JP5889393B2 - 薄膜、複合体および薄膜を作製する方法 - Google Patents

Description

本開示は、薄膜コーティング用ポリマー、使用及び関連する方法に関する。

本明細書において、文書、行為又は知見が参照又は議論されているが、これら参照又は議論は、文書、行為若しくは知見又はその任意の組合せが、優先日において公開されていた、一般に公知であった、一般的知見の一部であった若しくは適用可能な法律条項の下で先行技術を構成するもの、又は、この明細書にかかわる任意の問題を解決する試みに関連することが既知であると承認するものではない。

ポリマーによる表面修飾のための現在の技術は、表面結合モノマーを使用してその表面上でポリマーの形成を開始させ、これにより前記表面上に形成されたポリマー薄膜又はコーティングをもたらす。そのようなタイプの表面結合モノマーに基づく重合に関連したいくつかの欠点があり、限定はされないが、表面結合ポリマー薄膜構造の困難な再現性及び表面結合ポリマー薄膜の電子的特性並びに光学的特性の低下が挙げられる。

したがって、電子的特性及び光学的特性の低下を示さない一貫して再現性を有する表面結合ポリマー薄膜構造が当技術分野において必要とされている。

本発明の開示を容易にするために、従来技術の特定の態様について議論してきたが、出願人はこれらの技術的態様を決して放棄するものではなく、請求される発明が、本明細書で議論される従来の技術的態様の１つ又は複数を包含又は含んでいてもよいことが企図される。

本発明に係るいくつかの態様によれば、本発明は、明確に定義されたポリマー出発物質の利点と物理的方法による表面修飾の利便性とを一度にまとめて組み合わせた新しい材料を提供し、したがって多くの用途で使用するのに適した一般的で強力なプラットフォームを提供する。

本発明に係るいくつかの態様によれば、本発明は、化学物質、生体物質、及びナノ物質により表面を官能基化するために薄膜又はコーティングとして形成され得る明確に定義された共役及び非共役ポリマー出発物質を提供する。そのような官能基化した表面はセンシング、エネルギー、医療、及びバイオテクノロジー産業において使用できる。薄膜は、場合により、およそ約１ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する膜として特徴づけることができる。

本発明に係る一態様によれば、本発明は、以下に示す一般式のチオフェン、フルオレン又はベンゾチアジアゾール（ｂｅｎｚａｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）のポリマーに基づく、明確に定義された共役ポリマー出発物質を提供する。

上記式中：

は、オリゴ若しくはポリエチレングリコール、場合により置換されたアルキル鎖、又は場合により置換された共役鎖であり、上記式中の前記鎖は、ポリエチレングリコール又はポリエチレンイミン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｌｙｎｅｉｍｉｎｅ）によって場合により置換されており；
ｎは、１を超える任意の整数であり；
Ｒ_１及び／又はＲ_２は、Ｈ、アルキル、アルケン、アルキン（アルキルの場合は炭素原子の数は１〜４個、アルケンの場合は２〜６個、アルキンの場合は２〜６個である）、ＯＨ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、Ｆ、ＳＨ、ＣＯＯＨ、ＮＨ_２、ＣＨＯ、マレイミド、ＮＨＳエステル、金属錯体を形成することができる複素環式化合物、炭水化物、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗体、抗原、酵素、細菌、レドックス分子、ホスト分子、ゲスト分子、ハプテン、脂質、微生物、アプタマー、又は糖であり；Ｒ_１はＲ_２と同一であるか又は異なっていてもよく、Ｒ_１及びＲ_２のうち少なくとも１つはＮＨ_２、ＣＯＯＨ、ＯＨ又はＳＨである。

本発明に係る一態様によれば、本発明は、アルコール、アミン、及びカルボン酸のうち少なくとも１つを含む水溶性側鎖を含む、チオフェン、フルオレン、又はベンゾチアジアゾールのポリマーに基づく、明確に定義された共役ポリマー出発物質を提供する。以下に示すのは、アルコール基で誘導体化されたチオフェン、フルオレン、及びベンゾチアジアゾール系ポリマー出発物質である。

