JP2007526474A - 電気化学センサー - Google Patents

Abstract

【課題】敵対的環境または廃液あるいは汚水のような「汚濁」媒体中、さらに、室温以上の温度のような、様々な条件下で、正確にｐＨを測定する能力を有する、電気化学センサーを開発する。
【解決手段】ボルタメトリーｐＨセンサーで使用するための電極は、基板、例えばグラファイト電極、上に固定化した、化学感受性レドックス活性化合物、特に、４-ニトロベンジルアミン、１,２-ナフトキノンおよびフェナントレンキノンで修飾した、炭素粉末、特に炭素ナノチューブ、を含む。
【選択図】図１３

Description

本発明は、非ダウンホール環境を含む、様々な環境で使用するための電気化学センサーに関する。例えば、センサーは、廃水およびその他の排気流ような、「汚濁」環境で物質のｐＨを測定するために使用することができる。また、本発明は、例えば、電気化学センサーの電極構成部で用いることのできる、様々な物質に関する。

米国特許第５,２２３,１１７号は、電気化学センサー内で用いられる自己組織化ミクロ電極に関する。センサー内の作用電極であるミクロ電極を、標準分子および指示分子の単層被覆で、同一電極上に存在する化学感受性を有するレドックス物質および化学感受性を有さないレドックス物質の両方で修飾する。ミクロ電極は、対極より充分小さい必要があり、例えば、対極面積は、作用電極面積の少なくとも１０²から１０³倍であるに違いない。内部標準を有するそのような小さい作用電極の利点は、センサーが最小で侵入でき、それ故、生体医療センシング（biomedical sensing）に利用できることである。

英国特許明細書第２ ３９１ ３１４号は、流体内の硫化水素またはチオールの量を測定するための電気化学センサーについて記載している。センサーは、硫化水素またはチオールと一緒になって、レドックス反応を起こす、前駆体および反応溶液を含む。該レドックス反応によって作り出される電流は、硫化水素またはチオールの濃度に依存する。本文書に記載されたセンサーは、ダウンホールでの用途に用いるセンサー、即ち、堀削作業中にボアホールにとどくセンサーである。ボアホール内に届く必要がある器具は大きさに限界があるため、センサーは、比較的小さい必要がある。

カーボンベースの電極素材は、何十年にわたって用いられてきた。通常用いられる炭素の主な形は、ガラス状カーボン、炭素繊維、カーボンブラック、グラファイト、カーボンペーストおよびカーボンエポキシ電極である。炭素は、比較的、化学的に不活性であるが、高い表面活性および広い操作性のポテンシャルウィンドウ（約−１.０Ｖから＋１.０Ｖ：水溶液中の飽和カロメル電極）を有するので、魅力的な電極素材である。

しかしながら、敵対的環境または廃液あるいは汚水のような「汚濁」媒体中で、正確な結果を提供できる、より丈夫な試薬不要センサーが必要である。さらに、室温以上の温度のような、様々な条件下で用いられるセンサーが必要である。高温で正確にｐＨを測定する能力を有するセンサーの開発に再び興味が持たれ始めている。本発明は、これらの結果を記述することを目標としている。
発明の概要
本発明に従って、電気化学センサーに用いるための電極が提供され、該電極は化学感受性を有するレドックス活性化合物で修飾された炭素を含み、該レドックス活性化合物は、アントラキノン、フェナントレンキノンまたはＮ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミン（Ｎ,Ｎ’-diphenyl-p-phenylenediamine）（ＤＰＰＤ）ではない。

また、本発明は、
化学感受性のレドックス素材を含む作用電極、および
対極
を含み、該作用電極の表面積：対極の表面積の比が１：１０から１０：１である、
ｐＨセンサーを提供する。

さらに、本発明は、
化学感受性レドックス素材を含む作用電極、および
対極電極
を含み、該作用電極の面積が５００μｍ²から０.１ｍ²である、
ｐＨセンサーを提供する。

これらのｐＨセンサーは、測定される液体中の汚濁物によって汚されたり妨げられたり、されにくいと考えられる点で、先行技術のセンサーより優れており、従って、該センサーは取り替えが必要になるまでの寿命がより長い。

本発明の電極は、電気化学センサーに、特に、ｐＨセンサーに使用してよい。本発明の電極および本発明のｐＨセンサーは、好ましくは、非-ダウンホール環境での使用に適する。

また、本発明は、電気化学センサーに用いるための電極の製造方法を提供し、該方法は、化学感受性のレドックス活性素材で炭素を修飾することを含むが、但し、化学感受性レドックス活性素材は、アントラキノン、フェナントレンキノンまたはＮ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）ではない。

最終的に、本発明は、さらに、インサイチュで電極を製造する方法を提供し、該方法は、基板の表面に化学感受性レドックス活性素材で修飾された炭素を適用することを含み、該化学感受性レドックス活性素材は、サイクリックボルタメトリーを行った場合、不可逆化学反応を起こす。

発明の好ましい第一態様の詳細な説明
本発明の好ましい第一態様のｐＨセンサーおよび電極は、好ましくは、非ダウンホール環境内で用いられる。用語“非ダウンホール”（non-downhole）は、センサーがボアホール下の環境、またはその他の地下水量の液体以外の環境内で用いられることを意味する。適当な非ダウンホールでの用途には、環境、科学、汚水、工業および廃水でのｐＨ測定が含まれる。用語「環境の」（”environmental”）は、川および海での様な試験を含む。用語「化学的な」（”chemical”）は、研究室または工場内での化学操作中の試験を含む。用語「工業的な」（”industrial”）は、工業過程からの廃棄物を含む。用語「廃液」は、液体廃棄物の排出物、例えば下水、を含む。廃液は、ほとんど、または完全に水を含んでいなくて良い。廃水は家庭内所有物および工業用所有物からの液体廃物を含む。廃水は水が主である。

以下の記載に於いて、用語「化学的に不可逆な挙動」（chemically irreversible behaviour）は、関係のある化合物が不可逆化学反応によって反応し、別の種を形成することを意味する。化合物および該化合物が変化する種は、電気化学的プロフィールが異なるであろう。用語「化学的に可逆な挙動」は、本発明のセンサーに用いた場合、可逆反応を起こし、従って、元の化合物に戻れない別の種には変化しないことを意味する。

用語「可逆的電気化学」は、句「電気化学的に可逆な挙動」と置き換えて用いられる。これは、化合物が、時間後にもその電気化学的プロフィールを変えることなく、繰り返し電子を獲得したり失ったりできることを意味している。

本発明の個々の構成要素および態様は、以下に、より詳細に記載される。

炭素
本発明で使用される炭素は、化学感受性レドックス活性素材によって修飾できる必要がある。好ましくは、炭素は炭素粉末の形である。特に、炭素は、グラファイト粒子の形であることが好ましく、その平均直径は、０.１から５０μｍ、好ましくは１から３０μｍである。代わりに、炭素は、カーボンナノチューブの形であっても良い。これらは、実質上、グラファイトの「巻き上げ」シートである。通常、これらは、単層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブ(multi-walled carbon nanotubes)（ＭＷＣＮＴｓ）のいずれかである。

化学感受性レドックス活性素材
化学感受性レドックス活性素材は、電子の放出および獲得を行う能力を有する、任意の有機素材であって良い。それは、好ましくは、固相素材である。基板、例えばガラス状カーボンまたは底面熱分解グラファイト（ｂｐｐｇ）電極上に固定した場合、それは、酸化／還元時に陽子および電子の放出／獲得を同時に行う。

該素材は、検出されたり測定されたりするべき種に依存する電気化学応答を示さなくてはならないため、それは、「化学感受性」であると記載される。例えば、ｐＨセンサー内で使用するため、化学感受性レドックス活性素材は、水素イオン濃度の変化に感受性である、電気化学応答を有する必要がある。

該素材は、１つの化合物のみを含む必要はなく、代わりに、異なる化学感受性レドックス活性素材化合物の混合物を含むこともできる。
好ましい化学感受性レドックス活性素材は、ａ）化学的かつ電気化学的に可逆的な挙動を示す化合物、およびｂ）電気化学的に可逆的な挙動を導く化学的に不可逆な挙動を示す化合物、を含む該素材である。後者の範疇で、好ましい素材には、ｂ.１）ポリマーを形成する化合物、およびｂ.２）ニトロ基を含む化合物が含まれる。これらのグループのそれぞれについて、順次、考察する。

ａ）化学的および電気化学的に可逆な挙動を示す化合物を含むレドックス活性素材
これらレドックス活性素材内の化合物は、それらがサイクリックボルタメトリーおよび方形波（square wave）ボルタメトリーの両方に供された場合、安定な可逆的ボルタメトリーピークを作り出す。それらをネルンス挙動(Nernstian behaviour)という。該化合物を組み込んだセンサーをｐＨ測定に用いようとする場合、個々の化合物についての、ｐＨに対するピーク電位のプロットは、直線であり、以下の式：

（式中、Ｅ_peak はピーク電位／Ｖであり、Ｅ⁰ _formal／Ｖは式量電位であり、Ｒは(普遍)気体定数／Ｊ^-1ｍｏｌ^-1であり、Ｔは温度／Ｋであり、Ｆはファラデー定数／Ｃmol^-1であり、ｎおよびｍは、それぞれ、移動した電子および陽子の数である）：
に従って、ネルンスト応答を生ずる。以下の例では、ｎおよびｍは両方共、スキーム１に提案したように、２に等しいと考えられる。これらの化合物のピーク電位をモニターすることによって、ｐＨを測定できる。

スキームＩ
ＤＰＡ、ＰＡＱおよびアントラセンのレドックス経路(案)

化学的および電気化学的に可逆的な挙動を示す適当な化合物には、キノンおよびアントラセンが含まれる。ｐＨセンサーにおいて有効になる化合物は、可逆的であり、かつ陽子の吸収および遊離を含むレドックス反応を受けうる。当業者は、本発明のこの実施態様に適当であろうその他の化合物を決定できる。

ｂ）電気化学的に可逆な挙動を導く、化学的に不可逆な挙動を示す化合物を含むレドックス活性素材
該レドックス活性素材中の化合物は、サイクリックボルタメトリーを行った場合、不可逆化学反応を受ける。この不可逆化学反応の結果として後に形成された物質（例えば、別の化合物または反応化合物のポリマー）は、上記段落ａ）中に記載された化合物に類似した電気化学的に可逆な挙動を示す。これらの物質のピーク電位は、測定される種（目標分析物）に対してネルンスト応答を示し、それ故、これらの物質を、ｐＨセンサーのような電気化学センサーに用いることができる。

このグループの化合物を、以下に示す、多数の部分集合に分けることができる。
ｂ.１）ポリマーを形成するもの
本発明の態様に有用な化合物はすべて、不可逆化学反応を経て、ポリマーを形成する。得られたポリマーは、サイクリックボルタメトリーを行った場合、測定される種に対して直線のネルンスト応答を示す、ピーク電位を有する。本発明の態様での使用に適当な化合物には、ジフェニルアミンおよびフェノチアジン染料が含まれるが、ジフェニルアミンがもっとも好ましい。好ましいフェノチアジン染料には、トルイジンブルー、メチレンブルー、およびチオニンが含まれる。これらの中では、メチレンブルーおよびチオニンが好ましい。

先行技術において、現存する電流測定ｐＨセンサーの大部分は、薄いフィルムおよびメンブレンのｐＨにより切り替えできる(pH-switchable)選択透過性に基づいている。そのような伝導性ポリマーフィルムのファミリーの１つは、電解酸化法によって形成されたポリアニリン様構造をベースにしている。ジフェニルアミンの重合は、大部分の溶媒に溶解性の乏しいポリジフェニルアミンのための化学的手段を通して、溶液中よりむしろ非水溶媒中で電気化学的に行われた。先行技術中での議論の多くは、金または白金電極表面上に、非水溶媒中でジフェニルアミンからポリマーを形成するカップリングメカニズムに集中してきた。

しかしながら、本発明は、炭素を修飾するために化合物を用いることのできるという点で、先行技術とは異なる。例えば、それらは化合物を炭素粒子表面上に物理吸着することができる。これが起こるとき、化合物は、水溶液と接触する間、酸化電解重合反応を受けて、ポリマーを形成し、該ポリマーはそれ自体、その場所のｐＨ変化に感受性を持つ。これを特定の化合物に適用するために、ジフェニルアミンを用いて炭素を修飾する場合、化合物は、水溶液と接触する間、酸化電解重合を受けて、ポリマーを形成することができ、それ自身は局所性ｐＨの変化を感知することにおいて有用である。

一般的に、本発明の態様による化合物の挙動は、以下の通りである。サイクリックボルタメトリーを行った場合、レドックス活性素材の元の形に相当する、最初のピークが認められる。このピークは、徐々に消滅するが、これは、最終的に、炭素表面上のすべてのレドックス活性素材が重合されることによる。その後、レドックス活性素材の重合形に相当する、新たな可逆系が作り出される。この系に相当するピークは、繰り返し循環時に成長し、最終的に安定化する。

不可逆ピークおよび可逆ピークの両方のピーク電位をモニターすることによって、ｐＨをモニターできる。不可逆系および可逆系の両方のｐＨに対するピーク電位のプロットの勾配の分析は、直線ネルンスト様式へのシフトを示す。

即ち、これらのレドックス活性素材は、広範囲にわたる強力な無試薬ｐＨセンサーを提供するのみならず、使用位置で電極を製造する技術をも提供する。

ｂ.２）ニトロ基を含む化合物
そのようなレドックス活性素材は、通常、１以上の炭素環および／または複素環を含む芳香族化合物であり、少なくとも１個のニトロ基によって置換されている。適当な炭素環式化合物は、フェニル、アントラセン、フルオランテン等を含む。適当な複素環式化合物は、１以上のヘテロ原子によって置換された環内に、１以上の炭素原子を有する炭素環式化合物を含む。ヘテロ原子は、好ましくは、窒素、酸素および硫黄から選択される。好ましくは、複素環式化合物は、環内に、１から５のヘテロ原子、好ましくは１から３のヘテロ原子を含む。好ましくは、化合物は、本発明の電気化学センサーによって測定される予定の種への応答を覆い隠すような、その他のいかなる競争化学変換(competing chemical transformation)をも受けるべきではない。

好ましい化合物には、ニトロアントラセン、特にアントラセン分子の９位が窒素原子によって置換されている；ニトロチリセン、特にニトロ基が６位にある；およびニトロフルオランテン、特にニトロ基が３位に存在する：が含まれる。用いうるその他の化合物には、ファストブラックＫ（fast black K）（ＦＢＫ）も含まれる。

芳香族化合物の電気化学還元は、水性媒体および非水性媒体の両媒体内の、さらにニトロ基を含む油のミクロ小滴、電解水溶液および電極の間の三相の境界での、複雑なメカニズム経路(complex mechanistic pathway)に従う。ニトロ基還元の正確なメカニズムについての考察が行われ、溶液のｐＨに依存する異なる様々な経路が示唆される。しかしながら、現在では、一般的には、以下のスキーム２に示した経路が、認められている。このスキームは、化合物例としてニトロベンゼンを用いているが、その他のニトロ含有化合物についての一般的スキームも、同じである。

スキーム２
ここではニトロベンゼンを例として示したアリールニトロ部の
電気化学還元の一般的メカニズム

このメカニズムで、ニトロ基は、６電子、６陽子還元を受けて、相当するアリールアミンを形成するが、ニトロソ中間体を経由してアリールヒドロキシアミンまでの４電子、４陽子還元；およびアリールアミンまでのさらなる２電子、２陽子還元：の２段階に分割される。

ポリマーを形成する化合物に関して言えば、該レドックス活性素材は、広範囲での強力な無試薬ｐＨセンサーを提供するのみならず、使用位置で電極を製造する技術も提供する。

化学非感受性レドックス活性素材
化学感受性レドックス活性素材に加えて、本発明は、また、化学非感受性レドックス活性素材を用いても良い。従って、化学非感受性レドックス活性素材は、化学感受性レドックス活性素材と同じ基板上に存在して良い。

また、化学非感受性レドックス活性素材は、本発明による電気化学センサー内で用いられる別の電極上にあっても良い。
化学感受性素材と同様に、化学非感受性素材を用いて、炭素を修飾してよい。別法として、該素材を、直接、基板（例えばｂｐｐｇ）に適用することができる。素材がプリントされたスクリーンである場合、次いで、結合剤およびシンナーも必要になる。

化学非感受性レドックス活性素材は、化学感受性素材と同様、電子の損失と獲得を繰り返し受ける能力を持つ。しかしながら、該化合物の電気化学応答は、センサーで測定される種の濃度に依存しない。例えば、センサーがｐＨセンサーである場合、化学非感受性レドックス活性素材の電気化学応答は、水素イオンの濃度の変化に非感受性であり、それ故、ｐＨの変化に非感受性になる。

また、化学非感受性レドックス活性素材の選択は、明らかに、電気化学センサーが検出する予定の種に依存することになる。ｐＨセンサーの場合、適当な化合物には、不溶性フェリシアナイドまたはフェロシアナイド塩、オクタシアノモリブデート（ＩＶ）塩、またはポリビニルフェロセンのようなポリマーが含まれる。これらの化合物は、基準素材（reference material）として作用し、サイクリックボルタメトリーを行った場合、それ自身、基準信号を生成する。米国５,２２３,１１７に記載のように、化学感受性レドックス化合物と化学非感受性レドックス活性化合物のピーク間の電位差を用いて、センサーの精度を改良することができる。

基板
修飾された炭素をその上に適用した基板は、電極の製造に通常用いられる任意の基板であって良い。例えば、基板は、底面熱分解グラファイト（ｂｐｐｇ）電極、またはガラス状カーボン、金あるいは白金のような金属電極、またはＩＴＯを含む電極のような、光学上透明な電極であって良い。好ましくは、基板は、修飾された炭素と良好な電気的接触を有し、また、修飾された炭素での良好な被覆を達成しうる表面を有する。

修飾された炭素を、任意の既知の方法によって、適用して良い。特に、スクリーンプリンティングは、適切な慣用の技術である。

作用電極
本発明のセンサーの作用電極の大きさは、表面積が、好ましくは１０μｍ²から０.１ｍ²、より好ましくは５０μｍ²から０.１ｍ²、さらにより好ましくは５００μｍ²から０.１ｍ²である様な大きさである。

本発明の電極を考察する場合のその他の関連するパラメーターは、作用電極表面積：対極表面積の比率である。該比率は、好ましくは１：１０から１０：１、より好ましくは、１：５から３：１である。

本発明の電極と比較すると、先行技術に開示された電極は、より小さい表面積の作用電極を有し、さらに／または実質上作用電極よりサイズの大きい対極を有する傾向がある。
本発明の電極は、分析に用いられている物質によって汚されにくいという利点を有する。それ故、センサーの作用寿命は、電極の取り替えが必要になる時点まで、延びる。

さらに、本発明の電極は、安価に作成でき、容易に処分することができる。先行技術で議論された電極よりは大きいが、まだ容易に運搬できるほど充分小さく、かつポータブル電気化学センサーとして用いうる。

本発明の作用電極は、同一基板上にレドックス活性素材の領域を１以上含んでいて良い。これらの領域は、好ましくは、互いに分離していて、従って、基板表面上に「スポット」として現れて良い。少なくとも１つの領域は、化学感受性レドックス活性素材で修飾された炭素を含むことになる。その他の領域または複数領域は、化学感受性レドックス活性素材または化学非感受性レドックス活性素材を含んで良い。

１つの実施態様によれば、作用電極は、２つの分離された領域を含み、該領域の内１領域は、化学感受性レドックス活性素材で修飾された炭素を含み、他は、化学非感受性レドックス活性素材を含む。もう一つの実施態様によれば、作用電極は、４つの分離領域を含み、該領域の内の２領域は、化学感受性レドックス活性素材を含み、他の２領域は、化学非感受性レドックス活性素材を含む。素材を含む分離領域が多数あることの長所の１つは、多数の電極を１つのセンサー上に存在させうること、または、多数の異なる素材を、１つの作用電極の異なる領域に沈積（deposit）させうることである。この結果、センサーの精度および感度を上げることができる。

ｐＨセンサー
センサーの構造は、その最終用途に依存し、それ故、測定される物質、および測定が行われるであろう環境に依存する。公知のセンサー構造を本明細書において記載さえたアグロメレートと電極と共に用いてよい。

例示のセンサーは、２または３の端子装置(terminal arrangement)を有して良い。例えば、センサーは、本発明の作用電極１および対極-基準電極の複合電極１、または作用電極１、対極および基準電極１を含んで良い。基準電極および対極は、銀電極、カロメル電極または標準水素電極のような、本技術分野で既知の任意の慣用の電極であることができる。基準電極を前述の化学非感受性レドックス活性素材によって提供することもできる。

センサーに用いられる素材は、センサーが測定する予定の種およびセンサーが用いられるであろう環境に依存する。センサーが異なる種に対して感受性を持つように修正するために、単に、レドックス活性素材を、測定されるであろう種に対して感受性を有する別のレドックス活性素材で置換することが、当業者に要求される。

本発明による典型的ｐＨセンサーを図１１に示す。基板１は、電極２，３および４を有している。対極２および基準電極３は、両方とも銀を含む。この図では、作用電極は、Ｎ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）で誘導化した炭素を含む、１０質量％のＤＰＰＤを含む電極を有する。ｐＨセンサーを３つの端子５を通して、サイクリックボルタメトリーを測定するための装置に接続する。

図１２は、４つの異なるセンサーが１つの基盤上に存在する本発明のもう一つの実施態様を示す。センサーはスクリーンプリンティングによって製作され、必要に応じて、個々のセンサーストリップに切断できる。この図で用いた数字は、上記の図１１で用い多数字と一致する。

修飾法
本発明で用いられた、炭素を修飾するための好ましい方法は、
ａ） 化学感受性レドックス活性素材での均一な化学的誘導化；
ｂ） 化学感受性レドックス活性素材の物理的吸着による誘導化；
ｃ） 化学感受性活性素材と結合剤との物理的混合：
である。均一な化学的誘導化とは、炭素および化学感受性レドックス活性素材を、２つの種の化学結合の原因となるための還元体（例えば次亜リン酸）の存在する溶媒中で、結合する方法を言う。用語「均一な」は、すべての還元体（および還元体のみ）が、溶液相内にあるという事実を指す。還元体および化学感受性レドックス活性素材（またはその前駆体）を溶液中に溶解させるのに対して、炭素は溶媒中に分散させる。化学反応は、溶液相内でのみ起こり、後に炭素表面に結合する種が作り出される。

