(57)【要約】  揮発性物質を検出するためのセンサは、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、ポリマ、及びタンパク質、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせと、参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体と含み、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成でき、作用電極又は導電性テープ又は固体ポリマ電解質の表面は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、
表面を有する作用電極と、
前記作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、前記参照電極は、
参照電極表面と、
前記参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、前記参照電極において使用されている金属の化合物、
前記参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、前記参照電極において使用されている金属の化合物、及び前記参照電極表面と電気的に接続されたイオン性液体、又は
参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料を有し、前記ナノ複合材料は、前記参照電極において使用されている金属の化合物、及び強く結合するタンパク質、強く結合する高分子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、
前記作用電極と前記参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、
前記センサが分析物に曝されると、前記センサは、電気化学的信号を生成でき、
前記作用電極又は前記導電性テープ又は前記固体ポリマ電解質の表面は、必要に応じてカーボンナノ粒子を含み、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含むセンサ。
【請求項２】
揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、
表面を有する作用電極と、
前記作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、前記参照電極は、
参照電極表面と、
前記参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、前記ナノ複合材料は、
前記参照電極において使用されている金属の化合物、及び
カーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、及び
前記参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、
前記作用電極と前記参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、
前記センサが分析物に曝されると、前記センサは、電気化学的信号を生成できるセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記作用電極又は前記導電性テープ又は前記固体ポリマ電解質の表面は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含むセンサ。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記固体ポリマ電解質は、物質を検出するように分子インプリンティングによって改質されているセンサ。
【請求項５】
請求項１又は２において、前記作用電極及び前記参照電極は、それぞれ個別に、貴金属、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項６】
請求項１又は２において、前記作用電極及び前記参照電極は、それぞれ個別に、銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項７】
請求項１又は２において、金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項８】
請求項１又は２において、前記強く結合するポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）であるセンサ。
【請求項９】
請求項１又は２において、前記タンパク質は、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項１０】
揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、
カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む表面を有する作用電極と、
前記作用電極と電気的に接続された参照電極と、を備え、
前記参照電極は、
参照電極表面と、
前記参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料と、を含み、
前記ナノ複合材料は、
前記参照電極において使用されている金属の化合物、及び
カーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、及び
前記センサは、前記表面と電気的に接続するイオン液体を有し、
前記作用電極と前記参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、
前記センサが分析物に曝されると、前記センサは、電気化学的信号を生成できるセンサ。
【請求項１１】
請求項１０において、前記固体ポリマ電解質は、物質を検出するように分子インプリンティングによって改質されているセンサ。
【請求項１２】
請求項１０において、センサ。前記作用電極及び前記参照電極は、それぞれ個別に、貴金属、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項１３】
請求項１０において、前記参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項１４】
請求項１０において、前記強く結合するポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）であるセンサ。
【請求項１５】
請求項１０において、前記タンパク質は、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項１６】
爆発物を検出するためのセンサであって、
表面を有する作用電極と、
前記作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、前記参照電極は、
参照電極表面と、
前記参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、前記ナノ複合材料は、
前記参照電極において使用されている金属の化合物、及び
カーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、及び
前記参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、
前記作用電極と前記参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、前記導電性テープ又は前記固体ポリマ電解質は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含み、
