(57)【要約】      （修正有）【課題】１０マイクロリットル未満の試料体積における分析物の検出を可能にする、ボルタンメトリーセンサを提供する。【解決手段】複合材料から調製され、任意選択的にマイクロ製造技法を用いたヒドロキシル官能化アントラキノン部分で被覆された基材を含む、分析物センサ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドロキシル官能化アントラキノン部分で被覆された基材を含む、分析物のセンサ。
【請求項２】
前記ヒドロキシル官能化アントラキノン部分が、前記基材に共有結合している、請求項１に記載の分析物のセンサ。
【請求項３】
前記ヒドロキシル官能化アントラキノン部分が、以下からなる群から選択される、請求項１または２に記載の分析物のセンサ：
ｉ）１，５−ビス−（２−ヒドロキシエチル）−アントラキノン；
ｉｉ）１−（２−ヒドロキシプロピル）アントラキノン；
【化１】
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【化２】
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【化３】
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【化４】
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【化５】
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【化６】
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【化７】
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【請求項４】
前記ヒドロキシル官能化アントラキノン部分がプリント用インキを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析物のセンサ。
【請求項５】
ポリビニルアルコールおよびシリカから構成されたポリマー材料を含む作用電極をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の分析物のセンサ。
【請求項６】
イオン性液体、導電材料、およびポリマーから形成された複合体からなる基準接点を有する基準電極をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の分析物のセンサ。
【請求項７】
前記導電材料が、室温イオン性液体と炭素同素体とを含む導電固体マトリックスである、請求項６に記載の分析物のセンサ。
【請求項８】
前記室温イオン性液体が陽子透過性である、請求項７に記載の分析物のセンサ。
【請求項９】
前記炭素同素体が導電性である、請求項７または８に記載の分析物のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒドロニウムイオン濃度またはｐＨを含むがそれらに限定されない分析物濃度の精密な測定を可能にする向上した分析物のセンサを提供する。本発明は、概して、分析化学の分野に関し、特に、ｐＨ測定技術に関する。
【０００２】
［関連出願の相互基準］
試料におけるｐＨ等の分析物濃度の測定は、利用可能な試料体積によって拘束される。ほとんどの市販されているｐＨ電極は、少なくともミリリットル体積試料を必要とする。０．５マイクロリットル程の低い試料体積内でｐＨを測定することができると宣伝されている、作用電極（「センサ」）、基準電極、及び対向電極を格納する極めて少ない特殊なガラスプローブが、利用可能であり、それらは非常に高価である（例えば、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｏｒｉｏｎ  ９８１０  ＢＮ）。しかしながら、小さい試料体積のために設計されたガラスプローブは、多くの課題を提示する。
【０００３】
１つの課題は、プローブの試料中への位置付けである。適切なプローブの配置には、ガラス膜と、プローブ及び試料の基準接点との間の十分な接触を確実にすることを必要とする。ガラスプローブの管球形状は、この課題を特に困難にする。同様に、プローブの形状はまた、小さい体積の半固体試料にとって不十分な試料接触に繋がり得るため、ガラス電極を用いるとき、組織生検から等の半固体試料は、液体試料のための体積と比べて、より大きな体積を必要とし得る。別の課題は、塩または他の材料（「質量」）のプローブ内の電極から試料中への移行に起因する試料の汚染の可能性である。試料体積が減少するにつれて、そのような質量移行の影響は、いずれのプローブについても増大する。別の課題は、試料の蒸発であり、これは、蒸発が低い体積の試料において相対的に大きく、蒸発の影響を監視するのが困難であり得るためである。試料体積の損失は、誤った結果に繋がり得る。
【０００４】
より一般的には、ガラスプローブは、一度に１つの試料しか測定することができない。ガラスプローブを用いる分析物濃度測定を必要とするシステムにおいてスループットを増加させるためには、用いられるプローブの数を増やすか、あるいは、それぞれの測定のために必要とされる平均時間を減少させなければならない。ガラス電極を用いるｐＨ測定が、電位差測定信号が定常状態（所与のシステムに対するアルゴリズムによって定義されるような）に達することを必要とするように、測定時間を減少させることは、本質的に限られたアプローチである。ガラスプローブは、製造するのが比較的高価であるが、しかしながら、そして繰り返し使用用に、それらは相互汚染のための可能性を低減するために試料の合間ですすがなければならず、ｐＨ測定における高い試料スループットをさらに阻害する。ドリフト及び誤差の源である汚れはまた、ガラスプローブに関して特に問題となり、これは、タンパク質、糖、またはガラスと相互作用する他の構成成分を含有する試料がプローブを汚し得るためである。ガラスプローブは、汚れを除去または低減し、正確さを確実にするために頻繁なメインテナンスを必要とし、頻繁な再検量もまた必要とされる。これらの操作は、損傷の危険性を増大させ、この危険性は、小さい体積の試料によって必要とされる小さい領域において増大するのみである。
【０００５】
ほとんどの市販されているｐＨ電極は、本質的に球状管球の形態のガラス膜を特徴とする。「組み合わせ電極」のために、基準接点がまた、ガラス膜の近くに位置付けられた電極の本体内に提供される。すべての場合において、すべての組み合わせ電極は、基準接点を覆うのに十分な深さに浸漬されなければならず、それは、複雑な設計を除いては、ガラス膜と同一平面上に位置付けられ得ない。さらなる限界は、基準電極の液体接点から生じる。基準電極の適切な機能は、フリット等の多孔性接点を介した分析物と内部基準溶液との間の流体連通に依存する。典型的な使用条件下で、少量の内部基準溶液が、多孔性接点を通って分析物中に入ることを許容される。この流れは、基準電位のドリフトを引き起こし得る、分析物の内部基準溶液中への侵入を防ぐことを意図される。しかしながら、非常に小さい試料において、内部基準溶液の分析物中への通過は、分析物の組成を変化させ、測定に悪影響を及ぼし得る。
【０００６】
従来のガラスｐＨプローブは、水素イオンによく反応するドープガラス膜で作製されるイオン選択性電極である作用電極（ＷＥ）を有する。ｐＨ反応性ガラス膜は、この種類のプローブにおいて主要な分析物検知素子であり、このため「作用」電極と称される。試料溶液内の水素イオンは、ガラス膜の外側に結合し、それによって、膜の内表面上で電位の変化を引き起こす。この電位の変化は、銀／塩化銀に基づく電極等の従来の基準電極（ＲＥ）の定電位に対して測定される。電位の差は、次いで、差を検量線上にプロットすることによって、ｐＨ値に相関させられる。検量線は、マルチステップ工程により生成され、これらの工程によって、ユーザーは、様々な既知の緩衝剤標準についての電位の変化をプロットする。従来のｐＨメータは、この原理に基づく。
【０００７】
ＲＥは、測定の正確性において必要不可欠な役割を果たす。高度に安定した電極電位が必要である。これは、通常、すべての活性成分が一定濃度で維持されるレドックス系を用いて達成される。典型的な銀／塩化銀では、ＲＥ塩化銀線は、濃縮塩化カリウム（ＫＣ１）溶液に浸漬される。ＫＣ１溶液は、多孔性フリットを介して、分析物と流体連通及び電気連通している。この液体接点は、内部ＫＣ１溶液の汚染の可能性を生じさせ、この汚染は電極電位を変化させ、測定のドリフトをもたらすであろう。他の欠点には、内部電解質の漏れ、及び液体接点内部の乾燥または沈殿に起因する詰まりに対する傾向が含まれる。
【０００８】
ＲＥの安定性を向上するために多くの試みがなされてきた。例えば、Ｂａｋｋｅｒ、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  １９９９、１１、７８８；Ｔ  Ｂｌａｚら、Ａｎａｌｙｓｔ、２００５、１３０、６３７；Ｋａｋｉｋｕｃｈｉら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００７、７９、７１８７；Ｃｉｃｍｉｌら、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ、２０１１、２３、１８８１；米国特許第７，６２８，９０１号；米国特許出願第２００９／０２８３４０４号；及びＣｈａｎｇら、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ、２０１２、２４を参照。これらの努力は、電位差測定系のために安定したＲＥを提供することに向けられた。
【０００９】
本発明は、センサ、センサ部品、ならびにそれらの製造及び使用のための方法、特に、小さい体積試料中の分析物濃度の測定を可能にするだけでなく、すべての試料体積に関して向上した性能を提供する、分析物濃度を検出するためのボルタンメトリーまたは電力測定の方法を含む。
【発明の概要】
【００１０】
