(57)【要約】【課題】金属錯体による電気化学発光を高効率に実現するための電気化学発光性電解液を提供する。【解決手段】金属錯体、支持電解質、還元剤及び溶媒を含む電気化学発光性電解液であって、前記溶媒が、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールからなる群より選択される少なくとも１種を含み、前記支持電解質が、ハロゲン含有オキソ酸塩を含む。ハロゲン含有オキソ酸塩としては、次亜塩素酸塩、塩素酸塩又は過塩素酸塩が好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属錯体、支持電解質、還元剤及び溶媒を含む電気化学発光性電解液であって、
前記溶媒が、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記支持電解質が、ハロゲン含有オキソ酸塩を含む、電気化学発光性電解液。
【請求項２】
前記ハロゲン含有オキソ酸塩が、次亜塩素酸塩、塩素酸塩及び過塩素酸塩からなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項３】
前記ハロゲン含有オキソ酸塩が過塩素酸塩である、請求項１に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項４】
前記還元剤が、アミンである、請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学発光性電解液。
【請求項５】
前記非プロトン性極性有機溶媒が、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、及び、ジメチルスルホキシドからなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１〜４のいずれかに記載の電気化学発光性電解液。
【請求項６】
前記溶媒として、水をさらに含む、請求項１〜５のいずれかに記載の電気化学発光性電解液。
【請求項７】
前記溶媒のうち、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールの合計が体積比で７０％以上１００％未満を占める、請求項６に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項８】
前記金属錯体が、アミノ基、ホスフィノ基、カルボキシル基及びチオール基からなる群より選択される少なくとも１種の官能基を含む有機化合物、又は、複素環式化合物を、配位子として含む、請求項１〜７のいずれかに記載の電気化学発光性電解液。
【請求項９】
前記複素環式化合物が、ピリジン部位を有する化合物である、請求項８に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項１０】
前記ピリジン部位を有する化合物が、ビピリジン骨格又はフェナントロリン骨格を有する化合物である、請求項９に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項１１】
前記有機化合物が、ビス（ジフェニルホスフィノ）エテンである、請求項８に記載の電気化学発光性電解液。
【請求項１２】
前記金属錯体が、中心金属にルテニウム又はオスミウムを含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の電気化学発光性電解液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属錯体による電気化学発光を高効率に実現することができる電気化学発光性電解液に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学発光とは、有機分子あるいは金属錯体を溶解した電解液に電圧を印加することにより、電極表面でこれらの分子が発光する現象のことをいう。この発光現象が生じる物質としてルブレン、アントラセン、コロネン、ピレン、フルオランテン、クリセン、フェナントレン、ペリレン、ビナフチル、オクタテトラエン、トリスビピリジンルテニウム錯体、トリスビピリジンオスミウム錯体、トリスビピリジンクロム錯体等が知られている。なかでも、金属錯体たるトリスビピリジンルテニウム錯体は、発光の量子効率が高く、温和な条件下で発光を測定できるため、医療分野や環境分野などに広く使用されている。
【０００３】
これらトリスビピリジンルテニウム錯体等の金属錯体による電気化学発光を発現させるには、まず、一方の電極で酸化反応を、もう一方の電極で還元反応をそれぞれ行い、三価及び一価のルテニウム錯体を発生させる。この両物質が拡散し衝突することで酸化・還元反応が生じ、励起状態の二価のルテニウム錯体が生成する。この励起状態のルテニウム錯体が基底状態に遷移する際、約６２０ｎｍ前後の光を放出することにより、発光が観察される。
【０００４】
しかしながら、この方法では、三価と一価のルテニウム錯体溶液の界面上でしか発光が生じないため、発光効率が悪いという課題があった。
