JP2023059915A - ｐＨ測定のセンサ及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐＨを測定するためのセンサ及び方法を提供する。【解決手段】センサのドリフトとセンサの表面の汚れのために、現在の電気化学センサを使用して生体内でｐＨを測定することは特に難しい場合がある。特に生体内でｐＨを測定するのに適したセンサは、第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を含むセンサーテールと、第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する第１の活性部分と、第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する第２の活性部分とを含む。第１の活性部分からの第１の信号と第２の活性部分からの第２の信号との間の差は、流体のｐＨ値に相関させることが可能である。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ｐＨを測定するためのセンサ及び方法に関する。

健康や良好な状態を監視するために、体内で様々な分析物を検出することが不可欠になる場合がある。通常の分析物レベルからの逸脱は、代謝状態や病気などの根底にある生理学的状態を示していることが多い。

体内における分析物のモニタリングは、定期的又は一定期間にわたって継続的に行われる場合がある。定期的な分析物のモニタリングは、設定された時間間隔で血液などの体液の試料を採取し、及び体外で分析することによって実施することができる。継続的な分析物のモニタリングは、分析が体内（生体内）で実施されるように、皮膚、皮下又は静脈内など、体内の組織内に少なくとも部分的に埋め込まれた１つ以上のセンサを使用して実施することができる。埋め込まれたセンサは、個人の特定の健康上のニーズ及び／又は以前に測定された分析物のレベルに応じて、任意の指示された速度で分析物のデータを収集することができる。

定期的な体外での分析物のモニタリングは、多くの人にとって生理学的状態を決定するのに十分である。しかしながら、体外での分析物のモニタリングは、一部の人にとっては不便又は苦痛を伴う場合がある。さらに、分析物の測定値が適切な時間に取得されない場合には、失われたデータを回復する方法はない。

体内に埋め込まれたセンサを用いた継続的な分析物のモニタリングは、重度の分析物調節不全及び／又は急速に変動する分析物レベルを有する人にとってより望ましい手法であるが、それ以外の人にとっても有益である可能性がある。埋め込まれたセンサによる継続的な分析物のモニタリングは有利であるが、このタイプの測定に関連した課題がある。静脈内分析物センサは、血液から直接分析物の濃度を生成するという利点を有するが、侵襲的であり、また、特に長期間にわたる場合には、装着する個人に痛みを伴う場合がある。皮下、間質、又は皮膚の分析物センサは、多くの場合、装着する個人に痛みがより少なく、且つ十分な測定精度を生成できる。

分析物を感知するための適切な化学反応を特定することができれば、任意の分析物が生体内での分析に適する可能性がある。実際、グルコースを分析するために構成された生体内電流測定センサが近年開発され、改良されてきている。生理学的調節不全の対象となる別の分析物であって同様に監視することが望ましいと考えられる分析物には、限定ではないが、乳酸、酸素、ｐＨ、Ａ１ｅ、ケトン、薬物レベルなどが含まれる。

生体内のｐＨレベルは、通常、正常な生物学的機能が起こるために有意に狭い範囲内にとどまる。例えば、正常な血中ｐＨは約７．４であり、６．９未満又は７．６を超える血中ｐＨ値は生命を脅かす可能性がある。生物学的ｐＨ調節不全の結果には、限定ではないが、体液内の１つ以上の成分の生体内での沈殿、酵素の活動低下又は活動亢進、生体膜透過性の変化、ある種の癌に対する傾向などの望ましくない状態が含まれる。ｐＨ測定値のオフセットにつながる可能性のあるいくつかの条件の例には、呼吸性アシドーシス、呼吸性アルカローシス、代謝性アシドーシス、及び代謝性アルカローシスが含まれる。アシドーシスに関して言えば、呼吸性アシドーシスは、胸部の変形又は損傷、慢性の肺疾患及び気道疾患、鎮静剤の乱用、又は肥満などによって引き起こされ得る。代謝性アシドーシスは、長時間の運動、酸素不足、サリチル酸塩等の一定の薬物療法、低血糖、アルコール、発作、肝不全、一部の癌、腎臓病、重度の脱水症、及び中毒（例、メタノール中毒）などによって引き起こされ得る。アルカローシスに関して言えば、呼吸性アルカローシスは、酸素不足、発熱、肺疾患、肝疾患、及びサリチル酸中毒によって引き起こされ得る。代謝性アルカローシスはまれであるが、重度の脱水症、嚢胞性線維症、制酸剤などのアルカローシス剤の乱用によって引き起こされ得る。

調節不全となった生体内のｐＨ値に直接起因する健康への影響に加えて、特定の分析物に関連する化学反応の検出は、局所的なｐＨ環境及び／又は局所的なｐＨ環境の変化によって影響を受ける可能性がある。尿素の検出は、例えば、生体液をウレアーゼと相互作用させて生成物としてアンモニアを生成するときに生じるｐＨの変化に基づいて行うことができる。アンモニアは、局所的なｐＨ環境を変化させるため、ｐＨを測定することにより尿素濃度を分析することができる。しかしながら、ｐＨを正確に測定する方法がなければ、生体内のｐＨレベルが分析物の濃度そのものに直接影響しない場合であっても、尿素や類似する分析物の信頼できる濃度の測定値を取得することは困難である。

体内のｐＨ値の測定は、従来、設定された時間間隔で体液サンプルを採取して体外で分析することにより実施される。この手法は一定の場合には許容可能であるが、ｐＨ値が急速に変化する場合には、ｐＨ調節不全が生じたことを判断するのに十分な速さでｐＨの値を測定することは困難である。さらに、体外でｐＨの測定値を取得することに関連してタイムラグが頻繁に発生するため、ｐＨ調節不全が生じたことが分かるまでに重大な健康への影響が生じてしまう可能性がある。

生体内でｐＨの値を測定すること、特に長い測定時間にわたって単一の埋め込みセンサを使用して測定することが望ましい場合があるが、従来のｐＨの測定の性質によりこの作業は困難になっている。まず第１に、従来のｐＨの測定は、通常、ガラス電極又はイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を使用して行われる。どちらのタイプの装置も表面の汚れに非常に敏感であるため、測定された表面電位、したがって測定されたｐＨに影響を与える可能性がある。第２に、ｐＨの測定と組み合わせて使用される参照電極は、特に生体内でドリフトする可能性があり、これは測定誤差のさらなる要因になる。対照的に、例えば、グルコースなどの分析物の体内測定用の参照電極は、プラトー電位で電流測定的に作動され、ドリフト効果の影響をはるかに受けにくい。そのため、従来のアプローチは、特に測定が長時間にわたる場合には、生体内のｐＨ値を測定するのにあまり適していない。

以下の図は、本発明の特定の態様を説明するために含められたものであり、排他的な実施形態であると見なしてはならない。開示された主題は、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び機能においてかなりの変更、代替、組み合わせ及び均等が可能である。

本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極及び１つの対向／参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極及び１つの対向／参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極と、参照電極と、対向電極とを有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、装着可能であり且つ第１及び第２の作用電極からの信号の受信に基づいてｐＨを測定することができるように構成された例示的な感知システムを示す図。 ポリマーに結合したトルイジンブルーを含有する作用電極のさまざまなｐＨ値における凝集サイクリックボルタモグラム（ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｓ）のプロットを示すグラフ。 ポリマーに結合されたオスミウム錯体を含有する作用電極のさまざまなｐＨ値における凝集サイクリックボルタモグラムの対応プロットを示す図。 表１の電圧差のデータ対ｐＨに対応する検量線を示すグラフ。

本発明は、一般に、ｐＨを測定するためのセンサ及び方法、より詳細には、生体内でｐＨ値を測定するために特に適したセンサ及び方法について説明する。
上記のように、体内におけるｐＨ値の電気化学的測定は、１つ以上の電極又は類似するｐＨ測定装置のドリフト及び表面の汚れのために複雑になる可能性がある。上記問題は、体内で特に問題になりうるが、体外又は実験室の設定でｐＨ値を測定する場合にも遭遇する可能性がある。体内でｐＨ値を正確に測定する準備ができていない場合には、リアルタイム又は実質的にリアルタイムで生理学的状態を評価することは困難である。さらに、特定の分析物の濃度の測定に対応する感知の性質はｐＨに依存する場合があり、不正確な分析物の濃度の測定は、ｐＨを十分な精度で測定できていないことが原因である可能性がある。

