KR20230124541A - Electronic control of the pH of the solution close to the electrode surface - Google Patents

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KR20230124541A
KR20230124541A KR1020237005319A KR20237005319A KR20230124541A KR 20230124541 A KR20230124541 A KR 20230124541A KR 1020237005319 A KR1020237005319 A KR 1020237005319A KR 20237005319 A KR20237005319 A KR 20237005319A KR 20230124541 A KR20230124541 A KR 20230124541A
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크리스토퍼 존슨
샘 카부시
나데즈다 포미나
하비브 아마드
어텀 마루니악
크리스토프 랑
애쉬윈 라구나탄
영식 신
아르민 다비쉬
에프티미오스 파파조르지우
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

전극 및 pH 감지 소자를 포함하는 피드백 전극 세트의 다중 부위 어레이를 포함하는, pH 또는 이온 구배를 제어하기 위한 디바이스 및 방법. 전극은 기준 전극, 상대 전극 및 작동 전극을 포함할 수 있다. 디바이스 및 방법은 반복적으로 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고, 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 각각의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고, 감지 소자의 신호 출력을 측정한다. 다중 부위 어레이는 피드백 및 비-피드백 전극 세트를 포함할 수 있다.A device and method for controlling a pH or ion gradient comprising a multi-site array of electrodes and a set of feedback electrodes comprising a pH sensing element. Electrodes may include a reference electrode, a counter electrode and a working electrode. The device and method repeatedly selects the amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode and applies the selected amount of current and/or voltage to each working electrode to determine the pH of a solution proximate to the working electrode. and measure the signal output of the sensing element. Multi-site arrays can include feedback and non-feedback electrode sets.

Figure P1020237005319
Figure P1020237005319

Description

전극 표면의 가까이에서 용액의 pH의 전자 제어Electronic control of the pH of the solution close to the electrode surface

관련 출원의 상호 참고Cross reference to related applications

본 출원은 2020년 7월 17일에 출원한 미국 특허 출원 일련 번호 16/932,096을 우선권으로 주장하며, 이는 2015년 7월 6일에 출원한 미국 특허 출원 일련 번호 14/792,576(이제 미국 특허 번호 10,379,080로 2019년 8월 13일에 허여됨)의 분할 출원인 2018년 12월 20일에 출원한 미국 특허 출원 일련 번호 16/227,466의 일부 계속 출원이다. 상기 각각의 개시내용의 전문은 권리 포기없이 본원에 참조로 포함된다.This application claims priority to U.S. Patent Application Serial No. 16/932,096, filed on July 17, 2020, which is now U.S. Patent Application Serial No. 14/792,576, filed on July 6, 2015 (now U.S. Patent No. 10,379,080). is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 16/227,466, filed on December 20, 2018, a divisional application of which was granted on August 13, 2019. The entire disclosure of each of the above is incorporated herein by reference without disclaimer.

기술분야technology field

본 발명은 생체분자에 대한 진단 방법에서 사용하기 위한 바이오센서 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 수성 용액에서 기포의 존재를 검출하기 위한 방법 및 상응하는 디바이스 및 시스템; 및 생명 과학 실험을 수행하기 위한 유리 슬라이드에 관한 것이며, 슬라이드에서 측정된 데이터의 처리 중 적어도 일부는 슬라이드 상에 위치한 컴퓨터 프로세서에 의해 또는 슬라이드 본체에 연결되거나 또는 슬라이드에 무선으로 커플링된 주변 컴포넌트 상의 프로세서에 의해 수행된다. 본 발명은 또한 전류를 사용하여 용액의 pH를 조절하기 위해 용액에서 전기화학 반응, 특히 산화환원 반응을 이용하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 생물학적 완충제, 및 특히 생물학적 완충제에서 사용하기에 적합하고 생물학적 완충제에서 pH 조절을 용이하게 하는데 사용될 수 있는 전기화학적 활성제에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 전극 표면 근처에서 pH 농도 구배를 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 바이오센서에서 생체분자 상호작용의 조절, 전극 표면 근처에서 pH 구배를 제어하는데 있어서 정확성, 정밀성 및 신뢰성을 개선시키기 위해 통합 전자 시스템을 사용하는 방법, 이러한 바이오센서에서 생체분자 상호작용을 조절하기 위해 pH를 제어하는 방법, 바이오센서를 사용하여 생체분자에 대한 진단 방법, 및 이러한 바이오센서의 개선 방법에서 이용될 수 있다.The present invention relates to a biosensor device for use in diagnostic methods for biomolecules. The invention also relates to a method and corresponding device and system for detecting the presence of air bubbles in an aqueous solution; and a glass slide for performing life science experiments, wherein at least some of the processing of data measured on the slide is performed by a computer processor located on the slide or on a peripheral component connected to the slide body or wirelessly coupled to the slide. performed by the processor. The present invention also relates to the use of electrochemical reactions, particularly redox reactions, in solutions to adjust the pH of the solution using an electric current. The present invention also relates to biological buffers and, in particular, to electrochemically active agents suitable for use in biological buffers and which can be used to facilitate pH control in biological buffers. Moreover, the present invention relates to a method for generating a pH concentration gradient near an electrode surface. The present invention provides control of biomolecular interactions in biosensors, methods of using integrated electronic systems to improve accuracy, precision and reliability in controlling pH gradients near electrode surfaces, and control of biomolecular interactions in such biosensors. It can be used in a method for controlling pH, a method for diagnosing biomolecules using a biosensor, and a method for improving such a biosensor.

최근에 보다 높은 충실도, 예를 들어 민감도 및 특이성을 갖는 진단 시험을 필요로 하는 예측성, 예방성, 특히 맞춤형 의약에 대한 관심이 증가되었다. 멀티플렉스형 측정 플랫폼, 예를 들어 연구에서 현재 사용되는 단백질 어레이는 가까운 장래에 유망한 진단 기술 중 하나이다. 이들 시험에서 샘플은 인체 체액, 예컨대 혈액, 혈청, 타액, 생물학적 세포, 소변, 또는 다른 생체분자일 수 있지만, 또한 소모품, 예컨대 우유, 이유식 또는 물일 수 있다. 이 분야에서는, 생체분자, 예컨대 핵산, 단백질, 및 또한 소분자에 대한 저비용의 멀티플렉스형 시험에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 시험에서 필요한 민감도 및 특이성을 달성하는 데에는 어려운 과제가 있다. 이들 시험을 통합 전자 장치와 조합하고, 상보적인 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 기술을 사용하는 것인 일부 과제에 대한 해결책을 제공하였다.Recently, there has been increased interest in predictive, preventive, and especially personalized medicine, which requires diagnostic tests with higher fidelity, eg, sensitivity and specificity. Multiplexed measurement platforms, such as protein arrays currently used in research, are one promising diagnostic technology in the near future. The sample in these tests can be a human body fluid such as blood, serum, saliva, biological cells, urine, or other biomolecules, but can also be consumables such as milk, baby food or water. In this field, there is a growing need for low-cost, multiplexed tests for biomolecules such as nucleic acids, proteins, and also small molecules. Achieving the required sensitivity and specificity in these tests is challenging. Combining these tests with integrated electronics and using complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology provided a solution to some of the challenges.

검출 검정에서 2가지 주요 한계에는 민감도 및 교차 반응성이 포함된다. 이들 인자 둘 다 최소 검출가능한 농도, 따라서 진단 오류율에 영향을 미친다. 이러한 시험에서 민감도는 일반적으로 표지 검출 정확성, 프로브-피분석물 쌍(예를 들어 항체-항원 쌍)의 회합 인자, 및 표면 상의 프로브 분자(예를 들어 프로브 항체)의 효과적인 밀도에 의해 제한된다(도 1에 도시됨). 생물학적 샘플에서 다른 분자는 또한 프로브 분자(예를 들어 일차 항체)에 결합함으로써 또는 시험 부위의 표면에 피분석물을 물리 흡착시킴으로써 최소 검출가능한 농도에 영향을 미칠 수 있다(도 2에 도시됨). 검출제(예를 들어 이차 항체)는 또한 표면에 물리 흡착되어 백그라운드 신호를 증가시킬 수 있다(도 2에 도시됨). 교차 반응성 및 백그라운드 문제를 해결하는 것은 새로운 시험의 검정 개발에 상당한 양의 시간이 걸릴 수 있고, 전반적인 시험의 비용 및 복잡성을 증가시킨다. 검정은 전형적으로 최상의 시약 및 조건을 찾음으로써, 또한 가장 특이적인 프로브 분자(예를 들어 항체)를 제조함으로써 최적화된다. 이로 인해 개발 시간이 길어지고, 일부 경우에는 시험을 실행할 수 없으며, 더 많은 제조 비용이 든다. 예를 들어 ELISA 검정의 전형적인 개발은 검정 개발의 일부로서 올바른 항체를 찾기 위해 1년 넘게 몇몇 과학자들이 작업하는 것을 필요로 한다. 단백질의 교차 반응성은 이러한 노력의 실패 원인일 수 있다.Two major limitations in detection assays include sensitivity and cross-reactivity. Both of these factors affect the minimum detectable concentration and thus the diagnostic error rate. Sensitivity in such assays is generally limited by the accuracy of label detection, the association factor of the probe-analyte pair (e.g. antibody-antigen pair), and the effective density of probe molecules (e.g. probe antibody) on the surface ( shown in Figure 1). Other molecules in the biological sample may also affect the minimum detectable concentration by binding to the probe molecule (eg a primary antibody) or by physically adsorbing the analyte to the surface of the test site (shown in FIG. 2 ). A detection agent (e.g., a secondary antibody) may also physisorb to the surface to increase the background signal (shown in Figure 2). Resolving cross-reactivity and background issues can take a significant amount of time in assay development of a new test and increases the cost and complexity of the overall test. Assays are typically optimized by finding the best reagents and conditions, and also by making the most specific probe molecules (eg antibodies). This results in longer development times, in some cases making tests impossible, and higher manufacturing costs. For example, typical development of an ELISA assay requires several scientists working over a year to find the right antibody as part of assay development. Cross-reactivity of the proteins may be the reason for the failure of these efforts.

다중 부위 시험 플랫폼을 제공하는 바이오센서는 검정 개발에서 상기 기재된 한계 중 일부에 대한 해결책을 제공하는 것으로 생각되었다. 미국 공개 특허 출원 US2011/0091870 및 US2012/0115236(그의 내용은 전문이 본원에 참고로 포함됨)은 생체분자 피분석물(예를 들어 단백질)과 프로브 분자의 결합을 조절하기 위해 상이한 반응 조건에 적용될 수 있는 다중 부위를 갖는 이러한 바이오센서를 기재한다. 예를 들어, 4개의 부위를 갖는 바이오센서에서 검출된 신호는 또한 몇몇 컴포넌트, 예를 들어 4가지를 가질 수 있다. 이들 4가지 용어는 관심 생체 마커의 농도, 비특이적으로 일차 항체(프로브 분자) 부위에 결합하고 생체 마커의 결합을 방지하는 샘플에서의 간섭 피분석물의 농도, 샌드위치를 형성하고 잘못된 신호를 생성하는 샘플에서의 간섭 피분석물의 농도, 및 마지막으로 표면에 물리 흡착하여 잘못된 신호를 생성하는 샘플에서의 간섭 피분석물의 농도에 상응할 수 있다. 각각의 용어는 또한 분자 친화도 및 다른 검정 조건, 예를 들어 대량 수송의 함수인 결합 효율 인자, αij에 비례한다. 각각의 부위에서의 조건을 별도로 제어함으로써, 상이한 부위는 상이한 효율 인자를 가질 것이다.A biosensor providing a multi-site testing platform was thought to provide a solution to some of the above-described limitations in assay development. US published patent applications US2011/0091870 and US2012/0115236, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety, can be applied to different reaction conditions to modulate the binding of a biomolecular analyte (eg protein) to a probe molecule. Such biosensors with multiple sites are described. For example, a signal detected in a biosensor having four sites may also have several components, for example four. These four terms are the concentration of the biomarker of interest, the concentration of the interfering analyte in the sample that non-specifically binds to the primary antibody (probe molecule) site and prevents binding of the biomarker, and the concentration of the interfering analyte in the sample that forms a sandwich and produces false signals. of the interfering analyte, and finally the concentration of the interfering analyte in the sample that physisorbs to the surface and produces an erroneous signal. Each term is also proportional to the binding efficiency factor, α ij , which is a function of molecular affinity and other assay conditions, such as mass transport. By controlling the conditions at each site separately, different sites will have different efficiency factors.

결합 효율 인자에서 큰 변화를 생성하기 상이한 부위에서 위해 검정 조건의 정확하고 정밀한 제어는 관심 생체분자 피분석물에 대한 검출 시스템으로서 이러한 바이오센서의 성능에 중요하다. US2014/0008244(그의 내용은 전문이 본원에 참고로 포함됨)에서, 다중 시험 부위의 어레이를 갖는 바이오센서에서 시험 부위들 사이의 결합 효율에서 큰 변화를 생성하기 위해 CMOS, 전극 어레이, 또는 TFT 기반 설정과 용이하게 통합될 수 있는 이러한 바이오센서 및 이러한 방법이 기재된다. 관심 생체분자 피분석물을 정확하게 측정하기 위해, 바이오센서는 높은 신뢰성 및 재현성을 필요로 한다. 바이오센서의 반복된 사용으로 인한 국소 pH의 조절에서의 변동 및 후속 측정 사이의 변동은 이러한 바이오센서에 의한 관심 생체분자 피분석물의 결정의 정확성을 감소시킬 수 있다.Accurate and precise control of assay conditions at different sites to produce large changes in binding efficiency factors is critical to the performance of these biosensors as detection systems for biomolecular analytes of interest. In US2014/0008244 (the contents of which are incorporated herein by reference in its entirety), a CMOS, electrode array, or TFT-based setup to produce large variations in the coupling efficiency between test sites in a biosensor having an array of multiple test sites. Such biosensors and such methods that can be readily integrated with are described. In order to accurately measure a biomolecular analyte of interest, biosensors require high reliability and reproducibility. Fluctuations in the control of local pH due to repeated use of biosensors and between subsequent measurements can reduce the accuracy of determination of the biomolecule analyte of interest by such biosensors.

추가로, pH는 생체분자 사이의 결합 상호작용, 효소 활성, 화학적 변형, 예컨대 관능기의 보호/탈보호, 화학/생화학 반응 역학, 및 pH 민감성 리포터 분자의 시각화에 중요한 역할을 하는 인자이다. pH가 다양한 유형의 공정에 대한 범용 스위치 또는 제어기로서의 역할을 할 수 있기 때문에, 특히 여러 조건을 병렬로 제어하기 위한 pH의 정확한 제어는 다양한 적용에서 큰 기회를 제공할 수 있다. 따라서, 바이오센서의 다중 부위 어레이의 각각의 부위에서 pH의 조절은 정확하게 제어되어야 하고, 이러한 pH 조절에서의 변동은 보정되어야 한다. 따라서, pH가 각각의 다중 부위 어레이 시험 부위에서 정확하게, 신뢰할 수 있게, 재현가능하게 제어될 수 있는 바이오센서가 필요하다.Additionally, pH is a factor that plays an important role in binding interactions between biomolecules, enzymatic activity, chemical transformations such as protection/deprotection of functional groups, chemical/biochemical reaction kinetics, and visualization of pH-sensitive reporter molecules. Since pH can serve as a universal switch or controller for many types of processes, precise control of pH, especially to control multiple conditions in parallel, can provide great opportunities in a variety of applications. Therefore, the adjustment of pH at each site of the multi-site array of the biosensor must be accurately controlled, and fluctuations in this pH adjustment must be corrected. Accordingly, there is a need for a biosensor in which pH can be accurately, reliably, and reproducibly controlled at each multi-site array test site.

pH를 측정하고 제어하는 일반적인 방법은 관련 기술분야에 공지되어 있다. (Durst et al., "Hydrogen-Ion Activity," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, pp. 1-15(2009)). 현재, 샘플의 pH는 일반적으로 전체 완충제 용액을 목표 pH로 교환하거나 또는 산 또는 염기를 용액에 첨가함으로서 변화시킨다. 이 과정은 시간 소모적이고, 오류가 발생하기 쉬우며, 여러 경우에 샘플이 상당히 희석된다. 샘플 부피가 작거나, 또는 검정 또는 반응의 과정 동안에 여러 라운드의 pH 변화가 필요한 경우, 현재 상업적으로 이용가능한 기술은 양호한 해결책을 제공할 수 없다. 따라서, 유연한 시간적 및 공간적 목표 값 및 최소 희석 인자에 의해 pH 제어를 가능하게 하는 기술적 해결책은 여러 연구 및 산업적 적용에 유익할 수 있다.General methods for measuring and controlling pH are known in the art. (Durst  et al., "Hydrogen-Ion Activity," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, pp. 1-15(2009)). Currently, the pH of a sample is usually changed either by exchanging the entire buffer solution to the target pH or by adding an acid or base to the solution. This process is time consuming, error prone, and in many cases significantly dilutes the sample. When the sample volume is small, or when several rounds of pH change are required during the course of an assay or reaction, current commercially available technologies cannot provide a good solution. Therefore, a technical solution enabling pH control by a flexible temporal and spatial target value and minimum dilution factor could be beneficial for several research and industrial applications.

전극 표면과 접촉하는 용액의 활성 pH 제어는 단백질-단백질 상호작용, 등전위 포커싱, 전기영동, 화학적 및 생화학적 과정의 조합 pH 연구, DNA 변성 및 재생, 효소 과정의 제어, 세포 조작, 높은 공간적 및 시간적 분석으로 화학 반응을 가속시키거나 또는 억제하기 위한 수단으로서, 또는 변수로서 pH를 수반하는 다른 과정에서 잠재적으로 적용된다. 예를 들어, US2014/0008244는 관심 생물학적 샘플의 결합 상호작용을 조절하기 위해 바이오센서에서 전극 근처의 pH 또는 이온 농도 구배를 조절할 수 있는 바이오센서를 기재한다. 또 다른 예에서, US2014/0274760(그의 전문이 본원에 참고로 포함됨)은 증가된 정확성, 신뢰성 및 재현성을 갖는 개선된 바이오센서를 기재한다.Control of the active pH of a solution in contact with the electrode surface includes protein-protein interactions, isoelectric focusing, electrophoresis, combined pH studies of chemical and biochemical processes, DNA denaturation and regeneration, control of enzymatic processes, cell manipulation, high spatial and temporal Potentially applied as a means to accelerate or inhibit chemical reactions analytically, or in other processes involving pH as a variable. For example, US2014/0008244 describes a biosensor capable of adjusting a pH or ionic concentration gradient near an electrode in the biosensor to modulate the binding interaction of a biological sample of interest. In another example, US2014/0274760, which is incorporated herein by reference in its entirety, describes an improved biosensor with increased accuracy, reliability and reproducibility.

표면에 부착된 전기화학적 작용제를 통해 용액 성질을 제어하기 위한 시도가 기재되었다. 퀴논 테더의 환원 및 후속적인 락톤화를 통해 변형된 금 전극 표면으로부터 비오틴의 전기화학적으로 촉발된 방출이 입증되었다(Hodneland et al., "Biomolecular surfaces that release ligands under electrochemical control," J. Am. Chem. Soc. 122, pp. 4235-36(2000)). 표면으로부터 용액으로 항체의 자가-조립 및 방출의 전기화학적 제어는 n-데칸티올-벤조퀴논의 환원 및 산화에 의해 달성되었다(Artzy-Schnirman et al., Nano Lett. 8, pp. 3398-3403(2008)). 전기활성 물질의 3D 층으로부터 양성자의 방출은 금 나노입자 및 티오아닐린으로 구성된 물질을 사용하여 프라스코니(Frasconi) 등에 의해 입증되었다(Frasconi et al., "Electrochemically Stimulated pH Changes: A Route To Control Chemical Reactivity," J. Am. Chem. Soc. 132(6), pp. 2029-36(2010)). 티오아닐린 기의 전기화학적 산화는 전극 표면으로부터 주변 용액으로 확산되는 양성자를 생성하여, 그의 pH를 변경시켰다.Attempts to control solution properties through surface-attached electrochemical agents have been described. Electrochemically triggered release of biotin from gold electrode surfaces modified through reduction of the quinone tether and subsequent lactonization has been demonstrated (Hodneland et al., "Biomolecular surfaces that release ligands under electrochemical control," J. Am. Chem. Soc. 122, pp. 4235-36 (2000)). Electrochemical control of self-assembly and release of antibodies from surfaces into solution was achieved by reduction and oxidation of n-decanethiol-benzoquinone (Artzy-Schnirman et al., Nano Lett. 8, pp. 3398-3403( 2008)). The release of protons from a 3D layer of electroactive material was demonstrated by Frasconi et al. using a material composed of gold nanoparticles and thioaniline (Frasconi et al., "Electrochemically Stimulated pH Changes: A Route To Control Chemical Reactivity ," J. Am. Chem. Soc. 132(6), pp. 2029-36(2010)). Electrochemical oxidation of the thioaniline groups produced protons that diffused from the electrode surface into the surrounding solution, altering its pH.

생물학적 용액에서 전기화학적 pH 조절은 시스템의 복잡한 성질로 인해 중요한 과제를 제시한다. 제한사항에는 pH 변화를 제한하는 완충제 성분의 존재, 사용될 수 있는 공용매에 대한 제한, 강한 친핵체, 예컨대 아민 및 티올의 존재, 및 간섭하는 전기화학적 활성 성분, 예컨대 DNA 염기, 아스코르브산 및 글루타티온의 존재가 포함된다.Electrochemical pH control in biological solutions presents significant challenges due to the complex nature of the system. Limitations include the presence of buffer components that limit pH change, limitations on the co-solvents that can be used, the presence of strong nucleophiles such as amines and thiols, and the presence of interfering electrochemically active components such as DNA bases, ascorbic acid and glutathione. is included

퀴논은 전기화학적 활성 분자 중 가장 광범위하게 연구된 부류 중 하나이다([Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35(2005)] 참고(그의 전문이 참고로 포함됨), [Chambers, J. Q. Chem. Quinonoid Compd. 1974, Pt. 2:737-91; Chambers, J. Q. Chem. Quinonoid Compd. 1988, 2:719-57; Evans, D. H. Encycl. Electrochem. Elem. 1978, 12: 1-259] 또한 참고). 히드로퀴논/벤조퀴논 변환은 전극 표면에서 양성자 구배를 생성하기 위한 모델 시스템으로서 사용되었다(Cannan et al., Electrochem. Communications 2002, 4:886-92). DNA 합성의 첫번째 단계로서 유기 용액에서 산성 pH의 생성을 위해 파라-히드로퀴논 및 안트라퀴논의 조합물을 사용하였고, 유기 염기를 용액에 첨가하여 산성 pH를 전극 표면에 국한시켰다(Maurer, PLOS One 2006, 1:e34). 그러나, 이들 시스템은 생물학적 시스템, 예컨대 펩티드, 단백질 및 글루타티온에 종종 존재하는 친핵체에 대한 벤조퀴논(히드로퀴논 산화의 생성물)의 반응성으로 인해, 추가로 물에서 비치환된 안트라퀴논의 불충분한 가용성으로 인해 생물학적 용액에서 사용하기 위해 채택될 수 없다(Amaro et al., Chem Res Toxicol 1996, 9(3):623-629).Quinones are one of the most extensively studied classes of electrochemically active molecules (see Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35 (2005), which is incorporated by reference in its entirety), [ Chambers, J. Q. Chem. Quinonoid Compd. 1974, Pt. 2:737-91; Chambers, J. Q. Chem. Quinonoid Compd. 1988, 2:719-57; ] see also). The hydroquinone/benzoquinone conversion was used as a model system for generating proton gradients at electrode surfaces (Cannan et al., Electrochem. Communications 2002, 4:886-92). A combination of para-hydroquinone and anthraquinone was used for the generation of an acidic pH in an organic solution as the first step in DNA synthesis, and an organic base was added to the solution to localize the acidic pH to the electrode surface (Maurer, PLOS One 2006, 1:e34). However, these systems are biologically challenged due to the reactivity of benzoquinone (a product of hydroquinone oxidation) towards nucleophiles that are often present in biological systems such as peptides, proteins and glutathione, additionally due to the insufficient solubility of unsubstituted anthraquinones in water. It cannot be adapted for use in solution (Amaro et al., Chem Res Toxicol 1996, 9(3):623-629).

전기화학적 비행 시간 측정은 전극 상에서 생성된 H+ 이온이 확산될 것임을 입증하였다(Slowinska et al., "An electrochemical time-of-flight technique with galvanostatic generation and potentiometric sensing," J. Electroanal. Chem. Vol. 554-555, pp. 61-69(2003); Eisen et al., "Determination of the capacitance of solid-state potentiometric sensors: An electrochemical time-of-flight method," Anal. Chem. 78(18), pp. 6356-63(2006)). 전극 표면의 개방 회로 전위가 용액 중 H+ 농도를 비롯한 용액 중 이온 농도, 따라서 용액의 pH의 함수인 것으로 또한 나타났다(Yin et al., "Study of indium tin oxide thin film for separative extended gate ISFET," Mat. Chem. Phys. 70(1), pp. 12-16(2001)). 유사하게, 전기화학적 종의 산화환원 반응 속도 또한 pH 의존성이다(Quan et al., "Voltammetry of quinones in unbuffered aqueous solution: reassessing the roles of proton transfer and hydrogen bonding in the aqueous electrochemistry of quinones," J. Am. Chem. Soc. 129(42), pp. 12847-56(2007)). pH 감지의 정확성을 개선시키기 위해 신규한 pH 민감성 코팅의 포함에 의해 전극의 pH 민감도를 개선하는 작업이 수행되었다(Ge et al., "pH-sensing properties of poly(aniline) ultrathin films self-assembled on indium-tin oxide," Anal. Chem. 79(4), pp. 1401-10(2007)).Electrochemical time-of-flight measurements demonstrated that H + ions generated on the electrodes would diffuse (Slowinska et al., "An electrochemical time-of-flight technique with galvanostatic generation and potentiometric sensing," J. Electroanal. Chem. Vol. 554-555, pp. 61-69(2003);Eisen et al., "Determination of the capacitance of solid-state potentiometric sensors: An electrochemical time-of-flight method," Anal. Chem. 78(18), pp. 6356-63 (2006)). It has also been shown that the open circuit potential of the electrode surface is a function of the ion concentration in the solution, including the H + concentration in the solution, and thus the pH of the solution (Yin et al., "Study of indium tin oxide thin film for separative extended gate ISFET," Mat. Chem. Phys. 70(1), pp. 12-16 (2001)). Similarly, the redox rate of electrochemical species is also pH dependent (Quan et al., "Voltammetry of quinones in unbuffered aqueous solution: reassessing the roles of proton transfer and hydrogen bonding in the aqueous electrochemistry of quinones," J. Am Chem. Soc. 129 (42), pp. 12847-56 (2007)). To improve the accuracy of pH sensing, work has been done to improve the pH sensitivity of the electrode by the inclusion of novel pH sensitive coatings (Ge et al., "pH-sensing properties of poly(aniline) ultrathin films self-assembled on indium-tin oxide," Anal. Chem. 79(4), pp. 1401-10(2007)).

여러 생명 과학 적용(단백질체약, 유전체학, 미세유체학, 세포 배양 등)은 실험을 수행하기 위해 기판으로서 유리 슬라이드를 사용한다. 유리 슬라이드의 예에는 단백질 마이크로어레이, 용해물 어레이, DNA 마이크로어레이 및 세포 배양 플랫폼이 포함된다. 단백질 마이크로어레이의 한 가지 용도는 건강한 또는 대조군 대상체로부터의 상응하는 물질과 비교하여 구체적인 질환을 가진 환자로부터의 생물학적 물질(예를 들어, 혈청)을 분석하는 것이다. 생물학적 물질은 여러(종종 수천 개의) 인간 단백질을 함유하는 마이크로어레이에 적용된다. 발병 물질 중의 항체는 마이크로어레이에서 특정 항원과 반응(결합)하여 질환-특이적인 생체 마커로서 항원을 확인할 수 있다. 단백질 검출 외에도, 다른 유형의 검출, 예컨대 비색 분석, 화학 발광 및 형광 검출 또한 유리 슬라이드와 함께 가능하다.Several life science applications (proteomics, genomics, microfluidics, cell culture, etc.) use glass slides as substrates to conduct experiments. Examples of glass slides include protein microarrays, lysate arrays, DNA microarrays, and cell culture platforms. One use of protein microarrays is to analyze biological material (eg, serum) from a patient with a specific disease compared to corresponding material from healthy or control subjects. Biological materials are applied to microarrays containing many (often thousands) of human proteins. Antibodies in pathogenic substances can react (bind) to specific antigens on the microarray to identify antigens as disease-specific biomarkers. Besides protein detection, other types of detection are also possible with glass slides, such as colorimetric, chemiluminescent and fluorescence detection.