前記センサが分析物に曝されると、前記センサは、電気化学的信号を生成できるセンサ。
【請求項１７】
請求項１６において、前記固体ポリマ電解質は、物質を検出するために分子インプリンティングによって改質されているセンサ。
【請求項１８】
請求項１６において、前記作用電極及び前記参照電極は、それぞれ個別に、貴金属、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項１９】
請求項１６において、前記参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項２０】
請求項１６において、前記強く結合するポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）であるセンサ。
【請求項２１】
請求項１６において、前記タンパク質は、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項２２】
請求項１、２、１０又は１６において、前記信号は、爆発物の存在又は非存在を示すセンサ。
【請求項２３】
請求項１、２、１０又は１６において、前記信号は、ガス状に変化し得る化合物の存在又は非存在を示すセンサ。
【請求項２４】
請求項１、２、１０又は１６において、前記分析物は、過酸化物含有爆発物、好ましくは、ＴＡＴＰ又はＨＭＴＤ、ニトロ含有爆発物、好ましくは、ＰＥＴＮ、又はガス状に変化し得る有機化合物、又は有機化合物、例えば、ベンゼン、フタル酸、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエンであるセンサ。
【請求項２５】
請求項１、２、１０又は１６において、前記カーボンナノ粒子は、単層又は多層のカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン、ダイヤモンド、カーボン量子ドット又はカーボンナノファイバ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるセンサ。
【請求項２６】
請求項１、２、１０又は１６において、対電極を更に備えるセンサ。
【請求項２７】
請求項１、２、１０又は１６において、爆発物は、空気中、導電性吸収材料上、又は有機液体中で検出されるセンサ。
【請求項２８】
請求項１、２、１０又は１６において、前記化合物は、空気中、導電性吸収材料上、又は有機液体中で検出されるセンサ。
【請求項２９】
請求項１、２、１０又は１６において、前記固体ポリマ電解質は、分子インプリンティングによって物質を検出するように改質されているセンサ。
【請求項３０】
揮発性物質又は半揮発性物質を検出する方法であって、
請求項１、２、１０又は１６に記載のセンサを準備することと、
前記センサのターゲット材料のサンプルを準備することと、
前記センサに関連する電気化学的信号を測定することと、
電気信号を処理して、ガス状に変化し得る物質の存在又は非存在を示す出力を生成することと、
を含む方法。
【請求項３１】
請求項３０において、前記物質は、爆発物である方法。
【請求項３２】
請求項３０において、前記物質は、有機化合物である方法。
【請求項３３】
請求項３０において、前記爆発物は、過酸化物含有物質又は硝酸塩含有物質である方法。
【請求項３４】
請求項３０において、爆発物は、ＴＡＴＰ、ＨＭＴＤ、又はＰＥＴＮである方法。
【請求項３５】
請求項３０において、前記有機化合物は、ベンゼン、フタル酸、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール又はトルエンである方法。
【請求項３６】
爆発物を検出するためのシステムであって、請求項１から２９のいずれか１項に記載のセンサを備えるシステム。
【請求項３７】
ガス状に変化し得る物質を検出するためのシステムであって、請求項１乃至２９のいずれか１項に記載のセンサを備えるシステム。
【請求項３８】
揮発性又は半揮発性物質を検出するためのシステムであって、請求項１から２９のいずれか１項に記載のセンサを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１５年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／２０５，３８０号、２０１５年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／２５４，４０２号、２０１６年２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２９０，５０１号、及び２０１６年４月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／３２２，２７３号の優先権を主張し、これらの各内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
乾燥状態における安定した固体電極の１つの用途は、空気中の爆発物及び空気中の他のガス状化学物質の検出である。トリアセトントリパーオキサイド（triacetone triperoxide：ＴＡＴＰ）及びヘキサメチレントリパーオキサイドジアミン（hexmethylene triperoxide diamine：ＨＭＴＤ）等の爆発物は、容易に購入できる化学薬品から製造でき、テロ攻撃に使用されてきた。ＴＡＴＰ、ＨＭＴＤ等の過酸化物爆発物、及びペンタエリスリトールテトラニトレート（pentaerythritol tetranitrate：ＰＥＴＮ）等のその他の爆発物は、発色団を有さないため、光学技術を使用する検出が困難である。電気化学的検出は、発色団を必要としないため、光学的検出の代替となる検出法である。光学的検出では、可搬性を有するセンサの実現は容易ではないが、爆発物の電気化学的検出は、センサの可搬性を可能にする。これにより、環境モニタリングのために大気中に存在する可能性がある他のガス状化学物質を検出する携帯型検出器を実現することもできる。
【０００３】
当分野では、検出が困難なＴＡＴＰ、ＨＭＴＤ等の過酸化物含有爆発物及びＰＥＴＮ等のニトロ含有爆発物を検出するための電気化学的方法が求められている。
【０００４】
更に、従来のガス検出器は、特定性（specificity）を欠いていることが多い。この結果、特定のガスと他の材料とを区別できないために、多数の誤検出が発生する。高度な特定性を有する揮発性物質センサ及び改良された携帯型の揮発性物質センサデバイスが求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここに記述する固体電極センサデバイスによる、インプリンティングを使用する電気化学的検出により、揮発性物質及びガスの検出、特に、発色団を欠いている爆発物の検出における特定性、携帯性、及び安定性が向上する。また、ここに記述する電気化学的感知デバイスは、小型で安価な感知デバイスを提供することもできる。
【０００６】
爆発物を検出するためのセンサであって、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、参照電極において使用されている金属の化合物、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、参照電極において使用されている金属の化合物、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン性液体、又は参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料を有し、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、アミロイド型ナノフィブリル、接着タンパク質、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質等のゲルによって行われ、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成でき、作用電極又は導電性テープ又は固体ポリマ電解質の表面は、カーボンナノ粒子を含み、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含むセンサを提供する。
