JPS6312942A - 酸素濃度測定用素子 - Google Patents

酸素濃度測定用素子

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JPS6312942A
JPS6312942A JP61157033A JP15703386A JPS6312942A JP S6312942 A JPS6312942 A JP S6312942A JP 61157033 A JP61157033 A JP 61157033A JP 15703386 A JP15703386 A JP 15703386A JP S6312942 A JPS6312942 A JP S6312942A
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probe
polypyridine
oxygen
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 (1)技術分野 本発明は光の励起によって生ずる発光の酸素による消光
を利用して、溶液中または気体中の酸素濃度を測定する
場合に用いられるプローブに関する。
(2)先行技術およびその問題点 従来、水溶液中の酸素濃度を測定する手法としては、ク
ラーク型を代表とする酸素電極を用い、定電位下で酸素
の還元電流を測定する電気化学的方法が一般的であり、
広く普及している。しかし、この方法は、2つの電極間
に流れる電流を測定するために電流密度をあまり小さく
できない理由から微小化に限度がある。また、微かとは
いえ、電流が発生するため、例えば、生体内あるいは血
管内での使用には安全面からも適当とは言えない。
そこで、光を利用する方法が種々考案されてきた。ピレ
ン酪酸が酸素濃度測定のためのけい光プローブとして有
効であることが示されて(W、λ1.ボーガン(Vau
ghan) 、G、ウェーバ−(Weber)、バイオ
ケ ミ ス ト リ −(Biochem、)  、 
9. 464  (I  L7 0  )  )以来、
ピレンの誘導体からのけい光の酸素による消光を利用し
たプローブの研究が盛んになってきた。またピレン酪酸
を利用する工夫もなされた(N、オピ7 ッ(Opit
z) 、D、 W、リュバース(L’l1bbers)
 ;X、 Biomed、 Techn、、 28 (
:H)  、(1983) )。
しかし、この方法は励起光に紫外光を用いる必要があり
、励起光の導光などの光学系に紫外光透過性の材料を使
用しなければならないという制約を受ける。ペリレン・
ジブチレートをシリカゲルに吸着したものをプローブに
用いると、励起光を可視光〈波長468nm)とするこ
とができる(J、 I、ピーターソン(Peterso
n) 、R,V、フィッツジェラルド(Fitzger
ald) 、D、に、パックホールド(BUckho 
ld);アナリティカル・ケミストリー(Anal、 
Chem、)  、56.62 (1984))。しか
しながら、このプローブは水の影響を強く受けるため、
疎水性でかつ酸素透過性の膜で保護しなければならず、
微小化のひとつの障害となっている。このように、励起
光および発光が可視光であり、かつ酸素透過性膜などの
保護膜なしに直接に被験液に浸漬されても安定に使用で
きる酸素濃度測定用プローブはこれまでになかった。
〔発明の目的〕
本発明は、上述のごとき電気化学的方法を用いずに、光
を用いて酸素濃度を測定する場合において、励起光およ
び発光が可視光であり、従って光の導体として可とう性
のプラスチック光ファイバーなども使用が可能であり、
また光学系も可視光用の安価な材料が利用でき、かつ、
酸素透過性膜などの保護膜なしに直接に溶液等に浸漬さ
れても安定に使用することができる、従って微小化が容
易な酸素濃度測定用プローブを提供することにある。
〔発明の詳細な説明〕
本発明の上記目的は固定化したポリピリジン金属錯体か
らなる酸素濃度測定用プローブにより達成される。ここ
でプローブとは、固定化したポリピリジン金属錯体を所
望形状に成型することにより構成したもののほか、固定
化したポリピリジン金属錯体の薄膜を、後述のスチレン
、シリコーン可撓性プラスチック光ファイバー等の所望