종종 실험은 수성 조건하에 수행되며, 관심 물질은 물 또는 물-함유 액체와 조합되고, 분석을 위해 슬라이드 상에 놓인다. 여러 경우에, (공기 또는 다른 기체로 형성된) 기포의 존재는 실험을 방해하여 결과에 불리한 영향을 미친다. 불리한 영향의 한 예는 기포가 시험 용액을 건조시키는 경우이다. 이는 관심 물질(예를 들어, 생체분자 피분석물)이 생체분자 피분석물과 상호작용하는 것으로 추정되는 분자와 결합하지 못하는 잘못된 결합 사건을 초래할 수 있다. 또 다른 예는 기포가 시험 용액의 유효 유속을 변화시키고, 유속이 실험의 일부로 측정되는 경우이다. 따라서, 실험 결과가 정확하게 해석될 수 있도록, 기포를 검출하고, 그들의 존재를 표시하는 것이 바람직하다.Often experiments are performed under aqueous conditions, and the substance of interest is combined with water or a water-containing liquid and placed on a slide for analysis. In many cases, the presence of air bubbles (formed of air or other gases) interferes with the experiment and adversely affects the results. An example of an adverse effect is when air bubbles dry the test solution. This can result in erroneous binding events in which a substance of interest (eg, a biomolecular analyte) fails to bind to a molecule presumed to interact with the biomolecular analyte. Another example is where air bubbles change the effective flow rate of the test solution and the flow rate is measured as part of the experiment. Therefore, it is desirable to detect air bubbles and indicate their presence so that the experimental results can be accurately interpreted.

기포를 검출하는 한 가지 방법은 현미경하에서 각각의 슬라이드를 수동으로 확인하는 것이다. 그러나, 시야가 전형적으로 슬라이드의 작은 영역으로 제한되어 전체 슬라이드를 확인하는 것이 시간 소모적이기 때문에, 현미경 검사가 항상 실용적인 것은 아니다. 추가로, 현미경하에서 슬라이드를 비추기 위해 빛을 사용하는 것은 때때로 관심 물질에 대해 파괴 효과를 가질 수 있다.One way to detect air bubbles is to manually check each slide under a microscope. However, microscopy is not always practical, as the field of view is typically limited to a small area of the slide and viewing the entire slide is time consuming. Additionally, using light to illuminate a slide under a microscope can sometimes have a destructive effect on the material of interest.

미국 특허 번호 10,379,080(그의 전문이 본원에 참고로 포함됨)에 기재된 전자 pH 제어는 이들 문제 중 일부에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 유사한 pH 제어 방식이 다양한 설계 포맷으로, 특히 어레이 포맷으로 사용되어, 동일한 샘플 용액 내에서 고도로 멀티플렉스화된 독립적인 측정 및 반응을 병렬로 수행할 수 있다. 각각의 전극 근처의 미세 환경을 국지적으로 제어하기 위해 전극의 어레이를 사용할 때, 상이한 부위 사이의 "누화" 또는 "블리드-오버"가 우려된다. 이 문제는 개별 부위를 이격시킴으로써 또는 벌크 용액에 완충 시약을 첨가함으로써 해결된다. 전자의 접근법은 어레이 밀도를 감소시키고(더 큰 디바이스 크기), 후자는 전기화학 반응 속도가 벌크 용액의 완충 용량을 극복하도록 충분히 높아야 한다. 실제로, 이는 더 높은 전압 또는 전류의 인가, 또는 더 높은 농도의 전기활성 분자의 사용을 의미한다. 이들 방법은 반응 시스템의 다른 성분을 수반하는 부반응을 초래할 수 있다.Electronic pH control described in US Pat. No. 10,379,080, incorporated herein by reference in its entirety, may provide a solution to some of these problems. Similar pH control schemes can be used in a variety of design formats, particularly array formats, to perform highly multiplexed independent measurements and reactions in parallel within the same sample solution. When using arrays of electrodes to locally control the microenvironment near each electrode, “crosstalk” or “bleed-over” between different sites is a concern. This problem is solved by spacing the individual sites apart or by adding a buffering reagent to the bulk solution. The former approach reduces the array density (larger device size), while the latter requires the electrochemical reaction rate to be high enough to overcome the buffering capacity of the bulk solution. In practice, this means applying higher voltages or currents, or using higher concentrations of electroactive molecules. These methods may result in side reactions involving other components of the reaction system.

상기 기재된 여러 문제를 해결하기 위해 폐쇄-루프 제어가 본원에 제공된다. 몇몇 개별적으로 위치 감응형인 전극의 고밀도 어레이에서 폐쇄-루프의 몇몇 구현이 본원에 기재된다. 어레이 포맷에서 전극 표면 근처에서 pH 또는 이온 구배를 조절하는 디바이스 및 방법이 본원에 개시된다. 디바이스는 1개 이상의 작동 전극(들), pH 감지 소자(들)(일부 예에서 전극(들)일 수 있음), 상대 전극(들), 및 기준 전극(들)을 함유할 수 있다. 각각의 개별 작동 전극은 주문형 포맷으로 표면의 가까이에서 작은 물리적 공간 내에서 전기화학적으로 pH 변화를 도입할 수 있다. 상대 전극 및 기준 전극은 다중 작동 및 감지 소자에 의해 공유될 수 있다. pH 조절 시약은 전기화학적으로 산화 또는 환원되어, 표면으로부터 나노미터 내지 마이크로미터 거리를 커버하는 pH 조절 대역을 생성할 수 있다. 작동 전극에 대한 전기 출력 파라미터는 감지 소자로부터의 피드백을 기반으로 하여 조절되어, 더 빠르고 더 정밀한 pH 제어가 달성될 수 있다.Closed-loop control is provided herein to address several of the problems described above. Several implementations of closed-loop in a high-density array of several individually position-sensitive electrodes are described herein. Disclosed herein are devices and methods for controlling a pH or ion gradient near an electrode surface in an array format. A device may contain one or more working electrode(s), pH sensing element(s) (which may be electrode(s) in some examples), counter electrode(s), and reference electrode(s). Each individual working electrode can electrochemically introduce a pH change within a small physical space close to the surface in a format on demand. Counter and reference electrodes can be shared by multiple actuating and sensing elements. The pH adjusting reagent can be electrochemically oxidized or reduced to create a pH adjusting zone covering nanometer to micrometer distances from the surface. Electrical output parameters to the working electrode can be adjusted based on feedback from the sensing element, so that faster and more precise pH control can be achieved.

본원에 개시된 일부 양태는 어레이-기반 pH 제어, 어레이-기반 pH 제어를 함유하는 디바이스, 및 그의 사용 방법을 포함한다. 일부 예에서, 다중-전극 어레이는 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및 감지 소자로 구성된 피드백-제어 전극 세트를 함유한다. 기준 및 상대 전극은 다중 전극 세트에 의해 공유될 수 있다. 일부 예에서, 각각의 세트는 적어도 독립적으로 제어되는 작동 전극 및 감지 소자를 함유한다. 일부 예에서, 각각의 전극 세트는 시간적 변동을 갖는 구체적인 pH 조건에 대해 프로그래밍될 수 있다. 어레이에서 전극의 수는 1개 내지 수억 개의 범위일 수 있다. 일부 예에서, 어레이는 단일 또는 다중-층 디바이스에 함유될 수 있다. 디바이스는 상보적인 금속 산화물 반도체(CMOS), 박막-트랜지스터(TFT) 등을 포함하거나 또는 제외하는 다양한 제작 방식을 가질 수 있다.Some aspects disclosed herein include array-based pH control, devices containing array-based pH control, and methods of use thereof. In some examples, the multi-electrode array contains a set of feedback-control electrodes consisting of a working electrode, a reference electrode, a counter electrode, and a sensing element. Reference and counter electrodes may be shared by multiple electrode sets. In some examples, each set contains at least independently controlled working electrodes and sensing elements. In some examples, each electrode set can be programmed for specific pH conditions with temporal variations. The number of electrodes in the array can range from one to hundreds of millions. In some examples, an array may be contained in a single or multi-layer device. Devices can have a variety of fabrication methods, including or excluding complementary metal oxide semiconductor (CMOS), thin film-transistor (TFT), and the like.

일부 양태에서, 디바이스는 단일 디바이스에서 전극의 어레이를 함유할 수 있다. 디바이스는 피드백-제어 전극 세트의 하나의 단일 섹션, 또는 피드백-제어 전극 세트의 다중 섹션을 함유할 수 있다. 피드백-제어 전극 세트는 작동, 기준 및 상대 전극, 및 전극일 수 있는 감지 소자를 함유할 수 있다. 기준 및 상대 전극은 다중 전극 세트에 의해 공유될 수 있다. 피드백-제어 전극 세트를 함유하는 섹션(들)은 피드백-제어 섹션일 수 있다. 이 섹션을 이용하여 필요한 전기 파라미터를 확인하여, 목표 pH 값을 달성할 수 있다. 목표 pH 값은 시간 경과에 따라 또는 상이한 피드백-제어 전극 세트 사이에서 상이하고/거나 변화될 수 있다. 일부 예에서, 다양한 pH 조건은 단일 디바이스에서 전극의 어레이와 동시에 시험되고/거나 제공될 수 있다. 디바이스는 또한 감지 소자를 함유하지 않고/거나 피드백-제어 전극 세트가 아닌 전극 세트를 함유할 수 있다. 피드백-제어 전극 세트가 아닌 전극 세트를 함유하는 섹션(들)은 비-피드백-제어 섹션일 수 있다. 피드백-제어 섹션의 사용에 의해 확인된 전기 파라미터는 비-피드백 제어 섹션에 적용될 수 있다. 비-피드백-제어 전극 세트는 작동 전극으로서 적어도 1개의 전극을 임의적으로 기준 전극 및 상대 전극과 함께 가질 수 있다.In some aspects, a device may contain an array of electrodes in a single device. The device may contain one single section of a set of feedback-control electrodes, or multiple sections of sets of feedback-control electrodes. The feedback-control electrode set may contain working, reference and counter electrodes, and sensing elements, which may be electrodes. Reference and counter electrodes may be shared by multiple electrode sets. The section(s) containing the feedback-control electrode set may be a feedback-control section. You can use this section to determine the required electrical parameters to achieve your target pH value. The target pH value can be different and/or varied over time or between different feedback-controlled electrode sets. In some examples, various pH conditions may be tested and/or provided simultaneously with an array of electrodes in a single device. The device may also contain an electrode set that does not contain a sensing element and/or is not a feedback-controlled electrode set. Section(s) containing electrode sets that are not feedback-controlled electrode sets may be non-feedback-controlled sections. Electrical parameters identified by use of the feedback-control section may be applied to the non-feedback control section. The non-feedback-control electrode set may have at least one electrode as a working electrode, optionally together with a reference electrode and a counter electrode.

일부 예에서, 디바이스는 반응 단계의 다중 라운드에 대해 pH 값을 변형시키기 위해 사용될 수 있고, 그 중 일부는 어레이에서 구체적으로 선택된 전극에 배정될 별개의 pH 값을 필요로 한다. 반응 단계의 다중 라운드를 갖는 반응의 비제한적인 예에는 중합체, 예컨대 펩티드 및 핵산의 라이브러리 어레이를 제조하는 것이 포함된다. 일부 예에서, 디바이스는 1개 이상의 영역(들)의 pH를 계속해서 및/또는 1회 이상 시각화하기 위해 사용될 수 있다.In some examples, the device can be used to modify pH values for multiple rounds of reaction steps, some of which require distinct pH values to be assigned to specifically selected electrodes in the array. Non-limiting examples of reactions having multiple rounds of reaction steps include preparing library arrays of polymers such as peptides and nucleic acids. In some examples, the device may be used to continuously and/or visualize the pH of one or more area(s) one or more times.

일부 양태에서, 피드백-제어 전극 세트는 기판 전체에 걸쳐 분포되고, 각각의 1개 이상은 비-피드백-제어 전극 세트로 둘러싸여 있다. 일부 예에서, 비-피드백-제어 전극 세트는 비-피드백-제어 전극 세트 사이에서 및/또는 시간 경과에 따라 다양한 목표 pH 값을 갖는다. 일부 예에서, 피드백-제어 전극 세트의 사용에 의해 확인된 전기 파라미터는 비-피드백-제어 전극 세트에 적용하기 전에 변형되어, 이웃 전극으로부터의 영향(있다면)을 극복할 수 있다. 적용된 전기 파라미터는 다양한 pH 값으로부터의 영향을 평균화하여 변형될 수 있다. 일부 예에서, 이러한 구성은 인접한 전극 세트로부터의 pH 제어의 영향을 최소화하는데 도움이 될 수 있다.In some embodiments, the feedback-control electrode sets are distributed throughout the substrate, each one or more of which is surrounded by a non-feedback-control electrode set. In some instances, the non-feedback-controlled electrode sets have a target pH value that varies between non-feedback-controlled electrode sets and/or over time. In some examples, electrical parameters identified by use of a feedback-controlled electrode set may be modified prior to application to a non-feedback-controlled electrode set to overcome influences (if any) from neighboring electrodes. The electrical parameters applied can be modified by averaging the effects from various pH values. In some instances, this configuration can help minimize the effect of pH control from adjacent electrode sets.

일부 양태에서, 폐쇄-루프 pH 제어, 폐쇄-루프 pH 제어를 함유하는 디바이스, 및 그의 사용 방법이 본원에 개시된다. 일부 예에서, 폐쇄-루프 pH 제어는 본원에 개시된 임의의 어레이의 피드백-제어 전극 세트를 포함한다. 일부 예에서, 어레이-기반 pH 제어는 폐쇄-루프 pH 제어, 또는 폐쇄-루프 pH 제어를 함유하는 디바이스를 함유한다. 일부 예에서, 폐쇄-루프 pH 제어는 pH를 전기화학적으로 조절한다. 폐쇄-루프 pH 제어는 감지 소자, 작동 전극, 상대 전극, 및 기준 전극을 함유할 수 있다. 일부 예에서, 예컨대 비제한적으로 감지 소자가 안정하고/거나 안정한 pH 용액 중에 있을 때 감지 소자는 기준 전극으로서 사용된다. 상대 전극 및 기준 전극은 다중 작동 전극 및/또는 감지 소자에 대해 공유될 수 있다. 일부 예에서, 외부 상대 전극 및/또는 기준 전극이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 패턴화된 온-칩 상대 및/또는 기준 전극이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 외부 및/또는 온-칩 상대 및/또는 기준 전극이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 상대 전극은 작동 전극 주변에 배치된다. 작동 전극 주변에 상대 전극의 배치는 일부 예에서 pH 제어의 정밀성을 개선시킬 수 있다.In some aspects, disclosed herein are closed-loop pH control, devices containing closed-loop pH control, and methods of use thereof. In some examples, closed-loop pH control includes a set of feedback-controlled electrodes of any of the arrays disclosed herein. In some examples, the array-based pH control contains closed-loop pH control, or a device containing closed-loop pH control. In some instances, closed-loop pH control regulates the pH electrochemically. A closed-loop pH control can contain a sensing element, a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode. In some examples, such as but not limited to, the sensing element is used as a reference electrode when the sensing element is in a stable and/or stable pH solution. The counter electrode and reference electrode may be shared for multiple working electrodes and/or sensing elements. In some examples, an external counter electrode and/or reference electrode may be used. In some examples, patterned on-chip counter and/or reference electrodes may be used. In some examples, external and/or on-chip counter and/or reference electrodes may be used. In some examples, the counter electrode is disposed around the working electrode. Placement of a counter electrode around the working electrode can improve the precision of the pH control in some instances.

용액은 디바이스 및/또는 폐쇄-루프 pH 제어와 접촉할 수 있다. 일부 예에서, pH 조절 시약이 용액 중에 존재한다. pH 감지 소자는 용액의 초기 pH 값을 측정하도록 구성될 수 있다. 용액의 초기 pH 값을 이용하여 전류 또는 전압의 양을 계산하여, 작동 전극에 적용할 수 있다. 전류 또는 전압이 작동 전극에 인가되는 경우, pH 조절 시약의 전기화학적 산화 및/또는 환원이 발생할 수 있다. 산화 및/또는 환원은 국소 pH 변화를 도입시킬 수 있다. 국소 pH 변화는 양성자의 생성 또는 소모와 완충제 용액의 완충 용량 사이의 평형을 통해 발생할 수 있다. 일부 예에서, pH 변화는 완충되지 않은 용액에서 발생할 수 있다. 일부 예에서, 국소 pH 변화는 전극 표면으로부터 수직 거리가 짧은(수 nm 내지 수 mm) pH 조절 대역을 생성한다. 일부 예에서, pH 조절 대역은 pH-의존적인 화학/생화학 반응이 발생하게 한다. 일부 예에서, 용액 중에서 pH-의존적인 반응은 pH 조절 대역 내에서만 발생한다. 조절 대역의 크기는 용액의 완충 용량에 의존적일 수 있다. 일부 예에서, 조절 대역은 더 약한 완충제 또는 비-완충된 용액에 비해 더 강한 완충제 중에서 더 작다. 일부 예에서, pH 감지 소자는 pH 조절 동안에 실제 pH를 모니터링한다. 일부 예에서, pH 감지 소자가 실제 pH를 모니터링할 때, 전기 출력은 폐쇄-루프 제어를 통해 계속된다. pH를 동시에 모니터링하고 조절하는 것은 pH의 더 빠르고/거나 더 정밀한 제어를 가능하게 할 수 있다.The solution may contact the device and/or closed-loop pH control. In some instances, a pH adjusting reagent is present in solution. A pH sensing element may be configured to measure an initial pH value of a solution. Using the initial pH value of the solution, the amount of current or voltage can be calculated and applied to the working electrode. When current or voltage is applied to the working electrode, electrochemical oxidation and/or reduction of the pH adjusting reagent can occur. Oxidation and/or reduction can introduce local pH changes. Local pH changes can occur through an equilibrium between the production or consumption of protons and the buffering capacity of the buffer solution. In some instances, pH changes may occur in unbuffered solutions. In some instances, the local pH change creates a pH control zone with a small vertical distance from the electrode surface (a few nm to a few mm). In some instances, the pH control zone allows pH-dependent chemical/biochemical reactions to occur. In some instances, pH-dependent reactions in solution occur only within the pH control zone. The size of the control zone may depend on the buffering capacity of the solution. In some instances, the control zone is smaller in stronger buffers compared to weaker buffers or non-buffered solutions. In some instances, the pH sensing element monitors the actual pH during pH adjustment. In some examples, when the pH sensing element monitors the actual pH, the electrical output continues through closed-loop control. Simultaneously monitoring and adjusting pH may allow faster and/or more precise control of pH.

작동 전극 및 감지 소자는 다양한 유형의 형상 및 크기를 가질 수 있다. 일부 예에서, 형상 및 크기는 어레이 포맷의 적용 및/또는 요건에 따라 좌우된다. 일부 예에서, 작동 전극 및 감지 소자는 슬라이드 설계에서 배열된다. 일부 예에서, 작동 전극 및 감지 소자는 서로 접촉하고 있다. 일부 예에서, 감지 소자는 작동 전극으로부터 물리적으로 분리되어 있다. 일부 예에서, 감지 소자는 작동 전극으로부터 갭에 의해 물리적으로 분리되어 있다. 일부 예에서, 갭은 1 nm 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 일부 예에서, 감지 소자와 작동 전극 사이에 절연 층이 배치된다. 일부 예에서, 상대 전극은 작동 전극을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다. 일부 예에서, 작동 전극이 비완충된 용액과 접촉하도록 구성되거나 또는 그와 접촉하고 있을 때, 상대 전극은 작동 전극을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다.The working electrode and sensing element can have various types of shapes and sizes. In some examples, shape and size depend on the application and/or requirements of the array format. In some examples, the working electrode and sensing element are arranged in a slide design. In some examples, the working electrode and sensing element are in contact with each other. In some examples, the sensing element is physically separated from the working electrode. In some examples, the sensing element is physically separated from the working electrode by a gap. In some examples, the gap may be between 1 nm and 100 microns. In some examples, an insulating layer is disposed between the sensing element and the working electrode. In some examples, the counter electrode at least partially surrounds the working electrode. In some examples, the counter electrode at least partially surrounds the working electrode when the working electrode is configured to be in contact with, or is in contact with, the unbuffered solution.

일부 예에서, 감지 소자는 pH 민감성 물질로 코팅된 전극을 함유한다. 일부 예에서, 감지 소자는 반도체-기반 전기 컴포넌트를 함유한다. 일부 예에서, 감지 소자는 전계-효과 트랜지스터를 함유한다. 일부 예에서, 감지 소자는 중합체 반도체를 함유한다.In some examples, the sensing element contains an electrode coated with a pH sensitive material. In some examples, the sensing element contains a semiconductor-based electrical component. In some examples, the sensing element contains a field-effect transistor. In some examples, the sensing element contains a polymeric semiconductor.

이들 폐쇄-루프 제어 및 그를 함유하는 디바이스는 예를 들어 CMOS, 전극 어레이, 또는 TFT 기반 바이오센서와 통합될 수 있는 방법에서 사용되어, 다중 시험 부위의 어레이를 갖는 바이오센서에서 시험 부위 사이의 결합 효율에서 큰 변화를 생성할 수 있다. 일부 예에서, 현재의 적용은 어레이, 예컨대 바이오센서의 전극 표면 근처에서 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법을 제공한다. 일부 예에서, 어레이를 사용하여 프로브 생체분자와 관심 생체분자 피분석물 사이의 생체분자 상호작용을 조절한다.These closed-loop controls and devices containing them can be used, for example, in methods that can be integrated with CMOS, electrode array, or TFT-based biosensors, such as coupling efficiency between test sites in a biosensor having an array of multiple test sites. can make a big difference in In some examples, current applications provide methods for adjusting the pH or ion concentration near the electrode surface of an array, such as a biosensor. In some instances, arrays are used to modulate biomolecular interactions between a probe biomolecule and a biomolecule analyte of interest.

본원에 개시된 어레이-기반 pH 제어 및 디바이스는 하기를 포함하는 다양한 유형의 적용에서 사용될 수 있다:The array-based pH control and devices disclosed herein can be used in many types of applications including:

- 생체분자 사이의 결합 상호작용의 제어 및/또는 모니터링;- control and/or monitoring of binding interactions between biomolecules;

- 효소 활성의 온/오프의 제어 및/또는 스위칭;- control and/or switching of enzyme activity on/off;

- 표면 변형에 대한 화학의 제어;- control of chemistry for surface modification;

- 분자의 화학적 변형;- chemical transformation of molecules;

- 접합과 함께 차단 및 탈차단의 반복 단계를 통해 중합체 구조의 구축;- construction of the polymer structure through repeated steps of blocking and deblocking together with conjugation;

- 화학 반응 역학의 제어 및/또는 모니터링; 및/또는- control and/or monitoring of chemical reaction kinetics; and/or

- pH 민감성 리포터 분자의 시각화.- Visualization of pH sensitive reporter molecules.

예시적인 실시양태에 따라, 하기 양태 1 내지 52 중 하나 이상이 제공된다.According to an exemplary embodiment, one or more of aspects 1 to 52 below are provided.

양태 1은 전극의 어레이 상에서 용액의 pH를 제어하는 디바이스이며, 디바이스는:Aspect 1 is a device for controlling the pH of a solution on an array of electrodes, the device comprising:

지지체; 및support; and

1개 이상의 피드백-제어 전극 세트를 포함하는 전극의 어레이를 포함하고, 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트는 각각:An array of electrodes comprising one or more feedback-control electrode sets, each of the one or more feedback-control electrode sets:

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링되고, one or more subsets comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset;

디바이스는 하기의:The device is:

a) 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고;a) selecting the amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

b) 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 각각의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고;b) applying a selected amount of current and/or voltage to each working electrode to change the pH of the solution proximate the working electrode;

c) 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하도록 구성된다.c) iteratively performing measuring the signal output of the sensing element.

양태 2는 1개 이상의 기준 전극 및 1개 이상의 상대 전극이 프로세서를 통해 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링된 것인 양태 1의 디바이스이다.Aspect 2 is the device of aspect 1, wherein the at least one reference electrode and the at least one counter electrode are electrically coupled with the at least one subset via a processor.

양태 3은 지지체가 유리 슬라이드, 플라스틱 플레이트, 실리콘 웨이퍼, 유리 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 가요성 플라스틱 시트, 중합체 층, 종이, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 양태 1 내지 2 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 3 is the device of any one of Aspects 1-2, wherein the support comprises a glass slide, plastic plate, silicon wafer, glass wafer, quartz wafer, flexible plastic sheet, polymer layer, paper, or mixtures thereof.

양태 4는 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금속 산화물, 유리상 탄소, 그래핀, 금속, 전도성 중합체, 염화은, 포화된 칼로멜, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 양태 1 내지 3 중 어느 하나의 디바이스이다.Embodiment 4 is wherein one or more of the working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element are independently composed of metal oxides, glassy carbon, graphene, metals, conducting polymers, silver chloride, saturated calomel, and combinations thereof. The device of any one of aspects 1 to 3 comprising a material selected from the group.

양태 5는 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금 전극, 은 전극, 백금 전극, 표준 수소 전극, 수은 방울 전극, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 1 내지 4 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 5 is wherein the at least one working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element independently comprises a gold electrode, a silver electrode, a platinum electrode, a standard hydrogen electrode, a mercury drop electrode, or a combination thereof. It is the device of any one of aspects 1-4.

양태 6은 감지 소자가 전계-효과 트랜지스터, 중합체 반도체, 금속 전극, 무기 전극, 유기 전극, 또는 pH 민감성 코팅 물질, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 1 내지 5 중 어느 하나의 디바이스이다.Embodiment 6 is the device of any one of Aspects 1-5, wherein the sensing element comprises a field-effect transistor, a polymeric semiconductor, a metal electrode, an inorganic electrode, an organic electrode, or a pH sensitive coating material, or a combination thereof.

양태 7은 pH 민감성 코팅 물질이 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 인듐 주석 산화물, 이온-선택적인 중합체, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 6의 디바이스이다.Embodiment 7 is the device of embodiment 6, wherein the pH sensitive coating material comprises polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, indium tin oxide, an ion-selective polymer, or a combination thereof.

양태 8은 기준 전극(들) 중 1개 이상이 또한 감지 소자인 양태 1 내지 7 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 8 is the device of any of aspects 1-7 wherein at least one of the reference electrode(s) is also a sensing element.

양태 9는 용액이 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 또는 이들의 혼합물인 양태 1 내지 8 중 어느 하나의 디바이스이다.Embodiment 9 is the device of any one of aspects 1 to 8, wherein the solution is buffered, unbuffered, aqueous, organic or a mixture thereof.

양태 10은 용액이 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화환원 활성 종을 함유하는 것인 양태 1 내지 9 중 어느 하나의 디바이스이다.Embodiment 10 is the device of any one of Aspects 1 to 9, wherein the solution contains at least one redox active species selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. am.

양태 11은 작동 전극에 인가된 선택된 전류 및/또는 전압이 정전류적으로 또는 정전위적으로 인가되는 것인 양태 1 내지 10 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 11 is the device of any one of aspects 1 to 10 wherein the selected current and/or voltage applied to the working electrode is applied galvanostatically or potentiostatically.

양태 12는 디바이스가 프로세서를 포함하거나 또는 그에 통신가능하게 커플링되고, 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하는 것이 감지 소자의 신호 출력을 포함하는 입력을 이용하여 알고리즘을 적용하는 것을 포함하는 것인 양태 1 내지 11 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 12 is a device comprising or communicatively coupled to a processor, wherein selecting an amount of current and/or voltage to be applied comprises applying an algorithm using an input comprising a signal output of a sensing element. It is the device of any one of aspects 1 to 11.

