JP4460767B2 - 酸素検出膜およびそれを作製する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般的に、ポリマー性検出膜（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅ）に、そしてより詳細には発光染料および予測可能な気体透過性を有するポリマー性マトリクスを含むポリマー性検出膜に、ならびにこれらの膜を作製する方法に関する。
【０００２】
気体濃度をモニターする能力は、種々の状況において有益である。例えば、化学工業において大規模に実施される反応（例えば、発酵反応）は、しばしば特定の反応または生成気体の測定を要求する。医療において、呼吸気体の連続的なモニタリングは、呼吸研究のための典型的な手段となっており、麻酔学ならびに心肺性疾患の治療および診断を援助する。特に、インビトロ方法を使用して、血液中の酸素レベルをモニターし得ることは、しばしば望ましい。
【０００３】
血液中の酸素レベルの測定への１つのアプローチは、酸素感応性発光膜を使用することである。このような膜は、典型的にポリマー性マトリクス材料およびポリマー性材料中に分散される発光染料分子を含む。発光分子は、励起電子状態から蛍光またはリン光を放出し得、これは酸素分子によって衝突で消光され得る。このプロセスは、一般的にＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ消光として公知であり、そしてこれは、以下の関係（１）によって表され、
【０００４】
【数１】

ここで、Ｆ₀およびτ₀は、酸素分子非存在下での発光染料についての発光強度（ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）および緩和時間であり、Ｆおよびτは、酸素分子濃度［Ｏ₂］がゼロより高い場合の発光強度および緩和時間であり、そしてｋ_qは、発光染料分子についての消光定数である。この方程式は、しばしば以下（２）の形式で書きかえられ、
【０００５】
【数２】

ここで、ｋ_svは、Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数（（ｍｍＨｇ）^-1またはｔｏｒｒ^-1で）であり、そしてρＯ２は、酸素の分圧である。本明細書中で記載される適用のために、分圧は、ｍｍＨｇの単位で与えられ、ここで１ｍｍＨｇは１ｔｏｒｒに等しい。
【０００６】
使用において、酸素感応性膜は、発光染料分子を基底電子状態から励起電子状態へ励起し得る電磁放射に曝露される。これは、通常、蛍光分子についての励起一重項状態またはリン光分子についてのより長い寿命の三重項状態を含む。発光染料分子が励起電子状態から基底状態への遷移を受ける際、光子は特定の波長をで放出される。血液中の酸素量は、染料分子の発光状態における変化を測定することによって決定され得、なぜならば励起状態からの崩壊率は、気体酸素の存在または非存在によって変化するからである。
【０００７】
マトリクスまたはポリマー性材料中に分散された発光染料分子の発光物性を測定するために設計されたいくつかの異なる技術が、存在する。例えば、比較的簡単なアプローチの、一定の励起源により誘発される蛍光強度の測定（例えば、米国特許第４，４７６，８７０号に開示される）を採用し得る。米国特許第４，８１０，６５５号および同第４，８９５，１５６号は、さらに、ポリマー性材料中に分散された発光染料分子の時間分解発光を測定する方法を開示する。光のパルス（これは染料分子を励起するために使用される）が比較的短い持続時間（ｔ＜＜τ）である場合、初期値Ｆｉからの発光強度の崩壊は、以下（３）によって近似的に表される。
【０００８】
【数３】

種々のサンプリングおよび回帰スキームがτについての値を見積もるために使用され得る。
【０００９】
米国特許第５，１２７，４０５号、同第５，２８１，８２５号、および国際出願第９２／１９９５７号に開示されるように、発光染料分子によって放出された発光についての位相の変化の測定は、調節された励起源を使用して成され得る。励起信号は、励起源強度が正弦的に変化するように調節され得、
【００１０】
【数４】

ここで、Ｅ_pはピーク励起源強度であり、そしてωは励起信号の角周波数である。染料からの発光放射信号Ｆ（ｔ）はまた、励起信号と同一の周波数で正弦的に変化し、以下（５）による緩和時間に関連する位相のずれを有することを除き、
【００１１】
【数５】

ここで、Ｆｐは、強度Ｅｐにおける一定の励起から生じる発光強度であり、そしてΦは位相のずれである。緩和時間は、以下の方程式（６）を使用して測定された位相のずれから計算され得る。
【００１２】
【数６】

また、例えば米国特許第４，７１６，３６３号および国際出願第９０／０７１０７号に開示されるように、サンプルからの緩和情報を抽出するための一定の位相方法は、可変可能の周波数調節源（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）の使用を介して利用され得る。この一定の位相技術は、一定の位相のずれ（好ましくは４５°の範囲で）を維持するように、調節された励起源の周波数（ｆ）をフィードバックループで調整する工程を包含する。方程式（６）およびω＝２πｆの置換の再編成は、以下（７）である：
【００１３】
【数７】

