JP2021528662A - マグネシウムイオン選択性pvc膜 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1C、図1D
Description
a.カルボキシル化ポリ(塩化ビニル)またはポリ(塩化ビニル)である第1のポリマーであり、分子量が100,000〜500,000である、第1のポリマーと、
b.塩化ビニルと、親水性基を有する少なくとも1つのさらなるモノマー基とのコポリマーである第2のポリマーであり、分子量が100,000未満である、第2のポリマーと
を含み、
前記第1のポリマーがカルボキシル化ポリ(塩化ビニル)である場合、前記第2のポリマーが前記第1のポリマーより多くの親水性基を有する、
膜に関する。
Mw=ΣWiMi(式中、Wiは、分子量Miを有するポリマーの重量分率である)
によって算出される、重量平均分子量を指す。
さらにさらなる態様において、本発明は、液体試料のイオン濃度を決定するための電位差測定センサーであって、本発明の膜または本発明の電極を含む、電位差測定センサーを提供する。
膜の文脈において本明細書で使用する「選択性」という用語は、特定のイオンに対する選好を指す。本明細書で使用する「選択性」は、絶対的または排他的選択性を意味しない。すなわち、膜は、複数のイオン、例えば、マグネシウムイオンおよびカルシウムイオンに対して選択性であってよい。
特に、「親油性化合物」の文脈において、本明細書で使用する「親油性」という用語は、脂肪、油、脂質または非極性溶媒に溶解する化学化合物の能力を指す。
本明細書で使用する「塩」という用語は、その負電荷を平衡させるカチオン種と共にある、酸が脱プロトン化された形態を指す。
用語「LogP」は、平衡状態の2つの不混和性相(例えば、水と1−オクタノール)の混合物中の化合物の濃度比の尺度を指す。
本発明者らは、当技術分野において以前に記載された膜と比較して、改善された性能を有するイオン選択性膜を開発した。特に、本発明の膜は、滑らかな表面を有し、使用中の安定性が高く、可塑剤のブリーディングおよび亜鉛イオンの干渉が少ないことを示し、界面活性剤に対して良好な耐性を示す。さらに、膜は乾燥中の急速な粘度上昇を有する。
a.カルボキシル化ポリ(塩化ビニル)またはポリ(塩化ビニル)である第1のポリマーであり、分子量が、100,000〜500,000である、第1のポリマーと、
b.塩化ビニルと、親水性基を有する少なくとも1つのさらなるモノマー基とのコポリマーである第2のポリマーであり、分子量が100,000未満である、第2のポリマーと
を含み、
前記第1のポリマーがカルボキシル化ポリ(塩化ビニル)である場合、前記第2のポリマーが前記第1のポリマーより多くの親水性基を有する、
膜に関する。
一実施形態において、前記第1のポリマーの分子量は、少なくとも110,000、例えば、少なくとも120,000、例えば、130,000〜400,000、例えば、130,000〜300,000、例えば、130,000〜250,000である。
上記のように、本発明の膜は、イオノフォアまたはイオノフォアの混合物を含む。一実施形態において、イオノフォアは、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、亜鉛イオンまたはリン酸イオンに対して選択性である。好ましい実施形態において、イオノフォアはマグネシウムイオン選択性イオノフォアである。
好ましい実施形態において、イオノフォアは、1,10−フェナントロリンまたはその置換形態であるフェナントロリン化合物である。このような化合物は、例えば、WO92/16831(Nova Biomedical Corp.)に記載されている。1,10−フェナントロリンは以下の構造
一実施形態において、フェナントロリン化合物の2および9位の炭素原子は、水素に結合している。
R1〜R6は各々、
H、
F、Cl、Br、I、NO2、CNもしくはCF3のいずれか、
C1〜18アルキル、
C1〜18アリール、
C1〜18アルケニル、
