JP2008539281A - モノリス機能化可能材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、ベースモノマーである無水マレイン酸と、電子供与体であるエチレンコモノマーとのラジカル反応により形成された交互共重合体を含む高分子モノリス材料に関する。また本発明は、上記モノリス材料の製造方法に関する。この方法では、電子供与体であるエチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与体もしくは電子受容体であるエチレンコモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、多孔化溶媒の混合物とを含む基本組成物を含む組成物を、ラジカル重合反応させている。上記基本組成物には、必要に応じて、熱開始剤または光開始剤が加えられる。
【選択図】なし

Description

本発明は、多孔質モノリス有機材料の分野に関する。本発明は、また、上記材料を作製するための種々の方法に関する。

モノリス材料は、従来のマクロ多孔材料と比べて、特に、成形体中に間隙がないという点で、確かな利点を有する。

単一のキャビティ（カラム、キャピラリ）またはマイクロシステム（チャネル、リザーバ、チャンバー、分岐点）内で希望される素子における多孔質モノリス有機材料を作製する一般的な方法は、素子を形成する場においての（in situな）モノマーの重合に基づいている。モノマーは、多孔化溶媒（solvants porogenes）の混合物に溶解しており、重合は、熱的、光化学的、または放射化学的な経路による。

分析マイクロシステムに用いる各種のモノリス材料と、これら材料の作製方法が、文献に記載されている。これらの方法のなかで、熱的な経路を利用する方法は、比較的長い重合時間（１６から２６時間）、および高い重合温度（６０から９０℃）を特徴とする。また、得られた多孔質相は、ほとんどの場合、単一の用途に最適化されている。具体的には、既知のモノリス材料は、機能化の余地を持たず、あるいは、機能化可能基（groupes fonctionnalisables）の含有量が非常に小さい。さらに、従来用いられてきた機能化可能基（エポキシ、アズラクトン）の反応性は弱く、長時間の処理、および／または、厳しい条件下での処理が求められる。

本発明の目的は、第１に、空孔率−透過率特性を調整した後にカスタマイズされた、新規な、機能化可能モノリス材料の提供にある。また、第２に、簡便な実施により特徴づけられる、このようなモノリス材料を製造する方法の提供にある。

第１の側面によれば、本発明の主題は、機能化可能な無水マレイン酸基を含む高分子モノリス材料に関する。

第２の側面によれば、本発明は、機能化可能なモノリス材料の製造方法に関する。当該方法は、上記モノリス材料を支持する壁面を事前に表面処理する工程を含む方法であって、当該方法では、電子供与性エチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与性もしくは電子受容性エチレンモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、多孔化溶媒の混合物とを含む基本組成物を含む組成物を、熱的、光化学的、または放射化学的にラジカル重合反応させることを特徴とする。無水マレイン酸は、電子供与性モノマーとの電荷移動錯体の形成を促進する電子受容性で知られている。上記基本組成物には、光開始剤または熱開始剤が、必要に応じて添加される。

第３の側面によれば、本発明は、無水マレイン酸と、コモノマーおよび／またはその他のモノマーと、多孔化溶媒とを含む、本発明のモノリス材料の製造に用いられる組成物に関する。

第４の側面によれば、本発明は、求核化合物との反応によって無水マレイン基が機能化されたモノリス材料に関する。この機能化によって得られた特性は、制御可能な親水／疎水バランス、正または負の電荷の存在、光学活性を有していてもよい種々の有機官能基の存在、特定の担体の存在、人工的または酵素的な触媒サイトの存在など、非常に多様である。

実現可能な特性が多様であることにより、多孔質材料の機能特性を、クロマトグラフィ（疎水性、アフィニティ、イオン相互作用、電気、キャピラリー電気泳動）の相として、あるいは、反応器として、化合物の吸収および分析のための担体として、検知装置のセンサーとして、働くように制御できる。このため第５の側面によれば、本発明は、分析マイクロシステムにおける、機能化されたモノリス材料の様々な使用に関する。

以下、本発明について、詳細に説明する。

第１の側面によれば、本発明の主題は、機能化可能基を有し、これらの基が無水マレイン酸ユニットである高分子モノリス材料である。

出願人は、無水マレイン酸の含有量が高いモノリスに着目した。無水マレイン酸の含有量を高くすることで、以下の２つの特徴が得られるからである：
− 電子供与性エチレンモノマー（ビニルエーテル、Ｎ−ビニル誘導体）とのラジカル反応により交互共重合体が形成される傾向がある。
− 特にラジカル光開始剤に依ることなく、電子供与性エチレンモノマー（ビニルエーテル、Ｎ−ビニル誘導体）との光化学重合を開始させることができる。

様々な用途において、ほとんどの場合、最適の機能および流動特性を備える多孔質のモノリス相の作製が求められる。経験上、モノリスの微細構造および空孔率は、前駆体である反応混合物の組成（モノマーの種類および量、ならびに多孔化混合物（melange porogene）の種類および組成）、ならびに反応条件（温度、開始反応の種類および速度、ならびに熱的、光化学的または放射化学的な処理時間）に非常に大きく依存している。

これら２つの特性は、相互依存の関係にある。前駆体である反応混合物の組成を変更することで化学的特性を変化させた場合、最適な機能および流動特性を得るためには、処理条件を調整することが求められる。

従来の製造方法に特有のこの問題を克服するために、本出願人は、希望する機能特性のいくつかを提供する化合物との反応によって、製造後においても化学的に変性可能な多数の反応サイトを有するモノリスの作製に基づくアプローチを発展させた。

