(57)【要約】  【課題】電極と導電性溶液の間にある界面を調査するためのシステムおよび技術を提供すること。  【解決手段】一態様では、装置が、一対の出力導体を介して時間変動電力を出力するように構成された時間変動電力源と、上記導体のうちの第１のものに接続された電極と、上記出力導体の対の間に接続された外部誘導性インピーダンスと、上記出力導体の一方または両方に接続され、上記時間変動電力出力から出力される既知の電流または電圧に基づいて上記出力導体の対の間の正味インピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス・センサとを備えることができる。上記測定された正味インピーダンスは上記外部誘導性インピーダンスおよび上記界面のインピーダンスを含む。上記電極は導通溶液内に浸漬され、該導通溶液との界面を形成するよう構成される。  【選択図】図１
2012517606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の出力導体を介して時間変動電力を出力するように構成された時間変動電力源と、
前記一対の導体のうちの一方の導体に接続され、導通溶液内に浸漬され、且つ該導通溶液との界面を形成するよう構成された電極と、
前記一対の出力導体の間に接続された外部誘導性インピーダンスと、
前記一対の出力導体の一方または両方に接続され、前記時間変動電力出力から出力される既知の電流または電圧に基づいて前記出力導体の対の間の正味インピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス・センサとを備え、前記測定された正味インピーダンスが前記外部誘導性インピーダンスおよび前記界面のインピーダンスを含む装置。
【請求項２】
参照電極と、
該参照電極を基準として前記電極にバイアスをかけるように接続された電圧源とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電極にバイアスをかけるためにポテンショスタットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
演算を実行するように構成されたコントローラをさらに備え、前記演算が、
前記時間変動電力出力の周波数を２つ以上の周波数に設定するステップと、
前記インピーダンス・センサから、前記２つ以上の周波数で前記時間変動電力出力のインピーダンスの特性を示す情報を受け取るステップとを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラの演算がさらに、
前記電極と前記導通溶液の間の前記界面のインピーダンスを、前記外部誘導性インピーダンスのインピーダンスと並列であるとみなしてモデル化するステップと、
前記電極と前記導通溶液の間の前記インピーダンスを使用して、前記電極と前記導通溶液の間の該インピーダンスの容量成分を特性評価するステップと、
前記容量成分の特性評価を出力するステップとを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記時間変動電力源が、電圧または電流を１００ｋＨｚ未満の周波数で出力するように構成された電圧源または電流源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記時間変動電力源が、既知の電流を出力するようにプログラム可能な電流源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記インピーダンス・センサが、前記インピーダンスを介した前記時間変動電流の流れの結果生じる電圧を感知するように接続された電圧電流計を備える、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記時間変動電力源が、既知の電圧を出力するようプログラム可能な電圧源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記インピーダンス・センサが、前記インピーダンスの両端間の電圧を感知するように接続された電圧電流計を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が、前記導通溶液と、前記導体の第２のものと前記溶液の間の接点をさらに備え、
前記電極が前記導通溶液に浸漬され、
前記測定されたインピーダンスにおいて、前記導通溶液のバルク溶液キャパシタンスが無視される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
ディスプレイ画面と、
該ディスプレイ画面と相互作用し、かつ演算を実行するようにプログラムされた１つまたは複数のデータ処理装置とを備えるシステムであって、前記演算が、
電気的信号を使用して電極／溶液界面の調査結果を受け取るステップにおいて、前記電極／溶液界面が、前記調査中に外部誘導性インピーダンスと並列であったステップと、
前記電極／溶液界面のインピーダンスを、前記外部誘導性インピーダンスのインピーダンスと並列であるとみなしてモデル化するステップと、
前記電極／溶液界面の前記インピーダンスを使用して、前記電極／溶液界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップと、
前記ディスプレイ画面上に前記電極／溶液界面の前記容量成分または前記抵抗成分の特性評価を表示するステップとを含む、システム。
【請求項１３】
前記演算がさらに、前記電極／溶液界面を調査するステップを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電極／溶液界面を調査するステップが、参照電極を基準とした電位を前記電極／溶液界面を形成する前記電極に印加するステップを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電極／溶液界面のインピーダンスをモデル化するステップが、前記電極／溶液界面を形成する前記溶液のバルク溶液キャパシタンスを無視するステップを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記調査結果を受け取るステップが、前記電気的信号の２つ以上周波数で前記電極／溶液界面のインピーダンスの特性を示す結果を受け取るステップを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記調査結果を受け取るステップが、既知の時間変動電流が流れる場合の前記外部誘導性インピーダンスと並列の前記電極／溶液界面の両端間の電圧の特性を示す結果を受け取るステップを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
電極と導通溶液の間にある界面の調査結果を受け取るステップにおいて、該結果が、外部誘導性インピーダンスと並列の前記界面のインピーダンスの測定値を含むステップと、
前記外部誘導性インピーダンスであるインダクタと並列の前記界面のインピーダンスを含んだモデルを使用して、前記界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップと、
前記容量成分または前記抵抗成分の特性評価を出力するステップとを含む方法。
【請求項１９】
前記界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップが、前記導通溶液のバルク溶液キャパシタンスを無視するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記界面の調査結果を受け取るステップが、既知の電流が前記外部誘導性インピーダンスと並列の前記界面を介して流れる場合の前記インピーダンスの測定値を受け取るステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記界面の調査結果を受け取るステップが、前記電極が前記導通溶液における参照電極を基準とした電圧で該導通溶液内に保持された状態の前記インピーダンスの測定値を受け取るステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、電極と導電性溶液の間にある界面の調査に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの溶液は導電性を有する。例えばイオン水溶液は一般に、その溶液を介したイオンの移動により、そのバルクにおいて導電性を有する。金属およびその他の導体、さらには半導体を電極として使用でき、導電性溶液と物理的に接触させて電極／溶液界面を形成することができる。
【０００３】
この電極／溶液界面は、電極と溶液の両方に含まれる、電極および溶液の各物性がバルク物性と異なる空間を取り囲む。金属電極の場合、電極／溶液界面は電極内への広がりはわずかで、むしろ外側表面にとどまる。
【０００４】