φが４５°で一定を維持する場合、ｔａｎφ＝１であり、そして方程式（２）のτを置換するによって、以下（８）のように表し得る：
【００１４】
【数８】

従って、フィードバックループの操作周波数は、直接的に酸素の分圧に比例し；一定の位相方法は、時間分解され一定の周波数方法に対していくつかの利益を提供する。例えば、一定の位相方法は、既報告の結果を出すために必要である計算の複雑さを有意に軽減する。さらに、一定の位相のずれを維持することは、位相検出器が応答曲線最も感応性の高い部分で作動するのを可能にし、そして広範な酸素分圧にわたって一定の信号振幅を維持することによって、信号／ノイズ比を最適化する。
【００１５】
分解された時間、位相シフトまたは周波数調節方法は、全て、特に血液またはミルクのようなサンプルの測定に有益であり；これらのサンプルの光散乱特性は、発光についての明白な消光定数に影響を与えない。しかし、これらの方法は、光学的に不透明被覆膜について、単純な蛍光振幅に基づく測定の光学的干渉を軽減する必要を排除するが（例えば、米国特許第４，９１９，８９１号；同第５，０８１、０４１号、および同第５，０９１、８００号に開示される）、このような緩和に基づく測定を実施する必要がある計測器は、明らかにより複雑になる。
【００１６】
発光染料／ポリマー性材料の種々の組み合わせが、酸素検出膜を作製するために利用されてきた。例えば、米国特許第４，００３，７０７号および同第４，４７６、８７０号は、それぞれピレンおよびピレレンファミリー由来の近紫外吸収染料の使用を開示する。米国特許第４，５８７，１０１号；同第４，７５２，１１５号；同第５，０３０，４２０号、および同第５，６３１，３４０号は、ルテニウム錯体（これは、酸素によりＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ消光を受け、そして長い励起状態寿命を有する（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６３，３３７（１９９１）に概略を述べる））の使用を提唱する。ランタニド錯体（これはまたより長い寿命を有する）はまた、酸素検出目的のために使用された（例えば米国特許第４，８６１，７２７号）。他の発光染料分子（例えばポルフィリン誘導体）は、米国特許第５，０４３，２８６号および国際出願番号９５／１０５２２、ならびにＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ７，１９９（１９９１）、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６７，４１１２（１９９５）、およびＪ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｐｅｒｋｉｎ Ｔｒａｎｓ．２，１０３（１９９５）に開示される。
【００１７】
使用されてきたポリマー性マトリクス材料には、米国特許第４，５８７，１０１号；同第４，７５２，１１５号および同第５，０４３，２８６号に開示されるものが挙げられ、これらは、染料ベースの気体検出膜において使用される場合、可塑化されていないポリマーまたは未処理のゾル−ゲル（例えば米国特許第５，０４７、３５０号）は比較的弱い性能を示すことを、教示する。同時に、可塑化膜または添加物は同様に不利益であり、なぜならば可塑剤および添加物は、浸出し、そして時間中種々の貯蔵条件下で酸素透過性に影響を与えるからである。米国特許第４，４７６，８７０号は、低い酸素透過性膜を有する酸素検出膜は比較的不感応性であることをさらに開示する。弱い性能または所望でないＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ応答に対する応答は、米国特許第５，４６２，８７９号に記載され、ここで、異なる消光定数を有する第二の染料が、ポリマー／染料膜調合物に添加される。
【００１８】
特定の検出膜適用のための、適切なポリマー性材料および発光染料分子を選択することに関する従来の技術は、わずかであり、そして所望の特定の応答特性を有する信頼のおける膜を作製することにおいて、限られた成功のみ存在する。そういうものとして、検出膜は、多かれ少なかれ経験的なまたは試行錯誤法（ｔｒｉａｌ−ａｎｄ−ｅｒｒｏｒ ｍｅｔｈｏｄ）を使用して、入手可能なポリマー性材料および発光染料分子から作製されてきた。つまり、公知の緩和時間を有する染料分子を組み込むポリマー性検出膜を作製し、次いで所望の特性（Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ応答またはｋ_sv）を有する膜が得られたかどうかを調べる。このため、所定の材料の組み合わせに対する特定のポリマー性検出膜の感応性は、事実の後に測定されるだけであった。所望の性能が得られない場合、大量の可塑剤を添加する実施（米国特許第４，５８７、１０１号；同第４，７５２，１１５号および同第５，０４３，２８６号に教示される）が、膜物性を調整するために行われた。結果として、公知のポリマー性検出膜は、比較的複雑で高価な装置を必要とし、比較的弱い感応性または両方を提供する。
【００１９】
同時係属中および一般的に所有された米国特許出願第０８／６１７，７１４号において、その全ての開示は、本明細書中参考として援用されるが、染料およびポリマーの組み合わせ（これは、所定のダイナミックレンジのρＯ₂値に対して所望の応答を与える）を選択するための方法が開示され、そして染料およびポリマーまたはヘテロポリマー（こらは、組み合わされると、所望の酸素検出特性を有する膜を生じる）の特性をまた開示する。この方法は、ポリマー性検出膜のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数が、数学的に、発光染料分子の緩和時間およびポリマー性材料（この中で染料は分散されている）の酸素透過性に関連しているということを見出すための、実験的支持に基づいている。特に、Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数は以下（９）のように与えられ得る：
【００２０】
【数９】