このような意図のために、および第２の側面によれば、本発明は、機能化可能なモノリス材料の製造方法に関する。当該方法は、上記モノリス材料を支持する壁面を事前に表面処理する工程を含む方法であって、当該方法は、電子供与性エチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与性もしくは電子受容性エチレンモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、多孔化溶媒の混合物とを含む基本組成物を含む組成物を、熱的、光化学的、または放射化学的にラジカル重合反応させることを特徴とする。基本組成物には、光開始剤または熱開始剤が、必要に応じて含まれる。

モノリス材料は、様々な材料からなる面に区切られたキャビティを含む、様々なサイズおよび形状を有する空孔体または空孔物体（これ以降、「収容体」という）として作製された。収容体の例としては、
−熱的、光化学的、または放射化学的重合によるモノリスの作製に供した、ガラスまたは溶融石英製のチューブおよびキャピラリ（直径５０μｍから１０ｍｍ）、
−種々の形状を有し、ガラス、シリカ、シリコン、金属、高分子材料（熱可塑性プラスチック、網目状組織、リソグラフィー樹脂）、またはこれらの材料の組み合わせからなり、１００ｎｍから５ｃｍの直径を有するチャネルまたはチャンバーを含む、システムおよび装置、が挙げられる。

キャビティが、その面の一つにおいて、可視−紫外光に対して透明な材料によって区切られている場合、上記収容体は、具体的には、光重合によるモノリス材料の製造に適している。その他の場合には、熱的または放射化学的な重合により、モノリス材料の製造が可能である。

ある一つの実施態様では、モノリス材料を製造する上記方法は、上記基本組成物に加えて熱開始剤を含む組成物Ａの熱重合反応を含み、当該反応を、４０℃から９０℃の温度で１時間から６時間進行させる。

別の実施態様では、モノリス材料を製造する上記方法は、上記基本組成物に加えて光開始剤を含む組成物Ｂの光化学重合反応を含む。

配合物に加える開始剤の種類および量、使用するスペクトル領域、および光源の出力、の選択は、希望する形態および流動特性を得るために非常に重要である。光開始剤を含む、モノマーおよび溶媒の配合物を、窒素下で、５分間脱気する。次に、収容体を上記溶液で満たし、出力を変化させることができる紫外線の光源（０．０１から１００ｍＷ／ｃｍ²）に、最適化された時間（支持体および用途による）、曝す。一般に、この時間は、およそ１分から６０分である。その後、モノリスを、およそ１００カラム体積に相当する時間、不活性有機溶媒により洗浄する。モノリスの洗浄に適した不活性有機溶媒は、例えば、アルカン、または、Ｃ₅からＣ₈アルカンの混合物、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸エチルである。

また、上記基本組成物に光開始剤を加えることなく、光重合を開始させることが可能である。これは、無水マレイン酸と、ビニルエーテルなどの電子供与性モノマーとの混合物に特有の現象であり、近紫外光を吸収する電荷移動錯体が形成されることに因る。この配合物では、上述したものと同じ手順に従うＵＶの照射により、光開始剤を加えることなく、重合が可能となる。重合時間は、およそ２０分から２時間３０分の範囲である。その後、モノリスを、およそ１００カラム体積に相当する時間、不活性有機溶媒により洗浄する。

別の実施態様では、モノリス材料を製造する上記方法は、上記基本組成物への電離放射線下、特に電子ビーム下、における重合反応を含む（放射化学的な反応開始）。前駆体を満たした収容体に、開始剤を用いることなく、０．０１から１００ｋＧｙ／ｓの線量率で、１０から１００ｋＧｙの線量を照射する。その後、モノリスを、およそ１００カラム体積に相当する時間、不活性有機溶媒により洗浄する。

モノリスの形成が望まれる、サイトの壁面に対する事前の表面処理は、モノリスを十分に支持させるために必要不可欠であり、上記面に求核化合物をグラフトさせることにより行われる。また、モノリスに無水マレイン酸基が存在することにより、求核物質による、特に効果的な表面のグラフトが実現できる。求核物質としては、例えば、ガラスまたはシリカ製の基体の表面に固定されたγ−アミノプロピルトリメトキシシラン（γ−ＡＰＳ）のアミン基、あるいは、高分子材料、特に分析マイクロシステムに用いられる高分子材料（例えばリソグラフィー対応ＳＵ−８樹脂）の表面に、アンモニアまたは有機アミノ化合物による処理によって導入されたアミン基など、が挙げられる。

無水マレイン酸を含むモノリスの重合に影響を与えるパラメータの検討を進めた結果を、以下に示す。

＜重合時間および照射量の効果＞
モノリスの透過率に対する重合時間の増加の効果を、添付の図１に示す。図１のグラフには、キャピラリー内において紫外線の照射下で重合された無水マレイン酸モノリスについて、ｎ−ヘキシルアミンによる無水マレイン酸単位の改質前後（「前」がマーカーＡ、「後」がマーカーＢ）における、その圧損に対する重合時間の影響が示されている。同様に、無水マレイン酸を含むモノリス前駆体混合物の重合を、電子ビームの照射下で、線量を１０ｋＧｙから５００ｋＧｙ、線量率を０．０１ｋＧｙ／ｓから１００ｋＧｙ／ｓで変化させて行ったところ、形成されたモノリスにおいて、印加した線量に対応する圧損の増加がみられた。