本明細書では、上記課題を克服するとともに更なる利点を提供し得るｐＨセンサについて説明する。特には、本発明のｐＨセンサは、表面の汚れ及びドリフトの影響によってほとんど影響を受けない。本発明のｐＨセンサは、２つの異なる作用電極を使用し、各作用電極の活性部分は、異なる電気化学的性能を示す。本明細書で使用される場合、「活性部分」という用語は、所望の電気化学反応が起こる作用電極の一部に配置された層又はスポットを指す。すなわち、本発明のｐＨセンサでは、第１の作用電極上に配置された活性部分は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含み、第２の作用電極上に配置された活性部分は、ｐＨに対してほぼ不変の酸化還元の性質を有する物質を含む。いくつかの実施形態によれば、第１の作用電極の活性部分に位置する物質は、酸化還元反応の過程でそのプロトン化状態を変化させる物質を含むが、これは必須ではない。酸化状態が変化する電位は、第１の作用電極のボルタンメトリー掃引中に決定することができる。いくつか又は別の様々な実施形態によれば、第２の作用電極の活性部分に位置する物質は、関心のある所与のｐＨ範囲にわたってボルタンメトリー掃引中に測定される完全に不変の電位を必ずしも有する必要はない。測定された電圧の変化は、所与のｐＨ範囲で予め定められた適切な値未満、例えば興味のある所与のｐＨの範囲で約１００ｍＶ未満の変動、又は約５０ｍＶ未満の変動、又は約１０ｍＶ未満の変動であってもよい。変動は、有用なｐＨ範囲の両端の値の間での電圧掃引において観察された最大電圧から最小電圧を差し引くことによって決定することができる。許容可能な変動量は、ｐＨ測定がどれだけ正確である必要があるかに基づいて決定することができる。いくつかの実施形態によれば、第２の作用電極の活性部分に位置する物質は、酸化還元反応を受ける過程でそのプロトン化状態を維持する（変化しない）ことができるが、これも必須ではない。

ｐＨセンサに接触している流体のｐＨ値を計算するために、第１の作用電極及び第２の作用電極から信号が受信される。特には、流体の観察されたｐＨ値は、第１の信号と第２の信号との間の差に基づいて計算することができる。信号の差は、ルックアップテーブル、検量線などを参照することによって、ｐＨ値と相関させることができる（例えば、適切なプロセッサを使用して又は手動で）。

本明細書に開示されたｐＨセンサは、参照電極及び対向電極、又は、１つの対向／参照電極を含むが、ｐＨ値を決定するために参照電極、もしくは対向／参照電極からの信号を受信、参照、利用、又は処理する必要はない。すなわち、第１の作用電極及び第２の作用電極は、参照電極もしくは対向／参照電極に対して個別に参照されるため、第１の信号及び第２の信号に適用される補正は、信号差を決定するときに相殺される。言い換えれば、第１の作用電極と第２の作用電極は、互いに内部的に参照される。したがって、本明細書に記載のｐＨセンサは、参照電極もしくは対向／参照電極を用いて信号を補正する必要性を排除することにより、従来のｐＨセンサに伴うドリフトの問題を克服する。さらに、参照電極が信号の補正に必要とされないことを考えると、本明細書に記載のｐＨセンサのいくつかの実施形態は、参照電極を完全に欠いていてもよい。そのような実施形態では、第２の作用電極は、第１の作用電極の参照電極と見なすことができ、又はその逆も可能であり、適切な対向電極が存在して電気的閉回路を形成することができる。

さらに、本明細書に記載のｐＨセンサは、従来の電気化学的ｐＨセンサにとって問題となり得る表面の汚れの問題にも対処する。すなわち、第１及び第２の作用電極の活性部分は、比較的厚いポリマー層又はスポットを含み、感知の化学反応は、その表面だけでなく、ポリマー層又はスポット全体にわたって生じる。電子がポリマー層を貫通して第１の電極及び第２の電極に通過することにより、酸化還元反応は、表面上だけでなく、活性部分全体で起こる。したがって、表面の汚れの影響は、本明細書に開示されるｐＨセンサで限定的となり得る。さらに、酸化還元反応は、本明細書に開示されたｐＨセンサの活性部分の表面に限定されず、膜と活性部分との界面は、活性部分の内部で発生する酸化還元反応に実質的に影響を与えないため、様々な質量制限膜又は生体適合性膜を、ｐＨセンサと組み合わせて好適に使用することができる。様々なプロトン透過性膜が、本明細書に開示されたｐＨセンサと組み合わせた使用に適する可能性がある。適したプロトン透過性膜は、第１及び第２の活性部分内に含まれる物質に対して実質的に不透過性であるため、活性部分におけるそれらの物質の保持を促進し、その結果、ｐＨ感知能力は長い測定時間にわたって保持される。

最後に、本発明のｐＨセンサは、望ましくは、関心のある所与のｐＨ測定値範囲内での感知反応のボルタンメトリー掃引（例えば、サイクリックボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、パルス波ボルタンメトリー、方形波ボルタンメトリーなど）を実施することによって作動される。上記技術を使用してボルタンメトリー掃引の所与の位置で測定された電位は、各作用電極上の活性部分の厚さ及び面積などの電極の形状に実質的に影響を受けない。そのため、活性部分の製造上の差異は最小限の影響しかない。いくつかの実施形態では、活性部分は、米国特許出願公開番号第２０１２／０１５００５号明細書に記載され、且つ参照により本明細書に組み込まれるもの等のように、弧状形状を有する感知スポットを含む。したがって、測定された電位は、所与のｐＨにおける各活性部分の化学反応性質を示す。この特徴により、ｐＨセンサの較正が容易になり得る。測定された電位は、例えば、１つ以上の実施形態によれば、アノードピーク電位、カソードピーク電位、半波電位などである。より具体的な実施形態によれば、各作用電極で測定された電位は、信号差を計算するために、同じタイプの測定（例えば、第１の作用電極及び第２の作用電極の両方の、アノードピーク電位、カソードピーク電位、又は半波電位）からなってもよい。

したがって、本開示のｐＨセンサは、第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を含むセンサーテールと、第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する第１の活性部分と、第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する第２の活性部分とを含む。第１及び第２の活性部分に適した酸化還元化学について、以下でさらに詳細に説明する。

図面を参照して以下に説明するように、２つの作用電極を含むｐＨセンサには様々な構成が可能である。本明細書に開示されるｐＨセンサ内の少なくとも１つの別の電極は、いくつかの実施形態によれば、対向電極、又は対向電極と参照電極とを含み、別の実施形態では、１つの対向／参照電極を含む。したがって、様々な実施形態によれば、本明細書に記載のｐＨセンサは、合計で少なくとも３つ又は少なくとも４つの電極を含む。４電極構成について説明する前に、まず３電極構成について説明する。

図１Ａ，１Ｂは、本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極、及び１つの対向／参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す。図１Ａに示すように、作用電極１０４，１０６は、ｐＨセンサ１００内で基材１０２上に配置される。活性部分１１０は、作用電極１０４の表面に配置され、活性部分１１２は、作用電極１０６の表面に配置される。活性部分１１０，１１２のうちの一方は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含み、他方は、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含む。対向／参照電極１２０は、誘電体層１２２によって作用電極１０４から電気的に絶縁されている。対向／参照電極１２０は、作用電極１０４上に配置されて示されているが、いくつかの実施形態では、代替的に、対向／参照電極１２０は、作用電極１０６上に配置されてもよい。外側誘電体層１３０，１３２は、作用電極１０６及び対向／参照電極１２０上に配置される。各層の長さは、描かれているものとは異ってもよいことを理解されたい。活性部分１１０，１１２は、それらが分析物と相互作用できるように露出されている。

様々な実施形態によれば、膜１４０は、活性部分１１０，１１２の一方又は双方の上を覆う。本発明によれば、膜１４０は、生体適合性を有し、及び／又は分析物（すなわち、プロトン）の流動を活性部分１１０，１１２に制限する能力を有するポリマーを含有する。センサの飽和を防止するために、分析物の流動を制限することが望ましい場合がある。様々な実施形態によれば、膜１４０の厚さによって、分析物の流動を変えることができる。膜１４０の厚さは、センサの長さに沿って変化してもよいし、又は一定であってもよい。様々な実施形態において、膜１４０の厚さは、約１ミクロンから約１００ミクロンの間、又は約ミクロンから約５０ミクロンの間、又は約２０ミクロンから約９０ミクロンの間の範囲である。ｐＨセンサ１００の片面又は両面、又はｐＨセンサ１００全体は、膜１４０で覆われる。

図１Ａに示すように、作用電極１０４，１０６は、基板１００の対向する面に配置される。図１Ｂに示す代替構成では、作用電極１０４，１０６は、ｐＨセンサ１０１内の基板１０２の同じ面に配置され、誘電体層１２２によって離間されている。別の代替構成も、本発明の範囲内である。

対向電極と参照電極の両方を有するセンサ構成は、追加の電極を含むことを除いて、図１Ａ，１Ｂに示すものと構造において同様である。図２は、２つの作用電極、１つの参照電極、及び１つの対極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す。図に示すように、作用電極２０４，２０６は、ｐＨセンサ２００内で基板２０２上に配置される。活性部分２１０は、作用電極２０４の表面に配置され、活性部分２１２は、作用電極２０６の表面に配置される。活性部分２１０，２１２の一方は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含み、他方は、ｐＨに対して実質的に不変な酸化還元の性質を有する物質を含む。対向電極２２０は、誘電体層２２２によって作用電極２０４から電気的に絶縁されており、参照電極２２１は、誘電体層２２３によって作用電極２０６から電気的に絶縁されている。外側誘電体層２３０，２３２はそれぞれ、参照電極２２１及び対極２２０上に配置される。様々な実施形態では、膜２４０は、少なくとも活性部分２１０，２１２を覆う。図１Ａ，１Ｂに示すように、ｐＨセンサ２００の片面又は両面、又はｐＨセンサ２００の全体は、膜２４０で覆われる。

対極２２０及び参照電極２２１の配置は、図２に示すものとは逆にすることができる。さらに、作用電極２０４，２０６は、図２に示すように、必ずしも基板２０２の対向する面上に存在する必要はない。図１Ａ，１Ｂに示すように、ｐＨセンサ２００の片面又は両面、又はｐＨセンサ２００の全体は、膜２４０で覆われる。

上記のように、活性部分の一方は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含む。ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する適切な物質には、例えばキノン、酸化還元指示薬化合物、又はそれらの任意の組み合わせが含まれる。

キノンは、ｐＨの変化に伴ってプロトン化又は脱プロトン化される結果として、酸化還元の性質の変化と、それに伴うボルタンメトリー掃引中に観察されるピーク位置の違いを示す。低ｐＨ値では、フェノール型が優勢である。ｐＨが上昇してフェノールの脱プロトン化が起こり始めると、キノン型への酸化が促進される。好適なキノンには、ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、１，１０－フェナントロリンキノン、テトラクロロベンゾキノン（クロラニル）、ジクロロジシアノベンゾキノン（ＤＤＱ）など、それらの官能基を持たせた変異体、及びそれらの任意の組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、作用電極及び／又は活性部分のポリマーに共有結合することができる追加的な官能基が存在し得る。追加の機能を有する好適なキノンには、ローソン、アリザリン、ナフタジリンなど、及びそれらの任意の組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。作用電極及び／又はポリマーに共有結合することができる追加の官能基は、キノン環上に直接配置されるか、又はアルキレン基、オキシアルキレン基、又はカルボン酸誘導物などの１つ以上のスペーサ原子によってそれらから離間されていてもよい。いくつかの実施形態において、好適なキノンは、次の式１に示す構造を有する。

化学式１において、Ｚｎは任意の官能基（ｎ=１４）を表し、Ａは第１の活性部分を構成するポリマーに共有結合されるスペーサ基である。特定の実施形態では、Ａは、例えば、－（ＣＨ_２）_ｍ－、－Ｃ（＝Ｏ）－ＮＨ－、－Ｃ（＝Ｏ）－Ｏ－、－Ｏ（ＣＨ_２）_ｍ、又は－（ＣＨ_２）_ｍＯ－などのスペーサ基であり、ｍは、１～約２０の間の範囲の正の整数である。

酸化還元指示薬化合物には、特定の電極電位で色が変化する性質に基づいて酸化還元滴定に使用される物質が含まれる。本明細書での使用に適した特定の酸化還元指示薬化合物には、酸化還元反応がｐＨ依存性である酸化還元指示薬化合物が含まれるが、これらに限定されない。具体的な例としては、インドフェノール化合物、インディゴ染料、フェナジン、チアジンなど、及びそれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する酸化還元指示薬化合物の具体的な例には、インドフェノール、２，６－ジブロモフェノール－インドフェノールナトリウム、２，６－ジクロロフェノール－インドフェノールナトリウム、ｏ－クレゾール－インドフェノールナトリウム、チオニン、メチレンブルー（塩化メチルチオニニウム）、トルイジンブルー、インジゴテトラスルホン酸、インジゴトリスルホン酸、インジゴジスルホン酸（インジゴカルミン）、インジゴモノスルホン酸、サフラニン、フェノサフラニン、ニュートラルレッドなど、及びそれらの任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。作用電極及び／又はポリマーに共有結合させることができる追加の官能基は、酸化還元指示薬化合物上に直接配置されるか、又はアルキレン鎖などの１つ以上のスペーサ原子によってそれらから間隔を置いて配置されることができる。

いくつかの実施形態によれば、ポリマーは、第１，第２の活性部分に存在し得る。第１，第２の活性部分に含めるのに適したポリマーには、ポリビニルピリジン（例えば、ポリ（４－ビニルピリジン））、ポリイミダゾール（例えば、ポリ（１－ビニルイミダゾール））、それらの任意のコポリマーなど、及びそれらの任意の組み合わせが含まれるが、これに限定されない。適した例示的なコポリマーには、スチレン、アクリルアミド、メタクリルアミド、アクリロニトリルなどのモノマー単位を含むコポリマーなど、及びそれらの任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。

より具体的な実施形態では、第１の活性部分は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質に共有結合されたポリマーを含む。いくつかの実施形態では、第２の活性部分は、同様に、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質に共有結合されたポリマーを含む。第１，第２の活性部分の物質が共有結合される方法は、特に限定されるとは考えられておらず、第１，第２の活性部分に存在するポリマー又はコポリマーの種類に依存し得る。いくつかの実施形態では、物質は、ポリマー中の複素環（例えば、ピリジン窒素原子）を四級化することによって、ポリマーに共有結合される。

ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質の、第１の活性部分を含むポリマーへの共有結合は、適切な架橋を介して起こる。架橋は、適切な架橋剤との反応によって導入することができる。ｐＨ依存性の酸化還元化学を有する物質中のアミノ基又はヒドロキシル基との反応に適した架橋剤には、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＰＥＧＤＧＥ）、シアヌル酸クロリド、Ｎ－ヒドロキシスクシンイミド、イミドエステル、エピクロロヒドリンなどのポリエポキシド、その誘導体化変異体など、及びそれらの任意の組み合わせが含まれ得るが、これに限定されない。ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質中のカルボン酸基との反応に適した架橋剤には、カルボジイミドが含まれ得るが、これに限定されない。

物質が所与のｐＨ範囲にわたって十分に制限された範囲の応答変動性を示す場合、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する好適な物質は、特に限定されるとは考えられていない。様々な実施形態によれば、応答変動性は、約１００ｍＶ以下、又は約５０ｍＶ以下、又は約１０ｍＶ以下で変動し、又は対象の所与のｐＨ範囲にわたって実質的に変動を示さない。さらにより具体的な実施形態では、応答変動性は、約１～約１４、又は約２～約１２、又は約３～約７、又は約７～約１２、又は約５～約８、又は約６．５～約８．５、又は約６．５～約８のｐＨ範囲において上記の制限内で変動する。

