(57)【要約】【課題】  ｐＨ制御デバイス及びセンサを提供する。【解決手段】  基板（１０、７１０）を含み、該基板上に、液体を受け入れるように適合された流路（２２、５２８、７２２）が定められた、ｐＨ制御デバイス（１、２、３、７、７０１）。デバイス（１、２、３、７、７０１）は、ｐＨ検知電極（５２３、５２４）及びｐＨ発生電極（５２１、５２２）を含む電極の組（１２、５１２）をさらに備える。電極は、流路（２２、５２８、７２２）に沿って配置される。ｐＨ検知電極（５２３、５２４）は、流路（２２、５２８、７２２）上の液体の部分のｐＨの変化を、ｐＨ発生電極（５２１、５２２）によって生じたときに受けるように配置される。さらに、デバイス（１、２、３、７、７０１）は、ｐＨ検知電極（５２３、５２４）と参照電極（５２６）とを介して得られた信号に基づいてｐＨ発生電極（５２１、５２２）間に電圧を印加するように構成された、コントローラ（５４１、６４１）を含む。これは、液体部分のｐＨの局所制御を可能にする。デバイス（１、２、３、７、７０１）はさらに、検出電極（５２５、６２５、６２５ａ、７２５）を付加的に含んで、センサとして具体化することができる。【選択図】      図１
2021502546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐＨ制御デバイスであって、
基板と、
前記基板上に定められ、液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
コントローラと、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置され、
前記コントローラは、前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加するように構成され、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極において前記液体のｐＨを変更するようになっている、
ｐＨ制御デバイス。
【請求項２】
前記ｐＨ検知電極は、前記一対のｐＨ発生電極間に配置される、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項３】
前記ｐＨ検知電極は、前記ｐＨ発生対電極よりも前記ｐＨ発生作用電極の近くに配置され、前記検知電極が、主として前記ｐＨ発生作用電極によって生じる前記液体の前記部分のｐＨの変化を受けるようになっている、請求項２に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項４】
前記ｐＨ検知電極を囲む２つの付加的電極をさらに備え、前記付加的電極を介して、前記ｐＨ検知電極を横切る電位勾配をサンプリングする、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項５】
前記流路が第１の流路であり、
前記第１の流路から接合部において分岐する第２の流路が前記基板上に定められ、動作中に前記液体を受け入れるようになっており、
前記参照電極は、前記第２の流路内に配置される、
請求項２に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項６】
前記液体を前記第１の流路に装填するための入口ポートが前記基板上に定められ、前記接合部は、前記入口ポートと前記電極の組との間で、前記ｐＨ発生電極の上流にある、
請求項５に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項７】
前記接合部が、前記ｐＨ発生電極間に配置される、請求項５に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項８】
前記参照電極が、前記ｐＨ発生電極のうちの１つである、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項９】
センサデバイスであって、
基板と、
前記基板上に定められ、液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
コントローラと、
前記電極の組の一部として前記ｐＨ発生電極間に配置された検出電極であって、前記液体の部分のｐＨの変化を、前記ｐＨ発生電極によって生じたときに受けるようになっており、それ以外に、前記参照電極と共に、前記液体の前記部分における化学種の存在を示す信号を生成することができる、検出電極と、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置され、
前記コントローラは、前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加するように構成され、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極において前記液体のｐＨを変更するようになっており、
前記コントローラは、前記検出電極と前記参照電極とを介して得られる信号を受けて、前記化学種を検出するようにさらに構成される、
センサデバイス。
【請求項１０】
前記ｐＨ検知電極は、前記ｐＨ発生作用電極と前記検出電極との間で前記流路に配置される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１１】
前記ｐＨ検知電極は、第１の検知電極であり、
前記電極の組は、第２のｐＨ検知電極を含み、
前記コントローラは、前記第１の検知電極及び前記第２のｐＨ検知電極の各々と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて、前記ｐＨ発生電極に前記電圧を印加するように構成され、
前記検出電極は、前記第１の検知電極と第２のｐＨ検知電極との間で前記流路に配置される、
請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１２】
前記参照電極は、前記コントローラに接続されて、前記検出電極及び前記ｐＨ検知電極の各々に対する参照信号として働く、請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１３】
前記検出電極並びに１つ又は複数の付加的な検出電極を含む、検出電極のアレイを備え、前記アレイの各検出電極は、前記基板上に定められた前記流路に配置されて、所与の流路上の液体中の化学種の存在を示す信号を生成することができるようになっており、前記コントローラは、前記１つ又は複数の付加的な検出電極の各々と前記参照電極とを介して得られる信号を受けて前記化学種を検出するようにさらに構成される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の付加的な検出電極の各々は、前記電極の組の一部を形成し、前記電極の組の１つ又は複数のｐＨ発生電極間に配置される、請求項１３に記載のセンサデバイス。
【請求項１５】
前記アレイの２つ以上の検出電極が、各々が前記基板上に定められたそれぞれの流路に沿って配置され、前記流路のうちの１つが、前記電極の組の電極がそれに沿って配置される前記流路である、請求項１３に記載のセンサデバイス。
【請求項１６】
前記アレイの前記２つ以上の検出電極は、相異なる化学種を示す信号を生成するように構成される、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
ウェアラブルデバイスとして構成される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１８】
液体のｐＨを制御するための方法であって、
基板と、
前記基板上に定められ、前記液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置された、
デバイスを準備することと、
プロトン性溶媒を含む液体を前記流路に導入することと、