(CH2)mY(式中、mは0または1〜4の整数であり、Yは−OR7、−NR7R8、−OCOR7、−NR7COR8、−COR7、−COOR7、−SO3R7、−OSiR7R8R9、−PO4R7R8、−PO3R7R8のいずれかであり、R7、R8およびR9は各々、H、アルキル、分岐アルキル、アリールまたは置換アリールのいずれかである)、または
Cn−R10R11(式中、nは0、または1および17を含む1〜17の整数であり、R10はC、N、NCOまたはCH2−Z−CH2であり、ZはO、NH、S、OCOまたはCOのいずれかであり、R11は式III
のいずれかである、但し、R1〜R6のうちの1つが、H以外であり、かつ1,10−フェナントロリンの2および9位のC原子が各々、縮合環構造に関与しない結合により、Hに結合している]
の化合物である。
置換1,10−フェナントロリン化合物は、当業者に公知の標準的な技術によって合成され得る。例えば、4−および4,7−置換1,10−フェナントロリンの合成は、参照により本明細書に組み込まれる、Lundら、J.Chem.Eng.Data、26:227−29(1981)に記載される。メチル基は、他の1,10−フェナントロリン誘導体の合成において所望の側鎖の付着のためのハンドルを提供し得、メチル置換1,10−フェナントロリンは市販されている。例えば、4−メチル、5−メチル、6−メチル、7−メチル、3,6−ジメチル、5,7−ジメチル、4,7−ジメチルおよび5,6−ジメチル−1,10−フェナントロリンはすべてAldrich Chemical Co.から入手できる。4−ウンデシル−1、10−フェナントロリンおよび4,7−ジウンデシル−1,10−フェナントロリンは、例えば、WO92/16831(Nova Biomedical Corp.)に記載されるように合成され得る。
別の実施形態において、イオノフォアは式V
別の実施形態において、イオノフォアは式VI
別の実施形態において、イオノフォアは式VII
の化合物である(nが6である場合、当技術分野においてETH5282と称され、nが8である場合、当技術分野においてETH7025と称される)。
一実施形態において、本発明の膜はさらに、親油性塩などの酸性基を含む親油性化合物を含む。
Aは酸性基を含み、
R18、R19およびR20のうちの1つ、2つまたは3つすべては、C4〜18アルキル基、C4〜18アルケニル基、C4〜18アルキニル基またはアミド含有C4〜18基であるC4〜18基であり、前記C4〜18基は、フェニル基から数えて1、2および3位が直鎖であるか、または前記1、2および3位に合計で側鎖を1つのみ有し、
他のR18、R19およびR20は、独立に、水素または直鎖C1〜18アルキル基である)
の化合物または前記親油性化合物の塩を含む。
一実施形態において、式IのA基に含まれる酸性基は、カルボン酸、スルホン酸、硫酸モノエステル、スルホンアミド、ホスホン酸、リン酸、ヒ酸、スルフィン酸またはチオカルボン酸である。
式IX
式XIII
式XIV
式XV
式XVI
式XVIII
式XXI
式XXII
の化合物を含む。好ましくは、膜は、式VIIIの親油性化合物の塩を含む。
一実施形態において、R18、R19またはR20のうちの1つは、上に定義されるC4〜18アルキル基(すなわち、フェニル基から数えて1、2および3位が直鎖であるか、または前記1、2および3位に合計で側鎖を1つのみ有するC4〜18アルキル基)であり、他は、独立に、水素または直鎖C1〜18アルキル基である。
好ましい塩はマグネシウム塩およびカルシウム塩である。
さらなる実施形態において、イオノフォアおよび酸性基は、別々の化合物の一部ではなく共有結合している。
R1〜R6は各々、
H、
F、Cl、Br、I、NO2、CNもしくはCF3のいずれか、
C1〜18アルキル、
C1〜18アリール、
C1〜18アルケニル、
(CH2)mY(式中、mは0または1〜4の整数であり、Yは−OR7、−NR7R8、−OCOR7、−NR7COR8、−COR7、−COOR7、−SO3R7、−OSiR7R8R9、−PO4R7R8、−PO3R7R8のいずれかであり、R7、R8およびR9は各々、H、アルキル、分岐アルキル、アリールまたは置換アリールのいずれかである)、
