KR102263528B1

KR102263528B1 - pH 미터

Info

Publication number: KR102263528B1
Application number: KR1020157020421A
Authority: KR
Inventors: 에릭 리; 스티브 로트; 탕 후이 부
Original assignee: 파커-한니핀 코포레이션
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2021-06-09
Also published as: US11378546B2; JP2019194618A; EP3734264A1; KR20150102103A; JP2016502116A; WO2014106066A1; JP6883068B2; US20200064307A1; CN105122047A; EP2939011A4; EP2939011A1; US20150346144A1

Abstract

복합체 물질로부터 제조되며, 선택적으로, 마이크로제조 기술을 이용하는 전압 측정 센서가, 10 마이크로리터 하에서 샘플 볼륨 내 애널라이트의 검출을 가능하게 한다.

Description

pH 미터 {pH METER}

본 발명은 히드로늄 이온 농도 또는 pH를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 애널라이트(analyte) 농도를 정밀 측정할 수 있는 개선된 애널라이트 센서를 제공한다. 발명은 일반적으로 분석 화학 분야에 관한 것이고, 특히, pH 측정 기술에 관한 것이다.

샘플 내 pH와 같은 애널라이트 농도의 측정은 가용 샘플 부피에 의해 제한된다. 대부분의 상업적으로 가용한 pH 전극은 적어도 밀리리터 부피 샘플을 요한다. 작업 전극("센서"), 기준 전극, 및 카운터 전극을 지닌 매우 적은 수의 전용 글래스 프로브가 0.5 마이크로리터만큼이나 작은 샘플 볼륨에서 pH를 측정할 수 있는 것으로 광고되고 있고, 이는 매우 비싸다(가령, Thermo Scientific Orion 9810 BN). 그러나, 작은 샘플 볼륨용으로 설계된 글래스 프로브는 여러가지 문제점들을 제시한다.

한가지 문제점은 샘플 내 프로브의 배치다. 적절한 프로브 배치는 프로브와 샘플의 기준 정션(junction)과 글래스 막 간의 적절한 접촉 보장을 요구한다. 글래스 프로브의 둥글납작한 형상은 이러한 문제점을 특히 어렵게 한다. 마찬가지로, 가령, 조직 검사로부터의, 반-고체 샘플은 글래스 전극을 이용할 경우 액체 샘플의 경우에 비해 더 큰 부피를 요할 수 있는데, 이는 프로브의 형상이 작은 반고체 샘플 볼륨의 부적절한 샘플 접촉을 야기할 수 있기 때문이다. 다른 문제점은 프로브 내 전극으로부터 염 또는 기타 물질("매스")을 샘플 내로 전달함으로 인한 샘플 오염 가능성이다. 샘플 부피가 감소함에 따라, 이러한 물질 전송의 효과가 임의의 프로브에 대해 증가한다. 다른 문제점은 저-부피 샘플에서 기화가 비교적 크기 때문에 샘플 기화이며, 기화 효과는 모니터링하기 어려울 수 있다. 샘플 부피 손실은 잘못된 결과를 야기할 수 있다.

더욱 일반적으로, 글래스 프로브는 한번에 하나의 샘플만 측정할 수 있다. 글래스 프로브를 이용한 애널라이트 농도 측정을 요하는 시스템에서 처리량 증가를 위해, 각각의 측정에 요구되는 평균 시간을 감소시키거나 사용되는 프로브의 수를 증가시켜야만 한다. 글래스 전극을 이용한 pH 측정이 전위차 신호가 정상 상태에 도달함(주어진 시스템의 알고리즘에 의해 규정될 수 있음)을 요하기 때문에, 측정 시간 감소는 내재적으로 제한된 기법이다. 글래스 프로브는 비교적 제조하기에 비싼 편이고, 반복적 이용을 위해, 교차 오염 기회를 감소시키고자 샘플들 간에 헹굼이 이루어져야만 하며, 따라서, pH 측정시 높은 샘플 처리량을 방해하게 된다. 드리프트 및 오차의 원인인 파울링(fouling) 역시 글래스 프로브를 이용할 때 특히 문제가 되는데, 이는 단백질, 설탕, 또는 글래스와 상호작용하는 기타 구성물을 지닌 샘플들이 프로브를 오손시킬 수 있기 때문이다. 글래스 프로브는 파울링 제거/감소 및 정확도 보장을 위해 자주 관리해주어야 하며, 빈번한 재교정이 또한 요구된다. 이러한 작동들은 손상 위험을 키우고, 이는 소-부피 샘플에서 요구되는 작은 격실에서만 증가한다.

상업적으로 가용한 pH 전극은 본질적으로 구형의 전구 형태의 글래스 막을 특징으로 한다. "조합 전극"의 경우, 기준 정션은 글래스 막 근처에 위치하는 전극의 동체에 또한 제공된다. 모든 경우에, 모든 조합 전극들은 기준 전극을 덮기에 충분한 깊이로 잠겨야 하며, 이는 복합 설계 경우를 제외하고 글래스 막에 동평면으로 위치할 수 없다. 추가적인 제한은 기준 전극의 액체 정션으로부터 나타난다. 기준 전극의 적절한 기능 작동은 프리트(frit)와 같은 다공질 정션을 통해 내부 기준 용액과 애널라이트 사이의 유체 연통에 좌우된다. 통상적인 이용 조건 하에서, 소량의 내부 기준 용액이 다공질 정션을 통해 애널라이트 내로 전달된다. 이러한 흐름은 기준 전극의 드리프트를 야기할 수 있는 내부 기준 용액 내로 애널라이트의 침습을 방지하고자 하는 것이다. 그러나, 초소형 샘플에서, 애널라이트 내로 내부 기준 용액의 전달은 애널라이트 조성을 변화시키고 측정에 부정적 영향을 미칠 수 있다.

기존의 글래스 pH 프로브는 수소 이온에 민감한, 부서지기 쉬운 도핑 글래스 막으로 제조된 이온-선택 전극인 작업 전극(WE)을 가진다. pH-반응 글래스 막은 이러한 종류의 프로브에서 주된 애널라이트 감지 요소이고, "작업" 전극으로 불린다. 샘플 용액 내의 수소 이온들은 글래스 막의 외부에 묶여서, 막의 내부 표면 상에 전위 변화를 야기한다. 이러한 전위 변화는 실버/실버 클로아이드에 기초한 전극과 같이, 기존의 기준 전극(RE)의 일정 전위에 대하여 상대적으로 측정된다. 교정 곡선 상의 차이를 플롯 구성함으로써 이러한 전위차가 pH 값에 상관된다. 교정 곡선은 다단계 프로세스를 통해 생성되며, 사용자는 알려진 다양한 버퍼 표준에 대해 전위 변화를 플롯구성한다. 기존의 pH 미터는 이 원리에 기초한다.

RE는 측정 정확도에서 중요한 역할을 한다. 고도로 안정한 전극 전위가 필요하다. 이는 모든 활성 성분들이 일정 농도로 유지되는 산화/환원 시스템에서 흔히 실현된다. 전형적인 실버/실버 클로라이드 RE에서, 염화된 실버 와이어가 농축 포타슘 클로라이드(KCl) 용액에 잠긴다. KCl 용액은 유체 상태로서, 다공질 프리트를 통해 애널라이트와 전기적으로 연결된다. 이러한 액체 정션은 전극 전위를 변경시킬 수 있는 내측의 KCl 용액의 오염 가능성을 높이고, 따라서, 측정 드리프트를 야기한다. 다른 단점은 액체 정션 내부의 침전 또는 건조로 인한 클로깅(clogging), 내부 전해질의 누설 경향을 포함한다.

많은 시도들이 RE의 안정성 개선을 위해 시도되었다. 예를 들어, Bakker, Electroanalysis 1999, 11, 788; T Blaz, 외, Analyst, 2005, 130, 637; Kakikuchi 외, Anal. Chem. 2007, 79, 7187; Cicmil 외, Electroanalysis, 2011, 23, 1881; U.S. Patent 7,628,901; U.S. Pat. Appl. 2009/0283404; and Chang, 외, Electroanalysis, 2012, 24를 참조할 수 있다. 이러한 노력들은 전위 측정 시스템을 위한 안정한 RE를 제공하는 것을 지향한다.

본 발명은 작은 샘플 볼륨 내 애널라이트 농도를 측정할 수 있으면서 모든 샘플 볼륨으로 개선된 성능을 또한 제공하는, 애널라이트 농도 검출을 위한, 센서, 센서 구성요소, 그 제조 및 이용 방법, 그리고 전압 측정 또는 전류 측정 방법을 제공한다.

일부 구현예에서, 본 발명은 실질적으로 평탄한 감지 표면을 가진 센서를 제공하며, 이 표면 상에선 모든 감지 요소들이 서로에게 동평면으로 위치한다. 이러한 구조들은 심지어 작은 볼륨의 샘플도, 예를 들어, 감지 표면과 다른 고체 표면 간에 캡처되는 액체 필름 형태의, 모든 감지 요소들과 접촉할 수 있게 한다. 선택적으로, 감지 요소들은 액체를 캡처하는 대향 표면들 상에 위치할 수 있다. 샘플은 샘플 용기 이용없이 센서에 의해 형성되는 갭 내에 모세관 작용에 의해 보지된다. 이러한 방식으로, 샘플 크기는 센서의 크기에 더이상 좌우되지 않으며, 센서 및 상보형 표면에 의해 형성되는 갭의 치수에 의해 좌우된다. 한 예로서, 12mm 직경의 평탄 센서 및 다른 12mm 직경의 실린더에 의해 형성되는 갭의 크기를 조정함으로써, 10마이크로리터 이하의 볼륨으로, 균일한 액체 필름이 형성될 수 있다. 두번째로, 샘플 볼륨이 감소함에 따라 측정 감도가 감소하지 않는데, 이는 감도가 샘플 볼륨의 함수가 아니라 주로 센서의 표면적의 함수이기 때문이다. 게다가, 기존 글래스 프로브로 가능한 것보다 실질적으로 큰 센서 표면적이, 낮은 애널라이트 농도를 검출하도록 실현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 구현예는 작은 샘플 볼륨들의 정밀 수용을 가능하게 하는 시스템을 제공하며, 감지 요소들이 규정된 공간의 일 측부 또는 양 측부 상에 위치하도록 하는 배열을 포함한, 상보형 고체 표면을 가진 소형 갭의 형성을 촉진시키는 평면형 기하구조를 가진 센서 역시 제공한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 두 앤빌(anvil) 간의 표면 장력에 의해 샘플이 보지되도록 마이크로리터-스케일 액체 샘플(가령, 약 10μL 이하) 내 애널라이트의 농도를 측정하기 위한 디바이스 및 방법을 제공하며, 각각의 앤빌은 샘플이 증착(또는 접촉)되는 수용 영역을 포함한다. 적어도 하나의 앤빌은 샘플에 의해 습윤화되는 수용 영역을 가진 앤빌의 표면과 전도성 접촉하도록 애널라이트 센서의 하나 이상의 전극을 내부에 임베딩한다. 일부 실시예에서, 수용 영역은 애널라이트에 의해 습윤화되지 않은 표면으로 둘러싸인 애널라이트에 의해 습윤화된 표면에 의해 형성되며, 애널라이트에 의해 습윤화된 표면은 감지 요소들을 포함한다. 일부 실시예에서, 센서의 하나 이상의 전극은 적절한 기판 상에 전극 구성요소를 코팅 또는 프린팅함으로써 제조되며, 이러한 기판은 고체, 다공질, 및/또는 가요성 물질을 포함한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 복수의 마이크로리터 샘플들에 대한 다-채널 애널라이트 농도 측정을 가능하게 하는 디바이스를 제공하고, 각각의 샘플은 센서를 형성하는 2개의 앤빌 표면 간에 표면 장력에 의해 보지되며, 단일 전압측정 스캔이 이러한 센서들의 어레이 간에 수행된다. 일부 실시예에서, 표면 장력에 의해 수용되는 복수의 마이크로리터 액체 샘플에 대한 애널라이트 농도 측정 디바이스는, 복수의 앤빌 세트의 대향하는 근위 단부 간에 표면 장력에 의해 복수의 마이크로리터 샘플을 수용하기 위한 수단 - 각각의 앤빌 세트는 기능 센서를 제공하고, 상기 앤빌은 선택적으로, 실질적으로 평행한, 이격 관계임 - 과, 앤빌에 전류를 공급하기 위한 수단과, 어레이 내 앤빌을 보지하기 위한 수단과, 센서의 전압 측정 스캔을 수행하기 위한 수단과, 센서에 연결되어 통과 신호를 수용하기 위한, 그리고, 애널라이트 농도를 측정하기 위한, 수단을 포함하며, 애널라이트 농도 측정은 신호를 수용하기 위한, 그리고 애널라이트 농도를 측정하기 위한, 2개 이상의 수단과 2개 이상의 센서를 이용하여 동시에 2개 이상의 센서에서 이루어진다.

