JP3650582B2 - ポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子 - Google Patents
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Description
(発明の分野)
本発明は、ポリマー殻が付加されたナノ粒子に関し、該ポリマー殻は該ナノ粒子に対して1つ以上の選択された特性を付与する。本発明は、選択された特性を有する環状オレフィン誘導体、好ましくはノルボルネン誘導体の遷移金属開環メタセシス重合を利用するナノ粒子の製造方法にも関する。本方法では、ポリマーをナノ粒子の表面から外に成長させることができる。本発明は、ある特定の新規なモノマーおよびポリマー、ならびに検体の検出または定量のための方法およびキットにも関する。
【0002】
(発明の背景)
近年、ナノスケールの構築ブロックを周期的機能性材料に組み立てるための方法の開発に大きな関心が寄せられている。ストーホフ(Storhoff)らのJ. Clust. Sci.第8巻、179頁(1997年)および同文献中に挙げられた引例、ならびにブルーシャ(Brousseau)らのJ. Am. Chem. Soc.第120巻、7645頁(1998年)を参照のこと。これらの方法は、新規の構築ブロック組成物およびアセンブリ手法の両方の手段に依拠している。
【0003】
前者に関して、現在のところ無機および有機組成物の両方が入手可能である。重要なことは、これらの構築ブロックのいくつかは、巨視量および単分散形態で入手可能である。たとえば、1〜40nmの範囲の直径を有するCdSおよびCdSe粒子[マリ(Murray)ら、J. Am. Chem. Soc.,第115巻、8706頁(1993年);ウェラー(Weller)、Angew. Chem., Int. Ed. Engl.、第32巻、41頁(1993年);ウァーング(Wang)とヘロン(Herron)、J. Phys. Chem.、第95巻、525頁(1991年)]および金粒子[グラバー(Grabar)ら、J. Anal. Chem.、第67巻、735頁(1995年);フレンズ(Frens)、Nature Phys. Sci.、第241巻、20頁(1973年);ハイアット(Hayat),M.A.編、「コロイド状金:原理、方法および応用(Colloidal Gold: Principles, Methods and Applications)」(アカデミック、サンジエゴ、1991年)]の単分散試料を調製するための様々な方法が知られている。これらの明確に規定された無機粒子に関わる研究は、量子閉じ込め効果のより深い理解をもたらすだけでなく、新しい有用な分光法[フリーマン(Freeman)ら、Science、第267巻、1629頁(1995年);ツー(Zhu)ら、J. Am. Chem. Soc.、第119巻、235頁(1997年)]ならびに検出技術[マーキン(Mirkin)ら、Nature、第382巻、607頁(1996年);エルガニアン(Elghanian)ら、Science、第277巻、1078頁(1997年);ストーホフ(Storhoff)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1959頁(1998年)]の発達をもたらした。同様に、ポリマー粒子組成物の合成、キャラクタリゼーションおよび研究から、多くのことが分かってきた。グッドウィン(Goodwin)ら、Colloid Polym. Sci.、第525巻、464頁(1974年);グッドウィン(Goodwin)ら、Colloid Polym. Sci.、第257巻、61頁(1979年);シュミット(Schmitt)ら、Adv. Mater.、第9巻、61頁(1997年);ジョージヤカマン(Jose−Yacaman)ら、Appl. Phys. Lett、第7巻、913頁(1969年);オルセン(Olsen)とカファフィ(Kafafi)、J. Am. Chem. Soc.、第113巻、7758頁(1991年);スパッツ(Spatz)ら、Adv. Mater、第8巻、337頁(1996年)。しかしながら、ナノスケール寸法(<100nm)を有するそのような系について知られていることは遙かに少ない。
【0004】
このサイズスケールのナノ粒子コアと有機ポリマー殻とからなる構造物を調製するための合成方法の開発は、新しく用途の広いハイブリッドナノ粒子構築ブロックのクラスへの道を切り開くことになるであろう。重要なことは、もし組成物とポリマー殻の厚みを制御することができれば、これらの新規な材料の化学的および物理的特性に対して従来にない制御を行うことができるであろう。
【0005】
(発明の概要)
本発明は、少なくとも1つのポリマー殻が付加されたナノ粒子の調製方法を提供し、各ポリマー殻は選択された(単数または複数の)特性を有する。本方法は、開始モノマーをナノ粒子の表面に付加することを含む。次に、開始モノマーが付加されたナノ粒子を遷移金属開環メタセシス触媒と接触させて、開始モノマーを活性化する。ナノ粒子は、モノマーが重合してナノ粒子に付加された1つ以上のポリマー殻を形成するような効果的条件の下で、式P−L−Nで表される1種類以上の成長モノマーとも接触させる。式P−L−Nにおいて、Nは環状オレフィン含有基であり、Pは各ポリマー殻に選択された(単数または複数の)特性を与える部分であり、Lは結合またはリンカーである。本発明はまた、Pが還元活性、光学活性、電子活性および磁気活性からなる群より選択される特性を有する部分である、ナノ粒子、開始モノマーおよび成長モノマーも提供する。
【0006】
本発明はさらに、本発明の1種類のナノ粒子を検体を含有する可能性のある試料と接触させることと、検体を検出または定量するために、ナノ粒子の(単数または複数の)特性を検出または測定することとを含む、検体を検出または定量するための方法も提供する。本発明はまた、本発明の1種類のナノ粒子を保持する容器を含む、検体を検出または定量するためのキットも提供する。
【0007】
さらに、本発明は結合モノマーも提供する。この結合モノマーは、式N−L−Bで表され、式中、Bは検体に特異的に結合する結合部分であり、NおよびLは上で定義した通りである。
【0008】
本発明はまた、本発明の1種類以上の成長モノマーを重合させることによって形成されるポリマーも提供する。これらのポリマーは、Lが結合部分Bを含む場合に、検体を検出または定量するために用いることができる。したがって、本発明はまた、検体を含有する可能性のある試料をポリマーと接触させることと、検体を検出または定量するために、ポリマーの(単数または複数の)特性を検出または測定することとを含む、検体を検出または定量するための方法も提供する。さらに、本発明は、Lが結合部分Bを含んでいる、本発明のポリマーを保持する容器を含む検体を検出または定量するためのキットを提供する。
【0009】
最後に、本発明は、結合モノマーが検体に結合するように、検体を本発明の1種類の結合モノマーに接触させることを含む、検体を検出または定量するための方法も提供する。次に、成長モノマーが重合して検体に付加されたポリマーを形成するように、本発明の1種類の成長モノマーを加える。次に、検体を検出または定量するために、検体に付加されたポリマーの(単数または複数の)特性を検出または測定する。最後に、本発明は、本発明の1種類の結合モノマーを保持する容器、本発明の1種類の成長モノマーを保持する容器、あるいはその両方を含む、検体を検出または定量するためのキットを提供する。
【0010】
(好適な実施形態の詳細な説明)
本発明の実施において有用なナノ粒子には、金属(たとえば、金、銀、銅、および白金)、半導体(たとえば、Si、CdSe、CdS、およびZnSで被覆したCds)、ポリマー(たとえば、ポリスチレンおよびポリメタクリル酸メチル)、磁性体(たとえば、強磁鉄鉱)、絶縁体(たとえば、SiO2)、および超伝導体(たとえば、YBa2Cu3O7-8)コロイド状材料が含まれる。本発明の実施において有用な他のナノ粒子には、ZnSe、ZnS、ZnO、TiO2、AgI、AgBr、HgI2、PbS、PbSe、PbTe、ZnTe、SiO2、CdTe、In2S3、In2Se3、In2Te3、Cd3P2、Cd3As2、InAs、InP、GaP、およびGaAsが含まれる。現時点においては、金ナノ粒子が好ましい。
【0011】
ナノ粒子の大きさは、好ましくは約1nm〜約150nm(平均径)である。さらに好ましくは、ナノ粒子は約2nm〜約100nmである。最も好ましくは、ナノ粒子は約2nm〜約30nmである。
【0012】
金属、半導体および磁性体ナノ粒子の製造方法は、当該技術分野において周知である。たとえば、シュミッド(Schmid),G.編、「クラスターとコロイド(Clusters and Colloids)」(VCH,ワインハイム、1994年);ハイアット(Hayat),M.A.編、「コロイド状金(Colloidal Gold):原理、方法、および応用(Principles, Methods, and Applications)」(アカデミックプレス、サンジエゴ、1991年);マサー(Massart),R.、IEEE Transactions On Magnetics、第17巻、1247頁(1981年);アマディ(Ahmadi),T.S.ら、Science、第272巻、1924頁(1996年);ヘングライン(Henglein),A.ら、J. Phys. Chem.、第99巻、14129頁(1995年);カーチス(Curtis),A.C.ら、Angew. Chem. Int. Ed. Engl、第27巻、1530頁(1988年);ブラスト(Brust)ら、J. Chem. Soc., Chem. Commun,801頁(1994年);PCT出願WO98/21587を参照のこと。
【0013】
ZnS、ZnO、TiO2、AgI、AgBr、HgI2、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、In2S3、In2Se3、Cd3P2、SiO2、Cd3As2、InAs、ZnSe、InP、GaP、およびGaAsナノ粒子の製造方法もまた当該技術分野において周知である。たとえば、ウェラー(Weller)、Angew. Chem. Int. Ed. Engl.,第32巻、41頁(1993年);ヘングライン(Henglein),A.、Top. Curr. Chem.、第143巻、113頁(1988年);ヘングライン(Henglein)、Chem. Rev.,第89巻、1861頁(1989年);ブラス(Brus)、Appl. Phys. A.、第53巻、465頁(1991年);バークマン(Bahncmann)、「太陽エネルギーの光化学変換と蓄蔵(Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy)」(ペリゼッティ(Pelizetti)とシヴェロ(Schiavello)編、1991年)の251頁;ウァーング(Wang)とヘロン(Herron)、J. Phys. Chem.、第95巻、525頁(1991年);オルシャフスキー(Olshavsky)ら、J. Am. Chem. Soc.、第112巻、9438頁(1990年);ウシダ(Ushida)ら、J. Phys. Chem.、第95巻、5382頁(1992年);PCT出願WO98/21587;スー(Xu)ら、Mater. Res. Soc. Symp. Proc.、第536巻、401〜405頁(1999年);マリック(Malik)ら、J. Mater. Chem.、第8巻、1885〜1888頁(1998年);ハガタ(Haggata)ら、J. Mater. Chem.、第7巻、1969〜1975頁(1997年);ピケット(Pickett)ら、J. Mater. Chem.、第7巻、1855〜1865頁(1997年);ミチック(Micic)ら、J. Lumin.第70巻、95〜107頁(1996年);ミチック(Micic)ら、J. Phys. Chem.、第99巻、7754〜9頁(1995年);およびヴィアーノ(Viano)ら、Nanostruct. Mater、第3巻、239〜44頁(1993年)を参照のこと。
【0014】
さらに、ポリマーナノ粒子を製造する方法が当該技術分野において周知である。たとえば、PCT出願WO98/21587;ガオ(Gao)ら、Chin. J. Polym. Sci.、第17巻、595〜601頁(1999年);オオクボ(Okubo)ら、Colloid Polym. Sci.、第277巻、900〜904頁(1999年);カーンズ(Cairns)ら、Longmuir、第15巻、8052〜8058頁(1999年);プイグ(Puig)、Rev. Mex. Fis.、第45巻、18〜20頁(1999年);チェン(Chen)ら、J. Polym. Sci.、Part A: Polym. Chem.、第37巻、2155〜2166頁(1999年);ランドフェスター(Landfester)ら、Macromolecules、第32巻、5222〜5228頁(1999年);ストーク(Stork)ら、Polym. Mater. Sci. Eng.、第80巻、8〜9頁(1999年);シャングリン(Xiangling)ら、Radiat. Phys. Chem.、第54巻、279〜283頁(1999年);シャリア(Charreyre)ら、J. Bioact. Compat. Polym.、第14巻、64〜90頁(1999年);サベル(Sabel)ら、PCT出願WO98/56361;ミング(Ming)ら、Macromolecules、第32巻、528〜530頁(1999年);シャートル(Schaertl)ら、Prog. Colloid Polym. Sci.第110巻、285〜290頁(1998年);リー(Li)ら、Macromolecules、第31巻、6841〜6844頁(1998年);ミング(Ming)ら、Macromol. Chem. Phys.、第199巻、1075〜1079頁(1998年);フリッツ(Fritz)ら、J. Colloid Interface Sci.、第195巻、272〜288頁(1997年);ツァン(Zhang)ら、Macromolecules、第30巻、6388〜6390頁(1997年);カマス(Cammas)ら、J. Controlled Release、第48巻、157〜164頁(1997年);ラーペント(Larpent)ら、React. Funct. Polym.、第33巻、49〜59頁(1997年);ハーング(Huang)ら、Int. J. Polym. Mater.、第35巻、13〜19頁(1997年);ホルダール(Hoelderle)ら、Polym. Prepr. (Am. Chem. Soc., Div. Polym. Chem.)、第38巻、479〜480頁(1997年);ホルダール(Hoelderle)ら、第213回ACSN国際会議(サンフサンシスコ、1997年4月13〜17日)要旨集OLY−206(1997年);ラーペント(Larpent)ら、Macromolecules、第30巻、354〜362頁(1997年);ベニア−ジュリアンヌ(Venier−Julienne)ら、Pharm. Acta Helv、第71巻,121〜128頁(1996年);レビー(Levy)ら、PCT出願WO96/20698およびWO99/53903;バナジー(Baneijee)ら、Macromolecules、第28巻、3940〜3頁(1995年);マルヤマ(Maruyama)ら、Biomaterials、第15巻、1035−42頁(1994年);ストルニック(Stolnik)ら、J. Controlled Release、第30巻、57〜67頁(1994年);ポールケ(Paulke)ら、Acta Polym.、第43巻、288〜91頁(1992年);および、ミュラー(Mueller),K. H.;ワリス(Wallis),K. H.、Int. J. Pharmn.、第89巻、25〜31頁(1993年)を参照のこと。