物理的吸着による誘導化とは、炭素および化学感受性レドックス活性素材を、該レドックス活性素材が炭素表面上に物理的に吸着される原因となるような方法で、化合することを意味する。

上記の２つの工程は、物理的吸着の場合、当業者が、相対的疎水性によって炭素表面の誘導化を引き起こすことができるという点で異なる。化学的誘導化では、実際に化学結合が炭素と化学感受性レドックス活性素材の間で形成される。

物理的混合のオプションは、単に、炭素と化学感受性レドックス活性素材を、結合剤存在下で共に機械的に攪拌することを要求しているにすぎない。これは、炭素およびレドックス活性素材が、化学結合を形成することなく互いに関連することを可能にする。結合剤の選択は、電極をさらすことになるであろう条件に依存する。スクリーン-プリンティング工業で用いられているような慣用の結合剤およびシンナーは、候補になる可能性がある。

本発明の好ましい第一態様の実施例
試薬および装置
Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｄｒｕｇ Ｈｏｕｓｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓより入手したメチレンブルーおよびチオニン、ならびに、Ｒｉｅｄｅｌ ｄｅ Ｈａｅｎより入手した塩化カリウムを除き、全試薬を、Ａｌｄｒｉｃｈから、入手できる最高級のものを入手し、さらなる精製を行うことなく使用した。全水溶液を、比抵抗が１８ＭΩｃｍ以上であるＥｌｇａｓｔａｔ（Ｅｌｇａ，ＵＫ）ＵＨＱ級水系からの脱イオン水を用いて調製した。全測定は、純粋なＮ²ガス（ＢＯＣ ｇａｓｅｓ，Ｇｕｉｌｄｆｏｒｄ，Ｓｕｒｒｅｙ，ＵＫ）で、３０分間、溶液を脱気した後に行われ、また、特に記載しない限り、温度２２±２℃で結果を記録した。

ｐＨ１から１２までの範囲でｐＨが既知の溶液を、脱イオン水中で、以下のように、作製した：ｐＨ１、０.１Ｍ ＨＣｌ；ｐＨ４.６、０.１Ｍ 酢酸＋０.１Ｍ 酢酸ナトリウム；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム；ｐＨ１２、０.０１Ｍ 水酸化ナトリウム。これら溶液は、加えて、付加的補助電解質として、０.１Ｍ ＫＣｌを含んだ。

ｐＨ測定を、それぞれ新たに調製した溶液で行い、それが、Ｊｅｎｗａｙ ３０３０ ｐＨメーターを用いて、正しいｐＨを有することを確認した。
電気化学的測定を、標準３電極配置を有するμＡｕｔｏｌａｂコンピューター制御ポテンショスタット（Ｅｃｏｃｈｅｍｉｅ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｓ）を用いて、記録した。全室温実験を、容量３０ｃｍ³のセル内で行った。高温ボルタメトリー（３０−７０℃）を、
加熱した水浴から水を循環させることによって所望の温度に自動温度調節した、容量２５ｃｍ³の二重壁ガラスセルを用いて行った。すべての場合、底面熱分解グラファイト（ｂｐｐｇ、０.２０ｃｍ²、Ｌｅ Ｃａｒｂｏｎｅ Ｌｔｄ．，Ｓｕｓｓｅｘ，ＵＫ）電極は、作用電極として働く(以下を参照されたい)。プラチナロッドは、対極として働き、飽和カロメル電極（ＳＣＥ，Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ,Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ）は、セルの組み立てが完了した基準電極として働く。

特に記載しない限り、サイクリックボルタモグラムは、以下のパラメーター：歩幅電位 ２ｍＶ；走査速度 １００ｍＶｓ^-1：を用いて記録した。方形波ボルタメトリーパラメーターは、以下の通り：振動数 １２.５Ｈｚ、歩幅電位 ２ｍＶ、および振幅 ５ｍＶ：であった。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）検査を、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ 立体走査電子顕微鏡を用いて、倍率８３ｘで行った。炭素粒子の大きさの初期特性を、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を用いて調査した。該方法は、炭素粒子を細長い導電性粘着テープ片に接着し、該テープからＳＥＭ像を得ることを含む。像の分析から、炭素粒子は１.５μｍの平均直径を有することが示され、この値は、製造者（Ａｌｄｒｉｃｈ，グラファイトパウダー、１−２μｍ、合成）によって記載されている該直径と一致する。

実施例１：炭素粉末誘導化法
ａ） 物理吸着による誘導化
炭素粉末上への物理吸着は、２ｇの炭素粉末を、２５ｃｍ³の０.１Ｍ ＨＣｌ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ、および１０ｃｍ³のアセトン中の１０ｍＭ 化合物(以下に示す)溶液と共に、混合することによって行われ、該化合物は、アントラセン、アゾベンゼン（ＡＢ）、ジフェニルアミン、９,１０-ジフェニルアントラセン（ＤＰＡ）、１,３-ジフェニルグアニジン、フロレセイン、メチレンブルー、３-ニトロフルオランテン（３-ＮＦ）、６-ニトロチリセン（６-ＮＣ）、９-ニトロアントラセン（９-ＮＡ）、９,１０-フェナントラキノン（ＰＡＱ）またはトリフェニルアミン：の内の一つの化合物である。反応混合物を、ビーカー中で２時間連続攪拌し、次に水吸引によりろ過し、その後、蒸留水で洗浄して、酸および塩を除去した。次にろ過物を蒸発フード内に１２時間置いて空気乾燥し、最終的に密閉容器内に保存した。

ｂ） 均一な化学誘導化
最初に、２ｇの炭素粉末を、５ｍＭ Ｆａｓｔ Ｂｌａｃｋ Ｋ（２,５-ジメトキシ-４-[(４-ニトロフェニル)アゾ]ベンゼンジアゾニウムクロリド；ＦＢＫ）を含む１０ｃｍ³溶液と共に混合し、そこに５０ｃｍ³の 次亜リン酸（Ｈ₃ＰＯ₂、５０％ Ａｌｄｒｉｃｈ）を加えた。次に、反応混合物を、１０分毎に攪拌しながら、３０分間５℃に置いたままにし、その後、未反応の種を炭素から除去するために、溶液を水吸引でろ過した。さらに、脱イオン水での洗浄を行い、残ったいかなる酸をも取り除き、最後にアセトニトリルで洗浄して、混合物から未反応ジアゾニウムをすべて除去した。次に、炭素粒子を、蒸発フード内に１２時間置いて、空気乾燥させ、その後、密閉容器内に保存した。

誘導化した炭素粉末の寿命
上記の方法の１つを用いて誘導化し、密閉容器内で保存した各々の化合物を、数カ月の期間にわたって調査し、該調査期間経過後も、安定なボルタモグラム(voltammogram)を示すことを見出した。このことは、炭素粉末表面からの脱離が殆ど又は全く起こらず、誘導化炭素粉末が、該期間中、安定であることを示す。

実施例２：基板上への誘導化炭素の固定化
新たに誘導化した炭素粉末を、特徴を調べる前に、ｂｐｐｇ電極の表面上へ研磨固定(abrasive immobilisation)することによって、その特徴を調べた。研磨固定は、最初にガラス研磨紙（Ｈ００/２４０）上で電極を研磨することによって行われ、その後、炭化ケイ素紙（Ｐ１０００Ｃ）上で平滑になるまで磨いた。次に、官能化炭素を含むファインフィルターペーパー（Ｗｈａｔｍａｎ）上に電極表面を穏やかに擦りつけることによって、誘導化炭素をｂｐｐｇ電極上に機械的に固定化した。３-ニトロフルオランテン、６-ニトロチリセンおよび９-ニトロアントラセン誘導化炭素粉末の場合、ニトロ基の電気還元が化学的に不可逆であり、それ故、信号が最初の第１走査後に喪失する（以下を参照のこと）と言う事実から、誘導化炭素が、各々の実験の初期に、底面上に固定化されたことは、特記に値する。

特性プロトコール
調査される化合物のそれぞれが、物理吸着または誘導化法による共有結合のいずれかの方法で、炭素粒子に付着していることを確かめるために、新たに誘導化した炭素をｂｐｐｇ電極上に固定化し、該誘導化炭素のそれぞれについて、以下のプロトコールを、調査される全ｐＨ範囲（ｐＨ１-１２）にわたって、サイクリックボルタメトリーを用いて行った。典型的には、＋１.０Ｖから−１.０Ｖまでの最初の１０回繰り返し走査（データは示さず）を行い、種の安定性を確認した。各々の場合において、迅速に安定して、酸化および還元ピーク間で約２０ｍＶの隔たりを有する対称波に近い波形を示し、電気化学可逆系を認めることができるが、固定化された種に関してのピーク-ピーク間の隔たりは理想的には０に近い。次に、電解溶液を新しい溶液と入れ替え、ボルタメトリー応答を記録した。相当するボルタメトリー応答（データは示さず）は、最終の走査と重なることが分かり、これにより、電解活性を有する種が電極表面に残っていることが確認された。最後に、走査速度を変え、ピーク電流対走査速度のプロットが直線になることが分かり、表面結合種と一致する。

同時に、これらの試験の各々から、調査した具体的化合物が炭素粒子の表面に付着していることが確認される。例として、６-ニトロチリセンの物理的誘導化炭素のボルタメトリー応答を図１に示すが、ｐＨ１.０（０.１Ｍ ＨＣｌ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）で、可逆系発生後（以下を参照の事）、走査速度（２５-１０００ｍＶｓ^-1）を変化させた。差込図は、走査速度に対する相当するピーク電流のプロットであり、該プロットは、表面結合種に期待されるような直線である。

調査した化合物はすべて、固定化されており、チオニンおよびメチレンブルーを除いて、室温で、ｐＨ１-１２にわたり、安定であったが、チオニンおよびメチレンブルーは両方とも、それぞれ６.８および４.６より大きいｐＨで、繰り返し循環時にゆっくりと脱離することが分かった。フルオレセイン、１,３-ジフェニルグアニジンおよびトリフェニルアミンは、どのｐＨにおいても、明らかなボルタメトリー波を非常に不充分にしか作り出さず、それらについては、さらなる分析を行わなかった。

実施例３：２２℃におけるｐＨ１から１２の誘導化炭素のボルタメトリー応答
最初に、各ｐＨでの誘導化炭素の応答を、個別的に、サイクリックボルタメトリー（ＣＶ）を用いて、次に、方形波ボルタメトリー(square wave voltammetry)（ＳＷＶ）を用いて、調べた。ＳＷＶは、単一掃引で、調査される各レドックス系の可逆性による明確なボルタメトリーピークを提供すると言う、慣用のＣＶに対して明らかな長所があるので、系の電気化学調査に用いた。相関するサイクリックボルタモグラムおよび方形波ボルタモグラムを、ｐＨ溶液の範囲内で記録した（ｐＨ１.０、０.１Ｍ ＨＣｌ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ４.６、０.１Ｍ 酢酸 ＋０.１Ｍ 酢酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ１２、０.０１Ｍ ＫＯＨ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）。本発明の化合物のボルタメトリー挙動は、次の３つの型に分類できる：（１）化学的および電気化学的に可逆な挙動、（２）電気化学的に可逆な系を導く化学的に不可逆な系（ポリマー種形成を含む）、（３）電気化学的に可逆な系を導く化学的に不可逆な系（窒素含有化合物を含む）。

実施例３.１：化学的および電気化学的に可逆な挙動を示す化合物
実施例１の方法に従って、ＰＡＱおよびＤＰＡで誘導化したグラファイト粉末のボルタメトリー応答を測定した。図２は、ｐＨ範囲１-１２で測定したＰＡＱのサイクリックボルタメトリー応答を重ねて示す。各ｐＨでの酸化および還元ピーク間に約２０ｍＶのわずかな隔たりを有するが、ピークの形は対称に近い。より高い電位でのわずかな肩は、各ピークで認められたが、ＤＰＡおよびアントラセンでは認められなかった。これは、アントラキノンを炭素粉末上に誘導化した場合に認められるボルタメトリーと類似しており、各々、キノン−セミキノン種の還元／酸化中間体によるものと考えることができる。

図３Ａは、ｐＨ範囲１-１２でのＤＰＡの酸化および還元によるＳＷＶ応答を重ねて示しており、図３Ｂは、ｐＨに対する相当するピーク電位のプロットを示す。このプロットは、明らかに、ｐＨに対する直線応答を示し、６１ｍＶ／ｐＨ単位の勾配を有する。この直線応答は、理論（式１）と卓越した一致を示す。各化合物について、実験的に得られたｐＨによる電位シフトの、理論との比較を、この分類の各化合物について、表１に示す。

表１
アントラセン、ＤＰＡおよびＰＡＱについて、理論的に計算したｐＨによるピーク電位シフト（５８.１ｍＶ／ｐＨ単位、式１）と実験的に測定されたｐＨによるピーク電位のシフトの比較（２２±２℃、酸化ＳＷＶ走査による）

実施例３.２：電気化学的に可逆な挙動を導く、化学的に不可逆な挙動を示す化合物−ポリマーを形成する化合物
ジフェニルアミンで誘導化された炭素粉末のサイクリックボルタメトリーは、第１走査時、酸化方向で、大きな電気化学的不可逆波が、ｐＨ６.８で、約＋０.４５Ｖ(対ＳＣＥ)に認められることを示した（図４）。＋１.０Ｖで走査方向を逆にした場合、新しい波が、＋０.０３Ｖ（対ＳＣＥ）に認められ、この波は、繰り返し循環時に成長して、安定な可逆レドックス系になるが、＋０.４５Ｖの大きなピークは、４回以後、無くなった。この挙動は、溶液中のジフェニルアミンの電解重合について文献に報告されている挙動と類似しているが、この場合、重合は、水溶液と接する炭素粒子表面上に物理吸着されたジフェニルアミンで起こる。図４中の大きな電気化学的不可逆ピーク（Ｉ）は、スキーム３内に示したように、ジフェニルアニオンが相当する関連ラジカルカチオンへ酸化され、次に、付随するプロトンの損失および獲得を含む機構を通して重合することによると考えることができる。

スキーム３
ジフェニルアミンについての電解重合の機構（案）

繰り返し循環時、最終的に、炭素表面上のジフェニルアミンのすべてが重合されるために、ピーク（Ｉ）は消える。新たな可逆系は、図４中（II）で示すように、繰り返し循環時に成長し、安定する。このことは、次に起こるポリマー構造内のイミン結合の酸化／還元、さらに、続いて起こるプロトンの損失／獲得を含む、ポリジフェニルアミンのレドックス応答によるものと考えることができる（案）（スキーム３）。非水媒体内では、重合は、ジフェニルアミンが二量体化し、ジフェニルベンジジンを形成する事で始まると考えられ、これに相当する二つの可逆波が、重合した種に相当する波より高い電位で認められた。この例では、２つの小さい可逆波が、最初の数回の走査で、約＋０.２５Ｖに認められる。これらは、試案的に、ジフェニルベンジジンの酸化／還元によるものと考えることができるが、これらは、また、次第になくなり、第１０走査では、二量体は、さらに重合してポリジフェニルアミンを形成する（スキーム３）ため、ほとんど認めることができない。

このボルタメトリー応答は、調査したｐＨ１-１２の各ｐＨでの、ジフェニルアミン誘導化炭素の特徴であり、ピーク（Ｉ）およびピーク（II）のピーク電位は、両方共、式（１）から予想されるように、負の方向へシフトしていることが、見出された。不可逆系（Ｉ）および可逆系（II）の両ピーク電位の、ｐＨに対するプロットの勾配の分析から、データには示していないが、各系は、全ｐＨ範囲にわたって、直線のネルンスト様式を示し、それぞれ、５６ｍＶ／ｐＨ単位および６６ｍＶ／ｐＨ単位でシフトすることが分かった。このことは、後に電解重合を受けてポリジフェニルアミンを形成する、ジフェニルアミンで誘導化された炭素粒子が、ｐＨ範囲１-１２にわたる丈夫な無試薬ｐＨセンサーを提供するのみならず、水性環境中、使用位置で電極を製造する新たな技術をも提供することを示唆している。

実施例３.３：電気化学的に可逆な挙動を導く、化学的に不可逆な挙動を示す化合物−ポリマーを形成する化合物
別種のポリマーフィルムを、トルイジンブルーならびに本明細書中で重要なメチレンブルーおよびチオニンのようなフェノチアジン染料から誘導する。これらの分子は、時折、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）およびβ-ｄ-グルコースのような、生理活性分子および酵素を検出する、Ｎａｆｉｏｎフィルム内に被覆された電流計センサー内の仲介物質(mediator)としても、用いられている。メチレンブルーおよびチオニン誘導化炭素粒子のレドックス性は、ジフェニルアミン−炭素のそれより複雑であり、ｐＨに大きく依存する。溶液中では、メチレンブルーおよびチオニンの両方で移動する電子数（ｎ）は、常に２に等しいと報告されているが、移動するプロトン数（ｍ）は、ｐＨ＜５.４でｍ＝３，ｐＨ５.４＜６.０でｍ＝２、ｐＨ＞６.０でｍ＝１、の様にｐＨで変化すると報告されている。

サイクリックボルタメトリーを用いて、メチレンブルーおよびチオニンの両方で誘導化した炭素粒子の特徴を調べていると、ある酸化電位（ｐＨに依存するが、ｐＨ１.０では＋１.２Ｖから、ｐＨ４.６では＋１.０Ｖ、ｐＨ９.２では＋０.６５Ｖ、ｐＨ１２.０では＋０.４Ｖ対ＳＣＥまで異なる）以下では、可逆波が、種（モノマー）の酸化／還元に相当して認められることが分かった。電位をこの酸化電位を超えて掃引した場合、それぞれ、酸化電解重合したメチレンブルーまたはチオニンに相当すると文献に記載されているような、新しい波が認められる。走査方向を逆にした場合、モノマー種の還元に相当するピークが認められなかった。繰り返し循環時、モノマーに相当するピークより電位約０.２Ｖプラスに、幅広の低い未確定の波が認められ、該波は、文献に記載された波と類似しており、ポリマーのレドックス特性によるものと考えられる（図５）。ｐＨ４.６より下では、ｐＨでのモノマー種のピーク電位の変化は、メチレンブルーでは８６ｍＶ／ｐＨ単位、チオニンでは８３ｍＶ／ｐＨ単位であり；ｐＨ６.８以上では、ｐＨでのピーク電位のシフトは、それぞれ、３３ｍＶ／ｐＨ単位、および３３ｍｖ／ｐＨ単位であることが分かった。これは、溶液中の両方の種について、文献中に報告されている挙動に類似している。このことは、炭素粒子を、メチレンブルーおよびチオニンによって成功裡に修飾することができ、得られた修飾粒子は電気化学センサーに有用であることを示す。

実施例３.４：電気化学的に可逆な挙動に導く、化学的に不可逆な挙動を示す化合物−ニトロ基を含む化合物
９-ＮＡ、６-ＮＣおよび３-ＮＦ誘導化炭素粉末の挙動は、一般的に、６-ＮＣで認められたボルタメトリーを議論することによって、特徴付けることができる。化合物間の挙動に差異が生ずる場合は、その差異が議論されることになる。

新たに固定化した６-ＮＣを、ｐＨ９.２で＋１.０Ｖから−１.０Ｖ対ＳＣＥの減少方向に、最初のスキャニングを行った場合、大きな還元ピークが、−０.７５Ｖに認められた（図６中、Ｉで示す）。−１.０Ｖで走査方向を逆にした場合、逆ピークは認められず、新たな酸化ピーク（図６中、（II）で示す）が約−０.２５Ｖに認められ、より低く幅広の酸化波が約０.２５Ｖ付近にも認められた。繰り返し循環時、−０.２５Ｖでの電気化学的可逆系は安定したが、−０.７５Ｖの電気化学的不可逆還元波は、急速に消滅した（図６）。９-ＮＡの場合、繰り返し循環で、約−０.５５Ｖにもさらなる可逆波が成長した（図６挿入図中、（III）で示した）。−０.２５Ｖでの系の還元波は、波上に明らかな肩を有しており、このことは、以下に議論されるであろう。（Ｉ）および（II）の両波（および９−ＮＡの場合は（III））は、１から１２の範囲のそれぞれのｐＨで存在が認められ、３つの化合物、９−ＮＡ、６−ＮＣおよび３−ＮＦのすべてについて、ネルンスト直線様式（式１中、ｎはｍと等しく、（Ｉ）で示した系では４，（II）で示した系では２に等しいようである）でシフトした。表２は、調べた各化合物についての、ｐＨ６.８での系（Ｉ）および（II）のそれぞれのピーク電位を比較のため、列挙しており、これに対して、表３は、調査したそれぞれの化合物についての、ｐＨでの各ピークのシフトを示す。

表２
９-ＮＡ、６-ＮＣおよび３-ＮＦについての、６-電子、６-陽子のニトロ基還元に相当する系Ｉと、アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロソレドックス系に相当する系IIの、ピーク電位の比較（ｐＨ６.８）

表３
９-ＮＡ、６-ＮＣおよび３-ＮＦについての、ｐＨによるピーク電位の理論的に計算されたシフト（５８.１ｍＶ／ｐＨ、式１）と、系Ｉおよび系IIのｐＨによるピーク電位の実験的に測定されたシフトの比較（２２±２℃、酸化的ＳＷＶ走査による）

各波の起源については、順次、議論するつもりであるが、調査した全化合物について今まで議論した特性プロトコールは、数回の走査を行い系を安定化させた後、系IIについて行ったという事実を、最初に繰り返しておかねばならない。すべての場合において、プロトコール中に上記した３つの試験（安定な対称波を与える何回もの繰り返し走査、新しい溶液での緩衝溶液の置き換え、およびピーク電流と走査速度の間の直線関係）の結果のすべてから、各化合物は、ｐＨ１からｐＨ１２までの調査した各ｐＨで、炭素粒子表面上に付着していることが確認された。

文献との比較により、上記の、および図６に示した、調査した化合物すべてのボルタメトリー応答は、ニトロ基を含む芳香族分子の電気化学的還元の特徴であり、スキーム２に示した一般的なメカニズムと矛盾しないことが示される。

ニトロベンゼンの還元から類推すると、ピーク（Ｉ）は、相当するアリールヒドロキシルアミンへのニトロ部分の４電子、４陽子の還元によるものであり、この還元は、２電子、２陽子の化学的不可逆還元、続いて起こる、さらなる２電子、２陽子の段階を含む。

次の循環時、図６中で「重合」と示した約０Ｖ（ｐＨ６.８）の不可逆系は、（系Ｉを過ぎて電位を掃引し、さらにアリールヒドロキシルアミンを相当するアリールアミンに還元することによって形成される）アリールアミン部分を、それに相当するラジカルカチオンに電解酸化することによってオリゴマーを形成し、次に重合することによると考えることができる。また、この波は、炭素表面上に残っているアリールアミン種のすべてが重合され、明らかに電気的に不活性であるポリマーを形成するので、急速に消滅する。