上記電極／溶液界面の構造は、いくつかの異なるパラメータから影響を受ける可能性がある。このパラメータには、電極／溶液のバルクおよび界面の組成と、外部バイアスの印加と、界面における種の吸着と、これらおよびその他のパラメータの経時的変化が含まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こういった電極／溶液界面の構造を、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用して調査することができる。ＥＩＳでは、電極／溶液界面の導電率の実数部および虚数部を周波数の関数として調査する。ＥＩＳについて論じる際には、従来より、この導電率の逆数、すなわち電極／溶液界面のインピーダンスの実数部および虚数部を参照する。電極／溶液界面の構造と同様に、電極／溶液界面のインピーダンスは、いくつかの異なるパラメータから影響を受ける可能性がある。このパラメータには、電極／溶液のバルクおよび界面の組成と、外部バイアスの印加と、界面における種の吸着と、これらおよびその他のパラメータの経時的変化が含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書では、電極／溶液界面を調査するためのシステムおよび技術について記載する。一態様では、装置が、一対の出力導体を介して時間変動電力を出力するように構成された時間変動電力源と、上記導体のうちの第１のものに接続された電極と、上記出力導体の対の間に接続された外部誘導性インピーダンスと、上記出力導体の一方または両方に接続され、上記時間変動電力出力から出力される既知の電流または電圧に基づいて上記出力導体の対の間の正味インピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス・センサとを備えることができる。上記測定された正味インピーダンスは上記外部誘導性インピーダンスおよび上記界面のインピーダンスを含む。上記電極は導通溶液内に浸漬され、該導通溶液との界面を形成するよう構成される。
【０００７】
上記態様およびその他の態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。上記時間変動電力出力の周波数は可変にすることができる。上記装置はまた、参照電極と、該参照電極を基準として上記電極にバイアスをかけるように接続された電圧源とを備えることができる。上記装置はまた、上記電極にバイアスをかけるためにポテンショスタットを備えることができる。上記装置はまた、演算を実行するように構成されたコントローラを含むことができる。上記演算は、上記時間変動電力出力の周波数を２つ以上の周波数に設定するステップと、上記インピーダンス・センサから、上記２つ以上の周波数で上記時間変動電力出力のインピーダンスの特性を示す情報を受け取るステップとを含むことができる。上記コントローラの演算はまた、上記電極と上記導通溶液の間の上記界面のインピーダンスを、上記外部誘導性インピーダンスのインピーダンスと並列であるとみなしてモデル化するステップと、上記電極と上記導通溶液の間の上記インピーダンスを使用して、上記電極と上記導通溶液の間の該インピーダンスの容量成分または抵抗成分を特性評価するステップと、上記容量成分の特性評価を出力するステップとを含むことができる。上記演算はまた、上記容量成分の特性評価を出力するステップを含むことができる。
【０００８】
上記時間変動電力源は、電圧または電流を１００ｋＨｚ未満の周波数で出力するように構成された電圧源または電流源を備えることができる。上記時間変動電力源は、既知の電流を出力するようにプログラム可能な電流源を備えることができる。上記インピーダンス・センサは、上記インピーダンスを介した上記時間変動電流の流れの結果生じる電圧を感知するように接続された電圧電流計を備える。上記時間変動電力源は、既知の電圧を出力するようプログラム可能な電圧源を備えることができる。上記インピーダンス・センサは、上記インピーダンスの両端間の電圧を感知するように接続された電圧電流計を備えることができる。
【０００９】
上記装置はまた、上記導通溶液と、上記導体の第２のものと上記溶液の間の接点を備えることができる。上記電極は上記導通溶液に浸漬することができる。上記測定されたインピーダンスでは、上記導通溶液のバルク溶液キャパシタンスを無視することができる。
【００１０】
別の態様では、システムが、ディスプレイ画面と、該ディスプレイ画面と相互作用し、かつ演算を実行するようにプログラムされた１つまたは複数のデータ処理装置とを備える。上記演算は、電気的信号を使用して電極／溶液界面の調査結果を受け取るステップと、上記電極／溶液界面のインピーダンスを、上記外部誘導性インピーダンスのインピーダンスと並列であるとみなしてモデル化するステップと、上記電極／溶液界面の上記インピーダンスを使用して、上記電極／溶液界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップと、上記ディスプレイ画面上に上記電極／溶液界面の上記容量成分または上記抵抗成分の特性評価を表示するステップとを含む。上記電極／溶液界面は、上記調査中に外部誘導性インピーダンスと並列であった。
【００１１】
上記態様およびその他の態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。上記演算は、上記電極／溶液界面を調査するステップを含むことができる。上記調査するステップは、参照電極を基準とした電位を上記電極／溶液界面を形成する上記電極に印加するステップを含むことができる。上記電極／溶液界面のインピーダンスをモデル化するステップは、上記電極／溶液界面を形成する上記溶液のバルク溶液キャパシタンスを無視するステップを含むことができる。上記調査の結果は、上記電気的信号の２つ以上周波数で上記電極／溶液界面のインピーダンスの特性を示す結果、および／または既知の時間変動電流が流れる場合の上記外部誘導性インピーダンスと並列の上記電極／溶液界面の両端間の電圧の特性を示す結果を含むことができる。
【００１２】
この態様のその他の実施形態は、対応する方法、装置、およびコンピュータ記憶装置に記録されたコンピュータ・プログラムを含み、該コンピュータ・プログラムのそれぞれが、上記データ処理装置の演算を実行するように構成される。
【００１３】
別の態様では、方法が、電極と導通溶液の間にある界面の調査結果を受け取るステップにおいて、該結果が、外部誘導性インピーダンスと並列の上記界面のインピーダンスの測定値を含むステップと、上記外部誘導性インピーダンスであるインダクタと並列の上記界面のインピーダンスを含んだモデルを使用して、上記界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップと、上記容量成分または上記抵抗成分の特性評価を出力するステップとを含む。
【００１４】
上記態様およびその他の態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。上記界面の容量成分または抵抗成分を特性評価するステップは、上記導通溶液のバルク溶液キャパシタンスを無視するステップを含むことができる。上記界面の調査結果は、既知の電流が上記外部誘導性インピーダンスと並列の上記界面を介して流れる場合の上記インピーダンスの測定値、および／または上記電極が上記導通溶液における参照電極を基準とした電圧で該導通溶液内に保持された状態の上記インピーダンスの測定値を含むことができる。
【００１５】
この態様のその他の実施形態は、対応するシステム、装置、およびコンピュータ記憶装置に記録されたコンピュータ・プログラムを含み、該コンピュータ・プログラムのそれぞれが、上記方法の演算を実行するように構成される。
【００１６】
１つまたは複数の実装形態の詳細が、添付の図面および以下の説明に記載されている。その他の特徴および利点は、その説明および図面と特許請求項の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電極／溶液界面を調査するためのシステムの概略図である。
【図２】電極／溶液界面を調査するためのシステムの概略図である。
【図３】電極／溶液界面を含んだシステムのインピーダンス・モデルの概略図である。
【図４】電極／溶液界面を含んだシステムのインピーダンス・モデルの概略図である。
【図５】電極／溶液界面を含んだシステムで使用できる櫛型電極対の概略図である。
【図６】電極／溶液界面を含んだシステムのインピーダンス・モデルの概略図である。
【図７】図１および図２に示されているシステムなどのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの概略図である。
【図８】図１や図２に示されているシステムなどのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの概略図である。
【図９】電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタの概略図である。
【図１０】電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタの概略図である。
【図１１】電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタの概略図である。