양태 13은 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 스위치-매트릭스 모듈에 전기적으로 커플링된 것인 양태 1 내지 12 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 13 is the device of any of aspects 1-12, wherein the working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element are electrically coupled to the switch-matrix module.

양태 14는 스위치-매트릭스 모듈이 상보적인 금속 산화물 반도체(CMOS) 및/또는 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 것인 양태 13의 디바이스이다.Aspect 14 is the device of aspect 13, wherein the switch-matrix module includes complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and/or thin film transistors (TFT).

양태 15는 피드백-제어 전극 세트가 물리적 커플링을 통해 디바이스에 전기적으로 커플링된 것인 양태 1 내지 14 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 15 is the device of any of aspects 1-14, wherein the feedback-control electrode set is electrically coupled to the device via a physical coupling.

양태 16은 기준 전극 중 적어도 1개 및/또는 상대 전극 중 적어도 1개가 다중 서브세트에 전기적으로 커플링된 것인 양태 1 내지 15 중 어느 하나의 디바이스이다.Aspect 16 is the device of any of aspects 1-15, wherein at least one of the reference electrodes and/or at least one of the counter electrodes are electrically coupled to multiple subsets.

양태 17은 양태 1 내지 16 중 어느 하나의 디바이스이며, 전극의 어레이가 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)를 추가로 포함하고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)는:Aspect 17 is the device of any one of aspects 1 to 16, wherein the array of electrodes further comprises one or more non-feedback-controlled electrode set(s), wherein the one or more non-feedback-controlled electrode set(s) Is:

1개 이상의 기준 전극;one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및one or more counter electrodes; and

1개 이상의 작동 전극을 포함하고, comprising one or more working electrodes;

여기서 비-피드백-제어 전극 세트의 기준 전극 및/또는 비-피드백-제어 전극 세트의 상대 전극이 비-피드백-제어 전극 세트의 적어도 1개의 작동 전극과 전기적으로 커플링되고,wherein a reference electrode of the non-feedback-controlled electrode set and/or a counter electrode of the non-feedback-controlled electrode set are electrically coupled with at least one working electrode of the non-feedback-controlled electrode set;

1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)가 pH 감지 소자를 포함하지 않고,one or more non-feedback-controlling electrode set(s) do not include a pH sensing element;

여기서:here:

i. 1개 이상의 모든 피드백-제어 전극 세트(들)가 디바이스의 한 섹션에 포함되고, 1개 이상의 모든 비-피드백-제어 전극 세트(들)가 디바이스의 물리적으로 분리된 제2 섹션에 배열되거나; 또는i. One or more all feedback-control electrode set(s) are included in one section of the device and one or more all non-feedback-control electrode set(s) are arranged in a physically separate second section of the device; or

ii. 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)가 2개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트 사이에 산재되고,ii. one or more feedback-control electrode set(s) interspersed between two or more non-feedback-control electrode sets;

피드백-제어 전극 세트(들) 중 1개 이상이 비-피드백-제어 전극 세트(들) 중 1개 이상에 전기적으로 커플링되고, 커플링된 전극 세트가 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에 인가된 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에도 인가하도록 구성된다.At least one of the feedback-control electrode set(s) is electrically coupled to at least one of the non-feedback-control electrode set(s), and the coupled electrode set is coupled to 1 of the coupled feedback-control electrode set and to also apply the selected amount of current and/or voltage applied to the one or more working electrodes to one or more working electrodes of the coupled non-feedback-control electrode set.

양태 18은 용액의 pH를 제어하는 방법이며,Embodiment 18 is a method for controlling the pH of a solution,

a. 피드백-제어 전극 세트를 포함하는 디바이스를 수득하는 단계 - 이 피드백-제어 전극 세트는a. Obtaining a device comprising a feedback-control electrode set, the feedback-control electrode set comprising:

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링됨 - ; one or more subsets comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset;

b. 목표 pH를 포함하는 용액 중의 감지 소자로부터의 1개 이상의 신호 출력을 기준으로 하여 감지 소자에 대한 목표 감지 값을 선택하는 단계; b. selecting a target sensing value for the sensing element based on at least one signal output from the sensing element in a solution comprising the target pH;

c. 하기의:c. of the following:

i. 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고; i. selecting the amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

ii. 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 각각의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고; ii. applying a selected amount of current and/or voltage to each working electrode to change the pH of the solution proximate the working electrode;

iii. 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하는 단계를 포함한다. iii. Iteratively performing measuring the signal output of the sensing element.

양태 19는 용액이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종을 포함하고, 작동 전극에 인가된 전류 및/또는 전압이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종의 전기화학 반응에 의해 수소 이온을 전기화학적으로 생성하고/거나 소모하는 것인 양태 18의 방법이다.Embodiment 19 is a method wherein the solution comprises water and/or one or more redox active species, and the current and/or voltage applied to the working electrode generates hydrogen ions by an electrochemical reaction of the water and/or one or more redox active species. is the method of aspect 18, wherein a is electrochemically produced and/or consumed.

양태 20은 용액이 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 또는 이들의 혼합물인 양태 18 내지 19 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 20 is the method of any one of embodiments 18-19, wherein the solution is buffered, unbuffered, aqueous, organic or a mixture thereof.

양태 21은 1종 이상의 산화환원 활성 종이 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 양태 19 내지 20의 방법이다.Embodiment 21 is the method of Aspects 19-20, wherein the at least one redox-active species is selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof.

양태 22는 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금속 산화물, 유리상 탄소, 그래핀, 금속, 전도성 중합체, 염화은, 포화된 칼로멜, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 양태 18 내지 21 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 22 includes one or more working electrodes, reference electrodes, counter electrodes, and/or sensing elements independently consisting of metal oxides, glassy carbon, graphene, metals, conducting polymers, silver chloride, saturated calomel, and combinations thereof. A method of any one of aspects 18 to 21 comprising a material selected from the group.

양태 23은 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금 전극, 은 전극, 백금 전극, 표준 수소 전극, 수은 방울 전극, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 18 내지 22 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 23 is wherein the at least one working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element independently comprises a gold electrode, a silver electrode, a platinum electrode, a standard hydrogen electrode, a mercury drop electrode, or a combination thereof. A method of any one of aspects 18 to 22.

양태 24는 감지 소자가 전계-효과 트랜지스터, 중합체 반도체, 금속 전극, 무기 전극, 유기 전극, pH 민감성 코팅 물질, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 18 내지 23 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 24 is the method of any one of Aspects 18-23, wherein the sensing element comprises a field-effect transistor, a polymeric semiconductor, a metal electrode, an inorganic electrode, an organic electrode, a pH sensitive coating material, or a combination thereof.

양태 25는 pH 민감성 코팅 물질이 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 인듐 주석 산화물, 이온-선택적인 중합체, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 24의 방법이다.Embodiment 25 is the method of embodiment 24, wherein the pH sensitive coating material comprises polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, indium tin oxide, an ion-selective polymer, or a combination thereof.

양태 26은 pH와 감지 소자의 신호 출력 값을 서로 관련시키는 사전 결정된 보정 데이터를 감지 소자의 신호 출력과 비교함으로써 용액의 pH를 결정하는 단계를 포함하는 양태 18 내지 25 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 26 is a method of any of aspects 18-25 comprising determining the pH of the solution by comparing the signal output of the sensing element to predetermined calibration data correlating the pH and the signal output value of the sensing element.

양태 27은 작동 전극에 인가된 선택된 전류 및/또는 전압이 정전류적으로 또는 정전위적으로 인가되는 것인 양태 18 내지 26 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 27 is the method of any one of aspects 18-26 wherein the selected current and/or voltage applied to the working electrode is applied galvanostatically or potentiostatically.

양태 28은 수득된 디바이스가 2개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 어레이를 포함하는 것인 양태 18 내지 27 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 28 is the method of any one of aspects 18-27, wherein the obtained device comprises an array of two or more feedback-controlled electrode sets.

양태 29는 피드백-제어 전극 세트 중 적어도 2개가 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 인가하기 위해 독립적인 목표 pH 값 및/또는 독립적인 시간 프로그램에 의해 개별적으로 제어되는 것인 양태 18 내지 28 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 29 is any one of aspects 18 to 28 wherein at least two of the feedback-controlled electrode sets are individually controlled by independent target pH values and/or independent time programs to apply selected amounts of current and/or voltage. One way.

양태 30은 피드백-제어 전극 세트가 스위치-매트릭스 모듈에 전기적으로 커플링되고, 각각의 피드백-제어 전극 세트의 제어가 스위치-매트릭스 모듈에 의해 수행되는 것인 양태 18 내지 29 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 30 is the method of any one of aspects 18 to 29, wherein the feedback-control electrode set is electrically coupled to the switch-matrix module, and control of each feedback-control electrode set is performed by the switch-matrix module. .

양태 31은 스위치-매트릭스 모듈이 상보적인 금속 산화물 반도체(CMOS) 및/또는 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 것인 양태 30의 방법이다.Aspect 31 is the method of aspect 30, wherein the switch-matrix module includes complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and/or thin film transistors (TFT).

양태 32는 피드백-제어 전극 세트가 물리적 커플링을 통해 디바이스에 전기적으로 커플링된 것인 양태 18 내지 31 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 32 is the method of any of aspects 18-31, wherein the feedback-control electrode set is electrically coupled to the device via a physical coupling.

양태 33은 기준 전극 중 적어도 1개 및/또는 상대 전극 중 적어도 1개가 다중 서브세트에 전기적으로 커플링된 것인 양태 18 내지 32 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 33 is the method of any of aspects 18-32, wherein at least one of the reference electrodes and/or at least one of the counter electrodes are electrically coupled to multiple subsets.

양태 34는 수득된 디바이스가 양태 1 내지 16 중 어느 하나의 디바이스인 양태 18 내지 33 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 34 is the method of any one of aspects 18-33, wherein the obtained device is the device of any one of aspects 1-16.

양태 35는 용액의 pH를 제어하는 방법이며,Embodiment 35 is a method of controlling the pH of a solution,

a. 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들) 및 피드백-제어 전극 세트에 전기적으로 커플링된 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 어레이를 포함하는 디바이스를 수득하는 단계a. Obtaining a device comprising an array of one or more feedback-control electrode set(s) and one or more non-feedback-control electrode set(s) electrically coupled to the feedback-control electrode set.

- 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)는: - one or more feedback-controlled electrode set(s):

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링되고; one or more subsets comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset;

1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)는: The one or more non-feedback-control electrode set(s):

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

1개 이상의 작동 전극을 포함하고, 여기서 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 기준 전극 및/또는 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 상대 전극은 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 적어도 1개의 작동 전극과 전기적으로 커플링되고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)는 pH 감지 소자를 포함하지 않음 - ; one or more working electrodes, wherein the reference electrode of the non-feedback-control electrode set(s) and/or the counter electrode of the non-feedback-control electrode set(s) are the non-feedback-control electrode set(s) electrically coupled with at least one working electrode of the one or more non-feedback-controlling electrode set(s) not including a pH sensing element;

b. 목표 pH를 포함하는 용액 중의 감지 소자로부터의 1개 이상의 신호 출력을 기준으로 하여 감지 소자에 대한 목표 감지 값을 선택하는 단계; 및b. selecting a target sensing value for the sensing element based on at least one signal output from the sensing element in a solution comprising the target pH; and

c. 하기의:c. of the following:

i. 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)의 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고; i. selecting an amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode of the one or more feedback-controlled electrode set(s) to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

ii. 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 1개 이상의 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 각각의 작동 전극 및 또한 1개 이상의 커플링된 피드백-제어 전극 세트에 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고; ii. A selected amount of current and/or voltage is applied to each working electrode of the one or more coupled feedback-control electrode sets and also to the non-feedback-control electrode set coupled to the one or more coupled feedback-control electrode sets. applied to the one or more working electrodes to change the pH of the solution proximal to the working electrode;

iii. 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하는 단계를 포함한다. iii. Iteratively performing measuring the signal output of the sensing element.

양태 36은 용액이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종을 포함하고, 작동 전극에 인가된 전류 및/또는 전압이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종의 전기화학 반응에 의해 수소 이온을 전기화학적으로 생성하고/거나 소모하는 것인 양태 35의 방법이다.Embodiment 36 is a method wherein the solution comprises water and/or one or more redox active species, and the current and/or voltage applied to the working electrode generates hydrogen ions by an electrochemical reaction of the water and/or one or more redox active species. It is the method of aspect 35 wherein a is electrochemically produced and/or consumed.

양태 37은 용액이 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 또는 이들의 혼합물인 양태 35 내지 36 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 37 is the method of any one of embodiments 35-36, wherein the solution is buffered, unbuffered, aqueous, organic or a mixture thereof.

양태 38은 1종 이상의 산화환원 활성 종이 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 양태 36 내지 37 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 38 is the method of any one of embodiments 36 to 37, wherein the at least one redox active species is selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof.

양태 39는 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금속 산화물, 유리상 탄소, 그래핀, 금속, 전도성 중합체, 염화은, 포화된 칼로멜, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 양태 35 내지 38 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 39 is characterized in that one or more of the working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element are independently composed of metal oxides, glassy carbon, graphene, metals, conducting polymers, silver chloride, saturated calomel, and combinations thereof. A method of any one of aspects 35 to 38 comprising a material selected from the group.

양태 40은 1개 이상의 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및/또는 감지 소자가 독립적으로 금 전극, 은 전극, 백금 전극, 표준 수소 전극, 수은 방울 전극, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 35 내지 39 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 40 is wherein the at least one working electrode, reference electrode, counter electrode, and/or sensing element independently comprises a gold electrode, a silver electrode, a platinum electrode, a standard hydrogen electrode, a mercury drop electrode, or a combination thereof. A method of any one of aspects 35 to 39.

양태 41은 감지 소자가 전계-효과 트랜지스터, 중합체 반도체, 금속 전극, 무기 전극, 유기 전극, pH 민감성 코팅 물질, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 35 내지 40 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 41 is the method of any one of Aspects 35-40, wherein the sensing element comprises a field-effect transistor, a polymeric semiconductor, a metal electrode, an inorganic electrode, an organic electrode, a pH sensitive coating material, or a combination thereof.

양태 42는 pH 민감성 코팅 물질이 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 인듐 주석 산화물, 이온-선택적인 중합체, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 양태 41의 방법이다.Embodiment 42 is the method of embodiment 41, wherein the pH sensitive coating material comprises polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, indium tin oxide, an ion-selective polymer, or a combination thereof.

양태 43은 pH와 감지 소자의 신호 출력 값을 서로 관련시키는 사전 결정된 보정 데이터를 감지 소자의 신호 출력과 비교함으로써 용액의 pH를 결정하는 단계를 포함하는 양태 35 내지 42 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 43 is a method of any of aspects 35 through 42 comprising determining the pH of the solution by comparing the signal output of the sensing element with predetermined calibration data correlating the pH and the signal output value of the sensing element.

양태 44는 작동 전극에 인가된 선택된 전류 및/또는 전압이 정전류적으로 또는 정전위적으로 인가되는 것인 양태 35 내지 43 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 44 is the method of any one of aspects 35-43 wherein the selected current and/or voltage applied to the working electrode is applied galvanostatically or potentiostatically.

양태 45는 수득된 디바이스가 2개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 어레이를 포함하는 것인 양태 35 내지 44 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 45 is the method of any one of aspects 35-44, wherein the obtained device comprises an array of two or more feedback-controlled electrode sets.

양태 46은 피드백-제어 전극 세트 중 적어도 2개가 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극 및 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극에 인가하기 위해 독립적인 목표 pH 값 및/또는 독립적인 시간 프로그램에 의해 개별적으로 제어되는 것인 양태 45의 방법이다.Aspect 46 provides an independent target for at least two of the feedback-control electrode sets to apply selected amounts of current and/or voltage to the working electrode of the feedback-controlled electrode set and to the working electrode of the coupled non-feedback-control electrode set. The method of aspect 45, which is individually controlled by pH value and/or an independent time program.

양태 47은 피드백-제어 전극 세트가 스위치-매트릭스 모듈에 전기적으로 커플링되고, 각각의 피드백-제어 전극 세트의 제어가 스위치-매트릭스 모듈에 의해 수행되는 것인 양태 35 내지 46 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 47 is the method of any one of aspects 35 to 46, wherein the feedback-control electrode set is electrically coupled to the switch-matrix module, and control of each feedback-control electrode set is performed by the switch-matrix module. .

양태 48은 스위치-매트릭스 모듈이 상보적인 금속 산화물 반도체(CMOS) 및/또는 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 것인 양태 47의 방법이다.Aspect 48 is the method of aspect 47, wherein the switch-matrix module includes complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and/or thin film transistors (TFT).

양태 49는 피드백-제어 전극 세트 및 비-피드백-제어 전극 세트가 물리적 커플링을 통해 디바이스에 전기적으로 커플링된 것인 양태 35 내지 48 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 49 is the method of any one of aspects 35 to 48 wherein the feedback-controlled electrode set and the non-feedback-controlled electrode set are electrically coupled to the device via a physical coupling.

양태 50은 피드백-제어 전극 세트 중 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 기준 전극 및/또는 상대 전극이 피드백-제어 전극 세트의 다중 서브세트 및/또는 비-피드백-제어 전극 세트의 다중 작동 전극에 전기적으로 커플링된 것인 양태 35 내지 49 중 어느 하나의 방법이다.Embodiment 50 relates to a reference electrode and/or counter electrode of at least one of the feedback-control electrode sets to multiple working electrodes of multiple subsets of feedback-control electrode sets and/or multiple working electrodes of non-feedback-control electrode sets. The method of any one of aspects 35 to 49, wherein the method is electrically coupled.

양태 51은 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극이 커플링된 피드백-제어 전극의 작동 전극과 유사한 형상 및 설계를 갖는 것인 양태 35 내지 50 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 51 is the method of any one of aspects 35 to 50, wherein the working electrode of the coupled non-feedback-control electrode set has a similar shape and design as the working electrode of the coupled feedback-control electrode.

양태 52는 수득된 디바이스가 양태 17의 디바이스인 양태 35 내지 51 중 어느 하나의 방법이다.Aspect 52 is the method of any one of aspects 35 to 51, wherein the device obtained is the device of aspect 17.

본원에서 사용된 바와 같이, 다양한 용어는 단지 특정한 구현을 기재하기 위한 목적으로 사용되고, 구현을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.As used herein, various terms are used only for the purpose of describing a particular implementation and are not intended to limit the implementation.

예를 들어, 본원에서 사용된 바와 같이, 구조, 성분, 작업 등과 같은 요소를 수식하기 위해 사용된 서수 용어(예를 들어, "제1", "제2", "제3" 등)는 그 자체로 또 다른 요소와 관련하여 요소의 임의의 우선 순위 또는 순서를 나타내는 것이 아니며, 오히려 요소를 동일한 명칭을 갖는(그러나 서수 용어를 사용하여) 또 다른 요소와 단지 구별하는 것이다.For example, as used herein, ordinal terms used to modify elements such as structures, components, operations, etc. (e.g., "first," "second," "third," etc.) It does not in itself indicate any priority or order of an element in relation to another element, but rather merely distinguishes an element from another element having the same name (but using an ordinal term).

용어 "커플링된"은 반드시 직접적으로가 아니고 반드시 기계적으로는 아니지만 연결된 것으로 정의된다. 추가로, "커플링된" 두 항목은 서로 단일일 수 있다. 예시를 위해, 성분들은 물리적 근접성에 의해 커플링되거나, 단일 구조로 통합되거나, 또는 동일한 물질 조각으로부터 형성될 수 있다. 커플링은 또한 일부 맥락에서 기계적, 열적, 전기적, 통신(예를 들어, 유선 또는 무선) 또는 화학적 커플링(예컨대 화학 결합)을 포함할 수 있다.The term “coupled” is defined as connected, not necessarily directly and not necessarily mechanically. Additionally, two items that are “coupled” may be singular to each other. For illustrative purposes, components may be coupled by physical proximity, integrated into a single structure, or formed from the same piece of material. Coupling may also include mechanical, thermal, electrical, communicative (eg, wired or wireless), or chemical coupling (eg, chemical bonds) in some contexts.

단수 용어는 본 개시내용에서 명시적으로 달리 요구되지 않는다면 1개 이상으로 정의된다. 용어 "실질적으로"는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 대체로 그러나 반드시 명시된 것 전부는 아닌 것으로 정의된다(그리고 명시된 것을 포함하며; 예를 들어 실질적으로 90도는 90도를 포함하고, 실질적으로 평행은 평행을 포함함). 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "대략" 및 "약"은 명시된 것의 "10% 이내"로 치환될 수 있다. 추가로, 용어 "실질적으로" 및 "약"은 명시된 것의 "[백분율] 이내"로 치환될 수 있고, 백분율에는 .1, 1, 또는 5%가 포함될 수 있거나; 또는 설계, 제조 또는 측정 공차를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 문구 "및/또는"은 및 또는 또는을 의미한다. 예시를 위해, A, B, 및/또는 C에는 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B의 조합물, A 및 C의 조합물, B 및 C의 조합물, 또는 A, B, 및 C의 조합물이 포함된다. 달리 말하면, "및/또는"은 포괄적인 또는으로 기능한다.Singular terms are defined as one or more unless expressly required otherwise in this disclosure. The term “substantially” is defined as generally but not necessarily all of what is specified (and includes what is specified; e.g. substantially 90 degrees includes 90 degrees, and Substantially parallel includes parallel). As used herein, the terms “about” and “about” may be substituted for “within 10%” of that specified. Additionally, the terms “substantially” and “about” may be substituted for “within [percentage]” of that specified, and percentages may include .1, 1, or 5%; or design, manufacturing or measurement tolerances. The phrase “and/or” means and or or. For illustrative purposes, A, B, and/or C may include A alone, B alone, C alone, a combination of A and B, a combination of A and C, a combination of B and C, or A, B, and C A combination of In other words, “and/or” serves as an inclusive or.

용어 "포함하다"(및 포함하다의 임의의 형태, 예컨대 "포함하는"), "갖다"(그리고 갖다의 임의의 형태, 예컨대 "갖는"), "함유하다"(그리고 함유하다의 임의의 형태, 예컨대 "함유하는") 및 "포괄하다"(그리고 포괄하다의 임의의 형태, 예컨대 "포괄하는")는 비제한적이고, 개방형이며, 그의 범위에 추가의 단계, 물질 등을 포함할 수 있다. 그 결과, 1개 이상의 요소를 ""포함하는", "갖는", "함유하는" 또는 "포괄하는" 장치는 이들 1개 이상의 요소를 갖지만, 이들 1개 이상의 요소만을 갖는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 1개 이상의 단계를 "포함하는", "갖는", "함유하는" 또는 "포괄하는" 방법은 이들 1개 이상의 단계를 갖지만, 이들 1개 이상의 단계만으로 제한되지 않는다.The terms “comprises” (and any form of includes, such as “comprising”), “has” (and any form of has, such as “having”), “contains” (and any form of contains , such as “comprising”) and “comprises” (and any form of encompasses, such as “comprising”) is non-limiting and open-ended and may include additional steps, materials, etc. within its scope. As a result, a device that "comprises", "has", "includes" or "includes" one or more elements has those one or more elements, but is not limited to having only these one or more elements. Likewise, A method that "comprises," "has," "includes," or "comprises" one or more steps has, but is not limited to, these one or more steps.

임의의 물질, 조성물, 시스템, 방법 및 제조 물품의 임의의 양태는 임의의 기재된 단계, 요소 및/또는 특징(을 포함하는/갖는/포괄하는 것이 아니라)으로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 주어진 청구항의 범위를 그렇지 않은 것으로부터 변화시키기 위해 개방형 연결 동사를 사용하여, 임의의 청구항에서 용어 "이루어지는" 또는 "본질적으로 이루어지는"은 상기 인용된 임의의 개방형 연결 동사로 대체될 수 있다. 추가로, 용어 "여기서"는 "여기"와 상호교환적으로 사용될 수 있음이 이해될 것이다.Any aspect of any material, composition, system, method and article of manufacture may consist of, or consist essentially of (including/having/not encompassing) any of the recited steps, elements and/or features. Thus, the terms "consisting of" or "consisting essentially of" in any claim may be replaced with any open linking verb recited above, using an open linking verb to change the scope of a given claim from what it does not. Additionally, it will be appreciated that the term “where” may be used interchangeably with “here”.

추가로, 특정 방식으로 구성된 디바이스 또는 시스템은 적어도 해당 방식으로 구성되지만, 이는 구체적으로 기재된 것과 다른 방식으로도 구성될 수 있다. 한 실시양태의 특징 또는 특징들은 설명되거나 예시되지 않더라도 본 개시내용 또는 실시양태의 성질에 의해 명시적으로 금지되지 않는다면 다른 실시양태에 적용될 수 있다.Additionally, a device or system configured in a particular way is configured at least that way, but it may also be configured in a manner other than that specifically described. A feature or features of one embodiment, even if not described or illustrated, may be applied to other embodiments unless expressly prohibited by the disclosure or nature of the embodiment.

본 개시내용의 양태와 연관된 일부 상세한 내용은 상기에서 설명되었고, 다른 내용은 하기에 설명된다. 본 개시내용의 다른 구현, 이점 및 특징은 하기 섹션: 도면의 간단한 설명, 상세한 설명 및 청구항을 비롯하여 전체 출원을 검토한 후에 명백해질 것이다.Some details related to aspects of the present disclosure have been described above and others are described below. Other implementations, advantages and features of the present disclosure will become apparent after reviewing the entire application including the following sections: BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS, DETAILED DESCRIPTION AND CLAIMS.