前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて、前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加して、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極における前記プロトン性溶媒のｐＨを変更することと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記ｐＨ検知電極は、前記一対のｐＨ発生電極間に配置される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記参照電極は、前記ｐＨ検知電極と前記ｐＨ発生対電極との間に配置される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般にセンサの分野に関し、特にバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサは、生体分子（例えば、タンパク質、糖、リボ核酸など）と相互作用して、個体の生理学的状態に関するデータを取得する。そのために、バイオセンサは、検出器（例えば、生体分子に関連付けられる物理化学的特性、光学特性、圧電特性、電気化学的特性などを分析することができるセンサ）を含む。バイオセンサによって収集されるデータを分析して、治療計画、予防手段などに関する判断を行うことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、ｐＨ制御デバイス及びセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の態様は、ｐＨ制御デバイスに関する。デバイスは、基板を備え、該基板上に、液体を受け入れるように適合された流路が定められる。デバイスは、ｐＨ検知電極及びｐＨ発生電極を含む電極の組をさらに備える。電極は、流路に沿って配置される。ｐＨ検知電極は、流路上の液体の部分のｐＨの変化を、ｐＨ発生電極によって生じたときに受けるように配置される。さらに、デバイスは、ｐＨ検知電極と参照電極とを介して得られた信号に基づいてｐＨ発生電極間に電圧を印加するように構成された、コントローラを含む。これは、液体部分のｐＨの局所的制御を可能にする。デバイスはさらに、検出電極を付加的に含んで、センサとして具体化することもできる。
【０００５】
上記概要は、本開示の各々示された実施形態又はあらゆる実装を説明することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスの分解図である。
【図２】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスの平面図である。
【図３】本開示の実施形態による、第１の流路及び第２の流路を含むｐＨ制御デバイスの平面図である。
【図４】本開示の実施形態による、第１の流路及び第２の流路を含むｐＨ制御デバイスの平面図である。
【図５】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスに実装することができる電極の組を示す図である。
【図６】本開示の実施形態による、コントローラに通信可能に結合された第１の電極の組と第２の電極の組とを示す図である。
【図７】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスの断面図である。
【図８】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスについて経時的なｐＨ曲線を示すグラフである。
【図９】本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイスにおいて実施される例示的な方法を示すフロー図である。
【図１０】実施形態に関連して、電極の具体的な配置に対して、溶液中の電気化学ポテンシャルの可能な分布を例示する。
【図１１】実施形態に関連して、電極の具体的な配置に対して、溶液中の電気化学ポテンシャルの可能な分布を例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
添付の図面は、実施形態に関わるようなデバイス又はその部品の簡略化された表現を示す。図中に示された技術的特徴は、必ずしも縮尺通りではない。図中の類似の又は機能的に類似の要素には、特段の断りのない限り、同じ数字符号が割り当てられている。
【０００８】
バイオセンサは、生体分子（例えば、タンパク質、糖、リボ核酸など）と相互作用して、個体の生理学的状態に関するデータを取得する。そのために、バイオセンサは、検出器（例えば、生体分子に関連付けられる物理化学的特性、光学特性、圧電特性、電気化学的特性などを分析することができるセンサ）を含む。個体の生理学的状態に関するデータの取得は、広範囲の健康及び医療用途（例えば、治療計画の処方）を可能にする。あいにく、バイオセンサは、典型的には長期間にわたる使用のために設計されていない。このことは、統計的に妥当なデータの一貫した収集を妨げ、個体の正常な生理学的状態を判定することを難しくする。
【０００９】
バイオセンサは、マイクロフルイディクス・チップ上に構築することができる。マイクロフルイディクスは、典型的にはマイクロメートル長スケールのチャネルに制約される少量の流体の精密な制御及び操作を可能にする。マイクロフルイディクスの顕著な特徴は、液体がミクロンスケールにおいて示す挙動に由来するものである。マイクロフルイディクスにおける液体の流れは、典型的には層流である。マイクロメートル範囲の横方向寸法を有する構造を製造することによって、１ナノリットルをかなり下回る容積を得ることができる。マイクロフルイディクス・デバイスは、一般に、液体のポンピング、サンプリング、混合、分析、及び投与（dosing）のために用いられる、微細加工されたデバイスのことを指す。
【００１０】
多くのマイクロフルイディクス・デバイスは、ユーザ・チップ・インタフェースと、閉鎖流路とを有する。閉鎖流路は、開放系に関連した厄介な問題（例えば、漏れ、蒸発、混入など）を最小限にする一方で、機能的要素（例えば、ヒータ、混合器、ポンプ、ＵＶ検出器、弁など）を１つのデバイスに統合することを容易にする。液体試料の分析は、一連のステップ（例えば、ろ過、溶解、加熱、洗浄、信号の読み取りなど）を必要とすることが多い。
【００１１】
デバイス（例えば、ウェアラブル）内での連続的使用のためのバイオセンサの入手可能性が低いのには、いくつかの理由がある。これらの要因として、費用、使用の複雑さ、不便さ、並びに測定データを保存及び処理する手段の欠如が挙げられる。さらにまた、バイオセンサの連続的使用に対する主要な障害は、検知操作に関与する生化学試薬（タンパク質など）の劣化又は枯渇に起因する。
【００１２】
上記のことに基づいて、生化学試薬によって使用期間が本質的に制限されないバイオセンサを設計する手法が必要とされている。本開示の態様は、従来の電極（例えば、金属電極）を用いて、分析が実行されるｐＨを変更する、試薬を用いない検体検出（例えば、バイオ検体の非酵素的検出）を可能にする有効な手法を含む。これは、ひとたび生物学的流体が検知デバイスに入ったときにそのｐＨを局所的に制御することによって、達成することができる。しかしながら、マイクロフルイディクス環境内で生物学的流体のｐＨを局所的に制御することは難しい。
【００１３】
さらに、フィールドにおいて人間のオペレータによる介在を必要とせずに動作することができ、それにより排水又は飲用水のような液体の連続的監視を可能にするような、自動化されたデバイスもまた所望される。本開示の実施形態は、バイオセンサに組み込むことができる、自動化されたｐＨ制御デバイスを含む。
【００１４】
実施形態において、マイクロフルイディクス・チャネルを備え、入口及び出口ポートを有し、該チャネルに沿って適切に配置された少なくとも４つの電極を有し、該チャネルにてｐＨのインサイチュ（in situ）制御を提供する、センサが設計される。１つの電極は、ｐＨに対する感度を有し、参照電極と共に、電圧及び／又は電流信号を提供し、この信号は、Ｈ＋及びＯＨ−イオン（電気分解、水の分解（water splitting））を発生させることにより検体溶液のｐＨを制御する別の電極対を有する、フィードバックループ（例えばＰＩＤ制御を用いる）において使用される。
【００１５】
ｐＨ発生器は、水の分解反応を電気的に触媒し、それにより、反応に必要な電力を削減する。ｐＨの直接制御は、検知電極の表面特性を変化させることにより、又は検体の酸化還元電位をシフトさせることにより、異なる種の選択的検出を可能にする。バイオ検体の非酵素的検知を達成するために、少なくとも１つの検知電極が、ｐＨ発生電極対の間に、かつｐＨ検知電極の近くに、好ましくは２つのｐＨ検知電極の間に、配置される。
【００１６】
下流のｐＨ発生電極は、廃液を中和するのに必要な対イオンを提供し、これにより、適切な混合溜まり（mixing basin）を用いて生物学的流体の初期ｐＨを回復する。
【００１７】
図１は、本開示の実施形態による、ｐＨ制御デバイス１の分解図である。ｐＨ制御デバイス１は、基板１０、構造化中間層２０、及び構造化上部層３０の、３層を含む。異なる層は、各層それぞれに種々の機能を可能にする。例えば、基板１０は、シリコン、ガラス又は金属ウェハのような導体（例えば、又は半導体）材料から形成することができる。このことは、基板１０が電気を導通することを可能にする。基板１０は、ウィッキング（wicking）媒体（紙などの繊維／多孔質媒体様）又はポリマー材料を含むこともできる。構造化中間層２０は、入口ポート２６、流路２２、及び毛管ポンプ２４を組み込むことによって、流体の流れを可能にすることができる。構造化上部層３０は、基板１０及び構造化中間層２０の露出を防ぐ（例えば、系を閉じ込める）ことができ、また、構造化中間層の入口ポート２６に供給する装填パッド３６を含むことができる。
【００１８】