【図１２】電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタの概略図である。
【図１３】電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタの概略図である。
【図１４】電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタの概略図である。
【図１５】電極／溶液界面の調査結果を示すグラフである。
【図１６】図１や図２に示されているシステムなどのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの試験体の概略図である。
【図１７】図１や図２に示されているシステムなどのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの試験体の概略図である。
【図１８】図１や図２に示されているシステムなどのシステムにおける電極／溶液界面の調査に使用できる櫛型電極アレイの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
各種図面における同一参照記号は同一要素を示す。
【００１９】
図１は、電極／溶液界面を調査するためのシステム１００の概略図である。システム１００は、時間変動電源１０５と、インピーダンス測定器１１０と、調査を行う１つまたは複数の電極／溶液界面１２０が形成される試験体１１５とを含む。試験体１１５における電極／溶液界面１２０は、以下に詳細に説明するように、電極／溶液界面１２０の調査を容易にする外部誘導性インピーダンス１２２と並列になっている。
【００２０】
時間変動電源１０５は、電源またはその他の出力源である。時間変動電源１０５の出力は、時間と共に変動する（例えばＡＣ信号である）。例えば、時間変動電源１０５は、導体１２５と１３０間に正弦波出力を発生させる電流源または電圧源にすることができる。いくつかの実装形態では、時間変動電源１０５の時間変動出力の周波数も変化してよい。例えば、時間変動電源１０５は、制御プロセッサの制御を受けて離散的または連続的な範囲の周波数を供給することができる。いくつかの実装形態では、時間変動電源１０５は、５〜２０個程度の離散的正弦波電流群または電圧群を供給することができる。
【００２１】
時間変動電源１０５の出力の周波数は、電極／溶液界面のインピーダンスの成分を調査するよう選択することができる。したがって、時間変動電源１０５の出力の周波数は、電極間のバルク・キャパシタンス（溶液のもの）が、観察する正味インピーダンスに影響を与えるほど高くならないようにすることができる。実際面では、電極／溶液界面は一般に１００ｋＨｚ程度未満の周波数で調査する。生体分子種を含んだ電極／溶液界面を調査する際は、１０ｋＨｚ程度、または１ｋＨｚ程度未満の周波数を使用することができる。
【００２２】
いくつかの実装形態では、比較的小さな範囲の周波数（例えば５００Ｈｚ〜１００００Ｈｚの範囲など）を電極／溶液界面の調査に使用することができる。例えば、時間変動電源１０５の出力を、それぞれ例えば５０Ｈｚ〜５００Ｈｚごとに分けた１０〜２０個の異なる周波数に段階付けすることができる。周波数の範囲は、導体１２５と１３０の間の正味インピーダンスが最大となる周波数を含むように選択することができる。例えば、最大正味インピーダンスの周波数を、周波数範囲の中央になるように選択することができる。比較的小さな範囲の周波数を使用することにより、電極／溶液界面のインピーダンス成分を迅速に調査することが可能になる。これにより、インピーダンス測定値を適時に、かつ電極／溶液界面の特性が比較的高速に変化する動的状況に応答して決定することが可能になる。かかる動的状況、すなわちフローセル内に見られる電極／溶液界面における調査の例について、以下に詳細に説明する。
【００２３】
いくつかの実装形態では、時間変動電源１０５の出力周波数は変化しない。むしろ、最大正味インピーダンスの周波数が時間と共に移行するように、外部誘導性インピーダンス１２２の大きさが変化する。外部誘導性インピーダンス１２２の大きさが変化すると、正味インピーダンスもまた、電極／溶液界面のインピーダンス成分の特性評価が可能になる形で変化する。
【００２４】
いくつかの実装形態では、時間変動電力の出力周波数と外部誘導性インピーダンス１２２の大きさの両方が変化する。外部誘導性インピーダンス１２２の大きさと時間変動電源１０５の出力周波数の両方が変化すると、正味インピーダンスを迅速に測定することができ、電極／溶液界面のインピーダンス成分を特性評価することができる。
【００２５】
インピーダンス測定器１１０は、導体１２５と１３０の間の正味インピーダンスを測定するように構成された１つまたは複数の装置であり、この正味インピーダンスを、試験セル１１５内における１つまたは複数の電極／溶液界面のインピーダンスのリアクタンス成分、実数成分、またはリアクタンス成分と実数成分の両方の特性評価に使用することができる。インピーダンス測定器１１０は、いくつかの異なる方法で正味インピーダンスを測定することができる。例えば、インピーダンス測定器１１０は、直結でまたは分流器またはその他の抵抗器で導体１２５、１３０のうちの一方または両方における電流を測定する電流計であってもよい。別の例として、インピーダンス測定器１１０を、例えば分圧器などを使用して導体１２５と１３０の間の電圧を測定する電圧計にしてもよい。下記に説明するように、インピーダンス測定器１１０は、試験セル１１５の正味インピーダンスの特性を示す出力信号を生成することができる。例えば、インピーダンス測定器１１０は、測定結果を制御プロセッサに供給することができる。
【００２６】
試験体１１５は、１つまたは複数の導電性溶液１３５と１つまたは複数の電極１４０の間に形成された１つまたは複数の電極／溶液界面１２０を含む。溶液１３５は、水溶液またはその他の溶液にすることができる。一般に、溶液１３５は、例えばイオン種の動きおよび／または反応を介して、バルクでは電気的に導通する。いくつかの実装形態では、溶液１３５は、蛋白質や核酸、脂質などの生体分子種を含むことができる。生体分子種を含んだ溶液１３５を調査した実験結果を後で示す。
【００２７】
電極１４０は、例えば導電性の電極または半導性の電極にすることができる。電極１４０は、例えば固体（例えば金属製）の電極、液体（例えば水銀）の電極、ゲルもしくはその他のコロイド電極、またはそれらの組合せにすることができる。
【００２８】
電極／溶液界面１２０は、溶液１３５と電極１４０の間の接点に形成される。電極／溶液界面１２０は、電極１４０のすぐ近傍における溶液１３５の物性が溶液１３５のバルク物性と異なることから、溶液１３５へと全般に広がる。例えば、電気的に二重の層が、溶液１３５内部の電極１４０の近傍に全般に形成される。別の例として、荷電種と非荷電種の両方が、例えば電極／溶液界面１２０における電極１４０の表面またはその他の分子との特異的および非特異的な相互作用などのために、電極１４０の近傍に選択的に集まることもある。
【００２９】
いくつかの実装形態では、電極／溶液界面１２０は、電極１４０が半導体でできている場合など、電極１４０内に広がることもできる。ただし、電極／溶液界面１２０は一般に、電極１４０が金属製の導体である場合は電極１４０の表面にとどまる。
【００３０】
電極／溶液界面１２０は、システム１００を使用して調査できる電気的インピーダンスを有する。電極／溶液界面１２０のインピーダンスは、実数（例えば抵抗性）成分とリアクタンス成分の両方を含むことができる。電極／溶液界面１２０のインピーダンスは、いくつかの異なる因子の関数であり、これらの因子には、電極１４０／溶液１３５のバルクおよび界面の組成と、電極１４０への外部バイアスの印加と、界面１２０における種の吸着と、これらおよびその他のパラメータの経時的変化が含まれる。
【００３１】
図のように、導体１２５は接点１４２で電極１４０に接触し、導体１３０は接触位置１４５で溶液１３５に接触する。接触位置１４５は、溶液１３５へのいくつかの異なる電気接続のうちの任意のものにすることができる。例えば、接触位置１４５は、対極の電極／溶液界面にすることができる。かかる実装形態では、対極／溶液界面インピーダンスは一般に、電極／溶液界面１２０のインピーダンスより小さい。例えば、対極の接触位置１４５の面積を、電極／溶液界面１２０の面積よりはるかに大きくすることができる。別の例として、電極／溶液界面１２０および接触位置１４５をそれぞれ、以下に詳細に説明するように、櫛型電極対の電極にすることもできる。
【００３２】