ここで、Ｎ_Aはアボガドロ数であり、ｐは電気的励起状態にある染料と酸素分子が衝突する相対的尤度であり、そしてＰｅｒｍＯ₂は、ポリマー性材料の透過性である。しかし、酸素検出膜に組み込むために適切な、所望範囲のＯ₂透過性を有するポリマーを予め測定することは、以前は欠けていた。
【００２１】
（発明の要旨）
本発明は、当該分野における必要に応答する。この必要とは、発光染料およびポリマー性マトリクスを含む光学センサ調合物を作成する、より容易でありより有効な方法、ならびにこの方法によって作製され得るセンサに対する必要である。本発明は、この必要に、実施態様において、光伝達性（ｌｉｇｈｔ−ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）かつ酸素透過性のマトリクス材料（これらは、好ましくは、酸素透過性（Ｐｅｒｍ_O2）の範囲を有する）を作製する方法を提供することによって応答し、そして次にこれは、所望の範囲にＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を有する酸素検出組成物を提供する。好ましくは、このプロセスは、以下の工程を包含する：第一のモノマーユニットからなる第一ホモポリマー、第一Ｐｅｒｍ_O2値を有する第一ホモポリマーを選択する工程；第二のモノマーユニットからなる第二ホモポリマー、第二Ｐｅｒｍ_O2値（第一Ｐｅｒｍ_O2値より高い）を有する第二ホモポリマーを選択する工程；ならびに第一および第二のモノマーユニットを共重合させて、Ｐｅｒｍ_O2値の中間値（すなわち、２個のＰｅｒｍ_O2値の間であり、このＰｅｒｍ_O2値の中間値は、所望の酸素検出調合のための所望のＰｅｒｍ_O2値を提供する）を有するコポリマーを得る工程。
【００２２】
別の実施態様は、第一および第二ホモポリマーを選択する工程、ならびにＰｅｒｍ_O2値の範囲を有するコポリマーの範囲を調整する工程（種々の割合の第一および第二のモノマーの単位の反応物を使用する工程）を包含する。この範囲のＰｅｒｍ_O2値から、所望のＰｅｒｍ_O2値となる所定の反応のためのホモポリマー反応物の割合は、例えばＰｅｒｍ_O2とホモポリマーの比の曲線をプロットすることによって、決定され得る。
【００２３】
さらに別の実施態様は、本明細書中で開示されたコポリマーを含み、発光染料を含む、光学センサに関する。１つの実施態様において、発光材料は蛍光材料である。別の実施態様において、発光材料はリン光材料である。さらなる実施態様において、発光材料はポルフィリン誘導体である。
【００２４】
（発明の詳細な説明）
本発明は、患者の血液試料中のＯ₂レベルを測定するための、ポリマー性検出調合物を含む光学センサを、より予測通りに得ることに関する。これらの調合物は、光透過性の基質（例えば、ＭＹＬＡＲ（登録商標）のような光学的に透明なポリマー、またはガラス）上に膜として堆積され得る。これらの調合物は、発光色素、および光透過性で酸素透過性のマトリクスを含有し、このマトリクスは、ポリマー性センサ組成物に対して所望の範囲のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を与える、所望の酸素透過性（Ｐｅｒｍ_O2）を有する。このマトリクス材料は、少なくとも１種のコポリマー（またはターポリマーなど）を含有し、このコポリマーは、第一Ｐｅｒｍ_O2値を有する第一ホモポリマーから得られるモノマーユニット、および第二Ｐｅｒｍ_O2値を有する第二ホモポリマーから得られるモノマーユニットから調製され、ここで、これら第一および第二のＰｅｒｍ_O2値が、所望のＰｅｒｍ_O2値を挟む（ｂｒａｃｋｅｔ）。すなわち、この所望のＰｅｒｍ_O2値より一方は小さく、そして一方は大きい。第一および第二のモノマーユニットの相対量を調節することによって、所望の範囲にわたるＰｅｒｍ_O2値（複数）を有する、多数のコポリマー（および拡張により、（所与の色素について）ある範囲のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ特性（ｋ_SV）を有する酸素検出膜）が得られ得る。望ましい実施態様において、Ｐｅｒｍ_O2値対モノマーユニット比のプロットを用いて、所与のＰｅｒｍ_O2について、そのＰｅｒｍ_O2を得るために必要なホモポリマー反応物比が得られ得る。
【００２５】
本明細書中において用いる「ホモポリマー」とは、単一の基本繰り返しモノマーユニットから作られるポリマーを表わす。「コポリマー」とは、少なくとも２種の異なる基本サブユニットまたはモノマー種から作られるポリマーを表わす。「コポリマー」には、交互コポリマー、ランダム（ｒａｎｄｏｍ）コポリマー、ランダム（ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ）コポリマー、ブロックコポリマー、グラフトコポリマー、線状コポリマー、分枝コポリマー（星型コポリマー、グラフトコポリマー、櫛型（ｃｏｍｂ）コポリマー、ラダーコポリマー、およびセミラダーコポリマーを含む）、ならびに網状コポリマー（すなわち、架橋したコポリマー）が挙げられるが、これらに限定されない。さらなるモノマーユニット（すなわち、ヘテロポリマーを形成するため）、官能基などを組み込むことは、本発明の範囲内であることが考慮され、意図される。「ヘテロポリマー」とは、３種またはそれ以上の異なるモノマーユニット種の繰り返しサブユニットから構成されるポリマー鎖である。
【００２６】
「ポリマー性検出膜」とは、本明細書中において用いる場合、ある組成物から作られる、膜または薄い検出層などの物品を表わし、この組成物は、Ｏ₂などの気体により発光エネルギーの消光を示し、そして測定されている環境中のその気体の濃度を定量的および定性的に決定するために用いられ得る。この検出膜は、少なくとも１種の発光色素種（好ましくはこのポリマー材料内に十分に分散されている）を含有するポリマー材料を含む。
【００２７】
「発光」とは、本明細書中において用いる場合、電子的に励起した状態からのエネルギーの放射的な散逸により、分子から発せられる光を意味する。「蛍光」とは、本明細書中において用いる場合、同一の多重度の状態間（典型的には分子の最低励起一重項状態と一重項基底状態との間）での遷移の結果生じる発光を意味する。「りん光」とは、本明細書中において用いる場合、異なる多重度の状態間（典型的には最低励起三重項状態と一重項基底状態との間）での遷移の結果生じる発光を意味する。
【００２８】
開示のコポリマーの生成に用いられるモノマーユニットを含むホモポリマーは、エチレン重合可能モノマーユニット（本明細書中の実施例に詳細に述べられるような）から調製され得る。これらのホモポリマーの調製に用いられる同じ方法が、したがって、本明細書中に記載される、コポリマー性光透過性マトリクスの調製に同様に用いられ得る。本発明の開発において、本明細書に開示する手順から得られるコポリマー性マトリクスの酸素透過性は、様々な比率の第一および第二のモノマーユニットによって調製されたポリマーにより得られる酸素透過性をプロットする曲線の構成によって、より簡単なものとなることが見出された。この曲線から、ホモポリマー反応物比が、所与の酸素透過性について得られ得る。
【００２９】
本開示の酸素透過性マトリクスを構成するコポリマーは典型的に、当業者に公知の技術を用いて第一および第二のモノマーユニットの単純なまたはランダムな共重合によって調製される。この方法は簡単であるという利点を有し、そして本質的な成分の特性が得られるコポリマーマトリクス材料中に混合されることを確実にする。しかし、上で注目したように、この手順の変形が組み込まれ得る。例えば、グラフトコポリマーの、例えば、第一モノマーユニットから作られた短いホモポリマー鎖を、第二モノマーユニットの重合により形成された骨格上にグラフトすることにより作製されたものが、同様に得られ得る。このような材料の特性（すなわち、酸素透過性）は、同じ反応物比を組み込みながら異なる様式（上記のランダム重合プロセスのような）で調製されたコポリマーとは恐らく異なり得ることが理解される。しかし、このような変形は、本発明の範囲内であることが意図される。本発明の酸素透過性マトリクスを形成するコポリマーを得るための特定の方法は、本開示に添付の様々な実施例に開示され、これらは本発明を限定するのではなく、通常用いられるコポリマー調製の技術分野において公知の方法が用いられ得ることを例示するのみである。この光透過性で酸素透過性のマトリクスをより良好に配置し得るために（スピンキャスティングのような方法で）、得られるコポリマーは望ましくは、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）のような有機溶媒に可溶である。
【００３０】
モノマーユニットから調製され得る開示のコポリマーを含むホモポリマーの例は、ポリ（アミド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（アクリレート）、ポリ（アルキルアクリレート）、ポリ（スチレン）、ポリ（ニトリル）、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ジエン）、ポリ（エステル）、ポリ（カーボネート）、ポリ（シロキサン）、ポリ（ウレタン）、ポリ（オレフィン）、ポリ（イミド）およびセルロース類が挙げられる。
【００３１】
ポリマー性検出膜中の発光色素分子対ポリマー材料の割合が高すぎる場合、色素分子は結合し得、その結果この膜を介した気体透過性が減少し、非理想的な挙動が生じる。望ましくは、ポリマー性検出膜は、約４重量％以下の発光色素、より望ましくは約２重量％以下の発光色素、そして最も望ましくは約１重量％以下の発光色素を含有するべきである。
【００３２】
励起可能な任意の発光色素、検出されるガスによって消光可能な発光、本明細書中に開示された光透過型ポリマーマトリクス内の分散が使用される。酸素センサのためのこのような色素分子には、例えば、米国特許第４，００３，７０７号に開示されるピレン蛍光色素、または米国特許第４，４７６，８７０号および同第５，４６２，８７９号に開示されるピリレン色素が挙げられる。本発明に使用され得る他の色素には、ルテニウム錯体（米国特許第５，０３０，４２０号およびＡｎａｌ，Ｃｈｅｍ．６３，３３７（１９９１）で開示される）；ランタニド錯体（米国特許第４，８６１，７２７号に引用される）；およびポルフィリン誘導体（米国特許第５，０４３，２８６号；国際出願第９５／１０５２２号；Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ７，１９９（１９９１）；Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６７，４１１２（１９９５）；およびＪ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｐｅｒｋｉｎ Ｔｒａｎｓ．２，１０３（１９９５）に開示される）が挙げられるが、これらに限定されない。使用され得る発光色素分子には、さらに、ピレン−ブチル酸、ピリレン−ジブチレート、ベンゾ−ピリレン、ビニルベンゾ−ピリレン、（４，７−ジフェニル−１，１−フェナントロリン）₃Ｒｕ（ＩＩ）、ならびにルテニウム（ＩＩ）、オスミウム（ＩＩ）、イリジウム（ＩＩＩ）、ロジウム（ＩＩＩ）およびクロム（ＩＩＩ）イオンと２，２’−ビピリジン、１，１０−フェナントロリン、４，７−ジフェニル−（１，２０−フェナントロリン）、４，７−ジメチル−１，１０−フェナントロリン、４，７−ジスルホン化ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、５−ブロモ−１，１０−フェナントロリン、５−クロロ−１，１０−フェナントロリン、２，２’ビ−２−チアゾリン、２−２’ビチアゾールまたは他のα−ジイミン配位子との配位子金属錯体、ならびにテトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリン、テトラフェニル−Ｐｔ−ポルフィリン、オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン、オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリンケトン、オクタエチル−Ｐｔ−クロリン、テトラフェニル−Ｐｔ−クロリンおよび他のポルフィリン誘導体が挙げられる。
【００３３】
特定の発光色素分子の選択は、少なくとも部分的に、発光色素分子のある特定の光物理的特性に依存する。表１は選択された色素のこれらのいくつかの特徴の比較を提供する。オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリンケトン以外の色素は、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ Ｌｔｄ ｉｎ Ｂａｓｅｌ，Ｓｗｉｔｓｅｒｌａｎｄから供給され、そしてＥＰ−Ａ９７／０３９１５に記載されたように調製される。オクタエチル−Ｐｔ−プルフィリンケトンは、Ｊｏａｎｎｅｕｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｉｎ Ｇｒａｚ，Ａｕｓｔｒｉａから購入した。多くの場合、高い量子収率を有する発光色素分子（すなわち分子が吸収した照射光の比較的高い割合を発光する分子）を使用することが有利である。本明細書中で使用される「量子収率」は、色素分子の電子が基底状態から励起状態への遷移を受けるために色素分子によって吸収された光子数と、励起状態から基底状態に電子が戻る際に同じ色素分子によって発光された光子数との割合を表す。好ましくは、発光色素は少なくとも約０．１、より好ましくは少なくとも約０．２５、そして最も好ましくは少なくとも約０．５の量子収率を有するべきである。
【００３４】
【表１】

