(57)【要約】  コーティング電極には、電極と、生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとが含まれる。コーティング電極を形成する方法も提供される。バイオセンサは、複数の電極を含み、各電極は、コーティング電極を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）電極と、
（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと、
を含むコーティング電極。
【請求項２】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項３】
前記コーティング電極は、当該コーティング電極に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、キノンを活性化するように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項４】
さらにキノンを含み、
前記電極は、当該コーティング電極に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、前記キノンをトリガするように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項５】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項６】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、前記ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマー各々の間にギャップを含む、
請求項５に記載のコーティング電極。
【請求項７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、２つの前記コーティングが互いに散在させられるように、前記ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマー各々の間の前記ギャップ内に堆積されている、
請求項６に記載のコーティング電極。
【請求項８】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの厚さは、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングの厚さよりも薄い、
請求項７に記載のコーティング電極。
【請求項９】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１つ又は複数の化学的ハンドルを含み、
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、生体分子を固体化するように構成された前記コーティングを、電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングと結合するように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１０】
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される、
請求項９に記載のコーティング電極。
【請求項１１】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１２】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項１１に記載のコーティング電極。
【請求項１３】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１４】
前記無機導電性材料は、ナノ粒子を含む、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１５】
前記無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１６】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１００ｎｍよりも薄い、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１８】
複数の電極を含むバイオセンサであって、各電極はコーティング電極を含み、前記コーティング電極は、
（ａ）電極と、
（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと、
を含む、
バイオセンサ。
【請求項１９】
電極を改質する方法であって、当該方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するよう構成されたコーティングを有する電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
を含む、
電極を改質する方法。
【請求項２０】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの付与に先立ち、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングの１つ又は複数の前記化学基を不活性化することと、
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの付与に続いて、１つ又は複数の前記化学基を再活性化することと、
をさらに含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
１つ又は複数の前記化学基を、加水分解を用いて不活性化する、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、電解重合を用いて付与する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記無機導電性材料は、ナノ粒子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、気相蒸着、電気めっき、電着及び液相析出から成るグループから選択された技術を用いて付与する、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１００ｎｍよりも薄い、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、電着又は共有結合を用いて付与する、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
電極を改質する方法であって、当該方法は、
（ａ）電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成された前記コーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、
（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
を含み、
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングを、電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングに結合するように構成されている、
電極を改質する方法。
【請求項３５】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記無機導電性材料は、プラチナ又はパラジウムである、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る、
請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
（ａ）電極と、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとを含むコーティング電極を、キノンを含む溶液と接触させることと、
前記キノンを活性化させるために、前記コーティング電極に電荷を印加することと、
前記コーティング電極に関し局所的な領域のｐＨレベルを測定することと、
前記ｐＨレベルを調整することと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、電気化学系において、特に酸化還元分子としてキノンを使用する系のように本質的に緩慢な電子移動キネティクスを有する系において、電子移動キネティクスを最適化するための、電極表面の改質及び電極表面の改質方法に関する。本発明の態様は、これらの改質を、電極に含まれる他の表面改質の機能を維持しながら電極に付与することにも関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
電極の組成は、電気化学系において、特に、バイオセンサなどのような生化学において、極めて重要である。第一に、電極材料は、互いに生体適合性のあるものでなければならず、系内のどのような組成の標準的な挙動とも反応又は触媒作用を介して干渉してはならない。第二に、電極の電位窓は、電極を劣化させずに所望の電気化学的性質を生じさせるのに十分広いものであることが必要とされる。第三に、電極は、タンパク質、塩、又は、不可逆的に表面と結合して活性表面領域の量を減少させる他の化学種に由来するような、系に由来する不所望な変化に対する耐性がなければならない。第四に、一部の電気化学分析のためには、化学種を電極と緊密に係留させる必要がある。第五に、一部の適用事例においては、電極のいくつかの光学的特性（例えば、特定の波長に対する透明度又は不透明度など）が必要とされる場合もある。最後に、標的の電気化学反応は理想的には、系の組成による非生産的な及び／又は非意図的な副反応を排除する電位で進行させなければならない。