일부 실시예에서, 본 발명은 샘플 내 애널라이트 농도를 측정하기 위한 애널라이트 센서를 제공하며, 상기 센서는, 애널라이트 센서를 함께 형성하는 제 1 앤빌 및 제 2 앤빌을 포함하고, 상기 앤빌들은 앤빌들 간의 유격을 조정할 수 있는 수단에 의해 서로에게 기계적으로 연결되어, 상기 앤빌들 중 하나의 표면 상에 배치되는 액체 샘플이 나머지 앤빌의 표면과 접촉할 수 있고, 따라서, 애널라이트를 통해 2개의 앤빌 간에 전도성 접촉을 구축할 수 있으며, 전압 측정 스캐닝을 이용하여 애널라이트 측정을 행하기 위한 충분한 시간 주기 동안 이러한 위치에서 보유될 수 있다.

다른 구현예에서, 본 발명은 발명의 센서에 유용한 전극들의 구성요소를 제조하기 위한 방법 및 물질을 제공한다. 일부 실시예에서, 본 발명의 물질은 가령, 작업 전극에, 유용한 산화환원-활성 애널라이트-민감 물질(RAM)이다. 다른 실시예에서, 물질은 이에 공유 결합된 이러한 RAM을 포함하는 폴리머다. 일부 실시예에서, 이러한 물질들은 프린트-기반 제조 방법에 사용될 수 있는 프린팅 잉크에 일체화하기 적합한 RAM이다.

본 발명의 일부 실시예에서, 물질은 애널라이트 농도를 측정해야할 샘플과, 기준 전극과 같은 전극 사이에 정션을 형성하는데 유용한, 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 폴리머와, 탄소를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 전도 물질과, 이온 액체에 의해 형성되는 복합체다. 발명의 방법은 RAM, 폴리머, 및 발명의 복합체를 제조 및 정제하기 위한 방법을 포함한다.

더욱이, 일부 구현예에서, 본 발명은 전극 및 전극 구성요소와, 그 제조 및 이용을 위한 방법을 제공한다. 이러한 전극 및 전극 구성요소는 발명의 다양한 실시예에 따라, 마이크로리터-스케일 샘플 내 애널라이트 농도를 측정하기 위한 소형화된 센서에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극 및 전극 구성요소는 더 우수한 성능 제공 및/또는 유지관리 비용 감소를 위해 일반적 용도로 센서의 대체품으로 유용하다. 발명의 방법은 다양한 코팅, 프린팅, 마이크로제조, 및 포토리소그래피법을 이용하여 적절한 기판 상에 감지 물질을 증착함으로써 소형화된 센서 및 소형화된 전극을 제조하기 위한 방법을 포함한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 상온 이온 액체(RTIL), 탄소 동소체, 및 RTIL 및 탄소 동소체를 전도성 고체 매트릭스에 조합하는 폴리머 물질을 포함하는 복합체를 이용하는 기준 전극을 제공한다. 결과적인 고체 매트릭스는 KCl 용액에 침지된 Ag/AGCl과 같은 내부 기준 시스템을 수용하는 RE의 구성요소로 유용하고, 전도성 고체 매트릭스는 애널라이트로부터 KCl 용액을 분리시킨다. 대안으로서, 전도성 고체 매트릭스는 내부 용액을 전혀 수용하지 않는 RE의 구성요소로 유용하다. 어느 실시예에서도, RE는 전압 측정 분석에서 WE 및 카운터 전극(CE)의 다양한 조합과 연계하여 사용될 수 있다.

기능적으로, 전도성 고체 매트릭스는 애널라이트와 특성 전극 전위를 가진 일정 화학 환경 간에 장벽으로 작용한다. 고체 매트릭스는 내부의 양성자를 제외하고 애널라이트에 실질적으로 불침투성이고, 전기 전도성이다. 전도성 고체 매트릭스는 전도성 애널라이트 장벽(CAB)으로 불린다. CAB의 차별화되는 특징은, , 탄소 성분을 통해 전기 전도성과, RTIL 성분을 통한 양성자 침투성이다. 일부 실시예에서, CAB는 농축 KCl 용액과 접촉하는 기존 Ag/AgCl 산화환원 커플과 연계하여 사용된다. 다른 실시예에서, CAB는 고체 Ag/AgCl 산화환원 커플과 직접 접촉한다. 포화 칼로멜 또는 구리/황산구리 시스템과 같은 대안의 기준 전극 시스템은 본 발명에 따라 실행가능한 RE를 또한 생산한다.

다양한 실시예에서, CAB는 RTIL과, RTIL과 혼합성 또는 부분 혼합성인 폴리머와, 그래파이트 분말 또는 탄소 나노튜브와 같은 정밀 분할 탄소 동소체를 포함한다. 이러한 구성요소들은 폴리머의 멜트 또는 용액과 혼합함으로써 복합체로 만들어지고, 그 후 냉각 또는 기화에 의한 용매 제거에 의해 고체화된다. 결과적인 고체는 예를 들어, 튜브의 개구부와 들어맞는 형상이 되고, 이어서, 튜브를 Ag/AgCl/KCl 성분으로 충진하게 된다. 다른 실시예에서, 셀룰로스와 같은 비활성 마이크로다공질 물질, 또는 세라믹, 글래스와 같은 다공질 구조를 충전하는데 사용된다. 고형화 후, 다공질 매트릭스는 앞서 설명한 바와 같은 형상으로 조립된다.

다른 실시예는 RTIL의 멜트 또는 용액의 지지 및 폴리머 지지를 위한 다공질 탄소 구조의 이용을 포함하며, 다공질 탄소 구조는 앞서 설명한 정밀 분할 탄소 동소체를 대체하여 전기 전도도를 증진시킨다. 다른 실시예에서, RTIL 밑 탄소 동소체는 에폭시 또는 폴리우레탄과 같은 다-부분 반응 폴리머 시스템의 하나 이상의 전구체에 통합된다. 반응성 전구체를 조합하면 중합이 개시된다. 반응 완료시, RTIL 및 탄소 구성요소에 의해 전도성으로 만들어지는 실질적으로 균질인 폴리머 매트릭스가 획득된다. 다른 실시예에서, 반응성 기능기를 지닌 RTIL을 이용하여, 호스트 폴리머에 부착할 수 있고, 또는, 중합 또는 공중합되어, 전도성 매크로분자 아날로그를 형성할 수 있다. RTIL 유도체 및 그 매크로분자 등가물의 선택에 따라, 앞서 실시예에서 설명한 기술들을 이용하여 CAB를 형성할 수 있다. 예를 들어, 우수한 기계적 강도를 가진 매크로분자 RTIL 또는 그 공중합체를 이용하여, 요구되는 형상으로 CAB를 형성할 수 있고, 그러나 다른 실시예에서, 우수한 전기화학적 품질을 가진 연성 또는 취성의 매크로분자 RTIL이 다공질 매트릭스에 의해 강화된다. 매크로분자 RTIL 이용의 장점은 애널라이트에 대한 RTIL 성분들의 손실을 감소시키는 것이고, 이는 특히, 작은 애널라이트 볼륨용으로 애널라이트의 가능한 오염과, 안정성에 영향을 미치는 CAB 내 국부적 RTIL 농도의 변화 가능성 때문에 바람직하지 않다.

다른 실시예에서, CAB는 RTIL과, 혼합성 또는 부분 혼합성 폴리머, 그리고 탄소 동위체 또는 탄소성 다공질 지지체를 포함한다. CAB 내 추가적인 성분은 다른 성분과 섞기 전에 RTIL에 AgCl을 첨가함으로써 획득되는, 포화 또는 과포화 농도의 AgCl이다. 이러한 CAB는 그 후 염화된 실버 표면 형태로 Ag/AgCl과 접촉하게 된다. RTIL 성분에 용해된 AgCl(그리고 물론 CAB)의 농도는 염화된 실버에서의 전극 전위가 일정하게 유지됨을 보장한다. 위 실시예들 모두에서, RTIL은 단일 RTIL 이거나, RTIL들의 조합이다.

다른 실시예에서, CAB는 RTIL의 폴리양이온 콘제너(polycationic congeners)에 기초한 이온 고체를 포함한다.

다른 실시예에서, CAB는 폴리양이온 및 폴리음이온의 섞음을 포함한다.

발명의 이러한 및 그외 다른 형태 및 실시예들이 아래에서 그리고 첨부 도면에서 더욱 상세하게 설명된다.

기언급한 그리고 그외의 특징 및 장점들을 수득하는 방식을 쉽게 이해하기 위해, 앞서 간단히 설명한 발명의 더 구체적인 설명이 첨부 도면에 예시되는 구체적 실시예들을 참조하여 실현될 것이다. 이러한 도면들이 발명의 전형적인 실시예만을 묘사할 뿐 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안됨을 이해하면서, 발명은 첨부 도면의 이용을 통해 추가적인 구체성 및 세부사항과 함께 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 대표적 실시예에 따른 예시적 전압계 센서 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 대표적 실시예에 따른 기준 전극의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 대표적 실시예에 따른 3개의 기준 전극의 안정성을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 대표적 실시예에 따라 pH 2-12 계단식 테스트를 진행 후 각각의 전극의 평균 전위를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 대표적 실시예에 따른 기준 전극 구성의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 대표적 실시예에 따라 복합 플러그 기준 정션 내로 직접 Ag/AgCl 와이어를 직접 임베딩함으로써 안정한 전위를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 대표적 실시예에 따른 작업 전극 구성의 개략도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 대표적 실시예에 따른 pH-감지 전극의 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 대표적 실시예에 따른 pH 센서 조립체의 개략도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 대표적 실시예에 따른 작업 전극 맞은편에 위치하는 카운터 및 기준 전극의 개략도를 도시한다.
도 11은 pH 2, 4, 7, 10에 대한 BDH 브랜드 표준을 갖는, 본 발명의 전극 조립체를 이용하여 발생된 교정 데이터를 위한 방형파 전압측정 플롯을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 12는 pH 버퍼 대비하여 플롯 구성된 도 11의 피크 데이터를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 13은 본 발명의 pH 센서 디바이스와, 상업적으로 가용한 pH 미터에 의해 측정되는 pH 비교를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 14-18은 도 13의 각각의 버퍼에 대한 방형파 전압측정 분석의 위에 놓인 플롯을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 19는 도 14-18로부터 피크 데이터를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 20은 본 발명의 대표적 실시예에 따른, 단일 웰 pH 감지 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 21은 본 발명의 대표적 실시예에 따른, pH 감지 디바이스의 개략도를 도시한다.

