％の酸素）の酸素分圧で、センサフィルムＦが、センサフィルムＡより校正勾配が高く、したがって、この範囲内の酸素分圧の小さい変化により敏感であることがわかる。図１４は、酸素が存在しない場合のｔａｎθと、さまざまな酸素分圧の存在下での対応するｔａｎθの値との比をプロットすることによって得られた、センサフィルムＡおよびＦのシュテルン−フォルマー校正プロットを示す。位相データから得られたシュテルン−フォルマー勾配（図１４）が、未処理の振幅データから得られたシュテルン−フォルマー勾配（図１２）よりわずかに高いことに留意されたい。これは、３０ｋＨｚで測定された振幅が、蛍光強度と復調比との積であることの結果である。これを補正するために、位相シフトを用いて、各酸素分圧における蛍光寿命を推定した。これらの寿命を用いて、各分圧における復調比を推定した。図１４は、また、復調比に対して補正された振幅データのシュテルン−フォルマープロットを示す。これらのプロットは、本質的に直線であり、位相検出を用いて得られたシュテルン−フォルマープロットと一致する。
【０１５８】
安定性結果
センサフィルムＡに従う配合物を、ｍ−ゾルで下塗りをしたゼオネックスフィルム上にコーティングし、熱硬化させることによって、センサフィルムを調製した。次に、この材料の円形ディスク（約４ｍｍの直径）を、フィルムからカットし、システム（Ｓｙｓｔｅｍ）４００カセットの酸素センサチャネル内に接着した。このカセットを３０ｋＨｚ位相ブレッドボードのシステム４００光ヘッド内に取付けた。２５ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．６および３７．１℃）を、円形フロー内のカセットを通過させた。緩衝液に、１２０時間の期間にわたって、窒素または空気を交互に散布し、一方、センサの蛍光発光の振幅および位相を監視した。
【０１５９】
ブレッドボードＬＥＤを、３０ｋＨｚ搬送周波数、バースト期間０．２秒、繰返し速度５秒、および平均出力電力２．５ｍＷで、動作させた。センサディスクの照射部分は、直径約２ｍｍであった。表４は、１２０時間の実験の始めと終わりに得られた振幅および位相シフトを示す。
【０１６０】
【表５】

【０１６１】
発光信号の振幅は、１９．５％降下したが、基準位相シフトは、窒素下で０．２５度しか変わらず、空気下で０．０７度しか変わらなかった。対照実験は、第２のセンサが、同じ緩衝液およびフロー条件に曝されるが、ＬＥＤをオフにした場合、蛍光の損失がないことを示した。これは、発光の低下が、指示薬の光劣化と関連し、浸出とは関連しないことを示す。
【０１６２】
可変温度結果
センサＢに従う配合物を、ｍ−ゾルで下塗りをしたゼオネックスフィルム上にコーティングし、熱硬化させることによって、センサフィルムを調製した。次に、この材料の円形ディスク（約４ｍｍの直径）を、フィルムからカットし、システム４００カセットの酸素センサチャネル内に接着した。このカセットを３０ｋＨｚ位相ブレッドボードのシステム４００光ヘッド内に取付けた。２５ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．６）を、円形フロー内のカセットを通過させた。緩衝液に、窒素または空気を交互に散布し、一方、センサの蛍光発光の振幅および位相を、ブレッドボード上で監視した。ブレッドボードＬＥＤを、３０ｋＨｚ搬送周波数、バースト期間０．２秒、繰返し速度５秒、および平均出力電力２．５ｍＷで、動作させた。
【０１６３】
緩衝液の温度を、１４．５から、２０．８、２５．２、０．５、３７．０、および４４．０℃に変えた。図１５は、温度依存振幅変化を示す。図１６は、温度依存位相シフトを示す。表５は、各温度における平均振幅および平均位相シフトを示す。
【０１６４】
【表６】

【０１６５】