【０００３】
電子移動キネティクスも、電気化学系における重要な部分を果たす。高速な電子移動キネティクスは電気化学において極めて有利であり、その理由は、それらの電子移動キネティクスによって、酸化還元事象のあとに続く系全体の迅速な平衡が可能となるからである（Bard等によるElectrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, 96-115 (2001)）。ボルタメトリック検出プラットフォームの場合、電子移動キネティクスはそのままセンサの遅れ時間と言い換えられ、キネティクスが高速になれば、周囲の電気化学環境を速やかに反映するセンサが生み出される。酸化還元プロセスを能動的に駆動する電極の場合、キネティクスが高速になれば、活性化過電圧を低減することができ、これによって、標的種の標準電位（Ｅ０）付近で酸化還元を生じさせることができる。このことは、系の他の組成による不所望な副反応の低減に役立つ可能性がある。両方のケースにおいて、高速な電子移動は電気化学系を予測どおりに反応させるために役立つ。
【０００４】
電極の組成は、電気化学系における電子移動キネティクスに作用を及ぼし得るものであり、効率的な電子移動が生じない電気化学種に関して特に重要である。電子移動のために付加的なプロセス（例えば、陽子交換、溶剤再配合、結合剤再配置等）が必要とされ、それらが実質的に電子移動速度に寄与するような系の場合には、ネルンストの式が有効に適用されず、ネルンストの式に基づき構築される物理モデルが不正確になってしまう。
【０００５】
キノンは、非効率な電子移動が生じるかかる電気化学種の一例である。キノンは、最も広く研究された電気化学的活性分子の分類の１つである（K. Thomas Finley著の“Quinones,” Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35 (2005)を参照、ここで、この文献を参照したことにより、その開示内容全体が本明細書に取り込まれたものとする。さらにChambers, J.Q.著の“Electrochemistry of quinones,” Chemistry of Quinoid Compounds, 1:737-91 (1974)、Chambers, J.Q.著の“Electrochemistry of quinones,” Chemistry of Quinoid Compounds, 2:719-57 (1988)、Evans, D.H.著のEncyclopedia of Electrochemistry of the Elements, 12: 1-259 (1978)も参照されたい）。キノンは、電気化学系の幅広い範囲で頻繁に用いられる有機酸化還元分子の大きな分類であり、これには、生物学的な、人工的な、産業用の、医療用の、及び、基礎的学術的な適用事例が含まれるが、多くの電極に対してしばしば本質的に緩慢な電子移動速度を有する。
【０００６】
２つの主要なファクタが、キノンに関するこのような緩慢な電子移動速度の要因となっている。第一に、キノンは、２つの陽子と２つの電子の酸化還元反応を行う。よって、それらのボルタメトリック挙動は、陽子移動により引き起こされる付加的なファクタによって規定され、これには拡散係数、温度、関連する種のｐＫａ値、ジアニオンの安定度、及び場合によっては陽子移動速度の定数が含まれる（Bae等著の“Enhanced electrochemical reactions of 1,4-benzoquinone at nanoporous electrodes,” Phys. Chem. Chem. Phys., 15: 10645-53 (2013)を参照されたい）。その結果、キノンは標準的なネルンストの挙動に従わず、酸化還元の開始のためにたいていの電極において大きな過電圧が必要とされ、従って、それらは電位差センサとしての利用に限られる。キノン分子に対する構造的変更が、この本質的な速度の調整に役立つ可能性があるけれども、同様にかかる変更によって不可避的に、分子の挙動においてさらに別の結果がもたらされ（これにはシフトされた標準電位（Ｅ０）、可溶性に対する変化等が含まれる）、このような付加的な結果はしばしば重大なものであり、広く適用することはできない。
【０００７】
第二に、電子移動を行うことができるようになる前に、キノンは、物理的に電極に隣接していなければならず、その理由は、キノンが、準内圏型の電子移動（ロビン−デイの分類系のタイプＭ）を行うからである（Rosokha等著の“Continuum of Outer- and Inner-Sphere Mechanisms for Organic Electron Transfer. Steric Modulation of the Precursor Complex in Paramagnetic (Ion-Radical) Self-Exchanges,” J. Am. Chem. Soc., 129(12):3683-97 (2007)を参照されたい）。かくして電極表面は、いくつかの付加的なファクタを取り込む可能性があり、それらによって、キノンの観察される電子移動が最適な速度から低減される場合もある。例えば、電極界面における立体的な混み合いが、著しく重大な作用を及ぼす可能性がある（DuVall等著の“Control of Catechol and Hydroquinone Electron-Transfer Kinetics on Native and Modified Glassy Carbon Electrodes,” Anal. Chem., 71(20):4594-4602 (1999)を参照されたい）。同様に、電極表面における静電荷がキノンを引きつけるか又は遠ざける可能性があり、これによって、電子移動速度に大きな影響が及ぼされる場合もある（DuVall等著のJ. Am. Chem. Soc., 122(28):6759-64 (2000)を参照されたい）。キノンの拡散速度及びこれに作用を及ぼす変量（例えば、温度、粘度等）も、電子移動に影響を与える可能性がある。これに加えて、電極の表面領域全体が、どのくらいの電子移動が達成されるのかの重要な決定要因である。例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）電極などのような一部の電極には、それらの表面領域の一部分だけしか実際には電気化学的に活性ではない、という点において、さらにハンディがある。ＩＴＯ電極の物理的界面の大部分は導電性ではない。その理由は、導電性であり反応を生じさせることができるごく小さなホットスポットだけしか存在しないからである（Marrikar等著の“Modification of Indium-Tin Oxide Electrodes with Thiophene Copolymer Thin Films: Optimizing Electron Transfer to Solution Probe Molecules,” Langmuir, 23(3): 1530-42 (2007)を参照されたい）。よって、キノンなどのような酸化還元分子は、電極上のそれらのホットスポットのうちの１つと接触しているときにしか反応せず、その結果、電子移動反応がさらに、より非効率的になる。
【０００８】
電極から標的種への電子移動を改善する方法が知られている。電子的な生化学センサは、標的分子を酸化又は還元する酵素を使用することができ、このようにすれば、電極は、酵素を（それぞれ）還元又は酸化することによって酵素を「再生」し、存在する標的分子の量を定量化するために、電極を通過する電流全体が用いられる。ただし、酵素は、電極との電子移動パートナーとしては不十分なことが多く、従って、電子の移動を促進するために、媒介物又はシャトルとして有機分子が用いられる。米国特許出願公開第２００６／０１１３１８７号明細書（U.S. Pat App. Pub. No. 2006/0113187）には、電子移動を強化するために、溶液において、ルテニウム、フェロセン、又は、フェリシアニド誘導体を使用可能であることが開示されている。米国特許第４，８７９，２４３号明細書（U.S. Pat. No. 4,879,243）及び米国特許第７，５４４，４３８号明細書（U.S. Pat. No. 7,544,438）には、キノン誘導体がこの機能を果たせることが開示されているけれども、この場合、電子移動媒介物／エンハンサーが分析溶液自体の中に溶かされ、電極上には局在化されない。米国特許第７，３８４，７４９号明細書（U.S. Pat. No. 7,384,749）には、（フェロセンなどのような）電子移動エンハンサー／成分を、核酸の部位選択的な改質のために標的分子に付着させることができることが開示されている。欧州特許出願公開第０１８７７１９号明細書（EP0187719）には、中間媒介物を使用することなく、溶液中の種への電子移動を強化するために、電極表面に結合された小分子（（ピリジニル−メチレン）ヒドラジンカルボチオアミド（ＰＨＭＣ））を用いることが開示されている。また、２つの電極材料間の導電性を強化するために、太陽電池の適用事例において有機層を用いることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１１３１８７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８７９，２４３号明細書
