JP5856954B2 - 電気化学的相間移動デバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）及び単光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）に有用なトレーサーの生成に関する。具体的には、本発明は、電気化学的方法を用いて放射性同位体を移動させる方法及びデバイスに関する。さらに、本発明を放射性医薬品生産用のマイクロ流体合成システムに統合する方法及びデバイスについても説明する。

２通りの医用分子イメージング法であるＰＥＴ又はＳＰＥＣＴ用の放射性トレーサーの生産プロセスでは、¹⁸Ｆのような放射性核種をサイクロトロンターゲット内容物から抽出し、放射化学的標識反応用の溶媒中に移動させる必要がある。イオン交換法に加えて、電気化学的方法を利用することもできる。第１段階で、¹⁸Ｏ濃縮水などの第１の溶媒を含む溶液中の¹⁸Ｆイオンを、電位を印加した１対のグラファイト又はガラス状炭素電極を通して流す。¹⁸Ｆイオンは、正に帯電した捕集電極（陽極）上に堆積する。第２段階で、第１の溶媒をＤＭＳＯなどの適当な溶媒と交換し、逆転電位を印加すると捕集電極からイオンを溶液中に放出させることができる。第２の溶液を次いで標識用の系に移送する。

第２段階で放出電圧を印加する場合、フッ素イオンは、対電極（即ち、電位逆転後の陽極つまり第１段階の陰極）に捕捉され、逆転電位の印加によって第１の電極から溶液中に放出される。フッ素イオンは対電極へと電気泳動的に移動して対電極に再吸着される。陰極での¹⁸Ｆの対向捕捉を防ぐため、白金電極が使用されてきた。白金はフッ素イオン吸着が低いことが知られているからである。

公知の¹⁸Ｆ^-捕捉及び放出用プロセス及び構造は、¹⁸Ｆ^-の捕捉及び放出は行うものの、放出された¹⁸Ｆ^-が標識反応に適しているとは限らない。具体的には、標識収率が低いかゼロとなる場合がある。その理由の一つとして、このプロセスで印加される高い電圧で他のイオンが生成し、それらが放出¹⁸Ｆイオンと競合して前駆体に結合することが考えられる。

対向捕捉を制限するため、先行技術の方法では、１枚の炭素捕集電極と貴金属対電極とを用いる。先行技術の対電極は、典型的には、逆転電位を印加する放出プロセスで放射性核種が再吸着されるのを防ぐため、白金などの金属で形成される。白金は、フッ素イオンに対する吸収／吸着特性が低い。

先行技術の電極は、白金で形成されたものであろうが、中実グラファイト若しくはガラス状炭素プレートで形成されたものであろうが、幾つかの課題がある。これらは非常に高価で、機械加工が難しく、射出成形のような大量生産プロセスに統合するのが難しい。例えば、先行技術では、モノリシックなガラス状炭素プレートが電極として用いられてきた。しかし、これらは非常に高価で、２５×２５×３ｍｍ³で約２５０ドルかかり、機械加工が困難で、使い捨て製品に組み込むのが難しい。

国際公開第２００９／０１５０４８号には、金属、グラファイト、ケイ素及びこれらの材料のポリマー複合材を利用したコイン状及び長流路状電気化学セルが記載されている。この文献には、前駆体をセルに導入して、ガス乾燥を加熱及びアセトニトリル乾燥によって達成することが記載されている。この操作には最高５００Ｖの電位を用いると記載されている。

国際公開第２００８／０２８２６０号には、炭素フィラメントの微細ネットワークからなる電気化学的相間移動デバイスが記載されている。捕捉用に電気二重層を使用して、外部電圧を印加せずに¹⁸Ｆ^-を捕捉することができる。乾燥のための方法として冷アセトニトリルが挙げられている。印加電圧がゼロ又は低いことで、酸化還元反応が最小限に抑制される。加熱は捕捉イオンの放出を改善するために記載されている。

国際公開第２００８／０２８２６０号及び国際公開第２００９／０１５０４８号のいずれでも、フッ素イオン放出の段階で交流電流を使用することが記載されている。

そこで、容易に生産することができて、しかも十分な作業効率をもたらす使い捨て電気化学的相間移動反応器に対するニーズが存在する。ガラス状炭素のコストが高いこと、ガラス状炭素をＣＮＣ加工する必要があること、ガラス状炭素はプラスチックとの結合性が乏しいこと、ガラス状炭素のミクロ組織を漏れのない状態に維持するのが難しいことから、中実ガラス状炭素プレートを使い捨て相間移動デバイスに組み込むのは難しい。前駆体に付加させる標識イオンの妥当な収率をもたらす電気化学的相間移動の実施法に対するニーズも存在する。

国際公開第２００８／０２８２６０号 国際公開第２００９／０１５０４８号 特開２００８−１９８５８０号公報

当技術分野の上記ニーズに鑑みて、本発明は、電気化学的相間移動を実施するためのデバイス及び方法を提供する。望ましくは、本発明は、¹⁸Ｆ^-を［¹⁸Ｆ］Ｈ₂ ¹⁸Ｏから非プロトン性溶媒に電気化学的相間移動させるためのデバイス及び方法、並びにＰＥＴトレーサーの求核置換標識反応のための放射性核種を調製するためのデバイス及び方法である。