略語：
（ｄＰＰ）₃Ｒｕ：（４，７−ジフェニル−１，１−フェナントロリン）₃ＲｕＩＩ
ＯＥＣ：オクタエチル−Ｐｔ−クロリン
ＯＥＰ：オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン
ＯＥＰＫ：オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリンケトン
ＴＢＰ：テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリン
ＴＣＨＰＰ：テトラシクロヘキシル−メソ−テトラフェニル−Ｐｔ−ポルフィリン
ｍＴＰＴＢＰ：メソ−テトラフェニル−テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリン
理想的には、発光色素分子はまた、色素分子が曝露される比較的多くの量の照射光を吸収するべきである。この特性は最大吸光度の波長における吸光係数によって評価される。本明細書中で使用される用語「吸光係数」とは、１ｃｍの通過長さを有する１Ｍ溶液による光の吸光度のことをいう。発光色素分子は、好ましくは少なくとも約２０，０００Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍ、より好ましくは少なくとも約５０，０００Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍ、そして最も好ましくは少なくとも約７５，０００Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍの吸光係数を有する。
【００３５】
当該分野に公知のように、量子収率および吸光係数はどちらも単独では、発光色素分子が入射光を発光に変換する効率を示す十分な指標ではない。しかし、量子収率と吸光係数との積は、所定の検出システムについて、色素分子の入射光を発光に変換する効率を決定する際、規準として用いられる。
【００３６】
ポリマー性検出膜を使用するコストを削減するために、励起、発光の検出、および単一の情報の処理が、比較的単純な電子部品を使用して行われ得るような発光色素分子を使用することがよく望まれる。本明細書中で使用され得る容易に利用可能な励起源は、フラッシュランプ、タングステンハロゲンランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーおよびレーザーダイオードである。ＬＥＤは、安価で低消費電力の消費を提供するため特に望ましい。しかし、ＬＥＤは比較的狭いバンドの照射光を出力する；従って、発光色素分子／ＬＥＤの組み合わせを得るために、色素分子の吸収波長はほぼＬＥＤの最大出力波長に合わせられる。任意のポリマー性検出膜の感度を最適化するために、望ましくは、膜中に分散された蛍光色素分子の発光スペクトルはまた、選択した検出器の最大感度と一致していなければいけない。ピレンおよびピリレン色素からの短波長発光（約４００ｎｍ〜５００ｎｍ）は、ほとんどの光電子増倍管で検出可能であり、低コストの半導体検出回路はしばしば、比較的長波長の発光（例えば、約６００ｎｍ〜約１０００ｎｍ）を検出するのに有効であり、例えば、フォトダイオードは、６５０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲の発光ピークを有するポルフィリン色素ベースの膜に使用され得る。
【００３７】
ポリマー性検出膜の減衰時間を測定するのに使用される電気機器に望まれる応答時間は、膜内に分散された発光色素の発光寿命に依存する。表１は、溶液中で測定した色素の寿命（τ₀）が、スチレンの単一の基準ポリマー材料内に分散された同じ色素の寿命と類似していることを示す。次いで、溶液中における発光色素についての実験データは、ポリマー中に分散された同じ色素の発光寿命の挙動を見積もるために使用され得る。クエンチされていない発光寿命（τ₀）およびクエンチされた発光寿命（τ）が長くなるにつれて、検出および信号処理に必要な周波数特性が低くなる。このことにより一般に、測定を行う場合、より遅く、より容易に利用可能な、高価ではない電子装置の使用が可能になる。例えば、６〜１１．４μ秒のτ₀を有するルテニウムジフェニルフェナントロリン色素を含むポリマー性検出膜には、最低周波数が約２７ｋＨｚ〜約２７０ｋＨｚの範囲で操作する装置を必要とする。反対に、τ₀＝８５μ秒を有するオクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン（ＯＥＰ）を含むポリマー性検出膜は、約２ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚの最低周波数で操作し得る。
【００３８】
特に好ましい色素には、メソ−テトラフェニル−テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリン（ｍＴＰＴＢＰ）、テトラシクロヘキセニル−メソ−テトラフェニル−Ｐｔ−ポルフィリン（ＴＣＨＰＰ）およびオクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン（ＯＥＰ）ならびにそれらの混合物が挙げられる。表１に示されたように、ｍＴＰＴＢＰは、数十マイクロ秒の比較的長い緩和時間τ₀を有し、ｋＨｚ範囲の応答を有する装置とともに使用するのに適切である。吸光度に基づいた吸光係数ελが８８，１００Ｌ／ｍｏｌ^-1ｃｍ^-1である場合、０．２の量子収率ＥｍΦ₀はかなり強い。ｍＴＰＴＢＰについて、ＥｍΦ₀とελとの積は、光学的な信号発生利点の相対的数字ελ×Φ₀／１０００を生じる。これは、オクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン（ＯＥＰ）およびテトラシクロヘキセニル−メソ−テトラフェニル−Ｐｔ−ポルフィリン（ＴＣＨＰＰ）に次いで２番目である。しかし、ｍＴＰＴＢＰはまた、例えばＴＣＨＰＰに比べてＴＨＦにより溶解することが望まれる。ｍＴＰＴＢＰについての６１５ｎｍにおける極大波長または極大吸収はまた、安価な、高出力ＬＥＤがその色素を励起するのに使用され得るため、有効である。一方、最大励起が７７５ｎｍ付近の色素もまた、シリコンベースの検出器の最大感度に理想的である。
【００３９】
本発明に従う、伝達可能な基板上の薄いポリマーコーティングの開発は、サンプルへの感応性の発光性のコーティングを可能とし、励起光および発光信号がセンサの「後」側から透過性基板を通って移動することが可能になるということを示した。これらの新規のコーティングは典型的に薄く、Ｏ₂レベルの段階的変化に対して非常に速い応答（９０％以上の定常状態で１秒以下）を示す。コーティング／膜の厚さは、望ましくは約１〜５μｍの間、望ましくは約３μｍ以下、より望ましくは約２μｍ以下、そしてより望ましくは約１μｍ以下である。これらのセンサは頑丈であり、数日間の期間にわたって数千回の測定が可能であり、単色ＬＥＤ光源および固体状態検出回路とともに使用し得る。
【００４０】
単一発光振幅ベースのシステムにおいて、これらは相当大きなフラクション（９０〜９５％）の励起光であり得、発光信号はサンプルまで膜を通って通過し、吸収され、散乱され、検出層に戻り反射得る。さらに、検出層から発光された発光信号はまた、吸収され得、サンプルから検出オプティクスに散乱または戻り反射され得る。これら２つの効果は、完全な吸収サンプルと完全な反射サンプルとの間の発光信号の４倍もの変化を引き起こすために合わせられる。典型的なサンプルの光学特性は通常、この範囲を大きく変えず（すなわち、完全な吸収から完全な反射まで）、そして膜はそれ自体少なくとも幾分かの光の減衰を引き起こし得るが、振幅モードで測定した場合、このタイプの発光センサについての不確定性の明らかな原因とはならない。後者の問題の解決法は、光学センサの色素およびポリマー層に直接添加された光減衰特性を有するフィラー材料の包含である。従って、センサ製造プロセスにおいて、散乱または反射材料を直接検出層に添加することによって、より複雑な層状化学試薬または作製工程の必要性は排除され得る。大量に添加する場合、このようなフィラー剤の添加は、検出マトリクス組成物の変化によって膜特性を幾分か変え得ることに注意するべきである。
【００４１】
上記のＯ₂検出調合物は、発光検出の位相変調、緩和、または周波数ベースのモードのために使用され得る。しかし、発光振幅または振幅比を含む測定のために、散乱フィラー材料（同時係属出願および共有に係る米国特許第−（代理人整理番号ＣＣＤ−２３５）（同じ出願日）、全開示は本明細書中参考として援用される）が、好ましくは、サンプルの吸光度および反射特性の変化の影響を防ぐために組み込まれる。さらに、例えばＴｉＯ₂（例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ ＤＥ）からのＴＩ−ＰＵＲＥ（登録商標）ｄｒｙ ｇｒａｄｅ Ｒ−７００）の粒子が、血液および水性サンプルの中の光減衰の差がないように、５０重量％までの量（Ｏ₂検出膜組成物の全重量に基づく）添加され得る。
【００４２】
本発明に従って、本明細書中に開示されたポリマー性検出膜を含む光学センサは、基板を含み、その上にポリマー性検出膜は積層され得る。この基板は望ましくは光透過性材料である。本明細書中で使用される「光透過性材料」とは、好ましくは、発光材料の電子励起を誘導するために使用される、電磁気照射の少なくとも約９５％を透過する材料のことをいう。この結果、透過モードによって測定される場合、少なくとも９８％の発光がもたらされる。
【００４３】