いくつかの実装形態では、本発明は、すべての検知素子が互いに同一平面上に位置する実質的に平坦な検知表面をセンサに提供する。これらの構成は、小さい体積の試料でさえも、例えば、検知表面と別の固体表面との間で捕捉された液体フィルムの形態で、すべての検知素子に接触することを可能にする。任意選択的に、検知素子は、液体を捕捉する反対の表面に位置付けられ得る。試料は、試料容器の使用なしに、センサによって形成された間隙内で、毛管作用によって保持される。このように、試料サイズは、センサのサイズにもはや依存しないが、むしろ、センサ及び相補的表面によって形成される間隙の寸法によって左右される。例として、直径１２ｍｍの平坦なセンサ及び別の直径１２ｍｍの筒によって形成された間隙のサイズを調節することによって、均一の液体フィルムは、１０マイクロリットル以下の体積で形成され得る。第２に、測定の感度は、試料体積が減少するにつれて低下することはなく、これは感度が、主として、センサの表面積の関数であり、試料体積の関数ではないためである。実際に、低分析物濃度の検出を可能にするために、従来のガラスプローブで可能なものよりも実質的に大きなセンサ表面積を作製することができる。故に、本発明の幾つかの実装形態は、小さい試料体積の正確な格納を可能にするシステム、ならびに、検知素子がその画定された空間の片側または両側に位置する配列を含めて、相補的固体表面との小さい間隙の形成を容易にする、平坦な形状を有するセンサを提供する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、本発明は、マイクロリットルスケールの液体試料（例えば、約１０μＬ以下）内の分析物の濃度を測定するための装置及び方法であって、試料が、試料が堆積される（または接触される）格納領域をそれぞれ備える２つの金敷の間の表面張力によって保持される、装置及び方法を提供する。片方または両方の金敷は、それらの中に、格納領域が試料によって湿潤された金敷の表面と導電接触している分析物のセンサの１つ以上の電極を埋め込んだ。いくつかの実施形態では、格納領域は、分析物によって湿潤されていない表面によって囲まれた分析物によって湿潤された表面によって確定され、分析物によって湿潤された表面は、検知素子を備える。いくつかの実施形態では、センサの１つ以上の電極は、好適な基板上で電極部品をコーティングまたはプリントすることによって製造され、そのような基板には、固体、多孔性、及び／または可撓性材料が含まれる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本発明は、センサを形成する２つの金敷表面の間の表面張力によってそれぞれ保持される複数のマイクロリットル試料上でマルチチャネル型分析物濃度測定を可能にし、単一のボルタンメトリースキャンが、そのようなセンサの配列にわたって実行される、装置を提供する。いくつかの実施形態では、表面張力によって格納される複数のマイクロリットル液体試料上で分析物濃度測定を行うための装置は、複数の組の金敷の対向する近位端の間の表面張力によって複数のマイクロリットル試料を格納するための手段であって、それぞれ組の金敷が、機能センサを提供し、金敷が、任意選択的に、実質的に平行な、離間した関係にある、手段と、電流を金敷に供給するための手段と、金敷を配列内に保持するための手段と、センサのボルタンメトリースキャニングを実行するための手段と、それらを介して送信された信号を受け取り、その上で分析物濃度測定を行うための、センサに接続された手段とを備え、分析物濃度測定は、１つ以上のセンサにおいて、２つ以上のセンサ、及び信号を受け取り、その上で分析物濃度測定を行うための１つ以上の手段を同時に用いて行われる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、本発明は、分析物濃度を試料中で測定するための分析物のセンサを提供し、分析物のセンサを一緒に形成する第１の金敷及び第２の金敷を備え、金敷は、金敷間の隔離の調節を可能にする手段によって互いに機械的に結合され、その結果、該金敷のうちの一方の表面上に配置された流体試料は、他方の金敷の表面に接触され得、それによって分析物を介して２つの金敷の間の導電接触を確立し得、ボルタンメトリースキャニングを用いて分析物測定が行われるのに十分な期間、そのような位置に維持される。
【００１４】
他の実装形態では、本発明は、本発明のセンサにおいて有用な電極の部品を調製するための方法及び材料を提供する。いくつかの実施形態では、本発明の材料は、例えば、作用電極において有用な、レドックス活性分析物感光材料（ＲＡＭ）である。他の実施形態では、材料は、共有結合されたそのようなＲＡＭを含むポリマーである。いくつかの実施形態では、これらの材料は、プリントベースの製造方法で用いられ得るプリント用インキ内への組み込みのために好適なＲＡＭである。
【００１５】
いくつかの本発明の実施形態では、材料は、基準電極等の電極と、分析物濃度が測定されることになる試料との間の接点を形成する上で有用である、イオン性液体、導電材料（炭素を含むがそれらに限定されない）、及びポリマー（フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）を含むがそれらに限定されない）によって形成された複合物である。本発明の方法は、本発明のＲＡＭ、ポリマー、及び複合物を作製及び精製するための方法を含む。
【００１６】
さらに、いくつかの実装形態では、本発明は、電極及び電極部品、ならびに、それらの製造及び使用のための方法を提供する。これらの電極及び電極部品は、本発明の様々な実施形態に従って、マイクロリットルスケールの試料中で分析物濃度を測定するための小型化センサにおいて使用され得る。いくつかの実施形態では、電極及び電極部品は、より良い性能を提供するための、及び／またはメインテナンス費を減少させるための一般的使用におけるセンサのための交換部品として有用である。本発明の方法は、様々なコーティング、プリント、マイクロ製造、及び写真平版法の手段によって検知材料を好適な基板上に堆積することによって、小型化センサ及び小型化電極を作製するための方法を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、本発明は、少なくとも１つの室温イオン性液体（ＲＴＩＬ）、炭素同素体、ならびにＲＴＩＬ及び炭素同素体を導電固体マトリックスに結合する重合材料を含む複合物を用いた基準電極を提供する。結果として生じる固体マトリックスは、導電固体マトリックスがＫＣ１溶液を分析物から隔離する、ＫＣ１溶液に浸漬されたＡｇ／ＡｇＣｌ等の内部基準系を格納するＲＥの部品として有用である。あるいは、導電固体マトリックスは、内部溶液を何も格納しないＲＥの部品として有用である。いずれの実施形態においても、ＲＥは、ＷＥと対向電極（ＣＥ）との様々な組み合わせと併せて、ボルタンメトリー分析において用いられ得る。
【００１８】
機能的に、導電固体マトリックスは、特徴的な電極電位を有する一定の化学環境と、分析物と間のバリアとして作用する。固体マトリックスは、電気的に導電性であり、その中の陽子を除いて、分析物に対して本質的に不透過性である。導電固体マトリックスは、導電分析物バリア（ＣＡＢ）と称される。ＣＡＢの際立った特徴は、その陽子のＲＴＩＬ部品を通して透過性、及び炭素部品を通して電気伝導率である。いくつかの実施形態では、ＣＡＢは、濃縮ＫＣ１溶液と接触している従来のＡｇ／ＡｇＣｌレドックス結合と併せて用いられる。他の実施形態では、ＣＡＢは、固体Ａｇ／ＡｇＣｌレドックス結合と直接接触する。飽和甘汞または銅／硫酸銅系等の代替の基準電極系もまた、本発明に係る実現可能なＲＥを生産する。
【００１９】
様々な実施形態では、ＣＡＢは、ＲＴＩＬ、ＲＴＩＬと混和性または部分的混和性のポリマー、及び黒鉛粉末または炭素ナノチューブ等の微細化炭素同素体を含む。これらの成分は、ポリマーの溶融物または溶液と混ぜることによって複合物に作製され、次いで、冷却することによってまたは溶媒を蒸発により除去することによって固化される。結果として生じる固体は、例えばチューブの開口部に適合するように成形され、続いてチューブをＡｇ／ＡｇＣｌ／ＫＣ１構成成分で充填する。他の実施形態では、溶融物または溶液を使用して、ガラス、セラミック、またはセルロース等の不活性の微多孔性材料等の多孔性構造を充填する。固化後、多孔性マトリックスは、上記のように成形され、組み立てられる。
【００２０】
他の実施形態は、ＲＴＩＬ及び支持ポリマーの溶融物または溶液を支持するための多孔性炭素構造を用いることを含み、多孔性炭素構造は、前述の微細化炭素同素体を置換して、電気伝導率を促進する。他の実施形態では、ＲＴＩＬ及び炭素同素体は、エポキシまたはポリウレタン等のマルチ部分反応性ポリマー系の１つ以上の前駆体内に組み込まれる。反応性前駆体を組み合わせることが、重合を開始する。反応が完了すると、ＲＴＩＬと炭素構成成分との両方によって導電性にされる、実質的に均質なポリマーマトリックスが得られる。他の実施形態では、反応性官能基を含有するＲＴＩＬは、ホストポリマー上への結合を可能にするために用いられるか、重合または共重合されて、導電性高分子類似体を形成する。ＲＴＩＬ誘導体及びその高分子等価物の選択に応じて、前述の実施形態に記載される技法を使用して、ＣＡＢを形成する。例えば、良好な機械的強度を有する高分子ＲＴＩＬまたはそのコポリマーは、必要とされる形状でＣＡＢを形成するために用いられ得るが、他の実施形態では、良好な電気化学的品質を有する軟質または壊れやすい高分子ＲＴＩＬは、多孔性マトリックスによって補強される。高分子ＲＴＩＬを用いる利点は、分析物に対するＲＴＩＬ部分の損失が低減されることであり、この損失は、その安定性に影響を及ぼすＣＡＢにおける局所的ＲＴＩＬ濃度における変化の可能性、及び、特に小さい分析物体積のための分析物の汚染の可能性の両方のために望ましくない。
【００２１】
他の実施形態では、ＣＡＢは、ＲＴＩＬ、混和性または部分的混和性ポリマー、及び炭素同素体または炭素質多孔性支持体を含む。ＣＡＢ内の追加の構成成分は、他の構成成分と混ぜる前にＡｇＣｌをＲＴＩＬに添加することによって得られたＡｇＣｌの飽和または過飽和濃度である。このＣＡＢは、次いで、塩化銀表面の形態で、Ａｇ／ＡｇＣｌと接触させられる。ＲＴＩＬ構成成分に、次いで、ＣＡＢに溶解したＡｇＣｌの濃度は、塩化銀における電極電位が一定に保たれることを確実にする。前述の実施形態のすべてにおいて、ＲＴＩＬは、単一のＲＴＩＬまたはＲＴＩＬの組み合わせである。
【００２２】
他の実施形態では、ＣＡＢは、ＲＴＩＬのポリカチオン同族体に基づくイオン性固体を含む。
【００２３】
他の実施形態では、ＣＡＢは、ポリカチオン及びポリアニオンの混合を含む。
【００２４】
本発明のこれら及び他の態様及び実施形態は、下記及び添付図面においてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の上に列挙した及び他の特性及び利点が得られる様態が容易に理解されるように、上記に簡潔に記述した本発明のより具体的な説明が、添付図面に図解されるその特定の実施形態への参照によってなされることになる。これらの図面が本発明の典型的な実施形態のみを描写し、したがって、その範囲を限定することを考えられるものではないことを理解して、本発明は、添付図面の使用を通して、追加の特性及び詳細と共に、記述及び説明される。