【0015】
最後に、超伝導体ナノ粒子の製造方法もまた、当該技術分野において周知である。たとえば、ジオヘーガン(Geohegan)ら、Appl. Phys. Lett、第74巻、3788〜3790頁(1999年);フクナガ(Fukunaga)ら、Mater. Trans., JIM、第40巻、118〜122頁(1999年);アワノ(Awano)ら、World Congr. Part. Technol.、第3巻、1692〜1699頁(1998年);フクナガ(Fukunaga)ら、J. Mater. Res.、第13巻、2465〜2471頁(1998年);テロンス(Terrones)ら、Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.、A66,307〜317頁(1998年);レバーコン(Reverchon)ら、Ind. Eng. Cへm. Res.、第37巻、952〜958頁(1998年);チャブラ(Chhabra)ら、Tenside, Surfactants, Deterg.、第34巻、156〜158頁、160〜162頁、164〜168頁(1997年);マーサー(Maser)ら、Adv. Mater.(Weinheim, Ger.,)、第9巻、503〜506頁(1997年);フクナガ(Fukunaga)ら、Proc.−Electrochem. Soc.、97−2巻、24〜35頁(1997年);イースト(Eastoe)ら、Curr. Opin. Collold Interface Sci,、第1巻、800〜805頁(1996年);チャブラ(Chhabra)ら、第4回世界界面活性剤会議(World Surfactants Congr., 4th)、第1巻、67〜99頁(1996年);ピライ(Pillai)ら、Adv. Colloid Interface Sci.、第55巻、241〜69頁(1995年);クマー(Kumar)ら、Mater. Lett.、第16巻、68〜74頁(1993年);クマー(Kumar)ら、Appl. Phys. Lett、第62巻、765〜7頁(1993年);および、ピライ(Pillai)ら、Surfactant Sci. Ser、第66巻、227〜246頁(1997年)を参照のこと。
【0016】
適切なナノ粒子は、たとえば、テッド・ペラ社(Ted Pella, Inc.)(金)、アマーシャム社(Amersham Corporation)(金)、ならびに、ナノプローブ社(Nanoprobes, Inc.)(金)、BBI(金)、バングス・ラボラトリーズ(Bangs Laboratories)(金、ポリマー、シリカ、磁性体)、ベクター・ラボラトリーズ(Vector Laboratories)(磁性バイオポリマー)、ポリサイエンシズ(Polysciences)(シリカ、ポリマー)、ダイナル社(Dynal, Inc.)(ポリマー、磁性体)、アキュレート・ポリマーズ(Accurate Polymers)(ポリマー)、ポリマー・ラボラトリーズ(Polymer Laboratories)(ポリマー)、ポリミクロスフェアーズ(PolyMicrospheres)(ポリマー、磁性体)、スフェロテック(Sphereotech)(ポリマー、蛍光体、磁性体)、キセノポア(Xenopore)(ポリマー)、および、インンターフェーシャル・ダイナミック社(Interfacial Dynamic Corp.)(ポリマー)からも市販されている。
【0017】
それぞれのナノ粒子は、該ナノ粒子に付加された複数の開始モノマーを有している。「開始モノマー」は、開始モノマーをナノ粒子に付加させることを可能にする官能基と、環状オレフィン基とを含む化合物である。環状オレフィン基は、開始モノマーがナノ粒子に付加されたときに、オレフィン官能性が、続いて添加される環状オレフィン含有成長モノマーの重合に関与するために利用可能であるように(後述する)、開始モノマー上に配置される。このことは、環状オレフィン基を開始モノマー上の官能基から離れた位置におくことによって、好ましくは、環状オレフィン基と官能基とが開始モノマーの反対側の端部に位置するようにすることによって達成される。したがって、固定化された開始モノマーは、適切な触媒(後述する)の添加によって一旦活性化されると、続いて添加される成長モノマーの重合のための部位を提供するとともに、ナノ粒子の表面から外にポリマーブロックを選択的成長させることを可能にする。
【0018】
本明細書中で用いる「環状オレフィン」とは、各環が3個以上の炭素原子、好ましくは5〜8個の炭素原子を含む1〜3個の環を含む化合物、ならびに、環内に少なくとも1つの炭素−炭素二重結合をさらに含む(「オレフィン官能性」)化合物を意味する。環状オレフィンは、開環メタセシス重合(ROMP)を受けることができるものでなければならない。環状オレフィンは、開環反応によってひずみが解放され、ポリマー形成のための熱力学的駆動力を提供するような十分なひずみを環内に含んでいる場合に、ROMPを受けることができる。環のひずみを評価するために、グリーンベルグ(Greenberg)とリーブマン(Liebman)の「ひずみのある有機分子(Strained Organic Molecules)」の94頁(アカデミックプレス、1978年)を参照した。好ましくは、環状オレフィンはノルボルネン、7−オキソノルボルネン、シクロオクテン、シクロオクタジエン、シクロペンテン、またはシクロブテンである。最も好ましくは、環状オレフィンはノルボルネンである。
【0019】
官能基によってナノ粒子に付加することができる多くの化合物が知られている(以下、「付加化合物」と呼ぶ)。これらの付加化合物の製造方法や該付加化合物をナノ粒子に付加する方法は周知である。好ましくは、付加化合物は、ナノ粒子上への化合物の分子の化学吸着によって、あるいはナノ粒子への化合物の分子の共有結合によって、ナノ粒子の表面に安定に付加される。
【0020】
本発明の実施において用いる適切な付加化合物、ならびに該付加化合物が付加されるナノ粒子の対応種には以下のものが含まれる。
a.R1SH、R1SSR2、R1SR2、R1NC、R1CN、R1CO2H、R1SO2H、(R1)3P、(R1)3N、またはArSHの式で表される化合物は、金ナノ粒子に付加することができる。
【0021】
b.R1SH、ArSH、または(R1)3Nの式で表される化合物は、銀、銅、パラジウム、および半導体ナノ粒子に付加することができる。
c.R1NC、R2SH、R1SSR2、またはR1SR2の式で表される化合物は、白金ナノ粒子に付加することができる。
【0022】
d.R1SHの式で表される化合物は、GaAsおよびInPナノ粒子に付加することができる。
e.R1SiCl3およびR1Si(OR2)3の式で表される化合物を含む有機シラン、(R1COO)2、R1CH=CH2、R1Li、およびR1MgXは、SiおよびSiO2ナノ粒子に付加することができる。
【0023】
f.R1COOHまたはR1CONHR2の式で表される化合物は、金属酸化物ナノ粒子に付加することができる。
g.R1SH、R1NH2(式中、R1はピロール環の炭素の1つに付加される)の式で表される化合物、ArNH2、ピロール、またはピロール誘導体は、カプレート高温超伝導体ナノ粒子に付加することができる。
【0024】
h.R1COOHの式で表される化合物は、アルミニウム、銅、銀および白金ナノ粒子に付加することができる。
i.アゾアルカン(R3NNR3)やイソチオシアネート(R3NCS)などの不飽和化合物は、シリコンナノ粒子に付加することができる。
【0025】
上記の式において、
R1およびR2はそれぞれ式X(CH2)nを有し、化合物がR1とR2との両方で置換されている場合には、R1とR2とは同じであっても、異なっていてもよく、
R3は式CH3(CH2)nを有し、
nは0〜30であり、
Arはアリールであり、
Xは、−CH3、−CHCH3、−COOH、−CO2(CH2)mCH3、−OH、−CH2OH、エチレングリコール、ヘキサ(エチレングリコール)、−O(CH2)mCH3、−NH2、−NH(CH2)mNH2、ハロゲン、グルコース、マルトース、フラーレンC60、環状オレフィン、または核酸であり、mは0〜30である。
【0026】
付加化合物およびそれらの調製および用途の説明については、以下の文献を参照のこと。シャ(Xia)とホワイトサイド(Whitesides)、Angew. Chem. Int. Ed、第37巻、550〜575頁(1998年)および該文献中に挙げられている引例;ビショップ(Bishop)ら、Curr. Opinion Colloid &Interface Sci.、第1巻、127〜136頁(1996年);カルバート(Calvert),J.、Vac. Sci. Technol. B、第11巻、2155〜2163頁(1993年);ウルマン(Ulman)、Chem. Rev.、第96巻、1533頁(1996年)(金の上にアルカンチオール);デュボイス(Dubois)ら、Annu. Rev. Phys. Chem.、第43巻、437頁(1992年)(金の上にアルカンチオール);ウルマン(Ulman)、「超薄有機フィルムへの招待:ラングミュア−ブロジェットから自己アセンブリへ(An Introduction to Ultrathin Organic Films: From Langmuir−Blodgett to Self−Assembly)」(アカデミック、ボストン、1991年)(金の上にアルカンチオール);ホワイトサイズ(Whitesides)、ロバートA.ウェルチ財団、化学研究ナノフェーズケミストリーに関する第39回会議会議録(ヒューストン、TX、109〜121頁(1995年))(金に付加されたアルカンチオール);ムチック(Mucic)ら、Chem. Commun.、555〜557頁(1996年)(3’チオールDNAを金の表面に付加する方法を記載);米国特許第5,472,881号(金の表面への、オリゴヌクレオチド−モノチオリン酸塩の結合);バーウェル(Burwell)、Chemical Technology、第4巻、370〜377頁(1974年)およびマーテイウッチ(Matteucci)とカルザーズ(Caruthers)、J. Am. Chem. Soc.、第103巻、3185〜3191頁(1981年)(シリカおよびガラス表面への、オリゴヌクレオチド−アルキルシロキサンの結合);グラバー(Grabar)ら、Anal. Chem.、第67巻、735〜743頁(アミノアルキルシロキサンの結合およびメルカプトアルキルシロキサンの類似の結合について);ヌゾ(Nuzzo)ら、J. Am. Chem. Soc.、第109巻、2358頁(1987年)(金の上にジスルフィド);アラーラ(Allara)とヌゾ(Nuzzo)、Langmuir、第1巻、45頁(1985年)(アルミニウムの上にカルボン酸);アラーラ(Allara)とトンプキンス(Tompkins)、J. Colloid Interface Sci.、第49巻、410〜421頁(1974年)(銅の上にカルボン酸);イラー(Iler)、「シリカの化学(The Chemistry of Silica)」第6章(ワイリ(Wiley)、1979年)(シリカの上にカルボン酸);チモンズ(Timmons)とジズマン(Zisman)、J. Phys. Chem.、第69巻、984〜990頁(1965年)(白金の上にカルボン酸);ソリガ(Soriaga)とハバッド(Hubbard)、J. Am. Chem. Soc.、第104巻、3937頁(1982年)(白金の上に芳香族環式化合物);ハバッド(Hubbard)、Acc. Chem. Res.、第13巻、177頁(1980年)(白金の上に、スルホラン、スルホキシド、および他の官能化溶媒);ヒックマン(Hickman)ら、J. Am. Chem. Soc.、第111巻、7271頁(1989年)(白金の上にイソニトリル);マオツ(Maoz)とサギフ(Sagiv)、Langmuir、第3巻、1045頁(1987年)(シリカの上にシラン);マオツ(Maoz)とサギフ(Sagiv)、Langmuir、第3巻、1034頁(1987年)(シリカの上にシラン);ワッサマン(Wasserman)ら、Langmuir、第5巻、1074頁(1989年)(シリカの上にシラン);エルテコワ(Eltekova)とエルテコフ(Eltekov)、Langmuir、第3巻、951頁(1987年)(二酸化チタンおよびシリカの上に、芳香族カルボン酸、アルデヒド、アルコールおよびメトキシ基);およびレック(Lec)ら、J. Phys. Chem.、第92巻、2597頁(1988年)(金属の上に硬質リン酸塩);ロー(Lo)ら、J. Am. Chem. Soc.、第118巻、11295−11296頁(1996年)(超伝導体へのピロールの付加);チェン(Chen)ら、J. Am. Chem. Soc.、第117巻、6374〜5頁(1995年)(超伝導体へのアミンおよびチオールの付加);チェン(Chen)ら、Langmuir、第12巻、2622〜2624頁(1996年)(超伝導体へのチオールの付加);マックデビット(McDevitt)ら、米国特許第5,846,909号(超伝導体へのアミンおよびチオールの付加);シュ(Xu)ら、Langmuir、第14巻、6505〜6511頁(1998年)(超伝導体へのアミンの付加);マーキン(Mirkin)ら、Adv. Mater.(ワインハイム,ドイツ)第9巻、167〜173頁(1997年)(超伝導体へのアミンの付加);ホビス(Hovis)ら、J. Phys. Chem. B、第102巻、6873〜6879頁(1998年)(シリコンへのオレフィンおよびジエンの付加);ホビス(Hovis)ら、Surf. Sci.、第402−404巻、1〜7頁(1998年)(シリコンへのオレフィンおよびジエンの付加);ホビス(Hovis)ら、J. Phys. Chem. B、第101巻、9581〜9585頁(1997年)(シリコンへのオレフィンおよびジエンの付加);ハマース(Hamers)ら、J. Phys. Chem. B、第101巻、1489〜1492頁(1997年)(シリコンへのオレフィンおよびジエンの付加);ハマース(Hamers)ら、米国特許第5,908,692号(シリコンへのオレフィンおよびジエンの付加);エリソン(Ellison)ら、J. Phys. Chem. B、第103巻、6243〜6251頁(1999年)(シリコンへのイソチオシアン酸塩の付加);エリソン(Ellison)ら、J. Phys. Chem. B、第102巻、8510〜8518頁(1998年)(シリコンへのアゾアルカンの付加);オオノ(Ohno)ら、Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol., Sect. A、第295巻、487〜490頁(1927年)(GaAsへのチオールの付加);ロイター(Reuter)ら、Mater. Res. Soc. Symp. Proc.、第380巻、119〜24頁(1995年)(GaAsへのチオールの付加);ベイン(Bain)、Adv. Mater.(ワインハイム、ドイツ連邦共和国)、第4巻、591〜4頁(1992年)(GaAsへのチオールの付加);シーン(Sheen)ら、J. Am. Chem. Soc.、第114巻、1514〜15頁(1992年)(GaAsへのチオールの付加);ナカガワ(Nakagawa)ら、Jpn. J. Appl. Phys.Part 1、第30巻、3759〜62頁(1991年)(GaAsへのチオールの付加);ルント(Lunt)ら、J. Appl. Phys.、第70巻、7449〜67頁(1991年)(GaAsへのチオールの付加);ルント(Lunt)ら、J. Vac. Sci. Technol., B、第9巻、2333〜6頁(1991年)(GaAsへのチオールの付加);ヤマモト(Yamamoto)ら、Langmuir ACS ASAP、ウェブ公開番号Ia990467r(InPへのチオールの付加);グ(Gu)ら、J. Phys. Chem. B、第102巻、9015〜9028頁(1998年)(InPへのチオールの付加);メンゼル(Menzel)ら、Adv. Mater.