JP2008513318A - 官能基化単層カーボンナノチューブ - Google Patents

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Abstract

チューブ状フラーレン（一般に「バッキーチューブ」と呼ばれている）及びフィブリルが含まれ、化学的な置換又は官能性原子団の吸着によって官能基化されたグラファイトナノチューブ。より詳細には、本発明は、化学原子団により均一又は不均一に置換されているか、或いは、特定の環状化合物が吸着している、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブ、並びに、互いに連結したこのような官能化ナノチューブからなる複合構造体に関する。本発明はまた、このようなナノチューブの表面上に官能基を導入する方法にも関する。さらに、本発明は、官能基化単層カーボンナノチューブの使用に関する。

Description

本出願は２００４年４月３０日に出願された米国特許出願第［代理人整理番号第１００６４７−３５８３号］号（１９９７年３月６日に出願され現在は放棄された米国特許出願第０８／８１２，８５６号の継続出願であり、１９９６年３月６日に出願され現在は放棄された米国特許出願第０８／６１１，３６８号の継続出願であり、１９９６年９月２５日に出願された米国特許仮出願第６０／０３７，２３８号の優先権を主張する）の一部継続出願である。本出願はまた、２０００年６月１６日に出願された米国特許出願第０９／５９４，６７３号（１９９４年１２月８日に出願され現在米国特許第６，２０３，８１４号である米国特許出願第０８／３５２，４００号の分割出願である）の一部継続出願である。前記出願の各々の内容は参照を通じて本明細書に組み込まれる。
本発明は広くグラファイトナノチューブに関し、これにはチューブ状フラーレン（一般に「バッキーチューブ」と呼ばれている）及びフィブリルが含まれ、これは化学的な置換又は官能性原子団（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｉｅｔｙ）の吸着によって官能基化されている。より詳細には、本発明は、化学原子団により均一又は不均一に置換されているか、或いは、特定の環状化合物が吸着している、単層カーボンナノチューブ、並びに、互いに結合したこのような官能基化フィブリル（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｆｉｂｒｉｌ）からなる複合構造体に関する。本発明はまた、官能基を単層カーボンナノチューブ上に導入する方法にも関する。
本発明は、サブミクロンのグラファイトフィブリル（時に気相成長炭素繊維と呼ばれる）の分野にある。カーボンフィブリルは、１．０μ未満、好ましくは０．５μ未満、より一層好ましくは０．２μ未満の直径を有するバーミキュラーカーボン堆積物である。これらは様々な形態で存在し、金属表面での様々な炭素含有ガスの触媒分解により調製されている。このようなバーミキュラーカーボン堆積物は、電子顕微鏡の出現とほぼ同時に観察されていた。優れた初期の概論と参考文献が、Ｂａｋｅｒ ａｎｄ Ｈａｒｒｉｓ，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ，Ｗａｌｋｅｒ ａｎｄ Ｔｈｒｏｗｅｒ ｅｄ．，Ｖｏｌ．１４，１９７８，ｐ．８３（参照を通じて本明細書に組み込まれる）に見出される。また、Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ｎ．，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｖｏｌ．８，ｐ．３２３３（１９９３）（参照を通じて本明細書に組み込まれる）も参照されたい。
１９７６年に、Ｅｎｄｏ等（Ｏｂｅｌｉｎ，Ａ．ａｎｄ Ｅｎｄｏ，Ｍ．，Ｊ．ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．３２（１９７６），ｐｐ．３３５−３４９（参照を通じて本明細書に組み込まれる）を参照）は、このようなカーボンフィブリルが成長する基本的メカニズムを明らかにした。炭化水素含有ガスの存在下で炭素が過飽和になる金属触媒粒子により生成することが理解された。円柱状に規制されたグラファイトのコアが押し出され、Ｅｎｄｏ等によれば、これは直ちに、熱分解堆積グラファイトの外層により被覆される。熱分解外被を有するこれらのフィブリルは典型的には、０．１μを超え、より典型的には０．２から０．５μの直径を有する。
１９８３年に、Ｔｅｎｎｅｎｔ（米国特許第４，６６３，２３０号（参照を通じて本明細書に組み込まれる））は、熱分解カーボンにより汚染されていない円柱状に規制されたグラファイトコアを成長させることに成功した。こうして、Ｔｅｎｎｅｎｔの発明は、より小さく、典型的には３５から７００Å（０．００３５から０．０７０μ）の直径のフィブリル、並びに規制され「成長したままで汚染のない（ａｓ ｇｒｏｗｎ）」グラファイト表面を入手する手段を提供した。より不完全な構造であるがやはり熱分解カーボン外層のないフィブリル状カーボンもまた成長した。
本出願において官能化されているフィブリル、バッキーチューブ及びナノファイバーは、強化材料として市販されている連続炭素繊維と識別できる。妥当に大きいが不可避的に有限のアスペクト比を有するフィブリルと対照的に、連続炭素繊維は少なくとも１０４で、しばしば１０６又はこれ以上のアスペクト比（Ｌ／Ｄ）を有する。連続繊維の直径もまたフィブリルの直径よりはるかに大きく、常に＞１．０μで、典型的には５から７μである。
連続炭素繊維は有機前駆体繊維（通常は、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチ）の熱分解により製造される。このために、それらはそれらの構造内にヘテロ原子を含み得る。「無処理の（ａｓ ｍａｄｅ）」連続炭素繊維のグラファイト性は変動するが、それらは、その後のグラファイト化ステップに付してもよい。グラファイト面のグラファイト化、配向及び結晶性の度合いの違い（それらが存在する場合）、ヘテロ原子の存在の可能性、並びに基材の直径の紛れもない相違すら、連続繊維による経験に関していえばナノファイバー化学の不確かな予測である。
Ｔｅｎｎｅｎｔの米国特許第４，６６３，２３０号は、連続サーマルカーボンオーバーコート（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｃａｒｂｏｎ ｏｖｅｒｃｏａｔ）がなく、フィブリル軸に実質的に平行である複数のグラファイト外層を有するカーボンフィブリルを記載する。このようなものとして、それらは、それらの円柱軸に実質的に直交するそれらのｃ軸（グラファイトの曲がった層の接線に直交する軸）を有するとして特徴付けることができる。それらは一般に、０．１μ以下の直径と、少なくとも５の長さ：直径の比を有する。望ましくも、それらは、連続サーマルカーボンオーバーコート（すなわち、それらを調製するために使用されるガスフィードの熱クラッキングにより生じる熱分解堆積カーボン）を実質的にもたない。
Ｔｅｎｎｅｎｔ他の米国特許第５，１７１，５６０号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）は、サーマルオーバーコートがなく、フィブリル軸に実質的に平行な複数のグラファイト層を有し、前記層の前記フィブリル軸への投影がフィブリル直径の少なくとも２倍の距離に及ぶカーボンフィブリルを記載する。典型的には、このようなフィブリルは、実質的に一定の直径の実質的に円柱状のグラファイトナノチューブであり、ｃ軸が実質的にその円柱軸に直交する複数の円柱状グラファイトシートを備える。これらは熱分解堆積カーボンを実質的にもたず、０．１μ未満の直径と、５を超える長さ：直径の比を有する。これらのフィブリルは本発明において主に関心のあるものである。
カーボンフィブリル集合体の生成に関するさらなる詳細は、Ｓｎｙｄｅｒ他の１９８８年１月２８日に出願された米国特許出願第１４９，５７３号、及び１９８９年１月２８日に出願されたＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＵＳ８９／００３２２号（「カーボンフィブリル（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｉｌｓ）」）ＷＯ８９／０７１６３、並びに、Ｍｏｙ他の１９８９年９月２８日に出願された米国特許出願第４１３，８３７号、及び１９９０年９月２７日に出願されたＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９０／０５４９８号（「フィブリル集合体及びその製造方法（Ｆｉｂｒｉｌ Ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ）」）ＷＯ９１／０５０８９の開示に見出され、これらは全て本発明と同じ譲受人に譲渡されており、参照を通じて本明細書に組み込まれる。
Ｍｏｙ他の１９９２年５月２２日出願の米国特許出願第０７／８８７，３０７号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）は、フィブリルが無秩序に互いに絡まり合って鳥の巣（ｂｉｒｄ ｎｅｓｔ、「ＢＮ」）に似る、フィブリルの絡まったボールを形成している様々な巨視的モルホロジー（走査電子顕微鏡の使用により分かる）を有する集合体として、或いは、まっすぐなカーボンフィブリル乃至僅かに曲がった又はよじれたカーボンフィブリルが実質的に同じ相対的配向を有する束からなり、コーマ糸（ｃｏｍｂｅｄ ｙａｒｎ、「ＣＹ」）の外観を有する（例えば、各フィブリル（個々の曲がり又はよじれに拘わらず）の長軸が束の中の周囲のフィブリルの長軸と同じ方向に延びる）集合体として、或いは、互いに緩く絡まり合って「隙間のある網」（ｏｐｅｎ ｎｅｔ、「ＯＮ」）構造を形成している、まっすぐなカーボンフィブリルないし僅かに曲がった又はよじれたカーボンフィブリルからなる集合体として調製されるフィブリルを記載する。隙間のある網構造では、フィブリルの絡まり度合いは、コーマ糸集合体（この集合体では個々のフィブリルは実質的に同じ相対的配向を有する）において観察されるものより大きいが、鳥の巣の絡まり度合いより小さい。ＣＹ及びＯＮ集合体はＢＮより容易に分散するので、構造全体を通して均一な性質が望まれるコンポジットの製造においてはそれらが有用である。
フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリル直径の２倍未満の距離に広がる場合、グラファイトナノファイバーの炭素面は断面において杉綾模様（ｈｅｒｒｉｇｅ ｂｏｎｅ）の外観になる。これらは魚骨フィブリルと呼ばれる。Ｇｅｕｓの米国特許第４８５５０９１号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）は、熱分解オーバーコートを実質的にもたない魚骨フィブリルの調製方法を提供する。これらのフィブリルもまた本発明の実施において有用である。
触媒により成長した前記フィブリルに似たモルホロジーのカーボンナノチューブが高温カーボンアーク中で成長した（Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ ３５４ ５６ １９９１）。これらのアーク成長ナノファイバーはＴｅｎｎｅｎｔの触媒で成長させた初期のフィブリルと同じモルホロジーを有することが今では一般に認められている（Ｗｅａｖｅｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６５ １９９４）。アーク成長カーボンナノファイバーもまた本発明において有用である。
単層カーボンナノチューブ及びこれらの製造方法が、１９９３年以来、「直径１ｎｍの単殻カーボンナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｅｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｆ １−ｎｍ ｄｉａｍｅｔｅｒ）」，Ｓ Ｉｉｊｉｍａ ａｎｄ Ｔ Ｉｃｈｉｈａｓｈｉ Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３６３，ｐ．６０３（１９９３）、及び「単原子層を有するカーボンナノチューブのコバルト触媒による成長（Ｃｏｂａｌｔ−ｃａｔａｌｙｓｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ−ａｔｏｍｉｃ−ｌａｙｅｒ ｗａｌｌｓ）」，Ｄ Ｓ Ｂｅｔｈｕｎｅ，Ｃ Ｈ Ｋｉａｎｇ，Ｍ Ｓ ＤｅＶｒｉｅｓ，Ｇ Ｇｏｒｍａｎ，Ｒ Ｓａｖｏｙ ａｎｄ Ｒ Ｂｅｙｅｒｓ Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３６３，ｐ．６０５（１９９３）に開示されており、両論文は参照を通じて本明細書に組み込まれる。
単層カーボンナノチューブはまた、Ｍｏｙ他の米国特許第６，２２１，３３０号に開示されており、この特許の内容は参照を通じて本明細書に組み込まれる。Ｍｏｙは、１種又は複数の気体状炭素化合物（各々は１から６個の炭素原子と、ヘテロ原子としてＨ、Ｏ、Ｎ、Ｓ又はＣｌのみを含む）を含む気相混合炭素フィード原料ガス（水素と混合される場合もある）と、分解反応条件下で不安定であり、反応条件下で分解触媒として作用する金属含有触媒を生成する気相金属含有化合物とを最初に生成させること；次いで、前記分解反応を分解反応条件下で実施することによりナノチューブを生成させること；による、１種又は複数の気体状炭素化合物の触媒による分解によって中空の単層カーボンナノチューブを製造する方法を開示する。この発明は、気相金属含有化合物が、気体状炭素源も含む反応混合物に導入される気相反応に関する。炭素源は通常、ヘテロ原子としてＨ、Ｏ、Ｎ、Ｓ又はＣｌを含むＣ１からＣ６の化合物であり、場合によっては水素と混合される。一酸化炭素、又は一酸化炭素及び水素が好ましい炭素フィード原料である。約４００℃から１３００℃の高い反応ゾーン温度、及び約０と約１００ｐｓｉｇとの間の圧力により、気相金属含有化合物の金属含有触媒への分解が引き起こされると考えられている。分解は金属の原子まで、或いは部分的に分解した中間化学種までであり得る。金属含有触媒が、（１）ＣＯの分解を触媒し、（２）ＳＷＮＴの生成を触媒する。こうして、この発明はまた、炭素化合物の触媒分解によるＳＷＮＴの生成にも関する。
米国特許第６，２２１，３３０号の発明は、いくつかの実施形態において、金属含有触媒のエアロゾルが反応混合物に導入されるエアロゾル法を用いることができる。ＳＷＮＴの製造にとってのエアロゾル法の利点は、この方法が均一な大きさの触媒粒子を生成させること、及び、効率的な商業的又は工業的連続生産のためにこのような方法を段階的に拡大することが可能であることである。すでに記載した電気アーク放電及びレーザー堆積法は、経済的見地から、このような商業的又は工業的生産のためにスケールアップされ得ない。この発明において有用な金属含有化合物の例には、金属カルボニル、金属アセチルアセトナート、及び、分解して担持されていない金属触媒を生成する蒸気として分解条件下で導入できる他の材料が含まれる。触媒活性金属には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＭｏが含まれる。モリブデンカルボニル及び鉄カルボニルが、反応条件下で分解して気相触媒を生成できる好ましい金属含有化合物である。これらの金属カルボニルの固体形は、これらが気化する前処理ゾーンに送り込み、触媒の気相前駆体となる。担持されていない触媒にＳＷＮＴを生成させるために２つの方法を使用し得ることが見出された。
第１の方法は揮発性触媒の直接注入である。この直接注入法は、米国特許出願第０８／４５９，５３４号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）に記載されている。揮発性触媒前駆体の直接注入により、モルブデンヘキサカルボニル［Ｍｏ（ＣＯ）６］及びジコバルトオクタカルボニル［Ｃｏ２（ＣＯ）８］触媒を用いてＳＷＮＴが生成することが見出された。２つの材料は室温で固体であるが、環境温度又は環境温度に近い温度で昇華する−このモリブデン化合物は少なくとも１５０℃まで熱的に安定であり、コバルト化合物は分解して昇華する（「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｓｅｓ ｖｉａ Ｍｅｔａｌ Ｃａｒｂｏｎｙｌｓ」（Ｖｏｌ．１，Ｉ．Ｗｅｎｄｅｒ ａｎｄ Ｐ．Ｐｉｎｏ，ｅｄｓ．，Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９６８，ｐ．４０）。
第２の方法は、金属含有化合物を導入するのに気化器を用いる（図１２）。この発明の好ましい実施形態において、図１２に示されている気化器１０は、底から約１インチにシール２４があって第２の隔室を形成する石英サーモウェル（ｔｈｅｒｍｏｗｅｌｌ）２０を備える。この第２隔室は１／４インチの２つの穴２６を有し、これらの穴は開いており反応ガスに曝される。この隔室に触媒は入れられ、次いで、望みの任意の温度で、気化器の炉３２を用いて気化される。この炉は、第１の熱電対２２を用いて制御される。金属含有化合物（好ましくは金属カルボニル）は、その分解点未満の温度で気化され、反応ガスのＣＯ又はＣＯ／Ｈ２が前駆体を反応ゾーン３４（反応ゾーン炉３８及び第２の熱電対４２によって独立して制御される）に押し流す。出願人等は、実施可能性の特定の考えに限定されようとは思わないが、反応器温度で、金属含有化合物は中間体化学種に部分的に分解されるか、又は金属の原子まで完全に分解されるかのいずれかであると考えられる。これらの中間体化学種及び／又は金属の原子は、実際の触媒であるより大きな集合体粒子へと合体する。次いで、粒子は妥当な大きさに成長して、ＣＯの分解を触媒し、またＳＷＮＴの成長も促進する。図１１の装置において、触媒粒子及び得られるカーボンの形のものは、石英ウールのプラグ３６に捕集される。粒子の成長速度は、気相の金属含有中間体化学種の濃度に依存する。この濃度は気化器における蒸気圧（したがってまた温度）によって決まる。濃度が余りに高いと、粒子の成長が早すぎ、ＳＷＮＴ以外の構造が成長する（例えば、ＭＷＮＴ、アモルファスカーボン、たまねぎ状カーボンなど）。米国特許第６，２２１，３３０号の内容の全ては、それに記載されている実施例を含めて、参照を通じて本明細書に組み込まれる。
Ｂｅｔｈｕｎｅ他の米国特許第５，４２４，０５４号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）は、炭素蒸気をコバルト触媒に接触させることによる、単層カーボンナノチューブの製造方法を記載する。炭素蒸気は固体カーボン（アモルファスカーボン、グラファイト、活性炭又は脱色性カーボン或いはこれらの混合物であり得る）の電気アーク加熱により生じる。炭素加熱の他の方法、例えば、レーザー加熱、電子ビーム加熱及びＲＦ誘導加熱が検討されている。
Ｓｍａｌｌｅｙ（Ｇｕｏ，Ｔ．，Ｎｉｋｏｌｅｅｖ，Ｐ．，Ｔｈｅｓｓ，Ａ．，Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．，ａｎｄ Ｓｍａｌｌｙ，Ｒ．Ｅ．，Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２４３：１−１２（１９９５）（参照を通じて本明細書に組み込まれる））は、高温レーザーによってグラファイト棒及び遷移金属が同時に気化される、単層カーボンナノチューブの製造方法を記載する。
Ｓｍａｌｌｅｙ（Ｔｈｅｓｓ，Ａ．，Ｌｅｅ，Ｒ．，Ｎｉｋｏｌａｅｖ，Ｐ．，Ｄａｉ，Ｈ．，Ｐｅｔｉｔ，Ｐ．，Ｒｏｂｅｒｔ，Ｊ．，Ｘｕ，Ｃ．，Ｌｅｅ，Ｙ．Ｈ．，Ｋｉｍ，Ｓ．Ｇ．，Ｒｉｎｚｌｅｒ，Ａ．Ｇ．，Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．，Ｓｃｕｓｅｒｉａ，Ｇ．Ｅ．，Ｔｏｎａｒｅｋ，Ｄ．，Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｊ．Ｅ．，ａｎｄ Ｓｍａｌｌｅｙ，Ｒ．Ｅ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７３：４８３−４８７（１９９６）（参照を通じて本明細書に組み込まれる））もまた、少量の遷移金属を含むグラファイト棒がオーブン中約１２００℃でレーザー気化される、単層カーボンナノチューブの製造方法を記載する。単層ナノチューブが７０％を超える収率で生成すると報告された。
ＳＷＮＴの生成のための担持金属触媒もまた知られている。Ｓｍａｌｌｅｙ（Ｄａｉ．，Ｈ．，Ｒｉｎｚｌｅｒ，Ａ．Ｇ．，Ｎｉｋｏｌａｅｖ，Ｐ．，Ｔｈｅｓｓ，Ａ．，Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．，ａｎｄ Ｓｍａｌｌｅｙ，Ｒ．Ｅ．，Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２６０：４７１−４７５（１９９６）（参照を通じて本明細書に組み込まれる））は、ＣＯからの多層ナノチューブ及び単層ナノチューブの両方の成長のための担持Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｏ触媒、並びにこれらの生成について提案されたメカニズムを記載する。
１９８９年５月１５日に出願されたＭｃＣａｒｔｈｙ他の米国特許出願第３５１，９６７号（参照を通じて本明細書に組み込まれる）は、フィブリルを、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ３）を含む酸化剤に、フィブリル表面を酸化するのに十分な反応条件（例えば、時間、温度、及び圧力）下に接触させることを含む、カーボンフィブリル表面の酸化方法を記載する。ＭｃＣａｒｔｈｙ他の方法により酸化されたフィブリルは不均一に酸化されている、すなわち、炭素原子がカルボニル、アルデヒド、ケトン、フェノール及び他のカルボニル基の混合体により置換されている。
フィブリルはまた、硝酸による処理によっても不均一に酸化された。国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９４／１０１６８は、官能基の混合体を含む酸化されたフィブリルの生成を開示する。Ｈｏｏｇｅｎｖａａｄ Ｍ．Ｓ．他（不均一触媒の調製のための科学的基礎についての第６回国際会議（Ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）（ベルギー、ブリュッセル、１９９４年９月）で提出された、「新規カーボン担体に担持された金属触媒（Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｏｎ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ）」）も、フィブリル担持貴金属の調製において、フィブリル表面を最初に硝酸により酸化することが有益であることを見出した。酸によるこのような前処理は、カーボン担持貴金属触媒の調製における標準的なステップであり、この場合、このようなカーボンの通常の原料を考えれば、このステップはそれを官能基化するのと同じ程度に、表面から望ましくない材料を取り除く役目を果たす。
公開された文献において、ＭｃＣａｒｔｈｙとＢｅｎｉｎｇ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ ＡＣＳ Ｄｉｖ．ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍ．３０（１）４２０（１９９０））は、酸化されたフィブリルの誘導体を、酸化による様々な基をその表面が含むことを示すために、調製した。彼らが調製した化合物（フェニルヒドラゾン、ハロ芳香族エステル、タリウム塩など）は、これらが、例えば、明るく着色しているか、又は他の何らかの容易に確認及び区別される強いシグナルを示していて、分析に向いているために選択された。これらの化合物は単離されなかったが、本明細書に記載される誘導体と異なり、実用的な意義はない。
上で参照された特許及び特許出願に記載されているように、カーボンフィブリル及びカーボンフィブリルの集合体について多くの用途が見出されたが、フィブリルの表面が官能基化されれば、多くの異なる重要な用途が開発され得る。官能基化は、均一であっても不均一であっても、官能基化フィブリルと様々な基材との相互作用を可能にして独特の性質をもつ独特の構成物（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｔｅｒ）を生成し、またフィブリル表面の官能性サイトの間の連結に基づいてフィブリル構造体を生み出すことを可能にする。
したがって、本発明の主な目的は、５ナノメートル未満の直径を有する官能基化単層カーボンナノチューブ、すなわち、表面に結合した官能性化学原子団を有するように均一又は不均一に表面が修飾された単層カーボンナノチューブを提供することである。
本発明の関連するさらなる目的は、表面が酸化性媒体又は他の化学媒体との反応によって官能基化された、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを提供することである。
