(57)【要約】これまで得ることのできなかった電位特性を示し、基準電解液と試料液との間に置かれた微小流体液体連絡部材を備える、流動性連絡基準電極を記載する。該微小流体液体連絡部材は、該部材にわたっており基準電解液と試料液とを物理的につなぐナノチャネルのアレイを有しているが、電解液が線速度でナノチャネルのアレイを通って試料液に流れ込む一方、試料液は、拡散、移動、対流、あるいは他の知られている作用を介してナノチャネルのアレイに実質的に入り込むことはない。アレイ内のナノチャネルの数は、およそ１００とおよそ１０の間であることが好ましい。また、ナノチャネルは実質的に直線であり互いに実質的に平行であることが好ましく、かかるナノチャネルのアレイは、本明細書では異方性として記載されている。ナノチャネルはまた、被覆されることが好ましい。ナノチャネルのアレイにおけるいずれのナノチャネルの幅も、アレイにおけるいずれの他のナノチャネルの幅にも実質的に等しいという点において均一であることが好ましい。ナノチャネルは、好ましくは、およそ１ナノメーターより大きくおよそ５００ナノメーターよりも小さい幅、最も好ましくは７０ナノメーターの幅を有する。電極は、いずれの適切な材料のひとつから構成されてもよく、好ましくはポリマーから構成され、最も好ましくは、ポリカーボネートおよびポリイミドからなる群から選択されるポリマーであり、好ましくはまた、シリコン、ガラス、またはセラミックから構成されてもよい。
2004518126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電解質液と試料液との間に置かれる、ナノチャネルのアレイを有する微小流体液体連絡部材を含む、流動性連絡部基準電極であって、
前記ナノチャネルの数が、およそ１００より多くなく、かつ、およそ１０より少なくなく、
前記基準電解質液が、およそ０．１ｃｍ／秒よりも速い線速度で前記ナノチャネルのアレイを通って前記試料液に流れ込み、
該試料液が、前記ナノチャネルのアレイに実質的に入り込まない、前記流動性連絡部基準電極。
【請求項２】
前記ナノチャネルの数がおよそ８０より少ない、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記ナノチャネルの数がおよそ５０より少ない、請求項２に記載の電極。
【請求項４】
前記ナノチャネルが実質的に直線であり、実質的に互いに平行である、請求項１に記載の電極。
【請求項５】
前記ナノチャネルのアレイにあるいずれのナノチャネルの幅も、前記ナノチャネルのアレイにあるいずれの他のナノチャネルの幅に実質的に等しい、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記ナノチャネルが、およそ１ナノメーターよりも大きくおよそ５００ナノメーターよりも小さい幅を有する、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記ナノチャネルが、およそ１０ナノメーターより大きくおよそ１００ナノメーターよりも小さい幅を有する、請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記ナノチャネルが被覆されている、請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記連絡部材がポリマーから構成される、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記ポリマーが、ポリカーボネートおよびポリイミドからなる群から選択される、請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
前記連絡部材が、シリコン、ガラス、又はセラミックから構成される、請求項１に記載の電極。
【請求項１２】
前記ナノチャネルのアレイを通って前記試料液に流れ込む前記基準電解質液の正の線形流を、およそ０．１ｃｍ／秒よりも速い線速度に維持する手段をさらに含む、請求項１に記載の電極。
【請求項１３】
前記ナノチャネルのアレイを通って前記試料液に流れ込む前記基準電解質液の正の線形流を、およそ０．１ｃｍ／秒よりも速い線速度に維持する前記手段が、加圧された折り畳み式ブラダー、電気浸透圧ポンプ、機械ポンプ、圧電ポンプ、および電気水力学型ポンプからなる群から選択される、請求項１５に記載の電極。
【請求項１４】
基準電解質液と試料液との間に置かれた、ナノチャネルのアレイを有する微小流体連絡部材を含む、流動性液体連絡基準電極であって、
前記基準電解質液が、およそ０．１ｃｍ／秒よりも速い線速度で前記ナノチャネルのアレイを通って前記試料液に流れ込み、前記試料液が、前記ナノチャネルのアレイに実質的に入り込まない前記流動性液体連絡基準電極、および
検知電極を含む、複合電極。
【請求項１５】
前記検知電極が、ｐＨ電極、他のイオン選択性電極、および酸化還元電極からなる群から選択される、請求項１４に記載の複合電極。
【請求項１６】
およそ０．１ｃｍ／秒よりも速い線速度及びおよそ６０μＬ／時よりも少ない体積流量で連絡部材を通って試料液に流れ込む基準電解質液を含む、微小流体流動性液体連絡部基準電極であって、
前記試料液が、前記液体連絡部材に実質的に全く入り込まない、前記基準電極。
【請求項１７】
前記試料液に流れ込む前記基準電解質液の線速度が、およそ０．５ｃｍ／秒よりも速い、請求項１６に記載の基準電極。
【請求項１８】
前記試料液に流れ込む前記基準電解質液の体積流量が、およそ１０μＬ／時よりも小さい、請求項１６に記載の基準電極。
【請求項１９】
前記電極が、１年より長い寿命を有することができ、その寿命の間の電解電位の変化はおよそ１ｍＶよりも小さく、その寿命の間、およそ１００ｍＬよりも少ない電解質液が前記試料液に流れ込む、請求項１〜１７又は１８に記載の電極。
【請求項２０】
前記電極が、２年より長い寿命を有することができる、請求項１〜１８又は１９に記載の電極。
【請求項２１】
前記連絡部材をわたる抵抗がおよそ１メグオームより小さい、請求項１〜１９又は２０に記載の電極。
【請求項２２】
前記電極が、さらに校正回路を含む、請求項１〜２０又は２１に記載の電極。
【請求項２３】
前記校正回路がオフセットを実質的に零にする、請求項２２に記載の複合電極。
【請求項２４】
ふたつの別個の標準溶液間で測定することにより、前記校正回路が検知反応の傾斜を実質的に最適化する、請求項２２に記載の複合電極。
【請求項２５】
ふたつの別個の標準溶液間で測定することにより、前記校正回路がオフセットを実質的に零にし、かつ、検知反応の傾斜を実質的に最適化する、請求項２２に記載の複合電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の背景］
本発明はナショナルサイエンスファンデーションによるＳＢＩＲフェーズ１グラントＤＭＩ−９９６０６６５号のもと、米国政府の援助を得て行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
（発明の分野）
本発明はポテンシオメトリック電極および電気化学的基準電極ならびに、特に、溶液の電気化学的測定のために電気化学的基準電極で用いられるような液体連絡部構造に関する。本発明は、さらに特には、たとえば、センサの精度が改善されるか、あるいはセンサの有効寿命が延長されることが望ましい、実験室解析、インライン処理モニタリング、電界測定、あるいは任意の装置において使用される、ｐＨまたはＩＳＥ電位センサなどを用いての電位の測定または制御が望まれる使用のための基準電極に関する。
【０００２】
（関連技術の記載）
本発明は、たとえば複合電極の基準電極部分、および種々の測定、たとえば電気分析測定、定電位電量分析、およびポーラログラフ分析などで要される比較的安定した基準電位を提供するために基準電極を採用する全ての電位差測定装置の基準部分などの基準電極に広く関する。
【０００３】
電位測定は、化学工程、環境のモニタリング、ヘルスケア、バイオ工程などを含む種々のセッティングにおけるｐＨの決定および他の特定イオンの検出に広く用いられる。これらの測定の精度は、測定された試料液内の検体濃度により電位が変化する検知電極と、定電位を理想的に維持する基準電極との間の電位差を測定する能力に依存する。基準電極（通常、基準電極の電解液）と試料液との間の物理界面を液体連絡部（液絡部）と呼ぶ。基準電極の安定性、および必然的に電位測定の精度は、液体連絡部の定常度、およびさらに特に液体連絡部をわたる電位の定常度によって決まる。しかしながら、液体連絡部、およびさらに特に液体連絡部をわたる電位を制御し、一定のレベルに維持することは困難である。通常、電気化学的測定に誤差をもたらし、結果としてしばしばセンサシステムの校正が必要となるのは、液体連絡部の電位の変化である。
【０００４】
現時点で市販され入手可能な基準電極で観察される誤差には、（１）過渡的または動的誤差、すなわち、かかる誤差は、測定間での比較的遅い応答、および、ｐＨが極値の溶液（ｅｘｔｒｅｍｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）に晒してから通常５、１０、または１５分後に平衡に達するような遅い能力を指す誤差を言うかかる誤差を含む。この応答は主として、物理的連絡部内の試料液のエントラップメントが原因である。過渡的誤差は通常、試料液のこのエントラップされた層を分散し、かつ直接界面（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を得るために要される時間の作用である。この誤差の動態は、以前の浸漬の継続時間によって求められる。現時点で市販され入手可能な基準電極で観察される誤差はまた、（２）静的誤差、すなわち、通常、平衡に達した後に継続して起こるオフセットを言うかかる誤差を含む。大きな静的誤差は、通常、物理連絡部構造の深部内の試料液の不可逆エントラップメントが原因である。現時点で市販され入手可能な基準電極で観察される誤差にはまた、（３）攪拌誤差（ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｅｒｒｏｒ）すなわち、試料液の攪拌に因るか、またはそれに関連した、電位の偏移を言うかかる誤差を含む。攪拌誤差は通常、試料の攪拌速度または流量があるところで観察される。これらの誤差は試料液を電位電極測定する際に存在するが、電極精度が検査される標準緩衝液中では抑制される傾向にある。したがって、ユーザは、非標準溶液で得られる読みが誤った読みであるとして信用しない理由は何もないことがわかるだろう。Ｄ．Ｐ Ｂｒｅｚｉｎｓｋｉ， ”Ｋｉｎｅｔｉｃ， Ｓｔａｔｉｃ， ａｎｄ Ｓｔｉｒｒｉｎｇ Ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ”、 Ａｎａｌｙｓｔ １０８（１９８３）４２５−４４２、および米国特許第４，４９５，０５２号を参照。これらの誤差は実用上重要なほどに大きい。これらの誤差は、水素イオン（Ｈ＋）濃度または活動度（ａｃｔｉｖｉｔｙ）における比較的大きな差にしばしば相当する。上記の誤差を含むこれらの誤差は、ｐＨメーターで観察された測定値に０．５ｐＨ単位だけバイアスをかける傾向にある。
【０００５】
典型的な、現時点で市販され入手可能な電気分析測定システムでは、基準電極の電解液と試料液との間の界面は液体連絡部である。この試料基準界面における連絡部電位は多数の要因（ｆａｃｔｏｒ）に関連し、すべての基準電極の設計（ｄｅｓｉｇｎ）の目的は、液体連絡電位をいずれにしても時間にわたり変動あるいは変化させるであろう要因の影響を最低限にすることである。多孔質セラミックロッド、多孔質ポリマーディスク、木材ジベル（ｗｏｏｄ ｄｏｗｌｓ）、すりガラススリーブ、毛管、寒天ゲル、石綿ファイバー束、および他の多孔質材料または素子などを含む種々の材料が、液体連絡部を形成する際に用いられてきた。一般に、これらの液体連絡構造を、その機能が、電解液が基準電極から外方向へ流出または分散することを制限することであるため、制限装置と言う。しかしながら、基準電極の有効寿命を短くする１つの重要な要因は、通常、液体連絡構造が試料液の液体連絡構造への侵入を許してしまうことである。液体連絡への試料液のこの輸送は、拡散、移動、対流、あるいは他の作用によるかにかかわらず、液体連絡構造の汚染および、その結果としての、液体連絡電位への望ましくない変動をもたらす。かかる変動は通常、電気分析測定システムの再校正を必要とする。液体連絡のこの種の汚染が時間にわたって継続する場合、液体連絡構造は、汚されるか、または詰まりが生じ、再校正持に繰り返される試みにもかかわらず時間的に変動する、いっそう大きいオフセット電位および／または電位を展開する。加えて、しばしば試料液が液体連絡構造を通過して移動し、基準半電池自体に到達し、潜在的に付加的な逆反応を引き起こす。
【０００６】
現在、市販され入手可能な基準電極、特に電位測定のために使用される基準電極は、通常、２つの別の設計のうちの１つに基づいて構成される。これらの設計のそれぞれは、電位測定を行うために基準電極を用いる際に直面する１つの主要な制限に取り組むことが意図されている。しかしながら、これらの設計のそれぞれは、電位測定を行うために基準電極を用いる際に直面する別の主要な制限に取り組むことができなかった。
【０００７】
一方の設計カテゴリーをしばしば液体連絡部のある基準電極と言う。この設計は、比較的均一な液体連絡電位を提供するという試みにおいて、多孔性液体連絡構造または部材を通って流れる基準電極の流れを提供する。この設計は通常、もう一方の設計の液体連絡電位よりも、時間にわたってより均一である液体連絡電位を提供することにおいて効果的であり、その一方、液体連絡部のある基準電極には、比較的短時間にわたって大量の電解液を使用することが一様に必要である。したがって、現在市販され入手可能な、流動性連絡部のある基準電極は、この電解液を補給するために頻回なメンテナンスを要する。さらに、流動性連絡部は、電解液の流れを制限することによってこの電解液の使用を最低限にするように設計される場合がしばしばある一方、かかる流動性連絡部の設計では、通常、質量の輸送（拡散、移動、対流）を経て試料液が液体連絡構造に入り込むのに十分に遅い速度まで、流速度がしばしば低減される。液体連絡部の構造内にこの試料液が存在することにより、可変液体連絡電位、校正の損失、液体連絡構造の詰まり、および時間にわたる基準電極の故障が引き起こされる。米国特許第５，３６０，５２９号を参照。