【００２６】
【図１】本発明の典型的な実施形態に係る図解のボルタンメトリーセンサ装置の概略図を示す。
【図２】本発明の典型的な実施形態に係る基準電極構成物の概略図を示す。
【図３】本発明の典型的な実施形態に係る３つの基準電極の安定性を説明するグラフを示す。
【図４】本発明の典型的な実施形態に係るｐＨ２−１２階段試験を受けた後のそれぞれの電極の平均電位を説明するグラフを示す。
【図５】基準電極構成物本発明の典型的な実施形態に係る概略図を示す。
【図６】直接本発明の典型的な実施形態に係る複合プラグ基準接点内に直接Ａｇ／ＡｇＣｌ線を埋め込むことによって安定した電位を説明するグラフを示す。
【図７】本発明の典型的な実施形態に係る作用電極構成物の概略図を示す。
【図８】本発明の典型的な実施形態に係るｐＨ検知電極の概略図を示す。
【図９】本発明の典型的な実施形態に係るｐＨセンサアセンブリの概略図を示す。
【図１０】本発明の典型的な実施形態に係る作用電極の反対に位置している対向及び基準電極の概略図を示す。
【図１１】ｐＨ２、４、７、及び１０に対してＢＤＨ  Ｂｒａｎｄ  標準と共に本発明の電極アセンブリを用いて生成された検量データのために方形波ボルタンメトリープロットを説明するグラフを示す。
【図１２】ｐＨ緩衝剤に対してプロットされた図１１からのピークデータを説明するグラフを示す。
【図１３】本発明のｐＨセンサ装置及び市販されているｐＨメータによって測定された場合のｐＨの比較を説明するグラフを示す。
【図１４】図１３のそれぞれの緩衝剤のために方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを説明するグラフを示す。
【図１５】図１３のそれぞれの緩衝剤のために方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを説明するグラフを示す。
【図１６】図１３のそれぞれの緩衝剤のために方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを説明するグラフを示す。
【図１７】図１３のそれぞれの緩衝剤のために方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを説明するグラフを示す。
【図１８】図１３のそれぞれの緩衝剤のために方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを説明するグラフを示す。
【図１９】図１４〜１８からのピークデータを説明するグラフを示す。
【図２０】本発明の典型的な実施形態に係る単一のウェルｐＨ検知装置の概略図を示す。
【図２１】本発明の典型的な実施形態に係るｐＨ検知装置の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、当該技術において現在知られているものよりも優れている、化合物、組成物、方法、電極、電極部品、及び固体状態の分析物のセンサを含むセンサを提供する。本発明の利点の理解を容易にするために、以下の定義が、読み手の便宜のために提供される。
【００２８】
定義
明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるように、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」という単数形は、文脈に別段の記載がなければ、複数の指示物を含む。よって、例えば、「結合剤」への参照は、単一の結合剤のみの組成物、及び結合剤の混合物である組成物を含む。
【００２９】
「アルカニル」は、飽和分枝、直鎖、または環状アルキル基を指す。典型的なアルカニル基は、メタニル；エタニル；プロパン−１−イル、プロパン−２−イル（イソプロピル）、シクロプロパン−１−イル等のプロパニル類；ブタン−１−イル、ブタン−２−イル（ｓｅｃ−ブチル）、２−メチル−プロパン−１−イル（イソブチル）、２−メチル−プロパン−２−イル（ｉ−ブチル）、シクロブタン−１−イル等のブチニル類（ｂｕｔｙａｎｙｌｓ）等を含むがそれらに限定されない。
【００３０】
「アルケニル」は、親アルケンの単一の炭素原子からの１つの水素原子の除去によって誘導される少なくとも１つの炭素−炭素二重結合を有する不飽和分枝、直鎖、または環状アルキル基を指す。基は、シスまたはトランスのいずれかの二重結合（複数可）に関する立体構造にあり得る。典型的なアルケニル基は、エテニル；プロプ−１−エン−１−イル、プロプ−１−エン−２−イル、プロプ−２−エン−１−イル（アリル）、プロプ−２−エン−２−イル、シクロプロプ−１−エン−１−イル；シクロプロプ−２−エン−１−イル等のプロペニル類；ブト−１−エン−１−イル、ブト−１−エン−２−イル、２−メチル−プロプ−１−エン−１−イル、ブト−２−エン−１−イル、ブト−２−エン−１−イル、ブト−２−エン−２−イル、ブタ−１，３−ジエン−１−イル、ブタ−１，３−ジエン−２−イル、シクロブト−１−エン−１−イル、シクロブト−１−エン−３−イル、シクロブタ−１，３−ジエン−１−イル等のブテニル類等を含むがそれらに限定されない。
【００３１】
「アルコキシ」は、それ自体で、または別の置換基の一部として、ラジカル−ＯＲ100を参照し、Ｒ100は、本明細書に定義されるようなアルキル基を表す。典型的な例は、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ等を含むがそれらに限定されない。
【００３２】
「アルキル」は、親アルカン、アルケン、またはアルキンの単一の炭素原子からの１つの水素原子の除去によって誘導される、飽和または不飽和、分枝、直鎖、または環状一価の炭化水素基を指す。典型的なアルキル基は、メチル；エタニル、エテニル、エチニル等のエチル類；プロパン−１−イル、プロパン−２−イル、シクロプロパン−１−イル、プロプ−１−エン−１−イル、プロプ−１−エン−２−イル、プロプ−２−エン−１−イル（アリル）、シクロプロプ−１−エン−１−イル；シクロプロプ−２−エン−１−イル、プロプ−１−イン−１−イル、プロプ−２−イン−１−イル等のプロピル類；及び、ブタン−１−イル、ブタン−２−イル、２−メチル−プロパン−１−イル、２−メチル−プロパン−２−イル、シクロブタン−１−イル、ブト−１−エン−１−イル、ブト−１−エン−２−イル、２−メチル−プロプ−１−エン−１−イル、ブト−２−エン−１−イル、ブト−２−エン−２−イル、ブタ−１，３−ジエン−１−イル、ブタ−１，３−ジエン−２−イル、シクロブト−１−エン−１−イル、シクロブト−１−エン−３−イル、シクロブタ−１，３−ジエン−１−イル、ブト−１−イン−１−イル、ブト−１−イン−３−イル、ブト−３−イン−１−イル等のブチル類を含むがそれらに限定されない。「アルキル」という用語は、任意の程度またはレベルの飽和を有する基、すなわち、排他的に単一の炭素−炭素結合を有する基、１つ以上の二重炭素−炭素結合を有する基、１つ以上の三重炭素−炭素結合を有する基、及び単一、二重、及び三重炭素−炭素結合の混合物を有する基を含むことが特に意図される。特定のレベルの飽和が意図される場合、「アルカニル」、「アルケニル」、及び「アルキニル」という表現が用いられる。「低アルキル」という表現は、１〜８個の炭素原子を含むアルキル基を指す。
【００３３】
「アルキニル」は、親アルキンの単一の炭素原子からの１つの水素原子の除去によって誘導される少なくとも１つの炭素−炭素三重結合を有する不飽和分枝、直鎖、または環状アルキル基を指す。典型的なアルキニル基は、エチニル；プロプ−１−イン−１−イル、プロプ−２−イン−１−イル等のプロピニル類；ブト−１−イン−１−イル、ブト−１−イン−３−イル、ブト−３−イン−１−イル等のブチニル類等を含むがそれらに限定されない。
【００３４】
「アリール」は、親芳香族環系の単一の炭素原子からの１つの水素原子の除去によって誘導される一価の芳香族炭化水素基を指す。典型的なアリール基は、アセアントリレン、アセナフチレン、アセフェナントリレン、アントラセン、アズレン、ベンゼン、クリセン、コロネン、フルオランテン、フルオレン、ヘキサセン、ヘキサフェン、ヘキサレン（ｈｅｘａｌｅｎｅ）、ａｓ−インダセン、ｓ−インダセン、インダン、インデン、ナフタレン、オクタセン、オクタフェン（ｏｃｔａｐｈｅｎｅ）、オクタレン、オバレン、ペンタ−２，４−ジエン、ペンタセン、ペンタレン、ペンタフェン、ペリレン、フェナレン、フェナントレン、ピセン、プレイアデン、ピレン、ピラントレン、ルビセン、トリフェニレン、トリナフタレン等から誘導される基を含むがそれらに限定されない。アリール基は、例えば、（Ｃ5−Ｃ10）を含むがそれらに限定されない（Ｃ5−Ｃ14）アリールであり得る。図解のアリール類は、シクロペンタジエニル、フェニル、及びナフチルを含む。
【００３５】
「アリールアルキル」は、環状アルキル基を参照し、その中には、炭素原子に結合された水素原子のうちの１つ、典型的には、アリール基を用いて再配置された末端またはｓｐ3炭素原子である。典型的なアリールアルキル基は、ベンジル、２−フェニルエタン−１−イル、２−フェニルエテン−１−イル、ナフチルメチル、２−ナフチルエタン−１−イル、２−ナフチルエテン−１−イル、ナフトベンジル、２−ナフトフェニルエタン−１−イル等を含むがそれらに限定されない。特定のアルキル部分が意図される場合、アリールアルカニル、アリールアケニル、及び／またはアリールアルキニルという命名法が用いられる。好ましい実施形態では、アリールアルキル基は（Ｃ6−Ｃ20）アリールアルキルであり、例えば、アリールアルキル基のアルカニル、アルケニル、またはアルキニル部分は（Ｃ1−Ｃ6）であり、アリール部分は（Ｃ5−Ｃ14）である。図解の実施形態は、アリールアルキル基（Ｃ6−Ｃ13）を含み、例えば、アリールアルキル基のアルカニル、アルケニルまたはアルキニル部分は（Ｃ1−Ｃ3）であり、アリール部分は（Ｃ5−Ｃ10）である。
【００３６】
「分析物」は、試料中に存在する目的の化学種であり、その存在は、検出可能か、あるいは、その濃度は、作用電極を組み込む分析物のセンサ系を用いて測定可能である。
【００３７】
「分析物感光材料」または「ＡＳＭ」は、ユーザーに定義された用途専用の許容誤差内での試料の存在または濃度に対して感光または実質的に感光なレドックス活性材料である。分析物に対する「実質的に感光」は、それらの許容誤差のように用いられて、それらの許容誤差がエンドユーザによって定義されるとき、所与の用途にとって必要な許容誤差内の感光であることを意味する。
【００３８】