(ワインハイム、ドイツ)、第11巻、131〜134頁(1999年)(金へのジスルフィドの付加);ヨネザワ(Yonezawa)ら、Chem. Mater.、第11巻、33〜35頁(1999年)(金へのジスルフィドの付加);ポーター(Porter)ら、Langmuir、第14巻、7378〜7386頁(1998年)(金へのジスルフィドの付加);ソン(Son)ら、J. Phys. Chem.、第98巻、8488〜93頁(1994年)(金および銀へのニトリルの付加);スタイナー(Steiner)ら、Langmuir、第8巻、2771〜7頁(1992年)(金および銅へのニトリルの付加);ソロムン(Solomun)ら、J. Phys. Chem.、第95巻、10041〜9頁(1991年)(金へのニトリルの付加);ソロムン(Solomun)ら、Ber. Bunsen−Ges. Phys. Chem.、第95巻、95〜8頁(1991年)(金へのニトリルの付加);ヘンダーソン(Henderson)ら、Inorg. Chem. Acta、第242巻、115〜24頁(1996年)(金へのイソニトリルの付加);ヒュック(Huc)ら、J. Phys. Chem. B、第103巻、10489〜10495頁(1999年)(金へのイソニトリルの付加);ヒックマン(Hickman)ら、Langmuir、第8巻、357〜9頁(1992年)(白金へのイソニトリルの付加);スタイナー(Steiner)ら、Langmuir、第8巻、90〜4頁(1992年)(金へのアミンおよびホスフィンの付加、ならびに銅へのアミンの付加);マイヤ(Mayya)ら、J. Phys. Chem. B、第101巻、9790〜9793頁(1997年)(金および銀へのアミンの付加);チェン(Chen)ら、Langmuir、第15巻、1075〜1082頁(1999年)(金へのカルボン酸塩の付加);タオ(Tao)、J. Am. Chem. Soc.、第115巻、4350〜4358頁(1993年)(銅および銀へのカルボン酸塩の付加);ライビニス(Laibinis)ら、J. Am. Chem. Soc.、第114巻、1990〜5頁(1992年)(銀および銅へのチオールの付加);ライビニス(Laibinis)ら、Langmuir、第7巻、3167〜73頁(1991年)(銀へのチオールの付加);フェンター(Fenter)ら、Langmuir、第7巻、2013〜16頁(1991年)(銀へのチオールの付加);チャン(Chang)ら、Am. Chem. Soc.、第116巻、6792〜805頁(1994年)(銀へのチオールの付加);リー(Li)ら、J. Phys. Chem.、第98巻、11751〜5頁(1994年)(銀へのチオールの付加);リー(Li)ら、Report、24頁(1994年)(銀へのチオールの付加);ターロフ(Tarlov)ら、米国特許第5,942,397号(銀および銅へのチオールの付加);ワルデック(Waldeck)ら、PCT出願WO/99/48682(銀および銅へのチオールの付加);グイ(Gui)ら、Langmuir、第7巻、955〜63頁(1991年)(銀へのチオールの付加);ワルツァック(Walczak)ら、J. Am. Chem. Soc.、第113巻、2370〜8頁(1991年)(銀へのチオールの付加);サンギオルギ(Sangiorgi)ら、Gazz. Chim. Ital.、第111巻、99〜102頁(1981年)(銅へのアミンの付加);マガロン(Magallon)ら、第215回ACS国内会議(ACS Natioanal Meeting、ダラス、1998年3月29日〜4月2日)、要旨集COLL−048(銅へのアミンの付加);パティル(Patil)ら、Langmuir、第14巻、2707〜2711頁(1998年)(銀へのアミンの付加);サストゥリー(Sastry)ら、J. Phys. Chem. B、第101号、4954〜4958頁(1997年)(銀へのアミンの付加);バンサル(Bansal)ら、J. Phys. Chem. B、第102巻、4058〜4060頁(1998年)(シリコンへのアルキルリチウムの付加);バンサル(Bansal)ら、J. Phys. Chem. B、第102巻、1067〜1070頁(1998年)(シリコンへのアルキルリチウムの付加);チドゥセイ(Chidsey),第214回ACS国内会議(ACS Natioanal Meeting、ラスベガス、NV、1997年9月7〜11日)、要旨集I&EC−027(シリコンへのアルキルリチウムの付加);ソング(Song), J. H論文、カリフォルニア大学サンジエゴ校(1998年)(二酸化ケイ素へのアルキルリチウムの付加);メイヤー(Meyer)ら、J. Am. Chem. Soc.、第110巻、4914〜18頁(1988年)(半導体へのアミンの付加);およびブラジル(Brazdil)ら、J. Phys. Chem.、第85巻、1005〜14頁(1981年)(半導体へのアミンの付加)。本発明の実施において用いる適切な開始モノマーには、下記の式を有する上記既知の付加化合物の環状オレフィン含有誘導体が含まれる。
【0027】
N−L−A
(式中、
Nは環状オレフィン含有基であり、
LはNをAに付加するための結合またはリンカーであり、
Aは付加化合物含有基である。)
Aの素性は、ナノ粒子を構成する材料の素性に依存する(上記参照)。
【0028】
Lは結合であることに加えて、リンカーでもあり得る。リンカーとしては、Lはいかなる所望の化学基であってもよい。たとえば、Lとしては、ポリマー(たとえば、ポリエチレングリコール、ポリメチレン、タンパク質、ペプチド、オリゴヌクレオチド、または核酸)、−COO−、−CH2(CH2)mCOO−、−OCO−、−R1N(CH2)m−NR1−、−O(CH2)m−、−(CH2)m−、
【化25】
−O−(CH2)m−O−、
【化26】
【化27】
−R1N−(CH2)m−、
【化28】
【化29】
または
【化30】
が可能であり、式中、R1は上で定義した通りであり、mは0〜30である。Lは、検体に特異的に結合する結合部分Bであってもよいし、該結合部分Bを含むものであってもよい(たとえば、抗体またはオリゴヌクレオチド)(下記参照)。
開始モノマーは、当該技術分野において周知の方法によって合成することができる。特に、開始モノマーの合成には、標準的な有機化学合成手順を用いて、環状オレフィン含有基Nと付加化合物含有基Aとを、結合を介して互いに連結するか、あるいはリンカーLに連続して連結する。たとえば、ラロック(Laroek)、「Comprehensive organic transformations: a guide to functional group preparations」(VCH出版、ニューヨーク、NY、1989年)および「Comprehensive organic functional group transformations」(カトリツキー(Katritzky)ら編、パーガモンプレス(Pergamon Press)、ニューヨーク、1995年)を参照のこと。
【0029】
様々なナノ粒子に対して用いる開始モノマーとして現時点において好ましいものは、ノルボルネニル含有アルカンチオールである。下記の実施例1は、そのような開始モノマーの調製のために用いることのできる方法を記載している。
【0030】
開始モノマーは、付加化合物をナノ粒子に付加する場合と同様にしてナノ粒子に付加することができる。そのような方法は、当該技術分野において周知である。たとえば、上記付加化合物の考察において引用した引例を参照のこと。一般に、ナノ粒子と開始モノマーは、単純に接触させて、開始モノマーがナノ粒子の付加するのに十分な時間、接触状態に保たれる。好ましくは、次に重合の間の開始モノマーと成長中のポリマーの間の架橋を低減するために、開始モノマーと対応する付加化合物(希釈剤として)の混合物をナノ粒子に付加させる。最適な結果を与える付加化合物に対する開始モノマーの比率は、経験的に決定することができ、開始モノマーの種類、付加化合物の種類、およびナノ粒子の種類と大きさに依存する。「対応する付加化合物」という表現は、開始モノマーと付加化合物とが、必ずしもではないが、好ましくは、同一の一般的種類(たとえば、アルカン)であり、必ずしもではないが、好ましくは同一の官能基(たとえば、チオール)を有することを意味する。
【0031】
開始モノマーをナノ粒子に付加した後、得られたナノ粒子を触媒と接触させ、重合を開始させる。触媒は遷移金属開環メタセシス触媒である。環状オレフィン誘導体とともに用いるのに適したそのような多くの触媒が知られている。たとえば、米国特許第4,250,063号、第4,727,215号、第4,883,851号、第4,945,135号、第4,945,141号、第4,945,144号、第5,146,033号、第5,198,511号、第5,266,665号、第5,296,566号、第5,312,940号、第5,342,909号、第5,728,785号、第5,750,815号、第5,831,108号、第5,849,851号、およびその引例;シュワブ(Schwab)ら、Angew. Chem. Int. Ed. Engl.、第34巻、2039頁(1995年);リン(Lynn)ら、Am. Chem. Soc.、第120巻、1627頁(1998年)を参照のこと。
【0032】
下記の式を有する官能基耐性触媒のファミリーが好ましい。
【0033】
【化31】
式中、Mはオスミウム(Os)またはルテニウム(Ru)であってもよく、R1は水素であり、X1およびX2は異なっていても同じであってもよく、任意のアニオン性リガンドであり、L1およびL2は異なっていても同じであってもよく、任意の中性電子供与体であり、R2は水素、置換または非置換アルキル、または置換または非置換アリールである。X1およびX2は最も好ましくは同一であり、−Clである。L1およびL2は、好ましくは式PhosR3R4R5で表されるホスフィンであり、式中、Phosはホスフィンであり、R3は第二級アルキルまたはシクロアルキルであり、R4およびR5(同じであっても異なっていてもよい)はアリール、C1〜C10第一級アルキル、第二級アルキル、またはシクロアルキルである。L1およびL2は最も好ましくは同一であり、−Phos(シクロヘキシル)3、−Phos(シクロペンチル)3、または−Phos(イソプロピル)3である。好ましくは、R2は水素、C1〜C20アルキル、またはアリールである。C1〜C20アルキルは、1つ以上のアリール、ハロゲン化物、ヒドロキシ、C1〜C20アルコキシ、またはC2〜C20アルコキシカルボニル基によって随意に置換されていてもよい。アリールは、1つ以上のC1〜C20、アルキル、アリール、ヒドロキシル、C1〜C5アルコキシ、アミノ、ニトロ、またはハロゲン化物基によって随意に置換されていてもよい。最も好ましい触媒は、図1に示した化合物1である。これらの触媒の調製ならびに使用のための条件については、シュワヴ(Schwab)ら、Angew. Chem. Int. Ed. Engl.、第34巻、2039頁(1995年)、リン(Lynn)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1627頁(1998年)、および米国特許第5,831,108号に記載されており、これらの開示全体を参照によって本明細書中に組み入れる。これらの触媒は、ポリマー長および化学組成の例外的制御、粒子の大きさ、溶解性および形状を含む多数の特性を有するリビング重合を生み出す。
【0034】
また、中央においてアルキリデンリガンド(CR1)、アルキリジンリガンド(CHR2)、および2つの他のリガンド(R3およびR4)に連結されたレニウム(VII)原子を含む触媒のファミリーも好ましく、前記リガンドの少なくとも1つは、レニウム原子にメタセシス反応のための十分な求電子性を持たせるような、十分な電子吸引力を持った電子吸引性リガンドである。したがって、触媒は、Re(CR1)(CHR2)(R3)(R4)の式を有する。R1は、1〜20個の炭素原子を有するアルキル、6〜20個の炭素原子を有するアリール、7〜30個の炭素原子を有するアラルキル、それぞれのハロゲン置換誘導体、およびそれぞれのシリコン含有アナログからなる群より選択される。R2は、R1からなる群より選択されるか、あるいは、触媒のRe=CHR2部分をメタセシスを受けているオレフィンと反応させることによって得られた置換基である。R1およびR2の例としては、フェニル、t−ブチル、トリメチルシリル、トリフェニル、メチル、トリフェニルシリル、トリ−t−ブチル、トリ−t−ブチルシリル、2,6−ジイソプロピルフェニル、2,4,6−トリイソプロピルフェニル、および2,6−ジメチルフェニルが含まれる。R3およびR4は、レニウム原子をメタセシス反応に十分な求電子性にするだけの電子吸引力を持つ任意の基であり得る。R3およびR4の両方が電子吸引性であることが好ましいが、触媒はただ1つの電子吸引性リガンドを含んでいてもよい。R3およびR4は、R1、ハロゲン、トリフラート、およびR3とR4の連鎖状結合物からなる群より個々に選択することができ、R3およびR4は個々に、レニウム原子に結合したアルコキシド酸素原子を含んでいてもよい。ただし、R1およびR2がt−ブチルであり、R3およびR4が同一である場合は、R3およびR4はt−ブトキシド、トリメチルシロキシド、ネオペンチルまたはハロゲン以外の基である。好ましくは、R3およびR4はいずれもアルコキシドリガンドであり、この場合、電子吸引性アルコキシドリガンドに対応するアルコールは約9以下のpKaを有しているべきである。この範囲に含まれる適切なリガンドには、フェノキシド、ヘキサフルオロ−t−ブトキシド、およびジイソプロピルフェノキシドが含まれる。連鎖状R3およびR4基の例としては、ピナコレート、2,6−ジメチル−2,6−ヘプタヌジオレート、およびプロパン−1,3−ジオレートが挙げられる。触媒は典型的にはモノマーである。しかしながら、R3およびR4基が2つ以上の金属中心の架橋させるのに十分なだけ小さいものである場合には、ダイマー、オリゴマー、またはポリマーを形成することもできる。これらのレニウム触媒およびそれらの合成および用途は、米国特許第5,146,033号に記載されており、その全開示を本明細書中に参照によって組み込む。
【0035】
好ましい触媒のさらなる群は、M(NR1)(OR2)2(CHR3)の式を有するものである。Mはモリブデンまたはタングステンであり、R1およびR2はアルキル、アリール、アラルキル、ハロアルキル、ハロアリール、ハロアラルキル、またはそのシリコン含有アナログであり、R3はアルキル、アリール、アラルキルまたは前記触媒のM=CHR3部分をメタセシスを受けるオレフィンと反応させた結果として得られる置換基である。アルキルは1〜20個の炭素原子を含み、アリールは6〜20個の炭素原子を含み、アラルキルは7〜20個の炭素原子を含む。R1の例には、2,6−ジイソプロピルフェニル、2,4,6−トリメチルフェニル、2,6−ジ−t−ブチルフェニル、ペンタフルオロフェニル、t−ブチル、トリメチルシリル、トリフェニルメチル、トリフェニルシリル、トリ−t−ブチルシリル、およびペルフルオロ−2−メチル−2−ペンチルが含まれる。R2の例には、t−ブチル、トリフルオロ−t−ブチル、ペルフルオロ−t−ブチル、ペルフルオロ−2−メチル−2−ペンチル、2,6−ジイソプロピルフェニル、ペンタフルオロフェニル、トリメチルシリル、トリフェニルシリル、トリ−t−ブチルシリル、およびヘキサフルオロ−t−ブチルが含まれる。R3は最初はt−ブチルまたはフェニルであるが、触媒のM=CHR3部分が触媒反応に密接に関与するため、CHR3リガンドは他のメタセシスを受けるオレフィンからの他のアルキリデン断片によって置換される。この触媒のファミリーおよびそれらの合成および用途は、米国特許第4,727,215号に記載されており、該特許はその全開示を参照によって本明細書中に組み入れる。
【0036】