本発明では、共沸乾燥を必要とせずに、マイクロ流体デバイスで合成プロセスを実施することができる。この点は重要である。閉鎖マイクロ流体チップでの乾燥は、１）耐溶剤性半透膜の組込み及び２）共沸乾燥後の固形又は半固形粒子及び材料の再溶解が必要とされるため、実施が難しいからである。このことは、本発明によって、マイクロ流体デバイスが簡素化され、組み合わせる材料の種類及び／又はプロセスが少ないのでチップ製造の生産コストが下がることを意味する。さらに、本発明は、すべての液体処理を実施することができ、周辺機器での放射性ガス処理能力の必要性を低減する。これによって、顧客の基盤整備負担が軽減するとともに、簡単で安価なデバイスが得られる。

本発明では、単一患者用量のＰＥＴ及びＳＰＥＣＴトレーサーを生産するためのマイクロ流体合成デバイスで使用することのできる相間移動法の主要部品の構築及び動作法について説明する。

さらに、本発明は、¹⁸Ｆ^-を［¹⁸Ｆ］Ｈ₂ ¹⁸Ｏから非プロトン性溶媒に電気化学的相間移動させるためのデバイス及び方法、並びにＰＥＴ（陽電子放射断層撮影）トレーサーの求核置換標識反応のための放射性核種を調製するためのデバイス及び方法を提供する。本発明では、セルを乾燥させることができ、低電圧で作動させることができ、射出成形のような一般的な大量生産技術を用いてセルを製造することができる。

一実施形態では、本明細書で開示する本発明は、水から¹⁸Ｆを抽出して溶媒中に移動させるための電極材料に、射出成形することのできる複合材料を使用する。複合材料は、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）のような化学的相溶性ポリマー材料とガラス状炭素粒子などの炭素粒子とのブレンドからなる。電極は、射出成形を始めとする公知の成形技術を用いて作ることができる。電極の表面積は、電極の性能を「微調整」するための手段として電極の炭素／ポリマー比に対して選択できると想定されるが、電極は好ましくは３０％以上の炭素含有量を有する。別法では、本発明の電極はガラス状炭素（ＧＣ）で形成してもよい。

本発明の電極は、特に限定されないが、マルチショット射出成形を始めとする公知の手段によってマイクロ流体構造に導入し得る。白金電極を必要としないので、同じ材料を両方の電極に使用することができ、製造可能性が容易になり、コストが低減する。特に、両電極を同じ材料を使用して両電極を形成すると、部品及び方法のマイクロインテグレーションが簡単になる。本発明では炭素その他の好適な低コスト材料によって貴金属電極は不要となる。

本発明の電極は、流体を流すことのできる小さな間隙で隔てられる。電極の間隔は望ましくは５μｍ〜１０００μｍである。ガスケット又は流路沿いの追加の側壁をガスケット又は分離層で形成して、ガスケット又は分離層が、対向する入口と出口との間の流路を取り囲むようにしてもよい。この場合、電極は流路の一部をなす。流路は、望ましくは、３０μｌ／ｍｍ²以上の放射性標識反応体積と捕捉／脱着（活性）電極表面積との比率を有する。

さらに、本発明の方法は、捕集電極からのフッ素イオンを放出（解離）させる際に放射性物質の対向捕捉を完全に又は少なくとも許容レベルまで低減させることができる。一実施形態では、解離溶媒及び相間移動触媒は、放射性物質の電荷の中和によって対向捕捉の発生を最小限に抑制するように選択すればよく、電極材料の選択に際しての自由度が大きくなる。従って、本発明では、段階間で相間移動デバイスを乾燥させることができ、電極間の電界強度を高く（＞５Ｖ／ｍｍ）保ちながら低電圧で作動させることができ、射出成形のような一般的な大量生産技術を用いてデバイスを製造することができる。捕集電極及び対電極は、デバイスにおける面内で、又はスタック構成で形成することができる。用いる対電極は非金属であってもよいが、両電極共に、ガラス状炭素又はガラス状炭素とポリマーとのブレンドを始めとする同一材料から形成してもよい。本発明のデバイス及び方法は、チップでの電気化学的捕捉、放出及び後段での放射性標識をうまく行うことができる。

当技術分野の先行技術では、デバイスの効率的で再現性のある相間移動の実施の支障となる技術的問題は解消されない。

本発明の電極を示す図。 図１の電極上に配置されたガスケット又はスペーサ層を示す図。 本発明の電気化学的相間移動フローセルの分解図を示す図。 図３のフローセルの一部分の分解図を示す図。 本発明の電極が組み込まれたマイクロチップを示す図。 本発明の別のマイクロチップを示す図。 図６のマイクロチップの部分断面図。 本発明の平行電極間の流れを示す図であり、その上に代表的な性能グラフを示す。 本発明の１対の非平行配置の電極間の流れを示す図であり、その上に代表的な性能グラフを示す。 本発明の別の電極配置を示す図であり、その上に代表的な性能グラフを示す。