「分析物非感光材料」または「ＡＩＭ」は、試料において、分析物の存在または濃度も対して非感光または実質的に非感光なレドックス活性材料である。分析物に対する「実質的に非感光」は、それらの許容誤差がエンドユーザによって定義されるとき、所与の用語にとって必要な許容誤差内の非感光であることを意味する。
【００３９】
「分析物非感光電極」（ＡＩＥ）は、基準電極の特別な場合であり、電流の流れが、分析物を含むがそれらに限定されない試料組成物内での種の存在または濃度（支持電解質の最小閾値の他に）から独立しているレドックス工程に部分的に依存している。ＡＩＥは、時間を通して変動しない反応、または試料組成物を提供する機能を果たし、したがって、ＷＥ反応が比較され得る内部標準または「ゼロ点」として用いられ得る。参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ公開第２０１０／１０４９６２号を参照。ＡＩＥは、１つ以上のＲＡＭを格納し、それらは、導電基板、疑似基準電極（下記に定義されるようなＰＲＥ）、及びＲＡＭ、多くの場合、ＰＲＥを配置するための手段と電気的接触するが、それらは、分析物溶液と、単離しているが、電気及び流体連通している一定の化学的環境にいる。ＡＩＥの導電基板及びＲＡＭは、「内部作用電極」または「ＩＷＥ」として本明細書で称され得る。本明細書に用いられるように、ＡＩＥは、文脈次第では、集積化機能ユニット（ＩＷＥ、一定の化学的環境、及びＰＲＥ）、またはＩＷＥ、またはただＩＷＥのマトリックス材料構成成分を参照し得る。本発明の文脈において、一定の化学的環境は、ヒドロニウムイオンまたは水酸化イオンにおける変化（すなわち、ｐＨ）に抵抗する緩衝剤であり、その結果、ＲＡＭは、安定した、再生可能なボルタンメトリー信号を出力する。緩衝液は、一定の化学的環境の最も単純な形態である。本発明のＡＳＭは、緩衝液の配合に精密に反応する。この特徴は、Ａｇ／ＡｇＣｌ／ＫＣ１等の従来の基準電極よりもさらに安定した信号を生成するための緩衝液の計画的な使用に繋がる。一定の化学的環境を生成するための材料の設計及び実装は、下記に詳述される。意義深いことに、フェロセン等のＡＩＭに併せて用いられる一定の化学的環境は、その化合物の２つの欠点を乗り越える。すなわち、１）反対の期待にも関わらず、分析物ｐＨにおける変化にわずかに反応するその傾向、及び２）フェロセンが使用可能なボルタンメトリー信号により反応するための、ｐＨ範囲（約４以上）の限定。
【００４０】
「分析物検知装置」は、センサ、センサから信号を測定するための手段、及びその信号を表示するための任意選択的な手段である。ｐＨメータは、一種の分析物検知装置である。よって、いくつかの実施形態では、分析物検知装置は、制御装置／処理装置、関連プログラム及びアルゴリズム、ならびにプローブを含む。
【００４１】
「補助電極」と時に称される、「対向電極」または「ＣＥ」はまた、いくつかの分析物のセンサにおいて必要とされる電極であり、電流を電気化学的セルに通過させ、電気回路を完成させる。ＣＥは、電子の元またはシンクとしての機能を果たし、電流がＷＥを通して流れ、レドックス反応に効果を及ぼすことを可能にする。ＷＥで測定された信号に干渉し得る、ＣＥで起こっている望ましくない電気化学的レドックス工程を避けるために、ＣＥは、相対的に化学的に不活性な材料、通常白金（Ｐｔ）を用いて典型的には作製されるが、炭素同素体がまた通常使用される。ある特定の他の金属類は、特に、厳しい環境で安定性を示すものが用いられ得る。例は、金、ステンレス鋼、チタニウム、及び特殊合金を含むがそれらに限定されない。
【００４２】
「同軸」は、例えば、電極等の様々な部品の周りに位置する共通の軸を指す。いくつかの実施形態では、「同軸」は、同心円状にまたはおよそ同心円状に位置している部品の放射相称を指す。いくつかの実施形態では、「同軸」という用語は、１つ以上の電極が外または外部に位置している電極部品内に同心円状に位置している、例えば、制限なく、ＷＥ、ＣＥ、及びＲＥは、同軸方向に位置している（ＣＥが、分析物溶液に浸漬されるセンサチップの外環であり、ＷＥがチップの中央にあり、ＲＥがＣＥとＷＥとの間に介在する）ことを指す。参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ公開第２０１０／１１１５３１号を参照。
【００４３】
材料を参照した「分散された」または「関連した」は、それが、溶液中で溶解するか、気体、液体、または固体で、コロイドとして懸濁されることを意味する。その用語はまた、材料が固体の表面または固体の構成成分に共有結合されている実施形態を包含する。その用語はまた、材料がドーパントとして結晶格子状に組み込まれる実施形態を包含する。
【００４４】
その用語はまた、固体中に介在された材料を包含する。
【００４５】
「電極」は、プローブの部品である。
【００４６】
「疑似基準電極」または「ＰＲＥ」は、それらの環境に従って予想通りに変動する電極の範疇における一種の電極である。一旦確立されると、そのような相関は、既知の条件のために、電極電位を計算するために用いられ得る（たとえ、それらの条件が従来の基準電極が印加可能である相対的に狭い範囲、例えば、周囲温度から離れた非水溶液または温度を超えるとしても）。それらの状況では、それらは、電気化学的実験の時間スケールにまたがる合理的に一定の電位を提供し、ＰＲＥの絶対電位は、必要ならば、ＲＥに逆に検量され得る。疑似基準電極は、典型的には、レドックス結合の両半分を備えない。ＰＲＥの一例は、銀線（通常、非水溶性電気化学において用いられる）である。より最近では、ＰＲＥは、ＡＩＥの構成成分として用いられてきた。
【００４７】
「レドックス−活性材料」は、酸化及び還元し得る化合物または組成物である。「レドックス活性」は、それらの工程の片方または両方を指す。
【００４８】
「基準電極」（ＲＥ）は、ＷＥに印加された電位差を確立するために用いられる電極である。従来のＲＥは、ある特定の固定化学組成物、及びしたがって、固定電気化学的電位を有し、よって、ＷＥに印加された電位差の測定を、既知の、制御された様式で可能にする。ＲＥは、典型的には、固定化学組成物の電解質と接触しているレドックス結合の２つの半分及びイオン性強度を含む。レドックス結合の両半分が存在し、関係するすべての種の組成物は固定されるので、系は、平衡状態で維持され、ＲＥの電極−電解質境界面にわたる電位低下は（すなわち、測定された電圧）は、次いで、熱力学的に、固定され、一定とされる。例えば、通常、用いられるＲＥ系は、Ａｇ｜ＡｇＣｌ｜ＫＣ１系であり、ＫＣ１の定義された一定濃度を有する。２つの半セル反応は、したがって、Ａｇ+＋ｅ-→Ａｇ、及びＡｇＣｌ＋ｅ-→Ａｇ＋Ｃｌ。全セル反応は、したがって、ＡｇＣｌ→Ａｇ+＋Ｃｌ-（このために、ネルンスト平衡電位は、次のように与えられる：Ｅ＝Ｅ0−（ＲＴ／Ｆ）＊ｌｎ［Ｃｌ−］（式中、Ｅは測定されたＲＥ電位、Ｅ0はＡｇ｜ＡｇＣｌ結合の標準電位  対  すべての種が単位活性している標準水素電極（通例では、標準水素電極は、０．０Ｖの電位を有するものとして定義される）；Ｒ、Ｔ、及びＦは、それぞれ、適切な単位における、一般気体定数、温度、及びファラデー定数である。それ故に、この系の電位は、存在するＣｌ-イオンの濃度（より厳密に言えば、活性）にのみ依存し、それは、これが固定されるならば、安定した固定電位を提供する。多くの他のＲＥ系は、当該技術において知られている。ＲＥの組成物が一定のままで、それ故に、ほとんどゼロの電流がＲＥを通過しなければならず（さもなければ、電気分解が起こり、ＲＥの組成物が変化することになる）、それは、第３の電極、対向電極（ＣＥ）の使用を必要とし、回路を完成させる、ことは避けられない。しかしながら、２つの電極構成は、ＷＥが、典型的には１００マイクロメータよりも小さい少なくとも１つの寸法を有するマイクロ電極である特別な場合に用いられ得る。この場合、ＷＥで通過した電流は小さく、したがって、２つの電極セルは、ＲＥと用いられ得るが、ＣＥに対する必要性はない。
【００４９】
「プローブ」は、複数の電極を格納するセンサを指す。プローブは、例えば、作用電極、対向電極、及び基準電極（従来の基準電極または疑似基準電極のいずれか）を含み得る。プローブは、例えば、作用電極、対向電極及び分析物非感光電極（ＩＷＥ及びＰＲＥ）を含み得る。
【００５０】
「センサ」は、電極、または分析物の存在に反応して信号を生成する電極の集まりである。
【００５１】
電極の「表面」は、機能表面、すなわち、分析物試料と接触している表面の部分を参照し、電気的または電気化学的目的を果たす。それは、例えば、電流または電圧が通らない絶縁性ＷＥハウジングを含まないだろう。ＷＥの表面は、ＲＥに対する電流または電位を検出する試料と接触している電極表面の部分である。ＣＥの表面は、ＷＥから電流を出すか受け取る機能を果たす試料と接触している部分を指す。
【００５２】
「作用電極」または「ＷＥ」は、電極であり、そこで、対象の分析物を検出するための電気化学的工程が起こる。センサにおいて、作用電極は、試験試料において１つ以上の分析物（複数可）に感光し得るか、それは、分析物感光種／材料と化学的に修飾され得る。作用電極の電気化学的反応は、研究中の径へのいくつかの摂動が印加された後、測定される。例えば、摂動は、電位差のＷＥへの印加であり得、ＷＥは電子移動を誘導して起こさせ、ＷＥにおける結果として生じる電流は、次いで、印加電位（ボルタンメトリーモード）の機能として記録される。多くの他のモードが、当該技術において知られているように、操作のモードのこの例は、図解の及び網羅的ではない。本発明のＷＥは、試料溶液及び印加電位において、分析物の濃度に依存している可逆的な電気化学的レドックス反応（ｐＨメータに対する水素イオン、他の分析物検知装置に対する他の分析物）を受け得るＡＳＭを格納する。例えば、試料溶液中に高濃度の水素イオンが存在する場合、レドックス反応は、より低い電位で起こる。逆に、試料溶液中に低濃度の水素イオンが存在する場合、レドックス反応は、より高い電位で起こる。これらの特徴的な電位及び試料溶液ｐＨの間の関係は、ＡＳＭの化学的同一性の機能である。アルゴリズムは、電位をｐＨ値に変換し、知られていない試料のｐＨを測定する手段を提供する。
【００５３】
上記の定義を考慮に入れて、読み手は、下記に記述された本発明の様々な態様及び実施形態をより良く理解し得る。
【００５４】
小型化分析物のセンサ
第１の態様では、本発明は、ボルタンメトリーセンサ技術を用いて、約１０マイクロリットル以下の小さい試料体積での分析物濃度の測定を可能にする小型化分析物のセンサを提供する。１つの実施形態では、本発明は、非常に顕著には、ヒドロニウムイオン濃度またはｐＨを含むが、それらに限定されない、溶液における電解質の測定のためにセンサ技術を提供する。本発明によって提供される他のボルタンメトリーセンサ技術は、様々な形状因子及び試料格納配設においてセンサで現在検出される特定の分析物のために設計されたセンサを含む。