【０００７】
揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、アミロイド型ナノフィブリル、接着タンパク質、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、電気化学的信号を生成できるセンサを提供する。
【０００８】
爆発物を検出するためのセンサであって、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、アミロイド型ナノフィブリル、接着タンパク質、ＰＶＣ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、電気化学的信号を生成できるセンサを提供する。
【０００９】
爆発物を検出するためのセンサは、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、アミロイド型ナノフィブリル、接着タンパク質、ＰＶＢ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、導電性テープ又は固体ポリマ電解質は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を有し、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成できる。
【００１０】
爆発物を検出する方法であって、ここに記述するセンサを準備することと、センサのターゲット材料のサンプルを準備することと、センサに関連する電気化学的信号を測定することと、電気信号を処理して、物質の存在又は非存在、又はガス状に変化し得る物質の濃度レベルを示す出力を生成することとを含む方法を提供する。
【００１１】
ガス状物質を検出する方法であって、ここに記述するセンサを準備することと、センサのターゲット材料のサンプルを準備することと、センサに関連する電気化学的信号を測定することと、電気信号を処理して、物質の存在又は非存在、又はガス状に変化し得る物質の濃度レベルを示す出力を生成することとを含む方法を提供する。
【００１２】
揮発性物質を検出する方法であって、ここに記述するセンサを準備することと、センサのターゲット材料のサンプルを準備することと、センサに関連する電気化学的信号を測定することと、電気信号を処理して、物質の存在又は非存在、又はガス状に変化し得る物質の濃度レベルを示す出力を生成することとを含む方法を提供する。
【００１３】
また、ここに記述するセンサを含む爆発物を検出するためのシステムを提供する。
【００１４】
参照電極は、金属を含み、参照電極の金属は、金、水銀、白金、銀、パラジウム、銅、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。参照電極又は他の電極において使用されている金属の化合物は、金属を含むイオン性又は共有結合性の化合物であってもよい。一実施形態では、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩であり、例えば、塩化物塩、ヨウ化物塩、硫酸塩、又は参照電極において使用されている金属の他の塩等である。幾つかの実施形態において、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。一例として、電極が金を含む場合、電極において使用されている金属の化合物は、金を含み、電極において使用されている金属の化合物は、金の塩、例えば、金チオ硫酸ナトリウム等であってもよい。タンパク質は、強い結合特性を示すいずれのタンパク質であってもよく、例えば、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。ポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）又は強い結合特性を示す任意のポリマを含むことができる。ナノ粒子は、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子、酸化亜鉛ナノ粒子、カーボンナノ粒子、球状カーボンナノ粒子、フラーレン、量子ドット、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノファイバ、カーボンナノファイバ、ダイヤモンドナノ粒子、カーボン量子ドット、酸化チタンナノ粒子、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子、酸化ケイ素ナノ粒子、金ナノクラスタ、銀ナノクラスタ、酸化ユウロピウムナノ粒子、酸化鉄ナノ粒子、ダイヤモンドナノ粒子、無機量子ドット、グラフェンナノ粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。
【００１５】
上述及びその他の特徴は、以下の詳細な説明によって例示される。
【００１６】
ここでは、固体参照電極、センサ、固体電極及びセンサの製造方法、及び例えば、爆発物を検出するための固体電極及びセンサの使用方法を記述する。
【００１７】
デバイス内では、共通の出願人によって２０１５年３月１９日に出願された、米国仮特許出願第１４／６６２，４１１号、発明の名称「Health State Monitoring Device」に記載されている固体電極及びセンサを使用でき、この内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００１８】
本明細書で使用する「固体電極（solid state electrode）」とは、その構造中に液体溶液又は液体を含まない電極を意味する。
【００１９】
作用電極及び参照電極は、任意の適切なサイズ及び形状を有することができる。例えば、電極は、ワイヤ、表面上の薄膜、フレキシブル基板上のパターン、材料、又はインクとすることができる。電極は、印刷されたセンサの一部であってもよい。電極は、所望の形成ステップの実現を可能にし、また、所望のデバイスに組み込むことができるように、任意の適切な厚さにすることができる。ナノ複合材料は、電極の表面の実質的に全部又は一部にコーティングできる。例えば、電極は、包括的に２次元形状であってもよく、ナノ複合材料は、その一方の面にコーティングしてもよく、電極の一方の面の一部にコーティングしてもよい。コーティングは、必ずしも均一な層が形成されることを意味しない。以下に記述するように、ナノ複合材料によりコーティングされた表面が所望の様式で所望の特性を有する限り、穴、ボイド、ナノ複合材料がない領域、又は他の領域よりナノ複合材料が少ない若しくは多い領域が存在してもよい。一実施形態では、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、１以上のタンパク質、１以上のポリマのいずれか、又はナノ粒子、タンパク質、及びポリマの少なくとも１つを含む組み合わせとを含むことができる。
【００２０】
カーボンナノ粒子は、異なる供給源から製造できる。これらは、アミノ酸、非アミノ有機酸、アルコール、アルカン、単糖類、及び生物学的物質等の供給源から製造できる。特定の供給源には、メタン、エタノール、エタン、クエン酸、グルコン酸、グルクロン酸、グルコサミン、ガラクトサミン、フルクトサミン、マンノサミン、及び卵等の他の炭素源が含まれる。カーボンナノ粒子は、前駆体を加熱し、水分子を失わせ、カーボンナノ材料を製造することによって製造できる。カーボンナノ粒子は、適切ないかなる形態であってもよく、例えば、カーボンナノチューブ（単層又は多層）、グラフェン、フラーレン、ダイヤモンド、カーボン量子ドット、グラフェン量子ドット、アモルファスカーボン、又はカーボンナノファイバからなるグループから選択される形態、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。カーボンナノ粒子は、平面状、円盤状、円筒状、球状、又は不規則な形状等のグラファイト構造を有していてもよい。カーボンナノ粒子は、蛍光性であっても非蛍光性であってもよい。