上述の通り、本発明は、¹⁸Ｆ^-を［¹⁸Ｆ］Ｈ₂ ¹⁸Ｏから非プロトン性溶媒に電気化学的相間移動させるためのデバイス及び方法、並びにＰＥＴトレーサーの求核置換標識反応のための放射性核種を調製するためのデバイス及び方法を提供する。

本発明の第１の態様では、炭素材料捕集電極（例えば、ガラス状炭素（ＧＣ）、グラファイト、炭素複合材料、又は炭素種を堆積させた薄膜など）用いる。特に、ＨＴＷ Ｈｏｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｅ社（Ｇｅｍｅｉｎｄｅｗａｌｄ ４１， Ｔｈｉｅｒｈａｕｐｔｅｎ Ｇｅｒｍａｎｙ）からＳＩＧＲＡＤＵＲ（商標）という商品名で市販されているＧＣ（http://www.htw-gmbh.de/technology.php5?lang=en&nav0=2参照）が、本発明に適していることが判明した。ＧＣの代わりにグラファイト粉末を使用することも本発明で想定されるが、グラファイト粉末を使用すると、ＧＣに比べて¹⁸Ｆ脱着収率が低いことが実験で判明している。

本発明の電極は、水から¹⁸Ｆを抽出して溶媒中に移動させることができるように、射出成形可能な複合材料から形成してもよい。複合材料は、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）のような化学的相溶性ポリマー材料と、ガラス状炭素粒子などの炭素粒子とのブレンドからなる。複合材料の具体例としては、ＧＣ−ＣＯＣ（環状オレフィンコポリマー）、ＧＣ−ＰＰ（ポリプロピレン）及びＧＣ−ＰＥ（ポリエチレン）が挙げられる。電気伝導率を維持しながらＧＣの体積含有率を低減するため、カーボンファイバ又はカーボンナノチューブなどの充填剤を添加して、射出成形可能な複合材料としてもよい。電極は、射出成形を始めとする公知の成形技術を用いて作製すればよい。電極の表面積は、電極の性能を「微調整」するための手段として電極の炭素／ポリマー比に対して選択できると想定されるが、電極は望ましくは３０％以上の炭素含有量を有する。炭素／ポリマーブレンド電極は、従来のマルチショット射出成形技術を用いて容易に製造できるので、相間移動デバイスをポリマーマイクロ流体合成チップに一体的に組み込むすることができる。

図１及び図２を参照すると、本発明は、本発明の捕集電極１２を用いた電気化学的相間移動デバイス１０も提供する。本デバイスは、ガスケット１６で隔てられた１対の電極１２及び１４を含む。電極１２及び１４は、望ましくは、ガスケット１６で約５μｍ〜１０００μｍ離隔される。乾燥を促進するため、捕集電極は、望ましくは、ガラス状炭素（ＧＣ）又はＧＣ−ＣＯＣ複合材料のような、非多孔質炭素構造体又は多孔度の低い構造体から形成される。ガスケット１６は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような適当な材料から形成される。別法として、ガスケット１６をＣＯＣその他の適当な材料から形成して、公知の技術で電極１２及び１４に接合して、ＣＯＣガスケットと電極との接合によって容易に製造することの方法で流路を画成しながら電極間を分離するようにしてもよい。

電極１２は、向かい合った主表面２０及び２２と周縁部２４で区切られた平面体１８を含む。電極１４は、向かい合った主表面２８及び３０と周縁部３２で区切られた平面体２６を含む。ガスケット１６は平面シート３４を含んでいて、細長い流路開口部３６を画成する。流路開口部３６は、望ましくは、第１の端部３８から反対側の第２の端部４０まで延在する蛇行形状を有する。第２の電極本体１８は、入口４２及び出口４４を画成し、各開口は、主表面２８と主表面３０との間に開放流体連通して延在する。ガスケット１６は電極１２と電極１４の間に挟まれ、流路開口部３６の第１の端部３８は入口４２と整合して配置され、流路開口部３６の第２の端部４０は出口４４と整合して配置される。デバイス１０は、組み立てた状態で、入口４２と出口４４とを流体連通する流路開口部３６に沿って延在する流体流路４６であって、主表面２２と主表面２８とで区切られた流体流路４６を形成する。

