JP2018523837A - 固体電極、その製造方法、及び感知におけるその使用方法 - Google Patents
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Abstract
固体電極は、表面を有する金属電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はナノ粒子、タンパク質及びポリマの１以上とを含み、固体電極が作用電極及び流体と電気的に接続すると、電極は、化学組成の変化、例えば、０．１ｐＨ単位以下のｐＨの変化を検出でき、固体電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト、好ましくは、３ミリボルト以内で安定する。固体電極は、例えば、バイオセンシング、環境分析（例えば、土壌分析又は水質分析）、医薬品分析、食品分析等に使用できる。【選択図】図１
Description
関連出願
本出願は、２０１５年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／２０５，３８０号、２０１５年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／２５４，４０２号、２０１６年２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２９０，５０１号、及び２０１６年４月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／３２２，２７３号の優先権を主張し、これらの各内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
本出願は、２０１５年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／２０５，３８０号、２０１５年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／２５４，４０２号、２０１６年２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２９０，５０１号、及び２０１６年４月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／３２２，２７３号の優先権を主張し、これらの各内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
電気化学的感知用途に電極が使用されている。従来のマクロサイズの電極の技術は、長期に亘って研究されている。携帯性を有するマイクロサイズの電気化学センサの小型化技術の進歩により、電極も小型化する必要が生じている。
例えば、水性／湿潤状態の従来のマクロサイズの参照電極は、通常、銀／塩化銀複合材料と、銀線上にコーティングされる塩化銀を安定させるのに役立つ塩化カリウム溶液とを使用する。更に、これらは常に湿潤状態である必要がある。この構成は、マイクロサイズの電気化学的センサが利用できる空間が小さいために、固体状態を安定させる塩化カリウムの別個の溶液系の小型化が複雑になり、したがって、マイクロサイズの参照電極（マイクロ電極）には使用できない。したがって、マイクロサイズの電極として好ましいタイプは、固体電極である。所望の性能のためには、参照電極の電位は、電気化学的感知の間、安定し又は不変でなければならない。既存の固体参照電極の１つの問題は、これらの電位が安定していないことである。この不安定性は、動作中に塩化銀が溶解するという事実に起因する。
また、従来のマクロサイズの作用電極、特に、イオン選択性電極等の膜の使用を必要とする電極では、従来の作用電極膜も別個の溶液系を必要とするため、電極の小型化に課題がある。更に、固体作用電極上に堆積されたイオン選択性電極膜等の化学的選択性を有する膜は、不安定であるという問題があることも知られている。この結果、作用電極の測定電位がシフトしてしまう。電位の不安定性は、膜／作用電極界面で形成されるパッチによって引き起こされると考えられる。パッチは、界面において水のランダムな収集を引き起こし、この結果、界面に達することができる分析物の量が変化してしまう。この問題の解決策として、電極とイオン選択膜との間の中間膜として導電性ポリマを使用することが提案されている。しかしながら、これらの中間膜は、光又はサンプルの変化に対する感受性、例えば、ｐＨシフトを含む環境感受性に関する他の課題があり、このため、環境又は体液等の生体流体等における組成が変化するサンプル中の化学物質濃度を検出する際に問題が生じる。
したがって、水性条件等の用途で使用できる安定した固体参照電極及び固体作用電極を含む安定した固体電極が求められている。安定した固体電極は、汗感知を用いた非侵襲的健康診断の分野にとって重要であり、例えば、近年、汗中の様々なバイオマーカの濃度は、血液中のこれらの濃度と相関することが報告されている。これは、着用可能な汗センサが、深刻な疾患を患う人の健康状態を継続的に追跡できる非侵襲的な方法を提供できることを意味する。
固体電極において、表面を有する金属電極と、
表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、
電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、固体電極は、導電性物質の化学組成の変化を検出でき、固体電極の電位は安定する。一実施形態では、固体電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト以内、好ましくは３ミリボルト以内で安定する。一例として、１ｍＶ、又は０．５ｍＶ、又は０．１ｍＶ／分の電位変化が一定期間に亘って安定する。一実施形態では、０．１ｍＶ／分以下の電位変化が２０分以上に亘って安定する。一実施形態では、０．１ｍＶ／分以下の電位変化が３０分以上に亘って安定する。一実施形態では、システムは、本明細書で更に説明するように、生体認識要素による電流測定による検出を使用する。
表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、
電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、固体電極は、導電性物質の化学組成の変化を検出でき、固体電極の電位は安定する。一実施形態では、固体電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト以内、好ましくは３ミリボルト以内で安定する。一例として、１ｍＶ、又は０．５ｍＶ、又は０．１ｍＶ／分の電位変化が一定期間に亘って安定する。一実施形態では、０．１ｍＶ／分以下の電位変化が２０分以上に亘って安定する。一実施形態では、０．１ｍＶ／分以下の電位変化が３０分以上に亘って安定する。一実施形態では、システムは、本明細書で更に説明するように、生体認識要素による電流測定による検出を使用する。
固体電極を製造する方法において、表面を有する金属電極を準備することと、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含むナノ複合材料を電極表面の少なくとも一部に付着させることとを含む方法を提供する。また、導電性物質のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、膜、選択膜、イオン選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の表面に配置され、ここに記載の固体電極を含む参照電極とを備え、導電性物質と接触すると、作用電極と参照電極が電気的に接続されるバイオセンサを提供する。
ここに開示する固体参照電極は、表面を有する金属電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、（ａ）金属電極において使用されている金属の化合物と、（ｂ）ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体電極が作用電極及び流体、金属、又はゲル等の導電性物質と電気的に接続すると、固体電極は、化学組成の変化又は導電性物質の化学組成レベルを検出でき、固体電極の電位は、安定している。
導電性物質は、如何なる液体であってもよく、体液（例えば、汗、血液、唾液、尿、皮脂、又は他の排泄物）等の任意の生体流体であってもよい。導電性物質は、導電性材料、金属、又はゲルであってもよい。
化学組成の変化は、例えば、水素イオン（ｐＨ）の変化であってもよく、化学的レベル、例えば、水素イオン（ｐＨ）のレベルを判定してもよい。この固体参照電極を用いて、いかなる化学変化を検出してもよく、センサは、イオン（例えば、塩化物、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、水素、カルシウム、アンモニウム、炭酸塩、硝酸塩）酵素、タンパク質、脂質、重炭酸塩レベル、化学化合物（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、クレアチニン、尿素、グルコース）、酸、異物（例えば、ヒ素、シアン化物、アンフェタミン、薬物、エタノール等の毒素）、異化代謝産物、及びここに更に記載するような電気化学的に又は流体中で分析できる任意の他の分析物等の特定の化学物質を選択するように修飾される。
ここに記述する電極は、金属を含む。電極中の金属は、金、水銀、白金、銀、パラジウム、銅、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。参照電極又は他の電極において使用されている金属の化合物は、金属を含むイオン性又は共有結合性の化合物であってもよい。一実施形態では、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩であり、例えば、塩化物塩、ヨウ化物塩、硫酸塩、又は参照電極において使用されている金属の他の塩等である。幾つかの実施形態において、参照電極において使用されている金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。一例として、電極が金を含む場合、電極において使用されている金属の化合物は、金を含み、電極において使用されている金属の化合物は、金の塩、例えば、金チオ硫酸ナトリウム等であってもよい。タンパク質は、強い結合特性を示すいずれのタンパク質であってもよく、例えば、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。ポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）又は強い結合特性を示す任意のポリマを含むことができる。ナノ粒子は、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子、酸化亜鉛ナノ粒子、カーボンナノ粒子、球状カーボンナノ粒子、フラーレン、量子ドット、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノクラスタ、ナノファイバ、カーボンナノファイバ、ダイヤモンドナノ粒子、カーボン量子ドット、酸化チタンナノ粒子、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子、酸化ケイ素ナノ粒子、金ナノクラスタ、銀ナノクラスタ、酸化ユウロピウムナノ粒子、酸化鉄ナノ粒子、ダイヤモンドナノ粒子、無機量子ドット、グラフェン量子ドット、グラフェンナノ粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。特段の指示がない限り、「強く結合する」又はこのフレーズの他の形態は、所望の相互作用又はここに記載する所望の機能が実現するために十分であることを意味する。
一実施形態では、固体参照電極は、金属電極と、金属電極において使用されている金属の化合物とを備え、更に、ナノ粒子、ポリマ、及びタンパク質の少なくとも１つ、又はナノ粒子、ポリマ、及びタンパク質の少なくとも１つを含む組み合わせを含む。それぞれ１又は複数のナノ粒子、ポリマ及びタンパク質を使用でき、例えば、１又は複数のナノ粒子、１又は複数のタンパク質、又は１又は複数のポリマを使用できる。一実施形態では、固体参照電極は、金属電極において使用されている金属の化合物を含み、更に、１又は複数のナノ粒子を含む。一実施形態では、固体参照電極は、金属電極において使用されている金属の化合物を含み、更に、１又は複数のポリマを含む。一実施形態では、固体参照電極は、金属電極において使用されている金属の化合物を含み、更に、１又は複数のタンパク質を含む。
本明細書で使用する「固体電極（solid state electrode）」とは、その構造中に液体溶液又は液体を含まない電極を意味する。
本明細書における説明では、主として、固体参照電極の構成及び動作に言及しているがここに記載する手法は、これらに限定されない。ここに記載する手法は、いずれも、作用電極、対電極等を含むセンサ内の他の固体電極にも適用できる。
ここに開示するする固体参照電極を製造する方法は、表面を有する金属電極を準備することと、金属電極において使用されている金属の化合物；並びにナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はナノ粒子、ＰＶＢ、及び接着タンパク質の少なくとも１つを含む組み合わせを含むナノ複合材料を、金属表面の少なくとも一部の上に付着させることを含む。ナノ複合材料は、金属電極において使用されている金属の化合物；並びにナノ粒子、１又は複数のタンパク質、ポリマ、又はナノ粒子、ポリマ、及びタンパク質の少なくとも１つを含む組み合わせを含むことができる。