【００５５】
本発明はまた、分析物濃度測定装置を提供し、この場合、基準、センサ、及び対向電極は、小さい試料体積で分析物濃度を測定するために有利な手段で空間的に配向けされる。これらの装置では、様々なセンサ部品は、一対の「金敷」で配置され、その上で、試料は、測定を実行する際に配置される（あるいは、接触される）。試料は、試料が測定のために堆積される（または接触される）格納領域を有する表面をそれぞれ備える２つの金敷の間の表面張力によって適所に保持される。片方または典型的には両方の金敷は、それらの中に、格納領域が試料によって湿潤された金敷の表面と導電接触している分析物のセンサの１つ以上の電極を埋め込んだ。いくつかの実施形態では、格納領域は、試料を検知素子の表面上への試料の塗布を促進する親水性コーティングによって画定される。いくつかの実施形態では、センサの１つ以上の電極は、好適な導電基板上に電極部品をコーティングまたはプリントすることによって製造され、そのような基板には、炭素同素体、貴金属、及び導電性ポリマーを含むがそれらに限定されない
【００５６】
いくつかの実施形態では、これらの装置は、互いにセンサを形成する２つの金敷の間の表面張力によってそれぞれ保持される複数のマイクロリットルスケールの液体試料上でマルチチャネル型分析物濃度測定を可能にし、単一のボルタンメトリー分析は、そのようなセンサの配列にわたって実行される。いくつかの実施形態では、表面張力によって格納される複数の液体試料上で分析物濃度測定を行うための装置は、複数の組の金敷の対向する近位端の間の表面張力によって複数の液体試料を格納するための手段であって、それぞれ組の金敷が、機能センサを提供し、金敷が、任意選択的に、実質的に平行な、離間した関係にある、手段と、電流を金敷に供給するための手段と、金敷対を配列内に保持するための手段と、センサを用いてボルタンメトリー分析を実行するための手段と、それらを介して送信された信号を受け取り、その上で分析物濃度測定を行うための、センサに接続された手段と、を備え、分析物濃度測定は、２つ以上のセンサにおいて、２つ以上の電極、及び信号を受け取り、その上で分析物濃度測定を行うための２つ以上の手段を同時に用いて行われる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、本発明は、分析物濃度を試料中で測定するための分析物のセンサを提供し、分析物のセンサを一緒に形成する第１の金敷及び第２の金敷を備え、金敷が、金敷の間の隔離の調節を可能にする手段によって互いに機械的に結合され、その結果、金敷のうちの一方の表面上に配置された流体試料が、他方の金敷の表面に接触され得、それによって２つの金敷を導電接触し得、ボルタンメトリースキャニングを用いて分析物測定が行われるのに十分な期間、そのような位置に維持される。
【００５８】
本発明の装置は、その形態を取り得、それぞれが参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，３９７，０３６号、第７，８７２，７４９号、及び第８，１８９，１９９号（また、米国特許第７，６２３，２２５号及び第８，２２３，３３８号を参照）に一般的に記述されたマイクロリットルスケールの試料上での吸光度測定を行うために現在市場に出されている装置の機能を任意選択的に含み得る。当業者は、本発明のｐＨ測定技術をこれらの特許に記述された吸光度測定技術と組み合わせる重要な利点を認識することになる。
【００５９】
ボルタンメトリーセンサ技術
ボルタンメトリーセンサ装置における作用の機構は、ガラスｐＨプローブのものとは一意に異なり、電位差測定信号を生成する。ボルタンメトリーセンサにおいて、作用電極への試料の曝露の際に起こるレドックス反応は、試料ｐＨ（または他の分析物濃度）に高度に依存する方形波ボルタンメトリー分析において、ピーク電圧を生じる。高度に再生可能な、ｐＨからピーク電圧への直線関係が存在する。ｐＨ（及び他の分析物濃度）の測定のためのボルタンメトリーセンサ装置は、それぞれが参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ公開第ＷＯ２０１０／１１１５３１号；第ＷＯ２０１０／１１８１５６号；及び第２０１２／０１８６３２号に記述される。
【００６０】
本発明のマイクロセンサは、低い試料体積で分析物濃度を測定するのに特に効果的であり、その理由は、ボルタンメトリーセンサ装置にとって、試料体積を減少させることは、試料と接触しているセンサ表面積の試料体積に対する比率を増加させる。この比率を増加させることは、センサ表面と接触している利用可能な分析物のより広い部分という結果になる。試料のより大きな部分がセンサ表面と相互作用するとき、より多くの信号が生成され、このことが、希釈した分析物試料の検出及び分析に利点を与える。
【００６１】
本発明のボルタンメトリーセンサ装置は、完全に固体状態で、可逆化学物質の表面を有し得る。それらは、汚れに対してより耐性があり、再検量を必要としない。それ故に、装置は、工場検量されたセンサが試料測定の準備ができた状態で、組み立てられ得る。
【００６２】
ボルタンメトリーセンサ装置は、３つの主要な部品である、センサまたは作用電極、基準電極、及び対向電極を有する。本発明のボルタンメトリーマイクロセンサ装置では、これらの３つの部品は、非常に小さい体積試料の正確な分析物濃度測定を促進する様式で空間的に配向され得る。ボルタンメトリーセンサの電極は、概して、本発明によって提供されるそれらに対する向上と一緒に、下記に記述される。
【００６３】
基準電極
本発明のボルタンメトリーセンサでは、基準電極は、固体状態、液体充填、またはゲル充填であり得る。基準電極は、溶液において、電解質（分析物）の測定の標準化のために用いられる。典型的な基準電極は、銀／塩化銀基準電極である。本発明の図解のボルタンメトリーセンサ装置では、銀／塩化銀基準電極は、図１に示されるように、構成され得る。
【００６４】
本発明の方法及び材料は、従来の基準電極を用いて観察された多くの共通の問題を避けるために用いられる得る実施形態を含む。より具体的には、本発明は、新しい種類の基準電極接点を提供することによって、ドリフト、詰まり、及び塩漏れという結果になる問題、今日すべての種類の基準電極を用いて現在遭遇される問題を解決する。
【００６５】
正確な及び精密なｐＨ読み取りを生産するために、基準電極は、経時的に変動またはドリフトしない安定した電位を維持する必要がある。従来のｐＨメータ及び他の分析物のセンサにおいて観察されたドリフトの原因は、大部分は、基準接点に起因するものである。開口した、袖のある、多孔性のプラグを含む様々な既存の接点が存在する。これらの接点のそれぞれは、基準電極が汚れるか、詰まるか、またはドリフトしないようにするための定期メインテナンスを必要とする。経時的に、接点が詰まるか、汚れるにつれ、それは、基準電極の電位安定性及び反応時間に直接影響を及ぼす。既存の基準電極接点技術に関する別の問題は、試料における外部分析物または他の構成成分との、基準電極の内部溶液の相互汚染である。これは、測定された試料の絶対制御を必要とする多くの用途で有害であり得る。これらの問題を直すために、本発明は、従来の接点のすべての性能を提供するが、汚れず、詰まらず、漏れない固体複合材料を提供する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、本発明は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，６２８，９０１号に記述されるように、実質的に製造されるＲＥと組み合わせて、ボルタンメトリーＷＥを備えるセンサを提供する。
【００６７】
他の実施形態では、本発明は、ＲＴＩＬ、導電材料、及びポリマーを含むがそれらに限定されないイオン性液体（ＩＬ）を備える複合材料である、基準接点を有するＲＥと組み合わせて、ボルタンメトリーＷＥを備えるセンサを提供する。特に、いくつかの実施形態では、本発明は、基準電極に、高度に安定した電位を示す分析物接触表面を提供し、乾湿可逆的であり、つまり、その物理的または電気化学的特徴を有意に変化させず、たとえ電極を典型的な室内条件下で乾燥させても、広範囲の化学物質に対して耐性があり、従来の液体−接点基準電極に典型的な退屈なメインテナンス手順を一切必要としない。様々な実施形態では、本発明は、陽子の構造健全性、電気伝導率、及び選択的通過を示すマトリックス材料においてＲＴＩＬを備えるボルタンメトリーｐＨ測定のために好適な基準電極を提供する。
【００６８】
任意の好適なイオン性液体は、本発明のセンサにおいて使用されるＲＥにおいて用いられ得、一方では、好適なＩＬは、周囲温度で液体温度において存在する有機塩である室温イオン性液体（ＲＴＩＬ）を含む。典型的には、それらは、１−アルキル−３−メチルイミダゾリウム、１−アルキルピリジニウム、Ｎ−メチル−Ｎ−アルキルピロリジニウム、及びアンモニウムイオン等の大きな、非対称の有機カチオンを含む。典型的なアニオンは、テトラフルオロホウ酸塩及びヘクサフルオロリン酸塩を含む。多くの様々な組成物は、強力な溶媒及び電解質である共通の属性で生産されてきた。両方の属性は、ＲＥにおいて安定したＣＡＢを生産する上で重要である。いくつかの実施形態では、ＩＬは、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドである。代替の実施形態では、ＩＬは、１−メチル−１−プロピルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドである。両方のＩＬは、Ｉｏｌｉｔｅｃから市販されている（形番、それぞれ、ＩＬ−００９９及びＩＬ−００４５）。
【００６９】
様々な導電材料は、炭素、銅、及び金を含むがそれらに限定されないＣＡＢの構成成分として用いられ得る。いくつかの実施形態では、導電材料は、４５ミクロン粒径の黒鉛粉末（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから市販されている、形番４９６５９６）である。様々な疎水性ポリマーは、ＣＡＢの用いられる構成成分であり得る。いくつかの実施形態では、ポリマーは、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから市販されている、形番４２７１５２）である。
【００７０】
よって、本発明は、ＩＬのそのような混合物、導電材料、及びポリマーを含む固体複合材料を提供する。いくつかの実施形態では、複合材料は、ＰＶＤＦ、炭素、及びＩＬの混合物である。複合材料のいくつかの実施形態は、以下のように作製された。
【００７１】
基準電極接点複合材料及び接点の調整
２ｇのフッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）粉末（Ｋｙｎａｒ  ７２１、Ａｒｋｅｍａ）及び２５０ｍｇの黒鉛粉末は、一緒に十分に混合された。１．５ｇの１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドは、次いで、ＰＶＤＦ／黒鉛混合物に添加され、十分に混合された。１５分後、混合物は、２００℃で１時間加熱され、溶融物を形成した。溶融物は、１５分間冷却され、次いで、バイアルから除去された。プラグは、複合物ディスクから抜き落とされ、基準接点として用いられた。
【００７２】
基準接点を用いた基準電極の構成
２つの方法が、本発明の基準接点を備える構成基準電極のために提供される。それぞれの基準電極は、ｐＨ２、４、７、１０、及び１２の標準緩衝液と、Ａｇｉｌｅｎｔマルチメータを有するＣｏｌｅ  Ｐａｒｍｅｒ標準甘汞電極（ＳＣＥ）を用いて得られたものと比較した結果とを用いて、基準電位を測定するために試験された。
【００７３】
構成物１
複合プラグは、０．１２２”の内径（ＩＤ）を有するポリスルホンチューブを備えるハウジングの一端内に設置された。ポリスルホンチューブの他端は、０．２５０”のＩＤまで開口し、ＡｇＮＯ3で飽和した３Ｍ  ＫＣ１溶液から成る基準溶液で充填され、２％ヒドロキシエチルセルロースで濃化された。塩化銀線は、基準溶液に埋め込まれ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）プラグを用いて適所に吊された。ＰＴＦＥプラグは、エポキシ接着剤で封止された。非限定的な、典型的な構成物の模式図は、図２に示される。
【００７４】
３つの基準電極は、記述されるように作製され、Ｃｏｌｅ  Ｐａｒｍｅｒ  ＳＣＥに対して試験された。それぞれの基準電極は、「ｐＨ階段」を用いて、ｐＨ２、４、７、１０、１２で試験された。電位は、Ａｇｉｌｅｎｔマルチメータを用いて測定された。図３において提供されるグラフは、幅広いｐＨ範囲の３つの基準電極の安定性を説明し、複合プラグがＡｇ／ＡｇＣｌレドックス系と外部分析物との間のイオン性連通を可能にすることを説明する。ＲＥがフタル酸緩衝剤（ｐＨ４）において試験されたときに、小さい偏差が観察された。
【００７５】
約２日間の乾燥保管後の電極の安定性をするために、追加の試験が行われた。３つの新しい電極は、上記のように構成され、それぞれが、毎日、隔週、及び毎週ベースでｐＨ７緩衝剤において試験された。図４に示されたグラフは、それが、上記のように、１つのｐＨ２−１２階段試験を受けた後、それぞれの電極の平均電位を説明する。１６日間の試験後、乾燥保存された後、電極が、電位ドリフトが実質的にない状態にされ、反応時間において遅れを示さなかった。塩結晶は、従来の基準電極と違って、乾燥された基準接点の表面上に観察されず、内部基準電極の部品が基準接点を横切ったことを示した。
【００７６】
構成物２
本発明の第２の基準電極は、本発明が、どのように内部充填溶液を不要にし、それによって、完全に固体状態基準電極を提供するのかを図解するように構成された。これは、Ａｇ／ＡｇＣｌ線を、上記のように調整された複合プラグ基準接点に直接埋め込むことによって達成された。Ａｇ／ＡｇＣｌディスクは、よく機能することが説明された。両方の型で、後端は、エポキシ等の好適な材料で封止され得る。図５は、基準接点内に直接埋め込まれた線を格納する構成物を図解する。
【００７７】
これらの基準電極のうちの２つは、上記のように、作製され、階段試験を受けた。図６に示される結果は、内部充填溶液を補充することなく、安定した電位が、線を基準接点内に直接埋め込むことによってなおも達成され得る、ことを説明する。また、ｐＨ４における電位における類似の偏差に留意されたい。また、ＳＣＥに対する電位はまた、−４９ｍＶ〜＋１００ｍＶに変換された。
【００７８】
当業者は、様々な最適化ステップ及び材料は、組み込まれ得、複合材料を形成するために用いられるプラグの硬度及び混合物の均一性を高めるステップを含み得る、ことを上記の本開示から認識するだろう。それぞれが参照により本明細書に組み込まれるＣｉｃｍｉｌら、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  ２３（８）：１８８１−１８９０；Ｓｈｉｂａｔａら、Ａｎａｌｙｔ．Ｓｃｉ．２６（１１）：１２０３−１２０６；及び米国特許第７，６２８，９０１号；第８，１８７，４５３号；及び第８，２２７，２９３号を参照。
【００７９】
当業者はまた、これらの基準電極が、本発明の小型化センサにおいてセンサを形成する片方の金敷の中にそれらにおいて位置付けることを可能にするのに十分小さいサイズを含む任意のサイズにおいて、これらの基準電極が作製され得る、ことを理解するだろう。その上、当該技術において標準であるマイクロ製造技法を用いて基準電極を作製し得る。
【００８０】
作用電極
本発明のボルタンメトリーセンサの作用電極は、炭素あるいはある特定の金属類、またはある特定の半導体等の好適な電気的に導電性の基板から構成され得る。この基板は、高分子封入によって、接着または吸着によって、または他の手段によって、基板に共有結合された分析物検知材料で被覆される。いくつかの実施形態では、レドックス活性分析物検知材料は、基板表面に共有結合されている。他の実施形態では、分析物検知材料は、基板表面に直接取り付けられていないが、代わりに、高分子または複合材料に共有結合されるか、または物理的にその中に封入され、次いで、それは、基板表面に取り付けられる（共有結合的に、または接着または吸着によって）。
【００８１】
他の実施形態では、基板がなく、代わりに、電極は、高分子封入によって、接着または吸着によって、または、導電材料を形成するための他の手段によって、ポリマーマトリックスに共有結合されたそのような検知化学物質（すなわち、ＲＡＭ）を含有する重合材料から単に調整される。
【００８２】
これらの実施形態のいずれかでは、重合材料は、ＰＣＴ公開第ＷＯ２０１２／０１８６３２号に記述された任意の材料であり得る。本発明はまた、本発明の作用電極における使用のために好適な新しい重合材料を提供する。発明によって提供されるいくつかの実施形態では、重合材料は、ハイブリッドシリカ−ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）であり、それは、参照により本明細書に組み込まれるＰｉｒｚａｄａら、２０１２、Ｌａｎｇｍｕｉｒ  ２８：５８３４−５８４４に記述されるように調整され得る。また、ＲＡＭは、ＰＶＡ、シリカ、または両方のいずれかに共有結合されるか、ＲＡＭは、そのような材料から成るナノファイバー内に物理的に封入される。これらの実施形態のうちの別のものにおいて、ＲＡＭ分子が個々のシクロデキストリン分子内に封入された高分子シクロデキストリンが、単独で、または、別のポリマーあるいは材料との混合において用いられる。
【００８３】
より一般的には、作用電極基板（もし、存在すればこれで、及びもし存在しなければ、次いで分析物検知化学物質）は、電流を印加するための電気接点（複数可）を有する。本発明に係る作用電極は、図７に示される。
【００８４】
対向電極
対向電極は、試料と装置との間で回路を完成させるために電流を供給し、導電性でなければならない。
【００８５】
小型化分析物のセンサにおける電極構成
本発明によって提供されるボルタンメトリーセンサの電極及びそれらに対する向上に関する上記の背景で、当業者は、本発明の小型化分析物のセンサ作用電極の多くの異なる実施形態がどのように構成され得るかをより良く理解し得る。要するに、作用、基準、及び対向電極の空間配設は、これらの部品の試料との同時接触を提供する任意の様式で設計され得、試料中への浸漬は必要とされない。特に、毛管現象によって適切に保持されて、薄いフィルム内に塗布するマイクロリットルレベルの分析物試料は、検知素子の活性表面に広がるのに十分である。この特性は、次いで、試料が電流ガラス電極に接近不可能である環境及び試験条件において、分析物濃度、特にｐＨを測定するための無数の新しい機会を提供する。
【００８６】
よって、本発明のボルタンメトリーセンサ技術は、ガラス電極が、限定された有用性のみを提供するか、単に用いられ得ない多くの用途において有用である。例えば、本発明は、血清、尿、プラズマ、細胞可溶化物、類似の液体等の生体試料を含む試料の高いスループットｐＨ（または他の分析物濃度）測定のための方法を提供する。これらの方法のいくつかの実施形態では、ロボット工学は、本発明及び下記に提供される使い捨てまたは再利用可能なマルチウェルフォーマットを用いて使用される。
【００８７】
加えて、本発明の実施は、極小のセンサを用いたｐＨ（または他の分析物濃度）のインライン監視を可能にする。マイクロリットルスケールの一定分量における変化を検出する能力は、測定の分解能を直接向上させる。これは、例えば、制限なく、ＨＰＬＣ、ＬＣＭＳ、及び他のクロマトグラフィー系における使用のために、膨大な利点を有する。インラインｐＨ監視は、サイズの制限、再検量の必要量、及びドリフトに関連した誤差に起因して、ガラス電極に関して、有用性が限定される。その上、ガラス電極は、同じ分析物組成物と同時に検知膜及び基準接点を覆うためのさらに大きい試料体積を必要とする。たとえ、残りの流路が、高い分解能の隔離を可能にするように設計されてきたとしても分解能は、電極の近傍の不明瞭な混合パターンに起因して本質的に良くない。本発明のボルタンメトリーセンサ、特に、完全に固体状態であるものは、これらの制限に限定されない。
【００８８】
本発明の小型化センサはまた、診断の用途において有意な利点である。本発明は、高い可動性及び信頼性の看護拠点におけるｐＨ（または他の分析物濃度）を測定するために用いられ得る装置を提供する。本発明は、信頼して、最小のメインテナンスで、正確な結果を提供し得る、使い捨ての、１回限りの使用センサを提供する。
【００８９】
例えば、市販されている無菌培養袋または他の容器におけるセル培養または電解質におけるｐＨの監視は、本発明の単一の使用のボルタンメトリーセンサ装置をそのような容器内に設置することによって可能にされる。ガラスプローブと違って、本発明の装置は、破損しにくく、それらは、基準電極の汚れまたは汚染に起因するドリフトによって必要とされる定期的再検量を必要としない。別の利点は、これらの装置が、平坦及び／または可撓性であり得、非常に容易に袋または他の容器の内壁に固定されることである。電気的接続は、壁の一体性を維持するその袋または他の容器の壁にわたって行われ得、それで、装置は、必要な電子回路に接続され得る。いくつかの実施形態では、本発明は、１０マイクロリットル未満の試料体積を用いて、ｐＨ、電解質、または他の試料構成成分について、正確な結果を送達することが可能な、マルチポジション型マイクロリットルスケールのボルタンメトリーセンサ装置を提供する。様々な実施形態では、装置に付加された試料は、毛管の影響、疎水性格納、またはマイクロウェルの手段によって容器の非存在下で空間的に格納される。