形状の担体表面に形成することにより構成したもの、あ
るいは、ポリピリジン金属錯体を、所望形状の担体に吸
着、固定化することにより構成したもの等、固定化した
ポリピリジン金属錯体を含む、あらゆる形態の酸素濃度
測定用の器具を意味する。このようにポリピリジン金属
錯体を固定化することによって、その発光の強度を測定
すると、それと接する溶液とりわけ水溶液や気体中の酸
素濃度を知ることが可能となる。ポリピリジン金属錯体
は水に可溶または容易に分散する性質を持っていて、そ
のままでは酸素濃度測定用プローブとして水中では安定
に使用することができない。本発明者らは、鋭意検討の
結果、ポリピリジン金属錯体を固定化することによって
、可視光の照射によって生ずる可視光の発光の強度が、
該錯体に接する溶液や気体中の酸素濃度に対応して可逆
的に変化し、その発光の強度と酸素濃度との関係が次式
に従うことを見出した。
■、/I=1十K Co2 〕    °°゛°゛°°
゛(1)ここで、Io 、Iは発光の強度(但し、Io
 は酸素濃度が実質的に0である時の発光の強度)、K
は定数、〔02〕は酸素濃度である。Io、には被験体
の酸素濃度とは独立な定数であるので、従って発光の強
度■を測定することによって酸素濃度を知ることができ
るのである。
ポリピリジン金属錯体の固定化には種々の方法が考えら
れる。固定化の条件としては、(1〕固定化された金属
錯体が被験液に溶出しないこと(溶出すると、発光の強
度が変化してしまい、安定な測定が困難となる。) 、
(2)被験液または気体との間で化学反応による非可逆
的変化を受けないこと、などが挙げられる。
たとえばまず、第一の方法として、ポリピリジン金属錯
体を高分子に溶解または分散させることにより最も簡易
に固定化することができる。
この場合高分子としては多くのものが使用できる。例え
ばごく一般的に使われている多くの汎用プラスチックス
、例えば低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩
化ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン
、ポリメククリノ?酸メチル、ンリコーン樹脂、ポリウ
レタンなどが特に使用に適する。ポリピリジン金属錯体
をこれら高分子に混合する具体的手段は使用される高分
子によって適宜選択される。例えば、低密度ポリエチレ
ンなどの耐溶剤性の高い熱可塑性プラスチックスでは加
熱溶融による混合などが、またポリスチレンなどでは溶
液混合(高分子の有機溶剤溶液中での混合)が使用でき
る。ポリピリジン金属錯体の高分子との混合物中に占め
る濃度はI Xl0−”’mo 1 /dm3 乃至1
mo 1 /dm’が適当である。1×1’ O−@m
o (176m3未満の濃度では十分な発光が得られず
、従って感度が不十分である。また1moN/dm3 
をこえる高い濃度では、発光の強度が酸素濃度によって
変化せず使用に適さない。
次に、第二の方法として、ポリピリジン金属錯体を吸着
体に化学的または物理的に吸着せしめる方法がある。吸
着体としてはシリカゲルやガラスなどの無機物質、ポー
ラスポリマーや各種イオン交換樹脂、多糖類、蛋白質等
の天然物などのを載物質が挙げられる。いずれの吸着体
も使用が可能である。特に、陽イオン交換樹脂やキレー
ト型の吸着剤を用いると、より安定な固定化を行うこと
ができる。
第三の方法として、ポリピリジン金属錯体を高分子の構
成単位として導入することにより物理的にも化学的にも
より安定な固定化錯体を形成せしめる方法がある。この
方法は、既述の2つの方法に比べやや複雑な操作を必要
とするが、最も安定性の高い固定化物を得る方法である
。ここで共重合体とは、ランダム共重合体、ブロック共
重合体、グラフト共重合体、あるいは錯体で矯かけされ
た重合体なども含む。具体的には、重合性官能基を有す
るポリピリジンを重合させ、あるいはこれと共重合可能
な単量体とを共重合させ、重合体または共重合体を得た
のち、金属錯体を形成させる方法、たとえば、スチレン
、メタクリル酸、アクリル酸、アクリロニトリルなどの
ビニル化合物と4−メチル−41−ビニル−2,2′ 
−ビピリジンのようなビニル基をもったポリピリジン(