【０００８】
他方の設計カテゴリーを、非流動性（ｎｏｎ−ｆｌｏｗｉｎｇ）拡散連絡部基準電極と言う。この設計は、安定した液体連絡電位を提供するために、電解液が最少量に多孔質液体連絡部を通って実質的に一定の拡散をすることに基づいている。この設計は、多孔質構造に入り込む試料の流れの質量の輸送が顕著に可能であるとともに、その結果生じる液体連絡電位のドリフトは、所定の工業用途に許容可能であるほど十分に遅い場合がある。かかる電極は、しばしば再校正を要するが、液体連絡部が必要とする程度の電解液の補給は必要としない。さらに、かかる電極は、通常の、液体連絡部のある電極の場合のように、基準電解液を電極に供給するシステムおよび関連装置を必要としない。
【０００９】
両基準電極設計は、広く使用されるが個々の制限のもとにあり、通常、用途の異なる領域で使用される。厳密な測定がさらにしばしば要求される場合、通常、液体連絡部のある基準電極が使用される。したがって、液体連絡部の設計は、実験基準電極および臨床分析に最も広く使用される。実験環境では、基準電解質液は、必要に応じ比較的容易に、さらには比較的多頻度で補充され得る。メンテナンスを低減することが望ましく、精度がある程度まで犠牲になり得る場合、拡散連絡部基準電極がさらに多く使用される。したがって、拡散連絡部基準電極は通常、工業用電位センサ設計に使用される。液体連絡のない拡散連絡部基準を使用する工業用センサは、通常、液体連絡構造に入り込む試料の流れが比較的大量の輸送量であるため、さらに定期的に再校正を必要とする。したがって、工業オペレーターが、古いセンサを再校正しようとする代わりに三ヶ月ごとに新しいセンサを設置することは珍しいことではない。この理由から、拡散基準電極が備わった工業用ｐＨセンサは、大抵の工業用途では今や使い捨て部材である。
【００１０】
要するに、現時点で市販され入手可能な基準電極についての２つの主要な問題は、流動性連絡部設計の電極が頻繁にメンテナンスを必要とするということと、拡散連絡部設計の電極が頻繁に再校正を必要とするということである。さらに具体的には、ほとんど全ての流動性連絡部設計は大量の電解液を消耗し、その電解液は定期的に補給される必要がある。電解液を少量しか必要としない流動性連絡部の設計がわずかにあるが、これらの設計は、液体連絡部構造に入り込む試料液の輸送量の程度が限界になる点まで電解液流を低減することによってこれを達成する。遅い流動性連絡部基準電極は、非流動性拡散連絡部基準電極とほとんど変わらない性能を示す。その一方で、非流動性拡散連絡部電極は、電解液の補給を必要としないが、液体連絡構造に入り込む試料のストリームの輸送によりスロードリフト誤差（ｓｌｏｗ ｄｒｉｆｔ ｅｒｒｏｒｓ）を被る。通常、このドリフトにより、かかる基準電極は精密な測定に使用することから妨げられる。しばしば、かかる輸送は、基準電極において、再校正することができないようにさせる不可逆的な不安定性を生ずる原因となる。これらの固有の欠点のため、かかる基準電極を使用するセンサは、再校正される代わりに、使い捨てられ、かつ取り替えられるように設計されることが多い。一グループとして、非流動性拡散連絡部基準電極はすべて、数週間および数ヶ月用、最大でも１〜２年を超えることは稀である、非常に短い耐用寿命を有する。
【００１１】
したがって、当分野では、現時点で市販され入手可能な流動性連絡部の設計の比較的安定した電位、および現時点で市販され入手可能な、非流動性連絡部の設計にみられるような、基準電解液を補給することが比較的必要ないことのどちらも示す電極の設計を必要とする。必要とされるこのような設計は、延長された時間にわたっても比較的安定した連絡部電位を示すが、現時点で市販され入手可能な流動性の設計および流動部のない設計の種々の制限および欠点は示さない。
【００１２】
［発明の概要］
基準電極または複合電極などの種々の電位差測定素子での使用のための、微小流体流動性液体連絡（ＭＬＪ）部材を記載する。この微小流体流動性液体連絡部は、実質的に一様の液体連絡電位を生成する微小流体構造のナノチャネルを含む。微小流体構造のナノチャネルを含む微小流体流動性液体連絡部はまた、連絡部材をわたって、およそ１メグオームよりも小さい抵抗を示すことが好ましい。ナノチャネルのアレイを通る低体積流量、および電解液の高い速度を用いて、連絡部構造に入り込む試料液の逆拡散を防止する。かかる逆拡散の防止により、上述の連絡部材を有する基準電極の精度および有効寿命が増す。微小流体液体流動性連絡部材は、基準電極を含む安定性が高くメンテナンスの少ない精密な電気化学センサを構築するのに有用である。
【００１３】
これまで得ることのできなかったこのような特性を示す、流動性連絡部基準電極を、基準電解液と試料液との間に位置した微小流体液体連絡部材を備えるものとして構造的に説明する。この微小流体液体連絡部材は、該部材にわたっており基準電解液と試料液とを物理的に接触させるナノチャネルのアレイを有している。基準電解液は或る線速度でナノチャネルのアレイを通って試料液に流れ込み、試料液はナノチャネルのアレイに実質的に入り込まない。試料液は、拡散、移動、および対流などのいずれの質量の輸送機構を介してもアレイに実質的に入り込むことはない。およそ２ｘ１０−９モル／日より低い割合、好ましくはおよそ１ｘ１０−９モル／日より低い割合でアレイに入り込む試料液は、アレイに実質的には入り込まないものと考えるべきである。アレイにおけるナノチャネルの数は、好ましくはおよそ１０８〜およそ１０の間であり、より好ましくはおよそ１０６よりも少なく、およそ１０５よりも少なく、またおよそ１０４よりも少なく、最も好ましくはおよそ１０４とおよそ１００の間である。ナノチャネルの数はまた、好ましい程でないが、およそ１０と１０００の間であり、およそ１０，およそ４０，およそ１００，およそ２００，およそ４００、およびおよそ８００を含むべきである。好ましくはまた、ナノチャネルは、実質的に直線であり互いに実質的に平行であり、かかるナノチャネルのアレイは、本明細書では異方性として記載される。ナノチャネルはまた、被覆されることが好ましく、たとえば、金属、合金、親水性物質、あるいは疎水性物質で被覆され得る。アレイ内のナノチャンネルのいずれの幅も、アレイ内の任意の他のナノチャネルの幅と実質的に等しいという点で実質的に均一であることが好ましい。ナノチャネルは、好ましくはおよそ１ナノメーターより大きくおよそ５００ナノメーターより小さい幅、より好ましくはおよそ１０ナノメーターより大きくおよそ１００ナノメーターより小さい幅、最も好ましくは７０ナノメーターの幅を有する。電極は、任意の適切な材料から構成されてもよく、好ましくはポリマーから構成され、そのポリマーはポリカーボネートおよびポリイミドからなる群から選択されることが最も好ましく、また、シリコン、ガラス、またはセラミックなどの、構造の強い他のポリマーから構成されてもよい。
【００１４】
電極はまた、加圧された折り畳み式ブラダー、電気浸透圧ポンプ、または他の機械ポンプ、またはナノチャネルのアレイを通って試料液に入り込む基準電解液の正の線形流を維持する任意の他の手段をさらに含む。開示された基準電極を、たとえばｐＨ電極、イオン選択性電極、酸化還元電極などといった適切な検知電極とともに複合電極の一部として用いてもよい。
【００１５】
また、これまで得ることのできなかったこのような特性を示す、流動性連絡部のある基準電極を、連絡部材を通って試料液に流れ込む基準電解液を含むものとしても記載する。ここでは、試料液が、拡散、移動、または対流の作用などの質量の輸送機構を介して連絡部材に入り込むことは実質的にない。試料液に流れ込む基準電解液の線速度は、好ましくはおよそ０．１ｃｍ／秒よりも速く、より好ましくはおよそ０．５より速く、より好ましくはおよそ１．０ｃｍ／秒よりも速い。試料液に入り込む基準電解液の体積流量は、およそ６０μＬ／時よりも少なく、より好ましくはおよそ１０μＬ／時よりも少ない。微小流体流動性液体連絡部基準電極は、１年より長く、好ましくは２、３、４、５、あるいは１０年より長い寿命を有することができ、その寿命の間、電解液電位の変化は、１年あたりおよそ１ｍＶより少なく、その間試料液に流れ込む電解液流はおよそ１００ｍＬより少なく、より好ましくはおよそ５０ｍＬよりも少ない。連絡部材電極をわたる抵抗は、およそ１メグオームよりも少ないことが好ましい。
【００１６】
［好適な実施形態の詳細な説明］
基準電解液を含み明確に区分された連絡部領域を有する微小流体流動性液体連絡部を含む基準電極が記載され、かかる微小流体液体連絡部は、その連絡部電位の測量可能な変化を抑制するのに適切な電解液の線形流量を少なくとも１週間の間、好ましくは少なくとも１ヶ月、少なくとも３ヶ月、６ヶ月、９ヶ月、そして少なくとも１年、１年半、２年、そして１０年もの間といったより長い期間にわたって提供する。ｐＨ電極、イオン選択性電極またはレオドックス電極、および基準電極を含む電気化学的またはポテンシオメトリックセンサも記載される。基準電極は、少なくとも１週間の間、好ましくは少なくとも１ヶ月、２ヶ月、３ヶ月、６ヶ月、９ヶ月、そして少なくとも１年、１年半、２年、そして１０年もの間といったより長い期間にわたって安定である液体連絡電位を維持するための手段を含む。
【００１７】
ナノチャネルのアレイからなる新規の微小流体連絡部構造を使用することにより、基準電極に関して以前は達成不可能であった安定した電位、低連絡部電位、低電解液消耗率を生成し得ることが予期せずに見出された。好ましくはこれらの結果はナノチャネルの数、ナノチャネルの断面幅、および連絡部を通る基準電解液の正の線形流速との組み合わせを使用することによって達せられる。したがって本発明の連絡部構造は、異なった特徴中、（１）過渡的、静的、および攪拌誤差を抑制する高電解液速度、（２）実質的に一定な連絡部電位、（３）連絡部内での流量および流速に揺らぎがあっても実質的に一定な電位、（４）小さな連絡部電位、（５）低連絡部抵抗、および／または（６）非常に低い電解液の消耗、によって特徴付けられる。
【００１８】
したがって本発明の一つの目的は、以前は達成不可能であった比較的一定、不変で固定した連絡部電位を１ヶ月から１年、２年、３年、さらには１０年までの間といった長い期間にわたって、基準電解液を補給する必要なく維持する、流動性連絡部構造を有する基準電極を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、比較的長い期間にわたって比較的少量の電解液で機能し、実質的に過渡的誤差、静的誤差、および攪拌誤差のない、実質的に一定の液体連絡電位を提供する流動性液体連絡部を提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、極端なｐＨの試料溶液、高電荷イオン濃度の比較的高い溶液、および／またはイオン強度の低い溶液中の過渡的、静的、または攪拌誤差を最低限に抑えた基準電極を提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、「リークパス（ｌｅａｋ ｐａｔｈ）」または「制御拡散」連絡部のいずれでもない流動性液体連絡部を提供することである。本発明のこの流動性液体連絡部において、連絡部構造または部材を越えて試料溶液中へと向かう流体力学的輸送がある。好ましくはこの流体力学的輸送は、連絡部のナノチャネルへと逆拡散する試料溶液に効果的に対抗するのに十分な高速で行われる。この逆拡散を防止することは連絡部電位を安定で、過渡的、静的、および攪拌誤差がない状態に１ヶ月から１年、２年、３年、さらには１０年までといった長い期間にわたって維持するのに役立つ。
【００２２】
本発明の別の目的は、広範囲の電解液の流速にわたって一定の液体連絡電位を提供する流動性連絡部構造を提供することである。液体連絡構造は、様々な速度範囲内で電解速度が変化しても比較的および実質的に揺らぎのない一定の電位を提供する。
【００２３】
本発明の別の目的は、比較的長い期間にわたって基準電解液の補給または関連するメンテナンスをせずとも機能する、流動性連絡部のある基準電極を提供することである。したがって本発明による基準電極は、１年、１０年、２０年、３０年、４０年、５０年、６０年、７０年、８０年、９０年、さらには１００年もの間にわたって１００ｍＬ足らずの電解液の使用で機能し得る。
【００２４】
本発明の別の目的は、年間１ｍＬの電解液しか消耗しないような、少量の電解液しか使用しない流動性連絡部基準電極を提供することである。本発明の特定の好適な実施形態において、基準電極は１０年、２０年、３０年、４０年、５０年もの間にわたって、もしくは１００年もの間にわたって１００ｍＬの電解液のみで機能でき、または他の実施形態では、週当たり１ｍＬ、月当たり１ｍＬ、または６ヶ月当たり１ｍＬで機能できる。
【００２５】
本発明の別の目的は、低電解液抵抗を提供するナノチャネルのアレイからなる連絡部構造を提供することである。個々の各ナノチャネルの電解液抵抗は高いが、ナノチャネルのアレイ全体は比較的低い電解液抵抗を有する液体連絡連絡部構造を提供する。
【００２６】
本発明の別の目的は、実質的および効果的に液体連絡へと逆拡散する試料流に対抗するのに必要な電解液の線速度を達成し、これにより過渡的、静的、および攪拌誤差を防止するナノチャネルの加圧アレイを提供することである。
【００２７】
本発明の別の目的は、実質的および効果的にガス泡または粒状物質による汚れおよび閉塞を低減するのに必要な電解液の線速度を達成する、ナノチャネルの加圧アレイを提供することである。
【００２８】
本発明の別の目的は、基準電解液が流れるナノチャネルのアレイにわたって圧力差を提供することである。アレイ内の通常のナノチャネルそれぞれの大きさは十分に小さいため、長い期間にわたって非常に少量の電解液の使用で高い電解速度が達成できる。このような長い期間は何年さらには何十年もの間であり得る。
【００２９】
本発明の別の目的は、加工産業環境（ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）で機能するのに十分強固で、かつポータブルな微小流体モジュールベースの解析デバイス中に基本的構成要素として組み込むのに十分小さな基準連絡部構造を提供することである。
【００３０】
本発明の別の目的は、例えば遠隔地で用いるハンドヘルド分析デバイスや現地基地、野戦病院、緊急基地等で用いるポータブル解析デバイスのような、微小流体デバイス中への互換性および統合のために小型化できる液体連絡構造を提供することである。
【００３１】
