JPH05230125A - 共有結合的に結合した重合体−色素化合物の精製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 共有結合的に結合した色素指示物質と未結合
の色素指示物質を含む重合体を精製する方法として、色
素指示物質を重合体に共有結合的に結合させ、重合体−
色素複合体を色素指示物質を透過させる半透膜から成る
濾過容器に配置し、重合体−色素複合体を濾過するため
に、反応体を容器中で溶媒にさらす工程を含む方法。濾
液中の未結合の指示物質濃度をモニターしてもよく、重
合体−色素複合体が望む純度に達するまで、溶媒による
洗浄を繰り返してもよい。 【効果】 ドリフトのよい安定したケミカルセンサーに
適した重合体−色素複合体がえられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、一般的には重合体の精製方法に
関し、さらに詳しくは、誤差のない化学センサーの作成
に用いるため、一部が重合体との共有結合によって生成
される重合化合物を共有結合反応後に重合体中に残留す
る未結合部分を取り除くことにより、精製する方法に関
する。体液の酸性度や溶存気体を測定するための光学フ
ァイバーセンサーは医学、化学及び環境の分野で、数多
くの応用が見出されている。このようなセンサーは生体
内での（インビホの）pH、並びに酸素及び二酸化炭素な
どの他の血液成分の血管内の測定を行うために開発され
てきた。この様な装置に広く用いられてきた一つの方法
としては、半透過性基質中の色素指示を利用した螢光技
術があり、これは高感度が得られるということによるも
のである。しかしながら、基質材料中の不純物のため
に、これらのセンサーによる測定には誤差の問題が起こ
り得る。

【０００２】螢光法では通常、螢光放射が目的分析物質
の存在により影響される螢光色素を利用する。螢光色素
は一般的には重合体あるいは同様の物質で作られた半透
過性基質内に、通常被包されるか、あるいは結合してい
る。そしてその色素を結合した基質材料は、当分野でよ
く知られた方法を用いて光学ファイバーの先端につける
ことができる。適切なフィルター装置を有する光源によ
り、光学ファイバーを伝搬し色素を励起させる、選択的
波長の光が得られる。励起エネルギーによって誘起され
た螢光シグナルは、光学ファイバーを介して戻り、光検
知器によって測定される。従って、検体中の目的物質の
濃度の関数である色素の螢光強度は、目的物質の濃度の
測定に変換することができる。センサーの反応強度は、
まわりの基質中の色素物質量の関数でもあるので、色素
含量の変動はこのような測定の精度を変化させ得る。

【０００３】螢光指示器は、通常、ある一つの波長領域
の光を利用し、異なった波長の光を放射する螢光指示色
素を励起する。このようなセンサーは、例えばそれぞれ
異なる放射波長を有する酸型や塩基型の形で存在する単
一の色素を利用してもよい。従って、pHや二酸化炭素の
分圧の変化は；色素の２つの型の間の平衡の変化を起こ
し、それにより、異なった波長で放射される光の強度比
を変化させ得る。酸素分圧を測定するために、酸素によ
り消光し得る螢光色素を利用し、螢光の消光を起こす技
術も開発されてきた。検体中の酸素濃度、及び基質中の
色素量の関数である、色素の螢光強度は、同様に、酸素
分圧に変換することができる。

【０００４】溶液中の二酸化炭素分圧は、溶液中の二酸
化炭素と平衡関係にある重炭酸塩溶液のpHを測定するこ
とにより、光学センサーを用いて求めることができる。
重炭酸塩と二酸化炭素は、水素イオン濃度が通常二酸化
炭素分圧により変動する。pH緩衝系を形成する。溶液の
pHまたは二酸化炭素含量は、例えば螢光指示薬として、
光学ファイバーの先端のシリコン基質中に埋め込まれた
フルオレセイン(fluorescein）を利用することによって
測定することができる。二酸化炭素はこのシリコン基質
を通りぬけて浸透し指示薬物質に至ることができる。こ
れまで使われてきた別の種類の螢光指示薬は、ヒドロキ
シピレントリスルホニック酸（HPTS）である。残念なこ
とに、基質に結合しないような色素もこの基質中を透過
することができるため、長期間用いると色素物質がセン
サーから浸出することになる。