Cn−R10R11(式中、nは0、または1および17を含む1〜17の整数であり、R10はC、N、NCOまたはCH2−Z−CH2であり、ZはO、NH、S、OCOまたはCOのいずれかであり、R11は
のいずれかである、
但し、R1〜R6のうちの1つが、H以外であり、かつ1,10−フェナントロリンの2および9位のC原子が各々、縮合環構造に関与しない結合により、Hに結合しており、
R1〜R6のうちの1つがスペーサーおよび酸性基を含み、好ましくは、R1またはR6はスペーサーおよび酸性基を含む]
のフェナントロリン化合物である。
別の実施形態において、R2および/またはR5は、1〜18個の炭素原子を有するアリール基である。
さらなる態様において、本発明は、成分を溶媒中で混合し、得られた溶液を所望の支持体上に分配し、溶媒を蒸発させることによって、本発明のイオン選択性膜を調製する方法に関する。任意の好適な溶媒が用いられ得る。一実施形態において、溶媒はシクロヘキサノンである。支持体は柔軟性または剛性であり得る。支持体は、好ましくは非導電性材料、例えば、ケイ素、ポリマー、プリント回路基板(PCB)、フレックスPCB、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、セラミック、アルミナ、ガラス、木材製品、フリットなどでできている。
さらなる主要な態様において、本発明は、本明細書に記載される本発明のイオン選択性膜を含む、イオン選択性電極に関する。電極は、厚膜方式、例えば、スクリーン印刷、輪転グラビア印刷、パッド印刷、ステンシル印刷の導電性材料、例えば、炭素、Cu、Pt、Pd、Auおよび/もしくはナノチューブなどを使用することによって、または、薄膜方式、例えば、スパッタリング、サーマルスプレーおよび/もしくはコールドスプレーの導電性材料を使用することによって支持体上に作られ得る。支持体は柔軟性または剛性であり得る。支持体は、好ましくは、非導電性材料、例えば、ケイ素、ポリマー、プリント回路基板(PCB)、フレックスPCB、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、セラミック、アルミナ、ガラス、木材製品、フリットなどでできている。
いくつかの実施形態において、システムは、カルシウムイオンなどの他のカチオンの測定のための1つまたは複数の電極を含有し、したがって干渉は、カチオン活性の測定に基づく検体信号のケモメトリクス補正によって最小限に抑えられ得る。
上記のように、さらなる主要な態様において、本発明は、試料中のイオン濃度を決定するための本発明の電位差測定センサーまたは電極の使用に関する。
イオン選択性膜の調製
ヘミマグネシウムビス[4−オクチルフェニル]ホスフェート(MgOPP)の貯蔵液を、MgOPP 1g当たりシクロヘキサノン48.28gの比でMgOPPとシクロヘキサノン(>99.8%)とを混合して調製した。化合物を室温で混合した後、室温において暗所で最低8時間撹拌するか、または37℃で最低4時間撹拌した。
膜完全性(ブリーディング)に対するポリマーの組成の影響
各々異なるポリマーの組成を有する4つのマグネシウムイオン選択性膜を以下の表に示すように調製した。膜Mg616およびMg626は、3%のビニルアセテートおよび6%のビニルアルコールを含有する100%のポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)を含有していた(CAS番号25086−48−0)。膜Mg616は、SP2からの製品SPP064を含有していた。膜Mg626は製品Fluka 27828(Sigma−Aldrich Selectophore(商標)グレード)を含有していた。膜Mg652は、乾燥質量比4:1でポリ(塩化ビニル)(PVC)(MW140,000)とポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)(Fluka 27827)とのポリマーブレンドを用いて調製した。膜Mg654は、乾燥質量比1:2でカルボキシル化ポリ(塩化ビニル)(cPVC)(カルボキシル化PVC−1.8%カルボキシルベース)とポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)(Fluka 27827)とを用いて調製した。