＜重合時のモノマー率の効果＞
５０μｍから１ｍｍへと直径を様々に変化させたカラム中において、モノマーを１０％から４０％含む相により、重合を行った。

＜重合時にカラムの直径を減じることの効果＞
５０μｍから１ｍｍへと直径を様々に変化させたカラム中において、重合を行ったが、モノリスの形態に対する、直径を減じることによる目を見張るべき効果は得られなかった。添付の図２に、走査型電子顕微鏡により得た、直径が異なるキャピラリ内に形成した無水マレイン酸モノリスの形態を示す（上図の内径は１ｍｍ、下図の内径は７５μｍ、ＵＶ照射下での重合）。図２ａ（直径１ｍｍ）は変性前であり、図２ｂ（直径７５μｍ）は変性後である。

第３の側面によれば、本発明は、無水マレイン酸、コモノマーおよび／またはその他のモノマー、ならびに多孔化溶媒を含む、本発明のモノリス材料の製造に用いられる組成物に関する。

一般に、モノリス材料を作製する上記方法では、電子供与性エチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与性もしくは電子受容性エチレンモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、多孔化溶媒の混合物とを含む基本組成物が用いられる。この基本組成物には、熱開始剤または光開始剤が加えられていてもよいし、加えられていなくてもよい。

本発明のある実施態様では、モノリス材料を作製する上記方法は、基本組成物に加えて熱開始剤を含む組成物Ａを用いる。この場合、モノマーの混合物における重合性基（fonctions polymerisables）のモル数から求めた無水マレイン酸のモル分率は、０．１から０．５の間であり、好ましくは０．２から０．５の間である。ここで、モノマーと多孔化溶媒との比（モノマー：多孔化溶媒）は、１０：９０ｗｔ％乃至４０：６０ｗｔ％であり、熱開始剤は、０．０５から５ｗｔ％の割合で含まれる。

本発明の別の実施態様では、モノリス材料を作製する上記方法は、基本組成物に加えて光開始剤を含む組成物Ｂを用いる。この場合、モノマーの混合物における重合性基のモル数から求めた無水マレイン酸のモル分率は、０．１から０．５の間であり、好ましくは０．２から０．５の間である。ここで、モノマーと多孔化溶媒との比（モノマー：多孔化溶媒）は、１０：９０ｗｔ％乃至４０：６０ｗｔ％であり、光開始剤は、０．２から０．５ｗｔ％の濃度で含まれる。

これら組成物に含まれるコモノマーは、以下の群から選択することが好ましい：スチレンおよび単一または複数の官能基を有するスチレン誘導体、単一または複数の官能基を有するビニルエーテル（シクロヘキシルビニルエーテル、1,4−シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル）、Ｎ−ビニル誘導体（Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカルバゾール）、単一または複数の官能基を有するアクリルエステルおよびメタクリルエステル（ブチルアクリレート、メチルメタクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート）、単一または複数の官能基を有するアクリルアミドおよびメタクリルアミド、ならびに、単一および複数の官能基を有するＮ−アルキルマレイミドおよびＮ−アリールマレイミド。

本発明の上記組成物に含まれる多孔化溶媒の混合物は、以下の群から選ばれる少なくとも２つの溶媒を含むことが好ましい：ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、石油エーテル、トルエン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、酢酸エチル、およびアルコール。

熱開始剤は、以下の群から選択することが好ましい：アゾビス−イソブチロニトリル、2,2−アゾビス（2−アミジノプロパンジヒドロクロライド）、2,2−アゾビス（イソブチルアミド）ジヒドレート、ベンゾイルパーオキシド、ジプロピルパーオキソジカルボネート。

いくつかの溶媒に対して無水マレイン酸の溶解度が限られること、ならびに、いくつかの溶媒における、あるいは他のモノマーの存在下における、無水物基の反応性、に応じて、上記方法を適切に実施できる組成物とすることが必要である。試薬を注意深く選び、開始条件（熱的、光化学的、または放射化学的（［電子ビーム］）を変化させることで、希望の透過率を有するモノリスを得ることが可能となる。系統的に評価した種々の組成物の中から、希望の数値範囲内にある空孔特性（例えば、与えられた流速に対する圧損）を有するいくつかのモノリス前駆体の配合物を選択することが可能であった。

ビニルエーテルを用いて無水マレイン酸ゲルを形成するための基本的な配合物の一つは、酢酸エチル−シクロヘキサン混合溶媒（５０−５０ｗｔ％）中に、無水マレイン酸（ＭＡ）と、トリエチレングリコールジビニルエーテル（ＤＶＥ３）またば1,4−シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル（ＣＨＶＥ）とを、マレイン酸不飽和物とビニル不飽和物とのモル比にして１：１で含む。

これらジエーテル類１分子に対して２分子の無水マレイン酸を用いることにより、従来の機能化可能モノリス材料に比べて、より多くの無水物基を確実に導入できる。共重合は交互共重合であり、共重合によって機能化可能基を離すことができる。

これらモノリスにおける流動特性を、内径７５μｍのキャピラリ、またはマイクロシステムのチャネルにおいて、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の流速を１μＬ／分から４μＬ／分の間で変化させながら、検討した。添付の図３に示す圧力測定によれば、内径７５μｍのキャピラリ中においてＵＶ照射により重合された無水マレイン酸とトリエチレングリコールジビニルエーテルとからなるカラムにおいて、圧損は、流速に対して直線的に上昇する（図３ａは２分のＵＶ照射、図３ｂは３分のＵＶ照射）。上記相は、光開始剤を使用してもしなくても、ＵＶ照射により容易に重合させることができる。

