(57)【要約】グラフェンバラクタ（１００）を含み得る医療機器。グラフェンバラクタ（１００）は、グラフェン層（１０８ａ、１０８ｂ）と、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置された自己組織化単分子層とを含み得る。自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供し得る。自己組織化単分子層は、多環芳香族炭化水素、テトラフェニルポルフィリン若しくはその誘導体、金属テトラフェニルポルフィリン又は芳香族シクロデキストリンを含み得る。対応する製造方法及びこの医療機器を用いて患者のガス状サンプル中の分析物を検出する方法も開示される。
2021514478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェンバラクタを含む医療機器であって、グラフェンバラクタは、
グラフェン層と、
π−πスタッキング相互作用を通して前記グラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層と
を含み、前記自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供する、医療機器。
【請求項２】
前記自己組織化単分子層は、３〜１０個の芳香環を含む１つ又は複数の炭化水素を含む、請求項１又は３〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項３】
前記自己組織化単分子層は、３〜１０個の芳香環を含む１つ又は複数の多環芳香族炭化水素を含む、請求項１若しくは２又は４〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項４】
前記多環芳香族炭化水素は、アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、フェナレン、ナフタセン、ベンズアントラセン、クリセン、ペンタセン、ジベンズアントラセン、トリフェニレン、ピレン、ベンゾピレン、ピセン、ペリレン、ベンゾペリレン、ペンタフェン、ペンタセン、アンタントレン、コロネン、オバレン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含む、請求項１〜３又は５〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項５】
前記自己組織化単分子層は、
【化１】
2021514478.tif 000029
（式中、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、塩基性芳香環構造に直接共有結合される任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、−Ｈ、−Ｒ１ＯＨ、−Ｒ２ＣＯＯＨ、−Ｒ３ＣＯＯＲ４、−Ｒ５ＮＨ３＋、−Ｒ６ＮＨ２、−Ｒ７ＮＲ８、−Ｒ９ＮＲ１０Ｒ１１＋、−Ｒ１２Ｂ（ＯＨ）２又はそれらの任意の組合せを含み、及びＲ１〜Ｒ１２は、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、前記官能基の残りの部分は、前記塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）を含む、請求項１〜４又は６〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項６】
前記自己組織化単分子層は、過ベンジル化α−シクロデキストリン、過ベンジル化β−シクロデキストリン若しくは過ベンジル化γ−シクロデキストリン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含む、請求項１〜５又は７〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項７】
前記自己組織化単分子層は、
【化２】
2021514478.tif 000030
（式中、ｎは、６〜８の整数であり、及び各Ｘは、独立して、−Ｈ、ヒドロキシル、アミノ、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１０アルコール、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１０アミン、フェニル、ベンジル又はナフチル基であり得るが、ただし、上記の構造中の各繰返し単位は、芳香族官能基である少なくとも１つのＸを含むことを条件とする）を含む、請求項１〜６又は８〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項８】
前記自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のテトラフェニルポルフィリン、金属テトラフェニルポルフィリン又はそれらの誘導体を含む、請求項１〜７又は９〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項９】
前記自己組織化単分子層は、
【化３】
2021514478.tif 000031
（式中、ｎは、１〜５の任意の整数であり、ｍは、１又は２であり、Ｒ１〜Ｒ８は、−Ｈ、−Ｘ（ここで、Ｘは、ハロゲン原子を含む）、−Ｒ９、−Ｒ１０ＯＨ、−Ｒ１１ＣＯＯＨ、−Ｒ１２ＣＯＯＲ１３、−Ｒ１４ＯＲ１５、−Ｒ１６ＣＯＨ、−Ｒ１７ＣＯＲ１８、−Ｒ１９ＮＨ３＋、−Ｒ２０ＮＨ２、−Ｒ２１ＮＲ２２、−Ｒ２３ＮＲ２４Ｒ２５＋、−Ｒ２６Ｘ又は−Ｒ２７ＣＯＸ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子である）、−Ｒ２８ＳＨ又はそれらの任意の組合せを含み、及びＲ９〜Ｒ２８は、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１２アルキル、Ｃ１〜Ｃ１２アルケニル、Ｃ１〜Ｃ１２アルキニル又はそれらの任意の組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、前記官能基の残りの部分は、前記塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）を含む、請求項１〜８又は１０〜１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項１０】
前記自己組織化単分子層は、
【化４】
2021514478.tif 000032
（式中、Ｍは、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ルテニウム、パラジウム又はそれらの誘導体を含む任意の金属原子であり、ｎは、１〜５の任意の整数であり得、ｍは、１又は２であり得、Ｒ１〜Ｒ８は、−Ｈ、−Ｘ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子である）、−Ｒ９、−Ｒ１０ＯＨ、−Ｒ１１ＣＯＯＨ、−Ｒ１２ＣＯＯＲ１３、−Ｒ１４ＯＲ１５、−Ｒ１６ＣＯＨ、−Ｒ１７ＣＯＲ１８、−Ｒ１９ＮＨ３＋、−Ｒ２０ＮＨ２、−Ｒ２１ＮＲ２２、−Ｒ２３ＮＲ２４Ｒ２５＋、−Ｒ２６Ｘ若しくは−Ｒ２７ＣＯＸ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子である）、−Ｒ２８ＳＨ又はそれらの任意の組合せを含み、及びＲ９〜Ｒ２８は、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１２アルキル、Ｃ１〜Ｃ１２アルケニル、Ｃ１〜Ｃ１２アルキニル又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、前記官能基の残りの部分は、前記塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）を含む、請求項１〜９又は１１若しくは１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項１１】
前記自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する、請求項１〜１０又は１２の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項１２】
前記自己組織化単分子層は、表面積で５０％〜１５０％の、前記グラフェンの上の被覆率を提供する、請求項１〜１１の何れか一項に記載の医療機器。
【請求項１３】
グラフェンの表面を修飾してグラフェンバラクタを製作する方法であって、
π−πスタッキング相互作用を通して前記グラフェンバラクタのグラフェン層の外面上に自己組織化単分子層を形成するステップと、
前記自己組織化単分子層の表面被覆の程度を、液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を使用して定量化するステップと、
少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
誘導体化されたグラフェン層を選択するステップは、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
分析物を検出する方法であって、
患者からガス状サンプルを採取するステップと、
グラフェンバラクタを前記ガス状サンプルに接触させるステップであって、前記グラフェンバラクタは請求項１〜１２の何れか一項によるものである、ステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１９年２月２０日に、すべての国を指定国とする出願人であるミネソタ大学評議員、すべての国を指定国とする発明者である中国市民シュウ・Ｖ・ツェン（Ｘｕｅ  Ｖ．  Ｚｈｅｎ）、米国市民フィリップ・ピエール・ヨゼフ・バルマン（Ｐｈｉｌｉｐｐｅ  Ｐｉｅｒｒｅ  Ｊｏｓｅｐｈ  Ｂｕｈｌｍａｎｎ）、米国市民スティーブン・Ｊ．コスター（Ｓｔｅｖｅｎ  Ｊ．  Ｋｏｓｔｅｒ）、中国市民ヤオ・ジャン（Ｙａｏ  Ｚｈａｎｇ）の名義によるＰＣＴ国際特許出願として出願されている。本願は、すべての国を指定国とする出願人である米国法人ボストン・サイエンティフィック・サイメド社（Ｂｏｓｔｏｎ  Ｓｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｓｃｉｍｅｄ，Ｉｎｃ．）、すべての国を指定国とする発明者である米国市民ジャスティン・セオドア・ネルソン（Ｊｕｓｔｉｎ  Ｔｈｅｏｄｏｒｅ  Ｎｅｌｓｏｎ）の名義によるＰＣＴ国際特許出願としても出願されている。本願は、２０１８年２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／６３２，５３６号明細書に対する優先権を主張するものであり、この仮特許出願の内容は、その全体が参照によって本明細書に援用される。
【０００２】
分野
本明細書中の実施形態は、ケミカルセンサ、それを含む機器及びシステム並びに関連する方法に関する。より具体的には、本明細書中の実施形態は、グラフェンの非共有結合表面修飾に基づくケミカルセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
疾患の正確な検出により、臨床医は、適切な治療的介入を提供することができる。疾患の早期検出は、よりよい治療成績につながる可能性がある。疾患は、組織サンプルの分析、各種体液の分析、診断スキャン、遺伝子配列解析等をはじめとする多くの異なる技術を用いて検出することができる。
【０００４】
病態の中には、特定の化学物質の産生の基因となるものがある。ある場合には、患者のガス状サンプル中に放出された揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）は、特定の疾患の特徴となり得る。これらの化合物の検出又はその分別検出は、特定の病態の早期検出を可能にすることができる。
【発明の概要】
【０００５】
第一の態様において、医療機器が含まれる。医療機器は、グラフェンバラクタを含むことができる。グラフェンバラクタは、グラフェン層と、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層とを含むことができる。自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。
【０００６】
第二の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、３〜１０個の芳香環を有する１つ又は複数の多環芳香族炭化水素を含むことができる。
【０００７】
第三の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、多環芳香族炭化水素は、アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、フェナレン、ナフタセン、ベンズアントラセン、クリセン、ペンタセン、ジベンズアントラセン、トリフェニレン、ピレン、ベンゾピレン、ピセン、ペリレン、ベンゾペリレン、ペンタフェン、ペンタセン、アンタントレン、コロネン、オバレン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含むことができる。
【０００８】
第四の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、多環芳香族炭化水素は、１つ又は複数のヒドロキシル、カルボキシル、エステル、アンモニウム、アミノ、ジエチルアミノ又はボロン酸官能基を含むことができる。
【０００９】
第五の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、過ベンジル化α−シクロデキストリン、過ベンジル化β−シクロデキストリン若しくは過ベンジル化γ−シクロデキストリン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含むことができる。
【００１０】
第六の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のテトラフェニルポルフィリン又はその誘導体を含むことができる。
【００１１】
第七の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数の金属テトラフェニルポルフィリン又はその誘導体を含むことができる。
【００１２】
第八の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、医療機器は、アレイ状に構成された複数のグラフェンバラクタを含むことができる。
【００１３】
