JP2020514727A - ダイヤモンドベース電気化学センサー - Google Patents
ダイヤモンドベース電気化学センサー Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020514727A JP2020514727A JP2019540317A JP2019540317A JP2020514727A JP 2020514727 A JP2020514727 A JP 2020514727A JP 2019540317 A JP2019540317 A JP 2019540317A JP 2019540317 A JP2019540317 A JP 2019540317A JP 2020514727 A JP2020514727 A JP 2020514727A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- boron
- doped diamond
- electrode
- redox
- electrochemical sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 101
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 101
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 60
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 21
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 claims description 16
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 16
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 16
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 15
- 241000894007 species Species 0.000 description 15
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 9
- 230000004044 response Effects 0.000 description 9
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 8
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 8
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 8
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000001139 pH measurement Methods 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 3
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 3
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 3
- 241001494479 Pecora Species 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 2
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 2
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000009509 drug development Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 238000012623 in vivo measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001990 intravenous administration Methods 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004365 square wave voltammetry Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 208000028399 Critical Illness Diseases 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000668842 Lepidosaphes gloverii Species 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004082 amperometric method Methods 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 210000003323 beak Anatomy 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 1
- 201000003231 brachydactyly type D Diseases 0.000 description 1
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000970 chrono-amperometry Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001212 derivatisation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000001647 drug administration Methods 0.000 description 1
- 229940000406 drug candidate Drugs 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000029142 excretion Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 1
- 230000013632 homeostatic process Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 1