도 1: 전형적이고 널리 공지된 ELISA 검정의 단계의 예시: a) 샘플을 차단된 표면 상의 고정된 일차 항체에 도입시키고, 인큐베이션하고, b) 샘플을 세척하고, c) 표지된 이차 항체를 첨가한다. 표지의 수는 표적 항원의 농도에 비례한다.
도 2: 바람직하지 않은 교차 반응성의 예시. 관심 항원(다이아몬드) 이외의 분자가 일차 항체 또는 표면에 결합할 수 있고, 잘못된 신호를 생성하거나 또는 항원이 샌드위치를 형성하는 것을 방지할 수 있다.
도 3: 검출된 신호에서 다중 부위 센서 및 성분의 예시. 하단에 있는 2개의 개략도는 부위 중 2개에 상응한다.
도 4: 다중 부위 센서에서 센서 시험 부위의 조성의 예시.
도 5: 전기화학적 방법을 이용하는 전극 표면 상에서 pH 변화의 개략도.
도 6: 자성 마이크로/나노입자를 사용하여 단백질 표면에 근접할 때 효소 반응에 의한 pH 변화의 예시. 마이크로/나노 공동은 pH 변화를 국소화시키는데 도움이 된다.
도 7a: PBS 단독 중에서 인듐 주석 산화물(ITO) 전극의 순환 전압전류도. pH 변화가 발생할 수 있는 영역은 Ag/AgCl 기준 전극에 비해 1V 초과의 산소 발생이 있는 곳이다.
도 7b: ITO 전극에서 아스코르브산 시험의 산화의 순환 전압전류계 연구. 대략 0.25V의 전류 증가는 ITO 전극에서 산화 시작을 나타낸다.
도 8a: 인산염 완충제 중에서 ITO-PEG 표면 상에 1V의 인가. 1V 인가 전후의 임피던스 변화는 전극으로부터 PEG의 변화 또는 제거를 나타낸다.
도 8b: ITO-PEG 표면에서 0.5V 및 0.75V에서 아스코르브산의 산화. 아스코르브산 산화 동안에 임피던스의 변화 없음은 PEG 층이 어떠한 변화도 겪지 않음을 나타낸다.
도 9: 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 링커(3)를 사용하여 고정된 형광 단백질(예컨대 녹색 형광 단백질(GFP)) 스폿(5) 및 고정된 프로브(4)를 포함하는 생체분자 계면 층(10)이 적용된 전극의 어레이(2)를 갖는 기판(유리 또는 플라스틱)(1)의 예시.
도 10: 용액 pH의 변화에 대한 반응으로 PEG-코팅된 ITO에 공유 결합된 GFP의 형광 강도에서의 변화를 도시한다. 용액 pH는 묽은 인산염 완충제(pH 7.4)에 HCl을 첨가함으로써 조정되었다.
도 11: 0.1M Na2SO4를 함유하는 묽은 인산염 완충제(pH = 7.4) 중에서 산화환원 활성 분자인 2-메틸-1,4-디히드로퀴논의 전류-유도된 산화를 통해 생성된 ITO 작동 전극의 표면에서 pH 변화를 도시한다. 10초 유도 후에, 전류(50 마이크로암페어)를 30초 동안 인가하였고, GFP 형광 강도에서의 변화에 의해 관찰되는 바와 같이, 용액 pH가 5.5로 저하되었다(도 10은 pH 값을 평가하기 위한 보정 곡선으로서 사용됨). 전류가 꺼진 후, pH는 50초 내에 중성 값으로 회복되었다.
도 12a - 12b: pH 조절 실험 이전, 동안 및 이후에 GFP 스폿에서의 시각적 변화를 예시한다. 도 12a에서는, 스폿에 걸쳐 형광 강도의 프로파일이 도시된다. 도 12b에서는, GFP 스폿 형광 강도에서의 변화가 전극을 통해 전류를 인가하기 전에(0초), 동안에(40초) 및 후에(110초) 도시된다.
도 13: 투명 ITO 전극에 접속된 ASIC 칩을 갖는 유리 슬라이드를 도시한다.
도 14: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 기포 검출 및/또는 pH 제어를 위한 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 15: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 예시적인 전극 어레이의 상면도이다.
도 16 및 도 17: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 상이한 전극 형상을 도시한다.
도 18 내지 도 20: 각각 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 데이터 처리 능력을 갖는 슬라이드를 도시한다.
도 21: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 전극 위에서 벌크 용액 중에 용해된 전기화학적 활성제를 갖는 생물학적 완충제를 포함하는 전기화학적 pH 생성을 위한 시스템의 그래픽 표시를 도시하며, pH 변화는 벌크 용액의 완충 작용을 통해 전극 표면 부근에 국한된다.
도 22a 내지 도 22c: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 생물학적 용액 중에서 pH 생성을 위해 사용될 수 있는 히드로퀴논 및 벤조퀴논의 구조를 제공한다.
도 23: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 단백질의 안정성에 대한 벤조퀴논의 치환 효과를 입증한다.
도 24: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라(Ag/AgCl에 비해) 완충된 용액 중에서 치환된 퀴논의 구형파 전압전류도를 도시한다.
도 25a 및 도 25b: 치환된 히드로퀴논 및 벤조퀴논의 합성에 대한 단계를 도시한다.
도 26: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 전극의 가까이에서 용액의 pH를 유지하기 위해 사용되는 개방 루프 파형을 예시한다.
도 27: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 pH 제어를 위한 파형 형성의 예를 예시한다.
도 28: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 pH의 함수로서 PANI 코팅된 표면에 대한 개방 회로 전위의 반응을 예시하며, 60mV/pH는 네르스티안(Nernstian) 한계에 가깝다.
도 29a-29b: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 도 29a에서는 단일 OCP V목표와 함께 폐쇄 루프 피드백 방법을 이용하여 감지 전극(SE) 상에서 제어된 OCP를 예시하고, 도 29b에서는 정의된 상부 및 하부 OCP V목표 값과 함께 폐쇄 루프 피드백을 사용하여 SE 상에서 제어된 OCP의 실험 결과를 예시한다.
도 30: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 작동 전극(WE)에 전위를 인가함으로써 감지 전극(SE)에 의해 측정되는 개방 회로 전위 전압으로 표시되는 바와 같이 용액의 pH를 제어하는 폐쇄 룩 피드백 방법의 실험 결과를 도시한다.
도 31: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 개방 루프 개략도를 예시하며, 파트 A에서는 제어된 전류원이 사용되는 반면에, 파트 B에서는 제어된 전압원이 사용된다.
도 32: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 폐쇄 루프 단일 제어된 전류원을 예시한다.
도 33: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원을 예시한다.
도 34: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅된 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전류원을 예시한다.
도 35: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅된 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원을 예시한다.
도 36: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전류원을 예시한다.
도 37: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원을 예시한다.
도 38: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전류원을 예시한다.
도 39: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원을 예시한다.
도 40: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅된 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전위원을 예시한다.
도 41: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅된 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전위원을 예시한다.
도 42: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전위원을 예시하며, 피드백 제어된 Phi1 및 Phi2 스위치는 WE 전위 입력 및 SE 측정 출력을 위한 것이다.
도 43: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전위원을 예시하며, 피드백 제어된 Phi1 및 Phi2 스위치는 WE 전위 입력 및 SE 측정 출력을 위한 것이다.
도 44: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 단일 제어된 전위원을 예시하며, 피드백 제어된 Phi1 및 Phi2 스위치는 WE 전위 입력 및 SE 측정 출력을 위한 것이다.
도 45: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 조합된 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전위원을 예시하며, 피드백 제어된 Phi1 및 Phi2 스위치는 WE 전위 입력 및 SE 측정 출력을 위한 것이다.
도 46: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 별도의 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원, 및 아날로그 제어기 아키텍쳐를 예시한다.
도 47: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 PANI 코팅을 갖는 별도의 작동 및 감지 전극을 갖는 폐쇄 루프 이중 제어된 전류원, 및 디지털 제어기 아키텍쳐를 예시한다. 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 파트 A에서는 폐쇄 루프 피드백 제어를 위한 아날로그 신호 처리 및 파트 B에서는 폐쇄 루프 피드백 제어를 위한 디지털 신호 처리를 갖는 제어기 아키텍쳐 설계 또한 도시되며, 아키텍쳐는 도 32-45에서 지정된 제어기 개략도에 적용될 수 있다.
도 48a-48d: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 pH 감지를 위한 전위 전극 구성(경로 지정은 도시되지 않음)을 예시한다.
도 49: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 피드백-제어 옵션을 갖는 다중-전극 어레이를 예시하며, 작동, 감지, 기준 및 상대 전극을 갖는 각각의 전극 세트는 고유한 목표 pH 값 및 시간적 제어 방식에 대해 독립적으로 제어될 수 있고, 기준 전극 및 상대 전극은 다중 전극 세트에 의해 공유될 수 있다.
도 50: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 피드백-제어 섹션 및 비-피드백-제어 섹션 둘 다를 갖는 다중-전극 어레이가 예시된다. 피드백-제어 섹션은 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및 감지 소자로 구성된 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트를 함유한다. 기준 전극 및 상대 전극은 다중 전극 세트에 의해 공유될 수 있다. 각각의 피드백-제어 세트는 독립적인 pH 값, 동일한 pH 값, 또는 이들의 조합을 목표로 할 수 있다. 각각의 목표 pH 값에 대해, 동일한 목표 pH 값에 또한 배정된 비-피드백-제어 섹션에 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트가 있다. 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극의 형상 및 크기가 피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극의 형상 및 크기와 유사할 때, 피드백-제어 섹션으로부터 수득된 전기 파라미터는 비-피드백-제어 섹션의 작동 전극에 직접적으로 적용될 수 있다. 이 구성은 더 간단한 디바이스 아키텍쳐로 동일한 수준의 제어를 달성하는데 도움이 된다.
도 51: 기판 전체에 분포되고 비-피드백-제어 전극 세트 사이에 분산된 피드백-제어 전극 세트를 갖는 다중-전극 어레이를 예시한다. 피드백-제어 전극 세트는 비-피드백-제어 전극 세트 사이에서 패턴으로 분포되고/거나 무작위로 분포될 수 있다. 피드백-제어 전극 세트는 작동 전극, 기준 전극, 상대 전극, 및 감지 소자로 구성된다. 기준 전극 및 상대 전극은 다중 전극 세트에 의해 공유될 수 있다. 각각의 피드백-제어 전극 세트는 독립적인 pH 값, 동일한 pH 값, 또는 이들의 조합을 목표로 할 수 있다. 각각의 목표 pH 값에 대해, 동일한 목표 pH 값(pH 커플링됨)에 또한 배정된 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트가 있다. 이 구성은 더 간단한 디바이스 아키텍쳐로 동일한 수준 이상의 제어를 달성하는데 도움이 된다. 일부 예에서, 이 구성은 예컨대 피드백-제어 전극 세트가 그의 각각의 pH 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트에 의해 둘러싸일 때 상이한 목표 pH 값을 갖는 인접한 작동 전극으로부터 감지 전극에 대한 효과를 최소화할 수 있다.
도 52: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 폐쇄-루프 제어에 의해 산화환원 활성 종(이 예에서는 퀴논)의 산화/환원을 통해 용액의 pH를 조절하는 개략도를 예시한다.
도 53: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 인듐 주석 산화물 전극 상에서 1mM 인산염 완충제에서 퀴논의 산화/환원을 통해 용액의 pH를 변화시키는 예를 예시한다. pH 값은 표면 상에서 패턴화된 사전에 보정된 산화이리듐 감지 전극에 의해 결정되었다. 폐쇄-루프 제어는 정확하고 신속한 방식으로 목표 pH 값을 달성하였다.
도 54a-54b: 도 54a는 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 외부 상대 및 기준 전극을 갖는 pH 제어 디바이스 설정을 예시한다. 도 54b는 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 기판 상에 상대 및 기준 전극을 갖는 pH 제어 디바이스 설정을 예시한다. 디바이스는 개별적으로 제어되는 작동 전극 및 감지 소자의 1개 이상의 세트를 가질 수 있다.
도 55a-54d: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 pH 제어 전극 설계의 예를 예시한다. 작동 및 감지 전극은 적용에 따라 다양한 유형의 형상 및 크기를 가질 수 있다(도 a 및 도 b). 감지 전극은 작동 전극과 동일한 평면에 위치하거나(도 c) 또는 중간에 절연 층을 갖는 작동 전극의 상단에 위치할 수 있다(도 d). 상대 전극은 작동 전극 주변에 패턴화될 수 있고, 이는 확산 효과를 최소화하고, 더욱 한정적인 물리적 공간 내에서 pH를 제어하는데 도움이 된다(도 e).
Figure 1: Illustration of the steps of a typical and well-known ELISA assay: a) the sample is introduced into an immobilized primary antibody on a blocked surface, incubated, b) the sample is washed, c) a labeled secondary antibody is added . The number of labels is proportional to the concentration of the target antigen.
Figure 2: Illustration of undesirable cross-reactivity. Molecules other than the antigen of interest (diamond) may bind to the primary antibody or surface and generate false signals or prevent the antigen from forming a sandwich.
Figure 3: Illustration of multi-site sensors and components in the detected signal. The two schematics at the bottom correspond to two of the sites.
Figure 4: Illustration of the composition of the sensor test site in a multi-site sensor.
Figure 5: Schematic diagram of pH change on the electrode surface using electrochemical methods.
Figure 6: Example of pH change by an enzymatic reaction upon proximity to a protein surface using magnetic micro/nanoparticles. Micro/nano cavities help localize pH changes.
Figure 7a: Cyclic voltammetry of an indium tin oxide (ITO) electrode in PBS alone. A region where a change in pH may occur is where there is oxygen evolution above 1V relative to the Ag/AgCl reference electrode.
Figure 7b: Cyclic voltammetry study of oxidation of ascorbic acid test on ITO electrode. A current increase of approximately 0.25 V indicates the onset of oxidation at the ITO electrode.
Figure 8a: Application of 1V on the surface of ITO-PEG in phosphate buffer. The change in impedance before and after application of 1 V indicates the change or removal of PEG from the electrode.
Figure 8b: Oxidation of ascorbic acid at 0.5 V and 0.75 V on ITO-PEG surfaces. No change in impedance during ascorbic acid oxidation indicates that the PEG layer did not undergo any change.
Figure 9: Biomolecular interface layer 10 comprising immobilized fluorescent protein (eg green fluorescent protein (GFP)) spots 5 and immobilized probes 4 using polyethylene glycol (PEG) linkers 3 Illustration of a substrate (glass or plastic) 1 with an array 2 of applied electrodes.
Figure 10: Shows the change in fluorescence intensity of GFP covalently linked to PEG-coated ITO in response to changes in solution pH. The solution pH was adjusted by adding HCl to dilute phosphate buffer (pH 7.4).
Figure 11: ITO working electrode produced through current-induced oxidation of the redox active molecule 2-methyl-1,4-dihydroquinone in dilute phosphate buffer (pH = 7.4) containing 0.1 M Na 2 SO 4 . The pH change at the surface is plotted. After 10 seconds induction, current (50 microamperes) was applied for 30 seconds, and the solution pH dropped to 5.5, as observed by a change in GFP fluorescence intensity (FIG. 10 is a calibration curve for evaluating pH values). used as). After the current was turned off, the pH returned to neutral values within 50 seconds.
12A - 12B: Illustrates visual changes in GFP spots before, during and after pH control experiments. In FIG. 12A, the profile of fluorescence intensity across the spot is shown. In FIG. 12B, changes in GFP spot fluorescence intensity are shown before (0 sec), during (40 sec) and after (110 sec) application of current through the electrode.
Figure 13: Shows a glass slide with an ASIC chip connected to a transparent ITO electrode.
Figure 14: A block diagram of a system for bubble detection and/or pH control in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
15 : A top view of an exemplary electrode array according to an exemplary embodiment of the present invention.
16 and 17 : show different electrode shapes according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figures 18-20: Each depicts slides with data processing capabilities in accordance with exemplary embodiments of the present invention.
21 : shows a graphical representation of a system for electrochemical pH generation comprising a biological buffer with an electrochemically active agent dissolved in a bulk solution above an electrode in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, wherein the pH change is dependent on the buffering of the bulk solution. Through action, it is confined to the vicinity of the electrode surface.
22A-22C : Provides structures of hydroquinone and benzoquinone that can be used for pH generation in biological solutions according to exemplary embodiments of the present invention.
Figure 23: Demonstrates the effect of substitution of benzoquinones on the stability of proteins according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 24: shows a square wave voltammetry of a substituted quinone in a buffered solution (versus Ag/AgCl) according to an exemplary embodiment of the present invention.
25A and 25B: Shows the steps for the synthesis of substituted hydroquinones and benzoquinones.
Figure 26: illustrates an open loop waveform used to maintain the pH of a solution in proximity of an electrode in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 27: Illustrates an example of waveform formation for pH control in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 28: Illustrates the response of the open circuit potential for a PANI coated surface as a function of pH according to an exemplary embodiment of the present invention, 60 mV/pH is close to the Nerstian limit.
29A-29B: In accordance with an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 29A illustrates a controlled OCP on a sensing electrode SE using a closed loop feedback method with a single OCP V target , and in FIG. 29B a defined top and Experimental results of OCP controlled on SE using closed-loop feedback with lower OCP V target value are illustrated.
Figure 30: Closed look feedback method of controlling the pH of a solution as indicated by the open circuit potential voltage measured by the sensing electrode (SE) by applying a potential to the working electrode (WE) according to an exemplary embodiment of the present invention. shows the experimental results of
31 : Illustrates an open loop schematic according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a controlled current source is used in part A, while a controlled voltage source is used in part B.
32: illustrates a closed loop single controlled current source according to an exemplary embodiment of the present invention.
33 : illustrates a closed loop dual controlled current source according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 34: illustrates a closed loop single controlled current source with PANI coated sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
35 : Illustrates a closed loop dual controlled current source with PANI coated sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
36 : illustrates a closed loop single controlled current source with combined actuation and sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
37 : illustrates a closed loop dual controlled current source with combined actuation and sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
38 : illustrates a closed loop single controlled current source with combined working and sensing electrodes with a PANI coating in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
39 : Illustrates a closed loop dual controlled current source with combined working and sensing electrodes with a PANI coating in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
40 : Illustrates a closed loop single controlled potential source with PANI coated sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
41 : Illustrates a closed loop dual controlled potential source with PANI coated sensing electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
42: illustrates a closed loop single controlled potential source with combined actuation and sensing electrodes, feedback controlled Phi1 and Phi2 switches for WE potential input and SE measurement output, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
43 : illustrates a closed loop dual controlled potential source with combined actuation and sensing electrodes, feedback controlled Phi1 and Phi2 switches for WE potential input and SE measurement output, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 44: illustrates a closed loop single controlled potential source with combined actuation and sensing electrodes with PANI coating, feedback controlled Phi1 and Phi2 switches with WE potential input and SE measurement output, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. It is for.
45 : Illustrates a closed loop dual controlled potential source with combined actuation and sensing electrodes with PANI coating, feedback controlled Phi1 and Phi2 switches with WE potential input and SE measurement output in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. It is for.
46 : Illustrates a closed loop dual controlled current source with separate actuating and sensing electrodes with PANI coating, and analog controller architecture in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
47 : Illustrates a closed loop dual controlled current source with separate actuating and sensing electrodes with PANI coating, and digital controller architecture in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Also shown is a controller architecture design with analog signal processing for closed loop feedback control in Part A and digital signal processing for closed loop feedback control in Part B in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, the architecture of which is shown in Figures 32-45. It can be applied to the specified controller schematic.
48A-48D : Illustrates a potential electrode configuration (routing not shown) for pH sensing in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
49 : Illustrating a multi-electrode array with feedback-control options in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, wherein each set of electrodes with actuation, sensing, reference, and counter electrodes has a unique target pH value and temporal control scheme can be independently controlled for , and the reference and counter electrodes can be shared by multiple electrode sets.
50 : A multi-electrode array with both feedback-controlled and non-feedback-controlled sections is illustrated according to an exemplary embodiment of the present invention. The feedback-control section contains one or more sets of feedback-control electrodes consisting of a working electrode, a reference electrode, a counter electrode, and a sensing element. The reference and counter electrodes may be shared by multiple electrode sets. Each feedback-control set can target an independent pH value, the same pH value, or a combination thereof. For each target pH value, there is one or more sets of non-feedback-controlled electrodes in the non-feedback-controlled section also assigned to the same target pH value. When the shape and size of the working electrode of the non-feedback-controlled electrode set(s) is similar to that of the working electrode of the feedback-controlled electrode set(s), the electrical parameters obtained from the feedback-controlled section are It can be applied directly to the working electrode of the feedback-control section. This configuration helps achieve the same level of control with a simpler device architecture.
51 : illustrates a multi-electrode array with a set of feedback-controlled electrodes distributed across the substrate and distributed between sets of non-feedback-controlled electrodes. The feedback-control electrode sets may be distributed in a pattern and/or randomly among the non-feedback-control electrode sets. The feedback-control electrode set consists of a working electrode, a reference electrode, a counter electrode, and a sensing element. The reference and counter electrodes may be shared by multiple electrode sets. Each feedback-control electrode set can target an independent pH value, the same pH value, or a combination thereof. For each target pH value, there is one or more sets of non-feedback-control electrodes also assigned to the same target pH value (pH coupled). This configuration helps achieve more than the same level of control with a simpler device architecture. In some examples, this configuration minimizes the effect on the sensing electrode from an adjacent working electrode having a different target pH value, such as when a set of feedback-controlled electrodes is surrounded by its respective set of pH-coupled non-feedback-controlled electrodes. can do.
Figure 52: illustrates a schematic diagram of adjusting the pH of a solution via oxidation/reduction of a redox active species (quinone in this example) by closed-loop control in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
53 : Illustrates an example of changing the pH of a solution through oxidation/reduction of quinone in 1 mM phosphate buffer on an indium tin oxide electrode according to an exemplary embodiment of the present invention. The pH value was determined with a pre-calibrated iridium oxide sensing electrode patterned on the surface. Closed-loop control achieved the target pH value in an accurate and rapid manner.
54A-54B: FIG. 54A illustrates a pH control device setup with external counter and reference electrodes in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. 54B illustrates a pH control device setup with counter and reference electrodes on a substrate in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. The device may have one or more sets of individually controlled working electrodes and sensing elements.
55A-54D : Illustrates an example of a pH control electrode design according to an exemplary embodiment of the present invention. The working and sensing electrodes can have various types of shapes and sizes depending on the application (Figures a and b). The sensing electrode can be located on the same plane as the working electrode (Fig. c) or on top of the working electrode with an insulating layer in the middle (Fig. d). A counter electrode can be patterned around the working electrode, which helps to minimize diffusion effects and control the pH within a more confined physical space (Fig. e).

pH의 전자 제어와 연관된 문제를 해결하기 위해 폐쇄-루프 제어가 본원에 제공된다. 개별적으로 위치 감응형인 전극의 고밀도 어레이에서 폐쇄-루프의 몇몇 구현이 본원에 기재된다. 어레이 포맷에서 전극 표면 근처의 pH 또는 이온 구배를 조절하기 위한 디바이스 및 방법이 본원에 개시된다. 각각의 개별 작동 전극은 주문형 포맷으로 표면의 가까이에서 작은 물리적 공간 내에서 전기화학적으로 pH 변화를 도입할 수 있다. 전기 구성은 1개 이상의 작동 전극, pH 감지 소자, 예컨대 감지 전극, 상대 전극, 및 기준 전극으로 구성될 수 있다. 상대 전극 및 기준 전극은 다중 작동 전극 및 감지 소자에 의해 공유될 수 있다. pH 조절 시약은 전기화학적으로 산화되거나 또는 환원되어 표면으로부터 나노- 내지 마이크로-미터 거리를 커버하는 pH 조절 대역을 생성할 수 있다. 작동 전극에 대한 전기 출력 파라미터는 감지 소자로부터의 피드백을 기반으로 하여 조절되어, 더 빠르고 더 정밀한 pH 제어가 달성될 수 있다.Closed-loop control is provided herein to solve the problems associated with electronic control of pH. Several implementations of closed-loop in high-density arrays of individually position-sensitive electrodes are described herein. Disclosed herein are devices and methods for controlling a pH or ion gradient near an electrode surface in an array format. Each individual working electrode can electrochemically introduce a pH change within a small physical space close to the surface in a format on demand. The electrical configuration may consist of one or more working electrodes, a pH sensing element such as a sensing electrode, a counter electrode, and a reference electrode. The counter electrode and reference electrode may be shared by multiple working electrodes and sensing elements. The pH adjusting reagent can be electrochemically oxidized or reduced to create a pH adjusting zone covering nano- to micro-meter distances from the surface. Electrical output parameters to the working electrode can be adjusted based on feedback from the sensing element, so that faster and more precise pH control can be achieved.

다중 부위 어레이에서 pH 또는 이온 농도 구배를 다르게 하기 위해, 디바이스가 제공되며, 이 디바이스는:To vary the pH or ion concentration gradient in a multi-site array, a device is provided, the device comprising:

지지체; 및support; and

1개 이상의 피드백-제어 전극 세트를 포함하는 전극의 어레이를 포함하고, 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트는:An array of electrodes comprising one or more feedback-control electrode sets, the one or more feedback-control electrode sets comprising:

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링된다. and one or more subsets comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset.

디바이스는 하기를 반복적으로 수행하도록 구성된다:The device is configured to repeatedly perform the following:

a.) 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고;a.) select the amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

b.) 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 각각의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고;b.) applying a selected amount of current and/or voltage to each working electrode to change the pH of the solution proximate the working electrode;

c.) 감지 소자의 신호 출력을 측정한다.c.) Measure the signal output of the sensing element.

디바이스는 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트를 추가로 포함하고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트는:The device further comprises one or more sets of non-feedback-control electrodes, the one or more sets of non-feedback-control electrodes comprising:

1개 이상의 기준 전극;one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및one or more counter electrodes; and

1개 이상의 작동 전극을 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 작동 전극과 전기적으로 커플링되고,one or more working electrodes, wherein a reference electrode and/or a counter electrode are electrically coupled with at least one working electrode;

1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트는 pH 감지 소자를 포함하지 않고,at least one set of non-feedback-controlling electrodes does not include a pH sensing element;

여기서:here:

1개 이상의 모든 피드백-제어 전극 세트(들)는 디바이스의 한 섹션에 포함되고, 1개 이상의 모든 비-피드백-제어 전극 세트(들)는 디바이스의 물리적으로 분리된 제2 섹션에 배열되거나; 또는One or more all feedback-control electrode set(s) are included in one section of the device, and one or more all non-feedback-control electrode set(s) are arranged in a physically separate second section of the device; or

1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)는 2개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트 사이에 산재되고,one or more feedback-control electrode set(s) interspersed between two or more non-feedback-control electrode sets;

1개 이상의 피드백-제어 전극 세트는 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트에 전기적으로 커플링되고, 커플링된 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트 및 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트는 피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에 인가된 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에 또한 인가하도록 구성된다.The at least one feedback-control electrode set is electrically coupled to the at least one non-feedback-control electrode set, the coupled at least one feedback-control electrode set and the at least one non-feedback-control electrode set electrically coupled to the feedback - configured to also apply the selected amount of current and/or voltage applied to the one or more working electrodes of the control electrode set to the one or more working electrodes of the coupled non-feedback-control electrode set.

용액의 pH를 제어하는 방법 또한 본원에 개시되고, 이 방법은:A method of controlling the pH of a solution is also disclosed herein, the method comprising:

a. 피드백-제어 전극 세트를 포함하는 디바이스를 수득하는 단계 - 이 피드백-제어 전극 세트는:a. Obtaining a device comprising a feedback-control electrode set, the feedback-control electrode set comprising:

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고 - 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링됨 - ; comprising at least one subset comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset;

b. 목표 pH를 포함하는 용액 중의 감지 소자로부터의 1개 이상의 신호 출력을 기준으로 하여 감지 소자에 대한 목표 감지 값을 선택하는 단계; b. selecting a target sensing value for the sensing element based on at least one signal output from the sensing element in a solution comprising the target pH;

c. 하기의:c. of the following:

i. 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고; i. selecting the amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

ii. 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 각각의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고; ii. applying a selected amount of current and/or voltage to each working electrode to change the pH of the solution proximate the working electrode;

iii. 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하는 단계를 포함한다. iii. Iteratively performing measuring the signal output of the sensing element.

용액의 pH를 제어하는 방법이 본원에 추가로 개시되고, 이 방법은:Further disclosed herein is a method of controlling the pH of a solution comprising:

a. 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들) 및 피드백-제어 전극 세트에 전기적으로 커플링된 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 어레이를 포함하는 디바이스를 수득하는 단계:a. Obtaining a device comprising an array of one or more feedback-control electrode set(s) and one or more non-feedback-control electrode set(s) electrically coupled to the feedback-control electrode set:

- 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)는:- one or more feedback-control electrode set(s):

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트를 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 서브세트와 전기적으로 커플링되고; one or more subsets comprising a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, wherein a reference electrode and/or counter electrode are electrically coupled with at least one subset;

여기서 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)는:wherein the one or more non-feedback-control electrode set(s) are:

1개 이상의 기준 전극; one or more reference electrodes;

1개 이상의 상대 전극; 및 one or more counter electrodes; and

1개 이상의 작동 전극을 포함하고, 여기서 기준 전극 및/또는 상대 전극은 적어도 1개의 작동 전극과 전기적으로 커플링되고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트는 pH 감지 소자를 포함하지 않음 - ; one or more working electrodes, wherein a reference electrode and/or a counter electrode are electrically coupled with at least one working electrode, and the one or more non-feedback-controlling electrode set does not include a pH sensing element;

b. 목표 pH를 포함하는 용액 중의 감지 소자로부터의 1개 이상의 신호 출력을 기준으로 하여 감지 소자에 대한 목표 감지 값을 선택하는 단계; b. selecting a target sensing value for the sensing element based on at least one signal output from the sensing element in a solution comprising the target pH;

c. 하기의:c. of the following:

i. 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)의 각각의 작동 전극에 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하고; i. selecting an amount of current and/or voltage to be applied to each working electrode of the one or more feedback-controlled electrode set(s) to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;

ii. 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 1개 이상의 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 각각의 작동 전극 및 또한 1개 이상의 커플링된 피드백-제어 전극 세트에 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극에 인가하여, 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고; ii. A selected amount of current and/or voltage is applied to each working electrode of the one or more coupled feedback-control electrode sets and also to the non-feedback-control electrode set coupled to the one or more coupled feedback-control electrode sets. applied to the one or more working electrodes to change the pH of the solution proximal to the working electrode;

iii. 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하는 단계를 포함한다. iii. Iteratively performing measuring the signal output of the sensing element.