【００２１】
カーボンナノ粒子は、修飾してもよく、例えば、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物をカーボンナノ粒子に共有結合させてもよい。更に、カーボンナノ粒子は、カルボキシル基及びチオール基を含む疎水性化合物で修飾してもよい。この修飾は、カルボジイミド結合又はシッフ塩基共役結合（Schiff base conjugation）等の従来の手法を用いて行うことができる。アミン基及びチオール基を含む疎水性化合物は、４−アミノチオフェノール又は５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾール等の複数の化合物のいずれか１つであってもよい。カルボキシル基及びチオール基を含む疎水性化合物は、５−カルボキシ−２−メルカプトベンズイミダゾール又は同様の構造を有する化合物であってもよい。また、アミン基及びチオール基を含む疎水性化合物は、芳香族基を含んでいてもよく、これにより、金属の化合物の溶解性を低下させることができる。
【００２２】
疎水性化合物は、例えば、４−アミノチオフェノール、５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾール、５−カルボキシ−２−メルカプトベンズイミダゾール、チオフェノール、２−ナフタレンチオール、及び９−アントラセンチオール等のアミン基、チオール基、芳香族基、及びカルボキシル基を含む化合物であってもよい。
【００２３】
ナノ粒子は、ナノ粒子が所望の機能を有し、固体電極の動作を妨げない限り、任意の適切なサイズ及び形状を有することができる。ナノ粒子は、通常、小さく、１００ナノメートル以下の平均直径を有することができ、この平均直径は、一実施形態では５０ナノメートル以下、別の実施形態では２０ナノメートル以下、別の実施形態では１５ナノメートル以下、更に別の実施形態では１０ナノメートル以下である。
【００２４】
一実施形態は、固体参照電極を製造する方法を提供し、この方法は、表面を有する金属電極を準備することと、金属電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、１以上のタンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含むナノ複合材料を金属電極表面の少なくとも一部に付着させることとを含む。ナノ複合材料は、物理的堆積又は電気化学的堆積のいずれかを用いて金属電極の表面に付着させることができる。
【００２５】
物理的堆積とは、化学的堆積を含む、ナノ複合材料を電極の表面に付着させるために電圧を使用しないあらゆる堆積を意味する。電極において使用されている金属の化合物は、酸化剤を用いて金属表面を酸化させることにより作成できる。酸化剤は、電極において使用されている金属の化合物の層又は電極において使用されている金属の化合物及びナノ複合材料の層の堆積後に洗い流すことができる。一例では、物理的堆積は、溶液内でナノ粒子を酸化剤と混合して、複合溶液を形成することと、複合溶液を表面に適用して複合固体電極を作成することとを含む。酸化剤の濃度は、所望の結果を達成するための任意の適切な濃度とすることができ、０．５モル（Ｍ）±０．２５Ｍ、一実施形態では、０．１Ｍ±０．０５Ｍとすることができる。
【００２６】
酸化剤は、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、塩化鉄（ＩＩＩ）、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、過酸化水素、塩素酸塩、クロム酸塩、又はヨウ素酸塩であってもよい。
【００２７】
ナノ複合材料は、タンパク質、１又は複数のポリマ、又はナノ粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことができ、タンパク質、１又は複数のポリマ、又はナノ粒子、又はその組み合わせは、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、酸化剤と混合してもよい。
【００２８】
電気化学的堆積は、ナノ複合材料を電極の表面に付着させるために電圧を使用する。電気化学的堆積は、酸溶液中の表面に電圧を印加し又は電流を流して、金属電極において使用されている金属の化合物によりコーティングされた表面を形成することと、電極において使用されている金属の化合物でコーティングされた表面上にナノ複合材料を電気化学的に堆積させることとを含む。一例では、電気化学的堆積は、表面に電圧を印加し又は電流を流して、ナノ粒子と電極において使用されている金属の化合物の複合材料によりコーティングされた表面を形成することを含む。一例として、電気化学的堆積は、２０μＡの電流を１分間又は２分間流すことによって行うことができる。酸溶液は、硫酸溶液、硝酸溶液、塩化カリウム、酸性化塩化カリウム、塩酸で酸性化した塩化カリウム、塩酸溶液、リン、又はリン酸等であってもよい。
【００２９】
作用電極、参照電極、及びセンサの他の構成要素は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキ等の技術を用いて基板に堆積させることができる。基材は、可撓性又は剛性ポリマ、繊維、マット、ガラス、金属基板、又は他の印刷材料であってもよい。基板は、非導電性であってもよい。基板は、導電性であってもよい。基板と電極との間に中間層が存在してもよい。
【００３０】
ここに記載された説明に基づき、センサ及びそのコンポーネント、例えば、固体作用電極及び参照電極等を作製するための特別な設備を準備してもよい。
【００３１】
分析物の測定は、単独で使用してもよく、他の分析物、マーカ、生理学的データ、環境データ、ユーザデータ又は母集団データ、及びパターン認識、又は情報学と組み合わせて、測定される生体の状態又は健康状態を判定してもよい。固体電極の測定値の変化は、正確な測定レベル、又は同じセンサの他の測定値に対するこれらの値、又は他のマーカの測定値、センサ、又は母集団データ又はユーザデータ等のデータに対するこれらの値を使用するアルゴリズムによって監視できる。時間の経過に伴うセンサ又は固体電極測定のドリフト又は変化、又は時間の経過に伴うデータポイントの蓄積を分析して、分析物濃度の判定を補助するようにしてもよい。Ｚスコア、正規化、及び他のデータモデリング法を分析に使用してもよい。この情報は、分析物のレベルを示すために使用でき、また、ある条件の存在、条件の状態、又は条件への傾向を認識するためにも使用できる。センサ又は複数のセンサを構成する電極自体の測定を相互に比較することによって、分析を補助してもよい。作用電極と参照電極との間の差等の電極間の差を用いて分析物レベルを判定できる。一実施形態では、一方の電極は、他方の電極に対して接地されており、比較のための単一の差分値を得る。他のケースとして、分析において、電極測定値を個別に使用してもよい。同じ分析物の追加の測定値を提供することによって、又は別の分析物を選択することによって、追加の電極を分析物のレベルの分析に使用してもよく、包括的に電極の測定に影響を与える可能性がある他の影響を検出するために追加の電極を使用してもよい。例えば、通常の２電極システムは、対電極等の追加の電極を利用して、電流の変動を監視できる。更に、対電極によって、参照電極から電流を引き込むこともでき、これは、参照電極の組成の保存に役立つ。幾つかのインプットが他のインプットの分析に影響を及ぼすインプットのグループ（例えば、温度に影響される化学レベル、電流変動に影響される化学レベル）をデータモデルと連携させて化学レベルを概算してもよい。