【０００５】
この課題を解決する手段として、酸化状態のルテニウム錯体に還元剤を添加させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手法によると、電極上で還元剤を酸化させることで、脱プロトン反応が生じ、その結果、強力な還元力を持つ還元剤が生成する。この還元剤生成物が、電極上で酸化されているルテニウム錯体を還元することで、ルテニウム錯体は励起状態となり、基底状態に遷移する際に光を放出する。基底状態のルテニウム錯体は、電極上で再度酸化されるので、還元剤が存在する限り、発光を継続することが可能である。このような還元剤として、シュウ酸塩やペルオキソ二硫酸塩、アミン類等が知られており、なかでも第三級アミンが最も強力な還元作用を有する。
【０００６】
また、ルテニウム錯体よりも高効率な電気化学発光が期待できる金属錯体として、オスミウム錯体が研究されている。配位子にビピリジンやフェナントロリンを３分子有するオスミウム錯体は、ルテニウム錯体よりも発光効率が低いが、ビス(１，１０−フェナントロリン){ビス（ジフェニルホスフィノ）エテン｝オスミウム錯体は、発光効率がルテニウム錯体より約２倍高いことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第９０／０５２９６号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄａｖｉｄ  Ｂｒｕｃｅ  ａｎｄ  Ｍａｒｋ  Ｍ．  Ｒｉｃｈｔｅｒ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００２，７４，３１５７−３１５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、ルテニウム錯体やオスミウム錯体等の金属錯体を含む電気化学発光性溶液には、電解質にリン酸塩を使用し、溶媒に水を使用することが知られていたが、発光効率は十分なものではなく、更なる改善が求められていた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、金属錯体による電気化学発光を高効率に実現することが可能な電気化学発光性電解液を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電気化学発光用電解液は、金属錯体、支持電解質、還元剤及び溶媒を含む電気化学発光性電解液であって、前記溶媒が、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールからなる群より選択される少なくとも１種を含み、前記支持電解質が、ハロゲン含有オキソ酸塩を含む。
【００１２】
前記ハロゲン含有オキソ酸塩が、次亜塩素酸塩、塩素酸塩及び過塩素酸塩からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００１３】
前記ハロゲン含有オキソ酸塩が過塩素酸塩であることが好ましい。
【００１４】
前記還元剤が、アミンであることが好ましい。
【００１５】
前記非プロトン性極性有機溶媒が、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、及び、ジメチルスルホキシドからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００１６】
前記溶媒として、水をさらに含んでもよく、その場合、前記溶媒のうち、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールの合計が体積比で７０％以上１００％未満を占めることが好ましい。
【００１７】
前記金属錯体が、アミノ基、ホスフィノ基、カルボキシル基及びチオール基からなる群より選択される少なくとも１種の官能基を含む有機化合物、又は、複素環式化合物を、配位子として含むことが好ましい。
【００１８】
前記複素環式化合物が、ピリジン部位を有する化合物であることが好ましい。
【００１９】
前記ピリジン部位を有する化合物が、ビピリジン骨格又はフェナントロリン骨格を有する化合物であることが好ましい。
【００２０】
前記有機化合物が、ビス（ジフェニルホスフィノ）エテンであることが好ましい。
【００２１】
前記金属錯体が、中心金属にルテニウム又はオスミウムを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、金属錯体による電気化学発光を高い効率で実現することが可能になる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る電気化学発光用電解液の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
本発明の電気化学発光用電解液は、金属錯体、支持電解質、還元剤及び溶媒を含有する。
【００２５】
金属錯体とは、これを含む電解液に電圧を印加することにより発光することが可能な電気化学発光性の金属錯体である。金属錯体は中心金属及び配位子からなる。