液体試料（例えば、検体又は生体分子を含有する溶液）は、まず、構造化上部層３０の装填パッド３６に配置される。液体試料は、次いで入口ポート２６に供給され、構造化中間層２０の流路２２を通って流れ始める。流路２２は、基板１０上に配置された電極の組１２を通って液体試料が流れることを可能にすることができる。いくつかの実施形態において、液体試料は、毛管作用、温度勾配、気泡発生、又は強制対流といった正味の流体の運動によって、流路２２を通って輸送される。例えば、図１に示すように、ｐＨ制御デバイス１は、流路２２を通る正味の流体の流れを可能にするために、毛管ポンプ２４を含む。あるいは、いくつかの実施形態において、液体試料は、単なる拡散によって輸送される。流路幅は、選択された液体輸送に応じたサイズとすることができ、流体の流れを最適化し、電極の組１２に対する十分な曝露を可能にする。
【００１９】
注目する検体を含む液体試料が流路２２を移動するにつれて、液体試料は、電極の組１２を通過する。電極の組１２は、液体試料のｐＨを変更する電極を含むことができる。さらに、電極の組は、その変化の結果生じるｐＨを検知する電極を含むことができ、液体試料のｐＨを微調整することを（例えば、検知後にｐＨを変更するように構成された別の電極を配置することによって）可能にする。また、電極の組１２は、注目する生体分子の存在（例えば濃度）を検出するために検出電極を含むことができる。電極の組１２に適正に電力供給するために、電極の組１２は、外部電源（例えば、電池又は工業的に供給される電力）から電力を受け取ることができる電気コネクタ１４から電力を受け取る。
【００２０】
いくつかの実施形態において、流路２２の表面を塩処理して、濡れ表面を達成することができる（例えば、この目的で、任意の適切な塩処理剤、例えば、トリメチルクロロシラン、トリクロロメチルシラン、又はトリクロロオクチルシランを使用することができる）。
【００２１】
この説明を通して「流路」という用語を使用するが、本デバイスは正味の液体の流れを体系的に必要としているわけではないことを改めて表明する。具体的には、正味の液体の流れを必要としない上記のようなウェル型センサを企図することができる。むしろ、本明細書で用いられる「流路」という用語は、液体を受けるのに適合した表面又は容積を意味するものと理解すべきであり、その液体は、必要であれば、この表面又は容積に沿って動いてもよく、動かなくてもよい。
【００２２】
組１２の各電極に接続するようにオンチップ電気回路を基板１０上に設ける。外部コントローラ（例えば、処理ユニット）と電気通信するように設定することができる電気コネクタ１４によって電気が供給され、流路２２を連続的に満たす液体によって電極が濡れたときに、コントローラと電極との間で電気信号を搬送する。いくつかの実施形態において、マイクロフルイディクス構造は、Ｓｉチップの片側又は両側でＰＤＭＳカバーによって被覆される。あるいは、センサチップの全体をガラス及び／又はシリコンで作製する、又はポリマーで作製することができる。
【００２３】
毛管構造の面密度は、典型的には、使用される液体、材料、及び寸法に基づいて適合される。携帯性、簡便性及び費用的な理由で、受動毛管ポンプを実装することができる。いくつかの代替態様において、液体は、能動ポンプ手段のみで動かすことができる。また、受動ポンプ手段の存在は、他の能動ポンプ及び／又は液体注入手段を排除するものではない。完璧を期すと、流体の流れは、他の既知の技術（例えば、温度勾配、気泡発生又は強制対流）で達成することができる。本デバイスは、このようにして流路の１つ又は複数における正味の運動の流れ（net motion flow）を可能にするように構成することができる。
【００２４】
電気コネクタ１４をｐＨ制御デバイス１の縁部に配置して、電気接続を容易にすることができる。ｐＨ制御デバイスは、これをデバイスのハウジング内に容易に挿入することを可能にする形状因子をさらに有することができる。電気コネクタ１４をチップの縁部に設けると、デバイスのハウジングに挿入するときにチップの直接差込みが可能になる。電気コネクタ１４は、平坦なコンタクトパッドとして構成することができる。コンタクトパッドは、標準化された周辺機器とより良好に電気的にインタフェースするように標準化することができる（例えばマイクロＳＤカードなど）が、平坦なコンタクトパッドよりも必要な面積が小さい、「ポゴピン（pogo-pin）」スプリング式コンタクト又は導電性ゴムのような他のコンタクトを用いることもできる。ポゴピン・コンタクトは、チップ上のどこにでも配置することができ、チップの主表面からのソケットの電気接続を可能にする。
【００２５】
本開示は、端末に実装することができ、又はウェアラブルデバイスに組み込むことができる。デバイスのハウジングの全寸法は、人間工学的理由で、２５ｍｍ×６０ｍｍ×１６０ｍｍ未満とすることができる。
【００２６】
処理デバイスは、低水準コンピュータプログラム命令でプログラムすることができる、マイクロコントローラのようなデータ処理ユニットを含むことができる。このようなマイクロコントローラを適宜接続し、プログラムして、動作中に、チップ上の電極からの電圧信号を測定し、また、チップ上の電極に電圧を印加することができる。そのために、データ処理ユニットは、コントローラのバスに適切に接続されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を含むことができ、チップを動作させるのに必要なときにデータ信号を通信する。
【００２７】
図２は、本開示の実施形態による、構造化中間層２０から見た（例えば、存在する構造化上部層３０を除いた）ｐＨ制御デバイス１の平面図である。図１を参照して説明したように、液体試料は、まず入口ポート２６内に（例えば図１の装填パッド３６を介して）配置され、これは、毛管ポンプ２４による毛管作用によって、流路２２を通る流体の流れを開始する。液体試料は、流路２２を通り、基板１０の上を電極の組１２を通って移動する。電極の組１２は、電気接続から電力を受け取り、（例えば、検知及び参照信号に基づくプロセッサによる制御を介して）液体試料のｐＨを制御するように構成される。いくつかの実施形態において、ｐＨは、ＰＩＤ制御によって制御され、液体試料のｐＨを制御するときに過去の誤差、現在の誤差、及び変化率の合計が考慮されるようになっている。
【００２８】
図３は、本開示の実施形態による、第１の流路３２２及び第２の流路３２２ａを含むｐＨ制御デバイス２の平面図である。図３の図は、存在してもよいが図示されていない上部構造化層（例えば、上部構造化層３０）を除いており、中間構造化層３２０（図１の中間構造化層２０）から見た平面図を描いている。
【００２９】
図３に示すように、ｐＨ制御デバイス２は、第１の流路３２２及び第２の流路３２２ａを含む。第１の流路３２２及び第２の流路３２２ａは各々、第１の毛管ポンプ３２４及び第２の毛管ポンプ３２４ａに結合されて、流体の流れを駆動する。毛管ポンプ３２４及び３２４ａの外縁部に通気口を設けて、液体を吸引する一方で空気を逃がすようにすることができる。しかしながら、流路３２２及び３２２ａは、装填パッドを介して導入された液体で濡れることができ、したがって、毛管ポンプを必要とすることなく、既に液体を十分に引くことに留意されたい。別形において、先に述べたように、他の流体運動手段が関与してもよい。
【００３０】
液体試料が構造化中間層３２０の入口ポート３２６に入ると、液体試料は、流路を第１の流路３２２と第２の流路３２２ａとに分岐させる接合部３２１に出会う。液体試料は、次いで第１の流路３２２と第２の流路３２２ａとの間で分配される。液体試料は、２つの流路３２２間で必ずしも均等に分配されなくてもよく、流体を駆動させる正味の力、流路３２２の寸法などに依存し得ることに留意されたい。第１の流路３２２に入った液体は、第１の電極の組３１２を通過し、第２の流路３２２ａに入った液体は、第２の電極の組３１２ａを通過する。第１の電極の組３１２に入った液体は、ｐＨ作用電極（例えば、検体溶液のｐＨを変更する電極）及びｐＨ検知電極を介して制御することができる。
【００３１】
第２の電極の組３１２ａは、制御ループ用の参照信号及び／又は検体検出電極用の参照信号として用いられる、参照電極を含むことができる。参照電極とは離して、検証／測定の目的で、コントローラと組み合わせて、１つ又は複数の付加的な電極を第２の組３１２ａの参照電極の近くに配置することができる。これを用いて、必要に応じて液体試料のｐＨを制御するためのフィードバックループ(例えばＰＩＤ制御）を実装することができる。第２の電極の組３１２ａの参照電極を第１の電極の組３１２よりも上流に配置して、参照信号（例えば参照電極からの）を、第１の電極の組３１２に入った液体検体の対応部分に先立って受け取るようにすることができる。
【００３２】
参照電極は、第２の流路３２２ａ内に配置されるものとして説明したが、いくつかの実施形態において、参照電極は、キャピラリポンプ３２４及び３２４ａ内に配置することができる。さらに、いくつかの実施形態において、第１の電極の組３１２と第２の電極の組３１２ａとを入れ替えて、第１の電極の組３１２を第２の流路３２２ａ内に置き、第２の電極の組３１２ａが第１の流路３２２内に置くようにする。いくつかの実施形態において、参照電極は、ｐＨ作用電極及びｐＨ検知電極と同じ流路内に含まれ、他の流路の必要性が排除される（例えば、図２のように）。