配位子)を共重合させた後、金属錯体を形成させる方法
や、ポリピリジン金属錯体の置換基と化学結合が可能な
官能基を持った単量体を予め重合し、その浸酸置換基と
官能基とを結合させる方法などを採りうる。
ここで単量体と該錯体とのモル比は1000ないし1が
適当で、また該錯体のみでもよい。
以上の方法を複数組合せることも可能である。
例えば、高分子錯体を他の高分子と混合することなども
可能である。
ポリピリジン金属錯体は可視光の導体、たとえば可撓性
のプラスチック光ファイバーなどに固定化されているこ
とが好ましい。
このようにして、固定化されたポリピリジン金属錯体が
化学的にも物理的にもより安定であるためには、配位子
であるポリピリジンがビピリジン、フェナントロリン、
ターピリジン及びそれらのl秀導体の中から選ばれるこ
とが好ましい。ここで、誘導体とはこれらポリピリジン
のピリジン環内の水素のひとつ以上が他の置換基、例え
ば、アルキル基、ビニル基、アセチル基、ハロゲン、水
e基、フェニル基などで置換されたものを言う。
さらに該ポリピリジン金属錯体中の金属は遷移金属であ
ることが好ましい。遷移金属としてはルテニウム、オス
ミウム、クロム、イリジウム、鉄、コバルト、ユーロピ
ウムなどが好ましく、中でもルテニウムが最も好ましい
。ルテニウムをもつ場合に最も高い感度が得られる。た
とえばトリス(2,2’ −ビピリジン)ルテニウム(
II)錯体の例を挙げると、吸収極大が452nm、発
光極大が605nmにあり、また発光強度も強く、本発
明の目的によく合致する。これを高分子錯体化した場合
でもこれらの特性はほとんど変らず、有効に使用するこ
とができる。しかしながら、他の遷移金属でも十分に使
用は可能である。
以下に本発明の実施例を記す。
実施例I T−ピコリン(関東化学社製、試薬EPグレード)を蒸
留精製し、既存の方法(P、に、ゴーシュ(Ghosh
) 、T、 G、 (Spiro) :ジャーナル・オ
ブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティJ、Am、 C
hem、SすC1)、102.5543 (1980)
)で、4−メチル−4′−ビニル−2,2′ −ビピリ
ジン〈以下rVbpyJ )を合成した。これをカラム
クロマトグラフィ(シリカゲル40〜l Q Qmes
h、溶媒:クロロホルム/メタノール(5/1)、いず
れの溶媒も和光純薬工業社製試薬特級)で精製した。
VbpyO,49g (2,5mmol)と、予め高真
空蒸留したメタクリル酸メチル(以下rMMAJ )5
 g(50mmol )をα、α′ −アゾビスイソブ
チロニトリル(関東化学社製、試薬GRグレード、以下
rAIBNj ) 0.08 g (0,5mmol>
の存在下で1.4−ジオキサン(和光純薬工業社製、試
薬特級>50m+!中で共重合した(脱気封栓した重合
管中、60℃、5日間)。得られた共重合体1gと、既
存の方法(G、スプリントシニニク(Sprintsc
hnik)、H,W、スプリントシュニク(Sprin
tschnik) 、P、 P、キルンx (Kirs
ch) 、D、 G、ホイットン(Whitten);
J、Am。
Chem、 Sac、 、  99.4947 (19
77))により合成、精製したシス−ジクロロビス(ビ
ピリジン)ルテニウム錯体(以下、r c 1s−Ru
 (bpy) 2α2・4H20j > 0.15gと
を1−ブタノール(関東化学社製、試薬特級)700m
g中で還流下で反応させた(24時間)。生成物を蒸発
乾固し、クロロホルム(試薬特級)で抽出し、再び蒸発
乾固し、最終生成物Aを得た。Aは元素分析の結果から
、次のような構造をもつ共重合体であることが判った。
=  1 、00 =11 (J−U−u=。
この高分子錯体の1096メタノール溶液を調製し、長
方形の石英板1(厚さ1mm、長さ40mm、幅3mm
)上に滴下し、水平にしたまま脱気乾燥し、厚さ約10
μmの透明な赤橙色の膜2を得た。流水で数回洗浄した
後、第1図に示すように共栓付全面透明石英セル3(光
路長1cm)中にゴム製支持台4にて保持し、セル内を
生理食塩水(0,9%塩化ナトリウム水溶液)で満たし
た。
このセル内の生理食塩水中にアルゴンガス(純度99.