本発明の別の目的は、プレーナ加工の技術で製造できるナノチャネルのアレイを有する基準連絡部構造を提供することであり、これにより基準連絡部構造は様々な微小流体構造およびデバイスの一体部分としてバッチ生産できる。
【００３２】
本発明の別の目的は、中規模および微小規模の微小流体デバイス中に完全に統合できる実質的に不変の液体連絡構造を提供することである。
【００３３】
本発明の別の目的は、微小流体デバイス中への互換性および統合のために小型化できる液体連絡構造を提供することである。本発明のさらなる関連した目的は液体連絡構造を提供することであり、これは一般の微細加工技術を用いることで到達できる。
【００３４】
上記目的のうち１つも達成する必要のないデバイスであっても本発明の範囲内にある。
【００３５】
基準電極の使用と設計の概説
本明細書中に開示される、微小流体流動性液体連絡およびかかる微小流体流動性液体連絡を組み込んだ基準電極は、遠隔地および／または危険地への、およびインライン処理条件への電気化学的モニタリングの用途を拡大する。それらを使用することによりコストが削減され、モニタリングならびに化学的および生物学的産業工程の効率が高まるであろう。センサの有効寿命を延長し校正を長い期間にわたって維持する基準電極は、必要な整備を劇的に低減し、効率を高め、コストを削減する。
【００３６】
基準電極は最も典型的には例えば以下のように用いられる。溶液のイオン濃度の測定において、基準電極は一般的にはガラスｐＨ電極などの検出電極とともに、両電極を試験溶液に浸漬して用いられる。２つの電極間の電位差は溶液中の特定のイオンの濃度の関数である。典型例は溶液の水素イオン濃度の測定に用いられる従来のｐＨメータとｐＨ電極の対である。
【００３７】
基準電極は、試料溶液中の所与のイオンの活量（これは濃度の関数である）を測定するために、ｐＨ電極または酸化還元電極のようなイオン検出電極とも、別個にまたは組み合わせて多く用いられる。２つの電極、例えば基準電極とイオン選択性電極または基準電極と酸化還元電極は、両方とも試料溶液に浸漬されており、通常２つの電極間の電位差を測定する手段、例えば電位計に接続されている。基準電極は、イオン選択性電極の電位を対照する一定の起電力または電位を提供するものである。後者の電位は、この電極の電気化学的半電池からの一定要素と、検知膜にわたる電位であり測定中のイオンの活量（濃度）に依存する可変要素とからなる。したがって可変要素は周知の手段によりイオン活量（濃度）と容易に相関される。精確な結果を得るために、基準電極の電位は試料の組成とともに変化すべきではない。
【００３８】
上記の用途に用いられる場合、基準電極は比較的一定または安定な電位を確立することになっており、この電位は理想的な状況では液体試料の組成とは無関係であるが、実際には液体連絡電位によって変化する。液体連絡電位は試料溶液と基準電解液の間の界面で生じる電位差である。この界面は通常は連絡部において存在する。連絡部電位は様々な稀釈および試料と電極の間の様々なイオン組成によって変化するであろう。これらの変化は測定結果に影響を及ぼし、これらの結果は時間を経るにつれて不正確もしくは誤差を招くようになるであろう。
【００３９】
基準電極は、典型的には塩溶液を含有する管内に支持される内部の半電池からなり、かかる塩溶液の管は塩橋として知られる。塩橋溶液は塩化カリウムや硝酸カリウムのような強い等速運動性（ｅｑｕｉｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｔ）の塩溶液である。塩溶液と試料または試験溶液の間の電気接続は、一般に液体連絡構造またはリーク構造と呼ばれる、管に適切に形成された開口部または通路を通る液体流動によりなされる。内部の半電池構造、管、塩溶液、および液体連絡構造からなるユニット全体をしばしば半電池と呼ばれるが、本明細書に関してはこのユニット全体を基準電極と呼ぶ。
【００４０】
定義
本明細書中で用いる「ナノ構造」という用語はおよそ１〜およそ５００ｎｍの範囲の寸法を有する組立部品を指す。したがって、「ナノチャネル」とはおよそ１〜およそ５００ｎｍの幅を有するチャネルを指す。
【００４１】
本明細書中で用いる「質量移動」および「質量輸送」という用語はそれぞれ、拡散、移動、および対流を含む質量の流動のメカニズムを指す。
【００４２】
本明細書中で用いる「試験溶液は実質的にナノチャネルのアレイに流入しない」という語句は、連絡部のナノチャネル中に試験溶液が逆拡散して基準電極の電位を測量可能なほど変えてしまうことが実質的にないことを表す。
【００４３】
本明細書中で用いる「微小流体の」という用語は、一般的にミクロンまたはサブミクロンスケールで加工されるチャネルまたはチャンバーを有する構造またはデバイスを指す。かかる構造およびデバイスは、およそ１０ｎｍ〜およそ５００μの範囲の断面寸法を少なくとも１つ有することが好ましい。フォトリソグラフィ、湿式化学エッチング等といった一般に半導体電子産業と関連付けられる技術は、通常微小流体構造の加工において用いられる。かかる構造はプレーナ集積回路加工技術を用いて、例えばシリコン、ポリマー（プラスチックを含む）、セラミック、ガラス、および石英にバッチ加工できる。
【００４４】
本明細書中で用いる「流体力学」という用語は、流体の動きおよび制御の学問を指す。微細機械加工された流体部品は、流体流動の精確な制御が必須であるものに革命的な用途の可能性を提供する。ノズル、ポンプ、チャネル、槽、ミキサ、発振器、および弁を備える微小流体装置が、調剤、インクジェット印刷、ならびに液体、気体、および液体／気体混合物の一般の輸送を含む多様な用途に用いられている。これらのデバイスの利点には低コスト、分析性能の向上、および試薬の低消費が挙げられる。
【００４５】
本明細書中で用いる「半電池電極」という用語は、半電池電解液を有する固相で電子導電性の接点を意味し、かかる接点において半電池電解液と接点との間の安定した電位を確立する半電池酸化還元反応が起こる。米国特許第４，４９５，０５２号を参照。
【００４６】
本明細書中で用いる「電気化学的」という用語は、電気化学を利用する全ての使用および／またはセンサを指し、「ポテンシオメトリック」という用語はこれに含まれる。
【００４７】
本発明の製造
集積回路（ＩＣ）技術を用いた電気化学的センサの微細加工が試みられているが、実（ｔｒｕｅ）の基準電極を構造中に組み込むことには失敗していいる。Ｍａｒｋ Ｍａｄｏｕ， ”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，” １９９７， ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ， ｐｇ． ４６９を参照。安価で、製造が簡単で、使い捨て可能で、かつ感度の高い単純なデバイスを開発する大きな可能性がある。これらのデバイスは多様な安定した（ｈｅａｌｔｈ）指標のための単純な小型診断用具であることが証明できる。
【００４８】
試料溶液が物理的連絡部（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）へと逆拡散すると、校正をシフトする（静的誤差を生じる）だけでなくいかなる測量点においてもセンサ信号をドリフトさせる（過渡的誤差を生じる）連絡部電位が生じる。かかる逆拡散は、電気化学的センサから正確なデータを得るのに必要な校正の頻度を大幅に増大させる。このことは所有費用を増し、このようなデバイスが無人で機能できる期間を限定する。これは、湖や川において水化学をモニタリングし、長い期間にわたって整備や再校正なしで動作する必要がある遠隔検知装置に関して特に問題である。
【００４９】
逆拡散を最小限に抑えようとする大抵の試みには、大量の電解液、電解液槽の定期的な補充、および他の関連する整備を要する流動性連絡部構造が必要とされる。このことはセンサデバイスの操作の複雑性を増大させ、技術者による定期的な整備を要求することにより所有費用を増す。これは湖や川の水化学をモニタリングするよう開発された遠隔環境検知装置には特に問題である。
【００５０】
体積流量および電解液消耗は、典型的には一方のために他方を妥協して解決されるものであり、一方のパラメータが低減すると他方のパラメータが増加する。したがって本発明の目的は、上述のように、逆拡散を防止し、一方でナノチャネルのアレイを流れる電解液の線速度を著しく増大し、体積流量を最小限に抑える基準構造を提供することである。この速度によって基準構造への試料の逆拡散が抑制され、基準電極が長い期間にわたって再校正せずとも動作可能になる。
【００５１】
本発明の実施形態は、微小流体構造においてナノチャネルのアレイを用いて高電解速度を達成しながら、同時に非常に低い体積流量を利用し、かつ電解液のごく少量のみを利用する連絡部構造を提供する。ナノチャネルのアレイを備える微小流体構造は１００ｍＬの電解液で１年〜１００年間動作できる。または１ｍＬの電解液で小さくて使い捨ての測定装置が実験室精度で２週間〜１年間、野戦病院のような厳しい環境において動作可能となる。
【００５２】
本発明の実施形態は、基準連絡部の安定性と電解液の消耗という長年の問題を実質的に軽減する。本発明の実施形態により、ポテンシオメトリックセンサ装置は長い期間にわたって再校正や電解液の補給をせずとも機能し得る。
【００５３】
本発明の実施形態は、精確なポテンシオメトリック測定を、遠隔で動作するデバイスおよび装置により長い期間にわたって整備なしで行うことを可能にする微小流体基準連絡部構造を提供する。
【００５４】
上記基準構造は微小流体デバイス中への互換性および統合のために小型化できる。このような小型化は既存の連絡部構造との性能および安定性のトレードオフに支配され得る。本明細書中に記載する微小流体流動性液体連絡が高性能を達成するのは、そのナノスケール構造のためである。これは使い捨て微小流体チップ、ディスク、またはブロックのような微小規模のデバイス中にサブコンポーネントとして含まれるのに既に十分小さい。それにもかかわらず当該微小流体流動性液体連絡構造は十分強固であるので、マクロスケールの工業用インラインセンサ組立部品または中規模の分析用ハンドヘルドデバイスの液体連絡として容易に使用できる。
【００５５】
微小流体工学とナノ技術の革新的組み合わせを用いた実質的に一定の液体連絡電位を有する基準電極が記載される。液体連絡電位の可変性はポテンシオメトリック測定の精度における重大な要素である。この変動を取り除けば安定性、精度および再現性の向上したポテンシオメトリック測定が可能になるだろう。実質的に一定の液体連絡を有する基準電極は一回の校正を長い期間にわたって維持することができる。校正と整備を減らすことにより、コストが削減され遠隔地および危険地をモニタリングする能力が向上するだろう。
【００５６】
本明細書中に記載する基準電極は、微小流体の概念を使用してナノチャネルのアレイを液体連絡構造に組み込むことが好ましい。この微小流体流動性液体連絡は±０．５ｍＶ（およそ０．０１ｐＨ単位）に再現可能な一定の電位を維持することが好ましく、１年を越える寿命を有することが好ましい。重要な一要素は液体連絡の安定性である。電解分析装置において、基準電解液と試料溶液との間の界面は液体連絡を構成する。これら２つの溶液の最初の組成が同じでない限り、装置は釣り合わない。液体連絡領域が釣り合っていなくても、その組成が効果的に一定である場合、かかる領域を通る電荷の可逆的な移動が考えられる。Ｂａｒｄ， Ａ． Ｊ．； Ｆａｕｌｋｎｅｒ， Ｌ．Ｒ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８０； ｐｐ ６１−６４を参照。液体連絡電解液が適切に外側へと流れるようにすることは、液体連絡電位の変化を抑制するのに役立つ。Ｂｒｅｚｉｎｓｋｉ， Ｄ． Ｐ．  Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｔ １９８３， １０８， ４２５を参照のこと。したがって組成が一定で、かつ狭く、明確に区分された液体連絡領域を維持することによって、基準電極の液体連絡電位安定性が保護される。かかる装置は少量の電解液を使用し、１年以上にわたって低度の整備でまたは整備なしで動作する実用的なデバイスとなっている。
【００５７】
液体連絡電位に影響する要因としては温度、イオン強度、イオン種と分子種の基準構造を超えての移動を含む。最も安定で再現性のある基準電極は流動性液体連絡を用いる。電解液の絶え間ない流れが界面を超える一定量のイオン移動を維持する。さらに、電解液の絶え間ない流れは試料の基準電解液への逆拡散も防止する。しかしながら、従来の流動性連絡部は大量の電解液を使用しかなりの整備を必要とすることがあり、大抵の工業用用途には非実用的である。
【００５８】
微小流体流動性液体連絡は、微小流体工学およびナノ技術における最近の発展に由来する構造のナノチャネルのアレイに含むことができる。この技術により、最少量の電解液のみを使用しながらも液体連絡を通る十分な電解液の流れを生み出し、連絡部構造の汚染を排除することが可能となる。微小流体流動性液体連絡は一定の電位を長い期間にわたって維持することが好ましく、電解液の容量を年間５０ｍＬ（１時間当たり６ｍＬ）未満の体積流量に制限することが好ましい。これにより、好ましくは少なくとも１週間、２週間、１ヶ月、半年、または１年の期間わたって整備も再校正も不要である基準電極が、したがってポテンシオメトリックまたは電気化学的センサが可能となる。
【００５９】
微小流体流動性液体連絡の使用の実現可能性は以下に示すことができる。（ｉ）ナノチャネルのアレイ全体の電解液抵抗を定めること、（ｉｉ）ナノチャネルを通る電解液の流れを、加えた圧力、ナノチャンネルの材料、およびナノチャンネルの寸法の関数として特徴付けること、（ｉｉｉ）試料溶液の基準電極への逆拡散を排除するのに必要な、ナノチャネルを通る電解液速度を定めること、および（ｉｖ）実験基準電極を形成し、微小流体流動性液体連絡を用いて安定した基準電位を実証すること。
【００６０】
さらに、微小流体流動性液体連絡は以下のようにさらに最適化できる。（ｉ）電解速度、ナノチャネルの材料および寸法を最適化すること、（ｉｉ）適切なポンプ機構および設計を開発すること。
【００６１】
本明細書中の以下の記載は２部に分かれている。第１部は微小流体流動性液体連絡と、基準電極におけるその使用の技術的考察であり、液体連絡およびその電位、マイクロチャネルを通る輸送、ならびにナノチャネルのアレイの有用性に関する理論的および概念的考察を含む。第２部は様々なタスクを達成する方法を列挙し説明するもので、微小流体流動性液体連絡の基準電極に関する機能性を示すために用いた試験および実験の考察を含む。