図６中に（II）で示した可逆系は成長して、各ｐＨで１０回走査の後、安定する。再度、これは、文献中に報告されたボルタメトリーの特徴であり、アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロソ部分の、化学的および電気化学的に可逆な２-電子、２-陽子の酸化／還元によるものと考えることができる。この系は、非常に低い値（ｐＨ６.８では約−１.２Ｖ）まで電位を掃引しない限り、安定なままであるが、その後、さらに、アリールヒドロキシルアミンのいくつかが、相当するアミンに不可逆的に還元されることにより、ピークは徐々に減少する。特に９-ＮＡの場合、明確な肩がこの系のあるｐＨで認められ、これは、多分、アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロ部分の酸化／還元中間体によるものであろう。

９-ＮＡの場合、図６（挿入図）中に（III）で示した系は、ニトロソがヒドロキシルアミン部分に還元されるより低い電位で認められ、ニトロ還元の特徴を示さない。しかしながら、上で議論したアントラセンのボルタメトリー挙動との比較から、その同一性についての手がかりを示すことができる。系（III）のピーク電位およびｐＨでの該ピーク電位のシフトを比較すると、上記スキーム１に示した９位および１０位での２-電子、２-陽子の環の還元を受けるアントラセンのボルタメトリーで認められた可逆系に適合する。

９-ＮＡ中の９位および１０位での２-電子、２-陽子還元も可能であるが、電子を引きつけるニトロ基の存在は、還元電位にわずかな影響を与えうる。さらに、また、ｐＨを、ｐＨ１からｐＨ６.８に増加させた場合、ピーク電流の大きさもまた、局所の陽子濃度の減少に相当して減少することが、認められた。

実施例３.５：電気化学的に可逆な挙動を導く、化学的に不可逆な挙動を示す化合物−ニトロ基を含む化合物
ＦＢＫ（２,５-ジメトキシ-４-[(４-ニトロフェニル)アゾ]ベンゼンジアゾニウムクロリド）誘導化炭素のボルタメトリーについても、調べた。該化合物中のニトロ基の還元は、アゾ環の存在によって、さらに複雑になる。最初に、電位減少方向への走査を、各ｐＨでサイクリックボルタメトリーを用いて行った。２つの不可逆ピークが認められ（図７）、より高い電位の第一ピーク（図７中（II）で示す）は、現在のところ、まだ未同定である（下記を参照のこと）が、より低い電位で後に現れるピークは、今では周知のニトロ基の４電子、４陽子還元の特徴である（図７中（Ｉ）で示す）。しかしながら、ＦＢＫのボルタメトリーは、−１.０Ｖで走査方向を逆にすると、予想される様なニトロ還元についての逆ピークが認められないため、上で議論した化合物とは異なるが、ヒドロキシルアミン部分による新規の酸化ピークは認められなかった（が、低い幅広のピークがｐＨに依存する正確な電位で０Ｖより上に認められるため、ラジカルカチオンに酸化されるアミンによる重合が多分起こっているであろう）。次の繰り返し循環時には、どのｐＨにおいても、還元または酸化のどちらにも、ピークが認められなかった。しかしながら、各系、（Ｉ）および（II）は、ｐＨで直線的ネルンスト様式でシフトすることが認められた。ニトロ系は、５７ｍＶ／ｐＨ単位でシフトするが、系（II）は、６１ｍＶ／ｐＨ単位でシフトした。電気化学を理解するために、さらに、ＣＶを用いて、第一の未同定系までは電位を負の方向へ走査し、ピークが認められた後すぐに走査方向を逆にする、実験を行った。特性プロトコールを該実験に沿って行ったところ、化学結合によって炭素上に誘導化されたジアゾニウム塩の別の研究と矛盾せず、ＦＢＫが炭素粒子上に誘導化されていることが確認される、安定な可逆系を形成していることが分かった。図８は、ｐＨ４.６でのこの可逆系を示し、挿入図は、特性プロトコールで用いたように、走査速度を変化させたサイクリックボルタモグラムを示す。系（II）を越えて、系（Ｉ）と関連するニトロの還元が起こるまで、電位を掃引した場合にのみ、繰り返し走査で続く信号がすべて失われる。ＦＢＫが炭素表面上に固定化され脱離していないことを確認するために、この挙動について、別の説明を調べためた。

次に、アゾベンゼンを炭素粒子上に誘導化し、該アゾベンゼンが本当に炭素表面上に物理吸着されていることを、上記の特性プロトコールを用いて確かめた。各ｐＨでサイクリックボルタメトリーを記録した。図９は、ｐＨ４.６でのアゾベンゼン−炭素についての３０回掃引の結果を示す。約−０.３Ｖで１３０ｍＶのピークの隔たりを有する、可逆系が認められ、その電位は、系（II）で認められた電位に近い。さらに、アゾベンゼンは炭素表面上に物理吸着され、いかなるｐＨでも脱離が認められないが、電位を約−１.０Ｖ対ＳＣＥの非常に低い電位まで掃引すると、アゾベンゼンピークは認められるが徐々に消滅することがわかる。ピークの隔たりが大きいことについての１つの可能な説明は、速度論的により可逆な特性を呈する溶液中のアゾベンゼンと比較した場合、プロトン化がアゾベンゼン吸着フィルムのレドックス速度論に影響を与えるので、反応速度が遅く準可逆であることである。ｐＨ１.０では、逆の（酸化）ピークは認められず、アゾ部分の還元型は、不可逆的にプロトン化されているか、またはプロトン化がアゾ結合の切断を誘導しているかのいずれかであることを暗に示す。また、このアゾ結合の切断は、電位を非常に低い電位に走査する場合、Ｎ-Ｎ結合をより還元できるため、アゾベンゼン−炭素から任意のボルタメトリー信号がゆっくりと喪失することについてのもっともらしい説明ともなる。

この結果を考慮して、ＦＢＫ炭素の挙動を説明する１つの仮説をスキーム４に示す。

スキーム４
ＦＢＫ誘導化炭素粉末の電気化学的還元について予想されるメカニズム経路

最初に＋１.０Ｖ対ＳＣＥから負の方向に走査すると、最初に、アゾ結合が、２-電子、２-陽子工程で、相当するヒドラゾ型に還元され、該ヒドラゾ型は、実験で認められるように、各ｐＨでのピーク電位が相当するネルンストシフトを示す。次に、電位を逆にすると、関連する酸化プロセスが起こり、系は可逆性の挙動を示し、多数回の走査を行っても安定している。しかしながら、電位をより低い値に掃引し続ける場合、次にニトロ基が還元され、そのような低い電位で起こるニトロの還元により、ヒドラゾ結合を開裂に導く。走査方向を逆にした場合、（予想される）ニトロ基または（開裂してしまった）アゾ結合のいずれかに関連する酸化ピークは認められない。しかしながら、アミン重合の特徴である大きい幅広の波が、ｐＨに依存して０.０から＋０.４Ｖの間に認められる。その後、さらなるレドックスプロセスは、いかなる繰り返しボルタモグラムでも認められない。この仮説は、Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙらのメカニズム研究によって支持され、彼らのポーラログラムは、ニトロ基の還元と、これに続くヒドラゾ結合の開裂を含むメカニズムと一致する。さらに、ニトロ還元ピークのピーク面積は、常に、系（II）に相当する還元ピークの面積の６倍より明らかに大きいことが分かり、それ自身では、このメカニズムが正しいことの証明にはならないが、ニトロ基還元後に起こるヒドラゾ開裂にさらなる支持を提供することは確かである。

複雑なメカニズム、生成物による干渉およびその他の置換基相互作用にもかかわらず、本発明のニトロ化合物を還元する場合、ＮＯ₂部の４-電子、４-陽子の還元に相当する大きく明確に分離した不可逆ピークを認め得ることが、即ち示された。このピークのピーク電位は、表３に詳述するように、ｐＨでの一次ネルンスト様式でシフトする。それ故、炭素粉末上に誘導化されたこれらの化合物は、下水およびその他の不快な廃液のような、使い捨てセンサーが再利用可能センサーより好ましい環境中で使用するための、いわゆる「単発」(single-shot)の使い捨て無試薬ｐＨセンサーを製造するための理想的な候補となる。

実施例４：高温でのｐＨ試験
本実施例では、温度２０℃から７０℃の範囲で、ｐＨに対する４化合物の応答を調べた。得られた実験結果は、式１を用いて理論的に予想される通り変化した。

温度を上げると、同様に、ｐＨに対するピーク電位のプロットの勾配も増すことが、式（１）から分かる。考慮すべきさらなる事項は、温度が変化すると同様に、緩衝溶液の成分の解離定数が変化するため、溶液のｐＨが温度でどのように変わるかである。それ故、調査する各温度でのｐＨが分かっている４種類のＩＵＰＡＣ緩衝液（ｐＨ１.５、０.１Ｍ 四シュウ酸カリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣＬ；ｐＨ４.６、０.１Ｍ 酢酸 ＋ ０.１Ｍ 酢酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄ ＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄ ＋０.１Ｍ ＫＣｌ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）を用いて、高温でのｐＨに対するＰＡＱ、ＤＰＡ、アントラセンおよび９-ＮＡの応答を調べた。

図１０は、ｐＨ４.６でのＤＰＡのＳＷＶボルタメトリーへの温度の影響を示しており、温度を上げるとピーク電流が強くなることを示す。式（１）より予想されるように、温度を上げると、ピーク電位が負の方向にシフトすることも、記載しておく価値がある。この挙動は、高温での調査に選択した化合物すべての特性である。表４は、各温度での各化合物のｐＨによるシフトについて詳述しており、その値を式（１）の理論的予想値と比較している。全温度およびｐＨ範囲で、理論と実験の間に、良好な一致が認められ、これにより、様々な異なる化合物で誘導化した炭素粉末を、最大で７０℃の高温で、ｐＨ１−９の無試薬ｐＨセンサーとして使用できることを示す。

表４
アントラセン、ＤＰＡおよびＰＡＱ（酸化ＳＷＶによる）ならびに９-ＮＡのニトロ還元波（ＣＶボルタモグラムによる）についての、ｐＨでのピーク電位のシフトの、理論的計算値と実験による測定値の比較（温度範囲２０-７０℃）

特許請求の範囲から離れることなく、上記のように、本発明に変更を加えうることは、当業者には明らかになる。

本発明の第二の好ましい態様の詳細な記述
本発明の第二の好ましい態様は、炭素および式（Ｉ）：

（式中、Ｒ¹は、式-Ｙまたは-Ｘ-Ｙの基を示し、Ｙは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび-ＮＲ³Ｒ⁴より選択され、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され、Ｘは、式-(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n-の基を示し、ｎは０または１から４までの整数であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_1-4アルコキシから選択される、またはＲ⁵とＲ⁶は一緒に、式＝Ｏまたは＝ＮＲ⁷の基を形成し、Ｒ⁷は、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシより選択され；
Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_2-4アルケニル、Ｃ_1-4アルコキシ、Ｃ_2-4アルケニルオキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノ、ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノ；Ｃ_1-4アルキルチオ、Ｃ_2-4アルケニルチオ、ニトロ、シアノ、-Ｏ-ＣＯ-Ｒ’、-ＣＯ-Ｏ-Ｒ’、-ＣＯ-ＮＲ’Ｒ”、-ＣＯＲ’、-Ｓ(Ｏ)Ｒ’および-Ｓ(Ｏ)₂Ｒ’より選択され、各Ｒ’およびＲ”は、同一かまたは異なっており、水素、Ｃ_1-4アルキルまたはＣ_2-4アルケニルを示し；さらに、
ｍは０または１から４までの整数である）
のニトロベンゼン誘導体またはその塩である化合物を含む成分の使用に関し、その方法は、上記のような化合物を炭素内に部分的に挿入するに充分な時間、粉末化炭素を該化合物と混合し、得られた修飾炭素を単離することを含む。

本発明の第二の好ましい側面の個々の構成要素および側面を、ここに、より詳細に記載する。
ここに用いられているように、Ｃ_1-4アルキル基または部分は、１から４の炭素原子を含む、直線状または枝分かれしたアルキル基または部分である。Ｃ_1-4アルキル基または部分の例としては、メチル、エチル、ｎ-プロピル、ｉ-プロピル、ｎ-ブチル、ｉ-ブチルおよびｔ-ブチルが含まれる。２つのアルキル部分が１つの基に存在する懸念を排除するために、アルキル部分は、同一であっても、異なっていても良い。

ここに用いられるような、Ｃ_2-4アルケニル基または部分は、２から４の炭素分子を含む直線状または枝分かれしたアルケニル基または部分である。２つのアルケニル部分が１つの基に存在するという懸念を排除するために、アルケニル部分は、同一であっても、異なっていても良い。

ここに用いられているような、ハロゲンは、典型的には、塩素、フッ素、臭素またはヨウ素である。塩素、フッ素または臭素が好ましい。
ここに用いられているような、用語アミノは、式-ＮＨ₂の基を示す。用語Ｃ_１−４アルキルアミノは、式-ＮＨＲ’の基を示し、式中、Ｒ’はＣ_1-4アルキル基であり、上に定義したようにＣ_1-4アルキル基が好ましい。用語ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノは、式-ＮＲ’Ｒ”の基を示し、式中、Ｒ’およびＲ”は、同一かまたは異なっており、上に定義したように、Ｃ_1-4アルキル基を示す。ここに用いられているような、用語アミドは、式-Ｃ(Ｏ)ＮＨ₂の基を示す。

ここに用いられているような、アルコキシ基は、典型的には、酸素原子に結合した上記アルキル基である。同様に、アルケニルオキシ基は、典型的には、酸素原子に結合した上記アルケニル基である。

アルキルチオ基は、典型的には、チオ基に結合した上記アルキル基である。同様に、アルケニルチオ基は、典型的には、チオ基に結合した上記アルケニル基である。
本発明に用いられる化合物中のアルキルおよびアルケニル基または部分は、置換されていないか、または１、２または３の置換基で置換されており、該置換基は、同一かまたは異なっており、ヒドロキシ、ハロゲンおよび未置換のＣ_1-2アルコキシ置換基から選択される。

ここで用いられているような、用語「部分的に挿入された」は、上記の化合物が完全にそのようなシートの間に位置すると言うよりむしろ、部分的に炭素シートの間に位置していることを意味している。化合物は、炭素表面に沿ったエッジ面欠陥部位（edge-plane defect site）に局在し、炭素の層内間隔をわずかに増加される原因となりうる。長い反応時間またはカップリング剤を必要とせず、化合物を自然に部分挿入する単純な方法で、素材内部に部分挿入された上記の化合物を有する新素材を製造できることが、分かった。

この部分挿入は、完全に挿入された挿入化合物を有する既知素材とは対照的である。完全挿入が起こる場合、挿入されている化合物は、完全にグラファイトの隣接するシートの間に位置し、該シート間の幅を広げる効果を有する。このことは、炭素の層間間隔を有意に広げ、代わってより大きい別の種のさらなる挿入を可能にする。完全に挿入された化合物を有する炭素の製造は、本発明の新規の方法より、実験的、合成的にさらに複雑なプロセスを必要とする。

上記化合物が炭素内に部分的に挿入されているか否かを決定するために、以下の実施例に示されているような、様々な方法を用いることができる。特に有効な技術は、Ｘ線回折法であり、該方法は、部分挿入化合物と完全挿入化合物を識別できる。もし化合物が炭素内に完全挿入されているならば、次に修飾炭素をＸ線回折法にかけた場合、修飾されていない天然炭素より、明らかにより大きい層間間隔に相当するピークが認められるであろう。しかしながら、もし化合物が部分的に挿入されているならば、用いた炭素の通常の層間間隔と同じか、またはわずかに大きい平均層間間隔を有する、より幅広のピークが認められることになる。特に、そのような化合物が多層の炭素ナノチューブ内に部分的に挿入されている場合、明らかにより幅広のピークが、わずかに増加した層間間隔で認められる。

炭素
本発明での使用に特に適している炭素の１つの形は、グラファイトである。グラファイトは、粉末状のグラファイトの形が好ましい。好ましい粒子の直径は、０.１から１００μｍであり、より好ましくは１から５０μｍであり、より好ましくは２から２０μｍである。

本発明での使用に特に適している炭素のもう一つの形は、多層炭素ナノチューブである。炭素ナノチューブ（Carbon nanotubes）（ＣＮＢｓ、また本明細書中ではナノチューブと呼ぶ）は、１９９１年に発見され（Ｓ.Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ,１９９１,５６,３５４）、以来、長年にわたって知られてきた。ナノチューブの研究および用途に大きな展開を見出した分野の１つは、電気化学である。炭素ナノチューブは、該ナノチューブの注目される機械的強度、構造および良好な電気伝導率により、電気化学の分野で特に有用である。これらの性質は、触媒検出、ならびに、ドーパミン、チトクロムｃおよび炭水化物のような生体分子の分析から、過酸化水素、ヒドラジンおよびＴＮＴのようなアナライトのセンシングまでの範囲にわたる、電気分析用途に用いられてきた。

構造的には、ナノチューブは、グラファイトの「巻き上げ」（rolled up）シートに近く、それ自体では、天然で比較的疎水性である。これらの「巻き上げ」シートの主な形状は２つある：単一、中空のグラファイトチューブとして成形されている単層炭素ナノチューブ(single-walled carbon nanotubes)（ＳＷＣＮＴｓ）、および１つのチューブの内側に他のチューブが重ね合わさった数個の同心のグラファイトチューブからなる多層炭素ナノチューブ(multi-walled carbin nanotubes)（ＭＷＣＮＴｓ）である。本発明では、ＭＷＣＮＴｓを使用できる。

適当なナノチューブには、Ｎａｎｏｌａｂ Ｉｎｃ．（Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）から購入した該ナノチューブが含まれる。当業者らは、ナノチューブの物理的性質を、最適化することができるが、典型的なナノチューブは、直径１から５０μｍ、好ましくは５から３０μｍ、長さ１から５０μｍ、好ましくは５から３０μｍである。好ましくは、炭素ナノチューブは、比較的高い純度を有し、好ましくは８０から１００％、より好ましくは９０から１００％、もっとも好ましくは９５から１００％の純度である。

部分挿入化合物
本発明に用いた化合物は、本明細書中のはじめの方に記載されている。化合物は、式（Ｉ）のニトロベンゼン誘導体またはその塩の形であって良い。化合物中のアルキルおよびアルケニル基または部分は、未置換、または１、２もしくは３の置換基で置換されており、該置換基は、同一かまたは異なっており、ヒドロキシ、ハロゲンおよび未置換のＣ_1-2アルコキシ置換基より選択される。

好ましくは、Ｒ²置換基は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_2-4アルケニル、Ｃ_1-4アルコキシ、Ｃ_2-4アルケニルオキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノ、ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノ、Ｃ_1-4アルキルチオ、Ｃ_2-4アルケニルチオ、ニトロまたはシアノより選択される。より好ましくは、Ｒ²は、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_1-4アルコキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノおよびジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノから選択される。より好ましくは、Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシより選択される。

Ｒ²の置換基の数は、０から４まで変化しうる。好ましくは、Ｒ²置換基の数は、ｍで表され、０、１または２である。より好ましくは、ｍは０または１であり、もっとも好ましくは０である。

Ｘは、式 -(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n-の基を表し、式中、ｎは０または１から４までの整数である。好ましいＲ⁵およびＲ⁶基には、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-2アルキルおよびＣ_1-2アルコキシが含まれるが、水素が好ましい。

Ｘ基中のアルキル基または部分は、置換されていないか、または１、２、あるいは３つの置換基で置換されており、該置換基は、同一かまたは異なっており、ヒドロキシ、ハロゲンおよび未置換のＣ_1-2アルコキシ置換基から選択される。好ましくは、Ｘ基中のＲ⁵およびＲ⁶置換基は、未置換である。

好ましくは、ｎは０、１または２である。もっとも好ましくは、ｎは１である。
基Ｙは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび -ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される。Ｙ中のアルキル基または部分は、未置換か、または１、２あるいは３の置換基によって置換されており、該置換基は、同一かまたは異なっており、ヒドロキシ、ハロゲンおよび未置換Ｃ_1-2アルコキシ置換基から選択される。好ましくは、Ｙ中のアルキル基または部分は、未置換である。

好ましいＹ基は、-ＮＲ³Ｒ⁴ である。Ｙが-ＮＲ³Ｒ⁴ である場合、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、好ましくは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-2アルキルまたはＣ_1-2アルコキシである。より好ましくは、Ｒ³およびＲ⁴は、水素およびＣ_1-2アルキルから選択される。もっとも好ましくは、Ｒ³およびＲ⁴は、両方共に水素である。

好ましい化合物は、式（II）のニトロベンゼン誘導体：

（式中、
Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
ｍは０、１または２であり；
Ｘは、式 -(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n-の基を表し、式中ｎは０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、アルコキシより選択され；そして、
Ｙは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび -ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、式中、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される）
またはその塩である。

さらに好ましい化合物は、式（III）のニトロベンゼン誘導体：

（式中、
Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
ｍは０、１または２であり；
Ｘは、式 -(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n-の基を表し、式中ｎは０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_1-4アルコキシより選択され；そして、
Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される）
またはその塩である。

好ましくは、ｍは０または１であり、より好ましくは、ｍは０である。好ましくは、ｎは１であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_1-4アルコキシより選択される。より好ましくは、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なっており、水素およびＣ_1-4アルキルより選択される。もっとも好ましくは、Ｒ⁵およびＲ⁶は水素である。

（本発明中で用いた）より好ましい化合物は、式（ＩＶ）のニトロベンゼン誘導体；

（式中、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される）
またはその塩である。より好ましくは、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なっており、水素、およびＣ_1-4アルキルから選択される。

本発明の第二の好ましい側面の組成物を作るために用いられる化合物には、式（Ｉ）から（ＩＶ）のニトロベンゼン誘導体の塩が含まれる。これらの塩は、化合物を電極および電気化学センサーに有用にする電気化学メカニズムで妨害されない任意の適当な塩であり得る。特に、無機および有機酸付加塩は注目に値する。使用できる適当な無機酸には、塩酸、硫酸、リン酸、二リン酸、臭化水素酸または硝酸が含まれる。使用できる適当な有機酸には、クエン酸、フマル酸、マレイン酸、リンゴ酸、アスコルビン酸、コハク酸、酒石酸、安息香酸、酢酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸またはｐ-トルエンスルホン酸が含まれる。また、塩は、塩基、例えばアルカリ金属（例えばナトリウムまたはカリウム）およびアルカリ土類金属（例えばカルシウムまたはマグネシウム）水酸化物、ならびにアルキルアミン、アラルキルアミンまたは複素環アミンのような有機塩基で形成されて良い。