본 발명은 당 분야에 현재 알려진 것보다 우수한, 고상 애널라이트 센서를 포함하는, 화합물, 조성, 방법, 전극, 전극 구성요소, 및 센서를 제공한다. 발명의 이점에 대한 이해를 높이기 위해, 독자 편의를 위해 다음의 정의가 제공된다.

정의

명세서 및 첨부 청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "일", "하나", 및 "이러한"은 범주를 지시하지 않을 경우 복수의 지시자를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "바인더"에 대한 참조는 단일 바인더만의 조성과, 바인더들의 혼합의 조성들을 포함한다.

"알카닐"은 포화 분지, 직쇄 또는 순환 알킬기를 의미한다. 전형적인 알카닐기는 메나틸, 에타닐, 프로파닐, 가령, 프로판-1-일, 프로판-2-일 (이소프로필), 사이클로프로판-1-일, 등; 부타닐, 가령, 부탄-1-일, 부탄-2-일 (세크-부틸), 2-메틸-프로판-1-일 (이소부틸), 2-메틸-프로판-2-일 (t-부틸), 사이클로부탄-1-일, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

알케닐"은 모 알켄의 단일 탄소 원자로부터 하나의 수소 원자의 제거에 의해 유도되는 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합을 가진 비포화 분지, 직쇄 또는 순환 알킬기를 의미한다. 이 기는 이중 결합 주위로 시스 또는 트랜스 컨포메이션(conformation)일 수 있다. 전형적인 알케닐기는 에테닐; 프로페닐, 가령, 프로프-1-엔-1-일 , 프로프-1-엔-2-일, 프로프-2-엔-1-일 (아릴), 프로프-2-엔-2-일, 사이클로프로프-1-엔-1-일; 사이클로프로프-2-엔-1-일; 부테닐, 가령, 부트-1-엔-1-일, 부트-1-엔-2-일, 2-메틸-프로프-1-엔-1-일, 부트-2-엔-1-일, 부트-2-엔-1-일, 부트-2-엔-2-일, 부타-1,3-디엔-1-일, 부타-1,3-디엔-2-일, 사이클로부트-1-엔-1-일, 사이클로부트-1-엔-3-일, 사이클로부타-1,3-디엔-1-일, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

"알콕시"는 그 자체로, 또는 다른 치환기의 일부분으로, 라디칼 radical -OR₁₀₀ 을 의미하며, 이때, R₁₀₀은 여기서 정의되는 알킬기를 나타낸다. 대표적인 예는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

"알킬"은 모 알칸, 알켄, 또는 알킨의 단일 탄소 원자로부터 하나의 소수 원자를 제거에 의해 유도되는 포화 또는 비포화, 분지, 직쇄 또는 순환 1가 하이드로카본기를 의미한다. 전형적인 알킬기는 메틸; 에틸, 가령, 에타닐, 에테닐, 에티닐; 프로필, 가령, 프로판-1-일, 프로판-2-일, 사이클로프로판-1-일, 프로프-1-엔-1-일, 프로프-1-엔-2-일, 프로프-2-엔-1-일 (아릴), 사이클로프로프-1-엔-1-일; 사이클로프로프-2-엔-1-일, 프로프-1-인-1-일, 프로프-2-인-1-일, 등; 부틸, 가령, 부탄-1-일, 부탄-2-일, 2-메틸-프로판-1-일, 2-메틸-프로판-2-일, 사이클로부탄-1-일, 부트-1-엔-1-일, 부트-1-엔-2-일, 2-메틸-프로프-1-엔-1-일, 부트-2-엔-1-일, 부트-2-en-2-일, 부타-1,3-디엔-1-일, 부타-1,3-디엔-2-일, 사이클로부트-1-en-1-일, 사이클로부트-1-en-3-일, 사이클로부타-1,3-디엔-1-일, 부트-1-인-1-일, 부트-1-인-3-일, 부트-3-인-1-일, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 용어 "알킬"은 임의의 포화도 또는 레벨을 가진 기를 포함하는 것을, 즉, 배타적 단일 탄소-탄소 결합을 가진 기, 하나 이상의 이중 카본-카본 결합을 가진 기, 하나 이상의 삼중 탄소-탄소 결합을 가진 기, 그리고 단일, 이중, 및 3중 탄소-탄소 결합의 혼합물을 가진 기를 포함하는 것을 의도한다. 구체적 포화도가 의도될 경우, "알카닐", "알케닐", 및 "알키닐"의 표현이 사용된다. "저급 알킬"은 1 내지 8개의 탄소 원자를 포함하는 알킬기를 의미한다.

"알키닐"은 모 알킨의 단일 탄소 원자로부터 하나의 수소 원자의 제거에 의해 유도되는 적어도 하나의 탄소-탄소 3중 결합을 가진 비포화 분지, 직쇄 또는 순환 알킬기를 의미한다. 전형적인 알키닐기는 에티닐; 프로피닐, 가령, 프로프-1-인-1-일, 프로프-2-인-1-일, 부티닐, 가령, 부트-1-인-1-일, 부트-1-인-3-일, 부트-3-인-1-일, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

"아릴"은 모 방향 고리 시스템의 단일 탄소 원자로부터 하나의 수소 원자를 제거함으로써 유도되는 1가 방향족 하이드로카본기를 의미한다. 전형적인 아릴기는 아세안트릴렌, 아세나프틸렌, 아세페난트릴렌, 안트라센, 아줄렌, 벤젠, 크리센, 코로넨, 플로란텐, 플로렌, 헥사센, 헥사펜, 헥사렌, 아스-인다센, s-인다센, 인단, 인덴, 나프탈렌, 옥타센, 옥타펜, 옥타렌, 오발렌, 펜타-2,4-디엔, 펜타센, 펜타렌, 펜타펜, 페릴렌, 페날렌, 페난트렌, 피센, 플레이아덴, 피렌, 피란트렌, 루비센, 트리페닐렌, 트리나프탈렌, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 아릴기는 예를 들어, (C₅-C₁₀)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는, (C₅-C₁₄) 아릴일 수 있다. 예시적인 아릴은 사이클로펜타디에닐, 페닐 및 나프틸을 포함한다.

"아릴알킬"은 탄소 원자, 통상적으로 말단기 또는 sp ³ 탄소 원자에 결합된 수소 원자들 중 하나가 아릴기로 대체된, 비환형 알킬기를 의미한다. 전형적인 아릴알킬기는 벤질, 2-페닐에탄-1-일, 2-페닐에텐-1-일, 나프틸메틸, 2-나프틸레탄-1-일, 2-나프틸레텐-1-일, 나프토벤질, 2-나프토페닐에탄-1-일, 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 알킬 성분들이 의도되는 경우, 아릴알카닐, 아릴알케닐, 및/또는 아릴알키닐의 명명법이 사용된다. 선호 실시예에서, 아릴알킬기는 (C₆-C₂₀) 아릴알킬이다 - 가령, 아릴알킬기의 알카닐, 알케닐, 또는 알키닐 성분은 (C₁-C₆) 이고, 아릴 성분은 (C₅-C₁₄) 이다. 예시적 실시예는 아릴알킬기 (C₆-C₁₃) 를 포함한다 - 가령, 아릴알킬기의 알카닐, 알케닐, 또는 알키닐 성분은 (C₁-C₃) 이고, 아릴 성분은 (C₅-C₁₀) 이다.

"애널라이트"는 작업 전극을 포함하는 애널라이트 센서 시스템을 이용하여 그 존재의 검출 또는 농도의 측정이 가능한, 샘플 내 존재하는 관심 대상의 화학종이다.

"애널라이트-감지 물질" 또는 "ASM"은 사용자가 규정한 장치별 허용오차 내에서 샘플 내 애널라이트의 존재 또는 농도에 민감하거나 실질적으로 민감한 산화환원-활성 물질이다. 애널라이트에 대해 "실질적으로 민감하다"는 것은 주어진 응용예에 요구되는 허용오차 내에서 민감하다는 것을 의미하는데 사용되며, 이러한 허용오차는 최종 사용자에 의해 규정된다.

"애널라이트-무감 물질" 또는 "AIM"은 샘플 내 애널라이트의 존재 또는 농도에 무감하거나 실질적으로 무감한 산화환원-활성 물질이다. "실질적으로 무감하다"는 것은 주어진 응용예에 대해 요구되는 허용오차 내에서 무감함을 의미하는데 사용되며, 이러한 허용오차는 최종 사용자에 의해 규정된다.

"애널라이트 무감 전극"(AIE)은 기준 전극의 특별한 경우로서, 애널라이트를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 샘플 조성 내 (지지 전해질의 최소 임계치로부터 멀어진) 화학종의 존재 또는 농도에 독립적인, 산화환원 프로세스에 부분적으로 의존하는 전류 흐름을 가진다. AIE는 시간 또는 샘플 조성에 걸쳐 변하지 않는 반응을 제공하도록 기능하고, 따라서, WE 반응을 비교할 수 있는 내부 표준 또는 '영점'으로 사용될 수 있다. PCT 공보 제2010/104962호를 참조할 수 있고, 이는 본 발명에 참고자료로 포함된다. AIE는 전도성 기판과 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 RAM과, 의사 기준 전극(PRE, 아래에서 규정됨)과, 애널라이트와 분리되었으나 전기적 연결 및 유체 연통되는 일정 화학 환경에서 RAM을 그리고 종종 PRE를 배치하기 위한 수단을 지닌다. AIE의 전도 기판 및 RAM은 여기서 "내부 작업 전극" 또는 "IWE"로 언급될 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, AIE는 맥락에 따라, 통합 기능 유닛(IWE, 일정 화학 환경, 및 PRE), 또는 IWE, 또는, IWE의 매트릭스 물질 성분만을 의미할 수 있다. 본 발명의 범주에서, 일정 화학 환경은 RAM이 안정한, 재현가능한, 전압측정 신호를 출력하도록, 히드로늄 이온 또는 수산화 이온, 즉, pH의 변화에 저항하는 버퍼 물질이다. 버퍼 용액은 일정 화학 환경의 가장 간단한 형태다. 본 발명의 ASM은 버퍼 용액의 성분배합(formulation)에 정밀하게 반응한다. 이 특성은 Ag/AgCl/KCl과 같은 기존의 기준 전극보다 훨씬 더 안정한 신호를 생성하기 위해 버퍼 용액의 의도적 이용을 유도한다. 일정 화학 환경을 생성하기 위한 물질의 설계 및 구현은 아래 세부적으로 제시된다. 무엇보다도, 페로센과 같은 AIM과 연계하여 사용되는 일정 화학 환경은, 이러한 화합물의 두가지 단점 - 즉, 1) 기대와 달리 애널라이트 pH 변화에 약간 반응하는 경향과, 2) 페로센이 이용가능 전압측정 신호와 반응하는 제한된 pH 범위(약 4 또는 그 이상) - 을 극복한다.

"애널라이트 감지 디바이스"는 센서, 센서로부터 신호를 측정하기 위한 수단, 그리고, 선택적으로, 신호의 디스플레이 수단이다. pH 미터는 일 종류의 애널라이트 감지 디바이스다. 따라서, 일부 실시예에서, 애널라이트 감지 디바이스는 컨트롤러/프로세서 유닛과, 관련 프로그램 및 알고리즘과, 프로브를 포함한다.