モノマーと溶媒との比（重量％）を、４０％：６０％、２５：７５％、２０％：８０％、および１０％：９０％としたそれぞれの場合において、様々な多孔化溶媒の配合物を検討した。無水マレイン酸モノリスの透過率は、前駆体混合物におけるモノマーの比率、および多孔化溶媒の混合物の組成の観点から、配合物の組成により制御可能である。添付の図４に、モノリス前駆体混合物における、モノマー（無水マレイン酸、およびこれと当モルの不飽和基を有するビニルジエーテル）の含有量（重量）、および酢酸エチルの含有量（重量）の観点から見た組成の影響を、ＵＶ照射（３分）による重合（内径７５μｍのキャピラリ中）後の単位長さあたりの圧損（流速１μＬ／分）により示す。

その他の検討した配合物は、無水マレイン酸およびヘキサンジオールジアクリレートをモノマーとして含み、モノマー分子間のモル比は２：１（重量比にして１：１．１５）である。この配合物では、無水マレイン酸の含有量が高く、好ましい透過率および均質な形態を有する、また別のタイプの相が得られる。

以下の配合物では、ブチルアクリレート型のモノアクリレートを加える、または、ビニルエーテルとともにジアクリレートを加えることで、先のサンプルに比べて、より大きな透過率を有する相が得られた：
− ＭＡ：ＴＰＧＤＡ、モノマー分子間のモル比は２：１、重量比にして１：１．５３
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＤＶＥ３、モノマー分子間のモル比は１：１：１、重量比にして１：１．４５：１．７
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＣＨＶＥ、モノマー分子間のモル比は１：１：１、重量比にして１：１．４５：１．７
− ＭＡ：ＤＶＥ３：ＨＤＤＡ、モノマー分子間のモル比は４：１：１、重量比にして２：１：１．１３
− ＭＡ：ＤＶＥ３：ＴＰＧＤＡ、モノマー分子間のモル比は４：１：１、重量比にして２：１：１．５
− ＭＡ：ＣＨＶＥ：ＨＤＤＡ、モノマー分子間のモル比は４：１：１、重量比にして２．３：１：１．３
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＨＤＤＡ、モノマー分子間のモル比は１：１：１、重量比にして１：１．４５：２．３
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＴＰＧＤＡ、モノマー分子間のモル比は１：１：１、重量比にして１：１．４５：３
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＤＶＥ３：ＨＤＤＡ、モノマー分子間のモル比は２：２：１：１、重量比にして１：１．４５：１：１．１５
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＤＶＥ３：ＴＰＧＤＡ、モノマー分子間のモル比は２：２：１：１、重量比にして１：１．４５：１：１．５
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＣＨＶＥ：ＨＤＤＡ、モノマー分子間のモル比は２：２：１：１、重量比にして１．１７：１．７：１：１．３
− ＭＡ：ＢＭＡ：ＣＨＶＥ：ＴＰＧＤＡ、モノマー分子間のモル比は２：２：１：１、重量比にして１．１７：１．７：１：１．８。

上記略号は以下の通りである：ＭＡは無水マレイン酸、ＢＭＡはブチルメタクリレート、ＣＨＶＥは1,4−シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、ＤＶＥ３はトリエチレングリコールジビニルエーテル、ＨＤＤＡは1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ＴＰＧＤＡはトリプロピレングリコールジアクリレート。

前駆体混合物の組成と、重合条件とを注意深く組み合わせることにより、明確な透過率を有するモノリス材料を得ることができる。この条件下においてクロマトグラフィ用に作製されたカラム（長さ２０ｃｍ、内径７５μｍ）では、ＴＨＦを１μＬ／分のレートで通過させたときの圧損が３バールから１５０バールの間となる。

第４の側面によれば、本発明は、無水マレイン酸基が求核化合物との反応によって機能化されたモノリス材料に関する。

機能化は、求核物質を、注入によって、あるいは、水溶液、有機溶液、水−有機溶液、エマルジョン、ミニエマルジョン、マイクロエマルジョンの形で、加えることにより実施される。求核化合物の化学的性質は、様々であってよい。少なくとも１種の求核機能を有する単純な有機化合物（脂肪族または芳香族アミン、アルコール、フェノール、ホスフィン、および活性水素を含む化合物など）であってもよいし、より複雑な炭化水素の骨格を有する、および／または、複数の中性またはイオン性の化学的機能を有する化合物、オリゴマー、合成高分子、タンパク質、酵素、抗体、核酸など、であってもよい。

このため、この機能化によって得られる特性は、非常に幅広くなる：制御可能な親水／疎水バランス、正または負の電荷の存在、光学活性を有していてもよい有機官能基の存在、特定の担体の存在、認識サイトの存在、人工的または酵素的な触媒サイトの存在など。

無水マレイン酸基を含むモノリスは、また、機能的な求核物質との結合、あるいは、全部または残余の無水マレイン酸基の加水分解により生じた、カルボキシレート型のイオン基を持つという利点を有する。このイオン基は、キャピラリー電気クロマトグラフィを行うのに、あるいは、マイクロシステムにおける溶媒または溶液の輸送のための電気浸透流を発生させるのに、好適となることがある。

無水マレイン酸基を含む種々のモノリスに対する化学的変性の条件−濃度の効果、溶媒（水性か否か）の効果、およびｐＨの効果−を検討した。特に、所定のｐＨ条件下において、水溶液中の求核物質との非常に効果的な結合が可能である。