理論に束縛されることは望まないが、本発明に使用した化合物は、グラファイトおよび炭素ナノチューブの両方の炭素表面に沿った局在するエッジ面欠陥部位に部分的に挿入されていると考えられる。これらの化合物で修飾された炭素のレドックス特性は、修飾された素材を電気化学センサー、例えばｐＨ測定用に使用できることを示す。

特に、本発明で使用した化合物および本発明の修飾された炭素は、ｐＨを測定するための電極の製造に有用である。この点に関して、該化合物のボルタメトリーを調べた。ｐＨ感受性の該化合物のボルタメトリーは、電極表面上に分子固体として固定化した場合、以下のネルンスト式（１）

（式中、Ｅ_p／Ｖはピーク電位であり、Ｅ⁰ _f／Ｖは、レドックス対の式量電位であり、Ｒ／ＪＫ^-1は、普遍気体定数であり、Ｔ／Ｋは温度であり、ｍおよびｎは、それぞれ、レドックスプロセス中に含まれる陽子および電子の数である）
に従って表すことのできる、ネルンスト挙動を示すことが分かった。

従って、例えばサイクリックボルタメトリーおよび方形波ボルタメトリーを用いて、これらの化合物のボルタメトリー応答を調べることによって、ｐＨに対するピーク電位の直線応答が期待されるであろう。

他のレドックス活性素材
上記の化合物と同様に、他のレドックス活性素材を本発明の素材に含むことができる。これらのさらなるレドックス活性素材は、電子の損失および獲得を受ける能力を有する任意の有機素材であって良い。好ましくは、さらなるレドックス活性素材は、固相素材である。基板、例えばガラス状カーボンまたは底面熱分解グラファイト（ｂｐｐｇ）電極、上に固定化した場合、該素材は、酸化／還元時にそれに伴う陽子および電子の損失／獲得を受ける。

さらなるレドックス活性素材は、検出または測定する予定の種に対して、感受性であっても、非感受性であって良い。どちらの場合も、前に定義した化合物とさらなるレドックス活性素材の電流ピーク間の電位差を測定することによって、測定される種の濃度を定量できる。

本発明の電極は、ｐＨメーターの製造に有効であることが好ましく、従って、１つの実施態様では、さらなるレドックス活性素材は、陽子の濃度に感受性である。好ましくは、さらなるレドックス活性素材のピーク電位は、局所の陽子濃度に依存する。本発明で使用した化合物（即ち、ニトロベンゼン誘導体またはその塩）に関連して上に議論したように、ｐＨに感受性であるレドックス活性素材のボルタメトリーは、ネルンスト挙動を示すことを見出した。従って、例えば、サイクリックボルタメトリーまたは方形波ボルタメトリーを用いて、これらの化合物のボルタメトリー応答を調べることによって、ｐＨに対するピーク電位の直線応答が期待されるであろう。

１つ以上のさらなるレドックス活性素材を、本発明に使用できる。適当なさらなるレドックス活性素材には、キノンおよびアントラセン、例えば、９,１０-アントラセン、９-ニトロアントラセン、フェナントラキノン（ＰＡＱ）および１,2-ナフサキノン（ＮＱ）が含まれる。使用できるその他の素材には、アゾベンゼン、ジフェニルアミン、メチレンブルー、３-ニトロフルオランテン、６-ニトロチリセンおよびチオニンが含まれる。

さらなるレドックス活性素材が存在する場合、該素材を、任意の適当な方法によって、修飾された炭素と結合することができる。例えば、本発明の１つの実施態様では、さらなるレドックス活性素材を、化学還元剤として次亜リン酸を用いたアリールジアゾニウム塩の化学吸着によって、修飾炭素と結合することができる。本発明の他の実施態様では、フェナントラキノン（ＰＡＱ）をグラファイト上に物理吸着することができる。

本発明の他の実施態様では、さらなるレドックス活性素材を、アグロメレーションによって、前記の修飾炭素と結合することができる。そのようなアグロメレートは、（ｉ）式（Ｉ）のニトロベンゼン誘導体またはその塩である上記のような化合物を有し、該化合物が部分的に挿入された、炭素ナノチューブ、および（ii）結合剤がさらなるレドックス活性素材である、該結合剤、を含む。ナノチューブ、化合物およびさらなるレドックス活性素材は、上記の通りであって良い。

この実施態様では、アグロメレートは、結合剤中にナノチューブを分散させることによって作られる。好ましい方法は、上記のような部分挿入された化合物を有するＭＷＣＮＴｓ（以後「修飾ＭＷＣＮＴｓ」）および結合剤素材を溶媒中で化合し、次に溶液からアグロメレートを沈殿させることを含む。特に、該方法は、
・ 修飾ＭＷＣＮＴｓと結合剤を溶媒中で化合し；
・ 溶媒からアグロメレートを沈殿させるために、過剰の水溶液を加え；そして、
・ アグロメレートを回収する：
工程を含んで良い。

好ましくは、溶媒は、疎水性溶媒であり、小有機分子を含む。溶媒は、レドックス活性化合物および炭素ナノチューブの両方が該溶媒中に可溶であるように、選択されるべきではない。適当な溶媒には、アセトン、アセトニトリルおよびジメチルホルムアミドのような、一般の有機溶媒がすべて含まれる。

この実施態様では、さらなるレドックス活性素材は、水溶解度が低く、疎水性であることが好ましい。このことは、それらが、アグロメレート製造中に、炭素ナノチューブと溶液中で混合することを可能にし、さらに、過剰の水溶液を加えると、溶液からアグロメレートが沈殿する。

好ましくは、アグロメレートは、修飾ＭＷＣＮＴｓおよびさらなるレドックス活性素材のみを含み、他の素材を含まない。しかしながら、アグロメレートは、アグロメレート製造工程で除去される、残留溶媒のような不純物を含んでいて良い。好ましくは、これら不純物は、アグロメレートの１重量％以下、より好ましくは０.５重量％以下を含む。アグロメレート中に受け入れうる不純物の正確な程度は、不純物がどの程度アグロメレートのボルタメトリーに影響を与えるかに依存することになる。

アグロメレートの大きさは、製造に用いられる成分の性質および割合、ならびに製造されるプロセス条件による。しかしながら、例示的アグロメレートは、直径おおよそ１０μｍであり、アグロメレートを共に結合する無定型分子固体の中に、およびいたるところにランニングするナノチューブの束からなる。

好ましくは、アグロメレートを、研磨による固定化によって、電極基板に適用する。

基板
修飾された炭素を適用する基板は、電極の製造に慣用に用いられる任意の基板であってよい。例えば、基板は、底面熱分解グラファイト（ｂｐｐｇ）電極、またはガラス状カーボン、金もしくは白金のような金属電極、または所望によりＩＴＯを含む電極のような透明な電極であって良い。好ましくは、基板は、炭素ナノチューブと良好な電気接触を有し、また、炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材で良好な被覆を達成できる様な表面を有する。

センサー
本発明によるセンサーの構造は、センサーの最終的用途に依存することになり、そして、センサーが測定しようとする物質、および、測定が行われるであろう環境に依存する。既知のセンサー構造を、本明細書中に記載のアグロメレートおよび電極と共に用いてよい。

例示のセンサーは、２または３の端子装置を有していて良い。即ち、それらは、本発明の作用電極および対極と基準電極の合併電極、または、作用電極、対極および分離した基準電極、を含んでいて良い。基準電極および対極は、この技術分野で既知の任意の慣用の電極であることができる。

センサーに使用される素材は、センサーが測定しようとする種、およびセンサーを使用しようとする環境に依存する。異なる種に感受性であるセンサーを修飾するために、上記の部分挿入化合物（即ちニトロベンゼン誘導体またはその塩）、または別の部分挿入化合物を有するさらなるレドックス活性素材、または測定されようとする種に対して感受性を有するさらなるレドックス活性素材を取り替えることが当業者に要求されるのみである。

本発明の修飾炭素素材は、特に、センサーの回収が所望されないであろう、廃液または下水のような、「汚濁」環境で使用するための「単発（single-shot）」のｐＨセンサーでの使用に適している。

修飾炭素の製造方法
炭素を溶媒中で上記の部分挿入化合物と共に混合することによる本発明の方法に従って、該炭素を修飾する。適当な溶媒には、共通の非プロトン性溶媒が含まれる、例えば、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル、クロロホルム、塩化メチレンの名を挙げることができる。溶媒を脱気して良く、または、例えば、溶存酸素のような溶存気体を含んでいて良い。

炭素、溶媒および化合物を、炭素内へ化合物が部分挿入されるに充分な時間、混合する。適当な時間は、１から５時間であるが、また、これより長い、または短い時間を用いることもできる。この時間の後、修飾された炭素をろ過し、任意の物理吸着された種を除去するために溶媒で洗浄し、さらに乾燥させる。この方法の特別な利点の一つは、カップリング剤を必要とせずに該方法が進行できることである。

当業者は、修飾炭素の最終用途に従って、化合物と炭素の相対量を選択できる。
驚くべきことに、本発明に使用した化合物は、炭素内に、自然に部分挿入する。得られた素材は丈夫であり、例えば、電気化学センサーとして用いられる場合、高温でも安定した応答を作り出す。さらに、化合物は高い割合で部分挿入する、即ち、多量の化合物を部分挿入できる。このことは、結果として、大きい電流応答および高い感受性を生じる。

本発明の第二の好ましい態様の実施例
以下の薬品を除き、全薬品を、Ａｌｄｒｉｃ（Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍ，ＵＫ）から入手した。以下の薬品とは、塩化カリウム（Ｒｉｅｄｅｌ ｄｅ Ｈａｅｎ,Ｓｅｅｌｚｅ,Ｇｅｒｍａｎｙ）、過塩素酸テトラブチルアンモニウム(tetorabuthylammonium perchlorate)（ＴＢＡＰ）、過塩素酸リチウム（Ｆｌｕｓｋａ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍ，ＵＫ）、アセトニトリル（合成用、９９.９％、無水、Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｌｏｕｇｈｂｏｒｏｕｇｈ，ＵＫ）、ジエチルエーテル（Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｄｒｕｇ Ｈｏｕｓｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｐｏｏｌｅ，ＵＫ）である。使用した薬品は、入手可能な最高級のものであり、さらなる精製を行うことなく使用した。

４-ニトロベンジルアミン（４-ＮＢＡ）を、塩酸塩の形で入手した。遊離アミンを遊離させるために、以下の方法を用いた：４-ニトロベンジルアミン塩酸塩（２.０ｇ、０.０１１ｍｍｏｌ）を水（４０ｃｍ³）に溶解し、水酸化ナトリウム（１Ｍ水溶液、２０ｃｍ³）を加えた。溶液を２時間攪拌し、その後、溶液をジエチルエーテル（２ ｘ ５０ｃｍ³）で洗浄した。化合した有機層を食塩水（５０ｃｍ³）で洗浄し、ＭｇＳＯ₄上で乾燥し、ろ過し、そして真空下で濃縮すると、４-ニトロベンジルアミン（１.２ｇ、収率７８％）が赤色の結晶固体として得られ、これをさらに精製することなく使用した。純粋な化合物が再結晶されたことを確認するために、相当する核磁気共鳴スペクトルを記録し、ライブラリースペクトルと比較した。４-ＮＢＡの結晶は、使用するまで、密閉容器内に４℃で保存した。

１８.２ＭΩｃｍ以上の比抵抗を用いた、Ｅｌｇａｓｔａｔ（Ｅｌｇａ，ＵＫ）ＵＨＱ級水系からの脱イオン水を用いて、水溶液を調製した。非水溶液は、アセトニトリル（９９.９９％無水物として供給されている）を用いて調製され、該非水溶液は使用前に５Åモレキュラーシーブ上で２４時間乾燥して、いかなる微量水分をも除去した。純粋Ｎ²ガス（ＢＯＣ ｇａｓｅｓ，Ｇｕｉｌｄｆｏｒｄ，Ｓｕｒｒｅｙ，ＵＫ）で溶液を脱気した後、サイクリックボルタメトリー測定を、２０±２℃で行った。

合成グラファイト粉末（２−２０μｍ直径）を、Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。多層炭素ナノチューブ（順度 ＞９５％、直径１０−４０ｎｍ、長さ５−２０μｍ）を、ＮａｎｏＬａｂ Ｉｎｃ．（Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）から購入し、さらなる精製を行わずに使用した。

ｐＨ１.０からｐＨ１２.０の範囲の既知ｐＨの溶液を、以下のように、脱イオン水中に作成した；ｐＨ１.０、０.１０Ｍ ＨＣｌ；ｐＨ４.６、０.１０Ｍ 酢酸 ＋０.１０Ｍ 酢酸ナトリウム；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄ ＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄ ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム；ｐＨ１２、０.０１Ｍ 水酸化ナトリウム。該溶液は、支持電解質として、０.１０ Ｍ ＫＣｌをさらに含んでいた。ｐＨ測定は、Ｊｅｎｗａｙ ３０３０ ｐＨメーターを用いて行った。

電気化学測定を、標準的な３電極配置を有する μＡｕｔｏｌａｂ コンピューター制御ポテンショスタット（Ｅｃｏｃｈｅｍｉｅ，Ｕｔｒｅｃｈｔ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｓ）を用いて記録した。全実験は、容量２５ｃｍ³のガラスセル内で行われた。底面グラファイト電極（ｂｐｐｇ，０.２０ｃｍ²、Ｌｅ Ｃａｒｂｏｎｅ Ｌｔｄ，Ｓｕｓｓｅｘ，ＵＫ）は、作用電極（下を参照のこと）として作用した。白金コイル（９９.９９％ 、Ｇｏｏｄｆｅｌｌｏｗ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＵＫ）は、対極として作用する。セルの組み立ては、水溶液中の基準電極としての飽和カロメル電極（ＳＣＥ，Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ，Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ，Ｄｅｎｍａｒｋ）を用いる、または非水溶液中の準基準電極としてシルバーワイヤ（９９.９９％ Ｇｏｏｄｆｅｌｌｏｗ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＵＫ）を用いるかのどちらかによって、完成した。

別に記載しない限り、サイクリックボルタメトリーを、以下のパラメーター：歩幅電位２ｍＶ、走査速度１００ｍＶｓ^-1：を用いて記録した。方形波ボルタメトリーパラメーターは、以下の通りであった：周波数１２.５Hz、歩幅電位２ｍＶおよび振幅２５ｍＶ。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を、Ｊｅｏｌ ６５００Ｆ 装置を用いて記録した。高分解能遷移電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を、Ｊｅｏｌ ２０１０Ｆ 装置を用いて記録した。
Ｘ線粉末回折実験を、銅Ｋα₁バンド（λ＝１.５４Å）からのＸ線照射を用いるＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｘｐｅｔ Ｐｒｏ 装置を使用して、行った。

実施例５：
グラファイト粉末および多層炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴｓ）を、４-ＮＢＡで誘導化し、ｂｐｐｇ電極の表面上にそれらを研磨固定するための方法：
別に記載しない限り、グラファイト粉末（０.５ｇ）またはＭＷＣＮＴｓ（５０ｍｇ）の、４-ニトロベンジルアミン（４-ＮＢＡ）での誘導化を、グラファイト粉末サンプルまたはＭＷＣＮＴｓサンプルのいずれかを、アセトニトリル中の４-ＮＢＡ溶液（１０ｍＭ，２５ｃｍ³）中で１２０分間、室温で攪拌することによって、成し遂げた。次に、サンプルを吸引下でろ過し、アセトニトリルで洗浄（５ｘ５０ｃｍ³）して、いかなる物理吸着種をも除去し、１２時間空気乾燥させた。次に、サンプルを、使用前まで、空気密閉容器内で保存した。

次に、誘導化した炭素粉末またはＭＷＣＮＴｓを、任意の電気化学実験前に、清潔なｂｐｐｇ電極表面上に研磨固定した。これは、最初にガラス研磨紙（Ｈ００／２４０）上でｂｐｐｇ電極を磨き、その後、該電極を炭化ケイ素紙（Ｐ１０００Ｃ）上でなめらかになるまで磨くことによって、成し遂げられた。次に、４-ＮＢＡ炭素（即ち、部分挿入された４-ＮＢＡを有するグラファイト）または４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓ（即ち、部分的に挿入された４-ＮＢＡを有するＭＷＣＮＴｓ）は、４-ＮＢＡ炭素または４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓを含むファインフィルターペーパー（Ｗｈａｔｍａｎ）上で電極表面を穏やかにこすり磨くことによって、ｂｐｐｇ電極上に研磨固定された。

実施例６：
４-ニトロベンジルアミンで誘導化したグラファイト粉末およびＭＷＣＮＴｓのボルタメトリー特性：
４-ＮＢＡ分子がグラファイト粉末（４-ＮＢＡ炭素）上、またはＭＷＣＮＴｓ（４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓ）上に付着し、それら自身がｂｐｐｇ電極上に研磨固定されていることを確認するために、サイクリックボルタメトリー（ＣＶ）を用いた。（下記の）標準的方法を、全ｐＨ範囲（ｐＨ１.０からｐＨ１２.０）に用いた。

最初に、２０回繰り返し走査を記録し、問題のレドックス種（４-ＮＢＡ）が水溶液と接触した場合安定であり、電極表面から脱離しないことを確認した。図１５ａは、ｐＨ６.８緩衝液中でのｂｐｐｇ上の４-ＮＢＡ炭素の２０回繰り返し循環を示す。図３ａから分かるように、約−０.１Ｖ対ＳＣＥでの電気化学的にほぼ可逆な対（図１５ａおよび図１４中、「系II」と示す）を作り出すためには、約−０.６Ｖ対ＳＣＥの不可逆レドックス段階（図１５ａおよび図１４中、「系Ｉ」と示す）を通り越して、約−１.０Ｖ対ＳＣＥまで、負の方向に電位を掃引する必要がある。上に議論したレドックスプロセスの精密電位は、溶液のｐＨに依存することになる。ｐＨ１.０からｐＨ１２.０までの範囲で調べた全ｐＨで、波型はほぼ対称であり、走査速度を増加すると共に、わずかにピークとピークの間が離れることが分かった。２０回の繰り返し走査後、ピーク電流は、（最初にわずかな減少が認められるが、）安定なままであり、酸化および還元のピークプロセスの両方の電荷（ピーク面積）は、互いにほぼ等しいことが分かった（図１５ａ）。

次の工程は、電解溶液を新しい溶液と取り替え、ボルタメトリー応答を記録することであった。相当するサイクリックボルタモグラムは、調査した全ｐＨでの最終走査に重なることが分かり、それにより、電気活性な種は、電極上に残っており、溶液中に遊離しなかったことが確認された。図１５ｂは、新たな溶液でｐＨ６.８溶液を入れ替えた後のＣＶｓの重なりを示す。

最後に、可逆対の形成（系II）の後、上記のように、走査速度を２５から９００ｍＶｓ^-1に変化させる（図１５ｃ）と、ピーク電流対走査速度のプロット（図１５ｄ）はほぼ直線であり、表面結合種と一致することが見出された。しかしながら、（約１００ｍＶの遅い走査速度での）ピークの隔たりは、理想的な固定化した電気化学可逆種での理論上のピークとピークの隔たりが０であることと比べると、明らかに大きい。これらの矛盾は、より速い走査速度でのいくらかのわずかなオームのひずみ、および／または、電極速度論因子による可能性があり得る。実際に、走査速度を上げた場合の波形およびピーク電位の変化から、電気化学的に準可逆な固定化系は、調査したｐＨ範囲にわたって存在することが示唆される。

実施例７：
ｐＨ１.０からｐＨ１２.０での４-ＮＢＡ炭素および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓのボルタメトリー応答：
この実施例では、サイクリックボルタメトリーを用いて、これらの素材のｐＨ１.０からｐＨ１２.０までの特徴を調べ、該修飾炭素素材をｐＨの分析センシング(analytical sensing)として使用できることを示す。図１４に示すように、４-ＮＢＡのような芳香族ニトロ化合物の電気化学還元は、４電子、４陽子を含む不可逆反応をはじめに受けて、相当するアリールヒドロキシルアミンを形成する。繰り返し循環時、アリールヒドロキシルアミンは、次に、さらなる２-電子および２-陽子を含む、化学的に可逆で、電気化学的に準可逆な酸化を受け、相当するアリールニトロソ化合物になる。

それ故、これらの反応のピーク電位は、局在する陽子濃度に依存し、このため、ｐＨの変化に感受性であるに違いない。ｐＨでのピーク電位の変化は、前に議論したネルンスト式（１）によって、作図できる。この例では、ｎ＝ｍで、可逆反応の場合、２に等しいであろう（図１４中系II）。

図１６ａは、ｂｐｐｇ上の４-ＮＢＡ炭素について、異なるｐＨ溶液の範囲（ｐＨ１.０、０.１０Ｍ ＨＣｌ；ｐＨ４.６、０.１０Ｍ 酢酸 ＋０.１０Ｍ 酢酸ナトリウム；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄ ＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄ ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム；ｐＨ１２、０.０１Ｍ 水酸化ナトリウム）で、サイクリックボルタモグラム（第一走査）を重ねて記録した。図１４の系Ｉに相当するピークについてのピーク電位対ｐＨのプロットおよび図２の系IIに相当する酸化還元の両ピークを図１６ｂに示す。ピーク電位対ｐＨのプロットは、各々の場合、０.９９４３以上の相当するＲ²値を有する直線応答を示した。系IIの酸化還元ピークについてのそのようなプロットの勾配は、それぞれ、６０.４ｍＶ／ｐＨ単位および５９.８ｍＶ／ｐＨ単位の値を得た。これは、ネルンスト式から予想される２９８Ｋでの理想理論勾配５９.１ｍＶ／ｐＨ単位に近い。

不可逆系ＩでのｐＨに対するピーク電位の同様のプロットは、４２.５ｍＶ／ｐＨ単位の勾配を生じた。これは、明らかに、式（１）によって予想されるネルンスト挙動に反する。このことは、系Ｉは明らかに化学的電気化学的に不可逆であるが、ネルンストの式（１）は可逆速度論を示す系について誘導される、と言う事実によって部分的に説明できる。さらに、約４０ｍＶ／ｐＨ単位シフトの類似の結果が、Ｗａｉｎらによる、様々なｐＨ水溶液中に浸したｂｐｐｇ電極上の４-ニトロフェノール-ノニル-エーテルの微小滴についての研究から得られた。彼らは、ネルンスト挙動からの逸脱が、Ｈ⁺とＫ⁺、特にＬｉ⁺ のようなアルカリ金属カチオンとの間の競合の可能性にあると考えた。系Ｉが第一対の走査後急速に消滅すると言う事実は、センサーの回復を所望しないような、廃液および汚水のような媒体中で使用するための「単発」ｐＨセンサーとしての使用に理論上適した、本発明のこれらの修飾炭素素材を作る。