本発明の使用に適切な基板は、多くとも０．０５Ｂａｒｒｅｒ、より好ましくは多くとも、０．００５Ｂａｒｒｅｒ、そして最も好ましくは多くとも０．０００５Ｂａｒｒｅｒの透過性を有する（Ｊ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉ．９，５３（１９８１）に開示の方法により測定した）。適切な基板の例示的かつ無制限のリストには、ＭＹＬＡＲ（登録商標）；ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）；ＳＡＲＡＮ（登録商標）；ＡＣＬＡＲ（登録商標）およびガラスが挙げられる。他の適切な材料は当業者に明らかであり、そして本発明の請求の範囲内であることが意図される。
【００４４】
ガス透過性は、単位時間あたりに流れるガスの体積（標準温度および圧力のもとで）×この材料の厚み÷（材料の面積×面積内の材料にわたる圧力の差）として本明細書中で定義される。Ｂａｒｒｅｒの標準単位：（（［ｃｍ³］×厚み［ｃｍ］×１０^-10）／面積［ｃｍ²］×時間［秒］×Ｐ_diff［ｃｍＨｇ］）への変換は、標準変換定数（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｈａｎｄｂｏｏｋ 第３版、Ｊｏｈｎ ＷｉｌｅｙおよびＳｏｎｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，（１９８９）に開示される）によってなされ得る。ガス透過性を測定するための別のアプローチは、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．４１，１（１９７３）に開示される。透過性を測定する他の方法は当業者に公知であり、本発明の範囲内であることを意図する。
【００４５】
特定の場合において、ポリマー性検出材料が水または水蒸気にさらされそして水和物になった場合、膜のＯ₂透過性は変化し得るため、ポリマー性材料の水取り込み特性は重要であり得る。膜の水和はまた、基底状態および励起状態における双極子効果によって、膜中に分散された色素分子の発光寿命の変化を起こし得る。従って、ポリマー性検出膜が水または水蒸気にさらされる実施態様において、この膜の水取り込み特性は、ガス透過性およびその後に続く発光寿命は任意の使用の経路に亘る水和に対して耐性がなければならない。例えば、ポリマー性材料は、比較的低いかまたは遅い水の取り込みを有するべきである（この結果、膜は実験の経路に亘って実質的に水和されない）。しかし、測定を行う前に膜が実質的に水和され、水の双極子が色素特性に悪影響を与えないいくつかの場合、比較的高いかまたは速い水の取り込みが可能となる。
【００４６】
ポリマー性検出膜の可撓性は、膜中に含まれるポリマーの可撓性に依存する。いくつかの使用のためには、比較的可撓であるポリマー性検出膜が望まれ得る。このような可撓性は、この膜に、接合表面間の不均一性を同調させ得る。さらに、可撓性膜は、いくつかの検出チャンバー構造における密閉ガスケットの使用を防止し得る。さらに、可撓性膜は、脆い膜よりも、可撓性基板からの剥離が起こりにくくする。典型的には、ポリマー性検出膜の可撓性は、ポリマー性材料のガラス転移温度（Ｔ_g）に関連する。ポリマー性材料の多くの物理的性質（ガス透過性を含む）は、ガラス転移温度でまたは付近で変化するので、ポリマー性検出膜は、意図した操作温度に余り近いＴ_gを有してはならない。例えば、３７℃での総血液試料中のＯ₂決定用の膜は、３７℃付近のガラス転移温度を有してはならない。従って、このような場合のＴ_gは望ましくは、約−４０℃と約１１０℃の間の両極端付近である。
【００４７】
図面を参照すると、図１は、透明基板または支持体１２上に検出膜または検出層１４を備えるセンサ１０を示す。検出層または膜１４の必須の構成要素は、発光材料２または色素それ自体、およびポリマーマトリクスまたは結合材料４である。発光振幅に基づいた測定の場合のように、光分離がまた所望される場合、反射性または散乱性フィラー材料６がまた、膜に加えられる。
【００４８】
図２は、本発明の光センサ１０の発光振幅応答を測定するための適切な装置を示す。この測定装置１４０は、フローセルアセンブリ６０および光源および検出器サブシステム１００から構成される。この光源および検出器サブシステム１００に関して、ＬＥＤ源１５２およびレンズ１５４は、フィルター１６２を通して光ファイバースプリッター１８０（例えば、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａｕｂｓｃｈｅｒ Ｃｏｒｐ．製，Ｆａｒｍｉｎｇｄａｌｅ，ＮＹ）のひとつの脚１８２に励起光を向ける。センサ１０からファイバーケーブル８０および脚１８４を通って戻る発光シグナルは、フィルター１６８および開口部１５８を通過した後、光ダイオード１７２により検出される（例えば、Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製，Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ，ＮＪ）。発光検出器１７２の出力電流は、前置増幅器１７４（例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳＲ５７０電流前置増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ））で増幅され、そして電圧に変換され、分析における使用のため記録される。
【００４９】
例えば、メソ−テトラフェニル−テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリン色素（ｍＴＰＴＢＰ）を用いた高輝度オレンジＬＥＤ（Ｍａｒｋｔｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐ，Ｌａｔｈａｍ，ＮＹから入手可能なＴＬＯＨ１８０Ｐ）が光源１５２として使用され得る。５８０ｎｍの中心波長および１００ｎｍの二分の一帯域幅を有する干渉フィルター（例えば、Ｏｍｅｇａ Ｏｐｔｉｃａｌ製，Ｂｒａｔｔｌｅｂｏｒｏ，ＶＴ）がフィルター１６２として使用され得、そして７１０ｎｍより大きい発光用の７１０ＥＦＬＰ長波長パスフィルターがフィルター１６８のために使用された。発光材料２として異なった色素を使用する各々独立したセンサ検出層１４は典型的には、それ自体好ましいＬＥＤ源１５２、励起フィルター１６２および発光フィルター１６８である必要がある。
【００５０】
光センサ１０の発光検出層１４が、検体ガスを測定するため、フローセルアセンブリ６０により試料と接触される場合、生成されそしてその後光ファイバー８０により励起および検出サブシステム１００に伝えられる光学発光シグナルは、発光振幅応答の典型である。周波数に基づいた測定については、米国特許出願番号０８／６１７，７１４に記載されている装置を使用し得る。
【００５１】
図３は、ポリマー性検出膜を使用して酸素透過を測定するための装置４０を示す。装置４０では、固定濃度の酸素を含有するガスの一定フローが、チャンバー４１を通って膜４４の片側の湿ったティッシュペーパー４２上を通過する。酸素センサ４６（例えば、Ｃｌａｒｋ電極）は、撹拌された固定容量の水５０を含有するチャンバー４８中の酸素の増加率をモニターする。
【００５２】
以下の例示的および非限定的実施例は、本発明の特定の局面を立証することが意図される。
【００５３】
（実施例１）
出発モノマーユニット２−エチルヘキシルメタクリレート（２０％）およびメチルメタクリレート（８０％）から生成したコポリマーを以下のように調製した。出発材料を全て、再結晶するかまたは新たに蒸留して、純度を保証した。１８４．２８の分子量（ＭＷ）を有する２２．０７ｇの２−エチルヘキシルメタクリレート、４７．９２ｇのメチルメタクリレート（ＭＷ＝１００．００）、および０．０７０ｇの開始剤アゾ−ビス−イソブチロニトリル（ＭＷ＝１９２．３）を溶解して均一な溶液を形成した。２つのガラスプレート（各々、３つの端に沿って密封ゴムガスケットを有する）を、お互いに平行に取りつけ、約２ｍｍの間隔により分離した。この形態を次いで、約３２ｇの上記溶液で満たし、そして窒素でフラッシュしたドライボックス中で、４２時間６０℃まで加熱した。この混合物をランダムな様式で固体状態に重合させ、次いで、約１５０ｍｌのクロロホルムに溶解し、グラスフィルターを通して濾過し、４リットルのメタノール中で沈殿させた。この沈殿ポリマーを次いで、４０℃で３日間、真空乾燥した。このポリマーから形成した膜は、２５℃で測定された０．９Ｂａｒｒｅｒの透過性を有した。
【００５４】
（実施例２）
必要とされる性能特性を与える適切なコポリマーを生成する原理を立証するため、本発明に従ったＯ₂−検出膜を、ＯＥＰおよび一連のコポリマーで調合した。この検出膜を、１ｍｌのＴＨＦに溶解した２ｍｇの色素および１００ｍｇのポリマーを含有するスピンキャスティング溶液によりガラスカバースリップ上に形成した。このコポリマーのシリーズを、比較的低い透過性ホモポリマー（ポリメチルメタクリレート）、およびより高い透過性材料ポリエチルヘキシルメタクリレートを選択することにより形成した。コポリマーそれ自体を、実施例１の方法によりそして米国特許第５，３８７，３２９号（その全体が、本明細書中で参考として援用される）に記載されるように、対応するモノマーユニットメチルメタクリレート（ＭＭＡ）およびエチルヘキシルメタクリレート（ＥＨＡ）から合成した。表ＩＩに示したように、増加した割合のＥＨＡを有するＭＭＡの重合は、色素ＯＥＰと混合する場合、増加した検出応答を有する酸素センサを生成するポリマーを生成する。このことは、２５℃で測定した、Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数Ｋ_SVの増加により立証される。出発の重合比を０ｍｏｌ％から２０ｍｏｌ％ＥＨＡまで増加すると、第四のカラムに見られる測定透過性がまた増加する。２つの異なる透過性材料から体系的にコポリマーを生成することにより、元のモノマーユニットの透過性の間の値に透過性を調整し得、それゆえ中間の所望のＫ_SVにより規定される特定の性能基準を満足させる。
【００５５】
【表２】