当業者であれば、異なる求核物質を同時に結合させることを検討できる。例えば、活性な生物化合物と、アミノ基を有するポリエチレングリコール（ｐｅｇ−ＮＨ₂）とを結合させて、機能化された多孔質材料の疎水性を制御する。これに続く加水分解により、未反応の無水マレイン酸基を非活性化できる。

＜炭素数４から１８の脂肪族アミンによる機能化＞
様々な濃度（０．５ｗｔ％から５０ｗｔ％）の、アミンのＴＨＦ、トルエンまたはアセトニトリル（アミンの種類による）溶液を、カラム中に１時間から４時間注入することにより、穏やかな条件下で、機能化を躍進的に実施できる。変性が完了すれば、カラムをＴＨＦにより洗浄した後、残余の無水マレイン酸基を、トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン（ＴＲＩＳ）緩衝溶液（ｐＨ＝８）を約１時間注入することにより、中和する。

＜酵素（トリプシン）による機能化＞
トリプシンによる機能化は、選択した温度、多くは４℃から２５℃、によって、時間を１時間から４時間の間で変えながら、躍進的に実施できる。トリプシンの固定に用いるリン酸緩衝液中のトリプシン濃度は、反応器の容積によって、０．０２ｍｇ／ｍＬから１ｍｇ／ｍＬの間で決定した。続いて、反応器をリン酸緩衝溶液（ＰＢＳ）で洗浄した後、カラムをＴＲＩＳ緩衝液で満たした。

＜ペプチド（ストレプタビジン）による機能化＞
固定の手順は、トリプシンの固定手順例と同様である。ストレプタビジンの濃度は０．０１ｍｇ／ｍＬであり、固定の時間は１時間から８時間、温度は常温とした。

＜合成高分子（末端１級アミン基）による機能化＞
モノリスに、第１級アミンの末端を有する高分子（ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、またはポリエチレングリコール）および第３級アミン（トリエチレンジアミンなど）のＴＨＦ溶液を、グラフトされる機能性高分子の濃度、その重合の程度、および第３級アミンの濃度に応じて、１時間から４時間、注入することにより変性を行う。

本発明の機能化された無水マレイン酸モノリス材料を、以下の例に示すように、様々な手法により評価した。

＜赤外分光法による特性評価＞
脂肪族アミン、および高分子により機能化したモノリスを、洗浄および乾燥した後、赤外分光法（ＩＲ）により評価した。分析は、ＫＢｒによる変性前後におけるモノリス粉末のペレットを準備した後に、透過モードで実施した。変性後のモノリスのスペクトルでは、アミド吸収帯の兆候が１６５４ｃｍ^-1および１５５６ｃｍ^-1で見られ、１８５５ｃｍ^-1および１７８０ｃｍ^-1にある無水物基の吸収帯の消失が見られた。一例を添付の図５に示す。図５では、ｎ−ドデシルアミンによる変性前後における、無水マレイン酸モノリスから作製した粉末のＩＲスペクトルの変化が示されている。

＜蛍光による特性評価＞
特定の相互作用の受容体により機能化されたモノリスを、５８０ｎｍで励起したストレプタビジン−Ｃｙ３により介されるマーカーの蛍光（５３２ｎｍ）により評価した。ストレプタビジンによって変性されたサンプルでは識別可能な蛍光が見られ、リファレンスとしたモノリスでは蛍光が見られなかった。

＜窒素の元素分析による評価＞
トリプシンなどの種々の分子により機能化されたモノリスを、窒素の元素分析により評価した。

＜圧損の測定＞
化学的な機能化により引き起こされた構造の変化による、モノリスの透過率の変化は、限定的である。多孔質構造の閉塞は、回避される。溶媒の流速を様々に変化させて圧力を測定したところ、圧損の上昇は限定的であることが示された。図１には、ｎ−ヘキシルアミンによる処理の後に得られた変化が示されている。

＜トリプシン反応器におけるＢＡＥＥの加水分解＞
トリプシンによって機能化されたモノリス相の酵素的活性を、Ｎ−ベンゾイルアルギニンエチルエステル（ＢＡＥＥ）の加水分解反応の速度を評価することにより、測定した。以下の様々な手順により作製されたトリプシン反応器を、シリンジドライバを用いて基質溶液に供給し、その下流をＵＶ分光計の循環セルに接続した。加水分解の有効性は、２５３ｎｍの吸光度を測定することで、連続的に測定した。

本発明の無水マレイン酸モノリス材料の流動特性を、以下に示す種々の方法を用いて評価した。

＜低圧時の流動特性＞
熱的、光化学的、または放射化学的な重合によって無水マレイン酸配合物から作製された高透過率のモノリスを、低圧下での流速測定の対象とした（ＴＨＦおよびトルエン、０．０５バール未満の定圧）。添付の図６に、ＭＡ／ＢＭＡ／ＣＨＶＥモノマーからなる、１ｍｍのカラム内、ＵＶ照射下において１時間重合した相（未変性）を透過させた際のトルエンの流れ特性を示す（低圧損、長さ２０ｃｍおよび内径７５μｍのカラムに３バール印加）。

＜高圧時の流動特性＞
内径が７５μｍから１ｍｍの範囲のキャピラリ中における、熱的、光化学的、または放射化学的な重合によって無水マレイン酸配合物から作製された、より透過率が小さい無水マレイン酸モノリスを、圧損測定の対象とした。溶媒の流れは、流量を１μＬ／分から数十μＬ／分で変化させてＨＰＬＣポンプ（ウォーターズ社製）により、または高圧シリンジドライバ（ハーバードインスツルメンテイション社製）により確保する。長さ２０ｃｍ、内径７５μｍのキャピラリに、１μＬ／分の流量でＴＨＦを流した際に、１５０バールに届く圧力が測定された。