外部誘導性インピーダンス１２２は、システム１００にインダクタンスを誘導する１つまたは複数の装置である。外部誘導性インピーダンス１２２におけるインダクタンスは、電流の変化を妨げようとする。誘導性インピーダンス１２２は、システム１００の他の構成要素の固有部品ではなく、むしろ意図的に追加されていることから付帯的なものである。外部誘導性インピーダンス１２２は、チョークコイルやジャイレータなどの固定または変動インダクタを使用して形成することができる。外部誘導性インピーダンス１２２の大きさは、電極／溶液界面１２０の調査を容易にするために、電極／溶液界面１２０のインピーダンスに合わせて調整することができる。いくつかの実装形態では、外部誘導性インピーダンス１２２の調整はまた、接触位置１４５のインピーダンスを考慮することもできる。いくつかの実装形態では、外部誘導性インピーダンス１２２を、溶液１３５を介した導体１２５と１３０の間の実数および虚数のインピーダンスと整合するように調整することができる。詳細には、時間変動電源１０５から出力される電力の所与の周波数範囲に対して、外部誘導性インピーダンス１２２のインピーダンスを、例えば溶液１３５を介した導体１２５と１３０の間の正味インピーダンスと同程度のものになるようにすることができる。外部誘導性インピーダンス１２２のかかる調整は、例えば電極１４０が溶液１３５と接触する前または接触している間に行うことができる。
【００３３】
図２は、電極／溶液界面のインピーダンスの成分を調査するためのシステム２００の概略図である。時間変動電源１０５、インピーダンス測定器１１０、試験体１１５、および外部誘導性インピーダンス１２２に加えて、システム２００は電圧源２０５を含む。電圧源２０５は、時間変動電源１０５の変化率と比較して比較的ゆっくり変化する電圧を提供できる電圧源である。したがって電圧源２０５は、単一の電圧のみの供給に限定されない。むしろ、電圧源２０５は、以下に詳細に説明するように、制御プロセッサの制御下で種々のゆっくりと変化するまたは変化しない（例えばＤＣ）電圧を供給することができる。
【００３４】
電圧源２０５は、導体２１０と導体１２５の間に電圧を提供するように接続される。導体２１０は、試験体１１５内で溶液１３５と接触している参照電極２１５への印加電位を伝えるように配置することができる。この配置により、溶液１３５内で参照電極２１５の電位を基準として電極１４０を所望の電位に設定することができる。
【００３５】
図３は、システム１００、２００などのシステムの正味インピーダンス・モデル３００の概略図である。この正味インピーダンス・モデル３００を、例えば電極／溶液界面のインピーダンスの実数成分および虚数成分を特性評価するなどのために、電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。正味インピーダンス・モデル３００は、インピーダンス３１０と並列の誘導性インピーダンス３０５を含み、これらのインピーダンスが合わせて正味インピーダンスを形成する。誘導性インピーダンス３０５で、システム１００、２００などのシステムにおける外部誘導性インピーダンス１２２のインピーダンスを近似する。誘導性インピーダンス３０５は、外部誘導性インピーダンス１２２における理想状態からの偏差を説明するために、リアクタンス成分と実数成分の両方を含むことができる。
【００３６】
インピーダンス３１０は、溶液１３５を介した導体１２５と１３０の間のインピーダンスの実数成分と虚数成分の両方を含む。したがって、インピーダンス３１０は、例えば電極／溶液界面１２０のインピーダンス、接触位置１４５のインピーダンス、および電極／溶液界面１２０と接触位置１４５の間の溶液１３５のバルク・インピーダンスを含むことができる。いくつかの実装形態では、以下に詳細に説明するように、これらのインピーダンスの１つまたは複数を無視することができる。インピーダンス３１０は、電極１４０と接触位置１４５の間における溶液のバルク・キャパシタンスを含まない。
【００３７】
モデル３００などのモデルを、電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。詳細には、システム１００、２００などのシステムを、線形系解析技術に従って解析する等価回路として扱って電極／溶液界面１２０のインピーダンスを解析して、溶液１３５内における種の挙動を判定することができる。かかる等価回路では、モデル３００のインピーダンスＺを次式として扱うことができる。
【００３８】
【数１】
2012517606.tif 000003
【００３９】
この解析は、１組または複数の機械可読命令セット（ソフトウェアなど）に従って演算を実行する１つまたは複数のデータ処理装置（デジタル・コンピュータなど）によって実行することができる。この命令は、実体のあるデータ記憶装置に保存することができ、これには磁気ディスクおよび光学媒体が含まれる。この解析結果は、例えばディスプレイ装置の表示素子やデータ記憶装置内のメモリ素子の物理的な変化などによって示すことができる。
【００４０】
図４は、システム１００、２００などのシステムの正味インピーダンス・モデル４００の概略図である。この正味インピーダンス・モデル４００を、例えば電極／溶液界面のインピーダンスの実数および虚数の成分を特性評価するなどのために、電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。正味インピーダンス・モデル４００は、インピーダンス３１０と並列の誘導性インピーダンス３０５を含み、これらのインピーダンスが合わせて正味インピーダンスを形成する。インピーダンス３１０は、界面インピーダンス４１０と直列のバルク溶液インピーダンス４０５を含む。バルク溶液インピーダンス４０５は、電極／溶液界面１２０と接触位置１４５の間の溶液１３５のバルク・インピーダンスであり、図のように純抵抗で近似することができる。
【００４１】
界面インピーダンス４１０は、電極／溶液界面１２０のインピーダンスである。界面インピーダンス４１０は、界面キャパシタンス４２０と並列の界面抵抗４１５で近似することができる。界面抵抗４１５により、電極／溶液界面１２０のインピーダンスの様々な態様を説明することができる。こういった態様には例えば、電極／溶液界面１２０の電荷移動抵抗や、電極／溶液界面１２０のワールブルグ・インピーダンス、電極／溶液界面１２０の抵抗、電荷移動のためのオーム抵抗（例えば電極／溶液界面１２０での誘電性の種全体にわたる抵抗）などが含まれる。界面キャパシタンス４２０により、電極／溶液界面１２０のキャパシタンスの様々な態様を説明することができる。こういった態様には例えば、電極／溶液界面１２０の二重層キャパシタンスや、電極／溶液界面１２０での誘電性の種全体にわたるキャパシタンスなどが含まれる。
【００４２】
モデル４００は、接触位置１４５のインピーダンスを考慮しておらず、したがって、バルク溶液インピーダンス４０５および界面インピーダンス４１０と比較して接触位置１４５のインピーダンスが無視できるシステムのモデル化に特に適している。例えば、接触位置１４５が表面積の大きい対極であるシステムのモデル化に、モデル４００を使用することができる。モデル４００まはた、電極１４０と接触位置１４５の間にある溶液のバルク・キャパシタンスも考慮していない。
【００４３】
モデル４００は、システム１００、２００などのシステムを等価回路として扱った電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。かかる等価回路では、モデル４００のインピーダンスＺを上記の式１に従って扱うことができ、次式になる。
【００４４】
【数２】
2012517606.tif 000004
【００４５】
【数３】
2012517606.tif 000005
【００４６】
いくつかの実装形態では、上記インピーダンスのリアクタンスを、理想化されたキャパシタンスＣ420、インダクタンスＬ122、および抵抗（誘導性インピーダンス１２２のもの）Ｌ122を使用して表すことができる。抵抗Ｌ122は、外部誘導性インピーダンス１２２の実数部の有限抵抗を表すことができる。
【００４７】
【数４】
2012517606.tif 000006
【００４８】
【数５】
2012517606.tif 000007
【００４９】
図５は、システム１００、２００などのシステムで使用できる、櫛型電極５０５、５１０の対５００の概略図である。櫛型電極５０５、５１０は、例えばリトグラフ技術などを使用して絶縁基板５１５上に形成される薄い金属箔の電極にすることができる。例えば、電極５０５、５１０は、金でできており、厚さは約２００ｎｍ、幅は１０ｍであり、１０ｍで隔置された２０本の指状部を含むことができる。いくつかの実装形態では、電極５０５は、電極５１０と同じ材料でできており、全般に同じ寸法を有することから、電極５１０と整合する。いくつかの実装形態では、電極５０５、５１０は、表面プラズモンを励起できる電磁放射線または電子を透過する基板５１５上に、表面プラズモンを維持する材料で製作することができる。例えば、ガラス基板５１５上に金電極５０５、５１０を製作することができる。
【００５０】
システム１００では、電極５０５は電極１４０として機能することができ、電極５０５は接触位置１４５を形成する対極として機能することができる。したがって、接触位置１４５は、溶液１３５と電極／溶液界面５２０を形成することができる。電極５０５が電極５１０と整合している実装形態では、システム１００、２００などのシステムの調査結果を解析する際に電極／溶液界面５２０のインピーダンスを無視できないことから、電極／溶液界面５２０のインピーダンスを電極／溶液界面１２０のインピーダンスと同等にすることができる。
【００５１】