心臓切開手術中の血液ガス監視などの、特定の用途の場合、４０〜１８０ｍｍ（５．２６％から２３．７％の酸素）の範囲にわたって、±３ｍｍ（±０．４％の酸素）の精度で、血液ガスを測定できることが望ましい。センサフィルムＡを使用して、この仕様を満たすために、蛍光強度を、±０．３％［（３．８／５．０）×０．４＝０．３］の精度で測定しなければならない。これに対応して、位相シフトを±０．０７度の精度で測定しなければならない。これらの精度要件は、先行技術の小型オプトエレクトロニクスデバイスで達成することができなかった。しかし、上記のような本発明者らのＬＥＤ位相ブレッドボード光学設計および内部基準の組合せ、上記デジタル最小二乗位相振幅推定器、ならびに本発明の共有結合によって標識化された酸素センサを用いることにより、この要件を超えた。基準位相シフトは、±０．０２度以内に安定したままであり、基準振幅は、少なくとも７２時間、±０．１％以内に安定したままであった。
【０１６６】
血液ガス監視用途の場合、振幅および位相シフトが、５％未満の酸素分圧で、あまり大幅に変わらず、５％から２０％の酸素分圧で、より大幅に変わるように、検知エレメントの酸素感度を低減することによって、さらに改良することができる。これは、センサフィルムＦの配合物を使用して達成した。
【０１６７】
実施例６：３０ＫＨｚ変調周波数の位相変調酸素検知
０％の酸素における位相シフトθ_oの測定から、下記式を用いて、センサフィルムＡおよびＦの各々の化合物２の蛍光寿命τ_oを計算することが可能である。
ｔａｎθ_o＝２πｆτ_o
この計算において、ｆ＝３０ｋＨｚは変調周波数である。センサフィルムＡのθ_o＝４３．８１゜およびセンサフィルムＦのθ_o＝３７．５０゜の位相シフトの場合、τ_o（Ａ）＝５．１ｍｓｅｃおよびτ_o（Ｂ）＝４．１ｍｓｅｃの寿命を計算することができる。これは、シュテルン−フォルマー勾配が著しく変わっても、化合物２の蛍光寿命が、ポリマーホストによってわずかにしか影響されないことを示す。
【０１６８】
図１４から得られたシュテルン−フォルマー定数を、図１３から得られた蛍光寿命と組合せて、センサフィルムＡの積ａｋ_q＝７．４×１０³ｍｍ^-1ｓｅｃ^-1およびセンサフィルムＦのａｋ_q＝２．４×１０³ｍｍ^-1ｓｅｃ^-1を推定することができる。これらの結果は、これらの２つのセンサの酸素感度の差への主な寄与が、酸素溶解度のポリマー依存変化ａ、またはこれらのホストポリマーの二分子消光速度定数ｋ_qと関連することを示唆する。
【０１６９】
位相変調蛍光分光法において、変調周波数は、典型的には、対象の分析物濃度の範囲内でωτ＝１であるように選択される。これは、寿命の計算値が、測定された位相シフトおよび測定された復調比の小さい誤差に対して最も敏感でない、４５度に近い位相角に対応する。多環芳香族炭化水素の場合、τ_oは、一般に、１００ナノ秒未満であり、位相シフト測定を２ＭＨｚより高い変調周波数で行わなければならない。これは、一般に、より複雑なヘテロダイン位相検出方法を使用しなければならない。本発明のセンサシステムを使用する利点は、長い蛍光寿命により、実施例５で使用された３０ｋＨｚ周波数などの低い変調周波数で、位相変調検出技術を使用できることである。この場合、ずっと簡単なベースバンド検出技術を使用することができる。しかし、この方法の問題の１つは、シュテルン−フォルマー勾配が、生理学的範囲内の酸素分圧に対する感度を低減し得るほど高いことであった。これを、本発明者らは、センサフィルムＦにジメチルおよびジフェニルシロキサンのコポリマーを使用することによって、改良した。これは、蛍光寿命に影響を及ぼさずに、ポリマー中の酸素溶解度を低減することによって、シュテルン−フォルマー勾配を低減する。これにより、ベースバンド検出を用いることができ、４５度に近い位相シフトを用いることができる、低い変調周波数で、センサシステムを使用することができる。
【０１７０】
実施例７：変調周波数の選択
センサフィルムＡを使用するセンサシステムの場合、校正曲線が４５度の近くで中心となるように、変調周波数を増加させることによって、検知システムを最適化することができる。３０ｋＨｚで得られたデータを使用すると、変調周波数を増加させた場合に、これらのセンサシステムで得られる校正曲線を推定することが可能である。これを行うために、本発明者らは、ｔａｎθ＝２πｆτという単純想定を用いる。ｆ₁＝３０ｋＨｚで測定された各位相シフトについて、下記式に従って、代替周波数ｆ₂における、対応する位相シフトを推定することができる。