- 210000003750 lower gastrointestinal tract Anatomy 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001690 micro-dialysis Methods 0.000 description 1
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000002547 new drug Substances 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- IQDRAVRWQIIASA-VZPOTTSCSA-N phlorin Chemical compound C/1=C(N2)\C=C\C2=C\C(N2)=CC=C2CC(N2)=CC=C2\C=C2\C=CC\1=N2 IQDRAVRWQIIASA-VZPOTTSCSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000012414 sterilization procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000007920 subcutaneous administration Methods 0.000 description 1
- 239000003115 supporting electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/302—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells pH sensitive, e.g. quinhydron, antimony or hydrogen electrodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
- G01N27/4167—Systems measuring a particular property of an electrolyte pH
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/48—Systems using polarography, i.e. measuring changes in current under a slowly-varying voltage
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
- G01N27/4168—Oxidation-reduction potential, e.g. for chlorination of water
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
本発明は、ダイヤモンドベース電気化学センサーに関する。特定の実施形態は、そのような電気化学センサーを含む医療機器に関する。別の実施形態は、様々な産業用及び環境用電気化学センシングの用途に用いることができる。本発明のセンサーはpH及び/又は溶存酸素濃度、場合によっては温度測定と組合せての測定が求められるところで特に有用である。
既存技術において、ダイヤモンドベースセンサーを溶液の電気化学的性質を測定するために提供することは、既に提案されている。ダイヤモンドはホウ素をドープして半導体又は電極として用いるための金属のような導電材料を形成することが可能である。導電性のダイヤモンドはまた、堅く、不活性で、非常に広い電位窓を有し、それを電気化学セル、特に苛酷な化学的、物理的、及び/又は熱的環境であって、他のタイプの電気化学センサー(例えば、金属ベースのセンサー)を分解するような環境又は生体適合性が求められる医療用途のための感知電極として用いるのに非常に望ましい材料としている。
WO2013/135783は、最適化された電気化学センシング用途のホウ素ドープダイヤモンド(BDD)材料であって、高いホウ素含有量及び低いsp2炭素含有量を有し、広い溶媒窓、高い可逆性、及び低い静電容量を有するホウ素ドープダイヤモンド電極を形成するために用いることができるものを開示している。WO2013/135783 は、所望の導電性の程度に達するよう高濃度のホウ素をダイヤモンド格子に合成中に導入することがまた、著しい量のsp2炭素(非ダイヤモンド炭素又はNDCとしても参照される)がダイヤモンド材料に導入されることを結果としてもたらすことについて記載している。高含有量のsp2炭素又は非ダイヤモンド炭素はバックグラウンド電流をもたらし、それは標的種、特に非常に低い標的種濃度レベルの電気化学センシングと干渉し得ることが記載されている。合成方法と製品材料が、最適化された電気化学センシング用途のホウ素ドープダイヤモンド材料を提供するため記載されており、それは、高いホウ素含有量と低いsp2炭素含有量を有している。そのような材料は、広い溶媒窓、低いバックグラウンド電流、高いシグナル解像度、低い静電容量、及び外圏酸化還元種に対する高い可逆性を有する。
要するに、既存技術は、金属ナノ粒子で官能化されたホウ素ドープダイヤモンドセンサーを溶存酸素測定のために、又は非ダイヤモンド炭素sp2官能化ホウ素ドープダイヤモンドセンサーを塩素種又はpHを溶存酸素種からの干渉なしで測定するために用いることを教示している。
上述とは対照的に、本発明は、非ダイヤモンド炭素(sp2)で官能化されたホウ素ドープダイヤモンドセンサーであって、溶存酸素と関連する酸化還元ピークを測定するために構成されたものの提供に関する。該センサーは、非ダイヤモンド炭素サイトの配列を伴うホウ素ドープダイヤモンド電極を用いており、WO2016/083263に記載されているものと同じ又は類似のものである。しかしながら、該センサーは、溶存酸素酸化還元ピークを生成する電位範囲にわたってホウ素ドープダイヤモンド電極をスキャンするよう構成された電気コントローラー及び溶存酸素酸化還元ピークの位置及び強度のいずれか一方又は両方に基づいた電気化学的測定値を与えるよう構成されたプロセッサーを有する。
該測定は、二つの異なる方法で用いることができる。溶存酸素ピークの強度(即ち、電流強度)の測定は、溶液中の溶存酸素濃度を決定するために用いることができる。あるいは、又は追加的に、溶存酸素ピークの電位の測定は、内部参照として用いることができ、pHを標準参照電極を必要とせずに測定できる。特に、溶存酸素酸化還元ピークとホウ素ドープダイヤモンド表面上の非ダイヤモンド炭素種のpH感応酸化還元ピークの電位差は溶液のpHに比例することがわかった。更に、この電位差を用いることによって、pH測定は、電極の汚れ及び/又は溶液条件の変化によるピーク位置のシフトに依存しない。このように、標準参照電極の必要性は、否定される。また更に、このアプローチは、標準参照電極それ自体が時間とともに分解によってドリフトすることから有利である。本アプローチはまた、標準電極を用いることができない用途、例えば、インビボの医療用途又は長時間スケールの環境モニタリングにおいて欠かすことができないものである。