図６は、システム１００、２００などのシステムの正味インピーダンス・モデル６００の概略図である。この正味インピーダンス・モデル６００を、例えば電極／溶液界面のインピーダンスの実数および虚数の成分を特性評価するなどのために、電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。正味インピーダンス・モデル３００は、インピーダンス３１０と並列の誘導性インピーダンス３０５を含み、これらのインピーダンスが合わせて正味インピーダンスを形成する。インピーダンス３１０は、界面インピーダンス４１０および界面インピーダンス６０５と直列のバルク溶液インピーダンス４０５を含む。接触位置１４５のインピーダンスが電極／溶液界面１２０のインピーダンスと比較して無視できない場合、界面インピーダンス６０５は電極／溶液界面５２０などの接触位置１４５のインピーダンスになる。
【００５２】
界面インピーダンス６０５は、界面キャパシタンス６１５と並列の界面抵抗６１０で近似することができる。界面抵抗６１０により、接触位置１４５のインピーダンスの様々な態様を説明することができる。こういった態様には例えば、接触位置１４５における電荷移動抵抗や、接触位置１４５におけるワールブルグ・インピーダンス、接触位置１４５における抵抗、電荷移動のためのオーム抵抗（例えば接触位置１４５での誘電性の種全体にわたる抵抗）などが含まれる。界面キャパシタンス６１５により、接触位置１４５におけるキャパシタンスの様々な態様を説明することができる。こういった態様には例えば、接触位置１４５における二重層キャパシタンスや、接触位置１４５での誘電性の種全体にわたるキャパシタンスなどが含まれる。
【００５３】
モデル６００は、システム１００、２００などのシステムを等価回路として扱った電極／溶液界面１２０の調査結果の解析に使用することができる。かかる等価回路では、モデル６００のインピーダンスＺを上記の式１に従って扱うことができ、次式となる。
【００５４】
【数６】
2012517606.tif 000008
【００５５】
【数７】
2012517606.tif 000009
【００５６】
いくつかの実装形態では、上記インピーダンスのリアクタンスを、理想化されたキャパシタンスＣ615を使用して表すことができる。
【００５７】
【数８】
2012517606.tif 000010
【００５８】
図７は、システム１００、２００などのシステムで電極／溶液界面を調査するための測定システム７００の概略図である。測定システム７００は、通信経路７１０を介して、システム１００、２００などのシステムと相互作用する制御プロセッサ７０５を含む。
【００５９】
制御プロセッサ７０５は、１組または複数の機械可読命令セットに従って演算を実行する１つまたは複数のデータ処理装置を含むことができる。例えば、制御プロセッサ７０５は、ソフトウェアを実行するパーソナル・コンピュータにすることができる。この演算は、例えば電力を供給するために時間変動電源１０５を制御するステップと、参照電極２１５を基準として電極１４０にバイアスをかけるために電圧源２０５を制御するステップと、インピーダンス測定結果をインピーダンス測定器１１０から受け取るステップと、ユーザとの対話処理をするステップと、インピーダンス測定結果をモデル３００、４００、６００のうちの１つまたは複数に従って解析するステップとを含むことができる。このモデル３００、４００、６００に従ったインピーダンス測定結果の解析により、モデル３００、４００、６００における様々なインピーダンスの値が得られる。
【００６０】
図のように、システム１００、２００などのシステムは、導体１２５、１３０によって接続された入出力電子回路７１５と試験体１５５含んでいると表現することができる。入出力電子回路７１５は、電圧源２０５の有無に関わらず、例えば時間変動電源１０５、インピーダンス測定器１１０、外部誘導性インピーダンス１２２などを含むことができる。
【００６１】
図８は、システム１００、２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システム８００の概略図である。測定システム８００は、試験体１５５（図示せず）に接続することができる。測定システム８００における制御プロセッサ７０５は、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５、測定構成モジュール８１０、信号相関モジュール８１５、および信号生成／蓄積モジュール８２０を含む。
【００６２】
ユーザ・インターフェース・モジュール８０５は、ユーザとの対話処理をするためにデータ処理装置上に実装することができる。このユーザとの対話処理は、電極／溶液界面の調査を構成する命令の受け取りと、結果の表示を含むことができる。例えば、いくつかの実装形態では、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５は、時間変動電源１０５から供給される正弦波の電圧または電流の構成、電圧源２０５から供給される電圧の構成、および／またはインピーダンス測定結果の解析に使用されるモデルの構成を行うユーザとの対話処理を受け取ることができる。別の例として、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５は、インピーダンス測定器１１０から受け取ったインピーダンス測定結果を表示することができる。この結果は、未処理の形でかつ／または解析後に表示することができる。
【００６３】
測定構成モジュール８１０は、電極／溶液界面を調査するためのパラメータを構成するために、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５、信号相関モジュール８１５、および信号生成／蓄積モジュール８２０と情報を交換することができる。
【００６４】
信号相関モジュール８１５は、電極／溶液界面の調査結果を解析するために、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５、測定構成モジュール８１０、および信号生成／蓄積モジュール８２０と情報を交換することができる。例えば、信号相関モジュール８１５は、モデル３００、４００、６００のうちの１つまたは複数による線形系理論を使用して、電極／溶液界面の調査結果を解析することができる。
【００６５】
信号生成／蓄積モジュール８２０は、入出力電子回路７１５と通信するために、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５および測定構成モジュール８１０と情報を交換することができる。例えば、信号生成／蓄積モジュール８２０は、送出される通信情報を整形し、その後の解析のために、入ってくる測定結果を蓄積することができる。
【００６６】
この例示した実装形態では、入出力電子回路７１５は、アナログ／デジタル・インターフェース段８２５および増幅段８３０を含む。アナログ／デジタル・インターフェース段８２５は、デジタル／アナログ変換器８３５とアナログ／デジタル変換器８４０を含むことができる。デジタル／アナログ変換器８３５は、制御プロセッサ７０５から受け取ったデジタル信号をアナログ形式に変換する。アナログ／デジタル変換器８４０は、増幅段８３０から受け取ったアナログ信号（例えばインピーダンス測定結果）をデジタル形式に変換する。
【００６７】
増幅段８３０は、システム１００、２００などのシステムにおける入出力電子回路７１５の他の部分（図示せず）向けの、デジタル／アナログ変換器８３５から受け取ったアナログ信号を増幅するための１つまたは複数のアナログ増幅器８４５を含むことができる。各アナログ増幅器８４５はまた、アナログ／デジタル変換器８４０向けの、システム１００、２００などのシステムにおける入出力電子回路７１５の他の部分（図示せず）から受け取ったアナログ信号を増幅することもできる。
【００６８】
図９は、システム１００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタ９００の概略図である。他の要素に加えて、アクティブ・フィルタ９００は、電流源９０５および電圧感知増幅器９１０を含む。電流源９０５は、時間変動電源１０５として機能し、デジタル／アナログ変換器８３５から受け取った時間変動信号９１５に応答して、導体１３０を介して既知の時間変動電流を出力する。電圧感知増幅器９１０の入力９２０は、導体１３０に接続され、その電位を増幅する。電流源９０５から出力される電流は、外部誘導性インピーダンス１２２とインピーダンス３１０の間で、その大きさの関係に応じて分かれる。したがって、電圧感知増幅器９１０の入力９２０における電位が、導体１２５と１３０の間の溶液１３５を介した実数インピーダンスおよび虚数インピーダンス（すなわちインピーダンス３１０）と、外部誘導性インピーダンス１２２の関係を示す。
【００６９】
電圧感知増幅器９１０は、出力９２５でアナログ電圧信号を出力する。この出力電圧は、アナログ／デジタル変換器８４０によってデジタル化され、制御プロセッサ７０５（図示せず）に出力することができる。
【００７０】
