JP2007503005A - 可塑剤フリーのコポリマーを含むイオン検出センサー - Google Patents

Abstract

試料中の標的イオンを検出するための可塑剤フリーのイオン検出センサーが提供される。前記センサーは、メタクリレートモノマーの重合したユニットと、重合可能なイオン交換体とを含む可塑剤フリーのコポリマーを含み、前記メタクリレートモノマーは異なる長さのペンダントアルキル基を有し、前記官能基修飾されたイオン交換体は、共有結合によって前記コポリマー内にグラフトされる。前記イオン交換体は、重合可能な原子団を有するハロゲン化ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンのＣ−誘導体を含む。本発明のセンサーは、担体を利用するイオン選択電極か、薄いフィルム状のイオン特異的オプトード、粒子を利用するオプトードまたはバルクのオプトードのようなオプトードかを含む。

Description

本発明は、試料中の標的イオンを検出するためのシステムに関し、より具体的には、可塑剤フリーのコポリマーに共有結合でグラフトされたイオン交換体を含むイオンセンサーに関する。

関連出願の相互参照
本発明は、２００２年１２月５日出願の米国特許出願第１０／３１３，０９０号の一部継続出願である、２００３年３月７日出願の米国特許出願第１０／３８４、０９７号の一部継続出願であり、これら２つの出願のそれぞれは、引用により本明細書にその全体が取り込まれる。本発明は、「イオン選択的センサーの共有結合で付着したカチオン交換体としての共重合したドデカカルボランアニオン」という名称の２００３年５月２８日出願の仮出願第６０／４７３，６７７号に基づく優先権を主張するが、この出願は引用によりその全体が本明細書に取り込まれる。

先行技術の説明
本明細書を通じて、さまざまな参考文献が括弧つきで参照される。これらの刊行物の開示内容は、本発明が関係する先行技術水準をより完全に説明するために、引用により本明細書に取り込まれる。これらの参考文献の完全な書誌的事項は、本明細書の最後に、図面の簡単な説明の欄の前に記載される。

分子識別および抽出の原理に基づく高度に選択的な化学的センサーは、非常に重要で、よく理解されたクラスのセンサーである（１（非特許文献１）、２（非特許文献２））。特に、イオン選択電極（ＩＳＥｓ）およびオプトード（ｏｐｔｏｄｅ）は、臨床検査室で広範に使用され（３（非特許文献３））、多数の他の用途への使用が試みられている。
Buehlmann, P.; Pretsch, E.; Bakker, E. Chem. Rev. 1998, 98, 1593. Bakker, E.; Buehlmann, P.; Pretsch, E. Chem. Rev. 1997,97, 3083. Collison, M. E.; Meyerhoff, M. E. Anal. Chem. 1990,62, A425.

従来は、これらのセンサーは、親油性のイオン交換体に加えて１種類または２種類以上のイオノフォアでドープされた、疎水性の可塑化されたポリマー膜に基づくものである。これらの構成要素のそれぞれは、前記センサーの応答に重要な役割を果たしている（２、４（非特許文献４））。前記ポリマーの疎水性は、試料からの自然発生的かつ非特異的な電解質の抽出が抑制されることを担保する。同時に、前記膜マトリックスは、前記フィルム内の全ての活性を有する検知構成要素に対して粘度の低い溶媒として作用しなければならない。それぞれのイオノフォアは親油性の錯化剤として作用し、前記イオン交換体は、電気中性を満たすために、前記試料から前記膜へと前記被検体イオンを抽出する原因になる。
Morf, W. E. The Principles of Ion-Selective Electrodes and of Membrane Traasport ; Elsevier: New York, 1981.

多くの意味で、これらのＩＳＥｓの基本的な組成および機能は、全ての構成要素が有機溶媒中に単に溶けていた、初期の液体膜電極のものをいまだに真似ている。しかし、現代のイオンセンサーは、劇的な小型化に向かっており、これらのセンサーは、無希釈の全血のような、比較的親油性の試料環境と接触することがしばしばある。微小電極が、長い間、細胞内イオン組成を探知するために用いられてきており、化学的プロファイリングおよび化学的顕微鏡用に用いられている（５（非特許文献５））。今日では、さまざまな組成を有するミクロスフェア・オプトードが、生物学的および臨床的試料の測定を考慮して開発されている（６（非特許文献６））。直径数百ナノメートルの光学的検知用スフェアが細胞内イオン測定用に現在試みられている（７（非特許文献７））。これらの重要な用途は、センサーの相互混入および活性成分のセンサー膜からの浸出が低減するか、除去されることを想定する。
Horrocks, B. R.; Mirkin, M. V.; Pierce, D. T.; Bard, A. J.; Nagy, G.; Toth, K. Anal. Chem. 1993, 65, 1213. Tsagkatakis, I.; Peper, S.; Bakker, E. Anal. Chem. 2001,73, 6083. Brasuel, M.; Kopelman, R.; Miller, T. J.; Tjalkens, R.; Philbert, M. A. Anal. Chem. 2001,73, 2221.

初期の研究は、これらのセンサーの寿命を改善するために全ての検知成分の親油性を向上させることに焦点が絞られていた。イオノフォアおよび可塑剤はポリマー膜相に可溶性でなければならないから、イオノフォアおよび可塑剤をより親油性にするために長鎖アルキル基を有するイオノフォアおよび可塑剤を合成することには実用的な限界がある（８（非特許文献８））。保持が不十分であるという問題に対する解決策の１つは、全ての活性のある検知成分をポリマー骨格上に共有結合で付着させることである。何年間も、異なる材料を利用する可塑剤フリーのイオン選択性膜が評価されてきた。適当なマトリックスは、ポリウレタン（９（非特許文献９））、ポリシロキサン（１０（非特許文献１０）、１１（非特許文献１１））、シリコーンゴム（１２（非特許文献１２）、１３（非特許文献１３））、ポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、１４（非特許文献１４））、ポリアクリレート（１５（非特許文献１５））、エポキシアクリレート（１６（非特許文献１６））、ゾル−ゲル（１７（非特許文献１７）、１８（非特許文献１８））、メタクリル−アクリルコポリマー（１９−２２（非特許文献１９−２２））およびメタクリレートコポリマー（２３（非特許文献２３）、２４（非特許文献２４））を含む。これらの間で、フリーラジカルで開始されるメカニズムを通じて合成される、メタクリル−アクリルコポリマーおよびメタクリレートコポリマーが魅力的であるが、その理由は、異なる物理的機械的特性を有するポリマーを作成するために、さまざまなモノマーの組み合わせおよび多数の重合法が利用可能だからである。報告された可塑剤フリーのコポリマーのうち、メチルメタクリレートおよびデシル・メタクリレートのコポリマー（ＭＭＡ−ＤＭＡ）がＰｅｐｅｒら（特許文献１）によって有望なマトリックスとして研究されてきており、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋に対するＩＳＥ（２３）およびオプトード（２５（非特許文献２５））の機能を有することが報告されている。
米国特許出願第２００３／０２１７９２０号明細書 Gehrig, P.; Rusterholz, B.; Simon, W. Anal. Chim. Acta 1990,233, 295. Yun, S. Y.; Hong, Y. K.; Oh, B. K.; Cha, G. S.; Nam, H.; Lee, S. B.; Jin, J.-I. Anal. Chem. 1997, 69, 868. Reinhoudt, D. N.; Engbersen, J. F. J.; Brzozka, Z. Anal. Chem. 1994, 66, 3618. Hogg, G.; Lutze, O. ; Cammann, K. Anal. Chim. Acta 1996, 335, 103. Poplawski, M. E.; Brown, R. B.; Rho, K L.; Yun, S. Y.; Lee, H. J.; Cha, G. S.; Paeng, K.-J. Anal. Chim. Acta 1997, 355, 249. Yoon, I. J.; Lee, D. K.; Nam, H.; Cha, G. S.; Strong, T. D.; Brown, R. B. J. Electroanal. Chem. 1999, 464, 135. Bobacka, J.; Ivaska, A.; Lewenstam, A. Anal. Chim. Acta 1999, 385, 195. Peper, S.; Tsagkatakis, I.; Bakker, E. Anal. Chim. Acta 2001, 442, 25. Dimitrakopoulos, T.; Farrell, J. R.; Iles, P. J. Electroanalysis 1996, 8, 391. Kimura, K.; Sunagawa, T.; Yajima, S.; Miyake, S.; Yokoyama, M. Anal. Chem. 1998, 70,4309. Kimura, K.; Yajima, S.; Takase, H.; Yokoyama, M.; Sakurai, Y. Anal. Chem. 2001, 73,1605. Heng, L. Y.; Hall, E. A. H. Anal. Chem. 2000,72, 42. Heng, L. Y.; Hall, E. A. H. Electroanalysis 2000, 12, 178. Malinowska, E.; Gawart, L.; Parzuchowski, P.; Rokicki, G.; Brzozka, Z. Anal. Chim. Acta 2000, 421, 93. Mohr, G. J.; Tirelli, N.; Spichiger-Keller, U. E. Anal. Chem. 1999, 71, 1534. Qin, Y.; Peper, S.; Bakker, E. Electroanalysis 2002, 13, 1375. Qin, Y.; Peper, S.; Radu, A.; Bakker, E. Anal. Chem. 2003, 75, 3038. Peper, S.; Ceresa, A.; Qin, Y.; Bakker, E. Anal. Chim. Acta 2003, 500, in press.

イオノフォアを共有結合で付着することに向けての初期の研究は、官能基修飾されたポリ（塩化ビニル）（２６（非特許文献２６）、２７（非特許文献２７））を利用したが、これは可塑剤なしでは使うことができなかった。その後の研究では、Ｎａ^２＋、Ｋ^＋およびＰｂ^２＋選択性イオノフォアが共有結合でポリシロキサンマトリックスにグラフトされて、ＣＨＥＭＦＥＴセンサーの作成に応用された（１０、２８（非特許文献２８））。ゾル−ゲル法によるイオノフォアグラフト化における別の注目に値する方向は、キムラによって導入され、血清測定で実証された（１７、１８）。最近、Ｐｒｅｔｓｃｈと共同研究者たちによって、膜を通過するイオン流束を低減することを考慮して、ポリウレタン膜マトリックスに中性イオノフォアが共有結合で付着された（２９（非特許文献２９））。他の最近の報告では、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１５−クラウン−５（ＡＡＢ１５Ｃ５）および４’−アクリロイルアミドベンゾ−１８−クラウン−６（ＡＡＢ１８Ｃ６）という、２種類の親水性クラウンエーテル型カリウム選択性イオノフォア（２０）と、４−ｔｅｒｔブチル・カリックス［４］アレン（ａｒｅｎｅ）四酢酸テトラエチルエステル（２１）というナトリウム選択性イオノフォアと、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシル−Ｎ’−フェニル−Ｎ’−３−（２−プロペノイル）オキシフェニル−３−オキサペンタンジアミド（ＡＵ−１、図１を参照せよ。）という新規カルシウムイオノフォア（２４）とが、簡単なワン・ステップ溶液重合法によって、他のアクリレートモノマーと共重合された。この手順の単純さは、上記の大抵の他の方法と比べた重要な長所である。グラフト化イオノフォアを含むこれらのポリマーは、遊離した、すなわち、未結合のイオノフォアが存在するＩＳＥｓと比較すると、選択性は匹敵し、寿命は向上していることが示された。したがって、共有結合で付着したイオノフォアを含む可塑剤フリーのポリマーを得るための多数の有望なアプローチが利用可能である。
Daunert, S.; Bachas, L. G. Anal. Chem. 1990, 62, 1428. Rosatzin, T.; Holy, P.; Seiler, K.; Rusterholz, B. ; Simon, W. Anal. Chem. 1992, 64, 2029. Lugtenberg, R. J. W.; Egberink, R. J. M.; Berg, A. v. d.; Engbersen, J. F. J.; Reinhoudt, D. N. J. Electroanal. Chem. 1998, 452, 69. Puentener, M.; Fibbioli, M.; Bakker, E.; Pretsch, E. Electroanalysis 2002, 14, 1329.