9%)または酸素ガス(純度99.5%)またはこれら
の混合ガス(a変化を流量比混合法によって任意に設定
できるようにした)を流量50CC/minで15分間
導入、バブリングすることによって、生理食塩水中の酸
素濃度をゼロから飽和まで任意に設定した。尚、アルゴ
ン/酸素の混合比と水溶液中の酸素濃度との関係は酸素
電極〈三菱レーヨン社m M  HOS■PO□センサ
ー)によって予め求めておいた。それにより酸素/アル
ゴン混合比と酸素濃度との間には、直線関係が成立ち、
飽和時の酸素濃度は、1.26 X 10−’mof 
76m3 であることが求めろれた。ガスのバブリング
直後に、密栓し、発光分光光度計(日立製作所MPF−
4型)にて発光強度を測定した。尚、励起光は波長46
0nmを使い、発光は波長610nmで測定した。ガス
のバブリング、発光の測定とも22℃で行った。その結
果を第1表に記す。また、Io/lと酸素濃度との間に
は第2図に示すように直線関係が成り立ち、従って酸素
濃度測定用プローブとして使用できることがわかる。
第1表 酸素濃度と発光強度との関係(実施例1)酸素
濃度       発光強度 0   0      127.8 1.00022.
7  0.287   113.9 1.12240.
4  0.512   102.6 1.24662.
0  0.785    94.3 135581.2
  1.03     86..9 1.471*l 
単位mmo j! 76m3 *2 感度30+5 レコーダレンジ5mVでの目盛高
さ 実施例2 塩化ルテニウム・無水塩(アルドリッチ(Aldric
h) 社製試薬)とビピリジン(Aldrich社製試
薬)とから既存の方法(C1T、リン(Lin) 、W
、ボッチエム(Bottchem)、M、チョウ(Ch
ou) ;J、Am。
Chem、Sac、、  98 、6536 (197
6) )によって、トリス(ビピリジン)ルテニウム錯
体(以下「Ru(bpy)、C2」〉を得た。この金属
錯体を、混合後の濃度が10−3mo 42/dm’と
なるように秤りとり、室温架橋型のシリコーン・シーラ
ント(トーレシリコーン社製5E5001)とよく混合
した。これを実施例1と同じ石英板1の上に厚さ約Q、
1mmのほぼ均一の膜となるように塗布し、オーブン(
60℃)中で30分間水平に静置し、硬化させ、R’ 
(bpy)3α2を含むシリコーン膜を得た。これを流
水で数回洗浄した後、実施例1と全く同様にして、生理
食塩水浸漬下において酸素濃度と発光強度との関係を求
めたところ、実施例1と同じように、1.、/Iと酸素
濃度との間に良好な直線関係を得た。
実施例3 実施例1と同様の方法でスチレンとvbpyとの共重合
体を得て、更に実施例1と同様の方法でルテニウムとの
錯形成を行い、下記のような高分子錯体Bを得た。
実施例1と同様にして、石英板上に厚さ約10μmの橙
色の半透明の膜を得た。これを実施例1と同様に発光測
定用のセル3に設置し、実施例1の生理食塩水の代わり
にメタノール(和光純薬工業社製試薬特級)を入れ、実
施例1と同様にしてメタノール中の酸素濃度を任意に設
定し発光強度との関係について調べたところ、■。/■
と酸素濃度との間に良好な直線関係が認められたく第3
図参照)。尚、酸素飽和時の濃度を9.54mmo n
 /dm3(日本化学会縁「化学便覧基礎unj、p、
ll−164)とした。
実施例4 実施例2で合成・精製した” (J’V) 3α2の1
0mM水溶液を調製し、これに陽イオン交換体であるナ
フィオン117■l1ij (Aldrich社販売厚
さ0、00 ツイフチ)を10時間浸漬し、取り出し数