血液試料中のiMg濃度の決定
実施例2に記載のマグネシウムイオン選択性膜Mg652およびMg654を試験して、血液試料中のマグネシウムイオン濃度を測定するその能力について比較した。各膜を、電極アレイの3つの個々の電極上に分配した。これはCa2+イオン選択性電極も含有していた。PEDOTの代わりに、バナジウムブロンズをトランスデューサ材料として使用したことを除き、膜を実施例1に記載されるように分配した。各電極アレイを、テストアナライザ内の測定チャンバに配置した。測定チャンバは、参照電極と流体接触させた。テストアナライザには、較正液およびリンス液の液体輸送、試料の吸引、各電極位置の電位差信号のサンプリング、およびこれらのデータ取得の自動制御をプログラムした。
膜Mg652(PVC:コポリマー4:1)
単一のポリマーまたはポリマーブレンドを含む膜の性能
8つの膜を調製して、膜の性能に対するポリマー種およびそのブレンドの影響を試験した。4種のポリマー種:PVC、cPVC、SPP911およびF27827が試験に含まれた。
・ SSM(単独液法)溶液:一方の試料が100mM Mg2+イオンを含有し、他方の試料が100mM Ca2+イオンを含有する、2種の水性試料。試料はいずれも、37℃でpH=7.4に滴定した5mM HEPESバッファーおよび160mMのイオン強度(NaClの添加により調整)の一定のバックグラウンドを有していた。
・ FIM(固定干渉法)溶液:1.25mM Ca2+イオン、37℃でpH=7.4に滴定した5mM HEPESバッファーおよび160mMのイオン強度(NaClの添加により調整)の一定のバックグラウンドで、様々な濃度のMg2+イオン{0.01;0.05;0.10;0.50;1.00;5.00;10.00;50.00}を有する8種の水性試料。
・ 標準溶液:1.25mM Ca2+イオン、37℃でpH=7.4に滴定した5mM HEPESバッファーおよび160mMのイオン強度(NaClの添加により調整)の一定のバックグラウンドにおける、0.2mM〜2.5mMのMg2+イオンの生理学的に適切な濃度範囲に及ぶ5種の水性試料。
・ pH溶液:37℃で各々6.8、7.4および7.8の「低」、「正常」および「高」pH値を有する3種の水性試料。すべて、0.50mM Mg2+イオン、1.25mM Ca2+イオン、5mM HEPESバッファーおよび160mMのイオン強度(NaClの添加により調整)の一定のバックグラウンドを有する。
・ Zn溶液:ヒト血漿中の「正常」、「高」および「超高」濃度の潜在的干渉Zn2+イオン。2種の後者の試料を、わずかな量の10mM ZnCl2貯蔵液を添加し、それにより、試料Mg2+イオンの何らかの有意な希釈なしに、添加されたZn2+イオン濃度を各々27μMおよび156μMにすることにより、「正常」試料と同じ血漿プールから調製した。
SSMおよび/またはFIM溶液での測定から決定した選択係数
試験された膜はすべてFIM溶液で広がる上位のcMg範囲において直線的な応答勾配になり、応答勾配は、二価イオンに対する理論上予想されるNernstの感度(約30mV/decade)に近い(表2)。1種のポリマー種のみを含有する4つの膜のうち、低分子量コポリマー(「SPP911」および「F27827」)に基づく2つの膜は、高分子量ポリマー(「PVC」および「cPVC」)に基づく2つの膜と比較して、Ca2+イオンよりMg2+イオンに選択的に応答する。すなわち、膜「SPP911」および「F27827」は、より低い選択係数
Claims (27)
- イオノフォアおよびポリマーブレンドを含むイオン選択性膜であって、前記ポリマーブレンドが、
a.カルボキシル化ポリ(塩化ビニル)またはポリ(塩化ビニル)である第1のポリマーであり、分子量が、100,000〜500,000である、第1のポリマーと、
b.塩化ビニルと、親水性基を有する少なくとも1つのさらなるモノマー基とのコポリマーである第2のポリマーであり、分子量が100,000未満である、第2のポリマーと
を含み、
前記第1のポリマーがカルボキシル化ポリ(塩化ビニル)である場合、前記第2のポリマーが前記第1のポリマーより多くの親水性基を有する、