¹重合のための初期供給％
²２５℃で選択ポリマーについて決定した透過性
³表示したコポリマー中に包埋したオクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン色素を用いて、酸素分圧の関数として２５℃で決定した発光の消光のためのＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数。
【００５６】
（実施例３）
異なるコポリマー系を使用して、実施例２に記載したアプローチを拡大した。低透過性のポリアクリロニトリル（Ｐｅｒｍ₀₂＝０．００２Ｂａｒｒｅｒ）およびより透過性のポリスチレン（Ｐｅｒｍ₀₂＝２．６Ｂａｒｒｅｒ）のモノマーユニットを、共重合のため選択した。表３に見られるように、最終コポリマー中のスチレン成分のモル％を本質的に０から１００％まで増加させると、Ｋ_SVの増加が観察された。比較のため、酸素消光能力のこの増加を、選択したコポリマーの透過性増加と並べた。
【００５７】
【表３】

¹重合後、窒素含量に基づいて決定した％
²２５℃で選択ポリマーについて決定した酸素透過性
³表示したコポリマー中に包埋したオクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン色素を用いて、酸素分圧の関数として２５℃で決定した発光の消光のためのＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数。
【００５８】
（実施例４）
ポリマー中のポルフィリン色素ＯＥＰ（この透過性を、エチルヘキシルメタクリレートおよびメチルメタクリレートモノマーユニットを１０／９０の比で共重合させることにより、調整した）を使用して血液酸素を検出する原理を図４に示した。センサ調合物を、２ｍｇのＯＥＰおよび１００ｍｇの上記コポリマーを１ｍｌのＴＨＦに溶解することにより調製し、続いて顕微鏡スライドガラス上に２０００ＲＰＭでスピンコーティングした。トノメータで測定した液体緩衝液（ダイアモンドシンボル）を使用して較正するかまたは回帰直線を作成し、一方、他のシンボルは、上記の周波数変調モードによりまた得たトノメータで測定した血液の値を表す。
【００５９】
（実施例５）
図５では、色素ＯＥＰを代わりに、スチレンとアクリロニトリルから開発したコポリマーシリーズ由来のＳＴＹ／ＡＮ５８／４２を用いて調合した。２ｍｇのＯＥＰおよび１００ｍｇのコポリマーを１ｍｌのＴＨＦに溶解し、次いで薄膜センサ膜を透明なＭＹＬＡＲ（登録商標）基板上に回転成形した。図４のように、この血液値は、トノメータで測定した液体緩衝液に対する周波数応答の較正曲線に従うのが見られ得る。表ＩＶには、個々の血液測定値を較正直線と比較して決定した酸素レベルにより、平均値を計算した。これらの値は、最も高い酸素値を除いて、市販の血液ガス計器（例えば、Ｃｈｉｒｏｎ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡから市販の２７８シリーズ）で典型的に見られる所定の許容誤差限界の範囲内である。
【００６０】
【表４】