ホウ素ドープダイヤモンド材料で形成されたホウ素ドープダイヤモンド電極;
ホウ素ドープダイヤモンド電極の感知表面に配置された非ダイヤモンド炭素サイトの配列:
溶存酸素に関連した第1電位における第1酸化還元ピーク及びpHによって変化する第2電位における第2酸化還元ピークを生成し、第1及び第2酸化還元ピークは分離されていて、重なり合いがない、非ダイヤモンド炭素サイトに結合した、電気化学的に活性な非ダイヤモンド炭素表面基;
ホウ素ドープダイヤモンド電極を少なくとも前記第1酸化還元ピークを生成する電位範囲にわたってスキャンするように構成された、電気コントローラー:及び
電気化学的測定値を前記第1酸化還元ピークの位置及び強度の一方又は両方に基づいて与えるように構成されたプロセッサー。
溶存酸素の酸化還元ピークから離れた電位範囲をスキャンするように特に適応したWO2015/079257及びWO2016/083263とは異なり、 本発明の実施形態は、酸素ピークを溶存酸素とpHの両方を測定するために用いる。温度センサーはまたホウ素ドープダイヤモンド電極に取り付けられてもよい(例えば、ホウ素ドープダイヤモンド電極の後方表面の熱電対)。ダイヤモンド材料の例外的な熱伝導性は、ホウ素ドープダイヤモンド電極と接触している流体の正確で敏感な温度測定を可能にする。
この観点から、溶存酸素、pH及び温度は医療処置で用いられる3つの基本的な測定であることに留意する。現在の血液ガス分析技術と異なり、本発明は、これら基本的医療診断のほぼ瞬時の測定及びリアルタイムモニタリングを可能とする。したがって、そのような医療用途のため、ホウ素ドープダイヤモンド電極を、例えば侵襲的なデバイスのような、全体又は一部がヒト又は動物の体内に主要な開口部又は体表のいずれかを通じて入りこむ医療機器(例えば、静脈内デバイス、針、外科用メス刃、カテーテル、またはこれらに類似のもの)の上に取り付けることができる。ホウ素ドープダイヤモンド電極は生体適合性であるので、侵襲的デバイスに、その使用に際しホウ素ドープダイヤモンド電極を体内に位置付け、インビボ電気化学的測定を行うように取り付けることができる。
前述の有利な特徴はまた幅広い範囲の産業用及び環境用電気化学センシング用途に適用可能であり、そこではpH、溶存酸素濃度及び温度のモニタリングが重要である。第2の態様に従うと、上述の第1の態様において記載されたように、ヒト又は動物の身体からの流体の特徴を測定するための電気化学センサーの使用が提供される。特徴の例は、任意の以下から選択されてもよい:pH、酸素濃度及び温度。
本発明をより良く理解し、どのようにそれが実際に行われ得るかを示すため、本発明の実施形態がここに添付の図のみを参照しつつ例示という方法で記述される。
血液及び組織中のpH、O2及び温度における小さな生理学上の変化は、究極的には、細胞レベルでの外傷についての早期警告システムを提供する。路傍でこの情報に接することにより、情報に通じた臨床判断を行い、患者の健康を守ることができる。残念ながら、インビボ継続モニタリングは、電極がドリフトや生体適合性の問題を抱えているのと同様関係する基質の複雑性のため非常に難度が高い。ここで、ホウ素ドープダイヤモンド(BDD)電気化学センサーは、pH、O2及び温度の、インビボであってもよい、リアルタイム同時検出のために記載される。これを達成するため、黒鉛化のプロセスを用いてBDDはpHと酸素の両方に敏感に反応する一方で、ダイヤモンドの高い熱伝導性が正確な温度測定のために有利に用いられる。更に、センサーの設計において、従来の参照電極の必要性を否定している。この観点から、インビボ電気化学的モニタリングの主な欠点は、ドリフトによるものであったところ、酸素固有の特徴を内部参照として用いることにより無視することが可能となる。該センサーはこのように本質的に生体適合的であり、全て炭素から作られている。センサーパッケージ全体は、リアルタイムフィードバックを提供するために定電位操作を行うことができる小型回路と組み合わせて、皮下の血液及び組織にアクセスすることを可能とし、標準皮下注射針に統合することが可能である。この新しい技術は、路傍で(救急サービスを補助する)だけではなく、病院における日常の患者のモニタリングの一部としても、患者の処置を革命的に変えることが期待される。該センサーはまた、病気の診断及びモニタリング、脳活動モニタリング、薬の開発及び多くのその他の分野において幅広い用途を見つけることが期待される。例えば、腫瘍組織の周囲の細胞外ミクロ環境は酸性であり、しばしば温度が高いことが記録されているが、いまだ効果的にこれをインビボで評価する方法は現在存在しない。これは、BDDセンサーを癌の診断及び効果的な腫瘍の除去に用いるための更なる機会を提供する。
1.ダイヤモンドは全体が炭素でできているため生体適合性があり、また、複雑な基質において他の電極材料に比較して汚れの低減を示す。
2.BDDは、pHとO2の両方を感知することができる本質的に安定なsp2炭素層を作るために、レーザーアブレーションを用いて官能化することができる。
3.ダイヤモンドの本質的に高い熱伝導率は、電極の裏側に位置付けられた熱電対を用いて、温度センサーを生物学的環境に曝すことなく、温度を正確に調査することができることを意味する。
4.本技術の時間分解能は秒単位であり、例えば、医師が薬を投与し、当該薬の患者に対する効果をリアルタイムでみることを可能とする。
5.レーザーアブレーションパターンの設計を変えることにより、コントロールされていない大量輸送効果を除去し、pH及びO2の同時検出のためのsp2炭素含有量を最適化することを可能とする。
例えば、レーザーピットサイズ及び/又はスペーシングは、酸素酸化還元ピークの位置をコントロールし、ひいては干渉を避けるため酸素及びpHの酸化還元ピークの分離をコントロールするため変えることができる。更に、レーザーピットサイズ及び/又はスペーシングは、例えば血液流量に依存しない酸素酸化還元シグナルを提供するためにどれだけセンサー測定値がフロー条件のような測定環境に影響されるかをコントロールするように、変えることができる。更にまだ、レーザーピットサイズ及び/又はスペーシングは、他の用途のために最適化することができ、例えば、組織マトリックス中の種の輸送がゆっくりであり、したがって、センサー配置は、組織内への挿入用途におけるそのような輸送条件のために最適化することができる。