膜。 - 前記第1のポリマーが、カルボキシル化ポリ(塩化ビニル)である、請求項1に記載の膜。
- 前記第2のポリマーが、前記第1のポリマーの少なくとも1.5倍の親水性基、前記第1のポリマーの、例えば、少なくとも2倍、例えば、少なくとも4倍、例えば、少なくとも5倍、例えば、少なくとも10倍の親水性基を有する、請求項2に記載の膜。
- 前記カルボキシル化ポリ(塩化ビニル)が、0.1%〜10%カルボキシル化されている、例えば、0.5%〜5%カルボキシル化されている、例えば、1%〜3%カルボキシル化されている、例えば、1.8%カルボキシル化されている、請求項2または3に記載の膜。
- 前記第1のポリマーがポリ(塩化ビニル)である、請求項1に記載の膜。
- 前記第1のポリマーの分子量が、少なくとも110,000、例えば、少なくとも120,000、例えば、130,000〜400,000、例えば、130,000〜300,000、例えば、130,000〜250,000である、請求項1から5のいずれか一項に記載の膜。
- 前記さらなるモノマーが、ビニルアルコール、ビニルエステルまたはヒドロキシ官能性アクリレート、例えば、ヒドロキシルプロピルアクリレートまたはヒドロキシプロピルメタクリレートである、請求項1から6のいずれか一項に記載の膜。
- 前記第2のポリマーが、塩化ビニル、ビニルアセテート、ビニルアルコールと、任意で、アクリル酸、メタクリル酸またはマレイン酸などの親水性基を含むさらなるモノマーとのコポリマーである、請求項1から7のいずれか一項に記載の膜。
- 前記第2のポリマーが、ポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)である、請求項1から8のいずれか一項に記載の膜。
- 前記ポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)が、75%〜98%の塩化ビニル、例えば、85%〜95%の塩化ビニル、例えば、89%〜93%の塩化ビニル、例えば、91%の塩化ビニルを含む、請求項9に記載の膜。
- 前記ポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)が、1%〜20%のビニルアセテート、例えば、1%〜10%のビニルアセテート、例えば、1%〜5%のビニルアセテート、例えば、3%のビニルアセテートを含む、請求項9または10に記載の膜。
- 前記ポリ(塩化ビニル−co−ビニルアセテート−co−ビニルアルコール)が、1%〜15%のビニルアルコール、例えば、1%〜10%のビニルアルコール、例えば、4%〜8%のビニルアルコール、例えば、6%のビニルアルコールを含む、請求項9から11のいずれか一項に記載の膜。
- 第2のポリマーの分子量が、100,000未満、例えば、30,000〜90,000、好ましくは60,000〜80,000、例えば、70,000である、請求項1から12のいずれか一項に記載の膜。
- 膜中の第1のポリマー質量と第2のポリマー質量との比が、10:1〜1:5、例えば、4:1〜1:4、例えば、2:1〜1:3、例えば、2:3〜3:7、例えば、1:2である、請求項1から13のいずれか一項に記載の膜。
- 膜が、可塑剤、例えば、少なくとも5のLogP値を有する可塑剤をさらに含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の膜。
- 可塑剤が4−ヘキシルフェニル2−ニトロフェニルエーテル(NHPE)、2−ニトロフェニルオクチルエーテル(NPOE)、2−ニトロフェニルデシルエーテル(NPDE)、2−ニトロフェニルウンデシルエーテル(NPUDE)、2−ニトロフェニルドデシルエーテル(ETH217)、2−ニトロフェニルテトラデシルエーテル(NPTDE)または[12−(4−エチルフェニル)ドデシル]2−ニトロフェニルエーテル(ETH8045)またはこれらのいずれかの混合物であり、好ましくは、可塑剤が4−ヘキシルフェニル2−ニトロフェニルエーテル(NHPE)である、請求項15に記載の膜。