開始モノマーは、当該技術分野において周知の方法によって触媒によって活性化される。たとえば上述の引例を参照のこと。他の適切な条件および最適条件は、経験的に決定することができる。
【0037】
開始モノマーを触媒によって活性化した後、環状オレフィン含有成長モノマーを添加し、成長モノマーを重合させる。成長モノマーは以下の式を有する。
N−L−P
式中、
Nは、環状オレフィン含有基であり、
Lは、NをPに付加するための結合またはリンカーであり、
Pは、得られるポリマーに選択された特性を与える部分であり、
Lは、開始モノマーに対して上述したものと同様であり、
Pは、得られるポリマーおよびポリマー−粒子ハイブリッドに所望の特性を与える。そのような特性には、親水性、疎水性、光学特性(たとえば、蛍光、色または非線形光学特性)、磁気活性(たとえば、不対電子)、電子活性(たとえば、伝導性ポリマー)、クラウンエーテルを用いた選択的イオン結合(たとえば、Na+、Pb2+などの結合)、および酸化還元活性(たとえば、フェロセン誘導体)が含まれる。好ましくは、特性は光学特性または酸化還元活性である。
【0038】
多くの適切な環状オレフィン含有成長モノマーが知られている。たとえば、米国特許第4,250,063号、第5,064,919号、第5,117,327号、第5,198,511号、第5,200,470号;デビース(Davies)ら、J. Chem. Soc. Perkin I、第433巻(1973年);ポスナー(Posner)ら、Tetrahedron、第32巻、2281頁(1976年)を参照のこと。他の環状オレフィン含有成長モノマーは、標準的な有機化学合成手順によって合成することができる。特に、環状オレフィン部分Nおよび部分Pは、結合を介して違いに連結されるか、あるいは、周知の方法を用いてリンカーLに連続して連結される。たとえば、「Comprehensive organic transformations: a guide to functional group preparations」(VCH出版、ニューヨーク、NY、1989年)および「Comprehensive organic functional group transformations」(カトリツキー(Katritzky)ら編、パーガモンプレス(Pergamon Press)、ニューヨーク、1995年)を参照のこと。いくつかの成長モノマーの合成については以下の実施例に記載されている。
【0039】
成長モノマーを重合させるための適切な条件には、環状オレフィンおよび環状オレフィン誘導体を重合させる技術において周知であるものが含まれる。たとえば、米国特許第4,883,851号、第4,945,135号、第4,945,141号、第4,945,144号、第5,198,511号、第5,266,665号、第5,296,437号、第5,296,566号、第5,312,940号、第5,342,909号、第5,728,785号、第5,750,815号、第5,831,108号、第5,849,851号、およびそれらの引例;シュワブ(Schwab)ら、Angew. Chem. Int. Ed. Engl、第34巻、2039頁(1995年);リン(Lynn)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1627頁(1998年)を参照のこと。他の適切な条件および最適条件は、経験的に決定することができる。
【0040】
重合において、特定のP基を有する単一の成長モノマー、または異なるP基を有するモノマーの混合物を用いて、単数または複数の特性を有する単一のポリマー殻を形成することができる。また、単一のモノマーまたはモノマー混合物の重合に続いて、1つ以上の別のモノマーの重合を一緒に、あるいは単独で行って、それぞれの殻が異なる(単数または複数)の特性を有する、ナノ粒子に付加された複数のポリマー殻を形成することもできる。
【0041】
重合と、ポリマー殻の得られる大きさおよび特性は、触媒、溶媒、温度、成長モノマーの種類、成長モノマーの添加順序、および成長モノマーの量を含む反応条件の適切な選択によって制御することができる。好ましくは、より良好な制御を行うために、重合を停止させる化合物を添加することによって重合を停止させる。適切な化合物は当該技術分野において周知である。たとえば、上で挙げた引例を参照のこと。
【0042】
本発明のポリマー−ナノ粒子ハイブリッドは、様々な用途を有する。該ハイブリッドは、たとえば検体を検出または定量するためのプローブとして使用することができる。たとえば、PCT出願WO98/04740;PCT出願WO98/21587;ストーホフ(Storhoff)ら、J. Clust. Sci.、第8巻、179頁(1997年);ブルーソー(Brousseau)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、7645頁(1998年);フリーマン(Freeman)ら、Science、第267巻、1629頁(1995年);シュー(Zhu)ら、J. Am. Chem. Soc.、第119巻、235頁(1997年);マーキン(Mirkin)ら、Nature、第382巻、607頁(1996年);エルガニアン(Elghanian)ら、Science、第277巻、1078頁(1997年);ストーホフ(Storhoff)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1959頁(1998年)を参照のこと。
【0043】
本発明によって検出または定量することのできる検体には、多糖、脂質、リポ多糖、タンパク質、糖タンパク質、リポタンパク質、核タンパク質、ペプチド、オリゴヌクレオチド、および核酸が含まれる。特異的検体には、抗体、免疫グロブリン、アルブミン、ヘモグロビン、凝固因子、ペプチドおよびタンパク質ホルモン(たとえば、インスリン、ゴナドトロピン、ソマトトロピン)、非ペプチドホルモン、インターロイキン、インターフェロン、他のサイトカイン、腫瘍特異性エピトープを含むペプチド(すなわち、腫瘍特異性タンパク質上でのみ見られるエピトープ)、細胞(たとえば、赤血球)、細胞表面分子(たとえば、CD抗原、インテグリン、細胞レセプター)、微生物(ウィルス、細菌、寄生虫、カビ、および真菌)、微生物の断片、タンパク質、成分または産物、小有機分子(たとえば、ジゴキシン、ヘロイン、コカイン、モルヒネ、メスカリン、リゼルギン酸、テトラヒドロカンナビノール、カンナビノール、ステロイド、ペンタミジン、およびビオチン)などが含まれる。検出または定量することのできる核酸およびオリゴヌクレオチドには、遺伝子(たとえば、特定の病気に関連する遺伝子)、ウィルスRNAおよびDNA、細菌DNA、真菌DNA、ほ乳類DNA(たとえば、ヒトDNA)、cDNA、mRNA、RNAおよびDNA断片、オリゴヌクレオチド、合成オリゴヌクレオチド、修飾オリゴヌクレオチド、一本鎖および二本鎖核酸、天然および合成核酸などが含まれる。
【0044】
プローブとして機能するためには、ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドは、ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドが検体に特異的に結合することを可能にする該ハイブリッドに付加された結合部分Bを有していなければならない。適切な結合部分およびそれらの製造方法は、当該技術分野においてい周知である。たとえば、本質的にどんな検体も該検体に特異的な抗体を用いて検出または定量することができる。さらに、検体に特異的に結合する任意の分子を用いることができ、多くのそのような分子は当該技術分野において周知である。たとえば、核酸は、検体核酸の少なくとも一部分に相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドを用いて検出または定量することができる。また、多糖およびグルコシル化タンパク質を検出または定量するためにレクチンを用いることができる。他の例としては、レセプターを用いてそのリガンドを検出することもできるし、その逆も可能である。他に多くの適切な結合部分Bが知られている。
【0045】
結合部分Bは、様々な方法でポリマー−ナノ粒子ハイブリッドに付加させることができる。たとえば、上述のように、開始モノマーまたは成長モノマーのリンカーLは、いかなる所望の化学基であってもよい。したがって、成長モノマーおよび/または開始モノマー内のリンカーLは、タンパク質(たとえば、抗体)、オリゴヌクレオチドなどの結合部分Bを含んでいてもよく、この結合部分はナノ粒子に付加されたポリマー殻に組み込まれることになる。好ましくは、ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドがプローブとして用いられる場合には、少なくともいくつかの成長モノマーが所望の結合部分Bを含むリンカーLを有している。これに代えて、あるいはこれ加えて、成長モノマーの重合の完了後に、ポリマー−ナノ粒子に別個の結合モノマーを付加してもよい。結合モノマーは、以下の式を有する。
【0046】
N−L−B
式中、
Nは、環状オレフィン含有基であり、
Lは、NをBに付加するための結合またはリンカーであり、
Bは、結合部分であり、
Lは、開始モノマーおよび成長モノマーについて上述したものと同様である。しかしながら、好ましくは、Lは結合部分Bを含んでいない。
【0047】
結合モノマーは、成長モノマーと同様にして合成され、ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドに付加される。結合モノマー、あるいは好ましくは、所望の(単数または複数の)特性を有する成長モノマーと結合モノマーの混合物をポリマー−ナノ粒子ハイブリッドに付加して、ナノポリマー上に最終ポリマー殻を形成するようにしてもよい。上記混合物における成長モノマーに対する結合モノマーの比率はできるだけ低いことが好ましい。このようにして、Bを検体にただ一度結合させるだけでも、大きな検出シグナルを導くことができる。
【0048】
本発明に従うアッセイを実施するために、検体を含有する可能性のある試料を、結合部分Bが付加された1種類のポリマー−ナノ粒子ハイブリッドと接触させる。任意の種類の試料を使用することができる。たとえば、試料は生物流体(たとえば、血清、血漿、血液、唾液、および尿)、細胞、細胞溶解物、組織、化合物のライブラリー(たとえば、有機化学物質またはペプチド)、PCR成分を含む溶液などであってもよい。そのようなアッセイを実施するための条件および様式は、当該技術分野において周知であるか(たとえば、上記引例を参照)、あるいは当業者によって経験的に決定されることができる。
【0049】
最後に、ナノ粒子に付加されるポリマーの(単数または複数の)特性を、検体を検出または定量するために検出または測定する。特性は上述したようなものである。好ましくは、特性は酸化還元活性または光学活性(たとえば、蛍光または色)である。これらの特性の検出および測定方法は、当該技術分野において周知である。
【0050】
核酸を検出または定量するための1つの様式が図5Aに示されている。図5Aに示されるように、捕捉オリゴヌクレオチド(捕捉鎖)を金基板(たとえば金電極)に付加する。オリゴヌクレオチドを金および他の基板に付加する方法は知られている。たとえば、官能基について記載した上記引例、特にPCT出願WO98/0470を参照のこと。捕捉オリゴヌクレオチドは、核酸検体(標的)の配列の少なくとも一部分に相補的な配列を有しており、検体核酸を、該検体核酸が基板に付加された捕捉オリゴヌクレオチドに結合するように基板に接触させ、次に、オリゴヌクレオチドが付加されたポリマー−ナノ粒子ハイブリッドを、基板に付加された検体核酸と接触させる。ポリマー−ナノ粒子ハイブリッド上のオリゴヌクレオチドは、検体核酸の配列の少なくとも一部分に相補的な配列を有し、基板に付加された検体核酸と結合する。結合しなかった物質を除去した後、ナノ粒子に付加されたポリマーの特性を検出または測定する。図5Aに示されるように、ポリマーは酸化還元活性を有するポリマーであるポリ3であり、この活性はサイクリックボルタンメトリーによって測定することができる(実施例1を参照)。
【0051】
本発明はさらに、検体の検出または定量用アッセイを実施するためのキットも提供する。このキットは、結合部分Bが付加されたポリマー−ナノ粒子ハイブリッドを保持する容器を含む。キットは、アッセイを実施するために有用な他の試薬および要素を含んでいてもよい。試薬としては対照、標準、PCR試薬、ハイブリダイゼーション試薬、緩衝液などを含んでいてもよい。キットの一部として与えられる他の要素としては、反応装置(たとえば、試験管、マイクロタイタープレート、固体表面(おそらくはここに捕捉分子が付加される)、シリンジ、ピペット、キュベット、容器など)が含まれる。
【0052】
本発明のポリマー−ナノ粒子ハイブリッドは、化学者や材料科学者が容易に多くの既存の粒子組立手法に組み込むことのできる、新しい用途の広い構築ブロックでもある。たとえば、PCT出願WO98/04740;ストーホフ(Storhoff)ら、J. Clust. Sci.、第8巻、179頁(1997年)を参照のこと。たとえば、ナノ粒子上に所望の(単数または複数の)ポリマー殻を形成した後、ポリマーは、官能基を含む停止モノマーまたは成長モノマーのいずれか少量と反応させて、ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドが、他のナノ粒子(同一または異なる材料からなる)に、あるいは、金属、磁性体、または半導体材料(ナノ粒子の製造材料についての上記説明を参照)からなる固体基板に付加されることができるようにする官能基によって、ナノ粒子上の少なくとも幾つかのポリマーを覆うこともできる。「停止モノマー」は、上述の開始モノマーと同じであり、この段落中で言及する「官能基」もまた開始モノマーの考察において言及したものと同様である。
【0053】
本発明の新規の環状オレフィン含有モノマーは、上述と同様の方法で単独で重合させることもできる(すなわち、ナノ粒子に付加されない)。そのようなポリマーは、様々な方法で使用することができる。たとえば、Lが結合部分B(たとえば、オリゴヌクレオチド)を含んでいる成長モノマーからなるポリマーは、P基の(単数または複数の)特性を検出することにより検体を検出および/または定量するために使用することができる。
【0054】
本発明はさらに、検体の検出または定量のためのアッセイを行うためのキットも提供する。このキットは、Lが結合部分Bを含んでいる成長モノマーから形成されたポリマーを保持する容器を含んでいる。キットは、アッセイを実施するために有用な他の試薬および要素を含んでいてもよい。
【0055】
さらに、Lが結合部分Bを含んでいる成長モノマーは、P基の(単数または複数の)特性を検出することにより検体を検出および/または定量するために使用することもできる。たとえば、核酸の検出または定量に有用な様式が図5Bに示されている。この様式において、DNAの一本鎖Fを合成し、その3’末端を修飾して、DNAを基板(たとえば、透明ガラススライド)に付加するために用いられる官能基(たとえば、アミノ基)を組み込む。官能基および基板への官能基の付加に関する上記考察を参照のこと。Fの配列は、標的DNA、F’−H−G’の配列の少なくとも一部分に相補的である。標的DNAのG’配列は、環状オレフィン含有基によって修飾された3番目のDNA鎖G(たとえば、図示のように、ホスホラミダイトDを用いて調製したノルボルネン基)に相補的である。捕捉DNAFが付加された基板を、標的DNAを含有する可能性のある試料に、標的DNAをFにハイブリダイズさせるのに十分な時間接触させた後、基板をGに接触させる。Gを標的DNAにハイブリダイズさせるのの十分な時間の後、基板をROMP触媒(たとえば、触媒1、図1)によって処理し、続いて、環状オレフィン含有蛍光モノマー(たとえば、ヘキサン中ノルボルネン修飾フルオレセインモノマーE)に暴露して、基板に付加されたDNAに付加した蛍光ポリマーを生成させる。環状オレフィン修飾DNA鎖Gは、捕捉鎖Fとは相補的でないので、基板を触媒に暴露すると、蛍光モノマーは、標的鎖が最初の試料中に存在しているときにのみ、固定化された蛍光ポリマーを生成する。大過剰の蛍光モノマーが用いられるので、基板上の重合の程度は、調整可能な量である反応時間に依存する。蛍光は、蛍光顕微鏡を用いて容易に検出することができる。この手法は、多くの理由により、DNAの検出および定量に対して高い感度と自由度を可能にする。まず第1に、鎖(F’およびG’)の端部の配列が既知である限り任意の標的を検出することができる。第2に、標的に相補的なより短い2つのDNA鎖、FおよびGを使用することにより、DNA合成化学が、より長い鎖(たとえば、F−GまたはF−H−G)を用いる場合よりも簡単かつ定量的なものになる。最後に、単独のハイブリダイゼーションによって、何百もの蛍光モノマーの表面付加を行うことができるので、この技術は非常に感度の高いのもでありうる(すなわち、フェブトモラー以下の量のDNAを検出することができる)。勿論、異なる結合部分を含む、および/または異なる特性を有する他の成長モノマーを、DNAの検出および他の分析のためのこの様式において使用することもできる。