本発明に係る別の態様によれば、本発明は、以下に示す一般式のアルキル鎖ポリマーに基づく明確に定義された非共役ポリマー出発物質を提供する。

上記式中：

は、オリゴ若しくはポリエチレングリコール、場合により置換されたアルキル鎖、又は場合により置換された共役鎖であり、上記式中の前記鎖は、ポリエチレングリコール又はポリエチレンイミンによって場合により置換されており；
ｎは１を超える任意の整数であり；
Ｒ_１及び／又はＲ_２は、Ｈ、アルキル、アルケン、アルキン、ＯＨ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、Ｆ、ＳＨ、ＣＯＯＨ、ＮＨ_２、ＣＨＯ、マレイミド、ＮＨＳエステル、金属錯体を形成することができる複素環式化合物、他の適用できる官能基、炭水化物、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗体、抗原、酵素、細菌、レドックス分子、ホスト分子、ゲスト分子、ハプテン、脂質、微生物、アプタマー、又は糖であり；及び
Ｒ_１はＲ_２と同一であるか又は異なっていてもよく、Ｒ_１及びＲ_２のうち少なくとも１つはＮＨ_２、ＣＯＯＨ、ＯＨ、又はＳＨである。

本発明に係る別の態様によれば、本発明は、以下に示すようなアルコール、アミン、及びカルボン酸のうち少なくとも１つを含む水溶性側鎖を含むアルキル鎖ポリマーに基づく、明確に定義された非共役ポリマー出発物質を提供する。

本発明に係る更なる態様によれば、本発明は上記のポリマー出発物質で修飾された表面を提供する。そのような表面は、限定はされないが、電極表面、例えば炭素電極表面及び金属電極表面であることが考えられる。考えられる他の表面は、限定はされないが、半導体表面であってもよい。

本発明に係る更に別の態様によれば、本発明は表面連結レドックス活性分子で修飾された表面を提供する。

本発明に係る更に別の態様によれば、本発明は直前に挙げたポリマー出発物質で表面を修飾する方法を提供する。そのような方法は、生体官能基、化学官能基、及び／又はナノ官能基で修飾された表面を含む新しい物質を開発するのに重要である。

本発明は、上記で論じた先行技術の問題及び欠陥の１つ又は複数に対処することができる。しかし、本発明は、いくつもの技術領域で、他の問題及び欠陥の対処に有益であることが判明する、又は恩恵及び利点を提供する可能性があると考えられる。したがって、特許請求される発明は、本明細書で議論される特定の問題又は欠陥のいずれかに対処することに限定されると必ずしも解釈されるべきではない。

本発明のこれら及び他の特徴を、本発明を例示することを意図し限定することを意図しない特定の実施形態の図面を参照して、説明する。

０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液中で行われる、ポリマー出発物質（１）のサイクリックボルタモグラムを示す図である。 ポリマー出発物質（１）に基づく薄膜がガラス状炭素電極上で形成される前及び後における、ガラス状炭素電極における１０ｍＭのフェロシアン化カリウム水溶液のサイクリックボルタモグラムを示す図である。 ポリマー出発物質（１）に基づく薄膜がガラス状炭素電極上で形成される前及び後における、ガラス状炭素電極のＳＥＭ像を示す図である。図３Ａはポリマー薄膜形成前のＳＥＭ像を示し、図３Ｂはポリマー薄膜形成後のＳＥＭ像を示す。 ガラス状炭素電極上のポリマー出発物質（１）の膜の元素分析を示す図である。 ０．１ＭのＮａＣｌＯ_４溶液中で行われる、ポリマー出発物質（２）のサイクリックボルタモグラムを示す図である。 ０．１ＭのＮａＣｌＯ_４溶液中で行われる、ポリマー出発物質（２）−コーヒー酸修飾表面のサイクリックボルタモグラムを示す図である。

本発明のさらなる態様、特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなる。

表面修飾のための明確に定義されたポリマー出発物質は、本明細書に記載されている。本発明に係るそのようなポリマー出発物質は、例えば、アルコール、アミン又はカルボン酸などの水溶性側鎖を含む、チオフェン、フルオレン又はベンゾチアジアゾールに基づく共役ポリマーであってもよい。例えば、下記でポリマー出発物質（１）と表されるポリマーは、本発明による明確に定義された共役ポリマー出発物質の代表的なものである。本発明による他のそのようなポリマー出発物質は、例えば、アルコール、アミン、及びカルボン酸のうち少なくとも１つを含む水溶性側鎖を含むアルキル鎖ポリマーに基づく非共役ポリマーであってもよい。例えば、下記でポリマー出発物質（２）と表されるポリマーは、本発明による明確に定義された非共役ポリマー出発物質の代表的なものである。