イオノフォアのグラフト化とは異なり、イオン交換体の共有結合による付着はあまり試みられてこなかった。Ｒｅｉｎｈｏｕｄｔはテトラフェニルホウ酸アニオン（ＴＰＢ⁻）の共有結合による付着について報告し（２８）、キムラも、ゾル−ゲルマトリックス内に、カチオン交換体（ＴＰＢ⁻）を付着すること（１７）、および、アニオン交換体である塩化（テトラデシルジメチル（３−トリメトキシシリルプロピル）アンモニウムを付着すること（１８）に成功した。残念ながら、未置換のテトラフェニルホウ酸は酸による加水分解、酸化剤および光によって非常に分解しやすいことが知られている（３０−３２（非特許文献３０−３２））。水溶液中のｐｐｂレベルの水銀イオンは、可塑化されたＰＶＣ膜中のテトラフェニルホウ酸ナトリウムおよびテトラキス−（４−クロロフェニル）ホウ酸カリウムの迅速な分解を彦起こすことができることも報告された（３３（非特許文献３３））。したがって、単純なテトラフェニルホウ酸の共有結合による付着は、これらの固有の問題を解決できない可能性がある。テトラキス［３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ホウ酸・ナトリウム（ＮａＴＦＰＢ）のような、高度に置換された誘導体は安定性がもっと改善されるが、ホウ酸は酸性条件下ではプロトン化された後、加水分解される場合がある（３２）。連続した水流に長時間曝露された後で、イオン選択性膜の選択性および応答曲線の低下が観察され、これはホウ酸アニオンのゆっくりした分解によって起こる、イオノフォアとイオン交換体（ＮａＴＦＰＢ）との比の変化で説明された。さらに、高度に置換されたホウ酸アニオン、特に、非対称な類似体の調製は非常に困難で、合成的に複雑である（３４（非特許文献３４）、３５（非特許文献３５））。重合可能な誘導体の調製のような、これらの化合物のさらなる修飾は報告されたことがなかった。
Meisters, M.; Vandeberg, J. T.; Cassaretto, F. P.; Posvic, H.; Moore, C. E. Anal. Chim. Acta 1970, 49, 481. Nishida, H.; Takada, N.; Yoshimura, M. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1984, 57, 2600. Rosatzin, T.; Bakker, E.; Suzuki, K.; Simon, W. Anal. Chim. Acta 1993, 280, 197. Murkovic, I.; Wolfbeis, O. S. Seras. Actuators B 1997, 38-39, 246. Bahr, S. R.; Boudjouk, P. J. Org. Chem. 1992, 57, 5545. Fujiki, K.; Kashiwagi, M.; Miyamoto, H.; Sonoda, A. J. Fluorine Chem. 1992, 57, 307.

カルボランは、イオン選択性センサーにおける代替的なカチオン交換体として使用可能であることが最近示された（３６−３８）。カルボランは、図１に示されるとおり、極度に安定なホウ素クラスターの枠組みに基づく弱い配位アニオン（ＣＢ_１１Ｈ_１２ ⁻）の比較的新しいクラスである。カルボランは、ホウ素−頂点および炭素頂点の両方が化学的に修飾されるため、多用途の官能基修飾化学特性を有する（３９、４０）。元のｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン（ＣＢ_１１Ｈ_１２ ⁻）のＢ−Ｈ結合は少しヒドリド的（ｈｙｄｒｉｄｉｃ）で、ハロゲン化のような求電子置換に適する。

ホウ素原子で塩化、臭化およびヨウ化したカルボラン・アニオンは、固相合成によって調製された（３６、３７）。最近、ハロゲン化ドデカカルボランが、親油性および化学的安定性の点で改善されたカチオン交換体であることがわかった。これらのホウ素誘導体は、水溶性の未置換の親のカルボラン・アニオンと比較してはるかに親油性が高く、非常に有望な前記テトラフェニルホウ酸の代替物であることが示された（３６）。これに対し、前記カルボラン・アニオンのＣ−Ｈ結合はやや酸性である。ＣＢ_１１Ｈ_１２のＣのリチウム挿入反応と、その後のアルキル化、シリル化またはホスフィン化ハリドとの処理とが、異なる炭素誘導体につながる（４０）。かかるカルボラン・アニオンは、化学的および電気化学的に非常に不活性であり、紫外−可視領域での吸光を示さない。これらの化合物は、弱い配位およびイオン対形成特性を有するが、これらはイオン検知の用途には魅力的である。さらに、ホウ素頂点および炭素頂点の両方とも、化学的に修飾することが非常に容易にできる（３９、４０）。しかし、商業的に入手可能なカルボランセシウム（ＣｓＣＢ_１１Ｈ_１２）は水溶性であって、親油性が低いことがイオン交換体としての用途を限定する。したがって、我々の研究室では、より親油性のある多数のＢ−ハロゲン化カルボラン・アニオンが最近合成され、多くは、入手可能な最高のテトラフェニルホウ酸である、テトラキス［３，５−（トリフルオロメチル）］フェニルホウ酸（ＴＦＰＢ）と比較して、ほぼ同等のイオン交換特性と、より向上した保持特性とを示した。

比肩しうるものがない可能性がある親油性に加えて、前記カルボランは、電気化学的用途に適する多くの他の特性を有する。例えば、前記カルボランは、酸および塩基の加水分解を受けにくく、電気化学的酸化に対して比較的不活性（ジクロロメタン中のＰｔでのフェロセン／フェロセニウムに対して約２．０Ｖ）である（６７）。Ｉ_ｈ対称性が高いこと、および、σ−結合が接線方向に非局在化していることが、カルボランを化学における最も化学的に安定なクラスの化合物の１つにする。さらに、カルボランのサイズが大きい（直径がほぼ１ｎｍ）であること、および、荷電が十分に非局在化していることは、十分なイオン交換のために課される基準を満たす。バルクのオプトードの研究にとっては重要な別の利点は、紫外−可視スペクトルでの吸光がないことである。したがって、化学センサーに用いられるべきよりロバスト（ｒｏｂｕｓｔ）なイオン交換体を開発するために、カルボランをもっと研究することが望ましい。

発明の概要
本発明は、イオン選択性電極およびオプトードに用いるための、疎水性ポリマーマトリックス上に共有結合で付着した新規の重合可能なカルボラン誘導体を提供する。より具体的には、本発明の１つの面は、メタクリレートモノマーと新規の重合可能なドデカカルボラン・アニオン誘導体とのコポリマーが「グラフトポリマー」という、グラフト化イオン交換体を含むポリマーを調製するために適当なマトリックスである、という発見に基づく。本発明のグラフトポリマーは、試料中の標的イオンを検出するためのＩＳＥｓおよびオプトードのようなセンサーを調製するために使用可能である。

１つの実施態様では、試料中の標的イオンを検出するためのイオン検出センサーは、（ｉ）メタクリレートモノマーの重合したユニットと、ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの官能基修飾されたＣ−誘導体を含むイオン交換体とを含むコポリマーマトリックスと、（ｉｉ）前記標的イオンを検出するためのイオノフォアとを含み、前記官能基修飾されたイオン交換体は共有結合で前記コポリマー上にグラフトされ、前記メタクリレートモノマーはペンダントアルキル基のＲ_１およびＲ_２を有し、Ｒ_１はＣ_１−３アルキル基のいずれかであって、Ｒ_２はＣ_４−１２アルキル基のいずれかである。

好ましくは、前記メタクリレートモノマーは、異なるペンダントアルキル基のＲ_１およびＲ_２を含み、、Ｒ_１はＣ_１−３アルキル基のいずれかであって、Ｒ_２はＣ_４−１２アルキル基のいずれかである。１つの実施態様では、可塑剤フリーコポリマーは、ポリ（塩化ビニル）および可塑剤とブレンドされる。代替的には、前記ポリマーは、メタクリレートモノマーに加えて、アクリレートモノマーのようなモノマーユニットを含む。

本発明は、化学的に安定なカチオン交換体としての使用に適する重合可能な官能基を有するｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオン（ＣＢ_１１Ｈ_１２ ⁻）の新規なＣ−誘導体を提供する。したがって、本発明は、以下の化学式（Ｉ）の構造を有する、ドデカカルボランの新規な重合可能な誘導体を提供する。

（Ｉ）

ここで、Ｒ_４は、２重結合を含む置換基である。１つの実施態様では、Ｒ_４は、（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である。

この新規誘導体は、カチオン交換特性を有する可塑剤フリーのポリマーを調製するために、メタクリレートモノマーと共重合される場合がある。共有結合によるグラフト剤（ｇｒａｆｔｅｒ）ドデカカルボラン誘導体を含む、得られたコポリマーは、透明かつ均一で、イオノフォアをドープすることができる、溶液キャストフィルムを提供するために、従来の可塑化されたポリ（塩化ビニル）または架橋されないメタクリル酸ポリマーと都合よくブレンドされる場合がある。

１つの実施態様では、前記イオノフォアは官能基修飾されたイオノフォアである。１つの実施態様によれば、前記官能基修飾されたイオノフォアの少なくとも一部は共有結合によって前記コポリマーにグラフトされる。官能基修飾されたイオノフォアの例は、重合可能な原子団を含む、３−オキサペンタンジアミンド（ｏｘａｐｅｎｔａｎｄｉａｍｉｎｄｅ）型カルシウムイオノフォアと、親水性クラウンエーテル型イオノフォアとを含む。別の実施態様では、前記官能基修飾されたイオノフォアは、以下の化学式ＩＩを有し、Ｒ_３は、アクリル酸基のような重合可能な原子団である、３−オキサペンタンジアミンド誘導体である。

（ＩＩ）

本発明のコポリマーマトリックスは、膜状または粒子状の形態の場合がある。

本発明のイオン検出センサーは、指示薬イオノフォアも含む場合がある。

別の実施態様では、本発明は、２価イオンに選択的な最初の可塑剤フリーイオン選択性膜を提供するが、前記イオノフォアおよびイオン交換体の両方が前記ポリマーに共有結合で付着して、浸出可能な構成成分が全くない、全部がポリマー製の検知マトリックスを形成する。