回水洗した後、室温で24時間乾燥して、Ru(bpy
)s”を吸着した橙色のナフィオ源膜を得た。これを実
施例1と同じ石英板に両面粘着テープで貼りつけ、以降
は実施例1と同じ要領でセルに固定し、生理食塩水中で
の発光強度と酸素濃度との関係を求めたところ、IO/
Iと酸素濃度との間に良好な直線関係が見出された。
実施例5 実施例1と同じようにして、vbpyとアクリル酸く和
光純薬工業社製試薬特級を高真空蒸留したもの)とを共
重合し、これにc 1s−Ru (bpy) sα2を
反応させ、高分子錯体Cを得た。
(J−u 但し、精製は水溶液による透析によって行った(48時
間)。この高分子錯体の5%メタノール溶液を調製し、
実施例4と同様にナオフィン117■を浸漬し、水洗、
乾燥して生理食塩水での発光強度の測定に供した。但し
、発光の測定は610nmで行った。この結果、■。/
Iと酸素濃度との間に良好な直線関係が得られた。
実施例6 既存の方法(C,T、 Lin、 et、al; J、
Am、 Chem。
3oc、 98.6536 (1976))に従い、ト
リス(1,10−フェナントロリン)ルテニウム錯体過
塩素酸塩三水和物(以下 r Ru (phen) 2 (α04)2−3H20
J )を合成・精製した。
この10mM水溶液にイミノニ酢酸基をもつキレートろ
紙(住友化学社製)を浸漬(10時間)し、水洗したの
ち乾燥し、Ru (phen) 37mを吸着したキレ
ート紙を得た。これを実施例4と同様の方法でセル3内
に固定して生理食塩水中での発光強度を測定した。但し
、励起光の波長は450nm、発光の測定は波長600
nmで行った。その結果、前例までの結果と同様に、■
、/Iと酸素濃度との間に良好な直線関係力身忍められ
た。
実施例7 実施例1と同様の方法によって、予め高真空蒸留したメ
タクリル酸2−ヒドロキシエチル(関東化学社製試薬E
Pグレード、以下rHEMAj )とvbpyとを共重
合し、これとcis−Ru (bpy) 2α2 とを
反応させ高分子錯体りを1等だ。
−−(j =10 (J−U−U=0 この高分子錯体のl mmol / dm’ (Ruと
して)水溶液を調製し、この溶液に濃度が10%となる
ように豚皮由来のゼラチン(Aldr ich社製試薬
)を加え、加温し溶解させ、水平に保持したシャーレ(
ガラス!l!15+nmφ)に流し冷却固化させた後、
デシケータ中で乾固した。このようにして得られた高分
子錯体りを含むゼラチン膜(厚さ約0.1mm)を、長
さ40mm、幅3mmの大きさに切り、両面粘着テープ
を介して石英板1上に固定した。これを用いて前例まで
と同様にして、生理食塩水中での発光強度と酸素濃度と
の関係を調べたところ、Io /■と水溶液中酸素濃度
との間に良好な直線関係が見られた。
実施例8・ 実施例1で合成・精製したMMAとvbpyとの共重合
体と、既存の方法(DoM、  クララセン(Klas
sen)。
et al、; J、Chem、 Phys、、 48
.1853 (1968))により合成したシス−ジク
ロロビス(ビピリジン)オスミウム錯体とを実施例1と
同条件で反応させて、高分子錯体Eを得た。
=   1 1. UO =ll U−()−()=0 丁 この高分子錯体Eを実施例1と同様にして石英板1の上
に製膜し、厚さ約10μm(7)橙色の膜を得た。この
膜について、実施例1と同様にして、発光測定用セル内
に保持し、生理食塩水を加えて酸素濃度と発光強度との
関係について調べた。但し、励起光は波長460nmを
用い、発光の測定は波長600nmで行った。その結果
I。/Iと酸素濃度との間に直線関係が得られた。しか
