(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部（４１）、第２の端部（３９）および中心軸（７６）を有するプローブ組立体（２０１）と、
前記プローブ組立体（２０１）の前記第１の端部（４１）に配置された、フリット（１９８）を有する基準電極（４４）と、
基板（２００）に結合された、分析物感応性材料を含む作用電極（４２）であって、前記分析物感応性材料および前記基板（２００）は、前記プローブ組立体（２０１）の前記第１の端部（４１）に配置されている、作用電極（４２）と、
前記プローブ組立体（２０１）の前記第１の端部（４１）に配置された対向電極（４０）と、
前記プローブ組立体（２０１）の前記第２の端部（３９）に配置されたエンクロージャ（３５）と、
前記エンクロージャ（３５）内に配置され、前記作用電極（４２）に電気的に結合された前置増幅回路（２１０）と、
ボルタメトリーによって分析物を検出するために前記前置増幅回路（２１０）に電気的に結合されたプロセッサ（５０）と
を備えたｐＨ計デバイス（１０１）であって、
前記基準電極（４４）、前記作用電極（４２）および前記対向電極（４０）は中心軸（７６）に対して同軸配置され、前記前置増幅回路（２１０）は、前記作用電極（４２）から受信された信号をスケール変更し、
前記基準電極（４４）は、前記対向電極（４０）の一部の中に同軸収容されたカートリッジ組立体（１３０）を含み、前記基準電極（４４）は電極ワイヤ（１６０）をさらに含み、前記電極ワイヤ（１６０）は前記電極ワイヤ（１６０）の第１の端部および前記電極ワイヤ（１６０）の第２の端部を有し、前記電極ワイヤ（１６０）の第１の端部は、前記前置増幅回路（２１０）に電気的に結合され、前記電極ワイヤ（１６０）の第２の端部は、電解液（１８３）がフリット部材（２２０）に曝露されるように配置されており、
前記ｐＨ計デバイス（１０１）が、前記カートリッジ組立体（１３０）内に配置された小型基準組立体（１９２）をさらに備え、前記小型基準組立体（１９２）が、
前記電極ワイヤ（１６０）を前記電解液（１８３）から保護するためのケース（２０６）であって、前記ケース（２０６）が、前記ケース（２０６）の第１の端部および前記ケース（２０６）の第２の端部を有し、前記ケース（２０６）の第１の端部は、前記フリット（１９８）を受容するための開口を有し、前記ケース（２０６）は第２の電解液をさらに含む、ケース（２０６）と、
サーミスタ用ワイヤ（１７２）であって、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）が、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の第１の端部、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の第２の端部、および前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の中間部を有し、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の第１の端部は、前記電極ワイヤ（１６０）の第２の端部に電気的に結合され、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の第２の端部は、前記第２の電解液内に配置され、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の中間部は、前記サーミスタ用ワイヤ（１７２）の温度が前記作用電極（４２）と実質的に類似するように前記作用電極（４２）に近接して配置された、サーミスタ用ワイヤ（１７２）と
を備えることを特徴とするｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項２】
前記分析物感応性材料は、下記式Ｉによって示されるアントラキノン
0006049454.tif 000018
、下記式ＩＩによって示されるフェナントレンキノン
0006049454.tif 000019
、下記式ＩＩＩによって示されるオルト−ベンゾキノン
0006049454.tif 000020
、下記式ＩＶによって示されるＮ，Ｎ’−ジフェニルパラ−フェニレンジアミン
0006049454.tif 000021
、下記式Ｖによって示されるアントラセン
0006049454.tif 000022
、下記式ＶＩによって示されるナフタキノン
0006049454.tif 000023
、下記式ＶＩＩによって示されるパラ−ベンゾキノン
0006049454.tif 000024
および下記式ＶＩＩＩによって示されるアゾベンゼン
0006049454.tif 000025
からなる群から選択され、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ9、Ｒ10、Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13およびＲ14の少なくとも１つは、水素部分、アルキル部分、アリール部分、ヘテロアリール部分、アミノ部分、アミド部分、カルボキシル部分、ヒドロキシルメチル部分、カルボニル部分、エーテル部分およびアルコキシエーテル部分からなる群から選択される化学的部分で置換されていることを特徴とする請求項１に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項３】
前記分析物感応性材料は、化学リンカーによって前記基板（２００）に共有結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項４】
前記分析物感応性材料は、前記基板（２００）内に物理吸着されていることを特徴とする請求項１または２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項５】
前記基板（２００）は、貴金属材料、半導体材料、導電性金属合金材料、導電性ポリマー化合物および炭素系材料からなる群から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項６】
前記炭素系材料は、炭素同素体材料、熱分解性グラファイト材料、グラファイト、非晶質炭素、カーボンブラック、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、ガラス炭素、ホウ素ドープダイヤモンドおよび熱分解されたフォトレジストフィルムからなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐＨ計デバイス（１０１）に使用される計器デバイスであって、前記計器デバイスが、
目標分析物を検出するための複数の電極（４０、４２、４４）を有するプローブ組立体（２０１）であって、前記複数の電極（４０、４２、４４）が、それに結合された前記分析物感応性材料を有する少なくとも１つの電極（４２）を含む、プローブと、
前記複数の電極（４０、４２、４４）と近接して配置され、それらに電気的に結合された前置増幅器（２１０）であって、少なくとも１つの電極（４２）から受信された信号を電気的にスケール変更する前置増幅器（２１０）と
を備えることを特徴とする計器デバイス。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐＨ計デバイス（１０１）が、分析物を検出するための方法をコンピュータシステム内で実施するためのコンピュータプログラム製品を更に含み、前記コンピュータプログラム製品は、
前記方法を実施するのに利用されるコンピュータプログラムコード手段を提供するためのコンピュータ読取り可能媒体を備え、前記コンピュータプログラムコード手段は、
予めプログラムされた制御電圧の第１の信号をプロセッサ（５０）から前置増幅器（２１０）に送信するステップと、
第２の信号を作用電極（４２）から受信するステップであって、前記第２の信号は前置増幅器（２１０）からの電流を表すステップと、
前記第１の信号と相対的に前記第２の信号に分析を施すステップと、
値を表示するステップと
を実施するための実行可能コードで構成され、前記前置増幅器（２１０）は、
基準電極（４４）における実電位と、前記プロセッサ（５０）からの前記予めプログラムされた制御電圧の第１の信号とを比較するステップと、
前記基準電極（４４）における前記実電位が、前記予めプログラムされた制御電圧の第１の信号にほぼ等しくなるように対向電極（４０）における出力信号を調整するステップと、
前記第２の信号をスケール変更するステップと、
前記第２の信号を前記プロセッサ（５０）に送信するステップと
をさらに実施することを特徴とするｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項９】
第１の走査を実行して、前記第２の信号の範囲を決定するステップと、
前記第１の走査によって決定された前記範囲に集中する第２の走査を実行するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１０】
第１の走査を実行して値を表示するステップと、
インターリーブ走査を実行して、表示された値の精度および正確さの少なくとも１つをさらに向上させるステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１１】
複数のインターリーブ走査をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１２】
請求項１に記載のｐＨ計デバイス（１０１）の前記作用電極が（４２）、
前記基板（２００）と、
前記基板（２００）に結合された前記分析物感応性材料であって、前記分析物感応性材料が下記式Ｉによって示されるアントラキノン
0006049454.tif 000026
、下記式ＩＩによって示されるフェナントレンキノン
0006049454.tif 000027
、下記式ＩＩＩによって示されるオルト−ベンゾキノン
0006049454.tif 000028
、下記式ＩＶによって示されるＮ，Ｎ’−ジフェニルパラ−フェニレンジアミン
0006049454.tif 000029
、下記式Ｖによって示されるアントラセン
0006049454.tif 000030
、下記式ＶＩによって示されるナフタキノン
0006049454.tif 000031
、下記式ＶＩＩによって示されるパラ−ベンゾキノン
0006049454.tif 000032
および下記式ＶＩＩＩによって示されるアゾベンゼン
0006049454.tif 000033
からなる群から選択され、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ9、Ｒ10、Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13およびＲ14の少なくとも１つが、水素部分、アルキル部分、アリール部分、ヘテロアリール部分、アミノ部分、アミド部分、カルボキシル部分、ヒドロキシルメチル部分、カルボニル部分、エーテル部分およびアルコキシエーテル部分からなる群から選択される化学的部分で置換されている、分析物感応性材料と
を備えることを特徴とするｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１３】
前記分析物感応性材料は、前記基板（２００）に共有結合されていることを特徴とする請求項１２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１４】
前記分析物感応性材料は２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンであることを特徴とする請求項１２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１５】
前記分析物感応性材料は２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱであることを特徴とする請求項１２に記載のｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１６】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐＨ計デバイス（１０１）が、前記プローブ組立体（２０１）を容器（２８０）に固定するためのクリップデバイス（３００、３２０、３５０）を更に含み、前記クリップデバイス（３００、３２０、３５０）が、
前記プローブ組立体（２０１）の一部を受容するための開口部（３０２、３２２、３７０）と、
前記開口部（３０２、３２２、３７０）に結合された本体であって、前記本体が前記容器（２８０）の縁面（２８２）を受容するための第１のアーム（３１２、３２６、３５４）を有していて、前記開口部（３０２、３２２、３７０）が前記容器（２８０）の内側に近接して位置し、前記第１のアーム（３１２、３２６、３５４）が前記容器（２８０）の外側に近接して位置するようになっている、本体と
を備えることを特徴とするｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐＨ計デバイス（１０１）が、カバー部に選択的に結合されたベース部（９４）を有するエンクロージャを備える収納デバイス（８０）を更に含み、前記ベース部（９４）は、湿潤溶液（９０）を受容するためのウェル（９２）を有し、前記カバー部は、前記プローブ組立体（２０１）の軸部（４７）を支持するための開口部（８２）を有し、前記開口部（８２）は、前記ウェル（９２）とほぼ位置合せされていて、前記プローブ組立体（２０１）を前記開口部（８２）に挿入すると、前記プローブ組立体（２０１）のチップ部（３７）が前記湿潤溶液（９０）に浸されるようになっていることを特徴とするｐＨ計デバイス（１０１）。
【請求項１８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐＨ計デバイス（１０１）を含む、サンプル中の分析物を検出するためのシステムであって、前記システムが、
分析物を検出するための複数の電極（４０、４２、４４）を有する前記プローブ組立体（２０１）であって、前記プローブ組立体（２０１）が前記複数の電極（４０、４２、４４）に電気的に結合された前置増幅器（２１０）をさらに含む、プローブ組立体（２０１）と、
前記前置増幅器（２１０）に電気的に結合されたプロセッサ（５０）と、
分析物を検出するための方法を前記プロセッサ（５０）内で実施するためのコンピュータプログラムコードと
を備え、前記コンピュータプログラムコードは、
予めプログラムされた制御電圧の第１の信号を前記プロセッサ（５０）から前記前置増幅器（２１０）に送信するステップと、
第２の信号を前記プローブ組立体（２０１）の少なくとも１つの電極（４２）から受信するステップであって、前記第２の信号は前記前置増幅器（２１０）からの電流を表すステップと、
前記第１の信号と相対的に前記第２の信号に分析を施すステップと、
値を表示するステップと
を実施するための実行可能コードで構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
前記前置増幅器（２１０）は、
基準電極（４４）における実電位と、前記プロセッサ（５０）からの前記予めプログラムされた制御電圧の第１の信号とを比較するステップと、
前記基準電極（４４）における前記実電位が前記予めプログラムされた制御電圧の第１の信号にほぼ等しくなるように、対向電極（４０）における出力信号を調整するステップと、
前記第２の信号をスケール変更するステップと、
前記第２の信号を前記プロセッサ（５０）に送信するステップと
をさらに実施することを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、分析物を検出するための技術に関する。様々な実施形態において、本発明は、ｐＨを測定するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ｐＨ、または水素イオン指数は、溶液の酸性度またはアルカリ性度の尺度である。溶液のｐＨは、溶液内のプロトンとも呼ばれる水素イオン（Ｈ+）の濃度、またはより厳密に言うと活性によって決定づけられる。プロトンの濃度が高くなるに従って、溶液の酸性度が高くなる。逆に、溶液内のプロトンの濃度が低下するに従って溶液の塩基性が強くなる。従来、溶液内のプロトンの濃度は、ｐＨ値を表示する電子計測器に接続されたガラス電極プローブで測定されてきた。
【０００３】
従来のｐＨプローブまたはガラス電極は、プロトンに感応する脆弱なドープガラス膜で構成されたある種のイオン選択性電極である。このｐＨ応答性ガラス膜は、この種のプローブにおける主たる検出素子である。サンプル溶液中のプロトンは、ガラス膜の外側に結合することによって、膜の内部表面の電位を変化させる。この電位の変化を、銀／塩化銀基準電極などの基準電極の一定の電位に対して測定する。次いで、電位差を検量線上にプロットすることによって電位差をｐＨ値に関連づける。単調な多段階プロセスを通じて検量線を作成することによって、ユーザは、様々な既知の標準緩衝液の電位の変化をプロットする。たいていの従来のｐＨセンサは、この原理の変形に基づく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許協力条約出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／２６８４２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８００２３３２８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７０２７２５５２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８００３５４８１号明細書
【特許文献５】米国特許仮出願第６１／１６１，１３９号明細書
【特許文献６】米国特許第４，４９５，０５０号明細書
【特許文献７】米国特許仮出願第６１／２２５，８５５号明細書
【特許文献８】米国特許仮出願第６１／２８９，３１８号明細書
【特許文献９】米国特許仮出願第６１／１６３，１３９号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Hammondら、J. Chem. Soc. Perkin. Trans. 707 (1983)
【非特許文献２】Medinaら、J. Chem. Soc. Chem. Commun. 290 (1991)
【非特許文献３】Shu and Wrighton, J. Phys. Chem. 92, 5221 (1988)
【非特許文献４】J. Am. Chem. Soc. 2007、129、5370-5371
【非特許文献５】Bard and Faulkner, "Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications" (Wiley 2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のｐＨガラス電極の精度および信頼性は不安定であるため、多数の試薬および十分に訓練された技術者を必要とする単調で時間がかかるプロセスを含む注意深い定期的な較正および手入れを要する。ガラス電極の特殊な特性および構造により、ガラス膜を常に湿らせておくことがさらに必要である。したがって、ガラスプローブの日常的な手入れには、プローブの適正な整備および使用条件を確保するために、十分に訓練された技術者による厄介かつ高コストの保管、すすぎ、洗浄、および較正プロトコールの通常の履行が必要である。
【０００７】