【００３２】
固体電極及びセンサからのデータは、電子デバイスによって収集して分析してもよく、ネットワークを介して携帯電話等の外部デバイスに送信して分析してもよく、或いは、分析のために手動でソフトウェアに入力してもよい。
【００３３】
これらの例の多くは、２電極システム（固体作用電極及び固体参照電極）を含むが、これは例示的なものであり、特許請求の範囲は、これに限定されず、他の実施形態は、任意の数の電極を使用する電極システムを含むことができる。例えば、センサは、作用電極、参照電極、及び対電極を有することができる。一実施形態では、電極システムは、複数の電気化学セルを有し、各電気化学セルは、１又は複数、例えば１〜５個、１〜１５個、又は１〜２５個の電極を有する。電極システムは、電極を共有する複数の電気化学セルを有することができる。一実施形態では、電極システムは、それぞれが自らの作用電極を有する電気化学セルのアレイと、共有された参照電極とを有していてもよく、これらのセルは、セル及び電極と接触している同じサンプル内の別個の分析物を感知できる。
【００３４】
電極、方法、及びセンサは、以下の非限定的な実施例によって更に説明される。
【００３５】
実施例
物理的堆積
固体電極を準備するための物理的堆積プロセスは、包括的に以下のステップを含む。電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。ナノ粒子を化学的に修飾して表面電荷を減少させ、次に、金属電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。そして、タンパク質、強く接着するタンパク質、１種以上のポリマ、例えば、アミロイド型ナノフィブリル、又はＰＶＢを付着させて、拡散障壁として作用させる。幾つかの実施形態では、タンパク質、及びナノ粒子、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子のナノ複合材料を使用して、固体電極を保護できる。例えば、土壌サンプル等、幾つかのサンプル媒体又はデバイスの設定によって、又はセンサが摩擦に晒され若しくは外部表面と直接接触して配置される場合、センサが摩耗することがあるため、タンパク質及びナノ粒子の「強靭な」ナノ複合材料で固体電極を保護することが望ましい場合がある。この保護がなければ、例えば、土壌粒子又は摩擦によって、固体電極が侵食されることがある。固体電極浸食は、そのデバイスが、浸食されない固体電極ほどの耐久性を有さないことを意味する。固体電極の保護は、例えば、薬物懸濁液及び環境水サンプル等、電極を損傷するおそれがある粒子を含む可能性がある他の分析物に対しても使用できる。
【００３６】
ナノ粒子を付着させて安定した固体参照電極を製造する別の実施形態は、修飾されたナノ粒子を使用することを含む。この手法では、まず、ナノ粒子を、共有結合を介してアミン基及びチオール基を含有する疎水性化合物で修飾する。また、ナノ粒子は、カルボキシル基及びチオール基を含有する疎水性化合物で修飾してもよい。チオール含有化合物は、金属原子と強く相互作用することが知られている。ナノ粒子の表面修飾により、表面電荷が低下する。チオール含有化合物は、既知の化学反応によって、アミン基を使用してナノ粒子に付着させることができる。修飾されたナノ粒子は、酸化剤と組み合わせて物理的堆積を使用することによって、金属の化合物に付着させることができる。修飾されたナノ粒子は、チオール基を介して、金属の化合物中の金属原子と強く相互作用し、強固な構造を実現する。更に、これらのナノ粒子は、金属の化合物の溶解性を低下させる。金属の化合物の溶解性が低下することにより、固体参照電極からこれらの化合物が失われる速度を遅くすることができる。
【００３７】
固体電極を安定化するための別の実施形態では、タンパク質及び／又はポリマを電極に付着させる。タンパク質は、酸化剤及びナノ粒子と混合され、金属電極に物理的に付着され、これにより、表面に強く付着する複合材料が形成される。また、これらのタンパク質は、上述のように修飾された電極の上の薄層としても使用される。幾つかの場合、酸化剤を用いてタンパク質の架橋を促進できる。幾つかの場合、電極を効果的に封入するためにタンパク質が架橋されていることが重要である。架橋は、タンパク質に物理的安定性を付与すると考えられている。ポリマ又はペプチドは、ナノ複合材料固体参照電極を製造するためのタンパク質と同じ手法で、酸化剤及びナノ粒子と混合できる。電極上には、タンパク質と同様に、拡散障壁として作用するポリマの最上層を堆積させることもできる。
【００３８】
表面への強い接着性を示すポリマ、例えば、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含むポリマを使用してもよい。
【００３９】
表面への強い接着性を示すアミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、接着タンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、又はイガイタンパク質等のタンパク質を使用できる。特段の指示がない限り、「強く結合する」とは、所望の相互作用又はここに記載する所望の機能が実現するために十分であることを意味する。
【００４０】
電気化学的堆積
固体電極を準備するための電気化学的堆積プロセスは、包括的に以下のステップを含む。電極において使用されている金属の化合物及びナノ粒子の金属電極表面への電気化学的堆積では、ナノ粒子を化学的に修飾して表面電荷を低下させ、電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を電極表面に電気化学的に堆積させる。そして、拡散バリアとして作用するタンパク質及び／又はポリマを電気化学的に付着させる。
【００４１】
電極において使用されている金属の化合物を電極の金属表面に電気化学的に堆積させるために、例えば、１Ｍ又は２Ｍの酸を使用し、電圧を印加し又は電流を流す。一例として、２０μＡの電流を１分間又は２分間流してもよい。電圧の印加によって、金属電極表面上に金属電極において使用されている金属の化合物のコーティングが形成される。溶液からのナノ粒子の電気化学的堆積は、金属電極において使用されている金属の化合物の堆積層上で行われる。ナノ粒子は、酸化還元プロセスによって、金属の化合物の層に付着する。溶液中の成分の量、電荷、及び当技術分野で知られている他の因子に基づいて、金属電極において使用されている金属の化合物を含む表面の一部又は金属電極において使用されている金属の化合物の表面全体をナノ粒子でコーティングできる。
【００４２】
電極において使用されている金属の化合物の層をナノ粒子で覆うことに加えて、電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子とを混合した複合材料を作製してもよい。溶液中で酸をナノ粒子と混合し、混合溶液を電極に塗布してもよい。次に、電極に電圧を印加し電極において使用されている金属の化合物−ナノ粒子の複合材料を電気化学的に電極表面に付着させる。電気化学的プロセスのために、電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子とが化学的に結合し、強固な電極が得られる。
【００４３】