＜マイクロシステムの流動特性＞
フォトリソグラフィー樹脂ＳＵ−８のチャネル（パイレックスにより蓋がなされている）内で作製した無水マレイン酸モノリスを含むマイクロシステムの流動特性を、ＴＨＦにより、その流量を１μＬ／分から１０μＬ／分として評価した。添付の図１のグラフにおけるＣおよびＤと表示された曲線に、マイクロシステム（チャネル幅１００μｍ、チャネル高さ１５０μｍ、無水マレイン酸モノリスを４ｃｍの長さを超えて含む）の流動特性に対する重合時間の効果を示す。Ｃはｎ−ヘキシルアミンによる機能化前、Ｄは同機能化後の特性である。

＜モノリスの形態の評価＞
本発明により作製した無水マレイン酸モノリスを、走査型電子顕微鏡により評価した。添付の図７に、無水マレイン酸の含有量が高い４つのモノリス相を示す。図７ａは、ＭＡ／ＣＨＶＥ／ＢＭＡモノマーの混合体であり、重合性基の２８％は無水マレイン酸由来である。多孔化剤（porogene）は、酢酸エチルを含む。図７ｂは、ＭＡ／ＣＨＶＥ／ＢＭＡモノマーの混合体であり、重合性基の２８％は無水マレイン酸由来である。多孔化剤はトルエンを含む。図７ｃは、ＭＡ／ＣＨＶＥモノマーの混合体であり、重合性基の５０％は無水マレイン酸由来である。多孔化剤は酢酸エチルを含む。図７ｄは、ＭＡ／ＤＶＥ３モノマーの混合体であり、重合性基の５０％は無水マレイン酸由来である。多孔化剤は酢酸エチルを含む。マクロ空孔率および粒子サイズの分析は、ＳＣＩＯＮイメージ分析ソフトウェアを用いて行った。

第５の側面によれば、本発明は、分析マイクロシステムへの機能化されたモノリス材料の様々な使用に関する。好ましくは、本発明の機能化されたモノリス材料は、以下のように用いられる：
− アフィニティクロマトグラフィ、疎水性相互作用クロマトグラフィ、イオン性クロマトグラフィ、電気クロマトグラフィ、キャピラリー電気泳動クロマトグラフィの群から選ばれるクロマトグラフィ法によって分子を分離するための相として；
− 化学的または酵素的反応のための、反応器または試薬もしくは触媒の担体として；
− 化合物を吸収、分析または検知するための担体として。

以下の実施例により、本発明をよりよく理解することができる。本発明は、以下の実施例に限定されない。

＜実施例１：ｎ−ヘキシルアミンによる機能化によって得た分離型反応器＞
キャピラリ中で作製し、アルキルアミンとの反応により機能化した無水マレイン酸モノリスから得たカラムのクロマトグラフ性能を評価するために、ナノ液体クロマトグラフ（ナノ−ＬＣ）分析を行った。シトクロムＣおよびβ−ガラクトシダーゼの残渣物（digestats）に含まれるペプチドの分離テストを、内径７５μｍ、長さ５から２０ｃｍのカラムに０．１μＬから１μＬの残渣物溶液を注入することにより行った。注入した溶液の濃度は、８０ｆモル／μＬから８００ｆモル／μＬとし、分析は、水−アセトニトリル系の濃度勾配法により行った。

ポリイミドで被覆されたガラスのキャピラリ（長さ２０ｃｍ、内径７５μｍ、内面をγ−アミノプロピルトリメトキシシラン（γ−ＡＰＳ）などのシランにより変性）に、２０ｗｔ％のモノマーと、トルエンおよびシクロヘキサンからなる多孔化剤とを含む溶液を満たした。次に、このカラムを、電子ビーム（線量１００ｋＧｙ、線量率０．６８ｋＧｙ／ｓ、うち２５ｋＧｙが透過）により重合した。重合の後、ＴＨＦによりカラムを１μＬ／分で１時間洗浄し、Ｃ６アミンのＴＨＦ溶液（１０ｗｔ％）により２時間にわたって変性を加え、ＴＨＦにより１時間、およびＴＲＩＳ緩衝液により１時間、洗浄した。分離を行う前に、上記カラムを、水−アセトニトリル混合液（５０：５０ｗｔ％）の注入により安定化した。分析中の圧力は、カラム長２０ｃｍあたり４９バールを超えないようにした。

ｎ−ヘキシルアミンにより機能化したモノリスを含む、長さ５ｃｍのカラムにおいて、主たるペプチドの分離可能性を実証した。ナノ液体クロマトグラフィと結合した質量分析計によって、長さ８ｃｍおよび内径７５μｍのカラムにおけるシトクロムＣの残渣物（８０ｆモル／μＬ）の分離の間に得られたトレースを、添付の図８に示す。シトクロムＣの最も疎水性のペプチドは、分離され、１５分を超える緩和時間を示している。