【００３３】
図４は、本開示の実施形態による、第１の流路４２２及び第２の流路４２２ａを含むｐＨ制御デバイス３の平面図である。図４の図は、存在してもよいが図示されていない上部構造化層（例えば、図１の上部構造化層３０）を除いており、中間構造化層４２０（図１の中間構造化層２０）から見た平面図を描いている。
【００３４】
図４に示すように、ｐＨ制御デバイス３は、第１の流路４２２及び第２の流路４２２ａを含む。第１の流路４２２及び第２の流路４２２ａは各々、第１の毛管ポンプ４２４及び第２の毛管ポンプ４２４ａに結合されて、流体の流れを駆動する。毛管ポンプ４２４及び４２４ａの外縁部に通気口を設けて、液体を吸引すると同時に空気を逃がすようにすることができる。しかしながら、流路４２２及び４２２ａは、装填パッドを介して導入された液体で濡れることができ、したがって、毛管ポンプを必要とすることなく、既に液体を十分に引くことに留意されたい。別形において、先に述べたように、他の流体運動手段が関与してもよい。
【００３５】
液体試料が構造化中間層４２０の入口ポート４２６に入ると、液体試料は、接合部４２１に出会う前に、まず、第１の電極の組４１２のうちの２つの電極を通過する。このことは、接合部４２１に入る前に液体検体のｐＨが変更される（例えば、ｐＨ発生器の作用電極によって）又は検知される（例えばｐＨ検知電極によって）ことを可能にする。液体検体は、次に第１の流路４２２と第２の流路４２２ａとの間で分配され、ここで液体検体は、第１の電極の組４１２及び第２の電極の組４１２ａを通過する。第２の電極の組４１２ａは、第１の電極の組４１２を通過した液体試料のｐＨの変化を参照する参照電極を含むことができる。
【００３６】
接合部４２１の前にｐＨを変更することは、液体検体の参照信号が２つの流路４２２と４２２ａとの間の分岐前のｐＨの変更を反映することを可能にする。それに応じて、いくつかの実施形態において、参照信号に基づくフィードバックループを、処理前のｐＨ変更に基づいて実装することができる。電極の組４１２及び４１２ａ（例えば、及び図１〜図３に記載の電極の組）のレイアウトは、図５〜図９に関してより詳細に論じる。
【００３７】
図４に示すように、第２の流路４２２ａを湾曲させて、電極の組４１２と４１２ａとの間の距離を十分なものとするように、さらにまた、第２の電極の組４１２ａ内に配置された参照電極における液体の組成の変化のリスクを低下させるようにすることができる。すなわち、第２の流路４２２ａの有効長を長くして、参照電極に影響を及ぼすイオン拡散の効果を軽減することができる。
【００３８】
図５は、先に論じたｐＨ制御デバイス（例えば、ｐＨ制御デバイス１〜３）のうちの１つ又は複数において実装することができる電極の組５１２を示す図である。電極の組５１２は、流路５２８を横切っており（例えば、重なり合い）、流路５２８を通って輸送される液体検体が電極の組５１２の各電極と接触するようになっている。
【００３９】
電極の組は、ｐＨ発生作用電極（ＷＥ）５２１、第１のｐＨ検知電極５２３、検出電極５２５、第２のｐＨ検知電極５２４、参照電極５２６、及びｐＨ発生対電極（ＣＥ）５２２を含む。液体検体は、流路５２８の下流の液体検体のｐＨを変更するためにコントローラ５４１から電圧（例えば設定点に基づく）を受け取るように構成された電極である、ｐＨ発生ＷＥ５２１と最初に接触する。検体のｐＨ、次いで第１のｐＨ検知電極５２３及び／又は第２のｐＨ検知電極５２４によって検出される。第１及び第２のｐＨ検知電極５２３及び５２４によって報告されたｐＨは、次いで、ｐＨ発生ＷＥ５２１によって（例えばフィードバック制御ループ内で）ｐＨを適宜変更するために、コントローラ５４１にフィードバックされる。液体検体の生化学的内容物は、検出電極５２５によって分析される。検出電極５２５は、液体検体が検出前に所望のｐＨ変化を受けることを保証するために、ｐＨ発生ＷＥ５２１の下流に配置することができる。このことにより、液体検体の正確な分析、及び特定のｐＨ又はｐＨ範囲を可能にすることができる。
【００４０】
検出電極５２５によって液体検体のｐＨが分析された後、液体検体をｐＨ発生ＣＥ５２２によって中和することができる。ｐＨ発生対電極５２２は、廃液を中和するために必要な半電池反応をもたらし、それにより生物学的流体の初期ｐＨが回復される。中和は、添付図面の図に反して、例えばデバイス内の適切な混合溜まりによって達成することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態において、ｐＨ発生ＷＥ５２１は、下流でのｐＨ変化を生じさせるために流路内の注目領域の上流に配置される。例えば、ｐＨ検知電極５２３は、ｐＨ発生ＷＥ５２１によって生じるｐＨの変化を受けるように配置することができる。検知電極５２３は、それゆえ、流路５２８内で前進する液体検体に関して、ｐＨ発生ＷＥ５２１の下流かつｐＨ発生ＣＥ５２２の上流に配置することができる。第１及び第２のｐＨ検知電極５２３及び５２４は、検出電極５２５に隣接することができる。
【００４２】
ｐＨ発生ＷＥ５２１及びｐＨ発生ＣＥ５２２は、設定点とｐＨ検知電極５２３及び／又はｐＨ検知電極５２４によって報告されたｐＨ値とに基づいてｐＨを変更するように構成することができる。そのために、ｐＨ発生ＷＥ５２１及びｐＨ発生ＣＥ５２２は、それぞれ、水素イオン及び／又は水酸化物イオンを発生させてｐＨを低下させる及び／又は上昇させる。
【００４３】
ｐＨの変化を担うと考えられる化学反応は：
−酸性媒体中：
・アノード正端子における２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−、ここでｐＨは、プロトンの生成により低下する；
・カソード負端子における、２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２、ここでｐＨは、プロトンの消費により上昇する；
−塩基性媒体中：
・アノード正端子における、４ＯＨ−  →  Ｏ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ  ＋  ４ｅ−、ここでｐＨは、ＯＨ−の消費により低下する；
・カソード負端子における、２Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２  ＋  ２ＯＨ−、ここでｐＨは、ＯＨ−の生成により上昇する。
【００４４】
化学種の存在を示す電流信号は、検出電極５２５と参照電極５２６との間に電圧を印加することによって生成することができる。検出電極５２５と参照電極５２６との間に印加される電圧は、三電極構成の電気化学において一般的な方式の通り、検出電極５２５と参照電極５２６との間に予め定められた電位差を与えるように調節することができる。
【００４５】
検出電極５２５は、コントローラ５４１が検出電極５２５と参照電極５２６とを介して得られた信号を受けるようにコントローラ５４１に接続されており、その結果、化学種が検出される。このようにして、（生）化学試薬の入手可能性によって制限されない、設計によるセンサが達成され、このセンサは、自律的デバイス内でｐＨ依存性化学反応の結果を検知するために有利に用いることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態において、第１のｐＨ検知電極５２３は、ｐＨ発生ＷＥ５２１と検出電極５２５との間で流路５２８に配置される。よって、ｐＨ検知電極５２３は、ｐＨ発生ＷＥ５２１のより近くに、かつ検出電極５２５の上流に配置することができる。このようにして、ｐＨ検知電極５２３は、検出電極５２５にて生じる反応によって実質的な影響を受けすぎることなく、検出を行う（下流）位置に関連したｐＨを検知することができる。それゆえ、ｐＨ検知電極５２３は、動作中に検出電極５２５にて生じ得る液体の組成の変化の影響を受けない。
【００４７】
必要であれば、２つのｐＨ検知電極５２３及び５２４を使用することができる。例えば、第２のｐＨ検知電極５２４は、フィードバックループの一部を形成する（例えば、コントローラ５４１は、検知電極５２３、５２４の各々によって形成された電極対と、それらに関連付けられた参照電極とを介して得られる電圧及び／又は電流信号に基づいて、ｐＨ発生電極５２１、５２２間に電圧を印加する）。センサにおいて、ｐＨ検知電極５２３、５２４を用いて検出電極５２５のレベルにおけるｐＨをより正確に推定できるように、検出電極５２５を第１のｐＨ検知電極５２３と第２のｐＨ検知電極５２４との間に配置することができる。例えば、２つのｐＨ検知電極５２３、５２４から得られる信号は、コントローラにおける検証又は補正の目的で用いることができる。検知電極５２３、５２４を介して得られる２つのｐＨ値を用いて、流路５２８に沿った液体のｐＨプロファイルを外挿することもできる。別形において、２つのｐＨ検知電極５２３、５２４は、異なるｐＨ範囲に対する感度を有するものとすることができる。
