JP2018504597A - 量子キャパシタンス感知 - Google Patents

Abstract

本願は、感知エレメントで官能基化された電極基板を含む電極を用いて遂行される感知法に関する。方法は、複数の印加電圧において電気化学的インピーダンス分光法を実施すること、およびその後測定データを電圧の関数として積分することを包含する。感知法を遂行するための装置も提供される。方法および装置は、診断的バイオマーカーの検出、薬剤スクリーニング、グリコアレイシステムの開発、および光度、温度および湿度などの環境パラメータの感知を含む、幅広い感知用途に適している。【選択図】図３

Description

本発明は、官能基化電極の量子キャパシタンスをプローブすることによる電気化学的感知を目的とした方法および装置に関する。

電気化学的技術は、たとえば生理学的試料中の診断対象分子の検出および定量、有毒ガスの感知、および湿度などの環境パラメータの変化のモニタリングなどを目的とした、幅広い感知用途に用いられている。

電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、適切に修飾した電極表面の局所環境の変化に伴うキャパシタンスまたは電荷移動抵抗の変化をモニタリングする技術である。そのような変化は、物質（例：バイオマーカーなどの標的種）の電極表面との結合、さらには温度などの環境パラメータの変化を含むことができる。ＥＩＳは、たとえばその構成の単純さ、感度、選択性およびラベルを用いない方法への適用の容易さなどの観点から、感知用途にとって魅力的な技術である。

最近の検討において、電極表面に拘束された分子フィルム内での電荷変動範囲を分解するために、電気化学的インピーダンス法を適用することができることが、本発明者によって示されている。これらは、電子双極子変動および電場誘導イオン運動に関連した変化を含み、その個別のタイムスケールおよび表面電位依存性にしたがった電気活性単層キャパシタンス分光法によって分解することができる。これらの分子フィルムが、エネルギー的に到達可能な（酸化還元活性な）軌道状態を有する部分を含む場合、下層の金属電極に向かう／金属電極からの電子移動によって、この界面に新規且つ電荷に鋭敏に依存する荷電プロセスが生成される。この誘導電流キャパシタンス（酸化還元キャパシタンス、Ｃｒ、と呼ばれる）は静電的でなく、且つ（関連する不均一な高速電子移動を伴う高品質分子フィルムについて）ヘルムホルツ寄与の１００倍となりうる。このＣｒシグネチャを、特定の対象標的（抗体の抗原パートナーなど）をさらに動員することができるフィルムに組み入れることができる。その後、酸化還元キャパシタンス電荷は、感度、安定性および簡便性の高い新規のラベル不使用バイオセンシングフォーマットの確立において用いることができる。さらなる詳細については、たとえば国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５１９３８号明細書およびＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ５０（２０１３）４３７−４４０を参照することができる。

これらのＥＩＳ技術は感受性、安定性および簡便性の高い感知法を可能とするものの、以下を指摘することができる：
（ｉ）酸化還元キャパシタンスＣｒは、実際には（キャパシタンスを通じて）その最適な電気化学的「半波電位」における、拘束された酸化還元基の電気化学的活性について報告する。
（ｉｉ）その他の電位では情報が全く収集できない。
（ｉｉｉ）フィルムの電気化学的活性が撹乱された場合、Ｃｒの測定値は変化する。特異的結合／認識事象以外の現象による撹乱（例：副反応／分解、溶媒の変化または電解質透過）は、必ずしも試験中の結合／認識事象と識別できるわけではない。

したがって、たとえばＥＩＳ原理に基づいた、代替的ではあるが関連のある感知法に対するニーズがある。単純な実験構成（例：プローブとしての単独作用電極）を利用した感知法であり、一定範囲の相異なるパラメータの感知に幅広く適用可能であり、上で論じた既知の方法の１つまたはそれ以上の欠点を被らず、且つ／または感知される化学物質または他のパラメータに対して高い感度および／または選択性を有るのであれば、特に魅力的である。

本発明者らは、現在、適切に官能基化した電極表面の局所環境の変化を感知するための新規方法を特定している。新規方法は、単一の作用電極（すなわち単一プローブ）のみを包含する、特に単純且つ簡便な電気化学系を用いて遂行することができる。さらに、作用電極が酸化還元基で官能基化されることも、これらの酸化還元基が安定であると想定されることも必須ではない。

本発明者らによって開発された新規技術は、たとえば担体媒体内の標的種の特異的検出（例：生理学的試料中の診断バイオマーカーの検出）、薬剤スクリーニング手順、グリコアレイ（ｇｌｙｃｏｒｒａｙ）系における使用などを包含する幅広い範囲の感知用途、さらには作用電極近傍の環境湿度、光度および温度などの環境パラメータの感知にもわたって容易に適用される。

より詳細には、発明者らによって開発された技術は、下層の電極と電子的に共役する感知エレメントで官能基化された作用電極を利用する。感知エレメントと電極の間の電子分布は、局所環境が変化するにつれて鋭敏に変化する関連するキャパシタンス（およびチャージダイナミック）フィンガープリントを有する。

本発明の方法においては、（従来のＥＩＳ法で印加される単一の背景電位ではなく）異なる印加電位の範囲にわたって電気化学的インピーダンス測定値が得られる。異なる電位で得られる複数の測定値より、固定された周波数（ω）における電圧の関数として、複素キャパシタンスの実数および／または虚数成分の測定値Ｃ’および／またはＣ”が得られる。Ｃ’およびＣ”実測値を電圧で積分すると、作用電極の局所環境を密接に反映し、且つそれによりその性質を感知する積分測定値が得られることが確認されている。

具体的には、本発明は以下を提供する：

［１］感知法（sensing method）であって：
（Ａ）印加電位の範囲にわたって実施される電気化学的インピーダンス分光法によって、印加電位に対するその電気化学的レスポンスが電極の局所環境における変化に鋭敏である感知エレメントによって官能基化された電極基板であって、感知エレメントが０．５から１０ｎｍのサイズを有する電極基板を含む作用電極を有する系の、複素インピーダンスＺ^＊の複数の測定値を得ること；
（Ｂ）前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換すること；
（Ｃ）（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの測定値を、印可した電圧の関数として選択した周波数ωにおいて積分して積分測定値を得ること；および
（Ｄ）前記積分測定値から電極の局所環境を評価することを含む感知法。

本発明の感知法は、官能基化電極の量子キャパシタンスをプローブすることによる電気化学的感知に適している。したがって、「量子キャパシタンス感知法」と呼ばれることもある。

したがって本発明は、本発明の感知法のための上に定義するステップ（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）を含む量子キャパシタンス感知法も提供する。

［２］感知法のために用いる装置であって、当該装置が：
−作用電極、対極およびポテンシオスタットを含む電気化学的分光器であって、前記作用電極が、印加電位に対するその電気化学的レスポンスが電極の局所環境の変化に鋭敏である感知エレメントで官能基化された電極基板であって、感知エレメントが０．５から１０ｎｍのサイズを有する電極基板を含む電気化学的分光器；
−前記電気化学的分光器から、印加電位の範囲にわたって、複数の複素インピーダンス測定値Ｚ^＊を含む入力データを受信するよう構成された受信器；および
−（ｉ）前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換し、且つ（ｉｉ）選択した周波数ωにおける（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”、または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの前記測定値を印可電圧の関数として積分して積分値を得るよう構成されたプロセッサを含む装置。感知法は量子キャパシタンス感知法であってもよく、すなわち装置は量子キャパシタンス感知法における使用を目的としてもよい。

