JP6101268B2 - 色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサ、及び、該ストリップセンサを調製するためのプロセス - Google Patents
色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサ、及び、該ストリップセンサを調製するためのプロセス Download PDFInfo
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Description
本明細書は、特に、発明を記載し、さらに、発明が行われることになる様式を記載している。
本発明は、ローダミン６Ｇ色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサに関し、該センサは、ゾルゲルガラスにおける色素の捕捉を構想するが、依然として、ゾルゲルマトリクスのポアを出入りするより小さな分析物の拡散を可能にする。とりわけ、本発明はさらに、多数の共存しているアニオン性、カチオン性、及び中性の塩の種の存在下で選択的に亜硝酸塩を感知するローダミン６Ｇ色素が捕捉されたゾルゲルフィルムの調製のためのプロセスに関する。
２００７年までのゾルゲルフィルムに基づく光学センサ及びバイオセンサを概説したＪｅｒｏｎｉｍｏ等［Ｔａｌａｎｔａ ７２（２００７）１３］、硝酸塩及び亜硝酸塩の検出及び決定に対するＭｏｏｒｃｒｏｆｔ等の概説［Ｔａｌａｎｔａ ５４（２００１）７８５］、並びに、亜硝酸塩検出の戦略及び現地分析へのその適用に対するＤｕｔｔ及びＤａｖｉｓの概説［Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｍｏｎｉｔ．４（２００２）４６５］を参照することができる。
亜硝酸塩センシングに対して報告された光学センサ［Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ｐａｒｔＡ６１（２００５）１８７１、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ．Ｊ．７２（２００２）１９３；Ｅｕｒ．Ｐｏｌｙｍ．Ｊ．４５（２００９）１５１６；ＡｓｉａｎＪ．Ｃｈｅｍ．１７（２００５）７６７；Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌ．１７（２００２）４５］；酢酸セルロースポリマーフィルムが改変された光ファイバー［Ｏｐｔｉｃｓ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２８３（２０１０）２８４１］；ゾルゲルに基づく光ファイバー［Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ：６９（２０００）１３２］、及び、バイオセンサ［Ａｎａｌｙｓｔ １２５（２０００）１９９３］をさらに参照することができる。
置換ポルフィリン色素を利用するゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩センサ［Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．１１（２００１）３９９］、２，３−ジアミノナフタレン／シクロデキストリン［Ｊ．Ｆｌｕｏｒｅｓｃ．１９（２００９）１１９］、及び、アゾベンゼン色素［Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ：５６（１９９９）１５］をさらに別に参照することができる。
ｉ）ナフィオン上でスルファニルアミド，Ｎ−（１−ナフチル）エチレンジアミンと共に形成される色素の反応及び固定化に必要とされる化学物質を含有する使い捨ての亜硝酸塩テストストリップセンサ［Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．３７３（２００２）２８９］、ｉｉ）Ｇｒｅｉｓｓ試薬［Ａｎａｌ．Ｌｅｔｔ．３８（２００５）１８０３］、及び、ｉｉｉ）３−ヒドロキシ−７，８−ベンゾ−１，２，３，４−テトラヒドロキノリン［Ｊ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６３（２００８）７９２］も参照されてきた。
ゾルゲルガラスの形成［Ｈａｒｕｂｙ及びＷｅｂｂｅｒ、ＵＳＰ５，２７２，２４０；Ｗａｎｇ等 ＵＳＰ２００３／０１４７６０６Ａ１；Ｌｅｅ等 ＵＳＰ５，３２９，５４０］、亜硝酸塩比色ゾルゲルセンサ［Ｃｈａｒｙｃｈ等、ＵＳＰ６，０２２，７４８］、並びに、亜硝酸塩テストストリップセンサ［Ｋｙｌｏｒ等、ＵＳＰ２００５／０１０１８４１Ａ９］をさらに参照することができる。
亜硝酸塩に対して設計された上記の光学テストストリップの全てが、ジアゾカップリング反応に基づいており、さらに、非選択的であり、長い平衡時間、狭い較正範囲、及びより低い感度を必要としている。一方、ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムテストストリップに基づく方法は、実質的に特異的且つ感受性がある亜硝酸塩の決定を提供する。