純粋なBDDは電気触媒的に酸素還元反応(ORR)に不活性である。しかしながら、sp2を表面に組み込むとORR可能なサイトを(動力学的に限定されるが)生成することが知られている。sp2炭素電極は、電気化学的に2電子移動メカニズム、すなわちO2+2H++2e- → H2O2を通じて酸素を還元し、過酸化水素(H2O2)の生成が結果として得られることが知られている。したがって、O2濃度の変化は、電流の大きさに反映される(クロノアンペロメトリー又はサイクリックボルタンメトリー又はそれらの変形のいずれかによって記録される)。電位軸上のE0についてのORR波の位置は、電子移動反応速度、k0(ORRは電子触媒的プロセスであるので、関心のある表面について)及びシステムにおける物質輸送の両方によって影響を受けるであろう。更に、ORRはまたpHに依存する。sp2官能化BDD電極を用いるとORR応答位置がpH応答位置に比べて有意にシフトし、同じセンサーを用いて両方の分析物を分析的に検出することが可能となることを見出した。インビボ調査におけるORRについて、センサーは変わり得る有意な血流に供されるので、センサーが再びフローレート非依存性であることが重要である。このことは、拡散フラックスが対流効果からのそれより高いグラファイト状のマイクロアレイを生成することによって可能となる。
図6は、酸素酸化還元ピーク(a)とpH酸化還元ピーク(b)についてのpHに対する電位の較正グラフを示す。較正は良い線形性を示す。更に、図7は、酸素酸化還元ピークとpH酸化還元ピークとの間の電位差のpHに対する較正グラフを示す。再び、較正は良い線形性を示す。更に、この電位差測定は電極ドリフト(例えば、参照電極ドリフト)より安定であり、標準参照電極を必要とすることなく測定することを可能とする。
別の重要な問題は、血液のような苛酷なマトリックス中での電極の長期安定性である。特定されない吸着事象がセンサーの性能を損ないうる。この観点から、電極の性能を損なうことなく、必要に応じて長期間、より極端な電位(>1V)をBDDに適用することが可能である。この結果、電極表面が洗浄され、特にこの用途のBDDにとって有利である。BDDセンサーはまた、医療デバイスに用いられる高温滅菌手続に完全に対応していることに留意すべきである。更に、BDDセンサーは、他のタイプのセンサーに比べて気体発生を抑制し、このことは、例えば医療用途において、重要となり得る。
センサー技術の恩恵を直接に享受するのは、本明細書に記載のとおり、その健康状態を、温度同様、その血液及び組織中のpH及びO2含有量に基づいて直接測定できる、診断又は治療を必要とする患者であろう。例えば、ほんの数例を挙げると、救急隊員によって評価されている場合の外傷患者;がん患者の腫瘍評価:安定性を確実にするため集中治療中の患者の長期モニタリング、が挙げられる。各グループには、数多くの人が関わっており、大きな社会的経済的インパクトを有する。ポータブルでワイヤレスな化学センサーは、リアルタイム情報を提供し、即時の臨床的対応判断を行うことを可能とし、それにより効果的に疾患をコントロールし、入院(hospitality)及び致死性を低減し、患者のクオリティ・オブ・ライフを改善することができる。飲み込めるバージョンのセンサーはまた、消化管下方におけるpH及び/又は酸素濃度を記録するために提供されることができる。
恩恵を受ける第3のグループは、医学、環境、薬学及び分子生物学同様その他の分野を含む幅広い範囲の研究分野における学術研究者である。本発明のセンサーは伝統的な実験室ベースのシステムに比較して小型化することができるので、より負荷が小さく、患者または希望者によって自由に持ち運ぶことが可能であり、高い時間分解能及び敏感な化学分析を提供する。
Claims (9)
- 電気化学センサーであって、
ホウ素ドープダイヤモンド材料で形成されるホウ素ドープダイヤモンド電極;
前記ホウ素ドープダイヤモンド電極の感知表面に配置された非ダイヤモンド炭素サイトの配列;
第1酸化還元ピークを溶存酸素に関連する第1電位で、第2酸化還元ピークをpHにより変化する第2電位で生成するための前記非ダイヤモンド炭素サイトに結合した電気化学的に活性な非ダイヤモンド炭素表面基であって、第1及び第2酸化還元ピークは重なり合わないように分離している電気化学的に活性な非ダイヤモンド炭素表面基;
前記ホウ素ドープダイヤモンド電極を少なくとも前記第1酸化還元ピークを生成する電位範囲にわたってスキャンするため配置された電気コントローラー;及び
電気化学測定値を前記第1酸化還元ピークの位置及び強度の一方又は両方に基づいて与えるため配置されたプロセッサー、を含むセンサー。 - 前記プロセッサーが溶存酸素濃度測定値を第1酸化還元ピークの強度に基づいて与えるため配置された、請求項1項に記載の電気化学センサー。
- 電気コントローラーが、前記ホウ素ドープダイヤモンド電極を第1及び第2酸化還元ピークの両方を生成する電位範囲にわたってスキャンするよう配置され、及び
前記プロセッサーが第1及び第2酸化還元ピークの間の電位差に基づいてpH測定値を与えるように配置され、溶存酸素と関連する第1の酸化還元ピークが内部参照として機能し、pHが標準参照電極を必要とすることなく決定される、請求項1又は2に記載の電気化学センサー。 - 更にホウ素ドープダイヤモンド電極に取り付けられた温度センサーを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の電気化学センサー。
- 前記ホウ素ドープダイヤモンド電極が医療デバイスに取り付けられた、請求項1から4のいずれか1項に記載の電気化学センサー。
- 前記医療デバイスが侵襲的デバイスであって、その全体又は一部が、ヒト又は動物の体内に開口部または体表のいずれかを通じて侵入し、前記ホウ素ドープダイヤモンド電極が、使用に際しインビボ電気化学測定値を取得するよう前記ホウ素ドープダイヤモンド電極が体内に位置付けられるよう前記侵襲的デバイスに取り付けられる、請求項5に記載の電気化学センサー。
- 前記侵襲的デバイスが、前記電気コントローラーに接続され、計数器及び疑似参照電極のいずれかとして機能する金属部分を含む、請求項6に記載の電気化学センサー。
- ヒト又は動物の身体からの流体の特徴を測定するための、請求項1から7のいずれか1項に記載の電気化学センサーの使用。
- 前記特徴が、pH、酸素濃度、及び温度のいずれかより選択される、請求項8に記載の電気化学センサーの使用。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1701529.8 | 2017-01-31 | ||
GBGB1701529.8A GB201701529D0 (en) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | Diamond based electrochemical sensors |