【0056】
本明細書中で使用する「1種類の」という表現は、同一の特性を有する複数の特定された材料のことをいう。たとえば、「1種類の」ナノ粒子とは、同一のナノ粒子(たとえば、特定の大きさの金ナノ粒子)のことをいう。同様に、結合部分Bが付加された「1種類の」ポリマー−ナノ粒子ハイブリッドとは、同一のポリマーと付加された結合部分を有する複数のナノ粒子のことをいう。
【0057】
実施例
実施例1
本実施例では、図1に示されるような開環メタセシス重合(ROMP)によって金ナノ粒子鋳型の表面からポリマーを制御成長させることによって、新規な金属−有機ハイブリッドナノ粒子を調製することについて説明する。本方法において、ノルボルネニルを末端とする線形アルカンチオール(2)を用いて、有機可溶性金ナノ粒子(GNPs)の表面を修飾する。次に、官能基耐性ROMP触媒(1)を用いて粒子表面から直接重合を開始させた後、ノルボルネニル含有モノマー供給ストックを、開始を受けたナノ粒子を有する溶液中に注入する。
【0058】
2つの概念の証明(proof−of−concept)系を準備した。第1の系は、酸化還元活性ノルボルネニル官能化フェロセン3の重合殻を有するGNPを伴う。第2の系は、3の開始ブロックによって、次に別の酸化還元活性ノルボルネニル含有モノマー4の第2のブロックによって官能化されたGNPを伴う。4の酸化還元電位は、3の酸化還元電位よりも負に220mV大きく、これらの2つはサイクリックボルタンメトリーによって容易に区別することができる。1HNMR分光法、サイクリックボルタンメトリー、および透過電子顕微鏡観察(図2A〜Hおよび図3A〜B)を用いて、重合プロセスおよび得られたポリマー修飾ナノ粒子のキャラクタリゼーションを行った。
【0059】
上記研究から、合成手法は、事実上任意のノルボルネニル含有または環状オレフィン含有モノマーのポリマー層によって官能化することのできる新しいクラスの金属−有機ハイブリッドナノ粒子を調製するために使用することができることが示された。プロセスがリビング重合であるため、この手法には、ポリマー長および化学組成の例外的制御、粒子の大きさ、溶解性および形状を含む多数の特質がある。
【0060】
A.材料と一般的方法
特に注記しない限り、すべての反応は標準シュレンク技術を用いて乾燥窒素雰囲気下で実施するか、もしくは不活性雰囲気グローブボックス中で実施した。アセトニトリルおよびジクロロメタンは、水酸化カルシウム上で蒸留した。テトラヒドロフラン(THF)、ベンゼン、およびジエチルエーテルは、ナトリウム/ベンゾフェノン上で蒸留した。すべての溶媒は、窒素下で蒸留し、使用前に窒素で飽和させた。重水素化溶媒は、ケンブリッジ・アイソトープ・ラボラトリーズより購入し、CDCl3を除いてはそれ以上精製せずに使用した。CDCl3については、水酸化カルシウム上で蒸留し、不活性雰囲気グローブボックスに移す前に気密溶媒真空管に真空移送した。化合物1、2、3および4は、以下に記載するようにして合成した。他のすべての試薬は、アルドリッヒ・ケミカル・カンパニーより購入し、特に注記しない限りそれ以上精製せずに使用した。1HNMRおよび13CNMRスペクトルは、Varian Gemini 300MHzFT−NMR分光計上に記録した。金ナノ粒子を含む試料の1HNMRについては、ラインの広がりを1Hzに設定した。GC−MS実験は、HP5カラムを備えたヒューレット・パッカードHP6980シリーズ機器に記録した(初期温度は50℃で2分間に設定し、1分あたり20℃の勾配で最終温度280℃とした)。透過電子顕微鏡観察(TEM)は、日立8100顕微鏡上で実施した。高分解能質量分析(HRMS)は、VG 70−SE機器を用いて実施した。元素分析は、アトランティック・マイクロラボ社(Atlantic Microlab Inc.)によって実施された。すべてのフラッシュカラムクロマトグラフィーは、特に注記しない限り、窒素の正圧下に200cm長のシリカゲルカラムを用いた内径56mmカラムを用いて実施した。
【0061】
B.触媒1の合成
触媒1は、公開されている手順を用いて合成した。シュワブ(Schwab)ら、Angew. Chem.Int. Ed Engl.、第34巻、2039頁(1995年);リン(Lynn)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1627頁(1998年)。
【0062】
C.1−メルカプト−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキソ)−デカン(2)の合成
メタセシスの準備が完了したGNPの合成には、2つの重要な段階がある。1段階目は、長鎖アルカンチオールに付加されたROMP活性ノルボルネンセグメントを含む、1−メルカプト−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキソ)−デカン2の合成とキャラクタリゼーションを伴う。ROMP活性を最適化するために、エンド形異性体ではなくエキソ形異性体を選んだ。ウォルフェ(Wolfe), P.S., Ph.D.博士論文、フロリダ大学(1997年)。
【0063】
2を調製するために、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール[ポシナー(Posner)ら、Tetrahedron、第32巻、2281頁(1976年);デビース(Davies)ら、J. Chem. Soc. Perkin I、433頁(1973年);1.00g、9.1mmol]を、不活性雰囲気グローブボックス内で50mL容のシュレンクフラスコ中に計量した。THF(15mL)を添加し、溶液を激しく攪拌しながら、油分を含まないナトリウム金属(250mg、10.8mmol)を添加した。混合液をグローブボックスから取り出し、正の窒素流下で12時間還流し、室温まで除冷させた。別の100mL容シュレンクフラスコ中で、10−クロロ−デシルトルエン−4−スルホン酸塩[トモヒロ(Tomohiro)ら、Synthesis、第7巻、639頁(1992年)](2.95g、9.5mmol)をTHE(15mL)中に溶解し、フラスコに同圧滴下漏斗で蓋をした。脱プロトン化されたエキソ−5−ノルボルネン−2−オールの冷却溶液を、カニューレによって同圧滴下漏斗に移し(過剰Naはイソプロパノールで除去した)、デシルスルホン酸エステル溶液にゆっくりと添加し、10分間にわたって激しく攪拌した。次に、滴下漏斗を凝縮器に置き換え、混合液をさらに12時間、正の窒素流の下で還流した。室温まで冷却した後、反応混合液をエーテル(50mL)中に注ぎ、水(50mL)、0.1M NaOH(50mL)、およびブライン(50mL)によって順に洗浄した。有機層を回収し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ブフナー漏斗で濾過した。溶媒は回転蒸発器により除去した。わずかに黄色のオイルに対して、ヘキサン中8%エーテルを溶離液としてシリカゲル上でカラムクロマトグラフィーを行ったところ、1.94g(6.9mmol、81%)の1−クロロ−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−デカンが透明オイルとして得られた。1HNMR(CDCl3):1.05(m,20H),3.56(s,1H),3.72(s,1H),3.95(m,5H),5.80(m,1H),6.31(m,1H)。13CNMR(CDCl3):26.33,26.92,28.92,29.45,29.49,29.52,30.12,32.69,34.48,40.40,45.26,45.99,46.44,69.34,80.22,133.32,140.61。GC−MS:1ピーク、保持時間、10.16分;M+:284 m/z。
【0064】
チオ酢酸カリウム(240mg、2.1mmol)および1−クロロ−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキソ)−デカン(500mg、1.8mmol)を、不活性雰囲気グローブボックス内で別個の50mL容シェンクフラスコ中に計量した。フラスコをグローブボックスから取り出し、脱気したエタノール(10mL)をカニューレによって各フラスコに移した。1−クロロ−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−デカンをチオ酢酸カリウム溶液にカニューレによって移し、混合液を正の窒素流下、20時間還流した。室温まで冷却した後、混合液をH2O(50mL)中に注ぎ、CH2Cl2(3×50mL)で抽出した。結合有機抽出物をブライン(3×50mL)で洗浄し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ブフナー漏斗で濾過した。溶媒は回転蒸発器により除去した。黄色のオイルに対して、CH2Cl2を溶離液としてシリカゲル上でカラムクロマトグラフィーを行ったところ、488mgの1−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−10−(チオアセチル)−デカン(1.5mmol、85%)が透明オイルとして得られた。1HNMR(CHCl3):1.35(m,15H),1.58(m,4H),1.72(d,1H),2.83(s,1H),2.9(t,3H),3.48(m,3H),5.93(m,1H),6.20(m,1H)。GC−MS:1ピーク、保持時間、11.34分;M+:324 m/z。
【0065】
ナトリウムメトキシド(8.1mg、0.15mmol)および1−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−10−(チオアセチル)−デカン(488mg、1.5mmol)を、不活性雰囲気グローブボックス内において、別個の50mL容シェンクフラスコ中に計量した。2つのフラスコをグローブボックスから取り出し、脱気したメタノール(10mL)をカニューレによって各フラスコに移した。1−(ノルボル−2−エン−5−エキソ−オール)−10−(チオアセチル)−デカンの溶液を、カニューレによってナトリウムメトキシド溶液中に移し、混合液を正の窒素流下、6時間還流した。室温まで冷却した後、混合液を1.0M HCl(50mL)中に注ぎ、エーテル(3×50mL)で抽出した。結合有機抽出物をブライン(3×50mL)で洗浄し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、溶媒を回転蒸発器により除去したところ、361mgの1−メルカプト−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−デカン(1.23mmol、85%)が、続く操作に十分な純度で得られた。1HNMR(C6D6):1.25(m,18H),1.61(q,4H),1.88(d,1H),2.28(q,2H),2.63(s,1H),2.90(s,1H),3.35(m,3H),5.94(m,1H)。GC−MS:1ピーク、保持時間、10.43分;M+:282 m/z。
【0066】
D.エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンカルボキシレート(3)の合成
フェロセンカルボン酸(0.511g、2.22mmol)を100mL容シュレンクフラスコ中に計量した。フラスコを標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。乾燥ジクロロメタン(50mL)をカニューレにより添加し、塩化オキサリル(0.291mL、3.34mmol)を反応容器にシリンジ注入した。混合液を室温で2時間攪拌した。溶媒および過剰塩化オキサリルを回転蒸発により除去し、乾燥ベンゼン(50mL)をカニューレによって添加した。次に、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(0.244g、2.22mmol)を250mL容丸底フラスコ中に計量し、標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。乾燥ベンゼン(50mL)をカニューレにより添加し、トリエチルアミン(0.62mL、4.44mmol)を反応容器にシリンジ注入した。シュレンクフラスコ中の酸塩化物溶液を、カニューレによってアルコール溶液を含む前記丸底フラスコに移し、混合液を窒素下において12時間還流した。溶液をブライン(100mL)で希釈し、ベンゼン(3×100mL)で抽出した。ベンゼン層を合わせて、硫酸マグネシウム上で乾燥させ、溶媒を回転蒸発により除去した。ペンタン/エーテル(8:1)を溶離液としてシリカゲル上でカラムクロマトグラフィーを行ったところ、0.215g(0.668mmol、30%)の所望の生成物が黄色固体として得られた。1HNMR(C6D6):1.58(m,4H),2.59(s,1H),2.98(s,1H),4.02(m,7H),4.85(d,2H),4.97(d,1H),5.79(m,1H),5.98(m,1H)。13CNMR(CDCl3):34.78,40.69,46.37,47.58,69.69,70.08,71.19,74.87,132.85,132.87,141.15,175.60。HRMS(EI)(M+):C18H18O2Feに対する理論値:322.066 m/z;測定値:322.066 m/z。Anal:C18H12OFeに対する理論値:C:67.1;H:5.63;測定値:C:66.9;H:5.76。
【0067】
E.エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンアセテート(4)の合成
フェロセン酢酸(0.401g、1.64mmol)を100mLシュレンクフラスコ中に計量した。フラスコを標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。乾燥ジクロロメタン(50mL)をカニューレにより添加し、塩化オキサリル(0.232mL、2.66mmol)を反応容器にシリンジ注入した。混合液を室温で2時間攪拌した。溶媒および過剰塩化オキサリルを回転蒸発により除去し、乾燥ベンゼン(50mL)をカニューレによって添加した。次に、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(0.181g、1.64mmol)を250mL容丸底フラスコ中に計量し、標準シュレンク技術を用いて窒素下に置いた。カニューレによって乾燥ベンゼン(50mL)を添加し、トリエチルアミン(0.46mL、3.29mmol)を反応容器中にシリンジ注入した。シュレンクフラスコ中の酸塩化物溶液を、カニューレによってアルコール溶液を含む前記丸底フラスコに移し、混合液を窒素下において12時間還流した。溶液をブライン(100mL)で希釈し、ベンゼン(3×100mL)で抽出した。ベンゼン層を合わせて、硫酸マグネシウム上で乾燥させ、溶媒を回転蒸発により除去した。ベンゼン層をシリカゲルの短い栓(長さ30mm、パスツールピペット中)を通過させ、溶媒を回転蒸発により除去したところ、0.281g(0.84mol、51%)の所望の生成物が茶色液体として得られた。1HNMR(C6D6):1.58(m,4H),2.59(s,1H),2.90(s,1H),3.19(d,2H),3.95(d,2H),4.02(s,5H),4.19(d,2H),4.80(m,1H),5.75(m,1H),5.98(m,1H)。13CNMR(CDCl3):34.45,36.01,40.35,46.15,47.36,67.95,68.46,75.63,80.95,132.43,141.50,141.52,171.55。HRMS(EI)(M+):C19H20O2Feに対する理論値:336.081 m/z;測定値:336.082 m/z。