本発明の主な目的は、色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサを提供することであり、該センサは、前述の欠点を取り除く。
本発明の別の目的は、ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルガラスの調製のためのプロセスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、上記のゾルゲルガラスを利用する安価で頑丈なテストストリップセンサを構築することである。
本発明のさらに別の目的は、高濃度な酸に耐容性を示すことができる多数の共存しているアニオン性、カチオン性、及び中性の塩の存在下での亜硝酸塩の選択的な吸光光度センシングである。
従って、本発明は、天然水における亜硝酸塩に対する、色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップセンサを提供し、該センサは、ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムで被覆された基板を含む。
本発明の実施形態において、前記基板はガラス基板である。
本発明のさらに別の実施形態において、当該ストリップは、それぞれ５２５ｎｍ及び５５５ｎｍにて吸収極大及び蛍光極大を示す。
本発明のさらに別の実施形態において、当該ストリップは、０．０４から０．１２ｐｐｍの範囲の天然水における亜硝酸塩を特異的に感知し、酸性の培養液において０．０１ｐｐｍという検出の限界を有した。
本発明のさらに別の実施形態において、当該センサは、好ましくは溶媒で洗浄され、最短で１０分間乾燥され、５２５ｎｍにて分光光度的に測定することによって、１から１．５Ｎの薄い硫酸培養液における亜硝酸塩を特異的に感知する。
本発明のさらに別の実施形態において、使用される溶媒は、メタノール、エタノール、又はジクロロメタンから成る群から選択される。
本発明のさらに別の実施形態において、当該センサは、３０日まで安定性を示す。
一実施形態において、本発明は、色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップセンサの調製のためのプロセスを提供し、当該プロセスは、
ｉ）１：２：３から１：５：５に及ぶ比のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、水、及びエタノールの混合物を、２０から４０分の範囲にある期間の間超音波処理してゾルを形成するステップ、
ｉｉ）超音波処理下での０．０５から０．１Ｍ ＨＣｌの液滴による添加によって、ステップｉ）において得た前記ゾルを加水分解するステップ、
ｉｉｉ）ステップｉｉ）において得た加水分解したゾルを、０．０３から０．０７％のローダミン６Ｇの添加後に３０から６０分間さらに超音波処理するステップ、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）において得た超音波処理したゾルを、１５から２１時間の範囲にある期間の間熟成させて、色素が捕捉されたゾルゲルガラスを得るステップ、
ｖ）ガラス基板上でゾルゲルフィルムとしてステップｉｖ）において得たゾルゲルガラスを鋳造し、続いて、４０から５０℃の範囲において、９から１５時間の範囲にある期間の間乾燥させて、テストストリップセンサを得るステップ、
を含む。
ｉ）１：２：３から１：５：５に及ぶ比のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、水、及びエタノールの混合物を、２０から４０分の範囲にある期間の間超音波処理してゾルを形成するステップ、
ｉｉ）超音波処理下での０．０５から０．１Ｍ ＨＣｌの液滴による添加によって、ステップｉ）において得た前記ゾルを加水分解するステップ、
ｉｉｉ）ステップｉｉ）において得た加水分解したゾルを、０．０３から０．０７％のローダミン６Ｇの添加後に３０から６０分間さらに超音波処理するステップ、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）において得た超音波処理したゾルを、１５から２１時間の範囲にある期間の間熟成させて、色素が捕捉されたゾルゲルガラスを得るステップ、
ｖ）ガラス基板上でゾルゲルフィルムとしてステップｉｖ）において得たゾルゲルガラスを鋳造し、続いて、４０から５０℃の範囲において、９から１５時間の範囲にある期間の間乾燥させて、テストストリップセンサを得るステップ、
を含む。
従って、本発明は、色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサ、及び、色素が捕捉された薄いゾルゲルフィルムに基づくテストストリップを鋳造するプロセスを含むプロセスを提供し、
ａ）ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルガラスの調製、
ｂ）上記のゾルゲルガラスを有した光学的に透明なテストストリップの鋳造、
ｃ）実質的に特異的な亜硝酸塩のセンシング、