４-ＮＢＡの４-アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロソ部分の酸化／還元に相当する可逆的ネルンスト-レドックス反応は、何十回の走査を行っても安定なままである。ｐＨでの該レドックス対の変化を、さらに方形波ボルタメトリー技術を用いて調べた。方形波ボルタメトリーは、アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロソ対が可逆に近い速度論挙動を有するように、明確なボルタメトリーピークを作り出す単一掃引を行う手段を提供するので、慣用のサイクリックボルタメトリー以上に有意の長所を有する。図１７ａは、４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓについて調査した各ｐＨで重ねて記録した、相当する還元方形波ボルタモグラムを示す。ｐＨ１.０では、酸化波は、レドックス化学に影響を与えるアソキシ結合の存在によリ幾分ゆがめられていると記録するに値する。これは、低ｐＨ値で、ｐＨに対するピーク電位のプロットが直線性から多少逸脱する原因となる（図１７ｂ）。さらに、ｐＨ１２.０では、このｐＨでのサイクリックボルタモグラムで認められない特別なピークが認められる。このピークの存在は、そのようなアルカリｐＨで比較的安定かつ電気化学的に可逆である還元時に、ニトロ基のラジカルアニオンが形成されることによると考えられる。その存在は、方形波では認められるが、サイクリックボルタメトリーでは技術の感受性の高さ故、認められない。方形波データから得られたｐＨに対するピーク電位のプロットが、酸化反応および還元反応でそれぞれ６２.８ｍＶ／ｐＨ単位および５９.２ｍＶ／ｐＨ単位の勾配であり、０.９９９８以上のＲ²値を有する直線ネルンスト様応答を（低ｐＨでの逸脱は別として）作り出すことは、図１７ｂより明らかである。これは、再び、理論（式１）との卓越した一致を示す。

実施例８：４-ＮＢＡ炭素および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓの特性
次に、式（Ｉ）の化合物（本実施例では４-ＮＢＡ）が本当に挿入されていたかを決定し、特に、部分的に挿入されていたかを決定するために、前実施例中で使用した炭素の表面修飾の性質を調査した。化合物による炭素の修飾と言う点では、一般的可能性が３つある：（ｉ）物理的吸着（ｐｈｙｓｉｓｏｒｐｔｉｏｎ）、（ii）化学的吸着（ｃｈｅｍｉｓｏｒｐｔｉｏｎ）および（iii）全挿入または部分挿入。

実施例８.１：グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓ上の４-ＮＢＡの物理的吸着（ｐｈｙｓｉｓｏｒｐｔｉｏｎ）に関する試験
発明者らは、誘導化工程中の反応混合物を攪拌する時間の長さが、炭素素材により吸着される４-ＮＢＡの量にどのように影響するかを調べた。これを行うために、アセトニトリル中の４-ＮＢＡの１０ｍＭ溶液中に懸濁したグラファイト粒子またはＭＷＣＮＴｓを含む、反応混合物のアリコートを採取し、ろ過し、乾燥アセトニトリルで洗浄して、１６０分間攪拌しながら、その間４０分間隔で乾燥させた。次に、サンプルをｂｐｐｇ電極上に研磨固定し、サイクリックボルタメトリーを、ｐＨ６.８緩衝液中で行った。各サンプルについて、５回の走査を記録し、規定時間で取り出した各アリコートについて、５つのサンプルを別々に研磨固定した。各サンプルについて記録された５回のサイクリックボルタモグラムから、図１５ａ中、−０.６Ｖ対ＳＣＥのニトロ基部分の不可逆な４電子、４陽子還元に相当するピーク面積、および、図３ａ中、−０.１Ｖ対ＳＣＥの、可逆な２電子、２陽子アリールヒドロキシルアミン／アリールニトロソ対に相当するピーク面積を、測定した。これらのピークは、図１４中、系Ｉおよび系IIで示す。

ピーク面積は、レドックスプロセス中に通過した電荷量であり、それ故、ファラデーの法則を用いて、炭素表面上の４-ＮＢＡのモル数と直接関係し得る。これは、各時間間隔を置いて採取した５サンプルのそれぞれについて繰り返した。研磨固定を用いると、電極表面上に固定化された素材の正確な量を厳格には制御できなかったため、５サンプルのそれぞれについて記録した５サイクリックボルタモグラムそれぞれからのデータ（調査した各時間につき全体で２５サイクリックボルタモグラム）を平均し、時間に対してプロットした。標準偏差を計算し、各時間間隔で行った５つの研磨固定物のデータの分散を、各点についてエラーバー線として示した。

図１８は、４-ＮＢＡ誘導化グラファイトの０.６Ｖ対ＳＣＥでの不可逆還元ピークについて記録した、時間に対するピーク面積のプロットを示す。また、比較として該グラフ上に示した点線は、ｂｐｐｇ電極の幾何学的領域を被覆する単層の４-ＮＢＡ分子についての、および、電極の幾何学的表面上に単層で最密にパックされた（球体と見なした）グラファイト粒子表面を被覆する単層の４-ＮＢＡについての、通過する電荷の理論的最高値である。このモデルは、著しく単純化しすぎであり、なぜなら、第一に、ｂｐｐｇの真の表面積は、完全になめらかでない表面により、該幾何学的面積より常に大きいこと、第二に、電極表面上へのグラファイト粒子の研磨固定は、粒子の均一でない形および大きさにより、必ずしも最密にパッキングされないであろうことによる。しかしながら、そのような計算は、４-ＮＢＡ分子による修飾度合の指標を我々に提供してくれるので、有用である。

図１８は、反応時間をより長くすると、固定化された４-ＮＢＡ量が、飽和を示す最大値に到達することを示す。類似の結果が、図２の系IIに属する酸化および還元の両ピークで、ならびにＭＷＣＮＴｓの誘導化の場合にも、認められた。この実験は、それ自身では、挿入の証拠を提供しないが、４-ＮＢＡが炭素表面を修飾できる部位の「充填度」(“filling-up”)に興味深い洞察を与える。また、この結果は、物理吸着が表面上に単層のみを形成する場合に、認められるであろう。事実上、４-ＮＢＡがＭＷＣＮＴｓまたはグラファイト粉末を修飾できる部位の数に限度があるという事実は、本明細書中で、物理吸着、化学吸着または４-ＮＢＡの挿入と表される任意の３つの仮定と一致することを、特記しておくことは重要である。

非水溶媒で処理した場合に脱離することが知られている任意の物理吸着素材を除去する具体的な目的で、誘導化炭素粉末／ＭＷＣＮＴｓを、誘導化工程中に多量の乾燥アセトニトリルで洗浄する。それ故、この例では、表面吸着が修飾のメカニズムである可能性は非常に低い。

物理吸着に反するさらなる証拠は、支持電解質（以下を参照のこと）として０.１Ｍ ＴＢＡＰおよび０.１Ｍ ＬｉＣｌＯ₄を有するアセトニトリル溶液中の４-ＮＢＡ炭素および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓで、サイクリックボルタメトリーを用いて電気化学実験を行った事実から明らかになる。しかしながら、ＭＷＣＮＴｓまたはグラファイト粉末からの４-ＮＢＡの緩慢な脱離速度論は、アセトニトリル中の４-ＮＢＡ炭素および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓからもボルタメトリーを認めることができると言う事実を説明していても良い。それ故、上記の我々の実験結果が緩慢な脱離速度論によるものでないことを確かめるために、以下の実験を行った。この実験では、４-ＮＢＡ炭素をｂｐｐｇ電極上に研磨固定した。次いで、電極をアセトニトリル中に浸し、１週間保存した。一週間後、電極を取り出し、水溶液中に移し、サイクリックボルタメトリーを記録した。ピーク電流の大きさまたはピーク電位のいずれにも、水性ボルタメトリー応答の有意の低下は認められなかった。

次のサイクリックボルタメトリーを、支持電解質として０.１Ｍ ＴＢＡＰまたは０.１Ｍ ＬｉＣｌＯ4のいずれかを含むアセトニトリル溶液中の固定化４-ＮＢＡで行った。負の方向に掃引した場合、ボルタメトリーピークは、各電解質塩と共に、付着したニトロ基部分の還元に応答して、観察された。支持電解質として０.１Ｍ ＴＢＡＰを用いた場合、不充分に分解した電気化学可逆対が約−1.０Ｖ対Ａｇに認められた。これは、ニトロ基の、相当するラジカルアニオンへの可逆的１電子還元によるものと考えることができる。０.１Ｍ ＬｉＣｌＯ4を支持電解質として用いた場合、不可逆還元波が約−０.８Ｖ対Ａｇに認められ、還元系は、繰り返し循環で、約−０.４Ｖ対Ａｇに形成された。

さらに、支持電解質として０.１Ｍ ＴＢＡＰを含むアセトニトリル中のｂｐｐｇ電極上に研磨固定した４-ＮＢＡ炭素を用いて、サイクリックボルタメトリー実験を行った。次に、電極を非水溶液から取り出し、水溶液（ｐＨ６.８）中に置いた。再び、４-ＮＢＡの水性レドックス電気化学に相当して、安定なボルタメトリー応答が認められた。次に、研磨固定した４-ＮＢＡ炭素を含む電極を、直接水性電解質（ｐＨ６.８）中に置き、ボルタメトリーを記録した。ｐＨ６.８緩衝液中でボルタメトリーを行う前に、非水溶液中でサイクリックボルタメトリーを行う、および行わなかった）両例について得られたサイクリックボルタモグラムの比較は、ボルタメトリーで認められたピーク電流の大きさおよびピーク電位が殆ど同一であったことを示した。

４-ＮＢＡがグラファイト表面上に物理的に吸着されていたならば、アセトニトリル中で脱離することが予想され、さらに、非水性アセトニトリル溶液中、または水性電解質溶液中のいずれに置いても、応答が認められないであろう。

それ故、物理吸着は、グラファイトまたはＭＷＣＮＴｓの炭素表面が４-ＮＢＡで修飾されるメカニズムではないと、断定できる。

実施例８.２：グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓ上への４-ＮＢＡの化学吸着（ケミソープション）（chemisorption）に関する試験
先の研究で、炭素上への有機分子の化学吸着は、２つの方法で達成される。第一の方法は、ジアゾニウム塩の直接的電気化学還元またはアミンの電気化学酸化を用いる、「不均一な」での方法である。第二の方法は、「均一な」（用語「均一な」は、ここでは、変性剤および酸化剤／還元剤の両方が溶液相内にあるという意味で使われる）、例えば、グラファイト粒子存在中、次亜リン酸でのアリールジアゾニウム塩の還元、で行われる。

Ｂａｒｂｉｅｒらは、直接電気化学酸化によって４-ＮＢＡをガラス状カーボン電極表面に「不均一」化学結合できることを示した。電極表面へのアミン結合形成のメカニズムは、アミン基の相当するラジカルカチオンＡｒＮＨ₂ ⁺への酸化を通して進行し、ＡｒＮＨ₂ ⁺は、次に、炭素表面と反応してＣ-Ｎ共有結合を形成できる。

「均一な」方法を用いて４-ＮＢＡの化学吸着が達成されたかを試験するために、以下の実験を行った：グラファイト粉末およびＭＷＣＮＴｓを４-ＮＢＡ（アセトニトリル中１０ｍＭ）で誘導化した。次に、該誘導化法を、新たなバッチのグラファイトおよびＭＷＣＮＴｓで繰り返したが、今回はアセトニトリルを使用前に２０分間窒素ガスで脱ガスした。反応混合物を誘導化工程中窒素で覆い、溶液中に拡散する大気中の酸素を防いだ。この処理により、溶解酸素または大気中酸素による４-ＮＢＡのラジカルカチオンへの空気酸化の可能性、および次に起こる炭素素材との反応の可能性を防いだ。最後に、新たなバッチのグラファイトおよびＭＷＣＮＴｓを前記の方法で誘導化したが、今回は、強酸化剤、トリス(４-ブロモフェニル)アンモニウムヘキサクロロアンチモネート（ＴＢＰＡＨＣＡ、アセトニトリル中２５ｍＭ）を反応混合物に加えた。ＴＢＰＡＨＣＡを用いて、相当するラジカルカチオンへのアミン基の酸化および次の炭素素材との反応を促進した。

３つの異なる製造方法（強酸化剤を用いる方法、溶存酸素を含むアセトニトリルを用いる方法、および脱気アセトニトリルを用いる方法）のそれぞれから得られた４-ＮＢＡ誘導化グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓを、別々に、ｂｐｐｇ電極上に固定化し、関連するサイクリックボルタモグラムを、ｐＨ６.８中緩衝液中およびアセトニトリル（０.１Ｍ ＴＢＡＰ）中で記録した。３例のすべてで、水性媒体または非水媒体のいずれに於いても、４-ＮＢＡ炭素または４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓのボルタメトリー挙動に、差は観察できなかった。該グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓは、誘導化を、脱気アセトニトリル中、溶存酸素を含むアセトニトリル中または強酸化剤の存在下のいずれで行っても、全く同様の様式で４-ＮＢＡによって誘導化されることが、この結果から推測できる。これは、アミン基の相当するラジカルカチオンの形成が起こりにくい場合でさえ、４-ＮＢＡは炭素素材を修飾することを、意味している。このように、ラジカルカチオンの形成および次に起こる炭素表面への攻撃を通しての４-ＮＢＡの化学吸収は、炭素修飾の有望なメカニズムでないと結論できる。

４-ＮＢＡ分子がそれ自身で表面へ化学攻撃できるもう一つの可能なメカニズムは、表面カルボン酸基との反応によるものであり、製造中に合成グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓの表面上に形成され、相当するアミドを形成する。しかしながら、これは、２つの理由で、もっともらしくない。第一に、アミドは、高いｐＨおよび低いｐＨで加水分解による開裂を受けやすいが、これに対して、我々は、サイクリックボルタメトリーを用いて、多数回繰り返し時にも安定なボルタメトリー応答が認められたことにより、４-ＮＢＡは、ｐＨ１.０およびｐＨ１２.０で炭素表面上に安定のまま残っていることを証明した。第二に、有意量の４-ＮＢＡが、ほんの４０分間、反応混合物中で攪拌しただけで炭素表面を修飾していることを証明する実験を行った。数週間より短い時間単位でアミド化を起こすためには、アミノによるカルボン酸への求核攻撃を容易にし、ＯＨ-遊離基の飛び出しを援助する触媒として、ジクロロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）のようなカップリング剤を用いることが、通例である。該誘導化工程中には、アミド化が起こるためのカップリング剤も充分な時間も存在しない。

実施例８.３：グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓ内への４-ＮＢＡの全体または部分挿入に関する試験：ボルタメトリーによる証明
本実施例の前の２節で、４-ＮＢＡはグラファイト粉末またはＭＷＣＮＴｓの表面上に吸着されそうにないことが確定したので、次に、発明者らは、炭素表面上に局在するエッジ面様欠陥での４-ＮＢＡの全体または部分的挿入の可能性を考慮した。第一に、グラファイト挿入化合物の課題に専心した広範囲の文献を参考に、電気化学的証拠を研究した。

アセトニトリル中に一週間、４-ＮＢＡ修飾電極を浸した後でさえ非水溶液内でボルタメトリーを認めうると言う事実、および、４-ＮＢＡは炭素表面上に物理吸着または化学吸着されていないらしいことを示した事実から、４-ＮＢＡは炭素素材内へいくらか部分挿入していることが暗に示される。これは、グラファイトあるいはＭＷＣＮＴｓのいずれかの表面上のエッジ面欠陥またはエッジ面様欠陥で起こるらしい。これに関するさらなる電気化学的証拠は、アセトニトリル溶液中で用いられた支持電解質の影響から生する。

次に、過塩素酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＰ）を支持電解質塩として用いる場合、４-ＮＢＡ炭素または４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓのサイクリックボルタメトリーの姿は、小さく明確でない。しかしながら、次に、ＴＢＡＰ塩を過塩素酸リチウムと置き換えると、明確なボルタメトリーが認められる（図１９）。特に、４-ＮＢＡは、Ｌｉ⁺イオン存在下で電気化学的に還元されていなければ、アセトニトリル中で炭素との結合を残しており、溶液相内に浸出しないらしいことは特記に値する。これが起こる場合、ＴＢＡＰの例とは異なって、ボルタメトリーで明らかなピークを生ずる。約−０.４Ｖ対Ａｇで認められる電気化学的可逆対の調査から、繰り返し循環時、相当するピークは急速に減少し、１０回走査によって完全に消えることがわかる。実験を繰り返し、電極を溶液中に浸したまま溶液を穏やかに攪拌することによって第一走査と第二走査の記録の間、溶液をかき混ぜると、このレドックスプロセスと関係するピークは、第二走査ではもはや存在しない。このことは、４-ＮＢＡの還元型であるレドックス種が溶液相内にあり、溶液の攪拌はこの種を電極表面から拡がる拡散層からバルク溶液中に移すことを暗示している。それ故、この種と関連するシグナルは、攪拌後は、もはやボルタメトリーで認められない。

この挙動は、４-ＮＢＡが炭素表面に沿ったエッジ面欠陥部位に部分挿入されるか否かを、説明できる。乱れた欠陥部位内への該ＮＢｕ₄ ⁺カチオンの部分挿入によって形成される「ポケット」の内側に４-ＮＢＡ分子が位置するので、ＮＢｕ₄ ⁺カチオンを、４-ＮＢＡ分子との接近および複合から立体的に妨害できる。さらに、典型的には、ＮＢｕ₄ ⁺カチオンは、弱いイオン対結合複合体を形成する。それ故、０.１Ｍ ＴＢＡＰを含むアセトニトリル中で認められるＮＢＡ炭素および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓのボルタメトリーは、弱い。他方、リチウムカチオンは、大きさが非常に小さく、それ故、４-ＮＢＡが部分挿入されている場合でも、４-ＮＢＡに近づき得る。ニトロ基還元時、リチウムイオンは、高い極性を持ち、ラジカルカチオンまたはアリールニトロソ／アリールヒドロキシルアミンのいずれかとしての４-ＮＢＡの還元型と複合体を形成できる。このＬｉ⁺イオンとの複合体は、溶液内に浸出する［Ｌｉ ４-ＮＢＡ］イオン対の原因となり得る。［Ｌｉ ４-ＮＢＡ］イオン対の形成は、０.１Ｍ ＬｉＣｌＯ₄中の還元によるピーク電位が、０.１Ｍ ＴＢＡＰ中のピーク電位と比べて、正の方向にシフトしているという事実によって確認される。Ｌｉ⁺との複合時のピーク電位のこの正方向へのシフトは、文献によく記載されている。はじめは、［Ｌｉ ４-ＮＢＡ］イオン対は、電極表面に隣接した拡散層内に残り、その結果、さらなるレドックスボルタメトリーを認めることができる。しかしながら、溶液攪拌時、これらのイオン対は、拡散層の外側のバルク溶液内に運ばれ、これにより、相当するボルタメトリーは、もはや認められない。

小サイズの溶解Ｌｉ⁺イオンは、四級アンモニウムカチオンの大きさが、過塩素酸テトラエチルアンモニウムおよびテトラメチルアンモニウム（それぞれＴＥＡＰおよびＴＭＡＰ）と共に実験を繰り返すことにより減少する場合ですら、ボルタメトリーは、わずかに残るので、多分、この方法には不適当である。

天然（即ち未修飾あるいは処理済）のグラファイトまたは（グラファイトの「巻き上げ」(“rolled-up”)シートと類似の）ＭＷＣＮＴｓの層内領域への深い４-ＮＢＡの完全挿入は、全くありそうにない。注文したグラファイトシート間の層内間隔（Ｉｃ）は、３.３５Å（ＭＷＣＮＴｓ内ではＩｃ＝３.４４Å）であり、４-ＮＢＡ分子を合理的に収容するには小さすぎる（図９）。完全挿入が起こるためには、層間間隔が増さねばならない。大規模な文献検索から、（１）アセトニトリルが天然グラファイト内に自然に挿入される証拠はなく、それ故、４-ＮＢＡ挿入を容易にするであろうアセトニトリル内への侵入によって、グラファイト分子またはＭＷＣＮＴｓをふくらませる証拠はない；（２）天然グラファイト内へ自然に挿入される４-ＮＢＡと大きさが類似した有機芳香族分子を示唆する証拠はない；（３）Ｙがアミン基である式（Ｉ）化合物の場合、天然グラファイト内への（アンモニアおよびメチルアミンを含む）アミンの挿入に関する直接的証拠はない：ことが明らかである。しかしながら、上記の全シナリオは、グラファイトシート間の層内間隔（Ｉc）を増す場合には可能である。このことは、グラファイト内にＬｉ⁺、Ｋ⁺の様なアルカリ金属イオンを挿入し、グラファイト挿入化合物（graphite intercalation compounds）（ＧＩＣs）、例えば、Ｃ₈Ｌｉ、Ｃ₂₄Ｌｉ、を作り出すことにより、または、グラファイト酸化物およびグラファイト酸を用いることにより、容易に達成可能である。ＳＷＣＮＴｓは、チューブ構造を壊すことなく、Ｋ⁺およびＦｅＣｌ₃を挿入できることを示唆する証拠さえある。それ故、本誘導化法は、いかなる上記のシステムまたは基準も含んでおらず、グラファイト内への４-ＮＢＡの完全挿入は起こらないと、結論付けることができる。

実施例８.４：グラファイトおよびＭＷＣＮＴｓ内への４-ＮＢＡの完全または部分挿入に関する試験；電子顕微鏡および粉末Ｘ線回折からの証拠
電気化学手段を用いた４-ＮＢＡによるグラファイトおよびＭＷＣＮＴｓの修飾の原因が挿入にあることを推論するために、他の技術による証拠をここに示す。