【００９０】
本発明のセンサ装置は、センサ部品の分析物試料への表面接触のみが測定を得るために必要とされるという事実を利用する。分析物試料体積は、検知素子を取り入れている２つの平面の間の空間によって主として制御される。これを達成するために、ラックピニオン、ねじ式位置付け装置、ならびにサーボモータ及び関連回路網（任意選択的に、光学的または機械的監視及びフィードバック制御を有する）を含むがそれらに限定されない様々な機構を用いて、平面間の間隙が機械的または電気機械的手段によって精密に及び再生可能に制御される装置が提供される。毛管力は、試料容器を必要とすることなく、液体試料を適所に保持する。一般的に、間隙が小さければ小さいほど、液体は、２つの湿潤された表面の間で容易に維持され、これは、特に、マイクロリットルスケールの分析物試料の保持及び測定に有利である。
【００９１】
いくつかの実施形態では、試料は、ボルタンメトリーセンサ装置の金敷の形態で、２つの対向する部分で、空間的に限定される。この実施形態では、毛管捕捉を受ける試料の量は、対向する平面に対する試料表面張力に依存している。すべての場合に、分析物は、検知素子（作用電極、基準電極、及び対向電極）のうちのすべてを湿潤させることが推定される。分析物によって湿潤された領域は、分析物によって湿潤されない表面で検知素子を囲むことによって、任意選択的に制限される。様々な実施形態では、分析物試料は、対向する金敷表面の疎水性及び親水性部分の領域、形状、及び配設によって制限される。
【００９２】
いくつかの実施形態では、本発明は、良好な耐化学性を示し、本質的に疎水性であり、水溶性分析物試料を用いて表面張力を増大させる、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、他のフッ素化ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、及び他のポリマーまたはコポリマー等を、疎水性材料の使用のために、提供する。あるいは、疎水性コーティングは、電極の表面に塗布され、水溶性分析物試料によって湿潤された領域を画定し得る。
【００９３】
実施形態では、疎水性ポリマー材料はまた、分析物保持のための毛管空間を形成する金敷のような構造の構成において、１つ以上の検知素子に対する支持として用いられる。図８は、本発明のｐＨ検知電極を概略的に図解する。この例では、検知素子は、前述の一覧からの疎水性ポリマー材料から作製された絶縁体内に埋め込んだ筒状または環状形状の電極を備える。それぞれの電極は、生成された信号を捕捉するための信号リードで配線される。このセンサアセンブリの全筒状形状は、液体液滴検知素子のすべてにわたって、液体を捕捉し、均一に塗布するために好まれる。
【００９４】
操作において、センサアセンブリは、図９に示されるように、類似の寸法の筒の反対に位置付けられ、２つの対向する平行な平面を形成する。図９の（ａ）部において、センサアセンブリは、開位置に位置付けられる。分析物試料の液滴は、（ｂ）部に示されるように、下筒上に配置される。次いで、（ｃ）に示されるように、分析物試料が、両方の平面に接触し、このように形成された間隙を充填するように、センサアセンブリは、下筒から、精密に制御された距離まで下げられる。間隙のサイズは、空間を充填して、検知素子の湿潤を確実にするために必要される液体体積を決定する。直径約１ｃｍの筒状センサアセンブリを用いて、１０マイクロリットル以下の分析物は、ｐＨ測定を信頼して生成するのに十分である。より典型的には、５マイクロリットルの試料のサイズが用いられ得る。分析物体積の下限は、毛管空間を制御する機械的精密性だけでなく、分析物試料の性質及び検知素子の特徴によって、特に作用電極に関して、決定される。例えば、分析物中のヒドロニウムイオンの量は、ある特定のレベルより上であるべきで、その結果、ボルタンメトリー測定中に、そのイオンの濃度は、分析物検知分子とのレドックス反応に起因して有意に影響されるべきではない。分析物体積と作用電極表面との比率があまりにも大きいので、電極表面におけるレドックス反応が実質的に何も分析物の組成物に影響を及ぼさない場合、そのような変化は、典型的なｐＨ測定において最小である。対照的に、マイクロリットルスケールの試料を測定する上で、作用電極上のＡＳＭ部分のヒドロニウムイオン濃度及び密度の片方または両方は、バルク分析物の真値と比較した場合の測定されたｐＨ値を測定し得る。分析物体積の実際的な下限は、これらの考慮に基づいて最適化される。
【００９５】
電極配置の様々な代替の実施形態は、類似の機能性を有する。図１０に提供される概略構成は、（ａ）作用電極の反対に位置する対向及び基準電極、及び（ｂ）作用及び基準電極の反対に位置する対向電極を示す。両方の場合に、分析物試料は、下側平面上に配置され、次いで、上側平面は、下げられて、毛管空間を形成し、それによって、予め測定された分析物体積を確立し、すべての検知素子を湿潤させ、よって、電気的連通はｐＨ測定を可能にする。
【００９６】
一連の実験は、図１０において描写された構成（ａ）を用いて、本発明の特性を図解するために行われた。２つの電極アセンブリは構成され、上側アセンブリは作用電極を備え、下側アセンブリは、基準及び対向電極を備えた。１０マイクロリットルの分析物試料は、側電極アセンブリ上に分配され、上側アセンブリは、それが分析物試料に接触するまで、修正済みの顕微鏡のステージを用いて下げられた。ビデオカメラが用いられて、両方の平面上の液体接触を確認した。検量データは、ｐＨ２、ｐＨ４、ｐＨ７、及びｐＨ１０のためのＢＤＨ  Ｂｒａｎｄ  標準を用いて生成された。それぞれの緩衝剤のための方形波ボルタンメトリープロットは、図１１（１０マイクロリットル試料サイズ）において重ね合わせている。
【００９７】
図１１からのピークデータは、ｐＨ緩衝剤に対してプロットされ、図１２に示される結果を提供する。プロットは、１０μＬ体積試料を有する方形波ボルタンメトリーからのｐＨとピーク電圧との間の直線関係を説明する。
【００９８】
３つの１０マイクロリットル試料は、装置上のｐＨに関して試験され、その結果は、１０ｍＬ試料を用いて新規に検量されたＭｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ  Ｓｅｖｅｎ  Ｅａｓｙ（商標）メータと比較された。試料は、オレンジジュース（ＯＪ）、仔牛血清、及びＧ２低カロリーフルーツポンチだった。比較結果は、図１３に示される。
【００９９】
変動制は、ｐＨ２、ｐＨ４、ｐＨ７、ｐＨ１０、及びｐＨ１２のＢＤＨ標準のそれぞれを３回繰り返して評価された。それぞれがセンサに関して読み込まれるとき、緩衝剤の新規１０マイクロリットル試料が用いられた。それぞれの試験点におけるセンサの位置付けは、ビデオカメラの援助で達成された。図１４−１８は、それぞれの緩衝剤のための方形波ボルタンメトリー分析の重ね合わせプロットを示す。
【０１００】
図１４−１８からのすべてのデータ点は、一緒にプロットされ、図１９（平均されたデータではなく、個々のデータ点を示す）に示される。データは、ピーク電圧が直線及び再生可能であることを示す。
【０１０１】
本発明の小型化分析物のセンサの他の実施形態は、試料格納のためのマイクロウェルを利用する。この実施形態では、試料体積の必要量は、それぞれのウェルのサイズによって決定される。いくつかの実施形態では、センサは、ウェルの壁に適合するように成形され、これらの壁の表面は、センサ化学物質を提供するレドックス活性材料を組み込む。ウェルの底は、少なくとも部分的に、基準電極によって形成される。疎水性バリアは、いくつかの実施形態で使用され、ウェルにおける試料の格納を促進する。対向電極は、ウェル内に位置し、回路を完成させる（試料が存在するとき）。いくつかの実施形態では、装置は、マルチウェルプレートにおいて提供され、ロボット工学によって任意選択的に援助された高いスループットｐＨ測定を可能にする。このフォーマットは、高いスループット分析を必要とする診断または他の用途において通常用いられる。いくつかの実施形態では、換気が使用されて、塩溶液での基準の充填を可能にし、基準接点が基準塩溶液との接触を有することを確実にする（たとえ、それが、基準溶液チャンバの上面またはその近くにあるとしても）。あるいは、ゲル充填または固体状態基準電極は、液体充填基準電極の代わりに用いられる。図２０は、本発明の典型的な実施形態に従って、この装置の単一の十分な実施形態を図解する。
【０１０２】
センサの製造
本発明の小型化分析物のセンサの第３の実施形態は、基準、対向、及び作用電極のうちの１つ以上を好適な基板表面上に「プリント」することによって生産される。基板は、任意の形状であり得る。様々な実施形態では、基板は、電気的に導電性の薄い重合材料または可撓性基板である。いくつかの実施形態では、疎水性コーティング材料は、利用され、試料塗布領域を詳細に描写する。薄い平坦な回路は、電子回路板を作製するのに使用されたのと類似の様式で構成される。フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる複合物、室温イオン性流体（ＲＴＩＬ）、及び炭素などの導電材料は、いくつかの実施形態で用いられ、基準電極を形成するために予め基板上にプリントされた銀／塩化銀または他の電極材料上でプリントまたは被覆する。分析物特有のレドックス活性材料を含有する導電性ポリマーまたはコーティング溶液は、プリントされた基準電極と近接状態にある基板上にプリントされて、センサ表面を生成した。近接状態にある第３のプリントされたあるいは取り付けられた電極は、対向電極としての機能を果たす。下図は、この装置のいくつかの実施形態を示す。センサのサイズ（選択可能な疎水性バリアを含む）は、例えば、制限なく、直径約２．５ミリメータであり得る。設計は、市販されているマルチウェルプレートのマルチウェルレイアウトに合うパターンを含むがそれに限定されない、同じ基板上の複数のセンサで構成され得る。センサ素子の例示的な構成は、図２１に示される。
【０１０３】