単調な整備に加えて、従来のガラス電極は脆弱であるため、ガラス電極の分野の適用範囲が制限される。特に、ガラス電極の脆弱な性質は、食品および飲料適用、ならびに管理されていない環境、過酷な環境または危険な環境での使用に不適切である。したがって、従来のｐＨガラス電極の限界に対処し、それを克服するｐＨプローブの必要性が当技術分野に存在する。当該ｐＨプローブデバイスを本明細書に開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、当技術分野において現在既知のものより優れた固体状態分析物センサを提供する。本明細書に記載のセンサは、より高度なピーク位置安定性、強度および寿命を示す分析物依存信号を提供し、構成するのが容易かつ安価である。この詳細な説明は、ｐＨセンサ（すなわちｐＨ計およびｐＨプローブ組立体）に関して本発明を例証するが、本発明の方法、材料およびデバイスは、一般に、対象となる任意の分析物の検出に適用可能である。
【０００９】
いくつかの実施態様において、本発明は、従来のｐＨ計の高価で脆弱なガラス電極に取って代わる固体状態ｐＨプローブ組立体および計測デバイスに関する。特に、本発明は、較正の必要がないセンサチップを利用するｐＨ計測システムに関する。いくつかの実施態様において、本発明は、さらに、分析物感応性材料と、従来の基準電極との第１の併用を実証するｐＨプローブ組立体を提供する。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、分析物感応性材料を含み、従来の基準電極と併用される作用電極を有するｐＨプローブ組立体を提供する。
【００１０】
本発明のいくつかの実施態様において、ｐＨ計測ユニットに電気的に結合されたｐＨプローブを有するｐＨ計測システムを提供する。計測ユニットは、ユーザに対してｐＨが表示される表示画面を含む。ｐＨ計測システムは、使用されていないときにプローブ組立体を適正に維持および収納するための収納ベースをさらに含む。
【００１１】
本発明による計測ユニットは、一般に、電圧掃引をサンプル溶液に与えるとともに、プローブ組立体の様々な電極からの信号を受信および処理する二重の機能を果たす。本発明によるプローブ組立体は、対向電極（ＣＥ）、作用電極（ＷＥ）および基準電極（ＲＥ）を含む。これらの電極の各々は、計測ユニットがサンプル溶液のｐＨを測定するのを支援するための基本的な機能を果たす。
【００１２】
ＣＥは、計測ユニットに電気的に結合された導電性炭素繊維管を含む。いくつかの実施形態において、ＣＥは、金、プラチナおよび当技術分野で既知の他の材料などの非炭素系導電性材料をさらに含むことができる。計測ユニットからの電圧掃引がＣＥに加えられ、それが、次に、プローブ組立体が挿入されるサンプル溶液に加えられる。ＲＥは、ＣＥ内に同軸配置され、ＣＥによって印加される電圧を正確に検出して測定するように構成される。ＷＥは、センサチップの端部の中央に配置され、前記センサチップは、ＲＥに対して中央に同軸配置され、場合によりディスポーザブルである。したがって、いくつかの実施形態において、ＲＥは、外部に配置されたＣＥと中央に配置されたＷＥとの間に挿入配置される。
【００１３】
ＷＥは、分析物感応性材料（ＡＳＭ）コーティングを含むようにさらに改造される。ＡＳＭは、電圧に敏感であり、サンプル溶液における分析物の濃度に依存する可逆的な電気化学酸化還元反応を生じる化学化合物を含む。例えば、サンプル溶液に高濃度のプロトンが存在する場合は、酸化還元反応は比較的正の電圧で生じる。逆に、サンプル溶液に低濃度のプロトンが存在する場合は、酸化還元反応は比較的負の電圧で生じる。酸化還元反応が生じると、電子がＷＥを介してＡＳＭへ、またはＡＳＭから流れる。この電流の流れは、信号を計測ユニットに送信することを可能にする。信号が記録され、次いでＲＥの電圧値と比較される。次いで、ＲＥの電圧値は、既知のｐＨ緩衝液の標準化された電圧と比較される。電圧値と標準化された電圧との間の比較は、サンプル溶液のｐＨ値を導く。
【００１４】
本発明のいくつかの実施態様において、プローブ組立体は、搭載電子部品および処理回路を含むことによって、プローブ組立体からのアナログ信号を計測ユニットに送信する前に増幅する。したがって、低増幅アナログ信号を電気コードで送信することにより一般に経験される電磁干渉が回避される。
【００１５】
プローブ組立体の同軸構成は、ＲＥに過大な環状フリットを提供する。環状フリットの１つの利点は、表面積の増大をもたらすことである。表面積の増大は、汚染に対する耐性の強化によりプローブ組立体の寿命を延ばす。より小さな表面積を有するフリットと比較して、本発明の環状フリットは、交換が必要となるまでより長く持続する。
【００１６】
本発明のいくつかの実施態様において、収納ベースがプローブ組立体に提供される。本発明のＲＥは、乾燥するのが防止されると最適に維持される。本発明による収納ベースは、プローブ組立体の軸部を受容および支持するように構成された開口を有する加重ベースを提供する。収納ベースは、一般に、開口を介してプローブ組立体によりアクセス可能な湿潤溶液のボトルを保持するように構成された内部空間を含む。湿潤液のボトルは、組立体を挿入したり、収納ベースから取り外すとプローブ組立体の外面を拭くように作用する複数のフラップを有する改造キャップをさらに含む。フラップは、さらに、プローブ組立体を湿潤溶液ボトルに挿入すると、ボトル内の圧力の望ましくない増加を防止する。収納ベースの内部空間内の湿潤溶液の漏れを防止するために、ボトルキャップと収納ベースとの間に密閉がさらに介在する。
【００１７】
本発明のいくつかの実施態様は、使用前にＷＥチップを収納および保護するためのパッケージングシステムをさらに含む。パッケージングシステムは、一般に、ディスポーザブルＷＥチップを保持するための複数のウェルを有するディスポーザブルポリマー基材を含む。各ウェルは、チップを周囲環境から保護するために箔蓋で密閉される。ＷＥチップは、単に、箔蓋を介してプローブの接触点をチップと係合させることによってパッケージングから取り除かれる。いくつかの実施態様において、パッケージングシステムをしっかりと保持するために収納トレイがさらに設けられる。収納トレイは、ディスポーザブル基材をしっかりと保持するためのウェルを含み、ユーザが、使用済みのＷＥチップをプローブ組立体から除去するのを支援するための先細りの溝をさらに含むことができる。
【００１８】
本発明のいくつかの実施態様は、ビーカーまたは同様の頂部開口型容器とともに使用する際にプローブ組立体を固定するように構成されたクリップをさらに含む。いくつかの実施形態において、クリップを容器に固定するための第１の特徴と、プローブ組立体をクリップに固定するための第２の特徴とを有するクリップを提供する。他の実施形態において、クリップを容器に固定するための第１の特徴と、プローブ組立体のケーブルをクリップに固定するための第２の特徴とを有するクリップを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】４時間の過程にわたって、ｐＨ７のリン酸緩衝液にアントラキノン（ＡＱ）を含むセンサ（以下の実施例１参照）を使用して得られた一連のボルタモグラムを示す図である。最下のトレースは１番目のボルタモグラムを表し、続く各ラインは、１００番目、２００番目、３００番目、４００番目および５００番目のボルタモグラムを示す。各ボルタモグラムは、実施に約３０秒間を要し、ボルタモグラムが連続的に実施されたため、ボルタモグラムが得られた時間は、１００番目、２００番目、３００番目、４００番目および５００番目のボルタモグラムに対してそれぞれ５０分、１００分、１５０分、２００分および２５０分であった。
【図２】４時間の過程にわたって、ｐＨ７のリン酸緩衝液に２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンを含むセンサ（以下の実施例１参照）を使用して得られた一連のボルタモグラムを示す図である。最下のトレースは１番目のボルタモグラムを表し、続く各ラインは、１００番目、２００番目、３００番目、４００番目および５００番目のボルタモグラムを示す。各ボルタモグラムは、実施に約３０秒間を要し、ボルタモグラムが連続的に実施されたため、ボルタモグラムが得られた時間は、１００番目、２００番目、３００番目、４００番目および５００番目のボルタモグラムに対してそれぞれ５０分、１００分、１５０分、２００分および２５０分であった。
【図３】従来のガラスｐＨプローブの性能と、５０ｍＭのＮａＯＨ溶液で滴定した４ミリモルの酢酸に２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンを含むセンサ（以下の実施例２参照）の性能とを比較した図である。
【図４】従来のガラスｐＨプローブの性能と、一連のｐＨのストック緩衝液に２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンを含むセンサ（以下の実施例２参照）の性能とを比較した図である。
【図５】本発明の第１の例示的な実施形態を完全に組み立てられた形で示す図である。
【図６】第１の例示的な実施形態の分解図を示す図である。
【図７Ａ】図５および図６に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップの様々な態様の詳細な図をＡ部で示す図である。
【図７Ｂ】図５および図６に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップの様々な態様の詳細な図をＢ部で示す図である。
【図７Ｃ】図５および図６に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップの様々な態様の詳細な図をＣ部で示す図である。
【図７Ｄ】図５および図６に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップの様々な態様の詳細な図をＤ部で示す図である。
【図７Ｅ】図５および図６に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップの様々な態様の詳細な図をＥ部で示す図である。
【図８】図５から図７に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップに配置された本発明の例示的な作用電極の図である。
【図９】図５から図７に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップに配置された本発明の例示的な対向電極の断面図である。
【図１０】図５から図７に示される本発明の第１の例示的な実施形態のセンサチップに配置された本発明の例示的な基準電極の断面図である。
【図１１】図１０に示される基準電極の例示的な実施形態の詳細図である。
【図１２】本発明の第２の例示的な実施形態を示す図である。
【図１３Ａ】図１２に示される第２の例示的な実施形態のセンサウェルトレイ構成要素の詳細な図をＡ部で示す図である。
【図１３Ｂ】図１２に示される第２の例示的な実施形態のセンサウェルトレイ構成要素の詳細な図をＢ部で示す図である。
【図１４】本発明の代表的な実施形態による固体状態ｐＨプローブおよび計測デバイスシステムの実施態様の斜視図である。
【図１５】本発明の代表的な実施形態による固体状態ｐＨプローブ組立体の実施態様の斜視図である。
【図１６】本発明の代表的な実施形態による固体状態ｐＨプローブ組立体の実施態様の斜視分解図である。
【図１７Ａ】本発明の代表的な実施形態によるカートリッジ組立体の実施態様の斜視分解図である。
【図１７Ｂ】本発明の代表的な実施形態によるｊフック小型基準組立体の実施態様の斜視分解図である。
【図１８】本発明の代表的な実施形態による固体状態ｐＨプローブ組立体の実施態様の断面図である。
【図１９】本発明の代表的な実施形態によるチップユニットの実施態様の断面図である。
【図２０】本発明の代表的な実施形態によるプローブ組立体クリップの斜視図である。
【図２１】本発明の代表的な実施形態による断面図でも示されたプローブクリップ組立体を介して、断面図で示された容器に結合されたプローブ組立体の斜視図である。
【図２２】本発明の代表的な実施形態によるプローブ組立体クリップの斜視図である。
【図２３】本発明の代表的な実施形態によるプローブコードクリップの斜視図である。
【図２４】本発明の代表的な実施形態によるプローブコードクリップを介して、断面図で示された容器に結合されたプローブコードの斜視図である。
【図２５】本発明の代表的な実施形態による、斜視図で示されたプローブ組立体によってアクセスされる収納ベースの実施態様の断面図である。
【図２６】本発明の代表的な実施形態による蓋の上面図である。
【図２７】本発明の代表的な実施形態による密封パッケージング組立体の断面側面図である。
【図２８Ａ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＡ部で示す図である。
【図２８Ｂ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＢ部で示す図である。
【図２８Ｃ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＣ部で示す図である。
【図２８Ｄ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＤ部で示す図である。
【図２８Ｅ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＥ部で示す図である。
【図２８Ｆ】本発明の代表的な実施形態による収納トレイの詳細な図をＦ部で示す図である。
【図２９】本発明の代表的な実施形態による計測デバイスシステムによって実施されるボルタメトリー手順のグラフ図である。
【図３０】本発明の代表的な実施形態による固体状態ｐＨプローブおよび計測デバイスシステムの様々な構成要素の関係を示す概略流れ図である。
【図３１】本発明の代表的な実施形態による計測デバイスシステムによって実施される作図方形波ボルタメトリー手順のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、当技術分野で現在既知のものより優れた固体状態分析物センサを提供する。具体的には、本発明は、より明確なピーク、より高いピーク位置安定性、より強いピーク強度および長いピーク寿命を示す改善された分析物依存信号を提供し、現在利用可能な分析物センサシステムと比較して、構成するのが簡単でコストが高くない固体状態分析物センサシステムを提供する。センサ構成要素、ならびにそれらの構成要素の構成および組成のいくつかの実施形態を以下に詳細に説明し、読者の便利のために以下の定義を示す。
【００２１】
定義
明細書および添付の特許請求の範囲に使用されているように、単数形「不定冠詞（a）」、「不定冠詞（an）」および「定冠詞（the）」は、文脈が他を指定する場合を除いて複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「１つの結合剤（a binder）」の言及は、結合剤の混合物を含み、「１つの導電性材料（a conductive material）」の言及は、２つ以上の当該材料を含むことができる。
【００２２】
「分析物」は、サンプルに存在する対象となる化学種であり、本発明の作用電極を含む分析物センサシステムを使用することによって、その存在が検出可能であるか、またはその濃度が測定可能である。
【００２３】
「酸化還元活性材料」は、酸化および／または還元することができる材料である。「酸化還元活性」は、それらのプロセスのいずれか、または両方を指す。
【００２４】
「分析物感応性材料」または「ＡＳＭ」は、ユーザが定めた用途特異的許容範囲内でサンプル中の分析物の存在または濃度に対して感応性または実質的に感応性である酸化還元活性材料である。分析物に対して「実質的に感応性」は、エンドユーザによって定められる、所定の用途に必要とされる許容範囲内の感応性を指すように使用される。
【００２５】
「分析物非感応性材料」または「ＡＩＭ」は、サンプル中の分析物の存在または濃度に対して非感応性または実質的に非感応性である酸化還元活性材料である。分析物に対して「実質的に非感応性」は、エンドユーザによって定められる、所定の用途に必要とされる許容範囲内での非感応性を指すように使用される。
【００２６】
材料に関する「分散された」または「結合された」は、それが溶液に溶解されているか、または気体、液体もしくは固体にコロイド懸濁されていることを意味する。該用語は、材料を固体の表面、または固体の構成要素に研磨固定、吸着、静電結合または共有結合させる実施形態をも包含する。該用語は、材料を結晶格子にドープ剤として含める実施形態をも包含する。該用語は、固体内に挿入された材料をも包含する。
【００２７】
「電気化学的検出システム」は、コントローラ／プロセッサユニット（ＣＰＵ）および少なくとも１つの電極を含む。
【００２８】
「センサ」は、集合的に電気化学的検出システムの構成要素電極を指す。典型的なセンサは、作用電極、対向電極および基準電極（従来の基準電極または擬似基準電極）を含むが、分析物非感応性電極をさらに含むことができる。
【００２９】
電極の「表面」は、機能的表面、すなわち分析物サンプルと接触し、電気的または電気化学的目的を果たす表面の部分を指す。それは、例えば、電流または電圧が通らない絶縁性ＷＥ筐体を含まない。同様に、ＲＥの表面は、電流または電位を検出する、サンプルと接触した電極表面の部分である。ＣＥの表面は、電流をサンプルに送るか、またはサンプルから受け取るように作用する、サンプルと接触した部分を指す。
【００３０】
「作用電極」または「ＷＥ」は、対象となる分析物を検出するための電気化学的プロセスが生じる電極である。センサにおいて、作用電極は、試験サンプル中の１つまたは複数の分析物に対して感応性であってもよく、または分析物感応性の種／材料で化学的に改質されてもよい。作用電極の電気化学的応答は、試験下の系に対する何らかの摂動が加えられた後に測定される。例えば、摂動は、電子移動を生じさせるＷＥに対する電位差の印加であってもよく、次いで作用電極における発生電流が印加電位の関数として記録される（ボルタメトリック方式）。多くの他の方式が当技術分野で既知であるため、この動作方式の例は例示的であって、網羅的でない。
【００３１】
「分析物非感応性電極」（ＡＩＥ）は、電流の流れが、一部に、分析物を含むが、それに限定されないサンプル組成物中の（支持電極の最小閾値を除いて）種の存在または濃度と無関係である酸化還元プロセスに左右される作用電極の特殊な例である。ＡＩＥは、時間またはサンプル組成物を通じて変化しないため、ＷＥ応答と比較することができる内部標準または「ゼロ点」として使用され得る応答を与えるように作用する。ＡＩＥは、その全体が本明細書に組み込まれている特許文献１により詳細に記載されている。
【００３２】
「基準電極」（ＲＥ）は、ＷＥに印加される電位差を監視するために使用される電極である。「従来の基準電極」（ＣＲＥ）は、ある一定の化学組成を有するため、一定の電気化学電位を有することで、既知の制御された方法でＷＥに印加される電位差の測定を可能にする。ＣＲＥは、一般に、一定のイオン組成およびイオン強度の電解質と接触した酸化還元対の２つの半体を含む。酸化還元対の両半体が存在し、関与するすべての種の組成が一定であるため、系は平衡に維持され、次いでＣＲＥの電極−電解質界面にわたる電位低下（すなわち実測電圧）が熱力学的に固定されて一定になる。例えば、広く使用されているＣＲＥ系は、規定の一定濃度のＫＣｌを含むＡｇ｜ＡｇＣｌ｜ＫＣｌ系である。したがって、２つの半電池反応は、Ａｇ+＋ｅ-→Ａｇ、およびＡｇＣｌ＋ｅ-→Ａｇ＋Ｃｌ-である。したがって、全電池反応は、ネルンスト平衡電位がＥ＝Ｅ0−（ＲＴ／Ｆ）*ｌｎ「Ｃｌ-」（Ｅは実測ＲＥ電位であり、Ｅ0は、すべての種が単位活性である標準水素電極に対するＡｇ｜ＡｇＣｌ対の標準電位（規則により、これは、０．０Ｖの電位を有するものと定められる）であり、Ｒ、ＴおよびＦは、それぞれ適切な単位の普遍気体定数、温度およびファラデー定数である）で与えられるＡｇＣｌ→Ａｇ+＋Ｃｌ-である。したがって、この系の電位は、これが一定であれば、安定な一定の電位を与える、存在するＣｌ-イオンの濃度（より厳密に言うと活性）にのみ左右される。多くの他のＣＲＥ系が当技術分野で既知である。ＣＲＥの組成が一定に保たれることが必須であるため、ＣＲＥにほとんど電流を流すべきでなく（そうでなければ電解が生じ、ＣＲＥの組成が変化することになる）、それには回路を完成するための第３の電極、すなわち対向電極（ＣＥ）の使用が必要である。しかし、二電極構成を、ＷＥが一般に１００ミクロンより小さい少なくとも１つの寸法を有する微小電極である特殊な場合に使用することができる。この場合は、ＷＥに流される電流が小さいため、二電極電池をＣＲＥに使用することができるが、ＣＥを必要としない。
【００３３】
「擬似基準電極」（ＰＲＥ）という用語は、特に非水性電解質に使用されることがある基準電極のタイプを指す。これらの電極は、一般に、明確な酸化還元電位の両半体を含まないため、一定の組成および電位の熱力学的基準電極でない。しかし、それらは、（分のオーダの）電気化学的実験の時間スケールにわたって合理的に一定の電位を与え、次いで必要であれば、ＰＲＥの絶対電位をＣＲＥに再較正することができる。ＰＲＥの１つの例は、（非水性電気化学に広く使用される）銀ワイヤである。
【００３４】
電池に電流を流すためには、回路を完成するために１つのさらなる電極が必要とされ得る。いくつかの実施形態において、この追加的な電極は、「対向電極」もしくは「ＣＥ」、または時には「補助電極」である。この電極は、電子のソースまたはシンクとして単純に機能し、電流が電池を流れることを可能にする。ＷＥにおいて測定される信号に干渉し得る望ましくない電気化学的酸化還元プロセスがＣＥに生じるのを避けるために、ＣＥは、一般に、比較的化学的に不活性な材料、一般にはプラチナ（Ｐｔ）を使用して作製されるが、炭素（グラファイト）も広く採用されている。
【００３５】
本明細書に使用されているように、「同軸」という用語は、様々な構成要素、例えば電極がそのまわりに配置される共通の軸を指す。いくつかの実施形態において、「同軸」は、同心状またはほぼ同心状に配置された放射対称を指す。いくつかの実施形態において、「同軸」という用語は、外側の、または外部に配置された電極構成要素内に同心状に配置されている１つまたは複数の電極を指す。例えば、限定することなく、ＷＥ、ＣＥおよびＲＥは、ＣＥが、分析物溶液に浸漬されたセンサチップの外環であり、ＷＥがチップの中央に存在し、ＲＥがＣＥとＷＥの間に挿入配置されているときに同軸配置されている。
【００３６】
「単離化合物」および「精製化合物」という用語は、それとともに自然に存在する他の化合物から実質的に分離された、またはそれらの化合物に対して濃縮された化合物を指す。単離化合物は、通常、少なくとも約８０重量％の純度、少なくとも９０重量％の純度、少なくとも９８重量％の純度、または少なくとも約９９重量％の純度である。本開示は、ジアステレオ異性体、ならびにそれらのラセミ体および分解された形、異性体として純粋な形、およびそれらの医薬として許容し得る塩を含むことを意図する。
【００３７】
本明細書に使用されているように、「化学的部分」という用語は、分子の官能基、または官能基を部分構造体として含む分子の任意の部分を指す。化学的部分の基の非限定的な例としては、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテル、アルコキシエーテル、およびそれらから得られる置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環が挙げられる。
【００３８】
本明細書に使用されているように、「化学リンカー」という用語は、分析物感応性材料を所望の基板に共有結合することに関与する化学構造体を指す。いくつかの実施形態において、化学リンカーは、化学結合を含む。他の実施形態において、化学リンカーは、２つの異なる化学分子の間に挿入された１つまたは複数の原子を含む。さらに、いくつかの実施形態において、化学リンカーは、２つの異なる化学分子の間に挿入された１つまたは複数の分子を含み、例えば、化学リンカーは、分析物感応性材料と作用電極の基板との間に挿入される。
【００３９】
「アルク（alk）」または「アルキル」という用語は、メチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル、ｎ−ブチル、ｉ−ブチル、ｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、ｎ−オクチル、ドデシル、オクタデシル、アミルおよび２−エチルヘキシル等の、１から１２個の炭素原子、好ましくは１から８個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖炭化水素基を指す。アルキル基は、他に指定される場合を除いて、（場合により置換された）アリール、（場合により置換された）ヘテロシクロ、（場合により置換された）カルボシクロ、ハロ、ヒドロキシ、保護ヒドロキシ、（場合により置換された）アルコキシ（例えばＣ1からＣ7）、アシル（例えばＣ1からＣ7）、（場合により置換された）アリールオキシ（例えばＣ1からＣ7）、（場合により置換された）アルキルエステル、（場合により置換された）アリールエステル、（場合により置換された）アルカノイル、（場合により置換された）アロイル、カルボキシ、保護カルボキシ、シアノ、ニトロ、アミノ、置換アミノ、（一置換）アミノ、（二置換）アミノ、保護アミノ、アミド、ラクタム、尿素、ウレタンおよびスルホニル等から選択される１つまたは複数の基で場合により置換されている。
【００４０】
「アル（ar）」、「アリール」または「アリール環」という用語は、フェニル、ナフチルおよびビフェニルなどの、好ましくは６から１２員を有する芳香族単素環式（すなわち炭化水素）一環、二環または三環含有基を指す。アリール基は、他に指定される場合を除いて、アルキル（場合により置換されたアルキル）、（場合により置換された）アルケニル、（場合により置換された）アリール、（場合により置換された）ヘテロシクロ、ハロ、ヒドロキシ、（場合により置換された）アルコキシ、（場合により置換された）アリールオキシ、（場合により置換された）アルカノイル、（場合により置換された）アロイル、（場合により置換された）アルキルエステル、（場合により置換された）アリールエステル、シアノ、ニトロ、アミノ、置換アミノ、アミド、ラクタム、尿素、ウレタンおよびスルホニルから選択される１つまたは複数の基で場合により置換されている。場合により、隣接する置換基は、それらが結合された原子と一緒になって、３から７員環を形成する。
【００４１】
「ヘテロアリール」または「ヘテロアリール環」という用語は、単独で、またはさらなる窒素、硫黄もしくは酸素環原子とともに酸素、硫黄および／または窒素原子などの１から４個のヘテロ原子を有する場合により置換された５員環または６員環を指す。また、上記の場合により置換された５員環または６員環を芳香族５員環または６員環系に場合により縮合することができる。例えば、それらの環をベンゼン、ピリジンまたはトリアゾール系などの芳香族５員環または６員環系に場合により縮合することができる。
【００４２】
以下の環系は、「ヘテロアリール」という用語によって表される（置換または非置換の）複素環式基の非限定的な例、すなわちチエニル、フリル、ピロリル、イミダゾリル、ピラゾリル、オキサゾリル、イソオキサゾリル、チアゾリル、イソチアゾリル、トリアゾリル、チアジアゾリル、オキサジアゾリル、テトラゾリル、チアトリアゾリル、オキサトリアゾリル、ピリジル、ピリミジル、ピラジニル、ピリダジニル、オキサジニル、トリアジニル、チアジアジニルテトラゾロ、１，５−［ｂ］ピリダジニルおよびプリニル、ならびにベンゾ縮合誘導体、例えば、ベンゾキサゾリル、ベンズチアゾリル、ベンズイミダゾリルおよびインドリルである。
【００４３】
ヘテロアリール基は、他に指定される場合を除いて、１から３つのハロ、トリハロメチル、アミノ、保護アミノ、アミノ塩、一置換アミノ、二置換アミノ、カルボキシ、保護カルボキシ、カルボン酸塩、ヒドロキシ、保護ヒドロキシ、ヒドロキシ基の塩、低級アルコキシ、低級アルキルチオ、（場合により置換された）アルキル、（場合により置換された）シクロアルキル、（場合により置換された）（シクロアルキル）アルキル、（場合により置換された）フェニル、フェニルアルキル（場合により置換されたフェニルアルキル）から選択される１つまたは複数の基で場合により置換されている。ヘテロアリール基に対する置換基は、これまで記載されている通りであるか、またはトリハロメチルの場合は、トリフルオロメチル、トリクロロメチル、トリブロモメチルまたはトリヨードメチルであり得る。ヘテロアリール環に対する上記置換基に関連して使用されるように、「低級アルコキシ」はＣ1からＣ4のアルコキシ基を指し、同様に、「低級アルキルチオ」はＣ1からＣ4のアルキルチオ基を指す。
【００４４】
「複素環」、「複素環式」、「複素環式基」または「ヘテロシクロ」という用語は、少なくとも１つの炭素原子含有環に少なくとも１つのヘテロ原子を有する芳香族（「ヘテロアリール」）または非芳香族環式基（例えば、好ましくは全部で３から１０個の環原子を含む３から１３員の一環式、７から１７員の二環式、または１０から２０員の三環式環系）を含む完全飽和または部分不飽和もしくは完全不飽和を指す。ヘテロ原子を含む複素環式基の各環は、窒素原子、酸素原子および／または硫黄原子から選択される１、２、３または４個のヘテロ原子を有していてもよく、窒素ヘテロ原子および硫黄ヘテロ原子は、場合により酸化されていてもよく、窒素ヘテロ原子は、場合により四級化されていてもよい。複素環式基は、環または環系の任意のヘテロ原子または炭素原子に結合されていてもよい。多環複素環の環は、１つまたは複数のスピロ結合を介して縮合、架橋および／または接合していてもよい。
【００４５】
例示的な一環式複素環式基としては、ピロリジニル、ピロリル、ピラゾリル、オキセタニル、ピラゾリニル、イミダゾリル、イミダゾリニル、イミダゾリジニル、オキサゾリル、オキサゾリジニル、イソオキサゾリニル、イソオキサゾリル、チアゾリル、チアジアゾリル、チアゾリジニル、イソチアゾリル、イソチアゾリジニル、フリル、テトラヒドロフリル、チエニル、オキサジアゾリル、ピペリジニル、ピペラジニル、２−オキソピペラジニル、２−オキソピペリジニル、２−オキソピロロジニル、２−オキソアゼピニル、アゼピニル、４−ピペリドニル、ピリジル、ピラジニル、ピリミジニル、ピリダジニル、トリアジニル、テトラヒドロピラニル、テトラゾイル、トリアゾリル、モルホリニル、チアモルホリニル、チアモルホリニルスルホキシド、チアモルホリニルスルホン、１，３−ジオキソランおよびテトラヒドロ−１，１−ジオキソチエニル等が挙げられる。
【００４６】
例示的な二環式複素環式基としては、インドリル、ベンゾチアゾリル、ベンゾキサゾリル、ベンゾチエニル、キヌクリジニル、キノリニル、テトラ−ヒドロイソキノリニル、イソキノリニル、ベンズイミダゾリル、ベンゾピラニル、インドリジニル、ベンゾフリル、ベンゾフラニル、ジヒドロベンゾフラニル、クロモニル、クマリニル、ベンゾジオキソリル、ジヒドロベンゾジオキソリル、ベンゾジオキシニル、シンノリニル、キノキサリニル、インダゾリル、ピロロピリジル、フロピリジニル（フロ［２，３−ｃ］ピリジニル、フロ［３，２−ｂ］ピリジニルまたはフロ［２，３−ｂ］ピリジニルなど）、ジヒドロイソインドリル、ジヒドロキナゾリニル（３，４−ジヒドロ−４−オキソ−キナゾリニルなど）、テトラヒドロキノリニル、アザビシクロアルキル（６−アザビシクロ［３．２．１］オクタンなど）、アザスピロアルキル（１，４−ジオキサ−８−アザスピロ［４．５］デカンなど）、イミダゾピリジニル（イミダゾ［１，５−ａ］ピリジン−３−イルなど）、トリアゾロピリジニル（１，２，４−トリアゾロ［４，３−ａ］ピリジン−３−イルなど）およびヘキサヒドロイミダゾピリジニル（１，５，６，７，８，８ａ−ヘキサヒドロイミダゾ［１，５−ａ］ピリジン−３−イルなど）等が挙げられる。
【００４７】
例示的な三環式複素環式基としては、カルバゾリル、ベンジドリル、フェナントロリニル、アクリジニル、フェナントリジニルおよびキサンテニル等が挙げられる。
【００４８】
ヘテロシクロ基は、他に指定される場合を除いて、（置換アルキルを含む）アルキル、アルケニル、オキソ、（置換アリールを含む）アリール、（置換ヘテロシクロを含む）ヘテロシクロ、（場合により置換された）カルボシクロ、ハロ、ヒドロキシ、（場合により置換された）アルコキシ、（場合により置換された）アリールオキシ、（場合により置換された）アルカノイル、（場合により置換された）アロイル、（場合により置換された）アルキルエステル、（場合により置換された）アリールエステル、シアノ、ニトロ、アミド、アミノ、置換アミノ、ラクタム、尿素、ウレタンおよびスルホニル等から選択される１つまたは複数の基で場合により置換されており、場合により置換基の１つまたは複数の対は、それらが結合された原子と一緒になって、３から７員環を形成する。
【００４９】
読者は、この序文および上記定義を念頭において、以下に説明する本発明の様々な態様および実施形態をよりよく理解することができる。読者の便利のために、この説明を種々のセクションおよびサブセクションに分割する。セクションＩでは、本発明の分析物検出デバイス（「計器」）を様々な構成要素の観点から説明する。パートＡでは、「プローブ」に焦点をおき、サブセクション１から４において、プローブ上の電極（パート１、サブパートａ（ＷＥ）、ｂ（ＲＥ）、ｃ（ＣＥ）およびｄ（ＩＥ））、プローブ上の電極の配置（パート２、サブパートａ（同軸）およびｂ（他の構成））ならびに様々なプローブ関連デバイス（パート４、サブパートａ（プローブクリップ）、ｂ（「インクウェル」）およびｃ（密封パッケージング））について説明する。パートＢでは、信号の取得および処理に焦点をおく。セクションＩＩでは、本発明の計器を様々な用途に使用することをより容易にすることができる関連デバイスについて説明する。
【００５０】
セクションＩ：分析物検出デバイス
Ａ（１）（ａ）：作用電極（ＷＥ）
いくつかの態様において、本発明の作用電極（ＷＥ）は、少なくとも１つのＡＳＭおよび基板材料を含む。好適なＡＳＭおよび基板材料を以下に記載する。いくつかの例示的な実施形態において、アントラキノン（ＡＱ）を含むＷＥを以下の実施例１に記載されているように調製する。いくつかの実施形態において、単一のＡＳＭによって提供される測定より高感度の測定を提供しながら、分析物濃度を求めるために分解しなければならないさらなる重複ピークを導入する可能性を最小限に抑えるように選択される、ＷＥは、同じ分析物種に対して感応性の２つのＡＳＭを含む。この実施形態のいくつかの例において、ＷＥは、やはり実施例１に記載されているフェナントレンキノン（ＰＡＱ）およびアントラキノン（ＡＱ）の両方を含む。他の態様において、ＷＥは、それぞれが参照により本明細書に組み込まれている特許文献２、特許文献３および特許文献４に記載されているようにＡＩＭを内部標準としてさらに含むことができる。さらに、いくつかの実施形態において、ＷＥは、各ＡＳＭが多様な分析物種に対する感応性について選択される２つ以上のＡＳＭを含む。
【００５１】
本発明の他の態様において、ＷＥは、高度に精製されたＡＳＭを含む。いくつかの実施形態において、ＷＥは、以下に記載されるように、最初に精製されてから、基板の表面と結合される酸化還元活性材料を含む。他の実施形態において、ＡＳＭは、以下の実施例１に記載されるように、最初に精製され、次いで炭素−エポキシ電極に共有結合されるＡＱである。さらなる実施形態において、ＷＥは、やはり実施例１に記載されるように精製ＡＱおよび精製ＰＡＱの両方を含む。
【００５２】
いくつかの実施形態において、以下に記載されるように、ＡＳＭ結合の前にＷＥ基板を処理して不純物を除去する。
【００５３】
他の実施形態において、電極表面に存在するＡＳＭ材料は、ＡＳＭと基板との結合の後にさらなる精製が施されて、センサ信号形状のさらなる向上をもたらす。好適な方法としては、好適な溶媒によるすすぎ、電位に対する電極の曝露、好適な溶媒中での超音波処理、もしくは例えばソックスレー装置を使用する連続抽出、またはこれらの方法の組合せが挙げられるが、それに限定されない。
【００５４】
いくつかの実施形態において、以下に記載されるように、ＷＥ基板に多サイクルのＡＳＭ結合および精製を施すことによって、ＡＳＭ結合をさらに向上させる。本発明によれば、当業者は、基板上に装填される純粋のＡＳＭの量を制御することによって、所定の用途に適するサイズおよび形状を有するＷＥを製造して、本発明の有益性を達成することを可能にすることができる。
【００５５】
さらなる実施形態において、ＷＥは、１０から３００マイクロアンペアの間のｐＨ依存信号をもたらすのに十分な量で存在するＡＳＭを含む。
【００５６】
いくつかの実施形態において、ＷＥのサイズおよび形状は、ＷＥ、ＲＥおよびＣＥ間の有害な電気化学的作用を最小限に抑えながら、ユーザが背景ノイズに対して分析物依存信号を区別することを可能にしながら信号質を維持するのに十分なＷＥ性能を維持するように選択される。
【００５７】
高度に精製されたＡＳＭを含むＷＥは、現在利用可能なＷＥと比較していくつかの利点を有する。当該電極は、電極表面積１単位当たりのＡＳＭ装填が優れるため、より強い信号強度およびより長い信号寿命、ならびに信号ピークの形状の観察によって検出できる、性能に悪影響を及ぼすＡＳＭ以外の汚染物の量の減少をもたらす。それらの向上した性能は、それらを小型化に適応させながら、分析物依存信号を背景ノイズから区別するのに必要な最低限の信号強度および信号質を維持する。
【００５８】
本発明のＷＥを、センサから取り外し可能で容易に交換できるように構成することができる。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態は、さらに、それぞれが、基板上に配置され、その基板と電気的に結合する１つまたは複数のＡＳＭを含む１つまたは複数のＷＥを有する改良型分析物センサを提供する。当該ＡＳＭを基板表面に吸着させるか、またはそれに共有結合させることができる。
【００６０】
いくつかの態様において、センサは、ＡＳＭとしてＡＱ誘導体を含む。他の態様において、本発明は、ＡＳＭとしてフェナントレンキノン（ＰＡＱ）またはその誘導体を含む。さらに、他の態様において、本発明は、ＡＳＭとしてオルト−ベンゾキノン（ＯＱ）またはその誘導体を含む。さらに、他の態様において、本発明は、ＡＳＭとしてＮ，Ｎ’−ジフェニルパラ−フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）またはその誘導体を含む。
【００６１】
いくつかの態様において、本発明は、ＡＳＭとしてアントラセン（ＡＣ）またはその誘導体を含む。他の態様において、本発明は、ＡＳＭとしてナフタキノン（ＮＱ）またはその誘導体を含む。さらに、他の態様において、本発明は、ＡＳＭとしてパラ−ベンゾキノン（ＰＱ）またはその誘導体を含む。
【００６２】
本発明は、さらに、基板上に配置され、基板と電気的に結合するＡＳＭを含むセンサ構造体を提供する。この構造体は、センサとして知られる。以下に詳述される様々な例示的な実施形態は、現在既知のセンサと比較したピーク強度、寿命、および一定ｐＨにおける経時的なピーク位置シフトの向上を示す。
【００６３】
本明細書に記載のセンサは、基板上に配置され、基板と電気的に結合する少なくとも１つのＡＳＭであって、基板材料とより強く相互作用し、長時間のボルタメトリックサイクル中に一定のｐＨの溶液に対するより安定な応答を生成するＡＳＭを含む。ＡＳＭ化合物の選択は、センサを使用する具体的な用途に左右されることになる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態において、ＷＥセンサは、ＡＱの誘導体を含む。これらのセンサは、ＡＱそのものを含むセンサと比較して、信号寿命の向上および一定ｐＨにおける経時的なピーク位置のドリフトの減少をもたらす（図１と図２の比較）。さらに、これらのセンサの応答曲線は、従来のガラスセンサの応答曲線と同等である（例えば、図３および図４参照）。
【００６５】
好適なＡＱ誘導体としては、アントラキノン部分の酸化還元活性を維持するが、ＡＱ誘導ＷＥ構造体を使用して信号寿命およびピーク安定性を向上させるために、置換のために利用可能な部分の１つまたは複数において極性基と親ＡＱ分子との間にスペーサ部分を含めて、または含めずにアミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシル、メチルおよびカルボニル類の官能基を含むが、それらに限定されない極性基で置換された誘導体が挙げられる。同様に、ベータナフトールと親ＡＱ分子との間にスペーサ部分を含めて、または含めずに親ＡＱ分子の１つまたは複数の位置において結合されたベータ−ナフトール基などの置換基を組み込んで、本発明の信号寿命およびピーク安定性を向上させることができる。また、５，１２−ナフタセンキノン（３）などの長い芳香族構造を有する誘導体は、性能の向上を示す。本発明のこの態様を含むことができるＡＱ誘導体のいくつかの実施形態は、表１に示される化合物２−カルボキシＡＱ（１）、２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱ（２）、５，１２−ナフタセンキノン（３）、１−アセチルアミドＡＱ（４）および２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノン（５）を含む。
【００６６】
【化１】
0006049454.tif 000002
【００６７】
いくつかの実施形態において、本発明は、単離または精製された新規化合物として２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱを提供する。他の実施形態において、化合物２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱを含むＷＥを提供する。いくつかの実施形態において、化合物２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱは、ＷＥの基板に共有結合される。他の実施形態において、化合物２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱは、ＷＥの基板に物理吸着される。
【００６８】
いくつかの実施形態において、本発明は、単離または精製された新規化合物として２−（ベータ−ナフトール）メチル−アントラキノンを提供する。他の実施形態において、化合物２−（ベータ−ナフトール）メチル−アントラキノンを含むＷＥを提供する。いくつかの実施形態において、化合物２−（ベータ−ナフトール）メチル−アントラキノンは、ＷＥの基板に共有結合される。他の実施形態において、化合物２−（ベータ−ナフトール）メチル−アントラキノンは、ＷＥの基板に物理吸着される。
【００６９】
誘導体化によってＡＱ分子に組み込まれた官能基は、ＷＥ構造体の有用な寿命を向上させることが示された。理論によって束縛されるのではないが、これらのＷＥ構造体の観察された寿命に対する１つの説明は、ＡＱ誘導体の官能基が、グラファイトの生成および／または後の処理時に酸化により生じるグラファイト端面上に存在する官能基との水素結合相互作用に参加することが可能な部分を含むことである。水素結合相互作用は、グラファイト表面に対するＡＳＭ分子の親和性を高め、起こり得る任意の脱離プロセスの速度を低下させる。
【００７０】
加えて、ＡＱのベータ−ナフトール誘導体は、ＡＱから調製されたＷＥ構造体と比較すると、ＷＥ構造体の有用な寿命の向上を示した。さらなる芳香族特性を保有すると、これらのＡＱ誘導体は、ｐｉ−ｐｉ堆積相互作用を介して、グラファイト表面の底面に対する親和性が向上することが予測される。さらに、これらのＡＱ誘導体は、ボルタメトリック分析の同一時間フレームにわたって、ＡＱと比較してピーク位置安定性が向上していることを示した。
【００７１】
分子の酸化還元活性分析物感応性挙動がそのまま維持されるのであれば、以上に詳述したＡＱ分子への置換を他の種類の酸化還元活性分析物検出分子に適用して、これらの異なる種類の分子の寿命および精度対時間を向上させることができる。様々な種類のＡＳＭ候補を以下に示す。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態において、ＷＥセンサは、表２に示される式Ｉによって示されるＡＱまたはＡＱ誘導体を含む。
【００７３】
【化２】
0006049454.tif 000003
【００７４】
式Ｉは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４、またはＲ５およびＲ６、またはＲ６およびＲ７、またはＲ７およびＲ８）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００７５】
他の実施形態において、本発明のセンサは、表３に示される式ＩＩによって示されるフェナントレンキノン（ＰＡＱ）またはＰＡＱ誘導体を含む。
【００７６】
【化３】
0006049454.tif 000004
【００７７】
式ＩＩは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４、またはＲ５およびＲ６、またはＲ６およびＲ７、またはＲ７およびＲ８）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００７８】
別の態様において、本発明のセンサは、表４に示される式ＩＩＩによって示されるオルト−ベンゾキノンまたはオルト−ベンゾキノン誘導体を含む。
【００７９】
【化４】
0006049454.tif 000005
【００８０】
式ＩＩＩは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００８１】
別の態様において、本発明のセンサは、表５に示される式ＩＶによって示されるＮ，Ｎ’−ジフェニルパラ−フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）またはＤＰＰＤ誘導体を含む。
【００８２】
【化５】
0006049454.tif 000006
【００８３】
式ＩＶは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ１４が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４、またはＲ４およびＲ５、またはＲ６およびＲ７、またはＲ８およびＲ９、またはＲ９およびＲ１０、またはＲ１０およびＲ１１、またはＲ１１およびＲ１２、またはＲ１３およびＲ１４）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００８４】
別の態様において、本発明のセンサは、表６に示される式Ｖによって示されるアントラセンまたはアントラセン誘導体を含む。
【００８５】
【化６】
0006049454.tif 000007
【００８６】
式Ｖは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９およびＲ１０が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４、またはＲ６およびＲ７、またはＲ７およびＲ８、またはＲ８およびＲ９）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００８７】
別の態様において、本発明のセンサは、表７に示される式ＶＩによって示されるナフタキノンまたはナフタキノン誘導体を含む。
【００８８】
【化７】
0006049454.tif 000008
【００８９】
式ＶＩは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５およびＲ６が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ３およびＲ４、またはＲ４およびＲ５、またはＲ５およびＲ６）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００９０】
別の態様において、本発明のセンサは、表８に示される式ＶＩＩによって示されるパラ−ベンゾキノン（ＰＱ）またはＰＱ誘導体を含む。
【００９１】
【化８】
0006049454.tif 000009
【００９２】
式ＶＩＩは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ３およびＲ４）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００９３】
他の態様において、本発明のセンサは、表９に示される式ＶＩＩＩによって示されるアゾベンゼンまたはアゾベンゼン誘導体を含む。
【００９４】
【化９】
0006049454.tif 000010
【００９５】
式ＶＩＩＩは、得られた化合物のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９およびＲ１０が、水素、アルキル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシルメチル、カルボニル、エーテルおよびアルコキシエーテルからなる化学部分群から個別かつ独立に選択され、さらなる任意の２つの隣接する基（Ｒ１およびＲ２、またはＲ２およびＲ３、またはＲ３およびＲ４、またはＲ４およびＲ５、またはＲ６およびＲ７、またはＲ７およびＲ８、またはＲ８およびＲ９、またはＲ９およびＲ１０）が一緒になって、置換または非置換アリールまたはヘテロアリール環を形成してもよい化学化合物式を示す。
【００９６】
別の態様において、本発明のセンサは、ＡＱのｐＨ検出性能の向上について記載されている同じ誘導体化手法を使用することによってその検出能力を向上させることができる１つまたは複数の酸化還元活性分子またはその誘導体を含む。したがって、酸化還元活性分子誘導ＷＥ構造体を使用して信号寿命およびピーク安定性を向上させるために、置換のために利用可能な部分の１つまたは複数において極性基と親分子との間にスペーサ部分を含む、または含めない、アミノ、アミド、カルボキシル、ヒドロキシル、メチルおよびカルボニル類の官能基を含むが、それらに限定されない極性基による親分子の置換を組み込むことができる。同様に、ベータ−ナフトールと親酸化還元活性分子との間にスペーサ部分を含めて、または含めずに親酸化還元活性分子の１つまたは複数の位置において結合されたベータ−ナフトール基などの置換基を組み込んで、本発明の信号寿命およびピーク安定性を向上させることができる。
【００９７】
いくつかの実施形態において、本発明のセンサは、単一のＡＳＭを含む。例えば、単一ＡＳＭのｐＨセンサのいくつかの実施形態は、ＡＳＭが、２−カルボキシＡＱ（１）、２−Ｎ−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱ（２）、５，１２−ナフタセンキノン（３）および１−アセチルアミドＡＱ（４）からなる化合物の群から選択されるセンサを含む。他の実施形態において、単一ＡＳＭのセンサは、ＡＳＭが２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンであるセンサを含む。
【００９８】
他の実施形態において、本発明のセンサは、少なくとも２つ以上のＡＳＭ化合物を含む。
【００９９】
本発明のいくつかの実施形態は、少なくとも１つの酸化還元活性ＡＳＭを有するセンサを含み、１つまたは複数のさらなるＡＳＭおよび／またはＡＩＭをさらに含むことができる。ＡＳＭおよびＡＩＭのいずれもが、明確な周期的ボルタメトリー酸化および／または還元ピークで可逆的な酸化還元活性を示す酸化還元活性材料を含むことができる。
【０１００】
一般に、ＡＳＭの酸化還元電位は、所望の分析物に対して感応性である。好適な材料としては、例えば、限定することなく、ｐＨ感応性ＡＳＭ：アントラキノン（ＡＱ）、フェナントレンキノン（ＰＡＱ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ｐ−フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）、アントラセン、ジアゾ含有化合物、ポルフィリン、ＮＡＤＨ、ＮＡＤ+およびＮ−メチルニコチンアミドを含むニコチンアミド、キノンチオール、モノ四級化Ｎ−アルキル−４，４’−ビピリジニウム、ＲｕＯおよびＮｉ（ＯＨ）2、ならびにそれらの化合物の誘導体；ＣＯ感応性ＡＳＭ：フェロセニルフェラアゼチンジスルフィド；アルカリ金属陽イオン感応性ＡＳＭ：１，１’−（１，４，１０，１３−テトラオキサ−７，１−ジアザシクロオクタデカン−７，１６−ジイルジメチル）、フェロセニルチオール、および共有結合したクリプタンドを含む他のフェロセン誘導体を挙げることができる。好適なＡＳＭは、例えば、それぞれが参照により本明細書に組み込まれている非特許文献１；非特許文献２；非特許文献３に記載されている。実例としては、通常は化学的に非感応性の酸化還元中心（フェロセン）が、その酸化還元電位を化学的に感応性にするように化学物質認識部分に共有結合された上記フェロセニルフェラアゼチンおよびフェロセニルクリプトが挙げられる。参照により本明細書に組み込まれている非特許文献３に記載されている１−ヒドロ−１’−（６（ピロール−１−イル）ヘキシル−４，４’−ビピリジニウムビス（ヘキサフルオロ−ホスフェート）などの、センサおよび基準官能基が共有結合された分子またはポリマーも好適である。
【０１０１】
本発明のいくつかの実施形態は、それらが導入される化学媒体に対して実質的に非感応性である酸化還元電位を有するＡＩＭをさらに含むことができる。当該ＡＩＭとしては、例えば、限定することなく、フェロセン、ｎ−ブチルフェロセン、Ｋ4Ｆｅ（ＣＮ）6、ポリビニルフェロセン、ヘキサシアノ鉄酸ニッケル、フェロセンスチレンコポリマーおよびフェロセンスチレン架橋コポリマーを含むフェロセンポリマーおよびコポリマー、ニッケルシクラム、および炭素上に分散されたＡｇナノ粒子等からなる群から選択されるＡＩＭを挙げることができる。さらに、非限定的な例としては、フェロセニルチオール、ポリビニル−フェロセン、ビオロゲン、ポリビオロゲンおよびポリチオフェンが挙げられる。他の実施形態は、化学的に分離されているが、化学媒体または分析物サンプルと電気的に結合する通常は化学的に感応性の材料を含むＡＩＭを含むことができる。
【０１０２】
概して、ＡＳＭに関する本明細書の教示は、ＡＩＭにも有用である。
【０１０３】
いくつかの実施形態において、本発明のＷＥにおける使用に好適な基板材料としては、炭素同素体およびその誘導体、遷移金属、導電性金属合金、導電性ポリマー化合物およびその誘導体、ドープシリコンおよびドープ半導体材料を含むシリコンおよびその誘導体を含む半導体材料およびその誘導体、ならびに当業者に既知のさらなる好適な材料が挙げられるが、それらに限定されない。
【０１０４】
いくつかの態様において、基板は炭素を含む。いくつかの実施形態において、基板は、以下の実施例に記載されるように、グラファイトおよびエポキシなどの結合剤を含む複合材料を含む。
【０１０５】
本発明のいくつかの態様において、基板の表面を、酸化還元活性材料の結合の前に精製して、基板との結合を向上させ、特に、基板と結合する材料の量および純度、ならびに結合の強度を向上させる。グラファイト／エポキシ基板および他の基板に対する好適な方法としては、プラグに成形することができる基板の表面を研磨した後に、加圧空気または他の気体の流体を基板表面に誘導し、場合により好適な溶媒中で超音波処理するか、または基板表面を王水で処理することが挙げられるが、それに限定されない。得られたＷＥは、ＡＳＭ結合の前に精製されない基板を使用して作製されたＷＥによって生成される信号と比較して、優れた信号強度および寿命を有する分析物依存信号を生成する。
【０１０６】
基板は、１つまたは複数のＡＳＭとワイヤなどの電線管との間の物理的および電気的架橋ユニットとして作用する自己充足的実体として作用する。基板の物理的機能は、基板／ＡＳＭ構造体を対象となるサンプル、典型的には液体に浸漬させることができるようにＡＳＭに対する支持体を提供することである。これにより基板は、ＡＳＭを対象となるサンプルと相互作用させる。基板の電気的機能は、電子などの電荷担体を電線管からＡＳＭに伝達し、次いでＡＳＭが酸化還元反応を生じるように電子をＡＳＭに実質的に供給（または除去）することである。いくつかの実施形態において、基板材料は、対象となるサンプルとの直接的な反応に対する電気的不活性、および様々なエネルギーを有する電荷担体を、エネルギーの損失を最小限にして誘導する能力を含むように選択される。
【０１０７】
多種多様な基板が、本発明のセンサにおける使用に好適である。当該基板としては、金およびプラチナなどの貴金属、シリコンなどの半導体材料、および様々な炭素系材料が挙げられるが、それらに限定されない。
【０１０８】
熱分解性グラファイト（ＰＧ）、グラファイト、非晶質炭素、カーボンブラック、単層または多層カーボンナノチューブ、ガラス炭素、ホウ素ドープダイヤモンド、熱分解されたフォトレジストフィルム（ＰＰＦ）および当技術分野で既知の他のものなどの炭素同素体を含むが、それらに限定されない多種多様な炭素基板が本発明のセンサにおける使用に好適である。また、上記炭素同素体のすべてを好適な結合剤に粉末形態として分散させることができる。当該結合剤としては、有機ポリマーまたは無機ポリマーおよび接着性材料が挙げられる。いくつかの実施形態において、基板はグラファイト粉末であり、結合剤はエポキシ樹脂である。他の実施形態において、基板はグラファイトロッドである。
【０１０９】
様々な実施形態において、基板表面を研磨しなくても研磨してもよい。一実施形態において、基板表面を、以下の実施例に記載されているように研磨する。他の実施形態において、ＡＳＭの基板表面への吸着または共有結合を容易にするために基板を誘導体化する。炭素基板表面を誘導体化するための好適な技術の例としては、酸化、還元、窒素、酸素または硫黄などのヘテロ原子の導入、およびヨウ化メチルまたはメチルグリニャール試薬などの求電子試薬または求核試薬との反応による不動態化が挙げられるが、それらに限定されない。
【０１１０】
本発明において記載されるデバイスによって提供されるボルタメトリック測定時に電気信号が生成されるようにＡＳＭを基板と接触させるためのいくつかの方法が利用可能である。そのまま堆積する（すなわち、固体のＡＳＭを基板表面上に研磨固定する）ことによって、または溶媒中ＡＳＭの溶液として堆積した後に溶媒を蒸発させることによってＡＳＭを表面に物理吸着させることができる。共有結合ケミストリーを用いてＡＳＭを基板の表面に共有結合させることもできる。共有結合ケミストリーの例としては、基板に固有の求核性官能基の直接的なアルキル化、ＡＳＭ誘導体の基板への反応性ラジカル付加、ＡＳＭ誘導体の基板への反応性ニトレン付加、ＡＳＭ誘導体の基板への反応性カルベン付加、および官能化された基板によるＡＳＭ誘導体のフイスゲン１，３−二極性環状付加が挙げられるが、それらに限定されない。
【０１１１】
少なくとも一部に、基板表面が求核性官能基で構成される場合は、基板の直接的なアルキル化によってＡＳＭを共有結合させることが可能である。表１０に示される非限定的な例は、好適な塩基（例えばヒューニッヒ塩基）の存在下で好適な脱離基（例えばハロゲンまたは擬ハロゲン）を用いて誘導体化されたＡＳＭで基板を処理することによって表面のヒドロキシル官能基をアルキル化することを含む。
【０１１２】
【化１０】
0006049454.tif 000011
【０１１３】
特定の基板を反応性ラジカルとの反応による結合によって共有結合改質する。表１１に示される非限定的な例は、アリールラジカルをＡＳＭジアゾニウム誘導体から電気化学的に生成することを含む。
【０１１４】
【化１１】
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【０１１５】
特定の基板を反応性ニトレンとの反応による結合によって共有結合改質することができる。表１２に示される非限定的な例は、反応性ニトレンをＡＳＭアジド誘導体から熱的に（すなわち基板／ニトレン前駆体混合物を好適な温度に加熱することによって）生成することを含む。
【０１１６】
【化１２】
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【０１１７】
特定の基板を反応性カルベンとの反応による結合によって共有結合改質することができる。表１３に示される非限定的な例は、反応性カルベンをＡＳＭジアジリン誘導体から熱的に（すなわち基板／カルベン前駆体混合物を好適な温度に加熱することによって）生成することを含む。
【０１１８】
【化１３】
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【０１１９】
また、特定の基板をフイスゲン１，３−二極性環状付加による結合によって共有結合改質することができる。表１４に示される非限定的な例は、基板表面をアジドで官能化した後に、ＡＭＳアルキン誘導体をフイスゲン１，３−二極性環状付加することを含む。
【０１２０】
【化１４】
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【０１２１】
したがって、本発明のＡＳＭは、所望の基板と電気的に結合するように基板上に配置される。物理的吸着または共有結合を含むが、それに限定されない手段のいずれか１つまたはその組合せによって結合を達成することができる。ＡＳＭを、本来の状態もしくは活性化状態であってもよい基板に直接結合するか、または化学リンカーなどの、結合を促す中間材料を用いて結合することができる。いくつかの実施形態において、以下の実施例に例示されるように、ＡＳＭをグラファイトロッド基板の研磨された表面に物理吸着する。
【実施例】
【０１２２】
ＷＥ  ＡＳＭの実施例１：ＡＱおよび選択されたＡＱ誘導体の間の信号強度の減衰および信号ピーク位置の安定性の比較調査によるセンサ寿命およびセンサ寿命の関数としての精度の評価。
【０１２３】
一連のセンサ構造体のセンサ寿命を通じての寿命および精度の向上を判断するために、ＡＱ、または以下の化合物：２−カルボキシＡＱ、２−ＢＯＣエチレンジアミンＡＱ、５，１２−ナフタセンキノン、１−アセチルアミドＡＱおよび２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンの１つを含むＷＥを有する、以下に記載されるように構成されたｐＨセンサを使用して、時間の関数としての信号減衰率および信号ピーク位置の変化の試験を実施した。
【０１２４】
２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンの合成
２−（ブロモメチル）アントラキノン（０．２２５ｇ、０．７４７ｍｍｏｌ）および２−ヒドロキシナフタレン（０．１１８ｇ、０．８２２ｍｍｏｌ）をアセトン（１０ｍＬ）に溶解させた。Ｋ２ＣＯ３（０．１３４ｇ、０．９７１ｍｍｏｌ）を１回で添加し、反応バイアルを密閉した。反応混合物を終夜撹拌しながら加熱ブロック（６５℃）で加熱した。翌朝、反応混合物を周囲温度まで冷却した。該溶液をＤＩ水の添加によって４０ｍＬの全体容積まで希釈した。得られた沈殿をブフナー漏斗に回収した。固体をジクロロメタン（８０ｍＬ）に溶解させた。有機溶液を１ＮのＮａＯＨ溶液（４０ｍＬ）および塩水（４０ｍＬ）で洗浄した。有機層を分離し、（Ｎａ２ＳＯ４で）乾燥させた。溶液を濾過し、Ｉｓｃｏカートリッジ上に装填されるシリカゲル上に吸着させた（４０ｍＬ、シリカゲル）。ヘキサン（３００ｍＬ）、ヘキサン（３００ｍＬ）中２％ＥｔＯＡｃ、ヘキサン（３００ｍＬ）中４％ＥｔＯＡｃ、ヘキサン（３００ｍＬ）中６％ＥｔＯＡｃ、ヘキサン（３００ｍＬ）中８％ＥｔＯＡｃおよびヘキサン（３００ｍＬ）中１０％ＥｔＯＡｃの段階的勾配を使用するＣｏｍｂｉＦｌａｓｈ装置にて材料を精製した。材料は、８％ＥｔＯＡｃ溶媒濃度フラクションに溶出した。生成物を含む最後のわずかなフラクションは、生成物結晶から独立して結晶化すると思われるその黄色結晶によって示唆される不純物をも含んでいた。これらのフラクションを混合して蒸発させ、シリカゲル上に吸着させ、再び上記のクロマトグラフィー分離を施した。この場合の溶出溶媒濃度は、生成物がカラムから完全に溶出されるまで定組成を維持するヘキサン中８％ＥｔＯＡｃまで段階的に引き上げられただけであった。精製された生成物を含むフラクションを混合し、ロータリーエバポレータを使用して濃縮した。生成物を黄色固体として得た（０．１３９ｇ、収率５１％）。
【０１２５】
ＷＥの作製
本発明のＷＥを以下の通り作製した。グラファイトロッド（直径０．１２０”または０．０９３”、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）の一部を、筐体の一端付近を除くすべての点において、ロッドの長さより小さいが、直径全体を収容するように摩擦嵌合を用いて機械加工されたプラスチック筐体に挿入した。この端部において、ロッドと筐体の間に０．０２５インチの間隙が存在するように皿穴をプラスチックに機械加工した。この間隙にエポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ、マサチューセッツ州Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ）を充填し、エポキシ製造者の説明書に従って硬化させた。硬化させると、エポキシを含まないＷＥ構造体の端部においてロッドに１６ゲージの穴を開け、その穴に１６ゲージの銅線を挿入して、炭素と電気接触させた。次いで、ロッドの反対側の端部を十分に研磨して、平坦なプラスチック−エポキシ−グラファイト表面を得た。
【０１２６】
新たに研磨したロッドに窒素流を散布して粒子を除去し、次いでアセトニトリル（ＢＤＨ）中適切なＡＳＭの溶液に３分間にわたって浸漬し、その時点でそれを除去し、アセトニトリルで洗浄し、３０分間または６０分間にわたって１５０℃のオーブンに仕込んだ。冷却すると、ＷＥセンサは、使用の準備が整った。
【０１２７】
信号取得プロトコール
ＡＳＭへの経時的な電流流量を印加電圧の関数として測定するために、ＥＣＨＯＣＨＥＭＩＥ  ＡＵＴＯＬＡＢポテンショスタット／ガルバノメータ（型式ＰＧＳＴＡＴ１２）を使用して、以上のように製造したＷＥを用いて方形波ボルタメトリーを実施した。２ｍＶの走査ステップサイズ、２５ｍＶの振幅および４０ｍｓの走査時間を使用した。グラファイトロッドおよび飽和カロメル電極をそれぞれ対向電極および基準電極として従来の三電極構成で使用した。あるいは、特許文献５に記載されているＳＥＮＯＶＡＳＴＡＴコントローラプロセッサ（Ｓｅｎｏｖａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｃ．、カリフォルニア州Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ）を使用して測定を実施することができる。ｐＨ７のリン酸緩衝液中で、約４時間にわたってセンサに連続的な反復的ボルタメトリック走査を施した。各ボルタメトリック走査は、個々のｐＨ測定を表す。各走査はほぼ３０秒かかるため、４時間で５００回の走査が得られた。それらの結果を表１５にまとめる。
【０１２８】
【表１−１】
0006049454.tif 000016
【０１２９】
【表１−２】
0006049454.tif 000017
【０１３０】
センサ寿命
上記のセンサシステムが最大の寿命を達成するためには、ピーク強度（電流の最大の絶対値）の経時的な低下が最小限であるべきである。図１および図２、ならびに「４時間にわたるピーク強度信号の低下」という表題の欄に示される結果は、上記ＡＱ誘導体を含むセンサが、ＡＱより小さい４時間にわたる信号低下を示すことを示している。これらの結果は、信号低下が小さくなると、ＷＥセンサの機能的寿命がより長くなるため有意である。例えば、２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンは、ＡＱと比較して２０倍の信号寿命の向上を示す。これは、図１が、ＡＱについて５００回の走査の過程にわたる信号強度の顕著な低下を示すのに対して、図２が、２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンについて同じ時間にわたる信号強度のほとんど知覚できない変化を示す図１と図２の比較において容易に認識され得る。
【０１３１】
４時間にわたるセンサ精度
以上に記載されているように、センサ寿命を通じての最高のセンサ精度を、ピーク位置（ＡＳＭ電流の流れが最大になる電圧）を時間の関数として監視することによって評価することができる。最高の精度では、一定ｐＨの溶液におけるピーク位置が変化しないはずである。図１および図２に示され、「４時間にわたるピーク位置の変化」の欄にまとめられている結果は、上記ＡＱ誘導体を含むセンサが４時間にわたってＡＱと同等、またはより良好なピーク安定性を発揮することを示している。重要なことは、２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンを含むセンサが、４時間にわたってピーク位置の変化を示さないことである。これは、これらのセンサが、ＡＱで構成されるセンサでの約０．０７ｐＨ単位の精度の変化と比較して、４時間の過程にわたって精度の低下を示さないことを意味する。
【０１３２】
ＷＥ  ＡＳＭの実施例２：２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンセンサと従来のガラスプローブとの比較
本発明のいくつかの実施形態は、固体状態ｐＨ計の較正を必要とせずに、精度の低下を最小限にしながら、広範なｐＨ値に対して長時間にわたってｐＨを測定する能力を提供する。上記のように構成された２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンセンサの性能を、従来のガラスｐＨセンサ（Ｔｈｅｒｍｏ型式９１５７ＢＮＭＤ）の性能に対して評価するために、一連のストック緩衝液のｐＨを両計測器と同時に測定した。従来のガラスｐＨ計は、この実験の前に較正を必要としたが、本発明のセンサは、ｐＨの関数としてのそれらの既知の酸化還元応答により、較正せずに使用することが可能であった。ストック緩衝液は、ｐＨ４．００（ＢＤＨ５０２４）、ｐＨ５．００（ＢＤＨ５０３４）、ｐＨ６．００（ＢＤＨ５０３８）、ｐＨ６．８６（ＢＤＨ５０４０）、ｐＨ７．００（ＢＤＨ５０５２）、ｐＨ７．３８（ＢＤＨ５０５８）、ｐＨ８（ＢＤＨ５０６０）、ｐＨ９．１８（ＢＤＨ５０６６）、ｐＨ１０．００（ＢＤＨ５０７８）、および５０ｍＭのＮａＯＨを使用してｐＨ３．５からｐＨ１２まで滴定された４ミリモルの酢酸を含んでいた。ｐＨ４．００フタル酸（ＢＤＨ５０２４）ストック緩衝液、ｐＨ７．００リン酸（ＢＤＨ５０５２）ストック緩衝液およびｐＨ１０．００炭酸（ＢＤＨ５０７８）ストック緩衝液を使用してＴｈｅｒｍｏセンサを較正した。
【０１３３】
図３および図４に示されるこの分析の結果は、本発明の２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンセンサの性能が、外部較正を必要とせずに従来のガラスセンサの性能と同等であること実証している。
【０１３４】
次に図５〜７および図１２を参照すると、３００ｍｇのグラファイト（Ａｌｄｒｉｃｈ）、１．１５２ｇのエポキシＡおよび１７３ｍｇのエポキシＢ（Ｅｐｏｔｅｋ）を乳鉢および乳棒で合わせ、均一になるまで（約５から８分間）混合してＷＥ６を形成した。次いで、この材料を、図１１に示されるように、コントローラ／プロセッサ２６に対する電気接続を与える銅線に接続された真鍮の背板を有するＰＥＥＫセンサチップ筐体キャビティ（３／１６”×深さ５ｍｍ）に充填した。次いで、ユニット全体をオーブンにて摂氏１５０度で１時間硬化させた。除去および冷却すると、表面を、最初に２２０グリットの紙やすりを用い、次いで１２００グリットの紙やすりを用いて研磨して、滑らかで平坦な表面を得た。この処理によりグラファイト／エポキシセンサを得る。
【０１３５】
別個に、ＮＯＢＦ4（１．１モル当量）（Ａｌｄｒｉｃｈ）を０℃でＤＭＦ（ＢＤＨ）に溶解させ、１−アミノアントラキノン（１−アミノＡＱ）（ＴＣＩ Ａｍｅｒｉｃａ）または２−アミノアントラキノン（２−アミノＡＱ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）を添加した（１．０モル当量）。反応物を摂氏０度で４５分間撹拌し、次いでジエチルエーテル（ＤＭＦに対して５倍の容積当量）（ＢＤＨ）を添加した。これにより、淡褐色の沈殿（１−アミノＡＱまたは２−アミノＡＱのジアゾニウム塩）を得て、それを遠心によって回収し、洗浄液が無色になるまでジエチルエーテルで洗浄し、次いで乾燥させた。
【０１３６】
あるいは、ＮＯＢＦ４（１．１モル当量）（Ａｌｄｒｉｃｈ）塩化メチレン（ＢＤＨ）に０℃で懸濁させた後、１−アミノアントラキノン（１−アミノＡＱ）（ＴＣＩ  Ａｍｅｒｉｃａ）または２−アミノアントラキノン（２−アミノＡＱ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）（１．０モル当量）を添加することによって、１−アミノＡＱまたは２−アミノＡＱのジアゾニウム塩を形成した。撹拌すると得られた褐色の沈殿を濾過によって回収し、塩化メチレンで洗浄し、乾燥させた。この粗製物を、ジエチルエーテルの添加によるＤＭＦからの析出によりさらに精製した。次いで、沈殿を遠心によって回収し、洗浄液が無色になるまでジエチルエーテルで洗浄し、乾燥させた。
【０１３７】
次いで、（上記方法のいずれかによって形成された）１−アミノＡＱまたは２−アミノＡＱのジアゾニウム塩をＤＭＦに溶解させ、上記によるグラファイト／エポキシセンサをこの溶液に３分間浸漬させた。あるいは、ジアゾニウム含有ＤＭＦ溶液の一滴をグラファイト／エポキシセンサの表面に直接加え、一定時間（すなわち３分間）にわたって表面との接触を維持させた。次いで、ＡＱ誘導体化グラファイト／エポキシセンサをＤＭＦおよび水で洗浄した。次いで、得られたＡＱ誘導体化グラファイト／エポキシ電極は、ＷＥとしてｐＨ検出に使用する準備が整った。
【０１３８】
ｐＨ検出のための好適なＷＥを、エポキシと、グラファイト、または１−アミノＡＱまたは２−アミノＡＱのジアゾニウム塩で誘導体化された多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）とを混合することによって形成することもできる。これを、５０ｍｇのグラファイト（Ａｌｄｒｉｃｈ）または５０ｍｇの多層カーボンナノチューブ（Ｎａｎｏｌａｂ）と（以上に記載されているように調製された）１−アミノＡＱまたは２−アミノＡＱのジアゾニウム塩の２５ｍｇとを好適な溶媒中で反応させることによって実施することができる。当該溶媒としては、ＤＭＦ、アセトン、アセトニトリル、水および塩化メチレンが挙げられるが、それらに限定されない。室温で１時間にわたって反応させた後、ＡＱ誘導体化炭素材料をＤＭＦ、アセトニトリルおよびジエチルエーテルで洗浄し、乾燥させる。次いで、誘導体化炭素材料をエポキシと混合し、好適なＰＥＥＫ筐体に充填し、硬化させ、以上に記載されているように研磨した。
【０１３９】
ＷＥ  ＡＳＭの実施例３：官能化基板へのフイスゲン１，３−二極性環状付加
２−（３−エチニルフェノール）メチルアントラキノンの合成
２−（ブロモメチル）アントラキノン（０．２００ｇ、０．６６４ｍｍｏｌ）および３−ヒドロキシフェニルアセチレン（０．０８６ｇ、０．７３１ｍｍｏｌ）およびヨウ化テトラブチルアンモニウム（０．０２０ｇ、０．０５４ｍｍｏｌ）をアセトン（２０ｍＬ）に溶解させた。Ｋ2ＣＯ3（０．１１９ｇ、０．８６３ｍｍｏｌ）を１回で添加し、反応バイアルを密閉した。反応混合物を週末にかけて撹拌しながら加熱ブロック（６０℃）で加熱した。翌月曜日の朝に、反応混合物を周囲温度まで冷却した。該溶液を０．１ＭのＮａＯＨ水溶液の添加によって４０ｍＬの全体容積まで希釈した。得られた沈殿をブフナー漏斗に回収した。得られた固体をジクロロメタンに溶解させ、Ｉｓｃｏカートリッジ上に装填されるシリカゲル上に吸着させた（４０ｇ、シリカゲル）。ヘキサン（５００ｍＬ）中１０％ＥｔＯＡｃに続いてヘキサン中１５％ＥｔＯＡｃを溶離剤として使用して材料を溶出させた。生成物を含むフラクションを混合し、蒸発させて、生成物をわずかに黄色の固体として得た（０．１２４ｇ、収率５５％）。
【０１４０】
グラファイトロッドの表面のアジド官能化
この作業は、ＤｅｖａｄｏｓｓおよびＣｈｉｄｓｅｙ（非特許文献４）の先例に従う。ＮａＮ3（０．０２０ｇ、０．３１ｍｍｏｌ）をアセトニトリル（１０ｍＬ）に懸濁させた。該溶液を周囲温度で１５分間にわたって撹拌した。次いで、得られた混合物（注：ＮａＮ3は、アセトニトリルに対する溶解度がさほど高くなく、未溶解の固体がこの時点でまだ存在していた）を氷／水浴にて０℃まで冷却した。冷却浴中で１０分間にわたって撹拌した後、ＩＣｌ（５μＬ、０．０１６ｇ、０．０９９ｍｍｏｌ）を、激しく撹拌している冷却混合物に添加した。撹拌を０℃でさらに１５分間継続し、その時点で氷／水浴を取り除いた。本明細書に記載の仕様に従って構成された４つのグラファイトロッドチップを、以上に記載されているように調製されたＩＮ3の溶液に懸濁させた。該溶液を周囲温度で１時間撹拌した（注：この１時間の過程で溶液の色が黄色から琥珀色に変化した）。チップを溶液から除去し、アセトニトリルですすぎ、次いで直ちにフイスゲン環状付加にそのまま使用した。
【０１４１】
アジド官能化グラファイトロッドによる２−（３−エチニルフェノール）メチルアントラキノンのフイスゲン環状付加
ＤＭＳＯ／Ｈ2Ｏ（３：１）（２０ｍＬ）中ＣｕＳＯ4（１２．８ｍｇ、０．０８ｍｍｏｌ）の溶液を調製した。ＤＭＳＯ／Ｈ2Ｏ（３：１）（９ｍＬ）中トリス［（１−ベンジル−１Ｈ−１，２，３−トリアゾール−４−イル）メチル］アミン（２．１ｍｇ、０．００４ｍｍｏｌ）の溶液を調製した。ＣｕＳＯ4（１ｍＬ、０．００４ｍｍｏｌ）の溶液を、撹拌しているリガンド溶液に添加した。アスコルビン酸ナトリウム（１５．８ｍｇ、０．０８ｍｍｏｌ）を添加し、得られた溶液を室温で２０分間撹拌した。ＤＭＳＯ／Ｈ2Ｏ（３：１）（１０ｍＬ）中２−（３−エチニルフェノール）メチルアントラキノン（６．８ｍｇ、０．０２０ｍｍｏｌ）の溶液（０．１ｍＬ、０．０００２ｍｍｏｌ）を、撹拌しているＣｕ／リガンド／アスコルビン酸ナトリウム溶液に添加した。アジド官能化グラファイトロッドチップを該溶液に懸濁させた。混合物を周囲温度で１時間撹拌した。次いで、チップを除去し、アセトニトリルですすいだ。次いで、チップをアセトニトリル中で超音波処理して、任意の物理吸着した材料を除去した。それらのチップを、さらに操作することなく電気化学的分析に使用した。
【０１４２】
実施例４：ルアーコネクタによるＷＥの作製
本発明の好ましいＷＥを以下の通り作製した。図１９を参照すると、金メッキバネ１０６をチップ筐体３６に挿入し、チップ筐体内の棚上で静止させた。次いでグラファイトロッド４２（直径０．１２０”、Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｓａｌｅｓ，Ｉｎｃ．）の一部を、筐体の一端付近を除くすべての点に摩擦嵌合を用いて、ロッドの長さより小さいが、直径全体を収容するように機械加工されたプラスチック筐体３６に挿入した。この構成において、ロッド４２は、バネ１０６と直接電気接触する。環状間隙１２４にエポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ、マサチューセッツ州Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ）を充填し、エポキシ製造者の説明書に従って硬化させた。次いで、最初に２２０グリットの紙やすりを使用し、次いで１２００グリットに紙やすりを使用してロッド−エポキシ構造体の突出部を平坦に研磨して、平坦なプラスチック−エポキシ−グラファイト表面を得た。
【０１４３】
新たに研磨したチップに窒素流を散布して粒子を除去し、アセトニトリル（ＢＤＨ）に浸漬させ、１分間超音波処理して、チップ表面をさらに洗浄した。超音波処理ステップを繰り返し、次いでチップをアセトニトリル（ＢＤＨ）中２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノンの１ｍＭ溶液に３分間浸漬させ、その時点でそれを除去し、アセトニトリルで洗浄し、１５０℃のオーブンに３０分間仕込んだ。冷却すると、ＷＥセンサは使用する準備が整った。
【０１４４】
上記手法は、ＡＱの炭素基板上への凝集または物理的吸着を含む方法によって得られる電極より信号強度が良好であり、寿命が長く、ＡＱ化合物の浸出の程度が低いとともに、構成するのが簡単で安価である電極を与える。上記方法は、また、信号強度がより大きく、ピーク位置安定性がより高く、反応時間が短縮されるため、炭素誘導体化のために、市販のＡＱの塩化亜鉛安定化ジアゾニウム塩を使用する方法より優れる。
【０１４５】
Ａ（１）（ｂ）：基準電極（ＲＥ）
いくつかの実施形態において、ｐＨセンサは、基準電極（ＲＥ）をさらに含む。本発明のセンサにおける使用に好適な多くの基準電極が当技術分野で既知である。例えば、参照により本明細書に組み込まれている非特許文献５を参照されたい。
【０１４６】
本発明のいくつかの実施形態において、基準電極は、以下の実施例に記載されるように、電解液によって囲まれた塩素化銀ワイヤを含む。他の実施形態において、ＲＥは、塩素化銀ワイヤのみを含む。他の実施形態において、ＲＥは、参照により本明細書に組み込まれている特許文献６に記載されているヨウ化物／三ヨウ化物系を含む。
【０１４７】
場合により、「擬似基準」（ＰＲＥ）（「準基準」と称することもある）電極が、特に非水性電解質に使用される。ＰＲＥの例示的で非限定的な例は、非水性電気化学で広く使用されている銀ワイヤである。具体的な用途に応じて他のＰＲＥを使用することができる。
【０１４８】
いくつかの実施形態において、分析物サンプルに曝露されたＲＥの表面積は、本明細書に記載されているように、分析物依存信号の質に悪影響を及ぼす電極内電気化学的効果を最小限に抑えるか、または排除するように選択される。
【０１４９】
本発明は、酸化還元活性分析物感応性材料を特徴とする固体状態作用電極を、同一のｐＨ計測システムで従来の基準電極とともに動作させる第１の事例を示す。このハイブリッド手法は、固体状態のデバイスに固有の頑丈さと、多くの電気化学技術のベースとなる許容された参照標準とを兼ね備える。
【０１５０】
したがって、当業者は、本発明の独自のハイブリッド構成を理解するであろう。特に、当業者は、固体状態のＷＥと従来ベースのＲＥとのこの組合せを理解するであろう。このハイブリッド構成は、従来のガラス電極の望ましくなく、厄介な較正要件を伴わずに、従来ベースのＲＥの信頼性を備えたｐＨプローブ組立体を提供する。したがって、本発明は、従来のｐＨ計測システムの限界を克服する新規かつ有用な組合せを提供する。
【０１５１】
いくつかの実施形態において、以下の実施例に例示されるように、ｊフック構成の小型基準組立体を含むようにＲＥを改造する。あるいは、小型基準組立体の塩素化銀ワイヤがｐＨセンサのＷＥに隣接または近接して配置されるように、小型基準電極を従来のＲＥの近端部に配置する。小型基準組立体のｊフック構成は、ＲＥの塩素化銀ワイヤの少なくとも一部がサンプル溶液の温度に曝露されるのを確実にする。したがって、ワイヤの温度は、ＷＥと実質的に同様であり、それは、平衡になると、ワイヤの温度とＷＥの温度との差が１０％未満であることを意味する。いくつかの実施形態において、分析物含有サンプルにおけるプローブ組立体の平衡後のワイヤの温度とＷＥの温度との差が２度未満である。他の実施形態において、系の平衡後のワイヤの温度とＷＥの温度との差が１度未満である。さらに、いくつかの実施形態において、平衡後のワイヤの温度とＷＥの温度との差が３度未満である。銀ワイヤをＷＥおよび／またはサンプル溶液と実質的に同じ温度にすると、センサの温度感受性が低下することによって、ｐＨセンサの精度が向上する。
【０１５２】
Ａ（１）（ｃ）：対向電極（ＣＥ）
本発明のいくつかの実施形態は、対向電極（ＣＥ）をさらに含む。実用的には、ＣＥは、電子ソースまたはシンクとして作用することによって、電流をサンプルに供給し、それがｐＨセンサシステムを流れることを可能にする。
【０１５３】
好適なＣＥは当技術分野で既知である。例えば、参照により組み込まれている上記非特許文献５を参照されたい。ＷＥにおいて測定される信号に干渉し得る望ましくない電気化学的酸化還元プロセスがＣＥに生じるのを避けるために、ＣＥは、一般に、比較的化学的に不活性な材料、一般にはステンレス鋼、炭素（例えばグラファイト）またはＰｔで構成される。
【０１５４】
以下の実施例に記載されるいくつかの実施形態において、ＣＥは、グラファイトまたは炭素系ロッドである。他の実施形態において、ＣＥは炭素繊維管である。さらに、いくつかの実施形態において、ＣＥは、当技術分野で既知の導電性材料である。
【０１５５】
様々な参考文献には、センサ性能にとってのＷＥ：ＣＥ表面積比の重要性が記載されている。本発明の様々な実施形態において、分析物サンプルに曝露されたＣＥの表面積は、本明細書に記載されているように、分析物依存信号の質および寿命に悪影響を及ぼす電極内電気化学的効果を最小限に抑えるか、または排除するように選択される。いくつかの実施形態において、ＣＥの表面積とＷＥの表面積との比は、約１：１から約１：１０である。他の実施形態において、この比は約１：２であり、さらなる実施形態において、その比は約１：１．５である。
【０１５６】
いくつかの実施形態において、ＣＥは、ｐＨセンサの様々な他の構成要素を収容するための中空内腔を有する導電性炭素繊維管を含む。炭素繊維管を前置増幅器モジュールに電気的に結合させることによって、ＣＥを介してサンプル溶液に電圧を印加する。当業者は、導電性低インピーダンスのＣＥが、電気化学電池駆動電位を供給することに加えて、ＣＥ内に収容された構成要素、特に高インピーダンスのＲＥを外的な電磁干渉から保護するための電磁遮蔽物として作用することを理解するであろう。いくつかの実施形態において、同軸構成を実装することによって、ＣＥの外部位置は、ＣＥ内に同心状またはほぼ同心状に配置された電極であるＲＥおよびＷＥに電磁遮蔽を提供する。当業者は、さらに、ＣＥの遮蔽機能がＲＥおよびＷＥの同心配置に左右されないことを理解するであろう。むしろ、当業者は、ＲＥおよびＷＥの正確な位置がＣＥの外部位置に対して内的に変化しても、以上に記載されている遮蔽保護を受けることができることを理解するであろう。
【０１５７】
Ａ（１）（ｄ）：分析物非感応性電極（ＡＩＥ）
本発明のいくつかの実施形態において、分析物非感応性電極（ＡＩＥ）を、上記の従来の基準電極の代わりに擬似準基準電極とともに使用する。
【０１５８】
ＡＩＥはサンプル中の分析物濃度のボルタメトリック測定またはアンペロメトリック測定を行う過程で分析されているサンプルに加えられた電気的刺激の印加に応答して、実質的に分析物非感応性の信号を生成することが可能である。ＡＩＥは、分析物感応性信号と連続的に比較することができる内部標準（換言すれば、システムに対する内部の標準）として有用な予測可能信号を提供するため、分析物濃度を測定する際により高い精度および再現性を可能にする。
【０１５９】
したがって、本発明のいくつかの実施形態において、分析物濃度のボルタメトリック測定および／またはアンペロメトリック測定を行う過程で電気的刺激が分析物サンプルに加えられると実質的に分析物非感応性の電気的応答を生成するＡＩＥを電気化学的分析検出デバイスに使用する。
【０１６０】
Ａ（２）（ａ）：同軸プローブ組立体
実施例１：ｐＨセンサ組立体
次に図１４〜１９を参照すると、同軸構成で配置された様々な電極を含むプローブ組立体２０１を提供する。いくつかの実施形態において、プローブ組立体２０１は、図１５から図１８に示されるように、酸化還元活性分析物感応性材料（ＡＳＭ）を含む作用電極（ＷＥ）と、導電性炭素繊維管を含む対向電極（ＣＥ）と、電解液によって囲まれた塩素化銀ワイヤを含む基準電極（ＲＥ）とを含む。ｐＨ計測システム１０１は、ＷＥのＡＳＭ上に可逆的化学反応を電気化学的に誘発することによってサンプル溶液内のプロトン濃度を直接測定する。ＷＥ、ＣＥおよびＲＥをサンプル溶液に浸漬させると、電圧掃引がＣＥを流れて、ＷＥのＡＳＭに酸化還元反応を生じさせることによって、電子を獲得するか、または失う。発生する電子の流れをｐＨプロセッサモジュールによって記録する。
【０１６１】
一態様において、本発明は、ＷＥが分析物感応性酸化還元活性材料を含み、ＲＥが標準ＲＥである少なくともＷＥおよびＲＥを含む分析物検出デバイスを提供する。本発明は、酸化還元活性分析物感応性材料を特徴とする固体状態作用電極を、同一のｐＨ（または他の分析物）計測システムで従来の、または伝統的な基準電極とともに動作させる第１の事例を示す。このハイブリッド手法は、固体状態のデバイスに固有の頑丈さと、多くの電気化学技術のベースとなる許容された基準電極標準とを兼ね備える。
【０１６２】
次に図１５を参照すると、プローブ組立体２０１の斜視図が示されている。本発明のいくつかの実施形態において、プローブ組立体２０１はベースエンクロージャ３５を含む。ベースエンクロージャ３５は、一般に、互いに結合されて、組立体２０１のチップ部３７から受信した信号を捕捉および増幅する様々な電子部品を収容するための内部空間を提供する一対の対向半体を含む。いくつかの実施形態において、ベースエンクロージャ半体を互いに密閉して、プローブが偶発的に液体に浸された場合に液体の排出を防止する。いくつかの実施形態において、ベースエンクロージャ３５は、プローブ組立体２０１のアナログ信号を、さらなる処理および表示に向けてプロセッサモジュール５０に伝達するために増幅する高利得低ノイズの前置増幅器を収容する。他の実施形態において、ベースエンクロージャ３５は、デジタル信号をプロセッサモジュール５０に伝達するための高利得低ノイズ前置増幅器およびアナログ−デジタル変換器を収容する。オンボードで信号を前置増幅することによって、高インピーダンスのアナログ信号を電気ケーブル７０に通すことによる電磁干渉を排除する。したがって、信号対ノイズ比がプロセッサモジュール５０で増大される。
【０１６３】
ベースエンクロージャ３５は、電気ケーブル７０を受容および支持するための開口を有する遠端部３９をさらに含む。ベースエンクロージャの近端部４１は、対向電極（ＣＥ）４０を受容および支持するための開口をさらに含む。いくつかの実施形態において、ＣＥ４０を、エポキシなどの接着性構成要素を介して近端部４１に固定的に結合させ、ＣＥ４０の一部が、エンクロージャ３５内に収容された電子部品との接触を維持する。
【０１６４】
ＣＥ４０は、プローブ組立体２０１の様々な他の構成要素を収容するための中空内腔を有する導電性炭素繊維管を含む。ＣＥ４０を、電気ケーブル７０およびベースエンクロージャ３５内に収容された様々な電子部品を介してプロセッサモジュール５０に電気的に結合させる。いくつかの実施形態において、ＣＥ４０の外側の円筒面に２つの端部を除いてエポキシまたは塗料をコーティングする、近端部および遠端部を約３／８”まで露出させる。ＣＥ４０にコーティングすることによって、露出した近端部の電気接触表面積は、ＣＥ４０が液体に浸される深さに関係なく、露出した炭素繊維の３／８”長に限定される。遠端部において、露出した電気接触表面積は、印刷回路基板２１０上のコネクタと接触する。加えて、ＣＥ４０のコーティング面は、ＣＥ４０を電気的に絶縁して、ユーザがＣＥ４０の外面に触れるか、またはそれを掴むことによって引き起こされる干渉を防止する。ＣＥ４０は、電気化学電池駆動電位を提供するのに加えて、ＣＥ４０とともに収容された構成要素を外的な電磁干渉から保護するための低インピーダンスの導電性電磁遮蔽物を提供する。
【０１６５】
プローブ組立体２０１のチップ部３７は、ＣＥ４０内に同軸収容された基準電極（ＲＥ）４４を含む。チップ部３７は、ＲＥ４４のルアーコネクタに機械的に結合された脱着可能チップ３６内に収容された作用電極（ＷＥ）４２をさらに含む。
【０１６６】
次に図１６を参照すると、プローブ組立体２０１の分解斜視図が示されている。既に記載したように、ＣＥ４０は、プローブ組立体２０１のさらなる構成要素を収容するように構成された中空内腔７２を含む。いくつかの実施形態において、内腔７２は、ＲＥ４４を収容するように構成される。ＲＥ４４は、ベースエンクロージャ３５内に収容された電気的構成要素と信号の送受信を行う多種多様な構造的特徴を有するカートリッジ組立体１３０を含む。いくつかの実施形態において、カートリッジ組立体１３０は、ＲＥ４４の様々な主要構成要素を収容するための内腔を有する管状部材１３２を含む。管状部材１３２は、ベースエンクロージャ３５内に収容された電気的構成要素に整合的に接続するように構成された電気コネクタ１４０によって遠端部が覆われる。管状部材１３２の近端部は、脱着可能チップ３６を機械的および電気的に結合するためのルアーコネクタ３８を含むカートリッジルアー組立体１５０で密閉される。脱着可能チップ３６は、必要なときにチップ３６を容易に除去して新しいチップと交換できるように、ルアーコネクタ３８の先細りの外面に可逆的に加圧嵌合または固定される。
【０１６７】
次に図１７Ａを参照すると、カートリッジ組立体１３０の分解斜視図が示されている。概して、ＲＥ４４は、伝統的な、または従来の基準電極の技術および解釈に基づく。いくつかの実施形態において、ＲＥ４４は、その全体がポリスルホン外管１３２内に密閉して含まれる、３ＭのＫＣｌゲル溶液内に懸濁された塩素化銀ワイヤ１６０を含む。外管１３２の近端部１５２にカートリッジルアー組立体１５０を嵌合して、流体密封密閉を形成する。ルアー組立体１５０は、作用電極ワイヤ（図示せず）を介して電気コネクタ１４０に電気的に結合されたルアーコネクタ３８をさらに含む。作用電極ワイヤは、接触点１０４から作用電極導管１３４を介してコネクタ１４０に伸びる。導管１３４は、管１３２内のゲル溶液に対して流体密封されているため、ＲＥ４４に印加される任意の電圧から分離される。
【０１６８】
いくつかの実施形態において、ルアー組立体１５０を、サーミスタ１７０を受容する溝１３６を含むようにさらに改造する。いくつかの実施形態において、サーミスタ１７０をシアノアクリル酸メチル化合物などの接着剤で溝１３６に接着する。最終的な組立てを通じて、カートリッジ１３０をＣＥ４０に挿入し、熱伝導性エポキシを用いて密閉する。熱伝導性エポキシおよび炭素繊維管ＣＥ４０は、サーミスタを外部の目標溶液に熱的につないで、迅速かつ正確な温度測定を可能にする。サーミスタ１７０は、ワイヤ１７２を介してコネクタ１４０に電気的に結合された温度センサをさらに含む。プロトン活性は、温度とともに変化するため、正確なｐＨ値の測定を行う場合はサンプル溶液の温度を考慮すべきであることを当業者は理解するであろう。ワイヤ１７２を外管１３２の外側に配置し、電気コネクタ１４０の外面に位置する溝１３８に通す。あるいは、いくつかの実施形態において、ワイヤ１７２を外管１３２内に配置し、ゲル溶液およびＲＥ４４（図示せず）に印加される任意の電圧への曝露を防止するように絶縁する。さらに、いくつかの実施形態において、ワイヤ１７２は溝１３８から出て、プローブ組立体２０１のベース容器３５内に収容された印刷回路基板に直接結合される。
【０１６９】
他の実施形態において、ＲＥ４４を、二重接合部を含むようにさらに改造することによって、ワイヤ１６０を小型基準組立体１９０にて分離することによりゲル溶液内の汚染からワイヤ１６０を保護する。小型基準組立体１９０は、一般に、管状部材１３２内に配置された管状部材などのケースを含み、リードまたはワイヤ１６０の被絶縁部が小型基準組立体１９０内に挿入される。小型基準組立体１９０は、３ＭのＫＣｌ  ＡｇＣｌゲル溶液をも含み、ＲＥ４４のゲル溶液と小型基準組立体１９０との間の塩橋として作用する小型フリット１９８を含む。二重接合構成は、サンプル溶液とワイヤ１６０との間のさらなるバリヤを提供することによって、ＲＥ電圧値の精度を向上させる。
【０１７０】
いくつかの実施形態において、図１７Ｂに示されるように、ＲＥ４４を、ｊフック構成の小型基準組立体１９２を含むように改造する。あるいは、小型基準組立体１９２を、塩素化銀ワイヤ１６０がカートリッジルアー組立体１５０に隣接して配置されるようにＲＥ４４の近端部１５２に配置する。絶縁ワイヤ１９４のさらなる範囲を、小型基準組立体１９２から突出した塩素化銀ワイヤの露出部１６２に結合して、小型基準組立体１９２と電気コネクタ１４０との間の接続を可能にする。管状部材２０６の近端部を密閉バリヤ１９６（その密閉バリヤは、露出部１６２をも封入する）で塞ぐとともに、遠端部にフリット構成要素１９８を嵌合させ、銀ワイヤ１６０を管状部材２０６内の３ＭのＫＣｌ  ＡｇＣｌゲル溶液に懸濁させる。小型基準組立体１９２のｊフック構成は、ワイヤ１６０の少なくとも一部をサンプル溶液の温度および／またはサーミスタ１７０によって測定された温度に曝露させることを確実にする。銀ワイヤ１６０をサンプル溶液と同じ温度にすると、センサの温度感受性が低下する。
【０１７１】
続けて図１７Ａを参照すると、外管１３２の遠端部１５４を密閉バリヤ１８０で塞ぐことによってＲＥ４４の組立てを開始する。いくつかの実施形態において、密閉バリヤ１８０は、外管１３２に嵌合する、ＫＣｌゲル溶液に対する発泡体または別の材料の抵抗を含む。導管１３４および小型基準組立体１９０の導通を可能にするように、バリヤ１８０を遠端部１５４内に配置する。遠端部１５４を、室温で加硫するシリコーンなどのポリマー密閉材１８２でさらに密閉する。最後に、エポキシまたは他の好適な接着性化合物を介して、電気コネクタ１４０を遠端部１５４に固定的に結合する。
【０１７２】
次に図１８を参照すると、プローブ組立体２０１の断面図が示されている。組み立てるときに、電気コネクタ１４０をベースエンクロージャ３５内に配置し、印刷回路基板２００または機能的に同等の電気的構成要素に結合する。いくつかの実施形態において、印刷回路基板２００は、組立体２０１の残りの構成要素から受信されたアナログ信号を、受信、増幅および変換するように構成された回路２１０をさらに含む。当業者は、ベースエンクロージャ３５を、本発明の主旨の範囲内で、任意のタイプまたは構成の電子回路を収容するように改造できることを理解するであろう。
【０１７３】
組み立てられたチップ部３７の詳細断面図を図１９に示す。既に記載したように、チップ部３７は、ＣＥ４０、ＲＥ４４およびＷＥ４２が、共通の中心軸７６に沿って互いに相対的に同軸配置されるように構成される。具体的には、ＣＥ４０が軸７６から最も遠くに配置され、ＷＥ４２が中心の軸７６上に配置され、ＲＥ４４が、ＣＥ４０とＷＥ４２の間に挿入配置される。この構成は、３つの構成要素電極の間の正確な空間的関係を確立し、本質的に拡大縮小可能である。この構成は、さらに、電極間に放射対称が維持されるように隣接電極間に等距離間隔を確立する。
【０１７４】
ＷＥ４２は、標準的な先細りまたはルアー型コネクタ３８を介して接触点１０４の端部に機械的に接続された脱着可能ポリマーチップ３６上に位置する。チップ３６を、さらに、接触バネ１０６を介して接触点１０４に電気的に結合する。接触点１０４を導管１３４に固定的に、かつ密封して接続し、作用電極ワイヤ１４２を介して電気コネクタ１４０に電気的に結合する。接触点１０４を、さらに、ルアーコネクタ３８に固定的に、かつ密封して接続する。
【０１７５】
いくつかの実施形態において、カートリッジルアー組立体１５０は、フリット部材２２０を受容するための環状凹部１５６を含む。いくつかの実施形態において、フリット部材２２０は、ルアーコネクタ３８を囲み、それに固定的に結合された、環形を有するポリマーまたはセラミックフリットを含む。フリット部材２２０を、サンプル溶液１２０と接触する近端部およびＲＥ４４のゲル溶液１８３と接触する遠端部を有するように配置する。フリット部材２２０は、それ自体、塩橋として作用して、サンプル１２０とＲＥ４４のゲル溶液１８３との間のイオン交換を可能にする。
【０１７６】
カートリッジルアー組立体１５０を管状部材１３２に固定的に結合し、ＣＥ４０に機械的または可逆的に結合する。しかし、ルアー組立体１５０とＣＥ４０との間の機械的接続は、ＣＥ４０と管状部材１３２の外面との間の望ましくない流体の漏れを防止する流体密封密閉を提供する。
【０１７７】
カートリッジ組立体１３０とＣＥ４０との間の接続は、プローブ組立体２０１内の様々な構成要素の検査、洗浄または交換ができるように、カートリッジ組立体１３０およびＣＥ４０の取り外しを可能にする。いくつかの実施形態において、カートリッジ組立体をＣＥ４０に再挿入すると電気コネクタ１４０を整合的に整列するように構成される指向性チャネル（図示せず）を含むように、ベース容器３５の内面を改造する。この特徴は、印刷回路基板２００への電気コネクタ１４０の結合を制御または支援する。この特徴は、ＣＥ４０内のカートリッジ組立体１３０の適正な配列を確保することによって、誤配列または交差電気接続による損傷を防止する。
【０１７８】
いくつかの実施形態において、環状間隙１２４をＷＥ４２の近端部とチップ３６との間に設ける。ＷＥ４２を調製する際に、炭素ロッドをチップ３６の開口１２２内に配置し、続いてエポキシ樹脂などの好適な接着性材料１４３を間隙１２４に充填することによってチップ３６に固定または固着させる。ＷＥ４２は、非炭素系導電性材料などの代替的な基板材料、ならびに以上に記載されている基板材料およびその全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００９年７月１５日に出願された特許文献７、名称「ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ｐＨ」に開示されている基板材料をさらに含むことができる。接着性材料１４３を硬化させると、炭素ロッドを研磨し、または他の方法で削ることによって、作用電極炭素材料の任意の側壁面の露出をなくす。
【０１７９】
さらに、以上に記載され、かつその全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００９年１２月２２日に出願された特許文献８、名称「ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＡＮＡＬＹＴＥ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＦＯＲ  ＵＳＥ  ＩＮ  Ａ  ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＡＮＡＬＹＴＥ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥ」に開示されているように、適切な分析物感応性材料（ＡＳＭ）を炭素ロッドの露出面にコーティングすることによって炭素材料を調製する。特に、いくつかの実施形態において、１ｕＬ分取量の自動ナノリットルディスペンサ（ＳＧＥ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ＳｃｉｅｎｃｅによるｅＶｏｌ）を使用して、ＡＳＭ（２−（ベータ−ナフトール）メチルアントラキノン）の１ｍＭアセトニトリル溶液を、露出した炭素チップ表面上に計量分配した。計量分配が完了すると、コーティングされたチップを１５０℃のオーブンにて３０分間硬化させて、最終的な使用可能な形のチップ３６を得た。
【０１８０】
当業者は、本発明の独自のハイブリッド構成を理解するであろう。特に、当業者は、この固体状態ＷＥ４２と従来ベースのＲＥ４４との組合せを理解するであろう。このハイブリッド構成は、従来のガラス電極の望ましくなく、厄介な較正要件を伴わずに、従来ベースのＲＥ４４の信頼性を有するｐＨプローブ組立体２０１を提供する。したがって、本発明は、従来のｐＨ計測システムの限界を克服する新規かつ有用な組合せを提供する。
【０１８１】
Ａ（２）（ｂ）：他のプローブ構成
実施例２：ｐＨセンサワンド組立体
次に図５〜１１を参照すると、いくつかの実施形態において、任意の遠隔容器、例えばバイオリアクターに導入して、ｐＨセンサの再較正を必要とせずに、長期間にわたって容器内容物を絶えず監視する能力を与えることができるワンド構成を有するｐＨセンサが提供される。ワンドを以下の通り組み立てた。
【０１８２】
ワンド組立体は、本発明の教示に従ってＷＥ、ＣＥおよびＲＥを含む。特に、ワンド組立体は、上記ＡＳＭの実施例２に記載されているように得られたＷＥを含む。図６、７および９のＣＥ８を、５ｍｍの長さに切断された１／４インチの直径グラファイトロッド（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）から形成した。銀エポキシ（ＭｃＭａｓｔｅｒ  Ｃａｒｒ）を使用して、グラファイトロッド３４をＰＥＥＫ筐体内の密接する円筒状キャビティにおいて真鍮の背板に接着した。キャビティの寸法は、ロッドと同じであった。真鍮の背板に取りつけられた銅線は、コントローラ／プロセッサへの電気的接続を提供した。エポキシを硬化させると、最初に２２０グリットの紙やすりを用い、次いで１２００グリットの紙やすりを用いてグラファイトを研磨して、滑らかで平坦な表面を得た。
【０１８３】
このＣＥの実施形態は、性能を犠牲にすることなく従来のプラチナ対向電極より構成するためのコストが小さく、表面分解が小さいため、従来のステンレス鋼対向電極より良好な性能を示す。
【０１８４】
さらに、図６、７、１０および１１に示されるＲＥ７を以下の通り準備した。６ｍｍの長さの０．５ｍｍ銀ワイヤ（Ａｌｄｒｉｃｈ）をシリコーンゴムグロメット２３に配置し、塩素化処理して、ワイヤ２２の表面に塩化銀の層を堆積した。塩素化処理は、０．１モルの塩酸溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ）中で３０分間にわたって２５０マイクロアンペアの一定電流を与えるように構成されたポテンショスタット（ＰＧＳｔａｔ１２、Ｅｃｏｃｈｅｍｉｅ）に作用電極としての銀ワイヤを接続することからなっていた。これにより、塩素化銀ワイヤを得た。
【０１８５】
個別に、直径１／１６”の素焼多孔質セラミックロッド１７（ＣｏｏｒｓＴｅｋ）を熱収縮チューブ１８内に保持し、管の一端の内径（ＩＤ）が熱収縮／セラミックロッドの外径（ＯＤ）より大きくなるように機械加工された管のＵｌｔｅｍプラスチック（ＭｃＭａｓｔｅｒ  Ｃａｒｒ）から形成された筐体１６に嵌め込んだ。次いで、熱収縮／セラミックロッドのＯＤと管のＩＤとの間に生じたキャビティにエポキシ（Ｅｐｏｘｉｅｓ、Ｅｔｃ．）を埋め込み、硬化させた。セラミックロッドの外面を平坦に研磨して、円形のセラミックのみを露出させた。この手順により、ロッドが、液体およびイオンを拡散させることができるチャネルとして作用する多孔質セラミックロッドのためのＵｌｔｅｍ筐体を得た。次いで、Ｕｌｔｅｍ管の残りの開口端に、セラミックロッドの内部末端に接触するゲル（高分子量のヒドロキシエチルセルロースを含む飽和ＫＣｌ水溶液および飽和ＡｇＣｌ水溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ））を充填した。
【０１８６】
ＲＥの組立てを完了させるために、（気泡形成を回避しながら）塩素化銀ワイヤおよびシリコーングロメットをゲルに押し込み、Ｕｌｔｅｍ筐体にねじ込まれた真鍮ネジを使用して所定位置に密閉した。真鍮ネジは、ＲＥとコントローラ／プロセッサとの間の電気的接触をも与える。
【０１８７】
この基準電極は、銀ワイヤなどの擬似基準電極と比較して優れた電位安定性を有するとともに、従来の銀−塩化銀基準電極ではしばしば必要とされる電解質の不断の維持を必要としない。また、図５、図６および図７に示されるように、従来の銀−塩化銀ＲＥと比較してこのＲＥのサイズが小さいため、それをｐＨセンサチップ２内に嵌合することが可能である。
【０１８８】
その塩化物濃度が１０％の範囲内で一定であるサンプル組成物における使用に好適である代替的なＲＥは、塩化銀コーティング部分のみがサンプルと接触する塩化銀コーティング銀ワイヤからなる。銀ワイヤの残りの部分は、電気絶縁カバーを介して溶液から分離される。次いで、絶縁された銀ワイヤを介する接続によりＲＥとコントローラ／プロセッサとの間を電気的に接触させる。ワイヤのこの塩化銀コーティング部分を、塩素化銀ワイヤを形成するための、既に記載した手法により作製することができる。さらなる別法は、塩化物の代わりに臭化物またはヨウ化物を使用することを含む。これらのＲＥは、その臭化物またはヨウ化物濃度がそれぞれ１０％の範囲内で一定であるサンプル組成物において効果的に機能する。
【０１８９】
コーティングされたワイヤである代替的なＲＥは、作製するのが極めて容易であり、それ自体、当技術分野で既知の基準電極と比較して低コストで単純な基準電極であるが、そのハロゲン化物濃度が１０％の範囲内で一定であるサンプル組成物における使用に限定される。
【０１９０】
センサチップ筐体１５に３つの長手の穴を掘って、作用電極、基準電極および対向電極を収容するように構成されるキャビティを形成することによってｐＨセンサチップ２を構築した。ＷＥ６を以上のＡＳＭ実施例２に記載されているようにＷＥキャビティ内に形成した。同時に、ＣＥ８を以上に記載されているようにＣＥキャビティ内に組み立てた。ＷＥおよびＣＥの形成に続いて、ＲＥ７を以上に記載されているように構築し、ＲＥキャビティに挿入した。これによりセンサチップを得た。
【０１９１】
次いで、最初に位置合せマーク１０および１１を用いてチップとセンサ本体との目視的な位置合せを行い、次いで接触ロケータピン９が接触ロケータ穴１４と係合するようにチップを本体上にスライドさせることによって、ＷＥ、ＣＥおよびＲＥに対する電極接触部１３を、センサ本体のセンサ端部上のそれらの対応する接触部１２と適正に位置を合わせてセンサチップに配置することによりセンサチップをセンサ本体４に嵌合させることによって、ｐＨセンサワンド１を組み立てた。
【０１９２】
実用的には、センサワンド組立体を遠隔容器に挿入し、コネクタ／ワイヤハーネス５をコントローラ／プロセッサのセンサワンドポートに挿入することによってコントローラ／プロセッサに電気的に結合する。次いでｐＨをボルタメトリック測定する。
【０１９３】
Ａ（３）（ａ）：プローブクリップ
本発明のいくつかの実施形態は、ｐＨセンサの保管および使用を容易にするｐＨセンサ付属品をさらに含む。例えば、次に図２０および図２１を参照すると、プローブクリップ３００が示されている。プローブクリップ３００は、一般に、プローブ組立体２０１の軸部４７を整合的に受容する大きさの開口部３０２を有する軟質または半硬質成形ポリマー材料を含む。プローブクリップ３００は、プローブ２０１のチップが目標溶液２９０で懸濁されるように、ｐＨプローブ２０１を所望の容器２８０に結合するための手段として提供される。
【０１９４】
いくつかの実施形態において、開口部３０２は、開口部３０２の拡大を可能にすることによって、様々なサイズおよび設計のｐＨプローブ組立体を収容するために拡大間隔３０４および／または逃げ溝３０６をさらに含む。プローブ組立体２０１は、一般に、摩擦嵌合を介して開口部３０２内に維持される。いくつかの実施形態において、２つの界面の間の摩擦を大きくするためのテクスチャまたはコーティングを含むように開口部３０２をさらに改造する。プローブクリップ３００は、使用時のプローブ組立体をさらに安定させるための長形面３０８をも含み得る。クリップ３００内のプローブ組立体２０１の懸垂高さを、開口部３０２内へのプローブ組立体２０１のさらなる挿入または引込みによって調整する。
【０１９５】
開口部３０２および長形面３０８を、支持ベース３１０を介してクリップ３１２に直接結合する。支持ベース３１０およびクリップ３１２は、目標溶液２９０を保持する容器２８０の縁２８２または露出面を跨るように構成される。いくつかの実施形態において、間隙３１４を、容器の肉厚を収容するようにクリップ３１２と開口部３０２または長形面３０８との間に挿入する。例えば、間隙３１４は、容器の肉厚にほぼ等しいか、またはそれよりわずかに狭い幅を含むことができる。間隙３１４は、容器の縁またはリップの非線形の特徴を整合的に受容するように構成された輪郭または形状をさらに含むことができる。例えば、いくつかの実施形態において、間隙３１４は、容器の傾斜リップを受容するための形状を含む。
【０１９６】
次に図２２を参照すると、翼状プローブクリップ３２０が示されている。プローブクリップ３２０は、開口部３２２の拡大を可能にすることによって、様々なサイズおよび設計のｐＨプローブ組立体を収容するために逃げ溝３２８を有する開口部３２２を含む。プローブクリップ３２０は、全般的に開口部３２２と同じ平面内に整列された接触点３３２を有する一対の対向配置翼３３０をさらに含む。開口部３２２と翼３３０は、支持ベース３４０を介して互いに結合される。
【０１９７】
最初に対向配置翼３３０を内方向に圧縮することによって接触部３３２を開口部３２２に対して外方向に移動させることによって、プローブクリップ３２０を容器に固定する。翼３３０を圧縮すると、間隙（図示せず）を接触部３３２と開口接触部３２４との間に設ける。次いで、接触部３３２が容器の外面に配置され、開口接触部３２４が容器の内面に対して配置されるようにプローブクリップ３２０を容器の縁上に配置する。開口接触部３２４は、全般的に、接触部３３２の間に配置される。翼３３０を解放すると、開口接触部３２４を容器の内面に対して強く引くことによってプローブクリップ３２０の位置を固定する。アーム３２６は、容器の縁を横切ることによって、容器の開口に近接するクリップ３２０の位置を維持する。
【０１９８】
次に図２３および図２４を参照すると、コードクリップ３５０が示されている。いくつかの実施形態において、コードクリップ３５０は、容器２８０のエッジまたは縁２８２を受容するための口部３５２を有する蝶番式クリップを含む。コードクリップ３５０は、クリップ３５０の内部アーム３５４に旋回可能に結合されたコード留め具３６０をさらに含む。コード留め具３６０は、全般的に、プローブ組立体１０のコード７０の位置を固定的に維持するように構成されている。いくつかの実施形態において、コード留め具３６０は、内部にバネ搭載ピストン３６４が取りつけられた外筒３６２を含む。活性化の前に、ピストンのコードスロット３６６の一部だけが筒窓３７０を介して露出されるようにピストン３６４を緩める。ピストン３６４を活性化させると、コードスロット３６６を、筒窓３７０を介して完全に露出させる。露出したら、ｐＨプローブ組立体２０１のコード７０を、窓３７０を介してコードスロット３６６に挿入する。次いで、ピストン３６４を緩めることにより、ピストン３６４を緩和位置に戻すことによって、コード７０を窓３７０とコードスロット３６６との間に挟持するか、または他の方法で固定する。
【０１９９】
プローブ組立体２０１とクリップ３５０との間の距離を増大または減少させることによってプローブ組立体２０１の懸垂高さを調整する。この距離の変更は、ピストン３６４を活性化させることにより、コード７０の挟持または固定位置を緩めた後に、コード７０を再調整することによって実施される。適切な懸垂高さに達すると、ピストン３６４を緩めることによって、コード７０の狭持および／または固定位置を回復させる。クリップ３５０の旋回軸特徴は、コード７０の望ましくない屈曲または折れ曲りを防止するようにプローブ２０１の懸垂位置を調節する。いくつかの実施形態において、コード留め具３６０を所望の角度で内部アーム３５４に固定的に取りつける。
【０２００】
Ａ（３）（ｂ）：プローブインクウェル
使用していないときは、図１４および図２５に示されるように、プローブ組立体２０１のｐＨセンサを収納ベース８０の開口８２に挿入することができる。収納ベース８０は、ベース容器３５が全体的に垂直位置に保持されるようにプローブ組立体２０１を固定的に保持するように構成されている。湿潤溶液９０を保持するか、または他の方法で維持することによって、図２５に示されるように、開口８２内に挿入したときにプローブ組立体２０１のチップ部３７を湿潤溶液９０に収納するように収納ベース８０の内部空間８４をさらに改造することができる。
【０２０１】
続けて図２５を参照すると、収納ベース８０の断面図が示されている。収納ベース８０のいくつかの実施形態は、底板８８に蝶番式に結合された上蓋８６を有するクラムシェル構成を含む。底板８８は、湿潤溶液９０を保持するためのボトル１００または他の容器を整合的に受容する形状および直径を有する成形ウェル９２を含む。底板８８は、低い重心を与えることによって収納ベース８０をさらに安定させるためにベース錘９４をさらに含む。
【０２０２】
上蓋８６は、ボトル１００の蓋１０２にしっかりと接触するように計算された長さを有する内方向押出成形体９６をさらに含む。したがって、押出成形体９６は、蓋１０２に接触して、成形ウェル９２内のボトル１００の位置を維持する。いくつかの実施形態において、ワッシャまたはスペーサ９８を押出成形体９６と蓋１０２の間に挿入して界面を密閉することによって、湿潤溶液９０が内部空間８４に漏れるのを防止する。
【０２０３】
次に図２６を参照すると、蓋１０２の上面斜視図が示されている。プローブ組立体２０１の軸部４７の直径よりわずかに大きい直径を有する開口１１０を蓋１０２に設ける。したがって、図２５に示されるように、軸部４７が、開口１１０を介して湿潤溶液９０にアクセスすることを可能にする。いくつかの実施形態において、開口１１０は、複数のスリット１１４を有することによって複数の対向フラップ１１６を提供する膜１１２をさらに含む。
【０２０４】
膜１１２は、一般に、そのｐＨ測定値を得ることになる様々な酸性溶液および塩基性溶液に対して抵抗性である弾性材料を含む。例えば、いくつかの実施形態において、膜１１２は、ゴムまたはプラスチックポリマー材料を含む。膜１１２は、プローブ組立体２０１が開口１１０から除去されると、膜１１２のフラップ１１６がそれらの本来の形状または構成を回復して、開口１１０を実質的に閉じるように、適度に弾性の材料をさらに含む。プローブ組立体２０１が挿入されるか、または収納ベース８０から除去されると、軸部４７の外面から溶液を拭き取るか、または他の方法で除去するようにフラップ１１６を構成することもできる。
【０２０５】
スリット１１４の数およびフラップ１１６のサイズは、プローブ組立体２０１を収容する必要に応じて異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、フラップ１１６は、開口１１０を実質的に閉じて湿潤溶液９０の蒸発を防止する。フラップ１１６は、軸部４７に半径方向の支持をさらに提供することによって軸部４７を開口１１０内の中心に配置する。
【０２０６】
プローブ組立体２０１のボトル１００への挿入時に蓋１０２と軸部４７との間の気密密閉を防止するようにフラップ１１６のサイズをさらに改造することができる。気密密閉は、ボトル１００内の空気圧を上昇させて、プローブ組立体２０１内に正の空気圧をもたらすため一般に望ましくない。プローブ組立体２０１内の正の空気圧は、組立体内の主要構成要素の変位をもたらし得るため、回避されるべきである。したがって、いくつかの実施形態において、フラップ１１６は、プローブ組立体２０１の挿入を可能にするが、蓋１０２と軸部４７との間の気密密閉を防止するように構成される。
【０２０７】
プローブの基準電極の湿潤を必要とする任意のｐＨプローブまたはガラス電極を収容するように、収納ベース８０の特徴を全般的に改造することができる。例えば、いくつかの実施形態において、本発明によって教示されていないサイズおよび構成を有するｐＨプローブ組立体を収容するように、開口８２および膜１１２を改造する。収納ベース８０の実施形態は、複数のプローブ組立体２０および／または湿潤溶液を収容するための複数の開口および複数の成形ウェル９２をさらに含むことができることがさらに期待される。
【０２０８】
Ａ（３）（ｃ）：密封パッケージング
次に図２７を参照すると、ディスポーザブルチップ３６の密封パッケージ２３０の断面図が示されている。いくつかの実施形態において、密封パッケージ２３０は、使用前にディスポーザブルＷＥチップ３６を収納するための複数のウェル２３２を有するディスポーザブルポリマーパッケージングを含む。各ウェル２３２を周囲環境から個々に密閉するように箔蓋２３４をベース部材２４０にあてがう。接触点１０４をチップ３６の挿入部分５６に近接する位置で箔蓋２３４に押し込むことによってそれぞれのウェル２３２からチップ３６を除去する。いくつかの実施形態において、各ウェル２３２の中心を箔蓋２３４の外面に標示して、接触点１０４を挿入すべき箇所の視覚的指標を提供する。いくつかの実施形態において、視覚的指標は、円、点、物理的圧痕、テクスチャ、標的シンボル、色、透明窓またはそれらの任意の組合せを含む。
【０２０９】
箔蓋２３４は、当技術分野で既知の任意の好適な材料を含むことができる。いくつかの実施形態において、蓋２３４の材料および／または厚さは、接触点１０４を蓋２３４に押し込むときに所望の抵抗を提供するように選択される。例えば、いくつかの実施形態において、蓋２３４の物理特性は、接触点１０４を蓋２３４に押し込むのに必要とされる最小限の力が、接触点１０４を挿入部分５６内に正確かつ十分に固定するのに必要とされる力に等しくなるように選択される。接触点１０４を蓋２３４に押し込む単なる作用は、それ自体、ルアーコネクタ３８にチップ３６を固定的に搭載するのに十分な遂行力を生成する。
【０２１０】
いくつかの実施形態において、図２８Ａおよび図２８Ｆに示されるように、密封パッケージ２３０を保持するための手段として収納トレイ２５０を提供する。収納トレイ２５０は、一般に、密封パッケージ２３０を受容する大きさおよび構成のウェル２５２を有する硬質または半硬質材料を含む。収納トレイ２５０のいくつかの実施形態は、複数の穴４２１をさらに含むことによって密封チップ３６にアクセスする。いくつかの実施形態において、収納トレイ２５０は、チップ除去溝２６０を含む。他の実施形態において、収納トレイ２５０は、ＷＥチップ３６に対するアクセスを確保するための複数の穴を有する蓋４０１を含む。チップ除去溝２６０は、プローブ組立体２０１のルアーコネクタ３８からＷＥチップ３６を除去するための手段として提供される。いくつかの実施形態において、チップ除去溝２６０は、使用されたチップ３６を受容するための第１の端部２５６と、その反対側に位置する狭い端部２５８とを有する先細りの開口を含む。チップ３６を第１の端部２５６から第２の端部２５８に移動させると、先細りの開口は、チップ３６とカートリッジルアー組立体との間のクサビとして作用して、チップ３６をルアーコネクタ３８から変位させる。いくつかの実施形態において、除去溝２６０は、図２８Ｃおよび図２８Ｄに示されるように、開口の壁が、第１の端部２５６から第２の端部２５８にかけて徐々にその厚さを増大させる傾斜壁をさらに含む。さらに、いくつかの実施形態において、収納トレイ２５０は、プローブ組立体２０１の除去後に、チップ３６を自動的に捕捉し回収ビンに保持するように回収ビン４０５を含む。
【０２１１】
Ｂ：信号の取得および処理
本発明のｐＨセンサ組立体は、コントローラ／プロセッサまたはプロセッサモジュールおよび前置増幅器ボードまたは前置増幅器モジュールをさらに含む。コントローラ／プロセッサおよび前置増幅器ボードは、一緒になって、ボルタメトリック実験を実施することが可能なポテンショスタットを実装する電子ハードウェアおよびファームウェアを含む。方形波ボルタメトリーは、他の直流（ＤＣ）技術に比べて信号対ノイズの向上をもたらし、不可逆的な酸化還元プロセスに起因する信号を除去するため有利であるが、他の方法を採用することもできる。例えば、いくつかの実施形態において、分析物の存在をアンペロメトリーにより検出する。
【０２１２】
概して、プロセッサモジュールは、以下の構成要素、すなわち以下に記載される実施形態では外部ＡＣ電源によって、または代替的実施形態では内部電池ＤＣ電源によって電力供給され得る電源；ｐＨセンサ電極ポートを介してｐＨセンサ電極にインタフェースするコネクタ；マイクロプロセッサ、信号調整増幅器および不揮発性メモリを含む電子ハードウェア；走査を開始および停止するためのユーザ入力を受け付け、基準電極に対して対向電極の電位を制御し、データ、例えば作用電極を流れる電流を測定および分析することによって方形波ボルタメトリーを実施するように電子ハードウェアを制御し、得られたデータからｐＨ測定値を計算および表示し、刻時データを不揮発性メモリに記憶し、ユーザまたはサービス員によって呼び戻されたときにデータをメモリから取り出すファームウェアを含む。
【０２１３】
いくつかの実施形態において、前置増幅器モジュールは、ＲＥにおける所望の電位を示すプロセッサモジュールからの１つの信号を受信し、ＲＥにおける実際の電位を示すＲＥからの第２の信号を受信し、次いでＲＥにおける所望の電位が達成されるように電気化学電池電位を調整するための第３の信号を、ＣＥを介して出力することによって、所望の電池電位をＲＥに加える。ＷＥがＲＥに近接しているため、ＷＥとＲＥとの間の電位差は無視できると想定される。さらに、前置増幅器モジュールは、ＷＥからの信号を、プロセッサモジュールによって読取り可能になるように電気的にスケール変更する。プロセッサモジュールは、電気的にスケール変更された信号をＷＥから前置増幅器を介して受信し、この信号をプロセッサモジュールから出力された所望の電池電位に対して分析する。この分析の結果を、ＷＥの特徴的な分析物応答と比較して、値を分析物に関連づけることを可能にする。
【０２１４】
いくつかの実施形態において、前置増幅器モジュールは、以下の構成要素、すなわちＣＥ／ＲＥフィードバック回路、ＷＥ電流−電圧前置増幅器、デジタル電位計、不揮発性メモリ、機械的継電器および固体状態継電器を含む。
【０２１５】
実用的には、方形波ボルタメトリーを使用してｐＨを測定する。コントローラ／プロセッサは、一連の方形波パルスをサンプルに供給し、次のパルスの供給の直前における各方形波パルスの最後に電流測定を行う。方形波パルス群における各階段電位については、順電流および逆電流の両方を測定する。次いで、不可逆的プロセスから応答を除くことによって可逆的電気化学プロセスを測定するように測定結果を互いに減算する。不可逆的プロセス応答を除去すると、信号対ノイズ比が向上して、より正確なｐＨ測定が可能になる。
【０２１６】
いくつかの実施形態において、マイクロプロセッサに制御されたアナログ−デジタル変換器を使用して電流測定を行う。デジタル濾過技術を採用して、アナログ信号調整ハードウェアによって実施されるノイズ低減よりさらに信号ノイズを低減することもできる。例えば、いくつかの実施形態において、複数のデジタルサンプルを、間隔をおいて採取し、平均して、差電流と称する１つの電流測定値を構成する。いくつかの実施形態において、デジタルサンプル間の間隔は１ミリ秒である。これらの電流測定の結果を、それらが行われた電位に関してマイクロプロセッサによって分析する。いくつかの実施形態において、マイクロプロセッサによる分析は、ｉ．）差電流測定値を集めて連続的な波形を作成すること、ｉｉ．）差電流波形における最大増幅ピークの位置を特定すること、およびｉｉｉ．）このピークが生じた電位と、入力変数がピーク電位であり、出力が分析された溶液のｐＨである事前設定検量線とを比較することを含む。さらなる実施形態において、連続的な差電流波形を加重移動平均（ＷＭＡ）フィルタによってデジタル濾過して、スプリアスノイズをさらに低減し、ピーク電位の位置をより正確に特定する。さらなる実施形態において、ＷＭＡフィルタを無限インパルス応答（ＩＩＲ）デジタルフィルタと交換するか、ＷＭＡフィルタに無限インパルス応答（ＩＩＲ）デジタルフィルタを追加する。他の実施形態において、連続的な差電流波形の第１の派生物および第２の派生物を使用して、ピーク電位の位置特定を容易にする。
【０２１７】
ＣＥ／ＲＥフィードバック回路を、物理的にＣＥおよびＲＥに近い前置増幅器モジュール上に配置する。ＲＥとフィードバック回路との間の電気的接続は高インピーダンスであるため、モータまたは実験用撹拌板などの外部ノイズ源からの影響を受けやすい。この設計は、ＣＥ／ＲＥに可能な限り近いフィードバック回路の位置を特定して、外部ノイズ源の影響を軽減する。いくつかの実施形態において、信号前置増幅回路は、雑音排除のために物理的にＷＥの近くにあることがさらに望ましい。信号前置増幅回路は、数十または数百マイクロアンペアのオーダの電流をボルト単位のオーダの電圧に変換する。前増幅後に、外部ノイズ源による干渉を最小限にしながら、１メートル長のプローブケーブルを介してＷＥ信号をプロセッサモジュールに送信することが可能である。他の実施形態において、プローブケーブルは、１メートルを超える、または１メートル未満の長さを含む。代替的実施形態は、信号処理モジュールへの送信の前にアナログ信号をデジタル信号に変換して、無線送信またはより長距離送信を可能にする。
【０２１８】
いくつかの実施形態において、プローブ電子部品は、０．５ワットのオーダで電力を消費する。他の実施形態では、電池を介して電力供給することができ、ＷＥ信号をプロセッサモジュールに無線送信することができる。無線送信は、手持形プローブ以外のセンサ構成に適用可能である。
【０２１９】
いくつかの実施形態において、マイクロプロセッサおよび関連回路は、信号前置増幅回路の利得を迅速に変化させてＷＥ電流強度のばらつきを補償する能力を有することがさらに望ましい。信号前置増幅ステージは、デジタル電位計などの調整可能な利得抵抗器を含む電流−電圧変換器からなる。いくつかの実施形態において、マイクロプロセッサは、デジタル電位計値を連続的に調整して、可能な最良の信号対ノイズ比を達成する。
【０２２０】
いくつかの実施形態において、マイクロプロセッサは、方形波周期、または方形波パルス流におけるステップの間の時間間隔を制御することがさらに望ましい。ＷＥ電流が定常状態に達するのに要する時間は、分析される溶液の組成を含む多くの要因により実験毎に異なり得る。従来の方形波ボルタメトリーでは、マイクロプロセッサが電流を測定する前にＷＥ電流が必ず定常状態に達するように、方形波周期を事前設定する。当該技術に対する改良型において、マイクロプロセッサは、ＷＥ電流を連続的に測定し、電流がいつ定常状態に達したかを判断した上で、規定の間隔が経過するのを待たずに直ちに次の方形波ステップに進む。この自己可変方形波周期は、全体的な走査時間をより短くし、ｐＨ測定を実施するのに要する時間をより短くすることを当業者なら理解するであろう。
【０２２１】
いくつかの実施形態において、多くの連続的走査の移動平均を送信または表示することによって、ユーザに送信または表示されるｐＨ値をさらに安定させることが望ましい。事前設定閾値より大きい計算されたｐＨ値の変化を検出すると、プロセッサモジュールは、システムがｐＨの総体変化に直ちに応答するが、ｐＨの微妙な変化には徐々に応答するように移動平均をリセットする。
【０２２２】
いくつかの実施形態において、粗／微走査モードを採用することによって、ｐＨ値を送信または表示できるまで時間をさらに縮小することが望ましい。図２９を参照すると、走査ステップサイズ６１を２ミリボルトより大きな値まで増加させて、より粗い解像度で走査時間をより短くする。この粗走査は、おおざっぱに計算されたｐＨ値を表示するために使用されるのに対して、微走査、またはより小さな走査ステップサイズ６１による走査は、粗走査によりボルタメトリックピークが存在することが見いだされた領域に対してのみ実施される。微走査が完了すると、より正確な計算されたｐＨ値が表示される。得られた波形がボルタメトリックピークを含まなくなるまで、狭い電圧範囲に対する微走査を連続して実施し、その時点で、ｐＨ電圧範囲全体に対する粗走査を再び採用する。
【０２２３】
代替的実施形態において、初期のｐＨ値を送信または表示するのに要する時間が縮小されるように１つまたは複数の粗走査をインターリーブする。さらに、いくつかの実施形態において、１つまたは複数のインターリーブ走査を実行して、ｐＨ値の精度および／または正確さを高める。図２９、信号６２を参照すると、第１の走査が０、４、８等．．．ミリボルトの電位を駆動し、第２の後続の走査が２、６、１０等．．．ミリボルトの電位を電気化学電池に駆動するように走査ステップサイズを増加させる。したがって、初期走査時間、および初期ｐＨ値を送信または表示するのに要する時間が半分に減じられる。第２の後続の走査後に、ボルタメトリックピーク位置を平均し、計算されたｐＨ値をより正確に送信または表示する。２つを超えるインターリーブ走査を採用して、初期ｐＨ値を送信または表示するのに要する時間をさらに縮小するようにインターリーブ走査モードを拡張できることを当業者なら理解するであろう。
【０２２４】
いくつかの実施形態において、プローブ電子部品は、特に、電子部品に電力が供給されていないが、電気化学電池にいくらかの電位が残留する場合に、電流が偶発的に電極を流れ、それらに損傷を与えることを防止するためにＲＥ、ＣＥおよびＷＥから切断される能力を有することがさらに望ましい。ＲＥおよびＷＥは、ゼロリーク電流を効果的に確保するためにプロセッサモジュールを介して制御される機械的継電器を介して使用されない場合にプローブ電子部品から切断される。ＣＥは、固体状態継電器を介して使用されない場合にプローブ電子部品から切断される。固体状態継電器は、機械的継電器より物理的に小さいという利点を有し、ＣＥがリーク電流によって損傷される可能性がないためＣＥの場合に妥当である。
【０２２５】
いくつかの実施形態において、プローブ電子部品は、一連番号、利得設定、構成データ、またはプローブに特有の較正情報などの様々なデータを記憶するのに使用される不揮発性メモリをさらに含む。
【０２２６】
プロセッサモジュールは、後のダウンロードおよびパーソナルコンピュータでの分析に向けた刻時データを記録するのに使用される不揮発性メモリを含むこともできる。
【０２２７】
方形波ボルタメトリーにおいて、ＷＥ４２を流れる電流６６を測定しながら、ＲＥ４４とＷＥ４２との間の電位または電圧差６２を階段状に掃引する。いくつかの実施形態において、ＲＥ４４は、ＲＥ４４の電圧を監視する高インピーダンスＪＦＥＴ演算増幅器に接続される。ＷＥ４２は、ＷＥ４２を流れる電流を測定するための電流−電圧増幅器に接続される。最後に、ＣＥ４０は、その目的が、ＲＥ４４に所望の階段電圧を与えるのに必要なだけの電流を電池に駆動することである電子駆動体に接続される。
【０２２８】
電池を安定化させてから、次の電圧ステップ６２を印加する直前までに、ＷＥ４２を流れる定常状態の電流４６を測定する。ＷＥ４２を流れる差電流４８を、順方向の電流から逆方向の電流４６を減じることによって計算する。いくつかの実施形態において、プロセッサモジュール５０に使用される走査ステップサイズは、約４０ｍｓの走査周期では２ｍＶであり、走査周期は、サンプル溶液１２０において定常状態の電流に達するための時間定数によって制限される。１回の完全な走査は、約１００ｍＶから約−８５０ｍＶまでＲＥ４４上の電位を掃引し、走査前後の安定化時間を含めて完了するのに約２５秒を要する。
【０２２９】
次に図２９および３０を参照すると、サンプル溶液１２０についての電圧掃引６２対電流応答６６のグラフ図が示されている。計測デバイス５０は、プローブ組立体２０１からの信号６４および６８を受信してプロットする。電圧６２が大きくなると、ＷＥ４２のＡＳＭが還元されて、電流を流すと同時にプロトン６７を取り込む。電圧６２がサンプル溶液１２０に対する最適範囲を上回ると、ＷＥ４２のＡＳＭが完全に還元され、電流が消滅する。サンプル溶液曲線１２０の中心点１２２は、ＡＳＭの最大電流を表すため、サンプル溶液１２０を、既知のｐＨ緩衝液についての既に測定された標準化電圧１２６および１２８と比較するための便利な標識である。最大電流が観察される電圧は、示されているように、ＡＳＭ、および試験されているサンプル溶液１２０のｐＨの特徴である。
【０２３０】
次に図３０を参照すると、ｐＨ計測システム１０１の流れ図が示されている。いくつかの実施形態において、計測デバイス５０は、電圧掃引６０をプローブ組立体２０１のＣＥ４０に供給する。いくつかの実施形態において、電圧掃引６０は、銀／塩化銀基準電極に対して約０．２ボルトから約−１ボルトの周期的ボルタメトリーを含む。他の実施形態において、電圧掃引６０は、図３１に示されるように、銀／塩化銀基準電極に対して約０．２ボルトから約−１ボルトの方形波ボルタメトリーを含む。
【０２３１】
図３１は、サンプル溶液を介してＣＥ４０からＷＥに印加された方形波ボルタメトリーのグラフ図を示す。次いで、ＷＥを流れる発生電流をＷＥとＲＥとの間の電位の関数として記録する。最大電流が観察される電圧は、下記のように、ＡＳＭ、および試験されているサンプルのｐＨの特徴である。
【０２３２】
酸化還元反応が生じる電圧は、サンプル溶液におけるプロトンの濃度に依存する。例えば、高濃度のプロトンが存在する場合（すなわち酸性溶液の場合）は、反応は比較的正の電圧で生じる。逆に、低濃度のプロトンが存在する場合（すなわちアルカリ性または塩基性溶液の場合）は、反応は比較的負の電圧で生じる。したがって、既知のｐＨ緩衝液に対する標準化電圧を設定することにより、サンプル溶液の酸化還元電圧を既知のｐＨ緩衝液の標準化酸化還元電圧と比較することによってサンプル溶液のｐＨを測定することができる。
【０２３３】
いくつかの実施形態において、ｐＨセンサは、ＷＥからの信号を受信および増幅するための搭載回路を含む。ＷＥからの信号は、回路によって捕捉され、増幅され、次いで処理のためにプロセッサモジュール５０に送られる。処理すると、サンプル溶液のｐＨ値をディスプレイ５２に表示する。プロセッサモジュール５０は、一般に、以上に記載され、かつその全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００９年３月２５日に出願され、名称が「ＩＮＴＥＲＮＡＬＬＹ  ＣＡＬＩＢＲＡＴＥＤ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＰＨ」の特許文献９に開示されているように、一緒になって、ボルタメトリック実験を実施することが可能なポテンショスタットを実装する電子ハードウェアとファームウェアの組合せを含む。
【０２３４】
当業者は、様々な他のボルタメトリーおよび電気化学分析技術を成功裡に使用して、印加電圧を変化させ、ＷＥから供給される発生電流を測定できることを理解するであろう。例えば、いくつかの実施形態において、電圧掃引６０は、計測デバイス５０からＣＥ４０に加えられるＡＣ波形を含む。
【０２３５】
セクションＩＩ：関連デバイス
本発明のいくつかの実施形態において、ｐＨセンサ組立体は、その例が図１２および図１３に示されるセンサウェルトレイ組立体をさらに含む。
【０２３６】
ｐＨセンサウェルトレイ２５は、それぞれが、ＷＥ、ＲＥおよびＣＥを含むｐＨセンサ３３を含む複数のサンプルウェル３２で構成される。ｐＨセンサは、多くの構成のいずれであってもよい。一実施形態において、センサは、ＡＩＥをさらに含む。各ｐＨセンサの電極は、トレイがコントローラ／プロセッサのセンサウェルトレイポート２７に挿入された後にセンサ電極をコントローラ／プロセッサ２６に電気的に結合する電気エッジコネクタ３１と電気的に結合する。
【０２３７】
上記ｐＨセンサチップを構成するための方法を含むが、それに限定されない多種多様な方法でウェルセンサを構成することができる。多種多様なトレイ構成が可能である。例えば、多数のサンプルをセンサウェルに計量分配するための自動サンプルハンドリングシステムの使用に適応するマルチウェルプレートとしてトレイを構成することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２８Ｅ】
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【図２８Ｆ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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