【特許文献３】米国特許第７，５４４，４３８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，３８４，７４９号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第０１８７７１９号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１４／７９２，５５３号明細書
【特許文献７】米国特許出願第１４／７９２，５７６号明細書
【特許文献８】米国特許出願第１４／７９２，５４１号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１４／７９２，５６９号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第１４／７９２，５３０号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１５／１６９，００８号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Bard等によるElectrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, 96-115 (2001)
【非特許文献２】K. Thomas Finley著の“Quinones,” Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35 (2005)
【非特許文献３】Chambers, J.Q.著の“Electrochemistry of quinones,” Chemistry of Quinoid Compounds, 1:737-91 (1974)、Chambers
【非特許文献４】J.Q.著の“Electrochemistry of quinones,” Chemistry of Quinoid Compounds, 2:719-57 (1988)、Evans
【非特許文献５】D.H.著のEncyclopedia of Electrochemistry of the Elements, 12: 1-259 (1978)
【非特許文献６】Bae等著の“Enhanced electrochemical reactions of 1,4-benzoquinone at nanoporous electrodes,” Physical Chemistry Chemical Physics, 15: 10645-53 (2013)
【非特許文献７】Rosokha等著の“Continuum of Outer- and Inner-Sphere Mechanisms for Organic Electron Transfer. Steric Modulation of the Precursor Complex in Paramagnetic (Ion-Radical) Self-Exchanges,” J. Am. Chem. Soc., 129(12):3683-97 (2007)
【非特許文献８】DuVall等著の“Control of Catechol and Hydroquinone Electron-Transfer Kinetics on Native and Modified Glassy Carbon Electrodes,” Anal. Chem., 71(20):4594-4602 (1999)
【非特許文献９】DuVall等著のJ. Am. Chem. Soc., 122(28):6759-64 (2000)
【非特許文献１０】Marrikar等著の“Modification of Indium-Tin Oxide Electrodes with Thiophene Copolymer Thin Films: Optimizing Electron Transfer to Solution Probe Molecules,” Langmuir, 23(3): 1530-42 (2007)
【非特許文献１１】Jackowska等著の“New trends in the electrochemical sensing of dopamine,” Anal. Bioanal. Chem., 405:3753-71 (2013)
【非特許文献１２】Zudans等著の“Electrochemical and optical evaluation of noble metal-and carbon-ITO hybrid optically transparent electrodes,” Journal of Electroanalytical Chemistry, 565(2):311-20 (2004)
【非特許文献１３】Chen等著の“Direct electrodeposition of reduced graphene oxide on glassy carbon electrode and its electrochemical application,” Electrochemistry Communications, 13(2): 133-37 (2011)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
概要
本発明のいくつかの例示的な実施形態の概要について、以下に説明する。なお、これらの態様は、それらのいくつかの実施形態の簡単な概要を読み手に提供するためだけに提示されたものであり、これらの態様は、本発明の範囲の限定を意図したものではない、ということを理解されたい。実際には、本発明は、以下に説明されることのない様々な態様を含み得る。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態によれば、電極に対する改質又はコーティングが生化学系にもたらされ、これによって、電極から標的種までの電子移動が改善されるが、その際に、電極における他のいかなる改質又はコーティングの機能も妨害されない。例えば、電極は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのような親水性ポリマーのコーティングを、電極表面上に含むことができる。慣用のポリマーコーティングは、付着されたそれらの反応基を通して、溶液に由来する着目対象の生体分子を固定化する。本発明の例示的な実施形態によれば、電子移動を改善するためのコーティング又は改質によっても、ポリマーコーティングの反応基を不活性化せず、又は、さもなくば、ポリマーコーティング上への着目対象の生体分子の固定化を妨害するといったように、ポリマーコーティングの反応基と干渉しない。
【００１３】
Jackowska等著の“New trends in the electrochemical sensing of dopamine,” Anal. Bioanal. Chem., 405:3753-71 (2013)及びJackowska等の中で引用された刊行物には、生体試料中のドーパミンなどのような未知のキノン又はキノン誘導体の存在及び／又は量を特定することに関して、かかる電極コーティングが述べられている。
【００１４】
そこで本発明の実施形態によれば、（キノンを含むものなどのように）本質的に緩慢な電子移動キネティクスを特徴とする電気化学系において、酸化還元分子自体の化学的構造を変えることなく、電子移動キネティクスを最適化するための電極表面の改質が提供される。本発明の例示的な実施形態によれば、他のいかなる電極の改質の機能も妨害することなく、かかる改質が電極に適用される。
【００１５】
本発明の例示的な実施形態によれば、酸化還元分子への電子移動速度の改善を伴って、電極及び改質された電極を形成するための方法が提供される。１つの例示的な実施形態によれば、これらの改質された電極は、元の電極のいくつかの光学的特性及び化学界面を保つための付加的な要求を伴う生化学的プラットフォームにおいて使用される。米国特許出願第１４／７９２，５５３号明細書、第１４／７９２，５７６号明細書、第１４／７９２，５４１号明細書、第１４／７９２，５６９号明細書及び第１４／７９２，５３０号明細書（U.S. Pat. App. Ser. Nos. 14/792,553, 14/792,576, 14/792,541, 14/792,569, 14/792,530）に記載されているように、かかる改質された電極を、ｐＨ検出及び／又はｐＨ調整のための系並びにバイオセンサ系において使用することができる。なお、ここで上述の文献を参照したことにより、それらの開示内容全体が本明細書に取り込まれたものとする。
【００１６】
本発明の１つの例示的な実施形態によれば、１つ又は複数の領域を含むバイオセンサが提供され、この場合、各領域は、自身の局所的なｐＨレベルをコントロールして、各領域がそれぞれ異なるｐＨレベルを有することができるように構成されている。１つの例示的な実施形態によれば、センサにおいてそれぞれ異なる領域が設けられ、その目的は、その領域の特定の局所的なｐＨレベルで、１つ又は複数の個々のタンパク質の存在又は特有の濃度を検出するためである。各領域における１つ又は複数の個々のタンパク質の存在、又は、種々のタンパク質の存在の組み合わせ、又は、それらの特有の濃度によって、ユニークな痕跡又はプロファイルが生成される。例えば、１つの例示的な実施形態によれば、複数のｐＨレベルにおいて１つの特定のタンパク質の存在を検出することによって、広範囲のｐＨレベルに対しそのタンパク質がどのように反応するのかについて、ユニークなプロファイル又は痕跡が得られる。種々のｐＨレベルにおいて複数のタンパク質を含む１つの試料について信号が測定される場合、結果として得られるデータセットには複数のプロファイルが含まれるが、着目対象の１つのタンパク質のユニークなプロファイルを、かなり大きいそのデータセットから高い忠実度で分離することができる。
【００１７】