本発明の関連するさらなる目的は、化学反応によるか、又はそれら自体化学反応性を有する化学種の物理吸着によるかのいずれかで表面が均一に修飾された、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを提供することである。
本発明のさらなる目的は、表面が例えば酸化によって修飾され、次いで、これらの表面が官能基との反応によってさらに修飾された、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを提供することである。
本発明の関連するさらなる目的は、単層カーボンナノチューブが様々な基材の化学基と化学反応できるか、又は物理的に結合できるように、多様な官能基により表面が修飾されている、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを提供することである。
本発明の関連するさらなる目的は、単層カーボンナノチューブ上の官能基を様々なリンカー化学によって互いに架橋することによって、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブ複合構造体を提供することである。
本発明の関連するさらなる目的は、フィブリル表面の化学修飾のための方法、及び、フィブリルの表面に結合した官能性原子団をそれぞれの場合にもたせるように、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面に化学種を物理的に吸着させる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、５ナノメートル未満の直径を有する官能基化単層カーボンナノチューブに基づく新たな組成物を提供することである。
本発明は、広く次の式を有する組成物を対象とし、
Figure 2008513318
式中、ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、Ｒ’ＣＨＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
Figure 2008513318
Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、
ｙは３以下の整数であり、
Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、又はアラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）であり、
Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル、フルオロアラルキル又はシクロアリールであり、
Ｘはハライドであり、
Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである。
炭素原子、Ｃｎは実質的に一定の直径の、実質的に円柱状のグラファイトナノチューブの表面炭素である。ナノチューブには、長さ：直径の比が５を超え、０．５μ未満、好ましくは０．１μの直径を有するものが含まれる。ナノチューブはまた、熱分解による堆積カーボンを実質的にもたない、実質的に円柱状のグラファイトナノチューブ、より好ましくは、フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリル直径の少なくとも２倍の距離に及ぶことにより特徴付けられるもの、及び／又は、グラファイトシートのｃ軸が円柱軸に実質的に直交する円柱状グラファイトシートを有するものであり得る。好ましい実施形態において、炭素原子Ｃｎは、実質的に円柱状で、実施的に一定の直径の、或いは５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素である。最も好ましくは、炭素原子Ｃｎは、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面原子である。これらの組成物は各Ｒが同じであるという点で均一である。
不均一に置換されたナノチューブもまた調製される。これらには次の式の構成物が含まれ、
Figure 2008513318
式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ及びナノチューブ自体は上で定義された通りであるが、但し、Ｒの各々は酸素を含まないか、或いは、Ｒの各々が酸素含有基である場合ＣＯＯＨは存在しない。
次の式を有し、
Figure 2008513318
式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ及びＲ’が上と同じ意味を有し、炭素原子が、長さ：直径の比が５を超える魚骨フィブリルの表面炭素原子であるか、或いは、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの炭素原子である、官能化ナノチューブもまた本発明に含まれる。これらは、均一に、又は不均一に置換されていてもよい。好ましくは、ナノチューブはサーマルオーバーコートをもたず、０．５μ未満の直径を有する。
本発明にやはり含まれるのは、次の式を有する官能基化ナノチューブであり、
Figure 2008513318
式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ’及びＲは、上と同じ意味を有する。炭素原子Ｃｎは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径のグラファイトナノチューブの表面炭素である。ナノチューブは５を超える長さ：直径の比と、０．５μ未満、好ましくは０．１μ未満の直径を有する。ナノチューブは熱分解による堆積カーボンを実質的に持たないナノチューブであり得る。さらに、ナノチューブは、フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリルの直径の少なくとも２倍の距離に及ぶもの、及び／又は、グラファイトシートのｃ軸が円柱軸に実質的に直交している円柱状グラファイトシートを有するものである。好ましい実施形態において、炭素原子Ｃｎは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径を有するか、或いは５ナノメートル以下の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素である。最も好ましくは、炭素原子Ｃｎは、５ナノメートル以下の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面原子である。
均一及び不均一置換ナノチューブのいずれにおいても、表面原子Ｃｎが反応している。グラファイトフィブリル表面層のほとんどの炭素原子は、グラファイトにおけるように、基底面の炭素である。基底面炭素は化学的攻撃に対して比較的不活性である。例えばグラファイト面がフィブリルの回りに完全に及んでいない欠陥サイトで、グラファイト面の端部炭素原子に似た炭素原子がある（端部及び基底面炭素の検討については、Ｕｒｒｙの「Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ」（Ｗｉｌｅｙ、ニューヨーク、１９８９年）を参照）。
欠陥サイトで、ナノチューブの、より下の内部層の端部又は基底面炭素は露出していることがある。表面炭素という用語には、ナノチューブの最外層の基底面及び端部の炭素の全て、並びに最外層の欠陥サイトで露出していることがある、より下の層の基底面及び／又は端部の炭素が含まれる。端部の炭素は反応性であり、炭素の原子価を満たすために何らかのヘテロ原子又は基を含んでいなければならない。
前記置換ナノチューブは、有利には、さらに官能基化され得る。
このような組成物には、次の式の構成物が含まれ、
Figure 2008513318
式中、炭素原子は前記ナノチューブの表面炭素であり、ｎ、Ｌ及びｍは前記の通りであり、
Ａは以下から選択され、
Figure 2008513318
Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−ＮＲ’２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’ＳｉＲ’３、
Figure 2008513318
Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
Figure 2008513318
（Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、
Figure 2008513318
から選択され、
ｗは、１より大きく２００未満の整数である。炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で、実質的に一定の直径のグラファイトナノチューブの表面炭素である。ナノチューブには、５を超える長さ：直径の比、及び０．１μ未満、好ましくは０．０５μの直径を有するものが含まれる。ナノチューブはまた、熱分解による堆積カーボンを実質的にもたず、実質的に円柱状のグラファイトナノチューブであり得る。より好ましくは、ナノチューブは、フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリル直径の少なくとも２倍に及ぶことにより特徴付けられ、及び／又は、ナノチューブは、グラファイトシートのｃ軸が円柱軸に実質的に直交している円柱状グラファイトシートからなる。好ましくは、ナノチューブはサーマルオーバーコートをもたず、０．５μ未満の直径を有する。さらに、ナノチューブは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径の、或いは５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブであり得る。最も好ましくは、炭素原子Ｃｎは、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面原子である。
次の構造、
Figure 2008513318
の官能性ナノチューブはまた、次の式を有する組成物を製造するために官能基化され得る。
Figure 2008513318
（式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ’及びＡは上で定義された通りである。）炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で実質的に一定の直径のグラファイトナノチューブの表面炭素である。ナノチューブには、５を超える長さ：直径の比、及び０．５μ未満、好ましくは０．１μ未満の直径を有するものが含まれる。ナノチューブはまた、熱分解による堆積カーボンを実質的にもたず、実質的に円柱状のグラファイトナノチューブであり得る。より好ましくは、これらは、フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリル直径の少なくとも２倍に及ぶことにより、及び／又は、グラファイトシートのｃ軸が円柱軸に実質的に直交している円柱状グラファイトシートを有することにより特徴付けられる。好ましくは、ナノチューブはサーマルオーバーコートをもたず、０．５μ未満の直径を有する。さらに、ナノチューブは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径の、或いは５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブであり得る。最も好ましくは、炭素原子Ｃｎは、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面原子である。
本発明の組成物にはまた、特定の環状化合物が吸着したナノチューブも含まれる。これらには、次の式の組成物が含まれ、
Figure 2008513318
式中、ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満であり、ａはゼロ又は１０未満の数であり、Ｘは多核芳香族、多核複素芳香族又は金属多核複素芳香族（ｍｅｔａｌｌｏｐｏｌｙｈｅｔｒｏｎｕｃｌｅａｒ ａｒｏｍａｔｉｃ）原子団であるか、或いは平面の金属テトラチオオキサラート（ｔｅｔｒａｔｈｉｏｏｘａｌａｔｅ）であり、Ｒは上に列挙された通りである。炭素原子Ｃｎは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径のグラファイトナノチューブの表面炭素である。ナノチューブには、５を超える長さ：直径の比、及び０．５μ未満、好ましくは０．１μ未満の直径を有するものが含まれる。ナノチューブはまた、熱分解による堆積カーボンを実質的にもたず、実質的に円柱状のグラファイトナノチューブであってよく、より好ましくは、フィブリル軸へのグラファイト層の投影がフィブリル直径の少なくとも２倍に及ぶことにより特徴付けられるもの、及び／又は、グラファイトシートのｃ軸が円柱軸に実質的に直交している円柱状グラファイトシートを有するものであり得る。好ましくは、ナノチューブはサーマルオーバーコートをもたず、０．５μ未満の直径を有する。さらに、ナノチューブは、実質的に円柱状で、実質的に一定の直径の、或いは５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブであり得る。最も好ましくは、炭素原子Ｃｎは、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面原子である。
好ましい環状化合物は、ＣｏｔｔｏｎとＷｉｌｋｉｎｓｏｎの「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」の７６ページに記載されている平面状マクロサイクルである。吸着のためにより好ましい環状化合物は、ポルフィリン及びフタロシアニン、或いは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ又はＡｇのテトラチオオキサラート（ｔｅｔｒａｔｈｉｏｘａｌａｔｅ）である。
本発明の組成物にはまた、特定の平面芳香族化合物がその層壁に吸着されている、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブが含まれる。吸着された分子がそれら自体官能基化されていれば、この場合、側壁はそれらの物理的構造を含まないで、効果的に官能基化される。次いで、官能基化単層カーボンナノチューブはさらに加熱されても、或いは脱着を防ぐために吸着分子が部分的熱分解を受けてもよい。（溶解性を低下させるための）架橋又はオリゴマー化のような、吸着分子を固定する他のメカニズムが用いられてもよい。吸着のための好ましい平面芳香族化合物には、ポルフィリン及びフタロシアニン、或いは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ又はＡｇのテトラチオオキサラートが含まれる。
吸着された環状化合物は官能基化され得る。このような組成物には、次の式の化合物が含まれ、
Figure 2008513318
式中、ｍ、ｎ、Ｌ、ａ、Ｘ及びＡは、上で定義された通りであり、炭素は、前記実質的に円柱状のグラファイトナノチューブ又は単層カーボンナノチューブの表面炭素である。
前記のように官能基化されたカーボンフィブリルは、マトリックスに組み入れられ得る。好ましくは、このマトリックスは、有機高分子（例えば、エポキシ、ビスマレイミド、ポリアミド、若しくはポリエステル樹脂のような熱硬化性樹脂；熱可塑性樹脂；反応射出成形樹脂；又は天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、若しくはシス−１，４−ポリブタジエンのようなエラストマー）；無機高分子（例えば、ガラスのような高分子無機酸化物）、金属（例えば、鉛若しくは銅）、或いはセラミック材料（例えば、ポルトランドセメント）である。フィブリルが組み入れられたマトリックスから、ビーズが形成され得る。別法として、官能基化フィブリルを官能基化されたビーズの外側表面に付けることができる。
特定の理論に拘束されないが、修飾表面の性質は高分子により適合性があるために、或いは、修飾官能基（特に、ヒドロキシル又はアミン基）は末端基として高分子に直接結合するために、官能基化フィブリルは高分子系によりよく分散する。このようにして、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエステル又はポリアミド／イミドのような高分子系はフィブリルに直接結合して、フィブリルをより分散し易くし、付着は強固になる。
本発明はまた、カーボンフィブリルを強い酸化剤に、前記フィブリルの表面を酸化するのに十分な時間接触させること、及び酸化された表面に官能基を付け加えるのに適する反応物に前記フィブリルをさらに接触させることによる、カーボンフィブリルの表面に官能基を導入する方法にある。本発明の好ましい実施形態において、酸化剤は強酸中のアルカリ金属塩素酸塩の溶液からなる。本発明の他の実施形態において、アルカリ金属塩素酸塩は、塩素酸ナトリウム又は塩素酸カリウムである。好ましい実施形態において、用いられる強酸は硫酸である。酸化にとって十分な時間は約０．５時間から約２４時間である。
さらなる好ましい実施形態において、式
Figure 2008513318
（式中、ｎ、Ｌ、Ｒ’及びｍは前記の通りである）を有する組成物が、Ｒ’ＣＨ２ＯＨとナノチューブの表面炭素とを過酸化ベンゾイルのようなフリーラジカル開始剤の存在下で反応させることによって生成される。
本発明はまた、ＮＨＳエステルとタンパク質のアミノ基との間に共有結合を生成させることによる、ＮＨＳエステルにより修飾されたナノチューブにタンパク質を連結させるための方法にある。
本発明はまた、カーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブを、カーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブの表面を酸化するのに十分な時間、酸化剤に接触させること、表面が酸化されたカーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブを、これらのカーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブの表面に官能基を付け加えるのに適する反応物に接触させること、及び、表面官能化フィブリルを、カーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブのネットワークを生成させるのに効果的な架橋剤にさらに接触させることを含む、カーボンフィブリル又は単層カーボンナノチューブのネットワーク生成方法にある。好ましい架橋剤はポリオール、ポリアミン又はポリカルボン酸である。
官能基化されたフィブリル又は単層カーボンナノチューブはまた、堅い（ｒｉｇｉｄ）フィブリルネットワーク又は単層カーボンナノチューブネットワークを調製するのに有用である。よく分散した酸官能基化フィブリル又は単層カーボンナノチューブの３次元ネットワークは、例えば、ポリオール又はポリアミンにより酸性基を架橋（フィブリル間：ｉｎｔｅｒ−ｆｉｂｒｉｌ）して堅いネットワークを生成させることによって安定化され得る。
本発明はまた、本発明の官能基化フィブリル又は単層カーボンナノチューブを架橋することによって生成する３次元ネットワークも含む。これらの複合体は、まっすぐな結合又は化学原子団を含むリンカーの１つ又は複数により連結された少なくとも２つの官能基化フィブリル又は単層カーボンナノチューブを含む。これらのネットワークは著しく均一で等しい細孔径の多孔質媒体を含む。これらは、吸着剤、触媒担体及び分離媒体として有用である。
これらのフィブリル又は単層カーボンナノチューブの間の隙間は大きさにおいても形状においても不規則であり、これらは細孔と考えることができ、多孔質媒体の特性評価に用いられる方法により特徴付けることができる。このようなネットワークにおける隙間の大きさは、フィブリルの濃度及び分散度合い、並びに架橋剤の濃度及び鎖長によって制御できる。このような材料は構造がある触媒担体として働き、特定の大きさの分子を排除するか又は含むように合わせて作ることができる。通常の工業用触媒以外に、これらには、生体触媒のための大きな細孔の担体として特別な用途がある。
堅いネットワークはまた、分子認識のためのバイオミメティックシステムにおける骨格として役立ち得る。このようなシステムは、米国特許第５，１１０，８３３号及び国際特許公開番号ＷＯ９３／１９８４４に記載されている。クロスリンカー及び複合化剤の適切な選択により、特定の分子の骨組みの安定化が可能になる。
ナノチューブを官能基化する方法
均一に官能基化された本発明のフィブリルは、スルホン化、脱酸素化されたフィブリル表面への求電子付加又はメタレーションにより直接調製できる。アークにより成長したナノファイバーが用いられる場合、ナノファイバーは、官能基化の前に徹底的に浄化される必要があり得る。Ｅｂｂｅｓｅｎ等（Ｎａｔｕｒｅ ３６７ ５１９（１９９４））はこのような浄化の手順を記載する。
好ましくは、カーボンフィブリルは、それらを官能基化剤（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｉｎｇ ａｇｅｎｔ）に接触させる前に処理される。このような処理は、フィブリルを溶媒に分散させることを含む。いくつかの場合には、次に、カーボンフィブリルはさらなる接触の前に、濾過され乾燥されてもよい。
１．スルホン化
背景となる技術は、Ｍａｒｃｈ，Ｊ．Ｐ．の「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」（第３版、Ｗｉｌｅｙ、ニューヨーク、１９８５年）、Ｈｏｕｓｅ，Ｈ．の「Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ」（第２版、Ｂｅｎｊａｍｉｎ／Ｃｕｍｍｉｎｇｓ、Ｍｅｎｌｏ Ｐａｒｋ、カリフォルニア州、１９７２年）に記載されている。
活性化されたＣ−Ｈ（芳香族のＣ−Ｈを含めて）結合は、発煙硫酸（オレアム、２０％に達するＳＯ３を含む濃硫酸溶液である）を用いてスルホン化できる。通常の方法は、オレアムを用いる、Ｔ−８０℃での液相による。しかし、活性化Ｃ−Ｈ結合はまた、不活性な非プロトン性溶媒中のＳＯ３、又は気相のＳＯ３を用いてもスルホン化できる。この反応は次の通りである。
Figure 2008513318
過反応により、次の反応に従ってスルホンが生成する。
Figure 2008513318
（実施例１）
硫酸を用いるＣ−Ｈ結合の活性化
反応を気相中及び溶液中で実施し、結果にそれ程の違いはなかった。気相反応をリンドバーグ炉（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ ｆｕｒｎａｃｅ）により加熱した水平石英管反応器において実施した。濃Ｈ２ＳＯ４中２０％のＳＯ３を含み、ガス入口／出口管を備える多口フラスコを、ＳＯ３源として用いた。
磁器製ボート中の秤量したフィブリル試料（ＢＮ又はＣＣ）を、ガス入口を取り付けた１インチ管に入れた。出口は、濃Ｈ２ＳＯ４バブラートラップに接続した。反応器を通してアルゴンによるフラッシングを２０分間行なって全ての空気を除去し、試料を３００℃に１時間加熱して残留水分を除去した。乾燥後に、温度をアルゴンの下で反応温度に調節した。
所望の温度で安定させ、ＳＯ３源を反応管に接続し、アルゴンの流れを用いてＳＯ３蒸気を石英管反応器に送った。所望の温度で所望の時間、反応を実施し、その後、アルゴンを流しながら反応器を冷却した。次いで、フィブリルを５インチＨｇの真空で、９０℃で乾燥して乾燥重量増を求めた。スルホン酸（−ＳＯ３Ｈ）含量を、０．１００ＮのＮａＯＨと反応させ、終点としてｐＨ６．０を用いて０．１００ＮのＨＣｌにより逆滴定することによって求めた。
液相反応を、温度計／温度制御装置及び磁気撹拌装置を備えた１００ｃｃ多口フラスコ内の、２０％のＳＯ３を含む濃硫酸中で実施した。濃Ｈ２ＳＯ４（５０）中のフィブリルスラリーをフラスコに入れた。オレウム溶液（２０ｃｃ）を約−６０℃に予熱し、その後反応器に加えた。反応後、酸スラリーを砕いた氷に注ぎ、直ちに１ＬのＤＩ水で稀釈した。固体を濾過し、洗浄流出液のｐＨに変化がなくなるまでＤＩ水で徹底的に洗った。フィブリルを５インチＨｇの真空で（５″Ｈｇ ｖａｃｕｕｍ）、１００℃で乾燥した。濾過での移動ロスのために、正確な重量増を得ることができなかった。結果は表１に列挙されている。
Figure 2008513318
気相又は液相における反応によってスルホン酸含量にそれ程の違いはなかった。温度効果があった。より高い温度の反応（気相）がより多量のスルホンを生じる。１１８−６１Ｂにおいて、４．２ｗｔ％の重量増はスルホン酸含量に一致していた（計算では０．５１ｍｅｑ／ｇであった）。実験６０Ａ及び６１Ａでは、重量増はスルホン酸含量によってだけ説明するには大きすぎた。したがって、かなりの量のスルホンもまた生成したと推測した。
２．酸化物フリーフィブリル表面への付加