本発明は、コポリマーマトリックスを調製する方法であって、
（ａ）（ｉ）ペンダントアルキル基のＲ_１およびＲ_２を有し、Ｒ_１はＣ_１−３アルキル基のいずれかで、Ｒ_２はＣ_４−１２のアルキル基のいずれかである、メタクリレートモノマーと、
（ｉｉ）重合可能な官能基を有するｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの官能基修飾されたＣ−誘導体を含むイオン交換体と、
（ｉｉｉ）前記標的イオンに対して選択的なイオノフォアと、
（ｉｖ）架橋モノマーと、
（ｖ）重合開始剤との組み合わせを混合すること、および
（ｂ）前記メタクリレートモノマーと前記官能基修飾されたｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンとが共重合することを可能にする条件下で、前記組み合わせを処理することを含む、コポリマーマトリックスを調製する方法を提供する。

本発明のセンサーは、担体を利用するイオン選択電極（ＩＳＥｓ）か、薄いフィルム状のイオン特異的オプトード、粒子利用オプトードまたはバルクのオプトードのようなオプトードかの場合がある。イオン特異的オプトードは、光ファイバーの先端に固定された検知フィルム、自己参照（ｓｅｌｆ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ）ミクロスフェアおよびナノスケールの細胞内プローブのような、微小化された検知用プラットホームを含む。

本発明の追加の特徴および利点は、部分的には以下の説明で示され、部分的には以下の明細書を検討するとき当業者に自明となるであろう、あるいは、本発明の実施によって学習される場合がある。本発明の利点および新規な特徴は、添付する請求の範囲において特に指摘される手段、組み合わせおよび方法によって実現され、達成される場合がある。

発明の詳細な説明
本発明の１つの面は、メタクリレートモノマーと前記官能基修飾されたドデカカルボラン・アニオン誘導体とのコポリマーが、「グラフトポリマー」という、グラフト化されたイオン交換体を含むポリマーを調製するために適したマトリックスであるという発見に基づく。本発明のグラフトポリマーは、試料中の標的イオンを検出するためのＩＳＥｓおよびオプトードのようなセンサーを調製するために用いられる場合がある。

１つの実施態様では、試料中の標的イオンを検出するためのイオン検出センサーは、（ｉ）メタクリレートモノマーと、ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの官能基修飾されたＣ−誘導体を含むイオン交換体とを含むコポリマーマトリックスと、（ｉｉ）前記標的イオンを検出するためのイオノフォアとを含み、前記官能基修飾されたイオン交換体は共有結合で前記コポリマー上にグラフトされ、前記メタクリレートモノマーは、ペンダントアルキル基のＲ_１およびＲ_２を有し、Ｒ_１はＣ_１−３のアルキル基のいずれかであり、Ｒ_２はＣ_４−１２のアルキル基のいずれかである。前記コポリマーは、ポリマー鎖内にランダムに分布するように固定化されたイオン交換体を含む場合がある。

本発明は、化学的に安定なカチオン交換体として重合可能な官能基を有する前記ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオン（ＣＢ_１１Ｈ_１２ ⁻）の新規なＣ−誘導体を提供する。「ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン」という用語は、１１個のホウ素原子と１個の炭素原子とでできた閉じたカルボランのケージを指す。より具体的には、本発明は、以下の化学式（Ｉ）の構造を有するドデカカルボランの重合可能な新規誘導体であって、Ｒ４が重合可能な原子団である、新規誘導体を提供する。

（Ｉ）

「重合可能なイオン交換体」、「官能基修飾されたイオン交換体」および「官能基修飾されたドデカカルボラン」という用語は、交換可能に使用され、重合可能な反応性官能基を有するイオン交換体を指し、前記反応性官能基は前記イオン交換体がコポリマーに共有結合で結合されることを可能にする。かかる官能基の例は、アクリル基およびメタクリル基のような炭素−炭素間２重結合と、炭素−炭素間３重結合と、カルボニル基とを含むが、これらに限定されない。前記官能基は、前記イオン交換体が、共有結合を形成して、前記イオン交換体が前記コポリマー上に共有結合でグラフトされるように、炭素−炭素間２重結合のような前記コポリマーの官能基と反応することを可能にするために必要である。１つの実施態様では、前記イオン交換体は、トリメチルアンモニウム２−カルボラン・エチルアクリレート（ＴＭＣＡ）で、Ｒ４は−（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である。

共有結合でグラフトされた本発明の新規イオン交換体を含むメタクリレートモノマーのコポリマーは、可塑剤フリーのイオン選択性膜電極およびバルクのオプトードフィルムの製造に適した機械特性を示す。さらに、前記センサーは中性ｐＨでのイオンの生理学的評価に適していることがわかった。例えば、ＩＳＥセンサーがＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡを含むグラフトコポリマー、グラフトコポリマー（すなわち、ＭＭＡ−ＤＭＡコポリマーマトリックス内に共有結合でグラフトされたＴＭＣＡ）で調製されたとき、センサーは遊離のＴＭＣＡを含むＭＭＡ−ＤＭＡコポリマーに対して優秀な応答時間（すなわち５分間未満）を示した。

ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡを含むセンサーは、溶液キャスティング法およびスピン・コーティング法により可塑剤フリーのイオン選択性膜電極およびバルクオプトードフィルムを製造するのに適した機械特性を示す。

さらに、本発明のコポリマーは、ＴＭＣＡを含む従来の可塑化ポリマーとともに、遊離の（未結合の）ＴＭＣＡを含む類似のメタクリレートコポリマーに対してイオン選択性が向上した。同様に、本発明のコポリマーは、従来の可塑剤を含むポリマーに対して応答時間が向上したことを実証した。

本発明のイオン検出センサーは、従来のセンサーと比較すると複数の利点がある。例えば、共有結合によってイオン交換体をポリマーに定着させることは、未結合のイオン交換体を含むポリマーに対して、前記イオン交換体がポリマー膜を通過して拡散することを減らし、このことはさらに前記センサーの検出限界を向上させる。

引用により本明細書に具体的に取り込まれる米国特許出願第１０／３１３，０９０号明細書に説明されるとおり、本発明のコポリマーマトリックスは、新規な官能基修飾されたドデカルボラン（ｄｏｄｅｃａｒｂｏｒａｎｅ）誘導体と、メタクリレートモノマーとのコポリマーであって、異なるペンダントアルキル基のＲ_１およびＲ_２を有するコポリマーを含むが、ここで、Ｒ_１はＣ_１−３のアルキル基のいずれかであり、Ｒ_２はＣ_４−１２のアルキル基のいずれかである。

本明細書で用いられるところの用語「アルキル」は、１個ないし１２個の炭素原子の飽和した直鎖または分岐鎖の１価の炭化水素ラジカルを指すが、ここで、前記アルキルラジカルは、任意的には、以下に説明する１個または２個以上の置換基で独立に置換される場合がある。アルキル基の例は、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ｔｅｒｔ−ペンチル基、へキシル基、イソヘキシル基等を含みが、これらに限られない。

本発明の実施態様によると、Ｒ_１はＣ_１−２のアルキル基で、Ｒ_２はＣ_８−１２のアルキル基であることが好ましい。１つの実施態様では、メチルメタクリレートおよびデシルメタクリレートのモノマーが本発明のメチルメタクリレート−デシルメタクリレート（ＭＭＡ−ＤＭＡ）コポリマーのマトリックスを形成するために用いられる。本発明のメタクリレートモノマーは、例えばＰｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。代替的には、メタクリレートモノマーは、当業者に知られた標準的な方法によって、あるいは、引用により本明細書に取り込まれる、同時係属中の米国特許出願第１０／３１３，０９０号明細書に説明されるとおりの熱開始フリー・ラジカル溶液重合法によって、調製される場合がある。

「ポリマー」および「コポリマー」という用語は、交換可能なように使われ、重合によってできた化学的な化合物または化合物の混合物で、繰り返すモノマーユニットでできており、前記ポリマーは、１つのタイプのモノマーユニットでできている場合があるか、あるいは、２種類または３種類以上の異なるモノマーユニットを含む場合がある。

本発明のコポリマーマトリックスは、検出されるべき標的イオンに対して選択的なイオノフォアを含む。１つの実施態様では、前記イオノフォアは、重合可能な官能基を有する、官能基修飾されたイオノフォアである。この実施態様では、前記官能基修飾されたイオノフォアの少なくとも一部が、該イオノフォアをＭＭＡおよびＤＭＡモノマーのようなメタクリレートモノマーとともに共重合することによって、可塑剤フリーのマトリックス上に共有結合でグラフトされる場合があり、前記コポリマーは前記ＭＭＡ−ＤＭＡポリマー鎖内にランダムに分布して固定化されたイオノフォアを含む場合がある。

「共有結合でグラフトされたイオノフォア」、「共有結合で定着されたイオノフォア」および「共有結合で固定化されたイオノフォア」という用語は本明細書では交換可能なように使われて、共有結合によってポリマーに付着したイオノフォアを指す。

「官能基修飾されたイオノフォア」という用語は、反応性のある官能基を有するイオノフォアであって、前記官能基は前記イオノフォアがコポリマーに共有結合で結合されることを可能にする、イオノフォアを指す。かかる官能基の例は、アクリル基およびメタクリル基のような炭素−炭素２重結合と、炭素−炭素３重結合と、カルボニル基とを含むが、これらに限定されない。「重合可能なイオノフォア」は、重合可能な官能基を含む、官能基修飾されたイオノフォアである。

共有結合でグラフトされたイオノフォアを含む本発明のコポリマーは、前記イオノフォアに該イオノフォアをポリマーマトリックスに共有結合でグラフトまたは定着させることを可能にする官能基を含むことを条件に、異なる標的イオンを検出するための広範囲のイオノフォアとともに使用される場合がある。前記官能基は、共有結合を形成するべく、前記イオノフォアが、炭素−炭素２重結合のような、前記コポリマーの反応性の官能基と反応することを可能にするために必要であるが、前記共有結合によって、前記イオノフォアは前記コポリマー上に共有結合でグラフトされる。

本発明の目的に適する官能基修飾されたイオノフォアの例は、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１５−クラウン−５および４’−アクリロイルアミドベンゾ−１８−クラウン−６のような親水性クラウンエーテル型イオノフォアを含む。本明細書に説明される型の親水性クラウンエーテルは、当業者に周知で、商業的に入手可能であるか、あるいは、従来の合成技術を用いて調製される場合がある。官能基修飾されたイオノフォアが親水性クラウンエーテルのときには、前記イオノフォアは約１ないし２重量％の量が添加される。前記官能基修飾されたイオノフォアがＡＵ−１のときには、前記イオノフォアは約１ないし５重量％の量が添加されるが、５％が好ましい。

本発明に適する官能基修飾されたイオノフォアの他の例は、３−オキサペンタンジアミンデ型カルシウムイオン選択性イオノフォアの官能基修飾された誘導体で、以下の化学式に示す構造ＩＩを有する誘導体を含む。

（ＩＩ）

上記の式でＲ_３は不飽和官能基を含む置換基である。１つの実施態様では、Ｒ_３は、重合可能なアクリル基の−Ｏ（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２であり、この化合物は本明細書ではＡＵ−１とよばれ、引用により本明細書に取り込まれる、米国特許出願第２００３／０２１，６９１号明細書に説明される。

本発明の共有結合でグラフトされた新規イオン交換体を含む本発明のコポリマーは、当業者に知られた方法か、あるいは、本明細書に説明される方法かによって作られる場合がある。例えば、１つの実施態様では、前記グラフトコポリマーは、実施例２に詳細に説明されるとおり、メタクリレートモノマーと、官能基修飾されたイオン交換体との混合物を熱で開始されたフリー・ラジカル溶液重合法によって調製される。前記溶液はさらにイオノフォアを含むが、該イオノフォアは官能基修飾されたイオノフォアの場合がある。