挿入は、グラファイトのエッジ面でのみ起こるらしい。これらのエッジ面表面部位は、グラファイト粉末粒子上に多数あり、化学的電気化学的表面活性の大部分の部位もある。広範囲のこれらのエッジ面欠陥は、良く知られたグラファイト結晶構造が壊れた「乱れた」(“disordered”)グラファイト領域を導く。グラファイト粉末中の比較的大規模な乱れたドメイン、および不規則な形態、およびグラファイト粒子（２-２０μｍ直径）のサイズ分布により、電子顕微鏡技術を用いた４-ＮＢＡでの修飾前および後の表面像は、表面修飾の姿および影響を見抜けない。しかしながら、ＭＷＣＮＴｓは、比較的明確な大きさおよび形態を有し、それ自体では、４-ＮＢＡでの表面の修飾から起こるいかなる変化または相違も明らかになるはずである。

ＭＷＣＮＴｓ内への４-ＮＢＡの挿入は、チューブをふくらませる原因となる、隣接するグラファイトシート間の間隔の大きさまたは表面上のグラファイト素材の領域を、ある程度広げる原因となるはずである。極端な例では、これらの歪みは、チューブを歪めるおよび／または破裂させる原因にさえなることができた。任意のふくらみを４-ＮＢＡ修飾ＭＷＣＮＴｓ内で認めることができるか否かを決定するために、ＳＥＭを用いて、未修飾の「天然」ＭＷＣＮＴｓおよび４-ＮＢＡ修飾ＭＷＣＮＴｓの両方を、ｂｐｐｇ電極表面上への研磨固定後、像を描いた（図１０ａおよび１０ｂ）。ＣＮＴｓ直径の細心な分析から、天然、未修飾のＭＷＣＮＴｓの平均直径は、約４０ｎｍであり、これに対して４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓの平均直径は約６０ｎｍである（天然および４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓについて、それぞれ、１サンプル当たり５０測定を基本とし、両例での標準偏差は約１０ｎｍであった）ことが、示される。

多数の研究グループが、ＣＮＴの形成および成長を制御する方法を設計することに、少なからぬ時間および努力を捧げた。ＣＮＴｓ合成のモデルとして化学蒸気沈降(chemical vapour deposition)（ＣＶＤ）を用いたＣＮＴ形成を描写するために用いられた一般の理論モデルは、ステップフロー成長速度論モデル(the steo-flow growth kinetics model)である。このモデルに於いて、成長するナノチューブ壁に沿った炭素原子の表面拡散速度の差は、多島核形成領域(regions of multi-island nucleation)の作りだし、その後、表面欠陥数および乱れた「無定形」領域を増加できる増殖「段階」(the propagatin “step”)に至る。さらに、ＭＷＣＮＴｓ形成中に別の層を成長させる表面拡散流動の本質的不均質は、「竹」構造(“bamboo” structure)を導く。これらの構造では、グラファイトシートは、ナノチューブの軸に角度をつけて並び、エッジ面欠陥としてチューブの表面で終わる。ほぼ全シートが表面で終わるはずであるので、エッジ面欠陥の数は大きい。こられの構造の描写に用いられた一つの像は、＜＜＜＜＜＜＜（＜は、複数のナノチューブの層を示す）の様に、一つの層の内側にもう一つの層を積み重ねた多数の紙コップに似た、竹-ＭＷＣＮＴである。

「竹-ＭＷＣＮＴ」(“bamboo-MWCNTs”)の形成は、温度に依存する。本実施例で用いたＭＷＣＮＴは、ＮａｎｏＬａｂ Ｉｎｃから入手した。ＮａｎｏＬａｂ Ｉｎｃは、約９００Ｋの温度で行われるＣＶＤ技術を用いてこのサンプルを製造した。理論モデルは、いくらかの多島核形成および次に起こるＭＷＣＮＴｓに沿った竹様領域の形成が、この温度領域内で起こるらしいと予想している。

４-ＮＢＡの多量の取り込みの原因となるＭＷＣＮＴｓに沿ったこれらの竹様領域が存在し、その結果、竹様領域の上で行われるボルタメトリー実験の間、大きな電流が流れると、仮定される。

ＭＷＣＭＴｓの形態にさらなる洞察を提供するために、ＨＲＴＥＭイメージングを行った。図２３ａおよび２３ｂは、ＭＷＣＮＴｓサンプルのＨＲＴＥＭ像を示す。これらの像は、「竹様」構造（以下を参照のこと）と中空管構造の両方がＭＷＣＮＴｓの長さに匹敵することを示す。

ＭＷＣＮＴｓに沿った「竹様」領域の発見は、４-ＮＢＡ炭素、特に４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓの還元／酸化の間、比較的大きい（ｍＡ）電流が流れることについての可能な説明を提供する。これらの大電流は、グラファイト粒子およびＭＷＣＮＴｓ上の４-ＮＢＡの被覆度が高いことを示唆している。もし４-ＮＢＡが本当にＭＷＣＮｓ上のエッジ面欠陥内に部分挿入されているならば、これらの欠陥部位は非常に多数存在すると考えられるため、該４-ＮＢＡは、ナノチューブの解放末端に位置するのみならず、ナノチューブの表面に沿っても位置できるはずである。

次に、Ｘ線粉末回折（ＸＰＤ）を用いて、４-ＮＢＡによるグラファイト粉末およびＭＷＣＮＴｓの修飾の影響について試験した。Ｘ線粉末解析データの分析に用いた基本式は、ブラッグの法則、式（２）：

（式中、ｎは１セットの平面からの反射次数を示す整数であり、λはＸ線照射波長／Åであり、ｄは層間間隔／Åであり、θはＸ線照射がサンプルに当たる入射角である）で示される。格子内への４-ＮＢＡの挿入による層間間隔の任意の増加は、ｄ値を増加させ、従って、修飾サンプルのディフラクトグラムを未修飾サンプルのディフラクトグラムと比較することによって、見出すことができる。

４-ＮＢＡ炭素および未修飾グラファイト粉末のＸ線粉末ディフラクトグラムを記録した。ディフラクトグラムの比較では、ピークの位置またはピーク幅および形のいずれに於いても、質的または量的な差は、認められなかった。両サンプルの層間間隔の値は、３.３７±０.０１Åであり、この値は、文献値３.３５±０.０５Åと良く一致する。この結果は、グラファイト格子内への４-ＮＢＡの完全挿入の可能性を排除する。しかしながら、このことは、エッジ面欠陥階段および欠陥を含む無秩序部位での４-ＮＢＡの部分挿入の可能性を排除するものではない。これは、ＸＰＤが、周知の値θで反射Ｘ線を得る周知の結晶構造を持つ高秩序領域を調べるためにのみ用いうることによる。任意の無秩序領域は、構造による干渉なしに、ランダムなθ値でＸ線を単に散乱させ、それ故、これらの信号はノイズとして失われる。ＭＷＣＮＴｓはグラファイト粉末粒子と比較してより一層秩序ある形態を有するため、ＸＰＤを用いた４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓと天然ＭＷＣＮＴｓの比較は、４-ＮＢＡによる表面修飾の姿に関して、より一層有益である。

この目的のために、４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓおよび「天然」の未修飾ＭＷＣＮＴｓのＸ線粉末ディフラクトグラムを記録し、比較した（図２４）。言及すべき第一の点は、修飾および未修飾のＭＷＣＮＴｓ両方のピーク位置が実験誤差の範囲内で同一であり、層間距離は、３.４７Åに相当し、文献値３.４４±０.０４Åと再び一致する。特記すべき第二の点は、両例共、ピークは、幅広であり、各ピークの左端に「尾」(“tail”)を持ち非対称であることである。これは、ナノチューブの結晶構造内にある程度の無秩序を導く層間間隔の変動による影響である。特記すべき重要点は、４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓピークが、天然ＭＷＣＮＴピークより明らかに幅広であることである。標準化したピークの分析から、天然ＭＷＣＮＴピークの半値幅は０.９４４６であるが、４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓの半値幅は、４０％近く増加した１.３８５５であることが、明らかになる。これは、明らかな崩壊および無秩序なＭＷＣＮＴ構造の増加が存在したことを示しており、エッジ面表面欠陥で４-ＮＢＡ分子が部分挿入されていることを支持する証拠を提供することができる。グラファイトシート間の無秩序化の増加を、Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式（３）を用いて、量的に測定することができ、該式（３）は、Ｘ線反射が起こる秩序ある結晶部分に存在する面の平均数と半値幅の関連を示す。

式中、λおよびθは、上記の式（２）に定義した通りであり、βは、半値幅であり、ｔは、結晶領域の厚さである。それ故、層間間隔（ｄ）、次に結晶中の層の数（ｍ、この場合グラファイトシート）が分かれば、秩序領域を式（４）から計算できる。表１は、４-ＮＢＡＭＷＣＮＴｓおよび天然ＭＷＣＮＴｓのＸＰＤから得られたデータを比較列挙している。 天然ＭＷＣＮＴｓについてのグラファイトシートの秩序ある層の値 ｍ＝９は、平均９の同心円チューブ壁が存在することが分かったＭＷＣＮＴｓのＨＲＴＥＭ検査と一致する。この値は、ＣＮＴｓを４-ＮＢＡで修飾するとｍ＝６に減少し、エッジ面欠陥は、最大で最初の３層のグラファイト層を剥ぐことができるようなので、不合理な値ではない。

表１
未修飾の天然ＭＷＣＮＴｓおよび４-ＮＢＡ修飾ＣＮＴｓについて実験的に定量されたＸ線回折のデータの比較

本発明の第三の好ましい態様の詳細な説明
電極表面上に研磨固定され、電解質溶液と接触している、純粋な有機固体の固体状態の電気化学は、電極表面−有機固体−溶液界面の３相の境界で起こるはずである。酸化／還元時に電荷中立を維持するために、溶液相から結晶内への付随イオンの挿入が起こるはずである。図２５は、電子の移動が起こり得るこの三相の境界を、白色描影法で図式的に表している。

しかしながら、電子の移動はこの三相の境界でのみ起こり得るので、個々の結晶それぞれの電気活性表面領域は、電極表面と溶液の両方と接触している非常に狭い面積に限定される。

従って、ｂｐｐｇ電極表面上へ有機固体とグラファイト粉末の物理的混合物を研磨固定することを含む、もう一つの方法を採用した（図２６を参照のこと）。
図２６に示す電極の電気活性表面面積は、図２５に示したものより大きい。これは、電極表面−有機固体−溶液の三相境界を形成できるだけでなく、炭素粒子が有機固体結晶と接触する場所でもさらなる炭素粒子−有機固体−溶液の三相境界が形成され、それ故、電荷の移動を増加させることによる。しかしながら、この方法を用いると電気活性は改良されるが、グラファイト粒子と有機結晶の間の接触度は、グラファイト粒子の大きさによって制限される。

本発明の第三の好ましい態様は、結合剤内に分散させた炭素ナノチューブを含むアグロメレート(agglomerates)を用いることに関し、該結合剤は、レドックス活性素材である。炭素ナノチューブは、好ましくは、多層炭素ナノチューブ（multi-walled carbon nanotubes）（ＭＷＣＮＴｓ）である。

アグロメレートから作られた電極は、基板上に堆積させた炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を含む。炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材は、アグロメレート形で混合する必要はない。代わりに、それらを、基板表面上に単純に研磨固定して良い。しかしながら、本発明の第一の実施態様に記載したように、炭素ナノチューブとレドックス活性素材をアグロメレートの形で電極上に堆積させることが好ましい。さらに、炭素ナノチューブがＭＷＣＮＴｓの形であることが好ましい。

これらの電極の電気活性は、先行技術の電極より大きい。結果として、同じ応答を達成するために必要な素材は少量で良く、それ故、電極それ自身の大きさを小さくでき、該素材を用いる電気化学センサーの小型化を可能にする。

電気化学センサー内で使用するためのアグロメレートの製造方法は、結合剤内に多層炭素ナノチューブを分散させることを含み、該結合剤は、レドックス活性素材である。次に、このアグロメレートは、電極製造方法に使用でき、該方法は、基板を提供し、炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を基板表面に適用することを含む。

アグロメレートおよび電極は電気化学センサーに使用できる。そのようなセンサーを用いて、ｐＨ、一酸化炭素、硫化水素、酸素、二酸化炭素、金属イオン等のような、多数の異なる種をモニターできる。該センサーは、ｐＨの測定、環境、化学、汚水、工業および廃液の様な、多数の分野で重要な測定に、特に有用である。

基板に適用した炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を有する電極を製造することによって、レドックス活性素材の表面とのより大きい接触が達成されるために、電気活性を有意に改善する。実質上、ナノチューブは、ナノチューブ−レドックス活性素材−溶液間に多くの三相境界を形成する分子ワイヤとして働く。ナノチューブおよびレドックス活性素材のアグロメレートが作られる場合でさえ、より大きい電気活性が達成される。この場合、ナノチューブは、レドックス素材によって共に束（bundles）に固められ、その結果、ナノチューブは、表面に沿うだけでなく、アグロメレートの中へ、また、それを通り抜けて、存在する。有機固体とナノチューブと溶液の間の全接触点で、三相の境界が形成される。より大きい電気活性表面積内での結果を先行技術と比較した。

このように、本発明の長所は、電気活性面積が増加することであり、同じ結果を達成するために必要とされる素材の量がより少ないことを意味している。結果として、電極、ならびに、該電極を使用するセンサーは、大きさを小さくすることができる。センサーの小型化は、それらを適用できる用途の数を増加する。例えば、該センサーは、患者の身体内に導入する必要がありうる生体医療での用途に使用できた。代わりに、該センサーを、センシング装置を制限された空間内で使用する必要のあるその他の用途に用いることができた。また、小型化は、センサーの携帯性を増加させる。

当業者は、本発明で用いたナノチューブとレドックス活性素材の比率を変更できる。ナノチューブとレドックス活性素材の機械的混合物を基板上に固定化する場合、これらの成分の割合は、好ましくは質量で１０：１から１：１０、より好ましくは５：１から１：５、より好ましくは、１：２から２：１である。成分が基板上にアグロメレートの形で存在する場合には、比率を有意に変更できる。原則的には、存在する炭素ナノチューブの量の下限はない。

本発明の第三の態様の個々の成分および態様を、以下にさらに詳しく、今記載する。

炭素ナノチューブ
炭素ナノチューブ（Carbon nanotubes）（ＣＮＴｓ、本明細書中では、ナノチューブとも言う）は長年にわたって知られているが、１９９１年に発見された（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，１９９１，５６，３５４）。研究に大きな展開が認められた分野およびナノ中部の用途は、電気化学である。炭素ナノチューブは、それらの注目に値する機械的強度、構造および良好な電気伝導率により、この分野で特に有用である。これらの性質は、触媒検出ならびにドーパミン、チトクロムｃおよび炭水化物のような生体分子の分析から、過酸化水素、ヒドラジンおよびＴＮＴのようなアナライトのセンシングまでの範囲にわたり、電気分析用途に用いられてきた。

構造的に、ナノチューブは、グラファイトの巻き上げシートに近く、それ自体は、天然で比較的疎水性である。これらの「巻き上げ」シートには２つの主な配置：単層炭素ナノチューブおよび複層炭素ナノチューブ（multi-walled carbon nanotubes）（ＭＷＣＮＴｓ）：がある。本発明では、どちらの配置を使用しても良い。

適当なナノチューブには、Ｎａｎｏｌａｂ Ｉｎｃ．（Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）から購入したナノチューブが含まれる。当業者らは、ナノチューブの物理的性質を最適化できるが、典型的なナノチューブは、直径１−５０ｎｍ、好ましくは５−３０ｎｍであり、長さは１−５０ｎｍ、好ましくは５−３０ｎｍである。好ましくは、炭素ナノチューブは、比較的高い純度、好ましくは８０−１００％、より好ましくは９０−１００％、もっとも好ましくは、９５−１００％を有する。

レドックス活性素材
レドックス活性素材は、電子の放出および獲得を受ける能力を有する任意の有機素材であって良い。好ましくは、レドックス活性素材は、固相素材である。基板、例えばガラス状カーボンまたは底面熱分解性グラファイト（basal plane pyrolytic graphite）（ｂｐｐｇ）電極、上に固定化された場合、該素材は、酸化／還元時に付随する陽子および電子の損失／獲得を受ける。

電気化学センサーに用いるために、少なくともレドックス活性素材の一部分は検出または測定すべき種に対して感受性である必要があるだろう。電極は、ｐＨメーターの製造に有用であることが好ましく、従って、レドックス活性素材のピーク電位は、局所の陽子濃度に依存することが好ましい。。

ｐＨに対して感受性であるそのような化合物のボルタメトリーは、電極表面上に分子固体として固定化した場合、以下のネルンスト式によって説明できるネルンスト挙動を示すことが分かった。

式中、Ｅp／Ｖはピーク電位であり、Ｅ_f ⁰／Ｖはレドックス対の式量電位であり、Ｒ／ＪＫ^-1は普遍気体定数であり、Ｔ／Ｋは温度であり、ｍおよびｎはそれぞれレドックスプロセス中に含まれる陽子および電子の数である。以下の実施例中で試験された素材では、ｍおよびｎは、しばしば２に等しい。

従って、例えばサイクリックボルタメトリーまたは方形波ボルタメトリーを用いて、これら化合物のボルタメトリー応答を調査することによって、ｐＨに対するピーク電位は、直線応答を示すと予想される。

レドックス活性素材は、１より多い化合物を含むことができる。例えば、素材は、化学感受性レドックス素材および化学非感受性レドックス素材を含んで良い。この実施態様では、化学非感受性レドックス素材を対称標準素材として取り扱う。化学感受性レドックス素材と化学非感受性レドックス素材についての電流ピーク間の電位差を測定することによって、測定される種の濃度を定量できる。

代わりに、レドックス活性素材は、同一種に対して感受性であるの化学感受性素材を１つ以上含んでいて良い。化学感受性素材の電流ピーク間の電位差を、基準電極の電位と比較して測定することによって、測定される種のより正確な濃度を得ることができる。

好ましくは、実施例で用いられたレドックス活性素材は、疎水性であり、水溶解性は低い。このことは、アグロメレートを製造する場合、該レドックス活性素材を炭素ナノチューブと溶液中で混合することを可能にし、過剰量の水溶液を加えると、結果として溶液からアグロメレートが沈殿する。

適当なレドックス活性素材には、キノンおよびアントラセン、例えば、９,１０-アントラセン、９-ニトロアントラセン、フェナントラキノン（ＰＡＱ）および１,２-ナフタキノン（ＮＱ）が含まれる。使用できるその他の素材には、アゾベンゼン、ジフェニルアミン、メチレンブルー、３-ニトロフルオランテン、６-ニトロチリセンおよびチオニンが含まれる。

アグロメレート
本発明のアグロメレートは、ナノチューブおよび結合剤を含み、該結合剤はレドックス活性素材である。ナノチューブおよびレドックス活性素材の種類は、上記の通りであって良い。

アグロメレートは、ナノチューブを結合剤中に分散することによって、作られる。好ましい方法は、ナノチューブおよび結合剤素材を溶媒中で結合させ、次に、溶液からアグロメレートを沈殿させることを含む。特に、該方法は、
・ 炭素ナノチューブおよび結合剤を溶媒中で結合させる；
・ 溶媒からアグロメレートを沈殿させる原因となるために、過剰量の水溶液を加える；
・ アグロメレートを回収する：
工程を含んでよい。

好ましくは、溶媒は、疎水性溶媒であり、小有機分子を含む。溶媒は、レドックス活性化合物および炭素ナノチューブの両方が可溶であるように選択するべきである。適当な溶媒は、アセトン、アセトニトリルおよびジメチルホルムアミドのような一般的な溶媒をすべて含む。

好ましくは、アグロメレートは、炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材のみを含み、その他の素材を含まない。しかしながら、アグロメレートは、アグロメレートの製造プロセスの結果として残る、残余溶媒のような多少の不純物を含んでいて良い。これらの不純物は、好ましくはアグロメレートの１重量％以下、より好ましくは０.５％以下、含まれる。アグロメレートに混入しても良い不純物の正確な量は、不純物がどの程度アグロメレートのボルタメトリーに影響を与えるかによる。

アグロメレートの大きさは、それらの製造物中に用いられる成分の種類および割合、ならびにアグロメレート製造工程の条件に依存する。しかしながら、典型的なアグロメレートは、直径おおよそ１０μｍであり、アグロメレートを共に結合する非結晶分子固体の中およびいたるところに走るナノチューブの束からなる。

基板
炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を適用する基板は、電極の製造に慣用に使用される任意の基板であって良い。例えば、基板は、底面熱分解グラファイト（basal plane pyrolytic graphite）（ｂｐｐｇ）またはガラス状カーボン、金あるいは白金のような金属電極、またはＩＴＯを含む電極のような光学的に透明な電極であって良い。好ましくは、基板は、炭素ナノチューブと良好な電気的接触を有し、また、炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材での良好な被覆を達成できるような表面を有する。

センサー
センサーの構造は、その最終用途に依存し、それ故、測定すべき物質および測定が行われるであろう環境に依存するであろう。周知のセンサー構造を、本明細書中に記載のアグロメレートと電極の組み合わせで使用できる。

典型的センサーは、２または３のターミナル装置を有して良い。即ち、該センサーは、本発明の作用電極と対極-基準電極の複合電極、または、作用電極と対極と基準電極を含んでいて良い。基準電極および対極は、この技術分野で既知の任意の慣用の電極であることができる。

センサーに用いられる素材は、センサーが測定する予定の種およびセンサーを使用する予定の環境に依存する。異なる種に感受性であるようにセンサーを修飾するために、当業者には、レドックス活性素材を、測定しようとする種に感受性を有する別のレドックス活性素材に置換することが、要求されるのみである。

本発明の第三の好ましい態様の実施例
実施例９：ナノチューブアグロメレートの形成および底面熱分解性グラファイト表面上へのナノチューブの研磨固定
試薬および装置
試薬は、塩化カリウムをＲｉｅｄｅｌ ｄｅ Ｈａｅｎ（Ｓｅｅｌｚｅ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手したのを除いて、全試薬をＡｌｄｒｉｃｈ（Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍ，ＵＫ）から、入手できる最高級のものを入手し、さらに精製することなく使用した。全水溶液は、１８.２ＭΩｃｍ以上の抵抗率を有する、Ｅｌｇａｓｔａｔ（Ｅｌｇａ，ＵＫ）ＵＨＱ級う水系からの脱イオン水を用いて、調製した。全サイクリックボルタメトリー測定は、溶液を純粋なＮ₂ガス（ＢＯＣ Ｇａｓｅｓ，Ｇｕｉｌｄｆｏｒｄ，Ｓｕｒｒｅｙ，ＵＫ）で３０分間脱気した後に行い、特に記載しない限り、２０∀２ＥＣの温度で記録した。