この例示した実装形態では、増幅段８３０は、単一のデジタル・データ処理装置のカードに実装され、外部誘導性インピーダンス１２２を含む。この増幅段は必ずしもこういった状況であるとは限らない。例えば、外部誘導性インピーダンス１２２を、磁気遮蔽などを使用して入出力電子回路７１５から隔離することもできる。
【００７１】
図１０は、システム２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタ１０００の概略図である。詳細には、アクティブ・フィルタ１０００は、参照電極２１５の電位を基準として電極１４０を所望の電位に設定できるように、電圧源２０５、導体２１０、および参照電極２１５を含む。
【００７２】
図１１は、システム１００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタ１１００の概略図である。他の要素に加えて、パッシブ・フィルタ１００は、電圧源増幅器１１０５、感知抵抗器１１１０、および電圧感知増幅器１１１５を含む。電圧源増幅器１１０５は、時間変動電源１０５として機能し、デジタル／アナログ変換器８３５から受け取った時間変動信号９１５に応答して、時間変動電圧を出力１１２０において出力する。
【００７３】
感知抵抗器１１１０は、導体１２５を出力１１２０に接続する。感知抵抗器１１１０は、分圧器として機能し、導体１２５と１３０の間の外部誘導性インピーダンス１２２およびインピーダンス３１０の並列配置と直列になっている。感知抵抗器１１１０は、既知のインピーダンスを有し、溶液１３５を介した導体１２５と１３０の間の想定されるインピーダンスに基づいて選択することができる。例えば、およそ０．００２ｃｍ2の表面積を有する金属の金電極が接触している共通水溶液では、感知抵抗器１１１０を例えば１０〜１０００ｋΩにすることができる。導体１３０は、デジタル／アナログ変換器８３５への帰還経路として機能する。したがって、感知抵抗器１１１０の両端間で降下した電圧が、導体１２５と１３０の間の溶液１３５を介した実数インピーダンスおよび虚数インピーダンス（すなわちインピーダンス３１０）と、外部誘導性インピーダンス１２２の間の関係を示す。
【００７４】
電圧感知増幅器１１１５は、導体１２５に接続された入力１１２５を有し、そこの電位を増幅する。増幅された電圧は、出力１１３０に出力される。出力電圧は、アナログ／デジタル変換器８４０によってデジタル化され、制御プロセッサ７０５（図示せず）に出力することができる。
【００７５】
この例示した実装形態では、増幅段８３０は、単一のデジタル・データ処理装置のカードに実装され、外部誘導性インピーダンス１２２を含む。この増幅段は必ずしもこういった状況であるとは限らない。例えば、外部誘導性インピーダンス１２２を、磁気遮蔽などを使用して入出力電子回路７１５から隔離することもできる。
【００７６】
図１２は、システム２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタ１２００の概略図である。詳細には、アクティブ・フィルタ１２００は、参照電極２１５の電位を基準として電極１４０を所望の電位に設定できるように、電圧源２０５、導体２１０、および参照電極２１５を含む。
【００７７】
図１３は、システム２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのアクティブ・フィルタ１３００の概略図である。アクティブ・フィルタ１３００は、ポテンショスタット１３０５および対極１３１０を含む。ポテンショスタット１３０５は、入力１３１５および１対の出力１３２０、１３２５を有する。ポテンショスタット１３０５の入力１３１５は、導体２１０に接続される。ポテンショスタット１３０５の出力１３２０は、対極１３１０に接続される。ポテンショスタット１３０５の出力１３２５は、参照電極２１５に接続される。
【００７８】
電圧源２０５から導体２１０に印加される電圧は、ポテンショスタット１３０５のための制御信号として機能することができる。詳細には、ポテンショスタット１３０５は内部電圧源（図示せず）を含み、この内部電圧源は、電圧源２０５から導体２１０に印加される電圧に応答して、溶液１３５内で参照電極２１５の電位を基準としてインピーダンス３１０を所望の電位に設定することができる。ポテンショスタット１３０５は、対極１３１０に電流を通すことによって、所望の電位にインピーダンス３１０を維持することができる。したがって、導体２１０は参照電極２１５に直接接続されないが、導体２１０の電圧は、溶液１３５内における参照電極２１５の電位を基準とした電極１４０の所望の電位への設定に関与し得る。
【００７９】
ポテンショスタット１３０５から対極１３１０を使用してインピーダンス３１０にバイアスをかける場合、このインピーダンス３１０は一般に対極を含まない。その代わり、インピーダンス３１０は、例えば櫛型電極対５００などによって形成することができる。
【００８０】
図１４Ａは、システム２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタ１４００の概略図である。パッシブ・フィルタ１４００は、ポテンショスタット１３０５および対極１３１０を含む。やはり、電圧源２０５によって導体２１０に印加される電圧は、溶液１３５内で参照電極２１５の電位を基準として電極１４０を所望の電位に設定するためのポテンショスタット１３０５用の制御信号として機能することができる。
【００８１】
図１４Ｂは、システム１００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムのパッシブ・フィルタ１１００の概略図である。他の要素に加えて、パッシブ・フィルタ１００は、電圧源増幅器１１０５Ａおよび１１０５Ｂと、感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂと、電圧感知増幅器１１１５とを含む。電圧源増幅器１１０５Ａおよび１１０５Ｂは、時間変動電源１０５Ａおよび１０５Ｂとして機能し、デジタル／アナログ変換器８３５から受け取った時間変動信号９１５に応答して、時間変動電圧を出力１１２０Ａおよび１１２０Ｂで出力する。
【００８２】
感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂは、出力１１２０Ａおよび１１２０Ｂを導体１２５および１３０に接続する。感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂは、分圧器として機能し、外部誘導性インピーダンス１２２および導体１２５と１３０の間のインピーダンス３１０の並列配置と直列になっている。感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂは、既知のインピーダンスを有し、溶液１３５を介した導体１２５と１３０の間の想定されるインピーダンスに基づいて選択することができる。例えば、およそ０．００２ｃｍ2の表面積を有する金属の金電極が接触している共通水溶液では、感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂを例えば１０〜１０００ｋΩにすることができる。感知抵抗器１１１０Ａおよび１１１０Ｂの両端間で降下した電圧が、導体１２５と１３０の間の溶液１３５を介した実数インピーダンスおよび虚数インピーダンス（すなわちインピーダンス３１０）と、外部誘導性インピーダンス１２２の間の関係を示す。
【００８３】
電圧感知増幅器１１１５は、導体１２５に接続された入力１１２５と、導体１３０に接続された入力１１２５Ｂとを有し、導体１２５と１３０の間の電位差を増幅する。増幅された電圧は、出力１１３０に出力される。この出力電圧はアナログ／デジタル変換器８４０によってデジタル化され、制御プロセッサ７０５（図示せず）に出力することができる。
【００８４】
この例示した実装形態では、増幅段８３０は、単一のデジタル・データ処理装置のカードに実装され、外部誘導性インピーダンス１２２を含む。ただし、この増幅段はいくつかの異なる形で実装することができる。例えば、外部誘導性インピーダンス１２２を、磁気遮蔽などを使用して入出力電子回路７１５から隔離することもできる。
【００８５】
パッシブ・フィルタ１４００Ｂは、ポテンショスタット１３０５および対極１３１０を含む。電圧源２０５によって導体２１０に印加される電圧は、溶液１３５内で参照電極２１５の電位を基準としてポイント９０００を所望の電位に設定するためのポテンショスタット１３０５のための制御信号として機能することができる。ポイント９０００は、ポテンショスタット１３０５に接続されている。
【００８６】
図１５は、電極／溶液界面の調査結果を示すグラフ１５００である。グラフ１５００は、データ処理装置から受け取った表示命令に応答して、ユーザに対してディスプレイ画面上に表示することができる。例えば、ユーザ・インターフェース・モジュール８０５から受け取った表示命令に応答して、グラフ１５００を表示することができる。
【００８７】
グラフ１５００は、パッシブ・フィルタを含んだ測定システムを使用して作成した。グラフ１５００は、実験結果の節で下記に詳細に説明するように、エタノール溶液に一晩浸漬することによってオクチルメルカプタンを修飾した電極への、１００ｍＭ酢酸緩衝液（７５ｍＭ ＮａＣｌ、ｐＨ５．５）におけるＭｅｆｐ１蛋白質２５μｇ／ｍｌの結合の特性を示している。
【００８８】
グラフ１５００は直交座標グラフであり、ｘ軸１５０５と、ｙ軸１５１０、１５１５の対を含む。ｘ軸１５０５は時間を示す。ｙ軸１５１０はキャパシタンスを示し（単位はマイクロファラッド／平方センチメートル）、ｙ軸１５１５は抵抗（単位はΩ）を示す。
【００８９】
グラフ１５００はまた、トレース線１５２０、１５２５の対を含む。トレース線１５２０は、ｙ軸１５１０に沿って電極と導通溶液の間のインピーダンスの容量成分を表す。トレース線１５２５は、ｙ軸１５１５に沿って電極と導通溶液の間のインピーダンスの抵抗成分を表す。詳細には、抵抗成分ＲLを含んだ誘導性インピーダンス３０５、電極溶液界面の容量成分（この場合Ｃ420）および電極溶液界面の抵抗成分（この場合Ｒ415）を扱うことによって、式９および１０に従って特性を示すことができ、それをトレース線１５２０、１５２５で表すことができる。
【００９０】
【数９】
2012517606.tif 000011
【００９１】
【数１０】
2012517606.tif 000012
【００９２】
図のように、トレース線１５２０で示される容量成分が増大すると、まず、トレース線１５２５で示される抵抗成分が急上昇し、次いで急速に低下し、次いでより緩やかに上昇する。グラフ１５００における値と、式９および１０により、櫛型電極の対における２重界面が説明される。
【００９３】
図１６は、システム１００、２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの試験体１６００の概略図である。試験体１６００は、試験体１１５の位置で使用することができ、流路１６０５、流体入口１６１０、および流体出口１６１５を含む。流路１６０５は、１つまたは複数のフィードスルー１６２５を含んだ１つまたは複数の壁１６２０によって画成される。フィードスルー１６２５は、流路１６０５内部で電極への電気的接触を可能にする導体（導体１２５、１３０、２１０、１３２０、１３２５など）を含むことができる。
【００９４】
流路１６０５は、１つまたは複数の電極／溶液界面１２０（図示せず）全体にわたって流動溶液１３５を通すことができる。例えば、いくつかの実装形態では、櫛型電極対５００は参照電極２１５の上流にすることができ、参照電極２１５は、流路１６０５を測定システム２００のアクティブ・フィルタ１３００またはパッシブ・フィルタ１４００で使用する場合、対極１３１０の上流になる。
【００９５】
図１７は、システム１００、２００などのシステムにおける電極／溶液界面を調査するための測定システムの試験体１７００の概略図である。試験体１７００は、試験体１１５の位置に使用することができ、図のようにフローセルを含むことができる。試験体１７００はまた、電磁放射線源１７０５、電磁放射線検出器１７１０、および電磁放射線カプラ１７１５を含む。電磁放射線源１７０５は例えば、基板５１５上の金または銀製の櫛型電極対５００などの表面プラズモンを維持する材料において表面プラズモンを励起するのに適した可視光源または赤外線放射源などにすることができる。電磁放射線検出器１７１０は、電磁放射線源１７０５によって生成される電磁放射線１７２０の検出器であり、例えば光検出器などとして実装することができる。電磁放射線カプラ１７１５は、電磁放射線源１７０５によって生成された電磁放射線を、基板５１５に形成された櫛型電極対５００と相互作用できるように、その基板５１５に結合するための装置である。電磁放射線カプラ１７１５はプリズムにすることができる。
【００９６】
作動時は、溶液１３５が基板５１５の櫛型電極対５００上を流れることができる。電極対５００の櫛型電極間の正味インピーダンスの調査は、電磁放射線１７２０により櫛型電極で表面プラズモンが励起されると同時に行うことができる。プラズモン吸収／放出の位置および強度により、電極／溶液界面の構造（例えば電極対５００の櫛型電極表面における種の吸着によるものなど）が示され、それを、検出器１７２０を使用して判定することができる。したがって、電極／溶液界面を、インピーダンス測定器による解析手法と光学的解析手法を同時に使用して調査することができる。
【００９７】
電極／溶液界面調査の実験結果
上記で説明したシステムおよび技術を、様々な電極／溶液界面の調査に使用することができる。例えば、電極／溶液界面における蛋白質の吸着の調査や、電極／溶液界面における抗体−抗原相互作用の調査、電極／溶液界面における蛋白質膜の構造的な相違の調査などを行うことができる。
【００９８】
例えば、電極／溶液界面における血清蛋白質の吸着を調査することができる。血清蛋白質の吸着は、生体材料研究における重要な過程である。というのは、移植片の液体−固体界面で形成される層が、その表面に対する細胞の後期応答を決定づけるからである。界面の特性は、蛋白質の吸着量、蛋白質の吸着の向き、および吸着した蛋白質の変性に影響を与えると考えられている。例えば、疎水性の表面は一般に蛋白質をより強く吸着するが、親水性の表面への蛋白質の吸着は弱い。
【００９９】
ある調査において、エタノール中の３−メルカプト−１−プロパノール（ＭＰＯＨ）とヘキサン中の１−プロパンチオール（ＭＰＣＨ3）の溶液に櫛型電極を浸漬した。クエン酸血漿から血清を調製した。ベロナール緩衝食塩水（ＶＢＳ++、ｐＨ７．４）を泳動用緩衝液に使用し、血清希釈（１：５）のためにも使用した。ＩｇＧでコートしたＭＰＣＨ3表面を、血清蛋白質を吸着するその能力が知られていることから陽性コントロールとして使用した。
【０１００】
想定では、親水性表面への血清蛋白質の吸着はほとんど無いと思われた。この調査で、ＭＰＯＨ表面では、血清への暴露後キャパシタンスは僅かしか減少しなかった。それとは対照的に、ＩｇＧでコートした表面とＭＰＣＨ3表面は両方共、血清への暴露後キャパシタンスが大きく変化した。キャパシタンスの変化を一定期間にわたってたどると、明らかにこの２つの表面では吸着速度が異なる。具体的には、ＭＰＣＨ3表面に対する非特異的吸着は非常に高速で、より高い吸着速度を示した。ＩｇＧ−ＭＰＣＨ3表面に対する吸着により、血清からのＩｇＧの最初の非特異的結合とそれに続く特異的結合の組合せが示される。したがって、説明したシステムおよび技術を、蛋白質吸着速度の研究に使用することができる。
【０１０１】
別の例として、電極／溶液界面における抗体（抗Ｈｂ）−抗原（Ｈｂ）相互作用を調査することができる。抗体（Ａｂ）層で全般にコートした電極は安定したインピーダンスを有する。解析対象がこの吸着した抗体と結合すると、電極／溶液界面のインピーダンスが変化する。この変化の性質は、その解析対象の性質および到達範囲に依存する。
【０１０２】
ある調査において、櫛型電極の官能基化を、３−メルカプトプロピオン酸自己組織化単分子層にＥＤＣ／ＮＨＳ化学反応を利用してそのカルボキシメチル末端基と共有結合させて抗ヘモグロビン抗体を固定することによって行った。この単分子層の未反応箇所は、ｐＨ８．５で１００ｍＭエタノールアミンを注入して不活性化した。電極表面上の剥き出し箇所は、ポリエチレングリコール基末端チオールを使用してブロックした。
【０１０３】
上記電極を、ｐＨ７．０の１００ｍＭトリス緩衝液に入れた濃度範囲１〜１００μｇ／ｍｌのＨｂ溶液に暴露した。Ｈｂ結合時に、濃度に依存したキャパシタンスの低下が観察された。このことは電極表面からの電解質の変位と整合している。抵抗の上昇も観察された。興味深いことに、この効果は最低濃度において比較的高かった。これは、金属蛋白質であるヘモグロビンのいくつかの固有の物性を示している可能性がある。
【０１０４】
別の例として、電極／溶液界面における紫貽貝の足場蛋白質（Ｍｅｆｐ１）膜の構造的な相違を調査することができる。Ｍｅｆｐ１は多様な表面に吸着することができ、この吸着は通常、そのＤＯＰＡ（３、４−ジヒドロキシフェニルアラニン）含有量が比較的高いことに起因する。ＤＯＰＡから反応性の高いｏ−キノンへ酸化を行うと、Ｍｅｆｐ１の接着性に寄与する強い結合が生じる。しかしながら、ＤＯＰＡは、内部ｄｉ−ＤＯＰＡ架橋の形成によりＭｅｆｐ１の凝集性にも寄与する。ＤＯＰＡの酸化は、複数の方法で誘導することができる。例えば、ｐＨ７以上でＤＯＰＡを自動酸化したり、過ヨウ素酸ナトリウム（ＮａＩＯ4）を追加することによって酸化を化学的に誘導したりすることができる。もう１つの例として、ＤＯＰＡは銅などの金属イオンと非常に安定した錯体を形成することができる。
【０１０５】
ある調査において、エタノール中にメチル末端基を溶解した１−オクチルメルカプタン溶液に、櫛型電極を１２時間以上浸漬した。Ｍｅｆｐ１貯蔵液（１％クエン酸中に０．９７ｍｇ／ｍｌ）を、注入前に泳動用緩衝液（１００ｍＭ酢酸緩衝液、７５ｍＭ ＮａＣｌ、ｐＨ５．５）の濃度２５ｇ／ｍｌまで希釈した。ＤＯＰＡの酸化および架橋の誘導を、１ｍＭ ＮａＩＯ4を使用して化学的に、または緩衝液のｐＨを９まで高めることによって、または銅（１ｍＭ ＣｕＣｌ2）との錯体形成によって行った。
【０１０６】