【００６２】
微小流体流動性液体連絡を有する基準電極
微小流体流動性液体連絡を有する原型は以下のように組み立てられる。好ましい液体連絡は、異なるナノチャネルのアレイを容易に交換できるモジュラー設計を有する。同時測定が可能となるように６個の電極が構築される。ナノチャネルのアレイは２個のシリコンゴムガスケットの間に挟まれている（内径（ｉｄ）およそ１ｍｍ）。ガスケットは圧縮されて電極体を密封する。基準電極は可変の内部圧力を許容する。基準槽に気圧を加えることで基準電解液を流動させる。圧力差は４０ｐｓｉまたは１００ｐｓｉに制限される。基準槽は４．０Ｍ  ＫＣｌを５０ｍＬ含有し、Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極を使用する。
【００６３】
ナノチャネルのアレイの電解液抵抗の決定
ナノチャネルのアレイの電解液抵抗はＡＣインピーダンスにより測定される。Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  ＡＣインピーダンス装置が利用できる。ナノチャネルのアレイを２つのＵ字管透過型電池（Ｕ−ｔｕｂｅ ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）の中間に固定する。両半電池は４．０Ｍ  ＫＣｌで満たされる。作用電極および基準電極が一方の半電池（アレイの片側）に配置され、対極が他方の半電池（アレイのもう片側）に配置される。高周波数のインピーダンス（例えば５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）が実であり溶液抵抗に対応する。この構成において、溶液抵抗は３つの成分、すなわち第１の半電池における抵抗、第２の半電池における抵抗、およびナノチャネルのアレイの抵抗を有する。半電池の抵抗はナノチャネルのアレイの抵抗に比べて無視できるほど小さい。これは同じ実験をアレイなしで繰り返すことにより確認できる。必要であれば、この実験で測定された溶液の抵抗を、ナノチャネルのアレイが定位置にある場合に測定した抵抗から引く。測定された抵抗を、以下の式（３）を用いて得られる計算値と比較する。
【００６４】
電解液の体積流量および線速度の特徴付け
ナノチャネルのアレイを通る基準電解液の流量および速度を、加圧、ナノチャネルの寸法、およびナノチャネルの材料の関数として定める。加圧は０（拡散）〜４０ｐｓｉｇの間で異なる場合がある。流量は超純水５０ｍＬ中に連絡部を設け、その過渡伝導率（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を測定することで測定できる。実験により定めた流量は、以下の式（２）を用いて計算される予測流量と比較してもよい。線速度はナノチャネルのアレイの孔密度および寸法に基づいて計算できる
【００６５】
帯電したナノチャネル壁（ｎａｎｏｃｈａｎｎｅｌ ｗａｌｌｓ）が基準電解液の輸送に及ぼす影響も調査できる。塩化物イオンは金表面に容易に吸着するので、Ａｕナノチャネルは最終的に負の電荷を持つ場合がある。この場合、ナノチャネルは陽イオン選択透過性である。しかしナノチャネルは、プロパンチオールで前処理されている場合には不活性の中性被膜を有し、塩化物イオンは吸着しない。帯電壁がどんな影響を輸送に与えるかを確認するには、負に帯電した壁および中性の壁を有するＡｕナノチューブを通る流量を比較する。この比較により、圧力によってナノサイズの孔隙を通る流動を伴う選択透過性の輸送メカニズムに関する有益な情報が得られる。
【００６６】
電解液の線速度の関数としての逆拡散の測定
速度の関数としての逆拡散は、カスタムデザインの圧力電池を用いて測定できる。この電池は供給（ｆｅｅｄ）半電池および永久半電池からなる。供給半電池はＫＣｌ  ４．０Ｍを含有する。永久半電池は強吸着性色素分子（例えばローダミンＢ）の希釈水溶液である場合がある。永久半電池から供給半電池への色素の逆拡散は、分光光度法で加圧の関数として測定することができる。逆拡散量は供給半電池中に現れる色素の時間的経過を追うことで測定することができる。供給半電池から永久半電池へと向かう溶液の流速は永久半電池の導電性（供給半電池からのＫＣｌの輸送による）を時間の関数としてモニタリングすることにより測定することができる。このようにして、基準電極室中への色素の逆拡散（永久半電池から供給半電池へ）を排除するのに必要な溶液の最低速度（供給半電池から永久半電池へ）が決定される。
【００６７】
微小流体流動性液体連絡と標準基準連絡の比較
微小流体流動性液体連絡を有する基準電極を従来の基準連絡と比較して、その相対電位および基準電極に関する有用性を決定し得る。微小流体流動性液体連絡を有する基準電極はｐＨ測定に用いることができ、その反応を異なる基準電極と比較できる。基準電極の全体的な安定性および性能は（ｉ）過渡的誤差、（ｉｉ）静的誤差、および（ｉｉｉ）攪拌の誤差から決定される。
【００６８】
まず、電極がある溶液から別の溶液へと移動される際に、第１の溶液が少しでも液体連絡内にとどまった場合、測定される電位は元の溶液の寄与を受けてしまう。これを記憶効果もしくは過渡的誤差と呼ぶ。恒久的な汚染にもかかわらず、液体連絡は絶え間ない基準電解液の流出により再生され得る。記憶効果すなわち過渡的誤差は、安定した電位反応を達成するために必要とされる時間を測定することにより決定できる。微小流体流動性液体連絡の反応時間を典型的液体連絡および拡散型参照液体連絡と比較し得る。
【００６９】
次に、試料溶液を攪拌すると測定されるｐＨが変化し得る。攪拌は電位測定に少なくとも２通りの影響を及ぼし得る。流動電位（ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）は試料溶液の対流から形成（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）できる。これは基準電解液のイオン濃度が試料溶液と異なる場合に、特にイオン種の強度が低い試料溶液において、明らかとなる。流動電位に加え、攪拌試料溶液は液体連絡の汚染を高め得る。
【００７０】
試料溶液中の圧力の影響は４０ｐｓｉｇまで、あるいは５０、６０、７０、８０、９０、１００ｐｓｉｇまで測定できる。さらに微小流体流動性液体連絡の温度に対する潜在的依存度を定めることができる。
延長された時間にわたる微小流体流動性液体連絡部の性能
微小流体流動性液体連絡部のある基準電極は、長期にわたり標準的なｐＨ緩衝液中に置かれることができる。長期にわたる試験を廃水および土を含む異なる媒質で行うこともできる。微小流体流動性液体連絡は、不都合な試験状況においても、２４時間に渡ってその校正を０．５ｍＶ以内に保持することが好ましい。しかしながら、微小流体流動性液体連絡は、好ましくはより長い時間に渡っても一回の校正を維持することが好ましい。
【００７１】
微小流体流動性液体連絡部の好ましい態様
本発明のある好ましい態様は、以下に記載するものであり、その多くは本明細書に記載する詳細な実施例を通してさらに明らかになり、またその多くは、本発明の様々な実施の形態において認めることができ得る。
【００７２】
本発明の好ましい態様によれば、電解液流チャネルのアレイが連絡部材に備えられている。本明細書に示すように、単一のチャネルに対向するアレイは、電解液消費を最小にしながら全体の連絡抵抗を低下させる。各チャネルは抵抗が非常に高くなり得るが、アレイのチャネル全ての抵抗合計は抵抗の小さい様々なオーダとなる。チャネルの単一または複数のアレイなしには、連絡構造抵抗は通常、実際的な使用には大きすぎるであろう。
【００７３】
本発明の別の好ましい態様によれば、連絡部材にナノチャネルのアレイが備えられている。ナノメータ範囲（たとえば、およそ１００ｎｍまたはおよそ７０ｎｍより小さい）の下端にある内径を有するチャネルにより、比較的少量のみの電解液を消費しながら、好ましい上昇した電解液線速度、およびほぼ一定の液体連絡電位を達成することができる。また、ナノチャネルのアレイは１０３、１０４、１０５または１０７のナノチャネルを含む。体積流量は、好ましくは一ヶ月あたりおよそ５０ｍＬより少なく、また、一ヶ月あたりおよそ２リットル、１リットル、５００ｍｌ、３００ｍｌ、２５０ｍｌ、２００ｍｌ、１５０ｍｌ、または１００ｍｌより少なくてもよく、より好ましくは一年あたりおよそ５０ｍｌより少なく、また、一年あたりおよそ２リットル、１リットル、５００ｍｌ、３００ｍｌ、２５０ｍｌ、２００ｍｌ、１５０ｍｌ、または１００ｍｌより少なくてもよい。また、用いるナノチャネルの半径または有効幅に依存する線形流量は、好ましくは一秒当たりおよそ０．１ｃｍより大きく、用いるナノチャネルの半径または有効幅に依存して、好ましくは一秒あたり０．０００１ｃｍ、０．００１ｃｍ、０．０１ｃｍより大きくともよい。
【００７４】
本発明の別の好ましい態様によれば、液体連絡部材に異方性転位（ａｎｉｏｓｔｒｏｐｉｃ）チャネルが設けられている。このようなチャネルは、ほぼまっすぐで、互いに対して平行であり、ほぼ全てのチャネルを通る流れのほぼ一様な分布を提供する一様な孔隙寸法を有する。このようなチャネルは、好ましくは本明細書およびＨｕｌｔｅｅｎ Ｊ． Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ． Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｃｈｅｍ． １９９７， ７， １０７５に記載された「テンプレート合成（ｔｅｍｐｌａｔｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）」法に従って作成され得る。
【００７５】
本発明の別の好ましい態様によれば、およそ１００ナノメータより小さい、またはおよそ７０、５０、４０、もしくは３０ナノメータの内径を有するチャネルが設けられている。これらの寸法のチャネルにより、電解液流速、最小の電解液消費およびアレイ抵抗の望ましい組合せを得ることができる。
【００７６】
本発明の別の好ましい態様によれば、およそ１００ナノメータより長く、およそ１０ミクロンより短いチャネル長が設けられている。この寸法範囲（またはより小さい）のチャネルにより、電解液流速、最小の電解液消費およびアレイ抵抗の好ましい組合せを得ることができる。
【００７７】
本発明の別の好ましい態様によれば、およそ１億（１０８）より少ない数のチャネルが設けられる。この数よりも少ない数のチャネルを有するアレイにより、電解液流速、最小の電解液消費およびアレイ抵抗の望ましい組合せを得ることができる。
【００７８】
本発明の別の好ましい態様によれば、およそ０．１ｃｍ／秒より速い、高い電解液速度を有する駆動流体（ｄｒｉｖｅｎ ｆｌｏｗ）が設けられている。流速は連絡部を通る好ましい電解液の流量を決定する要素である。この速さまたはこれ以上の速度が、試料液による、各ナノチャネルへの浸透を実質的に阻止するために必要である。電解液消費を最小にするために流量（体積および速度）を制限する、一般的に用いられている方法とは反対に、本発明における好ましい実施形態では、比較的少量の電解液を使用しつつ、ナノチャネル構造における速度を大幅に加速する。
【００７９】
本発明の別の好ましい態様によれば、電解液の体積消費を減らすことができる。流動性連絡部設計には、従来、比較的大量の電解液が用いられ、電解液を頻繁に補充し、それに関連するメンテナンスが必要とされる。この基準連絡部設計パラメータにより、基準電極電解液の流量を大幅に減らされた、優れた電解液速度を提供することができる。たとえば、標準的な動作条件では、１年当たりわずか１ｍｌしか消費されない。消費本発明の好ましい実施の形態によって、電解液補充の必要および最小の試料の汚染なしに、延長した時間間隔に渡って機能することができる連絡設計を提供する。本発明のある実施の形態では、たとえば、１００ｍＬの電解液のみで９０年まで作動することができる。
【００８０】
本発明の別の好ましい態様によれば、連絡部にわたっておよそ１０００キロオーム（１メグオーム）より小さい抵抗を有する小さい連絡部抵抗が提供される。微小流体流動性液体連絡電極は、連絡抵抗を犠牲にせずに高い速度および小さい体積の電解液の使用を達成するように示されている。
【００８１】
本発明の別の好ましい態様によれば、広範囲の連絡部流量および流速にわたって安定した連絡電位を保持する連絡が提供される。意外にもこの新規な連絡部は、様々な流量および流速において様々な内部電位を生成しない。かかる結果は従来の教示に反する。この予期していなかった特性により、一定の流量および流速を保持する必要が軽減される。重要なのは、加圧駆動装置において、流量は、電解液が使い果たされていくのにつれて低下することである。教示と予想に反して、連絡電位は広範囲の圧力と流量に渡って一定のままである。このため、電解液は、可撓性のある、加圧された折り畳み式ブラダー（ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅ ｂｌａｄｄｅｒ）内に保持され得る。
【００８２】
本発明の別の好ましい態様によれば、組合せセンサ（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）を作成するために、任意の既知の様々な検知電極と容易に組み合わせることができる基準電極が設けられている。
【００８３】
本発明の別の好ましい態様によれば、電池式の補償回路を用いることができる組合せセンサが提供される。この回路は、センサ内の固有のオフセットを実質的になくし、２つの標準間のセンサ応答の傾斜を最大化するように設計されている。
【００８４】
本発明の別の態様によれば、連絡部に渡って一定の圧力を保持する必要はなくなる。圧力は４０ｐｓｉｇの高いものから１０ｐｓｉｇの低いものまで様々であり、ほぼ誤差なく保つ。
【００８５】
本発明の別の態様によれば、連絡部材を通して電解液の所望の流れを保持するために様々な機構が用いられる。たとえば、折り畳み式ブラダー、電気浸透圧流もしくはポンプ、もしくは電気流体力学流もしくはポンプような空気被駆動流（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｄｒｉｖｅｎ ｆｌｏｗ）またはポンプを用いることができる。また、たとえば、ピストン駆動式のポンプもしくは流れ、またはバネ駆動式ピストンのポンプもしくは流れ、または圧電流もしくはポンプ、もしくは電気流体力学流またはポンプのような機械式ポンプまたは流れを用いることができる。かかるポンプは当分野では既知であり、Ｍａｒｃ Ｍａｄｏｕによる「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」１９９７， ＣＲＣ， Ｐｒｅｓｓ， ｐｇ．４３１−４３３において記載されている。