しながら、実施例1と比較して発光強度は低く、直線か
らの分散も若干大きかった。
実施例9 実施例2で合成・精製されたRLI (hpy) 3α
2のl Qmmol /dm’水溶液を調製し、ろ紙(
東洋濾紙社製、Nα1)を浸漬し、30分後に取り出し
て水洗した後、室温にて24時間乾燥して、RLI (
bpy) zα2を吸着させたろ紙を得た。このろ紙を
長さ40mm、幅3mmの長方形に切り、両面粘着テー
プを介して長さ40mm、幅8mm、厚さ1mmのガラ
ス板に固定して、実施例1と同様にして発光測定用セル
内に保持した。実施例1と同様にして任意の混合比に調
製した酸素/アルゴン混合ガスを50ml1/+nin
でセル内に導入し、15分後裔栓をして酸素を含む混合
気体中における発光強度を測定した。但し、励起光は4
60nmの波長を用い、発光は波長605nmで測定し
た。その結果、I。
/Iと酸素濃度との間に良好な直線関係が得られた。
〔発明の効果〕
本発明の酸素濃度測定用プローブは、励起光および発光
が可視光であり、従って光の導体として可とう性のプラ
スチック光ファイバーなども使用することができ、また
光学系も可視用の安価な材料を利用することができる。
また、酸素透過性膜などの保護膜なしに直接に溶液等に
浸漬しても安定に使用することができる。したがって、
本発明のプローブは微小化が容易である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、酸素濃度測定用プローブの発光強度を測定す
るための装置を示す図面であり、■は石英板、2は固定
化したポリピリジン金属錯体の膜、3は石英セル、4は
ゴム製支持台を示す。 第2図および第3図は、本発明の酸素濃度測定用プロー
ブを用いて測定した、溶液中の酸素濃度と発光強度との
関係を示す図面である。 第4図は、本発明の酸素濃度測定用プローブを用いて測
定した、気体中の酸素濃度と発光強度との関係を示す図
面である。 第2図 第3図 [02]、’ム 第4図

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)固定化したポリピリジン金属錯体からなる酸素濃
    度測定用プローブ。
  2. (2)ポリピリジン金属錯体が可視光の導体に固定化さ
    れている特許請求の範囲第(1)項記載の酸素濃度測定
    用プローブ。
  3. (3)ポリピリジン金属錯体の金属が遷移金属である特
    許請求の範囲第(1)項記載の酸素濃度測定用プローブ
    。
  4. (4)ポリピリジン金属錯体の配位子が、ビピリジン、
    フェナントロリン、ターピリジン及びそれらの誘導体か
    ら選ばれる特許請求の範囲第(1)項記載の酸素濃度測
    定用プローブ。
  5. (5)ポリピリジン金属錯体の金属がルテニウムである
    特許請求の範囲第(1)項記載の酸素濃度測定用プロー
    ブ。
  6. (6)ポリピリジン金属錯体が高分子中に溶解または分
    散されることによって固定化されている特許請求の範囲
    第(1)項記載の酸素濃度測定用プローブ。
  7. (7)ポリピリジン金属錯体が吸着体に吸着されること
    によって固定化されている特許請求の範囲第(1)項記
    載の酸素濃度測定用プローブ。
  8. (8)ポリピリジン金属錯体が高分子の構成単位として
    導入されることによって固定化されている特許請求の範
    囲第(1)項記載の酸素濃度測定用プローブ。
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