【００２６】
中心金属としては電気化学発光性を持つものである限り特に限定されない。例えば、ルテニウム、オスミウム、クロム、銅、イリジウム、レニウム、ユウロピウム等が挙げられる。なかでも、発光効率が高いため、ルテニウム又はオスミウムが好ましい。
【００２７】
配位子としては、これを含む金属錯体が電気化学発光性を持つものである限り特に限定されないが、アミノ基、ホスフィノ基、カルボキシル基及びチオール基からなる群より選択される少なくとも１種の官能基を含む有機化合物、又は、複素環式化合物が好適である。有機化合物と複素環式化合物の双方を配位子としてもよい。
【００２８】
複素環式化合物としては、発光効率の点から、ピリジン部位を有する化合物が好適であり、ビピリジン骨格又はフェナントロリン骨格を有する化合物が特に好適である。ビピリジン骨格又はフェナントロリン骨格を有する化合物とは、置換基を持たないビピリジン又はフェナントロリンであってもよいし、フェニル等の置換基を有するビピリジン又はフェナントロリンであってもよい。ビピリジン骨格を有する化合物としては、２，２′，２″−テルピリジンも使用できる。その他、８−ヒドロキシキノリン、２−フェニルピリジン等も使用できる。
【００２９】
有機化合物としては、発光効率の点から、ホスフィノ基を含む有機化合物が好ましく、ビス（ジフェニルホスフィノ）エテンが最も好ましい。
【００３０】
以上説明した金属錯体の具体例を次の式（１）、（２）、（３）又は（４）に示す。
【００３１】
【化１】
2010276573.tif 000002
【００３２】
【化２】
2010276573.tif 000003
【００３３】
【化３】
2010276573.tif 000004
【００３４】
【化４】
2010276573.tif 000005
本発明の電解液における金属錯体の濃度は、金属錯体の発光を観察できる範囲であれば特に限定されず、必要な発光量を勘案して適宜決定すればよいが、例えば、０．１ｎＭ〜１００ｎＭ程度であってよい。
【００３５】
本発明の電気化学発光性電解液に配合する支持電解質は、無機化合物であり、無機化合物のなかでもハロゲン含有オキソ酸塩を使用する。一般的に有機溶媒に配合する支持電解質としては、過塩素酸テトラエチルアミンやテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムなどの第四級アミンを含む有機化合物が知られているが、これらの有機化合物は、金や銀などから構成されて負電荷に帯電する電極に静電気的に吸着してしまう。そのため、金属錯体が電極に吸着されにくくなり、結果として大幅に発光量が低下することになるため好ましくない。また、無機化合物からなる支持電解質であっても、一般的に広く使用されているリン酸化合物や、アルカリ金属のハロゲン化物を使用した場合には、電気化学発光の効率が十分ではない。本発明では、後述する溶媒との組合せにおいて、ハロゲン含有オキソ酸塩を支持電解質として使用することにより、従来の電気化学発光性電解液と比較して大幅に電気化学発光効率が向上することを見出した。
【００３６】
ハロゲン含有オキソ酸塩とは、ハロゲン原子に少なくともヒドロキシル基が結合してなり、かつそのヒドロキシル基が酸性プロトンを与える酸性化合物（ハロゲン含有オキソ酸）の無機塩のことをいう。具体的には、次亜ハロゲン酸塩、亜ハロゲン酸塩、ハロゲン酸塩、過塩素酸塩等が挙げられる。発光効率の観点から、次亜塩素酸塩、塩素酸塩及び過塩素酸塩からなる群より選択される少なくとも１種を使用することが好ましく、過塩素酸が特に好ましい。
【００３７】
ハロゲン含有オキソ酸塩を構成する陽イオンとしては特に限定されず、通常の塩を構成する元素であればよく、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属が挙げられる。
【００３８】
本発明の電解液におけるハロゲン含有オキソ酸塩の濃度は、一般的な支持電解質を使用する場合と同程度であってよいが、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上０．２ｍｏｌ／Ｌ以下の範囲が好ましく、この範囲で発光効率が特に優れたものとなる。
【００３９】
本発明の電気化学発光性電解液には、本発明の効果を阻害しない範囲において、ハロゲン含有オキソ酸塩に加えて、リン酸塩や、アルカリ金属のハロゲン化物等の他の電解質を配合してもよい。
【００４０】
電気化学発光用の還元剤は、金属錯体との組合せにおいて発光効率を改善するものであれば特に限定されない。具体的には、シュウ酸塩や、ペルオキソ二硫酸塩、アミン類等が用いられる。なかでもアミンが好ましく、特に、トリエチルアミンやトリプロピルアミン等の第三級アミンは強力な還元作用を示すため、これらを使用することが望ましい。これらの還元剤は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上０．２ｍｏｌ／Ｌ以下の濃度範囲で使用することで、最も良好な結果を得ることができる。
【００４１】