【００４８】
図５の設計は、検出電極５２５及びｐＨ検知電極５２３、５２４の各々に対する参照電極として働く、コントローラ５４１に接続された分離した参照電極５２６に依拠する。
【００４９】
いくつかの実施形態において、本ｐＨ制御及びセンサデバイスは、いくつかの検出電極を含む。特に相異なる化学種を検出するために２つ以上の検出電極を設けることができる。別形において、これらの検出電極は、同じ種に対する感度を有するが、チェックする及び／又は平均する目的で用いられる。
【００５０】
第１のｐＨ検知電極５２３は、参照電極５２６との組み合わせで、例えば第１のｐＨ検知電極５２３におけるヒドロニウム及び／又は水酸化物イオンの濃度を検出するために、コントローラ５４１によって測定される電圧を生成する。
【００５１】
第１のｐＨ検知電極５２３を介して得られた電圧をさらに用いて、所望のｐＨ値を達成するために制御ループの一部としてのｐＨ発生電極５２１、５２２に印加される電圧を決定する。
【００５２】
したがって、コントローラ５４１は、ｐＨを制御可能に変更するように構成することができる（例えば、ｐＨは、単純に変化するのではなく、検知電極５２３、５２４と、コントローラ５４１と、ｐＨ発生電極５２１、５２２とによって形成されたフィードバックループに従って、制御された方式で変化する）。そのために、例えば、所望のｐＨ設定点と測定ｐＨとの間の差を計算し、観測された差に基づいて電圧補正を印加する、比例−積分−微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）を使用することができる。より一般的には、任意の適切な処理ユニットをアナログ−デジタル変換器と共に用いて、所望の動作を行うことができる。
【００５３】
上記のことから暗黙的に、コントローラ５４１は電極の組１２の各電極と電気通信状態にあるが、電極は、何らかの中間的な電子コンポーネント、例えばアナログ−デジタル変換器、増幅器、閾値化などを介してコントローラと間接的に接続してもよい。
【００５４】
図５には１つの流路５２８のみが描かれている。しかしながら、より複雑な流路回路を企図することができる（例えば図３〜図４）。分析される液体は、他の実施形態において、例えば、１つの流路に導入され、接合部において、溜まり（basin）又は別の流路等に送られる前に、電極の組１２が配置された流路に送られるものとすることができる。
【００５５】
本参照電極は、安定な電位を保証するＡｇ／ＡｇＣｌ又はＰｄ／Ｈ等のような材料で作成することができ、その目的は、ｐＨ発生ＷＥ５２１又は第１のｐＨ検知電極５２３からの信号を測定することができる基準となる参照電位を提供することである。いずれの参照電極も、それ自体さらに知られているように、何らかの保護膜をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、電気化学の分野でよく見られるように、Ａｇ、Ａｕ又はＰｔのような単純な金属の偽参照（又は準参照）電極を参照電極として使用することで十分な場合がある。さらに、金属電極は、他の電極（例えば、検出電極５２５又は参照電極５２６）に用いることができ、それらの材料は、典型的には、所与の検体との性能、設計の制約、製造加工（本電極は、典型的には通常の光リソグラフィ技術によって得られる）、材料の適合性等といった基準に基づいて選択される。
【００５６】
いくつかの実施形態において、電圧及び／又は電流信号を生成するために検知電極５２３と共に用いられる参照電極は、別個の流路（例えば、行き止まりチャネル又は別のチャネル）内に配置することができる。実際、参照電極５２６は、ｐＨ発生電極５２１、５２２によって生じるｐＨの変化に対する曝露を最小限にするように、電極の組５１２から十分遠くに配置することができる（例えば、図３〜図４参照）。参照電極５２６は、このように、図３〜図４の場合のように別の電極の組の中に形成することができる。
【００５７】
参照電極５２６は、参照電極５２６の付近の液体組成がｐＨ発生電極５２１、５２２間に位置する液体部分からのイオン拡散によってあまり影響を受けないように、遠隔に、すなわち電極の組５１２から十分遠くに配置することができることに留意されたい。
【００５８】
参照電極５２６とは別に、１つ又は複数の付加的な電極を別の電極の組内の参照電極の近くに配置することができ（例えば、図３〜図４参照）、これもまたコントローラと接続され、検証／測定目的で使用される。別個の電極の組内に配置された参照電極５２６は、実施形態において、電極の組５１２の検出電極５２５のための参照として、さらに働くことができる。
【００５９】
参照電極５２６は、例えば上流（例えば、図３と同様に、電極の組５１２から上流で分岐する別のチャネル内又は入口ポートと電極の組５１２との間）に配置することができる。いくつかの実施形態において、参照電極５２６は、主チャネルから分岐したチャネル（例えば、図４の流路４２２ａ）内に配置することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態において、検知電極が１つだけ存在し、参照電極５２６は、検出電極５２５及びｐＨ検知電極５２３の各々に対する参照電圧として働く。いくつかの実施形態において、参照電極５２６は、検出電極５２５とｐＨ発生ＣＥ５２２との間に配置される。いくつかの実施形態において、参照電極５２６は、電気化学的分析の精度を高めるために、検出電極５２５の近くに配置される。
【００６１】
電極の組５１２は、特定の順序の個別の電極で描かれているが、任意の電極順序を実装することができ、検査される特定の検体及び／又は求められる結果に応じたものとすることができる。さらに、任意の数の電極を実装することができる。例えば、いくつかの実施形態において、３つ以上の検知電極が存在してもよい。いくつかの実施形態において、検知電極５２３は、ｐＨ発生作用電極５２１の上流に配置することができる。いくつかの実施形態において、検出電極５２５は、ｐＨ発生作用電極５２１に隣接して配置することができる。さらに、いくつかの実施形態において、組合せ電極を実装することができる。すなわち、いくつかの実施形態において、電極は、２つそれぞれの電極の機能を組み合わせて単一電極になるような、多機能のものとすることができ、いる。例えば、組合せ電極は、ハイブリッド検知／ｐＨ発生電極を含むことができる。別の例として、組合せ電極は、ハイブリッドｐＨ検知／検体検出電極を含む。
【００６２】
図６は、本開示の実施形態による、コントローラ６４１に通信可能に結合された第１の電極の組６１２と第２の電極の組６１２ａとを有する、ｐＨ制御デバイス７を示す図である。第１の電極の組６１２と第２の電極の組６１２ａとは、別々の流路内に存在するように示されている。詳細には、第１の電極の組６１２は、第１の流路６２２と重なり合うように配置され、第２の電極の組６１２ａは、第２の流路６２２ａと重なり合うように配置される。
【００６３】
電極の組６１２及び６１２ａは、図５に示す電極の組５１２と同じ、又は実質的に同様のものとすることができる（例えば、ｐＨ発生作用電極、１つ又は複数のｐＨ検知電極、検出電極、参照電極、及びｐＨ発生対電極を含む）。液体検体が流路６２２及び６２２ａを通過するとき、電極の組６１２及び６１２ａは、制御フィードバックループに基づいてｐＨを変更し、注目する検体を検出するように、構成される。いくつかの実施形態において、第１の電極の組６１２及び第２の電極の組６１２ａは、同じ試料を検出することができ、検査結果を改善するために、対応する電極の組によって収集されたデータを相互参照することができる。
【００６４】
図６に示すように、ｐＨ制御論理は、２つ（又はそれより多く）の検出電極６２５及び６２５ａのアレイを含むことができる（例えば、各電極の組６１２及び６１２ａそれぞれに）。各検出電極６２５、６２５ａは、それぞれの流路６２２、６２２ｂに配置される。各検出電極６２５、６２５ａは、さらに適切にコントローラ６４１に接続され、そのそれぞれの流路６２２、６２２ｂの液体中の化学種を検出するようになっている。（例えば、コントローラ６４１は、検出電極６２５、６２５ａ（並びに関連付けられた１つ又は複数の参照電極）の各々から信号を受け取る）。
【００６５】
図６からさらにわかるように、検出電極６２５、６２５ａは、流路６２２、６２２ａのそれぞれ一方に各々が定められた電極の組６１２及び６２１ａのそれぞれに属することができる。電極の組は、例えば、各々が１つ又は複数のｐＨ検知電極とｐＨ発生電極とを含むことができる。コントローラ６４１は、各組内のｐＨ検知電極を介して得られる電圧及び／又は電流信号に基づいて、結果として得られるｐＨ発生電極の対の間に電圧を印加するように構成される。このようにして、各流路６２２、６２２ａにおいて局所的なｐＨ制御を達成することができる。
【００６６】