さらにより具体的な実施形態では、第２の活性部分に実質的にｐＨ変動性がない酸化還元の性質を有する物質は、例えば米国特許第６，１３４，４６１号明細書及び第６，６０５，２００号明細書に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、オスミウム錯体などの遷移金属錯体を含み得る。遷移金属錯体は、酸化還元酸化還元反応中に第２の作用電極への電子の輸送を促進することができ、そこでは、ｐＨは、変化する場合もあれば変化しない場合もある。適切な遷移金属錯体には、標準的なカロメル電極（ＳＣＥ）の酸化還元電位より数百ミリボルト大きい又は小さい酸化還元電位を有する、電解還元性及び電解酸化性のイオン、錯体、又は分子が含まれ得る。第２の活性部分に含有させる適切な物質には、例えばルテニウム、鉄（例えば、ポリビニルフェロセン）、又はコバルトの錯体が含まれる。遷移金属錯体のいずれかに適した配位子には、例えば、ビピリジン、ビイミダゾール、フェントロリン、ピリジル（イミダゾール）などの二座又はより高い座数の配位子、及びそれらの任意の組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。他の適切な二座配位子には、アミノ酸、シュウ酸、アセチルアセトン、ジアミノアルカン、ｏ－ジアミノアレーンなど、及びそれらの任意の組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。完全な配位圏を達成するために、単座、二座、三座、四座、又はより高い座数の配位子の任意の組み合わせが金属錯体に存在し得る。金属錯体中の１つ以上の配位子は、第２の活性部分のポリマーに共有結合され得る。

別の実施形態では、第２の活性部分のｐＨに関して酸化還元反応において実質的に変動性を有さない物質は、ｐＨ非依存性の酸化還元指示薬であり得る。適切なｐＨ非依存性酸化還元指示薬には、例えば、２，２’－ビピリジンルテニウム、２，２’－ビピリジン鉄、ニトロフェナントロリン、Ｎ－フェニルアントラニル酸、１，１０－フェナントロリン硫酸鉄錯体、Ｎ－エトキシキソイジン、５，６－ジメチルフェナントロリン鉄、ｏ－ジアニシジン、ジフェニルアミンスルホン酸ナトリウム、ジフェニルベンジジン、ジフェニルアミン、及びビオロゲンが含まれ得る。実質的にｐＨ変動性を有さない酸化還元の性質を有する他の物質は、酸化還元反応が可逆的であるという条件で、対象のｐＨ範囲にわたってプロトン化又は脱プロトン化を受けない任意の物質を含み得る。

第１及び第２の活性部分の物質は、各活性部分内のポリマーに共有結合され得るが、ポリマーへの別の結合手段も同様に適し得る。いくつかの実施形態では、物質は、イオン的に又は配位的にポリマーと結合される。例えば、帯電したポリマーは、逆に帯電した物質にイオン的に結合される。別の実施形態では、物質は、ポリマーに結合されることなく、ポリマー内に物理的に混入されてもよい。

本開示の様々な実施形態によれば、作用電極はそれぞれ、信号を生成するように構成され、信号間の差はｐＨ値に相関させることができる。信号差がどのように決定され、ｐＨ値と相関するかをさらに説明する前に、ｐＨセンサが信号をユーザ又はプロセッサに伝達してさらに分析する方法について簡単に説明する。

様々な実施形態によれば、本発明のｐＨセンサは、身体に装着するように構成され、センサーテールは、組織、特に皮膚の下、皮下、又は間質に挿入されるように構成される。図３は、本発明に係る、身体に装着すること、及び、第１及び第２の作用電極からの信号の受信に基づいてｐＨを測定することができるように構成された例示的な感知システムの図を示す。しかしながら、以下に明示的に記載されているものとは異なる、又は以下に明示的に説明されているものに追加的な構造、構成、及び／又は構成要素を有するｐＨセンサも、本開示のいくつかの実施形態において好適に使用され得ることを理解されたい。

図３に示すように、感知システム３００は、ローカル又はリモートの通信経路又はリンクであって、有線又は無線、一方向又は双方向、及び暗号化又は非暗号化された経路を介して互いに通信するように構成されたセンサ制御装置３０２及び読み取り装置３２０を含む。いくつかの実施形態によれば、読み取り装置３２０は、センサ３０４又はそれに対応するプロセッサによって決定されたｐＨ及び警告又は通知を表示するとともに、１つ以上のユーザ入力を可能にするための出力媒体を構成する。読み取り装置３２０は、多目的スマートフォン又は専用の電子読み取り装置であり得る。図には、１つの読み取り装置３２０のみが示されているが、特定の例では、複数の読み取り装置３２０が存在し得る。複数の読み取り装置３２０は、互いに通信し得る（例えば、データを共有し同期するため）。読み取り装置３２０は、通信経路／リンク３４１，３４２を介して、リモート端末３７０及び／又は信頼できるコンピュータシステム３８０にそれぞれ通信することができ、それらも、有線又は無線、一方向又は双方向、及び暗号化又は非暗号化された通信である。読み取り装置３２０も又は代替的に、通信経路／リンク３５１を介してネットワーク３５０（例えば、携帯電話ネットワーク、インターネット、又はクラウドサーバー）に通信することができる。ネットワーク３５０は、通信経路／リンク３５２を介してリモート端末３７０に、及び／又は通信経路／リンク３５３を介して信頼できるコンピュータシステム３８０にさらに通信可能に接続される。次に、いくつかの実施形態では、リモート端末３７０及び／又は信頼できるコンピュータシステム３８０は、ネットワーク３５０に通信することができる。代替的には、センサ３０２は、介在する読み取り装置３２０がなくても、リモート端末３７０及び／又は信頼できるコンピュータシステム３８０に直接通信することができる。例えば、いくつかの実施形態によれば、センサ３０２は、米国特許出願公開番号第２０１１／０２１３２２５号明細書に記載され、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものように、ネットワーク３５０への直接的な通信リンクを介してリモート端末３７０及び／又は信頼できるコンピュータシステム３８０と通信することができる。近距離無線通信（ＮＦＣ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）又はＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）低エネルギープロトコル、ＷｉＦｉなどの任意の適切な電子通信プロトコルを、通信経路又はリンクのそれぞれに使用することができる。リモート端末３７０及び／又は信頼できるコンピュータシステム３８０は、いくつかの実施形態によれば、一次ユーザ以外の個人によってアクセス可能である。読み取り装置３２０は、ディスプレイ３２２及び任意の入力要素３２１を含み得る。いくつかの実施形態によれば、ディスプレイ３２２は、タッチスクリーンインターフェースを含む。

センサ制御装置３０２は、センサ３０４を作動させるための回路及び電源を収容できるセンサーハウジング３０３を含む。任意に、電源及び／又は能動回路を省略することができる。プロセッサ（図示せず）は、センサ３０４に通信可能に接続され、プロセッサは、センサーハウジング３０３又は読み取り装置３２０内に物理的に配置される。いくつかの実施形態によれば、センサ３０４は、センサーハウジング３０３の下側から突出して接着層３０５を貫通して延び、接着層３０５はセンサーハウジング３０３を皮膚などの組織表面に接着させるために構成される。

センサ３０４は、皮膚の下などの目的の組織に少なくとも部分的に挿入されるように構成される。センサ３０４は、皮膚の下の所望の深さに挿入するために十分な長さのセンサーテールを含む。１つ以上の実施形態によれば、センサーテールは、本明細書の開示された２つの作用電極を有する感知領域を含む。本開示の様々な実施形態では、ｐＨは、真皮液、間質液、血漿、血液、リンパ液、滑液、脳脊髄液、唾液、気管支肺胞洗浄液、羊水などの目的とする任意の生物学的な液で監視される。

組織へのセンサ３０４の導入を促進するために、導入器が一時的に存在してもよい。例示的な実施形態では、導入器は針を含む。代替の実施形態では、シース又は刃などの別のタイプの導入器が存在してもよい。より具体的には、針又は同様の導入器は、挿入前にセンサ３０４の近くに一時的に存在し、その後引き抜かれる。存在している間、針又は別の導入器は、センサ３０４がたどるアクセス経路を開くことによって、組織へのセンサ３０４の挿入を容易にし得る。例えば、１つ以上の実施形態によれば、針は、真皮へのアクセス経路として表皮の貫通を容易にして、センサ３０４の移植を可能にする。アクセス経路を開いた後、鋭利物による危険を排除するために、針又は別の導入器は引き抜かれる。例示的な実施形態では、針は、中実又は中空、面取り又は非面取り、及び／又は断面が円形又は非円形である。より具体的な実施形態では、針は、断面直径及び／又は先端設計において、約２５０ミクロンの断面直径を有する鍼治療針に相当する。しかしながら、具体的な用途に必要とされる場合には、適切な針は、より大きな又はより小さな断面直径を有する場合があることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、針の先端（存在する間）は、センサ３０４の先端上で角度を有するため、針は、まず組織を貫通してセンサ３０４のためのアクセス経路を開く。別の例示的な実施形態では、センサ３０４は、針のルーメン又は溝内に存在し、針は、同様に、センサ３０４のためのアクセス経路を開く。いずれの場合も、挿入を容易にした後、針はその後引き抜かれる。

したがって、本発明のｐＨセンサでは、第１の作用電極は、第１の信号を生成するように構成され、第２の作用電極は、第２の信号を生成するように構成されて、第１の信号と第２の信号との間の差をｐＨと相関させる。つまり、本発明の様々な実施形態によれば、第１の信号から第２の信号を差し引くことによって、信号の大きさにおけるその差分をｐＨに相関させることができる。信号の差は、適切なプロセッサを使用して手動又は自動で計算できる。一度計算されると、信号の差は同様に手動又は自動でプロセッサと相関させることもできる。

より具体的な実施形態では、本発明のｐＨセンサは、第１及び第２の作用電極に信号通信するプロセッサを含む。プロセッサは、第１の作用電極から第１の信号を受信し、第２の作用電極から第２の信号を受信するように構成される。プロセッサは、第１の信号と第２の信号との間の差を計算するとともに、信号間の差をｐＨに相関させるようにさらに構成される。

いくつかの実施形態では、プロセッサは、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、対応する第１の信号と第２の信号との間の差とを含むルックアップテーブルにアクセスするように構成される。ルックアップテーブルは、既知のｐＨで複数の試料を分析し、第１の信号と第２の信号を測定して、２つの信号の差を決定することにより、未知のサンプルを測定する前に入力される。プロセッサは、例えば、ルックアップテーブル内のどの差分値が既知のサンプルについて測定されたものに最も近いかを決定し、それに応じてｐＨを報告することができる。別の実施形態では、プロセッサは、ルックアップテーブル内の差分値の間を補間して、測定されたｐＨ値を決定することができる。内挿は、報告された差分値の間でｐＨの線形分散を想定する場合がある。

別の実施形態では、プロセッサは、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する第１の信号と第２の信号との間の差の検量線にアクセスするように構成される。ルックアップテーブルのように、検量線は、未知の試料を測定する前に、既知のｐＨで複数の試料を分析し、第１の信号と第２の信号とを測定して、その２つの間の差分を決定し且つｐＨ値と差分値とを曲線近似して較正関数を決定することにより決定され得る。工場でのｐＨの関数として信号差を決定し、ルックアップテーブル又は検量線をｐＨセンサに割り当てることにより、ロットレベルでの工場較正が可能になる場合がある。各信号の参照電極の補正は必要ないため、特定のｐＨ範囲での信号の差は、第１の活性部分と第２の活性部分の物質の選択に対してセンサ間で不変である。

したがって、本開示のｐＨ測定方法は、一定のｐＨ値を有する流体にｐＨセンサを曝露する工程であって、ｐＨセンサが第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を含む、一定のｐＨ値を有する流体にｐＨセンサを曝露する工程と、第１の作用電極に対応する第１の信号を測定する工程と、第２の作用電極に対応する第２の信号を測定する工程と、第１の信号と第２の信号との間の差を計算する工程と、第１の信号と第２の信号との間の差をｐＨ値に相関させる工程とを含む。より具体的な実施形態では、流体は生体液であり、且つｐＨセンサは体内で生体液に曝露される。

いくつかの実施形態によれば、第１の信号及び第２の信号はそれぞれ、ボルタンメトリーのピーク電位を含む。ボルタンメトリーのピーク電位は、サイクリックボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、パルス波ボルタンメトリー、方形波ボルタンメトリーなどによって決定することができる。実行されるボルタンメトリー掃引の型に応じて、各物質についてボルタンメトリーピーク電位を決定するために、観察された曲線上の適切な位置を決定できる。当業者であれば、実行されたボルタンメトリー掃引の型に基づいてこの決定を行うことができる。

様々な実施形態によれば、第１の信号及び第２の信号は、同時又は異なる時間に測定される。異なる時間での測定は、例えば、一方の作用電極に電位を印加することなく、各作用電極のボルタンメトリー掃引を別々に実行することを含む。いくつかの実施形態によれば、この方法での測定は、単一のチャネルを利用することができる。別の実施形態では、第１の信号及び第２の信号は、第１のチャネル及び第２のチャネルを介して各作用電極を同時に監視することによって同時に測定することができる。

さらなる実施形態では、本発明の方法は、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、対応する第１の信号と第２の信号との間の差とを含むルックアップテーブルにアクセスすることを含み得る。別のさらなる実施形態では、本開示の方法は、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する第１の信号と第２の信号との間の差の検量線にアクセスすることを含み得る。いずれの構成においても、プロセッサは、第１の信号及び第２の信号を受信して、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、ルックアップテーブル又は検量線にアクセスするように構成される。様々な実施形態によれば、ルックアップテーブル又は検量線へのアクセスは、電子クエリを実行することを含み得る。

本明細書に開示される実施形態には、以下のものが含まれる。
Ａ．ｐＨを測定するためのセンサである。ｐＨセンサは、第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を備えるセンサーテールと、第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する第１の活性部分と、第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する第２の活性部分とを備える。

Ｂ．ｐＨを測定するための方法である。方法は、ｐＨセンサを一定のｐＨ値を有する流体に曝露する工程であって、ｐＨセンサが第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を備えるセンサーテールと、第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する第１の活性部分と、第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する第２の活性部分とを備える、ｐＨセンサを一定のｐＨ値を有する流体に曝露する工程と、第１の作用電極に対応する第１の信号を測定する工程と、第２の作用電極に対応する第２の信号を測定する工程と、第１の信号と第２の信号との間の差を計算する工程と、第１の信号と第２の信号との間の差をｐＨ値に相関させる工程とを含む。

実施形態Ａ，Ｂはそれぞれ、以下の追加の要素の１つ以上又はすべてを任意の組み合わせで有することができる。
要素１：センサーテールは組織に挿入されるように構成される。

要素２：ｐＨ依存性の酸化還元化学を有する物質は、キノン、酸化還元指示薬化合物、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
要素３：ｐＨ依存性の酸化還元化学を有する物質は、チアジンを含む酸化還元指示薬化合物を含む。

要素４：少なくとも１つの別の電極としては、対向電極及び参照電極が含まれる。
要素５：ｐＨセンサは、少なくとも１つの別の電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に挿入された誘電体層をさらに含む。

要素６：第１の誘電体層は、第１の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に挿入され、第２の誘電体層は第２の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に挿入される。
要素７：少なくとも１つの別の電極は、１つの対向／参照電極を含む。

要素８：ｐＨセンサは、１つの対向／参照電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に挿入された誘電体層をさらに含む。
要素９：第１の作用電極は、第１の信号を生成するように構成され、第２の作用電極は、第２の信号を生成するように構成され、第１の信号と第２の信号との間の差は、ｐＨに相関する。

要素１０：ｐＨセンサは、第１の作用電極から第１の信号を受信し、第２の作用電極から第２の信号を受信するように構成されたプロセッサであって、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、その差をｐＨに相関させるプロセッサをさらに備える。

要素１１：プロセッサは、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、対応する第１の信号と第２の信号との間の差とを含むルックアップテーブルにアクセスするように構成される。

要素１２：プロセッサは、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する第１の信号と第２の信号との間の差の検量線にアクセスするように構成される。
要素１３：ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質及びｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質は、両方ともそれぞれ、第１の活性部分及び第２の活性部分においてポリマーに共有結合されている。