純度〜９５％の複層炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴｓ）を、Ｎａｎｏｌａｂ Ｉｎｃ．（Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）から購入し、さらに精製することなく使用した。
ｐＨ１-１２の既知ｐＨ溶液を、脱イオン水を用いて、以下の通り：ｐＨ１、０.１Ｍ ＨＣｌ；ｐＨ４.６、０.１Ｍ 酢酸 ＋０.１Ｍ 酢酸ナトリウム；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄ ＋ ０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ₄ ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム；ｐＨ１２、０.０１Ｍ 水酸化ナトリウム：作成した。該水溶液は、さらなる支持電解質として、さらに０.１Ｍ ＫＣｌを含む。ｐＨ測定を、Ｊｅｎｗａｙ ３０３０ ｐＨメーターを用いて行った。

電気化学測定を、標準３電極配置を有する μＡｕｔｏｌａｂコンピューター制御されたポテンショスタット（Ｅｃｏｃｈｅｍｉｅ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄ）を用いて、記録した。全測定は、加熱浴から水を循環させることによって所望の温度（２０−７０ＥＣ）に自動調温した、容量２５ｃｍ³の二重壁ガラスセルを用いて、行った。底面熱分解グラファイト(basal plane pyrolytic graphite)（ｂｐｐｇ）電極（０.２０ｃｍ²、Ｌｅ Ｃａｒｂｏｎｅ Ｌｔｄ．，Ｓｕｓｓｅｘ，ＵＫ）は、作用電極として作用した（以下を参照のこと）。白金コイルは対極として、飽和カロメル電極はセル組み立てを完成させた基準電極（ＳＣＥ，Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ，Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ）として作用した。

別に記載しない限り、サイクリックボルタモグラムを、次のパラメーター：歩幅電位 ２ｍＶ；走査速度５０ｍＶｓ^-1：を用いて、記録した。方形波ボルタメトリーパラメーターは、次の通り：周波数 １２.５Ｈｚ、歩幅電位 ２ｍＶおよび振幅２５ｍＶ：であった。走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）を、Ｊｅｏｌ ６５００Ｆ装置を用いて、行った。

９,１０-フェナントラキノンおよび１,２-ナフタキノンの両方の毒物学が未だ完全に調査されていないことは、特記に値する。両化合物は、有害、または皮膚接触あるいは吸入による刺激性、の可能性があり、発ガン物質の疑いがある。

ナノチューブアグロメレートの形成および底面熱分解グラファイト表面上への該アグロメレートの研磨固定
９,１０-フェナントラキノン（phenanthraquinone）（ＰＡＱ）または１,２-ナフサキノン（napthaquinone）（ＮＱ）のいずれかでのＭＷＣＮＴｓのアグロメレーションは、５０ｍｇ ＭＷＣＮＴｓをアセトン中のＰＡＱまたはＮＱのいずれかの１０ｍＭ 溶液１０ｃｍ³と共に混合し、さらに２５ｃｍ³の０.１Ｍ ＨＣｌ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ 水溶液をゆっくりと加えることによって、達成された。反応混合物を、ビーカー内で２時間連続攪拌し、次に、吸引によりろ過し、その後、蒸留水で洗浄して、酸および塩を除去した。次に、１２時間の間、ヒュームフードの内側に置いて空気乾燥させ、最終的に、必要とされるまで、密閉容器内で保存した。

次に、ナノチューブとＰＡＱまたはＮＱのいずれかとのアグロメレートをｂｐｐｇ電極表面上に研磨固定して、特徴を調べた。該アグロメレートは、最初にガラス研磨紙（Ｈ００／２４０）上で電極を研磨し、その後、平滑にするために炭化ケイ素紙（Ｐ１０００Ｃ）上で研磨した。次に、ナノチューブ-ＰＡＱまたはナノチューブ-ＮＱのアグロメレートを、アグロメレートを含むファインフィルターペーパー（Ｗｈａｔｍａｎ）上で電極表面を穏やかにこすることによって、ｂｐｐｇ上に機械的に固定化した。

実施例１０：ナノチューブアグロメレートの特徴
はじめに、アグロメレートの形成を、ＳＥＭおよびＣＶを用いて確かめ、次に、ｂｐｐｇ表面上へのアグロメレートの固定化を、ＣＶを用いたボルタメトリーで確認した。

アグロメレーション度の測定
ＰＡＱまたはＮＱのいずれかの微小結晶とＭＷＣＮＴｓとの物理的混合物よりむしろ、ＰＡＱまたはＮＱのＭＷＣＮＴｓとのアグロメレートが形成されていることを確認するために、走査電子顕微鏡（scanning electron microscopy）（ＳＥＭ）を用いた。清潔なｂｐｐｇ電極表面上への研磨固定を行った後、各素材の像を、別々に描いた。はじめに、純粋な（有機固体を含まない）ＭＷＮＣＮＴｓのＳＥＭ像を記録した（図２９）。次に、２.２節に記載の方法に従って修飾した、ＭＷＣＮＴｓのＳＥＭ像を比較として記録した（図３０および３１）。

表面の上方に平らに分散させたｂｐｐｇ上の未修飾ＭＷＣＮｓ（図２９）と違って、ＭＷＣＮＴｓ-ＰＡＱ素材は、図２８に図示したように、ＰＡＱによって共に束に固められたナノチューブのアグロメレートを本当に形成していたことが、これらの像より確認された（図３０および３１）。

最後に、ＰＡＱ結晶、ＭＷＣＮＴｓとＰＡＱ結晶の機械混合物、およびＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレートのサイクリックボルタモグラム（図３５に重ねて示した）を、ｂｐｐｇ電極表面上に研磨固定した後、ｐＨ６.８で別々に記録した。各場合、類似したピーク高を有する対称に近い波形が、約−０.２３Ｖ対ＳＣＥで認められ、ピークとピークのわずかな隔たりは、約２０ｍＭであった。

実験的には、ｂｐｐｇ電極表面上に研磨固定した素材の正確な量を調節することは不可能である。しかしながら、図８、９および１０から明らかなように、それら自身上のいずれのＰＡＱ結晶と比べても同様の大きさのピーク電流を得るためには、目に見えない程度のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート素材が、電極表面上に必要であった。図３０は、ＭＷＣＮＴアグロメレートによるｂｐｐｇ電極上の表面被覆が事実上まばらであることを、示す。ＭＷＣＮＴｓとＰＡＱ結晶の機械的混合物は、中間の結果を示す。

ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレートの有効な電気活性表面積の粗計算を試みた。ＰＡＱ分子は面積２.５×１０^-19ｃｍ²の方形を占領していると考え、酸化または還元された分子の数を相当するサイクリックボルタモグラムのピーク面積から計算した。即ち、該素材のおおよその電気活性表面積は、典型的には、ｂｐｐｇ電極それ自身の面積の３倍よりも大きいことが分かった。

この粗計算は、電極表面積がその幾何図形面積に等しいと仮定していることは、特記に値する。実際には、研磨した表面は、幾何図形面積より実質的に大きい表面積を有して良い。さらに、ＭＷＣＮＴ表面上の不純物がｂｐｐｇ／ＭＷＣＮＴ界面領域の伝導率を損ないうるため、ＰＡＱまたはＮＱ結合剤の一部分は、電極表面の非能率な電荷移動により反応できない。しかしながら、これらの制限を記憶に留めながらも、なお、結果は、ＭＷＣＮＴアグロメレートを表面上に固定化する場合、電極の電気活性表面積が有意に増加することを示す。

これに関する一つの可能な説明は、炭素ナノチューブで修飾した電極の長所の一つが、明らかに分析上の恩恵を有する有効な電気活性表面積がより大きいと考えることにより見出される。研磨固定されたＭＷＣＮＴアグロメレートの構造は、基板電極表面上の非結晶有機固体内に共に固められたＭＷＣＮＴｓの束と一致することが示された（上記）。本明細書中で議論したように、そのような構造は、純粋な有機結晶または有機固体とグラファイト粉末の物理的混合物を用いた場合の状況より、三相の境界が形成されうる電気活性表面積を有意に大きくする。これ故、上で調査した他の２例におけるように、同程度の強さのシグナルを作り出すために、アグロメレート素材をほとんど必要としない。

表面固定化の測定
ｂｐｐｇ表面上への固定化を、サイクリックボルタメトリーを用いて確認した。次に、２つのアグロメレートをｐＨ１-１２の全ｐＨ範囲にわたって調査した。方法の第一段階は、かつてＰＡＱまたはＮＱについてのレドックスプロセスの電位領域を測定したが、種の安定性を確実にするために、２０回繰り返し走査を行うことであった（該走査の精密な電位範囲は、ＰＡＱおよびＮＱの間で、ならびにｐＨで、変化させた）。ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレートおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートの両例では、走査速度の増加に伴って増加するピークのわずかな隔たりを伴う対称に近い波形（以下を参照のこと）は、全ｐＨで認められた（図３６ａおよび３６ｂ）。２０回の繰り返し操作後、ピーク電流は、（最初にわずかに減少することが分かったが）安定なままであり、酸化および還元の両ピークプロセスの電荷（ピーク面積）は、互いに等しい、ことが分かった。

方法の次の段階は、新たな溶液で電解質溶液を置き換え、ボルタメトリー応答を記録することである。関連するサイクリックボルタモグラム（図３６ａおよび３６ｂに重ねて示した）は、最終走査に重なり、それによって、電気活性種が電極表面に残り、溶液に放出されていないことを確認した。最後に、走査速度を２５から９００ｍＶｓ^-1に変化させ（図３７ａおよび３７ｂ）、ピーク電流対走査速度のプロットがほぼ直線であることを見出した。ピークの隔たり（低走査速度で約２０ｍＶ）は、固定化された電気化学可逆種についての理想的なピーク間の隔たり０に近い。しかしながら、実験によるピークの隔たりと理論的な隔たりとの間の不一致、およびピーク電流対走査速度のプロットの直線性からの逸脱は、わずかなオームの歪みおよび／または電極速度論因子に帰するであろう。実際、走査速度を上げた場合の波形およびピーク電位の変化は、電気化学的に準可逆な系が、調査した全ｐＨ範囲にわたって存在することを示唆している。

実施例１１：室温でのｐＨに対するアグロメレートのボルタメトリー応答
安定で電気化学的にほぼ可逆な系が、ｐＨ１からｐＨ１２の全ｐＨ範囲にわたって、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱの両アグロメレートで認められることを、実施例２のサイクリックボルタメトリーを用いて確立するために、以下に詳細に記載する全調査で系を探る電気化学的方法として、方形波ボルタメトリーを用いた。この方法は、ほぼ可逆な電極速度論的挙動を有するＰＡＱおよびＮＱによる周知のボルタメトリーピークを作る、単一掃引を行う手段を提供するため、慣用のサイクリックボルタメトリーと比較して、明らかな長所を有する。それ故、方形波ボルタメトリーは、特に、酸素還元が興味あるレドックスプロセスの電位とよく似た電位で競合し得るより高いｐＨで、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱ還元波の解像を助けることができる。方形波ボルタモグラムは、ｐＨ溶液の範囲内（ｐＨ１、０.１Ｍ ＨＣｌ；ｐＨ４.６、０.１Ｍ 酢酸 ＋０.１Ｍ 酢酸ナトリウム；ｐＨ６.８、０.０２５Ｍ Ｎａ₂ＨＰＯ₄ ＋０.０２５Ｍ ＫＨ₂ＰＯ；ｐＨ９.２、０.０５Ｍ 四ホウ酸二ナトリウム；ｐＨ１２、０.０１Ｍ 水酸化ナトリウム）でのＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートについて記録し、それぞれ、図３８ａおよび３８ｂに重ねて示す。図３８ａおよび３８ｂより、ｐＨを高くすると、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱのピーク電位は、予想通り、より低い電位にシフトすることが明らかである。この挙動は、ｂｐｐｇ電極上に研磨固定されたＰＡＱ結晶について認められた挙動と一致する。

ｐＨに対するピーク電位の関連プロットは、ｐＨ１からｐＨ１２まで、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱについて、それぞれ、５５.２および５３.２ｍＶ／ｐＨ単位の勾配を有する、直線応答を示し、この応答は、前述の通り、繰り返しの多い電極を製造する場合にも再現できる。この応答は、先に議論した式によって与えられるようなネルスタイン応答に近く、炭素粉末での前述の調査と再度一致する。

実施例１２：高温でのｐＨに対するアグロメレートのボルタメトリー応答
素材を高温環境下における適当なｐＨプローブとして用いて良いか否かを決めるために、アグロメレートのボルタメトリー応答への温度の影響を調査した。

系への温度の影響を調べるに当たって注記すべき一つの因子は、緩衝溶液中の成分の解離定数が温度で変化するので、溶液のｐＨが温度でどのように変化するかである。この目的のために、与えられた温度で既知のｐＨセットを有する３つのＩＵＰＡＣ緩衝液（ｐＨ４.６、ｐＨ６.８およびｐＨ９．２）を用いた。それぞれ、希ＨＣｌまたはＮａＯＨのｐＨ１およびｐＨ１２の溶液を、高温での調査に用いることによる誤差は、全緩衝液の温度によるｐＨ変化が小さく、該溶液はプロットの末端であるので、無視して良い。

方形波ボルタモグラムを、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱの両方について、温度範囲２０−７０ＥＣにわたって、ｐＨ１からｐＨ１２の範囲で、調査した各ｐＨについて、記録した。この温度範囲の上限は、温度が溶液の沸点に達したことにより、電極上で泡が形成され始めることによって制限されることを、注記しておく。図１５ａおよび１５ｂは、ｐＨ６.８ ＩＵＰＡＣ緩衝液中で、温度範囲２０−７０ＥＣにわたり、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＲ-ＮＱの方形波ボルタモグラムをそれぞれ重ねて示す。同様の応答は、調査した他の全ｐＨでも得られた。温度上昇でより負の値にピーク電位がシフトするが、これは、一部、前に議論したネルンストの式中の、ＳＣＥ基準対、式量電位（Ｅ_f ⁰）の温度依存、および温度条件の変化の組み合わせによると考えうる。ピーク電流は、はじめ、温度で上昇するが、その後３０ＥＣ以降、着実に減少することは特記に値する。高温でのアグロメレートの安定性を調べるために、サイクリックボルタメトリーを、２０−７０ＥＣの範囲で調査した全温度で行った。走査速度２００ｍＶｓ^-1で研磨固定したＭＷＣＮＴアグロメレートについて、各温度で、５００走査を行い、５走査毎に記録した（これは約３５秒の時間間隔に相当する）。すべての場合において、前述したような、単一の、可逆でほぼ対称な波が、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱまたはＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートに関連して認められた。これらのボルタモグラムよりピーク面積を測定した。該面積は、電極表面にＭＷＣＮＴアグロメレートの形で残っている電気活性種の量と比例する。時間に対するピーク面積のプロット（表示せず）から、シグナルは、２０ＥＣでは約１時間にわたる５００走査の間、安定のままであったが、３０ＥＣより上の温度では、シグナルの大きさに減少が認められることが分かった。この挙動は、シグナルの大きさが温度の上昇に伴って着実に増加する、グラファイト粒子上に化学吸着したアントラキノンと対照的であるが、グラファイト粒子表面上に物理吸着したＰＡＱの前の調査と一致する。このことは、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートについて高温で認められたシグナルの減少は、アグロメレートの部分的溶解によるものであると示唆される。しかしながら、７０ＥＣで５００走査（約１時間）の後でさえ、感知できるシグナル、元の値の約１０％、がまだ残っている。

図４０は、７０ＥＣでのＮＱについての方形波ボルタモグラムを重ねて示しており、この高い温度でも分析上有用な応答を認めうることを示す。
ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＱＣＮＴ-ＮＱの両アグロメレートについて、調査した各温度でのピーク電位対ｐＨのプロットは直線になり、Ｒ²値は０.９９８以下でなく、その勾配を表６に示す。ネルンスト式によって予想される理論勾配も、比較として表６に示す。認められるように、ｐＨでのピーク電位の勾配の変化はネルンスト様ではなく、５０ＥＣの温度範囲で約３ｍＶ／ｐＨ単位変化し、温度に比較的非感受性である。このことは、これらアグロメレートを高温でｐＨセンサーとして用いうることのみならず、温度のきわめて有意な変化によっても大きな影響を受けないことを示しており、都合がよい。

表６
研磨固定したＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートについて、調査した各温度での、ｐＨに対するピーク電位のプロットの勾配（実験による）

実施例１１および１２に示したように、ｐＨに対するピーク電位の直線応答は、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱの両アグロメレートについて、調査した全ｐＨ範囲および温度範囲にわたって認められた。さらに、各温度でのｐＨに対するピーク電位のプロットの勾配を比較すると、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱおよびＭＷＣＮＴ-ＮＱの両アグロメレートが温度変化の影響に比較的非感受性であることが分かる。そのような性質は、異なる温度範囲でサンプルが得られる場合のｐＨ測定に好都合である。

本発明の第四の好ましい態様の詳細な説明
本発明の第四の好ましい態様では、電極は、炭素組成物およびレドックス活性化合物の基板上に層を含み、該層は、層を切断することによって形成されるエッジ(edge)を有するし、炭素およびレドックス活性化合物をさらす。

本発明の第四の好ましい態様の電極は、どのような化学物質を分析に使用する予定でも、最初に、結晶と混合しインク化した炭素を用いて、基板上にプリントすることによって、作ることができる。次に、図４１に示したように、プリントした電極を薄板にし、ストリップの形にする。はさみでストリップの端を切断することによって、電極を活性化し、プリントの断面を露わにする。次に、図４２に示すように、該断面は、その表面にさらされた、炭素（インク）およびインクと混合した化学物質の結晶を有することになる。

次に、カット電極を溶液中に浸すと、炭素、固体結晶および分析溶液の間の三相の境界で、反応が誘導されて起こる。
「切断」(“cut”)電極に関連した感受性の増加は、図４３および４４で認めることができる。図４３は、印刷電極を用いて記録した方形波ボルタモグラム（Square Wave Voltammmagram）（ＳＷＶ）を示す。また、該図は、端を切断した後の同一電極で記録したＳＷＶ（上の線）も示す。切断電極についてＳＷＶ上に認められる鋭いピーク（上の線）は、溶液と接触しているさらされた結晶によるものである。

印刷電極を薄板にしても、さらされた電極表面は存在しない。しかしながら、エッジを電極ストリップに切断した場合、さらされた表面（図４１を参照のこと）は、図４４の一番下の線で表したＳＷＶに似たＳＷＶを作り出す。また、図４４に示した曲線は、比較として示した図４３からの曲線である。また、プロットは、薄板にし切断した電極で達成される明らかな信号を表示する。

クレイムの範囲から逸脱することなく、上記のように本発明を修飾できることは、当業者に明らかであろう。

図１は、ｐＨ１.０（０.１Ｍ ＨＣｌ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）で可逆系を発現させた後の、ｂｐｐｇ上に固定化した６-ニトロチリセン炭素のボルタメトリー応答を、走査速度（２５、５０、１００、２００、３００、４００、５００、７５０、１０００ｍＶｓ^-1を変えて示した図、および酸化ピーク電位対走査速度の関連プロットを示した図（挿入図）である。 図２は、調査した各ｐＨ（ｐＨ１、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）でのＰＡＱのサイクリックボルタモグラムを、歩幅電位２ｍＶ、走査速度１００ｍＶｓ^-1で示す。 図３は、ａ） 調査した各ｐＨ（ｐＨ１、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）でのＤＰＡの基準線を修正した酸化および還元の方形波ボルタモグラムである。ｂ） 酸化ピーク電位対ｐＨの関連プロットである。 図４は、ｐＨ６.８緩衝液中のジフェニルアミン誘導化炭素のサイクリックボルタメトリーであり、その第１走査、第２走査、および第１０走査を示す。 図５は、ｐＨ１２.０緩衝液（０.１Ｍ ＮａＯＨ ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）中でのｂｐｐｇ電極上に固定化したチオニン誘導化炭素粒子のサイクリックボルタモグラムであり、第１および第４走査を示す。 図６は、ｐＨ９.２緩衝液（０.０５Ｍ 四ホウ酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）中でのｂｐｐｇ電極上に固定化した６-ニトロチリセン誘導化炭素粉末のサイクリックボルタモグラムであり、第１走査および第１０走査を示す。挿入図：ｂｐｐｇ電極上に固定化した９-ニトロアントラセン誘導化炭素粉末の可逆系、ｐＨ６.８での１０ＣＶ走査を示す（本文を参照のこと）。 図７は」、ｐＨ４.６緩衝液（０.１Ｍ 酢酸 ＋ ０.１Ｍ 酢酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）中での、ｂｐｐｇ電極上に固定化したＦＢＫ誘導化炭素粉末のサイクリックボルタモグラムであり、第１および第２走査を示す。 図８は、ｐＨ４.６緩衝液（０.１Ｍ 酢酸 ＋ ０.１Ｍ 酢酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）中での、ｂｐｐｇ電極上に固定化したＦＢＫ誘導化炭素粉末のサイクリックボルタモグラムであるが、電位を系（II）の周囲でのみ循環させ（本文を参照のこと）、その第１および第１０走査を示す。挿入図：同一系でのＣＶ走査であるが、走査速度を変化させた（２５、５０、７５、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００および９００ｍＶｓ^-1）。 図９は、アゾベンゼン誘導化炭素のｐＨ４.６での３０回繰り返しＣＶであり、非常に低い電位への掃引の影響を示す。 図１０は、ｐＨ４.６（０.１Ｍ 酢酸 ＋ ０.１Ｍ 酢酸ナトリウム ＋ ０.１Ｍ ＫＣｌ）緩衝液中での、ＤＰＡ-炭素の基準線を修正した酸化ＳＷＶボルタモグラムであり、２５−８０℃の温度範囲を５℃毎に示す。 図１１は、本発明の第一の好ましい態様に従った、ｐＨセンサーを示す。 図１２は、本発明の第一の好ましい態様に従った、単一基板上のｐＨセンサーのアレーを示す。 図１３は、ＭＷＣＮＴ表面に沿って位置するエッジ面欠陥部位内への４-ＮＢＡの部分挿入（案）を説明する概略図を開示する。 図１４は、アリールニトロ部分の電気化学的還元についての一般的機構を開示する（本図ではニトロベンゼンによって説明している）。 図１５ａは、ｐＨ６.８緩衝液中でのＮ-ＮＢＡ炭素の２０連続サイクリックボルタモグラムを示す。 図１５ｂは、ｐＨ６.８溶液を新しい溶液で入れ替える前および後に記録したサイクリックボルタモグラムを重ねて示す。 図１５ｃは、系ＩＩに相当する可逆対の形成後の４-ＮＢＡ炭素のサイクリックボルタモグラムを、ｐＨ６.８緩衝液中、異なる走査速度（２５、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００ｍＶｓ^-1）で、重ねて示す。 図１５ｄは、ピーク電流対走査速度の関連プロットを示す。 図１６ａは、異なるｐＨ溶液（ｐＨ１.０、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）中で記録した、４-ＮＢＡ炭素の第１サイクリックボルタモグラムを示す。 図１６ｂは、ピーク電位対ｐＨの関連プロットを示す。 図１７ａは、異なるｐＨ溶液（ｐＨ１.０、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）中で記録した、４-ＮＢＡ誘導化ＭＷＣＮＴｓの方形波ボルタモグラム（負の掃引）を重ねて示す。 図１７ｂは、相応するピーク電位対ｐＨのプロットを示す。 図１８は、様々な誘導化時間で採取した、４-ＮＢＡ炭素についての系Ｉピーク面積対時間のプロットである。誤差バーは、５サンプルでの標準偏差を示す。 図１９は、０.１Ｍ ＬｉＣｌＯ₄を含むアセトニトリル中での４-ＮＢＡ炭素の５連続サイクリックボルタモグラムを示す。 図２０は、グラファイト内に部分挿入された４-ＮＢＡの略図モデルであり、溶媒化したＬｉ⁺カチオンが４-ＮＢＡ分子と密接に接触できるが、溶媒化したＮＨ₄ ⁺カチオンは接触できないことを示す。 図２１は、グラファイト構造の略図モデルであり、４-ＮＢＡ分子のおおよその寸法および比較としてグラファイト層の間隔を示す。 図２２ａは、４-ＮＢＡで修飾したＭＷＣＮＴｓの走査電子顕微鏡像を示す。 図２２ｂは、未修飾の「天然」ＭＷＣＮＴｓの走査電子顕微鏡像を示す。 図２３ａは、ＭＷＣＮＴの「竹様」領域の高分解能透過電子顕微鏡像を示す。 図２３ｂは、ＭＷＣＮＴの「中空様」領域の高分解能透過電子顕微鏡像を示す。 図２４は、未修飾「天然」ＭＷＣＮＴｓを、４-ＮＢＡ修飾ＭＷＣＮＴｓと比較したＸ線粉末回折を示す。 図２５は、有機結晶のようなレドックス活性素材を電極表面上に固定化した場合に三相境界の形成が起こり得る領域を示す概略図である。 図２６は、有機結晶のようなレドックス活性素材を炭素粒子と混合し、電極表面上に固定化した場合に三相境界の形成が起こり得る領域を示す概略図である。 図２７は、有機結晶のようなレドックス活性素材を炭素ナノチューブと混合し、電極表面上に固定化した場合に三相境界の形成が起こり得る領域を示す概略図である。透明なため、電極表面は示されていない。 図２８は、有機結晶のようなレドックス活性素材を炭素ナノチューブとアグロメレートし、電極表面上に固定化した場合に三相境界の形成が起こり得る領域を示す概略図である。透明なため、電極表面は示されていない。 図２９は、ｂｐｐｇ電極表面上に分散した研磨固定ナノチューブのＳＥＭ像である。 図３０は、ｂｐｐｇ電極表面上に研磨固定された多層炭素ナノチューブおよび９,１０-フェナントラキノンのアグロメレート（ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート）のＳＥＭ像である。 図３１は、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレートの拡大ＳＥＭ像である。 図３２は、純粋なＰＡＱ結晶を研磨固定した後のｂｐｐｇ電極のデジタル像である。 図３３は、ＰＡＱ結晶と複層炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴｓ）の物理的混合物を研磨固定した後のｂｐｐｇ電極のデジタル像である。 図３４は、ＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレートの研磨固定後のｂｐｐｇ電極のデジタル像である。 図３５は、図８、９および１０に描かれた各素材から記録したサイクリックボルタモグラムを重ねて示しおり、ピーク電流の大きさの比較は、ｂｐｐｇ電極表面上に存在が認識できる素材量との比較を可能にする。 図３６は、ａ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート；ならびに、ｂ）ｂｐｐｇ上の多層ナノチューブおよび１,２-ナフタキノンのアグロメレート（ＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレート）；の、ｐＨ６.８緩衝液中での２０回繰り返し循環（走査速度５０ｍＶｓ^-1）を示したサイクリックボルタモグラムである。新鮮な溶液で緩衝液を置き換えた後記録したサイクリックボルタモグラムを各例に重ねて示す。 図３７は、ａ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート；ならびに、ｂ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレート：の、ｐＨ６.８緩衝液中で記録した異なる走査速度（２５−９００ｍＶｓ^-1でのサイクリックボルタモグラムである。挿入図は、ピーク電流対走査速度のプロットを示す。 図３７は、ａ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート；ならびに、ｂ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレート：の、ｐＨ６.８緩衝液中で記録した異なる走査速度（２５−９００ｍＶｓ^-1でのサイクリックボルタモグラムである。挿入図は、ピーク電流対走査速度のプロットを示す。 図３８は、ａ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート；および、ｂ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＮＱのアグロメレート：の、２０ＥＣ、次の緩衝液の範囲（ｐＨ１.０、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）で記録した、酸化および還元方形波ボルタモグラムを重ねて示す。 図３９は、ａ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＰＡＱアグロメレート；および、ｂ）ｂｐｐｇ上のＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレート：の、ｐＨ６.８緩衝液中、異なる温度（２０、３０、４０、５０、６０および７０ＥＣ）での方形波ボルタモグラムを、重ねて示す。 図４０は、次の緩衝液の範囲（ｐＨ１.０、ｐＨ４.６、ｐＨ６.８、ｐＨ９.２およびｐＨ１２）、７０ＥＣでの、ＭＷＣＮＴ-ＮＱアグロメレートの酸化および還元方形波ボルタモグラムを、重ねて示す。 図４１は、本発明の第四の好ましい態様による、プリント、層板および切断（ＰＬＣ）電極の略図である。 図４２は、ＰＬＣ電極の顕微鏡写真である。 図４３は、非切断電極の第１走査(下方プロット)および切断後の同一電極の第１走査(上方プロット)を示す。 図４４は、薄板にした切断電極から生じた方形波ボルタモグラム（ＳＷＶ）（一番下のプロット）であり、図４３と同じデータも示す。

Claims (76)

1. 電気化学センサーに使用するための、炭素およびレドックス活性化合物を含む、電極であって、該レドックス活性種が、アントラキノン、フェナントレンキノンまたはＮ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミンより選択される該種を少なくとも一種含む、２種の該レドックス活性種で誘導化された炭素をベースにした電極を除外する、電極。
2. レドックス活性化合物がアントラキノン、フェナントレンキノンまたはＮ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミンでない、請求項１記載の電極。
3. レドックス活性化合物が化学感受性化合物である、請求項１または２記載の電極。
4. 電極形成前に、炭素およびレドックス活性化合物が共に調合されている、請求項１、２または３記載の電極。
5. 炭素が１以上の以下の方法：
   ・ 化学感受性レドックス活性素材での均一な化学的誘導化；
   ・ 化学感受性レドックス活性素材の物理吸着による誘導化；および、
   ・ 化学感受性レドックス活性素材と結合剤の物理的混合：
   によって修飾される、請求項１−４のいずれか１項記載の電極。
6. レドックス活性素材で修飾された炭素を含む電極であって、該電極をサイクリックボルタメトリーにかける場合、レドックス活性素材が不可逆化学反応を受ける、電極。
7. 請求項１−６のいずれか１項記載の電極を含む電気化学センサー。
8. 化学感受性レドックス活性素材で修飾された炭素を含む作用電極；および
   対極を含むｐＨセンサーであって、作用電極の表面積と対極の表面積の比率が１：１０から１０：１である、ｐＨセンサー。
9. 作用電極の表面積が１０μｍ²から０.１ｍ²である、請求項８記載のｐＨセンサー。
10. 作用電極の表面積が５０μｍ²から０.１ｍ²である、請求項９記載のｐＨセンサー。
11. 化学感受性レドックス活性素材で修飾された炭素を含む作用電極、および対極を含むｐＨセンサーであって、作用電極の面積が５００μｍ²から０.１ｍ²である、ｐＨセンサー。
12. 作用電極の表面積と対極の表面積の比率が１：５から３：１である、請求項８−１１のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
13. 作用電極の表面積が０.５ｍｍ²から１０ｍｍ²である、請求項８−１２のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
14. 化学感受性レドックス活性素材がｐＨの変化に感受性である、請求項８−１３のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
15. 炭素が一以上の以下の方法：
    １） 化学感受性レドックス活性素材での均一な化学的誘導化；
    ・ 化学感受性レドックス活性素材の物理吸着による誘導化；および、
    ・ 化学感受性レドックス活性素材と結合剤との物理的混合：
    の一つ又はそれより多くによって修飾されている、請求項１４記載のｐＨセンサー
16. 作用電極が、少なくとも化学非感受性レドックス活性素材をさらに含む、請求項８−１５のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
17. 化学感受性レドックス活性素材が１以上の別の化合物を含む、請求項８−１６のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
18. 作用電極が、ｐＨの変化に感受性である２つのレドックス活性素材、およびｐＨの変化に非感受性である２つのレドックス活性素材を含む、請求項１７記載のｐＨセンサー。
19. 電極をサイクリックボルタメトリーにかける場合、化学感受性レドックス活性素材が不可逆化学反応を受ける、請求項１４−１８のいずれか１項記載のｐＨセンサー。
20. 電極をサイクリックボルタメトリーにかける場合、不可逆化学反応生成物が可逆電気化学を示す、請求項１７記載のｐＨセンサー。
21. 電気化学センサーに使用するための電極を製造する方法であって、化学感受性素材が２つのレドックス活性種ではなく、その１つをアントラキノン、フェナントレンキノンまたはＮ,Ｎ’-ジフェニル-ｐ-フェニレンジアミンから選択する条件で、一つの化学感受性レドックス活性素材で炭素を修飾することを含む方法。
22. 炭素を修飾する工程が１以上の以下の方法：
    １） 化学感受性レドックス活性素材での均一な化学的誘導化；
    ・ 化学感受性レドックス活性素材の物理吸着による誘導化；および、
    ・ 化学感受性レドックス活性素材と結合剤との物理的混合：
    の一つ又はそれより多くを含む、請求項２１記載の方法。
23. サイクリックボルタメトリーにかける場合、化学感受性レドックス活性素材が不可逆化学反応を受ける、請求項２１または２２記載の方法。
24. 電極をサイクリックボルタメトリーにかける場合、不可逆化学反応の生成物が可逆電気化学を示す、請求項２３記載の方法。
25. 化学感受性レドックス活性素材で修飾した炭素を基板に適用する工程をさらに含む、請求項２１−２４のいずれか１項記載の方法。
26. 化学感受性レドックス活性素材が水素イオンの濃度の変化に感受性である、請求項１９−２３のいずれか１項記載の方法。
27. 化学感受性レドックス活性素材で修飾した炭素を基板表面に適用することを含む、適用位置で電極を製造する方法であって、サイクリックボルタメトリーを行うと、化学感受性レドックス活性素材が不可逆化学反応を受ける、方法。
28. 電極をサイクリックボルタメトリーにかけると、不可逆化学反応生成物が可逆電気化学を示す、請求項２７記載の方法。
29. サイクリックボルタメトリーを行うと、化学感受性レドックス活性素材が重合を受ける、請求項２７または２８記載の方法。
30. 化学感受性レドックス活性素材がニトロ置換基を有する、請求項２８または２９記載の方法。
31. 請求項１−６のいずれか１項記載の電極、または請求項８−２０のいずれか１項記載のｐＨセンサーの部分を形成する電極であり、さらに、基板上に配置された、炭素および式（Ｉ）化合物：
    

    

    式中、Ｒ¹は、式 -Ｙまたは-Ｘ-Ｙの基であり、式中Ｙは水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび-ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、式中Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、およびＣ_1-4アルコキシから選択され、また、式中Ｘは式 −(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基を表し、式中ｎは０または１から４の整数であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される、またはＲ⁵とＲ^６が一緒に式＝Ｏまたは＝ＮＲ⁷を形成し、式中Ｒ⁷は、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_2-4アルケニル、Ｃ_1-4アルコキシ、Ｃ_2-4アルケニルオキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノ、ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノ；Ｃ_1-4アルキルチオ、Ｃ_2-4アルケニルチオ、ニトロ、シアノ、-Ｏ-ＣＯ-Ｒ’、-ＣＯ-Ｏ-Ｒ’、-ＣＯ-ＮＲ’Ｒ”、-ＣＯＲ’、-Ｓ(Ｏ)Ｒ’ および -Ｓ(Ｏ)₂Ｒ’ より選択され、式中、Ｒ’ およびＲ” は各々同一かまたは異なり、水素、Ｃ_1-4アルキル、またはＣ_2-4アルケニルを示し；さらに、
    ｍは、０または１から４の整数である：
    またはその塩を含み、該式（Ｉ）化合物が炭素内に部分的に挿入されている、電極。
32. 粉末化した炭素がグラファイトまたは多層炭素ナノチューブの形である、請求項３１記載の電極
33. 化合物が、式（ＩＩ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    ｍは０、１または２であり；
    Ｘは、式-(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基であり、式中ｎは、０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；さらに、
    Ｙは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび -ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：
    またはその塩である、請求項３１および３２記載の電極。
34. 化合物が、式（ＩＩＩ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、
    Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    ｍは０、１または２であり；
    Ｘは、式−(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基であり、式中ｎは、０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；さらに、
    Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：
    またはその塩である、請求項３１、３２または３３記載の電極。
35. 化合物が、式（ＩＶ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：またはその塩である、請求項３１−３４のいずれか１項記載の電極。
36. 作用電極および対極を含む電気化学センサーであって、該作用電極が、請求項３１−３５のいずれか１項記載の電極を含む、電気化学センサー。
37. 基準電極をさらに含む、請求項３６記載のセンサー。
38. 電気化学センサーに使用するための電極を製造する方法であって、基板を提供し、請求項３１記載の組成物を該基板表面に適用することを含む、方法。
39. 適用工程が基板表面上に組成物を研磨固定することを含む、請求項３８記載の方法。
40. 請求項１−６のいずれか１項記載の電極、または請求項８−２０のいずれか１項記載のｐＨセンサーの部分を形成する電極であって、基板上に、炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を配置することを含む、電極。
41. レドックス活性素材が、電気化学センサーによって検出される種の濃度に化学感受性であるボルタメトリー応答を有する、請求項４０記載の電極。
42. レドックス活性素材がプロトンの濃度に感受性である、請求項４０または４１記載の電極。
43. レドックス活性素材が、電気化学センサーで検出される種の濃度に化学的に非感受性である、さらなるレドックス活性素材を含む、請求項４０または４１記載の電極。
44. レドックス活性素材が、電気化学センサーによって検出される種の濃度に化学的に感受性である、少なくとも２つのレドックス活性素材を含む、請求項４０−４３のいずれか１項記載の電極。
45. 炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を、機械混合物の形、またはアグロメレートの形のいずれかで基板上に適用する、請求項４０−４４のいずれか１項記載の電極。
46. アグロメレートを基板上に研磨固定する、請求項４５記載の電極。
47. 作用電極および対極を含む電気化学センサーであって、該作用電極が請求項４０−４６のいずれか１項記載の電極を含む、電気化学センサー。
48. さらに基準電極を含む、請求項４７記載のセンサー。
49. レドックス活性素材がプロトンの濃度に感受性であり、センサーがｐＨセンサーである、請求項４８記載のセンサー。
50. 電気化学センサーに使用するための電極を製造する方法であって、基板を提供し、該基板表面に炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を提供することを含む、方法。
51. 炭素ナノチューブおよびレドックス活性素材を、機械混合物の形またはアグロメレートの形で基板に提供する、請求項５０記載の方法。
52. 適用工程が、炭素ナノチューブおよびレドックス素材を基板上へ研磨固定することを含む、請求項５０または５１記載の方法。
53. 方法が、
    ・ 炭素ナノチューブおよび結合剤を溶媒中で結合する；
    ・ アグロメレートが溶媒から沈殿する様な過剰量の水溶液を加える；そして、
    ・ アグロメレートを回収する：
    工程を含む、請求項５１記載の方法。
54. 請求項１−６のいずれか１項記載の電極、または請求項８−２０のいずれか１項記載のｐＨセンサーの部分を形成する電極であって、該炭素および該レドックス活性化合物の組成物の基板上の層を含み、該層は、該層を切断することによって形成されるエッジ(edge)を有し、炭素およびレドックス活性素材をさらす、電極。
55. 層が、炭素ベースインクおよび該レドックス活性化合物の混合物を含む、請求項５４記載の電極。
56. レドックス活性化合物が結晶の形である、請求項５４または５５記載の電極。
57. レドックス活性化合物がフェナントレンキノンである、請求項５４、５５、または５６記載の電極。
58. 作用電極および対極を含む電気化学センサーであって、該作業電極が請求項５４−５７のいずれか１項記載の電極を含む、センサー。
59. 電気化学センサー内への、請求項１−６、３１−３５、４０−４６、５２−５７のいずれか１項記載の電極の使用。
60. センサーがｐＨセンサーである、請求項５９記載の使用。
61. 非ダウンホール環境での、請求項８−２０、３６、３７、４７−４９のいずれか１項記載のセンサーの使用。
62. 式（Ｉ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、Ｒ¹は、式 -Ｙまたは-Ｘ-Ｙの基であり、式中Ｙは水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび-ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、式中Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、およびＣ_1-4アルコキシから選択され、また、式中Ｘは式 −(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基を表し、式中ｎは０または１から４の整数であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される、またはＲ⁵とＲ^６は一緒に式＝Ｏまたは＝ＮＲ⁷を形成し、式中Ｒ⁷は、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_2-4アルケニル、Ｃ_1-4アルコキシ、Ｃ_2-4アルケニルオキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノ、ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノ；Ｃ_1-4アルキルチオ、Ｃ_2-4アルケニルチオ、ニトロ、シアノ、-Ｏ-ＣＯ-Ｒ’、-ＣＯ-Ｏ-Ｒ’、-ＣＯ-ＮＲ’Ｒ”、-ＣＯＲ’、-Ｓ(Ｏ)Ｒ’ および -Ｓ(Ｏ)₂Ｒ’ より選択され、式中、Ｒ’ およびＲ” は各々同一かまたは異なり、水素、Ｃ_1-4アルキル、またはＣ_2-4アルケニルを示し；さらに、
    ｍは、０または１から４の整数である：
    またはその塩である化合物の部分挿入によって、炭素を修飾する方法であって、粉末化炭素を、上記の様な化合物と、該化合物の炭素内への部分挿入を可能にするのに充分な時間、混合し、得られた修飾炭素を単離することを含む、方法。
63. 粉末化炭素および化合物を、溶媒内で混合し、該溶媒は非プロトン性有機溶媒である、請求項６２記載の方法。
64. 粉末化炭素がグラファイトまたは多層ナノチューブの形である、請求項６２または６３記載の方法。
65. 化合物が、式（ＩＩ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    ｍは０、１または２であり；
    Ｘは、式−(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基であり、式中ｎは、０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；さらに、
    Ｙは、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび −ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：
    またはその塩である、請求項６２、６３または６４記載の方法。
66. 化合物が、式（ＩＩＩ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、
    Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    ｍは０、１または２であり；
    Ｘは、式−(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基を表し、式中ｎは、０、１または２であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；さらに、
    Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：
    またはその塩である、請求項６５記載の方法。
67. 化合物が、式（ＩＶ）のニトロベンゼン誘導体：
    

    

    式中、Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される：
    またはその塩である、請求項６６記載の方法。
68. 炭素および式（Ｉ）の化合物：
    

    

    式中、Ｒ¹は、式 -Ｙまたは-Ｘ-Ｙの基であり、式中Ｙは水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよび-ＮＲ³Ｒ⁴から選択され、式中Ｒ³およびＲ⁴は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキル、およびＣ_1-4アルコキシから選択され、また、式中Ｘは式 −(ＣＲ⁵Ｒ⁶)_n- の基を表し、式中ｎは０または１から４の整数であり、Ｒ⁵およびＲ⁶は、同一かまたは異なり、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択される、またはＲ⁵とＲ^６は一緒に式＝Ｏまたは＝ＮＲ⁷を形成し、式中Ｒ⁷は、水素、ヒドロキシ、Ｃ_1-4アルキルおよびＣ_1-4アルコキシから選択され；
    Ｒ²は、ヒドロキシ、ハロゲン、Ｃ_1-4アルキル、Ｃ_2-4アルケニル、Ｃ_1-4アルコキシ、Ｃ_2-4アルケニルオキシ、アミノ、Ｃ_1-4アルキルアミノ、ジ(Ｃ_1-4アルキル)アミノ；Ｃ_1-4アルキルチオ、Ｃ_2-4アルケニルチオ、ニトロ、シアノ、-Ｏ-ＣＯ-Ｒ’、-ＣＯ-Ｏ-Ｒ’、-ＣＯ-ＮＲ’Ｒ”、-ＣＯＲ’、-Ｓ(Ｏ)Ｒ’ および -Ｓ(Ｏ)₂Ｒ’ より選択され、式中、Ｒ’ およびＲ” は各々同一かまたは異なり、水素、Ｃ_1-4アルキル、またはＣ_2-4アルケニルを表し、；さらに、
    ｍは、０または１から４の整数である：
    またはその塩を含む組成物であり、式（Ｉ）の該化合物が炭素内に部分挿入されている、組成物。
69. 炭素がグラファイトまたは多層炭素ナノチューブの形である、請求項６８記載の組成物。
70. 式（Ｉ）の化合物が請求項４から６のいずれか１項記載な化合物である、請求項６８または６９記載の組成物。
71. アグロメレートが結合剤内に分散させた炭素ナノチューブを含み、該結合剤がレドックス活性化合物である、電気化学センサーに使用するためのアグロメレート。
72. レドックス活性素材が、電気化学センサーによって検出される種の濃度に化学感受性である、ボルタメトリー応答を有する、請求項７１記載のアグロメレート。
73. レドックス活性素材がプロトン濃度に感受性である、請求項７１または７２記載のアグロメレート。
74. レドックス活性素材が、電気化学センサーによって検出される種の濃度に化学非感受性である、さらなるレドックス活性素材を含む、請求項７１、７２または７３記載のアグロメレート。
75. レドックス活性素材が、電気化学センサーによって検出される種の濃度に化学感受性である、少なくとも２つのレドックス活性素材を含む、請求項７１−７４のいずれか１項記載のアグロメレート。
76. 請求項７１−７５のいずれか１項記載のアグロメレート、または、請求項６−１０のいずれか１項記載の電極の、電気化学センサー内の使用。
    .

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