電極の組の各々に、図５のように、ｐＨ発生対電極をさらに設けてもよい。しかしながら、図６に示すように、共通の対電極６２２が実装される。ここで流路６２２、６２２は、（図示されていない上部入口ポートに対して）電極の組６１２、６１２ａの下流で、接合部６２３において結合する。接合部６２３は、ｐＨ発生作用電極の各々に対する共通の対電極として働くように構成されたｐＨ発生対電極６２２から上流にある。この構成は、（例えば、図５と比べて）ｐＨ発生対電極のうちの１つを排除することを可能にする。
【００６７】
共通のｐＨ発生対電極６２２は、接合部６２３の下流で液体を中和するように適切に構成することができる。図６の図に反して、共通の対電極を、例えば接合部６２３の下流の混合溜まり(図示せず）内に設けてもよい。
【００６８】
いくつかの実施形態において、すべて同じ流路に配置された同じ電極の組内にいくつかの検出電極を設けてもよく、これらの検出電極は、図２に示す構成と同様にｐＨ発生電極の間に配置される。
【００６９】
ここで図７を参照すると、本開示の実施形態によるｐＨ制御デバイス７０１の断面図が示されている。ｐＨ制御デバイス７０１は、基板７１０の上に配置された上部構造化層７３０を含む。基板７１０は、生化学種の存在を検出するように構成することができる検出電極７２５を含む。検出電極７２５は、中間構造化層（図示せず）に配置された流路７２２を通過する液体試料に接触するように構成することができる。このことは、検出電極７２５が液体試料中の注目する検体の濃度を分析することを可能にする。
【００７０】
図７に示すように、各電極（これは、実際のところ図５電極の組５１２のような電極の組のうちのどの電極であってもよい）は、流路７２２と接触する。この電極は、流路７２２内の周囲の表面７１９と同じレベルになるように製造することができる。換言すれば、電極は、可能であれば、流路７２２を定めるチャネルの表面の表層の厚さ内に組み込まれるように流路７２２内に配置され、電極の露出面が周囲の表面７１９と面一になるようにすることができる。
【００７１】
図７の例において、流路７２２を定めるマイクロチャネルは、傾斜した横壁を示す。電極は、多壁電極（multiwall electrode）であり、周りの表面と同じレベルのままで、表面７１９を少なくとも部分的に横切って、すなわち傾斜壁のうちの一方の上、チャネルの底側（及び、図示していないが、可能であれば、対向する傾斜壁の上にも）延びている。
【００７２】
露出した電極表面と周囲の表面との間のずれは、典型的にはマイクロチャネルの深さに対して無視できる（好ましくは２又は３桁小さい）。例えば、２０ｎｍ未満、さらには１０ｎｍ未満のずれを達成するために用いることができる製造方法が知られており、これに対して、チャネルの深さは、典型的には１０μｍと２０μｍとの間とすることができる。このことは、表面トポグラフィを最小化し、そのため層流に好都合であり、層流は流路に沿って分析される液体中の粒子の貼り付きを防ぐのに有利であり得る。最小化された表面トポグラフィは、流路に液体を最初に満たす際にピン止め部位（pinning site）を回避するのに有利であり得る。このことはまた、電極の縁部の欠陥（edge-defect）を減らし、したがって電極の縁部におけるスプリアス電界を防止する。このことは、さらに、上部構造化層７３０による効率的な封止に好都合である。
【００７３】
構造化上部層７３０用にいくつかの材料を企図することができる。これらの材料は、ガラス、ＰＤＭＳ、ポリマー、又はポリエポキシドフィルムのようなドライフィルムレジスト（通常、光学的に透明）を含む。ドライフィルムレジストは、特に、潰れずに流路２２の上をテント状に覆うのに十分に剛性のものである。これらは、容易にダイシングすることができ、表面に対する良好な接着性を有して、層間剥離及び漏れを防ぐ。いくつかの実施形態において、最初は積層シートとして提供されるカバーフィルムを実装して、基板の表面上に貼付する。別形において、シリコン又は薄いガラスのような任意の剛性カバーフィルム（例えば、構造化上部層７３０の）を企図することができる。光学的に透明な材料が必要とされる場合、ガラスを用いることができる。
【００７４】
電極は、以下のような寸法とすることができる。組の各電極は、１０μｍと５００μｍとの間の幅ｗを有することができる。電極間の間隙ｇは、１０μｍと１０００μｍとの間であり、液体の流れに対する摂動を最小限にするために、電極幅ｗより大きくすることができる。電極の各々は、３０μｍと１６０μｍとの間の幅を有することができるのに対し、電極間の間隙は４０μｍと５２０μｍとの間とすることができる。例えばＰｄ、Ａｕ、Ｐｔ又はＡｇを含む金属電極が典型的に用いられる。付加的な電極材料は、特にアノード水分解（anodic water splitting）のためのＭｎＯ２又はＮｉＯ２、又はポリアニリン若しくはポリピロールのような導電性ポリマーとすることができる。また、電極は、スタック構成で実装することができ、例えば、イオノフォアを含むポリマー材料で金属電極を覆って、検体溶液への金属電極の曝露を制限することができる。スタック構成の別の例において、それ自体知られているように、ＡｇＣｌによるＡｇ電極の被覆を達成する手段として、Ａｇ電極をＦｅＣｌ３と反応させることができる。
【００７５】
シリコン又はガラス以外の材料、例えばポリマーで作られたチップの場合、電極の好ましい寸法は、より大きくなる傾向にある。例えば、プラスチック基板上の電極の好ましい幅ｗは、５００μｍと２ｍｍとの間とすることができるのに対し、特に検出対電極は、より大きな電極面積を設けて電流フローを維持するために、より大きくすることができ、例えば幅５ｍｍまでとすることができる。同様に、ポリマーチップ上に製造される電極間の間隙は、５００μｍと１ｍｍとの間とすることができる。
【００７６】
流路７２２の寸法は、以下の通りである。マイクロチャネルの各々（本明細書に記載の流路のいずれかに対する）は、１０μｍと１００μｍとの間の深さを有するものとすることができる。すべてのチャネルは、同じ深さを有するものとすることができる。チャネルの幅は、典型的には１０〜５００μｍである。入口ポート及びキャピラリポンプは、より大きな幅を有することができる。ウェル型構成の場合、ウェルの開口部は、直径１〜４ｍｍの間とすることができる。
【００７７】
このような寸法は、典型的にはチップ、すなわち、コアチップがシリコン若しくはガラスで製造された、又は射出成形されたデバイスに適用される。ウィッキング媒体によるデバイスは、典型的には異なる寸法となる。例えば、ワックス印刷デバイスは、以下のような寸法とすることができる。ワックス印刷された横方向チャネル壁の最小（面内）幅は、３００μｍ（印刷後）、及び８５０μｍ（熱処理後、ワックスが広がることによる）のオーダとなり得る。深さはウィッキング媒体の厚さによって決まる（典型的には１００μｍより厚い）。チャネル幅（例えば、ワックス印刷された横壁間の面内の分離）は、熱処理後、例えば１００μｍと１０００μｍとの間であり、標準偏差は典型的には５０μｍである。
【００７８】
図８は、ｐＨ制御デバイス（例えばｐＨ制御デバイス１)について経時的なｐＨ曲線を示すグラフである。図５に示すような電極構成を有する静的マイクロフルイディクスシステムのｐＨ発生電極間に電圧（下の曲線）を印加したときの液体（水）のｐＨ応答（上の曲線）である。ひとたび必要な電位に達すると、水分解反応は非線形であることに留意されたい。それでも、下の曲線と上の曲線との間には明らかな相関を見て取ることができ、ｐＨ制御を達成することができることを示す。ｐＨ検知電極によって提供されるフィードバックは、ｐＨ発生電極間に印加される電圧を変調して、液体部分において所望のｐＨ値を達成する及び／又は維持するように働く。
【００７９】
Ｈ＋消費若しくは生成（酸性媒体中）又はＯＨ−消費若しくは生成（塩基性媒体中）に対して多かれ少なかれ触媒的に作用する様々な電極材料を用いることができることに留意されたい。これらの材料（例えば、水の電気分解の分野で知られているような、Ｈ＋消費用のＰｔ又はＰｔ合金及びＨ２Ｏ分解用のＭｎＯ２若しくはＮｉＯ２）は、所望の反応に基づいて選択される。これら材料は、電極出力電流を制限するように、それゆえ気泡の形成を避けるように、さらに選択することができる。
【００８０】
図９は、ｐＨ制御デバイスにおいて実施される例示的な方法を示すフロー図である。この方法は、最初に、プロトン性溶媒を含む液体を流路上に導入することを含む。これはステップＳ１０に示されている。この方法は、次に、プロトン性溶媒（例えば、又は液体試料中で用いられる他のいずれかの溶媒）のｐＨを（例えば、ｐＨ検知電極によって）読み取ることを含む。これはステップＳ２０に示されている。ステップＳ３０において、ｐＨ発生電極間に電圧を印加して、ｐＨを局所的に制御する。さらに、ステップＳ４０において、検出電極から読み取った信号を用いて、液体試料中に存在する化学種に関する情報を提供する。
【００８１】
このｐＨ制御方法は、本開示の別の態様による検体の検出方法の一部を形成することができる。いくつかの実施形態において、コントローラはさらに、ｐＨ検知電極及び参照電極から受け取ったフィードバック信号に基づいてｐＨ発生電極間に電圧を印加する一方で、検出電極からの信号を読み取って化学種を検出する。両方法とも、ｐＨ制御を活用して、反応を誘発することができる。