要素１４：流体は生体液であり、ｐＨセンサは生体内で生体液に曝露される。
要素１５：方法は、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、対応する第１の信号と第２の信号との間の差とを含むルックアップテーブルにアクセスすることをさらに含む。

要素１６：プロセッサは、第１の信号と第２の信号を受信し、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、ルックアップテーブルにアクセスするように構成される。
要素１７：方法は、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する第１の信号と第２の信号との間の差の検量線にアクセスすることをさらに含む。

要素１８：プロセッサは、第１の信号及び第２の信号を受信し、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、検量線にアクセスするように構成される。
要素１９：第１の信号は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質のボルタンメトリーピーク電位を含み、第２の信号は、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質のボルタンメトリーピーク電位を含む。

要素２０：第１の信号及び第２の信号は、異なる時間に測定される。
要素２１：第１の信号及び第２の信号は、第１のチャネル及び第２のチャネルを介して同時に測定される。

非限定的な例として、Ａ及びＢに適用可能な例示的な組み合わせには、以下が含まれる。
要素１及び２、要素１及び３、要素１及び４、要素１，４及び５、要素１，４及び６、要素１及び７、要素１，７及び８、要素１及び９、要素１及び１０、要素１，１０及び１１、要素１，１０及び１２、要素１及び１３、要素２及び４、要素２，４及び５、要素２，４及び６、要素２及び７、要素２，７及び８、要素２及び９，要素２及び１０、要素２，１０及び１１、要素２，１０及び１２，要素３及び４，要素３，４及び５、要素３，４及び６、要素３及び７、要素３，７及び８、要素３及び９，要素３及び１０，要素３，１０及び１１、要素３，１０及び１２、要素４及び１０、要素４、１０及び１１，要素４，１０及び１２、要素７及び１０、要素７，１０及び１１、要素７，１０及び１２，要素２及び９、要素３及び９、要素４及び９、要素７及び９、要素９，１０及び１１、要素１０及び１２、要素１０及び１３、要素１０，１１及び１３、又は要素１０，１２及び１３の組み合わせたＡのｐＨセンサ。要素２及び１３、要素２及び１４、要素２及び１５、要素２，１５及び１６、要素２及び１７、要素２、１７及び１８，要素２及び１９、要素２及び２０、要素２及び２１、要素３及び１３、要素３及び１４、要素３及び１５、要素３，１５及び１６、要素３及び１７、要素３，１７及び１８、要素３及び１９、要素３及び２０、要素３及び２１、要素１３及び１４、要素１３及び１５、要素１３，１５及び１６、要素１３及び１７、要素１３，１７及び１８、要素１３及び１９、要素１３及び２０、要素１３及び２１、要素１４及び１５、要素１４，１５及び１６、要素１４及び１７、要素１４，１７及び１８、要素１４及び１９、要素１４及び２０、要素１４及び２１、要素１５及び１６、要素１５及び１９、要素１５，１６及び１９、要素１５及び２０，要素１５，１６及び２０、要素１５及び２１、要素１５，１６及び２１、要素１７及び１９、要素１７，１８及び１９、要素１７及び２０、要素１７，１８及び２０、要素１７及び２１、要素１７，１８及び２１、要素１９及び２０、又は要素１９及び２１の組み合わせたＢの方法。

本明細書に記載の実施形態のより良い理解を容易にするために、様々な代表的な実施形態の以下の例が与えられる。以下の例は、本発明の範囲を限定又は定義すると理解してはならない。

実施例
作用電極＃１：第１の炭素作用電極を、トルイジンブルー（ＴＯＢ）のポリマー層でコーティングした。コーティングの前に、作用電極を、１００ｍＭクエン酸／２００ｍＭリン酸塩／１００ｍＭ ＫＣｌ（ｐＨ＝４）を含む溶液内で、５０ｍＶ／ｓの掃引速度で－０．８Ｖから１．２Ｖまで電位を周期的に５サイクル掃引することにより事前調整した。ＴＯＢの電着は、上記の溶液に５ｍＭのＴＯＢを添加し、電位を－０．８Ｖから１．２Ｖまで、５０ｍＶ／秒の掃引速度で６０サイクル循環させることによって行った。次に、センサを蒸留水ですすぎ、風乾した。

作用電極＃２：第２の炭素作用電極は、オスミウム錯体を共有結合しているポリマーでコーティングした。米国特許第６，６０５，２００号明細書にさらに詳細に記載され、その全体が本明細書に組み込まれるポリマーの構造を、以下の化学式２に示す。

４５ｍｇ／ｍＬの上記ポリマーと１５ｍｇ／ｍＬのＰＥＧ４００を含む溶液を、１０ｍＭ ＨＥＰＥＳバッファー（ｐＨ＝８）で新たに調製した。上記溶液の３つの２０ｎＬの液滴を電極表面に置いて、それぞれが約０．１ｍｍ^２の面積を持つ３つの検出（活性）層スポットを生成した。次に、作用電極を、２５℃で６５％の相対湿度で一晩硬化させた。

サイクリックボルタンメトリーは、２～１２の範囲のｐＨを有する一連のｐＨバッファーの中で、５０ｍＶ／ｓのスキャン速度で、－０．８～１．２Ｖの電位範囲で、各作用電極について個別に実施した。すべての測定には、炭素対向電極とＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極とを使用した。図４は、第１の作用電極（ＴＯＢを含む）のさまざまなｐＨ値での凝集サイクリックボルタモグラムのプロットを示す。図５は、第２の作用電極（ポリマーに結合したオスミウム複合体を含む）のさまざまなｐＨ値での凝集サイクリックボルタモグラムの対応するプロットを示す。以下の表１は、観察されたアノードピーク電位をまとめたものである。

表１の下の行の差の値と、対応する上の行のｐＨ値は、ルックアップテーブルを構成することが可能である。代替的には、値をプロットすることによって検量線を作成することもできる。図６は、表１に示したｐＨに対する電圧差のデータに対応する検量線を示す。

特に明記されていない限り、本明細書及び関連する特許請求の範囲において数量などを表すすべての数字は、すべての場合において「約」という用語によって変更されるものとして理解されたい。したがって、反対のことが明記されていない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメータは、本発明の実施形態によって得られると考えられる所望の特性に応じて変更し得る近似値である。請求項の範囲に均等論の概念の適用を限定する意図としてではないが、少なくとも、各数値パラメータは、少なくとも開示された有効桁数を考慮して、且つ通常の丸め手法を適用することによって解釈されるべきである。

様々な要素を組み込んだ１つ以上の例示的な実施形態が本明細書に示されている。簡潔性のために、物理的な実装の必ずしもすべての要素が本明細書に説明又は示されているわけではない。本発明の実施形態を組み込んだ物理的実施形態の開発において、システム関連、ビジネス関連、政治関連及びその他の制約などの開発者の目標を達成するために、多数の実装固有の判断がされなければならないが、それは、実装によって及びその時々によって異なることが理解できる。開発者の努力は時間を要するものであるが、そのような努力は、当業者の日常的な作業であり、本発明の利益を有するであろう。

様々なシステム、ツール、及び方法は、様々な構成要素又は工程を「備える」という観点で本明細書で説明されているが、システム、ツール、及び方法は、様々な構成要素及び工程「から本質的になり」又は「からなる」こともできる。

本明細書で使用される場合、一連の項目の前にある「少なくとも１つの」という句は、項目の任意の１つを区切る「及び」又は「又は」という用語とともに、列挙された各部材（各項目）ではなく、列挙されたもの全体を修飾している。「少なくとも１つの」という句は、項目の任意の１つのうちの少なくとも１つ、及び／又は項目の任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、及び／又は各項目のうちの少なくとも１つを含む意味を可能にする。例として、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」又は「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」という句は、それぞれ、Ａのみ、Ｂのみ、又はＣのみ、Ａ，Ｂ及びＣの任意の組み合わせ、及び／又はＡ，Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つの意味を指す。