ｔａｎθ₂＝（ｆ₂／ｆ₁）ｔａｎθ₁
図１７は、６０〜２４０ｋＨｚの、いくつかの異なった変調周波数における、センサフィルムＡの予期された推定校正曲線を示す。４０〜１８０ｍｍ（５．２６％から２３．７％の酸素）の範囲内で動作するように設計されたセンサシステムの場合、１５０ｋＨｚから２１０ｋＨｚの動作周波数が、最大精度が得られる、３０〜６０度の範囲内の位相シフトをもたらす。これらの変調周波数は、ベースバンド設計を用いて実施することができる。
【０１７１】
重要なことに、１５０ｋＨｚに近い変調周波数および１５０ｋＨｚより高い変調周波数でのセンサフィルムＡの動作は、米国特許第５，４６２，８７９号明細書で最初に認められた付加的な属性を与える。これらの条件下で、下記に示された不等式が成立し、校正勾配がτ_oのばらつきと無関係になる。
［（ａｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²＞＞１＋２ａｋ_qτ_o［Ｏ₂］
【０１７２】
測定されたτ_o＝５．１μｓｅｃ、ａｋ_q＝７．４×１０³ｍｍ^-1ｓｅｃ^-1、［Ｏ₂］が４０〜１８０ｍｍに変わることに留意すると、｛［（ａｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²｝／（１＋２ａｋ_qτ_o［Ｏ₂］）＝９．９７の最小比が得られる。
【０１７３】
実施例８：１５０ＫＨｚブレッドボード
本発明者らは、位相ブレッドボードの１５０ｋＨｚバージョンの実施を可能にする回路を設計した。これは、ジメチルシロキサンなどのポリマーホスト中の多環芳香族炭化水素からの発光に基いた、先行技術の高周波位相システムに対する改良をもたらす。まず、ＰＡＨセンサのヘテロダイン検出を用いる２０ＭＨｚ（米国特許第５，４６２，８７９号明細書の図１６を参照）の代わりに、ベースバンド検出を用いる１５０ｋＨｚで、現存するセンサで、高周波位相方法を実施することができる。第２に、位相精度を低減する、７０度を超える位相シフト（米国特許第５，４６２，８７９号明細書の図１６を参照）の代わりに、より高い精度が得られる、位相シフトその括弧４５度で、現存するセンサで、高周波位相方法を動作させることができる。
【０１７４】
１５０ｋＨｚブレッドボードの物理的セットアップは、３０ｋＨｚブレッドボードを示す図４と同一である。
【０１７５】
日亜のＧａＮ ＬＥＤを、１５０ｋＨｚ搬送周波数、バースト期間０．２秒、繰返し速度５秒、および平均出力電力２．５ｍＷで、振幅変調した。光を、集束させ、帯域通過励起フィルタ（４５０ｎｍ±２５ｎｍ；％Ｔ＝５２％；帯域外ブロッキング＝０．００１％Ｔ；マサチューセッツ州ウォーバーンのスペクトロフィルムから入手可能）を通過させ、多繊維光励起ケーブル中に再集束させた。末端で、励起ケーブルの繊維は、多繊維発光ケーブルからの繊維と、ランダムに二又に分かれていた。末端は、フロースルーカセットを受取るように適合された光ヘッドで終わった。発光ケーブルは、変調された蛍光リターンを、スペクトロフィルムから入手可能なような帯域通過発光フィルタ（６１０±３５ｎｍ；％Ｔ＝６４％；帯域外ブロッキング＝０．００１％Ｔ）に戻した。フィルタ処理された光出力を、Ｈ５７８３光センサモジュール（浜松）の活性領域上に集束させた。励起繊維の小部分を、直接、検出器アセンブリにルーティングし、減光フィルタで減衰して、ＬＥＤからの基準光信号を与えた。
【０１７６】
コンピュータ制御された光シャッタを使用して、光検出器は、励起信号と蛍光リターン信号とを交互にサンプリングした。これは、ＬＥＤ出力振幅の変動を補正するための光基準を与えた。さらに、電子スイッチを使用して、検出器光電流と、周波数発生器からの１５０ＫＨｚ電気基準信号とを交互にサンプリングした。検出器出力を、３段電子回路に送り、３段電子回路は、フォトダイオード検出器からの光電流を電圧に変換した。減衰およびスイッチ段を使用して、ＬＥＤ駆動発振器からの基準電気信号を減衰し、この減衰された基準信号と減衰されていない光信号との間で切換えた。