次いで図３及び図４を参照すると、電気化学的相間移動デバイス１０は、電気化学セル５０に組み込むことができる。電気化学セル５０では、電極１２の主表面３２上に銅板５２が配置され、向かい合った第１の絶縁層５４と第２の絶縁層５６の間に銅板／デバイスアセンブリが配置される。第２の絶縁層５６は入口開口部５８と出口開口部６０を有していて、入口開口部５８と出口開口部６０は、デバイス１０の入口４２と出口４４にそれぞれ整合して配置される。このサブアセンブリ全体は、第１のプレート６２と第２のプレート６４の間で圧縮される。第２のプレートは、向かい合った第１の主表面６６と第２の主表面６８を含んでいて、主表面６６と主表面６８の間に開放流体連通して延在する入口７０及び出口７２が画成されている。入口７０及び出口７２は、それぞれ第２の絶縁層５６の入口開口部５８及び出口開口部６０と流体整合して配置される。第２の主表面６８には、それぞれ入口７０及び出口７２との第１の接続具７４及び第２の接続具７６が収容される。接続具７４及び７６は、流体導管その他流体を電気化学セル５０に流すために用いられるハードウェアとの接続を容易にする。プレート６２及び６４は共に、デバイス１０の周りに精密位置決め用ロッド７８ａ〜ｃを収容するための細長い通路を含んでいる。プレート６２はそれを貫通する開口部８０ａ〜ｄを画成し、開口部を貫通するネジ８２ａ〜ｄを収容する。プレート６４の主表面６６は、ネジ８２ａ〜ｄに螺合する内面ネジ切り凹部８４ａ〜ｄを画成する。各ネジ８２ａ〜ｄは、細長いワッシャ８４ａ〜ｄに取り付けられ、ワッシャ８４ａ〜ｄの外側表面は、固定ワッシャ８６ａ〜ｄを支持する。スプリング８８ａ〜ｄが各ネジに配置され、ネジをそれぞれの凹部８４ａ〜ｄに締め付けると、そのワッシャとプレート６４との間で圧縮力をもたらす。

電気化学的相間移動デバイス１０の電極１４を炭素系材料から形成することも本発明で想定される。一実施形態では、対電極１４は、捕集電極１２と同じ組成物から形成してもよく、小型化及び生産が容易になる。小型化によって、ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴトレーサーの合成に付随する現在の基盤整備負担が軽減される。ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴトレーサーを製造することのできて、ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴスキャナを購入することのできる病院が増え、様々な種類のトレーサーを供給することができる。

本明細書で開示するデバイスは、２枚の電極を含む低コスト製造技術で製造することができる。作用電極である捕集電極１２は、ＧＣ、ＧＣ複合材料、又は非多孔質ナノ構造炭素材料若しくはその複合材料からなるものでよい。対電極である電極１４は、同一材料からなるものでもよいし、或いは、対電極は捕集電極とは異なる材料からなるものでもよく、捕集電極に用いたものと同じ種類の材料又は完全に異なる種類の材料から選択し得る。完全に異なる種類の材料の具体例は、白金のような金属である。電極は、対向配置で配置され、その場合、電極は平行にすることができるが、平行である必要はない。

本発明は、「ラボ・オン・チップ」システムのような他のマイクロ流体システム、マイクロ又はメソ流体合成又は分析デバイス、μＴＡＳ（micro Total Analytic System）及び従来の放射性医薬品生産用の（大量）合成器デバイスに組み込んだり、それらと組合せることができる。本発明は、反応器、貯蔵器、ＨＰＬＣ、ＭＰＬＣ、ＵＨＰＬＣ、ＳＥＰ−Ｐａｋ（商標）（Ｗａｔｅｒｓ社（Ｈｅｌｆｍａｎｎ−Ｐａｒｋ １０，６５７６０ Ｅｓｃｈｂｏｒｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から市販）のような精製システム、後段での乾燥ユニット（エバポレータ）、弁、ミキサー、流路構造、チューブ、キャピラリー、及びキャピラリー系流体システムとして使用してもよいし、それらと併用してもよい。

図５及び図６は、本発明の電気化学的相間移動デバイス２１０が組み込まれたチップ本体２０２を有するマイクロ流体チップ２００を示す。デバイス２１０はデバイス１０と同様の構造のものであり、望ましくは、ＧＣ及び／又はＧＣ−ＣＯＣ複合材料からなる１又は複数のインサートが電極２１２及び２１４に用いられる。ガスケット２１６（又は本発明で教示した他の分離デバイス）が電極２１２と電極２１４の間で圧縮され、電極２１２と電極２１４の間に流体通路２１８を画成する。電極２１４は、流体入口２２０及び流体出口２２２を画成し、それらの間に流体通路が延在して流体連通する。入口２２０及び出口２２２は、望ましくは、チップ本体２０２によって画成される合成プロセスに有用なチップ２００の他の特徴部（貯蔵器、反応器、供給流路など）と流体連通して配置される。デバイス２１０は、使用時に漏れのない構成に組立てて圧縮してもよいし、製造時に永久接合してもよい。電極間の分離は、組立／結合プロセスで画成することもできるし、或いはデバイス１０内のガスケット構成若しくは分離機構を用いた構造で画成することもできる。マイクロチップ２００には、標識及び加水分解反応のための反応器、並びに試薬貯蔵用のチャンバ及び弁（図示せず）が形成される。

図１、図５及び図６に示す電極は、面外（サンドイッチ構造）にかつ実質的に平行にスタックされる。別法として、図７のマイクロチップ１００に示すように、面内構成（デバイスの同一平面に対して押出及び／又は機械加工したタイプの構造）も可能である。マイクロチップ１００には、第１の電極１１２及び第２の電極１１４を備えた電気化学的相間移動デバイス１１０が組み込まれている。細長い流路１１８は、同一平面上の陽極１１２と陰極１１４のそれぞれの対向する平行な波形縁部１１３及び１１５間に画成される。或いは、図９及び図１０に示すように、陰極を１以上の陽極に対して配向させて、それらの間の流路を画成する配置がテーパ付きの非平行な配置となるようにしてもよい。

再び図７を参照すると、マイクロチップ２００は下部平面体１０２と上部平面体１０４とを含んでいて、それらの間に電極１１２及び１１４が配置され、流路１１８が入口１２０と出口１２２の間を流体の漏れがないように流体連通して延在する。本発明では、元の電極本体を流路１１８の経路に沿って研削、切削その他の方法で機械加工して、元の電極本体から得られた２つの部分が電極１１２及び１１４をなすように、電極１１２及び１１４を形成することも想定される。従って、流路１１８は入口１２０及び出口１２２と同一平面にある。当業者には自明であろうが、マイクロチップ１００は、追加の成形部分を含んでいてもよい。図７の実施形態では、本体１０２の合せ面１０２ａと同じ平面上に電極１１２及び１１４を形成することも想定される。その場合、本体１０４は、チップ１００の流体流路及び貯蔵領域の全体のカバー（覆い）として機能する。チップ１００は、本体１０２と本体１０４の間に画成された貯蔵器１５０、反応器１５５及び弁１６０を含んでいてもよく、それらの幾つかはデバイス１１０の流路１１８と流体連通していてもよい。平面体１０４には、チップ１００の様々な流路及び流路と流体連通して延在する様々なアクセス開口が画成される。例えば、開口１７０は、供給流路１８２及び入口１２０と流体連通するように本体１０４を通って延在する。本体１０４は、電極１１２及び１１４とそれぞれ整合して開口するアクセス開口１８０及び１９０も画成する。アクセス開口１８０及び１９０は、本体１０４を通して電極１１２及び１１４との電気的接続を可能にする。

図８〜図１０は、本発明の電極間の流れを示すとともに、上に代表的な性能グラフを示す。図８では、陰極３１２及び陽極３１４は、それぞれ細長い平面３１２ａ及び３１４ａを含んでおり、それらは互いに平行に延在して、それらの間に細長い流路３１８を画成する。流体３１５は矢印Ａの方向に流れる。図８に示すように、陰極と陽極の間に定電圧を印加すると、電気分解によって流体中で気泡３２５が発生するが、これは流路の下流部分で回収できる。気泡３２５は流体中の電界に悪影響を及ぼし、流路に沿って進むほど、気泡が大量に集合し、電界強度が弱まる。さらに、気泡は流体の流れの障害となり、流体３１５の進む流路の下流ほどバルク流体速度が増す。気泡３２５は、デバイスの幾何構造によって、或いは気泡を圧縮して電気化学的プロセスに対する影響を低減するシステム圧力の増加によって補償できる。気泡は、放電素子、触媒又はガス透過性構造／膜によって補償することもできる。

図９は、本発明の１対の非平行配置の電極間の流れを示す図であり、その上に代表的な性能グラフを示す。図９では、陰極４１２及び陽極４１４は、テーパ付きの非平行な配置で配置される。陰極４１２及び陽極４１４は、それぞれ向かい合った平面４１２ａ及び４１４ａを含み、それらの間にテーパ付流路４１８を画成する。流体４１５は、矢印Ａの方向に流れる。流路４１８は流れ方向に対して外側に傾斜しているので、電気分解で発生した気泡４２５の流れる空間が大きくなり、図８のように１か所に集まることはなくなる。ただし、陰極と陽極の距離が大きくなると、電界強度は減少する。しかし、気泡が流路内で束縛されないので、バルク速度はほぼ一定に保たれる。

図１０は、本発明の別の電極配置を示す図であり、その上に代表的な性能グラフを示す。図１０では、陰極５１２に対向して、複数の陽極５１４、５２４、５３４及び５４４が設けられる。陽極５１４、５２４、５３４及び５４４は互いに隣接して配置され、実質的に同一平面配置の表面５１４ａ、５２４ａ、５３４ａ及び５４４ａをなす。陰極５１２は、これらの表面に向かい合った表面をなし、それらの間に流路を形成する。図９と同様に、流路５１８は、テーパ付きの非平行な配置で電極５１２と電極５１４、５２４、５３４及び５４４の間に形成され、流路５１８は流体の進行方向に広がる。流体５１５は矢印Ａの方向に流れる。添付の性能グラフに示すように、各陽極は流路に沿って段階的に増大する電圧を印加することができる。一連の陽極の電圧増加は、流体中の電界を維持するのに資するが、図９で説明した通りバルク速度も維持される。気泡５２５は十分に離散し、それら通過する流体５１５のバルク速度は維持される。

電極及びマイクロ流路の形状は、乾燥を促進し（死角の無さ、又はガス捕捉孔など）、電気分解によってデバイス内で発生するガスの移動及び除去を促進することが望ましい。気泡は、単一の表面上又は複数の表面間に固定することができる。気泡は、目標イオンから陽極上の活性捕捉表面を遮蔽し、流体の流路の有効断面積を低減させることにより、局所流体速度を増加させる。気泡は、システムの圧力を増加させることにより、堆積を圧縮され、縮小することができる。圧力は、流路の出口の流量制限を含む様々な方法により増加させることができる。

本デバイスの別の特徴は、電極構造又は電極分離の幾何学的変形により電界を形成し、電気二重層の外側のバルク中のイオンのドリフト速度と、流体のバルク速度との間の相互作用を制御する可能性である。これは、図８〜図１０に示し、様々な構成を並べて示す。

全体的には、本発明の連続する流れ構造の流体通路又は流路は、広いというより、長いことが判明した。電極は、平行若しくは非平行であり、均一な電界を使用し、又は流路に沿った電界勾配を使用することができる。本発明の電極は、流体体積に応じて０．５ｍｍ²〜１０００ｍｍ²の流路にさらされる表面積を形成するのが望ましい。本発明の電極は、流体を流すことのできる小さな間隙で隔てられる。従って、電極は、望ましくは、５μｍ〜１０００μｍ離間させて配置することができる。流路沿いの追加の側壁をガスケット又は分離層で形成して、ガスケット又は分離層が、対向する入口と出口との間の流路を取り囲むようにしてもよい。この場合、電極は流路の一部をなす。流路は、３０μｌ／ｍｍ²以上の放射性標識反応体積と捕捉／脱着（活性）電極表面積との比率を有するのが望ましい。

本発明は、電極で低電圧を使用するが、（例えば、流路に沿って電極間を小さく分離することにより）高い電界を維持するのが望ましい。

さらに、本発明の電極は、流体デバイス上又はその中で機械的に圧縮することにより実現することができる。本発明の電極本体にＧＣをスパッタリングすることができる。本発明の電極は、複合材料から形成し、所定の形状にプリントした間仕切りとし、射出成形（２以上のショット成形を含む）により形成することができる。構成要素は、超音波で溶接若しくは結合し、熱的に結合し、又は溶媒を使用して結合することができる。電極間のギャップ又は分離は、電極間にガスケット若しくはスペーサを配置することにより、又は厚膜技術を使用することにより形成することができる。さらに、単一の電極本体は、機械加工、エッチング、刻印、又は研削され、本体を２つの電極本体に分離することができ、２つの電極本体はギャップで隔てられ、本発明の陰極及び陽極として機能することができる。犠牲材料を電極間に配置し、次いで（例えば、燃焼により）除去することができる。

或いは、本明細書に説明したように、ガスケット１６は、製造中に基板内に組み立て、結合技術、又は密封構造への圧力により密封することができるインサートの形態で設けることができる。結合技術としては、溶接、高温結合、溶媒結合、及びオーバーモールド成形などのポリマー−ポリマー結合、又はＯ₂プラズマ表面活性化若しくはクリーニング後、圧力及び熱が続く表面スパッタリングなどのＧＣ−ポリマー結合が挙げられる。圧力密封は、密封表面に高圧力を印加し、結合することなく流体密封を形成するようにする単独の構成のことである。圧力は、使用する時点で外部から印加することができ、又は製造中に材料に応力を加えることによりデバイス上に生成することができる。

通常のスタック又は面外構成において、材料のサンドイッチ構造は、ＰＴＦＥガスケットなどのガスケット層を使用して組み立てられ、使用する時点で外部圧力を使用して密封することができる。別法として、スタックを互いに結合することができ、ガスケット１６は、ＣＯＣなどの適当な材料の薄膜又は厚膜コーティングに置き換えることができる。

操作中に、ターゲットイオンが吸着プロセスで本発明の流路又は流路を通過するとき、ターゲットイオンは、陽極の露出する主表面に引かれる。このように、陽極又は流体流路の長さは、捕捉効率に関係し、より長い陽極は、より多くのイオンを捕捉するのに有用であり、従って、所与の電界強度に対する捕捉効率を増加させる。しかし、吸着及び脱着中の副次的な影響は、後続の放射性標識プロセスに関する収率の低減につながる。標識プロセスを改善するため、総陽極表面積を低減するのが有利になる可能性がある。十分な吸着効率を維持しながら電極表面積の低減要求を満たすために、所望の長さを維持しながら、流路の幅を低減することができる。１０Ｖの捕捉電位及び１２７μｍの電極分離で作動したとき、１０ｍｍ〜１００ｍｍの捕捉長さで良好な結果が得られ、１５ｍｍでは７５％の捕捉効率、５５ｍｍでは８５〜９０％の捕捉効率となった。５０μｌ〜１０００μｌの初期水体積を、７ｍｍ²〜１４０ｍｍ²の陽極表面積及び１：３０〜１：５の幅対長さ比で用いた。ある条件下で、最小の総表面積で長さを増加させるために、最大の長さ対幅比率を有するのが好ましい。