したがって、開示されたシステム、ツール、及び方法は、言及された目的及び利点、ならびにそれに固有のものを達成するために十分に構成されている。本明細書の開示された内容の利益を有する当業者であれば、異なるが同等の方法で変更し且つ実施することができるため、本発明の具体的な実施形態は、例示にすぎない。さらに、以下の特許請求の範囲に記載されている場合を除き、本明細書に示されている構造又は設計の詳細に限定することは意図されていない。したがって、上記の特定の例示的な実施形態は、代替、組み合わせ、又は変更が可能であり、そのようなすべての変形例は、本発明の範囲内であると見なされることは明らかである。本明細書に例示的に説明されたシステム、ツール、及び方法は、本明細書に具体的に開示されていない要素及び／又は本明細書に開示されている任意の要素を欠く状態で適切に実施され得る。システム、ツール、及び方法は、さまざまな構成要素又は工程「を含む」、「を含有する」、又は「を備える」という観点で説明されているが、システム、ツール、及び方法は、さまざまな構成要素及び工程「から本質的になる」又は「からなる」こともできる。上記のすべての数及び範囲は、いくらか異なっていてもよい。下限及び上限を有する数値範囲が開示されるときはいつでも、その範囲内にある任意の数及び任意の含まれる範囲が具体的に開示される。特に、本明細書に開示されるすべての範囲の値（「約ａから約ｂ」、又は同等に「約ａからｂ」、又は同等に「約ａ～ｂ」の形式）は、より広い範囲の値に含まれるすべての数と範囲とを示すと理解されるべきである。また、特許請求の範囲における用語は、特許権者によって明示的かつ明確に定義されていない限り、平易で通常の意味を有する。さらに、特許請求の範囲で使用される不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、本明細書では、それが導入する１つ以上の要素を意味すると定義される。本明細書の単語又は用語の使用法と、参照により本明細書に組み込まれる可能性のある１つ以上の特許文献又は他の文献との間に齟齬がある場合は、本明細書に一致する定義が採用される。

本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極及び１つの対向参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極及び１つの対向参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極と、参照電極と、対向電極とを有するｐＨセンサの例示的な構成を示す図。 本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、装着可能であり且つ第１及び第２の作用電極からの信号の受信に基づいてｐＨを測定することができるように構成された例示的な感知システムを示す図。 ポリマーに結合したトルイジンブルーを含有する作用電極のさまざまなｐＨ値における凝集サイクリックボルタモグラム（ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｓ）のプロットを示すグラフ。 ポリマーに結合されたオスミウム錯体を含有する作用電極のさまざまなｐＨ値における凝集サイクリックボルタモグラムの対応プロットを示す図。 表１の電圧差のデータ対ｐＨに対応する検量線を示すグラフ。

本明細書に開示されたｐＨセンサは、参照電極及び対向電極、又は、１つの対向参照電極を含むが、ｐＨ値を決定するために参照電極、もしくは対向参照電極からの信号を受信、参照、利用、又は処理する必要はない。すなわち、第１の作用電極及び第２の作用電極は、参照電極もしくは対向参照電極に対して個別に参照されるため、第１の信号及び第２の信号に適用される補正は、信号差を決定するときに相殺される。言い換えれば、第１の作用電極と第２の作用電極は、互いに内部的に参照される。したがって、本明細書に記載のｐＨセンサは、参照電極もしくは対向参照電極を用いて信号を補正する必要性を排除することにより、従来のｐＨセンサに伴うドリフトの問題を克服する。さらに、参照電極が信号の補正に必要とされないことを考えると、本明細書に記載のｐＨセンサのいくつかの実施形態は、参照電極を完全に欠いていてもよい。そのような実施形態では、第２の作用電極は、第１の作用電極の参照電極と見なすことができ、又はその逆も可能であり、適切な対向電極が存在して電気的閉回路を形成することができる。

最後に、本発明のｐＨセンサは、望ましくは、関心のある所与のｐＨ測定値範囲内での感知反応のボルタンメトリー掃引（例えば、サイクリックボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、パルス波ボルタンメトリー、方形波ボルタンメトリーなど）を実施することによって作動される。上記技術を使用してボルタンメトリー掃引の所与の位置で測定された電位は、各作用電極上の活性部分の厚さ及び面積などの電極の形状に実質的に影響を受けない。そのため、活性部分の製造上の差異は最小限の影響しかない。いくつかの実施形態では、活性部分は、米国特許出願公開第２０１２／０１５０００５号明細書に記載され、且つ参照により本明細書に組み込まれるもの等のように、弧状形状を有する感知スポットを含む。したがって、測定された電位は、所与のｐＨにおける各活性部分の化学反応性質を示す。この特徴により、ｐＨセンサの較正が容易になり得る。測定された電位は、例えば、１つ以上の実施形態によれば、アノードピーク電位、カソードピーク電位、半波電位などである。より具体的な実施形態によれば、各作用電極で測定された電位は、信号差を計算するために、同じタイプの測定（例えば、第１の作用電極及び第２の作用電極の両方の、アノードピーク電位、カソードピーク電位、又は半波電位）からなってもよい。

図面を参照して以下に説明するように、２つの作用電極を含むｐＨセンサには様々な構成が可能である。本明細書に開示されるｐＨセンサ内の少なくとも１つの別の電極は、いくつかの実施形態によれば、対向電極、又は対向電極と参照電極とを含み、別の実施形態では、１つの対向参照電極を含む。したがって、様々な実施形態によれば、本明細書に記載のｐＨセンサは、合計で少なくとも３つ又は少なくとも４つの電極を含む。４電極構成について説明する前に、まず３電極構成について説明する。

図１Ａ，１Ｂは、本明細書に記載の様々な実施形態にかかる、２つの作用電極、及び１つの対向参照電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す。図１Ａに示すように、作用電極１０４，１０６は、ｐＨセンサ１００内で基材１０２上に配置される。活性部分１１０は、作用電極１０４の表面に配置され、活性部分１１２は、作用電極１０６の表面に配置される。活性部分１１０，１１２のうちの一方は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含み、他方は、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含む。対向参照電極１２０は、誘電体層１２２によって作用電極１０４から電気的に絶縁されている。対向参照電極１２０は、作用電極１０４上に配置されて示されているが、いくつかの実施形態では、代替的に、対向参照電極１２０は、作用電極１０６上に配置されてもよい。外側誘電体層１３０，１３２は、作用電極１０６及び対向参照電極１２０上に配置される。各層の長さは、描かれているものとは異ってもよいことを理解されたい。活性部分１１０，１１２は、それらが分析物と相互作用できるように露出されている。

対向電極と参照電極の両方を有するセンサ構成は、追加の電極を含むことを除いて、図１Ａ，１Ｂに示すものと構造において同様である。図２は、２つの作用電極、１つの参照電極、及び１つの対向電極を有するｐＨセンサの例示的な構成を示す。図に示すように、作用電極２０４，２０６は、ｐＨセンサ２００内で基板２０２上に配置される。活性部分２１０は、作用電極２０４の表面に配置され、活性部分２１２は、作用電極２０６の表面に配置される。活性部分２１０，２１２の一方は、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含み、他方は、ｐＨに対して実質的に不変な酸化還元の性質を有する物質を含む。対向電極２２０は、誘電体層２２２によって作用電極２０４から電気的に絶縁されており、参照電極２２１は、誘電体層２２３によって作用電極２０６から電気的に絶縁されている。外側誘電体層２３０，２３２はそれぞれ、参照電極２２１及び対向電極２２０上に配置される。様々な実施形態では、膜２４０は、少なくとも活性部分２１０，２１２を覆う。図１Ａ，１Ｂに示すように、ｐＨセンサ２００の片面又は両面、又はｐＨセンサ２００の全体は、膜２４０で覆われる。

対向電極２２０及び参照電極２２１の配置は、図２に示すものとは逆にすることができる。さらに、作用電極２０４，２０６は、図２に示すように、必ずしも基板２０２の対向する面上に存在する必要はない。図１Ａ，１Ｂに示すように、ｐＨセンサ２００の片面又は両面、又はｐＨセンサ２００の全体は、膜２４０で覆われる。

要素６：第１の誘電体層は、第１の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に挿入され、第２の誘電体層は第２の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に挿入される。
要素７：少なくとも１つの別の電極は、１つの対向参照電極を含む。