【０１７７】
トランスインピーダンス前置増幅段は、ＯＰＡ６２７演算増幅器回路を使用して、光電流または基準電気信号を電圧に変換する。３０ｋＨｚ励起信号で実施された、図２および図３に示された増幅器回路の何らかの修正が、必要である。当業者は、どのように、図２および図３の回路を、１５０ＫＨｚ励起信号で動作するように修正するか、わかるであろう。
【０１７８】
次の段は、図１８に示された２つのＯＰＡ６３７演算増幅器を使用する２段マルチフィードバック経路式帯域通過フィルタであった。この段は、雑音電力を帯域制限し、一方、信号をさらに増幅する。３段回路の中心周波数は、約１５０ｋＨｚであった。
【０１７９】
増幅された光信号または基準電気信号を、１００ｋＨｚで、デジタルサンプリングし、位相、強度、および信号対雑音比（ＳＮＲ）の最小二乗推定を用いて、ＬａｂＶＩＥＷ（商標）バーチャル機器ソフトウェアを使用して処理した。これらのサンプリング条件下で、雑音電力を、さらに帯域制限し、ＳＮＲをさらに増加させた。
【０１８０】
オペレーションにおいて、ＬａｂＶＩＥＷ（商標）ソフトウェアは、サンプルからの光信号、光基準信号、および電子基準信号を交互にサンプリングした。光基準信号は、ＬＥＤ変動を補正し、電子基準信号は、温度、湿度、および無線周波数（ＲＦ）調整と関連した電子ドリフトを補正した。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１ａ】本発明によって、官能基化された指示薬を作製するための合成図である。
【図１ｂ】本発明によって、官能基化された配位子を作製するための合成図である。
【図１ｃ】本発明によって、官能基化された指示薬をシリコーンベースのポリマーマトリックスに結合し、シリコーンベースのポリマーマトリックスを形成するための反応図である。
【図２】本発明による位相変調センサシステムの１つの実施の形態に使用されるデリアニス増幅器回路の概略図である。
【図３】本発明による位相変調センサシステムの１つの実施の形態に使用されるマルチフィードバック経路増幅器回路の概略図である。
【図４】最小二乗デジタル信号処理アルゴリズムを使用する３０ｋＨｚ位相ブレッドボードの概略図である。
【図５】フーリエベクトルデジタル信号処理アルゴリズムを使用する３０ｋＨｚ位相ブレッドボードの概略図である。
【図６】最小二乗デジタル信号処理システムを使用して、信号発生の直接デジタル合成方法を用いる、３０ｋＨｚブレッドボードの概略図である。
【図７】蛍光強度を、３０ｋＨｚ位相ブレッドボード上で測定されたようなセンサフィルムＡの酸素分圧の関数として示すグラフである。
【図８】位相シフトを、３０ｋＨｚ位相ブレッドボード上で測定されたようなセンサフィルムＡの酸素分圧の関数として示すグラフである。
【図９】蛍光強度を、３０ｋＨｚ位相ブレッドボード上で測定されたようなセンサフィルムＦの酸素分圧の関数として示すグラフである。
【図１０】位相シフトを、３０ｋＨｚ位相ブレッドボード上で測定されたようなセンサフィルムＦの酸素分圧の関数として示すグラフである。
【図１１】変調された３０ｋＨｚキャリヤ信号の振幅の測定に基いたセンサフィルムＡおよびＦの蛍光消光の酸素依存を示す校正プロットである。
【図１２】図１１から振幅データのシュテルン−フォルマープロットを示すグラフである。
【図１３】３０ｋＨｚキャリヤ信号を使用するセンサフィルムＡおよびＦからの蛍光の位相シフトの酸素依存を示す校正プロットである。
【図１４】（ａ）位相シフトの測定および（ｂ）復調比に対して補正された振幅の測定に基いたセンサフィルムＡおよびＦのシュテルン−フォルマープロットを示すグラフである。
【図１５】センサフィルムを、窒素または空気と平衡させた緩衝液溶液に交互に曝したときの、さまざまな温度におけるセンサフィルムＢの発光振幅の校正プロットである。