背景技術は、Ｕｒｒｙ，Ｇ．の「Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ」（Ｗｉｌｅｙ、ニューヨーク、１９８９年）に記載されている。
フィブリルの表面炭素はグラファイトのように振舞う、すなわち、それらは基底面及び端部炭素の両方を含む６角形シートとして配列されている。基底面炭素は、化学的攻撃に対して比較的不活性であり、端部の炭素は反応があり、炭素の原子価を満たすために何らかのヘテロ原子又は基を含んでいなければならない。フィブリルはまた、表面欠陥サイトを有し、これらのサイトは基本的に端部炭素でありヘテロ原子又は基を含む。
フィブリルの表面炭素に結合している最も普通のヘテロ原子は水素（製造の間の主な気体成分）、酸素（反応性が高いために、また痕跡量の酸素は防ぐのが非常に難しいという理由で）、及びＨ２Ｏ（触媒のせいで常に存在する）である。真空中約１０００℃での熱分解により、機構は知られていないが化学量論は知られている複雑な反応で表面は脱酸素化される。生成物は、２：１の比で、ＣＯとＣＯ２である。得られるフィブリルの表面は、活性オレフィンに対して非常に反応性のある、Ｃ１〜Ｃ４が連なったラジカルを含む。この表面は真空中で又は不活性ガスの存在下で安定であるが、反応性ガスに曝されるまで高い反応性を保持する。こうして、フィブリルは、約１０００℃で、真空中又は不活性雰囲気中で熱分解され、これらと同じ条件下で冷却され、より低温で適切な分子と反応して安定な官能基を生成できる。典型的な例は次の通りである。
Figure 2008513318
これに続いて、
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
（式中、Ｒ’は炭化水素基（アルキル、シクロアルキルなど）である。）
（実施例２）
アクリル酸を酸化物フリーフィブリル表面と反応させることによる官能基化フィブリルの調製
磁器製ボート中の１グラムのＢＮフィブリルを、熱電対を備える水平１インチ石英管に入れ、リンドバーグ炉内に置く。端部をガス入口／出口に取り付ける。脱酸素化した乾燥アルゴンによるパージングを管に１０分間行ない、その後、炉の温度を３００℃に上げ、３０分間保つ。その後、アルゴンを続けて流したまま、温度を１００℃ずつ１０００℃まで上げ、その温度で１６時間保つ。この時間の最後に、アルゴンを流しながら管を室温（ＲＴ）まで冷却する。次いで、アルゴンの流れを、ガス入口／出口を備え、５０℃で混ぜ物のない精製アクリル酸が入った多口フラスコを通過するように迂回させる。ＲＴでアクリル酸／アルゴン蒸気を６時間流し続ける。この時間の最後に、最初にアルゴンによるパージングを行ない、次いで、＜５インチの真空で、１００℃で真空乾燥を行なうことによって、未反応の残留アクリル酸を除去する。カルボン酸含量を、過剰の０．１００ＮのＮａＯＨと反応させ、ｐＨ７．５の終点まで０．１００ＮのＨＣｌで逆滴定することによって求める。
（実施例３）
アクリル酸を酸化物フリーフィブリル表面と反応させることによる官能化フィブリルの調製
熱分解と冷却を１０−４Ｔｏｒｒの真空で実施する以外は、上の手順と同様の手順を繰り返す。前の手順におけるように、精製アクリル酸蒸気をアルゴンにより稀釈する。
（実施例４）
マレイン酸を酸化物フリーフィブリル表面と反応させることによる官能化フィブリルの調製
ＲＴの反応物が、８０℃の溶けたＭＡＮ浴にアルゴンガスを通すことによって反応器に供給される精製無水マレイン酸（ＭＡＮ）である以外は、実施例２の手順を繰り返す。
（実施例５）
アクリロイルクロライドを酸化物フリーフィブリル表面と反応させることによる官能基化フィブリルの調製
ＲＴの反応物が、２５℃の混ぜ物のないアクリロイルクロライド上にアルゴンガスを通すことによって反応器に供給される精製アクリロイルクロライドである以外は、実施例２の手順を繰り返す。酸クロライド含量は、過剰の０．１００ＮのＮａＯＨを反応させて０．１００ＮのＨＣｌで逆滴定することによって求める。
真空におけるフィブリルの熱分解はフィブリル表面を脱酸素化する。ＴＧＡ装置では、真空又は精製アルゴン流のいずれにおいても、１０００℃での熱分解により、ＢＮフィブリルの３試料で、平均３％の重量減少が生じる。ガスクロマトグラフィー分析では、ＣＯ及びＣＯ２だけが約２：１の比でそれぞれ検出された。得られた表面は非常に反応性であり、活性オレフィン（例えば、アクリル酸、アクリロイルクロライド、アクリルアミド、アクロレイン、無水マレイン酸、アリールアミン、アリールアルコール又はハロゲン化アリール）は室温でさえも反応して、活性オレフィンに結合していた官能基だけを含むクリーンな生成物を生じる。こうして、カルボン酸だけを含む表面がアクリル酸又は無水マレイン酸との反応によって、酸クロライドだけを含む表面がアクリロイルクロライドとの反応によって、アルデヒドだけを含む表面がアクロレインから、ヒドロキシルだけを含む表面がアリールアルコールから、アミンだけを含む表面がアリールアミンから、またハロゲンだけを含む表面がハロゲン化アリールから、入手可能である。
３．メタレーション
背景技術は、Ｍａｒｃｈの「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」（第３版）の５４５ページに記載されている。
芳香族のＣ−Ｈ結合は、様々な有機金属試薬によりメタレーションを受けて、炭素−金属結合（Ｃ−Ｍ）を生成できる。Ｍは通常、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ａｌ、又はＴｌであるが、他の金属もまた使用できる。最も簡単な反応は、活性化された芳香族水素の直接置換による。
Figure 2008513318
この反応は、カリウムｔ−ブトキシド又はキレート性ジアミンのような強い塩基を、さらに必要とすることもある。非プロトン性溶媒（パラフィン、ベンゼン）が必要である。
Figure 2008513318
Figure 2008513318
メタレーションによる誘導体は、主として一様に官能化されたフィブリルの例である。しかし、これらは、さらに反応して主として一様に官能化された他のフィブリルを与えることができる。いくつかの反応は、中間体を分離することなく同じ装置で逐次的に実施できる。
Figure 2008513318
（実施例６）
フィブリル−Ｌｉの調製
１グラムのＣＣフィブリルを磁器製ボートに入れ、リンドバーグ管炉に囲まれた１インチの石英管反応器に挿入する。管の端部にガス入口／出口を取り付ける。Ｈ２を連続的に流しながら、フィブリルを７００℃に２時間加熱して、表面の酸素化物を全てＣ−Ｈ結合に変換する。次いで、Ｈ２を流しながら反応器をＲＴに冷却する。
水素で処理したフィブリルを、脱酸素化した乾燥（ＬｉＡｌＨ４により）ヘプタンを用いて、精製アルゴンによるパージング系（全ての空気を除去し不活性雰囲気を保つためのもの）、冷却器、磁気撹拌装置、及びラバーセプタム（これを通して液体を注射器により添加できる）を備える１リットルの多口丸底フラスコに移す。アルゴン雰囲気下に、ヘプタン中５ｍｍｏｌのブチルリチウムを含む２％溶液を注射器により加え、スラリーを穏やかに還流させながら４時間撹拌する。この時間の最後に、アルゴン雰囲気のグローブボックス内でフィブリルを重力濾過により分離し、フィルター上で脱酸素化した乾燥ヘプタンにより数回洗う。ストップコックを備える５０ｃｃ丸底フラスコにフィブリルを移し、１０−４ｔｏｒｒの真空下に５０℃で乾燥する。リチウムの濃度を、フィブリル試料をＤＩ水中で過剰の０．１００ＮのＨＣｌと反応させ、０．１００ＮのＮａＯＨによりｐＨ５．０の終点まで逆滴定することにより求める。
（実施例７）
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２の調製
１グラムのＣＣフィブリルを実施例５におけるように水素で処理し、ＨＴＦＡ（乾燥アルゴンにより繰り返しパージングを行なうことによって脱気したもの）と共に多口フラスコに入れる。ＨＴＦＡ中５ｍｍｏｌのＴｌ（ＴＦＡ）３の５％溶液を、ラバーセプタムを通してフラスコに加え、スラリーを穏やかに還流させながら６時間撹拌する。反応後、フィブリルを捕集し実施例１のようにして乾燥する。
（実施例８）
フィブリル−ＯＨの調製
（ＯＨ官能基だけを含む酸素化誘導体）
実施例６において調製した１．５ｇのリチウム化フィブリルを、アルゴン雰囲気のグローブバッグ内で、脱酸素化した乾燥ヘプタンを用いて、ストップコック及び磁気撹拌子を備える５０ｃｃの１つ口フラスコに移す。フラスコをグローブバッグから取り出し、磁気撹拌装置で撹拌する。次いで、ストップコックを空気中で開き、スラリーを２４時間撹拌する。この時間の最後に、フィブリルを濾過により分離し、ＭｅＯＨ水溶液で洗い、５インチの真空（５″ｖａｃｕｕｍ）で、５０℃で乾燥する。ＯＨ基の濃度を、８０℃で無水酢酸のジオキサン標準溶液（０．２５２Ｍ）と反応させてＯＨ基を酢酸エステルに変換し、そうすることで、１当量の酢酸／反応した１モルの無水物を放出させることによって求める。全酸含量（遊離の酢酸及び未反応の無水酢酸）を、０．１００ＮのＮａＯＨをｐＨ７．５の終点まで滴定して求める。
（実施例９）
フィブリル−ＮＨ２の調製
１グラムのタリウム化（ｔｈａｌｌａｔｅｄ）フィブリルを実施例７におけるようにして調製する。このフィブリルをジオキサン中スラリー化し、ジオキサンに溶けた０．５ｇのトリフェニルホスフィンを加える。スラリーを５０℃で数分間撹拌し、その後、５０℃でアンモニアガスを３０分間加える。次いで、フィブリルを濾過により分離し、ジオキサンで、次にＤＩ水で洗い、５インチの真空で、８０℃で乾燥する。アミンの濃度を、過剰の無水酢酸と反応させ、遊離の酢酸と未反応無水物とを、０．１００ＮのＮａＯＨで逆滴定することにより求める。
４．誘導体化された多核芳香族、多核複素芳香族及び平面マクロサイクル化合物
フィブリルのグラファイト表面は芳香族化合物を物理吸着できる。吸引力はファンデルワールス力による。これらの力は、多環複素核芳香族化合物とグラファイト表面の基底面炭素との間ではかなりのものである。脱着は、競合的な表面吸着が可能であるか、或いは吸着物が大きな溶解性を有する条件下で起こり得る。
例えば、フィブリルはフタロシアニン誘導体の吸着により官能化され得ることが見出された。次いで、これらのフタロシアニン誘導体フィブリルはタンパク質固定化のための担体として使用され得る。単にフタロシアニンの様々な誘導体を選ぶことによって、様々な化学基がフィブリル表面に導入され得る。
タンパク質固定化のためのフタロシアニン誘導体フィブリルの使用には、タンパク質固定化の従来技術の方法を凌ぐ相当な利点がある。特に、それは共有結合による修飾より簡単である。さらに、フタロシアニン誘導体フィブリルは大きな表面積を有し、広い範囲の温度及びｐＨに渡ってほとんど如何なる種類の溶媒中でも安定である。
（実施例１０）
フィブリルへのポルフィリン及びフタロシアニンの吸着
フィブリルへの物理吸着にとって好ましい化合物は、グラファイト又はカーボンブラックに強く吸着されることが知られている誘導体化ポルフィリン又はフタロシアニンである。いくつかの化合物、例えば、テトラカルボン酸ポルフィリン、コバルト（ＩＩ）フタロシアニン又はジリチウムフタロシアニンが入手可能である。後者の２つはカルボン酸の形に誘導体化できる。
ジリチウムフタロシアニン
一般に、２つのＬｉ＋イオンは、ほとんどの金属（特に多原子価の金属）錯体によってフタロシアニン（Ｐｃ）基から追い出される。したがって、不活性（ｎｏｎ−ｌａｂｉｌｅ）配位子に結合した金属イオンによるＬｉ＋イオンの置換は、フィブリル表面に安定な官能基を配置する方法である。ほとんど全ての遷移金属錯体は、Ｌｉ＋をＰｃから追い出して、安定な不活性キレートを生成する。この場合、肝心な点はこの金属を適切な配位子と結合させることである。
コバルト（ＩＩ）フタロシアニン
コバルト（ＩＩ）錯体はこれに特に適している。Ｃｏ＋＋イオンは２つのＬｉ＋イオンに取って代って非常に安定なキレートを生成できる。次いで、Ｃｏ＋＋イオンはニコチン酸（カルボン酸ペンダント基を有するピリジン環を含む）のような配位子に配位結合でき、優先的にピリジン基に結合することが知られている。過剰のニコチン酸の存在下で、Ｃｏ（ＩＩ）Ｐｃは、Ｃｏ（ＩＩＩ）Ｐｃへ電気化学的に酸化されて、ニコチン酸のピリジン原子団と不活性錯体を生成し得る。こうして、ニコチン酸配位子の遊離カルボン酸基がフィブリル表面に強固に結合する。
他の適切な配位子は、アミノピリジン又はエチレンジアミン（ペンダントＮＨ２）、メルカプトピリジン（ＳＨ）、或いは１つの端にアミノ−又はピリジル−原子団のいずれかを、また他の端に任意の望ましい官能基を含む別の多官能性配位子である。
ポルフィリン又はフタロシアニンの担持容量は、これらが段階的に加えられた時の、溶液の脱色により決めることができる。溶液の濃い色（ＭｅＯＨ中のテトラカルボン酸ポルフィリンでは濃いピンク色、アセトン又はピリジン中のＣｏ（ＩＩ）又はジリチウムフタロシアニンでは暗い青色−緑色）は、分子がフィブリルの黒い表面への吸着によって除去されるにつれて脱色される。
担持容量をこの方法により見積もり、これらの近似的測定から誘導体の吸着時占有面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）を計算した（約１４０平方オングストローム）。２５０ｍ２／ｇのフィブリルに対する平均表面積で、最大の担持は約０．３ｍｍｏｌ／ｇであろう。
テトラカルボン酸ポルフィリンを滴定により分析した。吸着の安定性を、室温及び高温での水系における色の放出によって試験した。
最初にフィブリルスラリーを混合し（ワーリングブレンダー）、担持させている間撹拌した。色がもはや薄くならなくなった後、いくつかのスラリーに超音波をかけたが、影響はなかった。
担持させた後、実験１６９−１１、−１２、−１４及び−１９−１（表２を参照）を、同じ溶媒中で洗って閉じ込められた顔料を除去した。全てで、洗浄流出物は連続的な薄い色になったので、飽和点を正確に求めることは困難であった。実験１６８−１８及び−１９−２では、担持のために計算量の顔料を用い、担持の後、非常に軽く洗浄しただけであった。
さらなる特性評価のために、テトラカルボン酸ポルフィリン（アセトンから）及びＣｏフタロシアニン（ピリジンから）をフィブリルに担持させた（それぞれ、実験１６９−１８及び−１９−２）。
テトラカルボン酸ポルフィリンの分析
過剰の塩基（ｐＨ１１〜１２）の添加により滴定スラリーが直ちにピンクに着色した。これは滴定を妨げなかったが、大きなｐＨでポルフィリンが脱着することを示した。カルボン酸濃度を、終点としてｐＨ７．５を用いる、過剰のＮａＯＨの逆滴定により求めた。滴定により、１．１０ｍｅｑ／ｇの酸（０．２７５ｍｅｑ／ｇのポルフィリンに相当）の担持量を得た。
コバルト又はジリチウムフタロシアニンの分析
これらの吸着物の濃度は脱色実験だけから見積もった。青色−緑色が３０分後に薄れなかった点を飽和点と見なした。
多数の置換多核芳香族又は多核複素芳香族化合物がフィブリル表面に吸着された。付着のためには、芳香族環の数は、環／ペンダント官能基あたり２を超えるべきである。こうして、３つの縮合環を含む置換アントラセン、フェナントレンなど、又は４つ以上の縮合環を含む多官能誘導体を、ポルフィリン又はフタロシアニン誘導体の代わりに用いることができる。同様に、置換された複素芳香族環（例えばキノリン）、又は４つ以上の環を含む多置換複素芳香族を用いることができる。
表２は３種のポルフィリン／フタロシアニン誘導体の担持実験の結果を要約している。
Figure 2008513318
以下の実施例１１及び１２は、カーボンナノチューブへの２つの異なるフタロシアニン誘導体の吸着方法を例示する。
（実施例１１）
ニッケル（ＩＩ）フタロシアニンテトラスルホン酸の吸着による官能基化フィブリル
２ミリグラムのニッケル（ＩＩ）フタロシアニンテトラスルホン酸（四ナトリウム塩）を、１ミリリットルのｄＨ２Ｏ中４．２ミリグラムの無処理フィブリルと混合した。混合物を５０分間超音波処理し、室温で一夜回転させた。
フィブリルを３×１ｍｌのｄＨ２Ｏ、３×１ｍｌのＭｅＯＨ、及び３×１ｍｌのＣＨ２Ｃｌ２で洗い、真空下に乾燥した。
これらのフタロシアニン誘導体フィブリルにサーモリシンを吸着によって固定化した。０．５ｍｇのフィブリルを２５０μｌのｄＨ２Ｏに懸濁させ、２０分間超音波処理した。上澄みを棄て、フィブリルを２５０μｌの０．０５Ｍトリス（ｐＨ＝８．０）に懸濁させ、２５０μｌの０．６ｍＭサーモリシン溶液（同じバッファーで作製）と混合した。混合物を室温で２時間回転させ、４℃で一夜保存した。次いで、フィブリルを１ｍｌの２５ｍＭトリス（ｐＨ＝８）により３回洗い、４０ｍＭのトリス及び１０ｍＭのＣａＣｌ２を含むバッファー（ｐＨ７．５）の２５０μｌに懸濁させた。
これらのフィブリル上のサーモリシンの量を、フィブリルの酵素活性を測定することによって求めた。サーモリシンは基質ＦＡＧＬＡ（Ｎ−（３−［２−フリル］アクリロイル）−ｇｌｙ−ｌｅｕアミド）と反応し、約−３１０Ｍ−１ｃｍ−１の吸光係数を有する３４５ｎｍでの吸光度の減少を引き起こす化合物を生成できる。この反応に対するアッセイバッファー条件は、４０ｍＭトリス、１０ｍＭＣａＣｌ２及び１．７５ＭＮａＣｌ、ｐＨ７．５であった。反応を１ｍｌのキュベット内で、５μｌのＦＡＧＬＡ保存溶液（ｄＨ２Ｏ中３０％のＤＭＦ中、２５．５ｍＭ）、及び１ｍｌのアッセイバッファー中１０μｇのサーモリシンフィブリルを混合することによって実施した。３４５ｎｍの吸光度の減少を１０分間に渡るタイムスキャンによってモニタした。次いで、酵素活性（μＭ／ｍｉｎ）を、約−３１０Ｍ−１ｃｍ−１の吸光係数を用いて初期勾配から計算した。フィブリル１グラム当たりの活性サーモリシンの量は０．６１μモルであった。
（実施例１２）
１，４，８，１１，１５，１８，２２，２５−オクタブトキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンの吸着による官能化フィブリル
３ミリグラムの１，４，８，１１，１５，２２，２５−オクタブトキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニン及び５．３ｍｇの無処理フィブリルを１ｍｌのＣＨＣｌ３中で混合した。混合物を５０分間超音波処理し、室温で一夜回転させた。
フィブリルを３×１ｍｌのＣＨ２Ｃｌ２で洗い、真空下に乾燥した。
実施例３４の方法に従って、吸着によりサーモリシンをこれらのフタロシアニン誘導体フィブリルに固定化した。フィブリル１グラム当たりの活性サーモリシンの量は、０．７０μモルであった。
（実施例１３）
サーモリシンが固定化されたフタロシアニン誘導体フィブリルを用いるアスパラテーム前駆体の合成
サーモリシンを固定化したフタロシアニン誘導体フィブリルは、人口甘味料アスパルテーム前駆体の合成の触媒として使用できる。この反応を、酢酸エチル中、８０ｍＭのＬ−Ｚ−Ａｓｐ及び２２０ｍＭのＬ−ｐｈｅＯＭｅを、１０μＭのフィブリル固定化サーモリシンと混合することによって実施する。収率を求めるために、生成物のＺ−Ａｓｐ−ＰｈｅＯＭｅをＨＰＬＣによりモニタする。
５．塩素酸塩又は硝酸による酸化
塩素酸カリウム（濃硫酸中）又は硝酸のような強い酸化剤によるグラファイトの酸化についての文献は、Ｒ．Ｎ．Ｓｍｉｔｈ，Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ Ｒｅｖｉｅｗ ｌ３，２８７（１９５９）；Ｍ．Ｊ．Ｄ．Ｌｏｗ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．６０，２６７（１９６０）；に含まれている。一般に、端部炭素（欠陥サイトを含めて）が攻撃されて、カルボン酸、フェノール及び他の酸素化された基の混合物を生じる。このメカニズムは複雑で、ラジカル反応が関与する。
（実施例１４）
塩素酸塩を用いる、カルボン酸官能基化フィブリルの調製
ＣＣフィブリル試料をスパチュラで混合することによって濃Ｈ２ＳＯ４でスラリー化し、次いで、ガス入口／出口及びオーバーヘッド撹拌機を備えた反応器フラスコに移した。撹拌しながら、アルゴンのゆっくりとした流れの下で、実験を行なっている間に渡って、投入量のＮａＣｌＯ３をＲＴで分けて加えた。実験継続中ずっと塩素蒸気が生成し、この蒸気を反応器から外へ押し流してＮａＯＨ水溶液トラップに送った。実験の最後に、フィブリルスラリーを砕いた氷の上に注ぎ、真空濾過した。次いで、フィルターケーキをソクスレーの円筒濾紙に移し、ソクスレー抽出器内でＤＩ水を用いて、数時間毎に新鮮な水に交換しながら洗った。新鮮なＤＩ水に入れた時にフィブリル試料が水のｐＨを変えなくなるまで、洗浄を続けた。次に、フィブリルを濾過により分離し、５インチの真空で、１００℃で一夜乾燥した。
カルボン酸含量を、過剰の０．１００ＮのＮａＯＨと試料を反応させ、０．１００ＮのＨＣｌでｐＨ７．５を終点として逆滴定することによって求めた。結果は表に列挙されている。
Figure 2008513318
（実施例１５）
硝酸を用いる、カルボン酸官能基化フィブリルの調製
秤量したフィブリル試料を、オーバーヘッド撹拌機及び水冷却器を備えた凹み付き（ｉｎｄｅｎｔｅｄ）多口丸底反応器フラスコ内で、適切な強度の硝酸でスラリーにした。一定に撹拌しながら、温度を調節して、反応を指定の時間実施した。酸の強度に関わらず、温度が７０℃を超えた後すぐに茶色のフュームが発生した。反応後、砕いた氷の上にスラリーを注ぎ、ＤＩ水で稀釈した。スラリーを濾過し、余分な酸を、ソクスレー抽出器で、数時間毎に容器を新鮮なＤＩ水で置き換えながら、スラリー試料がＤＩ水にｐＨの変化を生じさせなくなるまで洗浄することによって除去した。フィブリルを、５インチの真空で、１００℃で一夜乾燥した。秤量したフィブリルの一部を標準の０．１００ＮのＮａＯＨと反応させ、カルボン酸含量を０．１００ＮのＨＣｌにより逆滴定することにより求めた。表面酸素含量をＸＰＳにより求めた。水への分散性を、０．１ｗｔ％で、ワーリングブレンダー内で、ｈｉｇｈで２分間混合することによって試験した。結果は表４に要約されている。
Figure 2008513318
６．フィブリルのアミノ官能基化
アミノ基は、次の式に従って、フィブリルを硝酸及び硫酸により処理してニトロ化フィブリルを得て、次いで、ニトロ化形を還元剤（例えば、亜二チオン酸ナトリウム）により還元して、アミノ−官能基化フィブリルを得ることによって、グラファイトフィブリルに直接導入できる。
Figure 2008513318
得られるフィブリルには、タンパク質（例えば、酵素及び抗体）の固定化、並びにアフィニティ及びイオン交換クロマトグラフィーを含めて、多くの利用法がある。
（実施例１６）
硝酸を用いる、アミノ官能化フィブリルの調製
フィブリル（７０ｍｇ）の冷却した水（１．６ｍｌ）懸濁液（０℃）及び酢酸（０．８ｍｌ）に硝酸（０．４ｍｌ）を滴下して加えた。反応混合物を０℃で１５分間撹拌し、室温でさらに１時間撹拌した。硫酸（０．４ｍｌ）と塩酸（０．４ｍｌ）の混合物をゆっくりと加え、室温で１時間撹拌した。反応を停止し、遠心機にかけた。水性層を除去し、フィブリルを水（×５）で洗った。残留物を１０％の水酸化ナトリウムで処理し（×３）、水で洗って（×５）、ニトロ化フィブリルを得た。
水（３ｍｌ）及び水酸化アンモニウム（２ｍｌ）中のニトロ化フィブリル懸濁液に、亜二チオン酸ナトリウム（２００ｍｇ）を３つに分けて０℃で加えた。反応混合物を室温で５分間撹拌し、１００℃で１時間還流した。反応を停止し、０℃に冷却し、ｐＨを酢酸で調節した（ｐＨ４）。室温で一夜放置した後、懸濁液を濾過し、水（×１０）、メタノール（×５）で洗い、真空で乾燥して、アミノフィブリルを得た。
アミノ官能基化フィブリルを試験するために、フィブリルを西洋ワサビペルオキシダーゼにカップリングさせた。次いで、ＨＲＰ−結合アミノフィブリルを徹底的に透析した。透析後、フィブリルをその後１週間に渡って１５回洗浄した。酵素修飾フィブリルのアッセイを次の式に従って行なった。
Figure 2008513318
結果は、Ｆｉｂ−ＮＨ２と結合したＨＲＰが良好な酵素活性（１週間に渡って保たれた）を示すことを示していた。
７．フリーラジカル開始剤を用いる末端アルコールの取付け
カーボンナノチューブの高度の安定性により、それらは過酷な環境において使用され得るが、更なる修飾のために活性化され難くなっている。前記方法は激しい酸化剤と酸の使用を含んでいた。驚くべきことに、過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）のようなフリーラジカル開始剤を用いて、カーボンナノチューブに末端アルコールを連結できることが今や見出された。カーボンナノチューブが、フリーラジカル開始剤と一緒に、式ＲＣＨ２ＯＨ（Ｒは、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）である）を有するアルコールに加えられ、約６０℃から約９０℃に加熱される。好ましいアルコールには、エタノール及びメタノールが含まれる。フリーラジカル開始剤の全てが分解するのに十分な時間が経過した時、反応混合物は濾過され、ナノチューブ材料は洗浄され乾燥され、ナノチューブ−ＣＨ（Ｒ）ＯＨの式の修飾ナノチューブを生成する。この方法はまた、２官能性アルコールをカップリングさせるためにも使用できる。これは、一方の末端がカーボンナノチューブに連結され、他方が表面への別の材料の間接的な連結に用いられることを可能にする。
（実施例１７）
過酸化ベンゾイルを用いる、アルコール官能基化ナノチューブの調製