종종 "보조 전극"으로도 불리는 "카운터-전극" 또는 "CE"는 전기 회로 완성을 위해 전기화학 셀을 통해 전류를 통과시키도록 일부 애널라이트 센서에서 요구되는 전극이다. CE는 전자의 소스 또는 싱크로 기능하며, 산화환원 반응 수행을 위해 WE를 통해 전류를 흐르게 한다. WE에서 측정되는 신호와 간섭할 수 있는, CE에서 나타나는 원치않는 전기화학적 산화환원 프로세스를 피하기 위해, CE는 비교적 화학적으로 비활성 물질, 흔히 백금(Pt)을 이용하여 통상적으로 제조되지만, 탄소 동소체가 또한 흔히 사용된다. 소정의 다른 물질들, 특히, 가혹 환경에서 안정성을 나타내는 것들이 또한 사용될 수 있다. 예는 금, 스테인레스강, 티타늄, 및 특수 합금을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

"동축"은 전극과 같은 다양한 구성요소들이 주위로 위치하게 되는 공통축을 의미한다. 일부 실시예에서, "동축"은 동심으로 또는 대략 동심으로 위치한 구성요소들의 반경방향 대칭을 의미한다. 일부 실시예에서, "동축"은 하나 이상의 전극이 외측 또는 외부에 위치한 전극 구성요소 내에 동심으로 위치함을 의미한다 - 예를 들어, 그리고 제한없이, CE가 애널라이트 용액에 잠긴 센서 팁의 외측 링이고 WE가 팁의 중간에 위치하며, RE가 CE와 WE 사이에 삽입될 때, WE, CE, 및 RE는 동축으로 배치된다. PCT 공보 제2010/111531호를 참조할 수 있고, 이는 본 발명에서 참고자료로 포함된다.

물질과 관련하여 "분산된"(dispersed) 또는 "회합된"(associated)은 가스, 액체, 또는 고체에 콜로이드로 용액 내에 용해되거나 현탁됨을 의미한다. 이 용어는 고체의 표면에 또는 고체의 성분에 공유 결합되는 물질의 실시예를 또한 포괄한다. 이 용어는 물질이 결정 격자 내 도펀트로 포함되는 실시예를 또한 포괄한다. 이 용어는 고체 내에 삽입되는 물질을 또한 포함한다.

"전극"은 프로브의 구성요소다.

"의사-기준 전극" 또는 "PRE"는 환경 조건에 따라 예측가능하게 변화하는 전위를 가진 전극들의 카테고리 내 일 종류의 전극이다. 구축되면, 이러한 상관은, 예를 들어, 주변으로부터 먼 온도 또는 비-수성 용액과 같이, 위 조건들이 종래의 기준 전극을 적용할 수 있는 비교적 좁은 범위를 넘어 나갈 때에도 알려진 조건들에 대한 전극 전위를 연산하는데 사용될 수 있다. 이러한 상황에서 이들은 전기화학적 실험의 시간스케일에 걸쳐 합리적으로 일정한 전위를 제공하며, PRE의 절대 전위는 요구될 경우 RE로 다시 교정될 수 있다(back-calibration). 의사-기준 전극은 통상적으로 산화환원 커플의 양쪽 절반씩을 포함하지 않는다. PRE의 한가지 예는 (비-수성 전기화학에 흔히 사용되는) 실버 와이어다. 더 최근에, PRE는 AIE의 구성요소로 사용되고 있다.

"산화환원-활성 물질"은 산화 및 환원될 수 있는 화합물 또는 조성물이다. "산화환원 활동"은 이러한 프로세스들 중 하나 또는 둘 모두를 의미한다.

"기준 전극"(RE)은 WE에 인가되는 전위차를 구축하기 위해 사용되는 전극이다. 기존의 RE는 소정의 고정된 화학적 조성을 갖고, 따라서, 고정된 전기화학적 전위를 가지며, 따라서, 알려진 제어가능 방식으로 WE에 인가되는 전위차를 측정할 수 있게 한다. RE는 통상적으로, 고정 화학적 조성 및 이온 강도의 전해질과 접촉하는 산화환원 커플의 2개의 절반씩을 포함한다. 산화환원 커플의 두 절반들이 존재하고 관련된 모든 화학종의 조성이 고정되기 때문에, 시스템은 평형 상태로 유지되고, RE의 전극-전해질 계면 간의 전위 강하(즉, 측정 전압)이 열역학적으로 고정되고 일정하다. 예를 들어, 흔히 사용되는 RE 시스템은 규정된 일정 농도의 KCl을 가진 Ag|AgCl|KCl 시스템이다. 2개의 하프-셀 반응은 따라서, Ag⁺ + e^-Ag와, AgCl + e^-Ag + Cl^- 다. 전체 셀 반응은 따라서, AgCl Ag⁺ + Cl^-이며, Nernst 평형 전위는 E = E₀ -(RT/F)*ln[Cl^-] 로 주어지고, 이때, E 는 측정된 RE 전위, E₀ 는 단위 활동시 모든 화학종을 가진 표준 수소 전극 대 Ag|AgCl 커플의 표준 전위(규약에 의해 표준 수소 전극은 0.0V의 전위를 가지는 것으로 규정됨), R, T, F는 각각 적절한 단위의 상수, 온도, 및 패러데이 상수다. 그러므로, 본 시스템의 전위는 고정될 경우, 안정된 고정 전위를 제공하는, 존재하는 Cl^- 이온의 농도(더욱 엄격히 말하자면 활동)에만 좌우된다. 많은 다른 RE 시스템들이 당 분야에 알려져 있다. RE의 조성이 일정하게 유지되어야 하고, 따라서, RE를 통해 전류가 거의 흐르지 않아야 하며(그렇지 않을 경우 전해질이 나타나 RE의 조성이 변화할 것임), 이는 회로 완성을 위해 제 3의 전극인 카운터 전극(CE)의 이용을 필요로한다. 그러나, WE가 100마이크로미터보다 작은 적어도 하나의 치수를 가진 마이크로전극인 특별한 경우에 , 2-전극 구조가 사용될 수 있다. 이러한 경우에, WE에서 통과되는 전류는 작고, 따라서, 2-전극 셀이 CE 필요없이 RE와 함께 사용될 수 있다.

"프로브"는 복수 전극을 지닌 센서를 의미한다. 프로브는 예를 들어, 작업 전극, 카운터-전극, 및 기준 전극(기존의 기준 전극 또는 의사 기준 전극)을 포함할 수 있다. 프로브는 예를 들어, 작업 전극, 카운터 전극 및 애널라이트-무감 전극(IWE 및 PRE)를 포함할 수 있다.

"센서"는 애널라이트의 존재에 응답하여 신호를 발생시키는 전극 또는 전극들의 집합이다.

전극의 "표면"은 기능 표면, 즉, 애널라이트 샘플과 접촉하는, 그리고, 전기적 또는 전기화학적 용도로 기능하는, 표면 부분을 의미한다. 예를 들어, 어떤 전류 또는 전압도 통과시키지 않은 절연 WE 하우징을 포함하지는 않을 것이다. WE의 표면은 RE에 대한 전류 또는 전위를 검출하는 샘플과 접촉한 전극 표면 부분이다. CE의 표면은 WE 내외로 전류를 전달 또는 수용하도록 기능하는 샘플과 접촉하는 부분을 의미한다.

"작업 전극" 또는 "WE"는 관심 대상인 애널라이트를 검출하기 위한 전기화학적 프로세스가 발생하는 전극이다. 센서에서, 작업 전극은 테스트 샘플 내 하나 이상의 애널라이트에 민감할 수 있고, 또는, 애널라이트 민감 화학종/물질을 이용하여 화학적으로 개질될 수 있다. 작업 전극의 전기화학적 반응은 연구 중인 시스템에 대한 소정의 교란(perturbation)이 적용된 후 측정된다. 예를 들어, 교란은 전자 전달 발생을 유도하는 WE에 대한 전위차의 인가일 수 있고, WE에서의 결과적인 전류는 인가 전위의 함수로 레코딩된다(전압측정 모드). 이러한 예의 작동 모드는 많은 다른 모드들이 당 분야에 알려져 있기에, 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다. 발명의 WE는 인가된 전위와 샘플 용액 내 애널라이트(pH 미터의 경우 수소 이온; 다른 애널라이트 감지 디바이스의 경우 다른 애널라이트)의 농도에 좌우되는 가역적 전기화학적 산화환원 반응을 진행할 수 있는 ASM을 지닌다. 예를 들어, 샘플 용액 내에 고농도의 수소 이온이 존재하는 경우에, 산화환원 반응이 저전위에서 나타난다. 역으로, 샘플 용액 내에 저농도의 수소 이온이 존재하는 경우에, 산화환원 반응이 고전위에서 나타난다. 이들 특성 전위와 샘플 용액 pH 간의 관계는 ASM의 화학적 신원의 함수다. 하나의 알고리즘이 전위를 pH 값으로 변환하여, 알려지지 않은 샘플의 pH를 결정하기 위한 수단을 제공한다.

위 정의를 기억하면서 독자는 아래 설명되는 발명의 다양한 형태 및 실시예를 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

소형화된 애널라이트 센서

제 1 형태에서, 본 발명은 전압측정 센서 기술을 이용하여 약 10 마이크로리터 이하의 작은 샘플 볼륨 내 애널라이트 농도를 측정할 수 있는 소형화된 애널라이트 센서를 제공한다. 일 실시예에서, 발명은 히드로늄 이온 농도 또는 pH를 가장 주목하여 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 용액 내 전해질 측정을 위한 센서 기술을 제공한다. 본 발명에 의해 제공되는 다른 전압측정 센서 기술은 다양한 폼 팩터 및 샘플 수용 배열로 센서를 이용하여 현재 검출되는 구체적 애널라이트용으로 설계된 센서들을 포함한다.

본 발명은 작은 샘플 볼륨 내 애널라이트 농도의 측정에 유리한 수단에 기준, 센서, 및 카운터 전극들이 공간적으로 배열되는, 애널라이트 농도 측정 디바이스를 또한 제공한다. 이러한 디바이스에서, 다양한 센서 구성요소들이 측정 수행시 샘플이 배치되는(그렇지 않을 경우 접촉하는) 한 쌍의 "앤빌"(anvils)에 배치된다. 샘플은 2개의 앤빌 사이의 표면 장력에 의해 제 자리에 보지되며, 각각의 앤빌은 측정을 위해 샘플이 증착되는(또는 그렇지 않을 경우 접촉하는) 수용 영역을 가진 표면을 포함한다. 하나의 또는 통상적으로 2개의 앤빌은 샘플에 의해 적셔지는 수용 영역을 가진 앤빌의 표면과 전도 접촉하는 애널라이트 센서의 하나 이상의 전극을 내부에 지닌다. 일부 실시예에서, 수용 영역은 감지 요소들의 표면 상에 샘플의 확산을 촉진시키는 친수성 코팅에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 센서의 하나 이상의 전극은 탄소 동소체, 귀금속, 및 전도성 폴리머를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 적절한 전도 기판 상에 전극 구성요소들을 인쇄함으로서 제조된다.

일부 실시예에서, 이러한 디바이스들은 복수의 마이크로리터-스케일 액체 샘플 상에 멀티-채널 애널라이트 농도 측정을 가능하게 하고, 각각의 샘플은 센서를 함께 형성하는 2개의 앤빌 간의 표면 장력에 의해 보지되며, 단일 전압측정 기술이 이러한 센서들의 어레이 사이에서 수행된다. 일부 실시예에서, 표면 장력에 의해 수용되는 복수의 액체 샘플에 대한 애널라이트 농도를 측정하기 위한 디바이스는, 복수의 앤빌 세트의 대향하는 근위 단부 간에 표면 장력에 의해 복수의 액체 샘플을 수용하기 위한 수단 - 각각의 앤빌 세트는 기능 센서를 제공하고, 상기 앤빌은 선택적으로, 실질적으로 평행한, 이격 관계임 - 과, 앤빌에 전류를 공급하기 위한 수단과, 어레이 내 앤빌 쌍을 보지하기 위한 수단과, 센서를 이용하여 전압 측정 분석을 수행하기 위한 수단과, 센서에 연결되어 통과 신호를 수용하기 위한, 그리고, 애널라이트 농도를 측정하기 위한, 수단을 포함하며, 애널라이트 농도 측정은 신호를 수용하기 위한, 그리고 애널라이트 농도를 측정하기 위한, 2개 이상의 수단과 2개 이상의 전극을 이용하여 동시에 2개 이상의 센서에서 이루어진다.