（実施例６）
図６は、ｍＴＰＴＢＰ色素をスチレン／アクリロニトニルコポリマーＳＴＹ／ＡＮ５８／４２を用いて調合したデータを示す。この場合、２ｍｇの色素を１００ｍｇのコポリマーと共に１ｍｌのＴＨＦに溶解し、ガラス基板上にスピンキャスティングにより堆積した。硬化後、トノメータで測定した血液の複製試料を、周波数変調法により測定し、トノメータで測定した緩衝水溶液試料の周波数測定値から得た較正直線と比較した。表Ｖに見られるように、個々の周波数測定値を較正直線と比較して決定した酸素レベルにより、平均値を計算した。これらの値はまた、表ＩＶで初めに設定した許容誤差限界の範囲内である。
【００６１】
【表５】

（実施例７）
市販の計器で使用され得る検出膜層の作製を立証するため、ｍＴＰＴＢＰ、およびエチルヘキシルメタクリレート／メチルメタクリレートシリーズ由来のコポリマーＥＨＡ／ＭＭＡ １５／８５を含有する調合物から得た試験片を、連続直線堆積法（本発明者らの同時継続中でかつ共有に係る米国特許出願番号 、弁理士整理番号ＣＣＤ−２１３（この全体の開示が、本明細書中で参考として援用される）に記載されるように）を使用して置いた。コーティング溶液を、ガラスシンチレーションバイアルに、６ｍｇのｍＴＰＴＢＰ、３００ｍｇのエチルヘキシルメタクリレートコポリマーＥＨＡ／ＭＭＡ １５／８５、および３ｍｌ ＴＨＦを添加することにより作成し、得られた混合物を一晩溶解させた。検出材料の小片を７５μｍの厚さの透明なＭＹＬＡＲ（登録商標）膜上に堆積した（ＩＶＥＫ ＬＳ Ｔａｂｌｅ（ＩＶＥＫ Ｃｏｒｐ．，Ｓｐｒｉｎｆｉｅｌｄ，ＶＴ）を用いて配置した）。この混合物を、ＩＶＥＫ製のＤｉｇｉｓｐｅｎｓｅ２００ポンプシステムを用いて、５μｌ／秒の速度でＭＹＬＡＲ（登録商標）基板上の７５μｍに配置したノズルを通して堆積し、５０ｍｍ／秒の線形速度で小片を生成した（乾燥した場合、約２ｍｍの幅および約５μｍの厚さを有する）。空気乾燥後、この小片を、１１０℃で１時間、真空下で硬化させ、そして冷却して溶媒の全ての痕跡量を除去した。図７には、色素ｍＴＰＴＢＰを、散乱フィラー材料の添加なしでコポリマーＥＨＡ／ＭＭＡ １５／８５検出層内に分配した小片について示した。この場合、６１２ｎｍのオレンジＬＥＤ由来の励起光を連続的に周波数で変調し、４５°の遅延位相角を与えるよう調節した。トノメータで測定した血液試料は、トノメータで測定した緩衝水溶液を使用し、式８に従うことにより確立した較正直線と良く一致することが分かる。
【００６２】
（実施例８）
内部コーティング（ｉｎｔｒａｃｏａｔ）センサ小片（すなわち、ポリマー性検出組成物は、反射性または散乱性フィラー材料を含む）を用いた振幅ベースの発光測定における使用に適切な酸素センサを、本発明者らの同時継続中でかつ共有に係る米国特許出願番号 （同一出願日）、弁理士整理番号ＣＣＤ−２３５（この全体の開示が、本明細書中で参考として援用される）に記載した原理に従って作製した。この小片を調製するため、コーティング溶液を二工程で作成した。第一工程を、ガラスジャーに、１ｇのＥＨＡ／ＭＭＡ １５／８５、１ｇのＴｉＯ₂、１０ｍｌのＴＨＦおよび１０個のタングステンビーズを加え、一晩撹拌することにより実施した。第二工程は、３ｍｌのの撹拌混合物に６ｍｇのｍＴＰＴＢＰを加え、続いて旋回（ｖｏｒｔｅｘ）させた。実施例７に示した同一条件を使用して、小片を、撹拌しかつ混合したコーティング溶液からＭＹＬＡＲ（登録商標）上に堆積した。
【００６３】
図８の結果は、トノメータで測定した血液試料がまた、内部コーティング材料を含有するセンサを使用する場合に、透明な水溶性試料較正材料について得たＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ相関に一致する発光振幅ベースの応答（Ｆ₀／Ｆ）を与える。これらのポイントは、各々独立した酸素レベルでの血液または液体較正材料のいずれかの５つの別個の試料の値を表す。
【００６４】
（実施例９）
ポリマーの透過性を調整するためのアプローチは、コポリマーのみに限定されない。望まれる特性を有するヘテロポリマーをまた、高透過性または低透過性モノマー出発材料のいずれかの量を変化させることにより改変し得る。そのような１つの例には、２５％アクリロニトリル、１０％２−エチルヘキシルメタクリレート、４０％メチルメタクリレートおよび２５％酢酸ビニルを含有する出発材料を用いて開始するポリマーが挙げられ、以下のように合成合成した：５３．０６の分子量を有する９．４６ｇのアクリロニトリル；１８４．２８の分子量を有する１３．１２ｇの２−エチルヘキシルメタクリレート；１００．００の分子量を有する２８．５６ｇのメチルメタクリレート；８６．０９の分子量を有する１５．３３ｇの酢酸ビニル、および１９２．３の分子量を有する０．０７０ｇの開始剤アゾ−ビス−イソブチロニトリルを溶解して溶液を形成した。２つのガラスプレート（各々、３つの端に沿って密封ゴムガスケットを有する）を、お互いに平行に取りつけ、２ｍｍの間隔により分離した。この形態を次いで、約３２ｇの上記溶液で満たし、そして窒素でフラッシュしたドライボックス中で、４２時間６０℃まで加熱した。この混合物を固体状態に重合させ、次いで、約１５０ｍｌのクロロホルムに溶解した。続いて、グラスフィルターを通して濾過し、４リットルのメタノール中で沈殿させた。この沈殿材料を次いで、４０℃で３日間、真空乾燥した。このポリマーから形成した膜は、２３℃で測定した場合、約０．３８Ｂａｒｒｅｒの測定透過性を有した。１００ｍｇのこのポリマー材料および２ｍｇのＯＥＰを１ｇのＴＨＦに溶解し、そしてこの溶液を、実施例２のようにガラス支持体上にスピンキャスティングした。このポリマー検出膜を６５℃で１時間、真空中で硬化させた。２３℃で測定した場合、Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を計算すると、０．００４４（ｍｍＨｇ）^-1であった。
【００６５】
上記ポリマーの応答特性を調節するため、ＥＨＡの出発モル比率を１５％まで上げ、ＶＡＣ比率を２０％まで低下させた。上記方法により調製した場合、同様なヘテロポリマーとなり、これは、キャストポリマー膜を２３℃で測定した場合、０．５４Ｂａｒｒｅｒの酸素透過性を有した。Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数はまた、測定を２３℃で同様に実施した場合、より高く対応する０．００５（ｍｍＨｇ）^-1であった。
【００６６】
それゆえ、本発明の特定の実施態様に記載したように、種々の変化、改変および改善は、当業者には容易に見出される。そのような変化、改変および改善は、本明細書の開示の一部であると意図され、本発明の精神および範囲内にあると意図される。使用される材料、ならびにこれらの形状および寸法は、変化され得る。さらに、酸素濃度の測定におけるコポリマー検出膜の使用が本明細書中で強調されたが、本発明は、本明細書中で記載した適切なポリマー材料および発光色素材料が設計されそして／または使用され得る限り、任意のガスの濃度の測定に利用され得ると理解されるべきである。従って、上述の記載は、実施例のみによるものであり、限定することを意図しない。本発明は、特許請求の範囲およびその等価なものにおいて定義されたようにのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明を有する例示的な光学センサを示す。
【図２】 図２は、本明細書に記載されるような発光性光学センサの出力信号振幅を測定するための試験装置の略図である。
【図３】 図３は、本明細書に記載されるような膜の気体透過性を測定するのに適切な装置の略図である。
【図４】 図４は、エチルヘキシルメタクリレート／メチルメタクリレートコポリマー（ＥＨＡ／ＭＭＡ １０／９０）のマトリクス中にオクタエチル−Ｐｔ−ポルフィリン染料（ＯＥＰ）を含む本発明の実施態様に従って得られた膜の酸素に対する周波数に変調された応答を示すグラフである。
【図５】 図５は、スチレン／アクリロニトリルコポリマー（ＳＴＹ／ＡＮ ５８／４２）のマトリクス中にＯＥＰを含む本発明の実施態様に従って得られた膜の、血液サンプル中の酸素に対する周波数に変調された応答を示すグラフである。
【図６】 図６は、スチレン／アクリロニトリルコポリマー（ＳＴＹ／ＡＮ ５８／４２）のマトリクス中にｍｅｓｏ−テトラフェニルテトラベンジル−Ｐｔ−ポルフィリン染料（ｍＴＰＴＢＰ）を含む本発明の実施態様に従って得られた膜の、血液サンプル中の酸素に対する周波数に変調された応答を示すグラフである。
【図７】 図７は、実施例７で詳述したように、エチルヘキシルメタクリレート／メチルメタクリレートコポリマー（ＥＨＡ／ＭＭＡ １５／８５）のマトリクス中にｍＴＰＴＢＰを含む本発明の実施態様に従って得られた膜の、血液サンプル中の酸素に対する周波数応答を示すグラフである。
【図８】 図８は、ＴｉＯ₂粒子膜をさらに含むセンサが使用される場合（実施例８）の、透明な水性校正材料から誘導されたＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ関係に適合するようにトノメータで測定した血液サンプルの応答（Ｆ₀／Ｆ）に基づく、発光振幅を示す。