代替的には、当業者に知られた他の方法が前記交換体を前記マトリックスに共有結合でグラフトするために用いられる場合がある。例えば、ゾル−ゲル法が前記グラフトコポリマーを調製するために用いられる場合がある。別のアプローチは、前記イオン交換体を既存のポリマー上に活性部位を用いて直接グラフトすることを伴う。さらに別のアプローチは、２種類の異なるポリマーであって、その一方が前記グラフトコポリマーを含むポリマーを一緒にブレンドすることを伴う。代替的には、メタクリレートモノマーと、本発明の官能基修飾されたイオン交換体とを含む溶液が、重合と、前記官能基修飾されたイオン交換体の前記メタクリレートコポリマー上への共有結合による付着とを起こさせるために、電子ビームで照射される場合もある。

最適な機械強度のために望ましいガラス転移温度Ｔ_ｇを有するコポリマーを製造するのに必要なそれぞれのモノマーサブユニットの量は、Ｆｏｘの等式を用いて計算される場合がある。Ｔ_ｇは、この目的のための標準的な装置である、示差走査熱量計を用いて実験的に決定されるのが典型的である。非常に低いＴ_ｇ値を有するポリマーは非常に柔らかくて、機械的に取り扱いが困難であるのが普通である。本発明の官能基修飾されたイオン交換体の十分な量が、イオン選択性および応答時間のような、前記コポリマーの所望の特性の望ましい改良を得るために、前記コポリマーと組み合わされる。かかる特性は、周知の試験法によって定量的に測定される場合がある。

もちろん、かかる特性の有意な増強を起こすのに必要な官能基修飾されたイオン交換体の正確な最小量は、用いられる構成成分の化学組成、構造および分離量と、達成されるグラフト反応の程度とに応じて変化するであろう。しかし、一般には、コポリマーの１００重量部あたり少なくとも１重量部の官能基修飾されたイオン交換体を用いることが有利であろう。

前記ポリマー組成物の成分の少なくとも部分的なグラフト化を達成するために必要な条件は、個々の成分の反応性に応じて異なる。例えば、前記イオン交換体および／またはイオノフォアが、（イオン交換体ＴＭＣＡおよびイオノフォアＡＵ−１の場合に）コポリマーのメタクリレートモノマーユニットと反応することができるアクリル基を含むとき、グラフト条件は、ベンゼンのような有機溶媒中で熱または光で開始される共重合を含む。例えば、ＴＭＣＡがＭＭＡ−ＤＭＡ上にグラフトされたとき、前記ＭＭＡおよびＤＭＡモノマーと重合したＴＭＣＡの量が測定され、約６１％であった。

１つの実施態様では、本発明のグラフトコポリマーは、特性または性能が向上したブレンドを得るために、他のポリマーとブレンドされ、添加され、あるいは、併用される場合がある。例えばポリマー組成物は、ポリ（塩化ビニル）および可塑剤とブレンドされるとき、グラフトポリマーの応答時間を増加させるという有益な効果がある。グラフトポリマー組成物に対するＰＶＣ−可塑剤の相対比は望みどおりに変動できるが、重量比で約９０：１０から８０：２０までであることが好ましい。

本発明のグラフトポリマーは、担体利用イオン選択性電極（ＩＳＥｓ）と、薄いフィルム状のイオン特異的オプトードと、粒子利用オプトードおよびバルクのオプトードと、超微小化イオン特異的プローブおよびナノスケール細胞内プローブと、低検出限界センサーとを含むが、これらに限定されない、さまざまなセンサー用の可塑剤フリーのイオン選択性の膜または粒子を製造するために用いられる場合がある。超微小化イオン特異的プローブの例は、光ファイバーの先端に固定化された検知フィルムと、自己参照ミクロスフェアとである。例えば、本発明のグラフトポリマーは、本明細書の実施例２の方法その他の当業者に知られた方法によってＩＳＥのポリマー膜を製造するために用いられる場合がある。本発明のポリマーは、当業者に知られた方法によって、薄いフィルム状のイオン特異的オプトードに用いられる薄いフィルムを製造したり、粒子利用オプトードに用いられるミクロスフェアを製造するために使用される場合もある。前記電極およびオプトードは、例えば、溶液キャスティング法およびスピンコーティング法によって調製される場合がある。

本発明のイオン検出センサーがオプトードの形態のときには、前記センサーは指示薬イオノフォアも含む。指示薬イオノフォアの例は、ｐＨ指示クロモイオノフォア、クロモイオノフォア、フルオロイオノフォア、ｐＨ指示薬またはｐＨ指示フルオロイオノフォアを含むが、これらに限定されない。

本発明のイオン検出センサーは、全てのタイプの体液試料のイオンを検出するのに用いられる場合がある。前記試料の例は、全血、脊髄液、血清、尿、唾液、精液、涙等を含むが、これらに限定されない。前記液体試料は、無希釈（ｎｅａｔ）で、あるいは、バッファーでの希釈または処理の後で、アッセイされる場合がある。

試薬
塩化トリメチルアンモニウム、ブチルリチウム、２−ヨウ化エタノール、塩化ブチルジメチルシリル（ＴＢＳＣｌ）、イミダゾール、塩化アクリロイルおよびトリエチルアミンは、アルドリッチ（ウィスコンシン州、ミルウォーキー）の最高品質のものであった。カルボランセシウムはＳｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（マサチューセッツ州、Ｎｅｗｂｕｒｙｐｏｒｔ）から購入された。Ｎ，Ｎ−ジシクロヘキシル−Ｎ’−フェニル−Ｎ’−３−（２−プロペノイル）オキシフェニル−３−オキサペンタンジアミド（ＡＵ−１）は報告のとおり合成された（２４）。合成に用いられた全ての溶媒は、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社（ペンシルバニア州、ピッツバーグ）から入手し、使用前に脱水処理された。

モノマーの９９．５％メチルメタクリレートと、９９％ｎ−デシルメタクリレートとは、Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ社（ペンシルバニア州、Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ）から入手された。重合開始剤の９８％２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）はアルドリッチ社から入手された。ベンゼン、ジクロロメタンおよび１，４−ジオキサンは試薬グレードで、Ｆｉｓｈｅｒから入手された。ベンゼンおよびジクロロメタンは、水素化カルシウムとともに４時間還流した後、分留により精製された。阻害剤は、５％（ｗ／ｖ）ＮａＯＨおよび２０％ＮａＣｌを含む苛性溶液および水と１：５の比（モノマー：苛性溶液）で洗浄することによりモノマーから除去された。有機相が分離され、無水Ｎａ_２ＳＯ_４で脱水された。この精製工程は、既に報告された（２３）。ＡＩＢＮは、使用前に、温めたメタノールから再結晶化された。４−ｔｅｒｔ−ブチルカリックス［４］アレン四酢酸テトラエチルエステル（Ｎａ−イオノフォアＸ）、９−（ジエチルアミノ）−５−オクタデカノイルイミノ−５Ｈ−ベンゾ［ａ］フェノキサジン（クロモイオノフォアＩ、ＥＴＨ５２９４）、テトラキス［３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ホウ酸ナトリウム（ＮａＴＦＰＢ）、シアノアクア−コビリン酸ヘプタキス（２−フェニルエチル・エステル）（亜硝酸イオノフォアＩ）、ｏ−ニトロフェニルオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）、ビス（２−エチルヘキシル）セバシン酸（ＤＯＳ）、高分子量ポリ（塩化ビニル）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）および全ての塩は、フルカ（ウィスコンシン州、ミルウォーキー）からＳｅｌｅｃｔｏｐｈｏｒｅまたはｐｕｒｉｓｓグレードの品質のものが購入された。トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン（ＴＲＩＳ）はアルドリッチからのＡＣＳグレードのものであった。ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウムの塩化物はフルカのｐｕｒｉｓｓグレードのものであった。水溶液は、適当な塩類をＮａｎｏｐｕｒｅで精製した水（１８Ｍオームｃｍ）中に溶解して調製された。

本発明は、以下の非限定的な実施例によって例示される。全ての科学技術用語は、当業者によって理解されるとおりの意味を有する。以下の特定の実施例は、本発明の組成物が調製される方法を例示するが、本発明の範囲を限定するものと解されるべきではない。前記方法は、本発明に係る組成物を製造するために変更を施される場合があるが、具体的に開示されない。さらに、少し異なるやり方で同一の組成物を製造する方法の変更は、当業者に明かであるだろう。

２−カルボラン・エチルアクリレート・トリメチルアンモニウム（ＴＭＣＡ）の合成
Ｉ（ＣＨ_２）_２ＯＴＢＳの調製（１）
２０ｍＬの無水ジクロロメタン中の２−ヨウ化エタノール（３ｇ、１７ミリモル）と、イミダゾール（１．７４ｇ、２５ミリモル）との溶液に、ＴＢＳＣｌ（２．８２ｇ、１８．７ミリモル）が添加された。混合液は室温で終夜（１２時間）攪拌された。この反応混合液は水（２ｘ１０ｍＬ）および塩水（ｂｒｉｎｅ、１０ｍＬ）で洗浄され、Ｎａ_２ＳＯ_４で脱水処理された。溶媒を除去して、精製物Ｉ（ＣＨ_２）_２ＯＴＢＳ（１）が得られた（５．６ｇ、収率９８％、分子量２８６．０２）。

［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＴＢＳＯ（ＣＨ２）_２−ＣＢ_１１Ｈ_１１］の調製（２）：
ｎ−ブチルリチウム（５．５ミリモル）が、１５ｍＬの無水ＴＨＦ中の［Ｍｅ_３ＮＨ］［ｃｌｏｓｏ−ＣＢ_１１Ｈ_ｌ２］（０．２ｇ、１ミリモル）の溶液に窒素雰囲気で０°Ｃで添加された。前記混合液は室温に戻され、１時間攪拌された。３ｍＬ ＴＨＦ中の化合物１（０．３７２ｇ、１．３ミリモル）が５分間かけて１滴ずつ添加された。反応液が室温で１５時間攪拌された後、溶媒が除去された。１０ｍＬの水に入ったＭｅ_３ＮＨＣｌ（６ミリモル）が上記の残渣に添加された。薄黄色の固形物が形成された。ろ過によって主に所望の生成物が得られた。さらなる精製は、カラムクロマトグラフィー（ＣＨ_２Ｃl_２：ＣＨ_３ＣＮ＝４：１）によって行われ、白色の固形物［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＴＢＳＯ（ＣＨ_２）_２−ＣＢ_ｌｌＨ_ｌｌ］（２）が得られた（０．２５ｇ、収率５０％、分子量：３６１．２６）。^１Ｈ ＮＭＲ：デルタ_Ｈ（２５０ＭＨｚ；ＣＤＣｌ_３）４．２８（ｍ、２Ｈ）、３．７７（ｍ、２Ｈ）、３．４４（ｓ、９Ｈ）、２．６０−０．６０（ｍ、１１Ｈ）、０．９１（ｓ、９Ｈ）、０．１５（ｓ、６Ｈ）；^１３Ｃ ＮＭＲ ：デルタ_Ｃ（６２．９ＭＨｚ；ＣＤＣｌ_３）６８．８、５８．３、５４．８、５１．７、２６．３、１８．６，−５．５。