第九の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の同じ分析物を検出するように構成され得る。
【００１４】
第十の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の異なる分析物を検出するように構成され得る。
【００１５】
第十一の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を提供することができる。
【００１６】
第十二の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供することができる。
【００１７】
第十三の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、同種であり得る。
第十四の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、異種であり得る。
【００１８】
第十五の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、医療機器は、内視鏡、気管支鏡又は気管鏡を含むことができる。
第十六の態様において、グラフェン表面を修飾してグラフェンバラクタを製作する方法が含まれる。方法は、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェンバラクタのグラフェン層の外面上に自己組織化単分子層を形成するステップを含むことができる。方法は、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を、液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を使用して定量化するステップを含むことができる。方法は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含むことができる。
【００１９】
第十七の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、誘導体化されたグラフェン層を選択するステップは、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含むことができる。
【００２０】
第十八の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、誘導体化されたグラフェン層を選択するステップは少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含むことができる。
【００２１】
第十九の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、３〜１０個の芳香環を有する１つ又は複数の多環芳香族炭化水素を含むことができる。
【００２２】
第二十の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、多環芳香族炭化水素は、アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、フェナレン、ナフタセン、ベンズアントラセン、クリセン、ペンタセン、ジベンズアントラセン、トリフェニレン、ピレン、ベンゾピレン、ピセン、ペリレン、ベンゾペリレン、ペンタフェン、ペンタセン、アンタントレン、コロネン、オバレン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含むことができる。
【００２３】
第二十一の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、多環芳香族炭化水素は、１つ又は複数のヒドロキシル、カルボキシル、エステル、アンモニウム、アミノ、ジエチルアミノ又はボロン酸官能基を含むことができる。
【００２４】
第二十二の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、過ベンジル化α−シクロデキストリン、過ベンジル化β−シクロデキストリン若しくは過ベンジル化γ−シクロデキストリン又はそれらの誘導体の１つ又は複数を含むことができる。
【００２５】
第二十三の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のテトラフェニルポルフィリン又はその誘導体を含むことができる。
【００２６】
第二十四の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数の金属テトラフェニルポルフィリン又はその誘導体を含むことができる。
【００２７】
第二十五の態様において、分析物を検出する方法が含まれる。方法は、患者からガス状サンプルを採取するステップと、ガス状サンプルを１つ又は複数のグラフェンバラクタと接触させるステップとを含むことができる。各グラフェンバラクタは、グラフェン層と、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層とを含むことができる。自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。
【００２８】
第二十六の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、方法は、ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合による１つ又は複数のグラフェンバラクタのキャパシタンスにおける異なる反応を測定するステップをさらに含むことができる。
【００２９】
第二十七の態様において、医療機器が含まれる。医療機器は、ケミカルセンサ素子を含むことができる。ケミカルセンサ素子は、第一の測定ゾーンを含むことができ、第一の測定ゾーンは、グラフェン層と、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層とを含むグラフェンバラクタを含むことができる。自己組織化単分子層は、グラフェン層の表面の少なくとも９０％を被覆することができる。
【００３０】
第二十八の態様において、上述又は後述の態様の１つ又は複数に加えて又は幾つかの態様の代替として、ケミカルセンサ素子は、第二の測定ゾーンを含むことができる。
この概要は、本願の教示の一部の概要であり、本主題のすべてのあらゆる取り扱いを網羅することを意図されない。他の詳細は、詳細な説明及び付属の特許請求の範囲に記載されている。以下の詳細な説明を読んで理解し、本明細書の一部を形成し、各々が限定的意味に解釈されてはならない図面を参照することで他の態様も当業者に明らかであろう。本明細書の範囲は、付属の特許請求の範囲及びそれらの法的均等物により定義される。
【００３１】
態様は、以下の図面に関連してよりよく理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本明細書の各種の実施形態によるグラフェンバラクタの概略斜視図である。
【図２】本明細書の各種の実施形態によるグラフェンバラクタの一部の概略断面図である。
【図３】本明細書の各種の実施形態によるケミカルセンサ素子の概略上面図である。
【図４】本明細書の各種の実施形態による測定ゾーンの一部の概略図である。
【図５】本明細書の各種の実施形態によるパッシブセンサ回路及び読取り回路の一部の回路図である。
【図６】本明細書の各種の実施形態によるガス状分析物を検出するシステムの概略図である。
【図７】本明細書の各種の実施形態によるガス状分析物を検出するシステムの概略図である。
【図８】本明細書の各種の実施形態によるケミカルセンサ素子の一部の概略断面図である。
【図９】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図１０】本明細書の各種の実施形態による、図９に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図１１】本明細書の各種の実施形態による代表的な高解像度ＸＰＳスペクトル及びフィットである。
【図１２】本明細書の各種の実施形態による代表的な高解像度ＸＰＳスペクトル及びフィットである。
【図１３】本明細書の各種の実施形態による代表的な高解像度ＸＰＳスペクトル及びフィットである。
【図１４】本明細書の各種の実施形態による代表的な高解像度ＸＰＳスペクトル及びフィットである。
【図１５】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図１６】本明細書の各種の実施形態による、図１５に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図１７】本明細書の各種の実施形態によるピレン誘導体の合成のための反応経路である。
【図１８】本明細書の各種の実施形態によるピレン誘導体の合成のための反応経路である。
【図１９】本明細書の各種の実施形態によるシクロデキストリン誘導体の合成のための反応経路である。
【図２０】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２１】本明細書の各種の実施形態による、図２０に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２２】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２３】本明細書の各種の実施形態による、図２２に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２４】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２５】本明細書の各種の実施形態による、図２４に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２６】本明細書の各種の実施形態による、濃度に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２７】本明細書の各種の実施形態による、図２６に示される濃度の対数に応じた相対的表面被覆率の代表的グラフである。
【図２８】本明細書の各種の実施形態によるラマンスペクトルの代表的グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
実施形態は、様々な改良形態及び代替的形態をとることができるが、その詳細は、例及び図面によって示されており、以下に詳細に説明される。しかしながら、本明細書の範囲は、説明されている特定の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。反対に、本明細書の趣旨及び範囲に含まれる改良形態、均等物及び代替形態も包含されるものとする。
【００３４】
本明細書の実施形態は、ケミカルセンサ、それを含む医療機器及びシステム並びに例えば、限定されないが、患者の息等のガス状サンプル中の化合物を検出する関連する方法に関する。幾つかの実施形態において、本明細書のケミカルセンサは、グラフェンの非共有結合表面修飾に基づくものであり得る。
【００３５】
グラフェンは、六方格子構造の炭素原子の単一層を含む炭素の形態である。グラフェンは、高い強度と安定性を有し、これは、その緊密に結合したｓｐ２混成軌道によるものであり、各炭素原子は、それに隣接する３つの炭素原子とそれぞれ１つのシグマ（σ）結合を形成し、１つのｐ軌道が六角形の面から突出する。六方格子のｐ軌道は、他のπ電子豊富分子との非共有結合π−πスタッキング相互作用に適したπバンドを形成するためにハイブリダイズされ得る。
【００３６】
自己組織化単分子層とのグラフェンの非共有結合官能基化は、グラフェンの原子構造に有意な影響を与えず、多数の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）に対するパーツパービリオン（ｐｐｂ：ｐａｒｔｓ−ｐｅｒ−ｂｉｌｌｉｏｎ）又はパーツパーミリオン（ｐｐｍ：ｐａｒｔｓ−ｐｅｒ−ｍｉｌｌｉｏｎ）レベルの高い感度を有する安定なグラフェンベースセンサを提供する。そのため、本明細書の実施形態は、ＶＯＣ及び／又はその異なる結合パターンを検出するために使用され得、それらは、したがって、病態の識別に使用され得る。
【００３７】
ここで、図１を参照すると、本明細書の実施形態によるグラフェンベースのバリアブルキャパシタ（すなわちグラフェンバラクタ）１００の概略図が示されている。グラフェンバラクタは、様々な方法により様々な形状で製作でき、図１に示されるグラフェンバラクタは、本明細書の実施形態による一例にすぎないことを理解されたい。
【００３８】
グラフェンバラクタ１００は、絶縁層１０２と、ゲート電極１０４（又は「ゲートコンタクト」）と、誘電層（図１では図示せず）と、１つ又は複数のグラフェン層、例えばグラフェン層１０８ａ及び１０８ｂと、コンタクト電極１１０（又は「グラフェンコンタクト」）とを含むことができる。幾つかの実施形態において、グラフェン層（１０８ａ〜ｂ）は、連続的であり得るが、他の実施形態では、グラフェン層１０８ａ〜ｂは、不連続であり得る。ゲート電極１０４は、絶縁層１０２内に形成された１つ又は複数の窪み内に堆積させることができる。絶縁層１０２は、二酸化シリコン等の絶縁材料で形成でき、シリコン基板（ウェハ）上などに形成できる。ゲート電極１０４は、クロミウム、銅、金、銀、タングステン、アルミニウム、チタン、パラジウム、プラチナ、イリジウム及びそれらの任意の組合せ又は合金等の導電性材料により形成でき、これらは、絶縁層１０２の上に堆積させるか又はその中に埋め込むことができる。誘電層は、絶縁層１０２の表面及びゲート電極１０４の上に設置できる。グラフェン層１０８ａ〜ｂは、誘電層の上に設置できる。誘電層については、図２を参照して以下でさらに詳細に説明する。
【００３９】
グラフェンバラクタ１００は、８つのゲート電極フィンガ１０６ａ〜１０６ｈを含む。グラフェンバラクタ１００は、８つのゲート電極フィンガ１０６ａ〜１０６ｈを示しているが、何れの数のゲート電極フィンガ構成も想定できることを理解されたい。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタは、７つ以下のゲート電極フィンガを含むことができる。幾つかの実施形態において、個々のグラフェンバラクタは、９つ以上のゲート電極フィンガを含むことができる。他の実施形態では、個々のグラフェンバラクタは、２つのゲート電極フィンガを含むことができる。幾つかの実施形態において、個々のグラフェンバラクタは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０個又はそれより多いゲート電極フィンガを含むことができる。
【００４０】