【0068】
F.GNP上への2の固定化、および2で修飾したGNPのキャラクタリゼーション
メタセシスの準備が完了したGNPの調製における第2の重要な段階は、2を3nmGNP上に固定化することを伴う。1−ドデカンチオール(1.68mmol)と2(0.56mmol)の3:1混合物の存在下において、HAuCI4(2.24mmol)を還元して、2つの吸着物質によって修飾されたGNPを与えることにより、直鎖状アルカンチオールでキャップされた3nmGNPを調製するために、シッフリン(Schifflin)の方法[ブラスト(Brust)ら、J. Chem. Soc.、Chem. Commun.、801頁(1994年)]を改変した。ノルボルネニル基と成長中のポリマーの表面架橋を最小限に抑えるために、ドデカンチオール希釈剤分子を用いた。
【0069】
GNPは、エタノールを添加することによりCH2Cl2より沈殿させることができ、ヘキサン、エーテル、およびCH2Cl2などの様々な溶媒中に再分散させることができる。CDCl3中における修飾された粒子の1HNMRにより、ノルボルネン吸着物質が本当に該粒子表面に付加しているかどうかを確認する。図2A〜2B参照。約δ5.9および6.2の2つの共鳴は、2つのノルボルネニルオレフィン性プロトンをよく表すものであり、CDCl3中における2の1HNMRスペクトル中で観測されたもの(δ5.9および6.2)によく匹敵している。これらの粒子のヘキサン中におけるUV可視スペクトルは、この大きさの金ナノ粒子に特徴的な518nmにおける弱いプラスモンバンドを示した。デュフ(Duff)ら、J. Chem. Soc. Chem. Commun.96(1993年)。
【0070】
G.GNP−ポリ3の合成およびキャラクタリゼーション
不活性雰囲気グローブボックス内において、2で修飾された3nmGNP(10mg)をねじ蓋付きNMRチューブ中に計量し、100μLのCDCl3を添加した。100μL(1.5mg、1.8μmol)の触媒1を200μLのCDCl3中に溶解し、2で修飾されたGNPを含むNMRチューブ中にシリンジ注入した。NMRチューブに蓋をし、振盪機上に10分間放置した。次に、3の溶液(200μLのCDCl3中に12mg、37pmol)を添加し、NMRチューブに再度蓋をし、さらに30分間振盪した後、1HNMRスペクトルを取った。触媒はエチルビニルエーテル(約100μL)を用いて除去した。CDCl3溶液を激しく攪拌したヘキサン溶液(100mL)に注ぐことによって、粒子−ポリマーハイブリッド(21mg)を単離した。母液をデカントし、得られた暗茶色の沈殿をヘキサン(3×50mL)で洗浄し、真空下で乾燥させた。沈殿は、CH2Cl2やTHFなどの多数の有機溶媒に再分散可能であった。
【0071】
触媒1によるGNP上でのノルボルネン環の開環メタセシス(1当量;粒子上のノルボルネニル環の数は、元素分析およびNMR滴定から評価した)は、CDCl3中で10分未満で完了した。この活性化プロセスに対する証拠は、図2Cにおいて、δ5.9および6.2におけるオレフィン性共鳴が欠失していることである。
【0072】
次に、この溶液に酸化還元活性複合体3をさらに20当量添加すると、図2Dの粒子−ポリマーハイブリッド(GNP−ポリ3)の1HNMRスペクトルにおけるδ5.7−5.2に広い共鳴が現れたことによって証明されるように、3の重合が起こる。これらの共鳴は、ノルボルネニル含有出発物質から合成されたポリマーに特徴的である。シュワブ(Schwab)ら、Angew. Chem. Int. Ed. Engl.、第34巻、2039頁(1995年);リン(Lynn)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1627頁(1998年)。30分後、モノマー3の形跡は全く見られなかったが、これは重合が完了していることを示す。
【0073】
ポリマーは、わずかに過剰のエチルビニルエーテルを添加することによって不可逆的に停止させることもできる。エチルビニルエーテルは、1のような触媒に対するROMP停止物質として知られている。ウー(Wu)ら、J. Am. Chem. Soc.、第117巻、5503頁(1995年)。
【0074】
重要なことは、GNP−ポリ3ハイブリッドは、2で修飾されたGNPが完全に再分散可能であった溶媒であるヘキサンによって、CDCl3から沈殿させることができたことである。ヘキサンで徹底的に洗浄した後には、GNP−ポリ3ハイブリッドは、CH2Cl2やTHFなどの様々なより極性の大きい有機溶媒中に再分散させることができた。これらの溶解度特性は、ほぼ同じ条件下において1および3から独立的に合成された繋がれていない(untethered)フェロセニルホモポリマーの溶解度特性を反映している(ポリ3:下記参照)。
【0075】
0.1M TBAPF6/CH3CN(TBAPF6=ヘキサフルオロリン酸テトラブチルアンモニウム)中におけるAu/Si電極の表面上に成形されたGNP−ポリ3ハイブリッドのサイクリックボルタンメトリーでは、図2FのFcH/FcH+(フェロセン/フェリシニウム)に対する180mVにおけるフェロセニル酸化/還元に伴う可逆波が見られた。
【0076】
最後に、GNP−ポリ3ハイブリッドのTEM分析からハイブリッド粒子がそれらの3±1nm径の金コアを有していることが示されたが、図3A〜Bのように、ポリマー殻層は原子組成の密度が低いためTEMによって撮影することはできなかった。
【0077】
H.GNP−ポリ3−ポリ4の合成およびキャラクタリゼーション
ハイブリッドナノ粒子を調製するため手法の普遍性と範囲をさらに立証するものとして、2つの異なるノルボルネニルフェロセニル誘導体3および4のブロック共重合体を、触媒1 で処理した2で修飾された粒子表面から連続的に成長させた。不活性雰囲気グローブボックス内において、2で修飾された3nmGNP(10mg)をネジ蓋付きNMRチューブ中に計量し、100μLのCDCl3を添加した。触媒1(1当量、1.5mg、1.8μmol)を200μLのCDCl3中に溶解し、2で修飾されたGNPを含むNMRチューブ中にシリンジ注入した。NMRチューブに蓋をし、10分間振盪機上に置いた。次に、3の溶液(20当量、12mg、37μmol、200μLのCDCl3中)を添加し、NMRチューブに再度蓋をし、さらに20分間浸透した後、1HNMRスペクトルを取った。次に、4の溶液(20当量、37μmol,200μLのCDCl3中)を添加し、NMRチューブに再び蓋をし、さらに20分間振盪した後、1HNMRスペクトルを取った。触媒はエチルビニルエーテル(〜100μL)で除去した。CDCl3溶液を激しく攪拌中のヘキサン(100mL)に注ぐことにより、粒子−ポリマーハイブリッド(32mg)の単離を行った。母液をデカントし、得られた茶色沈殿をヘキサン(3×50mL)で洗浄し、真空下で乾燥させた。沈殿は、CH2Cl2やTHFなどの多数の有機溶媒中に再分散可能であった。
【0078】
化合物4は、サイクリックボルタンメトリーによって容易に3から差別化することができるため、第2のポリマー構築ブロックとして選んだ。4におけるカルボニルおよびフェロセニル部分間に位置するメチレン基は、3に比べて約220mV酸化を容易にする。さらに、このメチレン基は重合反応を、図2E(星印で示した共鳴に注目)の1HNMRによって追跡できるようにする分光タグを与える。δ3.3における広い共鳴の成長は、出発モノマー4に伴う共鳴が完全に欠如していることと組み合わせて、4か完全にポリ4のブロックに転換したことを示している。
【0079】
GNP−ポリ3−ポリ4系は、図2Gに示されるように、粒子固定化ブロック共重体殻内の2つの異なる種類のフェロセニル部分の酸化/還元に伴う、予想された2つ区別可能な波を有する可逆的電気化学を示した(FcH/FcH+に対して、ポリ4のブロックに対してはE1/2s=−40mV、ポリ3のブロックに対しては180mV)。これらの2つの波に伴う積分電流を比較することにより、GNP−ポリ3−ポリ4構造における3と4の相対量を評価することができる。この分析に基づいて、ブロック共重合体中の3と4の比は1.4:1であると算出された。その比が1:1でない理由は、ポリマー溶解度の小さな差異、したがって2つの層に対する電気化学的接近可能性の程度の差異、あるいは、使用した少量の試薬の化学量論誤差によるものであるかもしれない。これらの2つの波に伴う理想的な応答(ピーク電流が走査速度に直線的に依存する)および、3の内部ブロックと電極表面の間の媒介電子移動に対する証拠の欠如は、これらの構造中において、両方のポリマーブロックが電極表面に接近可能であり、ブロック共重合体構造へのイオンの出入りを可能にする程度まで溶媒和にされていることを示す。重要なことは、ホモポリマーと、3および4の重合によって形成されたブロック共重合体のいずれも、図2Hに示したように(ポリ3が例としてあげられている)、不活発な電子移動と低いポリマー溶媒和に特徴的な広い波を示すことである。
【0080】
最後に、GNP−ポリ3−ポリ4ハイブリッドのTEM分析によって、ハイブリッド粒子がその3±1nm径金コアを保っていることが示されたが、ポリマー殻層は、それらの原子組成の密度が低かっために、TEMによって撮影することはできなかった。
【0081】
I.ポリ3の合成
3の溶液(12mg、37μmol、200μLのCDCl3中)をネジ蓋付きNMRチューブ中にシリンジ注入し、続いて1の溶液(1.5mg、1.8μmol、300μLのCDCl3中)を添加した。NMRチューブに蓋をし、振盪機上に30分間置いた。触媒は、エチルビニルエーテル(〜100μL)によって除去した。CDCl3溶液を激しく攪拌中のヘキサン(50mL)に注ぐことにより、ポリマー(11mg)の単離を行った。母液をデカントし、得られた薄茶色沈殿をヘキサン(3×25mL)で洗浄し、真空下で乾燥させた。沈殿は、CH2Cl2やTHFなどの多数の有機溶媒中に再分散可能であった。
【0082】
J.対照実験
対照実験として、GNP−ポリ3実験(上記Gの項を参照)に用いた同等の比で、繋がれていないフェロセニル含有ポリ3と、2で修飾されたGNPとからなる溶液を調製した。この対照系に対して沈殿実験を行ったところ、2で修飾されたGNPはヘキサン中に可溶であったが(1HNMRによって証明されるように)、ホモポリマー(ポリ3)は予想どおり沈殿した。2で修飾されたGNPとGNP−ポリ3ハイブリッドの間の溶解度の差異は、表面重合によって形成されたポリマーが実際にGNPの表面に繋がれていることを示す大きな証拠である。まとめると、データはGNPの表面から外に成長させたポリマーが粒子表面に付加されたままであることを明白に裏付けるものである。
【0083】
これらの概念の証明の結果は、本明細書中に報告された粒子合成手法が、実際上任意のノルボルネニル含有モノマーの高分子層によって官能化されうる新しいクラスのナノ粒子を調製するために使用可能であることを示している。実際のところ、この手法は、光学活性または電気活性を有するノルボルネニル基だけでなく、他の無機ナノ粒子鋳型にも容易に拡張することができるであろう。従来の無機ナノ粒子は、すでに多くの有用なプローブタイプの用途に対する基礎となっている。ストーホフ(Storhoff)ら、J. Clust. Sci.、第8巻、179頁(1997年);ブルーソー(Brousseau)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、7645頁(1998年);フリーマン(Freeman)ら、Science、第267巻、1629頁(1995年);シュー(Zhu)ら、J. Am. Chem. Soc.、第119巻、235頁(1997年);マーキン(Mirkin)ら、Nature、第382巻、607頁(1996年);エルガニアン(Elghanian)ら、Science、第277巻、1078頁(1997年);ストーホフ(Storhoff)ら、J. Am. Chem. Soc.、第120巻、1959頁(1998年)。高度な合成調整性を有した本明細書中で示したハイブリッド構造物は、化学および生化学的検出手法における診断プローブとして同等もしくはより重要なものになりそうである。さらに、それらは化学者や材料科学者が多くの従来の粒子アセンブリ手法に容易に組み込むことができるような新しい用途の広いタイプの構築ブロックである。
【0084】
実施例2
本実施例では、化合物5の合成について説明する(図4を参照)。100mL容のシュレンクフラスコに、2−ノルボルネン−5−エキソ−オール(1.10g、10mmol)と、3−チオフェン酢酸(1.42g、10mmol)と、p−トルエンスルホン酸一塩酸塩(80mg、0.42mmol)とを添加した。これらの3固体は、トルエン(60mL)中に溶解し、ディーン/スタークトラップをフラスコの上部に嵌着した。水凝縮器をディーン/スタークトラップの上部に配置した。6時間以上かけて、場合によってはディーン/スタークトラップの底部から溶媒を回収することにより、反応体積を20mLまで減少させた。混合液を室温まで冷却し、水(50mL)中に注ぎ、エーテル(3×50mL)で抽出した。有機部分を合わせ、ブライン(50mL)で洗浄し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、500mL容の丸底フラスコ中に濾過した。回転蒸発器を用いて溶媒を真空下で除去した。薄黄色のオイルに対して、CH2C12とヘキサンの1:1混合液を溶離液として、シリカゲル上でクロマトグラフィーを行ったところ、所望の生成物(1.68g、7.2mmol、72%)が透明オイルとして得られた。1HNMR(CDCl3):1.40(m,1H),1.60(m,2H),1.71(m,1H),2.87(b,2H),3.65(s,2H),4.70(d,1H),5.97(m,1H),6.24(m,1H),7.05(d,1H),7.15(b,1H),7.30(m,1H)。13CNMR(CDCl3):34.7,36.3,40.7,46.3,47.3,75.8,122.7,125.7,128.5,132.6,133.9,141.2,171.3。GCMS:保持時間10.86分、m/e+234。C13H14O2Sに対する理論値:C:66.64;H:6.02;5:13.68;測定値:C:66.91;H:6.15;S:13.86。
【0085】
実施例3