ここに開示する、流体等の導電性物質のパラメータを判定するためのバイオセンサは、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、イオン選択膜又は金属酸化物、又は特定の化学物質又は分析物と結合するように修飾された別の化学的選択性を有する膜を含む作用電極と、表面を有する金属電極を含む参照電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、金属電極において使用されている金属の化合物、並びにナノ粒子、１又は複数のタンパク質、ポリマ、又はナノ粒子、１又は複数のタンパク質、及びポリマの少なくとも１つを含む組み合わせを含み、固体電極が作用電極及び流体等の導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化又は分析物の濃度レベルを検出でき、例えば、０．５ｐＨ単位以下、一実施形態では０．０５ｐＨ単位以下のｐＨの変化を検出でき、電極の電位は、２０分以上の時間に亘って、０．１ｍＶ／分以下の電位変化で安定し、基板の上面に配置され、作用電極と参照電極は、導電性物質と接触すると、電気的に接続され、バイオセンサは、例えば、基板の底面又は上面を介して、ヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付けることができる。固体参照電極は、温度、ｐＨ、及び流体中の他の分析物の変化等の変動等、変化する条件下で分析物について選択を行う場合でも、流体の濃度の変化の間、安定を保つ。導電性物質は、体液等の流体であってもよく、又は他の流体、例えば実験室又は環境水サンプルであってもよく、ゲル、金属、材料、又は任意の他の導電性物質であってもよい。
上述及びその他の特徴は、以下の図面及び詳細な説明によって例示される。
以下の図は、例示的な実施形態である。
以下、包括的に、固体作用電極及び固体参照電極、固体電極の製造方法、並びに固体電極を、例えば、バイオセンサに使用する方法を説明する。
なお、ここに記述する固体電極及びバイオセンサは、多くの用途及びデバイスで使用でき、例えば、バイオマーカ、酵素、化合物、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、薬物、毒素、代謝産物、又はヒト若しくは哺乳動物の汗中の他の化学種等を測定するための感知デバイス又はシステムで使用できる。デバイス内では、共通の出願人によって２０１５年３月１９日に出願された、米国仮特許出願第１４／６６２，４１１号、発明の名称「Health State Monitoring Device」に記載されている固体電極及びバイオセンサを使用でき、この内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。固体電極は、バイオセンシングの他に、マイクロ流体チップが使用される他の領域でも使用でき、例えば、環境分析（例えば、土壌分析又は水質分析）、爆発物分析、医薬分析及び食品分析等でも使用できる。
固体電極は、任意の適切なサイズ及び形状とすることができる。例えば、電極は、ワイヤ、表面上の薄膜、フレキシブル基板上のパターン、材料、又はインクとすることができる。電極は、印刷されたセンサの一部であってもよい。電極は、所望の形成ステップの実現を可能にし、また、所望のデバイスに組み込むことができるように、任意の適切な厚さにすることができる。ナノ複合材料は、電極の表面の実質的に全部又は一部にコーティングできる。例えば、電極は、包括的に２次元形状であってもよく、ナノ複合材料は、その一方の面にコーティングしてもよく、金属電極の一方の面の一部にコーティングしてもよい。コーティングは、必ずしも均一な層が形成されることを意味しない。以下に記述するように、ナノ複合材料によりコーティングされた表面が所望の様式で所望の特性を有する限り、穴、ボイド、ナノ複合材料がない領域、又は他の領域よりナノ複合材料が少ない若しくは多い領域が存在してもよい。
ナノ複合材料は、金属、例えば、電極において使用されている金属の化合物、及びナノ粒子、１又は複数のタンパク質、１又は複数のポリマ、又はナノ粒子、タンパク質、及びポリマの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことができる。
カーボンナノ粒子は、異なる供給源から製造できる。これらは、アミノ酸、非アミノ有機酸、アルコール、アルカン、単糖類、及び生物学的物質等の供給源から製造できる。特定の供給源には、メタン、エタノール、エタン、クエン酸、グルコン酸、グルクロン酸、グルコサミン、ガラクトサミン、フルクトサミン、マンノサミン、及び卵等の他の炭素源が含まれる。カーボンナノ粒子は、適切ないかなる形態であってもよく、例えば、カーボンナノチューブ（単層又は多層）、グラフェン、フラーレン、ダイヤモンド、カーボン量子ドット、グラフェン量子ドット、アモルファスカーボン、又はカーボンナノファイバからなるグループから選択される形態、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせであってもよい。カーボンナノ粒子は、平面状、円盤状、円筒状、球状、又は不規則な形状等のグラファイト構造を有していてもよい。カーボンナノ粒子は、蛍光性であっても非蛍光性であってもよい。
カーボンナノ粒子は、修飾してもよく、例えば、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物をカーボンナノ粒子に共有結合させてもよい。更に、カーボンナノ粒子は、カルボキシル基及びチオール基を含む疎水性化合物で修飾してもよい。この修飾は、カルボジイミド結合又はシッフ塩基共役結合（Ｓｃｈｉｆｆ ｂａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ）等の従来の手法を用いて行うことができる。アミン基及びチオール基を含む疎水性化合物は、４−アミノチオフェノール又は５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾール等の複数の化合物のいずれか１つであってもよい。カルボキシル基及びチオール基を含む疎水性化合物は、５−カルボキシ−２−メルカプトベンズイミダゾール又は同様の構造を有する化合物であってもよい。また、アミン基及びチオール基を含む疎水性化合物は、芳香族基を含んでいてもよく、これにより、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させることができる。
疎水性化合物は、例えば、４−アミノチオフェノール、５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾール、５−カルボキシ−２−メルカプトベンズイミダゾール、チオフェノール、２−ナフタレンチオール、及び９−アントラセンチオール等のアミン基、チオール基、芳香族基、及びカルボキシル基を含む化合物であってもよい。
ナノ粒子は、ナノ粒子が所望の機能を有し、固体電極の動作を妨げない限り、任意の適切なサイズ及び形状を有することができる。ナノ粒子は、通常、小さく、１００ナノメートル以下の平均直径を有することができ、この平均直径は、一実施形態では５０ナノメートル以下、別の実施形態では２０ナノメートル以下、別の実施形態では１５ナノメートル以下、更に別の実施形態では１０ナノメートル以下である。
ナノ複合材料は、接着タンパク質又はアミロイドナノフィブリル等のタンパク質、又は接着タンパク質又はアミロイドナノフィブリルの混合物等のタンパク質の混合物を含んでいてもよい。タンパク質の１つの例は、接着タンパク質、例えば、イガイタンパク質であり、これは、天然の接着剤とみなすことができる。ナノ複合材料に使用されるタンパク質の量は、変化させてもよいが、０．７ミリグラム／ミリリットル（ｍｇ／ｍｌ）以下、一実施形態では０．５ｍｇ／ｍｌ以下、更に別の実施形態では０．１ｍｇ／ｍｌ以下である。
ナノ複合材料は、プロトフィラメントとしても知られているアミロイド型ナノフィブリル等のタンパク質を含むことができる。タンパク質及びフィブリノーゲン等のポリペプチドを組み合わせて、アミロイド型ナノフィブリルを形成できる。アミロイド型ナノフィブリルの量は、変化させてもよいが、０．７ミリグラム／ミリリットル（ｍｇ／ｍｌ）以下、一実施形態では０．５ｍｇ／ｍｌ以下、更に別の実施形態では０．１ｍｇ／ｍｌ以下である。ナノ複合材料が接着タンパク質又は接着タンパク質の混合物、及びアミロイド型ナノフィブリル又はアミロイド型ナノフィブリルの混合物を含む場合、各成分の濃度は、変化させてもよいが、一実施形態では、接着タンパク質又は接着タンパク質の混合物及びアミロイド型ナノフィブリル又はアミロイド型ナノフィブリルの混合物の合計濃度は、０．７ミリグラム／ミリリットル（ｍｇ／ｍｌ）以下、一実施形態では０．５ｍｇ／ｍｌ以下、更に別の実施形態では０．１ｍｇ／ｍｌ以下であり、ナノ複合材料中の各成分は、この合計濃度内で任意の濃度を有することができる。
ここに提供する固体参照電極を製造する方法は、表面を有する金属電極を準備することと、金属電極において使用されている金属の化合物、並びにナノ粒子、１又は複数のタンパク質、及びポリマ、又はナノ粒子の少なくとも１つを含む組み合わせを含むナノ複合材料を金属表面の少なくとも一部の上に付着させることとを含む。
ナノ複合材料は、物理的堆積又は電気化学的堆積のいずれかを用いて金属電極の表面に付着させることができる。
物理的堆積とは、化学的堆積を含む、ナノ複合材料を電極の表面に付着させるために電圧を使用しないあらゆる堆積を意味する。電極において使用されている金属の化合物は、酸化剤を用いて金属表面を酸化させることにより作成できる。酸化剤は、電極において使用されている金属の化合物を含む層、又は電極において使用されている金属の化合物及びナノ複合材料を含む層の堆積後に洗い流すことができる。一例では、物理的堆積は、溶液内でナノ粒子を酸化剤と混合して、複合溶液を形成することと、複合溶液を表面に適用して複合固体電極を作成することとを含む。酸化剤の濃度は、所望の結果を達成するための任意の適切な濃度とすることができ、０．５モル（Ｍ）±０．２５Ｍ、一実施形態では、０．１Ｍ±０．０５Ｍとすることができる。
酸化剤は、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、塩化鉄（ＩＩＩ）、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、過酸化水素、塩素酸塩、クロム酸塩、又はヨウ素酸塩であってもよい。
ナノ複合材料は、タンパク質、１又は複数のポリマ、又はナノ粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことができ、タンパク質、１又は複数のポリマ、又はナノ粒子、又はその組み合わせは、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、酸化剤と混合してもよい。
電気化学的堆積は、ナノ複合材料を電極の表面に付着させるために電圧を使用する。電気化学的堆積は、酸溶液中の表面に電圧を印加し又は電流を流して、金属電極において使用されている金属の化合物によりコーティングされた表面を形成することと、金属電極において使用されている金属の化合物でコーティングされた表面上にナノ複合材料を電気化学的に堆積させることとを含む。一例では、電気化学的堆積は、表面に電圧を印加し又は電流を流して、金属電極のナノ粒子の複合材料がコーティングされた表面において使用される金属の化合物を生成することを含む。一例として、電気化学的堆積は、２０μＡの電流を１分間又は２分間流すことによって行うことができる。酸溶液は、硫酸溶液、硝酸溶液、塩化カリウム、酸性化塩化カリウム、塩酸で酸性化した塩化カリウム、塩酸溶液、リン、又はリン酸等であってもよい。
体液等の流体のパラメータを判定するためのバイオセンサは、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、イオン選択膜又は金属酸化物、又は特定の化学物質又は分析物と結合するように修飾された別の化学的選択性を有する膜を含む作用電極と、基板の上面に配置された、ここに記述する電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、体液又は測定される他の流体と接触すると、電気的に接続され、バイオセンサは、基板の底面又は上面を介して、例えば、ヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付けることができ、又は作用電極をヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付ける若しくは接触させることができる。
表面の１つは、デバイスに電気的に接続できる。この接続は、はんだ付け、パッド、ピン等による任意の形態の電気的接続を介して行うことができる。