上述したように、先に化学的に修飾され、次に電極において使用されている金属の化合物と共に堆積されるナノ粒子を使用してもよい。例えば、アミン基、チオール基及び芳香族基を含む疎水性化合物を使用してもよい。次に、修飾されたナノ粒子を酸と混合して溶液を形成する。溶液混合物を電極表面に塗布し、電極に電圧を印加する。電圧の印加によって、電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子が電極表面に電気化学的に堆積する。チオール修飾ナノ粒子は、電気化学的プロセスの間に、電極において使用されている金属の化合物中の金属原子と強い結合を形成する。この強い結合により、構造が安定する。更に、ナノ粒子に付着した疎水性の芳香族基は、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させる。出願人は、如何なる理論にも拘束されることを望まないが、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させることは、動作の間に電極から化合物が失われる速度を遅くする点で有用であることが知られている。
【００４４】
物理的堆積方法と同様に、電気化学的方法を用いて準備された電極にもタンパク質を付着させることができる。上述の方法を用いて準備された電極は、タンパク質を用いて表面上で修飾される。多くの場合、溶液が水であるタンパク質溶液の液滴を電極に適用する。次に、酸化剤の液滴を電極に加える。タンパク質の種類に応じて、電極を、例えば、３０分間又は一晩放置し、これにより、酸化剤がタンパク質を架橋する。電極の最上層である架橋タンパク質層は、金属の化合物の損失を減少させる。
【００４５】
ＰＶＢ等のポリマは、有機溶媒内のＰＶＢの溶液をドロップキャスティングすることによって電極に付着させることができる。
【００４６】
特定の例では、タンパク質の存在下で電極において使用されている金属の化合物の電気化学的堆積を行う。タンパク質を酸と混合し、溶液を電極上に載置する。電圧を印加し又は電流を流すことによって、電極において使用されている金属の化合物をタンパク質とともに堆積させる。別の手法として、タンパク質をナノ粒子及び酸と混合してもよい。別の実施形態として、タンパク質をナノ粒子と混合してもよい。電圧を印加すると、電極において使用されている金属の化合物、ナノ粒子、及び１又は複数のタンパク質のナノ複合材料が堆積される。
【００４７】
表面分析
上に概説した方法によって生成された固体電極は、顕微鏡イメージング及び分光法を用いて特徴付けられる。イメージングのための顕微鏡技術には、原子間力顕微鏡（atomic force microscopy：ＡＦＭ）及び走査型電子顕微鏡（scanning electron microscopy：ＳＥＭ）が含まれる。ＡＦＭは、２ナノメートルほどの小さい構造の画像を提供する。ＡＦＭイメージングの詳細は、堆積中に生成される非常に小さなナノ複合材料に関する情報を提供する。一方、ＳＥＭは、生成されるマイクロサイズの構造体及びナノ構造体の分布に関する情報を提供する。分光法は、固体電極の表面上にある化学基を同定するために使用される。電極に取り付けられた材料は、既知であるが、堆積中に化学変化が起こる可能性があり、この結果、これらの材料の化学的性質が変化することがある。分光技術には、赤外分光法（infra-red spectroscopy：ＩＲ）、Ｘ線光電子分光法（x-ray photoelectron spectroscopy：ＸＰＳ）、ラマン分光法、及び蛍光分光法が含まれる。
【００４８】
爆発物の検出
修飾された固体作用電極を用いた感知
ここに開示する固体参照電極は、爆発物の電気化学的検出に使用できる。一実施形態では、爆発物の電気化学的検出のための固体参照電極は、金、白金、銀、パラジウム、水銀、又は銅等の貴金属から形成できる。ある実施形態では、固体参照電極は、修飾されず、金属電極と、この電極において使用されている金属の化合物のみを含む。一実施形態では、作用電極は、貴金属又は炭素から形成できる。一実施形態では、固体作用電極は、ナノ複合材料によって修飾され、これにより、作用電極の表面積が大きくなり、検出のためにより多くの物質を吸収できるようになるので、爆発物を捕捉するのに役立つ。一実施形態では、固体参照電極の合成は、固体参照電極の導電性を高めるイオン液体を含む。固体参照電極に使用できるイオン性液体の例には、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩＭ］［Ｎ（Ｔｆ）２］）及び１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート［ＢＭＩＭ］［ＣＦ３ＳＯ３］が含まれる。一実施形態では、作用電極は、カーボンナノ粒子、又は貴金属ナノ粒子若しくは金属酸化物ナノ粒子を含むナノ複合材料中のカーボンナノ粒子によって電気化学的に修飾される。カーボンナノ粒子は、カーボンナノチューブ（単層又は多層）、グラフェン、酸化グラフェン、フラーレン、ダイヤモンド、カーボン量子ドット、グラフェン量子ドット、カーボンナノファイバ、球状カーボンナノ粒子、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含んでいてもよい。金属ナノ粒子は、例えば０．０１ｍＭ〜０．１ｍＭの濃度の金、銀、白金又はパラジウムを含むことができる。金属酸化物ナノ粒子は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化シリコン、酸化ユーロピウム、又は酸化鉄を含むことができる。イオン液体は、一実施形態では、有機溶媒中に物理的に吸着できる。
【００４９】
アセトニトリル、メタノール、エタノール等の有機溶媒によって作用電極及び参照電極を覆うようにしてもよい。一実施形態では、デバイスが空気中で爆発物に曝されると、有機溶媒は、爆発物を溶解し、これにより参照電極と作用電極との間の電位が変化する。これらの溶剤は、ＴＡＴＰ及び／又はＨＭＴＤ等の爆発物に適合する。この構成では、この感知は、爆発物を含まない溶剤と比較して、爆発物が溶媒に溶解したときの電位の変化に基づく。
【００５０】
別の実施形態では、有機溶媒に代えて、電気的接触を提供する導電性テープを固体参照電極と固体作用電極との間に配置する。導電性テープは、固体参照電極と固体作用電極との間に配置され、両方の電極に接触する。導電性テープは、空気又は他の乾燥状態からの爆発物の感知を可能にする。爆発物が作用電極と接触すると、検出される電位に変化が生じる。導電性テープは、容易に入手可能である。
【００５１】
別の実施形態では、固体ポリマ電解質（solid polymer electrolyte：ＳＰＥ）を使用する。ＳＰＥは、イオン性液体と混合されたポリマ又はイオン性液体の存在下でその場で合成されたポリマから形成される導電性固体材料である。ＳＰＥは、乾燥状態の大気中の爆発物を感知する際、導電性テープの代替物となる。導電性イオンゲルは、空気からの爆発物の乾式感知に使用できる一種のＳＰＥである。
【００５２】
一実施形態では、センサは、例えば、空気等のサンプル中で単に振ってもよく、センサが潜在的な爆発物の供給源に接触するように、例えば、空気等のサンプルと接触するように配置してもよい。一実施形態では、サンプリングチャンバ内に空気等のサンプルを引き込むために、ポンプを使用してもよい。一実施形態では、サンプリングチャンバは、本明細書の別の場所で説明するように、溶媒と接触する膜又は吸収紙を含むことができる。一実施形態では、アクリル光重合を用いて、２つの固体電極の上に導電性イオンゲルを堆積させ、ここには、イオン性液体及び導電性塩も含まれる。一実施形態では、有機溶媒内でアクリルモノマをイオン性液体、導電性塩及び光開始剤と混合し、溶解させる。溶液混合物を電極の上に載置し、溶液混合物をＵＶ光に所定の時間暴露することにより、溶液混合物の重合が達成され、この間にゲルが形成される。ゲルにおいて、爆発物の分子インプリンティングを行い、感度及び選択性を向上させる。分子インプリンティングとは、爆発物等の物質の分子構造がゲル中にインプリントされることを包括的に意味する。爆発物は、上述のように、溶液混合物に含まれ、固体ポリマが作製される際、爆発物のパターン（インプリント）が混合物中に残る。次いで、爆発物を固体ポリマから洗い流し、重合の後、インプリントが固体ポリマ材料に残る。