일부 실시예에서, 발명은 애널라이트 센서를 함께 형성하는 제 1 앤빌 및 제 2 앤빌을 포함하는, 샘플 내 애널라이트 농도를 측정하기 위한 애널라이트 센서를 제공하고, 상기 앤빌들은 앤빌들 간의 유격을 조정할 수 있는 수단에 의해 서로에게 기계적으로 연결되어, 상기 앤빌들 중 하나의 표면 상에 배치된 액체 샘플이 다른 앤빌의 표면과 접촉하여, 전도 접촉부에 두 앤빌을 배치시킬 수 있고, 전압측정 스캐닝을 이용하여 애널라이트 측정이 이루어지기 위해 충분한 시간 주기 동안 이러한 위치에 보유될 수 있게 된다.

발명의 디바이스는 미국특허 제7,397,036; 7,872,749; 및 8,189,199호(미국특허 제7,623,225 및 8,223,338호도 참조가능)에 대체로 설명된 마이크로리터-스케일에서의 광학 흡수 측정을 행하기 위해 현재 목표가 되어 있는 디바이스의 기능들을 선택적으로 포함하고, 이러한 형태를 취하며, 각각은 여기서 참고자료로 포함된다. 당 업자는 이러한 특허 문헌에 설명된 광학 흡수 측정 기술과 본 발명의 pH 측정 기술을 조합할 때의 주목할만한 장점을 이해할 것이다.

전압측정 센서 기술

전압측정 센서 디바이스의 작용 메커니즘은 전위 신호를 발생시키는 글래스 pH 프로브의 경우와 고유하게 다르다. 전압 측정 센서에서, 작업 전극에 샘플 노출시 발생하는 산화환원 반응은 샘플 pH(또는 다른 애널라이트 농도)에 고도로 좌우되는 방형파 전압측정 분석의 피크 전압을 일으킨다. pH와 피크 전압의 선형 관계는 고도로 재현가능한 형태로 존재한다. pH(및 다른 애널라이트 농도) 측정을 위한 전압 측정 센서 디바이스가 PCT 공보 WO 2010/111531; WO 2010/118156; 및 2012/018632호에 설명되어 있고, 각각은 여기서 참고자료로 포함된다.

발명의 마이크로센서는 작은 샘플 볼륨 내 애널라이트 농도를 측정하는데 특히 효과적인데, 왜냐하면, 전압 측정 센서 디바이스의 경우, 샘플 부피 감소는 샘플 부피에 대한 샘플과 접촉하는 센서 표면적의 비를 증가시키기 때문이다. 이러한 비율의 증가에 따라, 가용 애널라이트의 더 많은 부분이 센서 표면과 접촉한다. 더 많은 부분의 샘플이 센서 표면과 상호작용할 때, 더 많은 신호가 발생된다 - 이는 묽은 애널라이트 샘플의 검출 및 분석에 도움을 준다.

발명의 전압 측정 센서는 완전히 고상일 수 있고, 가역적 화학적 표면을 가질 수 있다. 이들은 파울링에 대해 큰 내성을 가지며, 재-교정을 요하지 않는다. 그러므로, 디바이스는 샘플 측정을 위한 대기 상태에서 공장-교정 센서로 조립될 수 있다.

전압측정 센서 디바이스는 3개의 주 구성요소, 센서 또는 작업 전극, 기준 전극, 및 카운터 전극을 가진다. 발명의 전압 측정 마이크로센서 디바이스에서, 이러한 3개의 구성요소들은 매우 작은 샘플 볼륨에서 정확한 애널라이트 농도 측정을 돕는 방식으로 공간적으로 배향된다. 전압 측정 센서의 전극은 본 발명에 의해 제공되는 것들에 대한 개선점과 함께, 아래에서 일반적으로 설명된다.

기준 전극

발명의 전압 측정 센서에서, 기준 전극은 고상, 액체 충전, 또는 겔 충전될 수 있다. 기준 전극은 용액 내 전해질(애널라이트)의 측정 정규화에 사용된다. 전형적인 기준 전극은 실버/실버 클로라이드 기준 전극이다. 발명의 예시적인 전압계측 센서 디바이스에서, 실버/실버 클로라이드 기준 전극이 도 1에 도시되는 바와 같이 구성될 수 있다.

본 발명의 방법 및 물질들은 기준 전극을 이용하여 관찰되는 많은 흔한 문제점들을 피하는데 사용될 수 있는 실시예를 포함한다. 더 구체적으로, 발명은 새로운 타입의 기준 전극 정션을 제공함으로써, 오늘날 모든 종류의 기준 전극과 현재 맞닥뜨리는 문제들인, 드리프트, 클로깅, 및 염 누설을 야기하는 문제들을 해결한다.

정확하고 정밀한 pH 판독을 생성하기 위해, 기준 전극은 시간에 걸쳐 변하거나 드리프트하지 않는 안정한 전위를 유지할 필요가 있다. 기존 pH 미터 및 기타 애널라이트 센서에서 관찰되는 드리프트의 원인은 대부분 기준 정션에 기인한다. 열린, 슬리브형, 다공질 플러그를 포함한, 다양한 기존 정션들이 존재한다. 이러한 정션들 각각은 기준 전극이 파울링, 클로깅, 또는 드리프트되는 것을 막기 위해 정기적 관리를 필요로한다. 시간에 지남에 따라, 정션이 클로깅 또는 파울링되기 때문에, 기준 전극의 반응 시간 및 전위 안정성에 직접 영향을 미친다. 존재하는 기준 전극 정션 기술의 다른 관심사는 외부 애널라이트 또는 샘플 내 다른 구성요소와, 기준 전극의 내부 용액의 교차 오염이다. 이는 측정되는 샘플의 절대적 제어를 필요로하는 많은 응용예에서 해로울 수 있다. 이러한 문제점을 치유하기 위해, 본 발명은 기존 정션의 성능을 모두 제공하면서 파울링, 클로깅, 또는 누설을 일으키지 않는, 고체 복합 물질을 제공한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 미국특허 제7,628,901호에 설명된 바와 같이 실질적으로 제조되는 RE와 조합하여 전압 측정 WE를 포함하는 센서를 제공하며, 그 내용은 본 발명에 참고자료로 포함된다.

다른 실시예에서, 발명은 RTIL, 전도 물질, 및 폴리머를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 이온 액체(IL)를 포함하는 복합 물질인 기준 정션을 가진 RE와 조합된 전압 측정 WE를 포함하는 센서를 제공한다. 구체적으로, 일부 실시예에서, 본 발명은 고도로 안정적인 전위를 나타내고, 습식-건식 가역적이며, 즉, 전형적인 룸 조건 하에 전극이 건조되는 경우에도 물리적 또는 전기화학적 특성을 크게 변화시키지 않으며, 넓은 범위의 화학적 작용에도 내성을 갖고, 그리고, 기존 액체 정션 기준 전극에서 흔한 지루한 유지관리 절차를 필요로하지 않는, 애널라이트 접촉 표면을 가진 기준 전극을 제공한다. 다양한 실시예에서, 본 발명은 구조적 일체성, 전기 전도도, 및 양성자의 선택적 통과를 나타내는 매트릭스 물질 내에 RTIL을 포함하는 전압 계측 pH 측정에 적합한 기준 전극을 제공한다.

임의의 적절한 이온 액체가 발명의 센서에 이용되는 RE에 사용될 수 있지만, 적절한 IL은 주변 온도에서 액체 상태로 존재하는 유기 염인 상온 이온 액체(RTIL)를 포함한다. 통상적으로, 이들은 부피가 크고 비대칭인 유기 양이온, 가령, 1-알킬-3-메틸이미다졸리움, 1-a알킬피리디니움, N-메틸-N-알킬피롤리디니움 및 암모늄 이온으로 구성된다. 전형적인 음이온은 테트라플로로보레이트 및 헥사플로로포스페이트를 포함한다. 많은 다양한 조성들이 생성되며, 공통적 속성은 강력한 용매 및 전해질이다. 두 속성 모두 RE에 안정한 CAB를 생성함에 있어서 중요하다. 일부 실시예에서, IL은 1-메틸-3-옥틸이미다졸리움 비스(트리플로로메틸설포닐)이미드다. 대안의 실시예에서, IL은 1-메틸-1-프로필피레리디니움 비스(트리플로로메틸-설포닐)이미드다. 두 IL 모두 Iolitec (각각 Cat. No. IL-0099 and IL-0045)으로부터 상업적으로 가용하다.

다양한 전도 물질이 탄소, 구리, 및 금을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, CAB의 구성요소로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도 물질은 45 마이크론 입자 크기의 분말이다(Aldric로부터 상업적으로 가용함, Cat. No. 496596). 다양한 소수성 폴리머가 CAB의 구성요소로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 폴리머는 폴리비닐이덴 플로라이드(PVDF, Sigma Aldrich로부터 가용함, Cat. No. 427152) 다.

따라서, 본 발명은 IL, 전도 물질, 및 폴리머의 이러한 혼합물들을 포함하는 고체 복합 물질을 제공한다. 일부 실시예에서, 복합 물질은 PVDF, 탄소, 및 IL의 혼합물이다. 복합 물질의 일부 실시예는 다음과 같이 구성된다.

기준 전극 정션 복합 물질 및 정션의 제조

2g의 폴리비닐이덴 플로라이드 (PVDF) 분말 (Kynar 721, Arkema) 및 250 mg의 그래파이트 분말이 함께 완전히 혼합되었다. 1.5 g의 1-메틸-3-옥틸이미다졸리움 비스(트리플로로메틸설포닐)이미드가 PVDF/그래파이트 혼합물에 첨가되었고 완전히 혼합되었다. 15분 후, 혼합물이 1시간 동안 200°C까지 가열되어 멜트를 형성하였다. 멜트는 15분 동안 냉각되었고 그 후 유리병으로부터 제거되었다. 복합 디스크로부터 플러그가 나와 기준 정션으로 사용되었다.

기준 정션을 가진 기준 전극의 구성

발명의 기준 정션을 포함하는 기준 전극을 구성하기 위한 두가지 방법이 제공된다. 각각의 기준 전극을 검사하여 pH 2, 4, 7, 10, 12 표준 버퍼 용액을 이용하여 기준 전위를 결정하였고, 이 결과를 Agilent 멀티미터를 가진 Cole Parmer 표준 칼로멜 전극(SCE)을 이용하여 얻은 것에 비교하였다.

구성 1

0.122"의 내경(ID)을 가진 폴리설폰 튜브의 일 단부 내로 복합 플러그가 설치되었다. 폴리설폰 튜브의 다른 단부는 0.250"의 ID까지 열리며, 2% 하이드록시에틸 셀룰로스로 진해지는, AgNO₃로 포화된 3M KCl 용액으로 구성되는 기준 용액으로 충전되었다. 염화된 실버 와이어는 기준 용액에 담그어져서 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE) 플러그로 제자리에서 현탁되었다. PTFE 플러그는 에폭시 접착제로 밀봉되었다. 비-제한적인, 대표 구조의 개략도가 도 2에 도시된다.

3개의 기준 전극이 Cole Parmer SCE에 대해 설명 및 검사된 바와 같이 제조되었다. 각각의 기준 전극은 pH 2, 4, 7, 10, 12에서의 "pH" 계단을 이용하여 검사되었다. 전위는 Agilent 멀티미터를 이용하여 측정되었다. 도 3에서 제공되는 그래프는 넓은 pH 범위에 걸쳐 3개의 기준 전극들의 안정성을 보여주고, 복합 플러그가 Ag/AgCl 산화환원 시스템과 외부 애널라이트 간의 이온 통신을 실현시킴을 보여준다. RE가 프탈레이트 버퍼(pH 4)에서 검사될 때 작은 편차가 관찰되었다.