＜実施例２：トリプシン消化（digestion）反応器＞
トリプシンによる消化反応（digestion）を、長さ８ｃｍ、内径７５μｍのカラムにて行った。モノリスは、１０分のＵＶ照射下における重合の後、１時間洗浄し、ＰＢＳリン酸緩衝液中のトリプシン（０．０１ｍｇ／ｍＬ）による変性（１時間、温度４℃）を行って得た。次に、カラムを、ＰＢＳ緩衝液で洗浄した後に、ＴＲＩＳ緩衝液で洗浄した。２０ピコモル（pmol）のシトクロムＣに対する消化反応を、トリプシンにより機能化された無水マレイン酸モノリスを含む、長さ８ｃｍ、内径７５μｍのキャピラリにおいて、流量３．５μＬ／分で連続的に行った。５０μＬの残渣物溶液から得られたＭＡＬＤＩ ＴＯＦ質量スペクトルを、添付の図９に示す。データの解析により、６５％のシークエンスオーバーラッピングでタンパク質を識別できる。

＜実施例３：消化反応器＞
Ｎ−ベンゾイルアルギニンエチルエステル（ＢＡＥＥ）を、長さ１０ｃｍ、内径１ｍｍのカラムにおいて加水分解させた。モノリスは、１時間のＵＶ照射下における重合の後、ＴＨＦにより洗浄し、ＰＢＳ緩衝液中のトリプシン（０．０１ｍｇ／ｍＬ）の注入による変性（４時間、温度４℃）を行って得た。次に、カラムを、ＰＢＳ緩衝液で洗浄した後に、ＴＲＩＳ緩衝液で洗浄した。ＢＡＥＥ（０．２５ｍＭ）の加水分解は、２５３ｎｍのＵＶスペクトルを検知しながら、ダイナミック注入により行った。添付の図１０のグラフに示すように、カラム中の滞留時間を正しく選択したときに、ＢＡＥＥの加水分解率は、ほぼ９１％となる。なお、図１０に示す例において、キャピラリの長さは１０ｃｍ、径は１ｍｍであり、キャピラリは、トリプシンにより機能化された無水マレイン酸モノリスを含む。

＜実施例４：アフィニティ反応器＞
ＵＶ照射下における重合により作製した無水マレイン酸モノリス相に、ストレプタビジンを固定した。標識としてビオチンを有する蛍光性物質を、相互作用させた。結合の効果は、ビオチン標識Ｃｙ５の蛍光イメージングにより示された。

＜実施例５：熱バルブ＞
チャネルを含む流体マイクロシステム中に多孔質相を作製した。チャネルは、同じセクションにあるチャンバーを通り、長さ１００μｍである。チャネルには、末端アミノ基を有するポリ（ＮＩＰＡＭ）により機能化されたモノリスを充填した。チャンバーの温度は、マイクロシステム中に挿入した加熱用抵抗によって制御できる。温度の上昇させることにより促進される、機能化の効果および反応を、温度を変化させながらチャネルに水を流すテストを実施することにより示した。２０℃では、１バールの圧力の印加により、６μＬ／分の流速が測定された。変性を実施するときの条件に基づいた４０℃では、流速は、２０から４０μＬ／分の間の値に上昇した。

モノリスの透過率に対する重合時間の増加の効果を検討した結果を示す図である。 走査型電子顕微鏡により得た、直径が異なるキャピラリ内に形成した無水マレイン酸モノリスの形態を示す図である。 モノリスの流動特性を検討した結果を示す図である。 モノリス前駆体混合物における、モノマーの含有量および酢酸エチルの含有量の観点から見た組成の影響を単位長さあたりの圧損により示す図である。 ｎ−ドデシルアミンによる変性前後における、無水マレイン酸モノリスから作製した粉末のＩＲスペクトルの変化を示す図である。 ＭＡ／ＢＭＡ／ＣＨＶＥモノマーからなる、１ｍｍのカラム内、ＵＶ照射下において１時間重合した相（未変性）を透過させた際のトルエンの流れ特性を示す図である。 作製した無水マレイン酸の含有量が高い４つのモノリス相を示す図である。 実施例１において評価した、ナノ液体クロマトグラフィと結合した質量分析計によって、長さ８ｃｍおよび内径７５μｍのカラムにおけるシトクロムＣの残渣物（８０ｆモル／μＬ）の分離の間に得られたトレースを示す図である。 実施例２において評価した、５０μＬの残渣物溶液から得られたＭＡＬＤＩ ＴＯＦ質量スペクトルを示す図である。 実施例３におけるＢＡＥＥの加水分解率を示す図である。

Claims (24)