グラフェンバラクタ１００は、グラフェン層の各部分１０８ａ及び１０８ｂ上に設置された１つ又は複数のコンタクト電極１１０を含むことができる。コンタクト電極１１０は、クロミウム、銅、金、銀、タングステン、アルミニウム、チタン、パラジウム、プラチナ、イリジウム及びそれらの任意の組合せ又は合金等の導電性材料から形成できる。例示的なグラフェンバラクタの他の態様は、米国特許第９，５１３，２４４号明細書に見出すことができ、その内容は、その全体が参照によって本明細書に援用される。
【００４１】
本明細書に記載のグラフェンバラクタは、１つのグラフェン層がグラフェンとπ電子豊富分子、例えばピレン、ピレン誘導体及びアリル基等の他の化合物との間の非共有結合π−πスタッキング相互作用を通して表面修飾されているものを含むことができる。幾つかの実施形態において、１つのグラフェン層の表面は、グラフェンと複数のシクロデキストリン及びその誘導体の何れか１つとの間の非共有結合π−πスタッキング相互作用を通して表面修飾できる。幾つかの実施形態において、１つのグラフェン層の表面は、グラフェンと複数のテトラフェニルポルフィリン及びその誘導体の何れか１つとの間の非共有結合π−πスタッキング相互作用を通して表面修飾できる。本明細書での使用に適したグラフェンバラクタ及びπ電子豊富分子に関する詳細は、後により詳細に説明する。
【００４２】
次に、図２を参照すると、本明細書の各種の実施形態によるグラフェンバラクタ２００の一部の概略断面図が示されている。グラフェンバラクタ２００は、絶縁層１０２と、絶縁層１０２内に引っ込んでいるゲート電極１０４とを含むことができる。ゲート電極１０４は、図１に関して上述したように、導電性材料を絶縁層１０２内の窪み内に堆積させることによって形成できる。誘電層２０２は、絶縁層１０２の表面及びゲート電極１０４の上に形成できる。幾つかの例では、誘電層２０２は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム又はケイ酸ジルコニウム等の材料で形成できる。
【００４３】
グラフェンバラクタ２００は、誘電層２０２の表面上に設置され得る１つのグラフェン層２０４を含むことができる。グラフェン層２０４は、自己組織化単分子層２０６で表面修飾できる。自己組織化単分子層２０６は、非共有結合π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層２０４の外面上に設置されるπ電子豊富分子の同種集団で形成できる。例示的なπ電子豊富分子については、後により詳細に説明する。自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９０％の表面被覆率（面積による）を提供することができる。幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９５％の表面被覆率を提供することができる。他の実施形態では、自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９８％の表面被覆率を提供することができる。
【００４４】
幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層は、グラフェン層の少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％又は１００％の表面被覆率（面積による）を提供することができる。自己組織化単分子層は、ある範囲に含まれる表面被覆率を提供し得ることを理解されたく、上記のパーセンテージの何れかがその範囲の下限又は上限であり得るが、ただし、その範囲の下限は、その範囲の上限より小さい値であることを条件とする。
【００４５】
幾つかの実施形態において、グラフェン層の表面上のπ電子豊富分子の自己組織化は、多分子層のように複数の層内への自己組織化を含み得ることを理解されたい。多分子層は、走査型トンネル顕微鏡検査法（ＳＴＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）及び他の走査型プローブ顕微鏡検査法等の技術により検出し、定量化できる。本明細書において、１００％を超える被覆率パーセンテージの記載は、表面積の一部が複数の層で被覆される、例えば使用される化合物の２つ、３又は恐らくそれより多い層で被覆される状況を指すものとする。したがって、本明細書における１０５％の被覆率という記載は、表面積の約５％がグラフェンの複数の層による被覆を含むことを示すものとする。幾つかの実施形態において、グラフェン表面は、１０１％、１０２％、１０３％、１０４％、１０５％、１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、１５０％又は１７５％のグラフェン層の表面被覆率を含むことができる。グラフェン層の多分子層表面被覆率は、表面被覆率のある範囲内であり得ることを理解されたく、上記のパーセンテージの何れもその範囲の下限又は上限であり得るが、ただし、その範囲の下限は、その範囲の上限より小さい値であることを条件とする。例えば、被覆率の範囲は、表面積で５０％〜１５０％、表面積で８０％〜１２０％、表面積で９０％〜１１０％又は９９％〜１２０％を含むことができ、これらに限定されない。
【００４６】
幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくともある最小閾値のラングミュアシータ値により定量化される単分子層でのグラフェン表面の被覆率を提供することができるが、単分子層より厚い多分子層でグラフェンの表面の大部分が被覆されることを回避できる。ラングミュア吸着理論を用いた特定の自己組織化単分子層のラングミュアシータ値及びその測定に関する詳細は、後により詳細に説明する。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を提供する。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する。幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層は、少なくとも０．８５、０．８６、０．８７、０．８８、０．８９、０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、０．９５、０．９６、０．９７、０．９８、０．９９又は１．０のラングミュアシータ値を提供することができる。自己組織化単分子層は、ある範囲内のラングミュアシータ値を提供し得ることを理解されたく、上記のラングミュアシータ値の何れもその範囲の下限又は上限であり得るが、ただし、その範囲の下限は、その範囲の上限より小さい値であることを条件とする。
【００４７】
次に、図３を参照すると、本明細書の各種の実施形態によるケミカルセンサ素子３００の概略上面図が示されている。ケミカルセンサ素子３００は、基板３０２を含むことができる。基板は、多くの異なる材料から形成できることを理解されたい。例えば、基板は、シリコン、ガラス、水晶、サファイア、ポリマー、金属、ガラス、セラミック、セルロース材料、合成材料及び金属酸化物等から形成できる。基板の厚さは、様々であり得る。幾つかの実施形態において、基板は、その上のコンポーネントに損傷を与えかねない過度な屈曲を生じさせずに扱うのに十分な構造的完全性を有する。幾つかの実施形態において、基板は、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの厚さを有することができる。基板の長さ及び幅も様々であり得る。幾つかの実施形態において、長さ（又は主軸）は、約０．２ｃｍ〜約１０ｃｍであり得る。幾つかの実施形態において、長さ（又は主軸）は、約２０μｍ〜約１ｃｍであり得る。幾つかの実施形態において、幅（主軸に垂直）は、約０．２ｃｍ〜約８ｃｍであり得る。幾つかの実施形態において、幅（主軸に垂直）は、約２０μｍ〜約０．８ｃｍであり得る。幾つかの実施形態において、グラフェンベースのケミカルセンサは、使い捨てであり得る。
【００４８】
第一の測定ゾーン３０４は、基板３０２の上に設置できる。幾つかの実施形態において、第一の測定ゾーン３０４は、第一のガス流路の一部を画定できる。第一の測定ゾーン（又はガスサンプルゾーン）３０４は、複数の個別のグラフェンベースバリアブルキャパシタ（すなわちグラフェンバラクタ）を含むことができ、これらは、息サンプル等のガス状サンプル中の分析物を検出できる。第二の測定ゾーン（又は環境サンプルゾーン）３０６は、第一の測定ゾーン３０４とは別であり、同じく基板３０２上に設置できる。第二の測定ゾーン３０６も複数の個別のグラフェンバラクタを含むことができる。幾つかの実施形態において、第二の測定ゾーン３０６は、第一の測定ゾーン３０４内にあるものと（種類及び／又は数において）同じ個別のグラフェンバラクタを含むことができる。幾つかの実施形態において、第二の測定ゾーン３０６は、第一の測定ゾーン３０４内にある個別のグラフェンバラクタの一部のみを含むことができる。動作中、分析されたガス状サンプルの反射率であり得る、第一の測定ゾーンからの収集データは、環境中に存在する分析物の反射率であり得る、第二の測定ゾーンからの収集データに基づいて補正又は正規化できる。
【００４９】
幾つかの実施形態において、第三の測定ゾーン（ドリフト制御又はウィットネスゾーン）３０８も基板上に設置できる。第三の測定ゾーン３０８は、複数の個別のグラフェンバラクタを含むことができる。幾つかの実施形態において、第三の測定ゾーン３０８は、第一の測定ゾーン３０４内にあるものと（種類及び／又は数において）同じ個別のグラフェンバラクタを含むことができる。幾つかの実施形態において、第三の測定ゾーン３０８は、第一の測定ゾーン３０４内にある個別のグラフェンバラクタの一部のみを含むことができる。幾つかの実施形態において、第三の測定ゾーン３０８は、第一の測定ゾーン３０４及び第二の測定ゾーン３０６のものと異なる個別のグラフェンバラクタを含むことができる。第三の測定ゾーンの態様については、後により詳細に説明する。
【００５０】
第一の測定ゾーン、第二の測定ゾーン及び第三の測定ゾーンは、同じ大きさであるか又は異なる大きさであり得る。ケミカルセンサ素子３００は、参照データを記憶するコンポーネント３１０も含むことができる。参照データを記憶するコンポーネント３１０は、電子データ記憶装置、光データ記憶装置又は印刷データ記憶装置（印刷コード等）などであり得る。参照データは、第三の測定ゾーンに関するデータを含むことができるが、これに限定されない（後により詳細に説明する）。
【００５１】
幾つかの実施形態において、本明細書において具現化されるケミカルセンサ素子は、電気コンタクト（図示せず）を含むことができ、これは、ケミカルセンサ素子３００上のコンポーネントに電力を供給するために使用でき、且つ／又は測定ゾーンに関するデータ及び／若しくはコンポーネント３１０に記憶されたものからのデータを読み出すために使用できる。しかしながら、他の実施形態では、ケミカルセンサ素子３００上に外部電気コンタクトはない。
【００５２】
本明細書において具現化されるケミカルセンサ素子は、パッシブワイヤレス検出と両立するものを含むことができる。パッシブセンサ回路５０２及び読取り回路５２２の一部の概略図が図５に示されており、後により詳細に説明される。パッシブワイヤレス検出構成では、グラフェンバラクタは、インダクタと、グラフェンバラクタの１つの端子がインダクタの一方の端と接触し、グラフェンバラクタの第二の端子がインダクタの第二の端子と接触するように統合できる。幾つかの実施形態において、インダクタは、グラフェンバラクタと同じ基板上に配置できるが、他の実施形態では、インダクタは、オフチップ位置に配置できる。
【００５３】
次に、図４を参照すると、本明細書の各種の実施形態による測定ゾーン４００の一部の概略図が示されている。複数の個別のグラフェンバラクタ４０２は、測定ゾーン４００内にアレイ状に設置できる。幾つかの実施形態において、ケミカルセンサ素子は、ある測定ゾーン中にアレイ状に構成される複数のグラフェンバラクタを含むことができる。幾つかの実施形態において、複数のグラフェンバラクタは、同じであり得るが、他の実施形態では、複数のグラフェンバラクタは、相互に異なり得る。
【００５４】
幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタは、これらのすべてがその結合挙動又は特定の分析物に関する特異度において相互に異なる点で異種であり得る。幾つかの実施形態において、幾つかの個別のグラフェンバラクタは、バリデーションの目的のために同じであり得るが、それ以外には他の個別のグラフェンバラクタと異種であり得る。また別の実施形態において、個別のグラフェンバラクタは、同種であり得る。図４の個別のグラフェンバラクタ４０２は、格子状に組織化された四角として示されているが、個別のグラフェンバラクタは、多様な形状（各種の多角形、円、楕円及び不規則形状等を含むが、これらに限定されない）をとることができ、したがって個別のグラフェンバラクタの集合を多様なパターン（星形パターン、ジグザグパターン、放射状パターン及び記号パターン等を含むが、これらに限定されない）に配置できることを理解されたい。
【００５５】
幾つかの実施形態において、測定ゾーンの長さ４１２及び幅４１４にわたる特定の個別のグラフェンバラクタ４０２の順序は、実質的にランダムであり得る。他の実施形態では、この順序は、特定のものであり得る。例えば、幾つかの実施形態において、測定ゾーンは、分子量がより低い分析物のための特定の個別のグラフェンバラクタ４０２が、流入するガス流により近い位置に配置される、より高い分子量を有する分析物のための特定の個別のグラフェンバラクタ４０２に関して、流入するガス流からより遠くに配置されるような順序であり得る。そのため、異なる分子量の化合物間を分離させる役割を果たし得るクロマトグラフィ効果を利用して、化合物を対応する個別のグラフェンバラクタと最適に結合させることができる。
【００５６】
特定の測定ゾーン内の個別のグラフェンバラクタの数は、約１〜約１００，０００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約１〜約１０，０００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約１〜約１，０００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約２〜約５００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約１０〜約５００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約５０〜約５００であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約１〜約２５０であり得る。幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの数は、約１〜約５０であり得る。