他の種類のセンサを作製するための製造方法は、本発明の電極及びセンサを製造するために、本開示を考慮して容易に適合され得る。例えば、それぞれが参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，６７６，８２０号；第５，９４２，１０３号；第６，０６３，２５９号；第６，４６８，７８５号；第６，８７８，２５５号；及び第６，８９３，５５２号；ＰＣＴ公開第ＷＯ２０１１／０３１４６３号；Ｗｉｎｄｍｉｌｌｅｒら、２０１２、Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍ．４８：６７９４；Ｋａｇｉｅら、２００８、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  ２０：１６１０；Ｃｈｕａｎｇら、２０１０、Ａｎａｌｙｓｔ  １３５：１２３０；及びＷａｎｇら、２００５、Ｌａｂ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ  ５：２２６を参照。
【０１０４】
本発明は、様々なセンサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適な様々なＲＡＭを提供する。以下の実施例は、そのようなＲＡＭの合成を記述する。
【０１０５】
実施例
実施例１
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式１で提供された式に従って合成された。
【０１０６】
【化１】
2019194618.tif 000003
【０１０７】
１，５−ジクロロアントラキノン（２０ｇｍ、０．０７２モル）は、エチレングリコール（３００ｍＬ）中で撹拌された。この混合物に、水酸化カリウムペレット（１１．８ｇｍ、８５％、０．１７９モル）が添加された。この反応は、１２０℃で撹拌された。そして、およそ２時間後、暗赤色溶液が形成された。加熱は、追加の１６時間続けられた。冷却後、反応混合物が水（８００ｍＬ）に添加され、これは室温で一晩放置された。隔離した固体は、濾過によって単離され、乾燥された。乾燥された固体は、ジエチルエーテル（５００ｍＬ）中で一晩撹拌され、それは、未反応の出発キノンのほとんどを溶解した。不溶性材料は、濾過によって単離され、乾燥され、１１．１ｇｍの粗生成物を与えた。粗生成物は、メタノール及び塩化メチレン（塩化メチレン中の５０ｍＬの１０％メタノール）の混合物中で撹拌され、不溶性材料は、濾過によって単離され、４．４ｇｍの固体を与えた。これは、二度、ｎ−ブタノールから再結晶化され、２．０ｇｍ（８．３％）の１，５−ビス−（２−ヒドロキシエチル）−アントラキノンを暗黄色針として提供した。
【０１０８】
実施例２
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式２で提供された式に従って合成された。
【０１０９】
【化２】
2019194618.tif 000004
【０１１０】
１−クロロアントラキノン（１７．５ｇｍ、０．０７２モル）及び粉末水酸化カリウム（５．９ｇｍの８５％、０．０９モル）の混合物は、１，３−プロパンジオール（２００ｍＬ）中で撹拌された。この混合物は１２０℃で２４時間撹拌された。冷却後、茶色溶液は、水（５００ｍＬ）中に注入され、一晩沈降後、固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。乾燥された固体は、塩化メチレン（６００ｍＬ）中で溶解され、不溶性材料が無いように濾過された。濾液は、硫酸マグネシウム上で乾燥され、濾過され、次いで、減圧下で蒸発させ、茶色固体を与えた。粗茶色固体の５ｇｍの試料は、塩化メチレン（２０ｍＬ）中で溶解され、この溶液は、シリカカラム上に配置された。未反応の１−クロロアントラキノンは、塩化メチレンを溶出剤として用いて溶出された。１−（２−ヒドロキシプロピル）アントラキノンは、溶媒を塩化メチレン中の５％メタノールに変化させることで溶出された。生成物を格納する画分は、貯蔵され、減圧下で蒸発させ、固体を提供した。これは、２−プロパノールから再結晶化され、２．５ｇｍの１−（２−ヒドロキシプロピル）アントラキノンを提供した。
【０１１１】
実施例３
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式３で提供された式に従って合成された。
【０１１２】
【化３】
2019194618.tif 000005
【０１１３】
１−クロロアントラキノン（１５ｇｍ、０．０６２モル）及び２−（２−アミノエトキシ）エタノール（１０５ｇｍ  １．０モル）の混合物は、９０℃で１６時間撹拌された。熱溶液は、水（５００ｍＬ）中に注入され、固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。乾燥された固体は、２−プロパノール（３００ｍＬ）から再結晶化され、１４．０ｇｍの生成物を赤色固体として提供した。
【０１１４】
実施例４
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式４で提供された式に従って合成された。
【０１１５】
【化４】
2019194618.tif 000006
【０１１６】
１，５−ジクロロアントラキノン（１５ｇｍ、０．０５４モル）及び２−（２−アミノエトキシ）エタノール（１５０ｇｍ  １．４３モル）の混合物は、１２０℃で４時間撹拌された。熱溶液は、濃縮塩酸（１１０ｍＬ）を格納する水（５００ｍＬ）中に注入され、隔離した固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。乾燥された固体は、ｎ−ブタノール（５００ｍＬ）から再結晶化され、１９．８ｇｍの生成物を紫色固体として提供した。
【０１１７】
実施例５
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式５で提供された式に従って合成された。
【０１１８】
【化５】
2019194618.tif 000007
【０１１９】
１−クロロアントラキノン（１８ｇｍ、０．０７４モル）及びメチルアミノエタノール（１５５ｇｍ  ２．０６モル）の混合物は、１２０℃で５時間撹拌された。熱溶液は、濃縮硫酸（９０ｇｍ）を格納する水（７００ｍＬ）中に注入された。１５分間の撹拌後、隔離した固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。収率は、紫色粒状固体としての１８ｇｍの生成物であった。
【０１２０】
実施例６
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式６で提供された式に従って合成された。
【０１２１】
【化６】
2019194618.tif 000008
【０１２２】
１，５−ジクロロアントラキノン（１５ｇｍ、０．０５４モル）及びメチルアミノエタノール（１５０ｇｍ  ２．０モル）の混合物は、１２０℃で４時間撹拌された。冷却された溶液は、濃縮硫酸（８５ｇｍ）を格納する水（６００ｍＬ）に注入された。１５分間の撹拌後、隔離した固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。収率は、紫色固体としての１８．５ｇｍの生成物であった。
【０１２３】
実施例７
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式７で提供された式に従って合成された。
【０１２４】
【化７】
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【０１２５】
１−クロロアントラキノン（１５ｇｍ、０．０６２モル）及び１，３−ジアミノプロパン（９１．９ｇｍ  １．２４モル）の混合物は、１２０℃で１時間撹拌された。熱溶液は、室温まで冷却され、生成物を結晶化する。結晶化された固体は、濾過によって単離された。濾過ケークは、水で洗浄され、空気乾燥された。収率は、暗紫色固体としての１０．５ｇｍであった。
【０１２６】
実施例８
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式８で提供された式に従って合成された。
【０１２７】
【化８】
2019194618.tif 000010
【０１２８】
塩化メチレン（５ｍＬ）中の塩化アクリロイル（０．２００ｇｍ、２．０２×１０−”３モル）がゆっくりと添加されるとき、１−（Ｎ−メチル−Ｎ−２−ヒドロキシエチル）アミノアントラアキノン（ａｍｉｎｏａｎｔｈｒａａｑｕｉｎｏｎｅ）（０．５６９ｇｍ、２．０２×１０−”３モル）”及びジイソプロピルエチルアミン（０．２６１ｇｍ、２．０２×１０−”３モル）の塩化メチレン（５０ｍＬ）溶液は、氷上で撹拌された。添加が完了した後、溶液は室温で一晩撹拌された。溶液は、５％炭酸ナトリウム（５０ｍＬ）で洗浄され、次いで、炭酸マグネシウム上で乾燥された。濾過後、塩化メチレンは、減圧下で除去され、生成物を定量的収率で与えた。
【０１２９】
実施例９
センサ製造のためのプリント用インキ及びコーティング配合における使用のために好適なＲＡＭは、以下のように、化学式９で提供された式に従って合成された。
【０１３０】
【化９】
2019194618.tif 000011
【０１３１】
ジメチルホルムアミド（１．０ｍＬ）が添加されたとき、ナトリウムアントラキノン−２−硫酸水和物（５．０ｇｍ）は、塩化チオニル（２５ｍＬ）中で撹拌された。結果として生じる混合物は、７０℃で２時間加熱されて、溶液を与えた。冷却後、結果として生じる薄い懸濁液は、塩化チオニルが分解されるまで、撹拌下で氷上に注入された。隔離した固体は、塩化メチレン（３００ｍＬ）中に抽出された。この溶液は、硫酸マグネシウム上で乾燥された。濾過後、塩化メチレンは、減圧下で除去され、４．５ｇｍの収率で、灰白色の粒状固体として塩化スルホニルを提供する。
【０１３２】
上記の実施例におけるＲＡＭのそれぞれは、ＲＡＭに反応性の官能基を含有する導電インキ等のコーティング材料を併せて用いられる。コーティング材料は、ＲＡＭと組み合わされて、共有結合を達し、次いで、コーティング材料は、基板に塗布され、好適な電気的接続を用いて、ＲＡＭによって生成された信号を出す。あるいは、導電材料は、第１に、基板上で被覆されて、次いで、ＲＡＭと反応させられる。他の手順の組み合わせは、様々な表面特性を達するために用いられる。すべての場合に、仕上がったコーティングの表面は、コーティング塗布の配合、反応条件、及び方法によって測定されたＲＡＭの濃度を含む。
【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７】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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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