PCT/EP2018/052252 WO2018141738A1 (en) | 2017-01-31 | 2018-01-30 | Diamond based electrochemical sensors |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020514727A true JP2020514727A (ja) | 2020-05-21 |
JP2020514727A5 JP2020514727A5 (ja) | 2020-12-10 |
JP6818898B2 JP6818898B2 (ja) | 2021-01-27 |
Family
ID=58462668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019540317A Active JP6818898B2 (ja) | 2017-01-31 | 2018-01-30 | ダイヤモンドベース電気化学センサー |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11249042B2 (ja) |
EP (1) | EP3577448A1 (ja) |
JP (1) | JP6818898B2 (ja) |
GB (2) | GB201701529D0 (ja) |
WO (1) | WO2018141738A1 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2566463A (en) * | 2017-09-13 | 2019-03-20 | Univ Southampton | pH Sensor and Calibration method |
GB201905661D0 (en) * | 2019-04-23 | 2019-06-05 | Univ Oxford Innovation Ltd | Method for determining human blood pH |
CN115667902A (zh) | 2020-04-28 | 2023-01-31 | 哈希朗格有限公司 | 用于将pH敏感的硼掺杂金刚石电极碳区改性的方法 |
EP4170334A1 (en) * | 2021-10-21 | 2023-04-26 | Vilnius University | Enzymatic self-calibrating biosensor for continuous ph monitoring |
CN113960133B (zh) * | 2021-10-25 | 2022-12-27 | 山东大学 | 一种金属纳米片负载的掺硼金刚石微阵列电极、其制备方法及在葡萄糖传感器中的应用 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007501389A (ja) * | 2003-08-04 | 2007-01-25 | エレメント シックス リミテッド | ダイヤモンドマイクロ電極 |
JP2011152324A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Juntendo | 脳内物質測定用電極 |
JP2013525758A (ja) * | 2010-04-16 | 2013-06-20 | エレメント、シックス、リミテッド | ダイヤモンド微小電極 |
JP2015039544A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 学校法人慶應義塾 | ダイヤモンドマイクロ電極を用いた生体内pH測定装置及び方法 |
WO2016083263A1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-06-02 | Element Six Technologies Limited | Boron doped diamond based electrochemical sensor heads |
JP2016538555A (ja) * | 2013-11-29 | 2016-12-08 | エレメント シックス テクノロジーズ リミテッド | 電気化学センサ装置及び電気化学センシング方法 |
Family Cites Families (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4629373A (en) * | 1983-06-22 | 1986-12-16 | Megadiamond Industries, Inc. | Polycrystalline diamond body with enhanced surface irregularities |
US5223117A (en) * | 1991-05-03 | 1993-06-29 | Mass. Institute Of Technology | Two-terminal voltammetric microsensors |
US20070267291A1 (en) * | 2004-03-09 | 2007-11-22 | Hall Clive E | Electrochemical Sensor Comprising Diamond Particles |
WO2007020410A1 (en) * | 2005-08-12 | 2007-02-22 | Isis Innovation Limited | Detection of ammonia by electrodes comprising glassy carbon or boron-doped diamond |
GB0622482D0 (en) * | 2006-11-10 | 2006-12-20 | Element Six Ltd | Diamond electrode |
GB2461555B (en) * | 2008-07-03 | 2010-08-11 | Schlumberger Holdings | Electro-chemical sensor |
GB0816769D0 (en) | 2008-09-12 | 2008-10-22 | Warwick Ventures | Boron-doped diamond |
EP2290359A1 (en) * | 2009-08-18 | 2011-03-02 | Universität Ulm | Semiconductor device and method for manufacturing a semiconductor device |