【００５７】
本明細書での使用に適した個別のグラフェンバラクタの各々は、１つ又は複数の電気回路の少なくとも一部を含むことができる。例えば、幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタの各々は、１つ又は複数のパッシブ電気回路を含むことができる。幾つかの実施形態において、グラフェンバラクタは、これらが電気回路上に直接集積されるように含めることができる。幾つかの実施形態において、グラフェンバラクタは、これらが回路にウェハボンディングにより固定されるように含めることができる。幾つかの実施形態において、グラフェンバラクタは、集積された読取り電子回路、例えば読取り集積回路（ＲＯＩＣ：ｒｅａｄｏｕｔ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を含むことができる。抵抗又はキャパシタンスを含む電気回路の電気特性は、ガスサンプルからの成分との結合時、例えば特異的結合及び／又は非特異的結合時に変化する可能性がある。
【００５８】
次に、図５を参照すると、本明細書の各種の態様によるパッシブセンサ回路５０２及び読取り回路５２２の一部の概略図が示されている。パッシブセンサ回路５０２は、インダクタ５１０に接続された金属−酸化物−グラフェンバラクタ５０４（ここで、ＲＳは、直列抵抗を表し、ＣＧは、バラクタキャパシタを表す）を含むことができる。グラフェンバラクタは、各種の方法により各種の形状で製作できる。例えば、幾つかの態様において、ゲート電極は、図１のゲート電極１０４に示されるように、絶縁層内に引っ込めることができる。ゲート電極は、絶縁層に窪みをエッチングし、その後、窪み内に導電材料を堆積させてゲート電極を形成することによって形成できる。誘電層は、絶縁層の表面及びゲート電極上に形成できる。幾つかの例において、誘電層は、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素等の金属酸化物から又はケイ酸ハフニウム若しくはケイ酸ジルコニウム等の他の材料から形成できる。表面修飾グラフェン層は、誘電層の上に設置できる。コンタクト電極は、表面修飾グラフェン層の表面上に設置することもでき、これは、図１においてコンタクト電極１１０としても示されている。
【００５９】
例示的なグラフェンバラクタの他の態様は、米国特許第９，５１３，２４４号明細書に記載されており、その内容は、その全体が参照によって本明細書に援用される。
各種の実施形態において、グラフェンバラクタの一部であり、したがってパッシブセンサ回路等のセンサ回路の一部である機能性グラフェン層（例えば、分析物と結合するレセプタを含むように機能化される）は、測定ゾーンの表面にわたって流れるガスサンプルに暴露される。パッシブセンサ回路５０２は、インダクタ５１０も含むことができる。幾つかの実施形態において、各パッシブセンサ回路５０２と共に１つのバラクタのみが含められる。他の実施形態では、各パッシブセンサ回路５０２と共に複数のバラクタが例えば並列に含められる。
【００６０】
パッシブセンサ回路５０２内において、電気回路のキャパシタンスは、ガスサンプル中の分析物及びグラフェンバラクタが結合すると変化する。パッシブセンサ回路５０２は、ＬＲＣ共振器回路として機能することができ、ＬＲＣ共振器回路の共振周波数は、ガスサンプルからの成分と結合すると変化する。
【００６１】
読取り回路５２２は、パッシブセンサ回路５０２の電気特性を検出するために使用できる。例えば、読取り回路５２２は、ＬＲＣ共振器回路の共振周波数及び／又はその変化を検出するために使用できる。幾つかの実施形態において、読取り回路５２２は、抵抗５２４及びインダクタンス５２６を有する読取りコイルを含むことができる。センサ側ＬＲＣ回路がその共振周波数にあるとき、周波数に対する読取り回路のインピーダンスの位相のグラフは、最小（すなわち位相ディップ周波数）を有する。検出は、バラクタのキャパシタンスが、共振周波数を変化させる分析物の結合及び／又は位相ディップ周波数の値に応答して変化するときに行われ得る。
【００６２】
次に、図６を参照すると、本明細書の各種の実施形態によるガス状分析物を検出するシステム６００の概略図が示されている。システム６００は、筐体６１８を含むことができる。システム６００は、マウスピース６０２を含むことができ、その中に対象が息サンプルを吹き込むことができる。ガス状息サンプルは、流入コンジット６０４を通過し、評価サンプル（患者サンプル）注入ポート６０６を通過することができる。システム６００は、比較サンプル（環境）注入ポート６０８も含むことができる。システム６００は、センサ素子チャンバ６１０も含むことができ、その中に使い捨てセンサ素子をセットできる。システム６００は、表示スクリーン６１４及びキーボード等のユーザ入力装置６１６も含むことができる。システムは、ガス排出ポート６１２も含むことができる。システム６００は、評価サンプル注入ポート６０６及び比較サンプル注入ポート６０８の１つ又は複数に関連付けられるガス流と流体連通するフローセンサも含むことができる。多くの異なる種類のフローセンサを使用できることを理解されたい。幾つかの実施形態において、熱線風速計が空気の流れを測定するために使用できる。幾つかの実施形態において、システムは、評価サンプル注入ポート６０６及び比較サンプル注入ポート６０８の１つ又は複数に関連付けられるガス流と流体連通するＣＯ２センサを含むことができる。
【００６３】
各種の実施形態において、システム６００は、他の機能的コンポーネントも含むことができる。例えば、システム６００は、湿度制御モジュール６４０及び／又は温度制御モジュール６４２を含むことができる。湿度制御モジュールは、評価サンプル注入ポート６０６及び比較サンプル注入ポート６０８の１つ又は複数に関連付けられるガス流と流体連通して、ガス流ストリームの一方又は両方の湿度を調整することによって２つのストリームの相対湿度を実質的に同じにし、システムにより得られる読取り値に対する不利な影響を防止することができる。温度制御モジュールは、評価サンプル注入ポート６０６及び比較サンプル注入ポート６０８の１つ又は複数に関連付けられるガス流と流体連通して、一方又は両方のガス流ストリームの温度を調整することによって２つのストリームの温度を実質的に同じにし、システムにより得られる読取り値に対する不利な影響を防止することができる。例えば、比較サンプル注入ポート内に流れる空気は、摂氏３７度以上にして、患者からの空気の温度と一致するか又はそれを超えるようにすることができる。湿度制御モジュール及び温度制御モジュールは、注入ポートの上流、注入ポート内又は注入ポートの下流のシステム６００の筐体６１８内であり得る。幾つかの実施形態において、湿度制御モジュール６４０及び温度制御モジュール６４２は、一体であり得る。
【００６４】
幾つかの実施形態（図示せず）において、システム６００の比較サンプル注入ポート６０８は、マウスピース６０２にも接続できる。幾つかの実施形態において、マウスピース６０２は、患者が息を吸い込むときに空気が比較サンプル注入ポート６０８からマウスピースに流れるように切替空気流バルブを含むことができ、システムは、周囲の空気が適当な比較測定ゾーン（例えば、第二の測定ゾーン）全体に流れるように構成される。したがって、患者が息を吐くと、切替空気流バルブが切り替わり、患者からの息サンプルがマウスピース６０２から流入コンジット６０４を通して評価サンプル注入ポート６０６及び使い捨てセンサ素子上の適当なサンプル（患者サンプル）測定ゾーン（例えば、第一の測定ゾーン）全体に流れる。
【００６５】
ある実施形態において、ケミカルセンサ素子を製造する方法が含まれる。方法は、１つ又は複数の測定ゾーンを基板上に堆積させるステップを含むことができる。方法は、複数の個別のグラフェンバラクタを基板上の測定ゾーン内に堆積させるステップをさらに含むことができる。方法は、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に自己組織化単分子層を形成するためにグラフェン層の表面をπ電子豊富分子で修飾することにより、１つ又は複数の個別のグラフェンバラクタを生成するステップを含むことができる。方法は、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を、液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を使用して定量化するステップを含むことができる。方法は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含むことができ、これについては、後により詳細に説明する。方法は、参照データを記憶するコンポーネントを基板上に堆積させるステップをさらに含むことができる。幾つかの実施形態において、測定ゾーンは、すべて基板の同じ面に設置することができる。他の実施形態では、測定ゾーンは、基板の異なる面に設置できる。
【００６６】
ある実施形態において、１つ又は複数のガスサンプルをアッセイする方法が含まれる。方法は、ケミカルセンサ素子を検出器内に挿入するステップを含むことができる。ケミカルセンサ素子は、基板及び複数の個別のグラフェンバラクタを含む第一の測定ゾーンを含むことができる。第一の測定ゾーンは、第一のガス流路の一部を画定できる。ケミカルセンサ素子は、第一の測定ゾーンとは別の第二の測定ゾーンをさらに含むことができる。第二の測定ゾーンも複数の個別のグラフェンバラクタを含むことができる。第二の測定ゾーンは、第一のガス流路の外側に設置できる。
【００６７】
方法は、対象に、第一のガス流路を辿るように検出器内に空気を吹き込ませるステップをさらに含むことができる。幾つかの実施形態において、対象からの空気のＣＯ２含有量がモニタされ、ＣＯ２含有量が平坦域にある間に使い捨てセンサ素子によるサンプリングが行われ、なぜなら、患者の肺胞から到来する空気は、揮発性有機化合物等の分析のための化合物の含有量が最も多いと考えられているからである。幾つかの実施形態において、方法は、息サンプル及び比較（又は環境）空気サンプルの質量流量全体を、フローセンサを用いてモニタするステップを含むことができる。方法は、個別のグラフェンバラクタにそれらの分析物結合状態を特定させるステップをさらに含むことができる。方法は、サンプリング完了時に使い捨てセンサ素子を廃棄するステップをさらに含むことができる。
【００６８】
次に、図７を参照すると、本明細書の各種の実施形態によるガス状分析物を検出するシステム７００の概略図が示されている。この実施形態において、システムは、手持ち式である。システム７００は、筐体７１８を含むことができる。システム７００は、マウスピース７０２を含むことができ、その中に対象が息サンプルを吹き込むことができる。システム７００は、表示スクリーン７１４と、キーボード等のユーザ入力装置７１６とを含むこともできる。システムは、ガス排出ポート７１２も含むことができる。システムは、図６に関して上で説明したもののような他の各種のコンポーネントも含むことができる。
【００６９】
幾つかの実施形態において、測定ゾーンの１つは、ケミカルセンサ素子内の変化（又はドリフト）を示すように構成され得、これは、使用前の保管及び取扱い中の経年化及び変化する条件への曝露（例えば、高温曝露、光曝露、分子酸素曝露、湿潤曝露等）の結果として生じ得る。幾つかの実施形態において、第三の測定ゾーンは、この目的のために構成され得る。
【００７０】
次に、図８を参照すると、本明細書の各種の実施形態によるケミカルセンサ素子８００の一部の概略断面図が示されている。ケミカルセンサ素子８００は、基板８０２と、その上に設置された、測定ゾーンの一部である個別のグラフェンバラクタ８０４とを含むことができる。任意選択により、幾つかの実施形態において、個別のグラフェンバラクタ８０４は、窒素ガス等の不活性物質８０６又は不活性液体若しくは固体で取り囲むことができる。このようにして、第三の測定ゾーンのための個別のグラフェンバラクタ８０４は、ガスサンプルと接触しないように遮蔽することができ、したがって使い捨てセンサ素子の製造時から使用時までの間に発生し得るセンサドリフトを特に制御するための比較又は参照として使用できる。幾つかの実施形態において、不活性ガス又は液体の使用の場合等において、個別の結合検出器は、バリア層８０８も含むことができ、これは、ポリマー材料、フォイル又は他の層であり得る。幾つかの場合、バリア層８０８は、使用の直前に取り除くことができる。
【００７１】
ある実施形態において、１つ又は複数の分析物を検出する方法が含まれる。方法は、患者からのガス状サンプルを採取するステップを含むことができる。幾つかの実施形態において、ガス状サンプルは、呼気を含むことができる。他の実施形態において、ガス状サンプルは、患者の肺からカテーテル又は他の同様の抽出器具を介して取り出された息を含むことができる。幾つかの実施形態において、抽出器具は、内視鏡、気管支鏡又は気管鏡を含むことができる。方法は、グラフェンバラクタをガス状サンプルと接触させるステップも含むことができ、グラフェンバラクタは、グラフェン層と、π−πスタッキング相互作用を通してグラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層とを含む。幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。ラングミュアシータ値については、後により詳細に説明する。幾つかの実施形態において、方法は、ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合によるグラフェンリアクタのキャパシタンスにおける異なる応答を測定するステップを含むことができ、それは、したがって、病態を識別するために使用できる。
【００７２】
グラフェンバラクタ
本明細書に記載のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル、例えば患者の息中の１つ又は複数の分析物を検出するために使用できる。本明細書で具現化されるグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中に見られる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）に関してパーツパーミリオン（ｐｐｍ）若しくはパーツパービリオン（ｐｐｂ）レベルの又はそれに近い高い感度を示すことができる。グラフェンバラクタの表面へのＶＯＣの吸着は、このような機器の抵抗、キャパシタンス又は量子キャパシタンスを変化させる可能性があり、これは、ＶＯＣ及び／又は結合のパターンを検出するために使用でき、それは、したがって、がん、心臓病、感染症、多発性硬化症、アルツハイマー病及びパーキンソン病等の病態を識別するために使用できる。グラフェンバラクタは、ガス混合物中の個々の分析物並びに非常に複雑な混合物中の応答パターンを検出するために使用できる。幾つかの実施形態において、ガス状サンプル中の同じ分析物を検出するために１つ又は複数のグラフェンバラクタを含めることができる。幾つかの実施形態において、ガス状サンプル中の異なる分析物を検出するために１つ又は複数のグラフェンバラクタを含めることができる。幾つかの実施形態において、ガス状サンプル中の複数の分析物を検出するために１つ又は複数のグラフェンバラクタを含めることができる。