추가적인 검사가 약 이틀의 건조 저장 후 전극의 안정성을 보여주기 위해 이루어졌다. 3개의 새 전극이 앞서 설명한 바와 같이 구성되었고, 각각은 매일, 주 2회로, 및 매주 단위로 pH 7 버퍼에서 검사되었다. 도 4에 도시되는 그래프는 앞서 설명한 바와 pH 2-12 계단형 검사 수행 후 각각의 전극의 평균 전위를 보여준다. 16일의 검사 후, 전극은 건조 저장 후 전위 드리프트로부터 사실상 자유롭게 남았으며, 반응 시간에 지연이 없음을 보여주었다. 내부 기준 전극의 구성요소들이 기준 정션을 거쳐갔음을 표시하는 기존 기준 전극과는 달리, 건조된 기준 정션의 표면 상에 어떤 염 결정도 관찰되지 않았다.

구성 2

발명의 제 2 기준 전극은 발명이 내부 충전 용액의 필요성을 어떻게 제거하는지를 예시하도록 구성되어, 완전히 고상의 기준 전극을 제공하게 된다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 제조된 복합 플러그 기준 정션 내로 직접 Ag/AgCl 와이어를 임베딩함으로써 실현되었다. Ag/AgCl 디스크가 제대로 작동함을 또한 보여주었다. 두 버전 모두, 후방 단부가 에폭시와 같은 적절한 물질로 밀봉될 수 있다. 도 5는 기준 정션 내로 직접 임베딩된 와이어를 수용하는 구성을 도시한다.

이러한 기준 전극들 중 2개가 앞서 설명한 계단형 검사를 받게되었다. 도 6에 도시되는 결과는, 내부 충전 용액의 보충없이, 기준 정션 내로 와이어를 직접 임베딩함으로써, 안정한 전위를 여전히 얻을 수 있다. 다시, pH 4에서 유사한 전위 편차에 주목해야 한다. 또한, SCE에 대해 상대적인 전위가 -49mV로부터 +100mV로 이동하였다.

당 업자는 복합 물질 형성에 사용되는 혼합물의 균질성 및 플러그의 경도를 개선시키는 단계들을 포함한, 다양한 최적화 단계 및 물질들이 통합될 수 있음을 앞서 설명으로부터 이해할 것이다. Cicmil 외, Electroanalysis 23(8): 1881-1890; Shibata 외, Analyt. Sci. 26(11): 1203-1206; 및 미국특허 제7,628,901; 8,187,453; and 8,227,293호를 참조할 수 있고, 각각의 내용은 참고자료로 여기에 포함된다.

당 업자는, 발명의 소형화된 센서들 중 하나의 센서를 형성하는 앤빌들 중 하나에 이들을 배치하기에 충분히 작은 크기를 포함한, 임의의 크기로, 이러한 기준 전극들이 제조될 수 있음을 또한 이해할 것이다. 더욱이, 당 분야의 마이크로제조 기술 표준을 이용하여 기준 전극을 만들 수 있다.

작업 전극

발명의 전압측정 센서의 작업 전극은 탄소 또는 소정의 금속, 또는 소정의 반도체와 같이, 적절한 전기 전도성 기판으로 구성될 수 있다. 이 기판은 공유 결합으로, 폴리머 인트랩먼트(polyemric entrapment)에 의해, 접착 또는 흡착에 의해, 또는 다른 수단에 의해 기판에 부착되는 애널라이트-감지 물질로 코팅된다. 일부 실시예에서, 산화환원 활성 애널라이트 감지 물질은 기판 표면에 직접 부착되지 않지만, 대신에, 기판 표면에 (공유결합으로 또는 접착 또는 흡착에 의해) 역시 부착되는 폴리머형 또는 복합 물질 내에 공유결합으로부터 부착되거나 물리적으로 인트래핑된다.

다른 실시예에서, 기판이 존재하지 않고, 대신에, 전극은 공유결합으로, 폴리머형 인트랩먼트에 의해, 접착 또는 흡착에 의해, 또는 전도 물질 형성을 위한 다른 수단에 의해 폴리머 매트릭스에 부착되는 이러한 감지 화학 물질(즉, RAM)을 지닌 폴리머형 물질로부터 단순히 제조된다.

이러한 실시예들 중에서, 폴리머 물질은 PCT 공보 WO 2012/018632호에 설명된 임의의 물질일 수 있다. 본 발명은 발명의 작업 전극에 사용하기 적합한 새 폴리머 물질을 또한 제공한다. 발명에 의해 제공되는 일부 실시예에서, 폴리머 물질은 하이브리드 실리카-폴리비닐 알콜(PVA)이고, 이는 Pirzada 외, 2012, Langmuir 28: 5834-5844에 설명된 바와 같이 제조될 수 있으며, 그 내용은 참고자료로 여기에 포함되고, RAM은 PVA에, 실리카에, 또는 둘 모두에 공유결합으로 부착되며, RAM은 이러한 물질로 구성되는 나노섬유 내에 물리적으로 인트래핑된다. 이러한 실시예들 중 다른 하나에서, 개별 사이클로덱스트린 분자 내에 인트래핑된 RAM 분자를 가진 폴리머 사이클로덱스트린이, 다른 폴리머 또는 물질과 혼합하여 또는 단독으로 사용된다.

더 일반적으로, 작업 전극 기판(존재할 경우, 그리고 존재하지 않을 경우, 애널라이트 감지 화학 물질을 포함하는 물질)은 전류를 인가하기 위한 전기 접촉점을 가진다. 본 발명에 따른 작업 전극이 도 7에 도시된다.

카운터 전극

카운터 전극은 샘플과 디바이스 사이의 회로를 완성시키도록 전류를 공급하며, 전도성이어야만 한다.

소형화된 애널라이트 센서용 전극 구조

본 발명에 의해 제공되는 전압 측정 센서의 전극 및 그 개선점에 대한 위 설명을 이용하여, 당 업자는 발명의 소형화된 애널라이트 센서의 서로 다른 많은 실시예들이 어떻게 구성될 수 있는지를 이해할 것이다. 요컨데, 작업, 기준, 및 카운터 전극의 공간적 배열은, 샘플과 이러한 구성요소들의 동시적 접촉을 제공하는 임의의 방식으로 설계될 수 있고, 샘플 내 침지는 요구되지 않는다. 특히, 모세관에 의해 적절히 보지되고 박막 내로 확산되는 마이크로리터-레벨 애널라이트 샘플이, 감지 요소들의 활성 표면에 걸치기에 충분하다. 물론 이러한 특징은 현재의 글래스 전극으로 액세스가능하지 않은 샘플과 함께, 환경 및 검사 조건에서 애널라이트 농도, 특히 pH를, 측정하기 위한 새로운 많은 기회를 제공한다.

따라서, 본 발명의 전압측정 센서 기술은 많은 응용예에 유용하며, 글래스 전극은 제한된 활용성을 가질 뿐이거나 단순히 말해서, 사용될 수 없다. 예를 들어, 본 발명은 혈청, 소변, 플라즈마, 세포 용해물, 및 유사 액체와 같은 생물학적 샘플들을 포함한, 샘플들의 고처리량 pH(또는 다른 애널라이트 농도) 측정 방법을 제공한다. 이러한 방법들의 일부 실시예에서, 아래 설명되는 바와 같이 발명에 의해 제공되는 1회용 또는 재사용가능 멀티-웰 포맷 센서 디바이스를 이용하여 로봇 공학이 이용된다.

추가적으로, 본 발명의 실시는 극소형 센서를 이용하여 pH(또는 다른 애널라이트 농도)를 인-라인 모니터링할 수 있다. 마이크로리터-스케일 부분 표본의 변화 검출 기능은, 측정 분해능을 개선시킨다. 이는 예를 들어, 그리고 제한없이, HPLC, LCMS, 및 기타 크로마토그래피 시스템에 사용하기 위한 많은 이점이다. 인-라인 pH 모니터링은 크기 제한, 재교정 요건, 및 드리프트 관련 에러로 인한 글래스 전극이 갖는 제한된 활용도를 가진다. 더욱이, 글래스 전극은 동일한 애널라이트 조성과 동시에 감지 막 및 기준 정션을 인벨롭하기 위해 훨씬 큰 샘플 부피를 필요로한다. 분해능은 고해상도 분리를 실현하도록 나머지 유동 경로가 설계되었음에도 불구하고 전극 근처에 불확실한 혼합 패턴으로 내재적으로 불량하다. 발명의 전압측정 센서, 특히, 완전히 고상인 센서가 이러한 제한사항들에 의해 제한되지 않는다.

발명의 소형화된 센서는 진단 응용예에서 또한 현저한 장점을 가진다. 발명은 고도의 이동성 및 신뢰도로 관심 지점에서 pH(또는 다른 애널라이트 농도)를 측정하는데 사용될 수 있는 디바이스를 제공한다. 발명은 최소의 유지관리로 신뢰가능하게 정확한 결과를 제공할 수 있는, 처분가능한, 1회용 센서를 또한 제공한다.

예를 들어, 상업적으로 가용한 살균 배양 백 또는 다른 용기에 세포 배양 또는 전해질 내 pH 모니터링은 이러한 용기에 발명의 1회용 전압 측정 센서 디바이스를 설치함으로써 구현된다. 글래스 프로브와 달리, 발명의 디바이스는 쉽게 파손되지 않고, 기준 전극의 오염 또는 파울링으로 인한 드리프트에 의해 필요해지는 주기적 재교정을 요하지도 않는다. 다른 장점은, 이러한 디바이스들이 평탄하고 및/또는 가요성이어서, 백 또는 다른 용기의 내벽에 쉽게 고정된다는 점이다. 전기적 연결은 벽체 일체성을 유지하는 백 또는 다른 용기의 벽체 간에 이루어질 수 있고, 따라서, 디바이스들이 요구되는 전자 수단에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명은 pH, 전해질, 또는 다른 샘플 구성물을 위해, 10 마이크로리터 미만의 샘플 부피로 정확한 결과를 전달할 수 있는 멀티-위치 마이크로리터-스케일 전압 측정 센서 디바이스를 제공한다. 다양한 실시예에서, 디바이스에 적용되는 샘플은 모세관 효과, 소수성 수용, 또는 마이크로-웰을 이용하여 용기의 부재 하에 공간적으로 수용된다.

본 발명의 센서 디바이스는, 애널라이트 샘플에 대한 센서 구성요소의 표면 접촉만이 측정 획득을 위해 요구된다는 점을 이용한다. 애널라이트 샘플 부피는 감지 요소들을 포함하는 2개의 평면형 표면 간의 공간에 의해 주로 통제된다. 이를 실현하기 위해, 선택적으로 광학적 또는 기계적 모니터링 및 피드백 제어와 함께, 랙-앤드-피니온, 나사-종동 포지셔너, 및 서버 모터 및 관련 회로를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 메커니즘을 이용하여, 평면형 표면 간의 갭이 기계적 또는 전기기계적 수단에 의해 정밀하게 그리고 재현가능하게 통제되도록 디바이스들이 제공된다. 모세관 힘은 샘플 용기를 요하지 않으면서 액체 샘플을 제 자리에서 보지한다. 일반적으로, 갭이 작을수록, 액체가 두 습식 표면 사이에 쉽게 보유되며, 이는 특히 마이크로리터-스케일 애널라이트 샘플의 보유 및 측정을 선호한다.

일부 실시예에서, 샘플들은 전압 측정 센서 디바이스의 (앤빌 형태의) 2개의 대향 부분과 함께 공간적으로 제한된다. 본 실시예에서, 모세관 캡처에 귀속되는 샘플의 양은 대향하는 평면형 표면에 대한 샘플 표면 장력에 좌우된다. 모든 경우에, 애널라이트는 작업 전극, 기준 전극, 및 카운터 전극의 모든 감지 요소들을 습윤화한다고 가정된다. 애널라이트에 의해 습윤화되는 영역은 애널라이트에 의해 습윤화되지 않는 표면으로 감지 요소들을 둘러쌈으로써 선택적으로 국한된다. 다양한 실시예에서, 애널라이트 샘플은 대향하는 앤빌 표면의 소수성 및 친수성 부분의 영역, 형상, 및 배열에 의해 국한된다.