本発明の電気化学発光性電解液では、金属錯体、支持電解質及び還元剤を溶解させるための溶媒として、非プロトン性極性有機溶媒及びアルコールからなる群より選択される少なくとも１種を用いる。これらの溶媒は、本発明における支持電解質たるハロゲン含有オキソ酸塩に対する溶解性が高く、更に誘電率が高いので、金属錯体をイオン解離させて容易に溶解することができる。このような極性非プロトン性有機溶媒としては、例えば、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド等が挙げられ、特にアセトニトリルが優れている。アルコールとしては、例えば炭素数１〜３のアルコール等が挙げられ、好ましくはメタノール、エタノールであり、特に好ましくはメタノールである。
【００４２】
本発明の効果を阻害しない範囲において、非プロトン性極性有機溶媒やアルコールに加えて、他の溶媒を配合しても良い。他の溶媒としては、水が特に好ましい。水の混合により、溶媒のコストを抑制し、電解液の調製が容易になる点で好ましい。ただし、水の配合量が多くなると、金属錯体及び支持電解質が溶解しにくくなり発光量が低下する傾向があるので、水の配合量は体積比で３０％程度以下に抑えることが好ましい。すなわち、全溶媒中、非プロトン性極性有機溶媒とアルコールの占める割合を、体積比で７０％以上とすることが好ましい。
【００４３】
なお、非特許文献１に記載されたリン酸塩（支持電解質）とアセトニトリル／水（溶媒）の組合せでは、アセトニトリルは水と混合して使用することが必須である。本発明者らの検討により、溶媒中のアセトニトリルの配合量が体積比で７０％を超えると、リン酸塩が溶解しないため発光効率が著しく低下することが判明した。従って、支持電解質がリン酸塩であり、溶媒がアセトニトリル／水である場合には、水の配合量は３０％以上とする必要があり、特に、非特許文献１に記載のアセトニトリルと水の等量混合溶媒が発光効率の点から最適である。このように、支持電解質がハロゲン含有オキソ酸塩の場合と、リン酸塩の場合では、適切な溶媒がまったく相違する。
【００４４】
溶媒として水を併用する場合には、本発明の電気化学発光性電解液に非イオン性界面活性剤を適当量添加して発光量の向上を図ることも可能である。
【００４５】
本発明の電気化学発光性電解液は、以上の構成によって、金属錯体による電気化学発光を高い効率で実現することができる。
【実施例】
【００４６】
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４７】
金属錯体としては、アルドリッチ社製のトリスビピリジンルテニウム錯体（３）と、下記手法にて合成したビス(１，１０−フェナントロリン){ビス（ジフェニルホスフィノ）エテン｝オスミウム錯体（４）を使用した。
【００４８】
（１）化合物（４）の合成
（１−１）ビス（１，１０−フェナントロリン）オスミウム錯体の合成
まず、六塩化オスミウム二カリウム５００ｍｇ（１．０４ｍｍｏｌ）及び１，１０−フェナントロリン３９３ｍｇ（２．１８ｍｍｏｌ）を窒素雰囲気の容器に入れ、３０分間窒素でバブリングしたＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以降、ＤＭＦと略す）３０ｍＬをシリンジで注入した後、オイルバスで３時間加熱還流した。
【００４９】
反応後、ＤＭＦを室温にまで冷却した後、ろ紙にて自然ろ過を行なうことにより、副反応物の塩化カリウム及び未反応物を除去した。
【００５０】
その後、還元剤である亜次チオン酸ナトリウム２．００ｇを蒸留水４００ｍＬに溶解させ、氷冷した溶液に、自然ろ過したろ液を約１０分かけて滴下し、３０分間撹拌した。このとき、反応液中の目的物が還元され、黒紫色の物質が析出した。
【００５１】
この黒紫色物質は、グラスフィルターを用いて吸引ろ過を行うことにより採取し、７０℃で１２時間真空乾燥することでビス（１，１０−フェナントロリン）オスミウム錯体を得た(収率７１．１％)。
【００５２】
（１−２）ビス(１，１０−フェナントロリン){ビス（ジフェニルホスフィノ）エテン｝オスミウム錯体の合成
ビス（ジフェニルホスフィノ）エテン１０６ｍｇ（０．２７ｍｍｏｌ）とビス（１，１０−フェナントロリン）オスミウム２００ｍｇ（０．１８ｍｍｏｌ）、及び、グリセロール３０ｍＬを窒素雰囲気の容器に入れ、３時間加熱還流した。
【００５３】
反応液を室温まで放冷させた後、蒸留水１２０ｍＬを加え、ろ紙で自然ろ過を行い、濃茶色のろ液を得た。
【００５４】
２００ｍＬの蒸留水にヘキサフルオロリン酸アンモニウム塩１４ｇを溶解させた溶液に、前述の自然ろ過で得られた濃茶色ろ液を撹拌しながら１５分かけて滴下した。この操作で濃茶色の沈殿物が形成した。この沈殿物を吸引ろ過により採取し、５５℃で１６時間真空乾燥を行った。
【００５５】
この粗生成物は、移動相にアセトニトリルとクロロホルムの混合液を用いたアルミナカラムで精製し、さらにメタノールで再結晶を行うことにより、目的物である化合物（４）を得た（収率１５．０％）。
【００５６】