상기 방법은 상기 기재된 디바이스를 이용할 수 있다.The method may use the device described above.

상기 기재된 방법에서 상기 기재된 디바이스의 사용에 의해, 국소 pH 또는 이온 농도 구배는 다양한 작동 전극 부위에서, 예컨대 화합물의 라이브러리를 생성하기 위한 바이오센서 또는 반응기 또는 다량의 화합물을 신속하게 생성하기 위한 반응기와 같은 다중 부위 어레이에서 수득될 수 있다. 비제한적인 예로서, 전극에서, 특히 바이오센서의 다중 부위 어레이의 서브세트 위에서 생체분자 계면 층의 프로브, 예컨대 생체분자 프로브 근처에서 국소 pH 및/또는 이온 농도 구배의 변동은 프로브와 생물학적 샘플로부터 시험할 피분석물의 결합 효율의 조절을 가능하게 한다. 이어서, 관심 피분석물은 프로브에 결합시 예를 들어 표지된 이차 항체와 같은 검출제를 사용하여 검출될 수 있다. 다중 부위 어레이의 서브세트에서 결합 효율의 조절은 이러한 관심 피분석물의 정확한 결정 방법을 제공한다.By use of the devices described above in the methods described above, local pH or ion concentration gradients can be generated at various working electrode sites, such as biosensors or reactors for generating libraries of compounds or reactors for rapidly producing large quantities of compounds. It can be obtained in multi-site arrays. By way of non-limiting example, fluctuations in the local pH and/or ionic concentration gradient near a probe, such as a biomolecular probe, of a biomolecular interfacial layer at an electrode, particularly on a subset of a multi-site array of biosensors, can be tested from probes and biological samples. It allows control of the binding efficiency of the analyte to be split. The analyte of interest can then be detected upon binding to the probe using a detection agent such as, for example, a labeled secondary antibody. Modulation of the binding efficiency in a subset of multi-site arrays provides a method for accurate determination of these analytes of interest.

또 다른 비제한적인 예로서, 디바이스 및 방법을 이용하여 반응 단계의 다중 라운드에 대해 pH 값을 변형시킬 수 있고, 이 중 일부는 어레이에서 구체적으로 선택된 전극에 배정되는 별개의 pH 값을 필요로 한다. 반응 단계의 다중 라운드를 갖는 반응의 비제한적인 예에는 중합체, 예컨대 펩티드 및 핵산의 라이브러리 어레이의 제조가 포함된다.As another non-limiting example, devices and methods can be used to modify pH values for multiple rounds of reaction steps, some of which require distinct pH values assigned to specifically selected electrodes in an array. . Non-limiting examples of reactions having multiple rounds of reaction steps include the preparation of library arrays of polymers such as peptides and nucleic acids.

다른 또 다른 비제한적인 예로서, 디바이스 및 방법을 이용하여, 1개 이상의 영역의 pH를 계속해서 또는 1회 이상 시각화시킬 수 있다.As another non-limiting example, the device and method can be used to visualize the pH of one or more regions continuously or more than once.

디바이스는 바람직하게는 피드백-제어 전극 세트의 다중 부위 어레이를 포함한다. 이러한 다중 부위 어레이는 바람직하게는 수많은 상이한 시험 부위, 반응 부위, 또는 상이한 피드백-제어 전극 세트 부위에서 pH를 변화시키는 다른 수단을 포함한다. 각각의 부위는 (생체분자) 프로브를 사용하여 (생체분자) 피분석물의 검출을 통해 생물학적 샘플로부터 (생체분자) 피분석물의 분석을 수행하기 위한 부위를 또한 나타낼 수 있다. 각각의 피드백-제어 전극 세트의 각각의 부위에서 분석 조건은 (생체분자) 피분석물의 정확한 측정을 수득하기 위해 (생체분자) 피분석물의 농도가 결정될 수 있는 여러 방정식 및 여러 미지수를 생성하는 다양한 신호의 집합을 수득하도록 변화될 수 있다. 각각의 부위는 상이한 pH 요건을 갖는 1개 이상의 상이한 단계를 필요로 하는 상이한 화학 반응을 수행하기 위한 부위를 나타낼 수 있다. 각각의 피드백-제어 전극 세트의 각각의 부위에서 분석 조건은 화학물질의 라이브러리, 예컨대 단백질 라이브러리, 핵산 라이브러리, 또는 유기 화학 라이브러리를 생성시킬 다양한 화학 반응 생성물의 집합을 수득하기 위해 달라질 수 있다.The device preferably includes a multi-site array of feedback-controlled electrode sets. Such multi-site arrays preferably include a number of different test sites, reaction sites, or other means of changing the pH at different feedback-control electrode set sites. Each site may also represent a site for performing analysis of a (biomolecule) analyte from a biological sample through detection of the (biomolecule) analyte using a (biomolecule) probe. The assay conditions at each site of each feedback-control electrode set are different signals to generate several unknowns and several equations from which the concentration of the (biomolecule) analyte can be determined to obtain an accurate measurement of the (biomolecule) analyte. can be varied to obtain a set of Each site may represent a site for carrying out a different chemical reaction requiring one or more different steps with different pH requirements. Assay conditions at each site of each feedback-control electrode set can be varied to obtain a collection of different chemical reaction products that will result in a library of chemicals, such as a protein library, a nucleic acid library, or an organic chemical library.

시각화, 피분석물 농도의 시험 등을 위해, 수득된 다양한 신호에서 여러 미지수에는 결합 효율 인자인 αij에 비례하는 항, 및 시험 부위에서 검출되는 생물학적 샘플 결합에서 다양한 분자의 농도가 각각 포함된다. 여러 미지수를 갖는 여러 방정식은 예를 들어 다음과 같이 표현될 수 있다,For visualization, testing of analyte concentration, and the like, the various unknowns in the obtained various signals each include a term proportional to the binding efficiency factor, α ij , and the concentration of various molecules in the biological sample binding detected at the test site. Several equations with several unknowns can be expressed, for example, as

여기서, Can은 표적화된 생체분자 피분석물 농도에 상응하고, Cj1, Cj2, Cj3은 백그라운드 신호에서 상이한 항을 생성하는 분자의 전체 농도에 상응하고, 여러 방정식의 집합으로부터 표적화된 생체분자 피분석물의 농도가 결정될 수 있다.where C an corresponds to the targeted biomolecule analyte concentration, C j1 , C j2 , C j3 correspond to the total concentrations of molecules that produce different terms in the background signal, and from a set of equations the targeted biomolecule The concentration of the molecular analyte can be determined.

피드백-제어 전극 세트의 수, 뿐만 아니라 각각의 피드백-제어 전극 세트 내의 부위의 수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 이들 분석 조건 중 일부에는 예를 들어 온도, 전단 응력 및 압력과 같은 파라미터가 포함된다. 예를 들어, 생물학적 샘플에서 생체분자 프로브 및 관심 피분석물이 상호작용하거나 또는 반응이 일어나는 용액의 온도는 시험 부위에서 전자기 열을 이용하여 달라질 수 있다. 생체분자 프로브와 관심 피분석물 사이의 상호작용을 위해 또는 반응을 위해 또 다른 중요한 조건은 pH 또는 이온 농도이다. 본원에 기재된 방법 및 디바이스는 예를 들어 생체분자 프로브 부근에서의 결합 효율 또는 반응물 부근에서의 반응 속도에 영향을 미치기 위해 부위의 국소 환경에서 이 pH 또는 이온 농도를 조절한다.The number of feedback-control electrode sets, as well as the number of sites within each feedback-control electrode set, can vary as needed. Some of these analysis conditions include parameters such as, for example, temperature, shear stress and pressure. For example, the temperature of a solution in a biological sample in which a biomolecular probe and an analyte of interest interact or in which a reaction occurs can be varied using electromagnetic heat at the test site. Another important condition for an interaction or reaction between a biomolecular probe and an analyte of interest is pH or ionic concentration. The methods and devices described herein modulate this pH or ion concentration in the local environment of the site to affect, for example, the efficiency of binding in the vicinity of a biomolecule probe or the rate of reaction in the vicinity of a reactant.

본원에 개시된 디바이스의 비제한적인 예로서, 다중-부위 어레이에서 각각의 부위는 1개 이상의 전극 및/또는 pH 센서가 배치된 지지체를 포함할 수 있다. 생체분자 프로브(들) 또는 반응물은 또한 표면 상에 고정되거나 또는 결합될 수 있다. 고체 표면 또는 지지체에 대한 프로브 또는 반응물의 이러한 고정화는 분석 방법을 위해 필요한 프로브 또는 반응물의 양을 감소시키는 데 도움이 되고, 또한 검출/반응 영역을 국소화시켜 정확한 측정을 수행하고/거나 상이한 반응 부위로의 블리드 오버를 감소시킨다. 프로브 및/또는 반응물은 실리콘, 유리, 금속 및 반도체 물질과 같은 지지체 및/또는 전극의 고체 표면에 부착될 수 있다(도 3, 4 및 52에 도시됨).As a non-limiting example of a device disclosed herein, each site in a multi-site array can include a support on which one or more electrodes and/or pH sensors are disposed. The biomolecular probe(s) or reactants may also be immobilized or bound to the surface. This immobilization of the probe or reactant to a solid surface or support helps to reduce the amount of probe or reactant required for the analytical method, and also localizes the detection/reaction region to obtain accurate measurements and/or to different reaction sites. Reduces bleed-over of Probes and/or reactants may be attached to supports such as silicon, glass, metals and semiconductor materials and/or solid surfaces of electrodes (shown in FIGS. 3, 4 and 52).

프로브 및/또는 반응물은 생체분자 계면 층 내의 지지체 및/또는 전극(들) 상에 부착되거나 또는 고정될 수 있다(도 4에 도시됨). 생체분자 층은 고정된 중합체, 바람직하게는 실란 고정된 폴리에틸렌 글리콜(PEG)의 층을 포함할 수 있다. 표면-고정된 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 사용하여, 표면 상에 생체분자 피분석물 및/또는 반응물의 비특이적인 흡착을 방지할 수 있다. 표면-고정된 PEG의 적어도 일부는 접합할 수 있는 말단 관능기, 예컨대 N-히드록시숙신이미드(NHS) 에스테르, 말레이미드, 알킨, 아지드, 스트렙타비딘 또는 비오틴을 포함할 수 있다. 프로브 및/또는 반응물은 표면-고정된 PEG와의 접합에 의해 고정될 수 있다. pH를 변화시키기 위해 이용되는 방법이 예를 들어 고체 지지체의 표면에 대한 PEG의 공유 결합, 또는 프로브 또는 반응물을 PEG에 접합시키는 링커를 손상시키지 않는 것이 중요하다(도 5에 도시됨). 본원에 기재된 바와 같이 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법은 프로브 및/또는 반응물의 환경에서 pH/이온 농도 변화에 영향을 미치면서 이들 표면 화학을 보호할 수 있다.Probes and/or reactants may be attached or immobilized on the support and/or electrode(s) within the biomolecule interfacial layer (shown in FIG. 4 ). The biomolecule layer may comprise a layer of an immobilized polymer, preferably silane immobilized polyethylene glycol (PEG). Surface-immobilized polyethylene glycol (PEG) can be used to prevent non-specific adsorption of biomolecular analytes and/or reactants onto surfaces. At least a portion of the surface-anchored PEG may include terminal functional groups capable of conjugation, such as N-hydroxysuccinimide (NHS) esters, maleimides, alkynes, azides, streptavidin or biotin. Probes and/or reactants may be immobilized by conjugation with surface-immobilized PEG. It is important that the method used to change the pH does not damage, for example, the covalent attachment of PEG to the surface of the solid support, or the linker conjugating the probe or reactant to PEG (shown in Figure 5). Methods of adjusting pH or ion concentrations as described herein can protect these surface chemistries while affecting pH/ion concentration changes in the environment of probes and/or reactants.

적합한 생체분자 프로브는 관심 피분석물이 특이적인 친화도를 갖는 탄수화물, 단백질, 당단백질, 당접합체, 핵산, 세포 또는 리간드일 수 있다. 이러한 프로브는 예를 들어 항체, 항체 단편, 펩티드, 올리고뉴클레오티드, DNA 올리고뉴클레오티드, RNA 올리고뉴클레오티드, 지질, 세포 표면 상의 당단백질 및 당지질과 결합하는 렉틴, 당, 효능제, 또는 길항제일 수 있다. 구체적인 예에서, 생체분자 프로브는 예를 들어 생물학적 샘플에 존재하는 항원과 상호작용하는 단백질 항체이며, 항원은 관심 생체분자 피분석물이다.Suitable biomolecular probes can be carbohydrates, proteins, glycoproteins, glycoconjugates, nucleic acids, cells or ligands with specific affinity for the analyte of interest. Such probes can be, for example, antibodies, antibody fragments, peptides, oligonucleotides, DNA oligonucleotides, RNA oligonucleotides, lipids, lectins that bind glycoproteins and glycolipids on the cell surface, sugars, agonists, or antagonists. In a specific example, the biomolecule probe is, for example, a protein antibody that interacts with an antigen present in a biological sample, wherein the antigen is the biomolecule analyte of interest.

본원에 기재된 분석 방법에서, 생물학적 샘플 중의 관심 피분석물은 예를 들어 단백질, 예컨대 항원 또는 효소 또는 펩티드, 전세포, 세포 막 성분, 핵산, 예컨대 DNA 또는 RNA, 또는 DNA 올리고뉴클레오티드, 또는 RNA 올리고뉴클레오티드일 수 있다.In the assay methods described herein, the analyte of interest in a biological sample is, for example, a protein, such as an antigen or enzyme or peptide, a whole cell, a cell membrane component, a nucleic acid, such as DNA or RNA, or a DNA oligonucleotide, or an RNA oligonucleotide. can be

적합한 반응물은 비제한적인 예로 탄수화물, 단백질, 당단백질, 당접합체, 핵산, 뉴클레오티드, 아미노산, 또는 원하는 생성물 또는 중간체를 생성하기 위해 추가의 반응물이 반응할 수 있는 또 다른 유기 화학 전구체일 수 있다. 이러한 반응물은 비제한적인 예로 펩티드, 올리고뉴클레오티드, DNA 올리고뉴클레오티드, RNA 올리고뉴클레오티드, 지질, 또는 당일 수 있다.Suitable reactants can be, but are not limited to, carbohydrates, proteins, glycoproteins, glycoconjugates, nucleic acids, nucleotides, amino acids, or other organic chemical precursors upon which further reactants can react to produce the desired product or intermediate. Such reactants may be, but are not limited to, peptides, oligonucleotides, DNA oligonucleotides, RNA oligonucleotides, lipids, or sugars.

본원에 제공된 디바이스를 포함하는 바이오센서는 예를 들어 단백질, 예컨대 항원 또는 효소 또는 펩티드, 전세포, 세포 막 성분, 핵산, 예컨대 DNA 또는 RNA, 또는 DNA 올리고뉴클레오티드, 또는 RNA 올리고뉴클레오티드일 수 있는 생물학적 샘플 중의 관심 생체분자 피분석물을 결정하기 위해 분석 방법에서 사용될 수 있다.A biosensor comprising a device provided herein may be, for example, a protein, such as an antigen or enzyme or peptide, a whole cell, a cell membrane component, a biological sample, which may be a nucleic acid, such as DNA or RNA, or a DNA oligonucleotide, or an RNA oligonucleotide. It can be used in an analytical method to determine a biomolecule of interest in an analyte.

이러한 방법에서, 국소 pH 또는 이온 농도 구배는 다중 부위 어레이 바이오센서의 다양한 시험 부위에서 수득될 수 있다. 작동 전극에서, 특히 바이오센서의 다중 부위 어레이의 서브세트 위에서 생체분자 계면 층의 (생체분자) 프로브 부근에서 국소 pH 및/또는 이온 농도 구배의 변동은 (생체분자) 프로브와 생물학적 샘플로부터 시험할 피분석물의 결합 효율의 조절을 가능하게 한다. 이어서, 관심 피분석물은 (생체분자) 프로브에 결합시 예를 들어 표지된 이차 항체와 같은 검출제를 사용하여 검출될 수 있다. 다중 부위 어레이의 서브세트에서 결합 효율의 조절은 이러한 관심 피분석물의 정확한 결정 방법을 제공한다.In this method, local pH or ion concentration gradients can be obtained at various test sites of a multi-site array biosensor. At the working electrode, especially in the vicinity of the (biomolecular) probe in the biomolecular interfacial layer over a subset of the multi-site array of biosensors, fluctuations in the local pH and/or ionic concentration gradients can be detected from the (biomolecular) probes and the biological sample to be tested. It allows control of the binding efficiency of analytes. The analyte of interest can then be detected upon binding to the (biomolecule) probe using a detection agent such as, for example, a labeled secondary antibody. Modulation of the binding efficiency in a subset of multi-site arrays provides a method for accurate determination of these analytes of interest.

본원에 제공된 디바이스를 포함하는 반응 용기는 예를 들어 단백질, 예컨대 펩티드, 또는 핵산, 예컨대 DNA 또는 RNA, DNA 올리고뉴클레오티드, RNA 올리고뉴클레오티드, 또는 단백질 및 핵산 접합체, 또는 유기 화합물, 예컨대 중합체 또는 약제일 수 있는 화합물의 라이브러리를 생성하기 위한 분석 방법에서 사용될 수 있다.A reaction vessel comprising a device provided herein can be, for example, a protein, such as a peptide, or a nucleic acid, such as DNA or RNA, a DNA oligonucleotide, an RNA oligonucleotide, or a protein and nucleic acid conjugate, or an organic compound, such as a polymer or a drug. It can be used in an analytical method to generate a library of compounds with

이러한 방법에서, 국소 pH 또는 이온 농도 구배는 다중 부위 어레이의 다양한 부위에서 수득될 수 있다. 작동 전극에서, 특히 다중 부위 어레이의 서브세트 위에서 생체분자 계면 층의 (생체분자) 프로브 또는 표면에 결합된 반응물 부근에서 국소 pH 및/또는 이온 농도 구배의 변동은 (생체분자) 프로브와 생물학적 샘플로부터 시험할 피분석물의 결합 효율의 조절 또는 반응물의 반응 속도의 조절을 가능하게 한다. 이어서, 일부 예에서, 관심 피분석물은 (생체분자) 프로브에 결합시 예를 들어 표지된 이차 항체와 같은 검출제를 사용하여 검출될 수 있다. 다중 부위 어레이의 서브세트에서 결합 효율의 조절은 이러한 관심 피분석물의 정확한 결정 방법을 제공한다. 일부 예에서, 작동 전극 근처에서 촉진된 반응으로부터 생성된 관심 생성물은 추가의 반응에 의해 표면으로부터 방출될 수 있다.In this method, local pH or ion concentration gradients can be obtained at various sites of a multi-site array. At the working electrode, especially in the vicinity of a reactant bound to a (biomolecular) probe or surface of a biomolecular interfacial layer on a subset of a multisite array, fluctuations in the local pH and/or ion concentration gradient from the (biomolecular) probe and the biological sample It allows control of the binding efficiency of the analyte to be tested or control of the reaction rate of the reactants. In some instances, the analyte of interest may then be detected upon binding to the (biomolecule) probe, using a detection agent such as, for example, a labeled secondary antibody. Modulation of the binding efficiency in a subset of multi-site arrays provides a method for accurate determination of these analytes of interest. In some instances, the product of interest resulting from a reaction promoted near the working electrode may be released from the surface by further reaction.

전극 각각은 디바이스, 예를 들어 금속 산화물, 유리상 탄소, 그래핀, 금속, 금, 은, 백금, 전도성 중합체, 염화은, 표준 수소, 수은 방울, 포화된 칼로멜, 또는 이들의 조합물의 의도된 목적에 적합한 임의의 전극일 수 있다. 바이오센서의 경우, 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 금, 은 전극, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 본원에 기재된 방법에서 바이오센서에서 전극은 인듐 주석 산화물(ITO) 전극이다.Each of the electrodes is suitable for the intended purpose of the device, such as a metal oxide, glassy carbon, graphene, metal, gold, silver, platinum, conducting polymer, silver chloride, standard hydrogen, mercury drops, saturated calomel, or combinations thereof. It can be any electrode. For biosensors, the electrodes may include indium tin oxide (ITO), gold, silver electrodes, or combinations thereof. In a preferred embodiment, the electrode in the biosensor in the methods described herein is an indium tin oxide (ITO) electrode.

pH 감지 소자는 pH를 감지하는데 적합한 임의의 소자일 수 있으며, 예를 들어 전계-효과 트랜지스터, 중합체 반도체, 금속 전극, 무기 전극, 유기 전극, 및 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 인듐 주석 산화물 및 이온-선택적인 중합체를 포함하는 pH 민감성 코팅 물질을 포함하는 1종 이상의 전기 성분의 조합물에 의해 형성될 수 있다. 일부 예에서, 각각의 부위에서 pH는 pH 민감성 형광 단백질의 형광 강도에 의해 결정된다.The pH sensing element can be any element suitable for sensing pH, such as field-effect transistors, polymer semiconductors, metal electrodes, inorganic electrodes, organic electrodes, and polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, indium tin oxide and ion- It may be formed by a combination of one or more electrical components comprising a pH sensitive coating material comprising a selective polymer. In some instances, the pH at each site is determined by the fluorescence intensity of a pH-sensitive fluorescent protein.

작동 전극과 접촉하는 용액은 디바이스, 예를 들어 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 용액, 또는 이들의 혼합물의 의도된 목적에 적합한 임의의 용액일 수 있다. 일부 예에서, 용액은 1종 이상의 산화환원 활성 종을 함유한다. 산화환원 활성 종은 디바이스, 예컨대 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물의 의도된 목적에 적합한 임의의 종일 수 있다. 용액은 물, 완충제 억제제, 프로브, 표적, 반응물, 현탁된 입자, 리포팅 분자, 효소, 기질, 세포, 바이러스, 용매, 공용매, 촉매 등을 함유할 수 있다. 일부 예에서, 용액은 생물학적 샘플이다. 일부 예에서, 용액은 pH 민감성 형광 단백질, 예컨대 녹색 형광 단백질(GFP)을 함유한다. 일부 예에서, 용매 또는 공용매는 물, 아세토니트릴, 디메틸 술폭시드(DMSO), 디메틸 포름아미드(DMF), 및/또는 N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc)이다. 일부 예에서, 용액은 완충제, 예컨대 인산염 완충제를 함유한다. 일부 예에서, 용액은 전해질, 예컨대 염, 예컨대 황산나트륨, 염화나트륨, 또는 염화칼륨을 함유한다. 일부 예에서, 용액 중 물의 양은 0.0001 중량% 내지 100 중량%, 예컨대 0.001, 0.01, 0.1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99, 99.9 중량%, 또는 그의 또는 그들 사이의 임의의 범위 또는 백분율일 수 있다.The solution in contact with the working electrode may be any solution suitable for the intended purpose of the device, eg buffered, unbuffered, aqueous, organic solution, or mixtures thereof. In some instances, the solution contains one or more redox active species. The redox active species can be any species suitable for the intended purpose of the device, such as quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. Solutions may contain water, buffer inhibitors, probes, targets, reactants, suspended particles, reporting molecules, enzymes, substrates, cells, viruses, solvents, co-solvents, catalysts, and the like. In some examples, the solution is a biological sample. In some examples, the solution contains a pH sensitive fluorescent protein, such as green fluorescent protein (GFP). In some examples, the solvent or cosolvent is water, acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), and/or N,N-dimethyl acetamide (DMAc). In some instances, the solution contains a buffer, such as a phosphate buffer. In some examples, the solution contains an electrolyte, such as a salt, such as sodium sulfate, sodium chloride, or potassium chloride. In some examples, the amount of water in the solution is between 0.0001% and 100% by weight, such as 0.001, 0.01, 0.1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30 , 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99, 99.9% by weight, or any range or percentage therebetween. can be

지지체는 디바이스, 예를 들어 패턴화된 전극을 가질 수 있는 물질의 의도된 목적에 적합한 임의의 지지체일 수 있다. 표면은 물질, 예컨대 유리 슬라이드, 플라스틱 플레이트, 실리콘 웨이퍼, 유리 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 가요성 플라스틱 시트, 중합체 층, 종이, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 지지체는 그 위에 또는 그 안에 1개 이상의 전극, 센서, 전자석, 1종 이상의 고정된 검출제를 갖는 계면 층, 프로브, 반응물, 효소, 세포, 촉매, 세포, 바이러스, 기질, 리포팅 분자 등을 함유할 수 있다. 일부 예에서, 표면은 그 위에 고정된 pH 민감성 형광 단백질, 예컨대 녹색 형광 단백질(GFP)을 갖는다. 일부 예에서, 지지체는 PEG로 코팅된다. 표면 및 그 위에 또는 그 안에 함유된 것은 상이한 표적의 검출 또는 상이한 생성물의 생성을 용이하게 하기 위해 부위마다 다를 수 있다.The support can be any support suitable for the intended purpose of the device, for example a material that can have patterned electrodes. The surface can be a material such as a glass slide, plastic plate, silicon wafer, glass wafer, quartz wafer, flexible plastic sheet, polymer layer, paper, or mixtures thereof. The support may contain on or therein one or more electrodes, sensors, electromagnets, interfacial layers with one or more immobilized detection agents, probes, reactants, enzymes, cells, catalysts, cells, viruses, substrates, reporting molecules, etc. can In some instances, the surface has a pH sensitive fluorescent protein, such as green fluorescent protein (GFP), immobilized thereon. In some examples, the support is coated with PEG. The surface and what is contained on or within it can be site-to-site to facilitate detection of different targets or production of different products.

생체분자 피분석물은 임의의 적합한 검출 방법을 이용하여 검출될 수 있다. 이러한 피분석물의 공지된 검출 방법에는 발광, 형광, 비색 분석 방법, 전기화학적 방법, 임피던스 측정, 또는 자기 유도 측정이 포함된다. 이러한 다양한 방법에서, 피분석물은 고정된 생체분자 프로브에 결합하고, 예를 들어 고정된 프로브에 결합된 피분석물에 특이적으로 결합하는 이차 표지된 프로브와 같은 검출제가 도입된다. 이 검출제 또는 이차 표지된 프로브는 예를 들어 발광 또는 형광과 같은 검출가능한 신호를 발생시킬 수 있다.A biomolecular analyte may be detected using any suitable detection method. Known methods for detecting such analytes include luminescence, fluorescence, colorimetric methods, electrochemical methods, impedance measurements, or magnetic induction measurements. In these various methods, an analyte binds to an immobilized biomolecule probe and a detection agent is introduced, such as a secondary labeled probe that specifically binds to the analyte bound to the immobilized probe. This detecting agent or secondary labeled probe can generate a detectable signal such as, for example, luminescence or fluorescence.

분석 방법, 예컨대 생체분자 프로브 검출 및 화학 반응에서, 생체분자 프로브 또는 반응물을 둘러싸는 용액의 pH는 프로브와 피분석물 사이의 결합/활성에 상당한 정도로 또는 반응 속도에 영향을 미치는 것으로 공지되었다. 다른 이온의 농도 또한 결합/활성/반응에 큰 영향을 미칠 수 있다. 작동 전극의 가까이에서 프로브 또는 반응물 부근에서 pH 및/또는 이온 농도를 조절하는 디바이스 및 방법이 본원에 제공된다. 작동 전극 근처에서 pH의 조절은 또한 프로브 또는 의도된 반응물 이외의 다른 분자에 대한 피분석물과 반응물의 비-특이적인 상호작용, 및 용액 중 다른 분자와 프로브, 피분석물 또는 반응물의 상호작용에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, pH 또는 이온 농도의 조절은 임의의 표면 화학, 예컨대 다중 부위 어레이의 부위에서 고체 지지체에 생체분자 프로브 또는 반응물을 고정시키는 것을 손상시키지 않도록 제어될 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법은 프로브 또는 반응물의 환경에서 pH/이온 농도 변화에 영향을 미치면서 이들 표면 화학을 보호할 수 있다.In analytical methods such as biomolecular probe detection and chemical reactions, the pH of the solution surrounding the biomolecule probe or reactant is known to affect the reaction rate or to a significant extent the binding/activity between the probe and analyte. Concentrations of other ions can also greatly affect binding/activity/reaction. Devices and methods for adjusting pH and/or ion concentration in the vicinity of a probe or reactant in proximity of a working electrode are provided herein. Adjustment of the pH near the working electrode also affects non-specific interactions of the analyte and reactant with respect to molecules other than the probe or intended reactant, and interactions of the probe, analyte, or reactant with other molecules in solution. can affect However, adjustment of pH or ion concentration can be controlled so as not to impair any surface chemistry, such as immobilization of biomolecular probes or reactants to a solid support at the site of a multisite array. Methods of adjusting the pH or ion concentration as described herein can protect these surface chemistries while affecting pH/ion concentration changes in the environment of the probe or reactant.