を利用する。
ａ）ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルガラスの調製、
ｂ）上記のゾルゲルガラスを有した光学的に透明なテストストリップの鋳造、
ｃ）実質的に特異的な亜硝酸塩のセンシング、
を利用する。
ａ）ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルガラスの調製
色素が捕捉されたゾルゲルガラスを調製するための実験手順が、図４において示されている。色素が捕捉されたゾルゲルガラスの調製において、３つの主なステップがある。
ｉ）テトラエトキシシラン、水、及びエタノールを含有する適したゾルの組成物の同定
０．０１Ｍ ＨＣｌを用いた加水分解の間のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、エタノール、及び水の異なるモル比を、色素を浸出することなく透明な再現性のあるテストストリップを与えることになる適した処方を得るために選別した。試したいくつかの処方の中で、１：３：５、１：２：３、及び１：５：４（ＴＥＯＳ：エタノール：水）は、浸出することなくテストストリップを与えると分かった。しかし、最初の比は、他の２つと比較して亜硝酸塩定量化においてより優れた再現性を提供し、後の研究において好まれた。
ｉｉ）ＨＣｌの液滴による添加を用いたゾルの加水分解後のローダミン６Ｇの捕捉
０．２０ｍｌの０．０１Ｍ ＨＣｌを液滴で添加し、さらに、３０分間超音波処理して、３時間別にして維持した。ゾルゲルフィルムにおいて捕捉するためのローダミン６Ｇの濃度は、０．００１ｇから０．０１ｇまで異なった。過剰量の色素は、おそらく色素の二量体形成のため、不定の亜硝酸塩分析信号を生じ、さらに、不足量の色素は、より低い感度を生じた。０．００５ｇという最適量を、さらなる研究に対して選んだ。超音波処理を介したゾルゲル処方とのローダミン６Ｇの徹底的な混合は、最短で３０分必要とし、６０分まで増やしても影響されない。
ｉｉｉ）予め処理したガラスプレート上で鋳造する前の、ゾルゲルガラスを形成するためのゾルの熟成
５から１００時間の範囲において５時間刻みに変えられるローダミン６Ｇを捕捉するためのゾルゲル処方の熟成時間は、１５から２０時間という最適な熟成時間を示す。効果的なローダミン６Ｇの捕捉のためのゲルの形成のための乾燥時間及び乾燥温度は、それぞれ１２時間及び４５℃であると分かった。
色素が捕捉されたゾルゲルガラスを調製するための実験手順が、図４において示されている。色素が捕捉されたゾルゲルガラスの調製において、３つの主なステップがある。
ｉ）テトラエトキシシラン、水、及びエタノールを含有する適したゾルの組成物の同定
０．０１Ｍ ＨＣｌを用いた加水分解の間のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、エタノール、及び水の異なるモル比を、色素を浸出することなく透明な再現性のあるテストストリップを与えることになる適した処方を得るために選別した。試したいくつかの処方の中で、１：３：５、１：２：３、及び１：５：４（ＴＥＯＳ：エタノール：水）は、浸出することなくテストストリップを与えると分かった。しかし、最初の比は、他の２つと比較して亜硝酸塩定量化においてより優れた再現性を提供し、後の研究において好まれた。
ｉｉ）ＨＣｌの液滴による添加を用いたゾルの加水分解後のローダミン６Ｇの捕捉
０．２０ｍｌの０．０１Ｍ ＨＣｌを液滴で添加し、さらに、３０分間超音波処理して、３時間別にして維持した。ゾルゲルフィルムにおいて捕捉するためのローダミン６Ｇの濃度は、０．００１ｇから０．０１ｇまで異なった。過剰量の色素は、おそらく色素の二量体形成のため、不定の亜硝酸塩分析信号を生じ、さらに、不足量の色素は、より低い感度を生じた。０．００５ｇという最適量を、さらなる研究に対して選んだ。超音波処理を介したゾルゲル処方とのローダミン６Ｇの徹底的な混合は、最短で３０分必要とし、６０分まで増やしても影響されない。
ｉｉｉ）予め処理したガラスプレート上で鋳造する前の、ゾルゲルガラスを形成するためのゾルの熟成
５から１００時間の範囲において５時間刻みに変えられるローダミン６Ｇを捕捉するためのゾルゲル処方の熟成時間は、１５から２０時間という最適な熟成時間を示す。効果的なローダミン６Ｇの捕捉のためのゲルの形成のための乾燥時間及び乾燥温度は、それぞれ１２時間及び４５℃であると分かった。
図１は、ゾルゲルガラスの調製の間に発生する化学的ステップの筋道を収載している。
ｂ）ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルガラスを有した光学的に透明なテストストリップの鋳造
色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップが、予め処理したガラスプレート上でのゾルゲルガラスの手動の鋳造によって構築される。ガラスプレートの前処理を、濃縮されたＨＮＯ３、蒸留水、及びエタノールを用いて行い、続いて、乾燥させた。図２は、視覚的検出及び吸光光度定量化のためのローダミン６Ｇベースの溶液並びにテストストリップセンサの概略図を描いている。