SG177021A1 (en) * | 2010-06-16 | 2012-01-30 | Univ Nanyang Tech | Micoelectrode array sensor for detection of heavy metals in aqueous solutions |
GB201015270D0 (en) * | 2010-09-14 | 2010-10-27 | Element Six Ltd | Diamond electrodes for electrochemical devices |
GB2500550A (en) * | 2010-12-16 | 2013-09-25 | Sensor Innovations Inc | Electrochemical sensors |
GB201104579D0 (en) * | 2011-03-18 | 2011-05-04 | Element Six Ltd | Diamond based electrochemical sensors |
GB201108339D0 (en) * | 2011-05-18 | 2011-06-29 | Element Six Ltd | Electrochemical sensors |
WO2013134582A1 (en) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | Senova Systems, Inc. | Analyte sensing device |
GB201204388D0 (en) | 2012-03-13 | 2012-04-25 | Element Six Ltd | Synthetic diamond materials for electrochemical sensing applications |
GB2502516B (en) * | 2012-05-28 | 2014-11-26 | Process Instr Uk Ltd | Electrochemical sensor apparatus and electrochemical sensing method |
GB201312106D0 (en) * | 2013-07-05 | 2013-08-21 | Element Six Ltd | Diamond based electrochemical sensors |
EP3378393A4 (en) * | 2015-11-20 | 2019-08-14 | Toppan Printing Co., Ltd. | BIOSENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR |
EP3475689B1 (en) * | 2016-06-23 | 2021-01-27 | Hach Company | Alkalinity sensor |
-
2017
- 2017-01-31 GB GBGB1701529.8A patent/GB201701529D0/en not_active Ceased
-
2018
- 2018-01-30 WO PCT/EP2018/052252 patent/WO2018141738A1/en unknown
- 2018-01-30 JP JP2019540317A patent/JP6818898B2/ja active Active
- 2018-01-30 GB GB1801468.8A patent/GB2560251A/en not_active Withdrawn
- 2018-01-30 EP EP18705102.4A patent/EP3577448A1/en active Pending
- 2018-01-30 US US16/470,575 patent/US11249042B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007501389A (ja) * | 2003-08-04 | 2007-01-25 | エレメント シックス リミテッド | ダイヤモンドマイクロ電極 |
JP2011152324A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Juntendo | 脳内物質測定用電極 |
JP2013525758A (ja) * | 2010-04-16 | 2013-06-20 | エレメント、シックス、リミテッド | ダイヤモンド微小電極 |
JP2015039544A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 学校法人慶應義塾 | ダイヤモンドマイクロ電極を用いた生体内pH測定装置及び方法 |
JP2016538555A (ja) * | 2013-11-29 | 2016-12-08 | エレメント シックス テクノロジーズ リミテッド | 電気化学センサ装置及び電気化学センシング方法 |
WO2016083263A1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-06-02 | Element Six Technologies Limited | Boron doped diamond based electrochemical sensor heads |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US11249042B2 (en) | 2022-02-15 |
WO2018141738A1 (en) | 2018-08-09 |
GB201801468D0 (en) | 2018-03-14 |
US20190339220A1 (en) | 2019-11-07 |
JP6818898B2 (ja) | 2021-01-27 |
EP3577448A1 (en) | 2019-12-11 |
GB201701529D0 (en) | 2017-03-15 |
GB2560251A (en) | 2018-09-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6818898B2 (ja) | ダイヤモンドベース電気化学センサー | |
Ghoneim et al. | Recent progress in electrochemical pH-sensing materials and configurations for biomedical applications | |
Criscuolo et al. | Wearable multifunctional sweat-sensing system for efficient healthcare monitoring | |