1. 機能化可能基を有する高分子モノリス材料であって、前記基が無水マレイン酸ユニットであることを特徴とする高分子モノリス材料。
2. ベースモノマーとして無水マレイン酸と、電子供与性エチレンコモノマーと、のラジカル反応により形成した交互共重合体を含むことを特徴とする請求項１に記載のモノリス材料。
3. 全重合性基の１／１０から１／２までが、無水マレイン酸基である請求項１または２に記載のモノリス材料。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のモノリス材料の製造方法であって、
   電子供与性エチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与性もしくは電子受容性エチレンモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、
   多孔化溶媒の混合物と、
   を含む基本組成物を含む組成物をラジカル重合反応させ、
   必要に応じて、前記基本組成物に、熱開始剤または光開始剤が加えられていることを特徴とするモノリス材料の製造方法。
5. 熱開始剤が加えられた前記基本組成物を含む組成物Ａの熱重合反応を含み、
   当該反応を、４０から９０℃の温度で、１から６時間行うことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
6. 予め脱気した前記基本組成物の光化学重合反応を含み、
   当該反応が、以下の工程（ｉ）および（ii）を含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
   （ｉ）均質化および脱気した前記基本組成物を、収容体に満たす。
   （ii）満たした筒状の前記収容体を、モノリス材料が得られるまで、０．０１から１００ｍＷ／ｃｍ²の強度の紫外線ランプに、およそ２０分から２時間半の間、曝す。
7. 光開始剤が加えられた前記基本組成物を含む組成物Ｂの光化学重合反応を含み、
   当該反応が、以下の工程（ｉ）および（ii）を含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
   （ｉ）脱気および均質化した前記組成物Ｂを、収容体に満たす。
   （ii）前記収容体を、モノリス材料が得られるまで、０．０１から１００ｍＷ／ｃｍ²の強度の紫外線ランプに、およそ１分から６０分間、曝す。
8. 前記基本組成物の放射化学重合反応を含み、
   当該反応が、以下の工程（ｉ）および（ii）を含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
   （ｉ）脱気および均質化した前記基本組成物を、収容体に満たす。
   （ii）満たした前記収容体に、モノリス材料が得られるまで、およそ０．０１から１００ｋＧｙ／ｓの線量率で、１０から１０００ｋＧｙの線量を照射する。
9. 工程（ii）で得た前記モノリス材料を、およそ１００カラム体積に相当する時間、不活性有機溶媒により洗浄する工程（iii）を、さらに含むことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の製造方法。
10. 求核化合物をグラフトさせることにより、前記モノリス材料を支持する壁面を表面処理する予備工程を含むことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記収容体が、種々の形状を有するシステムおよびデバイスを含み、
    前記システムおよびデバイスは、ガラス、シリカ、シリコン、高分子材料（熱可塑性樹脂、網目状組織、リソグラフィー樹脂）、またはこれらの材料の組み合わせからなり、１００ｎｍから５ｃｍの直径を有するチャネルまたはチャンバーを含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の製造方法。
12. 請求項４〜１１のいずれかに記載のモノリス材料の製造方法に用いられる基本組成物であって、
    電子供与性エチレンコモノマーおよび／またはその他の電子供与性もしくは電子受容性エチレンモノマーを伴った、ベースモノマーとしての無水マレイン酸と、
    多孔化溶媒の混合物と、を含み、
    前記モノマーの混合物における重合性基のモル数から求めた無水マレイン酸のモル分率が、０．１から０．５の間、好ましくは０．２から０．５の間であり、
    前記モノマーと前記多孔化溶媒との比（モノマー：多孔化溶媒）が、１０：９０ｗｔ％乃至２５：７５ｗｔ％であることを特徴とする基本組成物。
13. 請求項５に記載の製造方法に用いられ、
    熱開始剤が加えられた請求項１２に記載の基本組成物を含み、
    前記熱開始剤の濃度が、０．０５から５ｗｔ％の範囲であることを特徴とする組成物Ａ。
14. 請求項７に記載のモノリス材料の製造方法に用いられ、
    光開始剤が加えられた請求項１２に記載の基本組成物を含み、
    前記光開始剤の濃度が、０．２から５ｗｔ％の範囲であることを特徴とする組成物Ｂ。
15. 前記コモノマーが、スチレンおよび単一または複数の官能基を有するスチレン誘導体、単一または複数の官能基を有するビニルエーテル、Ｎ-ビニル誘導体、単一または複数の官能基を有するアクリルエステルおよびメタクリルエステル、単一または複数の官能基を有するアクリルアミドおよびメタクリルアミド、ならびに、単一または複数の官能基を有するＮ−アルキルマレイミドまたはＮ−アリールマレイミドの群から選ばれることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の組成物。
16. 前記多孔化溶媒の混合物が、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、石油エーテル、トルエン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、酢酸エチル、およびアルコールの群から選ばれる少なくとも２つの溶媒を含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の組成物。
17. 酢酸エチルおよびシクロヘキサン混合溶媒（５０：５０ｗｔ％）中に、無水マレイン酸およびトリエチレングリコールジビニルエーテルを、マレイン酸不飽和物およびビニル不飽和物のモル比にして１：１で含むことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の組成物。
18. 酢酸エチルおよびシクロヘキサン混合溶媒（５０：５０ｗｔ％）中に、無水マレイン酸および1,4−シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテルを、マレイン酸不飽和物およびビニル不飽和物のモル比にして１：１で含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の組成物。
19. 無水マレイン酸基が、求核化合物との反応により機能化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモノリス材料。
20. 前記求核化合物が、注入によって、または、水溶液、有機溶液、水−有機溶液、エマルジョン、ミニエマルジョンもしくはマイクロエマルジョンの形で、加えられたことを特徴とする請求項１９に記載のモノリス材料。
21. 前記求核化合物が、
    少なくとも１つの求核機能を有する単純な有機化合物（脂肪族または芳香族アミン、アルコール、フェノールホスフィン、および活性水素を含む化合物など）、
    より複雑な炭化水素の骨格を有する、および／または、複数の中性またはイオン性の化学的機能を有する化合物、
    オリゴマーおよび合成高分子、タンパク質、酵素、抗体、ならびに核酸、
    の群から選ばれることを特徴とする請求項１９または２０に記載のモノリス材料。
22. アフィニティクロマトグラフィ、疎水性相互作用クロマトグラフィ、イオン性クロマトグラフィ、電気クロマトグラフィ、キャピラリ電気泳動クロマトグラフィの群から選ばれるクロマトグラフィ法によって分子を分離するための相としての、請求項１９〜２１のいずれかに記載のモノリス材料の使用。
23. 化学的または酵素的反応のための、反応器または試薬もしくは触媒の担体としての、請求項１９〜２１のいずれかに記載のモノリス材料の使用。
24. 化合物を吸収、分析または検知するための担体としての、請求項１９〜２１のいずれかに記載のモノリス材料の使用。