【００７３】
例示的なグラフェンバラクタは、グラフェン層と、π−πスタッキング相互作用を通して後者と相互作用する、グラフェン層の外面上に設置された自己組織化単分子層とを含むことができ、これは、図２に関して示し、先に説明した。本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。ラングミュア吸着理論を用いた特定の自己組織化単分子層のラングミュアシータ値の特定については、後により詳細に説明する。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を提供する。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する。
【００７４】
本明細書に記載のグラフェンバラクタは、単独のグラフェン層がグラフェン層とπ電子豊富分子との間の非共有結合π−πスタッキング相互作用を通して表面修飾されているものを含むことができる。
【００７５】
π電子電子豊富分子の１つの例示的クラスは、多環芳香族炭化水素を含む。本明細書に記載のグラフェンバラクタでの使用に適した多環芳香族炭化水素の例は、３〜１０個の芳香環を有するものを含むことができるが、これに限定されない。例えば、３〜１０個の芳香環を有する多環芳香族炭化水素は、アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、フェナレン、ナフタセン、ベンズアントラセン、クリセン、ペンタセン、ジベンズアントラセン、トリフェニレン、ピレン、ベンゾピレン、ピセン、ペリレン、ベンゾペリレン、ペンタフェン、ペンタセン、アンタントレン、コロネン又はオバレンを含むことができる。幾つかの実施形態において、多環芳香族炭化水素は、その誘導体をさらに含むことができ、これには、ヒドロキシル、カルボキシル、エステル、アンモニウム、アミノ、ジエチルアミノ又はホウ酸官能基の１つ又は複数を有するものが含まれる。幾つかの実施形態において、１０〜２０個の芳香環を有する多環芳香族炭化水素も想定される。
【００７６】
本明細書に記載されているように、多環芳香族炭化水素は、式：
【００７７】
【化１】
2021514478.tif 000003
（式中、Ｘ１は、塩基性芳香環構造に直接共有結合される任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基、−Ｈ、−Ｒ１ＯＨ、−Ｒ２ＣＯＯＨ、−Ｒ３ＣＯＯＲ４、−Ｒ５ＮＨ３＋、−Ｒ６ＮＨ２、−Ｒ７ＮＲ８、−Ｒ９ＮＲ１０Ｒ１１＋、−Ｒ１２Ｂ（ＯＨ）２又はそれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない任意の置換基であり得、ｎは、３〜１０、３〜１５又は３〜２０の任意の整数であり、及びＲ１〜Ｒ１２は、限定されないが、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子と直接共有結合することもできる）により表すことができる。
【００７８】
幾つかの実施形態において、多環芳香族炭化水素は、式：
【００７９】
【化２】
2021514478.tif 000004
（式中、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、限定されないが、塩基性芳香環構造に直接共有結合される任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基、−Ｈ、−Ｒ１ＯＨ、−Ｒ２ＣＯＯＨ、−Ｒ３ＣＯＯＲ４、−Ｒ５ＮＨ３＋、−Ｒ６ＮＨ２、−Ｒ７ＮＲ８、−Ｒ９ＮＲ１０Ｒ１１＋、−Ｒ１２Ｂ（ＯＨ）２又はそれらの任意の組合せを含む任意の置換基であり得、及びＲ１〜Ｒ１２は、限定されないが、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）で表されるピレン及びピレン誘導体を含むことができる。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適したピレン（Ｐｙｒ：ｐｙｒｅｎｅ）誘導体は、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ、Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２及びＰｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２を含むが、これらに限定されない。
【００８０】
幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した官能基は、限定されないが、−Ｒ１ＯＨ、−Ｒ２ＣＯＯＨ及び−Ｒ３ＣＯＯＲ４又はそれらの任意の組合せを含む、少なくとも１つの酸素原子を含む極性官能基を含むことができ、ここで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、限定されないが、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される。幾つかの実施形態において、本明細書での使用に適した官能基は、限定されないが、−Ｒ５ＮＨ３＋、−Ｒ６ＮＨ２、−Ｒ７ＮＲ８、−Ｒ９ＮＲ１０Ｒ１１＋、−Ｒ１２Ｂ（ＯＨ）２又はそれらの任意の組合せを含む、少なくとも１つの窒素原子を含む極性官能基を含むことができ、ここで、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１及びＲ１２は、限定されないが、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルキル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される。他の実施形態において、官能基は、少なくとも１つの酸素原子を含む極性官能基と、少なくとも１つの窒素原子を含む極性官能基との組合せを含むことができる。
【００８１】
非共有結合π−πスタッキング相互作用を通してグラフェンの表面を修飾するのに適したπ電子電子豊富分子の他のクラスは、複数の芳香族基を有する分子、例えば前述の多環基及び１つ又は複数の芳香環を有する芳香族基、例えばフェニル、ベンジル又はナフチル基及びそれらの誘導体を含む。本明細書で使用するためのこのような分子の例は、芳香族シクロデキストリン、例えばベンジル化シクロデキストリンであり、α−、β−及びγ−シクロデキストリン誘導体を含むが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、シクロデキストリンは、過ベンジル化α−、β−及びγ−シクロデキストリンを含むことができる。幾つかの実施形態において、シクロデキストリンは、部分的にベンジル化されたα−、β−及びγ−シクロデキストリンを含むことができる。
【００８２】
幾つかの実施形態において、過ベンジル化シクロデキストリン及びその誘導体は、式：
【００８３】
【化３】
2021514478.tif 000005
（式中、ｎは、５〜１０の整数又は６〜８の任意の整数であり得、及びＸは、限定されないが、−Ｈ、ヒドロキシル、アミノ又は任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アルコール、任意の直鎖、分岐若しくは環状Ｃ１〜Ｃ１０アミン、フェニル、ベンジル又はナフタル基及びそれらの誘導体の任意の組合せを含むことができるが、ただし、上記の構造中の各繰返し単位は、芳香族官能基である少なくとも１つのＸを含むことを条件とする）を有するものを含むことができるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、１つ又は複数のヒドロキシル基又はアミノ基の存在は、シクロデキストリン分子とグラフェン層との間の水素結合に寄与することができる。
【００８４】
非共有結合π−πスタッキング相互作用を通してグラフェンの表面を修飾するのに適したπ電子電子豊富分子の他のクラスは、テトラフェニルポルフィリン（ＴＰＰ）及びその誘導体を含む。テトラフェニルポルフィリン（ＴＰＰ）の構造は、以下のとおりである。
【００８５】
【化４】
2021514478.tif 000006
本明細書の各種の実施形態において、テトラフェニルポルフィリンは、様々な官能基で誘導体化することができる。そのため、幾つかの実施形態において、テトラフェニルポルフィリンは、ここで、式：
【００８６】
【化５】
2021514478.tif 000007
（式中、ｎは、１〜５の任意の整数であり得、ｍは、１又は２であり得、Ｒ１〜Ｒ８は、限定されないが、−Ｈ、−Ｘ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子を含む）、−Ｒ９、−Ｒ１０ＯＨ、−Ｒ１１ＣＯＯＨ、−Ｒ１２ＣＯＯＲ１３、−Ｒ１４ＯＲ１５、−Ｒ１６ＣＯＨ、−Ｒ１７ＣＯＲ１８、−Ｒ１９ＮＨ３＋、−Ｒ２０ＮＨ２、−Ｒ２１ＮＲ２２、−Ｒ２３ＮＲ２４Ｒ２５＋、−Ｒ２６Ｘ若しくは−Ｒ２７ＣＯＸ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子であり得る）、−Ｒ２８ＳＨ又はそれらの任意の組合せを含む任意の置換基であり得、及びＲ９〜Ｒ２８は、限定されないが、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１２アルキル基、Ｃ１〜Ｃ１２アルケネル基、Ｃ１〜Ｃ１２アルキニル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）で表すことができる。
【００８７】
幾つかの実施形態において、テトラフェニルポルフィリンは、金属テトラフェニルポルフィリンである。金属テトラフェニルポルフィリンの構造は、下記のとおりである。
【００８８】
【化６】
2021514478.tif 000008
本明細書の各種の実施形態において、金属テトラフェニルポルフィリンは、様々な官能基で誘導体化することができる。そのため、幾つかの実施形態において、金属テトラフェニルポルフィリンは、式：
【００８９】
【化７】
2021514478.tif 000009
（式中、Ｍは、限定されないが、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ルテニウム、パラジウム又はそれらの誘導体を含む任意の金属原子であり、ｎは、１〜５の任意の整数であり得、ｍは、１又は２であり得、Ｒ１〜Ｒ８は、限定されないが、−Ｈ、−Ｘ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子を含む）、−Ｒ９、−Ｒ１０ＯＨ、−Ｒ１１ＣＯＯＨ、−Ｒ１２ＣＯＯＲ１３、−Ｒ１４ＯＲ１５、−Ｒ１６ＣＯＨ、−Ｒ１７ＣＯＲ１８、−Ｒ１９ＮＨ３＋、−Ｒ２０ＮＨ２、−Ｒ２１ＮＲ２２、−Ｒ２３ＮＲ２４Ｒ２５＋、−Ｒ２６Ｘ若しくは−Ｒ２７ＣＯＸ（ここで、Ｘは、任意のハロゲン原子であり得る）、−Ｒ２８ＳＨ又はそれらの任意の組合せを含む任意の置換基であり得、及びＲ９〜Ｒ２８は、限定されないが、任意の直鎖若しくは分岐Ｃ１〜Ｃ１２アルキル基、Ｃ１〜Ｃ１２アルケネル基、Ｃ１〜Ｃ１２アルキニル基又はそれらの組合せを含むか、或いは存在しないことができ、それにより、官能基の残りの部分は、塩基性芳香環構造の１つ又は複数の炭素原子に直接共有結合される）で表すことができる。
【００９０】
自己組織化単分子層は、同種であるもの及び異種であるもの（例えば、これらは、複数の種類の化合物の層を含むことができる）を含むことができる。幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層は、単官能基であり得、他の実施形態では、自己組織化単分子層は、二官能基、三官能基等であり得る。幾つかの実施形態において、自己組織化単分子層は、少なくとも約５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％又は５０％（又はこれらの量の何れかの間の範囲内に含まれる量）の第二化合物を含むことができ、これらは、本明細書に記載の化合物の任意のものであり得るが、グラフェン層の被覆率の実質的割合を占める第一化合物と異なる。
【００９１】
幾つかの実施形態において、グラフェン層は、基板の表面に設置できる。本明細書での使用に適した基板材料は、銅、ニッケル、ルテニウム、プラチナ、イリジウム等の金属及び酸化銅、酸化亜鉛、酸化マグネシウム等の金属酸化物を含むことができる。基板材料は、シリコン、水晶、サファイア、ガラス、セラミック、ポリマー等を含むこともできる。
【００９２】
例示的なグラフェンバラクタの他の態様は、米国特許第９，５１３，２４４号明細書に記載されており、その内容は、その全体が参照によって本明細書に援用される。
液滴接触角測定法
液滴接触角測定法は、固体表面の液体による濡れ性を特定するために使用できる。濡れ性又は濡れは、液体と固体表面との間の接触領域における分子間力の結果として生じ得る。濡れの程度は、液体と固体表面との間の接触領域と、液気界面に対する接線との間に形成される接触角φの値により表すことができる。固体の表面が親水性であり、水が試験液体として使用される場合（すなわち高い濡れ性）、φの値は、０〜９０度の範囲内にあり得る。固体の表面が中程度に親水性又は疎水性である場合（すなわち中程度の濡れ性）、試験液体を水としたときのφの値は、８５〜１０５度の範囲内にあり得る。固体表面が高い疎水性を有する場合（すなわち低い濡れ性）、試験液体を水としたときのφの値は、９０〜１８０度の範囲内にあり得る。したがって、接触角の変化は、基板の表面化学特性の変化を反映することができる。
【００９３】
グラフェン表面及びグラフェン表面に施される修飾は、液滴接触角測定法を用いて特徴付けることができる。液滴接触角測定法は、グラフェン表面の修飾の程度に関する定量的情報を提供することができる。液滴接触角測定は、サンプル表面上にある官能基によって影響を受けやすく、自己組織化単分子層の形成及び表面被覆の程度を特定するために使用できる。π電子豊富分子を含む自己組織化溶液中に浸漬したものと対照的に、無修飾のグラフェン表面からの接触角の変化は、グラフェン表面上への自己組織化単分子層の形成を確実にするために使用できる。
【００９４】