【０００５】センサー中に色素物質を保持する光学セン
サーを製造する一つの方法は、検知物質を直接光学ファ
イバーの先端に付けるか、または接着剤によって、色素
で満たした多孔性のガラスを光学ファイバーの先端に装
着することを含んでいる。別の方法は、基質中に取り込
んだり、基質とのイオン的相互作用などによって、親水
性重合体基質中に固定した、色素指示検知物質を含むス
リーブ（sleeve）を、光学ファイバーの先端に装着する
ことを含んでいる。このようなセンサーは、長期間の使
用の後に、ついには指示色素を浸出させてしまう傾向に
あり、その結果、不正確な血中pHの測定の頻度が高ま
る。このような光学ファイバー分析センサーには、分析
物質の測定の精度に影響を与え得る固有の問題がまだ多
く残っている。例えば、螢光色素を気体が透過できる基
質中に固定しておくことは、色素と基質との間の化学的
な非親和性のために、困難な問題となることもある。よ
り広く使われている螢光色素の多くは、有機物質の中で
の溶解度の低い多環式芳香族化合物である。その結果、
螢光色素は透過性のある基質を通り抜け、測定中の検体
溶液あるいは気体混合物へ浸出していく傾向をもってい
る。

【０００６】色素を無機物のあるいは有機物の固体の支
持体に吸収したり、有機溶媒により基質中に色素を拡散
させたり、あるいは色素を多孔性ガラスに共有結合的に
結合させるなど、指示色素を動作可能なセンサーエレメ
ント中で使用するためにより効果的に固定するためのア
プローチは、色素物質の浸出という問題を防ぐために
は、必ずしも効果的ではなかった。色素指示物質を、基
質を構成する重合体に共有結合的に結合させることが非
常に効果的であることが見出されている。しかし、共有
結合の後に重合体基質中に残っている未結合の色素指示
物質の不純物がそれでもセンサーから浸出し得るため、
センサーによる測定の誤差を生む原因となる。色素物質
がセンサー物質表面自体に結合している場合でさえ、セ
ンサー中の全ての色素物質が確実に結合していることを
保証することは困難である。使用中に色素が浸出する結
果として、分析物の測定の精度を保証するために、検知
部位を絶えず交換していなければならないこともあろ
う。さらに、重合体基質の中を自由に動くことのできる
未結合の螢光色素分子は凝集する傾向があり、その結
果、螢光物質の螢光特性が変化してしまう。

【０００７】センサーの誤差を減らすために重合体−色
素材料を精製する方法の１つは、重合体に色素物質が結
合した後重合体中に残っている未結合の色素を除くため
に、該材料を様々な酸や塩基の緩衝液にさらすことによ
って、色素−基質材料をコンデショニングすることを伴
っている。ポリアクリルアミドゲルが結合した標識色素
によって作成したセンサー内部で起こり得る化学的変化
を減少させるために、このようなセンサーをコンデショ
ニングする別の常法は、結合指示物質のpKa を安定化さ
せる調整（コンディショニング）溶液で、色素−ゲル材
料を処理することによる。色素の浸出を減少させる目的
で、弱く結合した色素分子を洗い流すために親水性のア
クリル性色素／ゲル重合体を処理するもう一つの方法に
は、色素／ゲル重合体を加水分解し、弱く結合した色素
分子を重合体から取り除くために加温した塩基水溶液
で、重合体−色素複合体を処理し、塩基で処理した色素
／ゲル重合体から水性塩基を除くために水で洗い、水を
除くために、エタノールのような無水溶媒で色素／ゲル
重合体を処理するという過程が含まれている。しかしな
がら、このような処理を行った重合体−色素材料を用い
て製造したセンサーにおいてもなお、未結合の色素が重
合体の感知基質から浸出するという問題がたびたび起こ
るため、頻繁に再補正を行うことが必要となるが、この
ことは臨床上の使用においては、非実用的、あるいは不
可能である。

【０００８】従って、重合体及び共有結合的に結合して
いる色素物質を含んだセンサー等での測定を安定化させ
た誤差のないセンサーを作製するために、共有結合した
螢光色素指示物質を含む重合体を精製するための改良法
を提供することが望まれる。簡潔に、また、一般的言葉
で述べると、本発明は、重合体−色素複合体を含むセン
サーを実質的に誤差なく動作させるために、製造後のコ
ンデショニング処理をすることなしに、螢光色素指示物
質に共有結合した重合体を精製する方法を提供する。