電極表面への蛋白質の吸着と、吸着した蛋白質膜における一連の構造変化とを、リアルタイムで追った。Ｍｅｆｐ１蛋白質膜におけるＤＯＰＡ残基の酸化および架橋は、そのＤＯＰＡ残基の完全性に応じて、すなわち、ＤＯＰＡ残基が分子間で架橋されているかどうかや、金属イオンとの錯体形成状態にあるかどうかに応じて、様々な結果をもたらす。
【０１０７】
酸化剤としてＮａＩＯ4を使用する化学酸化では、ＤＯＰＡ残基は反応性の高いｏ−キノンに酸化され、反応性の高いｏ−キノンはその蛋白質内部の他のＤＯＰＡ残基と反応し、ｄｉ−ＤＯＰＡ架橋を形成し得ると考えられる。ＤＯＰＡはまた、ｐＨに対しても感受性が高く、ｐＨの上昇（＞６）によりＤＯＰＡの自動酸化が誘導され、それによって同じ分子内架橋が生じる。しかしながら、銅は強力な金属キレート剤であり、複数のＤＯＰＡ残基を結合することができる。銅と過ヨウ素酸ナトリウムはどちらも、暴露された金表面と相互作用でき、したがってキャパシタンスに影響を及ぼす。したがってそういった結果は、吸着されたＭｅｆｐ１の有無に関わらず表面へ酸化剤を追加したときのキャパシタンス（ｃａｐ）の変化であると解釈されてきた。表面プラズモン共鳴により金表面に吸着された質量の大きさが検出される。この表面プラズモン共鳴を使用して、Ｍｅｆｐ１蛋白質膜が酸化時に金表面に付着した状態であったことを確認した。電極／溶液界面の調査と水晶振動子マイクロバランス法を組み合わせることによって、各種酸化剤を使用したＭｅｆｐ１蛋白質膜の酸化を識別することができる。
【０１０８】
ＮａＩＯ4で誘導または自動酸化されたＤＯＰＡの架橋は、分子内架橋を生じさせ、蛋白質膜を収縮させる。より斑状の蛋白質膜構造が結果として生じ、下にある表面が暴露される。この表面では、溶液との絶縁が低減し、キャパシタンスの増加が観察される。Ｍｅｆｐ１蛋白質膜が表面に形成されると、過ヨウ素酸ナトリウムで引き起こされるキャパシタンス（ｃａｐ）の変化は、剥き出しの表面のみの場合よりかなり大きくなる。過ヨウ素酸ナトリウム追加時のキャパシタンスの変化と、Ｍｅｆｐ１吸着時のキャパシタンスの変化は相関性がある。予想されるように、こういった結果は、表面に吸着された蛋白質が多いほど、酸化時に引き起こされるキャパシタンスの変化が大きくなることを示す。ｐＨの上昇による自動酸化で引き起こされる表面キャパシタンスの変化は、それより小さい。疎水性の表面上に吸着されたＭｅｆｐ１蛋白質膜は、非常に粘性を有する薄膜を形成すると考えられる。周囲の緩衝液のｐＨが上昇するにつれて、いくつかのＤＯＰＡ残基が自動酸化し始める。ただし、緩衝液の酸性度がより高い箇所は所々、粘性を有する蛋白質膜内に閉じ込められた状態で、いくつかのＤＯＰＡがそのままになっている可能性がある。過ヨウ素酸ナトリウムを順次追加すると、キャパシタンスが加えて上昇するが、全体のキャパシタンス変化は、過ヨウ素酸ナトリウムをＭｅｆｐ１蛋白質膜に直接使用した場合よりも小さい。
【０１０９】
銅は、錯体形成の際に１つまたは複数のＤＯＰＡ残基を結合することができる。かかる分子間架橋は、異なる蛋白質からのＤＯＰＡ基間に存在することができる。こういった場合、吸着された蛋白質膜に、分子内架橋が形成された場合と同じ粘性低減は生じない。水晶膜厚計測定では、Ｍｅｆｐ１でコートした表面への銅の追加時に散逸の低減が示される。しかしながら、これに対応する電極／溶液界面のインピーダンス調査の結果では、チオールでコートした金表面の銅への暴露とＭｅｆｐ１でコートした表面の銅への暴露とに表面キャパシタンスの有意差が示されない。銅との錯体形成に関わるＤＯＰＡ残基は、薄膜を収縮させその粘性物性を失わせる架橋を形成しない。むしろ、蛋白質膜は表面上に残留し、その表面を溶液から絶縁させておく。そのまま界面の表面は変化しない。さらに、銅で架橋された蛋白質膜へ過ヨウ素酸ナトリウムを順次追加すると、キャパシタンスがさらに上昇する。銅で誘導される酸化は、蛋白質膜内部の物理的な制約により、化学的に誘導される酸化より効果が弱い可能性がある。また、未酸化のＤＯＰＡがまだ、蛋白質膜内部で利用可能である可能性もある。強いＣｕ−ＤＯＰＡ相互作用がｄｉ−ＤＯＰＡ架橋と置換する見込みは低い。このことは、ＮａＩＯ4を順次追加しても、ＮａＩＯ4を最初に使用したときと同じキャパシタンスの上昇が生じないことによって裏付けられる。
【０１１０】
電極／溶液界面と水晶膜厚計測定の組み合わせ調査では、異なる酸化剤を使用するとＭｅｆｐ１薄膜の変化は同一にはならないことが示されている。水晶膜厚計測定では、ｐＨ、銅、または過ヨウ素酸ナトリウムによる酸化時に、散逸の低減が生じることが示されている。この低減幅は酸化剤によって異なる。こういった結果からだけでは、ＤＯＰＡ残基が例えばｄｉ−ＤＯＰＡ架橋の形をしているかどうかや、ＤＯＰＡによる錯体形成状態にあるかどうかなど、ＤＯＰＡ残基の完全性についてはほとんど判断できない。一方、電極／溶液界面の調査の結果では、酸化剤の選択に応じて表面キャパシタンスの変化が異なることが示されている。ＮａＩＯ4の追加またはｐＨの上昇により、Ｍｅｆｐ１の界面キャパシタンスが上昇する。Ｍｅｆｐ１蛋白質膜を銅イオンに暴露することでは、表面キャパシタンスの有意な変化は示されない。それにもかかわらず、水晶膜厚計測定値では、蛋白質膜がその粘性物性をいくらか失うことが示されている。キャパシタンスが変化しないということは、蛋白質膜が同じ絶縁性を保持していることを示す。界面キャパシタンスは、その表面を介した電荷輸送に依存し、薄膜がより多孔質になるのは、キャパシタンスが上昇するＮａＩＯ4誘導またはｐＨ誘導のＭｅｆｐ１薄膜酸化を行った結果である。分子間架橋を含んだ蛋白質膜では絶縁状態が保たれる。
【０１１１】
いくつかの実装形について説明した。それにもかかわらず、様々な変更を行うことができることが理解されよう。例えば、図１８に示すように、２対以上の櫛型電極からなるアレイ１８００を、システム１００、２００などのシステムにおける電極／溶液界面の調査に使用することができる。かかるアレイでは、様々な電極／溶液界面１４０、５２０を官能基化することも、またはその他の方法で異なった形で扱うこともでき、複数の電極／溶液界面１４０、５２０の調査を並行して進めることもできる。例えば、この調査システムの残りの部分を複製してもよく、かつ／または例えば、多重化またはその他の技術を使用して、単一の調査システムで複数の電極／溶液界面１４０、５２０を順次処理してもよい。
【０１１２】
したがって、他の実装形態も以下の請求項の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【０１１３】
１００…システム、１０５…時間変動電源、１１０…インピーダンス測定器、１１５…試験体、１２０…電極／溶液界面、１２２…外部誘導性インピーダンス、１２５…導体、１３０…導体、１３５…溶液、１４０…電極、１４２…接点、１４５…接触位置、２００…システム、２０５…電圧源、２１０…導体、２１５…参照電極、３００…正味インピーダンス・モデル、３０５…誘導性インピーダンス、３１０…インピーダンス、４００…正味インピーダンス・モデル、４０５…バルク溶液インピーダンス、４１０…界面インピーダンス、４１５…界面抵抗、４２０…界面キャパシタンス、５００…櫛型電極対、５０５…櫛型電極、５１０…櫛型電極、５１５…絶縁基板、５２０…電極／溶液界面、６００…正味インピーダンス・モデル、６０５…界面インピーダンス、６１０…界面抵抗、６１５…界面キャパシタンス、７００…測定システム、７０５…制御プロセッサ、７１０…通信経路、７１５…入出力電子回路、８００…測定システム、８０５…ユーザ・インターフェース・モジュール、８１０…測定構成モジュール、８１５…信号相関モジュール、８２０…信号生成／蓄積モジュール、８２５…アナログ／デジタル・インターフェース段、８３０…増幅段、８３５…デジタル／アナログ変換器、８４０…アナログ／デジタル変換器、８４５…アナログ増幅器、９００…アクティブ・フィルタ、９０５…電流源、９１０…電圧感知増幅器、９１５…時間変動信号、９２０…電圧感知増幅器の入力、９２５…電圧感知増幅器の出力、１０００…アクティブ・フィルタ、１１００…パッシブ・フィルタ、１１０５…電圧源増幅器、１１１０…感知抵抗器、１１１５…電圧感知増幅器、１１２０…出力、１１２５…入力、１１３０…出力、１２００…アクティブ・フィルタ、１３００…アクティブ・フィルタ、１３０５…ポテンショスタット、１３１０…対極、１３１５…入力、１３２０…出力、１３２５…出力、１４００…パッシブ・フィルタ、１１０５Ａ…電圧源増幅器、１１０５Ｂ…電圧源増幅器、１１１０Ａ…感知抵抗器、１１１０Ｂ…感知抵抗器、１０５Ａ…時間変動電源、１０５Ｂ…時間変動電源、１１２０Ａ…出力、１１２０Ｂ…出力、１１２５…入力、１１２５Ｂ…入力、１４００Ｂ…パッシブ・フィルタ、１５００…グラフ、１５０５…ｘ軸、１５１０…ｙ軸、１５１５…ｙ軸、１５２０…トレース線、１５２５…トレース線、１６０５…流路、１６２０…壁、１６２５…フィードスルー、１７００…試験体、１７０５…電磁放射線源、１７１０…電磁放射線検出器、１７１５…電磁放射線カプラ、１７２０…電磁放射線、１８００…櫛型電極アレイ、９０００…ポイント。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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