同様に、物質（例えば、爆発物）は、物質をアミロイド型ナノフィブリル等のタンパク質と混合し又は物質をアミロイドタンパク質と混合し、タンパク質を自己集合させてタンパク質原線維内にインプリントを生成することによって、タンパク質中にインプリントできる。そして、アミロイド原線維等のタンパク質原線維の自己組織化後に爆発物を洗い流す。また、この洗浄プロセスにより、重合後に残っている他の化学物質も除去される。この設計を使用した感知は、導電性テープと同じである。この技術のために、ポリマネットワーク内にインプリントでき、ガス状に変化しやすい任意の物質に分子インプリンティングを適用できる。また、空気をサンプリングして検出を行う場合、物質は、分子の形式で空気中に拡散しやすいものである必要がある。このような物質の例としては、爆発物であるＴＡＴＰ及びＨＭＴＤ、並びにベンゼン、フタル酸エステル、マイコトキシンテトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエン等の有機化合物等が含まれる。デバイスは、材料に曝され、材料分子が作用電極と接触すると、固体参照電極と固体作用電極との間の電位が変化する。３つの電極構成を使用して検出を行うこともできる。３電極システムでは、例えば、作用電極と対電極との間に流れる電流のインピーダンスを測定することによって、空気から物質を検出できる。インピーダンスアナライザを使用してもよい。本明細書に開示する、爆発物等の物質を乾燥状態で電子的に検出するためのこれらのデバイスは、携帯性を有することに加えて、公共の建物の様々な場所に設置してもよく、これにより、物質の存在を迅速に警告できる。更に、これらのデバイスは、航空機で使用してもよく、この場合、外部環境又は内部環境の何れかにおいて、ガス状化学物質の空気サンプリングを行うことができる。
【００５３】
無修飾の作用電極を用いた感知
イオン性液体を含む参照電極は、無修飾の作用マイクロ電極とともに使用できる。この実施形態は、乾燥状態の空気から爆発物を感知するためにも使用できる。無修飾電極を使用する場合、導電性テープ又は導電性ゲルをナノ粒子で修飾できる。
【００５４】
一実施形態では、導電率を改善する必要がない場合は、イオン液体なしで参照電極を使用できる。
【００５５】
一実施形態では、導電性テープをカーボンナノ粒子、又はナノ複合材料を構成するカーボンナノ粒子と金属ナノ粒子との混合物の希薄溶液に浸漬することによって導電性テープを修飾する。浸漬後、導電性テープを乾燥させ、マイクロ電極上に載置し、マイクロ電極間を電気的に接触させる。検知は、爆発物等の被検知物質にデバイスを曝すことによって行われる。物質は、導電性テープ上のナノ複合材料によって吸収され、これにより、参照電極と作用電極との間の電位が変化する。
【００５６】
ＳＰＥ（導電性ゲル）は、上記のように光重合又は熱重合を使用して、付着される。重合前に、カーボンナノ粒子及び／又は金属ナノ粒子を他の成分と混合する。ナノ材料を他の成分と混合した後、混合物を電極上に載置し、ＵＶ光又は熱に曝すことにより重合が行われる。この結果、ナノ複合材料導電性イオンゲルが得られる。感知は、ナノ複合材料イオンゲルと、空気からの爆発物等の材料との間の相互作用に基づいており、この相互作用は、参照電極と作用電極との間の電位を変化させる。修飾された作用電極の場合と同様に、感知は、３電極構成を用いて行うこともできる。３電極システムでは、空気からの爆発物は、作用電極と対電極との間に流れる電流のインピーダンスを測定することによって検出され、参照電極は、電位を安定させる働きを有する。
【００５７】
組成物、方法、物品、及び他の側面は、以下の実施形態によって更に説明される。
【００５８】
実施形態１：揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、参照電極において使用されている金属の化合物、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされた、参照電極において使用されている金属の化合物、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン性液体、又は参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料を有し、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及び強く結合するタンパク質、強く結合する高分子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成でき、作用電極又は導電性テープ又は固体ポリマ電解質の表面は、カーボンナノ粒子を含み、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む。
【００５９】
実施形態２：揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、及び参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成できる。
【００６０】
実施形態３：実施形態１又は２のセンサであって、作用電極又は導電性テープ又は固体ポリマ電解質の表面は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む。
【００６１】
実施形態４：実施形態１又は２のセンサにおいて、固体ポリマ電解質は、物質を検出するように分子インプリンティングによって改質されている。
【００６２】
実施形態５：実施形態１又は２のセンサであって、作用電極及び参照電極は、それぞれ個別に、貴金属、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００６３】
実施形態６：実施形態１又は２のセンサであって、作用電極及び参照電極は、それぞれ個別に、銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００６４】
実施形態７：実施形態１又は２のセンサであって、金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００６５】
実施形態８：揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を含む表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせ、並びに表面と電気的に接続するイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成できる。
【００６６】
実施形態９：実施形態８のセンサであって、固体ポリマ電解質は、物質を検出するように分子インプリンティングによって改質されている。
【００６７】
実施形態１０：実施形態８のセンサであって、作用電極及び参照電極は、それぞれ個別に、貴金属、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅、又は炭素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００６８】
実施形態１１：実施形態８のセンサであって、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００６９】
実施形態１２：揮発性又は半揮発性物質を検出するためのセンサであって、表面を有する作用電極と、作用電極と電気的に接続された参照電極とを備え、参照電極は、参照電極表面と、参照電極表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを含み、ナノ複合材料は、参照電極において使用されている金属の化合物、及びカーボンナノ粒子、強く結合するタンパク質、強く結合するポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、並びに参照電極表面と電気的に接続されたイオン液体を有し、作用電極と参照電極との間の電気的接続は、溶媒、又は導電性テープ、又は固体ポリマ電解質によって行われ、導電性テープ又は固体ポリマ電解質は、カーボンナノ粒子、又はカーボンナノ粒子及び貴金属ナノ粒子を含むナノ複合材料を有し、センサが分析物に曝されると、センサは、電気化学的信号を生成できる。