- イオノフォアが、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、亜鉛イオンまたはリン酸イオンに対して選択性である、請求項1から16のいずれか一項に記載の膜。
- イオノフォアが、式II
R1〜R6は各々、
H、
F、Cl、Br、I、NO2、CNもしくはCF3のいずれか、
C1〜18アルキル、
C1〜18アリール、
C1〜18アルケニル、
(CH2)mY(式中、mは0または1〜4の整数であり、Yは−OR7、−NR7R8、−OCOR7、−NR7COR8、−COR7、−COOR7、−SO3R7、−OSiR7R8R9、−PO4R7R8、−PO3R7R8のいずれかであり、R7、R8およびR9は各々、H、アルキル、分岐アルキル、アリールまたは置換アリールのいずれかである)、または
Cn−R10R11(式中、nは0、または1および17を含む1〜17の整数であり、R10はC、N、NCOまたはCH2−Z−CH2であり、ZはO、NH、S、OCOまたはCOのいずれかであり、R11は
のいずれかである、
但し、R1〜R6のうちの1つが、H以外であり、かつ1,10−フェナントロリンの2および9位のC原子が各々、縮合環構造に関与しない結合により、Hに結合している]
のフェナントロリン化合物である、請求項1から17のいずれか一項に記載の膜。 - イオノフォアが4−ウンデシル−1,10−フェナントロリンまたは4,7−ジウンデシル−1,10−フェナントロリンである、請求項1から18のいずれか一項に記載の膜。
- 膜が、酸性基を含む親油性化合物を含み、前記親油性化合物が、式I
Aは酸性基であり、
R18、R19およびR20のうちの1つ、2つまたは3つすべては、C4〜18アルキル基、C4〜18アルケニル基、C4〜18アルキニル基またはアミド含有C4〜18基であるC4〜18基であり、前記C4〜18基は、フェニル基から数えて1、2および3位が直鎖であるか、または前記1、2および3位に合計で側鎖を1つのみ有し、
他のR18、R19およびR20は、独立に、水素または直鎖C1〜18アルキル基である)
の化合物であり、または、
前記膜が、前記親油性化合物の塩をさらに含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の膜。 - 化合物が親油性塩であり、前記塩が、ヘミカルシウムビス[4−オクチルフェニル]ホスフェート、ヘミマグネシウムビス[4−オクチルフェニル]ホスフェート、ヘミカルシウムビス[4−(1,1,3,3−テトラメチルブチル)−フェニル]ホスフェート、ヘミマグネシウムビス[4−(1,1,3,3−テトラメチルブチル)−フェニル]ホスフェート、またはヘミカルシウムビス[4−オクチルフェニル]ホスフェートとヘミマグネシウムビス[4−オクチルフェニル]ホスフェートとの混合物である、請求項20に記載の膜。
- 膜がスペーサーを介して酸性基に共有結合しているイオノフォアであって、前記スペーサーが少なくとも1つの炭素原子を含む、イオノフォア、またはその塩を含む、請求項1から17のいずれか一項に記載の膜。
- マグネシウムイオン選択性膜を調製する方法であって、請求項1から22のいずれか一項に記載の成分を溶媒中で混合するステップと、得られた溶液を所望の支持体上に分配するステップと、前記溶媒を蒸発させるステップとを含む、方法。
- 液体試料のマグネシウムイオン濃度を決定するための電極であって、請求項1から22のいずれか一項に記載の膜を含む、電極。
- 液体試料のマグネシウムイオン濃度を決定するための電位差測定センサーであって、請求項24に記載の電極および参照電極を含む、電位差測定センサー。
- 液体試料のマグネシウムイオン濃度を決定する方法であって、前記試料と請求項24に記載の電極または請求項25に記載の電位差測定センサーとを接触させるステップと、前記電極または電位差測定センサーから得られる信号に基づき前記マグネシウムイオン濃度を決定するステップとを含む、方法。
- 疾患または障害を診断する方法であって、請求項26に記載の方法を対象の試料について行うステップを含む、方法。
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