体液は、汗、唾液、血液、尿、皮脂、涙、皮膚間質液、又は膣液、精液、月経血、脳脊髄液、リンパ液、母乳、耳垢／耳ろう、糞便、嘔吐物、胆汁、若しくは粘液を含む他の任意の分泌物であってもよい。体液のパラメータは、Ｈ＋（ｐＨ）、Ｎａ＋、Ｍｇ２ ＋、ＮＯ３ −、ＮＨ４ ＋、Ｋ＋、Ｃａ２ ＋、Ｃｌ−、ＣＯ３ ２−、テストステロン、卵胞刺激ホルモン（follicle stimulating hormone：ＦＳＨ）、エストロゲン、尿素、クレアチニン、プロゲステロン、アンドロステンジオン、グルコース、サイトカイン、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又はベータ−ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）、化合物等であってもよい。また、体液のパラメータは、コルチゾール、クレアチニン、尿素、グルコース、乳酸、酸、塩、カチオン、サイトカイン、ドーパ、ドーパミン、薬物、アヘン剤、ブプレノルフィン、アンフェタミン、ガンマヒドロキシブチラート、エタノール、コカイン、アルコール、代謝産物、異化代謝産物、ダイオキシン、生体異物、有機化合物、マイコトキシン、金属、亜鉛、鉛、水銀、カドミウム、プタラート、ヒ素、シアン化物、ＢＰＡ、環境毒素、工業用金属及び毒素等であってもよい。これらの分析物は、体液を感知するためのものを列挙しているが、分析物はこれらに限定されず、センサは、環境分析用の水及び／又は食物サンプル等、様々なサンプルにおいて、分析物レベルを検出するために用いることもできる。バイオセンサは、ヒト又は哺乳動物、特にヒト又は哺乳動物の雌の受精能状態と相関する可能性があるバイオマーカ等のパラメータを測定できる。バイオセンサは、例えば、疾患状態又は栄養欠乏を示すイオンの変化を測定できる。バイオセンサは、侵襲的検査なしで血液パネルと同様の測定を行うために使用できる。バイオセンサは、例えば、糖尿病のためのグルコース、又は嚢胞性線維症のための塩化物等、疾患状態と相関するバイオマーカの変化を測定できる。塩化物は、膜選択電極を用いて測定でき、他の分析物は、作用電極を特定の生体認識要素で修飾することによって測定できる。生体認識要素の例は、酸化還元プロセスによるグルコース感知のためのグルコースオキシダーゼ、尿素感知のためのウレアーゼ、クレアチニン感知のためのクレアチニンデイミナーゼ、カルシウム感知のためのコンフォメーション変化を起こすカルモジュリン等である。尿素及びクレアチニンは、酵素プロセス中に放出されたアンモニウムイオンの濃度を測定することによって間接的に感知することもできる。細胞の状態を示す生化学物質であるサイトカインは、バイオセンサによっても測定できる。サイトカインは、癌、感染及び外傷についてのバイオマーカであることが知られている。サイトカインは、非常に低濃度で体液中に放出される。例えば、一実施形態では、固体参照電極は、表面を有する金属電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体作用電極は、生体認識要素、又は酸化還元対で修飾され、例えば、酸化還元プロセスによるグルコース感知のためのグルコースオキシダーゼを使用し、特定の分析物を検出し、固体参照電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出でき、電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト以内、例えば、３ミリボルト以内で安定する。
体内で産生される代謝産物内には、遺伝子に影響を及ぼすと考えられるものもある。バイオセンサを用いてこれらの代謝産物を分析でき、これらは電気化学的に検出できる小分子である。汗の組成は、身体の重要な体組織、例えば、筋肉、心臓、腎臓、消化管、肺、甲状腺、及び脳等の状態を示すことができる。様々な研究により、汗組成の変動及び特定のバイオマーカの存在は、特定の健康状態の存在、発現、又はその傾向を示すことが知られている。汗中の高レベルのカリウムは、心臓病及び腎不全の早期マーカである。カルシウムの不足は、ビタミンＤ欠乏症及び／又は甲状腺障害の可能性を示す。汗中のカルシウムレベルの上昇は、一般的に、癌、例えば、肺癌に関連付けられる。イオン変動は、月経周期及び妊娠期間中の周期的パターン、閉経、妊娠中の子癇前症、抗生物質、化学療法、及び放射線治療の影響、脳震盪、脳卒中、胃腸病、栄養不良、ビタミン及びミネラルの欠乏症、肉体的及び心理的ストレス、並びに他の多くの健康状態又は生理学的状態を示す。汗中の特定のＤＮＡ及びＲＮＡ及び他の分析物の存在は、特定の癌の存在及びこれらが転移したかどうか、並びにアレルゲン及び他の健康状態を示すことができる。バイオセンサは、また、パーキンソン病又はドーパ又はドーパミンレベルを監視又は診断するために使用できる。また、バイオセンサは、例えば、湿度、心拍数、動き、インピーダンス、及び温度を含む任意の種類の追加のセンサを含むことができる。
汗には、他にも多くの物質が含まれており、例えば、アミノ酸及び尿素等の含窒素化合物、カリウムイオン、ナトリウムイオン、及び塩化物イオン等の金属イオン及び非金属イオン、乳酸塩及びピルビン酸塩等の代謝酸物、化合物（例えば、グルコース）、生体異物（例えば、薬物分子、毒素（例えば、ヒ素又はシアン化物））、並びに、マイコトキシン、有機化合物、ＢＰＡ、プタラート、重金属類（例えば、ヒ素、カドミウム、鉛、水銀等）を含む汚染・化学・環境毒素等が含まれている。疾患又は不自然な状態では、汗は、更なる分析物又は疾患関連の生体分子を含むことがあり、例えば、特定の状態又は曝露に特有の物質を含むことがある。
これらのセンサは、代謝パネル（他の代謝物又は分析物、例えば、グルコース等の任意の組み合わせ）の一部として分析物を検出するために使用できる。これは、血液又は尿の基本代謝パネル又はクレアチニン／アルブミン又はクレアチニン／血液尿素窒素試験の代用として又はこれと連動として使用できる。
一般に、基本代謝パネルには、塩化物、カリウム、ナトリウム、重炭酸塩、クレアチニン、血中尿素窒素量（Ｂｌｏｏｄ Ｕｒｅａ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ：ＢＵＮ）等の分析物の任意の組み合わせ又はサブセットが含まれる。汗の基本的な代謝パネルを監視するためのパッチの形式のマイクロ電極は、センサの組み合わせを使用して、塩化物、カリウム、ナトリウム、クレアチニン、炭酸塩、及び尿素を検出できる。尿素は、酵素ウレアーゼによる尿素分解の副産物であるアンモニウムを測定することによって間接的に検出できる。
尿素は、電極上の酵素ウレアーゼ又はナノ物質と組み合わせて電気化学的に分析できる。尿素は、汗で判定でき、汗中では、血清中の３．６倍のレベルを有することが判明している。別の実施形態では、生体流体中の尿素濃度を測定する手段は、尿素を直接検出する代わりに尿素の副生成物を検出する。例えば、ウレアーゼ酵素は、尿素を分解して重炭酸塩及びアンモニウムを生成する。ウレアーゼ酵素は、作用マイクロ電極上のイオン選択膜に付着させることができ、これにより、アンモニウム副生成物を検出できる。
分子インプリントポリマは、分析物の電気化学的分析に使用でき、例えば、分子インプリントポリマを使用して、尿素及びクレアチニンを検出できる。一実施形態では、ポリマ中に尿素をインプリントし、そして、イオン選択膜を作成するために使用される標準的な手順を使用して、インプリントされたポリマを尿素選択膜に組み込む。
統合型デバイスにおいて、クレアチニンデイミナーゼ等の酵素を使用して、クレアチニン等の分析物を検出できる。一実施形態では、分析物の副生成物を検出することによって、分析物の測定を補強してもよく、分析物を間接的に感知してもよい。例えば、クレアチニンにより、アンモニウムイオンが生成され、アンモニウムイオンは、クレアチニンによってインプリントされたポリマを含有する膜を有する電極によって検出できる。尿素と同様に、クレアチニンデアミナーゼと作用電極上に固定化されたアンモニウム選択膜の組み合わせを用いて、クレアチニンの分析を行うことができる。
［透析／腎機能］
現在、腎機能は、カリウム、塩化物、炭酸塩、及びナトリウム等を含む幾つかのバイオマーカを測定する血液採取によって判定されている。これらのバイオマーカは、ここに開示するセンサによって、汗から検出でき、低コストの用途で使用でき、様々な患者、特に重要な患者として、腎臓病及び心臓病患者、並びに透析患者又は移植を受けた患者について、腎機能を継続的に追跡し、これらの個々のニーズに応じて、透析量、投薬量、その他の治療量を調整でき、並びに、腎疾患、腎不全、脳卒中又は心臓事象の前又は間の状態の早期診断を提供できる。
現在、腎機能は、カリウム、塩化物、炭酸塩、及びナトリウム等を含む幾つかのバイオマーカを測定する血液採取によって判定されている。これらのバイオマーカは、ここに開示するセンサによって、汗から検出でき、低コストの用途で使用でき、様々な患者、特に重要な患者として、腎臓病及び心臓病患者、並びに透析患者又は移植を受けた患者について、腎機能を継続的に追跡し、これらの個々のニーズに応じて、透析量、投薬量、その他の治療量を調整でき、並びに、腎疾患、腎不全、脳卒中又は心臓事象の前又は間の状態の早期診断を提供できる。
［アンチドーピング／不正薬物／アルコール依存症］
汗は、アンチドーピング試験のための理想的な体液である。人間が１日で汗をかく量は、３００〜７００ｍＬである。多くの違法物質は、定量化可能な量で、汗から排泄されると報告されており、ここに記載されているセンサで測定できる物質は、アヘン剤、ブプレノルフィン、アンフェタミン、ガンマヒドロキシブチラート、エタノール、及びコカイン等を含む。多くの薬物の検出期間は、尿中では、僅か２〜３日であるが、これらの薬物は、汗中で数週間検出できる。更に、これらの分析物は、汗中で時間の関数として測定できる。例えば、時間の関数として測定された汗中のエタノール濃度を使用して、アルコール摂取及び吸収レベルを分析できる。
汗は、アンチドーピング試験のための理想的な体液である。人間が１日で汗をかく量は、３００〜７００ｍＬである。多くの違法物質は、定量化可能な量で、汗から排泄されると報告されており、ここに記載されているセンサで測定できる物質は、アヘン剤、ブプレノルフィン、アンフェタミン、ガンマヒドロキシブチラート、エタノール、及びコカイン等を含む。多くの薬物の検出期間は、尿中では、僅か２〜３日であるが、これらの薬物は、汗中で数週間検出できる。更に、これらの分析物は、汗中で時間の関数として測定できる。例えば、時間の関数として測定された汗中のエタノール濃度を使用して、アルコール摂取及び吸収レベルを分析できる。
［職業性／環境毒性暴露］
多くの有毒な金属及び物質が発汗によって排泄される。これらの金属の多くは、体内の異種代謝物（陽イオン又は塩）に変換され、続いて汗に可溶化する。幾つかの金属（例えば、カドミウム及び鉛）の排泄された汗濃度は、尿に匹敵することがあり、したがって、汗は、尿検査の代替として使用できる。ここに記述するセンサは、金属イオンを検出できるので、鉛、水銀、カドミウム、並びに他の毒性物質、例えば、シアン化物、及び他の毒性物質を検出するように適合化できる。
多くの有毒な金属及び物質が発汗によって排泄される。これらの金属の多くは、体内の異種代謝物（陽イオン又は塩）に変換され、続いて汗に可溶化する。幾つかの金属（例えば、カドミウム及び鉛）の排泄された汗濃度は、尿に匹敵することがあり、したがって、汗は、尿検査の代替として使用できる。ここに記述するセンサは、金属イオンを検出できるので、鉛、水銀、カドミウム、並びに他の毒性物質、例えば、シアン化物、及び他の毒性物質を検出するように適合化できる。
［汗中の薬物蓄積］
汗腺は、腎臓及び肺のように、薬物やその代謝産物のための排泄器官として機能する。多くの薬物は、塩基性のｐＫａを有し、汗の酸性度が高いために、血中よりも汗中に蓄積することが知られている。汗中の薬物の濃度は、投与過剰、投与不足、並びに過剰摂取、薬物挙動及び効果等の投与量情報を決定するために使用できる。これは、臨床試験、薬物動態学、法医学、及び薬物試験における用途を有する。
汗腺は、腎臓及び肺のように、薬物やその代謝産物のための排泄器官として機能する。多くの薬物は、塩基性のｐＫａを有し、汗の酸性度が高いために、血中よりも汗中に蓄積することが知られている。汗中の薬物の濃度は、投与過剰、投与不足、並びに過剰摂取、薬物挙動及び効果等の投与量情報を決定するために使用できる。これは、臨床試験、薬物動態学、法医学、及び薬物試験における用途を有する。
血液及び他の生体流体の間の水不溶性薬物の輸送は、他の生体流体のｐＨ及び薬物のｐＫａに依存し、これらは、ヘンダーソン・ハッセルバルヒ（Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ−Ｈａｓｓｅｌｂａｃｈ）の式を用いた薬物の生体−血漿中濃度比の理論的計算に役立つ。血漿と汗との間の濃度勾配は、血漿から脂質二重層を介して汗に至る薬物の遊離画分の受動的拡散を促進する。
［他の健康用途］
糖尿病マーカは、汗中に存在することが知られており、これは、汗の組成及び汗のグルコースと血糖値との間の相関関係を含む。幾つかの研究によって、肺癌患者の汗代謝産物と健康な被験者の汗代謝産物との間に差異があることが観察されている。デルマシジン（ＤＣＤ）、４７のアミノ酸を含むペプチド及びプロラクチン誘発性タンパク質（ＰＩＰ）は、汗内に存在する予後マーカとして使用できることが知られている。ＤＣＤは、腫瘍形成における細胞増殖を促進し、浸潤性乳癌及びリンパ節転移の存在下で過剰発現することが知られている。ＰＩＰは、転移性乳癌及び前立腺癌において過剰発現されることが知られている。汗中の他の予後バイオマーカは、統合失調症及び嚢胞性線維症の診断に使用され、近年では、パーキンソン病とも関連付けられている。
糖尿病マーカは、汗中に存在することが知られており、これは、汗の組成及び汗のグルコースと血糖値との間の相関関係を含む。幾つかの研究によって、肺癌患者の汗代謝産物と健康な被験者の汗代謝産物との間に差異があることが観察されている。デルマシジン（ＤＣＤ）、４７のアミノ酸を含むペプチド及びプロラクチン誘発性タンパク質（ＰＩＰ）は、汗内に存在する予後マーカとして使用できることが知られている。ＤＣＤは、腫瘍形成における細胞増殖を促進し、浸潤性乳癌及びリンパ節転移の存在下で過剰発現することが知られている。ＰＩＰは、転移性乳癌及び前立腺癌において過剰発現されることが知られている。汗中の他の予後バイオマーカは、統合失調症及び嚢胞性線維症の診断に使用され、近年では、パーキンソン病とも関連付けられている。
ここに記述するセンサは、ここに記述する物質を検出するために使用できる。
バイオセンサは、任意の適切なサイズ及び形状を有することができる。例えば、バイオセンサの厚さは、０．５〜１０ミリメートルとすることができる。
作用電極、参照電極、及びバイオセンサの他の構成要素は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキ等の技術を用いて基板に堆積させることができる。基板は、可撓性又は剛性ポリマ、繊維、マット、ガラス、金属基板、又は他の印刷材料であってもよい。基板は、非導電性であってもよい。基板は、導電性であってもよい。基板と電極との間に中間層が存在してもよい。
固体電極、方法、及びバイオセンサは、以下の非限定的な実施例によって更に説明される。
ここに記載された説明に基づき、センサ及びそのコンポーネント、例えば、固体作用電極及び参照電極等を作製するための特別な設備を準備してもよい。