デバイス材料及び構造は、乾燥プロセス（水の除去）及びクリーニングプロセス（標識化に不要な種の除去）が再現可能となり、ＮＩＴＴＰ／ＦＭＩＳＯで１５００ｐｐｍなどの目標値未満の水分濃度を達成することができるように選択される。さらに、デバイスを使用する手順は、相間移動触媒（ＰＴＣ）濃度などの重要なパラメータを維持する必要がある。脱着プロセスのＰＴＣの添加は、放射性標識プロセスに影響を及ぼすこともわかる。従来の値の４倍のＰＴＣ濃度の増加（例えば、３．５％Ｋ₂ＣＯ₃（水溶液）中の１６ｍｇ／ｍｌ Ｋ２２２は、３．５％Ｋ₂ＣＯ₃（水溶液）中の４ｍｇ／ｍｌ Ｋ２２２よりも優れている）は、後続の標識プロセスを改善することがわかる。

重要な役割を果たさないように対向捕捉を最小限に抑制することができることが実験的に確認され、例えば観測された再吸収／再吸着は４％未満であった。この現象の理由は、放出プロセスの溶媒溶液内で中性対が形成することにある。イオンが放出される溶媒の非プロトン性のために、¹⁸Ｆフッ素陰イオンが、しばしば溶液中に供給されるカチオンに束縛される。このイオン対が形成されるとき、フッ素イオンを電界中で対電極に移動させる正味電荷が存在しない。拡散のみが移動を可能にすることができる。さらに、放射性核種の放出中に本発明により印加した電位は、対電極上で効率的な再吸収／再吸着をもたらすには十分な高さでない。従って、印加した低電位及び使用する溶媒は、フッ素イオンの低い再吸収／再吸着をもたらすことができる。

標識化段階に相間移動触媒として使用するＫｒｙｐｔｏｆｉｘ Ｋ２２２などの錯化剤を加えることで、外部に向かって電気的中性になるイオン対を形成することにより陰極上での吸着を防ぐことを我々の実験は示した。対電極に向かう電気泳動移動及び続く再吸収が抑制される。

しかし、いくつかの実施形態では、Ｋ２２２などの添加剤による対向捕捉の抑制は、放出プロセスに交番する放出電位により維持することができる。即ち、２つの電極上の電位が、放出プロセスに複数回逆転し、対向捕捉を防ぐようにする。この方法は、各電圧サイクル中に対向捕捉イオンを放出することにつながり、従って、総放出効率を増加させる。

従って、対電極として炭素電極を使用することができる。この電極は、捕集電極と同じ材料から形成され、従って、製造を簡略化し、貴金属の使用を省略することができる。さらにコストを節約するために、安価なグラファイト系材料を一方又は両方の電極に使用することができる。

錯化剤を加えることにより、電極が使用される化学環境に耐えることができる、対電極用のあらゆる電極材料を使用することができる。導電ポリマー又は他の金属のような、炭素以外の材料を基材とする材料も挙げることができる。

０μｌ／ｍｉｎ〜１０００μｌ／ｍｉｎの間の流量でデバイスを通して［¹⁸Ｆ］Ｈ₂ ¹⁸Ｏを吸引しながら、０．８Ｖ〜５０Ｖの間の捕捉電圧を印加することにより、相間移動が行われる。電圧レンジのより低い末端値で作動することにより、望ましくない酸化還元反応を最小限に抑制する。捕捉電圧をパルス化し、又は極性を交番させ、電気分解で発生したガスの核形成を低減し、効率を増加させることができる。

捕捉後、デバイスを以下の技術のいくつか又はすべてにより乾燥させ、クリーニングする。乾燥Ｎ₂又はアルゴン流の下で温度を１７０℃まで加熱し、デバイスを通して乾燥アセトニトリルを吸入しながら９０℃に加熱し、室温〜９０℃の間の温度でセルを通してＫｒｙｐｔｏｆｉｘ ２２２＋ＤＭＳＯを吸入する。溶離液中の残存水が目標値、例えば前駆体としてＮＩＴＴＰを使用するＦＭＩＳＯ標識では１５００ｐｐｍを下回るまで、セルを乾燥させる。

放射性標識化には不利な副次的な影響は、放出プロセスに利用される加熱プロファイルにつながることもある。従って、電気化学的相間移動は、脱着プロセスに（イオンが放出される溶媒、及び電気化学的相間移動の副次的な影響から生じる種に対する前駆体標識プロセスの感度に応じて）６０℃〜１２０℃まで徐々に加熱する必要があり、長時間にわたる１８フッ素イオンの放出を制御することにつながる。１℃／ｍｉｎ〜６０℃／ｍｉｎまでの範囲の温度勾配を印加することができる温度プロファイルが有用であり、良好な結果は、約３℃／ｍｉｎ〜８℃／ｍｉｎの勾配で示された。従って、捕捉された¹⁸Ｆ^-は、捕捉中とは逆極性の０．１〜１０Ｖの範囲の電位を印加しながら、室温〜１２０℃の間の温度でセルを加熱することにより電極表面から放出することができる。放出中の対電極上での対向捕捉を最小化し、及び／又は放出効率を増加させるのに、放出電位は、連続的となり、パルス化され、又は連続的に逆転させることができる。放出液体は、カリウム対イオンを含むＫｒｙｐｔｏｆｉｘ ２２２などの非プロトン性溶媒及び相間移動触媒である。対電極上での¹⁸Ｆ吸収を最小限に抑制するため、Ｋ⁺／ｋ２２２の濃度が、¹⁸Ｆ^-と他のすべてのアニオン濃度との合計を上回ることが望ましい。前駆体中に直接放出することもできる。本方法の実現可能性は、実験的に証明された。対電極上でのフッ素イオンの捕捉は、全放射性物質の約４％のみを占めた。