【００８６】
本発明の別の態様によれば、微小流体流動性液体連絡部の内壁は、電解液の流れを変えるために物理的にまたは化学的に変更することができる。たとえば、その構造の内壁は、電解液の流れを強化するための物質で被覆することができる。また、たとえば、機能性を高め、付加的な機能性または性能利得を得るために、金、白銀、パラジウム等の金属、あるいは別の非反応性の金属または合金もしくはそれらの組合せでその構造の内壁をメッキすることができる。また、たとえば、壁は、ポリシオール（ｐｏｌｙｔｈｉｏｌ）またはポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）のような親水性ポリマーまたは疎水性素材を付加することにより、親水性となり得る。また、ナノチャネルを通して電解液の流れ、特に、小さい方のナノ構造の流れを変えるために界面活性剤を電解液に添加することもできる。
【００８７】
［実施例］
本発明の、微小流体流動性液体連絡部および関連する電極が、様々な実施の形態において説明される。これらの実施の形態は好ましく、様々な特定の物質から作られるナノチャネルアレイを有する微小流体流動性液体連絡構造を有する。本分野に既知の技術に従って、基準電極構造の端部に取り付けることのできる、好ましくは丸い薄ウエハー（ｗａｆｅｒ）や膜に、それぞれの好ましい構造を形成することができる。各連絡構造により、基準電極の内部電解液の槽からナノチャネルアレイを通って試料液に流れることができる。
【００８８】
図１は、本発明による微小流体液体連絡構造１０２を有する例示的な電位基準電極１００の典型的ダイヤグラムを示す。基準電極１００は、一方側にシール１２０と、他方側の適所に連絡構造１０２を密封するための圧縮手段１２２とを備えるチャンバー１１４を含む。基準電極１００は電気化学半電池１０８、電気導体１１８、基準電解液槽１１０を含む。電解液槽１１０は、可撓性エラストマーリザーバーバッグ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂａｇ）１１２に収容され、この可撓性エラストマーリザーバーバッグは、チャンバー１１４の残りの部分を充填する圧縮ガス１１６から電解液槽１１０を分離する。圧縮ガス１１６はリザーバーバッグおよびその中にある電解液を圧縮し、これによって、電解液１１０が開口１３０を通り、微小流体流動性液体連絡部材に入ってそこを通り、オリフィス１３２から出て試料のストリーム（図示せず）に駆動される。このようにして、図１に示される基準電極１００は、内部の電気化学半電池１０８および試料液（図示せず）の間に電解液の接触を作るために微小流体流動性液体連絡構造１０２を使用する。
【００８９】
図２は基準電極チャンバー１１４の端部に微小流体流動性液体連絡部１０２を密封する圧縮手段１２２の断面図を示す。ねじを切ったリテーナリング１２４は、Ｏリング１２６とガスケット１２８に対して微小流体液体連絡構造１０２を圧縮し、それによってこれを基準電極チャンバー１１４の端部に密封する。被加圧電解液１１０は開口１３０を通って、微小流体液体連絡構造１０２に入りこれを通り、オリフィス１３２から出て、試料のストリームに押し流し込まされる（図示せず）。
【００９０】
図３は、圧縮手段１２２の直径に沿った分解組立図を示す。この実施の形態において、微小流体液体連絡構造１０２は円形のプレーナー部材である。
【００９１】
図４は、最も初期の形態である単一のプレーナー部材の微小流体液体連絡構造１０２の概略断面図を示す。図示のように、微小流体液体連絡構造１０２はプレーナー基板１０４で製造されている。適切な基板物質は通常、コスト、製造の容易さ、寸法安定性、機械的強度、および構造が作動している特定の環境に存在する状態との適合性に基づいて選択される。このような状態は、ｐＨの極値、温度、イオン濃度、有機溶媒が存在することを含み得る。有用な基板物質は、ガラス、石英、セラミック、シリコーン、ポリシリコーン、並びにポリカーボネート、ポリイミドのようなポリマー素材、および、通常、マイクロ製造技術に用いられるその他のプラスチックを含む。
【００９２】
連絡構造１０２は、基板１０４を通して製造され、通常、基板１０４のプレーナー軸に対して実質的に垂直である多数のナノチャネル１０６を含む。これらのナノチャネルは通常、好ましくはおよそ１ｎｍから５００ｎｍの間の範囲である、とても小さい断面寸法を有する。これは、小さな、ナノチャネルの名称の由来になっている、ナノチャネル１０６のナノメータ目盛りの断面幅である。特定の好ましい実施の形態において、およそ１０ｎｍ〜１００ｎｍの断面幅、およびおよそ０．５μｍ〜２００、３００，または５００μｍまでの長さを有するナノチャネル１０６が最も効果的に作用する。しかし、これらの寸法からの逸脱も本発明の範囲内である。
【００９３】
微小流体液体連絡構造１０２に存在する多数のナノチャネル１０６は、アレイ１０５として総称される。構造１０２に存在するナノチャネル１０６の数によってアレイ１０５のサイズが特徴付けられる。ナノチャネルの数は１０から１００，０００，０００で変化することができる。さらに一般的には、一またはそれ以上のチャネルに栓をする効果がＭＬＪの実行に実質的にかつ不利に効果を及ぼさない限り、ナノチャネルの数は１０９以下の全ての数より選択でき、かつ望むだけ小さくて良い。以下に記載する特定の実施の形態では、１０００から１，０００，０００の間の数のナノチャネル１０６を有するアレイ１０５が最も効果的に作用する。しかし、これらの数からの逸脱も前述のように本発明の範囲内である。
【００９４】
ナノチャネル１０６のアレイ１０５は、本発明の図示されている全ての実施の形態に共通の部材であり、特定のアレイの作用特性は、アレイ１０５の３つのみのパラメータすなわち、（１）ナノチャネル１０６の断面幅、（２）ナノチャネル１０６の長さ、（３）アレイ１０５に存在するナノチャネル１０６の数、によって特定することができる。表１は、これらの３つのパラメータに好ましい範囲の適切な値において示された範囲を示す。
【００９５】
【表１】
2004518126.tif 000003
【００９６】
基板１０４中へのナノチャネル１０６のアレイ１０５および他のミクロン寸法やナノ寸法の部材および機構の製造は、当分野で既知の任意の数のマイクロ製造技術を用いて実行することができる。たとえば、フォトリソグラフィー技術が、半導体製造工業において良く知られた方法を用いてガラス、石英、セラミック、シリコーン、ポリシリコーン、または「プラスチック」ポリマー基板において用いられる。フォトリソグラフィーマスキング、プラズマまたはウエットエッチングおよび他の半導体処理技術により、基板中および基板を通った、ならびに基盤の表面上のミクロン寸法やナノ寸法の部材を画定する。または、レーザー穴あけ、マイクロミリング（ｍｉｃｒｏｍｉｌｌｉｎｇ）、マイクログラインディング等のようなマイクロ機械方法を用いることもできる。同様に、プラスチックのようなポリマー基板には良く知られた製造技術を用いることもできる。これらの技術には帯電した粒子ボンバードメント（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｏｎｂａｒｄｍｅｎｔ）、および、その後の、ポリマー基板を通るナノ寸法およびミクロン寸法のチャネルのウエットエッチングを含む。さらなる技術には、多数の基板が生成される射出成形技術またはスタンプ成形法、またはミクロン寸法またはナノ寸法の機構を有する基板がマイクロ製造鋳型内に重合させられるマイクロ鋳造工程技術がある。
【００９７】
微小流体液体連絡構造１０２は一つのプレーナー部材または複数のプレーナー部材の積層板であり得る。このプレーナー部材は、熱結合、接着剤を含む様々な手段によって互いに接着されるか、ガラスまたはある種のプラスチックの場合には、融点まで加熱して直接融解させることによって接着することができる。さらなるプレーナー部材はアレイ構造の全体もしくは部分、またはアレイ構造部材の剛性支持部材（ｒｉｇｉｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）を形成し得る。もしくは、かかるさらなる層は、上昇した性能や追加の特徴を提供するための微小流体液体連絡構造に一体化される他の微小流体成分を含むことができる。かかる追加の素子は、圧力、流量、温度、電気抵抗、酸化還元（レドックス）電位、導電率、およびｐＨ等のパラメータを測定する微小規模のセンサおよび検知素子を含み得る。これらのセンサは電位基準電極１００および微小流体液体連絡構造１０２の性能に関するフィードバックを提供するように利用することができる。このようなフィードバックは、基準電極１００の性能の予防診断のための監視手段によって利用され得る。このような診断は、再校正の必要性を判断すること、および基準電極１００が、製造ライン上での工業用途において破損する前に十分に整備をしておく必要性を予測かつ報知することを含み得る。
【００９８】
図５は、単一のプレーナー部材として製造された微小流体液体連絡構造１０２のアレイ１０５の、直径に沿った断面図を示す。プレーナー部材はエッチングされた異方性のナノチャネル１０５の特定の密度（チャネル／ｃｍ２）を有する。本発明の実施の形態において、通常、異方性のナノチャネルの特定のチャネル密度は１０μｍの厚さシートのポリカーボネートで製造される。
【００９９】
本発明の製造プロセスの第１のステップは、１０μｍ厚さシートのポリカーボネートを、原子炉の中でほとんどの場合は重イオンである電荷粒子にさらすことである。これらの荷電粒子は、ポリマーシートに穿孔し、実質的に異方性であるポリマーにおいて増感トラック（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｔｒａｃｋ）を残す。荷電粒子への露出の持続時間を制御することで、１ｃｍ２当たりのトラック密度を再現性のある高程度まで制御することができる。これらのトラックは通常、幅がほぼ一様で、直線でまたは異方性であり、ポリマーシートのプレーナー軸に対して通常９０度の方向に横切っている。ポリマー基板におけるこのトラックは好ましくはエッチングされている。このことにより、ナノチャネルが、１０ｎｍおよびそれ以上のチャネル直径に選択的にエッチングされることができた。このエッチングプロセスは、体積比で１０％メタノールを用いた６Ｍ  ＮａＯＨ強アルカリ溶液にポリカーボネートシートを浸すことからなる。異なるチャネル横断幅を有するシートを得るため、エッチングの時間を１時間から１分まで変化させた。
【０１００】
製造プロセスの最終ステップにおいて、ポリカーボネートシートを０．５％ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）溶液の浴槽に浸すことにより被覆した。ＰＶＰ被覆は親水性であり、ポリカーボネートシートおよびナノチャネルの「親水性能力（ｗｅｔａｂｉｌｉｔｙ）」を高める。１０ｎｍより小さい横断幅のナノチャネルを有するポリカーボネートシートを得るために、１０ｎｍナノチャネルの内壁は、ナノチャネルの横断幅が５ｎｍまで低減されるまで金で一様にメッキされた。これらの製造技術によって、市販からは入手できなかった、超小型のナノチャネル横断幅および低いナノチャネル密度の組合せを含む、ある範囲のナノチャネルアレイを有するポリカーボネートプレーナー部材が得られ、分析された。
【０１０１】
ナノチャネルアレイ１０５の密度の設計により、微小流体流動性液体連絡構造１０２の一端上にある開口１３０に晒されている所望の数の流体ナノチャネル１０６、および微小流体流動性液体連絡構造１０２の他方側上にあるオリフィス１３２に晒されているこれらの対応する数の流体チャネル１０６を有するように、微小流体流動性液体連絡（ＭＬＪ）構造１０２が製造される。
【０１０２】
図６は、ともに電熱結合されて一つの構造になり得る、多重ポリマー、ポリイミドプレーナー部材１６０および１６２からの、流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１６４の製造ステップを示す。この２つのポリイミドプレーナー部材は、米国特許第５，５２５，４０５号（Ｃｏｖｅｒｄａｌｌ等）および米国特許５，９３２，７９９号（Ｍｏｌｅｓ）のポリイミドプレーナー部材を含む、技術等の様々な技術を用いて、ともに結合することができる。
【０１０３】
異方性ナノチャネルは上述したポリカーボネートプレーナー部材と同様にしてポリマーポリイミドプレーナー部材１６２内に製造することができる。ポリイミドプレーナー部材１６２は異方性ナノチャネルの特定の密度を有するように製造される。より厚いプレーナー部材１６０は、ポリイミドから、本実施形態では５μｍ〜２５μｍのオーダの横断幅を有する、比較的より大きい、ミクロン寸法のミクロチャネル１６６を含む蜂の巣構造に製造される。ポリイミドプレーナー部材１６０の蜂の巣構造は、ナノチャネル１０６を通して被加圧電解液の力を過度に妨げずに、完成した微小流体流動性液体連絡構造１６４に機械的な強度を加える。ポリイミドプレーナー部材は、米国特許第５，８０７，４０６号（Ｂｒａｕｋｅｒ等）に記載されているような良く知られたフォトリソグラフィーおよびウェットエッチング技術により、ミクロン寸法の蜂の巣構造に製造することができる。結果として生じた構造の比較的規則的な形状により、アクティブな流れのナノチャネル１０６の結果的な数は、マイクロチャネル１６６に面するナノチャネル１０６の数として計算され得る。
【０１０４】
図７は熱結合されて１つの構造部材となる２つのポリイミドプレーナー構造１６０、１６２から作られる、結果として生じた流動性微小流体液体連絡構造１６４の概略断面を示す。概して、各マイクロチャネル１６６はほぼ同じ数のナノチャネル１０６を有する小さなアレイ１６８に連結されている。作動中、被加圧電解液１１０はマイクロチャネル１６６のアレイ１６９に入り、連結されている多くのナノチャネル１０６を通り抜ける。このようにして、被加圧電解液１１０は、ナノチャネル１０６の多数の小さなアレイ１６８のアレイ１６９を通って流れる。これは、ナノチャネル１０６への電解液の被加圧流を過度に妨げない、比較的厚いプレーナー部材を作り上げるのに有用な技術である。