ユニークな痕跡又はプロファイルによって、疾病など対応するコンディションの存在を通報することができる。１つの例示的な実施形態によればバイオセンサは、この場合、そのようなコンディションが存在するのか否かを検出し、コンディションが存在するか否かを表す信号、例えばバイナリ信号を出力するための出力インタフェースを含む。センサの種々の領域においてｐＨレベルを操作及びコントロールすることができることによって、よりよいセンサが得られるようになる。
【００１８】
痕跡又はプロファイルを取得するために、１つ又は複数のタンパク質の存在又は濃度をセンサが適切に検出することができるようにする目的で、１つの例示的な実施形態によれば、センサは各タンパク質検出領域において、個々の領域各々におけるｐＨレベルを設定するために、１つ又は複数の電極を含み、かつ、キノンも含む。キノンを電極表面に結合することができ、又は、より好適には、電極が接触する溶液中に含めることができ、これによれば、使用済みのキノンと溶液における新しいキノンとの置き換えに基づいて、溶液のｐＨレベルの変化を持続させることができる。各電極は、特定の電圧又は電流で充電され、これによって、局所的なｐＨレベルを設定するために必要とされる反応（例えば、キノンと電極との間の電子移動）が生じるように、キノンが活性化（例えば、酸化又は還元）される。
【００１９】
キノンは固有の電圧を有しており、この電圧においてキノンは、電子移動を生じさせることができるように活性化される。キノンは、２つの陽子と２つの電子の酸化還元反応も行う。キノンのこのようなユニークな特性ゆえに、１つの例示的な実施形態によれば、バイオセンサは、電極におけるｐＨレベルの検出とさらにｐＨレベルの調整の双方のために、キノンを使用し、次いで、検出されたｐＨレベルに基づきｐＨレベルを再調整する。１つの例示的な実施形態によれば、所定の電流で電極に電荷が印加され、その結果として生じた、キノンと電極との間に電子移動を発生させた電圧を測定することにより、その電極における局所的なｐＨが特定される。別の例示的な実施形態によれば、所定の電圧で電極に電荷が印加され、その結果として生じた、電子移動を発生させた電流を測定することにより、その電極における局所的なｐＨが特定される。
【００２０】
閉じた系を使用する１つの例示的な実施形態によれば、キノンを活性化することによって、ｐＨレベルを検出しかつｐＨレベルを調整するために、単一の電極が使用される。別の例示的な実施形態によれば、ｐＨレベルを検出するために１つの電極又は電極セットが使用され、ｐＨレベルを調整するために別の電極又は電極セットが使用される。
【００２１】
キノンを使用したｐＨレベルの調整及び／又は検出は、キノンがそれらの固有の電圧で、又はその電圧付近で、電子移動を可能にするよう活性化される場合に最適である。（ＩＴＯ電極のように）導電性の低い電極が存在するなど、電子移動の非効率性がある場合には、電子移動を可能にするためにキノンの活性化に必要とされる電荷が、キノンの固有の電圧よりも大きくなる可能性がある（即ち、過電圧）。過電圧は、予測不可能という点で問題である。過電圧によって、ｐＨレベルの検出及び調整に遅延が引き起こされる可能性もあり、それによって、バイオセンサの信頼性及び精度が低くなる。さらに過電圧によって、ＤＮＡなどのようなバイオセンサの他の材料に悪影響が及ぼされる可能性があり、それによっても、バイオセンサの信頼性及び精度が低くなる。
【００２２】
従って、本発明の例示的な実施形態によれば、電極にコーティングが付与され、それによって、電極表面とキノンとの間の電子移動性が、キノンをその固有の電圧でｐＨレベルの調整及び／又は検出のために活性化することができるようにする範囲まで高められる。このコーティングは、生体分子の存在又は特有の濃度を検出するために生体分子を固定化するように構成された他のコーティングに加えて付与される。電子移動性を高めるためのコーティングは、生体分子を固定化するように構成された他のコーティングの機能を妨げないような特定の手法で付与される。この点に関して、１つの例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するためのコーティングがボイドを伴って散在させた手法で付与され、電子移動性を高めるためのコーティングがそれらのボイド内に付与され、１つの例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの厚さよりも薄い厚さで付与され、それによって、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを、電子移動性を高めるためのコーティングを超えて伸長させることができる。この例示的な実施形態によれば、電子移動性を高めるためのコーティングを、生体分子固定化のためのコーティングが既に上に施されている（１つ又は複数の電極を備えた）スライドガラスに付与することができる。１つの選択的な実施形態によれば、（１つ又は複数の電極を備えた）スライドガラスが、生体分子固定化のためのコーティングなしで取得され、電子移動性を高めるためのコーティングがスライドガラスに付与され、次いで、生体分子固定化のためのコーティングが、電子移動性を高めるコーティングの頂面に付与される。従って、生体分子固定化のためのコーティングが、電子移動性を高めるコーティングによって妨害されることはない。いずれの実施形態においても、必要であれば、電子移動性を高めるためのコーティングをスライドガラスに付与した後、コーティングが１つ又は複数の電極だけに制限されるように、コーティングをパターニング又はエッチングすることができる。
【００２３】
例示的な実施形態によれば、（ａ）電極と、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとを含むコーティング電極が提供される。
【００２４】
一部の例示的な実施形態によれば、この電極はＩＴＯ電極である。
【００２５】
一部の例示的な実施形態によれば、このコーティング電極は、このコーティング電極に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、キノンを活性化するように構成されている。
【００２６】
一部の例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む。
【００２７】
一部の例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティングは、ＰＥＧ−ＮＨＳポリマー各々の間にギャップを含む。
【００２８】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、２つのコーティングが互いに散在させられるように、ＰＥＧ−ＮＨＳポリマー各々の間のギャップ内に堆積されている。
【００２９】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングの厚さは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの厚さよりも薄い。
【００３０】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、１つ又は複数の化学的ハンドルを含み、この場合、１つ又は複数の化学的ハンドルは、生体分子を固体化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと結合するように構成されている。
【００３１】
一部の例示的な実施形態によれば、１つ又は複数の化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される。
【００３２】
一部の実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る。
【００３３】
一部の例示的な実施形態によれば、導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される。
【００３４】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る。
【００３５】
一部の例示的な実施形態によれば、無機導電性材料はナノ粒子を含む。
【００３６】
一部の例示的な実施形態によれば、無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される。
【００３７】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングの厚さは１００ｎｍよりも薄い。
【００３８】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る。
【００３９】
例示的な実施形態によれば、複数の電極を含むバイオセンサが提供され、各電極はコーティング電極であって、このコーティング電極は、（ａ）電極と、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとを含む。
【００４０】
例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法が提供され、この方法は、（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するよう構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することとを含む。
【００４１】
一部の例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティングは、ＰＥＧ−ＮＨＳポリマーを含む。
【００４２】
一部の例示的な実施形態によれば、この電極はＩＴＯ電極である。
【００４３】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る。
【００４４】
一部の例示的な実施形態によれば、導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される。
【００４５】
例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法が提供され、この方法は、（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するように構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングの１つ又は複数の化学基を不活性化することと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、（ｄ）１つ又は複数の化学基を再活性化することとを含む。１つの例示的な実施形態によれば、コーティングの付与は、不活性化に続いて再活性化に先立ち行われる。
【００４６】
一部の例示的な実施形態によれば、１つ又は複数の化学基は加水分解を用いて不活性化される。
【００４７】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを、電解重合を用いて付与する。
【００４８】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る。
【００４９】
一部の例示的な実施形態によれば、無機導電性材料はナノ粒子を含む。
【００５０】
一部の例示的な実施形態によれば、無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される。
【００５１】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを、気相蒸着、電気めっき、電着及び液相析出から成るグループから選択された技術を用いて付与する。
【００５２】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングの厚さは１００ｎｍよりも薄い。
【００５３】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る。
【００５４】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを、電着又は共有結合を用いて付与する。
【００５５】
例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法が提供され、この方法は、（ａ）電極を準備することと、（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを電極に付与することとを含み、ただし、１つ又は複数の化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングに結合するように構成されている。
【００５６】
一部の例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティングは、ＰＥＧ−ＮＨＳポリマーを含む。
【００５７】
一部の例示的な実施形態によれば、電極はＩＴＯ電極である。
【００５８】
一部の例示的な実施形態によれば、１つ又は複数の化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される。
【００５９】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成る。
【００６０】
一部の例示的な実施形態によれば、導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される。
【００６１】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的に無機導電性材料から成る。
【００６２】
一部の例示的な実施形態によれば、無機導電材料はプラチナ又はパラジウムを含む。
【００６３】
一部の例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る。
【００６４】
例示的な実施形態によれば、以下のことを含む方法が提供される。即ち、この方法は、（ａ）電極と、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとを含むコーティング電極を、キノンを含む溶液に接触させることと、キノンを活性化させるために、コーティング電極に電荷を印加することと、コーティング電極に関し局所的な領域のｐＨレベルを測定することと、ｐＨレベルを調整することとを含む。
【００６５】
いくつかの例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を、添付の図面を参照しながら読めば、本発明の上述の及びその他の特徴、態様及び利点をさらに深く理解することができるであろう。なお、図中、同一の参照符号は、図面全体を通して同一部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の１つの例示的な実施形態によるコーティング電極を示す図である。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態によるコーティング電極を示す図である。
【図３】本発明の１つの例示的な実施形態によるコーティングされた複数の電極を含むバイオセンサを示す図である。
【図４】透明なＩＴＯ電極と接合されたＡＳＩＣチップを備えたスライドガラスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
詳細な説明
本発明の例示的な実施形態によれば、電極と酸化還元分子との間の、特に（キノンのように）本質的に緩慢な電子移動速度を有する酸化還元分子との間の電子移動速度を、電極の導電性表面領域を増大させる種々の材料の追加により改善するように改質された電極が提供される。かかる改質は、ポリマーコーティングによる生体分子の固定化など電極の他の表面特性の機能を保持しながら、電極に適用される。
【００６８】
図１にはコーティング電極１００が示されており、これには電極１０２と、生体分子を固定化するように構成されたコーティング１０４と、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６とが含まれている。電極１０２が、スライドガラスなどのような基板上に含まれるようにすることができる。電極１０２を、バイオセンサにおいて適した任意の電極とすることができ、例えば、ＩＴＯ、金又は銀の電極とすることができる。１つの好ましい例示的な実施形態によれば、電極１０２はＩＴＯ電極である。ＩＴＯは透明な導体である。銀又はプラチナとは異なり、ＩＴＯは透明な状態を維持しながら電気を伝導する。生物学的及び生化学的なプラットフォームにおいては特に、透明性が重要になる可能性があり、そのようなプラットフォームにおいては光学的技術が採用され、スライドガラスを通して見えることが必須事項である。コーティング電極１００を、予め定められた濃度と量のキノンを含む溶液中で使用することができる。コーティング電極１００に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、コーティング電極１００を使用してキノンを活性化することができる。コーティング電極１００に関し局所的な溶液のｐＨレベルを検出又は調整する目的で、センサ又はアクチュエータあるいはこれら双方の一部分として、コーティング電極１００を使用することができる。１つの例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティング１０４は、ＰＥＧなどのような親水性ポリマー１０８を含み、その際にポリマー１０８各々は、生体分子の共役のために官能基１１０によって官能化されている。官能基１１０は、例えば、ＮＨＳ、マレイミド、フルオロフェニル、カルバメート、カーボネート、エポキシド、アルデヒド及びアズラクトンを含むことができる。例えば、２０１６年５月３１日出願の米国特許出願第１５／１６９，００８号明細書（U.S. Pat. App. Ser. No. 15/169,008）には、生体分子の共役のためのアズラクトン官能化物質が開示されている。ここで、この文献を参照したことにより、その開示内容全体が本明細書に取り込まれたものとする。
【００６９】
図１に示されているように、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６を、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンなどのような導電性有機ポリマー１１２から成るものとすることができる。かかる有機導電性ポリマー１１２は、高密度の３Ｄ導電性表面を生成することによって、２Ｄ電極の動作領域を増大させることができる。これらの有機導電性ポリマーのほとんどが分光学的痕跡をもたらすことになる一方、薄層が透明性や反射性などのようなバルクの光学的特性に作用を及ぼすことにはならない。
【００７０】
図１に示されているように１つの例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成されたコーティング１０４は、官能化親水性ポリマー１０８各々の間にギャップを含む。電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６は、コーティング１０６とコーティング１０４が互いに散在させられるように、親水性ポリマー１０８各々の間のギャップ内に堆積されている。この例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６の厚さは、生体分子を固定化するように構成されたコーティング１０４の厚さよりも薄い。コーティング１０６をコーティング１０４の中に散在させたこと、及び、厚さのこのような差異によって、コーティング機能各々が他のコーティング機能と干渉することなく適切に機能する、ということが保証されるようになる。コーティング１０６によって電子移動速度を改善することができる一方、官能基１１０が生体分子に接近することができる状態に保持されていることから、コーティング１０４によって生体分子を共役させることができる。
【００７１】
図２には、図１と類似したコーティング電極２００の別の例示的な実施形態が示されている。コーティング電極２００には、電極２０２と、生体分子を固定化するように構成されたコーティング２０４と、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング２０６とが含まれている。生体分子の共役のために、生体分子を固定化するように構成されたコーティング２０４は、官能基２１０により官能化された親水性ポリマー２０８から成る。電子移動速度を改善するように構成されたコーティング２０６を、導電性有機ポリマー２１２から成るものとすることができる。図２によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング２０６には化学的ハンドル２１４が含まれており、これらの化学的ハンドル２１４は、生体分子を固体化するように構成されたコーティング２０４を、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング２０６と結合するように構成されている。これらの化学的ハンドル２１４を、カルボキシレート、アミン又はチオールとすることができる。図２に示した実施形態が図１に示した実施形態とは異なっている１つの手法は、図２の場合にはコーティング２０６がコーティング２０４の堆積に先立ち、（スライドガラスなどのような他の基板上に含めることができる）電極２０２上に堆積される、ということである。図１の場合にはコーティング１０６を、電極１０２が既にコーティング１０４を含む状態で、（スライドガラスなどのような他の基板上にやはり含めることができる）電極１０２上に堆積させることができる。
【００７２】
本発明の別の実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６／２０６は、金、プラチナ又はパラジウムなどのような無機導電性材料から成るものとすることができる。無機導電性材料を、ナノ粒子の形態のものとすることができる。ＩＴＯ電極のように散在的に導電性の表面のために、炭素、プラチナ、パラジウム又は金の（１００ｎｍよりも）薄いコーティングによって、導電性表面領域を離散的にすぎなかったホットスポットから表面全体に劇的に増加させることができる。
【００７３】
本発明の別の実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング１０６／２０６は、グラフェンから成る。グラフェンの単純な単層でさえ導電性が高く、それらによって、ＩＴＯ電極のように散在的に活性の表面から完全に導電性の表面への変換を促進することができる。グラフェンも、好ましくはキノンのような有機酸化還元試薬と相互作用し、これによって、キノンの代謝回転速度の増加（即ち、電子移動効率の増加）が促進される。
【００７４】
図３には、基板３１６に取り付けられた複数の電極３１８を含むバイオセンサ３００が示されている。この場合、各電極３０２は、図１のコーティング電極１００と類似したコーティング電極であって、生体分子を固定化するように構成されたコーティング３０４と、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング３０６とを備えている。生体分子の共役のために、生体分子を固定化するように構成されたコーティング３０４は、官能基３１０により官能化された親水性ポリマー３０８から成る。電子移動速度を改善するように構成されたコーティング３０６を、導電性有機ポリマー３１２から成るものとすることができる。図３には、図１と類似した実施形態が示されており、この場合、生体分子を固定化するように構成されたコーティング３０４は、官能化親水性ポリマー３０８各々の間にギャップを含み、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング３０６は、親水性ポリマー３０８各々の間のギャップ内に堆積され、コーティング３０６とコーティング３０４とが互いに散在させられるように、かつ、コーティング３０６の厚さがコーティング３０４の厚さよりも薄くなるようにされている。
【００７５】
別の実施形態によればバイオセンサは、基板に取り付けられた複数の電極を含み、この場合、各電極は、図２のコーティング電極と類似したコーティング電極である。この実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングには化学的ハンドルが含まれており、これらの化学的ハンドルは、生体分子を固体化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと結合するように構成されている。この実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの堆積に先立ち堆積される。
【００７６】
本発明の例示的な実施形態によれば１つの方法には、電極と酸化還元分子との間の、特に（キノンのように）本質的に緩慢な電子移動速度を有する酸化還元分子との間の電子移動速度を改善する目的で、電極を改質する又は電極にコーティングを付与することが含まれる。かかる改質又はコーティングは、生体分子を固定化するように構成された既存のポリマーコーティングのように、電極表面上に存在する化学界面を妨害することなく付与される。別の選択肢として、付与に続き化学界面を構築することができるように、改質又はコーティングが付与される。１つの例示的な実施形態によれば、生体分子を固定化するように構成された既存のポリマーコーティングは、ＰＥＧなどのような親水性ポリマーから成り、各ポリマーは、生体分子の共役のために官能基によって官能化され、この場合、かかる官能基には、ＮＨＳ、マレイミド、フルオロフェニル、カルバメート、カーボネート、エポキシド、アルデヒド、又は、アズラクトンが含まれる。この電極をバイオセンサにおいて適した任意の電極とすることができ、例えば、ＩＴＯ、金又は銀の電極とすることができる。１つの好ましい例示的な実施形態によれば、この電極はＩＴＯ電極である。
【００７７】
１つの例示的な実施形態によれば、化学界面を保護する目的で、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成り、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを付与する場合に、電極を改質する方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するように構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、
（ｂ）次いで、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの１つ又は複数の化学基を不活性化することと、
（ｃ）次いで、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
（ｄ）次いで、１つ又は複数の化学基を再活性化することと、
を含む。この方法は、タンパク質又は他の溶液成分を電極表面に共有結合するように設計された化学界面を保護するために、特に効果的なものとなり得る。この実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングの厚さは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの厚さよりも薄い。１つの例示的な実施形態によれば、１つ又は複数の化学基の不活性化は、加水分解を用いて実施される。必要であれば、化学基の何らかの残存反応性を、既知の保護基を用いてさらに低減することができる。
【００７８】
別の例示的な実施形態によれば、化学界面を保護する目的で、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成り、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを付与する場合に、電極を改質する方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するように構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
を含み、この場合、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを、電解重合を用いて付与することができる。この方法は、電極表面に対する非特異的吸着を低減するように設計された化学界面を保護するために、特に効果的なものとなり得る。生体分子を固定化するように構成された既存のコーティング中に、有機モノマーを自由拡散させることができ、電荷が電極に印加され、モノマーが電極又はポリマー表面の近くで酸化電位を有するようになった後、導電性有機ポリマー（即ち、電子移動速度を改善するように構成されたコーティング）を生成することができる。この実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングの厚さは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングの厚さよりも薄い。
【００７９】
電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを付与することによって電極を改質するために提供される両方の方法によれば、コーティングは、導電性有機ポリマーを含み、この導電性有機ポリマーを、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール、ポリフェニレン、又は、それらの混合物とすることができる。これらのポリマーを、電解重合を介して、又は、他の標準的なポリマー合成技術を介して、結合することができる。これらのポリマーによって、透明性などのような電極の光学的特性が保たれる。
【００８０】
別の実施形態によれば、化学界面を保護する目的で、完全に又は実質的に導電性有機ポリマーから成り、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを付与する場合に、電極を改質する方法は、
（ａ）電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、
（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
を含み、この場合、１つ又は複数の化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングに結合するように構成されている。この方法は、電極表面に対する非特異的吸着を低減するように設計された化学界面を保護するために、特に効果的なものとなり得る。１つ又は複数の化学的ハンドルを、カルボキシレート、アミン及びチオールとすることができる。これらの化学的ハンドルから、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを付与するために、ポリマー合成技術のすべてのライブラリを使用することができる。
【００８１】
別の例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
を含み、この場合、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、ナノ粒子の形態とすることのできる金、プラチナ又はパラジウムなどのような無機導電性材料から成る。このコーティングによって、（透明性などのような）電極の光学的特性が保たれる。コーティングを（１００ｎｍよりも薄い）薄膜とすることができ、これは気相蒸着、電気めっき、電着、又は、液相析出を介して付与される。コーティングを、ナノ粒子又は粗面化するナノ粒子の散在するコーティングとしてもよく、例えば、金のナノ粒子などであって、それらは電着を介して堆積させられる。金のナノ粒子を付与する場合、それらのナノ粒子を、既存のいかなる化学界面も妨害することなく、ＨＡｕＣｌ４溶液から電極表面上に直接的に電着させることができる。金のナノ粒子をさらに、電極で誘導される酸化プロセスを介して粗面化することができ、これによって、著しく大きい表面領域を有する３Ｄ界面が効果的に生成される（Bae等著の“Enhanced electrochemical reactions of 1,4-benzoquinone at nanoporous electrodes,” Physical Chemistry Chemical Physics, 15: 10645-53 (2013)を参照されたい）。金のナノ粒子の濃度が比較的高いと、プラズモン挙動が生じて光学的アーチファクトが電極に加わる可能性があるけれども、比較的低い濃度であれば、最小限の妨害だけしかもたらされない。
【００８２】
プラチナ又はパラジウムを付与する場合、電極は、下にある材料の光学的特性を十分に保持しながら、トップコーティング材料の電子的特性を帯びることから、（Zudans等著の“Electrochemical and optical evaluation of noble metal-and carbon-ITO hybrid optically transparent electrodes,” Journal of Electroanalytical Chemistry, 565(2):311-20 (2004)を参照されたい）、生体分子を共役するように構成された化学界面（例えば、ＰＥＧにおける官能基）のように、何らかの既存の化学界面を保護するために、表面の化学的性質に対する調整を行うことができる。従って、別の例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法は、
（ａ）電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、
（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
を含み、この場合、１つ又は複数の化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングに結合するように構成されている。この例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にプラチナ又はパラジウムから成る。このコーティングによって、（透明性などのような）電極の光学的特性が保たれる。コーティングを（１００ｎｍよりも薄い）薄膜とすることができ、これは気相蒸着、電気めっき、電着、又は液相析出を介して付与される。
【００８３】
１つの例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを備えた電極を準備することと、
（ｂ）既に生体分子固定化コーティングを含む電極に、電子移動速度を改善するように構成された第２のコーティングを付与することと、
を含み、この場合、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る。グラフェンコーティングを、電着を用い還元電位を介してグラフェン酸化物溶液から付与することができ（Chen等著の“Direct electrodeposition of reduced graphene oxide on glassy carbon electrode and its electrochemical application,” Electrochemistry Communications, 13(2): 133-37 (2011)を参照されたい）、又は、標準的な結合の化学的性質を介してそれらの酸化形で電極表面に直接的に共有結合させることによって、付与することができる。グラフェンによって、（透明性などのような）電極の光学的特性が十分に保たれる。
【００８４】
化学界面を保護するためにグラフェンを変化させることもでき、これには所望の化学界面を係留可能な機能的又は化学的なハンドルを開放するために化学的性質を用いることが含まれる。従って、別の例示的な実施形態によれば、電極を改質する方法は、
（ａ）電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、
（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを電極に付与することと、
を含み、この場合、１つ又は複数の化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成されたコーティングを、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングに結合するように構成されている。この例示的な実施形態によれば、電子移動速度を改善するように構成されたコーティングは、完全に又は実質的にグラフェンから成る。電着を用いて、又は、電極へ直接的に共有結合させることによって、グラフェンコーティングを付与することができる。
【００８５】
上述の記載は、例示的なものであることを意図しており、限定的なものを意図するものではない。当業者であれば上述の記載から、本発明を様々な形態で具現化することができること、及び、様々な実施形態を単独で又は組み合わせて具現化可能であることを理解することができる。よって、本発明の実施形態をそれらの特定の具体例と関連させて説明してきたけれども、本発明の実施形態及び／又は方法の本当の範囲は、そのようなものとして限定されるものではない。それというのも、当業者には、図面、明細書及び以下の特許請求の範囲を精査すれば、他の変形が明らかになるからである。
【図１】
2019525146.tif 000003
【図２】
2019525146.tif 000004
【図３】
2019525146.tif 000005
【図４】
2019525146.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月26日(2019.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）電極と、
（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと、
を含むコーティング電極。
【請求項２】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項３】
前記コーティング電極は、当該コーティング電極に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、キノンを活性化するように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項４】
さらにキノンを含み、
前記コーティング電極は、当該コーティング電極に関し局所的な領域におけるｐＨレベルを調整又は検出するために、前記キノンをトリガするように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項５】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項６】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、前記ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマー各々の間にギャップを含む、
請求項５に記載のコーティング電極。
【請求項７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、２つの前記コーティングが互いに散在させられるように、前記ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマー各々の間の前記ギャップ内に堆積されている、
請求項６に記載のコーティング電極。
【請求項８】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの厚さは、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングの厚さよりも薄い、
請求項７に記載のコーティング電極。
【請求項９】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１つ又は複数の化学的ハンドルを含み、
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、生体分子を固体化するように構成された前記コーティングを、電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングと結合するように構成されている、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１０】
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される、
請求項９に記載のコーティング電極。
【請求項１１】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、導電性有機ポリマーから成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１２】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項１１に記載のコーティング電極。
【請求項１３】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、無機導電性材料から成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１４】
前記無機導電性材料は、ナノ粒子を含む、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１５】
前記無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１６】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１００ｎｍよりも薄い、
請求項１３に記載のコーティング電極。
【請求項１７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、グラフェンから成る、
請求項１に記載のコーティング電極。
【請求項１８】
複数の電極を含むバイオセンサであって、各電極はコーティング電極を含み、前記コーティング電極は、
（ａ）電極と、
（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングと、
を含む、
バイオセンサ。
【請求項１９】
電極を改質する方法であって、当該方法は、
（ａ）１つ又は複数の化学基を介して生体分子を固定化するよう構成されたコーティングを有する電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
を含む、
電極を改質する方法。
【請求項２０】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、導電性有機ポリマーから成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの付与に先立ち、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングの１つ又は複数の前記化学基を不活性化することと、
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングの付与に続いて、１つ又は複数の前記化学基を再活性化することと、
をさらに含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
１つ又は複数の前記化学基を、加水分解を用いて不活性化する、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、電解重合を用いて付与する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、無機導電性材料から成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記無機導電性材料は、ナノ粒子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記無機導電性材料は、金、プラチナ及びパラジウムから成るグループから選択される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、気相蒸着、電気めっき、電着及び液相析出から成るグループから選択された技術を用いて付与する、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、１００ｎｍよりも薄い、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、グラフェンから成る、
請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングを、電着又は共有結合を用いて付与する、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
電極を改質する方法であって、当該方法は、
（ａ）電極を準備することと、
（ｂ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
（ｃ）電子移動速度を改善するように構成された前記コーティング上に、１つ又は複数の化学的ハンドルを組み込むことと、
（ｄ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングを前記電極に付与することと、
を含み、
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、生体分子を固定化するように構成された前記コーティングを、電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングに結合するように構成されている、
電極を改質する方法。
【請求項３５】
生体分子を固定化するように構成された前記コーティングは、ポリ（エチレングリコール）カルボキシメチルスクシンイミジルエステル（ＰＥＧ−ＮＨＳ）ポリマーを含む、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記電極は、インジウムスズ酸化物電極である、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
１つ又は複数の前記化学的ハンドルは、カルボキシレート、アミン及びチオールから成るグループから選択される、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、導電性有機ポリマーから成る、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記導電性有機ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリインドール及びポリフェニレンから成るグループから選択される、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、無機導電性材料から成る、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記無機導電性材料は、プラチナ又はパラジウムである、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
電子移動速度を改善するように構成された前記コーティングは、グラフェンから成る、
請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
（ａ）電極と、（ｂ）生体分子を固定化するように構成されたコーティングと、（ｃ）電子移動速度を改善するように構成されたコーティングとを含むコーティング電極を、キノンを含む溶液と接触させることと、
前記キノンを活性化させるために、前記コーティング電極に電荷を印加することと、
前記コーティング電極に関し局所的な領域のｐＨレベルを測定することと、
前記ｐＨレベルを調整することと、
を含む方法。
【国際調査報告】
2019525146.tif 000007
2019525146.tif 000008
2019525146.tif 000009
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