０．２７７グラムのカーボンナノチューブを、プローブソニケーターを用いてＭｅＯＨに分散させた。０．１２６グラムのＢＰＯをＲＴで加え、温度を６０℃まで上げ、さらに０．１２８グラムのＢＰＯを加えた。６０℃でさらに４５分間経った後、０．１２９グラムの最後のＢＰＯ投入量を加え、混合物を６０℃にさらに３０分間保った。生成物を膜で濾過し、ＭｅＯＨ及びＥｔＯＨで数回洗い、９０℃のオーブン内で乾燥した。収量は０．２８５グラムであった。ＥＳＣＡによる分析は、酸素含量が、ＢＰＯなしにＭｅＯＨで還流したコントロール試料の０．７４％に比べて、２．５原子パーセントであることを示していた。
（実施例１８）
過酸化ベンゾイルを用いる、ポリ（エチレングリコール）によるカーボンナノチューブの修飾
０．１グラムのカーボンナノチューブ、０．５グラムのＢＰＯ及び１０グラムのポリ（エチレングリコール）（平均分子量１０００（ＰＥＧ−１０００））を一緒に室温で混合した。混合物を９０℃に加熱してＰＥＧを融解させ、混合物を一夜９０℃で反応させた。次いで、全混合物を濾過し、余分なＰＥＧを除去するために洗浄し、次に乾燥した。得られた材料は、そのまま用いることも、或いは、ＰＥＧの遊離末端に関心のある材料を結合することによってさらに修飾することもできる。
（実施例１９）
非特異的結合を抑制するための、ＰＥＧ修飾カーボンナノチューブの使用
高表面積のカーボン材料への非特異的結合は常に起こる。カーボンナノチューブにＰＥＧのような親水性オリゴマーを結合すると、非特異的結合を抑制できることが見出された。さらに、ナノチューブ表面にＰＥＧのような鎖状分子の一方の末端を結合することによって、非特異的結合を抑制するＰＥＧ（又は他の材料）層の性質は保ったままで、関心のある他の材料を結合するために使用できる官能基を遊離末端が含み得ることが見出された。
ＰＥＧ修飾フィブリルによるウシ血清アルブミンの非特異的結合の抑制
未修飾フィブリル、塩素酸塩酸化フィブリル及びＰＥＧ修飾フィブリルの保存分散液（５０ｍＭリン酸カリウムバッファー（ｐＨ７．０）中、０．１ｍｇ／ｍｌ）を、各１．０ｍｇを１０ｍｌのバッファーに超音波処理により分散させることによって調製した。各々の２倍系列稀釈の２ｍｌを、それぞれの９個のポリプロピレン管に入れた。１００μｌのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）溶液（０．２ｍｇ／ｍｌ、同じバッファー中）をそれぞれの管及び３つのバッファーブランクに加えた。タンパク質なしのバッファーの３つの管もまた準備した。全ての管をボルテックスミキサーで混合し、１０分毎に３０秒間渦巻きを発生させて３０分間インキュベートした。全ての管を遠心機にかけてフィブリルを分離させ、１ｍｌの上澄み分取液を新しい管に移し、Ｍｉｃｒｏ ＢＣＡタンパク質アッセイ（Ｐｉｅｒｃｅ）を用いて全タンパク質含量を分析した。上澄みに残っているタンパク質のレベルは、フィブリルに非特異的に結合した量の間接的な測定であった。ＰＥＧ修飾フィブリルではＢＳＡの全てが上澄みに残っていたが、他方、未修飾又は塩素酸酸化フィブリルに対しては、ほとんど完全な結合があった（図１参照）。
過酸化ベンゾイルを用いて、及びＮＨＳエステルカップリングにより調製したＰＥＧ−修飾フィブリルによる、非特異的結合の抑制の比較
塩素酸塩酸化フィブリル、過酸化ベンゾイルを用いてＰＥＧにより修飾されたフィブリル、及びＮＨＳエステルカップリングを用いてＰＥＧにより修飾された塩素酸酸化フィブリルの保存分散液を、超音波処理により、５０ｍＭリン酸カリウムバッファー（ｐＨ７．０）中、１．０ｍｇ／ｍｌで調製した。各々の３倍系列稀釈液の２ｍｌを、それぞれの７個のプロピレン管に入れた。１００μｌのβ−ラクトグロブリン（βＬＧ）溶液（０．２ｍｇ／ｍｌ、同じバッファー中）を、各々の管及び３つのバッファーブランクに加えた。タンパク質なしのバッファーの３つの管もまた準備した。全ての管をボルテックスミキサーで混合し、１０分毎に３０秒間の渦巻きを発生させて６０分間インキュベートした。全ての管を遠心機にかけてフィブリルを分離させ、１ｍｌの上澄み分取液を新しい管に移し、Ｍｉｃｒｏ ＢＣＡタンパク質アッセイ（Ｐｉｅｒｃｅ）を用いて全タンパク質含量を分析した。上澄みに残っているタンパク質のレベルは、タンパク質に非特異的に結合した量の間接的な測定であった（図２参照）。各々の管で、ＮＨＳエステル経路を通じてＰＥＧにより修飾されたフィブリルでは上澄みにβＬＧが残っており、非特異的結合がないことを示した。ＢＰＯ経路を通じてＰＥＧにより修飾されたフィブリルは、１．０ｍｇ／ｍｌの最も高いフィブリルレベルでほんの僅かなβＬＧの結合（約１０％）を示し、より低いレベルでは有意な結合はないことを示した。対照的に、塩素酸酸化フィブリルへは、０．１ｍｇ／ｍｌのフィブリルレベル以上でほとんど完全な結合があり、このフィブリルでは０．０１ｍｇ／ｍｌまで相当な結合があった。
８．官能基化ナノチューブの２次誘導体
カルボン酸官能基化ナノチューブ
カルボン酸だけからでも調製され得る２次誘導体の数は本質的に限りがない。アルコール又はアミンは容易に酸に架橋されて安定なエステル又はアミドを生じる。このアルコール又はアミンがジ−又は２官能性の多官能性分子の一部であれば、Ｏ−又はＮＨ−による結合はペンダント基として他の官能基を残す。２次試薬の典型的な例は次の通りである。
Figure 2008513318
反応は、カルボン酸をアルコール又はアミンによりエステル化又はアミノ化するために開発された方法のいずれかを用いて実施できる。これらの中で、Ｎ，Ｎ’−カルボニルジイミダゾール（ＣＤＩ）をエステル又はアミドに向けてのアシル化剤として用いる、Ｈ．Ａ．Ｓｔａａｂ，Ａｎａｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔｅｒｎａｔ．Ｅｄｉｔ．，（１），３５１（１９６２）の方法、及び、アミド化のためにカルボン酸を活性化するためにＮ−ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）を用いる、Ｇ．Ｗ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．８６，１８３９（１９６４）の方法を用いた。
（実施例２０）
官能基化フィブリルの２次誘導体の調製
Ｎ，Ｎ’−カルボニルジイミダゾール
不純物を含まず、乾燥した非プロトン溶媒（例えば、トルエン又はジオキサン）がこの方法では必要とされる。化学量論量の試薬で十分である。エステルでは、カルボン酸化合物をトルエン中、不活性雰囲気（アルゴン）内で、トルエンに溶かした化学量論量のＣＤＩと、ＲＴで２時間反応させる。この時間の間に、ＣＯ２が発生する。２時間後、アルコールを触媒量のＮａエトキシドと一緒に加え、反応を８０℃で４時間続ける。ノルマルアルコールでは、収量は定量的である。反応は次の通りである。
Figure 2008513318
Figure 2008513318
アミンのアミド化はＲＴで触媒なしで起こる。方法の第１ステップは同じである。ＣＯ２の発生の後、化学量論量のアミンをＲＴで加え、１〜２時間反応させる。反応は定量的である。反応は次の通りである。
Figure 2008513318
シリル化
トリアルキルシリルクロリド又はトリアルキルシラノールは酸性のＨと次の式に従って直ちに反応する。
Figure 2008513318
少量のジアザ−１，１，１−ビシクロオクタン（ＤＡＢＣＯ）が触媒として使用される。適切な溶剤はジオキサン及びトルエンである。
スルホン酸官能基化フィブリル
実施例１において調製したアリールスルホン酸を、２次誘導体を生成させるためにさらに反応させることができる。スルホン酸は、ＬｉＡｌＨ４、又はトリフェニルホスフィンとヨウ素との組合せによって、メルカプタンに還元できる（Ｍａｒｃｈ、Ｊ．Ｐ．の１１０７ページ）。それらはまた、ジアルキルエーテルとの反応によってスルホン酸エステルに変換され得る、すなわち、
Figure 2008513318
Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド
第１級アミンによるアミド化のためのカルボン酸の活性化は、Ｎ−ヒドロキシスクシナミル（ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｃｃｉｎａｍｙｌ）エステルにより行なわれる。カルボジイミドが放出水を置換尿素として固定するために使用される。次いで、ＮＨＳエステルは第１級アミンとの反応によってＲＴでアミドに変換される。反応は次の通りである。
Figure 2008513318
Figure 2008513318
この方法は、タンパク質側鎖の遊離ＮＨ２を通じてタンパク質をグラファイトフィブリルに共有結合で結合するのに特に有用である。この方法によりフィブリルに固定化され得るタンパク質の例には、トリプシン、ストレプトアビジン及びアビジンが含まれる。ストレプトアビジン（又はアビジン）フィブリルは、任意のビオチン化物質に対する固体担体を提供する。
（実施例２１）
ＮＨＳエステルによる、フィブリルへのタンパク質の共有結合
ＮＨＳエステルを通じてタンパク質を共有結合でフィブリルに連結できることを実際に示すために、ストレプトアビジン、アビジン及びトリプシンを次の様にしてフィブリルに結合させた。
０．５ｍｇのＮＨＳ−エステルフィブリルを５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）で洗い、上澄みを棄てた。２００μｌのストレプトアビジン溶液（同じバッファー中、１．５ｍｇ）をフィブリルに加え、混合物を室温で５．５時間回転させた。次いで、フィブリルを１ｍｌの次のバッファーで順次洗った：５ｍＭリン酸ナトリウム（ｐＨ７．１）、ＰＢＳ（０．１Ｍのリン酸ナトリウム、０．１５ＭのＮａＣｌ、ｐＨ７．４）、ＯＲＩＧＥＮ（商標）アッセイバッファー（ＩＧＥＮ，Ｉｎｃ．、Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ、メリーランド州）及びＰＢＳ。このストレプトアビジンフィブリルをさらなる使用のためにＰＢＳバッファー中で保存した。
５００μｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）中、２．２５ｍｇのＮＨＳ−エステルフィブリルに４０分間超音波処理を行ない、上澄みを棄てた。フィブリルを、５００μｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）に懸濁させ、同じバッファーでつくられ２ｍｇのアビジンを含むアビジン溶液（Ｓｉｇｍａ、Ａ−９３９０）３００μｌを加えた。混合物を室温で２時間回転させ、４℃に一夜保存し、室温でさらに１時間回転させた。フィブリルを、１ｍｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）により４回、ＰＢＳバッファーで２回洗った。このアビジンフィブリルを保存のために２００μｌのＰＢＳバッファーに懸濁させた。
トリプシンフィブリルを、１．１ｍｇのＮＨＳ−エステルフィブリル（アビジンフィブリの場合と同じ処理をした）と、５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）でつくられた１．０６ｍＭのトリプシン溶液２００μｌとを混合し、室温で６．５時間回転させることによって調製した。次いで、トリプシンフィブリルを、１ｍｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）により３回洗い、保存のために４００μｌの同じバッファーに懸濁させた。
（実施例２２）
フィブリル上のトリプシンの酵素活性の測定
トリプシンは基質のＬ−ＢＡＰＮＡ（Ｎα−ベンゾイル−Ｌ−アルギニンｐ−ニトロアニリド）と反応し、４１０ｎｍで光を吸収する着色化合物を放出できる。この反応でのアッセイバッファーは、０．０５Ｍのトリス、０．０２ＭのＣａＣｌ２、ｐＨ８．２であった。反応を、１ｍｌのキュベット内で、５μｌのＬ−ＢＡＰＮＡ保存溶液（Ｈ２Ｏ中３７％のＤＭＳＯ中、５０ｍＭ）、及び１ｍｌのアッセイバッファー中のトリプシンフィブリル１０〜２５μｇを混合することによって実施した。４１０ｎｍでの吸光度増加を１０分間に渡ってモニタした。次に、酵素活性（μＭ／ｍｉｎ）を初期勾配から計算した。
共有結合トリプシンフィブリルでは、活性は、フィブリル１３μｇ当たり５．２４μＭ／ｍｉｎであった。この結果を、既知濃度のトリプシン溶液の活性（同じアッセイ条件下で、トリプシン１μＭ当たり４６μＭ／ｍｉｎであると測定された）により割ることによって、フィブリル上の活性トリプシンの量に変換できる。こうして、フィブリル１ｇ当たりの活性トリプシンの量は、８．３μモル（又は１９５ｍｇ）であった。
（実施例２３）
表面チオールを有するカーボンナノチューブ
実施例２７（下記）において記載するようにエチレンジアミンによる修飾によって調製したアミノカーボンナノチューブ（ＣＮ）の０．１１２ｇを、５０ｍＭのＥＤＴＡを含む０．０５Ｍリン酸カリウムバッファー（ｐＨ８．０）の２０ｍｌに懸濁させた。この懸濁液に、Ｂｒａｎｓｏｎの４５０ワットのプローブソニケーターを用いて５分間超音波処理を行ない、ＣＮを分散させた。得られた懸濁液はかなり濃かった。撹拌しながら懸濁液を通してアルゴンによるバブリングを３０分間行なった。５０ｍｇの２−イミノチオラン・ＨＣｌを加え、混合物を、アルゴンの下で撹拌を続けながら７０分間反応させた。得られたものを、ポリカーボネート膜フィルターで濾過し、バッファーで２回洗い、ＤＩ水で１回、無水ＥｔＯＨで２回洗った（全てアルゴンブランケットの下で行なった）。チオールで修飾したＣＮを真空デシケータ内に置き、一夜ポンプで引いた。
最終重量＝０．１１８ｇ、重量増に基づいて５５％の変換率。
チオール化ナノチューブ試料の１０ｍｇを、超音波処理により１０ｍｌのＤＩ水に懸濁させ、０．４５μｍのナイロン膜で濾過してフェルト状のマットを生成させた。このマットの断片を真空デシケータ内に保存し、その後、ＥＳＣＡにより分析し、０．４６％の硫黄及び１．６９％の窒素が示され、チオール−修飾ＣＮへの成功裏の変換が確認された。
（実施例２４）
金表面へのチオール−修飾カーボンナノチューブの取付け
金箔（Ａｌｆａ／Ａｅｓａｒ、２ｃｍ×０．８ｃｍ）を、１部のＨ２Ｏ２（３０％）及び３部の濃Ｈ２ＳＯ４の溶液により１０分間洗浄し、ＤＩ水でリンスした。この箔片をＡｕワイヤリードに連結し、１ＭのＨ２ＳＯ４中、５０ｍｖ／ｓｅｃで、−０．３５Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌと、１．４５Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌとの間で、サイクリックボルタモグラムが約１０分間変わらなくなるまで、電気化学的サイクルを実施した。次に、箔片をＤＩ水で洗い、乾燥した。大きな片を４つのストライプ（０．５ｃｍ×０．８ｃｍ）に切断した。
１０ｍｌの無水ＥｔＯＨを３０分間のアルゴンのパージングにより脱酸素し、２つのガラスバイアルの各々に入れた。１つのバイアルに、１６ｍｇのチオール−修飾ＣＮ（ＣＮ／ＳＨ）及び２つのＡｕ片を、他方のバイアルに、１片のＡｕと、チオール誘導体をつくるのに使用されたエチレンジアミン修飾ＣＮの１０ｍｇとを懸濁させた。全ての操作をＡｒ充填グローブバッグ内で実施した。バイアルをＡｒの下でシールし、冷却した超音波浴に１時間入れた。シールしたバイアルをＲＴで７２時間放置した。Ａｕ試料をバイアルから取り出し、ＥｔＯＨで３回リンスし、空気乾燥して、保護バイアルに入れた。
ＣＮ／エチレンジアミン及びＣＮ／ＳＨに曝されたＡｕ箔試料を、表面にＣＮが存在するかどうかを見つけ出すために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により調べた。４０，０００倍での検査により、ＣＮ／ＳＨに曝された表面全体に分布しているＣＮの存在が明らかになったが、ＣＮ／エチレンジアミンに曝されたＡｕ箔試料上にはＣＮは全く認められなかった。
（実施例２５）
アミノフィブリルからのマレイミドフィブリルの調製
アミノフィブリルを実施例１３に従って調製した。次いで、アミノフィブリル（６２．２ｍｇ）をリン酸ナトリウムバッファー（５ｍｌ、５ｍＭ、ｐＨ７．２）中で超音波処理した。このフィブリル懸濁液に、スルホスクシンイミジル−４−（Ｎ−マレイミドメチル）シクロヘキサン−１−カルボキシレート（ＳＭＣＣ；２８．８ｍｇ、０．６６ｍｍｏｌ；ＰｉｅｒｃｅのカタログＮｏ．２２３６０）を加えた。反応混合物を室温で一夜撹拌した。フィブリルを水及びメタノールで洗い、生成物フィブリルを真空下に乾燥した。生成物への抗体の固定化はマレイミドフィブリルの存在を裏付けた。異なるリンカーを有する他のマレイミド（例えば、スルホ−ＳＭＣＣ、スクシンイミジル−４−［ｐ−マレイミドフェニル］ブチレート［ＳＭＰＢ］、スルホ−ＳＭＰＢ、ｍ−マレイミドベンジル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル［ＭＢＳ］、スルホ−ＭＢＳなど）フィブリルもまた同じ方法により製造できる。
得られたマレイミドフィブリルは、タンパク質（例えば、抗体及び酵素）の共有結合による固定化のための固体担体として使用できる。抗体をマレイミド活性化フィブリルに共有結合で固定化した。抗体の容量は、ニトロ化／還元法（実施例１３）により得たアミノフィブリルを用いた場合、フィブリル１グラム当たり１．８４ミリグラムであり、カルボキシルフィブリルから誘導体化したアミノフィブリルを用いた場合、フィブリル１グラム当たり０．８７５ミリグラムであった。
（実施例２６）
カルボン酸官能基化フィブリルからのエステル／アルコール誘導体の調製
カルボン酸官能基化フィブリルを実施例１４におけるようにして調製した。カルボン酸含量は０．７５ｍｅｑ／ｇであった。フィブリルを化学量論量のＣＤＩと、不活性雰囲気内でトルエンを溶媒としてＲＴで、ＣＯ２の発生が止むまで反応させた。その後、スラリーを８０℃で、モル数で１０倍過剰のポリエチレングリコール（ＭＷ ６００）、及び触媒としての少量のＮａＯＥｔと８０℃で反応させた。２時間の反応後、フィブリルを濾過により分離し、トルエンで洗い、１００℃で乾燥した。
（実施例２７）
カルボン酸官能基化フィブリル（１７７−０４１−１）からのアミド／アミン誘導体の調製
０．２４２ｇの塩素酸酸化フィブリル（０．６２ｍｅｑ／ｇ）を、血清ストッパー（ｓｅｒｕｍｓｔｏｐｐｅｒ）を備えた１００ｍｌの丸底フラスコ内で、撹拌により２０ｍｌの無水ジオキサンに懸濁させた。モル数で２０倍過剰のＮ−ヒドロキシスクシンイミド（０．２９９ｇ）を加え、溶かした。この後、モル数で２０倍過剰の１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＡＣ）（０．５１０ｇ）を加え、ＲＴで２時間撹拌を続けた。この時間の最後に、撹拌を停止し、上澄みを吸出し、固体を無水ジオキサン及びＭｅＯＨで洗い、０．４５ミクロンのポリスルホン膜で濾過した。固体をフィルター膜上でさらなるＭｅＯＨで洗い、さらなる重量減が認められなくなるまで真空乾燥した。ＮＨＳ−活性化された酸化フィブリルの収率は、観察された６％の重量増に基づいて、１００％であった。
１００μｌのエチレンジアミン（ｅｎ）を１０ｍｌのＮａＨＣＯ３バッファー（０．２Ｍ）に加えた。ｐＨを８近くに保つために等しい容積の酢酸（ＨＯＡｃ）を加えた。ＮＨＳ−活性化酸化フィブリル（０．３１０ｇ）を激しく撹拌しながら加え、１時間反応させた。さらに１０分かけて、さらに３００ｍｌのｅｎ及び３００μｌのＨＯＡｃを加えた。溶液を０．４５ミクロンのポリスルホン膜で濾過し、順次、ＮａＨＯ３バッファー、１％のＨＣｌ、ＤＩ水及びＥｔＯＨで洗った。固体を真空下に一夜乾燥した。さらなる分析及び反応のために、ＨＣｌ塩をＮａＯＨとの反応によって遊離アミン（１７７−０４６−１）に戻した。
アミノ化フィブリル（ＧＦ／ＮＨ２）上に存在するＮの定量のためにＥＳＣＡを実施した。１７７−０４６−１のＥＳＣＡによる分析は、０．９０原子％のＮを示した（１７７−０５９）。このＮのどれだけが利用可能な反応性のアミン基として存在するかをさらに評価するために、ペンタフルオロベンズアルデヒドとの気相反応によって、利用可能な第１級アミン基に対応するシッフ塩基結合を生成するように、誘導体を生成させた。ＥＳＣＡによる分析は、やはり予想された通りの０．９１原子％のＮ、及び１．６８原子％のＦを示した。これは、アミノ化フィブリルに反応性第１級アミンとして０．３４原子％のＮが存在すると言い換えられる（ペンタフルオロベンズアルデヒド１分子当たり５個のＦ）。各Ｎ遊離末端との完全な反応を仮定すれば、０．４５原子％のレベルのＮは期待できるであろう。この観察されたレベルは、ＮとＮＨＳ−活性化フィブリルとの反応による非常に大きな収率を示しており、利用可能な遊離アミン基の反応性を立証している。
ＥＳＣＡのデータから計算した、遊離アミンとして存在する０．３４原子％のレベルのＮでは、他の材料とカップリングできる遊離アミンによってフィブリルはほぼ完全に覆われているであろう。
カルボキシルフィブリルはまた、エチレンジアミン（２炭素原子リンカー）でなく、モノ保護型の１，６−ジアミノへキサン（６炭素原子リンカー）を用いてもアミノフィブリルに変換された。
（実施例２８）
カルボン酸官能基化フィブリルからのアミン誘導体の調製
フィブリル上のカルボキシル基は、カルボキシル基を、２つ以上のアミノ基（これらの少なくとも１つはｔ−Ｂｏｃ又はＣＢＺのような基により保護されていない）を有する化合物の１つのアミノ基と反応させることによって修飾できる。こうして生成するフィブリルは、アミドカルボニルがフィブリルのカルボキシル基に由来し、アミド窒素が１つ又は複数の第１級アミンを含む基（例えばアルキル基）により置換されているアミド誘導体である。この場合、アミノ基は使用又はさらなる修飾のために利用できる。
１グラムのカーボンフィブリルを乾燥した焼結ガラスフィルタートンネル内に入れ、トンネルの出口を血清用ラバーセプタムでしっかりと栓をし、無水ジクロロメタンを覆うように加えた。Ｎ−メチルモルホリン（７５８μｌ、７ｍｍｏｌ）を加え、懸濁液をスパチュラの助けで混合した。次いで、クロロギ酸イソブチル（９１５μｌ、７ｍｍｏｌ）を加え、１時間の間、懸濁液を定期的に混合した。混合物を、Ｐａｒａｆｉｌｍのカバーによって、実践できる範囲で、大気中の水分から保護した。
その間に、Ｎ−ｂｏｃ−１，６−ジアミノへキサン塩酸塩（１．９４ｇ、７．７ｍｍｏｌ）をジクロロメタン（１０ｍｌ）と１ＭのＮａＯＨ（１０ｍｌ）との間に分配させた。下側の有機相を無水炭酸カリウムで乾燥し、綿の栓を詰めた使い捨てパスツールピペットを通して濾過し、Ｎ−メチルモルホリン（７５８μｌ、７ｍｍｏｌ）を加えた。
血清用セプタムをフィブリルトンネルから取り外し、フィブリルから真空濾過によって試薬を除去し、フィブリルを無水ジクロロメタンで洗った。血清用セプタムを取り替え、Ｎ−メチルモルホリン及びモノ保護ジアミノヘキサンをフィブリルに加えた。１時間の間、混合物を定期的に撹拌した。次いで、試薬を濾過により除去し、フィブリルを順次、ジクロロメタン、メタノール、水、メタノール、及びジクロロメタンで洗った。
トリフルオロ酢酸及びジクロロメタンの５０％混合物をフィブリルに加え、２０分間混合物を定期的に撹拌した。溶剤を濾過により除去し、フィブリルを順次、ジクロロメタン、メタノール、水、０．１ＭのＮａＯＨ、及び水で洗った。
この方法の効率を例示するために、少量のアミノフィブリル試料を、特にアミノ基に限って反応するように修飾した「活性化」西洋ワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ；５ｍｇ、Ｐｉｅｒｃｅ）と反応させた。フィブリルを、低温に保ったまま、数日間繰り返し洗った（エッペンドルフ管内で、懸濁、回転、及び遠心により）。ほぼ２週間の洗浄後、グリシンバッファー中、ｐＨ４．４で、Ｈ２Ｏ２／ＡＢＴＳによる酵素アッセイを行なった。１０分以内に、溶液に緑色が現れ、酵素の存在を示した。コントロールフィブリル（活性化ＨＲＰにより処理し、同じ期間洗浄したＣＯＯＨフィブリル）は、たとえあったとしてもほとんど触媒活性を示さなかった。
（実施例２９）
カルボン酸官能基化フィブリルからのシリル誘導体の調製
実施例１４におけるようにして調製した酸官能化フィブリルを、不活性雰囲気中、ジオキサンでスラリーにした。撹拌しながら、化学量論量のクロロトリエチルシランを加え、０．５時間反応させ、その後、ＤＡＢＣＯの５％ジオキサン溶液を数滴加えた。系をさらに１時間反応させ、その後、フィブリルを濾過により捕集し、ジオキサンで洗った。フィブリルを５インチの真空で、１００℃で一夜乾燥した。
表５は、２次誘導体調製を要約している。Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓｉ及びＦの表面含量について生成物をＥＳＣＡにより分析した。
Figure 2008513318
（実施例３０）
カルボン酸官能基化フィブリルからのシリル誘導体の調製
実施例１４におけるようにして調製した酸官能基化フィブリルを、不活性雰囲気中、ジオキサンでスラリーにする。撹拌しながら、化学量論量のクロロトリエチルシランを加え、０．５時間反応させ、その後、ＤＡＢＣＯの５％ジオキサン溶液を数滴加える。系をさらに１時間反応させ、その後、フィブリルを濾過により捕集し、ジオキサンで洗う。フィブリルを５インチの真空で、１００℃で一夜乾燥する。