【０００９】重合体−色素複合体が血液成分測定用のセ
ンサー中で用いられる際の測定の誤差を減少させるため
に、未結合色素指示物質を含む重合体を精製する方法
は、基本的に、重合体を色素指示物質と共有結合的に結
合させることにより製造した重合体−色素複合体を、重
合体−色素は透過させないが、色素物質は透過させる、
半透過性の膜で作られた容器に入れ、重合体−色素複合
体を濾過するために重合体−色素複合体をその容器中で
溶媒にさらす、という工程を含んでいる。溶媒は有機溶
媒が好ましく、重合体−色素複合体を精製するために
は、濾液を除き、少なくとも３、４回新しい洗浄用の溶
媒で置換することが好ましい。ろ液中の未結合の指示物
質の濃度をモニターしてもよく、所望の純度の重合体−
色素複合体を得るためには、濾液中の未結合の指示物質
の濃度があらかじめ定めた限度値以下になるまで溶媒に
よる洗浄を繰り返えせばよい。

【００１０】重合体色素の反応物は、ヒドロキシエチル
メタメタクリレートとアジリジニルエチルメタメタクリ
レートの共重合体と、架橋剤のポリエーテルポリイチシ
アネートの混合物から製造されることが好ましく、また
色素指示物質は本質的に８−ヒドロキシ−１，３，６ピ
レントリスルホン酸から成ることが好ましい。半透膜は
約１2,０００から１4,０００以下の分子量の分子を透過
させるものが好ましい。

【００１１】これら及びその他の点、そして発明の利点
は以下の詳細な説明により明確になるであろう。センサ
ーの重合体基質に共有結合している螢光色素を用いた、
血管内血液分析センサーは、長期間使用すると、センサ
ーから未結合の色素指示物質が次第に浸出してくるため
生じる誤差の問題のため使用が制限されてきた。従っ
て、本発明の方法は、重合体と色素指示物質のような部
分との共有結合、及び、結合反応後重合体中に残ってい
る未反応、未結合の色素指示物質を含む重合体−色素複
合体の精製を企図している。

【００１２】高感度血液分析センサーに使われる重合体
−色素結合複合体であって、測定の誤差の減少が重合体
−色素複合体の純度に密接に関係していることがわかっ
ており、またそれについて本発明の精製方法が有利に用
いられるかもしれない複合体の例の一つには、１以上の
色素指示物質にポリエーテルポリアミンの形で共有結合
することのできる部位をもつ、ヒドロキシエチルメタメ
タクリレート（HEAM）とアジリジニルエチルメタメタク
リレート（AEMA）の共重合体と、Ｗ．Ｒグレース社で製
造され「ヒポル（HTPOL)」という商標で販売されている
ようなポリエーテルポリイソシアナートの架橋剤の混合
物から製造されるヒドロキシエチルメタメタクリレート
（HEMA）とアジリジニルエチルメタメタクリレート（AE
MA）は、一般的にHEMAとAEMAが２０：１の比で共重合さ
れる。重合反応は、例えば、２０から４０分間、６５℃
で行えばよい。

【００１３】その後、例えば８−ヒドロキシー１，３，
６ピレントリスルホン酸（HPTS）のような色素指示物質
を、まず炭酸ナトリウムを用いたアジリジン環の開環反
応によってHEMA/AEMA 共重合体に結合させ、引き続き８
−アセトキシ１，３，６ピレントリスルホニルクロリド
を加えてHEMA/AEMA 共重合体に色素を共有結合させ、HE
MA/AEMA-HPTSを生成させる。そして、生じた水不溶性の
HEMA/AEMA-HPTS色素−共重合体は、その後未反応のHPTS
と未反応の単体、及び非常に短鎖の重合体を除くために
本発明の方法に従い精製すればよい。

【００１４】未反応の色素、未反応の単量体、及び短鎖
のオリゴマー−色素鎖を含む重合体−色素反応物は、再
生セルロースのような、約１2,０００から１4,０００以
下の分子量の分子を透過させる半透膜をもつ容器の中に
移すのが好ましい。従って、その膜は重合体−色素複合
体には不透過性であり、一方、重合体−色素及び未結合
の指示物質が可溶をジメチルホルアミド（DMF ）、メタ
ノール、または他の同様の有機溶媒のような溶媒を透過
させ、未結合の指示物質、未結合の単量体及びオリゴマ
ー−色素断片を透過させるものであることが望ましき。
この膜は、重合体−色素結合化合物を入れるのに便利な
透析バッグの形にすると有利かもしれない。半透膜中に
入れた重合体−色素を溶媒にさらすと、膜を通った容器
外の濾液中へ未結合の指標物質を引き出し、重合体−色
素から、不要な指示物質を濾過することになる。反応混
合物を含む透析バッグは、重合反応体の約１０倍容量の
有機溶媒洗浄液を入れた容器内に置くことが好ましい。
濾液を透析バッグから分離し、最大限に精製するために
は、好ましくは溶媒を３、４回、変換溶媒交換に最低１
２時間の間隔をあけることが好ましい。溶媒と重合体−
色素中の不要な低分子を重合体−色素から膜を通って溶
媒中へ拡散させるため、半透過性バリアーとして働くよ
うに容器の一部に張った膜を有するような、別の種類の
容器も用いることができる。