본 발명은 일부 실시예에서, 수성 애널라이트 샘플과의 표면 장력 증가를 위해, 소수성 물질, 예를 들어, 폴리비닐이덴 플로라이드(PVDF), 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 다른 플루오르화 폴리머, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌설파이드, 및 우수한 내화학성을 나타내고 내재적으로 소수성인 기타 폴리머 또는 코폴리머의 이용을 제공한다. 대안으로서, 소수성 코팅은 수성 애널라이트 샘플에 의해 습윤화되는 영역을 형성하도록 전극 표면에 도포될 수 있다.

일 실시예에서, 소수성 폴리머 물질은 애널라이트 보유를 위한 모세관 공간을 형성하는 앤빌-형 구조의 구성에서 하나 이상의 감지 요소들에 대한 지지체로 또한 사용된다. 도 8은 본 발명의 pH-감지 전극을 도식적으로 제시한다. 본 예에서, 감지 요소들은 선행 리스트로부터 소수성 폴리머 물질로 제조되는 절연체에 임베딩된 원통형 또는 환형-형상 전극을 포함한다. 각각의 전극은 발생 신호를 캡처하기 위한 신호 리드를 갖도록 배선된다. 본 센서 조립체의 전체 원통 형상은 모든 감지 요소들 간에 액적을 균일하게 캡처 및 확산시키기 위해 선호된다.

작동시, 센서 조립체는 도 9에 도시되는 바와 같이, 2개의 대향된 평행 평면형 표면을 형성하기 위해 유사한 치수의 실린더에 대향하여 배치된다. 도 9의 부분 (a)에서, 센서 조립체는 열린 위치에 놓인다. 애널라이트 샘플의 액적은 부분 (b)에 도시되는 낮은 실린더 상에 배치된다. 그 후, 센서 조립체가 하측 실린더로부터 정밀 통제된 거리로 하강하여, 애널라이트 샘플이 두 평면형 표면과 접촉하게 되고 따라서, (c)에 도시되는 바와 같이 형성되는 갭을 충전한다. 갭의 크기는 공간을 채우는데 필요한, 그리고, 감지 요소의 습윤화 보장에 필요한, 액체 부피를 결정한다. 약 1cm 직경의 원통형 센서 조립체를 이용하여, 10 마이크로리터 이하의 애널라이트가 pH 측정을 신뢰가능하게 발생시키는데 충분하다. 더욱 일반적으로, 5마이크로리터의 샘플 크기가 사용될 수 있다. 애널라이트 부피의 하한은 모세관 공간 제어의 기계적 정밀도에 의해서만이 아니라, 감지 요소의, 특히, 작업 전극의, 특성 및 애널라이트 샘플의 속성에 의해서도 결정된다. 예를 들어, 애널라이트 내 히드로늄 이온의 양은, 소정 레벨 이상이어야 하며, 따라서, 전압 측정의 경로에서, 해당 이온의 농도가 애널라이트 감지 분자를 이용한 산화환원 반응으로 인해 크게 영향받으면 안된다. 이러한 변화는 전형적인 pH 측정 시에 최소이고, 애널라이트 부피와 작업 전극 표면 간의 비는 매우 커서 전극 표면에서의 산화환원 반응이 애널라이트의 조성에 실질적으로 영향이 없게 된다. 이에 반해, 마이크로리터-스케일 샘플을 측정함에 있어서, 작업 전극 상의 ASM 성분의 밀도 및 히드로늄 이온 농도 중 적어도 하나는 벌크 애널라이트의 진실한 값에 비해 측정된 pH 값을 결정할 수 있다. 애널라이트 부피의 실제적 하한은 이러한 고려사항들에 기초하여 최적화된다.

전극 배치의 다양한 대안의 실시예들이 유사 기능들을 가진다. 도 10에 제공되는 개략적 구조는 (a) 작업 전극에 대향하여 위치하는 카운터 및 기준 전극과, (b) 작업 및 기준 전극에 대향하여 위치하는 카운터 전극을 도시한다. 두 경우 모두, 애널라이트 샘플은 하측 평면형 표면 상에 배치되고, 상측 평면형 표면은 모세관 공간을 형성하도록 낮추어져서, 지정된 애널라이트 부피를 구축하고, 모든 감지 요소들을 습윤화시키며, 따라서, pH 측정을 가능하게 하는 전기적 통신을 구축한다.

도 10에 도시되는 구조 (a)를 이용하여 본 발명의 특징을 나타내기 위해 일련의 실험들이 수행되었다. 2개의 전극 조립체가 구성되었으며, 상측 조립체는 작업 전극으로 이루어졌고, 하측 조립체는 기준 및 카운터 전극으로 이루어졌다. 10 마이크로리터의 애널라이트 샘플은 하측 전극 조립체 상에서 배출되었고, 상측 조립체는 애널라이트 샘플과 접촉할 때까지 변형 마이크로스코프 스테이지를 이용하여 낮추어졌다. 비디오 카메라를 이용하여 두 평면형 표면 상의 액체 접촉을 확인할 수 있었다. 교정 데이터가 pH 2, pH 4, pH 7, 및 pH 10에 대한 BDH 브랜드 표준을 이용하여 발생되었다. 각각의 버퍼에 대한 방형파 전압측정 플롯이 도 11에서 위에 겹쳐진다(10마이크로리터 샘플 크기).

도 11로부터의 피크 데이터가 pH 버퍼에 대해 플롯 구성되어, 도 12에 도시되는 결과를 제공한다. 이 플롯은 10마이크로리터 부피 샘플을 이용한 방형파 전압 측정으로부터 pH와 피크 전압 간의 선형 관계를 보여준다.

3개의 10 마이크로리터 샘플이 디바이스 상에서 pH에 대해 검사되었고, 10mL 샘플을 이용하여 갓 교정된 Mettler Toledo Seven Easy^TM 미터에 비교되었다. 샘플들은 오랜지 쥬스(OJ), 송아지 혈청, 및 G2 저칼로리 과일 펀치였다. 비교 결과가 도 13에 도시된다.

pH 2, pH 4, pH 7, pH 10, 및 pH 12의 BDH 표준 각각을 3회 반복하여 가변성이 평가되었다. 센서의 각각의 판독시, 버퍼의 갓 10 마이크로리터 샘플이 사용되었다. 각각의 검사 지점에서 센서의 배치는 비디오 카메라의 도움으로 실현되었다. 도 14-18은 각각의 버퍼에 대한 방형파 전압측정 분석의 겹쳐진 플롯을 보여준다.

도 14-18로부터의 모든 데이터 지점들이 함께 플롯구성되어, 도 19에 도시된다(평균 데이터가 아닌 개별 데이터 지점을 보여줌). 데이터는 피크 전압이 선형이고 재현가능함을 보여준다.

발명의 소형화된 애널라이트 센서의 다른 실시예는 샘플 수용을 위해 마이크로-웰을 이용한다. 본 실시예에서, 샘플 부피 요건은 각각의 웰의 크기에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 센서는 웰의 벽체에 들어맞는 형상을 취하며, 이러한 벽체들의 표면은 센서 화학계를 제공하는 산화환원 활성 물질을 통합한다. 웰의 하부는 적어도 부분적으로 기준 전극에 의해 형성된다. 소수성 장벽이 일부 실시예에서 이용되어 웰 내 샘플의 수용을 촉진시킨다. 카운터 전극이 웰 내에 배치되어 (샘플이 존재할 때) 회로를 완성시킨다. 일부 실시예에서, 디바이스는 멀티-웰 플레이트에 제공되어, 로봇공학에 의해 선택적으로 도움받는 고처리량 pH 측정을 가능하게 한다. 이러한 포맷은 고처리량 분석을 필요로하는 진단 또는 기타 응용예에 흔히 사용된다. 일부 실시예에서, 기준 용액 챔버의 상부 표면에 또는 그 근처에 있음에도 불구하고, 기준 정션이 기준 염 용액과 접촉하였음을 보장하기 위해 염 용액으로 기준의 충전을 가능하게 하도록 벤트가 이용된다. 대안으로서, 겔 충전된 또는 고상 기준 전극이 액체 충전된 기준 전극 자리에 사용된다. 도 20은 발명의 대표적 실시예에 따른, 본 디바이스의 단일 웰 실시예를 도시한다.

센서 제조

발명의 소형화된 애널라이트 센서의 제 3 실시예는 적절한 기판 표면 상에 기준, 카운터, 및 작업 전극 중 하나 이상을 "프린팅"함으로써 생성된다. 기판은 임의의 형상을 취할 수 있다. 다양한 실시예에서, 기판은 전기 전도성의 얇은 폴리머 물질 또는 가요성 기판이다. 일부 실시예에서, 소수성 코팅 물질이 샘플 도포 영역의 경계 형성을 위해 사용된다. 얇고 평탄한 회로가 전자 회로 보드 생성을 위해 이용되는 것과 유사한 방식으로 구성된다. 폴리비닐이덴 플로라이드(PVDF), 상온 이온 유체(RTIL), 및 전도 물질, 가령, 탄소로 구성되는 복합체가 일부 실시예에서 사용되어, 기판 상에 앞서 프린팅된 실버/실버 클로라이드 또는 다른 전극 물질 위에 프린트 또는 코팅되어, 기준 전극을 형성한다. 애널라이트-특이적 산화환원 활성 물질을 지닌 전도 폴리머 또는 코팅 용액이 센서 표면 생성을 위해 프린팅된 기준 전극에 인접하여 기판에 프린팅된다. 제 3 의 프린팅된, 또는, 그렇지 않을 경우, 인근에 부착된 전극이 카운터 전극으로 기능한다. 아래의 도면은 이러한 디바이스의 일부 실시예를 보여준다. 센서의 크기(선택적인 소수성 장벽 포함)는 예를 들어, 그리고 제한없이, 직경이 약 2.5mm일 수 있다. 이 설계는 상업적으로 가용한 멀티-웰 플레이트의 멀티-웰 레이아웃과 일치하는 패턴을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 동일 기판 상에 복수 센서로 구성될 수 있다. 센서 요소들의 예시적 구조가 도 21에 도시된다.

다른 종류의 센서를 제조하기 위한 제조 방법은 본 발명의 전극 및 센서의 제조를 위한 본 발명에 비추어 쉽게 적응될 수 있다. 가령, 미국특허 제5,676,820; 5,942,103; 6,063,259; 6,468,785; 6,878,255; 및 6,893,552; PCT 공보 WO 2011/031463; Windmiller 외, 2012, Chem. Comm. 48: 6794; Kagie 외, 2008, Electroanalysis 20: 1610; Chuang 외, 2010, Analyst 135: 1230; 및 Wang 외, 2005, Lab on a Chip 5: 226를 참조할 수 있고, 그 각각은 여기서 참고자료로 포함된다.

본 발명은 센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 다양한 RAM을 제공한다. 다음의 예는 이러한 RAM의 합성을 설명한다.

예

예 1

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 이용하기 적합한 RAM은 다음과 같이 화학식 I로 규정된 식에 따라 합성되었다.