捕捉プロセスに、相間移動溶媒は、構造を通して連続的に流れることができるか、又は流れを止めることができる。

本発明の特定の実施形態を示し、説明してきたが、本発明の教示から逸脱することなく変更又は修正を行うことができるは当業者には明らかであろう。以上の説明及び添付の図面で述べた事項は、例示のみを目的として提供し、限定するものではない。例えば、本発明の電極により形成される流路は、様々な名称、即ち、通路、流路、流体通路などと記載するが、それぞれ両側の入口及び出口の間に延在する（他の構造を含んで、又は含まずに達成された）密封流体流路と同じ意味を示唆する。本発明の実質的な範囲は、先行技術に基づいて適切な視点で見ながら、以下の特許請求の範囲に規定する/と想定される。

１０ 電気化学的相間移動デバイス
１２ 捕集電極
１４ 対電極
１６ ガスケット
１８ 平面体
２６ 平面体
３６ 流路
３８ 流路の第１の端部
４０ 流路の第２の端部
４２ 入口
４４ 出口

Claims (13)

1. 電気化学的相間移動を実施するためのデバイス（１０）であって、電極本体を含む電極を備える捕集電極（１２）を含んでおり、該電極本体が３０％以上の炭素とポリマーとを含んでおり、
   前記捕集電極（１２）が、向かい合った主表面（２０，２２）と周縁部（２４）で区切られた平面体（１８）を含んでおり、当該デバイスが、
   向かい合った主表面（２８，３０）と周縁部（３２）で区切られた平面体（３５）であって入口（４２）及び出口（４４）を画成する平面体（３５）を含む対電極（１４）と、
   捕集電極（１２）と対電極（１４）との間に配置されたガスケット（１６）であって、該ガスケットが、第１の端部（３８）から反対側の第２の端部（４０）まで延在する細長い流路開口部（３６）を画成する平面体（３４）を含むガスケット（１６）と
   を含んでおり、流路開口部（３６）の第１の端部（３８）が入口（４２）と整合して配置され、流路開口部（３６）の第２の端部（４０）が出口（４４）と整合して配置されていて、当該デバイスが、入口（４２）と出口（４４）と流体連通する流路開口部（３６）に沿って延在し、かつ主表面（２２）と主表面（２８）とで区切られたする流体流路（４６）を画成する、デバイス。
2. 対電極（１４）が炭素系材料から形成される、請求項１記載のデバイス。
3. 対電極（１４）が補修電極（１２）と同じ組成物から形成される、請求項２記載のデバイス。
4. 当該デバイスが、標識及び加水分解反応のための反応器と試薬貯蔵用チャンバと弁とを備えるマイクロ流体チップ（２００）のチップ本体（２０２）に組み込まれている、請求項１記載のデバイス。
5. 捕集電極（１２，４１２）及び対電極（１４，４１４）がテーパ付きの非平行な配置で配置されていて、それらの間の流体の流れの方向に向かって外側にテーパのついた流路（４１８）を画成する、請求項１記載のデバイス。
6. 捕集電極（１２，５１２）に対向して、複数の陽極（５１４，５２４，５３４，５４４）が設けられていて、複数の陽極（５１４，５２４，５３４，５４４）が同一平面配置の表面（５１４ａ，５２４ａ，５３４ａ，５４４ａ）をなす、請求項１記載のデバイス。
7. 捕集電極（１２）が、流路開口部（３６）に沿った表面を有しており、該表面が７ｍｍ²〜１４０ｍｍ²の面積及び１：３０〜１：５の幅対長さ比を有している、請求項１記載のデバイス。
8. 前記捕集電極（１２）と対電極（１４）が共にガラス状炭素から形成される、請求項１記載のデバイス。
9. 電気化学的相間移動を実施する方法であって、
   細長い第１の電極と第２の電極の間にＨ₂Ｏ中の¹⁸Ｆ^-イオン溶液を流す段階と、
   第１及び第２の電極の正に帯電した側に¹⁸Ｆ^-イオンを捕捉するため第１の電極と第２の電極の間に電位を印加する段階と、
   第１の電極と第２の電極の間の電位を逆転させる段階と、
   上記逆転段階において第１の電極と第２の電極の間に溶媒を流す段階と、
   ¹⁸Ｆ^-イオンが捕捉された電極を徐々に加熱する段階と
   を含んでいて、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のデバイスで実施される、方法。
10. 第１及び第２の電極がガラス状炭素から形成される、請求項９記載の方法。
11. 溶媒を流す段階の後で、電極間から水を除去する段階をさらに含む、請求項９記載の方法。
12. 前記電位が１０Ｖ以下である、請求項９記載の方法。
13. 前記電位が５Ｖ以下である、請求項９記載の方法。