【図１６】センサフィルムを、窒素または空気と平衡させた緩衝液溶液に交互に曝したときの、さまざまな温度におけるセンサフィルムＢの位相シフトの校正プロットである。
【図１７】変調周波数の関数としてのセンサフィルムＡの酸素分圧の関数としての位相シフトの推定プロットのグラフ図である。
【図１８】本発明による位相変調センサシステムの１つの実施の形態に使用されるマルチフィードバック経路増幅器回路の概略図である。

Claims (21)

1. ａ）酸素を透過させる固体ポリマーマトリックスと、
   ｂ）酸素によってそのルミネセンスを消光できるルミネセンス白金族金属多環芳香族キレート錯体である、前記マトリックスに共有結合した指示薬とを含む、媒体中の酸素または酸素関連分析物を検知するための組成物であって、
   前記多環芳香族錯体が、３つの配位子を含み、そのうち少なくとも１つが二座ジフェニルフェナントロリンであり、
   前記多環芳香族錯体が、前記ポリマーマトリックス全体にわたって、実質的に均一に分配され、
   前記多環芳香族錯体が、１以上のリンカーアームによって前記マトリックスに共有結合され、前記１以上のリンカーアームの各々が、前記ジフェニルフェナントロリン配位子のフェニル基と、前記ポリマーマトリックスとに結合している、組成物。
2. 前記錯体が下記式を有し、
   Ｍ＋Ｌ₁Ｌ₂Ｌ₃、
   ここで、Ｍ⁺は、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺であり、
   配位子Ｌ₁およびＬ₂は、同一であるか、異なり、任意に置換された二座フェナントロリン配位子もしくはジフェニルフェナントロリン配位子または任意に置換されたシクロメタル化された二座フェニルピリジン配位子またはベンゾ［ｈ］キノリン配位子を表し、
   配位子Ｌ₃は、前記錯体を前記マトリックス材料に共有結合する１以上のリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子であり、
   前記リンカーアームは、共有結合、Ｏ、Ｃ（Ｏ）Ｏ、任意に置換されたメチレン基、２〜２０の炭素原子を含む任意に置換された炭素鎖、およびそれらの組合せからなる群から選択される基を含み、
   前記炭素鎖は、任意に、１以上の次の部分またはそれらの組合せ、すなわち、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、複素環基、およびアリール基を含む、請求項１に記載の組成物。
3. シュテルン−フォルマー定数Ｋ_SVが、０．００６ｍｍ^-1より大きく、４０〜１８０ｍｍＨｇの酸素分圧の範囲にわたって実質的に均一であるように、前記マトリックス中の前記錯体からの発光が、酸素がない状態の最低寿命τ_oL＝１μｓｅｃを超える、１以上の蛍光寿命τ_oによって、特徴づけられる、請求項１に記載の組成物。
4. 前記ポリマーマトリックスがシリコーンベースのポリマーであり、前記リンカーアームが、シロキサン結合またはシラン結合によって、前記マトリックスに結合されている、請求項１に記載の組成物。
5. 前記シリコーンベースのポリマーが、下記式を有する前駆体から得られ、
   

   

   ここで、ｘおよびｙの各々は、独立して、１から約５００の範囲内の整数であり、Ｒは、Ｈ、アルキル、置換アルキル、およびフェニルからなる群から独立して選択される、請求項４に記載の組成物。
6. 前記シリコーンベースのポリマーが、下記式を有する前駆体から得られ、
   

   

   ここで、ｍとｎとの合計は、１００〜５００の範囲内であり、Ｒは、アルキル、置換アルキル、およびフェニルからなる群から独立して選択される、請求項４に記載の組成物。
7. 前記錯体がルテニウム（ＩＩ）トリス［ジフェニルフェナントロリン］錯体である、請求項１に記載の組成物。
8. 前記錯体が、次の構造の１つを有し、
   

   