液滴接触角測定の決定における使用に適した、湿潤溶液とも呼ばれる溶媒の種類は、無修飾のグラフェン上の溶媒の接触角と、修飾されたグラフェン上の接触角との間の差を最大化して、結合の吸脱着等温線の測定のためのデータ精度を高めるものである。幾つかの実施形態において、湿潤溶液は、脱イオン（ＤＩ）水、ＮａＯＨ水溶液、ホウ酸塩バッファ（ｐＨ９．０）、他のｐＨのバッファ、ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ等を含むことができるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、湿潤溶液は、極性である。幾つかの実施形態において、湿潤溶液は、非極性である。
【００９５】
ラングミュア吸着理論
何れの特定の理論による拘束も望まないが、ラングミュア吸着理論によれば、グラフェンの単分子層修飾は、自己組織化溶液の体積中の吸着質の濃度を式：
【００９６】
【数１】
2021514478.tif 000010
（式中、θは、表面被覆率であり、Ｃは、自己組織化溶液の体積中の吸着質の濃度であり、Ｋは、グラフェンへの吸着質の吸着の平衡定数である）に従って変化させることにより制御できると考えられている。実験的に、表面被覆率は、無修飾グラフェンと修飾グラフェンとの間の接触角の変化により、式：
【００９７】
【数２】
2021514478.tif 000011
（式中、φ（ｉ）は、自己組織化溶液中の濃度に応じた修飾グラフェンの接触角であり、φ（ｂａｒｅ）は、無修飾グラフェンの接触角であり、φ（ｓａｔ．）は、レセプタ分子の完全な単分子層で修飾されたグラフェン（すなわち１００％の表面被覆率又はθ＝１．０）の接触角である）に従って表現できる。式（２）のθを式（１）に代入し、φ（ｉ）を解くと、式（３）：
【００９８】
【数３】
2021514478.tif 000012
が得られる。
【００９９】
したがって、実験的に観察されるφ（ｉ）の値は、２つのフィッティングパラメータΚ及びφ（ｓａｔ．）を用いて、自己組織化溶液中のレセプタの濃度に応じてフィッティングできる。これらの２つのパラメータが特定されると、異なる自己組織化濃度での相対的表面被覆率は、Κを用いて式（１）から予測できる。
【０１００】
データは、ラングミュア吸着モデルでフィッティングして、グラフェン上に９０％以上の表面被覆率（すなわちθ＞０．９）の高密度の単分子層を形成するのに必要な表面吸着の平衡定数及び自己組織化溶液の濃度を特定できる。幾つかの実施形態において、少なくとも９０％以上の表面被覆率が望ましい。幾つかの実施形態において、少なくとも９５％以上の表面被覆率が望ましい。幾つかの実施形態において、少なくとも９８％以上の表面被覆率が望ましい。
【０１０１】
グラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨの吸着に関する代表的なラングミュア吸着等温線が図９に示され、以下の例８においてより詳細に説明されている。データは、液滴接触角測定により特定された、グラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨの吸着に関する相対的単分子層被覆率（点）をラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）と共に示す。グラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨの吸着に関する相対的表面被覆率に応じた濃度の対数を図１０に示す。
【０１０２】
上記の例において、ラングミュアモデルは、接触角データからΚを特定するために使用される。接触角データの代わりに、表面分光法から得られたスペクトル中のバンドの強度、例えば赤外線分光法又はラマン分光法で得られるデータが使用され得る。
【０１０３】
Ｘ線光電子分光法
Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、高感度の分光技術であり、物質の表面の元素組成を定量的に測定できる。ＸＰＳのプロセスは、真空下でのＸ線の表面照射を含み、その間に物質の最上部０〜１０ｎｍ内の運動エネルギー及び電子の放出が測定される。何れの特定の理論による拘束も望まないが、ＸＰＳは、グラフェンの表面上に形成される自己組織化単分子層の存在を確認するために使用できると考えられている。
【０１０４】
単分子層、グラフェン及びその下の基板を構成する原子の種類の表面濃度（ＸＰＳにより特定される）は、単分子層のラングミュアシータ値、すなわち換言すればグラフェン上の単分子層の分子の表面密度に依存する。例えば、銅基板上のあるシクロデキストリンの単分子層に関する炭素、酸素及び銅の表面濃度（すなわちＸＰＳにより特定されるＣ％、Ｏ％及びＣｕ％）は、自己組織化溶液中のシクロデキストリンの濃度に依存する。実験上の誤差により、Ｃ％、Ｏ％又はＣｕ％データを別々にフィッティングすると、表面吸着の平衡定数Κのわずかに異なる値が得られる。しかしながら、Ｃ％、Ｏ％又はＣｕ％データは、同じ平衡を特徴付けるため、Κの真の値は、１つのみである。したがって、ＸＰＳデータは、Ｃ％、Ｏ％及びＣｕ％データについて別々にだけでなく、１つに複合させたデータとしてもフィッティングすることができる。単分子層、グラフェン及びその下の基板を構成する幾つかの種類の原子に関する複合データのフィッティングにより、Κの真の値をより正確に推定できる。この目的のために、次式を使用でき、ここで、各データポイントは、（ｉ）指数、（ｉｉ）自己組織化溶液の濃度、及び（ｉｉｉ）ＸＰＳにより特定される炭素、酸素又は銅濃度を含むベクトルからなる。
【０１０５】
【数４】
2021514478.tif 000013
指数１は、Ｃ％データについて使用され、２は、Ｏ％データについて使用され、３は、Ｃｕ％について使用された。０の入力に対するクロネッカのデルタの出力は、１であり、それは、他の入力についても０である。このフィッティング手順により、炭素、酸素及び銅の最大表面濃度（それぞれＣ％（ｓａｔ．）、Ｏ％（ｓａｔ．）及びＣｕ％（ｓａｔ．））が３つすべての吸着等温線に関するΚの単独の値と共に１ステップで得られる。
【０１０６】
上記の例において、Κ値は、３つの吸着等温線、すなわち３種類の原子の表面濃度からフィッティングされる。同じ種類のフィッティングは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより多い種類の原子の吸着等温線についても実行され得る。
【０１０７】
無修飾グラフェン及びα−ＣＤＢｎ１８で修飾されたグラフェンに関する代表的なＣ１ｓ及びＯ１ｓスペクトルを図１０〜図１３に示し、後に例１４において説明する。ＸＰＳデータのフィッティングにより特定される平衡定数Κは、ラングミュア吸着モデル内において、グラフェン上の単分子層を形成する各種の分子、例えばシクロデキストリン及びシクロデキストリン誘導体で修飾されたグラフェン表面のθ値を特定するために使用できる。過ベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ２１）で修飾されたグラフェンの吸着の代表的なラングミュア吸着等温線を図１５に示す。データは、ＸＰＳデータにより特定された、β−ＣＤＢｎ２１で修飾されたグラフェンの吸着に関する相対的単分子層被覆率（点）を、ラングミュア吸着理論に基づくフィッティング（実線）と共に示す。自己組織化溶液中のβ−ＣＤＢｎ２１の対数に応じたグラフェンへのβ−ＣＤＢｎ２１の吸着の相対的表面被覆率を図１６に示す。
【０１０８】
態様は、以下の例を参照してよりよく理解され得る。これらの例は、具体的な実施形態の代表とされるものであり、本明細書の実施形態の全体的な範囲を限定するものではない。
【実施例】
【０１０９】
例１：実験材料
例２〜６に記載の試薬の合成での使用に適した実験材料が提供される。過ベンジル化α−、β−及びγ−シクロデキストリンの自己組織化のために、Ｃｕフォイル上の単分子層グラフェンをグラフェネア（Ｇｒａｐｈｅｎｅａ）（ドノスティア、スペイン）から購入した。他のすべての自己組織化のために、単分子層グラフェンを厚さ２５μｍのＣｕフォイル（Ｎｏ．４６３６５、アルファ・エイサー（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）、テュークスベリー、ＭＡ）上に、それぞれ２１ｓｃｃｍ及び０．１０５ｓｃｃｍの流速の水素及びメタンを用い、１０５０℃で気相化学成長法により成長させた。ピレン、１−ピレン酢酸、１−ピレンメチルアンモニウム塩酸、１−ピレンボロン酸、β−シクロデキストリン、ＰＢｒ３及びＮａＨ（鉱物油中に６０％  ｗ／ｗ拡散）をアルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）（セントルイス、ＭＯ）から入手した。１−ピレンメタノール並びにα−及びγ−シクロデキストリンをＴＣＩ（ケンブリッジ、ＭＡ）から購入した。α−、β−及びγ−シクロデキストリンを使用前に一昼夜、真空中で乾燥させた。トルエン、メタノール及びジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を使用前に一昼夜、モレキュラシーブ上で乾燥させた。脱イオン水（ＤＩ水、０．１８ＭΩｍの固有抵抗）は、ミリ−Ｑプラス（Ｍｉｌｌｉ−Ｑ  ＰＬＵＳ）試薬グレード水系（ミルポア、ビレリカ、ＭＡ）を用いた浄化により得た。ホウ酸塩バッファ（ｐＨ＝９）は、０．１Ｍのホウ酸及び０．１ＭのＫＣｌを含む水溶液５０ｍＬ、０．１Ｍ  ＮａＯＨ（水溶液）２０．８ｍＬ並びにＤＩ水２９．２ｍＬから調製した。
【０１１０】
例２：自己組織化を通したグラフェン表面の修飾
グラフェン基板は、ピレン又はシクロデキストリン誘導体を様々な濃度（０、０．０３、０．１０、０．３０、１．０、３．０又は１０ｍＭ）で含む溶液中に一昼夜浸漬された。その後、修飾されたグラフェン基板を少量の溶媒で３回洗浄し、余分な自己組織化溶液を除去した。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２及びＰｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２による修飾のために、エタノールを自己組織化溶媒として使用した。ピレン、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ、Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２、α−ＣＤＢｎ１８、β−ＣＤＢｎ２１及びγ−ＣＤＢｎ２４による修飾のために代わりにアセトニトリルを使用し、なぜなら、ピレン及びＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨがエタノールからグラフェン上によく組織化できず、また過ベンジル化シクロデキストリンがエタノールに溶解しないからである。
【０１１１】
すべてのピレン誘導体の９０％の単分子層被覆率に必要な濃度は、自己組織化がアセトニトリル又はエタノール溶液の何れから行われるかを問わず、０．３０〜３．６ｍＭの範囲内であると推定される。すべてのピレン誘導体の平衡定数（Κ）は、１０３．４〜１０４．６Ｍ−１で変化した。シクロデキストリンの平衡定数（Κ）は、α−ＣＤＢｎ１８、β−ＣＤＢｎ２１及びγ−ＣＤＢｎ２４について、それぞれ１０３．２４、１０２．９７及び１０２．９５Ｍ−１であることがわかった。平衡定数及び９０％の表面被覆率に必要な単分子層濃度を表１で報告する。
【０１１２】
【表１】
2021514478.tif 000014
例３：Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌの調製
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌの合成に適した実験材料は、例１において上述した。簡潔に言えば、５０ｍｇのＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌを１０ｍＬのＣＨ２Ｃｌ２に溶解させ、それぞれ１０ｍＭ  ＮａＯＨ（水溶液、３×１０ｍＬ）及びＤＩ水（３×１０ｍＬ）で３回洗浄した。ＣＨ２Ｃｌ２相を回収し、無水Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させ、真空下での溶媒蒸発により黄色い固体を得た（収率５０重量％）。１Ｈ  ＮＭＲ（δ、ｐｐｍ、重水素化ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ−ｄ６）：４．４８３（ｓ、２Ｈ、Ａｒ−ＣＨ２）；８．０４８−８．４４４（ｍ、１１Ｈ、Ａｒ−Ｈ、ＮＨ２）。
【０１１３】
例４：Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３の合成
【０１１４】
【化８】
2021514478.tif 000015
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３の合成に適した実験材料は、例１において上述した。簡潔に言えば、０．２５ｍＬの濃縮硫酸を５ｍＬの乾燥エタノールに添加した。１５０ｍｇのＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨを添加し、得られた溶液を２４時間還流した。メタノール蒸発により、残留懸濁液を２０ｍＬの氷冷ＤＩ水に添加した。得られる懸濁液をジエチルエーテル（３×２０ｍＬ）で抽出した。結合エーテル相をＤＩ水（３×６０ｍＬ）で洗浄し、無水Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させた。真空下での溶媒蒸発により黄色い固体を得た（収率６６重量％）。１Ｈ  ＮＭＲ（δ、ｐｐｍ、ＤＭＳＯ−ｄ６）：３．６４５（ｓ、３Ｈ、ＣＨ３）；４．４７６（ｓ、２Ｈ、Ａｒ−ＣＨ２）；８．０１４−８．３２９（ｍ、９Ｈ、Ａｒ−Ｈ）。質量分析（ＥＳＩ−ＴＯＦ、ＭｅＯＨ）、ｍ／ｚ：２９７．０９６１（Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３・Ｎａ＋）。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３の合成を図１７に示す。
【０１１５】
例５：Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２の合成
【０１１６】
【化９】
2021514478.tif 000016
Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２の合成に適した実験材料は、例１において上述した。まず、Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｂｒを調製した。２５０ｍｇのＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨを５．３５ｍＬの乾燥トルエンに添加した。懸濁液を０℃まで冷却し、１２５μＬのＰＢｒ３をシリンジで滴下した。混合物を０℃で１時間攪拌し、室温に一昼夜置いた。次に、５ｍＬの飽和Ｎａ２ＣＯ３水溶液を氷冷条件下でゆっくりと添加した。固体とトルエン層を結合して、Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させた。フィルタにより固体を除去したところで、真空を用いて液相から溶媒を蒸発させ、黄色い固体を得た（Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｂｒ、収率７５重量％）。１Ｈ  ＮＭＲ（δ、ｐｐｍ、ＣＤＣｌ３）：５．２９５（ｓ、２Ｈ、Ａｒ−ＣＨ２）；８．０−８．５（ｍ、９Ｈ、Ａｒ−Ｈ）。
【０１１７】
１２５ｍｇのＰｙｒ−ＣＨ２Ｂｒ及び０．２ｍＬのジエチルアミンをＮ２雰囲気中で３ｍＬのトルエンに添加した。混合物を一昼夜還流した。トルエンを蒸発させ、得られた固体を２０ｍＬのＣＨ２Ｃｌ２／１０ｍＭ  ＮａＯＨ（水溶液）混合物（１：１、ｖ／ｖ）に添加し、その後、混合物を一昼夜攪拌した。ＣＨ２Ｃｌ２相を回収し、ＤＩ水（３×１０ｍＬ）で洗浄して、無水Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させた。真空下での溶媒蒸発により、黄色い固体を得た（Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２、収率６６重量％）。１Ｈ  ＮＭＲ（δ、ｐｐｍ、ＤＭＳＯ−ｄ６）：１．０３７−１．０７２（ｔ、６Ｈ、ＣＨ３）；２．５６２−２．６１５（ｍ、４Ｈ、ＣＨ２）；４．２２９（ｓ、２Ｈ、Ａｒ−ＣＨ２）；８．０５３−８．６０２（ｍ、９Ｈ、Ａｒ−Ｈ）。質量分析（ＥＳＩ−ＴＯＦ、ＭｅＯＨ）、ｍ／ｚ：２１５．１１２５、２２８．２２３１（Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２・Ｈ＋）。Ｐｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２の合成を図１８に示す。
【０１１８】
例６：過ベンジル化α−、β−及びγ−シクロデキストリンの合成
【０１１９】
【化１０】
2021514478.tif 000017
過ベンジル化α−、β−及びγ−シクロデキストリンの合成に適した実験材料は、例１において上述した。簡潔に言えば、９１５ｍｇのＮａＨ（鉱物油中に６０ｗｔ％、シクロデキストリン上のヒドロキシル基に対して４当量）を２口丸底フラスコに添加した。ＮａＨをＮ２保護下でヘキサンにより５回洗浄し、鉱物油を除去した。次に、３００ｍｇのシクロデキストリンを１０ｍＬのＤＭＳＯ中に溶解させ、その溶液を２０分間脱気して、丸底フラスコに移した。２時間攪拌してＮａＨをシクロデキストリンのヒドロキシル基と反応させた後、２．６２ｍＬの塩化ベンジル（シクロデキストリンのヒドロキシル基に対して４当量）を混合物に滴下した。反応物をＮ２保護下において２４時間室温で攪拌した。その後、１５ｍＬの水を反応混合物に添加して、余分なＮａＨを中和した。得られた懸濁液をジクロロメタン（４×３０ｍＬ）で抽出した。次に、結合ジクロロメタン相を水（１×１２０ｍＬ）洗浄し、無水Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させた。真空による溶媒蒸発を一昼夜行った。過ベンジル化α−、β−及びγ−シクロデキストリンの合成を図１９に示す。
【０１２０】
黄色い液体原産物をヘキサンで洗浄して、残留する塩化ベンジルのほとんどを除去し、その後、アルミナでの精製クロマトグラフィ（溶出剤としてまずエチルアセテート／ヘキサン１：６を使用し、その後、１：３に切り換え）を行い、白い固体発泡体を得た（収率４０重量％）。１Ｈ  ＮＭＲ（β−ＣＤＢｎ２１、δ、ｐｐｍ、ＣＤＣｌ３）：７．２３３−７．０２０（ｍ、１０５Ｈ、芳香族Ｈ）、５．１７４（ｄ、７Ｈ、Ｈ１）、５．０６９−４．３３５（ｍ、４２Ｈ、ＣＨ２−Ｐｈ）、４．０３４−３．９５７（ｍ、２８Ｈ、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６）、３．５５１−３．４５４（ｍ、１４Ｈ、Ｈ２、Ｈ６）。１３Ｃ  ＮＭＲ（β−ＣＤＢｎ２１、δ、ｐｐｍ、ＣＤＣｌ３）：１３９．２６８，１３８．３４１、１３８．１９７（３×Ｈ置換基なしのＣ芳香族）、１２８．２９１−１２６．９１３（ＣＨ芳香族）、９８．４４３（Ｃ１）、８０．９００（Ｃ３）、７８．７９７（Ｃ２）、７８．６７８（Ｃ４）、７５．４４１、７３．２７３、７２．６４１（３×ＣＨ２−Ｐｈ）、７１．４３８（Ｃ５）、６９．２９４（Ｃ６）。質量分析（ＭＡＬＤＩ、母材として５０ｍＭの２，５−ジヒドロキシ安息香酸）、ｍ／ｚ：３０４８．０４４９（β−ＣＤＢｎ２１・Ｎａ＋）。元素分析（β−ＣＤＢｎ２１）：計算によるＣ  ７４．９８％、Ｈ  ６．５３％；実測によるＣ  ７４．５３％、Ｈ  ６．４８％。１Ｈ  ＮＭＲ（α−ＣＤＢｎ１８、δ、ＣＤＣｌ３）：７．２５６−７．０２１（ｍ、９０Ｈ、芳香族Ｈ）、５．１７１（ｄ、６Ｈ、Ｈ１）、５．０９７−４．３０３（ｍ、３６Ｈ、ＣＨ２−Ｐｈ）、４．１６６−３．８９４（ｍ、２４Ｈ、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６）、３．４９８−３．４５２（ｍ、１２Ｈ、Ｈ２、Ｈ６）。１Ｈ  ＮＭＲ（γ−ＣＤＢｎ２４、δ、ＣＤＣｌ３）：７．３９６−７．０８１（ｍ、１２０Ｈ、芳香族Ｈ）、５．２１４（ｄ、８Ｈ、Ｈ１）、５．１３９−４．３２２（ｍ、４８Ｈ、ＣＨ２−Ｐｈ）、４．０４２−３．８９３（ｍ、３２Ｈ、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６）、３．４９０−３．４６９（ｍ、１６Ｈ、Ｈ２、Ｈ６）。
【０１２１】
例７：Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２及びＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３で修飾されたグラフェン
無修飾グラフェン並びにＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２及びＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３により修飾されたグラフェンの接触角測定を、液滴接触角測定器（エルマ、東京、日本）を用いて行った。４、８又は１２μＬの適当な溶媒の液滴をグラフェン表面上に設置し、２箇所における前進接触角の６回の読取り値から平均接触角を得た。無修飾グラフェン並びにＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２及びＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３で修飾されたグラフェンの接触角測定の結果を表２に示す。
【０１２２】
無修飾グラフェンの接触角は、グラフェンを純粋な溶媒中に浸漬した後に得た。無修飾グラフェンの接触角は、湿潤液体としてＤＩ水を使用した場合に９０〜９２°であることがわかった。グラフェンを、ピレン誘導体を含む自己組織化中に浸漬し、グラフェンの表面上の自己組織化単分子層の形成を確認した後の接触角の変化である。例えば、グラフェンの接触角は、１０ｍＭのＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ溶液に暴露した後、７４．０°に減少した。
【０１２３】
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ及びＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２で個別に修飾されたグラフェンについて、自己組織化（ｍＭ）溶液の濃度に応じた相対的単分子層被覆率をラングミュア吸着モデルにフィッティングさせた。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３についての個々のデータポイント（点）及びラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）は、図２２に示されている。自己組織化溶液中のＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３の濃度の対数に応じたグラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＣＨ３の吸着の相対的表面被覆率は、図２３に示されている。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌについての個々のデータポイント（点）及びラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）は、図２４に示されている。自己組織化溶液中のＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌの濃度の対数に応じたグラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌの吸着の相対的表面被覆率は、図２５に示されている。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２についての個々のデータポイント（点）及びラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）は、図２６に示されている。自己組織化溶液中のＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２の濃度の対数に応じたグラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２の吸着の相対的表面被覆率は、図２７に示されている。
【０１２４】
【表２】
2021514478.tif 000018
例８：Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、ピレン、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ又はＰｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２で修飾されたグラフェン
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、ピレン、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ及びＰｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２で修飾されたグラフェンの液滴接触角測定を、液滴接触角測定器（エルマ、東京、日本）を用いて行った。４、８又は１２μＬの適当な溶媒の液滴をグラフェン表面上に設置し、２箇所における前進接触角の６回の読取り値から平均接触角を得た。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、ピレン、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ及びＰｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２で修飾されたグラフェンの接触角測定の結果を表３に示す。
【０１２５】
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＣＯＯＨ、ピレン、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨ又はＰｙｒ−ＣＨ２Ｎ（ＣＨ２ＣＨ３）２により個別に修飾されたグラフェンについて、自己組織化（ｍＭ）溶液の濃度に応じた相対的単分子層被覆率をラングミュア吸着モデルにフィッティングさせた。ピレンについての個々のデータポイント（点）及びラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）は、図２０に示されている。グラフェンへのピレンの吸着に関する相対的表面被覆率に応じた濃度の対数は、図２１に示されている。Ｐｙｒ−ＣＨ２ＯＨについての個々のデータポイント（点）及びラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）は、図９に示されている。自己組織化溶液中のＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨの濃度の対数に応じたグラフェンへのＰｙｒ−ＣＨ２ＯＨの吸着の相対的表面被覆率は、図１０に示されている。
【０１２６】
【表３】
2021514478.tif 000019
例９：Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２で修飾されたグラフェン
Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２で修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）によるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２で修飾されたグラフェンの表面元素構造の結果を表４に示す。
【０１２７】
【表４】
2021514478.tif 000020
例１０：過ベンジル化α−シクロデキストリン（α−ＣＤＢｎ１８）で修飾されたグラフェン
過ベンジル化α−シクロデキストリン（α−ＣＤＢｎ１８）で修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）によるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。α−ＣＤＢｎ１８で修飾されたグラフェンの表面元素構造の結果を表５に示す。
【０１２８】
【表５】
2021514478.tif 000021
例１１：過ベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ２１）で修飾されたグラフェン
過ベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ２１）で修飾されたグラフェンのＸＰＳによるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。β−ＣＤＢｎ２１で修飾されたグラフェンの表面元素構造の結果を表６に示す。
【０１２９】
【表６】
2021514478.tif 000022