Mani et al. | Microneedle pH sensor: direct, label-free, real-time detection of cerebrospinal fluid and bladder pH | |
Ciui et al. | Finger-based printed sensors integrated on a glove for on-site screening of Pseudomonas aeruginosa virulence factors | |
Tan et al. | Recent advances in in vivo neurochemical monitoring | |
Zhou et al. | Biomedical sensor, device and measurement systems | |
Garland et al. | Wearable flexible perspiration biosensors using laser-induced graphene and polymeric tape microfluidics | |
Hutter et al. | Point-of-care and self-testing for potassium: Recent advances | |
Gupta et al. | In Vitro biofouling performance of boron-doped diamond microelectrodes for serotonin detection using fast-scan cyclic voltammetry | |
Vaneev et al. | Nano-and microsensors for in vivo real-time electrochemical analysis: present and future perspectives | |
Jiang et al. | A silver nanowires@ Prussian blue composite aerogel-based wearable sensor for noninvasive and dynamic monitoring of sweat uric acid | |
Nithianandam et al. | Flexible, Miniaturized Sensing Probes Inspired by Biofuel Cells for Monitoring Synaptically Released Glutamate in the Mouse Brain | |
Korostynska et al. | Glucose monitoring using electromagnetic waves and microsensor with interdigitated electrodes | |
Mendelson | Biomedical sensors | |
Latha et al. | Design and development of A microcontroller based system for the measurement of blood glucose | |
De Micheli | Cyber-medical systems: requirements, components and design examples | |
Pfützner et al. | Miniaturization of an Osmotic Pressure-Based Glucose Sensor for Continuous Intraperitoneal and Subcutaneous Glucose Monitoring by Means of Nanotechnology | |
ElSaboni et al. | Empirical model for identifying protein concentrations in wound using cyclic voltammetry | |
Rolfe | Review of chemical sensors for physiological measurement | |
Hjort et al. | Laser-Induced Graphene Decorated with Platinum Nanoparticles for Electrochemical Analysis of Saliva | |
Harsányi | Sensors in biomedical applications. May they change the quality of life? | |
Lewis et al. | Immobilization of cytochrome c oxidase into electrode-supported lipid bilayer membranes for in vitro cytochrome c sensing | |
Perillo et al. | Evaluation of In Vitro Serotonin-Induced Electrochemical Fouling Performance of Boron Doped Diamond Microelectrode Using Fast-Scan Cyclic Voltammetry | |
Kumar et al. | Real time glucose monitoring system based on enzymatic nanosensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190725 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200727 |
|
A524 | Written submission of copy of amendment under article 19 pct |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A524 Effective date: 20201027 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201203 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201228 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6818898 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |