JPH09502256A

JPH09502256A - 液体中のｐＨを測定するための光学センサー

Info

Publication number: JPH09502256A
Application number: JP7501966A
Authority: JP
Inventors: オルステイン，アラン; フォーラー，ウィリアム; プリトチャード，ジョー
Original assignee: オプティカルセンサーズインコーポレイテッド
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1997-03-04
Also published as: US5536783A; EP0703750A4; US5607644A; WO1994028786A1; AU7098894A; EP0703750A1

Abstract

(57)【要約】液体試料のpHを測定するための光学センサーが提供される。このセンサーは、水分散性のポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と、蛍光モノマー性化学種とのコポリマーを含有する蛍光ポリマー組成物を用いて形成される。ここで前駆体と蛍光モノマー性化学種との比は、所定の見かけのpKaが提供されるような比である。このセンサーは、光学導波管の遠位端を上記蛍光ポリマー組成物でコーティングし、そしてその組成物中に含まれるコポリマーを、例えば適切な波長の放射線に曝すことによって硬化させることによって調製される。

Description

【発明の詳細な説明】液体中のpHを測定するための光学センサー技術分野本発明は、一般に、液体のpHを測定するための光学センサーに関し、そしてより詳細には、蛍光親水性ウレタンコポリマーの膜を含む新規な光学センサーシステムに関する。本発明は、さらに、光学pHセンサーにおいて使用するための蛍光ポリマー組成物、およびそれから製造され得る膜に関する。本発明の一つの重要な用途は、生理学的範囲のpHの精密な測定を包含する。背景化学センサーは、医学、科学的研究、工業用途などの多様な領域において使用されることが、一般的に知られている。光ファイバーおよび電気化学的アプローチは、遠隔位置におけるパラメーターの濃度を、該遠隔位置との電気通信を必要とすることなく、検出および／または測定することが所望される状況において使用されることが、一般に知られている。光ファイバー化学センサーの構造、性質、機能および操作上の詳細は、Hirschfeldの米国特許第4,577,109号、Kaneの米国特許第4,785,814号、およびBlaylockの米国特許第4,842,783号、ならびにseit z、「光ファイバーに基づく化学センサー」、Analytical Chemistry 、第56巻、第１号、1984年、1月に見いだされ得、これらの各刊行物は、本明細書に参考として援用される。このような刊行物は、化学センサーが分析物と相互作用するような方式で、化学センサーを、光ファイバー導波管(waveguide)、電気化学的ガスセンサーなどの中に導入することが公知であることを一般的に記載している。この相互作用の結果、光学的性質が変化し、この変化は、光ファイバー導波管などを通じて精査され、そして検出される。化学センサー組成物のこれらの光学的性質には、代表的には、色の変化または色の強度変化が包含される。このタイプのシステムにおいては、特に感度の高い遠隔モニタリング能を提供するために、モニターされるパラメーター（単数または複数）の特に微細な変化を検出することが可能である。光ファイバーセンサーの遠位端(distal end)に導入される化学センサー組成物は、しばしば、膜として形成され、この膜は導波管またはオプトローデ(optrode )の遠位先端にしっかりと取り付けられる。この一般的なタイプのセンサーは、液体のpHのモニター、酸素および二酸化炭素などのようなガス濃度の測定において有用である。カリウム、ナトリウム、カルシウム、および金属イオンのようなイオン濃度もまた検出され得る。典型的な光ファイバーpHセンサーでは、センサー物質は、種々の異なる支持手段による補助により、一般に遠位の位置に配置される。支持手段は、pHインジケーターと、モニター、測定、および／または検出に供される物質との間の相互作用を生じさせるようなものでなければならない。特定の配置で、膜部品をこのタイプの装置に組み込むことが望ましい。このような膜部品は、特に有利であるために、特定の性質を有していなければならない。多くの膜材料は、いくつかの有利な性質を有しているが、また欠点も有している。一般的にいえば、これらの材料は、生体適合性で、血流中で用いるためには血液適合性(hemocompatible)で、水素イオンを選択的に透過でき、そしてセンサーにダメージを与える心配なしに装置を操作することができるに十分に強靭でなければならない。これらの膜材料はまた、光硬化可能（硬化が、より適切に(neat)、より迅速に、小規模で、そして光ファイバー上で直接、行われ得るように）であり、剪断力（例えば血流中に存在するような）に対して耐性があり、そして、センサーを製作するために用いられ得る光学ファイバー材料に選択の余地があるように、異なる基材に対する適合性があることが望ましい。測定が合理的に可能な限り正確であるように、充分な強度のシグナルが生成されることもまた、明らかに好ましい。現在入手可能な光学pHセンサーは、しばしば、上記の基準のうち１つまたはそれ以上に関して、不充分である。センサー膜のために用いられる材料が比較的広い範囲のpH値を正確に測定し得るように構築されることもまた、望ましい。今日まで、このことは光学pHセンサーに関してはあてはまらなかった。むしろ、先行技術の光学センサーのインジケーター組成物は、典型的には、約7.0を超えるpH（生理学的pH範囲についてあてはまるように）を正確かつ精密に測定するために望ましい見かけのpKaよりも実質的に低い見かけのpKaを示す。本発明は、新規な蛍光コポリマー組成物に向けられる。この組成物は、光学pH センサーにおける膜部品および膜様部品としての使用に特に適切であることが見いだされ、そして上記の各基準に合致する光学センサーを提供する。すなわち、本明細書において提供される光学センサーは、異なるタイプの基材に良好に付着する傾向があり、いくつかの場合には、基材表面のシラン化の必要がなく、優れたシグナル強度を提供し、そして先行技術の組成物に比べて非常に血液適合性であり、光によって迅速に硬化し、そして流れる血液中に存在するような剪断力に対して耐性がある。さらに、この新規なポリマー組成物は、その見かけのpKaを任意に上昇または低下させ得、液体試料中の広範囲のpHの測定が可能となる。この組成物の見かけのpKaは、生理学的範囲のpH値が精密に測定できるように、約6 .6から8.0までの範囲であることが好ましく、より好ましくは、約7.2から7.8までの範囲であり、最も好ましくは約7.2から7.4までの範囲である。関連技術の概要以下の参考文献は、本発明の１つまたはそれ以上の局面に関連する： Kaneの米国特許第4,785,814号は、pHおよび酸素および血液の測定のために有用な光学プローブを記載する。この装置は、pH感受性染料を含む親水性の多孔性材料によって構築された膜を有する。 Blaylockの米国特許第4,842,783号は、光ファイバーの遠位端に、その内部に染料が吸着した光架橋されたポリマーゲルを有する、光ファイバー化学センサーを記載する。 PCT公開WO88/05533号（発明者Klainerら）は、体液または組織の化学的または生理学的パラメーターを測定するための光ファイバーセンシングデバイスを記載する。このデバイスでは、光活性な部分を含むポリマーは光ファイバーの先端に直接結合している。 PCT公開WO90/00572号（発明者Boesterlingら）は、液体中のpHおよび／または PCO₂を測定するためにウレタンまたはアクリルアミドヒドロゲルを使用することを記載する。このヒドロゲルは、イソシアネートプレポリマーと、誘導体化されたアゾ染料（すなわち、アミノ官能基またはヒドロキシル官能基のいずれかを含む分子である吸収性染料(absorbance dye)）とを反応させることによって調製される。 Radiation Curing of Polymers II、D.R.Randell編(The Royal Society of Ch emistry、1991)、46〜53頁の、H.J.Hagemanら、「種々の重合および架橋プロセスのための光開始剤および光触媒」には、多官能性モノマーまたはオリゴマーの放射線硬化の触媒として作用する多くの物質が同定されている。発明の要旨従って、本発明の第１の目的は、液体のpHを測定するための光学センサーを提供することによって、当該分野における上記要求に対応することであり、このセンサーは上述した多くの利点を生み出す。本発明の他の目的は、このような光学センサー中に組み込まれる蛍光ポリマー組成物を提供することによって、これらの要求に対応することであり、ここで該蛍光ポリマー組成物は、水分散性のポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と、共重合可能なモノマー性蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有する。本発明のさらに他の目的は、上記蛍光ポリマー組成物から製作される膜を提供することである。本発明のさらにまた他の目的は、光ファイバーの先端上で、水分散性のポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と、共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とを共重合させることによって、上記蛍光組成物を含む光学センサーを作製することである。本発明のさらなる目的は、上記前駆体および共重合可能なモノマー性蛍光インジケーター化学種を、ファイバーを通じて照射することを包含する、このような方法を提供することである。本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴は、一部は以下の説明で述べられ、そして一部は、以下を検討することによって当業者に明らかになり、あるいは本発明を実施することによって習得され得る。従って、ひとつの局面において、液体試料中のpHを測定するための光学センサーにおいて有用な蛍光ポリマー組成物が提供される。この蛍光ポリマー組成物は、(a)水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と(b)モノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有する。ウレタンオレフィン前駆体の蛍光化学種に対する比は、所定の見かけのpKaを有する組成物が提供されるように計算される。一般に、この比は、組成物の見かけのpKaが約6.6から8.0 までの範囲になるような比であることが好ましく、より好ましくは、約7.2から7 .8までの範囲になるような比であり、最も好ましくは約7.2から7.4までの範囲になるような比である。これは、次いで、生理学的範囲のpHの測定における使用のための組成物を最適化する。他の局面において、光学pHセンサーを製作するために有用な、架橋した選択的透過性（すなわちＨ⁺透過性）膜が提供される。この膜は、上記の新規な蛍光組成物のポリマーマトリックスを含有する。さらに他の局面において、液体試料中のpHの測定のための光学センサーが提供される。この光学センサーは、光源からの光を受けるための光学導波管、および該導波管上に配置された、光源からの光に応答して蛍光を発するpH感受性の媒体を備え、ここで蛍光強度はモニターされる環境のpHに依存し、そして該pH感受性媒体は、上記蛍光ポリマー組成物を含有する。このpH感受性媒体は、膜の形態で存在し得、あるいは膜の形態で存在しなくてもよい。本発明のさらに他の局面は、上記のように、この新規光学センサーを作製および使用する方法を包含する。図面の簡単な説明この説明の間に、添付の図面が参照される。ここで：図１は、使用するポリマーのpKaに対する影響を示すグラフであり、本発明の、ヒドロキシエチルメタクリレートベースの蛍光組成物について、およびポリウレタンベースの蛍光組成物について示す。図２は、光ファイバーpHセンサー装置に組み込まれる、本発明による化学センサー装置の一般的な略図であり；そして図３は、一般に図２に従うセンサー装置の遠位端部分の、詳細かつ一般的な拡大略図である。発明の詳細な説明本発明の組成物、膜、センサー、および製造方法を開示し、説明する前に、本発明は、特定のセンサー形式、特定の膜組成、または個別の硬化プロセスに限定されず、もちろん変更され得ることを理解すべきである。本明細書で用いられる用語は、個別の実施態様を説明する目的でのみ用いられ、限定を意図しないこともまた理解されるべきである。本明細書および添付の請求項において用いられる単数形「a」、「an」および「the」は、文脈から明らかにそうでないことが示されない限り、複数の指示物を包含する。従って、例えば、「水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体」について言及するとき、このような前駆体の混合物が包含され、「蛍光インジケーター化学種」について言及するとき、２種またはそれ以上のこのようなインジケーター化学種の混合物が包含される、などである。本発明の説明および請求項において、以下の用語は、以下に述べる定義に従って使用される。本明細書において用いられる用語「ポリマー」は、オリゴマー性物質およびポリマー性物質の両方（すなわち、２個またはそれ以上のモノマー単位を含む化合物）を包含することを意図する。この用語はまた、「コポリマー」物質（すなわち２種またはそれ以上の異なるモノマー単位を含む物質）も包含することを意図する。用語「ウレタン」は、本明細書においてその通常の意味で用いられ、繰り返し -O-(CO)-NH-結合を含む有機化合物を表す。用語「ポリエーテル含有ウレタン」は、上記で定義した繰り返しウレタン単位と共に、繰り返しエーテル結合[-(CH₂ )_n-O-]（ここでｎは１より大きい整数であり、典型的には、１と６も含めて１から６までの範囲であり、最も典型的には１、２または３である）を含むポリマーを意味することを意図する。用語「オレフィン」は、その通常の意味で用いられ、二重結合を含む分子物(m olecular entity)を意味する；本発明の好ましいオレフィン性化学種は、一般式 -R-(CO)-CR'=CH₂で表される、少なくとも１つの末端を含む分子物であり、ここでRはOまたはNHであり、そしてR'はHまたは低級アルキルである。このようなオレフィン性末端が好ましいが、他のオレフィン性末端で置き換え得ることも、当業者には明らかである。用語「前駆体」は、本明細書において、重合、共重合、および／または架橋したとき、所望のポリマーを生じる化合物を意味するように用いられる。本明細書において用いられる用語「水分散性」は、水または水溶液に適合性であることを意味することを意図する。典型的には、蛍光コポリマーを形成するために用いられる「水分散性」前駆体の硬化フィルムによる水の取り込みは、少なくとも約10重量％、より好ましくは少なくとも約20重量％、そして最も好ましくは少なくとも約35重量％である。本明細書において化学化合物を説明する場合、用語「低級アルキル」は、その通常の意味で用いられ、１個から６個の炭素原子を含むアルキル基、例えば、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、イソブチル、t-ブチルなどを意味する。 pH測定のためのセンシング手段として働く蛍光ポリマー組成物は、上記のように、水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と、共重合可能な蛍光モノマー化学種とのコポリマーを含有する。このコポリマーの好ましい分子量は、約1000から25,000までの範囲であり、より好ましくは、約1800から5000までの範囲であり、そして最も好ましくは、約1800から2500までの範囲である。このウレタンオレフィン前駆体は繰り返しウレタン単位、繰り返しエーテル結合、および一般式-R-(CO)-CR^'=CH₂で表されるオレフィン末端を含み、ここでRおよびR'は、先に定義した通りである；異なる末端のRおよびR'は同一である必要はない（すなわち、Ｒは一方の末端でOであり得、かつ他の末端でNHであり得る。同様に、R'は、一方の末端でHであり得、かつ別の末端でCH₃であり得る）こともまた留意されるべきである。好ましいウレタンオレフィン前駆体は、一般構造式で表され、ここで、RおよびR'は先に定義したとおりであり；ｎは典型的には１から約６までの範囲であり；Arは、単環式芳香族部分（好ましくはフェニル）であり、非置換であるか、または１個から４個の置換基で置換されているかのいずれかであり、この置換基は、重合またはpHセンサーにおける硬化したポリマーの使用を妨害しないように選択され、例えば、低級アルキル、ハロゲン、ニトロなどであり；そしてＸは、約２個から100個、好ましくは10個から50個、最も好ましくは15個から25個の、構造「-(CH₂)_n-O-]（ここでｎは１またはそれ以上の整数であり、典型的には１から６であり、より典型的には２または３、すなわち(-CH₂-CH₂-O-)、(-CH₂-CH₂-CH₂-O-)であり、またはその組合せである）を有する繰り返しマー(mer)単位を含むポリエーテル結合である。これらのポリエーテル結合は、さらに、追加の-CO-NH-Ar-NH-CO₂-(CH₂)_n -R-(CO)-CR'=CH₂基で置換され得、三官能性ウレタンオレフィン前駆体を提供する。ウレタンオレフィン前駆体の合成法は、同一人に譲渡された、同時係属中の、「硬化されたパーフルオロ化ウレタンポリマーの架橋ガス透過性膜、およびそれを用いて製作された光学ガスセンサー」という題名の、1992年８月12日出願の米国特許出願番号第07/911,175号に、詳細に記載されている。この出願の内容は本明細書中に参考として援用される。簡単に述べると、この方法は、一般式（ここでＸは上記で定義されたのと同様）で表されるイソシアネート末端化合物を、末端イソシアネート部分をオレフィン末端で置き換えることによって、ウレタンオレフィン前駆体に転換することを包含する。このイソシアネート末端出発物質は、所望のオレフィンモノマーまたはオリゴマー、すなわち、ヒドロキシ− またはアミン−末端アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド［例えばヒドロキシエチルメタクリレート（この場合ｎ＝２）］と反応する。ウレタン前駆体は、W.R.Grace & Co．(Lexington)、MA)、およびMiles La boratories，Inc．(Pittsburgh、PA)から市販されている。9454、9455、9734、および9467、ならびにRCC-12-893、Photomers 6230および6264のようなウレタンオレフィン前駆体は、Monomer-Polymer and Dajec Laboratories，Inc．(Trevos e、PA)およびHenkel Corporation(Ambler、PA)からそれぞれ市販されている。共重合可能な蛍光モノマー化学種は、実質的に、pHに対して感受性である任意の蛍光染料または物質であり得、ウレタンオレフィン前駆体と共重合することが可能なように修飾され得る。典型的な好ましい修飾は、反応性である部分の蛍光モノマー性化学種（例えば、アクリレート、アクリルアミド、アリルエステル、アリルアミドなど）への組み込みを包含する。その結果、それにより、蛍光化学種はポリマー鎖の骨格に組み込まれる。ここで有用な蛍光モノマー性化学種の例には、フルオレセインおよびフルオレセイン誘導体、例えば、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトローダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインなどが包含され、これらは、コポリマーへの組み込みを促進するに効果的な反応性部位も有する。本発明の重要な利点は、コポリマーにおける重合可能な蛍光インジケーター化学種のウレタンアクリレート前駆体に対する比を変えることによって、得られた蛍光ポリマー組成物の見かけのpKaを調整する能力である。この方法での見かけのpKaの調整は、所望のpH範囲において最大のシグナル変化を発生させるインジケーターを与える。このことの例には、表示(published)pKaが6.5であるフルオレセイン染料の使用がある。このようなフルオレセイン染料モノマーの比を変えることにより、得られたポリマー系中の見かけのpKaは、約7.2〜7.8の範囲である。すなわち、染料の最大発光形態（ジアニオン）は、１pH単位低い範囲でなく、生理的範囲（pH 7.2〜7.8）においてイオン化する。次いで、蛍光ポリマーは、所望のpH範囲においてずっと蛍光性が強くなり、生理的範囲において最大感度を与える。より低い見かけのpKaは、この系では、他のコモノマーの量および性質を変えることによって達成され得る。約7.2〜7.8の範囲のpKaを達成するためには、重合可能な蛍光コモノマーのポリエーテル含有ウレタン化学種に対する比は、当量で約0.001〜約0.100の範囲、より好ましくは約0.005〜約0.015の範囲であるべきである。本発明の光学センサーは、まず、水分散性のウレタンオレフィン前駆体および共重合可能なモノマー性化学種のコーティング溶液を作製することによって典型的に調製される。このコーティング溶液は、ウレタンオレフィン前駆体、光開始剤、および上記のように修飾された蛍光モノマー性化学種を適切な溶媒中で混合することによって調製される。溶解した固形分の全量は、代表的に、約50重量％〜75重量％の範囲である。一般に、コーティング溶液は、溶液100ｇあたり、おおよそ、35ｇ〜90ｇのウレタンオレフィン前駆体、１×10^-3ｇ〜５×10^-2ｇの光開始剤、および５× 10^-4ｇ〜５×10^-2ｇの蛍光モノマーを含む。（ポリマーに対する染料の比は、当量で、約0.001〜0.100の範囲、より好ましくは約0.005〜約0.015の範囲であることが、前述の好ましい範囲から理解され得る）。好ましい溶媒には、メタノールおよびエタノールのような水混和性の低沸点溶媒、および酢酸エチルのような一部水混和性の溶媒が包含される。特に好ましい低沸点溶媒は、40％エタノール水溶液である。しかし、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミドなどのような、より高沸点を有する水混和性の極性溶媒もまた用いられ得る。好ましい高沸点溶媒は、ジメチルスルホキシドであり、約25重量％で用いられる。コーティング溶液を、コーティング、ペインティング、または浸し塗りなどによって光学ファイバーの遠位端に付与し、次いでファイバー上で硬化させる。あるいは、コポリマーを最初に硬化させ、次いで光ファイバーの先端に付着させ得る。しかし、前者の方法が好ましい。ウレタンオレフィン前駆体を架橋するために、架橋剤がコーティング溶液に溶解され得る。架橋剤は、任意の二官能性または多官能性アクリレートであり得る。このような架橋剤の例には、が包含され、ここでRおよびR'は上記に定義されたとおりであり、ｍは１、２、または３であり、そしてX'は、上記に定義されたポリエーテル置換基、または約２個〜20個の炭素原子を有する炭化水素基、好ましくはアルキレン基である。硬化は、前述の溶液を、好ましくは光ファイバーの先端上のコーティングの形態で、共重合を開始するに効果的な波長の放射線に曝すことによって行われ得る。特に好ましい実施態様では、硬化は、ファイバー中を透過した放射線を用いて（すなわち、ウレタンオレフィン前駆体および蛍光モノマー性化学種を含有する溶液を、コーティング、ペインティング、浸し塗りなどによってファイバー先端に付与した後に）ファイバー基材上で行われる。あるいは、上記のように、蛍光ポリマー組成物を硬化して、架橋した膜を形成し得、次いでこの架橋した膜を、光ファイバーの表面に付与(deposit)させる。ガラスファイバーを用いる場合、典型的にはファイバー表面を、光重合前またはその上にセンサー膜を付与する前に、下塗りする必要がある。適切なガラスプライマーの例には、γ -メタクリルオキシプロピルトリメトキシシランがある。一旦硬化されると、このようにして形成されたセンサーは、ジメチルスルホキシドまたは水のような無害の(innocuous)溶媒への浸漬によって、残留未反応モノマーが取り除かれ得る。光硬化に代わるものとして、好ましくは約40℃〜約100℃の範囲の温度および熱開始剤（例えば、E.I．DuPont de Nemou 能であるような、過酸化物またはビニル重合開始剤）を用いて、熱に曝されると硬化可能ないくつかの系があり得る。放射線を用いて硬化が行われる場合、光開始剤の存在下で硬化工程を行うことが必要である。適切な光開始剤は、当業者に周知であるラジカル開始剤である。このような光開始剤の例には、α-アルコキシデオキシベンゾイン、α,α-ジアルコキシデオキシベンゾイン、α,α-ジアルコキシアセトフェノン、2-ヒドロキシ-2,2-ジアルキルアセトフェノン、ベンゾフェノン、チオキサントン、ベンジル(benzil)、およびRadiation Curing of Polymers II、D.R.Randell編(The Roy al Society of Chemistry、1991)、46〜53頁、前出、H.J.Hagemanら、「種々の重合および架橋プロセスのための光開始剤および光触媒」によって同定された他の化合物が包含される。上記の参考文献の開示は、本明細書中で参考として援用する。図２および図３は、代表的な光ファイバーpHセンサーの配置を示す。図に示した装置11は、装置内にプローブ放射線を向けるための光源12と、装置からの放射線を感知および検出するための光検出器13を備える。装置11は、１つまたはそれ以上の光ファイバー 14を含み、この光ファイバーは、光ファイバー14の遠位端部分16の近位端位置で、適切な接続部品15を介して光源12および光検出器13に接続される。一般的に知られているように、各光ファイバー14は、クラッドまたはカバーによって包まれたコアを有する。遠位端部分16は、遠位先端17を有する。この遠位先端は、水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と、重合可能な蛍光モノマー性化学種とのコポリマーの膜である。蛍光モノマー性化学種は、膜が、色、色強度、または他の特性の既知の変化をするのを可能にする。この変化は、当該分野において一般に公知の方法で光検出器13によって観測される。適切なファイバー基材材料の例には、ガラス、プラスチック、ガラス／ガラス複合体、およびガラス／プラスチック複合体のファイバー導波管がある。光ファイバーの重要な特性は、光学的シグナルの減衰である。従って、天然物質から調製された場合、許容できないレベルの遷移金属の不純物を含むガラスは、吸収の損失が大きい。許容品質の高シリカファイバーは、溶融、清澄化、およびファイバーへの延伸という通常のガラス溶融技術を用いて、精製された開始物質（例えば、四塩化ケイ素および四塩化ゲルマニウム）から調製され得る。膜とファイバーとの接着を促進するために、ファイバー基材の先端の表面は、上記のように、例えばプライマーとしてγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシランでシラン化され得る。先に示したように、本発明の主な有用性は、pHの検出および測定にある。しかし、本発明の膜およびセンサーはまた、種々の他の状況（例えば、O₂およびCO₂ の検出および／または定量、流動液体流におけるオンラインセンシング、または静的な応用）に用いられ得る。本発明を好ましい特定の実施態様、上記の記載、および以下の実施例と関連して記載してきたが、これらは例示であることを意図し、本発明の範囲を限定しないことが理解されるべきである。本発明の範囲内の他の局面、利点および変更は、本発明に関係する当業者には明白である。実施例１ポリウレタンメタクリルアミド、親水性ウレタンオレフィンプレポリマーの合成清浄な、乾燥した金属スパチュラを用いて、18.39ｇ（0.0 MA）（親水性プレポリマー）を、保存容器から、50mlの火炎(flame)乾燥された反応ケトルに移した。これは、移動の間および移動後２分間アルゴンでパージされた。再結晶したN-(2-ヒドロキシプロピル)メタクリルアミド（HPMA）（4.11ｇ；0.0287当量）（Polyscience Corp.、Warrington、PA）を素早く反応ケトルに加え、その後直ちに、移し換えた後にケトルをアルゴンでパージし、そしてふたをきちんとしっかりと閉めた。ガラスシャフトおよびテフロン撹拌バーを備えた空気駆動スターラーを用いて、アルゴンでパージし続けながら、プレポリマーを混合した。シリンジを用いて、ゴムセプタムでカバーされた容器に保存されていた再蒸留ジメチルスルホキシド（7.5ｇ）を反応ケトルに移した。HPMAが完全に溶解するまで（約15分）、反応混合物を撹拌した。Dabco 33-LV触媒（Air Products ＆ Chemicals，Inc.、Allentown、PA）（10μL）を、丸い塊として反応ケトルに加えた。この反応混合物を、上記のように、アルゴン下室温で１週間撹拌した。この反応は、IR（約2270cm^-1のNCOの吸収バンドの消滅）およびGC（残留HMPAの濃度のさらなる経時変化なし）により測定されるように、この時間の後に完了した。実施例２ pHセンサーの調製フルオレセインアクリルアミドの異性体Ｉ(10mg)を250μLの無水アルコールに溶解した。この溶液の100マイクロリットルを、1.0ｇの上記の実施例で合成した orp.、Hawthorne、NY）光開始剤（３μL）およびアスコルビン酸パルミテート(a scorbic acid palmitate)（20mg）をPUMAM/フルオレセインアクリルアミド溶液に添加した。この混合物をガラスロッドで均一になるまで撹拌した。この均一な混合物を50℃のオーブンに18分間置いて、アスコルビン酸パルミテートを溶解させた。シラン処理したファイバー（プラスチッククラッドガラス、Ensign-Bickfor dから入手した）をこの混合物に浸し、そして中圧（medium pressure）アークランプ（340±15nmバンドパス；Blackray）で硬化する前に取り出した。その結果、ファイバーの先端に薄膜だけが残った。得られたセンサーは、pH応答性で、かつ6.8〜7.8の範囲のpH値に関して線形性があることが分かった。実施例３高分子量の、フルオレセインアクリルアミド異性体Ｉのコマクロモノマーの合成、およびpHセンサーの調製清浄な、乾燥した金属スパチュラを用いて、10.0ｇ（0.06 Co.、LeXington、MA）を、保存容器から50mlの火炎乾燥された反応ケトルに移した。これは、移動の間および移動後２分間アルゴンでパージされた。乾燥したヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）（2.08ｇ、0.0625当量）（Polyscience Corp.、Warrington、PA）を素早く反応ケトルに加え、その後直ちに、移し換えた後にケトルをアルゴンでパージし、そしてふたをきちんとしっかりと閉めた。スターラーを用いて、アルゴンでパージし続けながら、プレポリマーを混合した。酢酸エチル（10.0ｇ）およびジブチルスズジラウレート（５μL）触媒を添加し、そして反応混合物を室温で２時間でインキュベートした。次いで混合物を窒素ストリーム下で乾燥し、そして混合物のサンプルを中圧アークランプに曝すことによって硬化させた。次いで、1.5ｇの上記で調製したプレポリマー、0.5ｇのエタノール、0.005ｇのフルオレセインアクリルアミド、および始剤を含有するモノマー混合物を調製した。このモノマー混合物を、シラン処理したガラス／プラスチックファイバーにグラフトし、そして紫外線により硬化させた。このようにして調製されたpHセンサーは、6.5〜8.2の範囲のpH値の測定に関して、pH応答性であることが分かった。次いで、1.5ｇのプレポリマー、0.5ｇのエタノール、図１のグラフに示されるような種々の量のフルオレセインアクリルアミド、およびエチレングリコールジメタクリレート（EGDMA）（プレポリマーに対して約0.5重量％）を含有する同様のモノマー混合物をポリマーを架橋するために調製した。この混合物を、上記のようにシラン処理したガラス／プラスチックファイバーにグラフトし、そして紫外線により硬化させた。次いで、pKaに対する染料／ポリマーの比の効果を評価し、そして図１にプロットした。実施例４ポリウレタンポリエチレングリコール、親水性ウレタンオレフィンプレポリマーの合成清浄な、乾燥した金属スパチュラを用いて、11.72ｇ（0.0 Co.）を、保存容器から50mlの火炎乾燥された反応ケトルに移した。これは、移動の間および移動後２分間アルゴンでパージされた。ヒドロキシ末端化ポリエチレングリコール1000メタクリレート（18.28ｇ；0.0183当量）（Monomer-Polymer and Dajec Laboratories["MTM"]、Trevose、PA）を素早く反応ケトルに加え、その後直ちに、移し換えた後にケトルをアルゴンでパージし、そしてふたをきちんとしっかりと閉めた。エアスターラーを用いて、アルゴンでパージし続けながら、プレポリマーを混合した。シリンジを用いて、ゴムセプタムでカバーされた容器に保存されていた蒸留ジメチルスルホキシド（10.0ｇ）を反応ケトルに移した。この反応混合物を約15分間撹拌した。Dabco 33-LV触媒（Air Products ＆ C hemicals，Inc.、Allentown、PA）（10μL）を、丸い塊として反応ケトルに加えた。反応混合物を、上記のように、アルゴン下室温で２日間撹拌した。この反応は、IR（約2270cm^-1のNCOの吸収バンドの消滅）により測定されたように、この時間の後に完了した。得られたプレポリマーを用いて、実施例３に記載されたようなpHセンサーを調製し得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フォーラー，ウィリアムアメリカ合衆国ミネソタ 55417，ミネアポリス，ノコミスアベニューサウス 4925 (72)発明者プリトチャード，ジョーアメリカ合衆国ミネソタ 55364，マウンド，グレンウッドロード 5858

Claims

【特許請求の範囲】１．液体試料中のpHを測定するための光学センサーにおいて有用な蛍光ポリマー組成物であって、(a)水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と(b)共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有し、ここで該コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、見かけのpKaが少なくとも約6.6から約8.0であるコポリマーを提供するように選択される、組成物。２．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、見かけのpKaが約7.2から約7.8の範囲であるコポリマーを提供するように選択される、請求項１に記載の蛍光ポリマー組成物。３．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、請求項１に記載の蛍光ポリマー組成物。４．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.005から約0.015の範囲である、請求項３に記載の蛍光ポリマー組成物。５．前記ウレタンオレフィン前駆体が、繰り返しウレタン単位-O-(CO)-NH-、繰り返しポリエーテル単位[-CH₂)_n-O-]（ここでｎは、１と６も含めて１から６までの範囲の整数である）、および一般式-R-(CO)-CR'=CH₂の末端（ここでRは、O またはNHであり、そしてR'はHまたは低級アルキルである）を含む、請求項１に記載の蛍光ポリマー組成物。６．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有する、請求項５に記載の蛍光ポリマー組成物。７．ｎが２または３である、請求項６に記載の蛍光ポリマー組成物。８．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1000から25,000の範囲の分子量を有する、請求項６に記載の蛍光ポリマー組成物。９．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約5000の範囲の分子量を有する、請求項８に記載の蛍光ポリマー組成物。１０．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約2500の範囲の分子量を有する、請求項９に記載の蛍光ポリマー組成物。１１．前記蛍光インジケーター化学種が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトローダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択され、該化学種が、該ウレタンオレフィン前駆体と共重合できるように修飾されている、請求項１に記載の蛍光ポリマー組成物。１２．前記修飾が、前記蛍光インジケーター化学種に、アクリレート、アクリルアミド、アリルエステル、およびアリルアミドからなる群より選択されるより反応性の部分を導入することを包含する、請求項１１に記載の蛍光ポリマー組成物。１３．液体試料中のpHを測定するための光学センサーにおいて有用な蛍光ポリマー組成物であって、(a)以下の構造式を有する水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体（ここでRはOまたはNHであり、R'はHまたは低級アルキルであり、そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である）と、(b)フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトローダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択される共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有し、該化学種は、該ウレタンオレフィン前駆体と共重合できるように修飾されており、ここで蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比は、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、組成物。１４．液体試料中のpHを測定するための光学センサーにおいて有用な膜であって、(a)水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体と(b)共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーの蛍光ポリマーマトリックスを含有し、ここで該コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンアクリレート前駆体に対する比が、見かけのpKaが少なくとも約6.6から約8.0であるコポリマーを提供するように選択される、膜。１５．さらに架橋剤を含有する、請求項１４に記載の膜。１６．前記蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、見かけのpKaが約7.2から約7.8の範囲であるコポリマーを提供するように選択される、請求項１４に記載の膜。１７．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、請求項１４に記載の膜。１８．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、約0.005から約0.015の範囲である、請求項１７に記載の膜。１９．前記ウレタンオレフィン前駆体が、繰り返しウレタン単位-O-(CO)-NH-、繰り返しポリエーテル単位[-(CH₂)_n-O-]（ここでｎは、１と６も含めて１から６までの範囲の整数である）、および一般式-R-(CO)-CR'=CH₂の末端（ここでRは、 OまたはNHであり、そしてR'はHまたは低級アルキルである）を含む、請求項１４に記載の膜。２０．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有する、請求項１９に記載の膜。２１．ｎが２または３である、請求項１９に記載の膜。２２．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1000から25,000の範囲の分子量を有する、請求項２０に記載の膜。２３．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約5000の範囲の分子量を有する、請求項２２に記載の膜。２４．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約2500の範囲の分子量を有する、請求項２３に記載の膜。２５．前記蛍光インジケーター化学種が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトローダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択され、該化学種が、該ウレタンオレフィン前駆体と共重合できるように修飾されている、請求項１４に記載の膜。２６．前記修飾が、前記蛍光インジケーター化学種に、アクリレート、アクリルアミド、アリルエステル、およびアリルアミドからなる群より選択されるより反応性の部分を導入することを包含する、請求項２５に記載の膜。２７．液体試料中のpHを測定するための光学センサーにおいて有用な膜であって、(a)以下の構造式を有する水分散性の、ポリエーテル含有ウレタンオレフィン前駆体（ここでRはOまたはNHであり、R'はHまたは低級アルキルであり、そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である）と(b)フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトローダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択される共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有し、該化学種は、該ウレタンオレフィン前駆体と共重合できるように修飾されており、ここで蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、膜。２８．液体試料のpHを測定するための光学センサーであって、液体試料に接触するための遠位端部分、および該遠位端部分からのシグナルを受けるための手段との通信用の近位端部分を有する光学導波管を備え、ここで該遠位端部分が、(a)水分散性の、繰り返しエーテル結合を有するウレタンオレフィン前駆体と(b)共重合可能なモノマー性の蛍光インジケーター化学種とのコポリマーを含有するpHセンサー手段を有し、ここで該コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、見かけのpKaが少なくとも約6.6から約8.0であるコポリマーを提供するように選択される、光学センサー。２９．前記コポリマー中におけるウレタンオレフィン前駆体の蛍光化学種に対する比が、見かけのpKaが約7.2から約7.8の範囲であるコポリマーを提供するように選択される、請求項２８に記載の光学センサー。３０．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、請求項２９に記載の光学センサー。３１．前記コポリマー中における蛍光インジケーター化学種のウレタンオレフィン前駆体に対する比が、当量で、約0.005から約0.015の範囲である、請求項３０に記載の光学センサー。３２．前記ウレタンオレフィン前駆体が、繰り返しウレタン単位-O-(CO)-NH-、繰り返しエーテル単位[-(CH₂)_n-O-]（ここでｎは、１と６も含めて１から６までの範囲の整数である）、および一般式-R-(CO)-CR'=CH₂末端（ここでRは、OまたはNHであり、そしてR'はHまたは低級アルキルである）を含む、請求項２８に記載の光学センサー。３３．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有し、ここで、 Rは、OまたはNHであり； R'は、Hまたは低級アルキルであり； Arは、単環式芳香族部分であり、非置換であるか、あるいは重合またはpHセンサーにおける硬化したポリマーの使用を妨害しないように選択される１個から４個の置換基によって置換されているかのいずれかであり；Ｘは、構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約２から100個含むポリエーテル結合であり；そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である、請求項２８に記載の光学センサー。３４．ｎが２または３である、請求項３３に記載の光学センサー。３５．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1000から25,000の範囲の分子量を有する、請求項３３に記載の光学センサー。３６．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約5000の範囲の分子量を有する、請求項３５に記載の光学センサー。３７．前記ウレタンオレフィン前駆体が、約1800から約2500の範囲の分子量を有する、請求項３６に記載の光学センサー。３８．前記蛍光インジケーター化学種が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセインアクリルアミド、フルオレセインイソチオシアネート、クマリン、セミナフトロ−ダフルオレセイン、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択され、該化学種が、該ウレタンオレフィン前駆体と共重合できるように修飾されている、請求項２８に記載の光学センサー。３９．前記修飾が、前記蛍光インジケーター化学種に、アクリレート、アクリルアミド、アリルエステル、およびアリルアミドからなる群より選択されるより反応性の部分を導入することを包含する、請求項３８に記載の光学センサー。４０．前記光学導波管の前記遠位端がガラスで構成される、請求項２８に記載の光学センサー。４１．前記光学導波管の前記遠位端がプラスチックで構成される、請求項２８に記載の光学センサー。４２．前記光学導波管の前記遠位端がガラスおよびプラスチックで構成される、請求項２８に記載の光学センサー。４３．液体のpHを測定するための光学センサーを作製する方法であって、 (a) 液体に接触させるための遠位端部分、および該遠位端部分からのシグナルを受けるための手段との通信用の近位端部分を有する光学導波管を提供する工程； (b)該遠位端部分を、水分散性の、繰り返しエーテル結合を有するウレタンオレフィン前駆体、および共重合可能なモノマー性の蛍光化学種を含む溶液でコーティングする工程；および (c)重合を達成する工程、を包含する、方法。４４．前記溶液がさらに光開始剤を含有する、請求項４３に記載の方法。４５．前記光開始剤が、α-アルコキシデオキシベンゾイン、α,α-ジアルコキシデオキシベンゾイン、α,α-ジアルコキシアセトフェノン、2-ヒドロキシ-2,2 -ジアルキルアセトフェノン、ベンゾフェノン、チオキサントン、およびベンジルからなる群より選択される、請求項４４に記載の方法。４６．工程(c)が、前記遠位端部分に、重合を開始するために有効な波長の放射線を照射することによって行われる、請求項４４に記載の方法。４７．工程(c)が、前記光学導波管を通じての照射によって行われる、請求項４６に記載の方法。４８．前記重合が、前記遠位端部分を水分に曝すことによって達成される、請求項４３に記載の方法。４９．前記重合が、前記遠位端部分を約40℃から100℃までの範囲の温度に曝すことによって達成される、請求項４３に記載の方法。５０．前記コポリマー中における蛍光インジケーターのウレタンオレフィン前駆体化学種に対する比が、当量で、約0.001から約0.100の範囲である、請求項４３に記載の方法。５１．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有し、ここで： Arは、単環式芳香族部分であり、非置換か、あるいはハロゲン、低級アルキル、およびニトロからなる群より選択される１個から４個の置換基によって置換されているかのいずれかであり；Ｘは、構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約10から50個含むポリエーテル結合であり；そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である、請求項３３に記載の光学センサー。５２．Arがフェニルであり、Ｘが構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約15から25個含むポリエーテル結合であり、そしてｎが２または３である、請求項５１に記載の光学センサー。５３．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有し、ここで： Rは、OまたはNHであり； R'は、Hまたは低級アルキルであり； Arは、単環式芳香族部分であり、非置換であるか、あるいは重合またはpHセンサーにおける硬化したポリマーの使用を妨害しないように選択される１個から４個の置換基によって置換されているかのいずれかであり；Ｘは、構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約２から100個含むポリエーテル結合であり；そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である、請求項４３に記載の方法。５４．前記ウレタンオレフィン前駆体が構造式を有し、ここで： Arは、単環式芳香族部分であり、非置換であるか、あるいはハロゲン、低級アルキル、およびニトロからなる群より選択される１個から４個の置換基によって置換されているかのいずれかであり；Ｘは、構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約10から50個含むポリエーテル結合であり；そしてｎは１と６も含めて１から６までの範囲の整数である、請求項５３に記載の方法。５５．Arがフェニルであり、Ｘが構造[-(CH₂)_n-O-]を有する繰り返しマー単位を約15から25個含むポリエーテル結合であり、そしてｎが２または３である、請求項５４に記載の方法。