汗分析物測定値は、単独で使用してもよく、他の分析物、バイオマーカ、生理学的データ、環境データ、ユーザデータ又は母集団データ、及びパターン認識、又は情報学と組み合わせて、測定される生体の状態又は健康状態を判定してもよい。固体電極の測定値の変化は、正確な測定レベル、又は同じセンサの他の測定値に対するこれらの値、又は他のバイオマーカの測定値、センサ、又は母集団データ又はユーザデータ等のデータに対するこれらの値を使用するアルゴリズムによって監視できる。時間の経過に伴うセンサ又は固体電極測定のドリフト又は変化、又は時間の経過に伴うデータポイントの蓄積を分析して、分析物濃度の判定を補助するようにしてもよい。Ｚスコア、正規化、及び他のデータモデリング法を分析に使用してもよい。この情報は、分析物のレベルを示すために使用でき、また、ある症状の存在（例えば、癌）、症状の状態、又は症状への傾向を認識するためにも使用できる。センサ又は複数のセンサを構成する電極自体の測定を相互に比較することによって、分析を補助してもよい。作用電極と参照電極との間の差等の電極間の差を用いて分析物レベルを判定できる。一実施形態では、一方の電極は、他方の電極に対して接地されており、比較のための単一の差分値を得る。他のケースとして、分析において、電極測定値を個別に使用してもよい。同じ分析物の追加の測定値を提供することによって、又は別の分析物を選択することによって、追加の電極を分析物のレベルの分析に使用してもよく、包括的に電極の測定に影響を与える可能性がある他の影響を検出するために追加の電極を使用してもよい。例えば、通常の２電極システムは、対電極等の追加の電極を利用して、電流の変動を監視できる。更に、対電極によって、参照電極から電流を引き込むこともでき、これは、参照電極の組成の保存に役立つ。幾つかのインプットが他のインプットの分析に影響を及ぼすインプットのグループ（例えば、温度に影響されるｐＨレベル、電流変動に影響される分析物レベル）をデータモデルと連携させてバイオマーカーレベルを概算してもよい。
固体電極及びセンサからのデータは、電子デバイスによって収集して分析してもよく、ネットワークを介して携帯電話等の外部デバイスに送信して分析してもよく、或いは、分析のために手動でソフトウェアに入力してもよい。
これらの例の多くは、２電極システム（固体作用電極及び固体参照電極）を含むが、これは例示的なものであり、特許請求の範囲は、これに限定されず、他の実施形態は、任意の数の電極を使用する電極システムを含むことができる。例えば、イオンのバイオセンサは、作用電極、参照電極、及び対電極を有することができる。一実施形態では、電極システムは、複数の電気化学セルを有し、各電気化学セルは、１又は複数、例えば１〜５個、１〜１５個、又は１〜２５個の電極を有する。電極システムは、電極を共有する複数の電気化学セルを有することができる。一実施形態では、電極システムは、それぞれが自らの作用電極を有する電気化学セルのアレイと、共有された参照電極とを有していてもよく、これらのセルは、セル及び電極と接触している同じサンプル内の別個の分析物を感知できる。
＜実施例＞
［物理的堆積］
固体電極を準備するための物理的堆積プロセスは、包括的に以下のステップを含む。金属電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。ナノ粒子を化学的に修飾して表面電荷を減少させ、次に、金属電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。そして、タンパク質、強く接着するタンパク質、１種以上のポリマ、例えば、アミロイド型ナノフィブリル、又はＰＶＢを付着させて、拡散障壁として作用させる。幾つかの実施形態では、タンパク質、及びナノ粒子、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子のナノ複合材料を使用して、固体電極を保護できる。例えば、土壌サンプル等、幾つかのサンプル媒体又はデバイスの設定によって、又はセンサが摩擦に晒され若しくは外部表面と直接接触して配置される場合、センサが摩耗することがあるため、タンパク質及びナノ粒子の「強靭な」ナノ複合材料で固体電極を保護することが望ましい場合がある。この保護がなければ、例えば、土壌粒子又は摩擦によって、固体電極が侵食されることがある。固体電極浸食は、そのデバイスが、浸食されない固体電極ほどの耐久性を有さないことを意味する。固体電極の保護は、例えば、薬物懸濁液及び環境水サンプル等、電極を損傷するおそれがある粒子を含む可能性がある他の分析物に対しても使用できる。センサを摩耗させる性質がある土壌のｐＨ検出の場合、イガイ接着タンパク質等のタンパク質、及び二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子等のナノ粒子のナノ複合材料を使用して固体電極を保護できる。このような保護がなければ、土壌粒子が固体電極を侵食する可能性がある。固体電極浸食は、そのデバイスが、浸食されない固体電極ほどの耐久性を有さないことを意味する。
［物理的堆積］
固体電極を準備するための物理的堆積プロセスは、包括的に以下のステップを含む。金属電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。ナノ粒子を化学的に修飾して表面電荷を減少させ、次に、金属電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を金属電極表面上に堆積させ、固体電極を形成する。そして、タンパク質、強く接着するタンパク質、１種以上のポリマ、例えば、アミロイド型ナノフィブリル、又はＰＶＢを付着させて、拡散障壁として作用させる。幾つかの実施形態では、タンパク質、及びナノ粒子、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子のナノ複合材料を使用して、固体電極を保護できる。例えば、土壌サンプル等、幾つかのサンプル媒体又はデバイスの設定によって、又はセンサが摩擦に晒され若しくは外部表面と直接接触して配置される場合、センサが摩耗することがあるため、タンパク質及びナノ粒子の「強靭な」ナノ複合材料で固体電極を保護することが望ましい場合がある。この保護がなければ、例えば、土壌粒子又は摩擦によって、固体電極が侵食されることがある。固体電極浸食は、そのデバイスが、浸食されない固体電極ほどの耐久性を有さないことを意味する。固体電極の保護は、例えば、薬物懸濁液及び環境水サンプル等、電極を損傷するおそれがある粒子を含む可能性がある他の分析物に対しても使用できる。センサを摩耗させる性質がある土壌のｐＨ検出の場合、イガイ接着タンパク質等のタンパク質、及び二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子等のナノ粒子のナノ複合材料を使用して固体電極を保護できる。このような保護がなければ、土壌粒子が固体電極を侵食する可能性がある。固体電極浸食は、そのデバイスが、浸食されない固体電極ほどの耐久性を有さないことを意味する。
電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子とを組み合わせることによって形成されたナノ複合材料は、良好な安定性を示す。ここで、以下のような実験を行った。６５マイクロリットル（μｌ）の溶液の液滴によって固体参照電極及び作用電極を覆い、バッテリで駆動されるパワーユニットのスイッチを入れることによって動作を開始した。動作は、毎日１５分から６０分の範囲の期間行なった。試験が必要なセンサの数が多いため、デバイスを毎日最大１時間試験した。実験結果に基づいて以下の観察を行った。固体電極は、非分極性である。すなわち、異なるｐＨ及び脱イオン（ＤＩ）水の緩衝液を試験のサンプルとして回転させた場合、特定の緩衝液毎にその電位が維持された。塩化物、リン酸塩、シュウ酸塩及び硫酸塩等の異なる種類のイオンを含む様々な緩衝溶液を使用したが、電位に有意の変化はなかった。センサの試験を行い、そのデータサンプリングを、比較のための酸化グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ Ｏｘｉｄｅ：ＧＯ）を用いる電極と共に表１に示す。ＧＯ法（表１）では、最初の３つの試験で電極が急速に崩壊し、平衡に達することが困難であることが示された。一方、ここに開示するセンサは、数ヶ月以上に亘って試験の間にセンサを修正又は較正することなく、目標ｐＨ値の０．０２以内で、正確なｐＨレベルを繰り返し検出できることが示された。目標ｐＨからの平均距離は、０．０２であり、標準偏差は、＋／−０．０２であり、平均ｍＶ変化は、１．４４であった。これらのセンサは、市販の高分解能マクロｐＨメータと同様の感度を示している。多くの標準的な市販のｐＨ計及び試験片は、標準偏差は、＋／−０．１〜１ｐＨ単位の程度である。ｐＨ４〜ｐＨ７の間では、ここに記述する手法で製造された固体参照電極は、１時間の試験動作で５ヶ月間の定期試験に亘って、測定された電位に大きなドリフトを示すことなく、２ｍＶ以内の安定した値を示した。表１及び図１は、本明細書に記載された方法によって製造された安定な固体電極を示す。図２は、ここに開示するように参照電極を修飾することなく、図１に示すセンサデバイスと同じ条件を使用して試験を行った場合の酸化グラフェンセンサデバイスのｐＨ安定性を示している。これらのデータは、異なる条件で試験したときに電極が優れた安定性を維持できることを示している。固体電極は、分析されたイオンについて１０−４の濃度までの感度を示し、これは、汗中の多数の分析物の検出範囲内にある。表のデータは、少なくとも５ヶ月間行われた実験に基づいており、この実験では、センサを修飾及び／又は較正することなく、繰り返し試験した。
ナノ粒子を付着させて安定した固体参照電極を製造する別の実施形態は、修飾されたナノ粒子を使用することを含む。この手法では、まず、ナノ粒子を、共有結合を介してアミン基及びチオール基を含有する疎水性化合物で修飾する。また、ナノ粒子は、カルボキシル基及びチオール基を含有する疎水性化合物で修飾してもよい。チオール含有化合物は、金属原子と強く相互作用することが知られている。ナノ粒子の表面修飾により、表面電荷が低下する。チオール含有化合物は、既知の化学反応によって、アミン基を使用してナノ粒子に付着させることができる。修飾されたナノ粒子は、酸化剤と組み合わせて物理的堆積を使用することによって、金属電極において使用されている金属の化合物に付着させることができる。修飾されたナノ粒子は、チオール基を介して、電極において使用されている金属の化合物中の金属原子と強く相互作用し、強固な構造を実現する。更に、これらのナノ粒子は、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させる。電極において使用されている金属の化合物の溶解性が低下することにより、固体参照電極からこれらの化合物が失われる速度を遅くすることができる。
固体電極を安定化するための別の代替的な手法として、タンパク質及び／又はポリマを電極に付着させてもよい。タンパク質は、酸化剤及びナノ粒子と混合され、金属電極に物理的に付着され、これにより、表面に強く付着する複合材料が形成される。また、これらのタンパク質は、上述のように修飾された電極の上の薄層としても使用される。幾つかの場合、酸化剤を用いてタンパク質の架橋を促進できる。幾つかの場合、電極を効果的に封入するためにタンパク質が架橋されていることが重要である。架橋は、タンパク質に物理的安定性を付与すると考えられている。ポリマ又はペプチドは、ナノ複合材料固体参照電極を製造するためのタンパク質と同じ手法で、酸化剤及びナノ粒子と混合できる。電極上には、タンパク質と同様に、拡散障壁として作用するポリマの最上層を堆積させることもできる。
表面への強い接着性を示すポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等のポリマを使用できるが、強く結合する特性を示すいかなるポリマを使用してもよい。
表面への強い接着性を示すアミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、接着タンパク質、イガイタンパク質等のタンパク質又はその組み合わせを使用できる。
電気化学的堆積
電気化学的堆積
固体電極を準備するための電気化学的堆積プロセスは、包括的に以下のステップを含む。電極において使用されている金属の化合物及びナノ粒子の金属電極表面への電気化学的堆積では、ナノ粒子を化学的に修飾して表面電荷を低下させ、電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子を電極表面に電気化学的に堆積させる。そして、拡散バリアとして作用するタンパク質及び／又はポリマを電気化学的に付着させる。
電極において使用されている金属の化合物を電極の金属表面に電気化学的に堆積させるために、例えば、１Ｍ又は２Ｍの酸を使用し、電圧を印加し又は電流を流す。一例として、２０μＡの電流を１分間又は２分間流してもよい。電圧の印加によって、金属電極表面上に金属電極において使用されている金属の化合物のコーティングが形成される。溶液からのナノ粒子の電気化学的堆積は、金属電極において使用されている金属の化合物の堆積層上で行われる。ナノ粒子は、酸化還元プロセスによって、金属電極において使用されている金属の化合物の層に付着する。溶液中の成分の量、電荷、及び当技術分野で知られている他の因子に基づいて、金属電極において使用されている金属の化合物を含む表面の一部又は金属電極において使用されている金属の化合物の表面全体をナノ粒子でコーティングできる。
電極において使用されている金属の化合物の層をナノ粒子で覆うことに加えて、電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子とを混合した複合材料を作製してもよい。溶液中で酸をナノ粒子と混合し、混合溶液を電極に塗布してもよい。次に、電極に電圧を印加し、電極において使用されている金属の化合物−ナノ粒子の複合材料を電気化学的に電極表面に付着させる。電気化学的プロセスのために、電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子とが化学的に結合し、強固な電極が得られる。
