JP5841992B2 - 光学特性が向上した高次構造化色素 - Google Patents

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本願は、２０１０年３月１５日出願の米国特許仮出願第６１／３１４，０３８号に基づくＰＣＴ出願でありかつそれに基づく優先権を主張するものである。

本開示は、１つ以上の色素単位が場合により重水素置換を含有していてもよい共有結合多量体または高次対称構造体である新しい有機色素に関する。開示された色素は、光学コーティング、新しい光学ナノ材料、高密度記憶デバイスにとくに有用でありうる。開示された色素の構造特性および光学特性は、表面増強Ｒａｍａｎ共鳴分光法を介して情報量増大の手段を提供する。

反応性蛍光色素は、フォトニクス技術を含む多くの重要な用途、特定的には、同調可能レーザーを必要とする系内の能動媒質、太陽エネルギー変換デバイスなどのフォトエレクトロニクスデバイスやオプトエレクトロニクスデバイス、微視的非線形光学デバイス、および生化学系内の分子プローブとしての用途を有する。一般に使用される蛍光色素としては、ローダミン（Ｒ６Ｇ）、クリスタルバイオレット（ＣＶ）、およびナイルブルーが挙げられるが、とくにこれらに限定されるものではない。他の色素およびその合成誘導体としては、オプトエレクトロニクスデバイスで研究されてきたものとして、シアニン、ルテニウム系色素、イソホロン誘導体、ペリレン色素、アントラセン色素、ＢＯＤＩＰＹ色素、ポルフィリン、およびアゾ芳香族ポリマーが挙げられる。

それらの蛍光色素のうち、Ｒ６Ｇは、広く研究され、薄膜レーザーに適用されてきた。たとえば、Ｒ６Ｇは、透明かつ多孔性のＳｉＯ_２薄膜中に組み込まれたてきた。得られるＲ６Ｇ／ＳｉＯ２複合薄膜は、光を分散しないので、光学デバイス中およびフォトニクスデバイス中への組込みに使用可能である。高次のＲ６Ｇ非共有結合二量体は、Ｌａｐｏｎｉｔｅクレーの担持薄膜中にインターカレートされたＲ６Ｇレーザー色素の凝集プロセス時に観測されてきた。

独特の光学特性を呈するいくつかの蛍光色素二量体および非蛍光色素二量体は、種々の領域で研究されてきた。たとえば、合成ポルフィリン二量体は、色素増感太陽電池式エネルギー変換でＴｉＯ_２中への効率的な電子注入を示した。Ｈｏｅｃｈｓｔ二量体もまた調製され、ｄｓＤＮＡに結合するかまたは２本のｄｓＤＮＡ鎖間で架橋を形成するかのいずれかであることが示されてきた。テザー型メロシアニン二量体は、対応する単量体と比較して新規なソルバトクロミック効果を呈した。最近、反応性かつ生物還元性のチオール含有テトラメチルローダミン二量体が合成され、細胞追跡系内のジチオール還元感受性蛍光プローブとしてさらにはチオール系色素標識試薬として有用であることが実証された。

一方、ラマン分光法は、そのサンプル調製要件が最小限に抑えられかつ水性溶液中での生体材料との適合性があるため、ますます実用的な技術になりつつある。Ｒａｍａｎ分光法は、分子からの散乱光の波長および強度の測定である。Ｒａｍａｎ散乱光は、系の全分極に関連する分子振動のエネルギーだけ入射光からずれた波長で生じる。典型的な用途は、構造決定、多成分定性分析、および定量分析にみられる。

より最近になって、表面増強共鳴Ｒａｍａｎ分光法（ＳＥＲＲＳ）は、その信号増強がこれまでにないほど大きいため、タンパク質分析、核酸分析、および関連バイオマーカー分析の用途で魅力的な技術になってきた。たとえば、Ｒ６Ｇ誘導体は、単量体として調製され、タンパク質濃度の正確な定量のために表面増強共鳴Ｒａｍａｎ分光法（ＳＥＲＲＳ）に適用された。タンパク質の含有率および組成の正確な定量は、同位体編集表面増強共鳴Ｒａｍａｎ分光法（ＩＥＲＳ）を用いて達成されてきた。スペクトルシグネチャーは、タンパク質特性による干渉を受けることなくゲルマトリックス方式でタンパク質中に組み込まれたアイソトポローグ標識の予想統計分布を反映する。しかしながら、工業環境への技術移転時、これらのＲ６Ｇ単量体色素は欠点を抱えてきた。Ｒ６Ｇとナノ粒子との相互作用は、変動しやすく制御が困難であるため、それらのＲａｍａｎシグナルを再現するのは困難である。Ｒ６Ｇ単量体色素とリンカーと標的タンパク質とのコンジュゲーションは、サンプル状態に敏感である。したがって、ＳＥＲＲＳで単量体形の欠点を克服しうる新しいＲ６Ｇ誘導体の開発は、ＩＥＲＳを開発するための緊急課題である。

溶媒中でのＲ６Ｇ二量体形成は広く研究されてきたが、色素を固体担持薄膜中にインターカレートした場合、Ｒ６Ｇ二量体凝集もまた観測されてきた。共有結合Ｒ６Ｇ分子は、合成されておらず、フィルムコーティングおよびＲａｍａｎ分光法におけるその光学特性は、まだ特徴付けされていない。光学工業では、最近、Ｒ６Ｇ二量体は、特定の光学コーティング用途、たとえば、５００ｎｍ〜６００ｎｍの光帯域できわめて強い吸収が必要とされる用途に望ましい性質を呈することが示唆された。したがって、工業的必要性を満たす性質の開発が望まれる。

そのため、光学特性が向上した新しい色素の必要性が存在する。さらに、光学コーティングとして使用可能な新しい色素の必要性が存在する。最後に、より強く基材表面に会合する光学コーティングとしての新しい色素の必要性が存在する。

以上に挙げた必要性を満たすものとして、有機色素化合物の多量体を開示する。多量体は、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の有機色素化合物を含みうる。開示された多量体は、二量体、三量体、四量体、または他の高次構造体でありうる。多量体は、多量体が堆積される基材の表面を特徴付けるべく光学コーティングで使用されうる。開示された多量体は、対応する単量体色素化合物よりも高次の対称性を有しうる。組成物はまた、対応する単量体色素化合物に基づく光学コーティングよりも強く基材に会合しうる。

多量体化色素化合物は、２つ以上のＲ６Ｇ色素分子がリンカーを介して共有結合により一体化されたＲ６Ｇ多量体でありうる。Ｒ６Ｇ多量体は、Ｒ６Ｇ単量体よりも優れた光学特性を有しうる。リンカーの構造は、自己会合分子間相互作用および分子内相互作用の両方を増強すべく最適化されうる。それに加えて、さらなる光学的増強を提供すべくリンカーを用いて三量体や四量体などの高次対称構造体を提供することも達成しうる。

先に論述したように、開示された多量体は、合成もされてこなかったし、光学コーティングおよびＲａｍａｎ式生体分析の分野での適用もされてこなかった。さらに、開示された多量体化色素化合物は、同一または異なるＲ６Ｇ色素単量体を含みうる。一方または両方の単量体は、重水素置換を含みうる。両方の単量体が重水素置換を含有する場合、置換パターンは、同一であるかまたは異なるかのいずれかでありうる。対称パターンまたは非対称パターンで一方または両方の単量体単位上で重水素置換すると、Ｒａｍａｎ共鳴シグネチャーに変化を生じるであろう。

この多量体の分光特性は、強度および感度に関して成分のＲ６Ｇ単量体と類似しているがそれとは異なる。本明細書に記載の新しいＲ６Ｇ二量体は、その対応する単量体と構造が異なるだけでなく、特定の分光特性も、結合動態を含めてアニオンおよび金属表面への結合親和性も異なる。この材料は、新規な光吸収特性を利用した光学コーティングとして必要性を満たす能力を有する。本明細書に記載の組成物は、例外的に高いモル吸光係数および高い蛍光発光を示して膜コーティングとして有用性を提供する。

新しい二量体は、金および銀の金属ナノ粒子との独特の相互作用を有し、それによりＰＶＤＦなどの三次元マトリックス中で新しい材料を形成する。この材料は、プラズモン表面を形成し、それにより単量体色素で観測されるよりも増強されたＲａｍａｎシグナルを提供する。この材料の化学的および物理的な安定性の改良は、このＲａｍａｎシグナルを指標として用いて観測された。

リンカー設計は、表面（ナノ材料もしくはプラスチック／ポリマー）、タンパク質、または核酸に後で共有結合させるのに好適な複数の官能基を組み込むための選択肢を提供する。この特徴により、この例外的に「鮮明な」色素は、蛍光標識またはＲａｍａｎ式センサーとして有用なものとなる。この高次色素構造体がより強力かつより一貫性のある表面増強Ｒａｍａｎシグネチャーを提供する能力は、生体分子検出技術の顕著な進歩を提供する。

本開示の他の態様によれば、有機色素化合物のＲａｍａｎ共鳴分光学的シグネチャーを増強する方法もまた開示される。この方法は、有機色素化合物の多量体を形成する工程と、多量体をＲａｍａｎ共鳴分光法に付す工程と、を含みうる。ただし、この多量体は、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の有機色素化合物を含むものとする。この方法はさらに、金属ナノ粒子と共に多量体を凝集させる工程および／または基材上に多量体を堆積させる工程を含みうる。

開示された材料の他の利点および特徴ならびにその適用について以下でさらに詳細に説明する。限られた数の実施形態のみが本明細書に開示されているが、異なる変形形態は、当業者には明らかであろう。また、それは、本開示の範囲内にあるとみなされるものとする。

開示された組成物およびその適用をより完全に理解するために、より詳細に添付の図面に示された実施形態を参照されたい。
一実施形態において、例えば、以下の項目が提供される。
（項目１）
有機色素化合物の多量体であって、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の有機色素化合物を含む前記多量体。
（項目２）
前記多量体が大きいＲａｍａｎ断面積で可視〜近ＩＲ領域の光を吸収する、項目１に記載の多量体。
（項目３）
前記有機色素化合物がローダミン６Ｇ、クリスタルバイオレット、およびそれらの誘導体よりなる群から選択される、項目１〜２のいずれかに記載の多量体。
（項目４）
前記有機色素化合物が１つ以上の同位体置換に付される、項目１〜３のいずれかに記載の多量体。
（項目５）
前記同位体置換が重水素化である、項目４に記載の多量体。
（項目６）
前記多量体が二量体である、項目１〜５のいずれかに記載の多量体。
（項目７）
前記多量体が三量体または四量体である、項目１〜５のいずれかに記載の多量体。
（項目８）
金属ナノ粒子と項目１〜７のいずれかに記載の多量体との凝集体。
（項目９）
前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子または銀ナノ粒子である、項目８に記載の凝集体。
（項目１０）
基材と前記基材上に堆積された項目１〜７のいずれかに記載の多量体とを含む複合材。
（項目１１）
前記基板上の多量体と凝集させた金属ナノ粒子をさらに含む、項目１０に記載の複合材。
（項目１２）
前記基材がポリビニリデンフルオリド膜である、項目１０〜１１のいずれかに記載の複合材。
（項目１３）
光学表面用のコーティングであって、項目１〜７のいずれかに記載の多量体を含む前記コーティング。
（項目１４）
有機色素化合物のＲａｍａｎ共鳴分光学的シグネチャーを増強する方法であって、前記有機色素化合物の多量体を形成することと、前記多量体をラマン共鳴分光法に付すことと、を含み、前記多量体が、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の前記有機色素化合物を含む、前記方法。
（項目１５）
前記多量体を金属ナノ粒子と凝集させる工程をさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子または銀ナノ粒子である、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記多量体を基材上に堆積させることをさらに含む、項目１４〜１６のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
前記基材がポリビニリデンフルオリド膜である、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記有機色素化合物がローダミン６Ｇ、クリスタルバイオレット、およびそれらの誘導体よりなる群から選択される、項目１４〜１８のいずれかに記載の方法。
（項目２０）
前記有機色素化合物が１つ以上の同位体置換に付される、項目１４〜１９のいずれかに記載の方法。

本開示の一態様に係るＲ６Ｇ二量体に基づく色素の化学構造の図解である。 図１に示されるＲ６Ｇ二量体およびその対応するＲ６Ｇ単量体の吸収スペクトルである。 図１に示されるＲ６Ｇ二量体およびその対応するＲ６Ｇ単量体の蛍光スペクトルである。 図１に示されるＲ６Ｇ二量体およびその対応するＲ６Ｇ単量体の表面増強Ｒａｍａｎ分光結果（ＳＥＲＳ）および表面増強共鳴Ｒａｍａｎ分光結果（ＳＥＲＲＳ）である。 図１に示されるＲ６Ｇ二量体およびその対応するＲ６Ｇ単量体のＲａｍａｎシグナルの安定性試験結果である。

図面は必ずしも原寸どおりというわけではなく開示された実施形態はときには概略図および部分図で示されているとみなされるものとする。場合によっては、開示されたプロセスの理解に必要でない細部または他の細部の理解を困難にする細部は、省略されていることもある。当然ながら、本開示は本明細書に示される特定の実施形態に限定されるとみなされるものではない。

本出願に係る化合物、組成物、方法、およびプロセスを説明するために本明細書で用いられる場合、以下の用語は、とくに指定がないかぎり、以下の意味を有する。

「ローダミン」という用語は、任意の置換体を含めて親ローダミン環または拡張ローダミン環を含む任意の化合物を意味する。ただし、置換は、１−、２−、２’−、４−、４’−、５−、５’−、７−、７’−、８−、および９−炭素のいずれか１つもしくは全部でならびに／または環外のアミノ部分およびイミノ部分のいずれか一方または両方で行われうるものとする。

「多量体」という用語は、分子に共有結合されたリンカーを介するなどして結合一体化された少なくとも２つの分子を含む化合物を意味する。

「二量体」という用語は、両方の分子に共有結合されたリンカーを介するなどして結合一体化された２つの分子を含む化合物を意味する。

「三量体」という用語は、３つの分子すべてに共有結合されたリンカーを介するなどして結合一体化された３つの分子を含む化合物を意味する。

「四量体」という用語は、４つの分子すべてに共有結合されたリンカーを介するなどして結合一体化された４つの分子を含む化合物を意味する。

「誘導体」という用語は、１つ以上の位置で置換された化合物を意味する。

「生体分子」という用語は、生体系に典型的に見いだされるタイプの分子（そのような分子が天然に存在するものかまたは系のなんらかの外部擾乱（たとえば、疾患、中毒、遺伝子操作など）により生じるものかを問わず）さらにはその合成類似体および誘導体を意味する。

「アイソトポマー」（同位体異性体）という用語は、同数の各同位体原子を有するがそれらの位置が異なる異性体を意味する。

「アイソトポローグ」という用語は、異なる数の同位体原子を含有する同一の分子構造の分子種を意味する。たとえば、エタノールの炭素アイソトポローグは、３つ、すなわち、両方の炭素位置がＣ^１２であるもの、一方の位置がＣ^１３でありかつ他方の位置がＣ^１２であるもの、または両方の位置がＣ^１３であるものが存在しうる。これとは対照的に、第１または第２の炭素位置のいずれかにＣ^１３を含有する２つの分子種は、以上に定義したとおり「アイソトポマー」である。

「アルキル」という用語は、指定された炭素原子数（すなわち、Ｃ_１〜８は１〜８個の炭素原子を意味する）を有する線状、環状、もしくは分岐状またはそれらの組合せであってもよい炭化水素基を意味する。アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｔ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、シクロヘキシル、シクロペンチル、（シクロヘキシル）メチル、シクロプロピルメチル、二環［２．２．１］ヘプタン、二環［２．２．２］オクタンなどが挙げられる。アルキル基は、とくに指定がないかぎり、置換型または無置換型でありうる。置換アルキル基の例としては、ハロアルキル、チオアルキル、アミノアルキルなどが挙げられる。

「アルケニル」という用語は、少なくとも１つの炭素−炭素二重結合を含有する炭化水素基を意味する。「アルキニル」という用語は、少なくとも１つの炭素−炭素三重結合を含有する炭化水素基を意味する。アルケニル基およびアルキニル基は、とくに指定がないかぎり、置換型または無置換型でありうる。

「置換基」という用語は、分子中の他の原子または基を置き換える原子または基を意味する。

「環」という用語は、原子が環状に配置された化合物を意味する。環式化合物は、炭素環式またはヘテロ環式でありうる。

「ヘテロシクリル」または「ヘテロ環式」という用語は、本明細書では同義的に用いられており、５〜１０個の原子（好ましくは５または６個の原子）を含有しそのうちの少なくとも１個が窒素、酸素、または硫黄から選択されるヘテロ原子（典型的には１〜５個のヘテロ原子）である飽和または不飽和の非芳香環を意味する。ヘテロ環式環は、単環式（好ましくは５または６個の原子を有する）であっても二環式（好ましくは９または１０個の原子を有する）であってもよい。ヘテロ環式基の例としては、ピロリジン、ピペリジン、イミダゾリジン、ピロゾリジン（ｐｙｒｏｚｏｌｉｄｉｎｅ）、ブチロラクタム、バレロラクタム、イミダゾリジノン、ヒダントイン、ジオキソラン、フタルイミド、ピペリジン、１−４−ジオキサン、モルホリン、チオモルホリン、チオモルホリン−５−オキシド、チオモルホリン−Ｓ−Ｓ−ジオキシド、ピペラジン、ピラン、ピリジン、３−ピロリン、チオピラン、ピロン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロチオフェン、キヌクリジンが挙げられる。

以上の用語はすべて、いくつかの実施形態では、指定の基の置換型および無置換型の両方を包含する。これらの基は、化学的に許容されるのであれば、複数回置換されていてもよい。

一般的には、本開示は、色素化合物の少なくとも１種の共有結合二量体を含む組成物に関する。開示された組成物は、組成物で被覆される基材の表面を特徴付けるべく光学コーティングとして使用されうる。組成物は、高次の対称性を有しうるし、かつ／または対応する単量体色素化合物に基づく光学コーティングよりも強く基材に会合しうる。共有結合二量体は、色素−リンカー−色素で示される一般式を有しうる。

本開示での使用に好適な例示的色素化合物としては、異なる部位の１つ以上の水素原子が場合により重水素で同位体置換されていてもよい有機色素が挙げられるが、これに限定されるものではない。有機色素としては、ローダミンやフルオレセインのようなキサンテン色素、クリスタルバイオレットのようなトリアリールメタン色素、ベンゾトリアゾールアゾのようなアゾ色素、メルカプトピリジンが挙げられる。二量体は、カップリング試薬（すなわち、Ｏ−（ベンゾトリアゾール−１−イル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート）の存在下での２つの色素単量体のカップリング反応により取得可能である。それらの色素で利用される同位体置換は、色素形成反応の同位体置換前駆体の使用を介して取得可能である。同位体分子種はまた、二量体への組込み前に重水素化酸性媒体中で色素を加熱することによる発色団の置換活性芳香族プロトンの同位体交換により取得可能である。

本開示の一実施形態では、共有結合二量体は、リンカーを介して結合一体化された２つのローダミン６Ｇ単量体でありうるが、これに限定されるものではない。二量体は、標的生体分子の共有結合修飾のための試薬として使用可能である。この実施形態での共有結合二量体の一般式は、

〔式中、Ｒは、ハロゲンまたは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ（後者は、タンパク質、核酸などの他の分子に結合させることが可能である）のいずれかであり、かつｍおよびｐは、Ｓ、Ｏ、およびＮなどのヘテロ原子が含まれうる炭素鎖を示す２〜２０の数であり、かつＢ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｅ、Ｇ、Ｊ、Ｌ、さらにはＢ’、Ｃ’、Ｘ’、Ｙ’、Ｅ’、Ｇ’、Ｊ’、Ｌ’は、それぞれ独立した水素、重水素、またはハロゲン置換基であり、かつＺは、ＣＨ、Ｎ、またはＢである〕
でありうる。

この実施形態の特定例では、リンカーは、図１に示されるとおり各単量体のカルボン酸部分間の六炭素架橋でありうる。架橋は、二量体の対称性が乱されないかぎり、脂肪族であってもよいし、Ｓ、Ｏ、またはＮなどの追加のヘテロ原子が組み込まれていてもよい。架橋の長さは、変更可能である。たとえば、架橋は、いくつかの実施形態では、４〜１５個のメチレン基（−ＣＨ２−）の主鎖を含有する脂肪族鎖でありうる。他の実施形態では、架橋は、Ｎ、Ｏ、およびＳ（ただし、これらに限定されるものではない）を含むヘテロ原子を用いた１ヵ所以上の介在部を介して散在させた複数のメチレン基を含みうる。各窒素ヘテロ原子は、１もしくは２個の水素、フェニル基、アルキル基、または１〜６個の炭素を有する他の官能基によりさらに置換されていてもよい。ただし、その置換により二量体の全体的対称性が乱されないものとする。

本開示の他の実施形態では、本開示に係る二量体は、以下の式を有するクリスタルバイオレットに基づくものであるが、これに限定されるものではない。二量体は、標的生体分子の共有結合修飾のための試薬として使用可能である。

〔式中、Ｒは、ハロゲンまたは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ（後者は、タンパク質、核酸などの他の分子に結合させることが可能である）のいずれかであり、かつｍおよびｐは、Ｓ、Ｏ、およびＮなどのヘテロ原子が含まれうる炭素鎖を示す２〜２０の数であり、かつＡ、Ｂ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｅ、Ｋ、Ｑ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、さらにはＢ’、Ｃ’、Ｘ’、Ｙ’、Ｅ’、Ｋ’、Ｑ’、Ｓ’、Ｔ’Ｕ’Ｖ’Ｗ’は、それぞれ独立した水素、重水素、またはハロゲン置換基であり、かつＺは、ＣＨ、Ｎ、またはＢである〕
架橋は、典型的には、式：Ａ−ＮＨ−（ＣＨ２）ｍ−Ｃ（＜ＣＨ２＞ｘＯＲ）−（ＣＨ２）ｎ−ＮＨ−Ｂ〔式中、ｍ、ｎ、およびｘは、１〜１０（好ましくは１〜４）であり、かつＲは、ＣＯＯＨまたはその誘導体である〕を有する。架橋は、他のヘテロ原子（すなわち、Ｎ、Ｏ、Ｓ）またはヘテロ環（ｈｅｔｒｏｃｙｃｌｅｓ）を含有可能である。Ａおよび（ｎａｄ）Ｂは、アルキル基またはアルケニル基である。

本開示のこの実施形態の特定例では、共有結合二量体は、以下の例示的構造を有しうる。

この特定例での架橋は、二量体の対称性が乱されないかぎり、脂肪族であってもよいし、Ｓ、Ｏ、またはＮなどの追加のヘテロ原子が組み込まれていてもよい。架橋の長さは、変更可能である。たとえば、架橋は、いくつかの実施形態では、４〜１５個のメチレン基（−ＣＨ２−）の主鎖を含有する脂肪族鎖でありうる。他の実施形態では、架橋は、Ｎ、Ｏ、およびＳ（ただし、これらに限定されるものではない）を含むヘテロ原子を用いた１ヵ所以上の介在部を介して散在させた複数のメチレン基を含みうる。各窒素ヘテロ原子は、１もしくは２個の水素、フェニル基、アルキル基、または１〜６個の炭素を有する他の官能基によりさらに置換されていてもよい。ただし、その置換により二量体の全体的対称性が乱されないものとする。

本開示で使用される有機色素化合物はまた、二量体の対称性の乱れを最小限に抑えつつ、Ｒａｍａｎ活性標識などのアイソトポマーおよびアイソトポローグの特徴の利点が得られるように重水素化形態で置換可能である。ローダミン６Ｇまたはクリスタルバイオレットは、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３４７９５号に開示されるような公知のプロセスに従って重水素化形態で置換可能である。それに加えて、二量体はまた、いくつかの実施形態では、分子全体の対称性を変化させるように同位体置換に付してもよい。

本開示は、二量体化化合物よりもさらに拡張可能であるとみなされるものとする。有機色素化合物の三量体または四量体もまた、本開示に照らして調製および使用が可能である。三量体構造では、架橋単位は、色素結合用の３つの同一のリンカーで置換可能でありかつ対称性の中心要素を規定可能である中心原子を含有しうる。四量体構造では、架橋単位は、色素結合用の４つの同一のリンカーで置換可能でありかつ対称性の中心要素を規定可能である対称性の中心要素を含有する。

合成および適用
大きいＲａｍａｎ断面積で可視〜近ＩＲ領域の光を吸収する分子は、材料の核心要素である。本開示の実施例としては、異なる部位の１つ以上の水素原子が重水素で同位体置換された有機色素が挙げられる。有機色素としては、ローダミンやフルオレセインのようなキサンテン色素、クリスタルバイオレットのようなトリアリールメタン色素、ベンゾトリアゾールアゾのようなアゾ色素、メルカプトピリジンが挙げられる。二量体は、カップリング試薬（すなわち、Ｏ−（ベンゾトリアゾール−１−イル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート）の存在下での２つの色素単量体のカップリング反応により取得可能である。それらの色素で利用される同位体置換は、色素形成反応の同位体置換前駆体の使用を介して取得可能である。同位体分子種はまた、二量体への組込み前に重水素化酸性媒体中で色素を加熱することによる発色団の置換活性芳香族プロトンの同位体交換により取得可能である。

溶媒および試薬はすべて、Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。反応は、プレコートゲルプレート（６０Ｆ２５４）を用いて薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ）によりモニターした。カラムクロマトグラフィーは、２３０〜４００メッシュシリカゲルを用いて行った。市販品として入手した色素は、同位体交換の前および後の両方でジクロロメタン／メタノール混合物を用いてフラッシュカラムクロマトグラフィーによりさらに精製した。^１Ｈ ＮＭＲスペクトルは、３００、４００、または５００ＭＨｚ分光計で取得した。プロトンの化学シフトは、内部標準としてのテトラメチルシランを基準にして百万分率（ｐｐｍ）で示される。高分解能質量スペクトルは、エレクトロスプレーイオン化を用いて取得した。

Ｎ，Ｎ’−ビス（６−カルボキシル−ローダミン６Ｇ）−Ｎ，Ｎ’−ジメチル−１，６−ヘキシルジアミドの合成： ＤＭＦ中のＲ６Ｇ（４３ｍｇ、０．１ミリモル）の溶液にＯ−（ベンゾトリアゾール−１−イル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート（４５ｍｇ、０．１１ミリモル）およびＥｔ_３Ｎ（２０ｍｇ、０．２ミリモル）を添加した。２０分後、Ｎ，Ｎ’−ジメチル−１，６−ヘキサンジアミン（７ｍｇ、０．０４８ミリモル）を添加し、混合物を室温で一晩撹拌した。反応を希ＨＣｌでクエンチし、イソプロパノールとジクロロメタンとの２：１混合物で抽出した。混合物を希ＨＣｌ、ブライン、および水で洗浄し、次いで、Ｎａ_２ＳＯ_４で脱水した。ジクロロメタンおよびメタノールを用いて粗生成物の液体クロマトグラフィーを行って濃赤色固体として所望の生成物を得た（５２ｍｇ、０．０５５ミリモル、収率５５％）。Ｈ１ ＮＭＲ（ＣＤ_３ＯＤ）：δ１．０５（ｍ、４Ｈ）、１．４４（ｍ、４Ｈ）、２．１１（ｔ、Ｊ＝１４Ｈｚ、２Ｈ）、２．１５（ｔ、Ｊ＝１４Ｈｚ、２Ｈ）、２．１７（ｂｒ、ｓ １２Ｈ）、３．０１（ｂｒ、ｓ、６Ｈ）、３．１２（ｔ、Ｊ＝１３Ｈｚ、２Ｈ）、３．１５（ｔ、Ｊ＝１３Ｈｚ、２Ｈ）、３．５２（ｑ、Ｊ＝１３Ｈｚ、３Ｈ）、３．５６（ｑ、Ｊ＝１３Ｈｚ、３Ｈ）、６．９１（ｍ、４Ｈ）、７．０５（ｍ、４Ｈ）、７．５１（ｍ、２Ｈ）、７．６５（ｍ、２Ｈ）、７．７５（ｍ、４Ｈ）。Ｍ＋計算値９３８．５４５９、実測値９３８．５４５６。

Ｄ４−ローダミン６Ｇ−（６−カルボキシメチル）−Ｎ−メチル−Ｎ’−メチル−ヘキシルアミドの合成： 無水ＴＨＦ（５ｍｌ）中のＤ４−ローダミン６Ｇ−６−［カルボキシ−（Ｎ−ヒドロキシスクシミジル）］−Ｎ−メチル）−ヘキシルアミド（２８ｍｇ、０．０５ミリモル）の溶液にメチルアミン（ＴＨＦ中１．０ミリモル）を添加した。反応系を２時間攪拌した。ジクロロメタンとメタノールとの混合物（１％〜５％メタノール）を用いて液体クロマトグラフィーを行って赤色固体として所望の生成物を得た（２２ｍｇ、収率８０％）。^１Ｈ ＮＭＲ（ＣＤ_３ＯＤ）：δ１．０５（ｍ、４Ｈ）、１．４４（ｍ、８Ｈ）、２．１１（ｔ、Ｊ＝１４Ｈｚ、２Ｈ）、２．１７（ｂｒ、ｓ １２Ｈ）、２．９８（ｓ、３Ｈ）、３．１６（ｔ、Ｊ＝１３Ｈｚ、２Ｈ）、３．５３（ｑ、Ｊ＝１３Ｈｚ、３Ｈ）、３．６７（ｓ、３Ｈ）、６．９１（ｓ、２Ｈ）、７．０５（ｓ、２Ｈ）。Ｍ＋計算値５５９．３５８６、実測値５５９．３５８８。

色素サンプルの調製および膜への適用
ＭｅＯＨで予浸されたＭｉｌｌｉｐｏｒｅ ＰＶＤＦ膜上にさまざまな濃度（すなわち、１ｐＭ、１μＭ、１０μＭ）のＲ６Ｇ色素誘導体のアリコート（１μｌの各サンプル）を吸収させることにより、Ｒａｍａｎスペクトルを記録した。メタノールで予浸されたＰＶＤＦ膜上に色素材料を充填するためにドットブロット装置を利用した。ＢＢＩ製の金溶液および銀溶液を用いて膜にコーティングを施した。

金ナノ粒子の適用
膜を完全にインキュベートしうる容積（約５〜１０ｍｌ）で検体に金ナノ粒子（すなわち、ＰＲＯＴＯＧＯＬＤ、ＢＢＩ Ｉｎｃ．）を適用する。光から保護するために金溶液中の膜にカバーをかけて、染色が肉眼ではっきり見えるまで低速振盪機（２０〜５０ｒｐｍ）上に置いた。金粒子は、ナノ粒子のサイズが２０〜４０ｎｍの範囲内にある市販のＰＲＯＴＯＧＯＬＤ溶液でありうる。

銀ナノ粒子の適用
染色された色が暗赤色から暗褐色に変化するまで銀増強溶液を適用し、低速振盪（２０〜５０ｒｐｍ）させながら一晩乾燥させる。銀粒子は、２つの銀溶液（Ａ：Ｂ＝１：１、ＢＢＩ Ｉｎｃ．）を組み合わせることにより、その後の市販の銀増強キット溶液の処理を含めて、社内で作製される。銀粒子サイズの大きさは、通常４０ｎｍよりも大きく、銀染色時間は、５分間未満である。

向上した光学特性の評価
Ｄ０−Ｒ６Ｇ単量体およびＤ０−Ｒ６Ｇ二量体のＵＶ吸収スペクトル
Ｄ４−Ｒ６Ｇ単量体（Ｄ４＝４個のＨを重水素化したもの）およびＤ０−Ｒ６Ｇ二量体（Ｄ０＝重水素化していないもの）の可視吸収スペクトルを図２に示す。両方の色素をメタノールに溶解させ、Ｃａｒｙ ４ ＵＶ−Ｖｉｓ分光光度計でスペクトルを記録した。図２に示されるとおり、Ｒ６Ｇ二量体のＵＶ吸収スペクトルは、Ｒ６Ｇ単量体のものと異なる。Ｄ４−Ｒ６Ｇ単量体は、５２７ｎｍに極大吸収を有するＵＶスペクトルを示すが、Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体のＵＶスペクトルは、５３３ｎｍの極大吸収に加えて明瞭なショルダーを有する。ショルダーは、色素濃度の増加と共により短波長側に広がる。Ｄ４−Ｒ６Ｇ単量体のＵＶ吸収は、いずれの濃度でもショルダーを示さなかった。ＭｅＯＨに溶解させた場合、Ｒ６Ｇ二量体は、種々の凝集体を形成する傾向があるが、Ｒ６Ｇ単量体は、その傾向がない。Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体のショルダーは、色素のさまざまな凝集状態の指標となりうる。Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体のモル吸光係数の計算値は、１．２０６×１０^６Ｍ^−１ｃｍ^−１であり、一方、Ｄ４−Ｒ６Ｇ単量体の計算値は、１．１６×１０^５Ｍ^−１ｃｍ^−１である。したがって、二量体化により吸光度が１桁増大した。

Ｄ４−Ｒ６Ｇ二量体およびＤ０−Ｒ６Ｇ単量体の蛍光スペクトル
Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体およびＤ４−Ｒ６Ｇ単量体の規格化蛍光発光スペクトルを図３に示す。両方の色素をメタノールに溶解させ、Ｃａｒｙ Ｖａｒｉａｎ蛍光分光光度計でスペクトルを記録した。蛍光発光ピーク波長で類似の強度値になるようにＤ０−Ｒ６Ｇ二量体（１０μｍ）およびＤ４−Ｒ６Ｇ単量体（５０μｍ）の濃度を選択し、比較のために重ね合わせた。Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体Ｒａｍａｎシグナル内に明瞭なより低い蛍光ノイズが存在したため、その蛍光強度をチェックしてからそれをＤ４−Ｒ６Ｇ単量体のものと比較する必要があった。図３に示されるとおり、Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体は、５０μＭでのＤ４−Ｒ６Ｇ単量体発光（５５０ｎｍで３５０）と比較して、１０μＭでより高い発光吸収（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（５５９ｎｍの４５０）を有する。Ｄ０−Ｒ６Ｇ単量体の参照蛍光スペクトルを追加した。その発光は、Ｄ４−Ｒ６Ｇ単量体により近い。

Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体（ｄｉｍｍｅｒ）およびＤ４−Ｒ６Ｇ単量体のＳＥＲＳおよびＳＥＲＲＳ
ＰＶＤＦ膜上のＲａｍａｎ色素を評価するために簡単な方法を開発した。第１に、特定の濃度（すなわち１μＭ）で色素をＭｅＯＨに溶解させ、第２に、ＰＶＤＦ膜上に溶媒をドットブロットして乾燥させ、第３に、ブロットの金染色および銀染色を行ってからＲａｍａｎシグナルを記録する。この純粋色素評価法は、我々がＰＶＤＦ膜上でのタンパク質定量用に開発したプロトコルに匹敵する。Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体およびＤ４−Ｒ６Ｇ単量体の両方のラマンスペクトルを５３２ｎｍで６３０ｎｍのレーザーで同一の機器設定（すなわち、共追加（ｃｏａｄｄｉｔｉｏｎ）を１、積算を１０秒間に設定）を用いて記録する。

１．０μＭのＲ６Ｇ色素誘導体のアリコートをＭｅＯＨで予浸されたＭｉｌｌｉｐｏｒｅ ＰＶＤＦ膜上に吸収させることにより、Ｒａｍａｎ分光分析用のサンプルを作製した。次いで、金ナノ粒子溶液および銀ナノ粒子溶液（Ｂｒｉｔｉｓｈ ＢｉｏＣｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）を用いて膜にコーティングを施した。５３２ｎｍアルゴンイオン励起レーザー（サンプルに０．２ｍＷを供給）でＳｅｎｔｅｒｒａ Ｒａｍａｎシステムを用いてＳＥＲＲＳスペクトルを取得した。液体窒素冷却ＣＣＤによる検出のためにファイバー束で分光器に結合された倍率２０倍のＯｌｙｍｐｕｓ対物レンズを用いて、Ｒａｍａｎシグナルを収集した。すべての測定の積算時間は、共追加因子（ｃｏ−ａｄｄｉｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）を１として１０秒間であった。

図４に示されるとおり、Ｒ６Ｇ二量体（ｄｉｍｍｅｒ）のＳＥＲＳおよびＳＥＲＲＳは両方とも、Ｒ６Ｇ単量体のものと比較してかなり強いピーク（６００ｎｍのピークの積分に基づいて５〜１０倍）を示した。一方、Ｒ６Ｇ二量体の原Ｒａｍａｎスペクトルは、Ｒ６Ｇ単量体のものと比較して消光蛍光ノイズを示した。

Ｄ０−Ｒ６Ｇ二量体（ｄｉｍｍｅｒ）およびＤ４−Ｒ６Ｇ単量体のＳＥＲＲＳの安定性試験
図４に得られたＲ６Ｇの二量体および単量体のＳＥＲＲＳをそれらの安定性に関してさらに試験した。両方のスポットを含有する膜をさらに１０日間および３０日間にわたり暗所に置いた。両方の日数のＳＥＲＲＳを記載の同一の機器設定下で記録した。図５に示されるとおり、Ｒ６Ｇ単量体のＳＥＲＲＳシグナルは、徐々に弱くなって１０日後に完全に消失したが、Ｒ６Ｇ二量体のＳＥＲＲＳシグナルは、１０日後または３０日後まで維持された（ただし、そのシグナルがいくらか強度変化したうえにいくつかの追加のピークが出現したことから、ＰＶＤＦ膜上でのＲ６Ｇ二量体とナノ粒子との特定の相互作用（ｉｎｔｅｒａｔｉｏｎ）が示唆されうる）。

本明細書に開示された有機色素は、１つ以上の色素単位が場合により重水素置換を含有していてもよい共有結合多量体または高次対称構造体を包含する。開示された色素は、光学コーティング、新しい光学ナノ材料、高密度記憶デバイスにとくに有用でありうる。開示された色素の構造特性および光学特性は、表面増強Ｒａｍａｎ共鳴分光法を介して情報量増大の手段を提供する。

特定の実施形態のみを記述してきたが、代替形態および変更形態は、以上の説明から当業者には明らかであろう。これらのおよび他の代替形態は、等価なものでありかつ本開示の趣旨および範囲ならびに添付の特許請求の範囲に含まれるものとみなされる。

Claims (15)

1. 有機色素化合物の多量体であって、前記多量体は、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の有機色素化合物を含み、
   前記多量体は、以下の一般式の構造：
   
   
   〔式中、Ｒは、ハロゲンであり、かつｍおよびｐは、２〜２０の数であり、かつＢ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｅ、Ｇ、Ｊ、Ｌ、さらにはＢ’、Ｃ’、Ｘ’、Ｙ’、Ｅ’、Ｇ’、Ｊ’、Ｌ’は、それぞれ独立した水素、重水素、またはハロゲン置換基であり、かつＺは、ＣＨ、またはＮである〕
   を有する、
   前記多量体。
2. 前記有機色素化合物が１つ以上の同位体置換に付される、請求項１に記載の多量体。
3. 前記同位体置換が重水素化である、請求項２に記載の多量体。
4. 金属ナノ粒子と請求項１〜３のいずれかに記載の多量体との凝集体。
5. 前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子または銀ナノ粒子である、請求項４に記載の凝集体。
6. 基材と前記基材上に堆積された請求項１〜３のいずれかに記載の多量体とを含む複合材。
7. 前記基板上の多量体と凝集させた金属ナノ粒子をさらに含む、請求項６に記載の複合材。
8. 前記基材がポリビニリデンフルオリド膜である、請求項６〜７のいずれかに記載の複合材。
9. 光学表面用のコーティングであって、請求項１〜３のいずれかに記載の多量体を含む前記コーティング。
10. 有機色素化合物のＲａｍａｎ共鳴分光学的シグネチャーを増強する方法であって、前記有機色素化合物の多量体を形成することと、前記多量体をラマン共鳴分光法に付すことと、を含み、前記多量体が、リンカーを介して共有結合により一体化された少なくとも２分子の前記有機色素化合物を含み、
    前記多量体は、以下の一般式の構造：
    
    
    〔式中、Ｒは、ハロゲンであり、かつｍおよびｐは、２〜２０の数であり、かつＢ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｅ、Ｇ、Ｊ、Ｌ、さらにはＢ’、Ｃ’、Ｘ’、Ｙ’、Ｅ’、Ｇ’、Ｊ’、Ｌ’は、それぞれ独立した水素、重水素、またはハロゲン置換基であり、かつＺは、ＣＨ、またはＮである〕
    を有する、
    前記方法。
11. 前記多量体を金属ナノ粒子と凝集させる工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子または銀ナノ粒子である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記多量体を基材上に堆積させることをさらに含む、請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記基材がポリビニリデンフルオリド膜である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記有機色素化合物が１つ以上の同位体置換に付される、請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。