Claims (10)

1. 発光色素、および光透過性で酸素透過性のマトリクス材料を含有する、ポリマー性検出組成物を調製する方法であって、以下：
   ａ．該ポリマー性検出組成物に組み込むための発光色素を選択する工程；
   ｂ．該マトリクス材料について所望の酸素透過性（Ｐｅｒｍ_O2）範囲を決定する工程であって、該所望の酸素透過性範囲が、該ポリマー性検出組成物について所望の範囲のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を提供する、工程；
   ｃ．該光透過性で酸素透過性のマトリクス材料を、以下：
   ｉ．第一モノマーユニットからなる第一のホモポリマーを選択する工程であって、該第一ホモポリマーが第一Ｐｅｒｍ_O2値を有する、工程；
   ｉｉ．第二モノマーユニットからなる第二ホモポリマーを選択する工程であって、該第二ホモポリマーが、該第一Ｐｅｒｍ_O2値とは異なる第二Ｐｅｒｍ_O2値を有する、工程；
   ｉｉｉ．該第一および第二のモノマーユニットを共重合して、中間のＰｅｒｍ_O2値を有するコポリマーを得る工程であって、該中間のＰｅｒｍ_O2値は、該第一および第二のＰｅｒｍ_O2値の間であり、該中間のＰｅｒｍ_O2値が、該所望のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数の範囲内のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を提供するのに十分である、工程；および
   ｉｖ．該発光色素を該コポリマーに組み込む工程；および
   ｖ．該コポリマーに散乱性フィラー材料を組み込む工程、
   によって調製する、工程；
   を包含し、ここで、
   該光透過性で酸素透過性のマトリクス材料を調製する工程がさらに、該モノマーユニットを、（ａ）エチルヘキシルメタクリレートおよびメチルメタクリレートならびに（ｂ）スチレンおよびアクリロニトリルからなる群から選択する工程を包含する、
   方法。
2. 前記発光色素を組み込む工程がさらに、ピレン、ピレレン（ｐｙｒｅｌｅｎｅｓ）、ルテニウムの配位子金属錯体、Ｐｔクロリン誘導体、およびＰｔ−ポルフィリン誘導体からなる群から選択される発光色素を組み込む工程を包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記発光色素を組み込む工程がさらに、オクタエチル−Ｐｔポルフィリンまたはメソ−テトラフェニル−テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリンを組み込む工程を包含する、請求項１に記載の方法。
4. 前記光透過性で酸素透過性のマトリクス材料を調製する工程がさらに、前記コポリマーに散乱性フィラー材料を組み込む工程を包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記散乱性フィラー材料が、ＴｉＯ₂である、請求項４に記載の方法。
6. 酸素センサ調合物であって、以下：
   ａ．発光色素；および
   ｂ．光透過性で酸素透過性のマトリクス材料であって、所望の酸素透過性（Ｐｅｒｍ_O2）を有し、該酸素透過性が、ポリマー性検出組成物に対して所望の範囲のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を提供し、以下：
   ｉ．第一モノマーユニットからなる第一ホモポリマーを選択するプロセスであって、該第一ホモポリマーが、第一Ｐｅｒｍ_O2値を有する、プロセス；
   ｉｉ．第二モノマーユニットからなる第二ホモポリマーを選択するプロセスであって、該第二ホモポリマーが、該第一Ｐｅｒｍ_O2値とは異なる第二Ｐｅｒｍ_O2値を有する、プロセス；および
   ｉｉｉ．該第一および第二のモノマーユニットを共重合させて、該第一および第二のＰｅｒｍ_O2値の間の、中間のＰｅｒｍ_O2値を有するコポリマーを得るプロセスであって、該中間のＰｅｒｍ_O2値が、該範囲内の該所望のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ定数を提供する、プロセス、
   により作製される、マトリクス材料、
   を含有し、
   ここで、該モノマーユニットが、（ａ）エチルヘキシルメタクリレートおよびメチルメタクリレートならびに（ｂ）スチレンおよびアクリロニトリルからなる群から選択される、調合物。
7. 前記発光色素が、ピレン、ピレレン、ルテニウムの配位子金属錯体、Ｐｔ−クロリン誘導体、およびＰｔ−ポルフィリン誘導体からなる群から選択される、請求項６に記載のセンサ調合物。
8. 前記発光色素が、オクタエチル−Ｐｔポルフィリンまたはメソ−テトラフェニル−テトラベンゾ−Ｐｔ−ポルフィリンである、請求項７に記載のセンサ調合物。
9. 散乱性フィラー材料をさらに含有する、請求項６に記載のセンサ調合物。
10. 前記散乱性フィラー材料が、ＴｉＯ₂である、請求項９に記載のセンサ調合物。

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