본원에 기재된 방법이 실시될 때 표면 화학 적합성이 고려될 수 있다. pH 변화는 수소 이온 또는 히드록실 이온 농도의 변화에 의해 유발된다. 도 5에 도시된 바와 같이 전극-액체, 전극-가교제, 가교제-단백질, 및 단백질-단백질 계면에서 발생하는 다양한 화학 반응은 또한 고체 표면 근처에서 발생하는 pH 변화를 방해하기 시작하여 그들 위에 있는 프로브 또는 반응물에 도달할 수 있다. 이들은 이온에 대한 확산 장벽으로 작용할 수 있고, 프로브, 피분석물 및 반응물 주변의 pH 변화를 방해할 수 있다. 본원에 기재된 pH 또는 이온 농도를 조절하는 이들 방법은 표면 화학에 의해 부여된 임의의 확산 장벽을 극복할 수 있도록 수소 또는 히드록실 이온 농도의 변화를 최대화하는데 도움이 된다.Surface chemistry compatibility can be considered when the methods described herein are practiced. Changes in pH are caused by changes in the concentration of hydrogen ions or hydroxyl ions. As shown in Figure 5, the various chemical reactions occurring at the electrode-liquid, electrode-crosslinker, crosslinker-protein, and protein-protein interfaces also begin to interfere with pH changes occurring near the solid surface, causing the probe or reactants can be reached. They can act as a diffusion barrier for ions and can interfere with pH changes around the probe, analyte, and reactant. These methods of controlling pH or ion concentrations described herein help maximize changes in hydrogen or hydroxyl ion concentrations to overcome any diffusion barriers imposed by surface chemistry.

또 다른 중요한 양태는 고체 계면과 접촉하는 용액의 완충 용량이다. 완충 효과는 계면에서의 pH 변화가 그로부터 멀리 고정된 프로브 또는 반응물에 절대 도달하지 않을 정도로 충분히 클 수 있다. 거리는 고체 계면의 상단에 침착된 계면 층을 기반으로 하여 달라질 수 있다. 이러한 계면 층은 300 nm 이하, 바람직하게는 1-150 nm, 훨씬 더 바람직하게는 5-100 nm의 두께를 가질 수있다. 따라서, 고체 계면과 계면 층 내의 프로브 또는 반응물 사이의 거리는 0.1-300 nm의 범위일 수 있다. 상호작용하는 프로브-피분석물 쌍 또는 반응물에 도달하기 위해 전극 계면 상의 pH 변화를 확장시키는 용액 중에서 또는 표면 상에서 완충제 억제제의 사용은 프로브 및/또는 반응물 부근에서 pH 또는 이온 농도를 조절하는데 기여할 수 있다.Another important aspect is the buffering capacity of the solution in contact with the solid interface. The buffering effect can be sufficiently large that the pH change at the interface never reaches the immobilized probe or reactant away from it. The distance may vary based on the interfacial layer deposited on top of the solid interface. Such an interfacial layer may have a thickness of 300 nm or less, preferably 1-150 nm, even more preferably 5-100 nm. Thus, the distance between the solid interface and the probes or reactants in the interfacial layer may be in the range of 0.1-300 nm. The use of a buffer inhibitor in solution or on a surface that extends the pH change on the electrode interface to reach the interacting probe-analyte pair or reactant can serve to control the pH or ion concentration in the vicinity of the probe and/or reactant. .

다음은 고체-액체 계면에서 pH/이온 농도를 조절하는 방법의 예이다. 이들은 다음을 포함한다: 1) 전기화학적 산화/환원시 관심 이온(예를 들어, H+, Mg+, OH-)을 생성하는 용액에 전기화학적 활성 종을 첨가함으로써 전극 표면에서 이온의 전기화학적 생성; 2) 효소와 반응하는 효소 기질로부터 이러한 관심 이온을 방출하는 관심 부위에 효소를 가깝게 함; 3) 예를 들어 용액 중 이온(예를 들어, 인산염)의 확산 속도를 선택적으로 감소시키는 중합체를 혼합함으로써 완충제 억제제의 도입. 미국 특허 번호 7,948,015는 작은 국소 pH 변화의 측정이 관심의 대상인 적용을 위해(예를 들어, DNA 시퀀싱에서) 이러한 억제제의 사용을 기재한다. 그러나, pH를 국소적으로 조절하는 방법에서, 국소 pH 변화를 전극-액체 계면으로부터 더 멀리 확장시키기 위해 유사한 억제제를 사용할 수 있음; 및 4) 정전기력으로 인해 전극 표면 근처에서 이미 존재하는 이온의 재분배.The following is an example of how to control the pH/ion concentration at the solid-liquid interface. These include: 1) Electrochemical generation of ions at the electrode surface by adding electrochemically active species to a solution which upon electrochemical oxidation/reduction produces the ion of interest (eg H + , Mg + , OH - ) ; 2) bringing the enzyme close to the site of interest releasing these ions of interest from the enzyme substrate reacting with the enzyme; 3) Incorporation of buffer inhibitors, for example by mixing polymers that selectively reduce the rate of diffusion of ions (e.g., phosphates) in solution. US Patent No. 7,948,015 describes the use of such inhibitors for applications where measurement of small local pH changes is of interest (eg, in DNA sequencing). However, in methods of locally adjusting the pH, similar inhibitors can be used to extend the local pH change further away from the electrode-liquid interface; and 4) redistribution of ions already present near the electrode surface due to electrostatic forces.

본원에 기재된 바와 같이 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법의 한 실시양태에서, 전기화학적 활성제를 다중 부위 어레이의 부위에서 용액에 첨가하며, 상기 부위는 프로브, 검출제 또는 반응물을 포함하고 전기화학적 활성제를 산화 또는 환원시키는 계면 층을 갖는다. 전기화학적 활성제는 1 nM 내지 100 mM의 농도, 바람직하게는 10 nM 내지 10 mM의 농도, 더욱 바람직하게는 100 nM 내지 5 mM의 농도로 첨가될 수 있다. 전기화학적 활성제는 (Ag/AgCl 기준 전극에 비해) -2V 내지 +2V의 범위의 전극 전위에서 전기-산화 또는 전기-환원될 수 있다. 바람직하게는 전극 전위는 -1V 내지 +1V의 범위이고, 훨씬 더 바람직하게는 전극 전위는 -0.5V 내지 +0.5V의 범위이다. 산화환원 반응을 유도하기 위해 필요한 전압은 전극 표면에서 생성된 pH를 모니터링하기 위해 실시간 피드백 방법으로서 사용될 수 있다.In one embodiment of the method of adjusting the pH or ion concentration as described herein, an electrochemically active agent is added to a solution at a site of a multi-site array, said site comprising a probe, detection agent or reactant and comprising an electrochemically active agent It has an interfacial layer that oxidizes or reduces. The electrochemically active agent may be added at a concentration of 1 nM to 100 mM, preferably at a concentration of 10 nM to 10 mM, more preferably at a concentration of 100 nM to 5 mM. Electrochemically active agents can be electro-oxidized or electro-reduced at electrode potentials ranging from -2V to +2V (relative to the Ag/AgCl reference electrode). Preferably the electrode potential is in the range of -1V to +1V, even more preferably the electrode potential is in the range of -0.5V to +0.5V. The voltage required to drive the redox reaction can be used as a real-time feedback method to monitor the pH produced at the electrode surface.

본원에 제공된 디바이스는 각각의 시험 부위에서 pH를 조절하기 위해 용액에서 다중 부위의 이러한 어레이를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 이는 생물학적 샘플에서 관심 생체분자 피분석물의 존재 및 농도를 결정하기 위해 또는 다단계 화학 반응을 용이하게 하기 위해 사용된다. 이러한 사용에서, 디바이스는 인산염 완충제, 바람직하게는 묽은 인산염 완충제(바람직하게는 0.1 mM 내지 100 mM의 농도를 가짐)를 포함하는 용액과 접촉할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 묽은 인산염 완충제의 pH는 5 내지 8, 바람직하게는 7 내지 8, 더욱 바람직하게는 7 내지 7.5이다.Devices provided herein may include such an array of multiple sites in solution to adjust the pH at each test site. In some instances, it is used to determine the presence and concentration of a biomolecular analyte of interest in a biological sample or to facilitate multi-step chemical reactions. In this use, the device may be contacted with a solution comprising a phosphate buffer, preferably a dilute phosphate buffer (preferably having a concentration of 0.1 mM to 100 mM). In a preferred embodiment, the pH of the dilute phosphate buffer is between 5 and 8, preferably between 7 and 8, more preferably between 7 and 7.5.

1개 이상의 작동 전극에서 전기화학 반응에 의해 본원에 기재된 디바이스 상에서 pH 또는 이온 농도의 조절은 정전류적 모드 또는 정전위적 모드로 수행될 수 있다. 추가로, 임의의 유형의 전기 펄스가 pH를 조절하는 방법에서 디바이스의 전극에 인가될 수 있다. 이러한 펄스는 어닐링 펄스의 형태일 수 있고, 펄스 빈도, 펄스 폭 및 펄스 형상에 의해 달라질 수 있다. 어닐링 펄스에서, pH를 변화시키기 위해 충분한 전압이 인가되어, 비-공유 결합된 분자가 디바이스로부터 제거된다. 이러한 어닐링 펄스는 비-공유 결합 물질을 제거하기 위해 샘플 또는 반응물 용액과 처음 접촉한 후 기판을 세척할 필요성을 제거하거나 또는 감소시킨다. 또 다른 이점은 어닐링 펄스가 단순 세척에 비해 디바이스로부터 이러한 비-공유 결합 물질을 제거하는데 더 효율적일 수 있다는 것이다. pH 조절에 바람직한 펄스 폭은 1 나노초 내지 60 분의 범위이다.Adjustment of pH or ion concentration on a device described herein by an electrochemical reaction at one or more working electrodes can be performed in a galvanostatic or potentiostatic mode. Additionally, electrical pulses of any type may be applied to the electrodes of the device in a method for adjusting the pH. These pulses may be in the form of annealing pulses and may vary by pulse frequency, pulse width and pulse shape. In the annealing pulse, a voltage sufficient to change the pH is applied so that non-covalently bound molecules are removed from the device. This annealing pulse eliminates or reduces the need to clean the substrate after initial contact with the sample or reactant solution to remove non-covalently bound materials. Another advantage is that an annealing pulse can be more efficient in removing these non-covalently bound materials from the device than simple cleaning. Preferred pulse widths for pH control range from 1 nanosecond to 60 minutes.

용액은 예를 들어 황산나트륨과 같은 1종 이상의 전해질, 또는 임의의 다른 적합한 강한 전해질을 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전해질은 황산나트륨, 염화나트륨 또는 염화칼륨, 브로민화나트륨 또는 브로민화칼륨, 아이오딘화나트륨 또는 아이오딘화칼륨, 과염소산나트륨 또는 과염소산칼륨, 질산나트륨 또는 질산칼륨, 테트라알킬암모늄 브로마이드 및 테트라알킬암모늄 아이오다이드로부터 선택된다. 완충제-억제제 또한 용액에서 사용될 수 있다. 적합한 완충제 억제제는 폴리(알릴아민 히드로클로라이드), 폴리 (디알릴디메틸 암모늄 클로라이드), 폴리(비닐피로리돈), 폴리(에틸렌이민), 폴리(비닐아민), 폴리(4-비닐피리딘) 및 트리스(2-카르복시에틸)포스핀 히드로클로라이드로부터 선택될 수 있다. 미국 특허 출원 일련 번호 13/543,300에 기재된 바와 같이 pH를 조절하는 방법에서 사용될 때, 수성 용액은 바람직하게는 아세토니트릴, 디메틸 술폭시드(DMSO), 디메틸 포름아미드(DMF), N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 수혼화성 유기 공용매를 또한 포함한다.The solution may further contain one or more electrolytes, such as sodium sulfate, for example, or any other suitable strong electrolyte. Preferably, the electrolyte is sodium sulfate, sodium or potassium chloride, sodium or potassium bromide, sodium or potassium iodide, sodium or potassium perchlorate, sodium or potassium nitrate, tetraalkylammonium bromide and tetraalkylammonium selected from iodides. Buffer-inhibitors may also be used in solution. Suitable buffer inhibitors include poly(allylamine hydrochloride), poly(diallyldimethyl ammonium chloride), poly(vinylpyrrolidone), poly(ethylenimine), poly(vinylamine), poly(4-vinylpyridine) and tris( 2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride. When used in a method for adjusting the pH as described in U.S. Patent Application Serial No. 13/543,300, the aqueous solution is preferably acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), N,N-dimethyl acetic acid. Also included are water-miscible organic co-solvents selected from the group consisting of amides (DMAc), and mixtures thereof.

적합한 전기화학적 활성제에는 도파민 히드로클로라이드, 아스코르브산, 페놀 및 유도체, 벤조퀴논 및 유도체, 예를 들어, 2,5-디히드록시-1,4-벤조퀴논, 2,3,5,6-테트라히드록시-1,4-벤조퀴논 및 2,6-디클로로퀴논-4-클로로이미드; 나프토퀴논 및 유도체, 예를 들어, 히드록시-1,4-나프토퀴논, 5,8-디히드록시-1,4-나프토퀴논, 및 칼륨 1,4-나프토퀴논-2-술포네이트; 및 9,10-안트라퀴논 및 유도체, 예를 들어, 나트륨 안트라퀴논-2-카르복실레이트, 칼륨 9,10-안트라퀴논-2,6-디술포네이트가 포함된다. 바람직하게는 수성 용액 중에서 전기화학적 활성제의 농도는 1 nM 내지 100 mM이다.Suitable electrochemically active agents include dopamine hydrochloride, ascorbic acid, phenol and derivatives, benzoquinone and derivatives such as 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone, 2,3,5,6-tetrahydride hydroxy-1,4-benzoquinone and 2,6-dichloroquinone-4-chloroimide; Naphthoquinone and derivatives such as hydroxy-1,4-naphthoquinone, 5,8-dihydroxy-1,4-naphthoquinone, and potassium 1,4-naphthoquinone-2-sulfo Nate; and 9,10-anthraquinone and derivatives such as sodium anthraquinone-2-carboxylate, potassium 9,10-anthraquinone-2,6-disulfonate. Preferably the concentration of the electrochemically active agent in the aqueous solution is between 1 nM and 100 mM.

용액 중에서 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법의 또 다른 실시양태에서, 효소는 계면 층 또는 자성 입자에서 고정된다. 계면 층 또는 자성 입자는 또한 그 안에 또는 그 위에 1개 이상의 고정된 생체분자 프로브 또는 반응물을 가질 수 있다. 이어서, 다중 부위 어레이의 부위에서 용액에 효소 기질을 첨가하고, 상기 부위는 계면 층을 갖고, 효소 기질을 효소적으로 산화시킨다.In another embodiment of the method of adjusting pH or ion concentration in a solution, the enzyme is immobilized in an interfacial layer or magnetic particle. The interfacial layer or magnetic particle may also have one or more immobilized biomolecular probes or reactants therein or thereon. An enzyme substrate is then added to the solution at a site of the multi-site array, which site has an interfacial layer, and enzymatically oxidizes the enzyme substrate.

계면 층에서 또는 자성 마이크로- 또는 나노-입자 상에서 고정화에 적합한 효소에는 예를 들어 옥시다제, 우레아제, 또는 데히드로게나제가 포함된다. 이러한 고정된 옥시다제는 예를 들어 효소 기질이 글루코스인 글루코스 옥시다제일 수 있다(도 6에 도시됨). 고정된 효소 및 첨가된 효소 기질의 양은 다중 부위 어레이에서 pH 또는 이온 농도 구배를 제공하도록 다중 부위 어레이의 상이한 부위에서 달라질 수 있다.Enzymes suitable for immobilization in the interfacial layer or on magnetic micro- or nano-particles include, for example, oxidase, urease, or dehydrogenase. Such immobilized oxidases can be, for example, glucose oxidases where the enzyme substrate is glucose (shown in Figure 6). The amount of immobilized enzyme and added enzyme substrate can be varied at different sites of the multi-site array to provide a pH or ion concentration gradient in the multi-site array.

대안적으로 효소는 계면 층에 또는 자성 마이크로- 또는 나노-입자 상에 고정되는 상기 방법에서와 같이 고체 표면 상에 고정되지 않고, 다중 부위 어레이의 부위에서 용액에 첨가된다. 전기분해를 통해, 효소는 전극 표면에서 산화환원 반응을 겪고, 국소 pH를 교란시킨다.Alternatively, the enzyme is added to the solution at the site of the multi-site array, rather than being immobilized on a solid surface as in the above methods immobilized on an interfacial layer or on magnetic micro- or nano-particles. Through electrolysis, the enzyme undergoes a redox reaction at the electrode surface and perturbs the local pH.

이들 각각의 실시양태에서, pH 또는 이온 농도는 완충제 억제제를 용액에 첨가함으로써 추가로 조절될 수 있다. 완충제 억제제의 이러한 첨가는 제공된 관심 이온을 프로브, 반응물, 검출제의 위치로 확산시키는 것을 돕거나, 또는 첨가는 이러한 제공된 이온과 완충 염 사이의 상호작용을 억제한다. 대안적으로, 본원에 기재된 pH 또는 이온 농도를 조절하는 방법에서, 완충제 억제제는 전기화학적 활성제 또는 고정된 효소의 부재하에 부위의 용액에 첨가된다. 이러한 실시양태에서, 완충제 억제제는 용액에 첨가되고, 부위의 작동 전극에서 생성된 H+ 이온 또는 OH- 이온의 확산을 용이하게 하거나, 또는 H+ 이온 또는 OH- 이온과 완충 염 사이의 상호작용을 억제한다.In each of these embodiments, the pH or ionic concentration can be further adjusted by adding a buffer inhibitor to the solution. Such addition of a buffer inhibitor helps diffuse a given ion of interest into the location of a probe, reactant, detector, or the addition inhibits an interaction between such a given ion and a buffer salt. Alternatively, in the methods of adjusting pH or ionic concentration described herein, a buffer inhibitor is added to a solution at a site in the absence of an electrochemical active agent or immobilized enzyme. In this embodiment, the buffer inhibitor is added to the solution and either facilitates the diffusion of H + ions or OH - ions generated at the working electrode of the site, or prevents interactions between H + ions or OH - ions and the buffer salt. restrain

적합한 완충제 억제제에는 폴리(알릴아민 히드로클로라이드), 폴리 (디알릴디메틸 암모늄 클로라이드), 폴리(비닐피롤리돈), 폴리(에틸렌이민), 폴리(비닐아민), 폴리(4-비닐피리딘) 및 트리스(2-카르복시에틸)포스핀 히드로클로라이드로부터 선택된 가용성 중합체가 포함된다. 첨가된 완충제 억제제의 양은 다중 부위 어레이에서 pH 또는 이온 농도 구배를 제공하도록 다중 부위 어레이의 각각의 서브세트에서 상이한 부위에서 달라질 수 있다.Suitable buffer inhibitors include poly(allylamine hydrochloride), poly(diallyldimethyl ammonium chloride), poly(vinylpyrrolidone), poly(ethylenimine), poly(vinylamine), poly(4-vinylpyridine) and tris. soluble polymers selected from (2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride. The amount of buffer inhibitor added can be varied at different sites in each subset of the multi-site array to provide a pH or ion concentration gradient in the multi-site array.

부위의 다중 부위 어레이에서 pH를 조절하는 방법이 바이오센서 또는 반응기에서 사용될 때, 각각의 부위에서 pH 조절의 정확성, 신뢰성 및 재현성이 중요하다. 그러나, 각각의 부위에서 pH 조절은 후속적인 사용에 따라 달라질 수 있다. 샘플에서 관심 피분석물의 양을 정확하게 결정하거나 또는 상기 기재된 디바이스 및 방법을 이용하여 반응 조건을 정확하게 준비하기 위해, 각각의 부위에서 pH는 정확하게 조절되거나 또는 제어되어야 한다. 본원에 제공된 디바이스는 각각의 부위에서 pH의 정확한 결정 및 제어를 가능하게 한다.When a method of controlling pH in a multi-site array of sites is used in a biosensor or reactor, accuracy, reliability and reproducibility of pH control at each site are important. However, pH control at each site may vary depending on subsequent use. In order to accurately determine the amount of an analyte of interest in a sample or to accurately prepare reaction conditions using the devices and methods described above, the pH at each site must be accurately adjusted or controlled. The devices provided herein enable accurate determination and control of pH at each site.

전극(작동 전극)이 다중 부위 어레이의 특정한 부위에서 pH 조절을 일으킬 때, pH 센서는 전극에서 pH의 감지를 가능하게 한다. 한 예에서, 형광 단백질의 형광 강도는 센서에 의해 사용된다. 형광 강도는 pH 조절로 인해 변할 수 있다. 형광 단백질의 형광 강도의 변화는 pH 변화에 비례할 수 있다(예를 들어, pH와 형광 강도 사이에 선형 관계가 있을 때). 따라서, 도 10에 또한 도시된 바와 같이, 임의의 시점에서 각각의 위치에서 pH 값은 형광 단백질의 형광 강도를 pH와 상관시킴으로서 용이하게 수득될 수 있다. pH와 형광 강도 사이의 상관관계의 정확한 보정은 디바이스를 사용하기 전에 또는 동안에 수행될 수 있다. 바람직하게는, 형광 단백질은 녹색 형광 단백질, 황색 형광 단백질, 및 시안 형광 단백질로부터 선택된다. 더욱 바람직하게는, 형광 단백질은 고정된 녹색 형광 단백질(GFP)이다. 대안적인 실시양태에서, pH 민감성 염료는 pH 민감성 형광 단백질 대신에 사용될 수 있다. 또 다른 대안적인 실시양태에서, pH 민감성 결합 단백질이 사용될 수 있다.When an electrode (the working electrode) causes a pH adjustment at a specific site of the multi-site array, the pH sensor enables sensing of the pH at the electrode. In one example, the fluorescence intensity of a fluorescent protein is used by a sensor. Fluorescence intensity can change due to pH adjustment. A change in fluorescence intensity of a fluorescent protein can be proportional to a change in pH (eg, when there is a linear relationship between pH and fluorescence intensity). Thus, as also shown in FIG. 10, the pH value at each position at any time point can be easily obtained by correlating the fluorescence intensity of a fluorescent protein with pH. An accurate calibration of the correlation between pH and fluorescence intensity can be performed before or during use of the device. Preferably, the fluorescent protein is selected from green fluorescent protein, yellow fluorescent protein, and cyan fluorescent protein. More preferably, the fluorescent protein is immobilized green fluorescent protein (GFP). In an alternative embodiment, a pH-sensitive dye may be used in place of a pH-sensitive fluorescent protein. In another alternative embodiment, pH sensitive binding proteins may be used.

부위의 다중 부위 어레이에서, pH 센서는 표면 상에서 전극에 의해 또한 커버되는 영역 및 전극에 의해 커버되지 않는 영역을 커버할 수 있다. pH 센서에 의해 커버되는 전극은 작동 전극 또는 상대 전극이다. 바람직하게는, pH 센서는 별개의 스폿에서 표면 상에 적용되며, 각각의 스폿은 도 12a에 도시된 바와 같이 단지 1개의 부위 및 전극에 의해 커버되지 않는 영역과 중첩된다. pH가 전극에 의해 조절되지 않을 때, 전극에 의해 커버되지 않는 영역 상에서 pH 센서의 존재는 pH 센서 출력의 결정을 가능하게 한다. 이 pH 센서 출력은 전극에 의한 pH 조절을 중단한 후에 pH 센서 출력이 그의 원래의 강도로 되돌아가는지 여부를 결정하는데 있어서 표준 및 대조군으로서 사용될 수 있다. 따라서, 전극 상에 또는 근처에 위치하지 않는 pH 센서는 신호 정규화를 위한 내부 기준으로서 사용될 수 있다.In a multi-site array of sites, the pH sensor can cover areas on the surface that are also covered by electrodes and areas not covered by electrodes. The electrode covered by the pH sensor is the working electrode or counter electrode. Preferably, the pH sensors are applied on the surface in discrete spots, each spot overlapping only one area and the area not covered by the electrode as shown in FIG. 12A. When the pH is not controlled by the electrode, the presence of the pH sensor on the area not covered by the electrode allows determination of the pH sensor output. This pH sensor output can be used as a standard and control in determining whether the pH sensor output returns to its original strength after discontinuation of pH control by the electrode. Thus, a pH sensor that is not located on or near the electrode can be used as an internal reference for signal normalization.

디바이스를 사용하는 동안에 보정이 수행되는 경우, 다중 부위 어레이 내의 1개 이상의 부위는 pH 상관관계에 대한 pH 센서 출력의 보정에 전념할 수 있다. pH가 이러한 부위에서 전극(작동 전극)에 의해 더 이상 조절되지 않는 경우, 전류가 전극을 통해 인가되기 전에 pH 센서 출력이 그의 강도로 되돌아갈 수 있다.If calibration is performed while using the device, one or more sites in the multi-site array may be dedicated to calibrating the pH sensor output for pH correlation. When the pH is no longer regulated by the electrode (working electrode) at this site, the pH sensor output can return to its strength before current is applied through the electrode.

디바이스는 1개 이상의 상대 전극 및 1개 이상의 작동 전극을 포함한다. 디바이스에서, 1개 이상의 전극은 다중 부위 어레이로 배열될 수 있고, 다중 부위 어레이의 각각의 부위는 작동 전극 및/또는 상대 전극을 포함할 수 있다. 전극은 디바이스, 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO), 금, 또는 은 전극의 의도된 목적에 적합한 임의의 전극일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 디바이스에서 전극은 인듐 주석 산화물(ITO) 전극이다. 대안적인 실시양태에서, 작동 전극은 인듐 주석 산화물 전극이고, 상대 전극(들)은 인듐 산화물 전극, 금 전극, 백금 전극, 은 전극, 및 탄소 전극으로부터 선택된다.The device includes at least one counter electrode and at least one working electrode. In the device, one or more electrodes may be arranged in a multi-site array, and each site of the multi-site array may include a working electrode and/or a counter electrode. The electrode may be any electrode suitable for the intended purpose of the device, for example an indium tin oxide (ITO), gold, or silver electrode. In a preferred embodiment, the electrode in the device is an indium tin oxide (ITO) electrode. In an alternative embodiment, the working electrode is an indium tin oxide electrode and the counter electrode(s) are selected from indium oxide electrodes, gold electrodes, platinum electrodes, silver electrodes, and carbon electrodes.

디바이스에서 전극은 pH를 조절하기 위해 또는 감지 전극으로서 또는 이들 둘 다를 위해 사용될 수 있다. 디바이스, 또는 디바이스를 사용하는 바이오센서에서, 1개 이상의 전극은 포고-핀을 통해 전자 기판에, z-축 접착제를 통해 호일 상의 칩에, 또는 기판 상의 칩에 연결될 수 있다. 전자 기판 또는 칩은 인쇄된 배터리, 기판에 결합된 소형 배터리, 기판 상의 코일을 사용하는 자기 커플링 전력 전송, 또는 기판 상의 코일을 사용하는 rf-커플링식 전력 전송에 의해 전력을 공급받을 수 있다.The electrodes in the device can be used to adjust the pH or as sensing electrodes or both. In a device, or a biosensor using a device, one or more electrodes may be connected to an electronic board via pogo-pins, to a chip on a foil via a z-axis adhesive, or to a chip on a substrate. An electronic board or chip may be powered by a printed battery, a small battery coupled to the board, magnetically coupled power transfer using a coil on the board, or rf-coupled power transfer using a coil on the board.