【００８２】
上記実施形態は、添付の図面を参照して簡潔に説明したものであり、いくつかの別形に対応し得る。上記特徴のいくつかの組合せを企図することができる。
【００８３】
さらなる実施形態を企図することができ、それは、ここで図１０、図１１を参照して論じるように、参照電極と組み合わされたｐＨ検知電極のいずれかによって生成される電圧に関連して生じることがある実際的な課題に対処するものである。図１０、図１１は、かかる課題に対処するために依拠することができる特定の電極構成を想定する。どの電極にも電圧が印加されていないとき、溶液の電気化学ポテンシャルＥｓｏｌは、デバイス全体にわたって一定である。したがって、図１０、図１１に示すような各電極は、同じ溶液電位Ｅｓｏｌ＝ＥｐＨ，ＷＥ＝Ｅ１＝ＥｐＨ＝Ｅ２＝ＥｐＨ，ＣＥに曝露される。次いで、電圧Ｖａｐｐ＝Ｅ’ｐＨ，ＷＥ−Ｅ’ｐＨ，ＣＥがｐＨ発生電極に印加されると、溶液電位は、２つのｐＨ発生電極間の空間において勾配を生じる。この勾配は、理想的には、一定の電界の強さに起因して、線形変化に対応し得る。結果として、ｐＨ発生電極間の空間内に配置された電極は、異なる電気化学ポテンシャルの溶液に曝露されることになり、したがって、参照電極に対して、異なる電圧読取り値をもたらす。より詳細には、ｐＨ検知電極の電位は、溶液電位の変化によって影響を受け得る。この電位の変化ＥｐＨ−Ｅ’ｐＨ（チャネル内の電界に対する曝露に起因する）は、ｐＨ検知電極の電位の変化（溶液ｐＨの変化に起因する）を部分的に不明瞭にするので、したがってチャネル内のｐＨの正確な判定を妨げる。矯正として、図１０、図１１に示すように、２つの付加的な電極（フィールドプローブ電極と名付ける）がｐＨ検知電極に隣接して配置される。これらのフィールドプローブ電極は、金属、例えばＡｕ又はＰｔとすることができる。これらは同一のものとすることができるので、これらの電極間に生じるいかなる電位差も局所的な電界の存在に帰することができる。溶液電位の線形変化を仮定すると、Ｅ’１−Ｅ１及びＥ’２−Ｅ２の知見により、量Ｅ’ｐＨ−ＥｐＨを推論することができる。次いで量Ｅ’ｐＨ−ＥｐＨを用いて、電界に起因するｐＨ検知電極の電位の変動を補正することができる。各フィールドプローブ電極がｐＨ検知電極の両側の同じ距離のところに配置されているとすると、ｐＨ変化がない場合、Ｅ’ｐＨ−ＥｐＨ＝（（Ｅ’１−Ｅ１）−（Ｅ’２−Ｅ２））／２であり、この等式からの偏差は、ｐＨ変動に起因するｐＨ検知電極電位の変化に帰することができる。電界の強さが一定であるという仮定を維持して、フィールドプローブ電極の配置が非対称の場合の式を簡単に導くことができる。
【００８４】
局所電界の影響は、ｐＨ発生電極を（図１１のように）互いに隣接して配置することによって、又はｐＨ検知電極電位の測定を非摂動状態で測定するためにｐＨ発生電圧を間欠的にスイッチングすることによって、低減することができる。
応用例
【００８５】
以下の例は、水性媒体中の検体検出に焦点を合わせたものである。グルコースが検体の場合、ｐＨ制御は、インサイチュ表面官能化を可能にする（例えば、低めのｐＨでは金電極の表面は塩化物官能化されるが、高めのｐＨでは表面基は水酸化物官能化されることになり、これは電気化学的に還元される）。グルコースの場合、この新鮮な表面に結合して酸化されることがより好ましい。他の触媒材料（金以外）を用いて、同様の機構を利用することができる。後述の第２の例で論じるように、同じくｐＨ依存性の他の応用をさらに企図することができる。
【００８６】
第１の例は、体液中のグルコースの検知に関するものである。グルコースは、金表面上で、グルコース酸化酵素を必要とすることなく直接酸化され得ることが知られており、但し直接酸化はｐＨ１１．５で起こる。より詳細には、水酸化金ＡｕＯＨ３は、ｐＨ１１．５において金電極表面上で自発的に形成されると考えられている。金電極の電位が低下すると、すなわち参照電極の電位に対してより負になると、水酸化金が還元され、それにより無垢の金表面が現れる。この瞬間から、金電極上に吸着したグルコースが直ちに酸化され、それに伴い電流が流れ、この電流を金電極と対電極との間又は金電極と参照電極との間の外部回路で測定することができる。ｐＨが１１．５に維持されるという条件で、この酸化電流の大きさを用いてグルコース濃度を定量的に求めることができる。より低いｐＨ、例えば５〜７では、金は、その表面に塩化物イオンが吸着することにより容易に不動態化し、このことが、グルコースの直接酸化の重要な第１ステップであるグルコース分子の吸着を妨げる。体液中では、金電極上でのグルコースの直接酸化を妨げる両条件、すなわちｐＨ５〜７並びに塩化物イオンの存在が満たされる。しかしながら、本開示の実施形態において可能になるように、体液のｐＨを検知デバイス内で例えば５〜７から１１．５まで調節することができ、それにより、酵素活性又は何らかの付加的な化学媒体を要することなく、体液中のグルコースの直接酸化及び定量化が可能になる。
【００８７】
別の例は、水中の微量金属の検出に関する。アノードストリッピングボルタンメトリーは、水中の鉛、カドミウム、亜鉛又は銅のような微量金属の濃度を求めるために一般に使用されている分析技術である。これらの金属をビスマス膜電極上で検出する機構もまた知られている。さらに、水試料中の微量金属の量を定量するために用いられる信号であるストリッピングボルタンメトリー応答は、検体溶液のｐＨに依存する。ストリッピングボルタンメトリー応答は、ｐＨ約４．５でその極大に達する。信号は、それより低いｐＨでも高いｐＨでも減衰し、特にｐＨ約６で消失することが見いだされている。水試料は６又はそれより高いｐＨを示すことが多いので、アノードストリッピングボルタンメトリー測定を行う前にそのｐＨを下げるために試料にある量の酸を添加することが必要になる。しかしながら、小型センサ、特にウェアラブル、リモート及び／又は自律センサにとって酸の添加は非実用的であることが理解されるであろう。したがって、本開示の実施形態を適用して、水試料のｐＨを調節し、それにより、酸の添加を必要とすることなく、アノードストリッピングボルタンメトリーによって微量金属を定量的検出することができる。
【００８８】
本開示を、限られた数の実施形態、別形及び添付図面を参照して説明してきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができること及び均等物で置き換えることができることが当業者には理解されるであろう。特に、所与の実施形態、別形で挙げた又は図で示した特徴（デバイス様又は方法様）を、本開示の範囲から逸脱することなく、別の実施形態の別の特徴と組み合わせること又は別の特徴で置き換えることができる。添付の特許請求の範囲内にある、上記実施形態又は別形のいずれかに関して説明した特徴の種々の組合せを、それに応じて企図することができる。さらに、特定の状況又は材料を本開示の教示に適合させるために、その範囲から逸脱することなく、多くの軽微な変更を行うことができる。したがって、本開示は、開示された特定の実施形態に限定されることを意図したものではなく、本開示は、添付の特許請求の範囲内に入る多くの実施形態を含むことが意図される。さらに、上記で明示的に言及したよりも多くの他の別形を企図することができる。例えば、他の種々の材料を、本デバイスにおいて用いることができる。別の例として、流体を周期的に吸引してそれに対する検出ができるようにすることを可能にすべく、本デバイスにおいて受動又は能動マイクロ弁を含む弁を企図することができる。
【００８９】
本デバイスは、センサとして（例えば、ウェアラブルセンサとして）実装することができ、好ましくはマイクロフルイディクス・デバイスとして製造される。この開示は、例えば、低コストで使用が簡単なウェアラブルセンサとして具体化することができる。いくつかの実施形態において、本ｐＨ制御及びセンサデバイスはモジュラ方式とすることができ、チップ及び分離した端末として実装され、動作時にチップが端末に挿入される。これらの実施形態において、コントローラは、端末に実装することができる。いくつかの実施形態において、コントローラは、オンチップで実装することができる。
【００９０】
本デバイス（以下で論じるようなセンサデバイスを含む）の構成は、液体の局所的ｐＨ制御を可能にする。特に、本手法は、分析が実行される液体部分のｐＨを変更するために従来の金属電極を用いることを可能にする。そしてまた、少量の液体区間のｐＨを変更及び制御する可能性は、ｐＨ依存性の化学反応を可能にする。このようにして、上記ｐＨ制御デバイスに基づいて、使用期間に制限されないセンサを設計することができる。特に、本手法は、酵素又はメンブレンのような有機コーティングといった生化学試薬の利用可能性に制限されないバイオセンサへの途を開く。
【００９１】