例１２：過ベンジル化γ−シクロデキストリン（γ−ＣＤＢｎ２４）で修飾されたグラフェン
過ベンジル化γ−シクロデキストリン（γ−ＣＤＢｎ２４）で修飾されたグラフェンのＸＰＳによるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。β−ＣＤＢｎ２４で修飾されたグラフェンの表面元素構造の結果を表７に示す。
【０１３０】
【表７】
2021514478.tif 000023
例１３：無修飾グラフェンのＸＰＳ
銅基板上の無修飾グラフェンのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）によるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。観察された銅基板上の無修飾グラフェンの表面元素組成は、５６．３ｍｏｌ％の炭素、１１．０ｍｏｌ％の酸素及び３２．６ｍｏｌ％の銅であることがわかった。無修飾グラフェンの高解像度Ｃ１ｓ  ＸＰＳスペクトル（図１１）から、５種類の炭化水素が明らかとなり、これらは、Ｃ＝Ｃ（２８４．５ｅＶ）、Ｃ−ＯＨ（２８５．４ｅＶ）、Ｃ−Ｏ−Ｃ（２８６．４ｅＶ）、Ｃ＝Ｏ（２８７．４ｅＶ）及びＯ−Ｃ＝Ｏ（２８８．９ｅＶ）に割り当てることができる。高解像度Ｏ１ｓ  ＸＰＳスペクトル（図１２）に示されるように、４種類の酸素が観察され、すなわち、これらは、Ｃｕ−Ｏ（５３０．４ｅＶ）、Ｃ−Ｏ（５３１．４ｅＶ）、Ｃ＝Ｏ（５３２．１ｅＶ）及びＯ−Ｃ＝Ｏ（５３２．９ｅＶ）である。Ｃｕ−Ｏピークが最大であり、これらのピークを統合すると、６１．２％の酸素が下の銅基板からのものであることが示唆された（Ｃｕ−Ｏ）。
【０１３１】
例１４：表面修飾グラフェンのＸＰＳ
α−ＣＤＢｎ１８、β−ＣＤＢｎ２１又はγ−ＣＤＢｎ２４の何れかで修飾されたグラフェンサンプルをＸＰＳで特徴付けた。過ベンジル化α−シクロデキストリン（α−ＣＤＢｎ１８）、過ベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ２１）又は過ベンジル化γ−シクロデキストリン（γ−ＣＤＢｎ２４）の何れかで修飾されたグラフェンのＸＰＳによるスペクトルをバーサプローブＩＩＩ（ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  ＩＩＩ）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ  ５０００、フィジカル・エレクトロニクス（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、チャンハッセン、ＭＮ）で収集した。
【０１３２】
過ベンジル化シクロデキストリンの自己組織化後、Ｃｕパーセンテージは、有意に減少し、Ｃ及びＯのパーセンテージが増加した。この傾向は、シクロデキストリン単分子層の組成、すなわち３種類すべてのシクロデキストリンについて８４．４ｍｏｌ％の炭素及び１５．６ｍｏｌ％の酸素と一致する（表５〜７参照）。Ｃ１ｓ及びＯ１ｓの高解像度ＸＰＳスペクトルは、過ベンジル化シクロデキストリンに関して、無修飾グラフェンと比較してはるかに小さいＣｕ−Ｏのピークと、はるかに大きいｓｐ３炭素並びにＣ−Ｏ−Ｃ炭素及び酸素原子のピークとを示すことにより、α−ＣＤＢｎ１８による表面修飾の有効性を裏付けた（図１３〜図１４）。
【０１３３】
例１５：熱及び真空に対する表面修飾の安定性及び可逆性
加熱又は真空下でのグラフェンの表面修飾の安定性を確認するために、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌで修飾されたグラフェンを高真空（２×１０−５  Ｔｏｒｒ）、１００℃で一昼夜、加熱乾燥した。その後、湿潤液としてＤＩ水を使用して接触角測定を行った。表８は、Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌで修飾されたグラフェン基板の接触角が、熱及び真空への曝露によって測定可能な程度に変化しなかったことを示しており、これは、グラフェン上のＰｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ単分子層がこれらの条件下で損傷しないことを示唆している。
【０１３４】
【表８】
2021514478.tif 000024
例１６：トルエンに対する表面修飾の安定性及び可逆性
Ｐｙｒ−ＣＨ２ＮＨ２・ＨＣｌで修飾されたグラフェンをトルエンに１時間浸漬した（トルエンは、０．５時間後に１回交換した）。トルエンへの浸漬の前後に接触角測定を記録した。トルエン浸漬後に接触角が単分子層修飾で８５．５°±１．４°から９１．６°±０．５°に増大したことは、予想どおり、トルエンがレセプタ単分子層をグラフェンから取り除き、無修飾のグラフェン表面を再び露出させたことを示している。比較実験も実行し、無修飾グラフェンをエタノールに一昼夜浸漬した後、トルエンに１時間浸漬した。接触角は、エタノール浸漬及びトルエン浸漬後にそれぞれ９１．３°±１．５°及び９２．５°±１．９°であることがわかり、トルエンがグラフェン被覆Ｃｕ基板に損傷を与えないことが確認された。
【０１３５】
例１７：グラフェン上での５、１０、１５、２０−テトラフェニル−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィン・塩化マンガン（ＩＩＩ）（Ｍｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌ）の自己組織化
金属テトラフェニルポルフィリン、５、１０、１５、２０−テトラフェニル−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィン・塩化マンガン（ＩＩＩ）（Ｍｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌ）をアルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）（セントルイス、ＭＯ）から購入した。Ｍｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌの化学構造は、式：
【０１３６】
【化１１】
2021514478.tif 000025
（式中、Ｒは、分子の各位置のフェニル基である）で表すことができる。
【０１３７】
グラフェン上でのＭｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌの自己組織化のために、銅の上に成長させたグラフェン基板は、Ｍｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌを各種の濃度（０、０．１２８、０．６４、１．２８、３．０又は１０ｍＭ）で含むエタノール溶液中に一昼夜浸漬された。その後、修飾されたグラフェン基板を少量のエタノールで３回洗浄し、余分な自己組織化溶液を除去した。ＸＰＳを行い、修飾表面のＣ％、Ｏ％、Ｎ％及びＣｕ％を特定した。ＸＰＳにより特定された表面組成の概要を表９に示す。
【０１３８】
【表９】
2021514478.tif 000026
Ｃ％及びＣｕ％のデータを前述のように同時にフィッティングすることにより、平衡定数Κを特定した。Ｎ％及びＯ％のデータは、フィッティングに含めず、なぜなら、Ｏ％及びＮ％の最大変化が実験の背景ノイズ内に含まれるからである。平衡定数Κ及びＭｎ（ＩＩＩ）ＴＰＰＣｌによる少なくとも９０％の単分子層形成に必要な自己組織化溶液の濃度を表１０に示す。
【０１３９】
【表１０】
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例１８：グラフェン上への６Ａ，６Ｄ−ジヒドロキシルベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２）の自己組織化
６Ａ，６Ｄ−ジヒドロキシルベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２）を次のように合成した：３２５ｍｇの過ベンジル化β−シクロデキストリン（β−ＣＤＢｎ２１）を１０ｍＬの無水トルエンに溶解させた。溶液をアルゴンで２０分間脱気し、窒素保護下で２口丸底フラスコに移した。次に、６．５ｍＬの水酸化ジイソブチルアルミニウム溶液（トルエン中１Ｍ、アルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ））をフラスコ内に滴下し、溶液を５０℃まで加熱した。２時間後、新たに６．５ｍＬの水酸化ジイソブチルアルミニウム溶液（トルエン中１Ｍ、アルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ））を溶液に添加し、さらに５．５時間反応させた。次に、２０ｍＬの１Ｍ  ＨＣｌ（水溶液）を氷浴中の混合物にゆっくりと添加した。得られた懸濁液をエチルアセテート（４×３０ｍＬ）で抽出した。合成エチルアセテート相を水（１×１２０ｍＬ）で洗浄し、無水Ｎａ２ＳＯ４上で乾燥させた。真空での溶媒蒸発を一昼夜行った。その後、白い原産物をシリカ上でクロマトグラフィにより生成した（溶出剤としてまずエチルアセテート／ヘキサン１：４を使用し、その後、１：２に切り換えた）。収率は、３７％であった。質量分析（ＭＡＬＤＩ、母材として５０ｍＭの２，５−ジヒドロキシ安息香酸）を行い、ｍ／ｚ：２８６８．２（β−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２・Ｎａ＋）を得た。元素分析（β−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２）：計算値のＣ  ７３．８２％、Ｈ  ６．５１％；実測値のＣ  ７３．５７％、Ｈ  ６．４８％。
【０１４０】
グラフェン上へのβ−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２の自己組織化のために、銅の上に成長させたグラフェン基板は、β−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２を各種の濃度（０、０．０３、０．１、０．３、１．０又は３．０ｍＭ）で含むアセトニトリル溶液に一昼夜浸漬された。次に、修飾されたグラフェン基板を少量のアセトニトリルで３回洗浄し、余分な自己組織化溶液を除去した。ＸＰＳを行い、修飾表面のＣ％、Ｏ％及びＣｕ％を特定した。ＸＰＳにより特定された表面組成の概要を表１１に示す。
【０１４１】
【表１１】
2021514478.tif 000028
Ｃ％、Ｏ％及びＣｕ％のデータを前述のように同時にフィッティングすることにより、平衡定数Κを特定した。平衡定数Κ及びβ−ＣＤＢｎ１９（ＯＨ）２による少なくとも９０％の単分子層形成に必要な自己組織化溶液の濃度を表１０に示す。
【０１４２】
例１９：Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２で修飾されたグラフェンのラマン分光法
Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２で修飾されたグラフェンについてラマン分光法を実行した。表面被覆率を推定するために、グラフェンを、１ｍＭ及び２ｍＭを含む異なる濃度のＰｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２溶液中で修飾した。修飾されたグラフェン表面のラマンスペクトルで１２８６ｃｍ−１及び１３７８ｃｍ−１付近にピークが見られ、これは、それぞれＢ−ＯＨ曲げ振動及びＢ−Ｏ伸縮振動に対応する。ラマン分光法の結果を図２８に示す。
【０１４３】
Ｂ−ＯＨピーク（１２８３ｃｍ−１）及びグラフェンＧピーク（約１６００ｃｍ−１）のピーク高さ比は、１ｍＭ及び２ｍＭ  Ｐｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２溶液についてそれぞれ０．０４８及び０．０８３であった。Ｂ−ＯＨ（１２８３ｃｍ−１）及びグラフェン２Ｄのピーク（２６９２ｃｍ−１）のピーク高さ比は、１ｍＭ及び２ｍＭのＰｙｒ−Ｂ（ＯＨ）２溶液についてそれぞれ０．０４５及び０．０９８であった。Ｂ−ＯＨピーク及びＧ／２Ｄピークのピーク高さ比は、自己組織化濃度が１．０ｍＭ〜２．０ｍＭに高くなるにつれて増大し、これは、何れの特定の理論による拘束も望まないが、グラフェンの表面が１．０ｍＭの自己組織化溶液で十分に飽和しないと考えられる。
【０１４４】
本明細書及び付属の特許請求の範囲で使用される限り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その」は、内容から明らかに他の解釈が必要とならない限り、複数形を含むことに留意すべきである。したがって、例えば、「化合物」を含む組成物は、２つ以上の化合物の混合物を含む。また、「又は」という用語は、内容から明らかに他の解釈が必要とならない限り、「及び／又は」の意味で一般に使用されることに留意すべきである。
【０１４５】
また、本明細書及び付属の特許請求の範囲において使用される限り、「構成される」という語句は、特定のタスクを実行するか、又は特定の構成が適用されるように構築又は構成されたシステム、装置又は他の構造を説明していることにも留意されたい。「構成される」という語句は、配置されて構成される、構築されて配置される、構築される、製造されて配置される等の他の同様の語句と互換的に使用される。
【０１４６】
本明細書中のすべての刊行物及び特許出願は、本発明が関する技術分野の一般的の技術水準を示す。すべての刊行物及び特許出願は、個々の刊行物又は特許出願が具体的且つ個別に参照文献として示されている場合と同じ程度に参照によって本明細書に援用される。
【０１４７】
本明細書に記載の実施形態は、網羅的であるか、又は以下の詳細な説明で開示される正確な形態に限定することを意図されない。むしろ、実施形態は、当業者が原理及び実践を認識及び理解できるようにするために選択及び説明されている。そのため、態様は、様々な具体的で好ましい実施形態及び技術に関して説明された。しかしながら、本明細書の趣旨及び範囲内にとどまりながら、多くの変更形態及び改良形態がなされ得ることを理解すべきである。
【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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【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２８】
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【国際調査報告】
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