하기 설명은 일반적인 지식으로부터 이해되는 바와 같이 설명의 범위 내에서 변형될 수 있는 구체적인 실시양태의 예시이다. 도 9는 기판(1), 예를 들어 유리 또는 플라스틱을 포함하는 디바이스의 일부의 측면도를 도시한다. 1개 이상의 전극(2)은 생체분자 계면 층(10)으로 또한 커버되는 기판(1) 상에 커버된다. 생체분자 계면 층(10)은 고정된 PEG(3), 고정된 프로브(4) 및 녹색 형광 단백질 스폿 형태의 고정된 pH 민감성 형광 단백질(5)을 포함한다. GFP 스폿(5)은 전극(2) 및 전극에 의해 커버되지 않는 영역과 중첩된다. 전극(2) 및 GFP 스폿(5)은 디바이스 상에 다중 시험 부위를 제공하도록 다중 부위 어레이로 배열된다.The following description is an example of specific embodiments that can be modified within the scope of the description as understood from general knowledge. 9 shows a side view of a part of a device comprising a substrate 1, for example glass or plastic. One or more electrodes 2 are covered on a substrate 1 which is also covered with a biomolecular interfacial layer 10 . The biomolecular interfacial layer (10) includes immobilized PEG (3), an immobilized probe (4) and an immobilized pH-sensitive fluorescent protein (5) in the form of a green fluorescent protein spot. GFP spot 5 overlaps electrode 2 and the area not covered by the electrode. Electrodes 2 and GFP spots 5 are arranged in a multi-site array to provide multiple test sites on the device.

발광 분자에 의해 생성된 발광 신호의 위치는 발광 분자 자체의 위치를 직접적으로 제어함으로써 제어될 수 있다. 이는 예를 들어 발광 분자를 고정시키는 것을 포함한다. 그러나, pH 민감성 발광 분자를 갖는 전극 근처에서 용액의 pH를 제어하는 능력을 포함시킴으로써, 자유 부동 발광 분자에 의해 생성된 발광 신호의 위치 또한 제어될 수 있다.The position of the luminescent signal generated by the luminescent molecule can be controlled by directly controlling the position of the luminescent molecule itself. This includes, for example, immobilizing the luminescent molecule. However, by including the ability to control the pH of a solution near the electrode with the pH-sensitive luminescent molecule, the location of the luminescent signal produced by the free-floating luminescent molecule can also be controlled.

도 14는 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 pH를 제어하기 위한 예시적인 시스템(100)을 도시한다. 도 14에 도시된 예에서, 시스템(100)은 관심 물질을 함유하는 시험 용액이 배치되는 영역(11)을 포함하는 슬라이드(30), 제어 유닛(12) 및 전원(14)을 포함한다. 슬라이드(30)는 임의의 전기 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리는 전형적으로 이러한 목적을 위해, 그리고 영역(11), 제어 유닛(12) 및 전원(14)이 상부에 형성된 기판으로서 작용하기 위해 사용될 것이다. 유리는 가능하게는 첨가제와 함께 예를 들어 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있다. 대안적으로, 다른 유형의 실리케이트 유리가 사용될 수 있다.14 depicts an exemplary system 100 for controlling pH in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In the example shown in FIG. 14 , the system 100 includes a slide 30 comprising an area 11 in which a test solution containing a substance of interest is disposed, a control unit 12 and a power source 14 . Slide 30 may be formed of any electrically insulating material. For example, glass will typically be used for this purpose and to act as the substrate on which the region 11, control unit 12 and power source 14 are formed. The glass may be formed of, for example, silicon dioxide (SiO2), possibly with additives. Alternatively, other types of silicate glass may be used.

영역(11)은 pH를 제어하기 위해 사용되는 전극의 어레이를 포함한다. 예시적인 실시양태에서, 영역(11)에서 전극의 적어도 일부는 시험 용액의 pH 수준을 검출하기 위해 사용된다. (예를 들어, 앞서 언급된 미국 특허 출원 일련 번호 13/543,300은 바이오센서에서 pH 조절을 위한 전극의 사용을 기재하며, 상기 조절은 본원에서 논의된 전극을 사용하여 수행될 수 있음.)Region 11 contains an array of electrodes used to control pH. In an exemplary embodiment, at least a portion of the electrode in region 11 is used to detect the pH level of the test solution. (For example, the aforementioned U.S. Patent Application Serial No. 13/543,300 describes the use of an electrode for pH control in a biosensor, and the control can be performed using the electrodes discussed herein.)

도 15는 예시적인 전극 어레이의 상면도이며, 여기서 열 전극 X01 내지 X12의 세트는 서로 규칙적으로 이격된 거리로 배열된다. 행 전극 Y01 내지 Y09의 세트는 또한 규칙적으로 이격된 거리로 배열되고, 예를 들어 유리 개재 층에 의해 열 전극 X01 내지 X12와 분리된다. 각각의 전극은 pH 조절에서 사용하기 위해 1개 이상의 접촉 패드(31, 32)를 포함한다. 패드의 형상은 가변적이고, 예시적인 실시양태에서 실질적으로 사각형이다. 도 16은 예시적인 사각형-형상의 패드의 근접도를 도시한다. 도 17은 패드가 서로 맞물린 구조를 형성하여, 따라서 프레임-형상인 대안적인 실시양태를 도시한다.15 is a top view of an exemplary electrode array, wherein sets of column electrodes X01-X12 are arranged at regular spaced distances from each other. The set of row electrodes Y01 to Y09 are also arranged at regularly spaced distances and separated from the column electrodes X01 to X12, for example by a glass intervening layer. Each electrode includes one or more contact pads 31, 32 for use in pH control. The shape of the pad is variable and in an exemplary embodiment substantially rectangular. 16 shows a close-up view of an exemplary square-shaped pad. 17 shows an alternative embodiment in which the pads form an interdigitated structure, and thus are frame-shaped.

도 14에서 예시된 예에서, 제어 유닛(12)은 전극 어레이(11)에 전기적으로 연결되고, 어레이(11)가 pH 조절을 수행하도록 제어한다. 제어 유닛(12)은 예를 들어 마이크로프로세서 또는 특정 용도 집적 회로(ASIC)일 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 제어 유닛(12)은 예를 들어 포고 핀을 사용하여 슬라이드(30)에 탈착가능하게 연결된 전자 회로판 상에 위치한다. 제어 유닛(12)은 예를 들어 칩-온-글래스 처리를 이용하여 강직성 유리 기판에 직접적으로 결합된 패키지 칩 내에 위치할 수 있다. 대안적인 예시적인 실시양태에서, 슬라이드(30)는 가요성 호일-유형 기판으로 형성되고, 제어 유닛(12)은 칩이 특정 액정 디스플레이에 결합되는 방식과 유사한 방식으로 칩-온-호일을 형성하도록 z-축 접착제를 사용하여 슬라이드(30)에 접착된다. 제어 유닛(12)은 예를 들어 본원에 기재된 pH 조절 기술을 구현하는 프로그램 코드를 함유하는 비-일시적 컴퓨터 판독가능한 저장 매체를 포함할 수 있다. pH 조절 외에도, 제어 유닛(12)은 전극을 제어하여, 다른 유형의 감지를 수행하거나 또는 다른 감지 구조, 예컨대 기포 검출, 또는 바이오센서의 분야에서 공지된 다른 감지 또는 제어를 제어할 수 있다.In the example illustrated in FIG. 14 , the control unit 12 is electrically connected to the electrode array 11 and controls the array 11 to perform pH adjustment. Control unit 12 may be, for example, a microprocessor or an application specific integrated circuit (ASIC). In an exemplary embodiment, the control unit 12 is located on an electronic circuit board removably connected to the slide 30 using, for example, pogo pins. The control unit 12 may be located within a packaged chip coupled directly to the rigid glass substrate using, for example, a chip-on-glass process. In an alternative exemplary embodiment, slide 30 is formed from a flexible foil-type substrate, and control unit 12 is configured to form a chip-on-foil in a manner similar to the way chips are incorporated in certain liquid crystal displays. It is adhered to the slide 30 using z-axis adhesive. Control unit 12 may include, for example, a non-transitory computer readable storage medium containing program code implementing the pH adjustment techniques described herein. In addition to pH adjustment, control unit 12 may control the electrodes to perform other types of sensing or to control other sensing structures, such as bubble detection, or other sensing or control known in the art of biosensors.

예시적인 실시양태에서, 제어 유닛(12)은 입력 펄스가 특정한 전극에서 인가되도록 하는 제어 신호를 전송한다. 커패시턴스 및/또는 pH 값은 일부 예에서 입력 펄스에 대한 전극의 반응을 기반으로 하여 제어 유닛(12)에서 측정될 수 있다. 커패시턴스의 측정은 자가-커패시턴스(예를 들어, 단일 전극) 또는 상호 커패시턴스(예를 들어, 두 전극 사이에서)의 측정을 이용하는 터치 스크린 디스플레이 분야에 공지되어 있다. 일부 예에서, 기포 검출을 또한 지원하기 위해, 제어 유닛(12)은 생명 과학 실험에서 커패시턴스를 측정하는 전형적인 제어 유닛보다 큰 커패시턴스 검출 범위를 갖는다. 제어 신호를 이용하여 pH 조절을 위한 입력 펄스를 인가할 수 있다. pH 조절을 위한 제어 신호는 예를 들어 pH 조절을 위해 설계된 사전 정의된 프로그램 순서에 따라 제어 유닛(12)에 의해 개시될 수 있다. 대안적으로, pH 조절을 위한 제어 신호는 예를 들어 데이터 처리 유닛(50)으로부터의 명령에 대한 반응으로 외부에서 개시된다. 한 예에서, 제어 유닛(12)은 측정을 아날로그에서 디지털 포맷으로 변환시키고/거나 측정을 필터링하는 것을 비롯하여 측정된 커패시턴스 값 및/또는 pH 값에 대한 예비 신호 처리를 수행하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 컴포넌트를 포함한다. 이어서, 한 예에서, 처리된 측정은 원시 데이터로서 데이터 획득 유닛(40)으로 출력된다.In an exemplary embodiment, control unit 12 transmits control signals that cause input pulses to be applied at specific electrodes. Capacitance and/or pH value may be measured in control unit 12 in some instances based on the response of the electrode to the input pulse. Measurement of capacitance is known in the field of touch screen displays using measurements of self-capacitance (eg, single electrode) or mutual capacitance (eg, between two electrodes). In some examples, to also support bubble detection, control unit 12 has a larger capacitance detection range than typical control units that measure capacitance in life science experiments. An input pulse for pH control may be applied using a control signal. Control signals for pH adjustment can be initiated by the control unit 12 according to a predefined program sequence designed for pH adjustment, for example. Alternatively, the control signal for pH adjustment is initiated externally, for example in response to a command from the data processing unit 50 . In one example, control unit 12 is a hardware and/or software component that performs preliminary signal processing on the measured capacitance value and/or pH value, including converting the measurement from analog to digital format and/or filtering the measurement. includes In one example, the processed measurements are then output to data acquisition unit 40 as raw data.

전원(14)은 제어 유닛(12) 및 전극 어레이(11)에 전력을 제공한다. 예를 들어, 예시적인 실시양태에서, 전원(14)은 배터리, 예컨대 코인-셀 또는 인쇄된 배터리이다. 한 예시적인 실시양태에서, 슬라이드(30)는 1회 사용을 위해 설계되고, 일회용이며, 따라서 배터리는 예를 들어 단일 측정에 충분한 작은 에너지 용량으로 제공되고, 배터리는 슬라이드에 영구적으로 부착될 수 있고, 예를 들어 유리 표면에 결합 또는 접착될 수 있다. 슬라이드(30)가 재사용가능한 것인 예시적인 실시양태에서, 배터리는 재충전가능하거나 또는 사용자가 교체가능할 수 있다. 다른 형태의 전력 전달이 대안적으로 이용될 수 있다. 한 예시적인 실시양태에서, 전기 전력은 외부 전력 공급(예를 들어, 데이터 획득 유닛(40))과 슬라이드에서 1개 이상의 공진 코일 사이의 자기 커플링을 통해 무선으로 전달된다. 자기 커플링에 대한 대안으로서, 그러나 무선 전력 전송을 또한 이용하여, 외부 전력 공급은 무선 주파수(RF) 신호를 사용하여 공진 코일에 커플링될 수 있다. 다른 또 다른 예시적인 실시양태에서, 슬라이드(30)는 데이터 획득 유닛(40)으로의 유선 연결을 통해 전력을 수신한다.Power source 14 provides power to control unit 12 and electrode array 11 . For example, in an exemplary embodiment, power source 14 is a battery, such as a coin-cell or printed battery. In one exemplary embodiment, the slide 30 is designed for single use and is disposable, such that the battery provides a small energy capacity sufficient for a single measurement, for example, and the battery can be permanently attached to the slide and , for example bonded or adhered to a glass surface. In an exemplary embodiment in which slide 30 is reusable, the battery may be rechargeable or user replaceable. Other forms of power delivery may alternatively be used. In one exemplary embodiment, electrical power is wirelessly transferred via magnetic coupling between an external power supply (eg, data acquisition unit 40) and one or more resonant coils in the slide. As an alternative to magnetic coupling, but also using wireless power transfer, an external power supply can be coupled to the resonant coil using a radio frequency (RF) signal. In yet another exemplary embodiment, slide 30 receives power through a wired connection to data acquisition unit 40 .

한 예에서, 데이터 획득 유닛(40)은 원시 데이터의 형태로 제어 유닛(12)으로부터 측정된 커패시턴스 및/또는 pH 값을 수신하기 위해 슬라이드(30)와 통신하는 디바이스이다. 예를 들어, 한 예에서, 데이터 획득 유닛(40)은 슬라이드(30)에서 상응하는 계면에 대한 유선 통신 계면(20)을 포함한다. 한 예시적인 실시양태에서, 원시 데이터는 제어 유닛(12)으로부터 병렬로 출력된다. 예를 들어, 예시적인 실시양태에서, 제어 유닛(12)은 다수개의 출력 채널을 포함하고, 단일 행 또는 단일 열로부터의 데이터는 상응하는 채널에 대해 출력된다. 이 실시양태에서, 계면(20)은 예를 들어 병렬 데이터를 데이터 처리 유닛(50)으로 전송하기에 적합한 포맷으로 변환시킨다. 변환은 범용 비동기화 송수신기(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter; UART) 또는 다른 통상적인 데이터 변환 장치를 사용하여 병렬-직렬 변환을 수반할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 계면(20)은 예를 들어 RF 신호를 사용하여 슬라이드(30)와 무선으로 통신한다.In one example, data acquisition unit 40 is a device that communicates with slide 30 to receive the measured capacitance and/or pH values from control unit 12 in the form of raw data. For example, in one example, data acquisition unit 40 includes a wired communication interface 20 to a corresponding interface on slide 30 . In one exemplary embodiment, raw data are output in parallel from control unit 12 . For example, in an exemplary embodiment, control unit 12 includes multiple output channels, and data from a single row or single column is output for the corresponding channel. In this embodiment, interface 20 converts, for example, parallel data into a format suitable for transmission to data processing unit 50 . Conversion may involve parallel-to-serial conversion using a Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) or other conventional data conversion device. In an alternative embodiment, interface 20 wirelessly communicates with slide 30 using, for example, an RF signal.

예시적인 실시양태에서, 데이터 처리 유닛(50)은 데이터 획득 유닛(40)의 출력 계면(22)으로부터, 예를 들어 UART의 송신기 부분으로부터 원시 데이터를 수신한다. 출력 계면(22)은 유선의 직렬 계면, 예컨대 범용 직렬 버스(USB) 계면일 수 있다. 대안적으로, 출력 계면(22)은 무선, 예를 들어 블루투스 또는 WiFi 계면일 수 있다. 한 예에서, 계면은 블루투스 저 에너지(LE) 계면이다. 데이터 처리 유닛(50)은 예를 들어 데스크탑, 랩탑 또는 태블릿 형태의 범용 컴퓨터일 수 있고, 예를 들어 원시 데이터를 추가로 처리하기 위한 명령을 저장하는 프로세서 및 메모리를 포함한다. 예를 들어, 예시적인 실시양태에서, 추가의 처리는 원시 데이터를 사전 정의된 스케일로 정규화하고, 디스플레이 디바이스(60)에서 디스플레이를 위해 정규화된 데이터를 사용하여 출력 영상, 예컨대 2 또는 3차원 그래프를 생성하는 것을 포함한다. 데이터 처리 유닛(50)이 랩탑 또는 태블릿인 경우, 디스플레이 디바이스(60)는 단일 유닛으로서 데이터 처리 유닛(50)의 하우징에 일체화될 수 있다. 디스플레이 디바이스(60)는 대안적으로 외부로 연결될 수 있고, 예를 들어 데이터 처리 유닛(50)은 데스크탑이다. 출력 영상을 조합하여, 시간 경과에 따른 데이터의 변화를 나타내는 비디오를 형성할 수 있다. 한 실시양태에서, 측정된 커패시턴스 값 및/또는 pH 값을 나타내는 출력 영상은 다른 측정된 데이터에 상응하는 추가의 출력 영상과 함께 디스플레이된다. 예를 들어, 출력 영상 및 추가의 출력 영상은 동일한 디스플레이 스크린의 상이한 부분에서 디스플레이될 수 있거나 또는 디스플레이 스크린의 동일한 부분에 오버레이(중첩)될 수 있다.In the exemplary embodiment, data processing unit 50 receives raw data from output interface 22 of data acquisition unit 40, for example from the transmitter portion of a UART. Output interface 22 may be a wired serial interface, such as a Universal Serial Bus (USB) interface. Alternatively, the output interface 22 may be a wireless interface, for example a Bluetooth or WiFi interface. In one example, the interface is a Bluetooth low energy (LE) interface. The data processing unit 50 may be a general-purpose computer, for example in the form of a desktop, laptop or tablet, and includes, for example, a processor and memory for storing instructions for further processing the raw data. For example, in an exemplary embodiment, further processing normalizes the raw data to a predefined scale and uses the normalized data for display on display device 60 to produce an output image, such as a two- or three-dimensional graph. including creating When the data processing unit 50 is a laptop or tablet, the display device 60 may be integrated into the housing of the data processing unit 50 as a single unit. The display device 60 may alternatively be externally connected, for example the data processing unit 50 is a desktop. The output images can be combined to form a video showing changes in data over time. In one embodiment, an output image representing the measured capacitance value and/or pH value is displayed along with additional output images corresponding to other measured data. For example, the output image and the additional output image may be displayed on different parts of the same display screen or may be overlaid (superimposed) on the same part of the display screen.

예시적인 실시양태에서, 데이터 처리 유닛(50)은 또한 pH 조절을 위해 제어 유닛(12)에 명령을 발행하도록 구성된다. 예를 들어 데이터 처리 유닛(50)의 프로세서가 시험 용액의 pH 수준이 조정되어야 함을 결정할 때, 명령이 자동으로 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 명령은 사용자가 시작할 수 있다.In an exemplary embodiment, data processing unit 50 is also configured to issue commands to control unit 12 for pH adjustment. For example, when the processor of data processing unit 50 determines that the pH level of the test solution should be adjusted, a command may be automatically generated. Alternatively or additionally, the command may be user initiated.

예시적인 실시양태에 따라, 슬라이드(30)는 1개 이상의 전극 층이 유리 기판의 상부에 위치하는 층상화된 구조를 포함할 수 있다. 층상화된 구조는 예를 들어 2개 이상의 층이 별도로 형성된 다음, 예를 들어 접착제 또는 결합을 이용하여 함께 적층되는 적층 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 층상화된 구조는 반도체 디바이스 제작 기술분야에 공지된 기술을 이용하여 단일 유닛으로서 모놀리식으로 형성될 수 있다. 층상화된 구조는 예를 들어 SiO2(산화물로도 지칭됨)로 형성된 1개 이상의 패시베이션 층을 포함할 수 있다. 그러나, 패시베이션 층의 조성 및 크기가 예를 들어 원자층의 SiO2 내지 수 마이크로미터의 SiO2로 달라질 수 있고, 다양한 기술, 예컨대 저압 화학 증착(LPCVD) 또는 플라즈마-강화된 화학 증착(PECVD)을 이용하여 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 질화규소(Si3N4)는 또 다른 예시적인 패시베이션 물질이다. 층상화된 구조가 적층을 이용하여 형성되는 경우, 패시베이션 층은 적층된 박막으로서 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, slide 30 may include a layered structure in which one or more electrode layers are positioned on top of a glass substrate. A layered structure may be formed, for example, using lamination techniques in which two or more layers are formed separately and then laminated together, for example using adhesives or bonds. Alternatively, the layered structure may be monolithically formed as a single unit using techniques known in the art of semiconductor device fabrication. The layered structure may include one or more passivation layers formed, for example, of SiO 2 (also referred to as an oxide). However, the composition and size of the passivation layer can vary, for example from atomic layer SiO 2 to several micrometers SiO 2 , and various techniques such as low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) can be used. It will be understood that it can be formed using Silicon nitride (Si3N4) is another exemplary passivation material. When the layered structure is formed using lamination, the passivation layer may be formed as a laminated thin film.

pH 조절을 수행하는 한 가지 방법은 시험 용액을 수집하는 채널을 형성하도록 인접한 전극의 패드를 분리시키는 것이다. 채널은 시험 용액이 전극과 접촉하게 하여, 인접한 전극 사이에 전류를 보냄으로써 용액의 pH 수준이 조정될 수 있도록 한다. 예시적인 실시양태에 따라, 전극은 임의의 적합한 전도성 물질로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 인듐 주석 산화물(ITO)이며, ITO가 투명하고 비교적 무색이어서, 광학 측정을 수반하는 실험에 적합하게 되기 때문이다. 이는 도 13에 도시된 바와 같이 전체 측정 영역(11)이 투명하게 한다. 산화물 층은 전극을 커버하기 위해 패시베이션 층으로서 사용될 수 있다. pH 조절이 채널을 사용하여 구현되는 경우, 예시적인 실시양태에서, 산화물 층은 채널을 완전히 채우지 않지만, 대신에 전극의 측면 부분이 노출된 채로 남아 시험 용액과 접촉할 수 있게 한다.One way to perform pH control is to separate the pads of adjacent electrodes to form a channel to collect the test solution. The channels bring the test solution into contact with the electrodes, allowing the pH level of the solution to be adjusted by passing an electrical current between adjacent electrodes. According to an exemplary embodiment, the electrode may be formed of any suitable conductive material, but is preferably indium tin oxide (ITO), as ITO is transparent and relatively colorless, making it suitable for experiments involving optical measurements. am. This makes the entire measurement area 11 transparent, as shown in FIG. 13 . An oxide layer may be used as a passivation layer to cover the electrode. When pH control is implemented using a channel, in an exemplary embodiment, the oxide layer does not completely fill the channel, but instead allows a lateral portion of the electrode to remain exposed and in contact with the test solution.

pH 측정 결과는 디스플레이 디바이스(60)에서 디스플레이하기 위한 출력일 수 있다. 예시적인 실시양태에 따라, 원시 데이터 값은 2차원 표의 형태로 디스플레이된다. 각각의 표 항목은 상응하는 전극 패드로부터 수득된 측정된 pH 값에 상응한다. 원시 데이터는 3차원 그래프, 예를 들어 x 및 y 값이 전극 위치에 상응하고, z 값이 측정된 pH 값에 상응하는 3-D 메쉬로서 디스플레이될 수 있다. 시각적 인식을 용이하게 하기 위해, 예시적인 실시양태에서, 그래프는 예를 들어 구배 방식, 예를 들어 그레이 스케일 방식, 또는 pH 변화에 따라 색상이 점진적으로 변하는 히트맵을 사용하여 색상 코딩될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 색상 코딩은 pH 값이 색상 변화를 이용하여 표시되는 2차원 그래프 상에서 pH 위치를 나타내기 위해 사용된다. 원시 데이터의 디스플레이에 대해 대안적으로 또는 추가로, 예시적인 실시양태에 따라, 데이터 처리 유닛(60)은 원시 데이터를 사전 정의된 스케일에 대해 정규화함으로써 처리한다. 상기 기재된 그래프는 단독으로 또는 실험 대상인 다른 파라미터로부터의 추가의 값, 예를 들어 커패시턴스 값 및 유속과 함께 디스플레이될 수 있다. 한 실시양태에서, 추가의 값은 예를 들어 상이한 색상 방식을 이용하여 동일한 그래프 상에 디스플레이되고, pH 값 상에 중첩된다.The pH measurement result may be output for display on the display device 60 . According to an exemplary embodiment, raw data values are displayed in the form of a two-dimensional table. Each table entry corresponds to the measured pH value obtained from the corresponding electrode pad. The raw data can be displayed as a three-dimensional graph, eg a 3-D mesh where the x and y values correspond to the electrode positions and the z values correspond to the measured pH values. To facilitate visual perception, in an exemplary embodiment, the graph may be color coded, for example using a gradient scheme, eg a gray scale scheme, or a heatmap where the color gradually changes with pH change. In another embodiment, color coding is used to indicate pH position on a two-dimensional graph where pH values are displayed using color changes. Alternatively or additionally to the display of the raw data, according to an exemplary embodiment, the data processing unit 60 processes the raw data by normalizing it to a predefined scale. The graphs described above can be displayed alone or with additional values from other parameters under test, such as capacitance values and flow rates. In one embodiment, the additional values are displayed on the same graph, eg using a different color scheme, and superimposed on the pH values.

유리하게는, pH 값의 그래픽 디스플레이는 사용자가 pH를 구체적인 위치로서 신속하게 결정하고, pH에 대한 반응으로 적절한 보정 작용을 수행할 수 있게 한다. 사용자는 예를 들어 특정한 pH 값의 위치와 연관된 값을 폐기하면서 특정한 pH 값의 위치와 연관되지 않은 이들 추가의 값(실험에 의해 측정되는 1개 이상의 파라미터에 상응함)을 유지하도록 결정할 수 있다. 대안적으로, 사용자는 원하는 범위를 벗어나는 pH 값의 풍부로 인해 전체 데이터 세트가 폐기되어야 함을 결정할 수 있고, 따라서 추가의 값을 전체적으로 신뢰할 수 없게 만들 수 있다.Advantageously, the graphical display of the pH value allows the user to quickly determine the pH as a specific location and to perform appropriate corrective actions in response to the pH. A user may, for example, decide to discard values associated with the location of a particular pH value while retaining those additional values not associated with the location of the particular pH value (corresponding to one or more parameters determined empirically). Alternatively, the user may decide that the entire data set should be discarded due to the abundance of pH values outside the desired range, thus rendering additional values entirely unreliable.