［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＨＯ（ＣＨ_２）_２−ＣＢ_１１Ｈ_１１］の調製（３）：
化合物２（０．１５ｇ、０．４０ミリモル）が５ｍＬ ＴＨＦ中に溶解され、１Ｎ ＨＣｌが５ｍＬ添加された。この反応液は室温で４時間攪拌された。溶媒が除去され、白色の固形物が水溶液から沈殿された。ろ過によって、生成物３が得られた（０．１０ｇ、収率９０％、分子量１９４．３３）。^１Ｈ ＮＭＲ：デルタ_Ｈ（２５０ＭＨｚ；ＣＤＣｌ_３）４．２２（ｂｒ、１Ｈ）、４．１７（ｍ、２Ｈ）、３．７３（ｍ、２Ｈ）、３．４４（ｓ、９Ｈ）、２．６２−０．５８（ｍ、１１Ｈ）；^１３Ｃ ＮＭＲ：デルタ_Ｃ（６２．９ ＭＨｚ；ＣＤＣｌ_３）６８．５、５６．５、５４．４、５１．２。

［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＣＨ_２ＣＨＣＯＯ（ＣＨ_２）_２−ＣＢ_１１Ｈ_１１］（ＴＭＣＡ）の調製（４）
上記の固形物は０°Ｃで１０ｍＬのＴＨＦ中に溶解された。Ｅｔ_３Ｎ（０．６６ミリモル）が添加された。この溶液に、２ｍＬ ＴＨＦ中の塩化アクロイル（０．５０ミリモル）が注射器によって１滴ずつ添加された。この反応液が同じ温度で０．５時間攪拌された後、１時間かけて室温まで加温された。溶媒が除去され、２０ｍＬのＥｔＯＡｃが添加された。この溶液が水および塩水で洗浄され、Ｎａ_２ＳＯ_４で脱水処理された。溶媒が除去され、残渣がカラムクロマトグラフィー（ＣＨ_２Ｃｌ_２：ＣＨ_３ＣＮ＝３：１）によって精製されて、白色の固形物として最終生成物（８０ｍｇ、収率５０％、分子量３０１．２５）を得た。^１Ｈ ＮＭＲ：デルタ_Ｈ（２５０ＭＨｚ；ＣＤＣｌ_３）６．５８（ｄｄ、１Ｈ）、６．２７（ｄｄ、１Ｈ）、５．８８（ｄｄ、１Ｈ）、４．０２（ｍ、２Ｈ）、３．５７（ｍ、２Ｈ）、３．４４（ｓ、９Ｈ）、２．４２−０．７８（ｍ、ｌｌＨ）。

ポリマー合成
全てのポリマーは、熱で開始されるフリー・ラジカル溶液重合法で合成された。使用されたメチルメタクリレートおよびｎ−デシル・メタクリレートの量は、既に報告されたのと同じであった（２３）。グラフト化Ｃａ^２＋選択的イオノフォアを含むポリマーとして、５重量％のＡＵ−１が用いられた。グラフト化カチオン交換体を含むポリマーとして、２重量％のＴＭＣＡ（５０ｍｇ、６６ミリモル／ｋｇ）が用いられた。計算された量のＭＭＡ（０．４６ｇ）およびＤＭＡ（１．９７ｇ）（２３）が、ＡＵ−１については無水ベンゼン、ＴＭＣＡについては酢酸エチルの５ｍＬに添加された。上記溶液は１０分間窒素でパージされた後、ＡＩＢＮを５．１ｍｇ添加された。前記均一溶液は連続的に攪拌され、液温は９０°Ｃまで加熱され、この温度で１６時間保温された。反応が完了した後、溶媒が蒸発され、ポリマーは１０ｍＬのジオキサン中に再溶解された。ポリマー溶液の分注（２ｍＬ）が激しく攪拌しながら蒸留水１０ｍＬ中に添加された。白色の沈殿物が回収され、ジクロロメタン２５ｍＬ中に溶解され、水で洗浄された。有機相が分離された後、無水ＭｇＳＯ_４を用いて水が除去され、ろ過された。溶媒は蒸発され、得られた透明なポリマーが常温常圧の実験室の条件下で乾燥された。報告された方法（１９、２４）に従ってカルボランの対イオン（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃａｔｉｏｎ）についてピーク強度を分析することによって、ＭＭＡ−ＤＭＡポリマー中のグラフト化されたＴＭＣＡの濃度が、^１Ｈ ＮＭＲスペクトルから４０ミリモル／ｋｇ（収率６１％）と推定された。

ＩＳＥ膜調製と、電位差測定
イオノフォアを含まないＩＳＥ膜は、ＴＭＣＡがグラフトされた１０重量％のＭＭＡ−ＤＭＡポリマーを、９０重量％ＰＶＣおよび可塑剤（ＤＯＳまたはＮＰＯＥ）に（１：２で）溶解させて、１．５ｍＬのＴＨＦ中に１４０ｍｇの全カクテル質量を得た。

亜硝酸選択的な膜は、１０ミリモル／ｋｇの亜硝酸イオノフォアＩと、１０重量％のＴＭＣＡがグラフトされたＭＭＡ−ＤＭＡポリマーと、９０重量％のＰＶＣと、ＮＰＯＥ（１：２）をを含み、１．５ｍＬのＴＨＦ中に１４０ｍｇの全カクテル質量を得た。

カルシウムイオノフォアＡＵ−１およびイオン交換体ＴＭＣＡがグラフト化された可塑剤フリーの膜のために、カクテルは、１．５ｍＬのＴＨＦ中に、３５ｍｇのＭＭＡ−ＤＭＡ−ＡＵ−１と、３０ｍｇのＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡと、７５ｍｇのＭＭＡ−ＤＭＡポリマーとを含有した。

カクテルは、顕微鏡用ガラス製スライド上に固定されたガラスのリング（内径２．２ｃｍ）の内側に注入された。溶媒は終夜蒸発され、透明な膜が得られた。可塑剤フリーのＭＭＡ−ＤＭＡ膜は水に１時間浸され、外科用メスで前記ガラス製スライドから注意深く剥離された。ＴＭＣＡを含む膜は、トリメチルアンモニウムを水溶液中に抽出するために、１ｍＭＬｉＯＨ中でプレコンディショニングを行った。その後前記膜は、０．０１Ｍ ＭｇＣｌ_２または０．０１Ｍ ＮａＣｌ溶液中で終夜コンディショニングを行った。直径６ｍｍのディスクが元の膜から切り出され、Ｐｉｌｉｐｓ電極（ＩＳ−５６１、Ｇｌａｓｂｌａｓｅｒｅｉ Ｍ▲ｏｅ（ウムラウト記号付きの小文字のｏ）▼ｌｌｅｒ、スイス、チューリヒ）の本体にマウントされた。０．０１Ｍ ＭｇＣｌ_２が、イオノフォアを含まない膜と、ＡＵ−１またはＴＭＣＡがグラフトされた可塑剤フリーの膜とのバイアスのない選択性の測定用の内部充填液として用いられた（４１）。０．０１Ｍ ＮａＣｌは亜硝酸イオノフォアＩの測定用の内部充填液として用いられた。１ＭＬｉＯＡｃの架橋電解質を用いて、Ａ／ＡｇＣｌ参照電極に対して異なる試料溶液で測定された。実験結果の全ては、少なくとも３本の電極の平均と、算定された標準偏差とである。

オプトード浸出実験
浸出実験におけるオプトード用には、２０ミリモル／ｋｇ Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）と、１０ミリモル／ｋｇ 遊離ＴＭＣＡまたは４５ｍｇ ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡと、６ミリモル／ｋｇ ＥＴＨ５２９４と、ＰＶＣと、ＤＯＳ（１：２）とを含む、全部で３００ｍｇの膜成分が１．７５ｍＬ ＴＨＦ中に溶解された。前記カクテルの２００μＬ分注が注射器でスピン・コーティング装置に配設された水晶のディスク上に移された（４２）。それぞれのカクテルについて、同一組成の２枚のフィルムが製造された。前記フィルムは、１時間風乾した後、フロースルー・セル内に配設された。このフロー・セルはヒューレットパッカード８４５２Ａダイオードアレイ紫外―可視分光光度計にマウントされた。１ｍＭ ＴＲＩＳ−ＨＣｌバッファー（ｐＨ７．４６）が１．２ｍＬ／分の流速で前記セルを連続的に通過させるために用いられた。吸光スペクトルは１分間隔で３００ないし８００ｎｍについて記録された。

応答時間実験
（全部で３００ｍｇの膜成分から）前記オプトードの薄いフィルムが上記の手順と同じスピン・コーティング装置によって調製された。オプトードＩは、２０ミリモル／ｋｇ Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）と、１０ミリモル／ｋｇ ＮａＴＦＰＢと、５ミリモル／ｋｇ ＥＴＨ５２９４と、１５重量％のブランクのＭＭＡ−ＤＭＡと、８５重量％のＰＶＣとＤＯＳ（１：２）とを含有した。オプトードＩＩは、２０ミリモル／ｋｇ Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）と、１５重量％ｍｇのＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡと、５ミリモル／ｋｇ ＥＴＨ５２９４と、８５重量％のＰＶＣとＤＯＳ（１：２）とを含有した。前記フィルムは、フロースルー・セルに配設され、紫外−可視光で測定された。迅速な液交換のために５ｍＬ／分の流速が用いられた。前記フロースルー・セル内の溶液を置換するのに約０．５分間必要であった。

オプトードＮａ ^＋ 応答
Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）を利用するオプトードについては、上記と同じ手順および組成でスピン・コーティングされたフィルムが調製された。２−３ｍｍ厚の前記スピン・コーティングされたフィルムは、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよびカルシウムの塩化物と、１ｍＭ ＴＲＩＳバッファー（ｐＨ７．４６）とを含ま異なる試料溶液中で平衡化され、既に報告されたとおり蛍光分光法によって特徴付けられた（６、４３）。全ての点のデータは５回の測定の平均と、算定された標準偏差とである。

結果と考察
本発明は、新規の重合可能なＣ−誘導体化されたカルボラン・アニオン（ＴＭＣＡ）を提供するが、該アニオンは、図２に示す手順に従って合成された。ホウ素誘導体の合成と異なり、商業的に入手可能なカルボラン・セシウムは炭素原子の直接リチウム挿入に用いることはできなかったが、これは、その後の置換化学反応を阻害する、Ｃｓ［１−ＬｉＣＢ_１１Ｈ_１２］が著しく不溶性であるためである（４４）。したがって、元のＣｓＣＢ_１１Ｈ_１２をまずトリメチルアンモニウム塩に変換することが重要で、該トリメチルアンモニウム塩は、リチウムブチルと反応して、可溶性のＣ−リチウム化誘導体である１−ＬｉＣＢ_１１Ｈ_１２が生成された。副産物のブタンおよびトリメチルアミンは蒸発によって容易に除去できた。このリチウム化誘導体をＴＢＳＣｌで保護された２−ヨウ化エタノールとｉｎ ｓｉｔｕで処理することにより、塩化トリメチルアンモニウムの添加によって沈殿可能なＣ−アルキル誘導体が提供される。酸加水分解によって保護基が除去された後、化合物３は、対イオンとしてトリメチルアンモニウムを有する重合可能なカルボラン・アニオン４（ＴＭＣＡ）を得るために、塩化アクリロイルと反応させられた。この新規誘導体は酢酸エチルにおける溶解度が高く、メチル・メタクリレートおよびデシル・メタクリレートと１段階溶液重合法によって酢酸エチル中で共重合できた。カルボラン・アニオンがグラフトされたポリマーは修飾されたＭＭＡ−ＤＭＡコポリマーと同様に、透明で弾性があった。他方、前記ポリマーは、ブランクのＭＭＡ−ＤＭＡよりは軟らかく粘着性があり、機械的または水力学的な圧力の下で変形する傾向が大きい。