先に化学的に修飾され、次に電極において使用されている金属の化合物と共に堆積されるナノ粒子は、上述したように使用できる。アミン基、チオール基及び芳香族基を含む疎水性化合物を一例として使用する。次に、修飾されたナノ粒子を酸と混合して溶液を形成する。溶液混合物を電極表面に塗布し、電極に電圧を印加する。電圧の印加によって、電極において使用されている金属の化合物と共にナノ粒子が電極表面に電気化学的に堆積する。チオール修飾ナノ粒子は、電気化学的プロセスの間に、電極において使用されている金属の化合物中の金属原子と強い結合を形成する。この強い結合により、構造が安定する。更に、ナノ粒子に付着した疎水性の芳香族基は、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させる。出願人は、如何なる理論にも拘束されることを望まないが、電極において使用されている金属の化合物の溶解性を低下させることは、動作の間に電極から化合物が失われる速度を遅くする点で有用であることが知られている。
物理的堆積方法と同様に、電気化学的方法を用いて準備された電極にもタンパク質を付着させることができる。上述の方法を用いて準備された電極は、タンパク質を用いて表面上で修飾される。多くの場合、溶液が水であるタンパク質溶液の液滴を電極に適用する。次に、酸化剤の液滴を電極に加える。タンパク質の種類に応じて、電極を、例えば、３０分間又は一晩放置し、これにより、酸化剤がタンパク質を架橋する。電極の最上層である架橋タンパク質層は、電極において使用されている金属の化合物の損失を減少させる。
ＰＶＢ等のポリマは、有機溶媒内のＰＶＢの溶液をドロップキャスティングすることによって電極に付着させることができる。
特定の例では、タンパク質の存在下で金属電極において使用されている金属の化合物の電気化学的堆積を行う。タンパク質を酸と混合し、溶液を電極上に載置する。電圧を印加し又は電流を流すことによって、電極において使用されている金属の化合物をタンパク質とともに堆積させる。別の手法として、タンパク質をナノ粒子及び酸と混合してもよい。別の手法として、タンパク質をナノ粒子と混合してもよい。電圧を印加すると、金属電極において使用されている金属の化合物、ナノ粒子、及び１又は複数のタンパク質のナノ複合材料が堆積される。
［表面分析］
上に概説した方法によって生成された固体電極は、顕微鏡イメージング及び分光法を用いて特徴付けられる。イメージングのための顕微鏡技術には、原子間力顕微鏡（atomic force microscopy：ＡＦＭ）及び走査型電子顕微鏡（scanning electron microscopy：ＳＥＭ）が含まれる。ＡＦＭは、２ナノメートルほどの小さい構造の画像を提供する。ＡＦＭイメージングの詳細は、堆積中に生成される非常に小さなナノ複合材料に関する情報を提供する。一方、ＳＥＭは、生成されるマイクロサイズの構造体及びナノ構造体の分布に関する情報を提供する。分光法は、固体電極の表面上にある化学基を同定するために使用される。電極に取り付けられた材料は、既知であるが、堆積中に化学変化が起こる可能性があり、この結果、これらの材料の化学的性質が変化することがある。分光技術には、赤外分光法（infra-red spectroscopy：ＩＲ）、Ｘ線光電子分光法（x-ray photoelectron spectroscopy：ＸＰＳ）、ラマン分光法、及び蛍光分光法が含まれる。
上に概説した方法によって生成された固体電極は、顕微鏡イメージング及び分光法を用いて特徴付けられる。イメージングのための顕微鏡技術には、原子間力顕微鏡（atomic force microscopy：ＡＦＭ）及び走査型電子顕微鏡（scanning electron microscopy：ＳＥＭ）が含まれる。ＡＦＭは、２ナノメートルほどの小さい構造の画像を提供する。ＡＦＭイメージングの詳細は、堆積中に生成される非常に小さなナノ複合材料に関する情報を提供する。一方、ＳＥＭは、生成されるマイクロサイズの構造体及びナノ構造体の分布に関する情報を提供する。分光法は、固体電極の表面上にある化学基を同定するために使用される。電極に取り付けられた材料は、既知であるが、堆積中に化学変化が起こる可能性があり、この結果、これらの材料の化学的性質が変化することがある。分光技術には、赤外分光法（infra-red spectroscopy：ＩＲ）、Ｘ線光電子分光法（x-ray photoelectron spectroscopy：ＸＰＳ）、ラマン分光法、及び蛍光分光法が含まれる。
［バイオセンサ］
ここに記述する固体電極は、バイオセンサに使用できる。バイオセンサの有用性に影響を及ぼす幾つかの要因には、安定性、感度／分解能、流体輸送、生体適合性材料、使用期間、耐久性、外部の影響要因に対する耐性、及び製造可能性等が含まれる。
ここに記述する固体電極は、バイオセンサに使用できる。バイオセンサの有用性に影響を及ぼす幾つかの要因には、安定性、感度／分解能、流体輸送、生体適合性材料、使用期間、耐久性、外部の影響要因に対する耐性、及び製造可能性等が含まれる。
ナノファブリケーションプロセス又はマイクロファブリケーションプロセスを使用して機能センサを作成する製造プロセスによって、材料を電極上に堆積させることができる。
ここに記述する方法は、準備された電極の組成の再現性を保証する。
センサに使用される固体電極は、マイクロ流体チップ又はスクリーン印刷されたエレクトロニクス及びセンサに使用できる。
例えば、０．０５ｐＨ単位等のｐＨの僅かな変化を検出するためには、３ｍＶ〜５ｍＶの電位差を検出できる敏感な作用電極が必要である。十分に敏感で再現性のある作用電極を提供するために、使用される各材料を適切な厚さにする必要がある。厚さは、膜の表面とバルクサンプルとの間の濃度差を判定する際に重要である。スピンコーティングは、感度試験のために特定の厚さの膜を作製するために使用される１つの技術である。スピンコーティングの後、スピンコート層の真空引きを行うことができる。真空引きにより、膜上に形成される気泡を除去できる。スピンコーティング中に形成される気泡は、感度を低下させ可能性がある膜上の欠陥とみなすことができる。膜を顕微鏡イメージングによってイメージングすることで、スピンコーティング後の膜の厚さに関する情報を得る。膜上の構造的欠陥の存在も顕微鏡イメージングを用いて判定される。膜に欠陥があると、感度は、所望の感度より低くなる可能性がある。欠陥によって、気泡が生じ、所望のイオン以外のイオンが流入してしまうこともある。
他の実施形態は、イオン選択膜等の膜の代わりに金属酸化物を使用することを含む。ｐＨセンサ等の金属酸化物の処理では、ゾル−ゲル合成後に、約４５０℃まで加熱することが含まれることがあり、このために技術的課題がある。これは、この手法を使用するために、センサ材料がこれらの温度に耐えなくてはならないことを意味する。ｐＨ感知に使用できる金属酸化物には、酸化パラジウム、酸化白金、酸化ルテニウム及び酸化亜鉛が含まれる。幾つかの酸化物、例えば酸化亜鉛又は酸化白金は、作用電極に数秒間電流を流すことによって、作用電極上にその場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）形成できる。作用電極上の金属酸化物膜を用いたｐＨの感知は、ｐＨの変化に伴う金属酸化物膜のプロトン化及び脱プロトン化に基づく。金属酸化物膜のプロトン化及び脱プロトン化によって、電極電位が変化する。
センサは、例えば、デュポン社（DuPont）製の伸縮性のあるインクで印刷できる。
流体操作は、固体電極の良好な作業環境を維持するための因子である。デバイスは、汗等の生体流体の間欠的又は連続的な監視に使用できるので、これらの流体のうちのいくつかは、塩及び他の化合物を電極領域上に堆積させることが予想され、これにより、電極性能が低下する。イオン、望ましくない塩、及び他の化合物を洗い流すためのフラッシングシステムを使用することによって、デバイスの適切な動作を継続させることができる。フラッシングシステムは、デバイスと一体化でき、一例では、固体電極に損傷を与える可能性がある高レベルの電解質の存在によってフラッシングシステムをトリガできる。フラッシングシステムは、電極上に脱イオン水等の液体の流れを提供するように配置できる。
バイオセンサは、耐久性を有するべきであり、その理由の一部は、バイオセンサが摩耗する可能性があり、又は皮膚に付着し、若しくは長時間露出される可能性があるためである。液体に敏感な部品のための防水を備えた生体適合性材料を使用して、耐久性を向上させることができる。
化学的選択性を有する安定な作用電極を実現するための１つの手法は、選択膜を取り付ける前に、作用電極上に疎水性導電性ポリマを堆積させることであり、これにより、導電性ポリマは、均一な中間層として作用できる。ポリマの堆積は、スピンコーティング、ドロップキャスティング、又は電解重合によって行うことができる。ポリマは、モノマの電解重合によってその場で合成できる。導電性ポリマは、界面から水を排除でき、電位を安定させる。ポリマは、ポリ（３，４−ジエチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリオクチルチオフェン（ＰＯＴ）、Ｐ３ＨＴ、及びポリテトラフルオロエチレン等の任意の導電性ポリマを含むことができる。これらのポリマは、これらの多用途性に関してよく知られている。
一実施形態では、選択膜を取り付ける前に、導電性ポリマに加えて、作用電極上にナノ粒子の層を堆積させる。ナノ粒子は、物理的又は電気化学的に堆積させることができる。物理的堆積は、ポリマを溶液から電極上にドロップキャスティングすることによって行うことができる。電気化学的堆積は、ナノ粒子の溶液を電極にドロップキャスティングし、次に、電極に電圧を印加することによって行うことができる。電圧の印加によってナノ粒子が酸化し、これにより、ナノ粒子が作用電極に付着する。ナノ粒子は、また、電気化学的プロセスの間に、溶液中の前駆体からその場で生成できる。塩化亜鉛溶液等の溶液中の前駆体に電流を流すことにより、電極上で酸化亜鉛ナノ粒子をその場で生成できる。これにより、疎水性中間層が形成される。疎水性層は、電極から水を排除でき、作用電極の電位を安定させる。
溶液は、例えば、水性又は有機（例えば、エタノール、プロパノール、アセチルニトリル、メタノール）溶液であってもよいが、これに限定されない。
中間層の別の選択肢として、疎水性リガンドで修飾された金ナノ粒子等のナノ粒子を使用してもよい。例えば、５ｎｍから１２ｎｍの間のサイズの粒子を使用できる。ナノ粒子を堆積させる１つの手法は、有機溶媒からのスピンコーティングである。疎水性リガンドは、中間層における集水も排除する。疎水性リガンドは、チオフェノール、２−ナフタレンチオール、９−アントラセンチオールを含むことができる。
中間層の別の選択肢として、疎水性金属酸化物層を使用してもよく、これは、金属の化合物の溶液からの作用電極上への電気化学的堆積によって生成でき、金属は、亜鉛、銅、ニッケル、白金、コバルト、タンタル、又は酸化物層を生成できる他の金属を含む。例えば、塩化亜鉛溶液によって、作用電極上に酸化亜鉛層を生成できる。
複数種類のナノ粒子の組み合わせを用いて中間膜を作製してもよい。
ここに説明した任意のデバイスでは、検出される化学種に応じて、電位差測定又は電流測定を使用して検出を行うことができる。例えば、グルコースオキシダーゼを使用する場合のように、生体認識要素又は酸化還元プロセスを使用する場合には、電流測定が好ましい。
組成、方法、物品、及び他の側面は、以下の実施形態によって更に説明される。
［実施形態］
実施形態１：固体参照電極であって、表面を有する金属電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体参照電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出でき、電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト以内、例えば、３ミリボルト以内で安定する。
実施形態１：固体参照電極であって、表面を有する金属電極と、表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、固体参照電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出でき、電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト以内、例えば、３ミリボルト以内で安定する。
実施形態２：実施形態１の固体参照電極であって、導電性物質は、ゲルである。
実施形態２Ａ：実施形態１の固体参照電極であって、導電性物質は、流体である。
実施形態３：実施形態１の固体参照電極であって、導電性物質は、体液である。
実施形態４：実施形態１、２又は３の固体参照電極であって、固体参照電極は、０．５ｐＨ単位以下、一実施形態では０．０５ｐＨ単位以下のｐＨの変化を検出できる。
実施形態５：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、金ナノ粒子である。
実施形態６：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、銀ナノ粒子である。
実施形態７：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、銅ナノ粒子である。
実施形態８：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、カーボンナノ粒子である。
実施形態９：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化亜鉛ナノ粒子である。
実施形態１０：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、球状カーボンナノ粒子である。
実施形態１１：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化グラフェンである。