表ＶＩは、２次誘導体調製を要約している。生成物はＥＳＣＡにより分析される。分析により、所望のペンダント基の導入が確認される。生成物はＥＳＣＡにより、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓｉ及びＦの表面含量について分析される。
Figure 2008513318
（実施例３１）
カルボン酸官能基化フィブリルからの第３級及び第４級アミン誘導体の調製
第３級及び第４級アミン官能基は、ナノチューブ上のカルボキシル基と、第３級又は第４級アミン前駆体のアミン又はヒドロキシル基のいずれかとによるアミド又はエステル結合により、カーボンナノチューブの表面に結合することができる。このような第３級又は第４級アミンフィブリルは、生体分子の分離のためのクロマトグラフィーマトリックスとして有用である。第３級又は第４級アミンフィブリルは、ディスク状マットに作製されても、或いは分離用の従来のクロマトグラフィー媒体（例えばアガロース）と混合されてもよい。
トリエチルエタノールアミンヨウ化物前駆体の調製
１００ｍｌの丸底フラスコ内で、１０ｇのＮ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン（８５．３ｍｍｏｌ）を、１０ｍｌの無水メタノールと混合した。次いで、２０ｇのヨウ化エチル（１２７．９５ｍｍｏｌ）及び１０ｍｌの無水メタノールの混合物を、ピペットを用いて滴下して加えた。反応混合物を３０分間還流した。反応混合物を室温まで放冷した時、白色結晶生成物が生成した。白色固体を濾過により捕集し、無水メタノールで洗った。生成物をデシケータ内で真空下に一夜さらに乾燥した。生成物（１０．３ｇ、３７．７ｍｍｏｌ）を、３３％の収率で得た。
第４級アミン官能基化グラファイトフィブリルの調製
真空乾燥した２５ｍｌの使い捨てシンチレーションバイアル（Ｗｈｅａｔｏｎ）内で、１００ｍｇの乾燥カルボキシルフィブリル（フィブリル１グラム当たり約０．７ｍｍｏｌのＣＯＯＨ）を２ｍｌの無水ジメチルホルムアミドと混合し、混合物に６０秒間超音波処理を行なった。さらに２ミリリットルのジメチルホルムアミド、３９ｍｇのジメチル−アミノピリジン（０．３１６ｍｍｏｌ）、及び５０μｌのジイソプロピルカルボジイミド（０．３１６ｍｍｏｌ）を反応バイアルに加えた。反応混合物を室温で１時間撹拌し、次いで、８８ｍｇのトリエチルエタノールアミンヨウ化物（０．３１６ｍｍｏｌ）をバイアルに加え、反応を一夜進行させた。得られたフィブリルを、２０ｍｌのジメチルホルムアミドで３回、２０ｍｌの塩化メチレンで３回、２０ｍｌのメタノールで３回、最後に脱イオン水で３回洗った。生成物を真空下に乾燥した。窒素の元素分析による結果は、フィブリル上のカルボキシル基の約５０％が第４級アミン原子団における第１級アミノ基と反応したことを示した。
（実施例３２）
第３級アミン官能基化グラファイトフィブリルでのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）のクロマトグラフィー
６０ｍｇの２−ジエチルアミノエチルアミン修飾カルボキシルフィブリル及び１８０ｍｇのセファデックスＧ−２５スーパーファイン樹脂（ファルマシア、ウプサラ、スウェーデン）を含む水性スラリーを室温で一夜放置して、確実に固体担体を完全に水和させた。スラリーを、１ｃｍ×３．５ｃｍのカラムに詰めた。このカラムを０．２ｍｌ／ｍｉｎの流量で５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．３）と平衡させた。ＢＳＡ（０．１ｍｌの脱イオン水中０．６ｍｇ）をカラムに担持させた。カラムを、０．２ｍｌ／ｍｉｎの流量で５ｍＭリン酸ナトリウムにより溶離させ、０．６ｍｌの画分を捕集した。溶離の様子を、ＵＶ−可視検出器を用いてモニタした（図３に示す）。検出器が、もはやタンパク質がカラムから溶離していないことを示したら、結合ＢＳＡを、５ｍＭリン酸ナトリウム（ｐＨ７．３）に１ＭのＫＣｌを加えることによって溶離させた。それぞれの画分におけるタンパク質の存在を、マイクロＢＣＡアッセイ（Ｐｉｅｒｃｅ、Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、イリノイ州）によって確認した。
（実施例３３）
第４級アミン官能基化グラファイトフィブリルでのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）のクロマトグラフィー
１００ｍｇの２−（２−トリエチルアミノエトキシ）エタノール修飾カルボキシルフィブリル及び３００ｍｇのセファデックスＧ−２５スーパーファイン樹脂を含む水性スラリーを室温で一夜放置した。得られたスラリーを用いて直径１ｃｍのカラムに詰め込んだ。カラムを０．１〜０．６ｍｌ／ｍｉｎの流量で５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．３）と平衡させた。ＢＳＡ（０．２ｍｌの脱イオン水中２．７ｍｇ）をカラムに担持させた。カラムを、０．２ｍｌ／ｍｉｎの流量で５ｍＭリン酸ナトリウムにより溶離させ、０．６ｍｌの画分を捕集した。溶離の様子を、ＵＶ−可視検出器を用いてモニタした（図４に示す）。検出器が、もはやタンパク質が５ｍＭのリン酸ナトリウムにより溶離されていないことを示したら、溶媒を、５ｍＭリン酸ナトリウム（ｐＨ７．３）中１ＭのＫＣｌに変更した。それぞれの画分におけるタンパク質の存在を、マイクロＢＣＡアッセイ（Ｐｉｅｒｃｅ、Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、イリノイ州）によって確認した。
９．グラファイトカーボンの酵素による官能基化
生体触媒は、グラファイトカーボン、特にカーボンナノチューブの表面に官能基を導入するのに使用できる。これまで、グラファイトカーボンは純粋に化学的な手段によって修飾されてきた（例えば、１９９４年１２月８日に出願された米国特許出願第０８／３５２，４００号を参照）。これらの化学的方法は次の欠点を有する：（１）条件の過酷さ（極端な温度、極端な酸性又は毒性化学物質の使用）、及び（２）限定性の欠如（例えば、酸化はＣＯＯＨ、ＣＯＨ、及びＣＨＯ基を導入し得る）。基質としてグラファイトカーボンを受容し、化学反応を行なって化学的に修飾されたグラファイトカーボンを生じることができる１種又は複数の酵素を含む、固体グラファイトカーボン（例えば、カーボンフィブリル；Ｈｙｐｅｒｉｏｎ，Ｉｎｃ．）の水性懸濁液がつくられる。この水性懸濁液は、（複数の）酵素が反応を行なうのに許容される条件（温度、ｐＨ、塩濃度など）に、（複数の）酵素がグラファイトカーボンの表面を触媒的に修飾するのに十分な時間保たれる。この反応の間、（複数の）酵素がグラファイトカーボンの表面に到達できるように、懸濁液は常に混合される。反応が満足できる程度まで進むことを許す反応時間の後、酵素は濾過洗浄によりカーボンから除去される。
今日まで、２つのタイプの酵素：シトクロムｐ４５０酵素及びペロオキシダーゼ酵素が使用されてきた。どちらの場合においても、酵素のタイプは十分に研究されており、それらは芳香族タイプの基質を受容し、それらの最適な反応条件は明らかにされている。いずれの酵素タイプもヒドロキシル基をそれらの基質に導入し、グラファイトカーボンにヒドロキシル基を導入し得る。酵素以外に、リボザイム及び抗体触媒のような他の生体触媒、又は生体由来でない酵素模倣品も、カーボンナノチューブを触媒的に官能基化するように設計できるであろう。
（実施例３４）
ラットの肝ミクロソームを用いる、酵素による官能基化
シトクロムｐ４５０酵素は一般に、肝臓において解毒剤として官能すると考えられている（Ｆ．Ｐｅｔｅｒ Ｇｕｅｎｇｅｒｉｃｈ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ，８１，４４０−４４７ ａｎｄ Ｆ．Ｐｅｔｅｒ Ｇｕｅｎｇｅｒｉｃｈ，Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．，２６６，Ｉ００１９−１００２２）。これらは、毒性多核芳香族化合物のような異物としての化合物をヒドロキシル化する。ヒドロキシル化により、これらの化合物は水溶性になるので、これらを体から尿を通じて排出できる。肝臓には多くの異なるシトクロムｐ４５０酵素があり、それぞれに異なる基質特異性がある。これらの広範な特異性は、解毒が必要とされる環境毒の多様性のために重要であると考えられている。個々のシトクロムｐ４５０は市販されているが、これらのどれが基質としてカーボンナノチューブを受容するかということに関しては、情報が全く入手できない。この不確かさのために、本発明者等は、最初に、カーボンナノチューブを、多くの異なるシトクロムｐ４５０を含むラット肝臓抽出物とインキュベートすることに決めた。
２匹のラット（「実験」ラット）の飲み水にフェノバルビタール（１ｇ／Ｌ、ｐＨ７．０）を１週間投与して、シトクロムｐ４５０酵素の発現を促した。２匹の他のラット（「コントロール」ラット）にフェノバルビタールなしの水を与えた。次いで、これらのラットを殺し、シトクロムｐ４５０含有ミクロソームを標準的な手順によりこれらの肝臓から調製した（例えば、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２０６、を参照）。
ミクロソームをカーボンナノチューブ（フィブリル）と混合してシトクロムｐ４５０をグラファイトカーボンと反応できるようにした。これらの実験では、５ｍｇのフィブリル（「無処理」すなわち官能基化されていないフィブリル、及び「ＣＯＯＨ」すなわち酸化したフィブリルの両方）を、０．１Ｍのトリス、１．０ｍＭのＮＡＤＰＨ、０．０１％のＮａＮ３、１０ｍＭのグルコース−６−リン酸、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ（１単位／ｍＬ）を含むバッファー（ｐＨ７．４）中で、ミクロソーム（実験及びコントロールミクロソームの両方）と混合した。シトクロムｐ４５０の補助基質（ｃｏ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）としてＮＡＤＰＨを含め、ＮＡＤＰ＋からＮＡＤＰＨを再生するために（シトクロムｐ４５０によりＮＡＤＰ＋が生成した場合）、グルコース−６−リン酸、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを加えた。混合物をマイクロ遠心チューブ中、室温で約１．５日回転させた。インキュベーションの後、フィブリルを、脱イオン水、１ＭのＨＣｌ、１ＭのＮａＯＨ、０．０５％のＴｒｉｔｏｎ Ｘ−１００、０．０５％のＴｗｅｅｎ、メタノール、及び１ＭのＮａＣｌ中で徹底的に洗った。洗浄後、タンパク質用のマイクロＢＣＡアッセイ（Ｐｉｅｒｃｅ）により、フィブリルはそれらに結合したタンパク質を依然としてもっているように見えることが示された（洗浄液にはタンパク質は全く検出されなかった）。
ヒドロキシル基がフィブリル表面に導入されたかどうかを調べるために、フィブリルをＮ−ＦＯＭＣ−イソロイシンと反応させた。異なるフィブリルバッチ（コントロール及び実験）（各１．５ｍｇ）を、４．４５ｍｇ／ｍｌのＦＯＭＣ−イソロイシン、１．５４ｍｇ／ｍｌのジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）及び２．６ｍｇ／ｍｌの１，３−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）を含む乾燥ＤＭＦ溶液の３３３マイクロリットルと反応させた。２日間（常に回転させながら）の反応後、フィブリルをＤＭＦ、ピペリジン、メタノール、水、ＤＭＦ、メタノール、塩化メチレン（それぞれ、６００マイクロリットル）により洗浄した。この一連の洗浄を３回繰り返した。存在するイソロイシンについてのアミノ酸分析のために、フィブリルをＧａｌｂｒａｉｔｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（Ｋｎｏｘｖｉｌｌｅ，テネシー州）に送った。結果は、ラット肝ミクロソーム抽出物に存在するタンパク質、ペプチド、及びアミノ酸がフィブリルから完全に洗い流されてされていなかったことを示し、イソロイシン以外に多くの他のアミノ酸が見出されたために不確かであった。こうして、洗浄及び分析における技術的難しさのために、シトクロムｐ４５０がフィブリルを官能基化したかどうかを決めることができなかった。
（実施例３５）
市販のリコンビナントシトクロムｐ４５０酵素を用いるフィブリルの官能基化
ラット肝ミクロソームをシトクロムｐ４５０の供給源として用いることに付随する不純物を避けるために、個々のシトクロムｐ４５０酵素を購入した（ＧＥＮＴＥＳＴ、Ｗｏｂｕｒｎ、マサチューセッツ州）。シトクロムｐ４５０酵素は、膜に関連してのみ活性であるために、これらの酵素はミクロソーム製剤として供給される。前記のものに似た反応手順を用いて、次のシトクロムｐ４５０を試験した：ＣＹＰ１Ａ１（カタログ番号Ｍ１１１ｂ）、ＣＹＰ１Ａ２（カタログ番号Ｍ１０３ｃ）、ＣＹＰ２Ｂ６（カタログ番号１１０ａ）、ＣＹＰ３Ａ４（レダクターゼを含む、カタログ番号１０７ｒ）。ＭｇＣｌ２（０．６７ｍｇ／ｍｌ）もまた反応溶液に含めた。この実験においては、フィブリルをソクスレー装置の助けにより洗浄した。
導入されたヒドロキシル基の分析を、シトクロムｐ４５０を反応させ洗浄したフィブリルを、着色試薬の３，５−ジニトロ安息香酸（ＤＮＢＡ）と反応させることにより実施した。カップリングを、Ｎ−ＦＯＭＣイソロイシンに対する前記のようにして実施した。ＤＮＢＡとの反応の後、フィブリルをＤＭＦで洗浄し、残留（共有結合した）ＤＮＢＡを、６ＮのＨＣｌ又は４６単位／ｍｌのブタ肝臓エステラーゼ（Ｓｉｇｍａ）のいずれかを用いて加水分解した。遊離されたＤＮＢＡの分析を、加水分解処理後にフィブリルを取り巻く上澄みのＨＰＬＣ分析により実施した。遊離ＤＮＢＡのＨＰＬＣ分析を、Ｖｙｄａｃ Ｃ１８逆相分析カラム（カタログ番号２１８ＴＰ５４）を備えたＷａｔｅｒ ＨＰＬＣ装置で、０．１％のＴＦＡ（溶媒Ａ）を含む脱イオン水から０．１％のＴＦＡ（溶媒Ｂ）を含むアセトニトリルまでの直線勾配で実施した。
（実施例３６）
ペルオキシダーゼを用いるフィブリルの官能基化
ペルオキシダーゼの基質特異性に関する文献の記載は、カーボンナノチューブが、これらの酵素の基質であり得ることを示している（Ｊ．Ｓ．Ｄｏｒｉｃｋ ｅｔ ａｌ．，Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（１９８６），２５，２９４６−２９５１；Ｄ．Ｒ．Ｂｕｈｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ａｒｃｈ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．（１９６１）９２，４２４−４３７；Ｈ．Ｓ．Ｍａｓｏｎ，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ，（１９５７）１９，．７９；Ｇ．Ｄ．Ｎｏｒｄｂｌｏｍ ｅｔ ａｌ．，Ａｒｃｈ Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．（１９７６）１７５，５２４−５３３）。ペルオキシダーゼ（水素ペルオキシダーゼ、タイプＩＩ、Ｓｉｇｍａ）がヒドロキシル基をフィブリル表面に導入し得るかどうかを決めるために、フィブリル（１１ｍｇ）を、５０ｍＭの酢酸ナトリウム（１．２５ｍＬ、ｐＨ５．０）、西洋ワサビペルオキシダーゼ（２００ｎＭ）を含む溶液中で混合し、ジヒドロキシフマル酸（１５ｍｇ）を、一度に５ｍｇずつ、反応の最初の３時間の間に加えた。反応を４℃で、アルゴンガスを間歇的にバブリングさせながら、合計で５時間実施した。反応後、フィブリルを水、１ＮのＮａＯＨ、メタノール、及び塩化メチレン（それぞれ、２００ｍＬ）で洗った。コントロールの反応を、加熱不活性化した（１００℃で５分間）ペルオキシダーゼを用いて実施した。
ペルオキシダーゼで触媒されたフィブリルのヒドロキシル化の度合いを分析するために、フィブリルを、乾燥ＤＭＦ中、イミダゾールの存在下で、ｔ−ブチルメチルシリルクロリド（Ａｌｄｒｉｃｈ）と反応させた。フィブリルの洗浄後、フィブリルに組み入れられたケイ素の元素分析のために、フィブリルを、Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｍｉｃｒｏｌｉｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ（Ｍａｄｉｓｏｎ、ニュージャージー州）に送った。分析の結果は、フィブリルの表面のケイ素の存在については不確かなものであった。実験に使用されたガラス器具からのケイ素が元素分析のために提出されたフィブリルに小さい破片として存在したと考えられる。このために、実験及びコントロールの試料の何れにおいてもケイ素は高レベルであった。実験の結論は、ペルオキシダーゼは、フィブリルにヒドロキシル基を導入したかもしれないが、技術的困難のために、導入された如何なるヒドロキシル基の存在も確認することができなかった。
１０．酸素フリーフィブリル表面への求電子付加又はメタリゼーションによる官能基化ナノチューブ
酸素フリーフィブリル表面への活性化求電子剤の付加により得ることができる主な生成物は、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＣｌ、−ＣＮ、−ＣＨ２ＮＨ２、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＨ２−ハロゲン、又はＨＣ＝Ｏのペンダントを有する。これらは以下により２次誘導体に変換できる。
Figure 2008513318
Figure 2008513318
Figure 2008513318
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Figure 2008513318
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１１．デンドリマーナノチューブ
ナノチューブ表面の官能基濃度は、特定の官能基の数が各世代と共に増加してデンドリマー状の構造を生成する、一連の世代の多官能試薬によりナノチューブを修飾することによって増加させることができる。得られるデンドリマーナノチューブは、ナノチューブ表面に固定化されるタンパク質の密度を増やすので、タンパク質を共有結合により固定化する固体担体として特に有用である。本発明は、高密度の特定の化学官能基を高表面積微粒子カーボンの表面に付与できることを例示する（これは、従来の高表面積カーボンでは困難であった）。
（実施例３７）
リシン系デンドリマー
反応シーケンスは図５に示されている。
炭酸水素ナトリウム（５ｍｌ、０．２Ｍ、ｐＨ８．６）中のアミノフィブリル（９０ｍｇ）の懸濁液に、ジオキサン（５ｍｌ）中のＮα，Ｎε−ジ−ｔ−ｂｏｃ−Ｌ−リシンのＮ−ヒドロキシスクスンイミドエステル（１２０ｍｇ、０．２７ｍｍｏｌ）の溶液を加えた。反応混合物を室温で一夜撹拌した。ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル保護リシンフィブリルを水、メタノール及び塩化メチレンで徹底的に洗い、真空下に乾燥した。次いで、ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル保護リシンフィブリルを、塩化メチレン（５ｍｌ）中トリフルオロ酢酸（５ｍｌ）により室温で２時間処理した。生成物のアミノリシンフィブリルを塩化メチレン、メタノール及び水で徹底的に洗い、真空下に乾燥した。第２及び第３世代のリシンフィブリルの調製は同じ手順に従った。アミノ酸分析データは、第１世代リシンフィブリルはフィブリル１グラム当たり０．６μモルのリシンを含み、第２世代リシンフィブリルはフィブリル１グラム当たり１．８μモルのリシンを含み、第３世代リシンフィブリルはフィブリル１グラム当たり３．６μモルのリシンを含んでいることを示した。
カルボキシルデンドリマーフィブリルは、アスパラギン酸又はグルタミン酸とカルボキシルフィブリルとを用いて、同じ方法により調製できる。
（実施例３８）
カルボキシレート末端デンドリマーの調製
カーボンナノチューブ（ＣＮ）コアを有するカルボキシレート末端デンドリマーは、塩素酸酸化カーボンナノチューブのＮＨＳエステルから始めて、アミノブチル−ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）の引き続く逐次カップリングにより生成する。
ＮＴＡの調製
ＮＴＡをＨｏｃｈｕｌｉ（Ｅ．Ｈｏｃｈｕｌｉ，Ｈ．Ｄｏｂｅｌｉ，ａｎｄ Ａ．Ｓｃｈａｃｈｅｒ，Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ．４１１，１７７−１８４（１９８７）、この内容は参照を通じて本明細書に組み込まれる）の方法に従って調製した。
ＣＮ／ＮＨＳの調製
ＣＮ／ＮＨＳを実施例２０の方法に従って調製した。
ＣＮ／ＮＴＡの調製
０．４ｇのＮＴＡ・ＨＣｌを、２５ｍｌの０．２ＭのＮａＨＣＯ３（ｐＨ８．１）に溶かした。１ＭのＮａＯＨを加えてｐＨを７．８まで戻した。０．５ｇのＣＮ／ＮＨＳを加え、混合物を超音波処理してＣＮを分散させ、得られたスラリーを撹拌しながら３０分間反応させた。スラリーを０．４５μｍのナイロン膜で濾過し、フィルター上で、ｐＨ８．１の炭酸バッファーで２回、ＤＩ水で２回洗った。修飾ＣＮを２５ｍｌのＭｅＯＨに超音波処理により２回再懸濁させ、濾過して固体ケーキとし、最後に真空デシケータ内で乾燥した。
ＣＮ／ＮＴＡ／ＮＴＡの調製
最初に、ＣＮ／ＮＴＡをＮＨＳ活性エステルに変換した。０．３９６グラムのＣＮ／ＮＴＡをオーブン中９０℃で３分間乾燥し、次いで、３０ｍｌの無水ジオキサンと共に１００ｍｌの丸底フラスコに入れ、アルゴンによりパージした。０．４ｇのＮ−ヒドロキシスクシンイミドを撹拌しながら加え、その後、０．６７グラムのＥＤＣを加え、さらに１時間撹拌を続けた。ＣＮはこの時間の間に一緒になって凝集する傾向があった。ジオキサンをデカンテーションにより捨て、固体を２０ｍｌの無水ジオキサンで２回洗った。固体を２０ｍｌの無水ＭｅＯＨで洗い、その間に凝集は解けた。固体を０．４５μｍのナイロン膜で濾過し、ＭｅＯＨに再懸濁させ、濾過し、フィルター上で、ＭｅＯＨで洗った。
０．２ｇのＮＴＡを５０ｍｌのフラスコに入れ、１０滴のＮａＯＨ（１Ｍ）により溶かした。０．２ＭのＮａＨＣＯ３（ｐＨ８．１）の２０ｍｌを加え、次いで、ＣＮ／ＮＴＡ／ＮＨＳの全てを加え、この溶液をプローブソニケーターにより軽く超音波処理した。混合物を室温で２．５時間反応させた。修飾ＣＮを０．４５μｍのナイロン膜で濾過し、炭酸バッファーにより２回洗い、超音波処理によりＤＩ水に再懸濁させ、濾過し、ＤＩ水で洗った。次に、それらを真空デシケータ内に入れて乾燥した。
ＣＮ／ＮＴＡ／ＮＴＡ／ＮＴＡの調製
さらなるレベルのＮＴＡを前記手順に従って付け加えた。
ＣＮ／ＮＴＡ／ＮＴＡ／ＮＴＡ／ＮＴＡの調製
さらなるレベルのＮＴＡを前記手順に従って付け加えた。
４世代のＮＴＡ付加のそれぞれの試料（約１０ｍｇ）を、超音波処理により１０ｍｌのＤＩ水に懸濁させ、０．４５μｍのナイロン膜で濾過して、フェルト状マットを生成させた。マットの断片を真空デシケータに保管し、ＮＴＡの相対量を示すためにＥＳＣＡにより窒素（Ｎ）について分析した。結果は下の表に示されている。
Figure 2008513318
ＥＳＣＡの結果は、次々の世代の各々と共に組み入れられている量が増大していることを立証している。
（実施例３９）
タンパク質担体としてのカーボンナノチューブデンドリマー
カーボンナノチューブに固定化されるタンパク質の密度は、デンドリマーを担うように誘導体化したフィブリルを用いることによって大幅に増大させることができる。西洋ワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）が以下の方法に従ってデンドリマーナノチューブに固定化された。
無処理フィブリル（０．４９ｍｇ）、アミノフィブリル（０．３２ｍｇ）、第１世代リシンフィブリル（０．８２ｍｇ）、第２世代リシンフィブリル及び第３世代リシンフィブリルを、炭酸水素ナトリウム結合（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）バッファー（６００μｌ、０．１Ｍ、０．９％のＮａＣｌを含む）と共に室温で１５分間超音波処理した。次いで、これらを、ＨＲＰの炭酸水素ナトリウム結合バッファー溶液（４９０ｍｌ、５．６ｍｇ／ｍｌの酵素保存溶液）により室温で１９時間インキュベートした。ＨＲＰ固定化フィブリルを次のバッファー（１ｍｌ）で洗った：ｐＨ９．５で０．９％のＮａＣｌを含む１０ｍＭのＮａＨＣＯ３バッファー（１×洗浄バッファー）で７回；１×洗浄バッファー中０．１％Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００で５回；１×洗浄バッファー中５０％エチレングリコールで３回。ＨＲＰ活性のアッセイを、過酸化水素溶液（１０μｌ、１０ｍＭ保存溶液）、及びグリシンアッセイバッファー（５０ｍＭ、ｐＨ４．４）中の２，２−アジノビス（３−エチルベンゾチアゾリン）−６−スルホン酸ジアンモニウム塩（ＡＢＴＳ、３μｌ、ｍＭ保存溶液）を用いて４１４ｎｍで行なった。結果は次の表に示されている。
Figure 2008513318
１２．２官能性フィブリル
官能基化ナノチューブ、例えばカルボキシナノチューブをアミノ酸と反応させることによって、２種以上の官能基（例えば、カルボキシル基及びアミノ基）を同時にフィブリルに導入できることが見出された。このような２官能性フィブリルは、複数種の分子を、特に１：１の化学量論比で、ごく接近させて固定化するのに使用できる。
（実施例４０）
シリンの付加による２官能性フィブリルの調製
Ｎα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンベンジルエステルの合成
反応シークエンスは図７に示されている。Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−リシン（２ｇ、８．１２ｍｍｏｌ）をメタノール（４０ｍｌ）及び水（４０ｍｌ）に溶かし、トリエチルアミンによりｐＨを８に調節した。Ｎ−（ベンジルオキシカルボニル−オキシ）スクシンイミドのジオキサン溶液（２０ｍｌ中、２．４ｇ、９．７ｍｍｏｌ）を上の混合物に加え、トリエチルアミンによりｐＨを８〜９に保った。反応混合物を一夜撹拌した。溶剤を回転エバポレーターにより除去して粗Ｎα−ＣＢＺ−Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−リシンを得た。Ｎα−ＣＢＺ−Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−リシンを０．２Ｍの炭酸カルシウム（４ｍｌ）により処理し、水性層を取り除いて白色固体を得た。この固体を、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（４０ｍｌ）及び臭化ベンジル（１．１６ｍｌ）に懸濁させた。反応混合物を室温で一夜撹拌した。反応混合物を酢酸エチル及び水によりワークアップし、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。溶媒を除去して、粗Ｎα―ＣＢＺ−Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−リシンのベンジルエステルを得て、これを、酢酸エチル中２５％ヘキサンを溶媒として用いるシリカゲルクロマトグラフィーにより精製した。塩化メチレン（１０ｍｌ）中のＮα−ＣＢＺ−Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−リシンベンジルエステル（１ｇ、２．２ｍｍｏｌ）にトリフルオロ酢酸を０℃で加えた。反応混合物を０℃で１０分間撹拌し、次に、さらに室温で２．５時間撹拌した。溶媒を除去し、粗生成物を得た。純粋なＮα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンベンジルエステルをシリカゲルクロマトグラフィーにより得た。
Ｎα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンベンジルエステルフィブリルの合成
塩化メチレン（１８ｍｌ）中のカルボキシルフィブリル（３００ｍｇ）の懸濁液に、Ｎα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンのベンジルエステル（２０ｍｌの塩化メチレン及び１７６μｌのトリエチルアミン中、１４８ｍｇ、０．３２ｍｍｏｌ）を加えた。次いで、ＨＯＢＴ（４３．３ｍｇ、０．３２ｍｍｏｌ）及びＥＤＣ（６１．３ｍｇ、０．３２ｍｍｏｌ）を加えた。反応混合物を室温で一夜撹拌して粗生成物を得た。生成物フィブリルを、メタノール、塩化メチレン、及び水により徹底的に洗い、次に真空下に乾燥した。
２官能性フィブリルのＦｉｂ−Ｌｙｓ（ＣＯＯＨ）ＮＨ２の合成
メタノール（４ｍｌ）中のＮα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンベンジルエステルフィブリル（１１３ｍｇ）に、水酸化ナトリウム（１Ｎ、４ｍｌ）を加え、反応混合物を一夜撹拌した。生成物のＮα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンフィブリルを水及びメタノールで徹底的に洗い、フィブリルを真空下に乾燥した。アセトニトリル（４ｍｌ）中のＮα−ＣＢＺ−Ｌ−リシンフィブリルの懸濁液に、トリメチルシリルヨージド（１ｍｌ）を加えた。混合物を４０℃で３時間撹拌した。最終の２官能性フィブリルを、水、メタノール、０．５Ｎ水酸化ナトリウム、アセトニトリル及び塩化メチレンにより徹底的に洗った。アミノ酸分析は、フィブリル１グラム当たり０．３μモルのリシンを示した。
ヒドロキシル及びカルボキシル（又はアミノ）２官能性フィブリルは、セリン、トレオニン、又はチロシンを用いることによって、本明細書に記載したものに類似の方法により製造できる。システインを用いて、チオール化及びカルボキシル（又はアミノ）２官能性フィブリルを製造できる。カルボキシル及びアミノ２官能性フィブリルは、アスパラギン酸又はグルタミン酸を用いて製造できる。
官能基化ナノチューブの使用
官能基化グラファイトナノチューブは、それらの高多孔性、化学的及び熱的安定性と高表面積のために、多くのバイオテクノロジー用途において固体担体として有用である。それらは、過酷な化学的及び熱的処理に適合性があり、非常に容易に化学的に官能基化できる。
例えば、共有結合により酵素を修飾ナノチューブに、酵素の生物活性を保ったままで固定化できる。さらに、ナノチューブはまた、生体分子の分離におけるアフィニティクロマトグラフィー担体としての使用にも適している。例えば、固定化された阻害剤が高分子に利用可能であり、可逆的で特異的な生物学的認識がタンパク質と修飾フィブリルとの間に起こるように、酵素阻害剤が複数ステップの合成でナノチューブ上に調製された。
ナノチューブ表面の疎水性は、吸着により高密度のタンパク質を固定化するのに十分でない。ナノチューブ表面の疎水性を増し、また疎水性環境を２次元から３次元に拡大するために、様々な長さのアルキル鎖がナノチューブ表面にカップリングされた。吸着によりアルキルナノチューブに固定化されたタンパク質には、トリプシン、アルカリホスファターゼ、リパーゼ及びアビジンが含まれる。これらの固定化タンパク質の酵素活性は、遊離の酵素のそれに匹敵し、水溶液中でのこれらの基質の加水分解に対する触媒効率により立証される。
さらに、フェニル−アルキルナノチューブ（アルキル鎖の末端にフェニル基をさらに付加したアルキルナノチューブである）もまた調製された。この修飾は、タンパク質のアミノ酸のフェニルアラニン、チロシン、及びトリプトファンと、π−π相互作用を通じて相互作用する芳香族構造を導入した。フェニル−アルキルナノチューブへのアルカリホスファターゼ及びリパーゼの吸着はＣ８−アルキルナノチューブへの吸着に匹敵した。
官能基化フィブリルはまた、タンパク質合成の担体として有用であることも見出された。
１．酵素の固体担体としての機能化ナノチューブ
（実施例４１）
吸着による酵素の固定化
アルキルフィブリルの調製
０．１４ｍｍｏｌのＥＤＣ（１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）及び０．１４ｍｍｏｌのＤＭＡＰ（４−ジメチルアミノピリジン）を用いて、１０ｍｇのカルボキシルフィブリル（約０．００７ｍｍｏｌの−ＣＯＯＨ基（１０ｍｇのフィブリル×０．７ｍｍｏｌ−ＣＯＯＨ／フィブリル１ｍｇ＝０．００７ｍｍｏｌ）を含んでいた）を、１．５ｍｌのＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）中、０．１４ｍｍｏｌのアルキルアミンと反応させることによって、アルキルフィブリルを調製した。化学反応は次の通りである。
Figure 2008513318
異なる長さのアルキル鎖（ｎ＝５、７、９、１７；ｎ＝５では、Ｒ＝ＯＨのみ）を有するいくつかの異なるアルキルフィブリルをこの手順によって調製した。反応物を雰囲気温度で一夜撹拌した後、フィブリルを、３×２５ｍｌのＣＨ２Ｃｌ２、３×２５ｍｌのＭｅＯＨ、及び３×２５ｍｌのｄＨ２Ｏにより厳重に洗浄した。フィブリルにおける窒素含量の元素分析は、反応の収率が６５〜１００％であることを示した。
酵素の吸着
酵素のリパーゼ、トリプシン、アルカリホスファターゼ及びアビジンをこの実施例のアルキルフィブリルに、吸着によって固定化した。アルキルフィブリル及び酵素を室温で３時間から４時間混合し、その後、５ｍＭリン酸ナトリウム（ｐＨ７．１）により２から４回洗浄した。アルキルホスファターゼをＣ８−フィブリル及びＣ６ＯＨ−フィブリルに、トリプシンをＣ６−、Ｃ８−、Ｃ１０−及びＣ１８−フィブリルに、リパーゼをＣ６ＯＨ−、Ｃ８−、Ｃ１０−及びＣ１８−フィブリルに、またアビジンをＣ８−フィブリルに固定化した。結果は次の表に示されている。
Figure 2008513318
固定化酵素の動力学的性質は、次の表に示すように、遊離酵素のものに匹敵することを見出した。
Figure 2008513318
（実施例４２）
フィブリル−リパーゼにより触媒されるエステル化（酪酸エチルの合成）
リパーゼを、実施例４１の手順によりＣ８−アルキルフィブリルに固定化した。このフィブリルをヘプタンに分散させるために、リパーゼフィブリルを最初にジオキサン、次にジオキサン及びヘプタンの混合物、最後にヘプタンにより洗浄した。酪酸エチル（パイナップル−バナナの風味をもたせる食品添加剤）を合成するために、エタノール（０．４Ｍ）及び酪酸（０．２５Ｍ）をヘプタン中で、６．２μｍのフィブリル−固定化リパーゼと混合した。反応混合物を室温で撹拌した。収率は７時間で６０％であった（確立された方法を用いて、反応混合物中のエタノール濃度を測定することによって求めた）。反応及び結果は図８に示されている。
（実施例４３）
フェニル−アルキルフィブリルへのアルカリホスファターゼの固定化
フェニル−アルキルフィブリルの調製
フェニル−アルキルフィブリルを２つの異なる反応によって調製した。反応１：２０ｍｇのカルボキシルフィブリル（約０．０１４ｍｍｏｌの−ＣＯＯＨ基を含む）を、１．５ｍｌのＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）中、０．２８ｍｍｏｌの４−フェニルブチルアミン、０．２８ｍｍｏｌのＥＤＣ及び０．２８ｍｍｏｌのＤＭＡＰ（４−ジメチルアミノピリジン）と混合した。反応２：２０ｍｇのカルボキシルフィブリルを、１．５ｍｌのＤＭＦ中、０．２８ｍｍｏｌの６−フェニル−１−ヘキサノール、０．２８ｍｍｏｌのＤＣＣ（１，３−ジシクロヘキシルカルボジイミド）及び０．２８ｍｍｏｌのＤＭＡＰと混合した。反応を撹拌しながら室温で一夜実施した。次いで、フィブリルを、３×２５ｍｌのＣＨ２Ｃｌ２、３×２５ｍｌのＭｅＯＨ、３×２５ｍｌのｄＨ２Ｏにより厳重に洗浄した。
アルキルホスファターゼ−固定化フィブリルの調製
０．５ｍｇのフェニル−アルキルフィブリルを、０．０５ＭのＴｒｉｓ（ｐＨ８．６）の４００μｌに懸濁させ、２０分間超音波処理した。これらのフィブリルに、１５０μｌのアルカリホスファターゼ溶液（５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー中１．６７ｍｇ／ｍｌ、ｐＨ７．０）を加え、混合物を室温で２時間回転させ、４℃で一夜保存した。次いで、フィブリルを６００μｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）で２回洗い、２００μｌの同じバッファーに懸濁させた。
確実に固定化されたアルカリ−ホスファターゼの、触媒活性の測定による定量
アルカリホスファターゼは基質のｐ−ニトロフェニルホスフェートと反応し、４０５ｎｍの光を吸収する着色化合物（吸光係数は１８，２００Ｍ−１ｃｍ−１）を放出する。この反応でのアッセイバッファー条件は、１０ｍＭのＴｒｉｓ、１ｍＭのＭｇＣｌ２及び０．１ｍＭのＺｎＣｌ２、ｐＨ＝８．４であった。反応を１ｍｌのキュベット内で、５μｌのｐ−ニトロフェニルホスフェート保存溶液（アッセイバッファー中３３％のＤＭＳＯ中０．５Ｍ）、及び１ｍｌのアッセイバッファー中１３μｇのアルカリホスファターゼフィブリルを混合することによって実施した。４０５ｎｍの吸光度の増加を０分間に渡るタイムスキャンによってモニタした。次いで、酵素活性（μＭ／ｍｉｎ）を、１８２００Ｍ−１ｃｍ−１の吸光係数を用いて、初期勾配から計算した。
反応１によるフェニルフィブリルに吸着されたアルカリホスファターゼでは、活性はフィブリル１３μｇ当たり６．９５μＭ／ｍｉｎであった。反応２によるフェニルフィブリルに吸着されたアルカリホスファターゼでは、活性はフィブリル１３μｇ当たり２．５８μＭ／ｍｉｎであった。これらの結果は、既知濃度のアルカリホスファターゼ溶液の活性（同じアッセイ条件下で、アルカリホスファターゼ１μＭ当たり８７９．８μＭ／ｍｉｎであると測定された）で割ることによって、フィブリル１ｇ当たり、それぞれ０．６３μモル（又は５４ｍｇ）及び０．２３μｍ（又は２０ｍｇ）の活性アルカリホスファターゼに変換された。
（実施例４４）
フェニルアルキルフィブリルへのリパーゼの固定化
リパーゼ−固定化フィブリルの調製
０．５ｍｇのフェニル−アルキルフィブリルを、５０μｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）に懸濁させ、２０分間超音波処理した。これらのフィブリルに、３５０μｌのリパーゼ溶液（５ｍＭリン酸バッファー中０．２ｍＭ、ｐＨ７．１）を加え、混合物を室温で５時間回転させ、４℃で一夜保存した。次いで、フィブリルを、６００μｌの５ｍＭリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）により３回洗い、２００μｌの同じバッファーに懸濁させた。
確実に固定化されたリパーゼの、触媒活性の測定による定量
リパーゼは基質の１，２−Ｏ−ジラウリル−ｒａｃ−グリセロ−３−グルタル酸−レゾルフィンエステル（Ｂｏｅｈｒｉｎｇｅｒ Ｍａｎｎｈｅｉｍ、１１７９９４３）と反応し、５７２ｎｍの光を吸収し、６０，０００Ｍ−１ｃｍ−１の吸光係数を有する着色化合物を生成できる。この反応のアッセイバッファー条件は、０．１ＭのＫＨ２ＰＯ４、ｐＨ＝６．８であった。反応を１ｍｌのキュベット内で、５μｌの基質保存溶液（Ｔｈｓｉｔ中５０％のＤＭＳＯ中、７．６ｍＭ）、及び１ｍｌのアッセイバッファー中１３μｇのアルカリホスファターゼフィブリルを混合することによって実施した。５７２ｎｍの吸光度の増加を１０分間に渡るタイムスキャンによってモニタした。次いで、酵素活性（μＭ／ｍｉｎ）を、６０，０００Ｍ−１ｃｍ−１の吸光係数を用いて、初期勾配から計算した。
実施例４３の反応１によるフェニルフィブリルに吸着されたリパーゼでは、活性はフィブリル１３μｇ当たり０．０７８μＭ／ｍｉｎであった。実施例４３の反応２によるフェニルフィブリルに吸着されたリパーゼでは、活性はフィブリル１３μｇ当たり０．０５４μＭ／ｍｉｎであった。これらの結果は、既知濃度のリパーゼ溶液の活性（同じアッセイ条件下で、リパーゼ１μＭ当たり１．３μＭ／ｍｉｎであると測定された）で割ることによって、フィブリル１ｇ当たり、それぞれ４．７μモル（又は５６４ｍｇ）及び３．３μｍ（又は３９６ｍｇ）の活性アルカリホスファターゼに変換された。
（実施例４５）
アミノアルキル−修飾フィブリルへの西洋ワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）の固定化
カルボン酸−官能基化フィブリル（カルボキシルフィブリル）の調製
１０．０ｇのグラファイトフィブリル試料を、４５０ｍＬの濃Ｈ２ＳＯ４中、スパチュラを用いて混合することによりスラリー化し、次いで、入口／出口及びオーバーヘッド撹拌機を備える反応器フラスコに移した。撹拌しアルゴンをゆっくりと流しながら、８．６８ｇのＮａＣｌＯ３を室温で２４時間に渡って分けて加えた。塩素蒸気（実験の進行中、常に発生した）を反応器から外へ押し流してＮａＯＨ水溶液トラップに導いた。実験の最後に、砕いた氷の上にフィブリルスラリーを注ぎ、真空濾過した。次いで、フィルターケーキをソクスレー円筒濾紙に移し、ソクスレー抽出器で、数時間毎に新鮮な水に交換しながら、脱イオン水で洗った。フィブリル試料が、新鮮な脱イオン水に入れた時に、水のｐＨを変えなくなるまで、洗浄を続けた。次に、カルボキシル化フィブリルを濾過により回収し、５インチの真空で、１００℃で一夜乾燥した。収量は１０．０ｇであった。
ＨＲＰ−固定化フィブリルの調製
実施例２７の方法を用い、１，６−ジアミノヘキサンからつくられたアミノフィブリル（１．２ｍｇ）を結合バッファー（０．１ＭのＮａＨＣＯ３、０．９％のＮａＣｌ、ｐＨ９．５）に加え、懸濁液に２０分間超音波処理した。次いで、エッペンドルフ管内でフィブリルを結合バッファーにより２回洗い、４３０μＬの結合バッファーに懸濁させた。５０−μＬの懸濁液の分取液（０．１４ｍｇのフィブリル）を、５０μｌの脱イオン水に溶けた４．０ｍｇの活性化ＨＲＰ（Ｐｉｅｒｃｅ、Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、イリノイ州）と混合し、得られた懸濁液を４℃で一夜回転した。ＨＲＰ結合フィブリルをエッペンドルフ遠心管内で以下の溶液の組合せにより徹底的に洗った；結合バッファー、洗浄バッファー（２０ｍＭのＫＨ２ＰＯ４、０．４５％のＮａＣｌ、ｐＨ６．２）、０．０３〜０．１％のＴｒｉｔｏｎ Ｘ−１００を含む洗浄バッファー、及び５０％のエチレングリコールを含む洗浄バッファー。コントロールとして、活性化ＨＲＰを用いる同一の操作を無処理（非誘導体化）フィブリルで実施し、これはアミノフィブリルへのＨＲＰの取付けは実際に確実な共有結合であることを示した。
触媒活性の測定による、確実に固定化されたＨＲＰの定量
徹底的な洗浄が確実に結合していない酵素の大部分を除去した。固定化された活性ＨＲＰを、Ｈ２Ｏ２及び発色基質の２，２’−アジノ−ビス−（３−エチルベンゾチアゾリン−６−スルホン酸）ジアンモニウム塩（ＡＢＴＳ）を用いる、基質の転換により定量した。ＨＲＰの触媒活性を、１００μＭのＨ２Ｏ２、及び基質として３０μＭのＡＢＴＳを用い、４１４ｎｍで、分光光度法によりモニタした。これらの予備的調査でアミノフィブリルに結合した酵素の全量は、０．０２３０μｍｏｌのＨＲＰ／フィブリル１ｇであった。比較として、コントロール（無処理フィブリル）は、０．００４８μｍｏｌ／フィブリル１ｇと共有結合によらずに結合した。差し引くことにより、共有結合した（確実に結合した）ＨＲＰの量は、０．０１８２μｍｏｌ／フィブリル１ｇであった。
（実施例４６）
固定化酵素阻害剤を担うフィブリルでのアルキルホスファターゼ（ＡＰ）及びβ−ガラクトシダーゼ（βＧ）のアフィニティクロマトグラフィー分離
アルキルホスファターゼ阻害剤フィブリルの調製
ＡＰ−阻害剤修飾フィブリルの調製は、Ｂｒｅｎｎａ ｅｔ ａｌ．（１９７５），Ｂｉｏｃｈｅｍ Ｊ．，１５１：２９１−２９６、の方法に基づいていた。カルボキシル化フィブリルを用いて、上の実施例５０に記載されているようにしてＮＨＳエステルフィブリルを調製した。ＮＨＳエステルフィブリル（１１４ｍｇ）を４ｍｌのアセトンに懸濁させ、１０当量（０．７ｍｅｑのＮＨＳエステル／フィブリル１ｇに基づく）のチラミンを加えた。乾燥トリエチルアミン（１０当量）を加え、混合物を室温で３時間撹拌した。チラミニルフィブリルを焼結ガラス漏斗内で真空下に、最初にアセトンで、次に、徹底的に脱イオン水により洗った。
４−（ｐ−アミノフェニルアゾ）−フェニルアルソン酸（６６ｍｇ）を４ｍｌのＨＣｌ（１Ｎ）に懸濁させた。懸濁液を４℃に冷却し、ＮａＮＯ２（０．５Ｍ）の０．３６ｍｌとゆっくりと混合した。１５分後、アルソン酸／ＮａＮＯ３の混合物を、チラミニルフィブリル（１０ｍｌのＮａＣＯ３（０．１Ｍ、ｐＨ１０．０）に懸濁させたもの）に加えた。反応混合物（ｐＨ約１０）を４℃で一夜撹拌した。次いで、フィブリルを順次、０．１ＭのＮａ２ＣＯ３（ｐＨ１０．０）、８ＭのグアニジンＨＣｌ、２５ｍＭのＮａＯＨ、さらに処理液が透明になるまで水により洗浄処理した。ＡＰ−阻害剤フィブリルのヒ素の原子吸光分析が、Ｇａｌｂｒａｉｔｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（Ｋｎｏｘｖｉｌｌｅ、テネシー州）により実施された。原子吸光分析によって、１原子のヒ素を含む側鎖を含むＡＰ−阻害剤フィブリルが０．４％のヒ素含量を有することが見出された。これは、見積もりの初期ＣＯＯＨ基のほぼ１０％が、この複数ステップの合成においてＡＰ−阻害剤に変換されたことを示す。フィブリルの表面積に基づいて、これは、５００Å２の表面積毎に１個の阻害剤分子（酵素結合サイト）があると推定されることを意味する。
β−ガラクトシダーゼ−阻害剤フィブリルの調製
ｐ−アミノ−フェニル−β−Ｄ−チオガラクトシド（ＴＰＥＧ）誘導体化フィブリルを、Ｕｌｌｍａｎ，（１９８４）Ｇｅｎｅ，２９：２７−３１、の方法に基づいて調製した。０．２ｍｌの脱イオン水中８ｍｇのカルボキシル化フィブリルに２．２４ｍｇのＴＰＥＧを加えた。懸濁液のｐＨを０．１ＭのＨＣｌにより４．０に調節し、１５ｍｇのＥＤＡＣを加えた。混合物（ｐＨ４．０）を室温で３時間撹拌した。エッペンドルフ管で高速で遠心し液体を除去することにより反応を停止した。β−ガラクトシダーゼ阻害剤フィブリルを、脱イオン水への再懸濁と遠心を繰り返すことにより、５回洗浄した。
アフィニティ分離
アルカリホスファターゼ（ＡＰ）（大腸菌由来、タイプＩＩＩ；Ｓｉｇｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．（セントルイス、ミズーリ州））及びβ−ガラクトシダーゼ（βＧ）（大腸菌由来；Ｃａｌｂｉｏｃｈｅｍ（Ｌａ ｊｏｌｌａ、カリフォルニア州））の混合物を、バッチ式で、エッペンドルフマイクロ遠心管内で、ＡＰ−阻害剤フィブリル又はβＧ−阻害剤フィブリルのどちらかで分離した。アフィニティ分離では、ＡＰ（大体で約１０単位）及びβＧ（大体で約２８０単位）を含む１．０ｍＬのローディングバッファー溶液（２０ｍＭのＴｒｉｓ、１０ｍＭのＭｇＣｌ２、１．６ＭのＮａＣｌ、１０ｍＭのシステイン、ｐＨ７．４）を、０．８〜１．０ｍｇのＡＰ−又はβＧ−阻害剤フィブリルのどちらかに加えた。得られた懸濁液に穏やかな渦流を発生させ、次いで、室温で２時間回転させた。酵素の結合に続いて、フィブリルを、卓上遠心機での短時間の遠心により沈降させ、結合しなかった酵素を含む液相を取り出し、酵素アッセイのために保存した。ローディングバッファーによる洗浄（７×１．０ｍＬ）を、バッファーの添加、穏やかな渦流発生、１５分の回転、短時間の遠心、及びパスツールピペットにより溶媒の抜き取りを繰り返すことにより実施した。７回目の洗浄後、βＧ−阻害剤フィブリル（１００ｍＭのホウ酸ナトリウム、１０ｍＭのシステイン、１０ｍＭのシステイン、ｐＨ１０．０）又はＡＰ−阻害剤フィブリル（４０ｍＭのＮａＨＰＯ４、１０ｍＭのＴｒｉｓ、１．０ｍＭのＭｇＣｌ２、０．１ｍＭのＺｎＣｌ２、ｐＨ８．４）に対する適切な溶離バッファーによって同じ操作を繰り返し実施した（５×１．０ｍＬ）。
全ての画分（結合しなかった酵素、洗浄、及び溶離）に、ＡＰ及びβＧの両方の活性についてのアッセイを行なった。アルカリホスファターゼ活性を、５００μＭのｐ−ニトロ−フェニルホスフェート（ＰＮＰＰ）の加水分解速度を４１０ｎｍ（Δε＝１８，０００Ｍ−１ｃｍ−１）で分光光度法によりモニタすることによって求めた。アルカリホスファターゼ活性の測定を、１０ｍＭのＴｒｉｓ、１．０ｍＭのＭｇＣｌ２、及び０．１ｍＭのＺｎＣｌ２、ｐＨ８．４で実施した。β−ガラクトシダーゼアッセイを、２−ニトロ−ガラクト−（β−Ｄ−ピラノシド）（ＯＮＰＧ）を加水分解する酵素の能力を分光光度法によりモニタすることによって行なった。５．０ｍＭのＯＮＰＧのβ−ガラクトシダーゼ−触媒加水分解初期速度を、１０ｍＭのＴｒｉｓ、１０ｍＭのＭｇＣｌ２、１．６ＭのＮａＣｌ、１０ｍＭのシステイン中、ｐＨ７．４で、４０５ｎｍ（Δε＝３５００Ｍ−１ｃｍ−１）で測定した。
ＡＰ−阻害剤及びβＧ−阻害剤フィブリルのいずれに対しても、ＡＰ及びβＧの混合物を加えた。特異的結合能の決定を容易にするために、添加した酵素の濃度は、固定化された阻害剤濃度に対して大過剰であった。ＡＰ−阻害剤フィブリルでは、（０．０２０ＡｍｏｌのβＧ／フィブリル１ｇの非特異的結合に対して）０．５５０μｍｏｌのＡＰ／フィブリル１ｇが結合した。βＧ−阻害剤フィブリルでは、（０．０１２μｍｏｌのＡＰ／フィブリル１ｇの非特異的結合とは対照的に）容量は０．０９３μｍｏｌのβＧ／フィブリル１ｇと決定された。アフィニティクロマトグラフィー実験の結果は図９及び１０に示されている。ＡＰ−阻害剤フィブリルは、容易に認められる程にはβＧを結合させなかったが、ＡＰを結合させ、結合ＡＰは、競合阻害剤である４０ｍＭリン酸塩を緩衝液に加えた時に、特異的に溶離した（図９）。βＧにより誘導体化したフィブリルは、それ程の量のＡＰを結合させなかったが、βＧを結合させ、結合βＧは、ｐＨを上げて酵素−阻害剤の会合を弱めた時に、特異的に溶離した（図１０）。これらの結果は、阻害剤がフィブリルに成功裏に共有結合したこと、固定化した阻害剤は大きな分子に利用可能であったこと、これらの阻害剤は、特異的な酵素の結合のために利用可能であったこと、及び、特異的に溶離させた時に酵素が活性を保っていたことを示している。図１０において、βＧ−阻害剤からのβＧの連続的な漏れ出しがあるように見える。同じ現象はＡＰ−阻害剤フィブリルによる図９においては見られないので、これは、フィブリルの欠点であるよりむしろ、酵素−阻害剤の本来の弱いアフィニティの結果であり得る。