表１は化合物（４）の１Ｈ−ＮＭＲ結果である。この結果と質量分析（Ｍｉｃｒｏｍａｓｓ製ＬＣＴ）の結果から、化合物（４）の合成を確認した。
【００５７】
【表１】
2010276573.tif 000006
（２）金属錯体による電気化学発光の測定
（実施例１）
支持電解質として過塩素酸リチウムを用い、溶媒にはメタノールを用い、還元剤にはトリプロピルアミンを使用し、金属錯体として化合物（３）又は化合物（４）を使用して電解液Ａ又はＢを調製した。各成分は、過塩素酸リチウムの終濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ、還元剤の終濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ、金属錯体の終濃度が１０ｎｍｏｌ／Ｌとなるよう添加した。
【００５８】
従来電解液Ａ′又はＢ′は、１％（ｖ／ｖ）ポリオキシエチレン（１０）イソオクチルフェニルエーテルを含有した０．１ｍｏｌ／Ｌのリン酸緩衝液（ｐＨ７．４）に、トリプロピルアミンの終濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ、化合物（３）又は化合物（４）の終濃度が１０ｎｍｏｌ／Ｌとなるように調整して作製した。以上の成分構成は特許文献１の実施例と同様である。
【００５９】
従来電解液Ａ″又はＢ″は、支持電解質としてリン酸二水素カリウム及びリン酸水素二カリウムを用い、溶媒にはアセトニトリルと水の混合溶媒（体積比５０：５０）を用い、還元剤にはトリプロピルアミンを使用し、金属錯体として化合物（３）又は化合物（４）を使用して調製した。各成分は、リン酸塩の終濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ、還元剤の終濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ、金属錯体の終濃度が１０ｎｍｏｌ／Ｌとなるよう添加した。従来電解液Ａ″又はＢ″における以上の成分構成は非特許文献１で示された成分と同様である。
【００６０】
以上の電解液について、電気化学発光の発光量を測定した。測定には、金電極を使用した。この金電極は、ガラス基板上にスパッタ装置（アルバック製ＳＨ−３５０）によりチタン１０ｎｍを下地に金２００ｎｍを形成し、フォトリソグラフィ工程により電極パターンを形成することで準備した。
【００６１】
各電解液をそれぞれ金電極に８０μＬ滴下し、９０秒間静置することにより、金電極に各金属錯体を吸着させた。その後、この電極に電圧を印加することにより発生した電気化学発光の発光量を測定した。
【００６２】
電圧の印加は、０Ｖから２．５Ｖまで走査することにより行い、４秒間電気化学測定を行った。電気化学発光量の測定は、光電子増倍管（浜松ホトニクス製Ｈ７３６０−０１）を用いて行い、電圧走査中における発光量の積分値を測定した。
【００６３】
ルテニウム錯体（３）の測定結果を表２に、オスミウム錯体（４）の測定結果を表３に示した。
【００６４】
【表２】
2010276573.tif 000007
【００６５】
【表３】
2010276573.tif 000008
以上より、電解質にハロゲン含有オキソ酸塩を用い、溶媒にアルコールを用いた本発明の電解液は、従来の電解液と比較して１０倍以上も発光量が増加することが判明した。
【００６６】
（実施例２）
次に、実施例１の電解液Ａ及びＢにおける溶媒の種類及び組成を変更した電解液を調製した。
【００６７】
ルテニウム錯体（３）を使用した電解液Ａに関しては、溶媒をアセトニトリルに変更した電解液、及び、溶媒をメタノール又はアセトニトリルと水との混合溶媒に変更した電解液を調製した。混合溶媒では有機溶媒の含有量を７０％（ｖ／ｖ）、８０％（ｖ／ｖ）、又は９０％（ｖ／ｖ）に変更した。
【００６８】
各電解液について、実施例１と同様の手法により電気化学発光量を測定した結果を表４に示す。
【００６９】
【表４】
2010276573.tif 000009
オスミウム錯体（４）を使用した電解液Ｂに関しては、溶媒をアセトニトリルに変更した電解液、及び、溶媒をメタノール又はアセトニトリルと水との混合溶媒に変更した電解液を調製した。混合溶媒では有機溶媒の含有量を８０％（ｖ／ｖ）、又は９０％（ｖ／ｖ）に変更した。
【００７０】
各電解液について、実施例１と同様の手法により電気化学発光量を測定した結果を表４に示す。
【００７１】
【表５】
2010276573.tif 000010
表４及び表５より、電解質にハロゲン含有オキソ酸塩を用い、溶媒としてアルコール又は非プロトン性極性有機溶媒を使用することで、電気化学発光量に関し高い数値が得られることが分かった。また、溶媒には適宜水を配合可能なことも判明した。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明により、電気化学発光を効率よく発現する電解液を提供することができる。そのため、試料中に存在する特定のアナライトを高感度に検出することができ、免疫診断、遺伝子診断、感染症診断、ゲノム創薬等の用途等に適用できる。