【０１０５】
本発明の代替的な実施の形態において、さらなる強化構造、弁、検知素子などの追加的な特徴および性能のために、微小流体流動性液体連絡構造１６４の上部に同じまたは異なる部材のプレーナー部材を接合することができる。このような製造技術は良く知られており、Ｍａｒｃ Ｍａｄｏｕにより”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ”（１９９７ ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）において検討されている。図１を参照すると、この微小流体流動性液体連絡構造１６４が圧縮手段１２２によって例示的な基準電極１００に密封することができることがわかる。プレーナー部材１６２のナノチャネル密度およびプレーナー部材１６０のマイクロチャネル密度の適切な選択により、微小流体流動性液体連絡構造１６４が、開口１３０およびその相当部に晒されている所望の数の流動性マイクロチャネル１６６を有する流体チャネルアレイ１６９を有し、かつオリフィス１３２に晒されている所望の数の流体ナノチャネル１０６を有するナノチャネルアレイ１６８に連結しているように、製造される。
【０１０６】
図８は、米国特許第５，５０１，８９３号（Ｌａｅｒｍａｒら）に記載されているような異方性のプラズマエッチング技術によって、シリコーンの単一のプレーナー部材から製造することができる、流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１７０を示す。微小流体流動性液体連絡構造１７０は、該構造の一方にエッチングされたミクロン寸法のマイクロチャネル１７５、および該構造の他方側にエッチングされた連結ナノチャネル１０６を有する。
【０１０７】
図９はシリコーン流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１７０の概略断面図を示す。この流動性微小流体液体連絡構造１７０は、該構造の他方にあるナノチャネル１０６のアレイ１７８を、構造の一方に連結するマイクロチャネル１７６のアレイ１７９を有する。この例示的な実施の形態において、各マイクロチャネル１７６と連結しているナノチャネル１０６の比は１対１である。異方性プラズマエッチングにより２０：１の高さの比でシリコーンにおいて高いアスペクト比の機構を製造することができる。したがって、本実施の形態において、マイクロチャネル１７６は、構造の一端から５μｍ幅および７５μｍ深さにエッチングすることができ、ナノチャネル１０６は微小流体流動性液体連絡構造１７０の他端から１００ｎｍ幅および２μｍ深さまでエッチングすることができる。
【０１０８】
また、ナノチャネルアレイ１７８の密度およびマイクロチャネルアレイ１７９の密度は、微小流体液体連絡構造１７０が開口１３０および相当する部分に晒されている所望の数の流体マイクロチャネル１７６を有するマイクロチャネルアレイ１７９と、オリフィス１３２に晒された所望の数の流体ナノチャネル１０６を有する、連結されたナノチャネルアレイ１７８とを有するよう製造されるように、選択され得る。このような連絡部はいかなる使用にも適している特定の特徴を示すように設計され得る。
【０１０９】
図１０は、１つのプレーナー構造内にともに熱結合または溶融され得る多重ガラスプレーナー部材１８０および１８２からなる流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１８４の製造におけるステップを示す。プレーナー部材１８０は、中央に、単一の比較的大きいチャネル１８６を有する、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）０１２０ガラスのようなガラスの固体部材である。チャネル１８６は、数ミクロンから直径１ｍｍまでの大きさであり得、よく知られているマイクロ製造技術を用いて製造され得る。プレーナー部材１８２は、その中央にナノチャネルのアレイ領域１８８を有するガラスディスクである。このプレーナー部材１８２は、ナノチャネルガラスロッドの製造についての米国特許第５，２６４，７２２号（Ｔｏｎｕｃｃｉ ｅｔ ａｌ．）で報告された方法によって形成されることができる。この方法により形成されるナノチャネルガラスロッドは本質的に、それぞれがほんの数ナノメーターから数百ナノメーターまでの断面幅を有する異方性ガラス管の溶融束である。さらに、結果的に生じるガラスロッドのコアが、ちょうどナノチャネルのアレイ１８８から形成されるように、コーニング０１２０ガラスからも製造されるナノチャネルガラスロッドは、非多孔質ガラスで被覆される。このロッドの単一のプレーナー断面１８２は、本発明の本実施形態のナノチャネルアレイ１８８として使用するために切断され得る。ナノチャネル幅およびナノチャネル数は、米国特許第５，２６４，７２２号（Ｔｏｎｕｃｃｉ ｅｔ ａｌ．）で報告された製造法により精密に制御され得る。アレイ１８８の長さにおけるナノチャネル長は、ロッドの断面を切断することによって、かつその切断面を所望の厚さまで研磨することによって制御できる。
【０１１０】
ガラスプレーナー層１８０、１８２のどちらも同じガラスから形成される場合、それらのガラスプレーナーを、当業者によく知られている科学的ガラスブロー技術（ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｇｌａｓｓ ｂｌｏｗｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）により、単一の流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１８４内にともに溶融してもよい。または、それらのガラスプレーナーを、“Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ”、１９９７，ＣＲＣ ＰｒｅｓｓにおいてＭａｒｃ Ｍａｄｏｕにより開示され検討された技術により熱結合してもよい。
【０１１１】
図１１は、ガラス流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造１８４の概略的な断面図を示す。流動性微小流体液体連絡構造１８４は、一方の側に単一の大きなチャネル１８６を有し、もう一方の側に、対応し接触している、ナノチャネル１０６のアレイ１８８を有している。本発明のこの実施形態では、プレーナー部材１８０、１８１がともに単一プレーナーの流動性微小流体液体連絡構造１８４に結合されるか、または溶融されると、プレーナー部材１８０は、プレーナー部材１８１に機械的強度を添える。
【０１１２】
上記のように、ナノチャネルアレイ１８８の密度および単一チャネル１８６のサイズの設計によって、微小流体流動性液体連絡構造１８４を、単一チャネル１８６が開口１３０と整合するように、かつ所望数の液体連絡した（ｆｌｏｗｉｎｇ）ナノチャネル１０６を有する、対応し接触したナノチャネルアレイ１８８がオリフィス１３２に晒されるように製造し得る。
【０１１３】
【表２】
2004518126.tif 000004
【０１１４】
実験データに基づいた実験的および理論的データ
以下に示した表３および４は、詳細なある真の物理的及びポテンシオメトリック特性、ならびに真の物理的及びポテンシオメトリック特性を基に評価された、様々な構造的特性を持つ本発明の微小流体流動性液体連絡部の物理的及びポテンシオメトリック特性値である。
【０１１５】
表３は、本発明の範囲内で例示的な流動性微小流体液体連絡（ＭＬＪ）構造を有する基準電極の実験試験データを示す。動的誤差、静的誤差、および撹拌誤差は連続して試料液にさらされた後、標準ｐＨ７緩衝液中で決定された。電位はｐＨ反応ガラス電極で測定された。例示的なＭＬＪ構造部材はオスモニクスラボラトリープロダクト（Ｏｓｍｏｎｉｃｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ；Ｗｅｓｔｂｏｒｏｕｇｈ， Ｍａｓｓ．， ＵＳＡ）より得られる。３０ｎｍナノチャネルＭＬＪ部材のオスモニクス部位の数は、ｐ／Ｎ ＫＮ３ＣＰＯ１３００；また５０ｎｍナノチャネルＭＬＪのオスモニクス部位の数はｐ／Ｎ ＫＮ５ＣＰＯ１３００である。典型的な商業的に入手可能な拡散連絡部基準電極を有するＢＪＣモデル９０１５ ｐ／Ｎ Ｃ２４５１Ｃ−１２Ａは、Ｂｒｏａｄｌｅｙ−Ｊａｍｅｓ Ｃｏｒｐ．（Ｉｒｖｉｎｅ， Ｃａｌｉｆ．，ＵＳＡ）から入手可能である。
【０１１６】
表４は、本発明の範囲内で例示的なＭＬＪ構造の抵抗、速度、寿命の評価を提供する。表４は本明細書で記載されたように、特別に調整された１０００、長さ１０ｍｍ、およそ７０ｎｍの幅（下列参照）を持つナノチャネルＭＬＪ構造由来の実際の、実験的に決定されたデータを基にして作ったものである。
【表３】
2004518126.tif 000005
【表４】
2004518126.tif 000006
【０１１７】
技術的、数値的、および理論的解析
本発明は、なぜまたはどのような状況下で本明細書で説明するように機能するかを説明するために、任意の特定の理論的説明に限定されないが、以下の技術的、数値的、および理論的解析は本発明を説明するためにあらかじめ提示される。
【０１１８】
本発明の微小流体流動性液体連絡部の技術的側面を述べる。安定した液体連絡部の理論的および実用的な要件を説明するとともに、微小流体流動性液体連絡部を使用する利点を説明し提示する。計算および参照は、微小流体やナノ孔隙技術の発明的使用が安定した液体連絡電位につながることを実証する。
【０１１９】
ポテンシオメトリック測定は必ず二つの電極を用いることが必要である。一方の電極は検知電極であり、その電位は検体、たとえば、方程式（１）ではａｉ、の濃度や活量で変化する。他方の電極は基準電極であり、理想的には一定の半電池電位、方程式（１）ではＥｒｅｆ、を生成する。各電極での電位は、電極系の物理化学的状態の特性であり、たとえば、電位は電極系の温度、圧力、化学的組成に依存する。基準半電池の電位は、電極を独自の電解液を有する別個のコンパートメントに配置することにより一定を保つ。基準コンパートメントは、試料溶液への導電路を有する。電極、基準電解液、および導電路の配置は、基準電極として知られる。Ｍｉｄｇｌｅｙ， Ｋ．； Ｔｏｒｒａｎｃｅ， Ｋ． Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｗａｔｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２ｎｄ ｅｄ．； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１； ｐ１２を参照。基準電極と試料溶液との間の界面は液体連絡部であり、電位Ｅｊｕｎｃ．を寄与する。検知電極電位と基準電極電位の和、および液体連絡電位は、計算されたセル電位、方程式（１）ではＥｃｅｌｌ、である。
【０１２０】
【数１】
2004518126.tif 000007
【０１２１】
液体連絡電位を正確に測定するためには（Ｂａｔｅｓ， Ｒ．Ｇ． Ｔｈｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐＨ； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９７３を参照）、または最小化するためには（Ｈｏｒｖａｉ， Ｇ．； Ｂａｔｅｓ， Ｒ． Ｇ． Ａｎａｌ． Ｌｅｔｔ． １９８９， ２２，１２９３を参照）、試料全体の組成を演繹的に知らなければならない。しかし、ほとんどの化学的解析において、所望されるのは通常液体連絡電位を正確に測定または最小化にさえするものではなく、むしろ高信頼性校正を行うことができるように、電位が実質的に一定で不変を保つ、ということである。通常、液体連絡電位を判定する必要はないが、電位は所与の温度と圧力において一つの測定と他の測定との間で実質的に不変でいる必要がある。ＩＵＰＡＣ， Ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ， Ｕｎｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｍｂｏｌｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ； Ｍｉｌｌｓ， Ｉ． Ｅｄ．； Ｂｌａｃｋｗｅｌｌ： Ｏｘｆｏｒｄ， １９９３； ｐ．６２を参照。したがって、正確なポテンシオメトリック測定は液体連絡電位の一定性に依存する。しかし、帯電粒子の運動（ｄｒｉｆｔｉｎｇ）をする、非一定な液体連絡電位を含む多数の理論的および実用的限界のため、ポテンシオメトリック測定の正確さには基本的な限界がある。
【０１２２】
基準電極の性能は電極の化学的特性にだけでなく、液体連絡部の物理的な配置にも依存する。実質的に不変な液体連絡部の４つの主な物理的判定基準は（Ｍｉｄｇｌｅｙ， Ｄ．； Ｔｏｒｒａｎｃｅ， Ｋ． Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｗａｔｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２ｎｄ ｅｄ．； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１； ｐ．４６を参照）、（ｉ）その液体連絡構造は一定であるべきである、（ｉｉ）試料溶液の撹拌やストリーミングは参照電位に影響を与えるべきでない、（ｉｉｉ）試料からの粒状物質は液体連絡部を詰まらせないようにするべきである、および（ｉｖ）１つの試料からの溶液は液体連絡部内でとどまるべきではなく、次の試料に持ち越されるべきである、を含む。したがって、任意のポテンシオメトリック測定の正確さは、これらの要件に合う液体連絡設計の能力に依存する。
【０１２３】
現在市販されている基準電極は、基準電解液を試料から保護するために、各種の液体連絡構造と設計を使用する。これらの材料は、多孔質セラミック、多孔質テフロン、木、アスベスト、および各種繊維を含む。また設計には、二重液体連絡、ガラススリーブ（ｇｌａｓｓ−ｓｌｅｅｖｅｓ）および溶融塩も使用される。これらの全ての材料と設計は基準環境を一定に保つよう意図される。しかし、基準溶液が不変のままであっても、液体連絡部は試料溶液で汚染する可能性がある。これは液体連絡電位を必然的に変え、電気化学的センサが再校正されることを必要とする。変化する液体連絡部は、通常電気化学的センサが頻繁に再校正を必要としている原因である。
【０１２４】
最も安定で、再生可能で、信頼性のある基準電極の設計は、流動性液体連絡部を組み込む。Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ， Ａ． Ｋ．； Ｗｈａｌｌｅｙ， Ｐ． Ｄ．； Ｄａｖｉｓｏｎ， Ｗ． Ａｎａｌ． Ｃｈｉｍ． Ａｃｔａ １９８５， １６９， ２２１； Ｉｌｌｉｎｇｗｏｒｔｈ， Ｊ． Ａ． Ｂｉｏｃｈｅｍ． Ｊ． １９８１， １９５， ２５９； Ｗｕ， Ｙ． Ｃ．； Ｆｅｎｇ， Ｄ．； Ｋｏｃｈ， Ｗ．Ｆ．  Ｊ． Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｈｅｍ． １９８９， １８， ６４１； Ｉｔｏ， Ｓ．； Ｋｏｂａｙａｓｈｉ， Ｆ．； Ｉ Ｂａｂａ， Ｋ．； Ａｓａｎｏ， Ｙ．； Ｗａｄａ， Ｈ． Ｔａｌａｎｔａ １９９６， ４３， １３５； Ｐａｔｅｒｓ， Ｇ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９７， ６９， ２３６２； Ｌｖｏｖ， Ｓ． Ｎ．； Ｚｈｏｕ， Ｘ． Ｙ．； Ｍａｃｄｏｎａｌｄ， Ｄ． Ｄ． Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９９， ４６３， １４６； Ｂｒｅｚｉｎｓｋｉ， Ｄ． Ｐ． Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｔ １９８３， １０８， ４２５を参照。液体連絡部を通る基準電解液の一定の流れは、新しい電解液の連続的更新により、一定の組成を保つことを助長する。このような電極を使用する不利な点は、基準セルが電解液で頻繁に補充されなければならないため、相当のメインテナンスが必要であることである。このため、流動性連絡部は通常、実験環境のみに適している。他の典型的な流体基準電極の問題は、試料が基準レザーバーより高圧な場合、基準セルは容易に試料で汚染されることになるであろうことである。このような不利な点のため、近年、便利で低メインテナンスの拡散型液体連絡が、工業適用において流動性液体連絡部に取って代わっている。
【０１２５】
優れた流動性液体連絡部が微小流体材料とナノ材料を組み合わせることによって開発されてきた。電解液は、液体連絡部を通る少量で扱いやすい量の電解液の連続的な流れであり、液体連絡部の汚染および／または基準電解液の汚染を除去するのに十分な直線状の速度である。微小流体流動性液体連絡部は、流動性液体連絡部の高安定性と高性能を提供し、さらに、１週間、２週間、１ヶ月、６ヶ月、１年、または２年を含む長期間、メインテナンスを不要にする。
【０１２６】
化学的および物理的プロセスを小型化する場合、微小流体においてのように、スケーリング法を考慮しなければならない。さらに、流体機構をモデル化するには、流れの型に関する正確な想定がなされねばならない。微小流体は通常非常に低いレイノルド数、Ｒｅ  ＜  １を有し（Ｍａｄｏｕ， Ｍ． Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ； ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９７； ｐ ４２９を参照）だたし、粘着力が優位を占める。粘性流体の結果、各々の微視的な流体要素が固定路や流線を進む。後に続く任意の流体要素は、同じ位置から始まり、経路全体にわたって同一流線を進む。Ｇｉｄｄｉｎｇｓ， Ｊ．Ｃ． Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１； ｐｐ ５８−６３を参照。このような流れのパターンは再生可能で、不変で、予測可能な構造を創製し、液体連絡部において所望される構造である。液体連絡部を通る流れを特徴付けるため、速度プロファイルが判定されなければならない。
【０１２７】
マイクロチャネルやナノチャネルを通る速度プロファイルを判定するために、流体に作用する全外力は均一に保つ必要がある。第一に、ニュートン加速（または慣性）力は、安定した流れが微小チャネルで達成される前に、短時間においてのみ重要である（Ｇｉｄｄｉｎｇｓ， Ｊ．Ｃ． Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１； ｐｐ．５８−６３を参照）ため、無視できる。第二に、考慮中の全流体要素は突然の拡張となる（ｔｅｒｍｉｎａｔｅ ａｓ ａ ｓｕｄｄｅｎ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）。これは、流体の運動エネルギーが一つの要素から次の要素へと移動しないことを含意する。Ｇｒａｖｅｓｅｎ， Ｐ．； Ｂｒａｎｅｂｊｅｒｇ， Ｊ．； Ｊｅｎａｅｎ Ｏ．Ｓ．Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ． １９９３， ３， １６８を参照。第三に、微小チャネルにおいて、安定した流れを誘導するのに必要とされる圧力が通常重力、すなわちΔｐ＞＞ρｇｈ、よりもさらに高圧なことから、重力は無視してもよい。Ｇｉｄｄｉｎｇｓ， Ｊ．Ｃ． Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ； Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ：Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１； ｐｐ．５８−６３参照。加速力、動力、および重力を無視することにより、マイクロチャネルを通る速度プロファイルを判定するために、我々は粘着力に対して作用する圧力を均一にすることだけが必要である。微小チャネルを通る流れはハーゲンポアジュール方程式、方程式（２）より説明する。流量Ｑ（Ｌ／ｓ）、すなわちチャネルの断面積を通る流量は、チャネルの大きさ、圧力差、および溶液の特性の関数である。
【０１２８】
【数２】
2004518126.tif 000008
【０１２９】
方程式（２）では、Δｐはチャネルの二つの端での圧力差であり、ｒ０とＬはそれぞれチャネルの半径とチャネルの長さであり、ηは溶解粘性である。（この提示における全ての数値は、電解液の粘性は１．０ｃｐに等しいと想定される。）（全ての純粋な水ＫＣｌ溶液は０．９〜１．１ｃｐの間の粘性を有する。Ｈａｉ−ｌａｎｇ， Ｚ．； Ｓｈｉ−Ｊｕｎ， Ｈ．  Ｊ． Ｃｈｅｍ． Ｅｎｇ． Ｄａｔａ １９９６， ４１， ５１６を参照。）方程式（２）を検討するとＱ∝ｒ０４を示すため、単にチャネルの横断面を抑制することはそこを通る流れをかなり減少させるであろう。しかし、チャネルの断面積を減少させると、電解抵抗が増加する。円柱状のチャネルを通る電気伝導力は方程式（３）を用いて計算することができる。
【０１３０】
【数３】
2004518126.tif 000009
【０１３１】
チャネルの電解抵抗は、セルの電気伝導力Ｇの逆数としてとられる。λは電解液の電気伝導力であり、Ｃは電解液濃度であり、ＡとＬはそれぞれチャネルの断面積とチャネルの長さである。４．０Ｍ ＫＣｌ溶液の場合、λはおよそ１０２ｍ２Ｓｍｏｌ−１である。Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ７ １ｓｔ ｅｄ．： Ｌｉｄｅ， Ｄ． Ｒ．， Ｅｄ．； ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ： Ａｎｎ Ａｒｂｏｒ， １９９０を参照。電解抵抗がチャネル半径がおよそ１ｍｍ未満の場合に急激に高くなりすぎるため、基準電解液の流量と抵抗を、単に単一のチャネルの大きさを減少することにより最小化することは実用的でない。たとえば、方程式（３）を用いて、４．０Ｍ ＫＣｌを含む１μｍの半径を有する１ｍｍの長さのチャネルの計算された電解抵抗は、およそ８ＭΩである。この抵抗が任意の現実的な考慮に対し高すぎるのは、およそ５００ｋΩよりも大きい電解抵抗が汎用的な計装（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）の性能から外れるためである。幸い、流れは半径の４乗で減少し、抵抗は半径の２乗で増加する。チャネル断面を減少しチャネルの数を増加することは、所望の少量の流れを維持する一方で電解抵抗を減少させるために、実用的な方法である。
【０１３２】
本発明の好ましい実施形態は、ナノチャネルのアレイを液体連絡構造として使用し、流量と電解抵抗の双方を最小化する。たとえば、半径５ｎｍで６μｍ長さの単一のナノチャネル（Ｎｉｓｈｉｚａｗａ， Ｍ，； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ． Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９５， ２６８，７００を参照）は、４．０Ｍ ＫＣＩにおいておよそ１０００ＭΩの電解抵抗があり（方程式（３））、たとえば、１０５個のナノチャネルを有するアレイは１００ｋΩ未満の抵抗があるであろう。
【０１３３】
ここまでの数値は、微小流体流動性液体連絡部は所望の流れの制御と電解液伝導度を提供し、市販製品を達成することができることを示す。次に、液体連絡部への試料の逆拡散を最小化するために必要とされる電解液速度が計算される。単一のナノチャネルを通る平均溶液速度は、流量（方程式（２）ではＱ）をナノチャネルの断面積で割ることにより計算できる。
【０１３４】
【数４】
2004518126.tif 000010
【０１３５】
方程式（２）と（４）を用いて、ナノチャネルアレイを通る流量と単一のナノチャネルを通る平均速度（ｖ）は、図１にナノチャネル半径の関数としてプロットされる。数値は４０ｐｓｉの安定した圧力差を想定する。流量は５０ｍｌの電解液槽を想定するセンサの寿命としてプロットされる。アレイは１０５ナノチャネルを含み、長さ６μｍである。５０ｍＬの槽は、ナノチャネル半径がおよそ３０ｎｍ未満での一年またはそれ以上の連続的な動作において十分である。また、ナノチャネルやマイクロ管の半径はまた、およそ２０ｎｍ未満、およそ４０ｎｍ未満、およそ５０ｎｍ未満、またはおよそ６０ｎｍ未満の半径を有する。槽容積を大きくすることにより、またはナノチャネルの数や密度を減少することにより、センサの寿命を必要に応じて調整することができることは、当業者には理解されるであろう。
【０１３６】
試料が液体連絡部へと拡散するのを減少させるために必要な電解液速度のおおよその大きさを計算する。流体力学のモデルがナノチャネルを通る対流拡散輸送をモデル化するのに使用される。このモデルは静電相互作用と泳動の影響を無視する。試料の液体連絡部への拡散はフィックの第１の法則（Ｆｉｃｋ’ｓ ｆｉｒｓｔ ｌａｗ）によりＮ０＝−Ｄ∇Ｃと、および対流流量はＮｖ＝Ｃｖと示される。拡散流量と対流流量の和は合計の流量である（方程式（５））。
【０１３７】
【数５】
2004518126.tif 000011
【０１３８】
方程式（５）において、Ｃはチャネルの位置ｘでの試料の濃度である。ｖは試料の対流速度であり、チャネルを通る平均溶液速度として概算する。連続方程式∇・Ｎ＝０と、境界条件、ｘ＝ｌではＣ＝Ｃ０、およびｘ＝０ではＣ＝０、（式中、Ｃ０は試料の初めの濃度であり、ｌはナノチャネルの長さである）とを積分すると、ナノチャネルを通る対流拡散に関する濃度プロファイルが得られる。
【０１３９】
【数６】
2004518126.tif 000012
【０１４０】
液体連絡部での濃度特性は、方程式（７）を用いて、図１３において速度の関数としてプロットされる。明白なことに、およそ０．１ｃｍ／ｓより大きな溶液速度は、試料を基準槽への拡散から除外するのに十分であろう。図１２はおよそ０．１ｃｍ／ｓの溶液速度が４０ｐｓｉの圧力差で１０ｎｍより大きいナノチャネル半径について生成することができることを示す。これらの計算にしたがって、１０から４０ｎｍの間の半径のナノチャネルは、一定で不変な液体連絡部をもたらし、その液体連絡部は抵抗が小さく、少なくとも１年間は作用する。
【０１４１】
したがって、ナノチャネルアレイは、液体連絡部問題を解決する理想的な方法を提供することを理論的に示す。
【０１４２】
本発明を実施する好ましい実験的な装置
本発明の好ましい実施形態による装置が組み立てられた。この装置は制御された温度、圧力、撹拌率で電極を試験するために使用される。この装置は５０ｍＬ圧力セルから成り、この装備で４５ｐｓｉといった高圧まで制御できる。実験テスト装置は、センサが工業または現場用途で日常的に曝される可能性がある異なる、そして時には厳しい環境をミミックする。セルを精密温度浴中で、たとえば、０．１℃以内の温度に曝す。自動攪拌ミル（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｉｒｒｅｒ）は適切な給気とテスト溶液の混合を行う。全ての計装は、コンピュータに接続され、データを取得し実験的な測定を達成する。
【０１４３】
ナノチャネルアレイの準備と特性の理論的側面
液体連絡構造として使用された、Ａｕナノチャネルアレイは、「テンプレート合成」と呼ばれるナノ素材を準備する一般的な方法により準備される。Ｈｕｌｔｅｅｎ， Ｊ． Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｃｈｅｍ． １９９７， ７， １０７５を参照。テンプレート法は、微小孔性の膜のチャネル内の所望の材料の合成を引き起こす。用いられた膜は、単分散直径の円柱状のチャネルを有し、そのチャネルは膜の全ての厚さにわたる。所望素材の対応する円柱状のナノストラクチャはチャネル内で得られる。
【０１４４】