イオン交換体の共有結合による付着は、オプトードフィルムからの浸出実験を行うことによって確認された。薄いＰＶＣ−ＤＯＳフィルムは、Ｎａ^＋イオノフォアと、Ｈ^＋クロモイオノフォアのＥＴＨ５２９４と、共有結合で付着したか、あるいは、溶解したかのいずれかの状態のカルボランイオン交換体とを含有した。前記クロモイオノフォアの紫外−可視スペクトルは、プロトン化および脱プロトン化した最大吸光をそれぞれ６５０ｎｍおよび５５０ｎｍで示す（４５）。Ｎａ^＋非存在下のｐＨ７．４６では、前記クロモイオノフォアはカチオン交換体（Ｒ⁻）の存在下でプロトン化される。親油性が不十分なために前記カチオン交換体が前記フィルムから脱離すると、電気中性を満たすために、前記クロモイオノフォアから水素イオンが抽出されなければならない。この緩慢な脱プロトン化の過程は都合良く紫外−可視分光法で追跡することができる（３２）。未置換のカルボランのＣｓＣＢ_１１Ｈ_１２をカチオン交換体とするフィルムについては、前記クロモイオノフォアは、水溶液におけるカルボラン・セシウムの溶解度が高いために、全くプロトン化できない。

図３は、連続移動条件下における、カルボラン・アニオン誘導体のＴＭＣＡを、遊離状態か、共有結合で付着した状態かのいずれかで含む、ＰＶＣ−ＤＯＳフィルムの浸出挙動の観察結果である。未置換のカルボラン・セシウムと比較すると、前記クロモイオノフォアのプロトン化が観察できることから、重合可能なカルボラン・アニオン（ＴＭＣＡ）は親油性が向上する。しかし、図３のトレースＢに示すとおり、結局のところ未置換のカルボラン・セシウムは定量的に前記フィルムから浸出した。遊離のイオン交換体を含むＰＶＣ−ＤＯＳフィルムとの直接対比をするために、カルボラン・アニオンを有するオプトードフィルムがＰＶＣ−ＤＯＳの中に１５重量％のＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡをドープすることによって調製された。得られたフィルムは透明で均一であった。吸光度の時間変化のトレース（図３、トレースＡ）は、トレースＢと同じ上記および流速の下で、ＥＴＨ５２９４の吸光度は１６時間安定であったことを示す。これは、前記イオン交換体が前記ポリマーのマトリックスに本当に共有結合で付着し、得られたオプトードフィルムの寿命が非常に改善されたことを確認する。

直鎖のＭＭＡ−ＤＭＡポリマーは、エステル基が豊富で、誘電定数が比肩できることのようにいくらかＤＯＳで可塑化された膜との類似性がある（２３）。少量のＭＭＡ−ＤＭＡポリマーを過剰のＰＶＣ−ＤＯＳと混合することにより、膜および拡散特性に有意な変化を示さない、適合性のある均一な膜を作ることができる（２３）。１５重量％のブランクのＭＭＡ−ＤＭＡを含むＰＶＣ−ＤＯＳ膜における遊離の重合可能なカルボラン誘導体（ＴＭＣＡ）の迅速な浸出も観察され、前記遊離カルボラン・アニオンはかかるマトリックス内に物理的に封じこめることはできないことを示した（データ示さず）。したがって、図３のトレースＡは、前記イオン交換体は本当に前記ポリマーのマトリックスに共有結合で付着したことを強く示唆する。

前記グラフト化カルボラン・アニオンの基本的なイオン交換特性をさらに研究するために、Ｎａ^＋選択的なオプトードの応答が測定された。ＰＶＣ−ＤＯＳフィルムは、ナトリウム選択的イオノフォアのＥＴＨ５２９４と、ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡとを含有した。カルボラン・アニオンをグラフトしたＭＭＡ−ＤＭＡポリマーは非常に軟らかいので、ＭＭＡ−ＤＭＡコポリマーまたは可塑化ＰＶＣのように物理的および機械的特性が向上した他のポリマー材料とブレンドされた。しかし、たいていの場合では、完全に可塑剤フリーのメタクリレートコポリマーのオプトードフィルムは、可塑化ＰＶＣフィルムよりも遅い拡散挙動と、はるかに長い応答時間とを示した（２５）。カルシウムイオノフォアが共有結合で付着した１０重量％のＭＭＡ−ＤＭＡポリマーがＰＶＣおよびＤＯＳとブレンドされる場合には、比較的速い応答時間（１５分未満）が得られたことが報告されている（２４）。したがって、ＰＶＣ−ＤＯＳが、共有結合で付着したカルボラン・アニオンの基本特性を評価するために、最初のモデルポリマーマトリックスおよび可塑剤として用いられた。本発明では、ＴＭＣＡがグラフトされた１５重量％のＭＭＡ−ＤＭＡコポリマーが８５重量％のＰＶＣおよびＤＯＳと混合された。化学量数「ｎ」で複合体を形成する中性のナトリウムイオノフォアＬと、Ｈ^＋クロモイオノフォア「Ｉｎｄ」と、カチオン交換体「Ｒ」とを含むかかるオプトードについての検知原理は、以下の等式（１）の被検体Ｉ^＋とＨ^＋との間のイオン交換機構に基づく（４２）。

有機フィルム相と、水相とは、それぞれ（ｏｒｇ）および（ａｑ）と表示される。等式１にしたがう平衡は、共有結合で付着したイオン交換体が化学的にアクセス可能な場合にだけ、全測定範囲で観察可能である。したがって、オプトードの応答曲線の記録に成功することは、共有結合で付着したイオン交換体が本当にイオンセンサーの用途に有用であることの証拠のはずである。ある試料中のナトリウム活性は、中性クロモイオノフォアのＥＴＨ５２９４の蛍光発光を用いて決定される。脱プロトン化型およびプロトン型にそれぞれ対応する６４７および６８０ｎｍのピークが、イオン交換を監視するために用いられた。ナトリウムイオンがフィルムに入ると、水素イオンが該フィルムから交換されて出て行き、クロモイオノフォアは電気中性を保存するために脱プロトン化される。そしてまた、これが蛍光特性の計測可能な変化につながる。これは、６８０ｎｍでの蛍光強度の減少と、逆に、６４７ｎｍの脱プロトン化発光ピークの増大とに対応する。これら２つの発光ピークの比をとることによって、応答曲線ができる場合がある。

クロモイオノフォアのプロトン化の程度の点から応答曲線を正規化するために蛍光のレシオ測定を用いることが報告された（４３、４６）。非プロトン化クロモイオノフォアの実験的にアクセス可能なモル分画αと、２種類のイオン（ａ_Ｉおよびａ_Ｈ）のイオン活性との関数として与えられる等式１にしたがうイオン交換平衡に基づくフィルムの応答は、以下の等式２に示すとおりに記載される（４２、４７）。

上記の等式２において、Ｌ_Ｔ、Ｃ_ＴおよびＲ_Ｔは、それぞれ、イオノフォア、クロモイオノフォアおよび親油性イオン交換体の全濃度で、ｚ_Ｉは被検体の荷電数（ナトリウムについてはｚ_Ｉ＝１）で、Ｋ_ｅｘｃｈはイオン交換定数（等式１を記述するため）である。

Ｎａ^＋のオプトードフィルムの観察された応答曲線と、潜在的な干渉因子（Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋）に対する観察された選択性とが図４に示される。点のデータは実験値（ｎ＝５）の平均で、エラー・バーは標準偏差を示す（プロットの記号より小さいことがしばしばある）。実線は等式２にしたがう理論曲線を表す。Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）、ＥＴＨ５２９４およびＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡについての応答曲線は、理論的に予測される応答に非常によく対応するが、これは、このカチオン交換体が共有結合で結合された状態で完全な機能が保持されることを確認する。観察されたイオン交換定数は、ｌｏｇ Ｋ_ｅｘｃｈ＝−４．８であることがわかった（４８）。Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋およびＣａ^２＋に対するＮａ^＋の選択係数は、１Ｍの溶液中で（クロモイオノフォア半分プロトン化した状態で）ｌｏｇｋ^Ｏｓｅｌが−３．０５、−４．８４、−４．７９であると決定された（４７）。これに対し、イオノフォアと、クロモイオノフォアＥＴＨ５２９４と、イオン交換体として遊離の重合可能なカルボラン誘導体（ＴＭＣＡ）とを含むＰＶＣ−ＤＯＳフィルムは、最適なナトリウム応答を示すことができなかった。前記フィルムは、はじめはナトリウムイオンを含まないｐＨ７．４のバッファー中でプロトン化できたが、前記化合物の親油性が不十分なために前記イオン交換体が前記フィルムから浸出するから、次第に同じ溶液中で脱プロトン化した。同様に、両方のイオノフォアを有するがイオン交換体を全く添加されないＰＶＣ−ＤＯＳフィルムは、予想どおり、ｐＨ７．４ではプロトン化できなかった。

図５Ａおよび図５Ｂでは、遊離およびグラフト化されたイオン交換体を含むオプトードフィルムの応答時間が、フロースルー・セルおよび紫外−可視検出を用いて対比される。オプトードＩ（図５Ａ）は、１５重量％ブランクＭＭＡ−ＤＭＡおよび８５重量％ＰＶＣ−ＤＯＳからなるマトリックス中に、ナトリウムイオノフォアと、遊離のイオン交換体ＮａＴＦＰＢとを含有した。オプトードＩＩ（図５Ｂ）は、イオン交換体ＴＭＣＡがグラフトされた１５重量％ＭＭＡ−ＤＭＡおよび８５重量％ＰＶＣ−ＤＯＳのマトリックス中に、同一のイオノフォアを含有した。前記クロモイオノフォアのＰＶＣへの共有結合による付着が前記フィルムの応答を遅延させることが報告された（２７）。図５Ａおよび５Ｂに示すとおり、Ｎａ^＋濃度が１０倍増大または現象すると、オプトードＩ（遊離イオン交換体入り）は５分間未満の応答時間を示した。同一の条件下で、オプトードＩＩ（グラフト化イオン交換体入り）は脱プロトン化時間が約１５分という長い応答時間を示した。さらなる微小化を考慮すると、これはかなり速く、イオノフォアが固定化された他のオプトードに十分匹敵する（２７）。上記の結果は、脱プロトン化速度が異なることは、異なるポリマー材料が混合しているためではなく、むしろ、前記ポリマー中に活性成分が共有結合で付着したためである。さらに、前記イオン交換体の共有結合による付着は、可塑化ＰＶＣとブレンドされる場合には、センサーの応答時間を劇的に遅延させないようであった。上記のオプトード実験は、カルボラン・アニオンがグラフト化されたメタクリレートポリマーがイオン選択的センサーに適したカチオン交換体みたいであることを示唆する。