２．抗体の固体担体としての官能基化ナノチューブ
抗体は官能基化ナノチューブに固定化され得ること、またこのような抗体ナノチューブは、それらの重量当たりの高表面積、電気伝導性、並びに化学的及び物理的安定性のために、多くの用途で独特の利点を有することが見出された。例えば、抗体ナノチューブは、分子の分離のためのアフィニティ試薬として使用できる。抗体ナノチューブはまた、ＥＣＬに基づくイムノアッセイのような診断用イムノアッセイを含めて、分析用途にも有用である。
抗体は、共有結合又は非共有結合の吸着のどちらかによって固定化できる。共有結合による固定化を様々な方法；抗体の炭化水素基の還元的アミノ化、カルボキシル化フィブリルのＮＨＳエステル活性化（上記の実施例２７参照）、及び、チオール化又はマレイミドフィブリルと還元又はマレイミド−修飾抗体との反応（上記の実施例２３及び２５参照）が含まれる；によって実施した。
抗体をナノチューブに結合する最善の方法は、それらが使用されようとする用途に応じて決まるであろう。分離用途では、好ましい方法は、タンパク質の結合能がこの方法で最高であると思われるので、非共有結合による吸着であり得る。ＥＣＬを含む方法では、フィブリルの電気伝導度が重要であり得るので、供給結合による方法が好ましいものであり得る（アルキル付加物は弱い電気伝導体であり、フィブリルを絶縁すると予想できる）。還元アミノ化は、この方法を用いることによって、抗体はそれらの結合サイトが外側に（フィブリルから離れて）向いているように正しく配向されるので、フィブリルに抗体を共有結合させるのに最善の方法であり得る。
３．官能基化ナノチューブへのＮＡＤ＋の付加
ＮＡＤ＋のような補因子を付加でき、酵素の補因子に結合するタンパク質の生物特異的アフィニティクロマトグラフィーのための固体担体として使用できることが見出された。例えば、ＮＡＤ＋フィブリルがデヒドロゲナーゼの精製のための固体担体として使用された。フィブリルを用いる主な利点は、それらの大量の利用可能な表面積である。高表面積を有するアフィニティマトリックスは、大きな潜在的容量のために望ましい。フィブリルは、絡まっていない分散体であるか、或いはカラム又はマットに固定されるかのいずれかであり得る。
（実施例４７）
ＮＡＤ＋フィブリルでのデヒドロゲナーゼのアフィニティクロマトグラフィー分離
ＮＡＤ＋フィブリルの調製
実施例１４及び１５に従って、フィブリルを酸化してカルボキシル基を導入した。炭酸水素ナトリウム溶液（３ｍｌ、０．２Ｍ、ｐＨ８．６）中のフィブリル（３１ｍｇ）の懸濁液に、Ｎ６−［アミノヘキシル］カルバモイルメチル）−ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリチウム塩溶液（５ｍｌの炭酸水素ナトリウム中２５ｍｇ（Ｓｉｇｍａ））を加えた。反応混合物を室温で一夜撹拌した。生成物フィブリルを、水、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、及びメタノールにより徹底的に洗った。元素分析データは、生成物フィブリルが、窒素分析によりフィブリル１ｇ当たり１３０ｍｍｏｌのＮＡＤ分子を、リン分析によりフィブリル１ｇ当たり１４７ｍｍｏｌのＮＡＤ分子を含むことを示した。アミノ基を末端とするリンカーを有する他のＮＡＤ＋アナローグが、ＮＡＤ＋フィブリルを調製するために使用できる。
アフィニティ分離
ＮＡＤ＋固定化フィブリル（０．２６ｍｇ）及び無処理フィブリル（０．３７ｍｇ）を、リン酸ナトリウム（１ｍｌ、０．１Ｍ、ｐＨ７．１）中、０．１％のポリエチレングルコール（ＰＥＧ、ＭＷ１０００）と共に、４０℃で３０分間超音波処理し、次いで４０℃で３０分間インキュベートした。フィブリル懸濁液を遠心し、上澄みを除去した。フィブリルを、０．１％ＰＥＧ（１０００）リン酸ナトリウムバッファー（２５０μｌ）中のＬ−ラクテートデヒドロゲナーゼ（ＬＤＨ）混合物（ＬＤＨ溶液と０．１％ＰＥＧバッファーの比は１：１であった）を用いて、４℃で９０分間インキュベートした。次いで、混合物を室温で３０分間平衡させた。ＬＤＨによるフィブリルのインキュベーションの後、フィブリルを、リン酸ナトリウムバッファー中０．１％のＰＥＧ（１０００）により洗浄した（５×１０００μｌ）（各洗浄には回転させながら１５分かけた）。ＬＤＨを、０．１％ＰＥＧ（１０００）リン酸ナトリウムバッファー中５ｍＭのＮＡＤＨ溶液により溶離させた（５ｍＭ ３×１０００μｌ）。各溶離洗浄の間、フィブリルを１５分間回転させた。溶離液のＬＤＨ活性アッセイを、ピルビン酸の還元の間の３４０ｎｍでの吸光度の変化を測定することにより行なった。アッセイ混合物は、リン酸ナトリウムバッファー（９８０μｌ）中０．１％のＰＥＧ（１０００）、ピルビン酸（３．３μｌ、１００ｍＭ保存溶液）、及び各溶離画分（１６．７μｌ）を含んでいた。酵素反応を下に示す。
Figure 2008513318
結果により、ＮＡＤ＋固定化フィブリルでのＬＤＨの容量はフィブリル１ｇ当たり４８４ｎｍｏｌであり、無処理フィブリル（コントロール）でのＬＤＨの容量はフィブリル１ｇ当たり３．６８ｎｍｏｌであることが示された。ＬＤＨの非特異的結合は５．６％であった。
４．タンパク質合成のための固体担体としての官能基化フィブリル
（実施例４８）
ペプチド合成のための固体担体としての官能基化フィブリルの使用
塩化メチレン（２０ｍｌ）中、アミノフィブリル（４００ｍｇ）及び４−（ヒドロキシメチル）−フェノキシ酢酸（２５５ｍｇ、１．４ｍｍｏｌ）の懸濁液に、１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ、２６８ｍｇ、１．４ｍｍｏｌ）及び１−ヒドロキシベンゾトリアゾール水和物（ＨＯＢＴ、１８９ｍｇ、１．４ｍｍｏｌ）を加えた。反応混合物を、アルゴンガスの下で、室温で一夜撹拌した。生成物フィブリルを塩化メチレン、メタノール及び水により徹底的に洗い、次に真空下に乾燥してフィブリルを得た。Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ、２ｍｌ）及び塩化メチレン（８ｍｌ）中のフィブリル懸濁液に、Ｎ−（９−フルオレニルメトキシカルボニル）−Ｏ−ブチル−Ｌ−セリン（２１５ｍｇ、０．５６ｍｍｏｌ）、１，３−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ、１１５ｍｇ、０．５６ｍｍｏｌ）及び４ ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ、３．４ｍｇ、０．０２８ｍｍｏｌ）を加えた。反応混合物を室温で一夜撹拌し、生成物フィブリルを、ＤＭＦ中２０％のピペラジン（５×４０ｍｌ、各回毎に１分間浸した）で処理した。次いで、生成物フィブリルを、ＤＭＦ、水、水酸化ナトリウム（１Ｎ）、メタノール及び塩化メチレンにより徹底的に洗った。生成物のＦｉｂ−ハンドル−Ｓｅｒ（Ｏ＋）−ＣＯＯＨ（ニンヒドリン試験は陽性であった）を真空下に乾燥した。ジペプチド合成のために、同じ手順を用いてアルギニンを付加した。Ｆｉｂ−ハンドル−Ｓｅｒ（Ｏ＋）−Ａｒｇ（Ｎε−２，２，５，７，８−ペンタメチルクロマン−６スルホニル）のアミノ酸分析データは、それがフィブリル１ｇ当たり６．５μｍｏｌのセリン及びフィブリル１ｇ当たり７．６μｍｏｌのアルギニンを含むことを示す。任意の他のペプチドを同じ方法により製造できる。
５．ビオチン化フィブリル及びビオチン化アルキルフィブリル
フィブリル表面をビオチン化によって、又はアルキル化及びビオチン化の両方によって官能化できることが見出された。このような修飾を含むフィブリルは、次に、ストレプトアビジンビーズ及びストレプトアビジン酵素のようなどのようなストレプトアビジン結合物質でも結合させることができる。
フィブリルは、それらの高表面積のために、固体担体として大きな利点をもたらす。ビーズは、強い磁気を帯びるように製造でき、分離アッセイにおいて極めて有用である。本明細書において記載されているビオチン化フィブリルは、フィブリル及びビーズの両方の利点を併せ持つ。ビオチン化アルキルフィブリルは同じ考え方の延長であるが、アルキルフィブリルのさらなるタンパク質吸着特性を示す。
ストレプトアビジン−及びビオチン−コートフィブリルは診断法に使用でき、電気化学発光アッセイのようなアッセイでの捕捉剤として使用できる。
本発明の新規な特徴は、１つのフィブリルに２種の固体担体を組み合わせて２官能性フィブリルを作り出すことである。さらに、開示されている方法は、ビーズの表面積を増し、フィブリルの磁化を大きくする。
（実施例４９）
ビオチン化フィブリルの調製
ビオチン化フィブリルを、０．２ＭのＮａＨＣＯ３（ｐＨ８．１５）バッファー中、２．４ｍｇのアミノフィブリル（実施例１６に記載されているようにして調製）及び９ｍｇのＮＨＳエステル長鎖ビオチンを混合することによって調製した。混合物を室温で４時間回転させ、同じバッファーにより２回洗った。
（実施例５０）
ビオチン化アルキルフィブリルの調製
ビオチン化アルキルフィブリルを２ステップの反応で調製した。最初に、４．２５ｍｇの２官能性フィブリル（アミノ及びカルボキシルの両方を含む）及び２５ｍｇのＮＨＳエステル長鎖ビオチンを混合した。フィブリルを洗浄し真空下に乾燥した。
第２の反応は、４ｍｇのビオチン化２官能性フィブリルを、１１ｍｇのＥＤＣ（１−エチル−（３−３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）、７．５ｍｇのＤＭＡＰ（４−ジメチルアミノピリジン）、及び１０μｌのＮＨ２（ＣＨ２）７ＣＨ３と、０．５ｍｌのＤＭＦ中で混合することにより実施した。混合物を室温で一夜撹拌した。最終のビオチン化アルキルフィブリルを、ＣＨ２Ｃｌ２、ＭｅＯＨ、及びｄＨ２Ｏにより洗った。
（実施例５１）
アッセイにおける固体担体としてのビオチン化フィブリル
ビオチン化フィブリルは、ストレプトアビジン−ビオチン、又はアビジン−ビオチン相互作用を必要とするフォーマットを含むアッセイに使用できる。ビオチン化フィブリルは、例えば、ストレプトアビジンによりさらに誘導体化できるであろう。フィブリルに共有結合により結合したビオチン（実施例５０参照）は、ストレプトアビジンと強い非共有結合性相互作用を生成し得るであろう。ストレプトアビジンは４つの等価な結合サイトを有する４量体タンパク質であり、ビオチン化フィブリルに結合したストレプトアビジンは、さらなるビオチン化試薬が結合できる非占有結合サイトをほぼ確実に有するであろう。このようにして、ビオチン化フィブリルは、ストレプトアビジン−コートフィブリルに変換され得るであろう。
このようなフィブリル−ビオチン−ストレプトアビジン（ＦＢＳ）担体により実施され得る多数の分析試験がある。例えば、ビオチン化された抗アナライト抗体（ａｎｔｉ−ａｎａｌｙｔｅ ａｎｔｉｂｏｄｙ）は、ＦＢＳ担体に捕捉され得るであろう（抗体がアナライトに複合化した後又は前のいずれかに）。ビオチン化された抗アナライト抗体を用いるアッセイは十分に確立されている。このようなアッセイには、関心のあるアナライトが抗アナライト抗体に結合しようとして標識化アナライトと競合する競合アッセイが含まれる。遊離（結合していない）アナライト及び遊離（結合していない）標識化アナライトは、フィブリルに固定化された抗体から洗い流すことができる。洗浄ステップはフィブリルに依存し、フィブリルは、遠心、濾過が含まれる通常の操作により、或いはマグネットに引き付けることにより、溶液相から物理的に分離される。
競合アッセイ以外に、サンドイッチタイプのイムノアッセイをＦＢＳ担体で実施できるであろう。サンドイッチイムノアッセイは、診断法の分野においてよく知られている。このようなアッセイは、２つの抗体；まず、例えばビオチンにより標識化されることによって固体表面に捕捉される「第１」抗体、及び固体表面には捕捉されないがレポーター基により標識化された「第２」抗体；によって同時に結合されるアナライトを含む。このようなサンドイッチアッセイは、固体捕捉担体（フィブリルは前の段落に記載されているように捕捉される）としてフィブリルを用いることによって実施できるであろう。したがって、このようなアッセイにおいて、フィブリルはビオチンに共有結合により連結しており、このビオチンはストレプトアビジンに結合し、このストレプトアビジンは、今度は、ビオチン化第１抗体に結合し、この抗体はアナライト（存在する場合）に結合し、アナライトは標識化第２抗体に結合するであろう。
同様に、ＤＮＡプローブアッセイを、ＦＢＳ担体を用いて実施できるであろう。ビオチン化１本鎖ＤＮＡはＦＢＳ担体に結合でき、競合ハイブリダイゼーションが、相補的１本鎖アナライトＤＮＡ分子と相補的標識化オリゴヌクレオチドとの間で起こり得る。
別のタイプのビオチン化フィブリルであるビオチン化アルキル化フィブリルは、イムノアッセイ及びＤＮＡプローブアッセイに使用できる。実施例５１に記載されているように、２官能性フィブリルは、一方のタイプの官能基にビオチンを、他方のタイプの官能基にアルキル鎖を、共有結合させることにより修飾できる。得られるアルキル化され、ビオチン化されたフィブリルは、ストレプトアビジン（ビオチンを通じて）との特異的会合と、タンパク質の吸着（アルキル鎖を通じて）との両方に使用できる。
アルキルフィブリルは、ストレプトアビジン−コート磁性ビーズのような他の固体担体と連係させて使用できるであろう。このようなビーズを凌ぐフィブリルの１つの利点は、フィブリルはずっと大きな表面積（単位重量当たり）を有することである。したがって、フィブリルを磁性ビーズの外側表面に結合させることができれば、これは、表面積、したがってまたビーズの結合容量を劇的に増大させるであろう。アルキル化、ビオチン化フィブリルをストレプトアビジン−コートビーズと混合すれば、高アフィニティのストレプトアビジン（ビーズ）−ビオチン（フィブリル）相互作用が生じ、したがって、極めて高表面積を有するフィブリル−コートビーズが得られるであろうと予見される。アルキルフィブリルは吸着によりタンパク質を結合するので、フィブリル−コートビーズは吸着されたタンパク質（ストレプトアビジン及び抗体が含まれる）によりさらに誘導体化できる。前記のように、ストレプトアビジン又は抗体でコートされたフィブリルは、イムノアッセイ及びＤＮＡプローブアッセイに使用できる。こうして、フィブリル−コートビーズは、ビーズの性質を、それらの表面積を劇的に増大させることによって改善できるので、所定のアッセイにおいて同じ結果を得るためにより少数のビーズしか必要しないであろう。
６．３次元構造
酸化フィブリルは、酸化されてないフィブリルより容易に水性媒体に分散する。メソ−及びマクロポア（細孔＞２ｎｍ）を有する安定で多孔質の３次元構造体は、触媒又はクロマトグラフィーの担体として非常に有用である。フィブリルは１個ずつに分散できるので、架橋により安定化された、よく分散した試料により、このような担体を構築できる。官能化フィブリルは、水性又は極性媒体に容易に分散し、官能基が架橋点を提供するのでこの用途にとって理想的である。さらに、官能基は、触媒又はクロマトグラフィーのサイトを担持する点を提供する。最終結果は、堅い３次元構造であり、その全表面積が官能性サイト（活性剤がこれに担持される）により利用可能である。
触媒反応におけるこれらの担体の典型的な用途には、含侵により付けられる金属触媒（例えば、貴金属水素化触媒）のための高多孔質担体としてのそれらの使用が含まれる。さらに、官能基を通じてテザー（ｔｅｔｈｅｒ）により担体に分子触媒を固定する能力は、構造の非常に高い多孔性と合わさって、均一系反応を、不均一な仕方で実施することを可能にする。繋ぎとめられた分子触媒は、本質的に、連続液相にぶら下がっており、均一系反応器に似ており、液相において分子触媒は、均一系反応としての選択性及び速度における利点を利用できる。しかし、固体担体に繋ぎとめられているので、活性で、多くの場合非常に高価な触媒を容易に分離及び回収できる。
これらの安定で堅い構造はまた、この担体に適切なエナンチオマー触媒又は選択的基質を結合することによって、これまでは非常に難しかった反応（例えば、不斉合成）或いはアフィニティクロマトグラフィーを実施することも可能にする。金属−Ｐｃ又は金属−ポルフィリン錯体による誘導体化はまた、金属イオンに結合した配位子、さらには、２次誘導体化を通じて配位子に結合した分子の回収を可能にする。例えば、官能基化フィブリルの３次元構造が電極、又は電極の一部であり、官能基化がＣｏ（ＩＩ）Ｐｃの吸着により生じた場合、ニコチン酸の存在下のＣｏ（ＩＩ）からＣｏ（ＩＩＩ）への電気化学的酸化は、ペンダント基としてカルボン酸を有する不活性Ｃｏ（ＩＩＩ）−ピリジル錯体を生成するであろう。適切な抗原、抗体、抗体触媒、又は他の部位特異的捕捉剤を結合すれば、他のやり方では実現するのが非常に困難である、分子の選択的分離（アフィニティクロマトグラフィー）が可能になるであろう。電極を洗って閉じ込められた材料を除去した後、標的分子を含むＣｏ（ＩＩＩ）錯体は、電気化学的に還元されて活性Ｃｏ（ＩＩ）錯体を再生できる。次いで、標的分子を含むＣｏ（ＩＩ）の配位子は、活性Ｃｏ（ＩＩ）配位子の質量作用による置換によって回収されるので、他のやり方では実施するのが非常に困難であるか、又は費用がかかる（例えば、キラルな薬剤）、分子の分離及び回収が実施できる。
以前には、官能基化カーボンフィブリルマット内の細孔は、意味のある流れを生じるには小さすぎるので、フロースルー電極（ｆｌｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）として使用できないと考えられていた。電極材料としての微粒子カーボン又は他のカーボン系材料（例えば、網目状のガラス質カーボン（Ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ｖｉｔｒｅｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ、ＲＶＣ））の使用に付随する問題もあった。例えば、多孔質電極材料は、過度に高密度に詰め込まれ、空隙又はチャネルを生成して、ｉｎ ｓｉｔｕに形成できないであろうし、溶媒及び流れの状態の変化の間に寸法安定性を失い、非常に薄い電極に成形できなかった。フローセルの電極として官能基化カーボンフィブリルを使用すると、このような問題は解決された。
フローセルの電極として使用される官能基化カーボンフィブリルは、電気的活性剤（ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ ａｇｅｎｔ）による表面処理により修飾できる。フィブリルはまた、触媒又は電気触媒機能を果たし得るか、或いは望ましくない反応又は流れている流路からの材料の吸着を防ぐのに役立ち得る、電気的に活性でない材料によっても修飾できる。
これらのフロースルー電極は、電気クロマトグラフィー、電気化学（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）アフィニティクロマトグラフィー、電解合成又は電気化学（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）イオン交換クロマトグファラーのような分離技術において有用である。これらは、また、カーボンフィブリルマットに捕捉される材料を分離及び／又は分析する診断用デバイスにおいても使用できる。
官能基化カーボンフィブリルと他のファイバー又は微粒子とからなるコンポジットマットもまた使用され得る。これらのファイバー又は微粒子は懸濁液に添加されて、カーボンフィブリルマットの最終的な多孔度又は伝導度を変えることができる。
（実施例５２）
フローセルの電極としての鉄フタロシアニン官能基化フィブリルの使用
グラファイトフィブリルを、鉄（ＩＩＩ）フタロシアニン−ビス−ピリジン（ＦｅＰｃ−２Ｐｙ）（Ａｌｄｒｉｃｈ ４１，０１６−０）を吸着させることによって修飾した。０．４０３ｇのフィブリル及び０．１３０ｇのＦｅＰｃ−２Ｐｙを、１５０ｍｌの無水ＥｔＯＨに加え、Ｂｒａｎｓｏｎの４５０ワットのプローブソニケーターにより５分間超音波処理した。得られたスラリーを、４７ｍｍのＭｉｌｌｉｐｏｒｅ膜真空フィルターマニホールド内の０．４５μｍのＭＳＩナイロンフィルターで濾過し、水でリンスし、真空オーブン内で、３５℃で一夜乾燥した。最終重量は０．５２８グラムであり、相当の吸着を示した。濾過液の分光分析は、残りのＦｅＰ−２Ｐｙに対応していた。
５ｍｇのＦｅＰｃ−２Ｐｙ修飾フィブリルを１０ｍｌのＤＩ水に超音波処理により分散させた。分散液を、２５ｍｍ膜フィルターマニホールドに保持された、ステンレススチール（ＳＳ）を織った１枚の２００メッシュスクリーンに堆積させ、室温で乾燥した。アーチ形打抜き具を用いて、ＳＳスクリーンに支えられたフィブリルマットの直径０．５インチのディスクを切り抜いた。
直径１３ｍｍの金メッシュ（４００メッシュ、Ｌａｄｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）ディスクを膜支持体の上部に置き、白金ワイヤ（３電極ポテンシオスタット回路の作用電極として外部に接続するためにフィルターホールダの壁面を通して供給されているＴｅｆｌｏｎ（登録商標）熱収縮チューブにより絶縁されている）によりスクリーンに電気接点をつくることによって、１３ｍｍのプラスチック製Ｓｗｉｎｎｅｙ型の膜フィルターホールダから、電気化学フローセルを組み立てた。金メッシュを、外側端部に沿って最少量のエポキシによりその場所に固定した。金箔のストリップをリングの形にして、底（フィルターホールダの下流部）に置き、３電極ポテンシオスタット回路のカウンター電極として接続するための絶縁Ｐｔワイヤリードに接続した。直径０．５ｍｍの銀ワイヤのリング（１ＭのＨＣｌ中で電気化学的に酸化されたもの）を、参照電極として接続するための絶縁リードと共にフィルターホールダの最上部に置いた。
直径０．５インチのＦｅＰｃ−２Ｐｙ修飾ＣＮディスクをフローセルに入れ、次に、フローセルを、ＥＧ＆ＧのＰＡＲ ２７３ポテンシオスタットの適切なリードに接続した。フローセルを、０．１Ｍリン酸カリウムバッファー（ｐＨ７．０）中０．１ＭのＫＣｌを満たしたＳａｇｅシリンジポンプに接続した。サイクリックボルタングラム（ＣＶ）を、２０ｍｖ／ｓｅｃの電位掃引速度で、フローなし（静止）及びフロー（０．４ｍｌ／ｍｉｎ）の下で記録した。ＣＶはフローありと無しでほとんど同じであり、表面に留まるＦｅＰｃ−２Ｐｙと合致する、２つの繰り返して起こる可逆的な酸化及び還元を示した。流体の流れる条件下でのレドックスピークの持続性は、ＦｅＰｃ−２Ｐｙがカーボンフィブリルに強く結合しており、また鉄フタロシアニン修飾フィブリルの使用がフロースルー電極材料としてよく機能していることを示している。
３次元構造体の別の例はフィブリル−セラミックのコンポジットである。
（実施例５３）
アルミナ−フィブリルコンポジット（１８５−０２−０１）の調製
１ｇの硝酸酸化フィブリル（１８５−０１−０２）を、Ｕ／Ｓ及び離解機（ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）を用いて、１００ｃｃのＤＩ水に高分散させた。フィブリルスラリーを９０℃に加熱し、２０ｃｃのプロパノールに溶かした０．０４ｍｏｌのアルミニウムトリブトキシド溶液をゆっくりと加えた。還流を４時間続け、その後、冷却器を取り除いて、アルコールを追い出した。３０分後、冷却器を戻し、スラリーを１００℃で一夜還流した。均一な外観の黒いゾルを得た。このゾルをＲＴに冷却し、１週間後、滑らかな表面の黒いゲルが生成した。ゲルを空気中３００℃で１２時間加熱した。
アルミナ−フィブリルのコンポジットをＳＥＭにより調べた。割った表面の顕微鏡写真は、ゲル内にフィブリルが均一に分散していることを示していた。
（実施例５４）
シリカ−フィブリルコンポジット（１７３−８５−０３）の調製
２ｇの硝酸酸化フィブリル（１７３−８３−０３）を２００ｃｃのエタノールに超音波処理を用いて高分散させた。５０ｃｃのエタノールに溶かした０．１ｍｏｌのテトラエトキシシランをＲＴでゆっくりとスラリーに加え、その後、３ｃｃの濃ＨＣｌを加えた。混合物を８５℃に加熱し、容積が１００ｃｃに減るまでこの温度に保った。混合物を冷却し、黒い固体ゲルが生成するまで放置した。ゲルを空気中３００℃で加熱した。
シリカ−フィブリルのコンポジットをＳＥＭで調べた。割った表面の顕微鏡写真はゲル内にフィブリルが均一に分散していることを示していた。
他のセラミック（例えば、ジルコニア、チタニア、希土類酸化物並びに３元系酸化物）との類似の調製物を調製した。
７．グラファイトナノチューブのポリマービーズへの組入れ
ポリマービーズ、特にＦｅ３Ｏ４コアを含む磁性ポリマービーズ（例えば、Ｄｙｎａｌ及び他社により製造されているもの）は診断法において多くの用途を有する。しかし、これらのビーズは、ナノチューブにより得られるものに比べて表面積が小さいという難点がある。官能化フィブリルをビーズの表面に組み入れることができ、こうすることにより、ポリマー／フィブリルのコンポジットが分離又は分析用途（例えば、電気化学発光アッセイ、酵素の固定化）での固体担体として使用できるようになる。
（実施例５５）
官能基化ビーズへの官能基化フィブリルの取付け