要素８：ｐＨセンサは、１つの対向参照電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に挿入された誘電体層をさらに含む。
要素９：第１の作用電極は、第１の信号を生成するように構成され、第２の作用電極は、第２の信号を生成するように構成され、第１の信号と第２の信号との間の差は、ｐＨに相関する。

したがって、開示されたシステム、ツール、及び方法は、言及された目的及び利点、ならびにそれに固有のものを達成するために十分に構成されている。本明細書の開示された内容の利益を有する当業者であれば、異なるが同等の方法で変更し且つ実施することができるため、本発明の具体的な実施形態は、例示にすぎない。さらに、以下の特許請求の範囲に記載されている場合を除き、本明細書に示されている構造又は設計の詳細に限定することは意図されていない。したがって、上記の特定の例示的な実施形態は、代替、組み合わせ、又は変更が可能であり、そのようなすべての変形例は、本発明の範囲内であると見なされることは明らかである。本明細書に例示的に説明されたシステム、ツール、及び方法は、本明細書に具体的に開示されていない要素及び／又は本明細書に開示されている任意の要素を欠く状態で適切に実施され得る。システム、ツール、及び方法は、さまざまな構成要素又は工程「を含む」、「を含有する」、又は「を備える」という観点で説明されているが、システム、ツール、及び方法は、さまざまな構成要素及び工程「から本質的になる」又は「からなる」こともできる。上記のすべての数及び範囲は、いくらか異なっていてもよい。下限及び上限を有する数値範囲が開示されるときはいつでも、その範囲内にある任意の数及び任意の含まれる範囲が具体的に開示される。特に、本明細書に開示されるすべての範囲の値（「約ａから約ｂ」、又は同等に「約ａからｂ」、又は同等に「約ａ～ｂ」の形式）は、より広い範囲の値に含まれるすべての数と範囲とを示すと理解されるべきである。また、特許請求の範囲における用語は、特許権者によって明示的かつ明確に定義されていない限り、平易で通常の意味を有する。さらに、特許請求の範囲で使用される不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、本明細書では、それが導入する１つ以上の要素を意味すると定義される。本明細書の単語又は用語の使用法と、参照により本明細書に組み込まれる可能性のある１つ以上の特許文献又は他の文献との間に齟齬がある場合は、本明細書に一致する定義が採用される。
（付記１）
第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を含むセンサーテールと、
前記第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する前記第１の活性部分と、
前記第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する前記第２の活性部分と
を備えるｐＨセンサ。
（付記２）
前記センサーテールは、組織に挿入可能である、付記１に記載のｐＨセンサ。
（付記３）
前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質は、キノン、酸化還元指示薬化合物、及びこれらの組合せからなる、付記１又は２に記載のｐＨセンサ。
（付記４）
前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質は、チアジンを含有する酸化還元指示薬化合物からなる、付記３に記載のｐＨセンサ。
（付記５）
前記少なくとも１つの別の電極には、対向電極及び参照電極が含まれる、付記１～４のいずれか一つに記載のｐＨセンサ。
（付記６）
前記少なくとも１つの別の電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に挿入された誘電体層をさらに備える、付記５に記載のｐＨセンサ。
（付記７）
第１の誘電体層は、第１の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に配置され、第２の誘電体層は、第２の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に配置される、付記６に記載のｐＨセンサ。
（付記８）
前記少なくとも１つの別の電極は対向／参照電極を含む、付記１～７のいずれか一項に記載のｐＨセンサ。
（付記９）
前記対向／参照電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に配置された誘電体層をさらに備える、付記８に記載のｐＨセンサ。
（付記１０）
前記第１の作用電極は、第１の信号を生成するように構成され、前記第２の作用電極は、第２の信号を生成するように構成され、前記第１の信号と前記第２の信号との差はｐＨに相関する、付記１～９のいずれか一つに記載のｐＨセンサ。
（付記１１）
前記第１の作用電極からの第１の信号及び前記第２の作用電極からの第２の信号を受信して、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、その差をｐＨに相関させるプロセッサをさらに備える付記１０に記載のｐＨセンサ。
（付記１２）
前記プロセッサは、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の対応する差とを含むルックアップテーブルにアクセスするように構成されている、付記１１に記載のｐＨセンサ。
（付記１３）
前記プロセッサは、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する前記第１の信号と前記第２の信号との間の差の検量線にアクセスするように構成されている、付記１１に記載のｐＨセンサ。
（付記１４）
前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質及び前記ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質はそれぞれ、前記第１の活性部分及び前記第２の活性部分においてポリマーに共有結合されている、付記１～１３のいずれか一つに記載のｐＨセンサ。
（付記１５）
請求項１に記載の一定のｐＨ値を有する流体にｐＨセンサを曝露させる工程と、前記第１の作用電極に対応する第１の信号を測定する工程と、前記第２の作用電極に対応する第２の信号を測定する工程と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の差を計算する工程と、前記第１の信号と前記第２の信号の差を前記ｐＨ値に相関させる工程とを備える方法であって、前記流体は、生体液であり、且つ前記ｐＨセンサは、生体内において前記生体液に暴露される、方法。

Claims (15)

1. 第１の作用電極、第２の作用電極、及び少なくとも１つの別の電極を含むセンサーテールと、
   前記第１の作用電極上に配置された第１の活性部分であって、ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質を含有する前記第１の活性部分と、
   前記第２の作用電極上に配置された第２の活性部分であって、ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質を含有する前記第２の活性部分と
   を備えるｐＨセンサ。
2. 前記センサーテールは、組織に挿入可能である、請求項１に記載のｐＨセンサ。
3. 前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質は、キノン、酸化還元指示薬化合物、及びこれらの組合せからなる、請求項１又は２に記載のｐＨセンサ。
4. 前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質は、チアジンを含有する酸化還元指示薬化合物からなる、請求項３に記載のｐＨセンサ。
5. 前記少なくとも１つの別の電極には、対向電極及び参照電極が含まれる、請求項１～４のいずれか一項に記載のｐＨセンサ。
6. 前記少なくとも１つの別の電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に挿入された誘電体層をさらに備える、請求項５に記載のｐＨセンサ。
7. 第１の誘電体層は、第１の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に配置され、第２の誘電体層は、第２の作用電極と、対向電極又は参照電極との間に配置される、請求項６に記載のｐＨセンサ。
8. 前記少なくとも１つの別の電極は対向／参照電極を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のｐＨセンサ。
9. 前記対向／参照電極と、第１の作用電極及び第２の作用電極のうちの少なくとも一方との間に配置された誘電体層をさらに備える、請求項８に記載のｐＨセンサ。
10. 前記第１の作用電極は、第１の信号を生成するように構成され、前記第２の作用電極は、第２の信号を生成するように構成され、前記第１の信号と前記第２の信号との差はｐＨに相関する、請求項１～９のいずれか一項に記載のｐＨセンサ。
11. 前記第１の作用電極からの第１の信号及び前記第２の作用電極からの第２の信号を受信して、第１の信号と第２の信号との間の差を計算し、その差をｐＨに相関させるプロセッサをさらに備える請求項１０に記載のｐＨセンサ。
12. 前記プロセッサは、ｐＨを計算するために、複数のｐＨ値と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の対応する差とを含むルックアップテーブルにアクセスするように構成されている、請求項１１に記載のｐＨセンサ。
13. 前記プロセッサは、ｐＨを計算するために、ｐＨ値に対する、対応する前記第１の信号と前記第２の信号との間の差の検量線にアクセスするように構成されている、請求項１１に記載のｐＨセンサ。
14. 前記ｐＨ依存性の酸化還元の性質を有する物質及び前記ｐＨに対して実質的に不変である酸化還元の性質を有する物質はそれぞれ、前記第１の活性部分及び前記第２の活性部分においてポリマーに共有結合されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載のｐＨセンサ。
15. 請求項１に記載の一定のｐＨ値を有する流体にｐＨセンサを曝露させる工程と、前記第１の作用電極に対応する第１の信号を測定する工程と、前記第２の作用電極に対応する第２の信号を測定する工程と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の差を計算する工程と、前記第１の信号と前記第２の信号の差を前記ｐＨ値に相関させる工程とを備える方法であって、前記流体は、生体液であり、且つ前記ｐＨセンサは、生体内において前記生体液に暴露される、方法。

Images