ナノチャネルアレイを準備するのに、市販されている微小孔質ポリカーボネイト濾過膜をテンプレートとして使用してもよい。この膜は単分散孔隙と円柱孔隙を含む。電気めっき手順はＡｕナノチャネルをこれらの孔隙内に堆積するのに使用する。Ｎｉｓｈｉｚａｗａ， Ｍ．； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ． Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ．  Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９５， ２６８， ７００； Ｈｕｌｔｅｅｎ， Ｊ． Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ．  Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｃｈｅｍ． １９９７， ７， １０７５； Ｈｕｌｔｅｅｎ， Ｊ． Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ．  Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １９９８， ２６， ６６０３； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ． Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９５， ６７， １９２０を参照。このＡｕめっき手順は当分野では良く知られている。
【０１４５】
まず、テンプレート膜はメタノール内でリンスし、次にトリフルオロ酢酸溶液内の０．０２５Ｍ ＳｃＣｌ２と０．０７Ｍに浸す。この結果膜が「増感」され、これは通常チャネル壁と膜表面へのＳｎ（ＩＩ）の吸収を意味する。次に、この増感膜はアンモニア性ＡｇＮＯ３水溶液に浸される。これは以下の表面酸化還元反応を起こし、チャネル壁と膜相は微細なＡｇ粒子で被覆される。
【０１４６】
【数７】
2004518126.tif 000013
【０１４７】
これらの粒子は非電着性Ａｕ析出の初めの媒体として働く。最後に、膜は金めっき浴に配置され、その浴は市販されている金めっき溶液０．５ｍＬで、０．１２７Ｍ  Ｎａ２ＳＯ３、０．６２５Ｍホルムアルデヒドと０．０２５Ｍ  ＮａＨＣＯ３を含む。溶液は０．５Ｍ  Ｈ２ＳＯ４を一滴ずつ加えることによってｐＨ１０に調整される。このめっき浴の温度は通常５℃に保つ。アレイの孔隙内に堆積したＡｕナノチャネルの内部直径は、通常Ａｕめっき浴での浸漬時間を指すめっき時間を変えることにより調整される。
【０１４８】
この手順は任意選択的に分子寸法の内部直径（１ｎｍ未満）を有するＡｕナノチャネルを含むアレイを準備するのに用いられる。Ｎｉｓｈｉｚａｗａ， Ｍ，； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ．Ｐ．； Ｍａｒｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９５， ２６８， ７００； Ｈｕｌｔｅｅｎ， Ｊ．Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｃｈｅｍ． １９９７， ７， １０７５； Ｈｕｌｔｅｅｎ， Ｊ．Ｃ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ．  Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １９９８， ２６， ６６０３； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ． Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ．  Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９５， ６７， １９２０； Ｐｅｔｚｎｙ， Ｗ．Ｊ．； Ｑｕｉｎｎ， Ｊ． Ａ．  Ｓｃｉｅｎｃｅ １９６９， １６６， ７５１を参照。これらのアレイにおけるイオン輸送が研究されてきた（Ｎｉｓｈｉｚａｗａ， Ｍ，； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ． Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ． Ｒ．  Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９５， ２６８， ７００を参照）。この結果得られるナノチャネルはイオン選択透過性であり、陰イオン輸送と陽イオン輸送状態の間で逆に切り替えることもできる。
【０１４９】
このＡｕナノチャネルの内部直径はナノチャネルアレイを通る水素ガスの流量を測定するこによって容易に概算できる。Ｐｅｔｚｎｙ． Ｗ． Ｊ．； Ｑｕｉｎｎ， Ｊ． Ａ．  Ｓｃｉｅｎｃｅ １９６９， １６６， ７５１を参照。また、Ｌｉｕ， Ｃ．， Ｔｅｘａｓ Ａ＆Ｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｓｔａｔｉｏｎ； １９９１を参照。次に、ナノチャネル試料は、流量測定を行う前に少なくとも１２時間真空に置かれ、水のトレースやナノチャネルに吸収された他の揮発性化学種を取り除く。再生可能な流量の値はナノチャネルがこのように前処理される場合に最も良く得られる。次に、ナノチャネルアレイはガス透過セル中に置かれ、上部と下部の半電池を吸い出される。上部半分は水素で２０ｐｓｉｇの圧力をかけられ、ナノチャネルを通る下部半分への水素漏れに関して過渡的な圧力時間を測定した。これはガスの流量に変えられ、ここから平均ナノチャネル直径を概算できる。ナノチャネルアレイを通るガス輸送がクヌーセン拡散によって生じると仮定すると、ガスの流量Ｑｇａｓ（モルｃｍ−２ｓ−１）は、方程式（８）を用いると、孔隙密度ｎ（孔隙ｃｍ−２）、孔隙直径ｄ（ｃｍ）、および膜の厚さＬ（ｃｍ）に関連する。
【０１５０】
【数８】
2004518126.tif 000014
【０１５１】
Δｐ（ｄｙｎｅｓ ｃｍ−２）は膜にわたる圧力差であり、Ｍはガスの分子量で、Ｒ（ｅｒｇ  Ｋ−１ｍｏｌ−１）はガス定数で、Ｔ（Ｋ）は温度である。実験では、方程式（８）でのｄを除く全てのパラメータを知っている。
【０１５２】
種々の大きさと材料の各種のナノチャネルアレイを構築し使用することができる。これらはたとえば異なる半径（１０、２０、３０および４０ｎｍ）、およびたとえば基板材料、（ポリカーボネートとポリエステル）、および二つのＡｕ表面を含む。ナノチャネルの内部直径はめっき時間により異なり、正確なナノチャネルの大きさを特徴としている。Ａｕナノチャネルと吸収されたプロパンチオール単分子層を有するＡｕナノチャネルが好ましい。塩化物イオンは金表面に容易に吸着するので、４．０Ｍ  ＫＣｌ参照溶液でのＡｕナノチャネルはネット（ｎｅｔ）負電荷を有するであろう。しかし、プロパンチオールで前処理されたナノチャネルは塩化物イオンが吸収されるのを防ぐ、不活性の非電荷単分子層を有する。
【０１５３】
または、プロパンチオール単分子層の付加はアレイをチオールを含むエタノール溶液に浸すことにより達成される。この小さいチオール分子は、直径がおよそ５ｎｍ未満の場合、ナノチャネルの内部直径を認めうるほどに変えない。このため、チオールの化学吸着の後、ナノチャネルの内部直径を再判定する必要がない。さらに、プロパンチオール修飾Ａｕナノチャネルは、チオールの添加の後、水「湿性（ｗｅｔａｂｌｅ）」のままの状態になる。Ｎｉｓｈｉｚａｗａ， Ｍ，； Ｍｅｎｏｎ， Ｖ．Ｐ．； Ｍａｒｔｉｎ， Ｃ．Ｒ． Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９５， ２６８， ７００を参照。
【０１５４】
さらに、本発明の特定の実施形態、動作例、および前兆となる例は、根本的な本発明の広義な適用と原理、たとえば、微小流体流動性液体連絡部の基準電極の一部としてまたは電極の組み合わせの一部としての使用、および微小流体流動性液体連絡部を製造および／または使用する各種方法、または微小流体流動性液体連絡部から成る基準電極や複合電極を製造および／または使用する各種方法を示すために詳細に説明されてきた。このような特定の実施形態、動作例、および前兆となる例に関わらず、当業者であれば、本発明はそのような広義な適用と原理から逸脱することなく別途具現され得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
本明細書中に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の特定の好適な実施形態を例示するために本明細書中に含まれ、好適な実施形態の詳細な説明を含む以下の記述および本明細書中に記載する特許請求の範囲とともに本発明の原理を説明するものである。添付の図面は本発明を限定または別途規定することを意図するものではない。
【図１】
電解槽の端部の所定位置に微小流体流動性液体連絡部を保持する手段を備えた基準電極の概略断面を示す。
【図２】
所定位置に微小流体液体連絡構造を保持する手段の、詳細な概略断面を示す。
【図３】
所定位置に微小流体液体連絡構造を保持する手段の、直径に沿った概略分解組立図を示す。
【図４】
好ましい微小流体流動性液体連絡構造および好ましいナノチャネルアレイの所定部材の、概略断面図。
【図５】
異方性ナノチャネルが組み立てられている、単一プレーナーの、ポリマー微小流体流動性液体連絡構造の図解。また、異方性ナノチャネルを有し、マイクロチャネルを支持している、多プレーナー層のポリマー連絡部構造の組立におけるステップを示す概略図。
【図６】
異方性ナノチャネルを有し、マイクロチャネルを支持している、多プレーナー層のポリマー連絡部構造の組立におけるステップを示す概略図。
【図７】
好ましいポリマー構造においてナノチャネルがマイクロチャネルと合わさっている領域の詳細を示す、詳細な概略断面図。
【図８】
ナノチャネルを有し、シリコーンの１つのプレーナー部材から製造されたマイクロチャネルを支持している、微小流体流動性液体連絡構造を示す図。
【図９】
シリコンの微小流体流動性液体連絡構造においてナノチャネルがマイクロチャネルと合わさっているところを詳細に示す、概略断面図。
【図１０】
多プレーナーガラス部材から、好ましいガラスの微小流体流動性液体連絡構造を製造する際のステップを示す直径に沿った図。
【図１１】
ガラス微小流体流動性液体連絡構造の概略断面図。
【図１２】
ナノチャネルアレイを通る束（線形流）、およびナノチャネルの有効半径の関数として単一のナノチャネルを通る平均速度（ｖ）のプロット。
【図１３】
速度の関数として曲線で表され、等式（７）に記載されるような液体連絡部における濃度プロファイルの組。
【図１】
2004518126.tif 000015
【図２】
2004518126.tif 000016
【図３】
2004518126.tif 000017
【図４】
2004518126.tif 000018
【図５】
2004518126.tif 000019
【図６】
2004518126.tif 000020
【図７】
2004518126.tif 000021
【図８】
2004518126.tif 000022
【図９】
2004518126.tif 000023
【図１０】
2004518126.tif 000024
【図１１】
2004518126.tif 000025
【図１２】
2004518126.tif 000026
【図１３】
2004518126.tif 000027
【国際公開パンフレット】
2004518126.tif 000028
2004518126.tif 000029
2004518126.tif 000030
2004518126.tif 000031
2004518126.tif 000032
2004518126.tif 000033
2004518126.tif 000034
2004518126.tif 000035
2004518126.tif 000036
2004518126.tif 000037
2004518126.tif 000038
2004518126.tif 000039
2004518126.tif 000040
2004518126.tif 000041
2004518126.tif 000042
2004518126.tif 000043
2004518126.tif 000044
2004518126.tif 000045
2004518126.tif 000046
2004518126.tif 000047
2004518126.tif 000048
2004518126.tif 000049
2004518126.tif 000050
2004518126.tif 000051
2004518126.tif 000052
2004518126.tif 000053
2004518126.tif 000054
2004518126.tif 000055
2004518126.tif 000056
2004518126.tif 000057
2004518126.tif 000058
2004518126.tif 000059
2004518126.tif 000060
2004518126.tif 000061
2004518126.tif 000062
2004518126.tif 000063
2004518126.tif 000064
2004518126.tif 000065
2004518126.tif 000066
2004518126.tif 000067
2004518126.tif 000068
2004518126.tif 000069
2004518126.tif 000070
2004518126.tif 000071
2004518126.tif 000072
2004518126.tif 000073
2004518126.tif 000074
2004518126.tif 000075
2004518126.tif 000076
2004518126.tif 000077
2004518126.tif 000078
2004518126.tif 000079
2004518126.tif 000080
2004518126.tif 000081
2004518126.tif 000082
2004518126.tif 000083
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004518126.tif 000084
2004518126.tif 000085
【国際調査報告】
2004518126.tif 000086
2004518126.tif 000087
2004518126.tif 000088
2004518126.tif 000089