色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップが、予め処理したガラスプレート上でのゾルゲルガラスの手動の鋳造によって構築される。ガラスプレートの前処理を、濃縮されたＨＮＯ３、蒸留水、及びエタノールを用いて行い、続いて、乾燥させた。図２は、視覚的検出及び吸光光度定量化のためのローダミン６Ｇベースの溶液並びにテストストリップセンサの概略図を描いている。
ｃ）実質的に特異的な亜硝酸塩のセンシング
テストストリップは、１から１．５ＮのＨ２ＳＯ４で酸性化された亜硝酸塩（０．０４から０．１２ｐｐｍ）溶液に曝露され、好ましくはメタノール（エタノール及びジクロロメタンも使用することができる）で洗浄され、さらに、最短で１０分間乾燥させられ、５２５ｎｍのλｍａｘにて分光光度的に吸光度を測定した。図３は、いくつかの共存している種と比較した設計された亜硝酸塩テストストリップセンサの特異性を強調している。開発したテストストリップは、直接法によっても標準的な添加方法によっても決定される天然水（水道水、井戸水、及び海水）における亜硝酸塩の決定のために応用されている。得た結果が、以下に表１において示されている。
テストストリップは、１から１．５ＮのＨ２ＳＯ４で酸性化された亜硝酸塩（０．０４から０．１２ｐｐｍ）溶液に曝露され、好ましくはメタノール（エタノール及びジクロロメタンも使用することができる）で洗浄され、さらに、最短で１０分間乾燥させられ、５２５ｎｍのλｍａｘにて分光光度的に吸光度を測定した。図３は、いくつかの共存している種と比較した設計された亜硝酸塩テストストリップセンサの特異性を強調している。開発したテストストリップは、直接法によっても標準的な添加方法によっても決定される天然水（水道水、井戸水、及び海水）における亜硝酸塩の決定のために応用されている。得た結果が、以下に表１において示されている。
以下の実施例は例示として与えられており、従って、本発明の範囲を限定するとして解釈されるべきではない。
ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップを、０．４２０ｍｌのテトラエトキシシラン、０．５５ｍｌのエタノール、及び１０ｍｌの水の混合物を３０分間超音波処理してゾルを形成し、次に、超音波処理下で０．１Ｍ ＨＣｌ（０．２ｍｌ）の液滴による添加によって加水分解することにより調製した。このゲルは、０．００５ｇのローダミン６Ｇの添加後、さらに４５分間超音波処理され、１８時間熟成され、フィルムとして鋳造され、さらに、１２時間４５℃にて乾燥される。
ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップを、０．６３０ｍｌのテトラエトキシシラン、０．４９０ｍｌのエタノール、及び１０ｍｌの水の混合物を３０分間超音波処理してゾルを形成し、次に、超音波処理下で０．１Ｍ ＨＣｌ（０．２ｍｌ）の液滴による添加によって加水分解することにより調製した。このゲルは、０．００５ｇのローダミン６Ｇの添加後、さらに４５分間超音波処理され、１８時間熟成され、フィルムとして鋳造され、さらに、１２時間４５℃にて乾燥される。
ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップを、０．２５０ｍｌのテトラエトキシシラン、０．２６０ｍｌのエタノール、及び１０ｍｌの水の混合物を３０分間超音波処理してゾルを形成し、次に、超音波処理下で０．１Ｍ ＨＣｌ（０．２ｍｌ）の液滴による添加によって加水分解することにより調製した。このゲルは、０．００５ｇのローダミン６Ｇの添加後、さらに４５分間超音波処理され、１８時間熟成され、フィルムとして鋳造され、さらに、２２時間４５℃にて乾燥される。
実施例１のゾルゲル処方が、０．００３、０．００４、０．００６、及び０．００７ｇのローダミン６Ｇで調製される。実施例１のゾルゲル処方が、ローダミン６Ｇの添加後、３０から６０分間超音波処理することによって調製される。実施例１のゾルゲル処方が、フィルムとして鋳造する前に１５から２０時間熟成させることによって調製される。色素が捕捉されたゾルゲルテストストリップが、１０から１５時間４５℃で乾燥させることによって調製される。
ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムの安定性を、０、５、１０、２０、及び３０日間にわたりテストし、優れていると分かった。
ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップは、０．０４から０．１２ｐｐｍの亜硝酸塩を感知する。テストストリップの較正データが以下に与えられている。
テストストリップの利用方法
上記の実施例に従ったゾルの調製、加水分解、色素の補足、熟成、フィルムとして鋳造、及び乾燥を含むステップの組み合わせによって調製した安定したローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップは、発明の詳細な説明において述べたように、多数の共存しているアニオン及びカチオンの存在下での実質的に特異的な亜硝酸塩のセンシングに使用することができる。商業的に市販されている且つ論文において報告されている亜硝酸塩の生化学的及び電気化学的なセンサとの本発明のテストストリップに基づくセンサの比較説明が、優位性を示した表２において与えられている。