   ここで、Ｍは、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺であり、Ａは、共有結合、Ｏ、Ｃ（Ｏ）Ｏ、任意に置換されたメチレン基、２〜２０の炭素原子を含む任意に置換された炭素鎖、およびそれらの組合せからなる群から選択される基を含むリンカーアームであり、前記炭素鎖は、任意に、１以上の次の部分またはそれらの組合せ、すなわち、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、複素環基、およびアリール基を含み、ｋおよび１は、独立して、０、１、または２であり、ｍは、１または２である、請求項１に記載の組成物。
9. 媒体中の酸素または酸素関連分析物の濃度を測定するための検知エレメントであって、
   （ａ）請求項１に記載の検知組成物と、
   （ｂ）前記検知組成物を前記媒体と接触させるための基材とを含み、
   前記基材が、前記検知組成物に、および前記検知組成物から、可視光を伝える材料から作製される、検知エレメント。
10. 前記基材が光ファイバである、請求項９に記載の検知エレメント。
11. 前記基材が使い捨てフロースルーカセットであり、前記検知組成物が、前記フロースルーカセットに組入れられたキャリヤディスク上に配置されている、請求項９に記載の検知エレメント。
12. 前記酸素関連分析物がグルコースであり、前記検知エレメントがグルコースオキシダーゼを含む、請求項９に記載の検知エレメント。
13. 媒体中の酸素または酸素関連分析物を検知するための組成物を作製する方法であって、
    （ａ）酸素によってそのルミネセンスを消光できるルミネセンス白金族金属多環芳香族キレート錯体と、酸素を透過させるポリマーマトリックスの１以上の前駆体とを混合する工程であって、
    前記錯体が下記一般式を有し、
    Ｍ＋Ｌ₁Ｌ₂Ｌ₃、
    ここで、Ｍ⁺は、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺であり、
    配位子Ｌ₁およびＬ₂は、同一であるか、異なり、任意に置換された二座フェナントロリン配位子もしくはジフェニルフェナントロリン配位子または任意に置換されたシクロメタル化された二座フェニルピリジン配位子またはベンゾ［ｈ］キノリン配位子を表し、
    配位子Ｌ₃は、前記錯体を前記マトリックス材料に共有結合できる１以上の官能基化されたリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子であり、
    前記官能基化されたリンカーアームは、構造Ａ−Ｘを有し、
    ここで、Ａは、共有結合、Ｏ、Ｃ（Ｏ）Ｏ、任意に置換されたメチレン基、２〜２０の炭素原子を含む任意に置換された炭素鎖、およびそれらの組合せからなる群から選択される基からなり、前記炭素鎖は、任意に、１以上の酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、複素環基、またはアリール基を含み、
    ここで、Ｘは、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、カルボキシ、アセトキシ、フェノール、シロキサン、およびビニル基からなる群から選択される、工程と、
    （ｂ）工程（ａ）の混合物に触媒を加える工程と、
    （ｃ）前記リンカーアームによって前記錯体に共有結合されたポリマーマトリックスを形成するために、前記触媒を活性化する工程とを含む、方法。
14. 前記錯体が、塩であり、３−（トリメチルシリル）−１−プロピルスルホネートを含むオルガノスルホネート、オルガノホスフェート、テトラフェニルボレート、ＢＦ₄ ^-、Ｃｌ^-、Ｂｒ^-、ＰＦ₆ ^-、ＳｂＦ₆ ^-、およびＣｌＯ₄ ^-からなる群から選択されるカウンターアニオンを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 媒体中の酸素または酸素関連分析物の濃度を判定するためのセンサシステムであって、
    ａ）請求項９に記載の検知エレメントと、