光学的な実験に加えて、イオン選択性膜における電位差測定応答と、カルボランがグラフト化された膜の選択性とが評価された。まず、イオン交換体のみを含むイオノフォアを含まない膜の電位差が測定されたが、その理由は、イオン対効果はかかる条件下で膜選択性への影響が最も大きいからである（３２）。グラフト化ＴＭＸＡと、遊離のＴＦＰＢ−と、遊離ＵＢＣ−という３種類の異なるイオン交換体が比較された。イオン交換体として１０％ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡを有するＰＶＣ−ＤＯＳ膜は視認では透明で均一なようであった。前記膜は、遊離のイオン交換体を含む可塑化ＰＶＣ膜と比肩する応答時間があった。前記膜の勾配および選択性は選択性にバイアスのない測定によって決定された（表１、４８）。ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡを含むＰＶＣ−ＤＯＳ膜は、測定された全てのイオンに対してネルンスト式または近ネルンスト式の勾配を示した。コポリマー膜について観察された選択性のパターンは、ＮａＴＦＰＢを含む全てのＭＭＡ−ＤＭＡマトリックスについて他で実証されたのと同じであった（２３）。イオノフォアを含まない膜では、選択性は試料イオンの水和エンタルピーによって左右される（２）。表１に示すとおり、選択パターンは前記カチオンの親油性の増大に実際に追随した。これは、共有結合で付着したカルボラン・アニオンのイオン交換特性が、確立したＮａＴＦＰＢを含むＰＶＣ−ＤＯＳ膜でわかった特性と類似することを示す。

表１
異なるカチオン交換体を含むイオノフォアを含まないＰＶＣ−ＤＯＳ膜の勾配および選択係数

カルボラン・アニオンがグラフト化されたＭＭＡ−ＤＭＡポリマーは、荷電単体を利用するイオン選択性膜においても試験された。原理的に荷電イオノフォアは、膜内の電気中性を維持し、機能的なセンサーにするためにイオン交換体を必要としないことが知られている（４９）。しかし、前記イオノフォアと反対に荷電したイオン交換体を使用することは、複合体を形成しないイオノフォアを所定の量生成することによって、最も可能性の高い選択性を有する電極をもたらす（５）。前記グラフト化されたイオン交換体の機能をさらに実証するために、亜硝酸イオノフォアＩが正に荷電したイオノフォアの例として取り上げられた（図１参照）。アニオン交換体（ＴＤＭＡＣ１）を含むＮＯ_２ ⁻（Ｉ）を利用する膜は、亜硝酸選択性を失い、かわりに、該膜はホフマイスター系列にしたがう選択性を示した（５０）。反対に、カチオン交換体の添加は、選択性を１対数単位を超えて向上させることができた。ＫＴＦＰＢの全体の比は１０ないし６０モル％で最適であることがわかった（５０）。本発明では、添加物を含まないＰＶＣ−ＮＰＯＥ膜と、カルボラン・アニオンがグラフト化されたＰＶＣ−ＮＰＯＥ膜との電位差が測定された。これらの選択性は表２のＴＦＰＢを利用する膜の文献値と比較される。ＮＯ_２ ⁻（Ｉ）のみを有する膜の選択性が本発明において繰り返されたが、前記文献値に近い結果であった。グラフト化ＴＭＣＡをカチオン交換体として添加することによって、ＳＯ_４ ^２−、ＯＡｃ^―、Ｃｌ⁻、ＮＯ_３ ⁻およびＣｌＯ_４ ⁻に対するＮＯ_２ ⁻の選択性がほぼ１桁向上した。選択性の値はＫＴＦＰＢの最適量での実施例に非常に近かった。これらの結果は、カルボランが共有結合で付着したＭＭＡ−ＤＭＡポリマーの機能および能力を実証する。

表２
イオン部位なしか、ＮａＴＦＰＢか、グラフト化されたＴＭＣＡかのいずれかを含む亜硝酸イオノフォアＩを利用するＰＶＣ−ＮＰＯＥ膜の勾配および選択性

説明したとおり、可塑化ＰＶＣ膜は、特にセンサーが劇的に微小化されたときの生物学的な試料への応用を考慮すると本当は望ましくない。したがって究極の目標は、浸出しうる成分を含まない、全部ポリマー製の検知膜の製造である。この方向での研究の一部は既に報告済みである。イオノフォアおよびイオン交換体の両方が共有結合で固定化された、ポリシロキサンを利用するＣＨＥＭＦＥＴセンサー（１０）と、改良型ゾル−ゲルセンサー（１７）とが記載された。かかる膜は、ネルンスト式の応答と、Ｎａ^＋およびＫ^＋に対する良好な選択性を示した。しかし、鉛イオノフォアがグラフトされたポリシロキサンを利用するかかるＣＨＥＭＦＥＴセンサーはＰｂ^２＋に対して直線的な応答をせず、これは当時、Ｐｂ^２＋の２価の荷電は共有結合で付着したイオン交換体によって効率的に補償できないと推測されたため、Ｐｂ^２＋のＫ^＋との（ホウ酸の対イオン）交換が不十分なことによって説明された（２８）。

本発明は、ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＡＵ−１と、ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡと、ブランクのＭＭＡ−ＤＭＡポリマーとのブレンドを利用することにより、イオノフォアおよびイオン交換体が共有結合で付着した最初のカルシウム選択性の可塑剤フリーのイオン選択性膜を提供する。応答の勾配および選択性は表３および図６Ａに示される。

表３
遊離状態かグラフト化されたかのいずれかのカルシウムイオノフォア（ＡＵ−１）と、イオン交換体とを含む、可塑剤フリーのＭＭＡ−ＤＭＡ膜の勾配および選択性

全ての活性成分が共有結合でグラフトされた可塑剤フリーの全部ポリマー製の膜は、カルシウムイオンに対してはネルンスト式の応答の勾配を示すが、干渉するイオンに対してはサブ・ネルンスト式の応答を示し、これは、遊離のＮａＴＦＰＢを含むＭＭＡ−ＤＭＡ−ＡＵ−１膜についても観察された。その結果、両方の活性成分がグラフトされた膜の選択性は、遊離の成分を含む膜より劣るようにみえる。干渉するイオンに対するサブ・ネルンスト式の応答の勾配は、選択係数の上限だけを与える（４８）。図６Ｂは、塩化カルシウム濃度を１０^−５ないし１Ｍの範囲内で変化させるときの前記膜についての電位差−時間のトレースを示す。前記膜は、比較的迅速な応答時間を示すが、これは、共有結合で付着した成分を含む膜の中で前記活性成分の十分な移動度が維持できることを示唆する。ネルンスト式の応答範囲内では評価しうる膜濃度変化が起こらないため、イオン選択性電極に要求される移動度は、光学的センサーに要求される移動度よりも明らかに非常に小さい（２）。前記膜のイオン移動度は前記ポリマーのガラス転移温度が低いことによって、かなり高く保たれる。したがって、かかる全部ポリマー製の膜は、真に固定された分子種ではなく、むしろ、イオン選択的電極の用途に十分な移動度が制限された浸出できない成分を含む可能性がある。

結論
活性検知成分の共有結合によるメタクリレートポリマー内への付着が、微小化と、生物学的な試料への応用とを考慮すると、イオンセンサーの限界を向上させる有望な経路を構築する。本発明は、当業者に従来使用されている従来のテトラフェニルホウ酸誘導体の魅力的な置換物となる特性を有することが示された、重合可能なカルボランイオン交換体を提供する。カチオン交換体の共有結合による付着への初期の経路は、テトラフェニルホウ酸を利用したが、テトラフェニルホウ酸は合成が困難で、化学的に不安定になりやすい。

本発明の新規なカルボラン誘導体の有用性を実証するために、浸出実験およびオプトード応答曲線が評価された。結果は、遊離して溶解した誘導体だけが薄いフィルム状オプトードから数時間で浸出したため、ＴＭＣＡはコポリマーに共有結合で付着していたという認識を支持する。グラフト化カルボランを含むフィルムを有するイオン交換オプトードの応答機能は、完全に理論的予測に従い、確立したシステムと比肩できるくらいに迅速な応答時間を示した。これは、前記共有結合で付着したカルボランが、全く明かな問題を起こすことなく、機能を有し均一に溶解したイオン交換体として作用したことを実証した。イオン選択性は、膜内イオノフォア比存在下でのイオン対形成の過程によって最も劇的に影響を受ける。対応する電位差測定実験は、テトラフェニルホウ酸を含む膜と比較して、本発明のシステムには異常な選択性の違いがないことを示した。

本発明の新規カルボラン誘導体は、テトラフェニルホウ酸と類似する、荷電担体を利用する膜の選択性を改善するのに有用であることが示された。これらの結果は、可塑剤も、浸出可能な成分も含まない、全部ポリマー製のカルシウム選択性膜の製造を実証する。本発明のコポリマーマトリックスの成分は、本当に固定化されるというよりも、むしろ、ガラス転移温度が低く、柔軟で、架橋がない、ポリマーのネットワークの一部である可能性がある。信頼性のある電位差測定を担保するのに十分に高いイオン移動度が見かけ上保存されている。

本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形態で実施される場合がある。説明された実施態様は、全ての点で、例示的にのみ解されるべきであって、制限的に解されるべきではない。したがって本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、添付する請求の範囲によって示される。前記請求の範囲の均等の意味および範囲に含まれる全ての変更は本発明の範囲内に該当すべきものである。

本明細書および請求の範囲に用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇおよびｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という文言は、表明された特徴、整数、成分またはステップの存在を特定するためのものであるが、1個または2個以上の他の特徴、整数、成分、ステップまたはこれらの群の存在または追加を排除するものではない。

文献リスト

図面の説明
上記およびその他の本発明の特徴と、該特徴を得るやり方とは、添付する図面とともに上記の説明を参照することにより、より明らかになり、最もよく理解されるであろう。これらの図面は、本発明の典型的な実施態様のみを示すので、本発明の範囲を制限するものではなく、具体性と詳細とを追加するための役割を果たす。

Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）、クロモイオノフォアＥＴＨ５２９４、カルシウムイオノフォアＡＵ−１、テトラフェニルホウ酸誘導体ＮａＴＦＰＢおよびｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの構造式。 重合可能なカルボラン・アニオンである、トリメチルアンモニウム２−カルボラン・エチルアクリレート（ＴＭＣＡ）の合成反応概念図。 プロトン化型の６５０ｎｍでの吸光度の変化によって監視された、Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）、ＥＴＨ５２９４およびグラフト化カルボラン・アニオンを含むＰＶＣ−ＤＯＳオプトードフィルム（曲線Ａ）と、遊離カルボラン・アニオンを含むＰＶＣ−ＤＯＳオプトードフィルム（曲線Ｂ）の吸光度の百分率対時間（ｈｒ）のグラフ。 ｐＨ７．４６で測定された、ナトリウム（白丸）、マグネシウム、カリウムおよびカルシウムイオンに対するＮａ−イオノフォア（ＸＯ、ＭＭＡ−ＤＭＡ−ＴＭＣＡおよびクロモイオノフォアＥＴＨ５２９４を含むＰＶＣ−ＤＯＳフィルムの正規化されたオプトード応答曲線および選択性のグラフであって、実線は等式２にしたがって理論的に予測された応答で、Ｎａ^＋についてｌｏｇＫ_ｅｘｃｈ＝−４．８０（ｎ＝１）、Ｋ^＋について−７．８５（ｎ＝１）、Ｃａ^２＋について−１７．５０（ｎ＝１）、Ｍｇ^２＋について−１７．５５（ｎ＝１）であるグラフ。 吸光値が６５０ｎｍで記録され、Ｎａ^＋濃度が１０^−４Ｍと１０^−３Ｍとの間で５ｍＬ／分の流速で変化させた、１５重量％ブランクＭＭＡ−ＤＭＡ（図５Ａ）か、ＭＭＡ−ＤＭＡに共有結合でグラフト化されたＴＭＣＡ（図Ｂ）かのいずれかと、Ｎａ−イオノフォア（Ｘ）、ＥＴＨ５２９４とを含むＰＶＣ−ＤＯＳオプトードの薄いフィルムの応答時間との比較を示すグラフ。 試料中の塩化カルシウム濃度が１０^−５Ｍから１Ｍまでの範囲における、イオノフォア（ＡＵ−１）およびイオン交換体（ＴＭＣＡ）の両方が共有結合でＭＭＡ−ＤＭＡポリマーにグラフト化された、全部がポリマー製の可塑剤フリーのカルシウム選択性膜のＥＭＦ測定についての較正曲線（図６Ａ）および対応する実験時間トレース（図６Ｂ）。

Claims (51)

1. 試料中の標的イオンを検出するためのイオン検出センサーであって、
   （ｉ）メタクリレートモノマーの重合したユニットと、ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの官能基修飾されたＣ誘導体を含むイオン交換体とを含む可塑剤フリーのコポリマーのマトリックスと、
   （ｉｉ）前記標的イオンを検出するためのイオノフォアとを含み、
   前記官能基修飾されたイオン交換体は前記コポリマー上に共有結合によってグラフトされ、
   前記メタクリレートモノマーはペンダントアルキル基のＲ_１またはＲ_２を有し、ここでＲ_１はＣ_１−３のアルキル基のいずれかで、Ｒ_２はＣ_４−１２のアルキル基のいずれかである、試料中の標的イオンを検出するためのイオン検出センサー。
2. Ｒ_１はＣ_１−２のアルキル基のいずれかであり、Ｒ_２はＣ８−１２のアルキル基のいずれかである、請求項１に記載のイオン検出センサー。
3. Ｒ_１はＣ_１のアルキル基であり、Ｒ_２はＣ_１０のアルキル基である、請求項２に記載のイオン検出センサー。
4. 前記イオン交換体は以下の化学式で表される構造を有し、
   

   

   上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、請求項１に記載のイオン検出センサー。
5. Ｒ_４は、−（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項４に記載のイオン検出センサー。
6. 前記マトリックスは膜状である、請求項１に記載のイオン検出センサー。
7. 前記センサーは担体を利用するイオン選択電極である、請求項６に記載のイオン検出センサー。
8. 前記センサーは薄いフィルム状のイオン特異的オプトードである、請求項６に記載のイオン検出センサー。
9. 前記センサーはバルクのオプトードである、請求項６に記載のイオン検出センサー。
10. 前記ポリマーは粒子状である、請求項１に記載のイオン検出センサー。
11. 前記センサーは粒子を利用するオプトードである、請求項１０に記載のイオン検出センサー。
12. 前記イオノフォアはカルシウムイオンについて選択的である、請求項１に記載のイオン検出センサー。
13. 指示剤イオノフォアを含む、請求項１に記載のイオン検出センサー。
14. 前記指示剤イオノフォアは、ｐＨ指示クロモイオノフォアと、クロモイオノフォアと、フルオロイオノフォアと、ｐＨ指示剤と、ｐＨ指示フルオロイオノフォアとからなるグループから選択される、請求項１３に記載のイオン検出センサー。
15. 前記標的イオンは、Ｈ^＋、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋からなるグループから選択される、請求項１に記載のイオン検出センサー。
16. 前記試料は、全血液、血清、尿、唾液、精液および涙からなるグループから選択される体液である、請求項１に記載のイオン検出センサー。
17. 前記コポリマーはポリ（塩化ビニル）および可塑剤とともにブレンドされる、請求項１に記載のイオン検出センサー。
18. 前記イオノフォアは官能基修飾されたイオノフォアである、請求項１に記載のイオン検出センサー。
19. 前記官能基修飾されたイオノフォアの少なくとも一部は共有結合によって前記コポリマー上にグラフトされる、請求項１８に記載のイオン検出センサー。
20. 前記官能基修飾されたイオノフォアは、以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記の化学式で、Ｒ_３は不飽和官能基を含む置換基である、請求項１９に記載のイオン検出センサー。
21. Ｒ_３は−Ｏ（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項２０に記載のイオン検出センサー。
22. 前記官能基修飾されたイオノフォアは親水性のクラウンエーテルである、請求項１８に記載のイオン検出センサー。
23. 前記クラウンエーテルは、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１５−クラウン−５または４’−アクリロイルアミドベンゾ−１８−クラウン−６である、請求項２２に記載のイオン検出センサー。
24. 可塑剤フリーのコポリマーの中に共有結合によってグラフトされたイオン交換体を含み、該イオン交換体は重合可能な原子団を有するハロゲン化カルボラン・アニオンの誘導体である、試料中の標的カチオンを検出するためのイオン検出センサー。
25. 前記重合可能なイオン交換体は以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、請求項２４に記載のイオン検出センサー。
26. Ｒ_４は−（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項２５に記載のイオン検出センサー。
27. 標的イオンに応答する可塑剤フリーのコポリマーを調製する方法であって、
    （ａ）（ｉ）ペンダントアルキル基のＲ_１またはＲ_２を有し、Ｒ_１はＣ_１−３アルキル基のいずれかで、Ｒ_２はＣ_４−１２のアルキル基のいずれかである、メタクリレートモノマーと、
    （ｉｉ）重合可能な原子団を有するｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンの官能基修飾されたＣ−誘導体を含むイオン交換体と、
    （ｉｉｉ）前記標的イオンに対して選択的なイオノフォアと、
    （ｉｖ）架橋モノマーと、
    （ｖ）重合開始剤との組み合わせを混合すること、および
    （ｂ）前記メタクリレートモノマーと前記官能基修飾されたｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンとが共重合することを可能にする条件下で、前記組み合わせを処理することを含む、標的イオンに応答する可塑剤フリーのコポリマーを調製する方法。
28. 前記ｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンは、以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、請求項２７に記載の方法。
29. Ｒ_４は（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項２８に記載の方法。
30. 前記コポリマーを、ポリ（塩化ビニル）および可塑剤とともにブレンドすることを含む、請求項２７に記載の方法。
31. Ｒ_１はＣ_１−２のアルキル基のいずれかであり、Ｒ_２はＣ８−１２のアルキル基のいずれかである、請求項２７に記載の方法。
32. 前記イオノフォアは官能基修飾されたイオノフォアである、請求項２７に記載の方法。
33. 前記官能基修飾されたイオノフォアは以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記の化学式で、Ｒ_３は不飽和官能基を含む置換基である、請求項３２に記載の方法。
34. Ｒ_３は−Ｏ（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項３３に記載の方法。
35. 前記官能基修飾されたイオノフォアは、親水性のクラウンエーテルである、請求項３２に記載の方法。
36. 前記クラウンエーテルは、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１５−クラウン−５または４’−アクリロイルアミドベンゾ−１８−クラウン−６である、請求項３５に記載の方法。
37. 前記イオノフォアの少なくとも一部は前記コポリマー上にグラフトされる、請求項３２に記載の方法。
38. 請求項２７の方法によって調製される、可塑剤フリーのコポリマー。
39. 請求項２７の方法によって調製される、可塑剤フリーのコポリマーを含むセンサー。
40. 以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、重合可能なｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン。
41. Ｒ_４は−（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項４０に記載の重合可能なドデカカルボラン。
42. 標的イオンに対する選択性を有する可塑剤フリーのグラフトコポリマーであって、
    （ｉ）メタクリレートモノマーの重合したユニットを含むコポリマーと、
    （ｉｉ）前記標的イオンに対して選択的なイオノフォアと、
    （ｉｉｉ）重合可能な原子団を有するｃｌｏｓｏ−ドデカカルボラン・アニオンのＣ誘導体を含むイオン交換体とを含み、
    イオン交換体は共有結合によって前記コポリマー上にグラフトされる、グラフトコポリマー。
43. 前記イオン交換体は以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、請求項４２に記載のグラフトコポリマー。
44. Ｒ_４は−（Ｃ＝Ｏ）ＣＨ＝ＣＨ_２である、請求項４３に記載のグラフトコポリマー。
45. 前記イオノフォアは官能基修飾されたイオノフォアである、請求項４２に記載のグラフトコポリマー。
46. 前記イオノフォアは以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記の化学式で、Ｒ_３は不飽和官能基を含む置換基である、請求項４５に記載のグラフトコポリマー。
47. 前記官能基修飾されたイオノフォアは、親水性のクラウンエーテルである、請求項４５に記載のグラフトコポリマー。
48. 前記クラウンエーテルは、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１５−クラウン−５である、請求項４７に記載のグラフトコポリマー。
49. 前記クラウンエーテルは、４’−アクリロイルアミドベンゾ−１８−クラウン−６である、請求項４７に記載のグラフトコポリマー。
50. 前記イオノフォアの少なくとも一部は前記コポリマー上にグラフトされる、請求項４５に記載のグラフトコポリマー。
51. 以下の化学式で表される構造を有し、
    

    

    上記化学式で、Ｒ_４は２重結合を含む置換基である、重合可能なイオン交換体を調製する方法であって、
    Ｉ（ＣＨ_２）_２ＯＴＢＳを生成するために、２−ヨウ化エタノールおよび塩基の溶液にＴＢＳＣｌを添加すること、
    中間体を生成するために、ｎ−リチウムブチルおよび［ＭＥ_３ＮＨ］［ｃｌｏｓｏ−ＣＢ_１１Ｈ_１２］の無水溶媒中の混合液に前記Ｉ（ＣＨ_２）_２ＯＴＢＳを添加すること、
    残渣を形成するために、前記無水溶媒を除去すること、
    ［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＴＢＳＯ（ＣＨ_２）_２ＣＢ_１１Ｈ_１２］を生成するために、前記残渣にＭｅ_３ＮＨＣｌを添加すること、
    ［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＨＯ（ＣＨ_２）_２ＣＢ_１１Ｈ_１２］を生成するために、無水溶媒中において前記［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＴＢＳＯ（ＣＨ_２）_２ＣＢ_１１Ｈ_１２］をＨＣｌで処理すること、
    ［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＣＨ_２ＣＨＣＯＯ（ＣＨ_２）_２ＣＢ_１１Ｈ_１２］を生成するために、［Ｍｅ_３ＮＨ］［ＨＯ（ＣＨ_２）_２ＣＢ_１１Ｈ_１２］および塩基の無水溶媒中の溶液に塩化アクリロイルを添加することを含む、重合可能なイオン交換体を調製する方法。
    
    
    

Images