ゾルゲルに基づくテストストリップは、以下の特徴を提供する。
ｉ）その寸法は、５ｃｍ×１ｃｍ（長さ＆幅）である。
ｉｉ）０．２ｍｌのゾルが、テストストリップを鋳造するために使用される。
ｉｉｉ）それぞれ５２５ｎｍ及び５５５ｎｍにて吸収極大及び蛍光極大を示している。
ｉ）その寸法は、５ｃｍ×１ｃｍ（長さ＆幅）である。
ｉｉ）０．２ｍｌのゾルが、テストストリップを鋳造するために使用される。
ｉｉｉ）それぞれ５２５ｎｍ及び５５５ｎｍにて吸収極大及び蛍光極大を示している。
本発明の利点
１．ゾルゲルに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサの開発
２．発明したテストストリップに基づく亜硝酸塩分析は、急速でシンプル且つ安価であり、さらに高選択性である。
３．発明したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、高い酸性度に耐容性を示し得る。
４．発明したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、より優れた有効期間を有しており、従って、経済的に実行可能且つ環境に優しい。
５．開発したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、天然水における亜硝酸塩の実質的に特異的な吸光光度センシングに使用することができる。
１．ゾルゲルに基づく亜硝酸塩テストストリップセンサの開発
２．発明したテストストリップに基づく亜硝酸塩分析は、急速でシンプル且つ安価であり、さらに高選択性である。
３．発明したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、高い酸性度に耐容性を示し得る。
４．発明したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、より優れた有効期間を有しており、従って、経済的に実行可能且つ環境に優しい。
５．開発したゾルゲルに基づくテストストリップセンサは、天然水における亜硝酸塩の実質的に特異的な吸光光度センシングに使用することができる。
Claims (7)
- 水における亜硝酸塩に対する、色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップセンサであって、ローダミン６Ｇが捕捉されたゾルゲルフィルムで被覆されたガラス基板を含み、０．０４から０．１２ｐｐｍの範囲の水における亜硝酸塩を感知するように構成され、さらに、酸性の培養液において０．０１ｐｐｍの検出の限界を有するテストストリップセンサ。
- 当該ストリップが、５２５ｎｍ及び５５５ｎｍのそれぞれにて吸収極大及び蛍光極大を示す、請求項１に記載のテストストリップセンサ。
- 当該ストリップが、０．０４から０．１２ｐｐｍの範囲の天然水における亜硝酸塩を特異的に感知し、酸性の培養液において０．０１ｐｐｍの検出の限界を有した、請求項１に記載のテストストリップセンサ。
- 溶媒で洗浄され、最短で１０分間乾燥され、５２５ｎｍにて分光光度的に測定することによって、１から１．５Ｎの薄い硫酸培養液における亜硝酸塩を特異的に感知する、請求項１に記載のテストストリップセンサ。
- 使用される溶媒は、メタノール、エタノール、又はジクロロメタンから成る群から選択される、請求項２に記載のテストストリップセンサ。
- ３０日まで安定性を示す、請求項１に記載のテストストリップセンサ。
- 請求項１に記載の色素が捕捉されたゾルゲルフィルムに基づくテストストリップセンサの調製のためのプロセスであって、
ｉ）１：２：３から１：５：５に及ぶ比のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、水、及びエタノールの混合物を、２０から４０分の範囲にある期間の間超音波処理してゾルを形成するステップ、
ｉｉ）超音波処理下での０．０５から０．１Ｍ ＨＣｌの液滴による添加によって、ステップｉ）において得た前記ゾルを加水分解するステップ、
ｉｉｉ）ステップｉｉ）において得た加水分解したゾルを、０．０３から０．０７％のローダミン６Ｇの添加後に３０から６０分間さらに超音波処理するステップ、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）において得た超音波処理したゾルを、１５から２１時間の範囲にある期間の間熟成させて、色素が捕捉されたゾルゲルガラスを得るステップ、
ｖ）ガラス基板上でゾルゲルフィルムとしてステップｉｖ）において得たゾルゲルガラスを鋳造し、続いて、４０から５０℃の範囲において、９から１５時間の範囲にある期間の間乾燥させて、テストストリップセンサを得るステップ、
を含むプロセス。
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