実施形態１２：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。
実施形態１３：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、量子ドットである。
実施形態１４：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子である。
実施形態１５：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、グラフェン量子ドットである。
実施形態１６：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化チタンナノ粒子である。
実施形態１７：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化ケイ素ナノ粒子である。
実施形態１８：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、カーボン量子ドットである。
実施形態１９：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、ナノクラスタである。
実施形態２０：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、金ナノクラスタである。
実施形態２１：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、銀ナノクラスタである。
実施形態２２：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化ユウロピウムナノ粒子である。
実施形態２３：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、フラーレンである。
実施形態２４：実施形態１〜４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、酸化鉄ナノ粒子である。
実施形態２５：実施形態１〜２４のいずれか１以上の固体参照電極であって、ナノ粒子は、修飾され、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物がナノ粒子に共有結合している。
実施形態２６：実施形態２５の固体電極であって、疎水性化合物は、４−アミノチオフェノール、５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾール、５−カルボキシ−２−メルカプトベンズイミダゾール、チオフェノール、２−ナフタレンチオール、又は９−アントラセンチオールである。
実施形態２７：実施形態１〜２６のいずれか１以上の固体電極であって、ナノ粒子の平均直径は、２００ナノメートル以下である。
実施形態２８：固体参照電極を製造する方法であって、表面を有する金属電極を準備することと、金属電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、１以上のポリマ、１以上のタンパク質、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むナノ複合材料を、金属表面の少なくとも一部の上に付着させることとを含む。
実施形態２９：実施形態２８の方法であって、付着は、物理的堆積、化学的堆積又は電気化学的堆積である。
実施形態３０：実施形態２８又は２９の方法であって、酸溶液中で表面に電圧を印加し、金属電極において使用されている金属の化合物によってコーティングされた表面を形成することと、金属電極において使用されている金属の化合物によってコーティングされた表面上にナノ複合材料を電気化学的に堆積させることとを更に含む。
実施形態３１：実施形態２８〜３０のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、ナノ粒子を含む。
実施形態３２：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、金ナノ粒子である。
実施形態３３：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、銀ナノ粒子である。
実施形態３４：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、銅ナノ粒子である。
実施形態３５：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、カーボンナノ粒子である。
実施形態３６：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化亜鉛ナノ粒子である。
実施形態３７：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、球状カーボンナノ粒子である。
実施形態３８：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、フラーレンである。
実施形態３９：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、量子ドットである。
実施形態４０：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化グラフェンである。
実施形態４１：実施形態２８−３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。
実施形態４２：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子である。
実施形態４３：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、グラフェン量子ドットである。
実施形態４４：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、カーボン量子ドットである。
実施形態４５：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化チタンナノ粒子である。
実施形態４６：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化ケイ素ナノ粒子である。
実施形態４７：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、金ナノクラスタである。
実施形態４８：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、ナノファイバである。
実施形態４９：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、カーボンナノファイバである。
実施形態５０：実施形態２８−３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、銀ナノクラスタである。
実施形態５１：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化ユウロピウムナノ粒子である。
実施形態５２：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、酸化鉄ナノ粒子である。
実施形態５３：実施形態２８〜３１のいずれか１以上の方法であって、ナノ粒子は、ナノクラスタである。
実施形態５４：実施形態１〜５３のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、電極において使用されている金属の化合物及びナノ粒子を含む。
実施形態５５：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化水銀及びナノ粒子を含む。
実施形態５６：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、硫酸銅及びナノ粒子を含む。
実施形態５７：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化銀及びナノ粒子を含む。
実施形態５８：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化水銀及び金属ナノ粒子を含む。
実施形態５９：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、硫酸銅及び金属ナノ粒子を含む。
実施形態６０：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化銀及び金属ナノ粒子を含む。
実施形態６１：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化水銀及びカーボンナノ粒子を含む。
実施形態６２：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、硫酸銅及びカーボンナノ粒子を含む。
実施形態６３：実施形態１〜５４のいずれか１以上の方法であって、ナノ複合材料は、塩化銀及びカーボンナノ粒子を含む。
実施形態６４：実施形態２８の方法であって、付着は、酸及びナノ粒子の溶液を表面に接触させることと、表面に電圧を印加して、金属電極において使用されている金属の化合物−ナノ粒子の複合材料を含むコーティングされた表面を形成することとを含む。
実施形態６５：実施形態２８の方法であって、付着は、塩化カリウム及びナノ粒子の水溶液を表面と接触させることと、表面に電圧を印加し、塩化水銀−ナノ粒子複合材料によってコーティングされた表面を形成することとを含む。
実施形態６６：実施形態２８の方法であって、付着は、塩化カリウム及びナノ粒子の水溶液を表面と接触させることと、表面に電圧を印加し、塩化銀−ナノ粒子複合材料によってコーティングされた表面を形成することとを含む。
実施形態６７：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、タンパク質及びナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、タンパク質及びナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態６８：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、ナノ粒子を含み、付着は、溶液内でナノ粒子を酸化剤と混合し、酸化剤及びナノ粒子の溶液を形成することと、酸化剤とナノ粒子の溶液を表面に適用し、金属電極において使用されている金属の化合物とナノ粒子の複合材料を堆積させることとを含む。
実施形態６９：実施形態６７又は６８の方法であって、酸化剤は、過マンガン酸クロム酸塩、鉄（ＩＩＩ）、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、過酸化水素、塩素酸塩、クロム酸塩又はヨウ素酸塩である。
実施形態７０：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、接着タンパク質及びナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、接着タンパク質及びナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７１：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、接着タンパク質及びカーボンナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、接着タンパク質及びカーボンナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７２：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、接着タンパク質及び金属ナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、接着タンパク質及び金属ナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７３：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、アミロイド型ナノフィブリル及びナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、アミロイド型ナノフィブリル及びナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７４：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、アミロイド型ナノフィブリル及びカーボンナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、アミロイド型ナノフィブリル及びカーボンナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７５：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、アミロイド型ナノフィブリル及び金属ナノ粒子を含み、方法は、表面上にナノ複合材料を付着させる前に、アミロイド型ナノフィブリル及び金属ナノ粒子を酸化剤と混合することを更に含む。
実施形態７６：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、ポリマ及びナノ粒子を含む。
実施形態７７：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、ＰＶＢ及び金属ナノ粒子を含む。
実施形態７８：実施形態２８の方法であって、ナノ複合材料は、ＰＶＢ及びカーボンナノ粒子を含む。