［３］コンピュータまたはコンピュータのネットワークによる実行のためのコンピュータ読取り可能コードを記憶（保存）する記憶媒体であって、コードが、実行される際に、コンピュータまたはコンピュータのネットワークに：
−電気化学的分光器から、印加電位の範囲にわたる複数の複素インピーダンス測定値Ｚ^＊を含む入力データを得るステップ；
−前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換するステップ；および
−選択した周波数ωにおける前記の（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの測定値を、印可電圧の関数として積分して積分測定値を得るステップを実行させる記憶媒体。

さらに好ましい特性および実施形態は、併記する発明を実施するための形態および付属の請求項に記載される。

電子密度から構築された検量線および実施例の記載にしたがって得られたそのＤＯＳ変動を描出する。ボックス（ｂ）は、変化するＣＲＰ濃度での電気活性分子層における抗ＣＲＰとＣＲＰの総合作用によるＣ_ｐ＝ｅ^２ｇ（Ｅ）変動（ＣＳ測定値から得られる）を示す（ＣＲＰ濃度の上昇の傾向を図に示す）。絶対エネルギーを上のｘ軸に示す。線は、実験データ（点線で示す）のガウス分布予測形状への補正を示す。ボックス（ａ）は、ＣＲＰ濃度の自然対数と系の電子分布との直線関係（検量線）を示す。 実施例の記載にしたがって得られたコンダクタンス変動および関連する検量線を描出する。ボックス（ａ）は、多様なＣＲＰ濃度における電子密度の変動による導電性の測定値を示す（ＣＲＰ濃度上昇の傾向を図に示す）。ボックス（ｂ）は、抗ＣＲＰとＣＰＲとの相互作用による層上の電子コンダクタンスの変動より得られる検量線を示す。 下層の電極と電子的に共役する感知エレメントで官能基化した作用電極（金）の模式図である。この実施例においては、グラフェンのシートを電極上に載置し、標的分析物に対する受容体の役割を果たすタンパク質がグラフェンに結合される。キャパシタンス分光法で実験的に測定された状態密度（同時状態）をトランスデューサーシグナルとして用いた。 標的分析物α−シヌクレイン（α−ｓｙｎｃ）の相異なる濃度（単位ｐＭ、ｘ軸）についての百分率（ｙ軸）として表された相対レスポンス（ＲＲ）のグラフである。グラフは、金基板上の絶縁体層上に排置された導電性グラフェン層上で比較した分析レスポンスを示す。グラフェン層は、α−ｓｙｎｃ検出を目的として抗α−ｓｙｎｃで適切に修飾した。量子キャパシタンスおよび量子コンダクタンスはいずれも表面エネルギーより感度が高いことが明白である（実施例２の式１に示す）。感度は測定勾配（Ｓ）により立証される。キャパシタンスおよび抵抗パラメータに最適な測定周波数はそれぞれ１１８および２２Ｈｚである。いずれもｒ^２＞０．９９で所与の濃度についてそれぞれ３回の測定より標準偏差を測定した。

本発明の任意選択的且つ好ましい特性をここに記載する。別段言及しない限り、本願に記載する特性のいずれも、本願に記載する他の特性のいずれかと組み合わせることが可能である。

（感知法）
電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、当業者に既知の技術である。一般に、変動交流電位を、作用電極と対極の間のバイアス（または直流）電位に印可する。一般に、ＥＩＣは一定範囲の交流周波数ωにわたるスキャニングを包含する。入力シグナル（典型的には変動電位）の出力シグナル（典型的には変動電流）に対する比率よりインピーダンスを算出することができる。一般的に、入力シグナルと出力シグナルの間には位相差があるので、インピーダンスは実数部分（時にＺ’と呼ばれる）と虚数部分（時にＺ”と呼ばれる）を有する複素関数Ｚ^＊とみなすことができる。

印加する変動交流電位の周波数の範囲は１ｍＨｚから１０ＭＨｚでありうる。典型的には正弦波の形態にある印加交流電位の振幅は１ｍＶから１００ｍＶ、任意選択として５ｍＶから５０ｍＶ、任意選択として５ｍＶから２０ｍＶ、任意選択として５ｍＶから１５ｍＶ、任意選択として８ｍＶから１２ｍＶ、任意選択として約１０ｍＶでありうる。

ＥＩＳ測定を実施する際、バイアス電位（または直流電位）を任意の所望の数値に設定することができる。この直流またはバイアス電位は、本願では印加電位と呼ばれる。本発明の方法は、印加電位の範囲にわたって複素インピーダンスの複数の測定値を得ること（これによりその後の印加電圧にわたる積分が可能となる）を包含し、すなわち選択された相異なる電圧のそれぞれにおいて多数のＥＩＳ測定値が得られる。典型的には、ＥＩＳによって得られた複素インピーダンスの複数の測定値は、少なくとも３測定値、好ましくは少なくとも１０またさらに少なくとも２０測定値などの少なくとも５測定値であり、すなわち印加電位の範囲は典型的には少なくとも３つの異なる印加電位、好ましくは少なくとも１０またはさらに少なくとも２０の異なる印加電位などの少なくとも５つの異なる印加電位である。

複数のＺ^＊測定値を、複素キャパシタンスの実数成分の複数の測定値Ｃ’に変換するステップにおいては、（固定／単独）選択周波数ωにおけるＣ’測定値を用いる。当業者であれば周知であるように、Ｃ’は典型的にはωが変化するにつれて変化する（すなわちＣ’はωの関数である）。適切な選択周波数ωは、当然ながら個別の電極の構成および試みる感知法の性質に依存することになる。しかし、適切な選択周波数ωの決定は定型的である。当業者は、たとえば得られるＣ’の値が十分に高く（例：定型的ＥＩＳスキャンにおける印加周波数範囲にわたって最も高いＣ’にあるかまたはそれに近い）且つ／またはプローブしようとする電極の局所環境の特定の特徴に反応するωの値を特定することなどが、容易に可能であろう。Ｚ^＊の複数の測定値を複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換する際には、同様の原理が適用される。

選択周波数ωにおけるＺ^＊のＣ’および／またはＣ”への変換は定型的であり且つ技術上周知である。具体的には、標準的な実践的ＥＩＳ分析においては、特定の電位における複素インピーダンス関数Ｚ^＊（ω）は、式Ｃ^＊（ω）＝１／ｉωＺ^＊（ω）を用いて、フェーザ法でその実数および虚数成分と共に複素キャパシタンスＣ^＊（ω）に変換される。

たとえば、Ｃ’、Ｃ”またはＣ’とＣ”の任意の組み合わせを印加電圧に対してプロットする「グラフ下面積法」および／または経験的に導出されたデータを積分するための周知であり且つ定型的なコンピュータ化アルゴリズムなどを用いて、印加電圧の関数としてのＣ’および／またはＣ”の測定値の積分も定型的に実施することができる。

選択周波数ωにおけるＣ’およびＣ”の印加電圧の関数としての積分は、感知に適した「積分測定値」を提供し、すなわちＥＩＳ測定を実施する際に、電極の局所環境の報告に用いることができることが確認されている。具体的には、Ｃ’の積分から導出された積分測定値は、系の状態密度（ＤＯＳ）と関連し、すなわち（実施例の図１に例示されるように）量子キャパシタンスを反映する。Ｃ”の積分から導出された積分測定値は、（実施例の図２に例示されるように）系のコンダクタンスと関連する。

実践上は、時に、選択した周波数ωにおけるＣ’およびＣ”の一方のみを、印可した電圧の関数として積分することにより積分測定値を得ることが好ましいことがある。したがって、第１の好ましい実施形態においては、選択した周波数ωにおいて、複数のＺ^＊測定値は複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’の複数の測定値に変換され、またこれらの測定値は積分測定値を得るための印加電圧の関数として変換される。さらに、第２の好ましい実施形態においては、選択した周波数ωにおいて、複数のＺ^＊測定値は複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換され、またこれらの測定値は積分測定値を得るための印加電圧の関数として変換される。

しかし、Ｃ’およびＣ”の両者を用いることができるので、選択した周波数ωにおいて、Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせを印可した電圧の関数として積分することにより、積分測定値を得ることができることが、当業者にあきらかとなる。たとえば、Ｃ’およびＣ”の数値の任意の和（ただしＣ’および／またはＣ”は任意の負または正の定数で重み付けされることがある）またはＣ’およびＣ”の値の任意の倍数または商を用いることができる。

したがって、本願で用いる用語「量子キャパシタンス感知法」は、積分測定値が量子キャパシタンスではなく系のコンダクタンスを反映するように、選択されたωにおいて印加電圧の関数としてＣ”のみの積分によって積分測定値が得られる方法、さらには上記に説明するようにＣ’のみの積分またはＣ’およびＣ”の任意の組み合わせを積分することによって積分測定値が得られる方法を包含することを理解すべきである。

作用電極の局所環境を評価するステップは、典型的には積分測定値と１つまたはそれ以上の参照値を比較することによって実施される。参照値は、電極の局所環境がすでに既知である条件下で１つまたはそれ以上の対応する積分測定値を得ることによって得ることができる。換言すると、参照値は、当該方法を試験条件下で実施する際に得られる積分測定値を、特定の既知の条件下であれば得られる予測測定値で校正するために用いられる。局所環境の評価は、定性的性質であることも定量的性質であることもある。感知用途での使用を目的とした機器の校正は、ＥＩＳに基づく方法に含めて、技術上周知であり且つ定型的である。

（作用電極の構築）
作用電極は、感知エレメントで官能基化された電極基板を含む。

電極基板は任意の電気導電性材料を含みうる。基板は金属または炭素を含む。金属は元素形態の金属であることも金属合金であることもある。基板の全体は、任意選択として金属または炭素を含む。基板は遷移金属を含みうる。基板は周期表の９族から１１族のいずれかから選択される遷移金属を含みうる。基板は、レニウム、イリジウム、パラジウム、白金、銅、インジウム、ルビジウム、銀、および金から選択されるがこれに限定されない金属を含みうる。基板は金、銀および白金から選択される金属を含みうる。基板は、エッジ面熱分解グラファイト、底面熱分解グラファイト、ガラス状炭素、ホウ素ドーピングダイヤモンド、高配向性熱分解グラファイト、炭素粉末およびカーボンナノチューブから選択されうる、炭素含有材料を含みうる。好ましい実施形態においては、基板は金を含み、たとえば基板は金基板である。

電極表面（すなわち基板表面）は、たとえば陥凹、突出および細孔のない全般的に平坦な表面を含む、平面状でありうる。そのような基板表面は、たとえば、任意選択的に微粒子の粒径が研磨ステップ毎に減少する連続ステップによる、微粒子の噴霧などの微粒子による研磨といった技術によって容易に作成することができる。微粒子は、たとえばダイヤモンドなどの炭素材料を含んでもよく、且つ／または粒径１０μｍまたはそれ以下、任意選択的に５μｍまたはそれ以下、任意選択的に３μｍまたはそれ以下、任意選択的に１μｍまたはそれ以下、任意選択的に０．５μｍまたはそれ以下、任意選択的に０．１μｍまたはそれ以下の粒径を有する粒子を有してもよい。研磨後、基板表面を、たとえば超音波処理で、任意選択的に水などの適切な液状媒体内で、たとえば少なくとも１分、たとえば約１分から１０分の時間中洗浄する。任意選択的に、基板表面は研磨剤、たとえば酸性、溶液を用いて、たとえば研磨後に、また超音波洗浄を用いる場合はそのステップ後に洗浄しうる。研磨剤溶液は、水などの適切な液状媒体中のたとえばＨ_２ＳＯ_４などの無機酸、および／またはＨ_２Ｏ_２など過酸化物を含む。任意選択的に、基板は電気化学的に研磨することができ、これは微粒子による研磨、たとえば超音波処理および／または研磨剤溶液を用いた洗浄のうち１つまたはそれ以上を包含する任意のステップの後であってもよい。電気化学的研磨は、安定した還元ピークに達するまでの、たとえば０．５Ｖまたはそれ以上、任意選択的に１Ｖまたはそれ以上、任意選択的に１．２５Ｖまたはそれ以上の上限電位、および０．５Ｖまたはそれ以下、任意選択的に０．２５Ｖまたはそれ以下、任意選択的に０．１Ｖまたはそれ以下の下限電位などの、上限電位と下限電位の間のサイクリングを包含しうる。

電極基板は感知エレメントによって官能基化される。感知エレメントは電極表面に拘束される。感知エレメントは、電極基板と組み合わせて、ＥＩＳを実施する際に電気化学的レスポンスを生成することが可能である。さらに、印加電位に対する電気化学的レスポンスは電極の局所環境の変化に鋭敏である。

これらの電極の特性は、感知エレメントを確実に電極表面と電子的に共役させることにより達成することができる。「電子的に共役する」は、電子が電極表面と感知エレメント間で再分布できることを意味する。したがって、電極表面を感知エレメントで官能基化することにより電極を生成するとき、電極表面と感知エレメントの間で電子の再分布が発生する。同様に、電極表面と感知エレメントの間の電子の再分布は、電極の局所環境に変化、具体的には基板または感知される環境パラメータに対応する変化があるときに発生する。

一般的に、感知エレメントは、電子の化学的電位が電極のそれと異なる任意の化学化合物によって構成される。電極と所与の化学化合物は非常に短い距離、すなわちたとえば２ｎｍ未満などの、１０ｎｍ未満といったナノスケール以内で分離されなければならない。この短い距離は、変換シグナルの量子化された性質を決定する。それは、実際にナノスケール距離内の散乱領域により、２つのエネルギー状態（電極プローブの状態と化学化合物それ自体の状態）を接続する。

その結果、典型的に、感知エレメントのそれぞれが０．５から１０ｎｍといった１０ｎｍまたはそれ以下、好ましくはたとえば１から３ｎｍなどの１から５ｎｍのサイズを有する。前記のサイズは、典型的には、電極の表面と結合した感知エレメントの末端から電極表面と結合していない感知エレメントの末端までの直線として延伸する最大サイズである。典型的には、各感知エレメントの全サイズ（すなわち測定可能な全てのサイズ）が０．５から１０ｎｍといった１０ｎｍまたはそれ以下、好ましくはたとえば１から３ｎｍなどの１から５ｎｍのサイズを有する。

感知エレメントは、感知エレメント（すなわち化学化合物および化学リンカー）が０．５から１０ｎｍといった１０ｎｍまたはそれ以下、好ましくはたとえば１から３ｎｍなどの１から５ｎｍの上記のサイズを有するという条件で、短い前記化学リンカーを介して電極表面と共役する、電子の化学電位が電極のそれと異なる前記化学化合物から構成されうる。

典型的には、ほぼ無限の電子状態密度（「ＤＯＳ」）を有するとみなすことのできる下層の電極基板と対照的に、感知エレメントは有限且つ拘束されたＤＯＳを有する。したがって典型的には、感知エレメントは電極基板と異なり、すなわち導電性金属または炭素基板ではない。適切な感知エレメントの例は、酸化還元活性種、分子フィルム、ナノ粒子、グラフェン、カーボンナノチューブ、および量子ドットである。そのような物質による電極基板の官能基化は技術上周知であり、且つ定型的技術を用いて達成することができる。

適切な酸化還元活性種の代表的な例は、オスミウムによる酸化還元系、その誘導体を含むフェロセン、キノンおよびポルフィリンを含む。キニンの誘導体はｐ−ベンゾキノンおよびヒドロキノンを含む。好ましくは、酸化還元活性種はフェロセンまたはその誘導体、たとえばそのアルキル（例：Ｃ_１〜６アルキル）またはアシル誘導体である。最も好ましくは、酸化還元活性種はフェロセンである。

重要なことに、感知エレメントは酸化還元活性種を含みうるものの、感知エレメントが酸化還元活性であることは必須でない。したがって、本発明の１つの実施形態においては、作用電極は感知エレメントで官能基化されるものの、作用電極はいかなる酸化還元活性種によっても官能基化されない。たとえば、本実施形態の感知エレメントは分子フィルム、ナノ粒子、グラフェン、カーボンナノチューブ、および量子ドットから選択されうる。たとえば、感知エレメントは酸化還元活性種を含まない。

１つの好ましい実施形態においては、感知エレメントはグラフェンを含む。たとえば、電極基板はしばしば金を含み（たとえば基板は金基板でありうる）且つ感知エレメントはグラフェンを含む。グラフェンは酸化型、すなわちグラフェンオキシドとして存在しうる。

作用電極は、電極基板と感知エレメントの間に排置された中間層をさらに含みうる。中間層は、たとえばシステインなどの特定の化合物の自己構成単分子膜でありうる。当該化合物は絶縁体とも呼ばれることもある。

１つの実施形態においては、電極基板は金を含み、作用電極は電極基板上に排置された中間層をさらに含み、また中間層上に排置された感知エレメントはグラフェンを含む。グラフェンは酸化型、すなわちグラフェンオキシドとして存在しうる。中間層は、典型的にはシステインを含む。

用語「感知エレメント」は用語「ナノスケール単位」と互換的に用いることができ、これは電極表面で官能基化された材料の性質も記述する。

（感知法の用途）
本発明の原理は幅広く適用することができる。具体的には、物理的物質または物理的物質以外の環境パラメータのいずれも感知することができる。ほとんどあらゆる物質または環境パラメータは、その物質の量またはパラメータの変化が作用電極の局所環境の変化をもたらし、且つそれゆえに感知エレメントと電極基板の間の電子分布の変化をもたらすのであれば、これを感知することができる。したがって、作用電極はそのために用いることになる意図する感知法について設計することができる。

（物理的物質の感知）
１つの実施形態においては、方法は化学物質、すなわち化学化合物または化学化合物群を感知するための方法である。この実施形態においては、ステップ（Ａ）において作用電極が物質を含みうる担体媒体と接触し、また印加電位に対する感知エレメントの電気化学的レスポンスは前記物質の存在に対して鋭敏である。担体媒体が物質を含有する場合、特定の積分測定値が得られる。担体媒体が物質を含有しない場合、積分測定値は異なる。同様に、担体媒体中の物質の濃度が変化するにつれて積分測定値の変化が発生する。

担体媒体は、好ましくは液状であるが、気体媒体も可能である。担体液（または気体）は、その中で物質が懸濁または溶解（または分散）することのできる任意の液体（または気体）でありうる。１つの実施形態においては、担体液は水を含む。１つの実施形態においては、担体液は生体液を含む。生体液は、ヒトまたは動物でありうる対象から得られた液状物でありうる。１つの実施形態においては、担体液は非希釈生体液を含む。本文脈における非希釈生体液は、たとえばヒトまたは動物などの対象から得られ、他の液体で希釈されていない生体液である。生体液は血液、尿、涙液、唾液、汗および脳脊髄液から選択されうる。任意選択として、担体媒体は、たとえばヒトまたは動物などの対象から得られた生体液および希釈液を含む。希釈液は、対象から生体液を得た後に生体液に添加しうる。希釈液は、水と、たとえばエタノールなどのアルコールなどのアルコールから選択される液状媒体などの液状媒体を含みうる。担体媒体は、さらに緩衝剤を含みうる。緩衝剤はリン酸を含みうる。

本発明のこの方法の好ましい態様においては、作用電極は前記物質と結合することのできる受容体部分を含み、且つ印加電位に対する感知エレメントの電気化学的レスポンスは、前記物質と受容体部分との結合に対して鋭敏である。好ましくは、受容体部分は物質と特異的に結合することが可能である。「物質と特異的に結合することが可能である」は、典型的には、担体媒体内に存在する任意の他の物質に対する結合定数より少なくとも５０倍以上高い、好ましくは少なくとも１００倍高い、より好ましくはさらに少なくとも２００倍高い、当該物質に対する結合定数を有することを意味する。

受容体部分は、感知エレメントそれ自体に含まれることもあれば、またはその代わりに、電極基板が感知エレメントおよび感知エレメントと異なる受容体部分の双方によって官能基化されることもある。

受容体部分の例は、抗体、抗体フラグメント、核酸、アプタマー、オリゴ糖、ペプチド、およびタンパク質を含む。好ましくは、受容体部分は抗体、核酸およびペプチドから選択される。最も好ましくは、受容体部分は抗体である。

抗体または抗体フラグメントは、ＩｇＡ、ＩｇＤ、ＩｇＥ、ＩｇＧおよびＩｇＭのクラスのうち１つまたはそれ以上から選択しうる。好ましい実施形態においては、抗体または抗体フラグメントはＩｇＧ型である。抗体は対象化合物と特異的に結合する。抗体または抗体フラグメントは、ヒト、マウス、ラット、ウサギ、ヤギ、ヒツジおよびウマから選択される哺乳類を含むがこれに限定されない哺乳類に由来しうる。アプタマーは、ペプチドアプタマー、ＤＮＡアプタマーおよびＲＮＡアプタマーから選択しうる。

抗体は、たとえば抗αシヌクレイン抗体（抗α−ｓｙｎｃ）でありうる。

明らかに、所与の電極のための受容体部分の選択は、対象物質の本質、すなわち対象標的によって決定される。

たとえば、標的はαシヌクレイン（α−ｓｙｎｃ）とすることもあり、この場合受容体部分は典型的に抗α−ｓｙｎｃを含むかまたはこれにより構成される。

１つの実施形態においては、作用電極は受容体部分を含み；感知エレメントはグラフェンを含み；且つ電極基板は金を含む。受容体部分は上記でさらに定義される通りであり、たとえば抗α−ｓｙｎｃを含むこともあればこれにより構成されることもある。グラフェンは酸化型、すなわちグラフェンオキシドが受容体部分の結合を促進しうるので、この形態として存在しうる。

作用電極は、電極基板上、電極基板と感知エレメントの間に排置された中間層をさらに含みうる。中間層は、典型的にはシステインを含む。

（診断用途などを目的とした標的種の検出）
物質は、標的種、すなわち任意選択的に１つまたはそれ以上の他の非標的種と共に、担体媒体中に存在することもあれば存在しないこともあり、且つユーザーが検出／感知することを所望する種とすることできる。最も典型的には、方法は前記担体媒体中の前記標的種の濃度を判定するための方法である。

この方法を用いて一定範囲の標的種を検出できるものの、１つの特に有用な態様は診断対象種の検出である。生理学的試料中のバイオマーカーの高感度検出は、診断において常に増大する関心事である。本発明の方法は、具体的には対象バイオマーカーと特異的に結合することの可能な受容体部分によって官能基化された電極基板を提供することにより、特異的バイオマーカーの高感度且つ高選択性感知（および濃度の測定）を目的として用いることができる。

標的種の例は、ＣＲＰタンパク質、インスリンおよび神経変性、癌、心筋梗塞、糖尿病および一般的外傷のうち１つまたはそれ以上のマーカーからなる群から選択される種を含む。

より一般的には、本発明の方法に従った検出に適した標的種はタンパク質、ポリペプチド、抗体、ナノ粒子、薬剤、毒素、有害ガス、有害化学物質、爆発物、ウイルス粒子、細胞、多細胞生物、サイトカインおよびケモカイン、生殖母細胞（ｇａｎｉｅｔｏｃｙｔｏ）、オルガネラ、脂質、核酸配列、オリゴ糖、代謝経路の中間化学物質、および巨大分子を含む。好ましい実施形態においては、標的種は、生体分子、より適切には生体巨大分子、最も適切にはポリペプチドを含むか、ほぼこれにより構成されるか、またはこれにより構成される。バイオマーカーは、特に対象となる生体分子の１例である。

標的分子がタンパク質であるかまたはこれを含む場合、タンパク質は天然タンパク質、変性タンパク質、タンパク質フラグメント、および原核または真核生物に発現したタンパク質から選択しうるが、これに限定されない。タンパク質は、当技術における通常の意味を有し、且つ最も好ましくは、「タンパク質」はポリペプチド分子を指す。そのようなポリペプチドはグリコシル化；リン酸化または他のそのような修飾といった修飾を含みうる。

標的種が抗体である場合、抗体はＩｇＡ、ＩｇＤ、ＩｇＥ、ＩｇＧおよびＩｇＭのクラスのうち１つまたはそれ以上から選択しうる。

標的種がナノ粒子である場合、ナノ粒子は絶縁、金属または半導体ナノ粒子のうち１つまたはそれ以上から選択することができるが、これに限定されない。

標的種が薬剤である場合、薬剤はアルコール（例：エタノール）、アンフェタミン、硝酸アミル、ヘロイン、ケタミン、アナボリックステロイド、ＬＳＤ、溶媒、大麻、コカイン（塩酸コカインまたは「コーク」など）、たばこ、精神安定剤、クラック（すなわちコカイン遊離塩基）、エクスタシーおよび／またはγヒドロキシ酪酸塩・エステル（ｇａｍｍｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｌａｔｅ：ＧＨＢ）から選択しうるが、これに限定されない。一部の実施形態においては、その代わりに薬剤は医療用物質でありうる。

標的種は候補薬剤、たとえば特定の活性または性質について本発明を用いて試験またはスクリーニングしうる、化学的または生物学的実体でありうる。

標的種が毒素である場合、毒素は動物、植物、または細菌に由来する１つまたはそれ以上の毒素から選択しうるが、これに限定されない。

標的種がウイルス粒子である場合、ウイルス粒子はゲノムの有無にかかわらない１つまたはそれ以上のウイルス粒子から選択しうるが、これに限定されない。

標的種が細胞である場合、細胞は多能性前駆細胞、ヒト細胞（例：Ｂ細胞、Ｔ細胞、肥満細胞、食細胞、好中球、好酸球、マクロファージ、内皮細胞）、癌細胞（例：肝臓、頸骨、膵臓、直腸結腸、前立腺、表皮、脳、乳房、肺、精巣、腎臓、膀胱癌に由来する細胞）、非ヒト由来の単細胞生物、藻類、菌類、細菌、植物細胞、寄生虫卵、プラズモディウムおよびマイコプラズマのうち１つまたはそれ以上から選択しうるが、これに限定されない。

標的種がオルガネラである場合、オルガネラは核、ミトコンドリア、ゴルジ体、小胞体、リソソーム、ファゴソーム、細胞内膜、細胞外膜、細胞骨格、核膜、クロマチン、核基質および葉緑体のうち１つまたはそれ以上から選択しうるが、これに限定されない。

標的種が脂質である場合、脂質はシグナル伝達脂質、構造脂質、リン脂質、糖脂質および脂肪酸のうち１つまたはそれ以上から選択しうるが、これに限定されない。

標的種が核酸配列である場合、核酸配列はＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ＲＮＡ、ｒＲＮＡ、ｍＲＮＡ、ｍｉＲＮＡおよびｔＲＮＡのうち１つまたはそれ以上から選択しうるが、これに限定されない。

標的種がオリゴ糖である場合、オリゴ糖はヒト、動物、植物、菌類または細菌に由来する１つまたはそれ以上のオリゴ糖から選択しうるが、これに限定されない。

標的種は、特定の疾患を指摘する任意の抗原または分析物でありうる。標的は、たとえばＣ反応性タンパク質（ＣＲＰタンパク質）、アンジオテンシンＩ変換酵素（ペプチジルジペプチダーゼＡ）１；アディポネクチン；終末糖化産物特異的受容体；α−２−ＨＳ−糖タンパク質；アンジオゲニン、リボヌクレアーゼ、ＲＮアーゼＡファミリー、５；アポリポタンパクＡ−ｌ；アポリポタンパクＢ（Ａｇ（ｘ）抗原を含む）；アポリポタンパクＥ；ＢＣＬ２−関連Ｘタンパク質；Ｂ−ｃｅｌｌ細胞ＣＬＬ／リンパ腫２；補体Ｃ３；ケモカイン（Ｃ−Ｃモチーフ）リガンド２；ＣＤ１４、可溶性；ＣＤ４０、可溶性；ｃｄｋ５；、ペントラキシン関連、カテプシンＢ；ジペプチジルペプチダーゼＩＶ；表皮成長因子；エンドグリン；Ｆａｓ；フィブリノーゲン；フェリチン；成長ホルモン１；アラニンアミノトランスフェラーゼ；肝細胞増殖因子；ハプトグロビン；熱ショック７０ｋＤａタンパク質１Ｂ；細胞間接着分子１；インスリン様成長因子１（ソマトメジンＣ）；インスリン様成長因子１受容体；インスリン様成長因子結合タンパク質１；インスリン様成長因子結合タンパク質２；インスリン様成長因子結合タンパク質３；インターロイキン１８；インターロイキン２受容体、α；インターロイキン２受容体、β；インターロイキン６（インターフェロン、β２）；インターロイキン６受容体；インターロイキン６シグナルトランスデューサー（ｇｐ１３０、オンコスタチンＭ受容体）；インターロイキン８；アクチビンＡ；レプチン（肥満相同体、マウス）；プラスミノーゲン活性化因子、組織；プロオピオメラノコルチン（副腎皮質刺激ホルモン／β−リポトロピン／α−メラニン細胞刺激ホルモン／β−メラニン細胞刺激ホルモン／β−エンドルフィン）；プロインスリン；レジスチン；セクレチンｅ（内皮接着分子１）；セレクチンＰ（顆粒膜タンパク質１４０ｋＤａ、抗原ＣＤ６２）；セルピンペプチダーゼ阻害因子、クレードＥ（ネキシン、プラスミノーゲン活性化因子阻害因子１型）、メンバー１；血清／糖質コルチコイド調節キナーゼ；性ホルモン結合グロブリン；トランスフォーミング成長因子、β１（カムラチ−エンゲルマン病）；ＴＩＭＰメタロペプチダーゼ阻害因子２；腫瘍壊死因子受容体スーパーファミリー、メンバー１Ｂ；血管細胞接着分子１（ＶＣＡＭ−１）；血管内皮成長因子；ファクターＩＩ；ファクターＶ、ファクターＶＩＩＩ、ファクターＩＸ、ファクターＸＩ、ファクターＸＩＩ、Ｆ／フィブリン分解産物、トロンビン−アンチトロンビンＩＩＩ複合体、フィブリノーゲン、プラスミノーゲン、プロトロンビン、およびフォン・ウィレブランド因子などから選択しうる。糖尿病にとって有用なマーカーは、たとえばＣ反応性タンパク質；グルコース；インスリン；ＴＲＩＧ；ＧＰＴ；ＨＳＰＡ１Ｂ；ＩＧＦＢＰ２；ＬＥＰ；ＡＤＩＰＯＱ；ＣＣＬ２；ＥＮＧ；ＨＰ；ＩＬ２ＲＡ；ＳＣｐ；ＳＨＢＧ；およびＴＩＭＰ２を含む。現在好ましい標的種は、ＣＲＰタンパク質、インスリンおよび神経変性、癌、心筋梗塞、糖尿病および一般的外傷のうち１つまたはそれ以上のマーカーからなる群から選択される標的種を含む。

標的種は、たとえば抗αシヌクレイン抗体（抗α−ｓｙｎｃ）を含むこともあれば、これにより構成されることもある。標的種がα−ｓｙｎｃであるかまたはこれを含む場合、受容体部分は抗α−ｓｙｎｃ抗体を含むかまたはこれにより構成される。

標的種は糖尿病をモニタリングすることと関連する標的でありうる。１つの実施形態においては、標的はグルコース、インスリン、インターロイキン２受容体α（ＩＬ２−ＲＡ）、Ｃ反応性タンパク質（ＣＲＰ）および糖化ヘモグロビン（ＨｂＡ１ｃ）から選択しうる。標的種がグルコースである場合、受容体部分は、たとえばＧＤＨ−ＦＡＤ分析の分子認識エレメントまたはグルコース／ガラクトース結合タンパク質（「ＧＧＢＰ」）から選択しうる（Ｓｃｈｏｌｌｅ，ｅｔ ａｌ．，Ｍｏｌ． Ｇｅｎ． Ｇｅｎｅｔ ２０８：２４７−２５３（１９８７））。標的がＩＬ−２ＲＡである場合、受容体部分はＩＬ−２ＲＡに特異的なモノクローナル抗体を含むかまたはこれにより構成される。標的種がＣ反応性タンパク質であるかまたはこれを含む場合、好ましくはこれはヒトＣ反応性タンパク質である。標的種がＣ反応性タンパク質であるかまたはこれを含む場合、受容体部分は抗ＣＲＰを含むかまたはこれにより構成されうる。標的種がインスリンであるかまたはこれを含む場合、受容体部分はインスリン抗体を含むか又はこれにより構成されうる。

（グリコアレイによる方法）
本発明の方法は、グリコアレイを包含する用途においても使用することができる。グリコアレイは、各アレイ単位が特異的な炭水化物部分（他のアレイ単位における炭水化物部分と異なる）を含むアレイである。本発明の文脈においては、アレイは複数の別個にアドレス指定できる電気化学的系を含み、それぞれの作用電極は炭水化物部分である受容体部分によって官能基化される。たとえば、炭水化物部分のアレイは、ヒトなどの生物のグリコームまたはグリコームの一部を構成しうる。

したがって、本発明の方法の１つの実施形態においては、（感知される）物質はレクチンタンパク質、糖酵素および炭水化物結合抗体から選択される一方で、受容体部分は炭水化物部分である。さらに本感知法では、作用電極は、異なる炭水化物部分によってそれぞれ官能基化された複数の作用電極を含むグリコアレイの一部を形成しうる。したがって方法は、グリコアレイに含まれる各作用電極上でステップ（Ａ）〜（Ｄ）の方法を実施することを含みうる。

（薬剤スクリーニング／発見）
本発明のための方法の他の用途は、薬剤スクリーニングおよび創薬の分野にある。薬剤スクリーニングを目的としたアレイによる既知の系においては、各アレイ単位が、薬剤候補がそこに結合すれば薬剤候補が治療上対象となりうることが明確に示される、到達可能な受容体部分を含む。たとえば、タキソール−チューブリンモデルに基づく既知のスクリーニング法がある。このモデルにおいては、既知の抗癌剤タキソールとチューブリンプロテシンとの相互作用活性を、新規薬剤候補と比較する参照として用いる。

具体的には、本発明の方法においては、（感知される）物質は薬剤候補であってもよく、且つ受容体部分は既知の参照薬剤と結合することの可能な部分であってもよい。したがって、薬剤候補の受容体部分との結合が感知されれば、既知の参照薬剤と同様の様態で挙動する（またしたがってさらなる研究に値する）薬剤候補と相関するであろう。対照的に、結合できないことはその薬剤候補の除外に至ることがある。

本感知法において、作用電極は、前記受容体部分でそれぞれ官能基化された複数の作用電極を含むアレイの一部を形成してもよく、これにより前記アレイは複数の薬剤候補の同時スクリーニングの使用に適していることが認識される。このアレイ設定により、多数の薬剤候補を高いスループットで一度にスクリーニングすることが可能となる。

（環境パラメータの感知）
さらなる実施形態においては、方法は電極の局所環境における環境パラメータの変化を感知するための方法である。そのような環境パラメータの例は、局所環境の温度、局所環境の光度（例：可視光強度、またはその代わりまたはそれに加えて紫外線強度）および局所環境における湿度を含む。

そのような方法においては、光、温度または環境／表面水の相互作用が、感知エレメントにおいて測定されるＤＯＳまたは電子密度（ＤＯＳの積分から得られる）に影響する。電気化学的レスポンスにおける随伴変化は測定可能であり、且つその後の用途を目的として容易に校正することができる。

（装置）
本発明は、典型的には本発明の感知法である、感知法における使用を目的とした装置も提供する。この装置は、その作用電極が感知エレメントによって官能基化された電気化学分光器、すなわち本発明の方法を実施するために特に適合された電気化学分光器を含む。作用電極は本願に記載される。

装置は、（ａ）印加電位の範囲にわたる複素インピーダンスＺ^＊の複数の測定値を含む入力データを、前記の電気化学的分光器から受信するよう構成された受信器；および（ｂ）（ｉ）前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数および／または虚数成分であるＣ’および／またはＣ”の複数の測定値に変換し、且つ（ｉｉ）前記のＣ’、Ｃ”、またはＣ’とＣ”の組み合わせの測定値を選択した周波数ωにおいて印可した電圧の関数として積分して積分値を得るよう構成されたプロセッサをさらに含む。受信器およびプロセッサはコンピュータの一部とすることができる。受信器およびプロセッサの機能性は、本発明の方法からの入力データを受信し、且つ本願に記載の方法でこれらのデータを処理して積分測定値とするようコンピュータをプログラミングすることにより達成することができる。

受信器は、分光器から直接的に、またはたとえば分光器が作成したデータファイルからデータを読み取ることにより間接的に入力データを受信することができる。

「プログラミング」は、入力データを受信し、複素キャパシタンスの実数および／または虚数部分Ｃ’および／またはＣ”に変換し、且つ積分して積分測定値を得るステップを自動的に、たとえばユーザーの介入なしに遂行するための指示を提供するコンピュータ読み取り可能コードがコンピュータに装備されることを意味する。コンピュータは、たとえば適切なコンピュータプログラムによってプログラミングされた物理コンピュータを含む。そのプログラムは、たとえば、コンピュータまたはコンピュータのネットワークによる実行を目的として、記憶媒体上に提供することも可能である。記憶媒体は、ハードディスクなどのコンピュータ自体の不可分の一部、または光学ディスクまたはＵＳＢフラッシュメモリデバイスなどのポータブル記憶デバイスなどのリムーバブル記憶媒体とすることも可能である。

したがって装置は、それにより操作者が電気化学的分光器を用いて必要な本発明の方法のステップ（Ａ）のＥＩＳ測定を実施し、且つその後のステップを次に自動的に実施して感知法を完了する、本発明の方法を遂行するために用いることができる。

コンピュータは、さらに前記積分測定値から生成されるデータを出力するようさらにプログラミングしうる。その出力は、ディスプレイに対するものおよび／またはコンピュータファイルに対するものおよび／または他のデバイスへのデータストリームとしてのものでありうる。そのようなデータは、積分測定値それ自体に対応する単純な数値データを含みうる。またその代わりに、データは、試験中の系において感知される物質の有無または濃度の表示または感知される環境パラメータの定性的または定量的表示を含みうる。当業者に明らかとなるように、積分測定値に関する校正（参照）値を用いて追加的にプログラミングすることにより、そのようなデータを提供するようコンピュータを定型的にプログラミングすることができる。

さらに、本発明はコンピュータ読み取りコードを記憶する記憶媒体を提供する。このコードが実行されるとき、本願に定義する受信器およびプロセッサ（すなわち上記に説明されるコンピュータのような）に、本発明の装置における受信器およびプロセッサと関連したステップを実施させることが可能である。

作用電極は以下のように作成した。ペンタデカンチオールと１１−フェロセニルウンデカンチオールの溶液でインキュベートすることにより、金電極基板上に混合自己構成単分子膜（ＳＡＭ）を生成した。受容体面は、これらを抗ＣＲＰに浸漬することによって作成した。

少量のＣ反応性タンパク質（ＣＲＰ）を、ＰＢＳ中０ｎｍｏｌ／Ｌから８．０ｎｍｏｌ／Ｌの範囲の濃度で界面に添加した（具体的には、０、０．５、１．０、２．０、４．０および８．０ｎｍｏｌ／Ｌの濃度で測定値を測定した）。参照電極としてＡｇ／ＡｇＣｌ、対極として白金、および上記の作用電極の３電極構成を用いて、ポテンシオスタットで電気化学的測定を実施した。全ての実験は３回ずつ遂行し、図中に示す測定値はそれに応じて算術平均した平均値である。

電気化学的インピーダンス分光測定は、＋０．２Ｖと＋０．８Ｖの間の電位の範囲にわたり、Ａｇ／ＡｇＣｌに対して１５ｍＶ刻みの電位、および定常周波数２０ｍＨｚで実施した。

こうして図１および２のＤＯＳを得た。図１（ｂ）の形状は、２０ｍＨｚにおける複素キャパシタンスの実数部分から直接構築した。具体的には、ＤＯＳの形状は量子キャパシタンス形状、すなわちｅ^２ＤＯＳを反映する。直線は、実験データの（ここでは点線で示す）、熱的線幅拡大の効果を組み入れたガウス分布に対するフィッティングである。したがって、電子密度：Ｎ（熱的線幅拡大を伴う）は、ガウス分布の積分として以下のように得られ：

式中：ｇ_ｒ（μ_ｅ）はＤＯＳ関数（図１ｂに示すように電位の関数としてのガウス分布）、Ｅ_ｒは電極に随伴する酸化還元種の酸化還元電位であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、且つμ_ｅは電位とμ_ｅ＝−ＣＶの関係にある電極内の電子の化学電位である。

その後、図１（ａ）に示すように、ＮはＣＲＰ濃度の関数とみなした。具体的には、分子層体積（１１−フェロセニル−ウンデカンチオール分子層については長さ３．５ｎｍを用いた）によって正規化された図１（ｂ）の曲線の積分によって、電子密度を算出した。

図２は、２０ｍＨｚにおける複素キャパシタンスの虚数キャパシタンス項から構築され；酸化還元フィルムのコンダクタンスを説明する（図２（ａ）を参照）。コンダクタンスの積分も電子密度を提供する。電子密度は、分子フィルムにおける結合事象を感知する手段も提供する（図２（ｂ）に示す分析曲線を参照のこと）。

発明者らは、キャパシタンス分光測定法の方法論を用いることにより、分子の量子化状態およびその占有（量子キャパシタンス）を実験的に評価し、且つこのシグナルをバイオセンサー用途のトランスデューサーとして利用することが可能であることを立証しており；測定されたキャパシタンスが環境の任意の変化（静電的または化学的）に対して非常に鋭敏であるため、これを実施することができる。さらに発明者らは、系の量子キャパシタンスおよび量子化抵抗の双方が、到達可能な量子分子状態を電極／プローブに伝達し、トランスデューサーシグナルとして用いることができることも立証している。発明者らは、密度関数理論（量子力学的方法論）にしたがって、電子密度の関数、

は以下に示すようにキャパシタンス分光測定法と密接に関係することも理解し

式中、

は２つの寄与因子

（量子）および

（静電）を含む電気化学的キャパシタンスである。電極と接続された、制限された電子状態またはナノスケールサイズを含む任意の小型化デバイスは、

に含まれる量子力学状態がいくつかの外部事象（たとえばタンパク質の結合）によって変化するという条件で、感知フォーマットに潜在的に用いることができることを受ける。発明者らは、作用電極プローブ上に載置されたグラフェンシートの場合、図３に例示するように、それと結合するタンパク質が分析物（標的タンパク質）の受容体の役割を果たす時、系がそのような変化に対して非常に鋭敏となることができることを、本願において立証する。この系においては、量子力学状態のエネルギー、キャパシタンスおよび抵抗（グラフェンの電子状態と金／プローブ電極の電子状態の共役と関連する）は、トランスデューサーシグナルとして用いることができる。これは図４に例示される。

デバイスは、インキュベーション時間８時間以内に、中間的自己構成単分子膜（システインより作製される図３の絶縁層）を経て、グラフェン水中分散剤を滴下することにより、（機械的および電気化学的に研磨された）金電極上にグラフェンオキシドを排置することによって製作することができる。両性イオン性単量体ＣＢＭＡを静電的集合によって（負に荷電したグラフェンオキシド末端上で）電極上に固定した後、受容体を電極上に結合し、低汚損面を作成することができる。受容体種（抗α−ｓｙｎｃ）の固定の前に、表面修飾電極をＨ_２Ｏですすぎ、窒素気流で乾燥させる。その後、末端カルボキシル基を、脱イオン水中の１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ）（０．４Ｍ）およびＮ−ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）（０．１Ｍ）で４０分間活性化し、その後ＰＢＳ溶液中のそれぞれの受容体分子１μＭと１時間室温で反応させた。その後、界面を１Ｍエタノールアミン（ｐＨ約８．５）に浸漬してあらゆる未反応の活性化カルボキシル基を非活性化し、測定の前にＰＢＳで洗った（図３に模式的に示す）。
（図４の）各パラメータ、すなわち量子キャパシタンス

量子コンダクタンス

および表面エネルギー

［式（１）も参照］について得られたレスポンス（Ｒ）を、標的濃度（α−ｓｙｎｃ）の範囲にわたって評価した。これらのパラメータのそれぞれについて導電シグナルを正規化するために、相対レスポンスを用いた。すなわち、共鳴周波数における標的の各濃度についての相対レスポンス（ＲＲ）は、

が最大化する場合、したがって以下のように計算される。

式中

は分析物のない場合のパラメータの初期値（ブランク測定）を表し、且つ

は、同じ周波数

において受容体官能基化電極を対応する標的濃度に曝露した後のパラメータ値である。
「ＲＲ」を標的濃度にわたって収集することにより、図４に示すようにパラメータのそれぞれに対して分析曲線をプロットすることが可能であった。

Claims (20)

1. 感知法であって：
   （Ａ）印加電位の範囲にわたって実施される電気化学的インピーダンス分光法によって、前記印加電位に対するその電気化学的レスポンスが電極の局所環境における変化に鋭敏である感知エレメントによって官能基化された電極基板であって、前記感知エレメントが０．５から１０ｎｍのサイズを有する前記電極基板を含む作用電極を有する系の、複素インピーダンスＺ^＊の複数の測定値を得ること；
   （Ｂ）前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換すること；
   （Ｃ）前記の（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの測定値を、印可電圧の関数として前記の選択した周波数ωにおいて積分して積分測定値を得ること；および
   （Ｄ）前記積分測定値から前記の電極の局所環境を評価することを含む前記感知法。
2. 請求項１に記載の感知法であって、ステップ（Ａ）において、前記の、印加電位の範囲にわたって実施される電気化学的インピーダンス分光法により、前記複素インピーダンスの複数の測定値を得ることが、異なる印加電位における少なくとも５つの前記複素インピーダンスの測定値を得ることを含む前記感知法。
3. 請求項１または２に記載の感知法であって、ステップ（Ｄ）における前記の評価することが前記積分測定値を前記の電極の局所環境が既知である条件下でステップ（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を実施することにより得られる１つまたはそれ以上の参照値と比較することによって実施される前記感知法。
4. 前述の請求項のうちいずれか１つに記載の感知法であって、化学物質を感知するための方法であって、且つ：
   −ステップ（Ａ）において前記作用電極が前記物質を含みうる媒体担体と接触し；
   −前記印加電位に対する前記感知エレメントの前記電気化学的レスポンスが前記物質の存在に鋭敏であり；且つ
   −ステップ（Ｄ）において前記の評価することが前記化学物質が前記担体媒体中に存在するか感知することを含む前記感知法。
5. 請求項４に記載の感知法であって：
   −前記作用電極が前記物質と結合することの可能な受容体部分を含み；且つ
   −前記印加電位に対する前記感知エレメントの前記電気化学的レスポンスが前記物質の前記受容体部分と結合することに鋭敏である前記感知法。
6. 請求項５に記載の感知法であって、前記物質がそこに前記受容体部分が特異的に結合することが可能な標的種であり、且つ前記方法が前記担体媒体中の前記標的種の濃度を測定するための方法である前記感知法。
7. 請求項６に記載の感知法であって、前記標的種がＣＲＰタンパク質、インスリンおよび神経変性、癌、心筋梗塞、糖尿病および一般的外傷のうち１つまたはそれ以上のマーカーからなる群から選択される前記感知法。
8. 請求項５に記載の感知法であって、前記物質がレクチンタンパク質、糖酵素および炭水化物結合抗体から選択され、且つ前記受容体部分が炭水化物部分である前記感知法。
9. 請求項８に記載の感知法であって、前記作用電極がそれぞれが異なる炭水化物部分によって官能基化された複数の作用電極を含むグリコアレイの一部を形成する前記感知法。
10. 請求項５に記載の感知法であって、前記物質が薬剤候補であり、且つ前記受容体部分が参照薬剤と結合することの可能な部分である前記感知法。
11. 請求項１０に記載の感知法であって、前記作用電極がそれぞれが前記受容体部分で官能基化された複数の作用電極を含むアレイの一部を形成し、これにより前記アレイが複数の薬剤候補の同時スクリーニングにおける使用に適している前記感知法。
12. 請求項１から３のうちいずれか１つに記載の感知法であって、温度、光度、および湿度から選択される環境パラメータの変化を感知するための方法である感知法。
13. 前述の請求項のうちいずれか１つに記載の感知法であって、前記感知エレメントが１つまたはそれ以上の酸化還元活性種、分子フィルム、ナノ粒子、グラフェン、カーボンナノチューブまたは量子ドットを含む前記感知法。
14. 前述の請求項のうちいずれか１つに記載の感知法であって、前記作用電極が酸化還元活性種によって官能基化されない前記感知法。
15. 請求項５から１４のいずれか１つに記載の感知法であって、前記の物質と結合することの可能な前記の受容体部分が抗体または抗体フラグメントを含む前記感知法。
16. 前述の請求項のうちいずれか１つに記載の感知法であって、前記感知エレメントがグラフェンを含む前記感知法。
17. 感知法のために用いる装置であって、当該装置が：
    −作用電極、対極およびポテンシオスタットを含む電気化学的分光器であって、前記作用電極が印加電位に対するその電気化学的レスポンスが前記の電極の局所環境の変化に鋭敏である感知エレメントによって官能基化された電極基板であって、前記感知エレメントが０．５から１０ｎｍのサイズを有する前記電極基板を含む電気化学的分光器；
    −前記電気化学的分光器から、印加電位の範囲にわたって、複数の複素インピーダンス測定値Ｚ^＊を含む入力データを受信するよう構成された受信器；および
    −（ｉ）前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換し、且つ（ｉｉ）前記の選択した周波数ωにおける、前記の（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”、または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの前記測定値を印可電圧の関数として積分して積分測定値を得るよう構成されたプロセッサを含む前記装置。
18. 請求項１７に記載の装置であって、前記積分測定値から生成されたデータを出力するよう構成された出力ユニットをさらに含む前記装置。
19. 請求項１から１６のいずれか１つに記載の感知法、または請求項１７または請求項１８に記載の装置であって、前記感知法が量子キャパシタンス感知法である前記感知法または装置。
20. コンピュータまたはコンピュータのネットワークによる実行のためのコンピュータ読取り可能コードを記憶する記憶媒体であって、コードが、実行される際に、コンピュータまたはコンピュータのネットワークに：
    −電気化学的分光器から、印加電位の範囲にわたる複数の複素インピーダンスＺ^＊測定値を含む入力データを得るステップ；
    −前記の複数のＺ^＊測定値を、選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの実数成分Ｃ’および／または選択した周波数ωにおける複素キャパシタンスの虚数成分Ｃ”の複数の測定値に変換するステップ；および
    −前記の選択した周波数ωにおける、前記の（ａ）Ｃ’、（ｂ）Ｃ”または（ｃ）Ｃ’とＣ”の任意の組み合わせの測定値を、印可電圧の関数として積分して積分測定値を得るステップを実行させる記憶媒体。

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