【００７０】
実施形態１３：実施形態１２のセンサであって、固体ポリマ電解質は、物質を検出するように分子インプリンティングによって改質されている。
【００７１】
実施形態１４：実施形態１２のセンサであって、作用電極及び参照電極は、それぞれ個別に貴金属であり、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅又は炭素であり、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００７２】
実施形態１５：実施形態１２のセンサであって、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００７３】
実施形態１６：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、信号は、爆発物の存在又は非存在を示す。
【００７４】
実施形態１７：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、信号は、ガス状に変化し得る化合物の存在又は非存在を示す。
【００７５】
実施形態１８：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、分析物は、過酸化物含有爆発物、好ましくは、ＴＡＴＰ又はＨＭＴＤ、ニトロ含有爆発物、好ましくは、ＰＥＴＮ、又はガス状に変化し得る有機化合物、又は有機化合物、例えば、ベンゼン、フタル酸、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエンである。
【００７６】
実施形態１９：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、カーボンナノ粒子は、単層又は多層のカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン、ダイヤモンド、カーボン量子ドット又はカーボンナノファイバ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００７７】
実施形態２０：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、対電極を更に備える。
【００７８】
実施形態２１：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、爆発物は、空気中、導電性吸収材料上、又は有機液体中で検出される。
【００７９】
実施形態２２：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、化合物は、空気中、導電性吸収材料上、又は有機液体中で検出される。
【００８０】
実施形態２３：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、固体ポリマ電解質は、分子インプリンティングによって物質を検出するように改質されている。
【００８１】
実施形態２４：揮発性又は半揮発性物質を検出する方法であって、
実施形態１〜２３のいずれか１以上のセンサを準備することと、センサのターゲット材料のサンプルを準備することと、センサに関連する電気化学的信号を測定することと、電気信号を処理して、ガス状に変化し得る物質の存在又は非存在を示す出力を生成することとを含む。
【００８２】
実施形態２５：実施形態２４の方法であって、物質は、爆発物である。
【００８３】
実施形態２６：実施形態２４の方法であって、物質は、有機化合物である。
【００８４】
実施形態２７：実施形態２６の方法であって、爆発物は、過酸化物含有物質又は硝酸塩含有物質である。
【００８５】
実施形態２８：実施形態２５の方法であって、爆発物は、ＴＡＴＰ、ＨＭＴＤ、又はＰＥＴＮである。
【００８６】
実施形態２９：請求項２６において、有機化合物は、ベンゼン、フタル酸、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール又はトルエンである。
【００８７】
実施形態３０：爆発物を検出するためのシステムであって、請求項１〜２３のいずれかに記載のセンサを備えるシステム。
【００８８】
実施形態３１：ガス状に変化し得る物質を検出するためのシステムであって、請求項１〜２３のいずれかに記載のセンサを備えるシステム。
【００８９】
実施形態３２：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、信号は、ポリマネットワーク内にインプリントされ得る物質の存在又は非存在を示す。
【００９０】
実施形態３３：実施形態１〜１５のいずれか１以上のセンサであって、分析物は、過酸化物含有爆発物、例えば、ＴＡＴＰ又はＨＭＴＤ、ニトロ含有爆発物、例えば、ＰＥＴＮ、又は有機化合物、例えば、ベンゼン、フタル酸、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエンである。
【００９１】
実施形態３４：実施形態２４の方法であって、物質は、ガス状に変化し得る有機化合物、例えば、ベンゼン、フタレート、マイコトキシン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエンである。
【００９２】
実施形態３５：実施形態２４の方法であって、物質は、有機液体、例えば、ベンゼン、テトラヒドロフラン、アセトン、アルカン、アルコール及びトルエンである。
【００９３】
実施形態３６：実施形態１〜２３又は３２〜３３のいずれか１以上のセンサであって、複数のセンサが参照電極を共有する。
【００９４】
実施形態３７：実施形態１〜２３又は３２〜３３のいずれか１以上のセンサであって、強く結合するポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）である。
【００９５】
実施形態３８：実施形態１〜２３又は３２〜３３のいずれか１以上のセンサであって、強く結合するタンパク質は、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
【００９６】
本発明は、包括的に、ここに開示した任意の適切な構成要素を代替的に備え、これらから構成され、又はこれらから実質的に構成される。これに加えて又はこれに代えて、本発明は、従来技術の組成物において使用されている、又は本発明の機能及び／又は目的を達成するために必要ではない任意の構成要素、材料、成分、補助剤又は化学種を欠き、又は実質的に含まないように構成してもよい。
【００９７】
ここに開示する全ての範囲は、端点を含み、端点は、互いに独立して組み合わせ可能である。「組み合わせ」は、調合物、混合物、合金、反応生成物等を含む。更に、本明細書において、「第１」、「第２」等の用語は、順序、量、又は重要性を示すものではなく、単に１つの要素を別の要素から区別するために使用される。本明細書における不定冠詞及び定冠詞は、量の限定を意味するものではなく、本明細書中に別段の指示がない限り、又は文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数形と複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。「又は」は、別段の指示がない限り、「及び／又は」を意味する。ここに開示した要素は、様々な実施形態において任意の適切な手法で組み合わせることができる。
【国際調査報告】
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