７．５ｍｇの磁性トシル−活性化Ｄｙｎａｂｅａｄｓ Ｍ−４５０（３０ｍｇ／ｍｌ）ビーズ（Ｄｙｎａｌ、オスロ、ノルウェー）を、０．１Ｍリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．５）により３回洗浄した。次いで、０．９ｍｌの０．１Ｍリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ８．４）をビーズに加え、０．１ｍｌのアミンフィブリルを加えた。混合物を室温で１６〜２４時間回転させた。
顕微鏡下で見た時に、フィブリル表面にビーズと共にフィブリルの集塊がはっきりと見えた。
当業者は、これまでの実施例１〜５５において開示されている方法のいずれも、所望の官能化の結果を得るために、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを用いて、慣例となっている実験手法の範囲内で再現され得ることを理解するであろう。
（実施例５６）
メチレンブルー吸着の実例
ＳＷＮＴ（ケンタッキー大学）を６ＭのＨＣｌにより７２時間処理して全ての金属不純物を除去した。この酸で洗ったナノチューブを超音波処理によりＤＩ水に分散させ、濾過した。これを４回繰り返して中性ｐＨまでリンスした。
ＳＷＮＴをＤＩ水に懸濁させ、超音波処理により分散させた。８個のＰＰ遠心管に２倍系列稀釈液をつくった。メチレンブルー溶液の分取液を加え、管を回転装置（ｒｏｔａｔｏｒ）に入れて４時間振った。次いで、管を遠心機により４分間回転させると、ＳＷＮＴは管の底でペレットとなった。最大濃度のＳＷＮＴの管では、濾過液は透明であり、最低濃度のＳＷＮＴの２つは、コントロールＭＢ溶液に色が似ていた。中間のＳＷＮＴ濃度の６つの管は、濃度が減少するにつれて青色が濃くなることを示していた。
鉄フタロシアニンの吸着の実例
ＳＷＮＴ（ケンタッキー大学）を６ＭのＨＣｌで７２時間処理して金属不純物を全て除去した。この酸で洗ったナノチューブを超音波処理によりＤＩ水に分散させ、濾過した。これを４回繰り返して中性ｐＨまでリンスした。
７ｍｇのＦｅフタロシアニン−ビスピリジン（ＦｅＰｃ−２Ｐｙ）を超音波処理により４０ｍｌのＥｔＯＨに溶かした。２２ｍｇのＳＷＮＴを加え、超音波処理を５分間続けた。溶液を冷まし、超音波処理を繰り返した。高温の溶液を０．４５ミクロンのＰＶＤＦ膜で濾過して乾燥し、次いで新鮮なＥｔＯＨによりリンスした。濾物を乾燥した。乾燥重量＝２７ｍｇ。５ｍｇのＦｅＰｃ−２ＰｙがＳＷＮＴに吸着された。
ＦｅＰＣを取り付けたＳＷＮＴが付いたフィルター膜を４０ｍｌのＤＩ水に入れ、膜からＳＷＮＴを剥がすために超音波処理した。膜を懸濁液から取り出し、２０ｍｇのＷｈａｔｍａｎ＃４２濾紙を入れた。高出力（デューティサイクル ４０％）で、２×５’超音波処理してＷＨ４２紙をパルプにしてＳＷＮＴのバインダーとして役を果たすようにした。懸濁材料を０．４５ミクロンＰＶＤＦフィルターで濾過し、ＤＩ水で３回洗った。濾物を乾燥した。１５０℃のホットプレート上で１時間乾燥。乾燥ＳＷＮＴ／ＷＨ４２マットをそのままマット（直径３６ｍｍ；厚さ約２５ミクロン）として膜から引き離した。シートの非抵抗は１５００オーム／□と測定された。マットの最終重量は４５ｍｇ；ＷＨ４２成分のｗｔ＝２０ｍｇ；ＳＷＮＴのｗｔ＝２２ｍｇ；ＳＷＮＴ表面に吸着されたＦｅＰｃ−２Ｐｙのｗｔは５ｍｇと見積もられた。
ＳＷＮＴに吸着されたＦｅＰｃ−２Ｐｙの電気化学
集電体として使うために、４００×４００メッシュのＳＳメッシュの間にマットの切断片を押し付けることにより、電極をつくった。ＳＳメッシュの１つの端をガラスピペットに挿入されたＣｕワイヤに取り付けた。露出したＣｕは全てエポキシで絶縁した。電極を１００℃で１時間加熱して５ ｍｉｍｕｔｅ ｅｐｏｘｙを硬化させた。
電極を、ＳＳメッシュカウンター電極、及びＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対するサイクリックボルタンメトリーにより調べた。電解質はホウ酸塩緩衝化等張食塩水であった。２つのピークが観察され、１つは−４でＨ２発生電流により不明瞭になっていた。第２のピークは、約＋０．１Ｖ ｖｓ Ａｇ／Ａｇ／Ｃｌを中心としていた。＋０．１Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌを中心とするピークでのピーク電流は、表面に留まる電気的活性剤に合致して、掃引速度に比例していた。サイクリックボルタングラムの曲線は再現性があり、ＦｅＰｃ−２Ｐｙが電極に強く留められており、電解質に逃げないことを示している。
前記説明及び実施例により示されたように、本発明は、多様な官能基化ナノチューブの生成方式及びそれらの使用における適用を有する。
用いられた用語及び表現は、限定の用語としてではなく、説明の用語として用いられており、これらの用語又は表現の使用には、それらの一部として示され記載されている特徴の如何なる等価物も排除しようという意図はなく、様々な修正は本発明の範囲内で可能であると理解されている。
無処理フィブリル、カルボキシルフィブリル、及びＰＥＧ−修飾フィブリルへのＢＳＡ結合アッセイを示すグラフである。 カルボキシルフィブリル、及び２つの異なる方法によって調製されたＰＥＧ−修飾フィブリルへのβ−ラクトグロブリン結合アッセイを示すグラフである。 第３級アミンフィブリルカラムでのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の溶離の変化の様子を示すグラフである。 第４級アミンフィブリルカラムでのＢＳＡの溶離の変化の様子を示すグラフである。 リシン系デンドリマーフィブリル調製のための反応シーケンスである。 フローセルにおける鉄フタロシアニン修飾フィブリルの利用を例示するサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。 Ｎε−（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル）−Ｌ−のリシン付加による、２官能性フィブリルの調製のための反応シーケンスである。 フィブリル固定化リパーゼを用いる酪酸エチルの合成結果を示すグラフである。 ＡＰ阻害剤−修飾フィブリルを用いる、アルカリホスファターゼ（ＡＰ）とβ−ガラクトシダーゼ（βＧ）の混合物からのＡＰの分離結果を示すグラフである。 βＧ−修飾フィブリルを用いる、ＡＰ及びβＧの混合物からのβＧの分離結果を示すグラフである。 単層カーボンナノチューブを製造できる反応器を示す図である。 図１１に記載されている反応器の気化器コンポーネントを示す図である。

Claims (47)

  1. 次の式の構造を有する組成物：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、Ｒ’ＣＨＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）であり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである］。
  2. 次の式の構造を有する組成物：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒの各々は同じであっても異なっていてもよく、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、Ｒ’ＣＨＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）であり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであるが、
    但し、Ｒの各々が酸素含有基である場合、ＣＯＯＨは存在しない］。
  3. 次の式の構造を有する組成物：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒ’の各々は、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）であり、
    Ａは以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  4. Ａが
    Figure 2008513318
    であり、
    Ｒ’がＨであり、
    Ｙが、リシン、セリン、トレオニン、チロシン、アスパラギン酸及びグルタミン酸からなる群から選択されるアミノ酸である
    請求項３に記載の組成物。
  5. 次の式の構造を有する組成物：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、ａは１０未満の整数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’Ｎ＋（Ｒ１）３Ｘ−、Ｒ’ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ’は、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｘ’は、多核芳香族、多核複素芳香族又は金属多核複素芳香族の原子団であるか、或いは平面の金属テトラチオオキサラートであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  6. 表面炭素を、フリーラジカル開始剤の存在下で、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化ナノチューブを生成するのに十分な条件下で、式Ｒ’ＣＨ２ＯＨを有する化合物と反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）である］。
  7. 前記フリーラジカル開始剤が過酸化ベンゾイルである請求項６に記載の方法。
  8. （ａ）表面炭素を、式
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を有する置換単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；及び
    （ｂ）前記置換単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；
    を含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’−Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  9. （ａ）表面炭素を、式
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を有する置換単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；及び
    （ｂ）前記置換単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；
    を含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  10. 置換単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’−Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  11. 置換単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−Ｎ（Ｒ’）２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’−Ｎ＋（Ｒ’）３Ｘ−、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  12. 式
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は同じであり、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を有する置換単層カーボンナノチューブを、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒ’は、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、又はポリ（アルキルエーテル）でありであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−ＮＨ２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである］。
  13. 単層カーボンナノチューブの表面に、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切なマクロサイクル化合物を吸着させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、ａはゼロ又は１０未満の整数であり、
    Ｒの各々は、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ’は、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、Ｘはハライドであり、
    Ｘ’は、多核芳香族、多核複素芳香族又は金属多核複素芳香族の原子団であるか、或いは平面の金属テトラチオオキサラートであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである］。
  14. （ａ）単層カーボンナノチューブの表面に、式
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を有する置換単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切なマクロサイクル化合物を吸着させるステップ；及び
    （ｂ）置換ナノチューブ
    Figure 2008513318
    を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；
    を含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、ａは１０未満の整数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−ＮＨ２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｘ’は、多核芳香族、多核複素芳香族又は金属多核複素芳香族の原子団であるか、或いは平面の金属テトラチオオキサラートであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  15. 置換単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    （Ｒの各々は、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、ｙは３以下の整数である）を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する前記単層カーボンナノチューブの表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、ａは１０未満の整数であり、
    Ａの各々は以下から選択され、
    Figure 2008513318
    Ｙは、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、抗原、又は酵素の基質、酵素の阻害剤又は酵素の基質の遷移状態類似体の適切な官能基であるか、或いは、Ｒ’−ＯＨ、Ｒ’−ＮＨ２、Ｒ’ＳＨ、Ｒ’ＣＨＯ、Ｒ’ＣＮ、Ｒ’Ｘ、Ｒ’ＳｉＲ’３、Ｒ’−Ｒ”、Ｒ’−Ｎ−ＣＯ、
    Figure 2008513318
    （Ｃ３Ｈ６Ｏ）ｗ−Ｒ’、Ｒ’、及び
    Figure 2008513318
    から選択され、
    Ｒ’は、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｘ’は、多核芳香族、多核複素芳香族又は金属多核複素芳香族の原子団であるか、或いは平面の金属テトラチオオキサラートであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートであり、
    ｗは、１より大きく２００未満の整数である］。
  16. 表面炭素を、式
    Figure 2008513318
    を有する官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬と反応させるステップ；及び
    前記官能基化単層カーボンナノチューブを、次の式を有する官能基化単層カーボンナノチューブ
    Figure 2008513318
    を生成するのに十分な条件下で、２つ以上のアミノ基を有する化合物と反応させるステップ；
    を含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒ’は、アルキル、アリール、シクロアルキル又はシクロアリールである］。
  17. 表面炭素と、単層カーボンナノチューブを基質として受け入れ、式
    Figure 2008513318
    の構成物を生じる化学反応を実施することができる少なくとも１種の酵素とを、水性懸濁液中で、前記少なくとも１種の酵素が反応を行なうために許容される条件下で反応させるステップを含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数であり、
    Ｒの各々は、ＳＯ３Ｈ、ＣＯＯＨ、ＮＨ２、ＯＨ、ＣＨ（Ｒ’）ＯＨ、ＣＨＯ、ＣＮ、ＣＯＣｌ、ハライド、ＣＯＳＨ、ＳＨ、ＣＯＯＲ’、ＳＲ’、ＳｉＲ’３、
    Figure 2008513318
    Ｒ”、Ｌｉ、ＡｌＲ’２、Ｈｇ−Ｘ、ＴｌＺ２及びＭｇ−Ｘから選択され、
    ｙは３以下の整数であり、
    Ｒ’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル又はシクロアリールであり、
    Ｒ”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル又はフルオロアラルキルであり、
    Ｘはハライドであり、
    Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである］。
  18. Ｒｍが−ＯＨであり、前記酵素がシトクロムｐ４５０酵素又はペルオキシダーゼである請求項１７に記載の方法。
  19. 表面炭素を硝酸及び硫酸と反応させてニトロ化単層カーボンナノチューブを生成させるステップ；及び
    前記ニトロ化単層カーボンナノチューブを還元して
    Figure 2008513318
    を生成させるステップ；
    を含む、次の式の構造を有する組成物の生成方法：
    Figure 2008513318
    ［式中、炭素原子、Ｃｎは実質的に円柱状で５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの前記表面炭素であり、
    ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎ未満の数であり、ｍは０．５ｎ未満の数である］。
  20. ５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブを、前記単層カーボンナノチューブの表面で官能基に均一に置換できる反応物の有効量と接触させることを含む、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブ表面を官能基により均一に置換する方法。
  21. 前記反応物がフタロシアニンである請求項２０に記載の方法。
  22. 前記反応物がニッケル（ＩＩ）フタロシアニンテトラスルホン酸（四ナトリウム塩）又は１，４，８，１１，１５，１８，２２，２５−オクタブトキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンである請求項２０に記載の方法。
  23. ５ナノメートル未満の直径を有する表面修飾された単層カーボンナノチューブであって、前記単層カーボンナノチューブの表面で官能基を置換するための反応物の有効量と接触させることを含む方法によって製造される、表面修飾された単層カーボンナノチューブ。
  24. 前記反応物がフタロシアニンである請求項２３に記載の表面修飾された単層カーボンナノチューブ。
  25. 前記反応物がニッケル（ＩＩ）フタロシアニンテトラスルホン酸（四ナトリウム塩）又は１，４，８，１１，１５，１８，２２，２５−オクタブトキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンである請求項２３に記載の表面修飾された単層カーボンナノチューブ。
  26. ＮＨＳエステル基を有し５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブをタンパク質と、前記ＮＨＳエステルと前記タンパク質のアミン基との間で共有結合を生成するのに十分な条件下で接触させるステップを含む、ナノチューブへのタンパク質の連結方法。
  27. ５ナノメートル未満の直径を有する官能基化単層カーボンナノチューブを含む電極。
  28. 多孔質フロースルー電極である請求項２７に記載の電極。
  29. 前記官能基化単層カーボンナノチューブがフタロシアニン置換ナノチューブである請求項２７に記載の電極。
  30. 多数の官能基化単層カーボンナノチューブネットワークを含み、前記官能基化単層カーボンナノチューブネットワークが、少なくとも１つのリンカー原子団によって官能基で連結した官能性フィブリルの少なくとも２つを含み、前記リンカー原子団が２官能性又は多官能性である多孔質材料。
  31. ５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素を、官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬により物理的又は化学的に修飾するステップ；
    関心のある溶質を結合できる物質を、前記官能基化単層カーボンナノチューブに固定化するステップ；及び
    前記置換単層カーボンナノチューブを、官能基化単層カーボンナノチューブに固定化された物質に関心のある溶質が結合するのに十分な条件下で、関心のある溶質を含む画分に曝すステップ
    を含む、試料から関心のある溶質を分離する方法。
  32. 前記関心のある溶質がタンパク質である請求項３１に記載の方法。
  33. 前記官能基化単層カーボンナノチューブを回収するステップをさらに含む請求項３１に記載の方法。
  34. 前記官能基化単層カーボンナノチューブが多孔質マットの形態である請求項３１に記載の方法。
  35. 前記官能基化単層カーボンナノチューブが充填カラムの形態である請求項３１に記載の方法。
  36. 前記結合が可逆的である請求項３１に記載の方法。
  37. 前記結合がイオン性相互作用である請求項３１に記載の方法。
  38. 前記結合が疎水性相互作用である請求項３１に記載の方法。
  39. 前記結合が特異的分子認識による請求項３１に記載の方法。
  40. ５ナノメートル未満の直径を有する多数の官能基化単層カーボンナノチューブが連結した、２５μ未満の直径を有する本質的に球状のビーズを含むポリマービーズ。
  41. 前記ビーズが磁性をもつ請求項４０に記載のポリマービーズ。
  42. ５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブの表面炭素を、官能基化単層カーボンナノチューブを生成するのに十分な条件下で、少なくとも１種の適切な試薬により物理的又は化学的に修飾するステップ；
    反応を触媒できる生体触媒を、前記官能基化単層カーボンナノチューブに固定化するステップ；及び
    前記官能基化単層カーボンナノチューブを、（複数の）反応物が（複数の）生成物に変換されるのに十分な条件下で、（複数の）反応物に接触させるステップ
    を含む、少なくとも１種の反応物が少なくとも１種の生成物に変換される反応を触媒する方法。
  43. 前記官能基化単層カーボンナノチューブを、前記反応が終了した後に回収するステップをさらに含む請求項４２に記載の方法。
  44. 前記官能基化単層カーボンナノチューブが多孔質マットの形態である請求項４２に記載の方法。
  45. 前記官能基化単層カーボンナノチューブが充填カラムの形態である請求項４２に記載の方法。
  46. ペプチドの末端アミノ酸を、可逆性リンカーにより、５ナノメートル未満の直径を有する単層カーボンナノチューブに結合するステップを含むペプチド合成方法。
  47. 前記リンカーが、４−（ヒドロキシメチル）フェノキシ酢酸である請求項４６に記載の方法。
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