実施形態７９：実施形態２８の方法であって、ナノ粒子は、修飾されたナノ粒子であり、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物がナノ粒子に共有結合している。
実施形態８０：実施形態２８の方法であって、ナノ粒子は、修飾されたカーボンナノ粒子であり、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物がカーボンナノ粒子に共有結合している。
実施形態８１：実施形態２８の方法であって、ナノ粒子は、修飾された金属ナノ粒子であり、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物が金属ナノ粒子に共有結合している。
実施態様８２：導電性物質のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の上面に配置され、実施形態１〜２７のうちの１又は複数の固体電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続される。
実施形態８３：導電性物質のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、表面を有する基板と、基板の表面に配置され、選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の表面に配置され、実施形態１〜２７のうちの１又は複数の固体電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続される。
実施形態８４：実施形態１〜２７のいずれか１以上の方法であって、導電性物質は、流体である。
実施形態８５：実施形態１〜２７のいずれか１以上の方法であって、導電性物質は、ゲルである。
実施形態８６：実施形態１〜２７のいずれか１以上の方法であって、導電性物質は、金属である。
実施形態８７：実施形態１〜２７のいずれか１以上の方法であって、導電性物質は、有機導電性物質である。
実施形態８８：流体のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、イオン選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の上面に配置され、実施形態１〜２７のうちの１又は複数の固体電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続される。
実施形態８９：流体のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の底面に配置され、イオン選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の底面に配置され、実施形態１〜２７のうちの１又は複数の固体電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続される。
実施形態９０：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、流体は、体液であり、バイオセンサは、基板の底面を介して、ヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付けることができる。
実施形態９１：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、流体は、体液であり、バイオセンサは、基板の上面を介してヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付けることができる。
実施形態９２：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、分析物の個々のレベルを判定するために使用でき、又は別の分析物のレベルを判定するために使用できる複数の分析物を検出するための複数のセンサ（例えば、ｐＨの変化に基づき塩化物の変化を測定できるｐＨセンサ及び塩化物センサ）を備える。
実施形態９３：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、流体は、体液であり、流体のパラメータは、Ｈ＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２ ＋、ＮＯ３ −、Ｋ＋、ＮＨ４ ＋、Ｃａ２ ＋、Ｃｌ−、テストステロン、卵胞刺激ホルモン（ＦＳＨ）、エストロゲン、プロゲステロン、アンドロステンジオン、β−ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、サイトカイン、化合物、グルコース、異化代謝産物、アヘン剤、アンフェタミン、アルコール、又は酵素のレベルである。
実施形態９４：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、液体は、汗である。
実施形態９５：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、流体は、尿である。
実施形態９６：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、液体は、血液である。
実施形態９７：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、体液は、唾液である。
実施形態９８：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、バイオセンサの厚さは、０．５〜１０ミリメートルである。
実施形態９９：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、１又は複数の電極上のイオン又は他の分析物の濃度を減少させるためのフラッシングシステムを更に備える。
実施形態１００：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、電極は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキによって基板上に堆積される。
実施形態１０１：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、参照電極は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキによって基板上に堆積される。
実施形態１０２：実施形態１〜２７、８２、又は８３のいずれか１以上のバイオセンサ又は電極であって、作用電極は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキによって基板上に堆積される。
実施形態１０３：導電性物質のパラメータを判定するためのセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置され、選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の上面に配置され、実施形態１〜２７、又は８２又は８３のうちの１又は複数の電極を含む参照電極とを含み、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続され、導電性物質は、流体、ゲル、金属、又は有機材料であってもよく、流体は、例えば、環境水サンプルであってもよい。
実施形態１０４：流体のパラメータを判定するためのセンサであって、上面及び底面を有する基板と、基板の底面に配置され、化学的選択膜、イオン選択膜、又は金属酸化物を含む作用電極と、基板の底面上に配置され、実施形態１〜２７、又は８２又は８３のうちの１又は複数の電極を含む参照電極とを備え、作用電極及び参照電極は、導電性物質と接触すると電気的に接続され、流体は、例えば、環境水サンプルであってもよい。
実施形態１０５：固体電極であって、表面を有する電極と、表面にコーティングされた中間層と、中間層にコーティングされた選択膜とを備え、固体作用電極が参照電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出できる。
実施形態１０６：固体電極であって、表面を有する電極と、表面にコーティングされた中間層と、中間層にコーティングされた選択膜とを備え、固体作用電極が参照電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出できる。
実施形態１０７：実施形態１０６の固体電極であって、固体電極は、作用電極である。
実施形態１０８：実施形態１０６の固体電極であって、生体認識要素又は酸化還元プロセスを用いて電極の分析物選択性を生成する。
実施形態１０９：固体電極であって、表面を有する電極と、表面にコーティングされた選択膜とを備え、生体認識要素又は酸化還元プロセスを用いて分析物の選択性を生成し、固体作用電極が参照電極及び導電性物質と電気的に接続すると、電極は、分析物の変化を検出できる。
実施形態１１０：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、複数のセンサが参照電極を共有する。
実施形態１１１：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化亜鉛である。
実施形態１１２：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化シリコンである。
実施形態１１３：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、無機量子ドットである。
実施形態１１４：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、カーボン量子ドットである。
実施形態１１５：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、フラーレンである。
実施形態１１６：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。
実施形態１１７：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化グラフェンである。
実施形態１１８：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化バナジウムナノ粒子である。
実施形態１１９：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化セリウムナノ粒子である。
実施形態１２０：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、酸化ユーロピウムのナノ粒子である。
実施形態１２１：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、水銀であり、金属の化合物は、塩化水銀であり、ナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子である。
実施形態１２２：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化亜鉛である。
実施形態１２３：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化ケイ素である。
実施形態１２４：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、無機量子ドットである。
実施形態１２５：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、カーボン量子ドットである。
実施形態１２６：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、フラーレンである。
実施形態１２７：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。
実施形態１２８：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化グラフェンである。
実施形態１２９：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化バナジウムナノ粒子である。
実施形態１３０：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化セリウムナノ粒子である。
実施形態１３１：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、酸化ユウロピウムのナノ粒子である。
実施形態１３２：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子である。
実施形態１３３：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、金ナノクラスタである。
実施形態１３４：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、銀ナノクラスタである。
実施形態１３５：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、金ナノ粒子である。
実施形態１３６：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、銀ナノ粒子である。
実施形態１３７：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサ。金属は、銀であり、金属の化合物は、塩化銀であり、ナノ粒子は、二酸化チタンナノ粒子である。
実施形態１３８：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化亜鉛である。