本発明に係るポリマー出発物質で修飾しようとする表面は、特に限定はされないが、導電性表面であってもよい。代表的な導電性表面は、例えば、金属電極などの金属表面、又は炭素電極若しくはガラス状炭素電極などの炭素表面であってもよい。本発明によって意図される他の表面は、ｐドープ若しくはｎドープしたケイ素、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）又はホウ素ドープダイヤモンドなどに基づくものなどの半導体表面である。

本発明に係るポリマー出発物質で修飾しようとする表面の特性は、所望の用途に合わせて調整することができる。粗さ、親水性、疎水性、表面電荷、表面エネルギー、生体適合性及び反応性のような表面特性を調整するように修飾を行うことができる。例えば、Ｒ_１及びＲ_２をＯＨ基及び／又はＣＯＯＨ基などの極性基及び／又はイオン性官能基として選択することにより、その表面を親水性にすることができる。Ｒ_１及びＲ_２をアルキル、アルケニル及びアルキニル基などの疎水性基として選択することにより、その表面をより疎水性にすることができる。Ｒ_１及びＲ_２をペルフルオロ化合物として選択することにより、その表面を高い撥油性又は疎油性、及び疎水性とすることができる。Ｒ_１及びＲ_２をＮＨ_２、及び／又はＣＯＯＨ、及び／又はＰＯ_４ ^２−として選択することにより、その表面をより疎水性にすることができる。Ｒ_１及び／又はＲ_２をリジン及びバリンなどの任意のアミノ酸として選択することにより、その表面を生体適合性に変えることができる。

本発明に係るポリマー出発物質で表面を修飾する方法は、電気化学的方法を含んでいる。そのような方法は、一般に、修飾される表面上に電気化学的に付着させた薄膜又はコーティングを生じさせる。表面修飾の電気化学的方法は、他の既知の物理的方法を上回る特定の利点を提供する。そのような利点は、コーティングのより限定された性質、より耐久性の高いコンフォーマルコーティング、コーティングプロセスのより少ない所要時間及びコーティングプロセスのより良好なモニタリングである。

本発明に係るポリマー出発物質で表面を修飾する方法は、例えば、１）本発明によるポリマー出発物質を含む溶液を調製すること；２）前記溶液中に修飾しようとする表面を浸漬すること；３）電気化学的信号を前記溶液に印加すること；及び４）修飾される前記表面上に少なくとも１つの薄膜又はコーティングを形成させることであってもよい。電気化学的信号は、例えば、電圧、電圧走査又は電流であってもよい。

本発明に係る方法によって形成される薄膜又はコーティングは、任意の所望の及び実用的な厚さを有することができる。厚さは、わずか約１ナノメートルから約数百ミクロンもの範囲であってもよい。本明細書に記載の薄膜又はコーティングは、修飾される表面に強く接着もされる。本発明に係る方法は、ポリマー出発物質の溶解性に応じて、水性媒体中又は非水性媒体中で行うことができる。

本発明に係るポリマー出発物質で修飾された表面は、必要に応じて更に修飾され、特定の用途に合わせてその系の特性を更に調整することができる。例えば、本発明に係る表面結合ポリマーは、高共役分子又は金属錯体で更に官能基化され、表面連結レドックス活性分子を形成させることができる。そのような表面連結レドックス活性分子は、限定はされないが、フェロセン及びその誘導体；ルテニウム、オスミウム、鉄又は銅に基づくビピリジン配位錯体及びその誘導体；並びにルテニウム、オスミウム、鉄又は銅に基づくフェナントロリン配位錯体及びその誘導体であってもよい。

特定のポリマー出発物質の以下の非限定的な例及びポリマー出発物質を用いた表面修飾における例となる技術を参照し、本発明の概念を更に説明する。更なるポリマー及び更なる形成の技術も本発明に包含されることは理解されるべきである。

［ポリマー出発物質（１）による表面修飾］
下記のスキーム１は、ポリマー出発物質１による電極表面の修飾を例示する。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ポリマー出発物質１がグルコース部分の−ＯＨ基の酸素原子を介して所与の表面に結合することが考えられる。他の結合メカニズム（複素環の部分のＮ及び／又はＳ分子又は共役ポリマー骨格のＣを介した結合など）も考えられ得る。

ポリマー出発物質１を０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液に加えた。次いで、ガラス状炭素を作用電極として、白金を対電極として及びＡｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）を参照電極として使用する標準的な三電極配置を有するサイクリックボルタンメトリーに適合させた電気化学槽へ、溶液を移した。次いで、電極を溶液に浸漬し、一般的には０．２〜２．５Ｖ、又は０．７〜１．５Ｖの電圧をそれに印加し、これはポリマー出発物質１に基づく薄膜が電極のうち少なくとも１つの上に形成されるのを引き起こす。電圧が印加される時間の長さは、電極材料及び反応組成物などの要因に応じて、例えば２〜３０秒、５〜６０秒又は１〜１０分と様々であってもよい。

ポリマー出発物質（１）は、電気化学的酸化並びにその後の炭素電極及び金属電極上での薄膜形成を経ることが確認されている。図１は、０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液中のポリマー出発物質（１）に関するサイクリックボルタンメトリーの結果を示している。溶液は、２回のサイクルが行われた。実線は１回目のサイクルの代表的なものであり、点線は２回目のサイクルの代表的なものである。溶液の１回目のサイクルは、約０．９Ｖでブロードのピークを生じる。このピークは、ポリマーの酸化を示唆している。溶液の２回目のサイクルは、約０．９Ｖにおける同じピークが存在しないか又はピークの大きさが著しく減少していることを表し、炭素電極及び金属電極上での膜形成を示唆している。

図２は、ガラス状炭素電極で薄膜が形成される前及び後における、１０ｍＭのＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］・３Ｈ_２Ｏ（フェロシアン化カリウム）水溶液中のポリマー出発物質（１）に関するサイクリックボルタンメトリーの結果を示している。次いで、溶液は２回のサイクルが行われた。図中の実線は１回目のサイクル、例えばガラス状炭素電極で薄膜が形成される前の代表的なものであり、図中の点線は２回目のサイクル、例えばガラス状炭素電極で薄膜が形成された後の代表的なものである。溶液の１回目のサイクルは、約３２５μＡのピーク電流を生じる。このピークは、フェロシアン化カリウムの酸化を示唆している。溶液の２回目のサイクルは、ピーク電流が約２７５μＡまで減少することを表している。約５０μＡのピーク電流の減少は、フェロシアン化カリウムの酸化のレベルがより低いことを示唆しており、これはガラス状炭素電極上でのポリマー出発物質（１）の薄膜形成と矛盾していない。

図３は、ポリマー出発物質（１）に基づく膜がガラス状炭素電極上で形成される前（図３Ａ）及び後（図３Ｂ）のガラス状炭素電極のＳＥＭ像を示している。図４は、ガラス状炭素電極上のポリマー出発物質（１）の膜のエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ）の元素分析を示している。約０．２５、０．４０、０．５５及び２．３０ｋｅＶでのピークは、ポリマー出発物質（１）に由来するそれぞれＣ、Ｎ、Ｏ及びＳの存在を示している。

［ポリマー出発物質（２）による表面修飾］
下記のスキーム２は、ポリマー出発物質２による電極表面の修飾を例示している。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ポリマー出発物質２がアミン側鎖の窒素原子を介して所与の表面に結合することが考えられる。他の結合メカニズム（ポリマー鎖中の窒素原子を介した結合など）も考えられ得る。

ポリマー出発物質２を０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液に加えた。次いで、ガラス状炭素を作用電極として、白金を対電極として及びＡｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）を参照電極として使用する標準的な三電極配置を有するサイクリックボルタンメトリーに適合させた電気化学槽へ、溶液を移した。次いで電極を溶液に浸漬し、一般的には０．７〜１．５Ｖの電圧をそれに印加し、これはポリマー出発物質２に基づく薄膜が電極のうち少なくとも１つの上に形成されるのを引き起こす。

ポリマー出発物質（２）は、電気化学的酸化並びにその後の炭素電極上での膜形成を経ることが確認されている。図５は、０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液中のポリマー出発物質（２）に関するサイクリックボルタンメトリーの結果を示している。溶液は２回のサイクルが行われた。実線は１回目のサイクルの代表的なものであり、点線は２回目のサイクルの代表的なものである。溶液の１回目のサイクルは、約０．８５Ｖでブロードのピークを生じさせる。このピークはポリマーの酸化を示唆している。溶液の２回目のサイクルは、約０．８５Ｖにおける同じピークが存在しないことを表し、炭素電極上での膜形成を示唆している。

［表面連結レドックス活性分子］
下記のスキーム３は、最終的な薄膜がコーヒー酸分子の少なくとも１つのフラグメントを含むように、実施例２の修飾電極表面をコーヒー酸により更に修飾したものを例示している。フラグメントは、電極による電子移動を介してレドックス反応を受けることができる部分として特徴づけられる。

ポリマー出発物質（２）で修飾された表面を浸漬する溶液を得るために、コーヒー酸を任意の適切な溶媒中に溶解させてもよい。スキーム３に示す反応を、０．１Ｍの２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）及び０．５ＭのＮａＣｌを含むｐＨが約６．１の緩衝剤溶液中で行うことができる。前記反応は、室温で約１２０分間行うことができる。図６は、０．１ＭのＮａＣｌＯ_４水溶液中でのポリマー出発物質（２）−コーヒー酸修飾表面に関するサイクリックボルタンメトリーの結果を示している。溶液は、１回のサイクルを行った。約０．５Ｖでのピークはコーヒー酸の酸化を示すものであり、この結果は表面連結レドックス活性コーヒー酸分子の存在を示唆するものである。

本明細書で使用される成分量、構成成分、反応条件等を表すいかなる数字も、全ての場合に用語「約」により修飾されるものとして理解されるべきである。記載される数値範囲及びパラメータ、本明細書において示される広範囲の対象は近似値であるが、記載されている数値はできる限り正確に示されている。しかし、いかなる数値も、それらのそれぞれの測定技術で見られる標準偏差から明白であるように、ある程度の誤差又は不正確さを本質的に含む可能性がある。本明細書において挙げられる特徴はいずれも、「手段（ｍｅａｎｓ）」という用語が明示的に使用されない限り、米国特許法第１１２条第６パラグラフが適用されると解釈されるべきではない。

本発明を、その好ましい実施形態に関して記載してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、具体的に記載されていない追加、削除、修正及び置換を行ってもよいことを当業者は理解するであろう。

Claims (12)

1. 

   のうち少なくとも１つを含む薄膜であって、
   前記式中、ｎは１を超える任意の整数であり、ｍは０又は１を超える整数である薄膜。
2. 

   を含む請求項１に記載の薄膜。
3. 約１ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する請求項１に記載の薄膜。
4. 炭素を含む表面、少なくとも１種の金属を含む表面又は少なくとも１種の半導体を含む表面を組み合わせた請求項１に記載の薄膜を含む複合体。
5. 前記表面が炭素電極又は金属電極である請求項４に記載の複合体。
6. 電気化学的方法によって付着させる請求項４に記載の複合体。
7. 薄膜を作製する方法であって：
   

   

   （前記式中、ｎは１を超える任意の整数であり、ｍは０、１、又は１を超える整数である。）
   １）前記式のうち１つを含む溶液を調製することと；
   ２）前記溶液中に少なくとも１つの表面を浸漬することと；
   ３）電気化学的信号を前記溶液に印加することと；
   ４）前記表面上に少なくとも１つの薄膜又はコーティングを形成させることと、
   を含む請求項１に記載の薄膜を作製する方法。
8. 前記薄膜が
   

   

   を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記薄膜が約１ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する請求項７に記載の方法。
10. 前記表面が炭素、少なくとも１種の金属又は少なくとも１種の半導体を含む請求項７に記載の方法。
11. 前記表面が炭素電極、金属電極、又は半導体電極である請求項７に記載の方法。
12. 電気化学的信号の印加は、電圧、電圧走査又は電流の印加を含む請求項７に記載の方法。

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