1,5-디클로로안트라퀴논(20 gm, 0.072 몰)을 에틸렌 글리콜(300mL) 내에서 교반하였다. 이 혼합물에 포타슘 하이드록사이드 펠릿(11.8 gm, 85%, 0.179 몰)이 첨가되었다. 이 반응은 120°C에서 교반되었고, 대략 2시간 후, 어두운 적색 영역이 형성되었다. 추가 16시간 동안 가열이 계속되었다. 냉각 후, 반응 혼합물이 물(800mL)에 첨가되었고, 이를 밤새 상온에 두었다. 떨어져나온 고체는 여과에 의해 분리되어 건조되었다. 건조된 고체는 대부분의 반응하지 않은 시작 퀴논을 용해시킨 디에틸 에테르(500mL)에서 밤새 교반되었다. 불용성 물질여과에 의해 분리 및 건조되어, 11.1gm의 원 산물(crude product)을 도출하였다. 원 산물은 메탄올 및 메틸렌 클로라이드의 혼합물(메틸렌 클로라이드에 10% 메탄올 50mL)에서 교반되었고, 불용성 물질은 여과에 의해 분리되어 4.4gm의 고체를 도출하였다. 이는 n-부탄올로부터 두번 재결정화되어, 진노랑 니들로 2.0gm(8.3%)의 1,5-비스-(2-하이드록시에틸)-안트라퀴논을 제공하였다.

예 2

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 이용하기 적합한 RAM은 다음과 같이 화학식 II로 규정된 식에 따라 합성되었다:

1-클로로안트라퀴논 (17.5 gm, 0.072 몰) 및 분말 포타슘 하이드록사이드(5.9 gm의 85%, 0.09 몰)의 혼합물을 1,3-프로판디올(200 mL)에서 교반하였다. 이러한 혼합물을 24시간 동안 120°C에서 교반하였다. 냉각 후, 물(500mL)에 갈색 용액이 부어졌고, 밤을 지샌 후, 고체가 여과에 의해 분리되었다. 필터 케이크는 물로 세척하여 공기 건조하였다. 건조된 고체는 메틸렌 클로라이드(600mL)에 용해되었고 불용성 물질없이 여과되었다. 여과액은 마그네슘 설페이트 위에서 건조되었고, 여과 후, 감소 압력 하에 기화되어 갈색 고체를 도출하였다. 5gm 샘플의 갈색 원 고체가 메틸렌 클로라이드(20mL)에 용해되었고, 이 용액은 실리카 칼럼의 위에 배치되었다. 반응하지 않은 1-클로로안트라퀴논이 용리제로 메틸렌 클로라이드를 이용하여 용리되었다. 1-(2-하이드록시프로필)안트라퀴논은 용매를 메틸렌 클로라이드 내 5% 메탄올로 변경함으로써 용리되었다. 산물을 지닌 비율은 모여 감소 압력 하에 기화되어 고체를 제공하였다. 이는 2-프로파놀로부터 재결정화되어, 2.5gm의 1-(2-하이드록시프로필)안트라퀴논을 제공하였다.

예 3

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 적절한 RAM이, 다음과 같이 화학식 III에서 규정된 식에 따라 합성되었다:

1-클로로안트라퀴논 (15 gm, 0.062 몰) 및 2-(2-아미노에톡시)에탄올(105gm 1.0몰)의 혼합물이 16시간 동안 90°C에서 교반되었다. 고온 용액을 물(500mL)에 붓고, 여과에 의해 고체를 분리시켰다. 필터 케이크는 물로 세척하여 공기 건조하였다. 건조된 고체는 2-프로파놀(300mL)로부터 재결정화되어, 14.0gm의 산물을 적색 고체로 제공하였다.

예 4

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 IV로 규정되는 식에 따라 합성되었다:

1,5-디클로로안트라퀴논 (15 gm, 0.054 몰) 및 2-(2-아미노에톡시)에탄올(150 gm 1.43 몰)의 혼합물이 4시간 동안 120°C에서 교반되었다. 농축 염산(110mL)을 함유한 물(500mL)에 고온 용액을 붓고, 떨어져나온 고체가 여과에 의해 분리되었다. 필터 케이크는 물로 세척하여 공기 건조하였다. 건조된 고체는 n-부탄올(500mL)로부터 재결정화되어, 19.8gm의 산물을 자색 고체로 제공하였다.

예 5

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 V로 규정된 식에 따라 합성되었다:

1-클로로안트라퀴논(18 gm, 0.074 몰) 및 메틸아미노에탄올(155 gm, 2.06몰) 의 혼합물이 120°C에서 5시간 동안 교반되었다. 농축 황산(90gm)을 지닌 물(700mL)에 고온 용액을 부었다. 15분 동안 교반 후, 떨어져나온 고체는 여과에 의해 분리되었다. 필터 케이크는 물로 세척 후 공기 건조되었다. 산출물은 자색 입상 고체로 18gm의 산물이었다.

예 6

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 VI에 규정된 식에 따라 합성되었다:

1,5-디클로로안트라퀴논(15 gm, 0.054몰) 및 메틸아미노에탄올(150 gm 2.0몰)의 혼합물이 120°C에서 4시간 동안 교반되었다. 냉각된 용액을 농축 황산(85 gm)을 지닌 물(600mL)에 부었다. 15분 동안 교반 후, 떨어져나온 고체를 여과에 의해 분리하였다. 필터 케이크는 물로 세척하여 공기 건조하였다. 산출물은 자색 고체로 18.5gm의 산물이었다.

예 7

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 VII에 규정된 식에 따라 합성되었다:

1-클로로안트라퀴논(15 gm, 0.062 몰) 및 1,3-디아미노프로판(91.9 gm 1.24 몰)의 혼합물이 120°C에서 1시간 동안 교반되었다. 고온 용액은 상온으로 냉각되어, 산물을 결정화시켰다. 결정화된 고체는 여과에 의해 분리되었다. 필터 케이크는 물로 세척 후 공기 건조하였다. 산출물은 짙은 자색 고체로 10.5gm의 산물이었다.

예 8

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 VIII에 규정된 식에 따라 합성되었다:

메틸렌 클로라이드(50mL) 내 1-(N-메틸-N-2-하이드록시에틸)아미노안트라퀴논(0.569 gm, 2.02 X 10^-3 몰) 및 디이소프로필에틸아민(0.261 gm, 2.02 X 10^-3 몰)의 용액은, 메틸렌 클로라이드(5mL) 내 아크릴로일 클로라이드(0.200gm, 2.2x10^-3몰)이 천천히 첨가됨에 따라, 얼음 상에서 교반되었다. 첨가 완료 후, 용액은 상온에서 밤새 교반되었다. 용액은 5% 소듐 카보네이트(50mL)로 세척되었고, 그 후, 마그네슘 카보네이트 위에서 건조되었다. 여과 후, 메틸렌 클로라이드가 감소 압력 하에 제거되어, 정량적 수득율의 산물을 도출하였다.

예 9

센서 제조를 위한 프린팅 잉크 및 코팅 성분배합에 사용하기 적합한 RAM이, 다음과 같이 화학식 IX에 규정된 식에 따라 합성되었다:

디메틸 포름아미드(1.0mL)가 첨가됨에 따라 소듐 안트라퀴논-2-설페이트 하이드레이트(5.0 gm)가 티오닐 클로라이드(25mL)에서 교반되었다. 결과적인 혼합물은 70°C에서 2시간 동안 가열되어, 용액을 도출하였다. 냉각 후, 결과적인 얇은 슬러리를 얼음 위에 교반하면서 부어, 티오닐 클로라이드가 분해되게 된다. 떨어져나온 고체는 메틸렌 클로라이드(300mL) 내로 추출되었다. 이 용액은 마그네슘 설페이트 위에서 건조되었다. 여과 후, 메틸렌 클로라이드는 감소 압력 하에 제거되어, 4.5gm의 산출물에서 오프 화이트 입상 고체로 설포닐 클로라이드를 도출한다.

위 예에서 각각의 RAM은 RAM에 대해 반응성인 기능기를 가진, 전도 링크와 같은, 코팅 물질과 연계하여 사용된다. 코팅 물질은 RAM과 조합되어, 공유 결합을 실현하며, 그 후 코팅 물질이 적절한 전기적 연결을 이용하여 기판에 도포되어, RAM에 의해 발생되는 신호를 전달한다. 대안으로서, 전도 물질은 먼저 기판에 코팅되고, 그 후, RAM과 반응한다. 다른 절차적 조합들을 이용하여 다양한 표면 성질을 실현할 수 있다. 모든 경우에, 마감된 코팅의 표면은 성분배합, 반응 조건, 코팅 도포 방법에 의해 결정되는 RAM의 농도를 지닌다.

Claims

하기 ⅰ) 내지 ⅴ)로 이루어진 군에서 선택되는 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분으로 코팅된 기판을 포함하는 애널라이트(analyte) 센서:
ⅰ)

ⅱ)

ⅲ)

ⅳ)
및
ⅴ)
.
제1항에 있어서, 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분이 기판에 공유 결합된 애널라이트 센서.
하기 ⅵ) 및 ⅶ)로 이루어진 군에서 선택되는 안트라퀴논 성분으로 코팅된 기판을 포함하는 애널라이트(analyte) 센서:
ⅵ)
및
ⅶ)
.
제1항에 있어서, 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분이 프린트 가능한 잉크를 포함하는 애널라이트 센서.
제1항에 있어서, 폴리비닐 알콜 및 실리카로 구성되는 폴리머 물질을 포함하는 작업 전극을 추가로 포함하는 애널라이트 센서.
제1항에 있어서, 이온 액체, 전도성 물질, 및 폴리머로부터 형성되는 복합체로 구성되는 기준 정션(junction)을 가진 기준 전극을 추가로 포함하는 애널라이트 센서.
제6항에 있어서, 전도성 물질은 상온 이온 액체 및 탄소 동소체를 포함하는 전도성 고체 매트릭스인 애널라이트 센서.
제7항에 있어서, 상온 이온 액체는 양성자 침투성인 애널라이트 센서.
제7항에 있어서, 탄소 동소체는 전기 전도성인 애널라이트 센서.
하기 ⅰ) 내지 ⅴ)로 이루어진 군에서 선택되는 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분을 포함하는 산화환원-활성 물질:
ⅰ)

ⅱ)

ⅲ)

ⅳ)
및
ⅴ)
.
하기 ⅵ) 및 ⅶ)로 이루어진 군에서 선택되는 안트라퀴논 성분을 포함하는 산화환원-활성 물질:
ⅵ)
및
ⅶ)
.
제10항에 있어서, 코팅 물질을 추가로 포함하는 산화환원-활성 물질.
제12항에 있어서, 코팅 물질이 프린트 가능한 잉크인 산화환원-활성 물질.
하기 ⅰ) 내지 ⅴ)로 이루어진 군에서 선택되는 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분으로 코팅된 기판을 포함하는 애널라이트 센서; 및
전류를 인가하기 위한 전기 접촉점, 애널라이트 센서의 전압 측정 스캐닝을 수행하기 위한 컨트롤러 유닛, 프로세서 유닛, 프로그램, 알고리즘 및 프로브 중 적어도 하나를 포함하는 디바이스로,
애널라이트 농도 측정이 애널라이트 센서에서 동시에 이루어지는 디바이스:
ⅰ)

ⅱ)

ⅲ)

ⅳ)
및
ⅴ)
.
제14항에 있어서, 하이드록시 작용화된 안트라퀴논 성분이 산화환원-활성 물질인 디바이스.
제14항에 있어서, 애널라이트 센서가 폴리비닐 알콜 및 실리카로 구성되는 폴리머 물질을 포함하는 작업 전극을 포함하는 디바이스.
제14항에 있어서, 애널라이트 센서가 이온 액체, 전도성 물질, 및 폴리머로부터 형성되는 복합체로 구성되는 기준 정션을 가진 기준 전극을 포함하는 디바이스.
제17항에 있어서, 전도성 물질은 상온 이온 액체 및 탄소 동소체를 포함하는 전도성 고체 매트릭스인 디바이스.
제18항에 있어서, 상온 이온 액체는 양성자 침투성인 디바이스.
제18항에 있어서, 탄소 동소체는 전기 전도성인 디바이스.