実施形態１３９：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化ケイ素である。
実施形態１４０：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、無機量子ドットである。
実施形態１４１：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、カーボン量子ドットである。
実施形態１４２：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、フラーレンである。
実施形態１４３：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。
実施形態１４４：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化グラフェンである。
実施形態１４５：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化バナジウムナノ粒子である。
実施形態１４６：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化セリウムナノ粒子である。
実施形態１４７：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、酸化ユーロピウムナノ粒子である。
実施形態１４８：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子である。
実施形態１４９：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、金ナノクラスタである。
実施形態１５０：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、銀ナノクラスタである。
実施形態１５１：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、金ナノ粒子である。
実施形態１５２：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、銀ナノ粒子である。
実施形態１５３：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、二酸化チタンナノ粒子である。
実施形態１５４：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、金属は、銅であり、金属の化合物は、硫酸銅であり、ナノ粒子は、二酸化チタンナノ粒子である。
実施形態１５５：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、強く結合するポリマは、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）である。
実施形態１５６：実施形態１〜２７、８２、８３、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０９のいずれか１以上のセンサであって、強く結合するタンパク質は、接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせである。
本発明は、包括的に、ここに開示した任意の適切な構成要素を代替的に備え、これらから構成され、又はこれらから実質的に構成される。これに加えて又はこれに代えて、本発明は、従来技術の組成物において使用されている、又は本発明の機能及び／又は目的を達成するために必要ではない任意の構成要素、材料、成分、補助剤又は化学種を欠き、又は実質的に含まないように構成してもよい。
ここに開示する全ての範囲は、端点を含み、端点は、互いに独立して組み合わせ可能である。「組み合わせ」は、調合物、混合物、合金、反応生成物等を含む。更に、本明細書において、「第１」、「第２」等の用語は、順序、量、又は重要性を示すものではなく、単に１つの要素を別の要素から区別するために使用される。本明細書における不定冠詞及び定冠詞は、量の限定を意味するものではなく、本明細書中に別段の指示がない限り、又は文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数形と複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。「又は」は、別段の指示がない限り、「及び／又は」を意味する。ここに開示した要素は、様々な実施形態において任意の適切な手法で組み合わせることができる。
用語アミンは、−ＮＲ１ Ｒ２基を含み、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して、水素及び１〜４個の炭素原子を有するアルキル基から選択され、１又は複数のチオール基（−ＳＨ）を含む。用語「アルキル」は、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉ−プロピル等の分枝状又は直鎖状の、不飽和脂肪族Ｃ１炭化水素基を含む。
特定の実施形態について説明したが、現在予見されていない又は予見されていない可能性がある代替例、修正例、変形例、改良例、及び実質的均等物が出願人又は当業者に知られることがある。したがって、特許請求の範囲は、それらの代替例、変形例、改良例、及び実質的な均等物の全てを包含するように意図されている。
Claims (37)
- 固体電極において、
表面を有する金属電極と、
前記表面の少なくとも一部にコーティングされたナノ複合材料とを備え、前記ナノ複合材料は、
前記電極において使用されている金属の化合物と、
ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含み、
前記固体電極が作用電極及び導電性物質と電気的に接続すると、前記固体電極は、前記導電性物質の化学組成の変化を検出でき、前記固体電極の電位は、２０分間に亘って、５ミリボルト、好ましくは、３ミリボルト以内で安定する固体電極。 - 請求項１において、前記導電性物質は、流体、金属、材料又はゲルである固体電極。
- 請求項１において、前記金属電極と流体連通する流体を更に備え、前記流体は、体液である固体電極。
- 請求項１において、前記固体電極は、０．５ｐＨ単位以下、一実施形態では０．１ｐＨ単位以下のｐＨの変化を検出できる固体電極。
- 請求項１において、前記ナノ粒子は、カーボンナノ粒子又は金属ナノ粒子である固体電極。
- 請求項１において、前記ナノ粒子は、修飾されており、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物が前記ナノ粒子に共有結合している固体電極。
- 請求項６において、前記疎水性化合物は、４−アミノチオフェノール又は５−アミノ−２−メルカプトベンズイミダゾールである固体電極。
- 請求項１において、前記ナノ粒子は、２０ナノメートル以下の平均直径を有する固体電極。
- 固体電極を製造する方法において、
表面を有する金属電極を準備することと、
前記電極において使用されている金属の化合物と、ナノ粒子、タンパク質、ポリマ、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせとを含むナノ複合材料を前記電極表面の少なくとも一部に付着させることとを含む方法。 - 請求項９において、前記付着は、物理的堆積又は電気化学的堆積である方法。
- 請求項９において、
酸溶液中で前記表面に電圧を印加して、前記電極において使用されている金属の化合物を含むコーティングされた表面を形成することと、
前記電極において使用されている金属の化合物を含むコーティングされた表面上にナノ複合材料を電気化学的に堆積させることとを更に含む方法。 - 請求項９において、前記ナノ複合材料は、カーボンナノ粒子を含む方法。
- 請求項９において、前記ナノ複合材料は、金属ナノ粒子を含む方法。
- 請求項９において、前記ナノ複合材料は、硫酸銅及びナノ粒子を含む方法。
- 請求項９において、前記ナノ複合材料は、塩化水銀及びナノ粒子を含む方法。
- 請求項９において、ナノ複合材料は、塩化銀及びナノ粒子を含む方法。
- 請求項９において、前記付着は、
前記表面に塩化カリウム及びナノ粒子の水溶液を接触させることと、
前記表面に電圧を印加して、前記金属電極において使用されている金属の化合物−ナノ粒子複合材料によってコーティングされた表面を形成することとを含む方法。 - 請求項９において、前記ナノ複合材料は、ナノ粒子を含み、前記付着は、
溶液内で前記ナノ粒子を酸化剤と混合し、酸化剤及びナノ粒子の溶液を形成することと、
前記表面に前記酸化剤及びナノ粒子の溶液を塗布し、前記金属電極において使用されている金属の化合物−ナノ粒子複合材料を堆積させることとを含む方法。 - 請求項９において、前記ナノ複合材料は、接着タンパク質及びナノ粒子を含み、前記方法は、更に、前記表面に前記ナノ複合材料を付着させる前に、前記接着タンパク質及びナノ粒子を酸化剤と混合することを含む方法。
- 請求項９において、前記ナノ粒子は、修飾されたナノ粒子であり、アミン基とチオール基とを含む疎水性化合物が前記ナノ粒子に共有結合している方法。
- 導電性物質のパラメータを判定するためのバイオセンサであって、
上面及び底面を有する基板と、
前記基板の上面に配置され、膜、選択膜、イオン選択膜又は金属酸化物を含む作用電極と、
前記基板の表面に配置され、請求項１に記載の固体電極を含む参照電極とを備え、導電性物質と接触すると、前記作用電極と前記参照電極が電気的に接続されるバイオセンサ。 - 請求項２１において、前記選択膜の下の前記作用電極の表面に、疎水性導電性ポリマ、疎水性金属酸化物層、ナノ粒子、又は疎水性リガンドで修飾されたナノ粒子、又はこれらの１つ以上を含む組み合わせを含む中間層がコーティングされているバイオセンサ。
- 請求項２２において、前記中間層は、導電性ポリマを含むバイオセンサ。
- 請求項２３において、前記導電性ポリマは、ポリ（３，４−ジエチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリオクチルチオフェン（ＰＯＴ）、Ｐ３ＨＴ、ポリテトラフルオロエチレン、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むバイオセンサ。
- 請求項２２において、前記疎水性配位子がチオフェノール、２−ナフタレンチオール、９−アントラセンチオール、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記作用電極の前記膜上に生体認識要素がコーティングされているバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記膜は、分析物でインプリントされたポリマと混合される。バイオセンサ。
- 請求項２１において、前記導電性物質は、体液であり、前記バイオセンサは、ヒト又は哺乳動物の皮膚に取り付けることができるバイオセンサ。
- 請求項２８において、前記体液のパラメータは、Ｈ＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２ ＋、ＮＯ３ −、Ｋ＋、ＮＨ４ ＋、Ｃａ２ ＋、Ｃｌ−、炭酸塩、重炭酸塩、タンパク質、脂質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ホルモン、エストロゲン、プロゲステロン、テストステロン、アンドロステンジオン、ベータ−ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）、コルチゾール、クレアチニン、尿素、グルコース、乳酸、酸、塩、カチオン、サイトカイン、ドーパ、ドーパミン、薬物、アヘン剤、ブプレノルフィン、アンフェタミン、ガンマヒドロキシブチラート、エタノール、コカイン、アルコール、代謝産物、異化代謝産物、ダイオキシン類、生体異物、有機化合物、マイコトキシン、金属、亜鉛、鉛、水銀、カドミウム、プタラート、ヒ素、シアン化物、ＢＰＡ、環境毒素、工業用金属、毒素、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせを含むバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記導電性物質は、汗であるバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記バイオセンサの厚さは０．５〜１０ミリメートルであるバイオセンサ。
- 請求項２１において、１又は複数の電極上のイオン濃度を低減するためのフラッシングシステムを更に備えるバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記参照電極は、スクリーン印刷、ロールツーロール印刷、エアロゾル堆積、インクジェット印刷、薄膜堆積、又は電気メッキによって前記基板に堆積されるバイオセンサ。
- 請求項１において、前記ポリマは、強く結合するポリマ、好ましくはＰＶＢ（ポリビニルブチラール）であるバイオセンサ。
- 請求項１において、前記タンパク質は、強く結合するタンパク質であり、好ましくは接着タンパク質、イガイタンパク質、フィブリノーゲン、プロトフィラメント、アミロイドフィブリル、アミロイドナノフィブリル、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記作用電極及び前記参照電極は、それぞれ個別に貴金属であり、好ましくは銀、金、白金、パラジウム、銅又は炭素であり、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるバイオセンサ。
- 請求項２１において、前記参照電極において用いられる金属の化合物は、塩化水銀、塩化銀、ヨウ化銀、硫酸銅、硫酸水銀、又はこれらの少なくとも１つを含む組み合わせであるバイオセンサ。
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