本開示の実施形態は、特に、検体を他の信号から区別するためにｐＨの調節を実行することを典型的に必要とする、アノードストリッピングボルタンメトリーによる微量金属の検出のような化学検定に向けられる。従来の分析法では、これは、典型的には、対応する量の酸又は塩基を外部レザーバから手動又は自動で添加することを必要とする。しかしながら、そのようにすることは、小型化された一体型の用途、例えば小型のウェアラブル又はリモートセンサに対する用途にとっては非実用的であり、それらは代わりに自律的に動作すべきである。別の用途は、グルコース検出に関する。
【符号の説明】
【００９２】
１、２、３、７、７０１：ｐＨ制御デバイス
１０、７１０：基板
１２、５１２、３１２、３１２ａ、４１２、４１２ａ、５１２、６１２、６１２ａ：電極の組
２０、３２０、４２０：構造化中間層
２２、３２２、３２２ａ、５２８、６２２、６２２ｂ、２２、４２２、４２２ａ、７２２：流路
２６、３２６、４２６：入口ポート
２４、３２４、３２４ａ、４２４、４２４ａ：毛管ポンプ
３０、７３０：構造化上部層
３６：装填パッド
３２１、４２１、６２３：接合部
５２１：ｐＨ発生作用電極
５２２：ｐＨ発生対電極
５２３、５２４：ｐＨ検知電極
５２５、６２５、６２５ａ、７２５：検出電極
５２６：参照電極
５４１、６４１：コントローラ
６２２：共通のｐＨ発生対電極
７１９：周囲の表面
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月12日(2020.5.12)
【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】
ｐＨ制御デバイスであって、
基板と、
前記基板上に定められ、液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
コントローラと、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置され、
前記コントローラは、前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加するように構成され、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極において前記液体のｐＨを変更するようになっている、
ｐＨ制御デバイス。
【請求項２】
前記ｐＨ検知電極は、前記一対のｐＨ発生電極間に配置される、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項３】
前記ｐＨ検知電極は、前記ｐＨ発生対電極よりも前記ｐＨ発生作用電極の近くに配置され、前記ｐＨ検知電極が、主として前記ｐＨ発生作用電極によって生じる前記液体の前記部分のｐＨの変化を受けるようになっている、請求項２に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項４】
前記ｐＨ検知電極を囲む２つの付加的電極をさらに備え、前記付加的電極を介して、前記ｐＨ検知電極を横切る電位勾配をサンプリングする、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項５】
前記流路が第１の流路であり、
前記第１の流路から接合部において分岐する第２の流路が前記基板上に定められ、動作中に前記液体を受け入れるようになっており、
前記参照電極は、前記第２の流路内に配置される、
請求項２に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項６】
前記液体を前記第１の流路に装填するための入口ポートが前記基板上に定められ、前記接合部は、前記入口ポートと前記電極の組との間で、前記ｐＨ発生電極の上流にある、
請求項５に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項７】
前記接合部が、前記ｐＨ発生電極間に配置される、請求項５に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項８】
前記参照電極が、前記ｐＨ発生電極のうちの１つである、請求項１に記載のｐＨ制御デバイス。
【請求項９】
センサデバイスであって、
基板と、
前記基板上に定められ、液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
コントローラと、
前記電極の組の一部として前記ｐＨ発生電極間に配置された検出電極であって、前記液体の部分のｐＨの変化を、前記ｐＨ発生電極によって生じたときに受けるようになっており、それ以外に、前記参照電極と共に、前記液体の前記部分における化学種の存在を示す信号を生成することができる、検出電極と、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置され、
前記コントローラは、前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加するように構成され、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極において前記液体のｐＨを変更するようになっており、
前記コントローラは、前記検出電極と前記参照電極とを介して得られる信号を受けて、前記化学種を検出するようにさらに構成される、
センサデバイス。
【請求項１０】
前記ｐＨ検知電極は、前記ｐＨ発生作用電極と前記検出電極との間で前記流路に配置される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１１】
前記ｐＨ検知電極は、第１の検知電極であり、
前記電極の組は、第２のｐＨ検知電極を含み、
前記コントローラは、前記第１の検知電極及び前記第２のｐＨ検知電極の各々と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて、前記ｐＨ発生電極に前記電圧を印加するように構成され、
前記検出電極は、前記第１の検知電極と第２のｐＨ検知電極との間で前記流路に配置される、
請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１２】
前記参照電極は、前記コントローラに接続されて、前記検出電極及び前記ｐＨ検知電極の各々に対する参照信号として働く信号を供する、請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１３】
前記検出電極並びに１つ又は複数の付加的な検出電極を含む、検出電極のアレイを備え、前記アレイの各検出電極は、前記基板上に定められた前記流路に配置されて、所与の流路上の液体中の化学種の存在を示す信号を生成することができるようになっており、前記コントローラは、前記１つ又は複数の付加的な検出電極の各々と前記参照電極とを介して得られる信号を受けて前記化学種を検出するようにさらに構成される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の付加的な検出電極の各々は、前記電極の組の一部を形成し、前記電極の組の前記ｐＨ発生電極間に配置される、請求項１３に記載のセンサデバイス。
【請求項１５】
前記アレイの２つ以上の検出電極が、各々が前記基板上に定められたそれぞれの流路に沿って配置され、前記流路のうちの１つが、前記電極の組の電極がそれに沿って配置される前記流路である、請求項１３に記載のセンサデバイス。
【請求項１６】
前記アレイの前記２つ以上の検出電極は、相異なる化学種を示す信号を生成するように構成される、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
ウェアラブルデバイスとして構成される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１８】
液体のｐＨを制御するための方法であって、
基板と、
前記基板上に定められ、前記液体を受け入れるように適合された流路と、
電極の組であって、
ｐＨ発生作用電極及びｐＨ発生対電極を含む一対のｐＨ発生電極と、
参照電極と、
ｐＨ検知電極と、
を含む電極の組と、
を備え、
前記電極の組は、前記流路に沿って配置され、前記ｐＨ検知電極が前記流路上の前記液体の部分のｐＨの変化を受けるように配置された、
デバイスを準備することと、
プロトン性溶媒を含む液体を前記流路に導入することと、
前記ｐＨ検知電極と前記参照電極とを介して得られる信号に基づいて、前記ｐＨ発生電極間に電圧を印加して、前記ｐＨ発生作用電極及び前記ｐＨ発生対電極における前記プロトン性溶媒のｐＨを変更することと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記ｐＨ検知電極は、前記一対のｐＨ発生電極間に配置される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記参照電極は、前記ｐＨ検知電極と前記ｐＨ発生対電極との間に配置される、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
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