    ｂ）前記励起信号を前記検知エレメントに与える励起アセンブリと、
    ｃ）前記検知エレメントによって与えられた発光信号を検出する検出器アセンブリと、
    ｄ）前記媒体中の前記分析物の濃度を判定する際に前記発光信号を分析するプロセッサアセンブリとを含み、
    前記検知エレメントが、前記励起アセンブリと前記検出器アセンブリとに光学的に結合され、前記検出器アセンブリが、前記プロセッサアセンブリと連絡し合う、センサシステム。
16. 前記励起信号が、ＧａＮ発光ダイオードを含む発光ダイオード、レーザダイオード、周波数２倍レーザダイオード、および固体光源からなる群から選択される光源によって発生され、前記励起アセンブリが、正弦波変調された励起信号を前記検知組成物に与える、請求項１５に記載のセンサシステム。
17. 前記センサシステムが、位相変調センサシステムであり、［（ｋ_q［Ｏ₂］）²＋ω²］τ_o ²＞＞１＋２ｋ_qτ_o［Ｏ₂］のような動作条件を与えるように構成され、濃度依存パラメータと分析物濃度との関係の勾配が、４０〜１８０ｍｍＨｇの動作範囲内の全分析物濃度、およびτ_oL＝１μｓｅｃを超える全寿命τ_oについて、τ_o可変性と無関係であり、任意に、前記センサシステムが、１ＭＨｚを超えないように、１以上の変調周波数で動作するように構成されている、請求項１６に記載のセンサシステム。
18. 前記検出器アセンブリが、
    （１）前記変調された励起信号と、前記検知エレメントによって発された、変調された信号とをサンプリングする
    （２）フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、および光電子増倍管からなる群から選択される１つの光検出器で、前記変調された励起信号と、変調された発光信号とを交互にサンプリングする
    （３）前記光検出器からの強度変調された電気出力信号を、電子的に増幅し、帯域通過フィルタ処理する
    （４）前記励起信号振幅の変動を補正するために、前記光源の強度を変調するのに使用される前記強度変調された電気信号を、増幅し、デジタルサンプリングする
    からなる群から選択される機能を行うように構成されている、請求項１６に記載のセンサシステム。
19. 前記プロセッサアセンブリが、基準信号を使用して、前記変調された励起信号と前記変調された発光信号との間の位相シフトの程度を判定するように適合され、任意に、さらに、
    前記プロセッサアセンブリが、前記位相シフトを判定する際に、デジタル最小二乗アルゴリズムを実施するか、フーリエベクトル解析を実施するように、適合され、構成されている、請求項１６に記載のセンサシステム。
20. 下記一般式を有する白金族金属多環芳香族キレート錯体であって、
    Ｍ⁺Ｌ₁Ｌ₂Ｌ₃
    ここで、Ｍ⁺は、Ｒｕ²⁺、Ｏｓ²⁺、Ｉｒ³⁺、またはＲｈ³⁺であり、
    配位子Ｌ₁およびＬ₂は、同一であるか、異なり、任意に置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子を表し、
    配位子Ｌ₃は、前記錯体を前記マトリックス材料に共有結合できる１以上の官能基化されたリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリン配位子であり、
    前記官能基化されたリンカーアームは、構造Ａ−Ｘを有し、
    ここで、ＡまたはＸが、１以上の炭素−炭素二重結合からなるか、ＡおよびＸの両方が、１以上の炭素−炭素二重結合からなる、白金族金属多環芳香族キレート錯体。
21. １以上の官能基化されたリンカーアームで置換された二座ジフェニルフェナントロリンを含み、
    前記官能基化されたリンカーアームが、構造Ａ−Ｘを有し、
    ここで、ＡまたはＸが、１以上の炭素−炭素二重結合からなるか、ＡおよびＸの両方が、１以上の炭素−炭素二重結合からなる、組成物。

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