【００１５】濾液中の未結合の指示物質の濃度をモニタ
ーし続けてもよく、濾液除去後半透膜の内側に含まれる
重合体−色素を濾液中の未結合指示物質の濃度が１マイ
クロモル程度の、あらかじめ定めた限界濃度以下になる
等許容濃度に達するまで、繰り返し新しい溶媒にさらし
てもよい。連続的な溶媒変換によって透析濾液中の色素
濃度が低下することがわかっており、これは本精製法が
有効であることを示している。本発明の方法に従って精
製した重合体−色素複合体を含む光学pHセンサーの性能
を試験したところ、６０時間の試験時間後も0.００８pH
単位の誤差（ドリフト）しか生まない、信頼性の高いpH
測定値が得られた。

【００１６】従って、本発明の精製方法により、本質的
に誤差のないpHセンサーの製造が可能になるであろうこ
と、また本発明の原理は、多様な種類の利用のために高
分子−色素複合体を精製するために応用できることは、
高く評価できる。このようなセンサーで誤差が生じない
という性能はセンサーの運搬も容易にする。なぜなら、
このようなセンサーは、誤差なく作動させるための製造
後の調整を必要としないくらい充分に安定しているから
である。

【００１７】本発明の特定の態様例示し説明したが、上
に述べたように、本発明の意図と目的から離れることな
く、多様な応用が可能なことは明らかであろう。従っ
て、添付した特許請求の範囲により定義されたものを除
き、この記載により本発明を限定することは意図すると
ころではない。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重合体と重合体に結合した色素指示物質
   を含む化学センサーの誤差を小さくするために、共有結
   合で結合した色素指示物質と未結合の色素指示物質を含
   む重合体を精製するための方法であって、以下の工程： a) 重合体と色素指示物質との共有結合により生成し、
   その中に未結合の色素指示物質を含む重合体−色素反応
   体を、該重合体−色素反応体は透過させないが該未結合
   の指示物質は透過させ、かつ該未結合の指示色素物質が
   可溶な溶媒は透過させる半透膜により形成された容器内
   に配置する工程； b) 該未結合指示物質を該膜を通して溶媒の濾過画分を
   形成する該溶媒中の溶液として引き出すために、該重合
   体−色素体を該容器内で該溶媒中に配置する工程；及び c) 該濾過画分を該容器中の該重合体−色素反応体と分
   離する工程を含む方法。
2. 【請求項２】 該濾過画分中の該未結合指示物質濃度を
   測定する工程、及び該濾液中の該未結合指示物質の濃度
   があらかじめ定めた限界値以下に下がるまで工程b)とc)
   を繰り返す工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 該重合体がヒドロキシエチルメタメタク
   リレートとアジリジニルエチルメタメタリクレートの共
   重合体と、ポリエーテルポリイソシアネート架橋剤の混
   合物から形成される請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 該色素指示物質が８−ヒドロキシ−1,3,
   ６ピレントリスルホン酸を含む請求項１ないし３に記載
   の方法。
5. 【請求項５】 該膜が分子量約１4,０００以下の分子を
   透過させるものである、請求項１ないし４に記載の方
   法。
6. 【請求項６】 該膜が分子量約１2,０００以下の分子を
   透過させるものである、請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 該膜が再生セルロースを含む請求項１な
   いし６に記載の方法。
8. 【請求項８】 該溶媒が有機溶媒である、請求項１ない
   し７に記載の方法。
9. 【請求項９】 該溶媒がジメチルホルムアミドとメタノ
   ールから選ばれる、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 該溶媒の容量を、該重合体−色素反応
    体容量の約１０倍とする、請求項１ないし９に記載の方
    法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし１０に記載の方法によ
    って精製され共有結合で結合した色素指示物質を含む重
    合体の血液成分センサーにおける使用。