本実施例では、化合物6の合成について説明する(図4参照)。不活性雰囲気グローブボックス内において、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(710mg、6.45mmol)を50mL容のシュレンクフラスコ中に計量した。THF(15mL)を添加し、溶液を激しく攪拌しながら、油分を含まないナトリウム金属(160mg、6.96mmol)を添加した。混合液をグローブボックスから取り出し、窒素気泡下で12時間還流し、室温まで除冷させた。別の100mL容シュレンクフラスコ中において、2,5−ジブロモ−3−ブロモ−メチル−チオフェン(2.01g、6.00mmol)をTHE(15mL)中に溶解し、フラスコに同圧滴下漏斗で蓋をした。脱プロトン化されたエキソ−5−ノルボルネン−2−オールの冷却溶液を、カニューレによって同圧滴下漏斗に移し(過剰Naはイソプロパノールで除去した)、デシルスルホン酸エステル溶液にゆっくりと添加し、10分間にわたって激しく攪拌した。次に、滴下漏斗を凝縮器に置き換え、混合液をさらに12時間、正の窒素流の下で還流した。室温まで冷却した後、反応混合液をエーテル(50mL)中に注ぎ、水(50mL)、0.1M NaOH(50mL)、1M HCl(50mL)、およびブライン(50mL)によって順に洗浄した。有機層を回収し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ブフナー漏斗で濾過した。溶媒は回転蒸発器により除去した。わずかに黄色のオイルに対して、ヘキサン中20%CH2Cl2を溶離液としてシリカゲル上でカラムクロマトグラフィーを行ったところ、1.88g(5.16mmol、86%)の所望の生成物が透明オイルとして得られた。1HNMR(CDCl3):1.41(m,1H),1.58(m,2H),1.71(m,1H),2.82(b,1H),2.93(b,1H),3.56(m,1H),4.40(m,2H),5.93(m,1H),6.20(m,1H),6.99(m,1H)。13CNMR(CDCl3):34.53,40.47,46.06,65.12,80.31,109.59,111.21,131.03,133.10,139.80,140.87。GCMS:保持時間12.26分、,m/ζ364。
【0086】
実施例4
本実施例では、化合物7の合成について説明する(図4参照)。100mL容のシュレンクフラスコに、2−ノルボルネン−5−エキソ−酢酸(450mg,3.0mmol)を添加した。フラスコを標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。乾燥CH2Cl2(20mL)をカニューレにより添加し、続いて塩化オキサリル(CH2Cl2中の2M溶液を5mL、10mmol)を添加した。混合液を室温で2時間攪拌した。溶媒および過剰塩化オキサリルを真空下で除去し、得られた三塩化物を乾燥ジエチルエーテル(20mL)中に再溶解した。別の100mL容シュレンクフラスコに、3’−(2−ヒドロキシエチル)−2,2’:5’,2’’−テルチオフェン(850mg、2.91mmol)を添加した。フラスコを窒素下に置き、ジエチルエーテル(20mL)を添加し、さらにトリエチルアミン(0.84mL、6mmol)を添加した。フラスコに同圧滴下漏斗を嵌めた。ノルボルネニル酸塩化物をカニューレを用いて滴下漏斗に移し、テルチオフェン溶液の攪拌溶液を10分間かけて滴下した。混合液はさらに室温で10分間攪拌し、水(50mL)に注ぎ、エーテル(3×50mL)で抽出した。有機部分を回収し、ブライン(50mL)で洗浄し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、500mL容丸底フラスコ中に濾過した。溶媒は、回転蒸発器を用いて真空下で除去した。得られたオイルに対して、CH2Cl2とペンタンの1:1混合液を溶離液として用いてシリカ上でクロマトグラフィーを行ったところ、所望の生成物(1.15g、2.79mmol)が薄緑オイルとして得られた。1HNMR(CD2Cl2):1.32(m,2H),1.45(m,lH),1.86(m,1H),2.87(b,1H),2.98(b,1H),3.10(t,2H),4.32(t,2H),6.11(m,2H),7.05(m,1H),7.10(m,2H),7.19(m,2H),7.26(d,1H),7.37(d,1H)。HRMS:C22H20O2S3に対する理論値:412.06;測定値:412.06。
【0087】
実施例5
本実施例では、化合物8の合成について説明する(図4参照)。PdCl2(1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン)(39mg、0.05mmol)を、磁気撹拌棒を含み、還流凝縮器と添加漏斗を嵌着した100mL容シュレンクフラスコ中に計量した。フラスコを吸引して空気を除去し、6(1.00g、2.75mmol)の乾燥エチルエーテル(20mL)溶液をカニューレによって添加した。フラスコをアセトン/氷浴中で−20℃まで冷却し、(2−チエニル)臭化マグネシウム(8.22g、1.54mmol)の乾燥ジエチルエーテル(20mL)溶液を添加漏斗によって30分以上かけて添加した。反応物を室温まで回復させ、正の窒素流下で一晩還流した。過剰のグリニヤールは、水性塩化アンモニウムの飽和溶液を有機層にゆっくりと添加し、水で3回連続洗浄(50mL)することにより消費した。有機層を回収し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、500mL容丸底フラスコ中に濾過した。溶媒は、回転蒸発器を用いて真空下で除去した。得られた暗茶色オイルに対し、CH2Cl2とヘキサンの1:1混合液を溶離液として用いて、シリカ上でクロマトグラフィーを行ったところ、所望の生成物(870mg、86%)が緑色オイルとして得られた。1HNMR(CDCl3):1.47(m,1H),1.59(m,2H),1.78(m,1H),2.84(b,1H),2.98(b,1H),3.65(m,1H),4.56(m,2H),5.94(m,1H),6.20(m,1H),7.03(m,1H),7.09(m,1H),7.18(m,1H),7.21(m,1H),7.22(m,1H),7.24(m,1H),7.35(m,1H)。13CNMR(CDCl3):GCMS:保持時間18.73分、m/e+ 370。
【0088】
5,7および8などのモノマーは、ROMP化学に続いて第2の架橋反応を受けて、伝導性グラフト共重合体複合体を与えることができる二重重合可能なモノマーである。これらの新しいモノマーを用いて、新しいナノ粒子/伝導性ポリマー複合体を製造することができる(図7A〜B参照)。
【0089】
実施例6
本実施例では、エキソ−5−ノルボルネン−2−イルピレンカルボキシレート(図4の化合物9)の合成について説明する。ピレンカルボン酸(0.547g、2.22mmol)を100mL容シュレンクフラスコ中に計量した。フラスコを標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。乾燥ジクロロメタン(50mL)をカニューレによって添加し、塩化オキサリル(0.291mL、3.34mmol)を反応容器にシリンジ注入した。混合液を室温で2時間撹拌した。溶媒および過剰の塩化オキサリルは、回転蒸発により除去し、カニューレにより乾燥ベンゼン(50mL)を添加した。次に、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(0.244g、2.22mmol)を250mL容丸底フラスコ中に計量し、標準的なシュレンク技術を用いて窒素下に置いた。カニューレにより乾燥ベンゼン(50mL)を添加し、トリエチルアミン(0.62mL、4.44mmol)を反応容器にシリンジ注入した。シュレンクフラスコ中の酸塩化物溶液をアルコール溶液を含む丸底フラスコにカニューレを用いて移した。次に、混合液を窒素下において12時間還流した。溶液をブライン(100mL)で希釈し、ベンゼン(3×100mL)で抽出した。ベンゼン層を合わせ、硫酸マグネシウム上で乾燥させ、溶媒を回転蒸発により除去した。ペンタン/エーテル(8:1)を溶離液とするシリカゲル上のクロマトグラフィーを行ったところ、0.215g(0.668mmol、30%)の所望の生成物が黄色固体として得られた。1HNMR(C6D6):1.62(m,2H),1.79(m,2H),2.62(b,1H),3.05(b,1H),5.20(m,1H),5.94(m,1H),6.05(m,1H),7.70(m,2H),7.81(m,2H),7.87(m,2H),7.99(m,1H),8.72(m,1H),9.79(m,1H)。HRMS(EI)(M+):C24H18O2に対する理論値:338.13 m/z;測定値:338.13 m/z。
【0090】
化合物9は蛍光性であり、モノマーおよびポリ9の蛍光発光スペクトルが図6に示されている。予想された通り、ポリ9の蛍光はそのモノマー9のものと比較して、低い波長で発生し、幅広く、強度は小さい。これらの挙動は、発色団が非常に近接しているためにポリ9内において分子内エキシマーが形成されていることを示唆するものである。
【0091】
実施例7
本実施例では、α−ブロモ−α’−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オール)−p−キシレン(10)(図8A参照)について説明する。不活性雰囲気グローブボックス内において、エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(820mg、7.44mmol)を50mL容シュレンクフラスコ中に計量する。乾燥THF(15mL)を添加し、溶液を激しく攪拌しながら、油分を含まないナトリウム金属(250mg、10.9mmol)を添加した。混合液をグローブボックスから取り出し、正の窒素流下で12時間還流し、室温まで除冷させた。別の100mL容シュレンクフラスコ中で、α,α’−ジブロモ−p−キシレン(2.11g、8.00mmol)をTHE(15mL)中に溶解し、フラスコに同圧滴下漏斗で蓋をした。脱プロトン化されたエキソ−5−ノルボルネン−2−オールの冷却溶液を、カニューレ濾過によって同圧滴下漏斗に移し、チオフェン溶液にゆっくりと添加し、10分間にわたって激しく攪拌した。次に、滴下漏斗を凝縮器に置き換え、混合液をさらに12時間、正の窒素流の下で還流した。室温まで冷却した後、反応混合液をベンゼン(50mL)中に注ぎ、水(50mL)、1.0M NaOH(50mL)、1.0M HCl(50mL)、およびブライン(50mL)によって順に洗浄した。有機層を回収し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、500mL容丸底フラスコ中に濾過した。溶媒は回転蒸発器により除去した。ヘキサン中30%CH2Cl2を溶離液としてシリカゲル上でカラムクロマトグラフィーを行ったところ、所望の生成物10(1.13g、3.87mmol、52%)が透明オイルとして得られた。1HNMR(C6D6):1.42(m,2H),1.60(m,1H),1.85(m,1H),2.61(m,1H),2.84(m,1H),3.44(m,1H),3.99(m,2H),4.24(m,2H),5.76(m,1H),6.26(m,1H),7.02(m,2H),7.13(m,2H)。13CNMR(C6D6):33.6,35.2,41.2,46.7,71.1,80.7,129.6,133.7,137.5,140.3,141.2。
【0092】
実施例8
本実施例では、N−α−(N,N−ジメチルアンモニウム−メチルフェロセンブロマイド)−α’−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オール)−p−キシレン(11)(図8A参照)の合成について説明する。100mL容丸底フラスコに、10(293mg、1.00mmol)、無水ジエチルエーテル(25mL)および磁気撹拌棒を加えた。この10の撹拌溶液に、N,N−ジメチルアミノメチルフェロセン(243mg、1.00mmol)の無水ジエチルエーテル(25mL)溶液を添加した。混合液を6時間撹拌したところ、この時間内に黄色沈殿が形成された。この時間の後、カニューレ濾過装置を用いてフラスコからエーテルを除去し、得られた黄色粉末ををエーテル(4×50mL)で洗浄した。固体を真空下で一晩乾燥させたところ、所望の生成物11(391mg、0.73mmol、73%)が得られた。1HNMR(D2O):13CNMR(CDCl3):34.7,40.6,46.2,46.7,48.3,65.8,66.9,69.8,70.7,70.8,72.5,80.9,126.7,128.3,133.2,133.5,141.0,142.0。
【0093】
実施例9
本実施例では、10または11に対する一般的重合手順について説明する。不活性雰囲気グローブボックス内において、11(110mg、0.21mmol)を、磁気撹拌棒および乾燥MeOH(4mL)を入れた25mL容丸底フラスコ中に計量した。11の撹拌溶液に、触媒1(7.0mg、0.0085mmol、4モル%)の乾燥CH2Cl2(0.5mL)溶液を添加した。混合液を30分間撹拌し、この時間の終了後、乾燥箱から取り出し、エチルビニルエーテル(1mL)で重合を停止させた。混合液を無水ジエチルエーテル(100mL)中に注ぎ、新鮮なジエチルエーテル(4×50mL)で繰り返し濾過、洗浄することにより、ポリマー(ROMP−ポリll、101mg、92%)を単離した。
【0094】
実施例10
本実施例では、12〜14の合成について説明する(図8A参照)。12の合成を代表として説明する。10(440mg、1.5mmol)と9−N,N−ジメチル−アミノメチルアントラセン(235mg、1.0mmol)のDMF(25mL)中混合液を16時間還流した。その時間の終了後、混合液をジエチルエーテル(250mL)中に注いだ。溶液から沈殿した黄色固体を濾過し、ジエチルエーテル(4×50mL)で連続洗浄し、所望の生成物12(432mg、0.82mmol、82%)を得た。
【0095】
実施例11
本実施例では、15の合成について説明する(図8B参照)。エキソ−5−ノルボルネン−2−オール(500mg、4.54mmol)、2−シアノエチルジイソプロピルクロロホスホラミダイト(1.00g、4.22mmol)、およびN,N−ジイソプロピルエチルアミン(0.87mL、5.0mmol)の混合物を、窒素雰囲気下において、乾燥THE中で3時間撹拌した。この時間の終了後、混合液を1.0M NaHCO3(100mL)の冷溶液中に注ぎ、CH2Cl2(3×50mL)で抽出した。溶媒を真空下で除去すると所望の生成物15(1.24g、95%)が得られた。
【0096】
実施例12
本実施例では、16の合成について説明する(図8B参照)。10(1.40g、4.77mmol)、フルオレセイン(800mg、2.40mmol)およびカルボン酸ナトリウム(665mg、4.80mmol)のアセトン(25mL)中混合液を36時間還流した。この時間の終了後、混合液を氷水(100mL)中に注ぎ、濾過し、水(400mL)で洗浄した。酸性水によるDMFからの再結晶により、所望の生成物16(727mg、0.96mmol、40%)が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ブロック共重合体殻を有するナノ粒子の調製の概略図。化合物1,2,3および4の式が示されている。1の式中、Ph=フェニル、Cy=シクロヘキシルである。
【図2】図2Aは、1−ドデカンチオールと2の3:1混合物で官能化された金ナノ粒子(GNP)の1HNMRスペクトル(δ7〜0ppm)、図2Bは、ドデカンチオールと2の3:1混合物で官能化されたGNPの1HNMRスペクトル(δ6.3〜5.2ppm)、図2Cは、1当量の1による処理後の2で修飾されたGNPの1HNMRスペクトル(δ6.3〜5.2ppm)、図2Dは、開環メタセシス重合(ROMP)活性化GNPに20当量の3を添加した後の2で修飾されたGNPの1HNMRスペクトル(δ6.3〜5.2ppm)、図2Eは、GNP−ポリ3−ポリ4ハイブリッド系の1HNMRスペクトル(δ7〜0ppm)、図2Fは、GNP−ポリ3系のサイクリックボルタンメトリー、図2Gは、GNP−ポリ3−ポリ4ハイブリッドのサイクリックボルタンメトリー、図2Hは、ポリ3のサイクリックボルタンメトリー。すべてのサイクリックボルタンメトリー実験では、金作用電極と、白金ガーゼ対電極と、銀線基準電極とを用いた。フェロセン(ビス(シクロペンタジエニル)鉄)を内部基準として使用した。
【図3】図3Aは、2によって官能化されたGNPの透過型電子顕微鏡(TEM)画像、図3Bは、GNP−ポリ3の透過型電子顕微鏡(TEM)画像。
【図4】ノルボルネニル含有モノマーの構造を示す図。
【図5A】GNP−ポリ3を用いた核酸(標的)の検出のためのアッセイを示す図。
【図5B】蛍光性ノルボルネニル含有モノマーを用いた核酸検出のためのアッセイを示す図。
【図6】モノマー9(グラフA)およびGNP−ポリ9(グラフB)についての、波長に対する蛍光発光のグラフ。
【図7A】ナノ粒子ポリマー複合体を製造するためのポリマー−ナノ粒子ハイブリッドの架橋を示す図。
【図7B】ナノ粒子ポリマー複合体を製造するためのポリマー−ナノ粒子ハイブリッドの架橋を示す図。
【図8A】化合物10〜14の式。
【図8B】化合物15及び16の式。
Claims (52)
- ポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子であって、
(a)ナノ粒子コアと、
(b)前記コアを取り囲む少なくとも1つのポリマー殻とを有し、前記ポリマー殻は、前記コアに付加された開始モノマーを触媒活性化して活性化された開始モノマーを生成させたのち、式P−L−Nで表される1種類以上の成長モノマーが重合して、前記ナノ粒子コアに付加された1つ以上のポリマー殻を形成するのに効果的な条件下において、前記ナノ粒子コアと前記成長モノマーとを接触させることによって形成され、
前記式中、
Pは各ポリマー殻に選択された少なくとも1つの特性を与える部分であり、
Nは環状オレフィン含有基であり、
LはNをPに付加するための結合またはリンカーであることを特徴とするポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。 - Lはポリマー、−COO−、−CH2(CH2)mCOO−、−OCO−、−R1N(CH2)m−NR1−、−O(CH2)m−、−(CH2)m−、
前記式中、
R1は式X(CH2)mを有し、
Xは、−CH3、−CHCH3、−COOH、−CO2(CH2)mCH3、−OH、−CH2OH、エチレングリコール、ヘキサ(エチレングリコール)、−O(CH2)mCH3、−NH2、−NH(CH2)mNH2、ハロゲン、グルコース、マルトース、フラーレンC60、環状オレフィン、または核酸であり、
mは0〜30であることを特徴とする請求項1に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。 - Nは、ノルボルネニル含有基であることを特徴とする請求項1に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 複数のポリマー殻が付加されていることを特徴とする請求項1または3に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 2つのポリマー殻が付加されており、前記2つのポリマー殻は異なる特性を有することを特徴とする請求項4に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 前記ポリマー殻が酸化還元活性を有することを特徴とする請求項1または3に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 前記ポリマー殻のいずれか1つが酸化還元活性を有することを特徴とする請求項4に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 前記2つのポリマー殻が各々酸化還元活性を有し、前記2つのポリマー殻の酸化還元活性が各々異なることを特徴とする請求項5に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- ポリマー殻は、検体に特異的に結合する結合部分Bを含むことを特徴とする請求項1、2および3のいずれか1項に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 結合部分Bを含む前記ポリマー殻は、1種類以上の式N−L−B(式中、N,LおよびBは請求項9におけるものと同一の意味を持つ)の結合モノマーを重合させることによって形成されることを特徴とする請求項9に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 結合部分Bを含む前記ポリマー殻は、1種類以上の結合モノマーと1種類以上の成長モノマーとの混合物を重合させることによって形成されることを特徴とする請求項10に記載のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- ナノ粒子コアと、該コアに付加され、かつ前記コアを取り囲む少なくとも1つのポリマー殻とを有するポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子を調製するための方法であって、
1種類のナノ粒子コアを提供することと、
1種類の開始モノマーを前記ナノ粒子コアの表面に付加することと、
前記開始モノマーを活性化させるために、前記開始モノマーが付加されたナノ粒子コアを遷移金属開環メタセシス触媒に接触させることと、
式P−L−Nで表される1種類以上の成長モノマーが重合して、前記ナノ粒子コアに付加された1つ以上のポリマー殻を形成するのに効果的な条件下において、前記ナノ粒子コアと前記成長モノマーとを接触させることとを含み、
前記式中、
Nは環状オレフィン含有基であり、
Pは各ポリマー殻に選択された少なくとも1つの特性を与える部分であり、
LはNをPに付加するための結合またはリンカーであることを特徴とする方法。 - 前記開始モノマーは、環状オレフィン含有基を含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記開始モノマーは、ノルボルネニル基を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記ナノ粒子コアは、金ナノ粒子コアであることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記開始モノマーは、ノルボルネニル含有アルカンチオールであることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記開始モノマーは、1−メルカプト−10−(エキソ−5−ノルボルネン−2−オキシ)−デカンであることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記開始モノマーは1種類の付加化合物と混合され、前記開始モノマーと前記付加化合物の両方が前記ナノ粒子コアの表面に付加されることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- Lはポリマー、−COO−、−CH2(CH2)mCOO−、−OCO−、−R1N(CH2)m−NR1−、−O(CH2)m−、−(CH2)m−、
前記式中、
R1は式X(CH2)mを有し、
Xは−CH3、−CHCH3、−COOH、−CO2(CH2)mCH3、−OH、−CH2OH、エチレングリコール、ヘキサ(エチレングリコール)、−O(CH2)mCH3、−NH2、−NH(CH2)mNH2、ハロゲン、グルコース、マルトース、フラーレンC60、環状オレフィン、または核酸であり、
mは0〜30であることを特徴とする請求項12に記載の方法。 - Nは、ノルボルネニル含有基であることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- Mはルテニウムであり、R1は水素であり、R2はフェニルであり、X1およびX2はいずれも−Clであり、L1およびL2はいずれもトリシクロヘキシルホスフィンであることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記触媒は、下記の式を有することを特徴とする請求項12または20に記載の方法。
[Re(CR1)(CHR2)(R3)(R4)]n
(式中、
Reはレニウム(VII)であり、
R1は1〜20個の炭素原子を有するアルキル、6〜20個の炭素原子を有するアリール、7〜30個の炭素原子を有するアラルキル、それぞれのハロゲン置換誘導体、およびそれぞれのシリコン含有アナログからなる群より選択され、
R2は、R1、あるいは、触媒のRe=CHR2部分をメタセシスを受けているオレフィンと反応させることによって得られた置換基であり、
R3およびR4は、個々にあるいは協動して、レニウム原子をメタセシス反応に十分な求電子性にするだけの電子吸引力を持つ任意の基であり、
nは1以上である。) - 前記触媒は、下記式を有することを特徴とする請求項12または20に記載の方法。
M(NR1)(OR2)2(CHR3)
(式中、
Mはモリブデンまたはタングステンであり、
R1およびR2は、それぞれ独立して、1〜20個の炭素原子を有するアルキル、6〜20個の炭素原子を有するアリール、7〜20個の炭素原子を有するアラルキル、アルキル、アリールまたはアラルキルのハロゲン置換誘導体、あるいは、アルキル、アリールまたはアラルキルのいずれか1つのシリコン含有アナログであってもよく、
R3は、1〜20個の炭素原子を有するアルキル、6〜20個の炭素原子を有するアリール、7〜20個の炭素原子を有するアラルキル、あるいは、前記触媒のM=CHR3部分をメタセシスを受けているオレフィンと反応させることによって得られた置換基である。) - 前記ナノ粒子コアを、単一種類の成長モノマーが重合して、前記ナノ粒子コアに付加された単一ポリマー殻を形成するような効果的条件下において、前記成長モノマーと接触させることを特徴とする請求項12または20に記載の方法。
- 前記ポリマー殻は酸化還元活性を有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 前記成長モノマーは、エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンカルボキシレート、あるいはエキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンアセテートであることを特徴とする請求項26に記載の方法。
- 前記ナノ粒子コアを、複数の種類の成長モノマーが重合して、前記ナノ粒子コアに付加された1つ以上のポリマー殻であって、各ポリマー殻が1つ以上の選択された特性を有するようなポリマー殻を形成するような効果的条件下において、前記成長モノマーと接触させることを特徴とする請求項12または20に記載の方法。
- 前記ナノ粒子コアを、第1の種類の成長モノマーが重合して、ナノ粒子に付加された第1の選択された特性を有する第1ポリマー殻を形成するような効果的条件下において、前記第1の種類のモノマーに接触させ、
次に前記ナノ粒子コアを、第2の種類の成長モノマーが重合して、前記第1のポリマー殻に付加された、第1ポリマー殻の第1の選択された特性とは異なる第2の選択された特性を有する第2ポリマー殻を形成するような効果的条件下において、前記第2の種類の成長モノマーに接触させることを特徴とする請求項28に記載の方法。 - 前記ポリマー殻の一方は酸化還元活性を有することを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 重合して前記殻を形成する成長モノマーは、エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンカルボキシレート、またはエキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンアセテートであることを特徴とする請求項30に記載の方法。
- 前記ポリマー殻の両方が酸化還元活性を有することを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 前記2つのポリマー殻が異なる酸化還元活性を有することを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 重合して前記第1ポリマー殻を形成する成長モノマーは、エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンカルボキシレートであり、重合して前記第2ポリマー殻を形成する成長モノマーは、エキソ−5−ノルボルネン−2−イルフェロセンアセテートであることを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 重合が、重合を停止させる化合物を添加することによって停止されることを特徴とする請求項12または20に記載の方法。
- ポリマー殻が検体に特異的に結合する結合部分Bを含むことを特徴とする請求項12、19および20のいずれか1項に記載の方法。
- 結合部分Bを含む前記ポリマー殻は、1種類以上の前記式N−L−Bの結合モノマーを重合させることによって形成されることを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 結合部分Bを含む前記ポリマー殻は、1種類以上の結合モノマーと1種類以上の成長モノマーとの混合物を重合させることによって形成されることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 請求項12乃至38のいずれか1項に記載の方法に従って調製した、少なくとも1つのポリマー殻が付加されたポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子。
- 検体の検出または定量方法であって、
(a)検体を含む可能性のある試料を、請求項9のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子に接触させることと、
(b)前記検体を検出または定量するために前記ポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子の少なくとも1つの特性を検出または測定することとを含むことを特徴とする方法。 - 前記検体は核酸であり、Bは前記検体核酸の配列の少なくとも一部分と相補的な配列を有したオリゴヌクレオチドであることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 前記検体は抗原またはハプテンであり、Bは前記抗原またはハプテンに対して特異的な抗体であることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 検出または測定される前記特性は、蛍光であることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 検出または測定される前記特性は、色であることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 検出または測定される前記特性は、酸化還元活性であることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 請求項9または39のポリマー−ナノ粒子ハイブリッド粒子が入っている容器を含むことを特徴とする、請求項40に記載の方法に使用するキット。
- 前記ポリマー殻は、結合部分Bを含むことを特徴とする請求項46に記載のキット。
- 前記検体は核酸であり、Bは前記検体核酸の配列の少なくとも一部分と相補的な配列を有したオリゴヌクレオチドであることを特徴とする請求項47に記載のキット。
- 前記検体は抗原またはハプテンであり、Bは前記抗原またはハプテンに対して特異的な抗体であることを特徴とする請求項47に記載のキット。
- 前記特性は蛍光であることを特徴とする請求項47に記載のキット。
- 前記特性は色であることを特徴とする請求項47に記載のキット。
- 前記特性は酸化還元活性であることを特徴とする請求項47に記載のキット。
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