예시적인 실시양태에 따라, pH 값은 추가의 측정 데이터 상에 중첩되고, 추가의 데이터는 측정 영역의 물리적 구성을 나타내는 레이아웃 데이터와 관련하여 저장된다. 레이아웃 데이터는 영상(예를 들어, 측정 영역의 스캐닝된 영상) 또는 텍스트의 형태로 전자 파일(예를 들어, 어레이를 제작하기 위해 사용되는 마이크로어레이 스포터용 구성 파일, 또는 진픽스 어레이 리스트(GenePix Array List; GAL) 파일)에 저장될 수 있다. 추가의 측정 데이터는 또한 영상 또는 텍스트일 수 있다(예를 들어, GAL 파일에 저장된 측정된 커패시턴스 값, 또는 측정 영역의 스캐닝된 영상에서 그레이 스케일로 제시된 측정된 커패시턴스 값).According to an exemplary embodiment, the pH value is superimposed on additional measurement data, and the additional data is stored in relation to layout data representing the physical configuration of the measurement area. Layout data is an electronic file in the form of an image (e.g., a scanned image of the measurement area) or text (e.g., a configuration file for a microarray spotter used to fabricate an array, or a GenePix array list (GenePix Array List; GAL) file). The additional measurement data may also be an image or text (eg, measured capacitance values stored in a GAL file, or measured capacitance values presented in gray scale in a scanned image of the measurement area).

pH 값이 중첩되는 예시적인 실시양태에 따라, 복합 디스플레이가 생성될 수 있고, 디스플레이는 어레이의 상응하는 위치에서 추가의 측정 값 상에 중첩된 pH 값과 함께 어레이의 그래픽 표시를 나타낸다. 중첩은 텍스트-위의-텍스트, 영상-위의-텍스트 또는 영상-위의-영상으로 제시될 수 있다. 텍스트-위의-텍스트의 예는 어레이 위치의 절반에 pH 값 및 다른 절반에 추가의 측정 데이터를 디스플레이한다. 영상-위의-텍스트의 예는 히트 맵을 사용하여 pH를 디스플레이하면서, 추가의 측정 데이터를 히트 맵 상에 수치 값으로서 표시한다. 영상-위의-영상의 예는 히트 맵을 사용하여 pH를 디스플레이하면서, 추가의 측정 데이터를 3-D 메쉬를 사용하여 표시한다. 중첩된 데이터는 중첩된 디스플레이 이전에 또는 그와 함께 전자 레이아웃 파일에 저장될 수 있다.According to an exemplary embodiment in which the pH values are superimposed, a composite display can be created wherein the display shows a graphical representation of the array with the pH values superimposed on additional measured values at corresponding locations of the array. Overlapping can be presented as text-on-text, text-on-image, or image-on-image. The text-on-text example displays the pH value in half of the array positions and additional measurement data in the other half. The text-on-image example uses a heat map to display pH, while displaying additional measurement data as numerical values on the heat map. An example of an image-on-image displays pH using a heat map, while displaying additional measurement data using a 3-D mesh. Superimposed data may be stored in the electronic layout file prior to or in conjunction with the superimposed display.

예시적인 실시양태에 따라, 슬라이드 상의 또는 외부 컴퓨터 상의 프로세서는 원하는 범위 밖의 pH 값에 대한 반응으로(예를 들어, 측정 값을 null 값으로 대체함으로써) 추가의 측정 데이터를 자동으로 무효화시키도록 구성된다. 예를 들어, 슬라이드 상의 프로세서는 일부 위치의 pH를 검출할 수 있고, pH가 위치하는 표시를 외부 컴퓨터로 출력한 다음, 표시된 위치를 기반으로 하여 무효화를 수행한다. 이는 사용자가 이들 위치 내에서의 반응에 의해 생성된 추가의 측정 데이터 또는 생성물을 유지할지 여부를 결정하기 위해 pH 값을 수동으로 검토할 필요가 없게 만든다.According to an exemplary embodiment, a processor on the slide or on an external computer is configured to automatically invalidate additional measurement data in response to pH values outside a desired range (eg, by replacing measurement values with null values). . For example, a processor on a slide can detect the pH of some location, output an indication where the pH is located to an external computer, and then perform an invalidation based on the indicated location. This eliminates the need for the user to manually review the pH values to determine whether to retain additional measurement data or products generated by reactions within these locations.

예시적인 실시양태에 따라, 전극을 사용하여 pH 검출 및 pH 조절 이외의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전극은 기포 검출을 위해 사용될 수 있다. 일부 예에서, 전극은 온도 조절을 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 커패시턴스 측정을 이용하여 용액의 유전 상수를 추정할 수 있고, 이어서 유전 상수를 세포 성장 속도, 반응 생성물의 생성 속도, 또는 관심 물질이 생체분자에 결합하는 속도와 서로 관련시킨다. 일부 예에서, 전극의 기능은 한 기능과 또 다른 기능 사이에서 변할 수 있다.According to exemplary embodiments, electrodes may be used to perform functions other than pH detection and pH control. For example, the electrodes can be used for bubble detection. In some instances, electrodes may be used for temperature control. In another example, capacitance measurements can be used to estimate the dielectric constant of a solution, which is then correlated with the rate of cell growth, the rate of production of a reaction product, or the rate at which a substance of interest binds to a biomolecule. In some instances, the function of an electrode may change between one function and another.

전극이 2개의 층으로 배열된 예시적인 실시양태가 기재된다. 그러나, 층의 수는 많거나 또는 적을 수 있다. 실제로, pH 조절 및 pH 측정 둘 다를 위해 단일 층이 충분할 수 있다. 추가로, 모든 전극 층이 pH 조절 또는 pH 측정을 위해 사용될 필요는 없다. 대신에, 추가의 전극 층은 통상적인 바이오센서 또는 반응기에서 전극의 사용에 따라 다른 목적을 위해 사용될 수 있다.An exemplary embodiment in which electrodes are arranged in two layers is described. However, the number of layers may be more or less. In practice, a single layer may be sufficient for both pH control and pH measurement. Additionally, not all electrode layers need be used for pH control or pH measurement. Instead, additional electrode layers can be used for other purposes depending on the use of the electrodes in a conventional biosensor or reactor.

본 발명의 예시적인 실시양태는 유리 슬라이드에 관한 것이며, 측정 데이터 처리의 적어도 일부가 처리된 데이터의 디스플레이를 담당하는 외부 컴퓨터에서가 아니라 슬라이드 자체 상에서 또는 슬라이드 본체에 연결된 주변 디바이스 상에서 수행된다. 이러한 슬라이드는 본원에서 유리-상의-장비(instrument-on-glass)로 지칭된다. 도 18 내지 도 20 각각은 유리-상의-장비의 예시적인 실시양태를 도시한다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a glass slide, wherein at least part of the measurement data processing is performed on the slide itself or on a peripheral device connected to the slide body, rather than on an external computer responsible for displaying the processed data. Such slides are referred to herein as instrument-on-glass. 18-20 each depict an exemplary embodiment of an on-glass device.

도 18은 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 슬라이드(400)를 도시한다. 슬라이드(400)는 pH 측정/조절 영역(405), 전원(410) 및 처리 회로(420)를 포함한다. 영역(405)은 ITO(전극을 위해)와 함께 TFT(스위치를 위해)로 형성될 수 있다. 대안적으로, 영역(405)은 ITO 단독을 사용하여 또는 ITO를 다른 금속과 조합하여 형성될 수 있다. 전원(410)은 도 14의 전원(14)과 유사할 수 있고, 예를 들어 자기 또는 RF 커플링을 이용하여 배터리 또는 수동 전원으로 전력을 공급받을 수 있다.18 shows a slide 400 according to an exemplary embodiment of the present invention. Slide 400 includes a pH measurement/adjustment area 405 , a power source 410 and processing circuitry 420 . Region 405 may be formed of TFT (for switch) together with ITO (for electrode). Alternatively, region 405 may be formed using ITO alone or combining ITO with other metals. Power source 410 may be similar to power source 14 of FIG. 14 and may be powered by a battery or passive power source using magnetic or RF coupling, for example.

처리 회로(420)는 도 14의 제어 유닛(12)과 유사할 수 있고, 예비 신호 처리를 수행할 수 있다. 추가로, 처리 회로(420)는 데이터 처리 유닛(50)과 관련하여 앞서 기재된 기능 중 일부를 수행할 수 있다(예를 들어, pH 값의 정규화 또는 스케일링 또는 pH 조절의 제어). 처리 회로(420)는 영역(405)으로부터 수득된 원시 데이터를 처리하는 프로세서(예를 들어, 1개 이상의 CMOS 칩)를 포함할 수 있다. 처리 회로(420)는 원시 데이터를 처리하기 위해 프로세서에 의해 사용되는 명령 또는 데이터를 저장하는 메모리를 추가로 포함할 수 있다. 처리 회로(420)는 원시 데이터를 외부 컴퓨터로의 출력에 적합한 포맷으로 배열하거나, 또는 예비 데이터 분석(예를 들어, pH 검출, 및 특정한 pH와 연관된 데이터의 무효화)을 수행하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 영역(405)의 감지 작업(예를 들어, 어레이로부터의 데이터의 구동 및 판독)을 제어하고, 데이터 압축을 수행하고, 예비 처리된 데이터를 외부 컴퓨터로 유선 또는 무선 전송을 수행할 수 있다. 디스플레이를 위한 데이터의 후처리 및 출력은 외부 컴퓨터에서 수행될 수 있다.Processing circuit 420 may be similar to control unit 12 of FIG. 14 and may perform preliminary signal processing. In addition, processing circuitry 420 may perform some of the functions previously described with respect to data processing unit 50 (eg, normalizing or scaling pH values or controlling pH adjustment). Processing circuitry 420 may include a processor (eg, one or more CMOS chips) that processes the raw data obtained from region 405 . Processing circuitry 420 may further include memory to store instructions or data used by the processor to process the raw data. Processing circuitry 420 may be configured to arrange the raw data into a format suitable for output to an external computer, or to perform preliminary data analysis (eg, pH detection and invalidation of data associated with a particular pH). The processor may control the sensing operation of region 405 (e.g., driving and reading data from the array), perform data compression, and perform wired or wireless transmission of pre-processed data to an external computer. . Post-processing and output of data for display can be performed in an external computer.

도 19는 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 슬라이드(500)를 도시한다. 컴포넌트(505, 510 및 520)은 각각 도 18의 컴포넌트(405, 410 및 420)과 유사할 수 있고, 그와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 그러나, 슬라이드(500)의 본체 상에 위치하는 대신에, 전원(510) 및 처리 회로(520)가 예를 들어 슬라이드(500)의 하드웨어 계면에 맞는 주변 회로판(515)에 외부로 연결된다.19 shows a slide 500 according to an exemplary embodiment of the present invention. Components 505, 510 and 520 may be similar to and perform the same functions as components 405, 410 and 420 of FIG. 18, respectively. However, instead of being located on the body of the slide 500, the power source 510 and processing circuitry 520 are connected externally to a peripheral circuit board 515 that fits into the hardware interface of the slide 500, for example.

도 20은 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 슬라이드(600)를 도시한다. 컴포넌트(605, 610 및 620)은 각각 도 18의 컴포넌트(405, 410 및 420)과 유사할 수 있고, 그와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 도 20의 실시양태에서, 전원(610) 및 처리 회로는 도 19와 유사하게 외부로 연결된다. 그러나, 회로판(615)은 기판(615)과 외부 컴퓨터 사이의 데이터 및 전력의 전송을 위한 직렬 포트 커넥터를 포함한다. 구체적으로, 직렬 포트를 사용하여, 측정 데이터를 외부 컴퓨터로 전달하고, 측정 영역(605)을 작동시키기 위해 또는 전원(610)을 재충전하기 위해 전력을 공급할 수 있다.20 shows a slide 600 according to an exemplary embodiment of the present invention. Components 605, 610 and 620 may be similar to and perform the same functions as components 405, 410 and 420 of FIG. 18, respectively. In the embodiment of FIG. 20 , power supply 610 and processing circuitry are connected externally similar to FIG. 19 . However, circuit board 615 includes a serial port connector for transfer of data and power between board 615 and an external computer. Specifically, a serial port can be used to transfer measurement data to an external computer, supply power to operate measurement area 605 or recharge power source 610 .

본 발명의 예시적인 실시양태는 예를 들어 임의의 통상적인 메모리 디바이스를 비롯한 비-일시적 하드웨어 컴퓨터-판독가능한 매체 상에 제공된 코드를 실행하기 위해, 본원에 기재된 임의의 방법을 단독으로 또는 조합으로 수행하기 위해, 예를 들어 기재된 그래픽 사용자 계면 중 임의의 1개 이상을 출력하기 위해, 임의의 통상적인 처리 회로 및 디바이스 또는 이들의 조합물, 예를 들어 개인용 컴퓨터(PC) 또는 다른 워크스테이션 프로세서의 중앙 처리 유닛(CPU)을 사용하여 구현될 수 있는 1개 이상의 프로세서에 관한 것이다. 메모리 디바이스는 임의의 통상적인 영구 및/또는 임시 메모리 회로 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있고, 비제한적인 목록에는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 컴팩트 디스크(CD), 디지털 다목적 디스크(DVD), 플래시 메모리, 및 자기 테이프가 포함된다.Exemplary embodiments of the present invention perform any of the methods described herein, alone or in combination, to execute code provided on a non-transitory hardware computer-readable medium, including, for example, any conventional memory device. Any conventional processing circuitry and device or combination thereof, such as a personal computer (PC) or other workstation processor, to output any one or more of the graphical user interfaces described, for example, centrally. It relates to one or more processors that may be implemented using a processing unit (CPU). The memory device may include any conventional permanent and/or temporary memory circuitry or combination thereof, including, but not limited to, random access memory (RAM), read only memory (ROM), compact disk (CD), These include digital versatile disks (DVDs), flash memory, and magnetic tape.

본 발명의 예시적인 실시양태는 예를 들어 상기 기재된 비-일시적인 하드웨어 컴퓨터-판독가능한 매체에 관한 것이며, 여기에 본원에 기재된 방법 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위해 프로세서에 의해 실행가능한 명령이 저장된다.Exemplary embodiments of the present invention relate to a non-transitory hardware computer-readable medium, for example described above, having stored thereon instructions executable by a processor to perform any one or more of the methods described herein. .

본 발명의 예시적인 실시양태는 본원에 기재된 방법 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위해 프로세서에 의해 실행가능한 명령을 전송하는 방법, 예를 들어 하드웨어 성분 또는 기계에 관한 것이다.Exemplary embodiments of the present invention relate to methods, eg, hardware components or machines, for transmitting instructions executable by a processor to perform any one or more of the methods described herein.

본 발명의 예시적인 실시양태는 상기 기재된 디바이스 및 방법 중 하나 이상, 예를 들어 단독으로 또는 조합으로 컴퓨터로 구현된(computer-implemented) 방법에 관한 것이다.Exemplary embodiments of the present invention relate to one or more of the devices and methods described above, eg, computer-implemented methods, alone or in combination.

본 발명의 예시적인 실시양태는 전극의 가까이에서 용액의 pH를 제어하기 위해 전자 장치를 사용하는 디바이스 및 방법, 및 통합 전자 시스템에서 방법을 구현하기 위한 디바이스를 제공한다. 바람직하게는, 본 발명의 디바이스 및 방법은 약 1 cm 거리 내에서 전극을 둘러싸는 용액의 pH를 제어할 수 있다. 용액의 pH를 제어하기 위해 전자 장치를 사용하는 디바이스 및 방법은 또한 상기에서 및 본원의 다른 곳에서 기재된 디바이스 및 방법에 의해 용액의 pH를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 일부 예에서, pH 검출 및 pH 조절 둘 다 동일한 디바이스 및/또는 방법에 의해 수행된다.Exemplary embodiments of the present invention provide a device and method for using electronics to control the pH of a solution proximate to an electrode, and a device for implementing the method in an integrated electronic system. Preferably, the device and method of the present invention can control the pH of the solution surrounding the electrode within a distance of about 1 cm. Devices and methods using electronic devices to control the pH of a solution may also include detecting the pH of a solution by devices and methods described above and elsewhere herein. In some instances, both pH detection and pH adjustment are performed by the same device and/or method.

예시적인 실시양태에 따라, 전자 제어에 의해 용액의 pH를 변화시키는 방법은 용액 중에서 수소 이온을 전기화학적으로 생성 및/또는 소모하기 위해 3개 이상의 전극 및 pH 감지 소자를 사용하여 용액에 전기 입력량을 제공하는 것을 포함한다. 수소 이온의 생성 및/또는 소모는 용액 중에서 1종 이상의 산화환원 활성 종의 전기화학 반응에 의해 달성된다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된다: 퀴논, 카테콜, 아미노페놀 히드라진, 및 이들의 유도체. 더욱 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 퀴논이다([Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35(2005)] 참조). 훨씬 더 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된다: 히드로퀴논, 벤조퀴논, 나프토퀴논나프토퀴논. 가장 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기에 추가로 정의되는 퀴논 유도체이다.According to an exemplary embodiment, a method of changing the pH of a solution by electronic control provides an electrical input to the solution using three or more electrodes and a pH sensing element to electrochemically produce and/or consume hydrogen ions in the solution. includes providing The production and/or consumption of hydrogen ions is accomplished by an electrochemical reaction of one or more redox active species in solution. Preferably, the at least one redox active species is selected from: quinones, catechols, aminophenol hydrazines, and derivatives thereof. More preferably, the at least one redox active species is a quinone (see Thomas Finley, “Quinones,” Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35 (2005)). Even more preferably, the at least one redox active species is selected from: hydroquinone, benzoquinone, naphthoquinone naphthoquinone. Most preferably, the at least one redox active species is a quinone derivative further defined below.

바람직하게는, 3개 이상의 전극은 상대 전극, 작동 전극 및 기준 전극(RE)을 포함한다. 일부 예시적인 실시양태에서, 감지 소자는 감지 전극일 수 있다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 감지 전극은 또한 작동 전극으로서 기능할 수 있다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 3개 이상의 전극은 각각 독립적으로 금속 산화물, 금, 유리상 탄소, 그래핀, 은, 백금, 염화은, 표준 수소, 수은 방울, 또는 포화된 칼로멜로 제조된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 용액은 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 또는 이들의 혼합물이다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 전기 입력량은 전기 전류의 양을 제공함으로서 제공된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 전기원 파형은 제공된 전기 입력량을 기반으로 하여 선택된다. 바람직하게는, 전기원 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 더욱 바람직하게는, 전기원 파형은 전기 입력량을 각각의 용액 pH 값에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다.Preferably, the three or more electrodes include a counter electrode, a working electrode and a reference electrode (RE). In some exemplary embodiments, the sensing element may be a sensing electrode. In certain exemplary embodiments of the present invention, the sensing electrode may also function as the working electrode. In certain exemplary embodiments of the present invention, the three or more electrodes are each independently made of metal oxide, gold, glassy carbon, graphene, silver, platinum, silver chloride, standard hydrogen, mercury drops, or saturated calomel. In certain exemplary embodiments of the invention, the solution is buffered, unbuffered, aqueous, organic or a mixture thereof. In certain exemplary embodiments of the present invention, the amount of electrical input is provided by providing the amount of electrical current. In certain exemplary embodiments of the present invention, the electrical source waveform is selected based on a given amount of electrical input. Preferably, the electric source waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. More preferably, the electrical source waveform is selected from a predetermined map that maps electrical inputs to respective solution pH values.

본 발명의 예시적인 실시양태에 따라, 3개 이상의 전극을 사용하여 용액의 pH를 제어하는 방법은 2개 이상의 전극 사이에 전기 입력을 인가하지 않는 동안에 용액의 pH 및/또는 용액에서 2개 이상의 전극의 개방 회로 전위(OCP)를 수득하고, pH 및/또는 OCP를 기반으로 하여 전기 입력량을 선택하고, 전기 입력량을 2개 이상의 전극 사이의 용액에 제공하여 용액의 pH를 변화시키는 것을 포함한다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, OCP는 용액 중에서 2개 이상의 전극의 OCP를 측정함으로써 수득되거나, 또는 기지의 또는 측정된 초기 pH로부터 계산된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 상기 방법은 또한 용액 중에서 2개 이상의 전극의 OCP를 기반으로 하여 용액의 pH를 결정하는 것을 포함한다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 상기 방법은 또한 전기 입력량을 기반으로 하여 전기원 파형을 선택하는 것을 포함하고, 전기 입력량은 선택된 전기원 파형에 따라 제공된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a method of controlling the pH of a solution using three or more electrodes is provided to control the pH of a solution and/or the pH of a solution while not applying an electrical input between the two or more electrodes. obtaining an open circuit potential (OCP) of , selecting an electrical input based on the pH and/or OCP, and applying the electrical input to the solution between two or more electrodes to change the pH of the solution. In certain exemplary embodiments of the present invention, OCP is obtained by measuring the OCP of two or more electrodes in solution, or calculated from a known or measured initial pH. In certain exemplary embodiments of the present invention, the method also includes determining the pH of a solution based on the OCP of two or more electrodes in the solution. In certain exemplary embodiments of the present invention, the method also includes selecting an electric source waveform based on an electrical input quantity, and the electrical input quantity is provided in accordance with the selected electric source waveform.

본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 상기 방법은 용액 중에서 2개 이상의 전극의 측정된 OCP를 기반으로 하여 용액의 pH를 결정하는 것을 추가로 포함한다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 전기 입력량은 결정된 pH를 기반으로 하여 선택된다.In certain exemplary embodiments of the present invention, the method further comprises determining the pH of the solution based on the measured OCP of two or more electrodes in the solution. In certain exemplary embodiments of the present invention, the electrical input is selected based on the determined pH.

본 발명의 예시적인 실시양태에 따라, 감지 소자, 기준 전극, 상대 전극 및 작동 전극을 사용하여 용액의 pH를 모니터링하는 방법은 목표 pH 값 및/또는 개방 회로 전위(OCP)를 선택하고, 작동 전극에 전기 입력이 인가되지 않는 동안에 기준 전극과 감지 전극 사이에서 용액의 pH 및/또는 OCP를 특징분석하고, 하기 단계를 반복적으로 수행하는 것을 포함한다: 용액의 pH 및/또는 OCP와 목표 pH 값 및/또는 OCP 사이의 차이를 최소화하기 위해 작동 전극에 인가될 전기 입력량을 선택하고; 전기 입력량을 작동 전극에 인가하여 용액의 pH 및/또는 OCP를 조정한다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a method of monitoring the pH of a solution using a sensing element, a reference electrode, a counter electrode, and a working electrode includes selecting a target pH value and/or open circuit potential (OCP), and selecting a working electrode. characterizing the pH and/or OCP of the solution between the reference and sensing electrodes while no electrical input is applied to the solution, and repeatedly performing the following steps: pH and/or OCP of the solution and a target pH value; /or select the amount of electrical input to be applied to the working electrode to minimize the difference between the OCPs; An electrical input is applied to the working electrode to adjust the pH and/or OCP of the solution.

본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 목표 pH 값 및/또는 OCP는 고정된 값이고, 다른 예시적인 실시양태에서, 목표 pH 값 및/또는 OCP은 가변적인 값이다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 목표 pH 값 및/또는 OCP는 상한 및 하한을 갖는 범위이거나 또는 단일 값이다. 바람직하게는, 목표 OCP는 목표 pH 값을 기반으로 하여 선택된다. 바람직하게는, 목표 pH 값은 사용자 정의된다. 일부 예에서, pH는 시간 경과에 따라 변화하고/거나 상이한 작동 전극에 대해 상이하다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 감지 전극은 또한 작동 전극으로서 기능할 수 있다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 감지 전극 및 작동 전극은 별개의 전극이다. 바람직하게는, 감지 전극과 작동 전극 사이의 거리는 0 cm 내지 1 cm이다. 전기 입력은 전기 전류로서 또는 전기 전위로서 제공될 수 있다. 바람직하게는, 전기 입력량은 전기 전위를 작동 전극에 인가함으로써 제공된다. 더욱 바람직하게는, 전기 전위는 전기원 파형에 따라 제공된다. 전기원 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 훨씬 더 바람직하게는, 전기원 파형은 전기 입력량을 각각의 용액 pH 값에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다. 바람직하게는, 감지 소자는 pH 민감성 코팅으로 코팅된 감지 전극이고, 감지 전극 및 pH 민감성 코팅의 OCP는 H+ 이온 농도에 의해 지배된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, pH 민감성 코팅은 유기 물질이다. 다른 본 발명의 예시적인 실시양태에서, pH 민감성 코팅은 무기 물질이다. 바람직하게는, pH 민감성 코팅은 폴리아닐린, 폴리피롤, 및 산화이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.In certain exemplary embodiments of the present invention, the target pH value and/or OCP is a fixed value, and in other exemplary embodiments, the target pH value and/or OCP is a variable value. In certain exemplary embodiments of the present invention, the target pH value and/or OCP is a range having upper and lower limits or a single value. Preferably, the target OCP is selected based on the target pH value. Preferably, the target pH value is user defined. In some instances, the pH changes over time and/or is different for different working electrodes. In certain exemplary embodiments of the present invention, the sensing electrode may also function as the working electrode. In certain exemplary embodiments of the present invention, the sensing and working electrodes are separate electrodes. Preferably, the distance between the sensing electrode and the working electrode is 0 cm to 1 cm. Electrical input may be provided as electrical current or electrical potential. Preferably, the electrical input is provided by applying an electrical potential to the working electrode. More preferably, the electrical potential is provided according to the electrical source waveform. The electric source waveform is a constant current waveform or a potentiostatic waveform. Even more preferably, the electrical source waveforms are selected from predetermined maps that map electrical inputs to respective solution pH values. Preferably, the sensing element is a sensing electrode coated with a pH sensitive coating, and the OCP of the sensing electrode and the pH sensitive coating is governed by the H + ion concentration. In certain exemplary embodiments of the present invention, the pH sensitive coating is an organic material. In another exemplary embodiment of the present invention, the pH sensitive coating is an inorganic material. Preferably, the pH sensitive coating is made of a material selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, and iridium oxide.

예시적인 실시양태는 전기화학적 파라미터를 모니터링 및/또는 특징분석하고, 검출된 신호를 피드백 제어로서 사용하여 구체적인 시간 동안 원하는 pH 파형을 생성하는 것을 수반한다. 기재된 모든 방법은 하기 식을 기반으로 하여 산화시 H+ 이온을 방출하여 pH를 저하시키고, 환원시 H+ 이온을 소모하여 pH를 증가시키는 산화환원 커플의 사용을 수반한다:Exemplary embodiments involve monitoring and/or characterizing electrochemical parameters and using the detected signal as a feedback control to generate a desired pH waveform for a specified period of time. All of the methods described involve the use of a redox couple, which upon oxidation releases H + ions to lower the pH and upon reduction consumes H + ions to increase the pH, based on the equation:

산화환원 반응의 예는 퀴논 유도체의 반응이다. 여러 상이한 퀴논 유도체가 있으며, 각각은 특이적인 산화성 및 환원성 피크를 갖고, 산화환원 반응 속도는 용액의 pH에 의존적인 것으로 나타났다. 기준 전극과 관련하여 전자 전달 계수 및 개방 회로 전위(OCP)를 비롯한 전극의 전기화학적 성질은 또한 고려될 수 있는 성질이다. OCP는 용액의 pH에 의존적인 것으로 이전에 입증되었다.An example of a redox reaction is the reaction of quinone derivatives. There are several different quinone derivatives, each with specific oxidative and reductive peaks, and the rate of the redox reaction has been shown to be dependent on the pH of the solution. Regarding the reference electrode, the electrochemical properties of the electrode, including electron transfer coefficient and open circuit potential (OCP), are also properties that may be considered. OCP has previously been demonstrated to be dependent on the pH of the solution.

본 발명의 예시적인 실시양태에 따라, 용액의 pH를 제어하는 디바이스는 제어기, 3개 이상의 전극, 및 1종 이상의 산화환원 활성 종을 함유하는 용액을 포함한다. 일부 실시양태에서, 디바이스는 용액의 pH 및/또는 용액에서 2개 이상의 전극 사이의 OCP를 측정하여, 측정된 OCP 데이터를 생성하고, 측정된 pH 및/또는 OCP 데이터를 제어기에 전송하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 디바이스는 pH 민감성 형광 분자 또는 분자들의 형광을 측정함으로써 용액의 pH를 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 디바이스는 pH 감지 전극의 사용에 의해 용액의 pH를 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 디바이스는 본 분야에 공지된 임의의 방법으로 pH를 측정함으로써 용액의 pH를 측정하도록 구성될 수 있다. 제어기는 하기 단계를 반복적으로 수행하도록 구성될 수 있다: 목표 pH 값 및/또는 OCP 데이터와 측정된 pH 및/또는 OCP 데이터 사이의 차이 또는 pH 감지 소자의 목표 출력과 pH 감지 소자의 측정된 출력 사이의 차이를 기반으로 하여 전류량 또는 전기원 파형을 선택하고, 전기 전위 파형에 따라 전기 전류 또는 전기 전위를 2개 이상의 전극 중 1개 이상에 제공함으로써 선택된 양의 전류를 용액에 인가하고, OCP의 또 다른 측정 및/또는 pH 감지 소자의 출력에 대한 요청을 디바이스에 전송한다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a device for controlling the pH of a solution includes a controller, three or more electrodes, and a solution containing at least one redox active species. In some embodiments, a device may be configured to measure the pH of a solution and/or OCP between two or more electrodes in the solution, generate measured OCP data, and transmit the measured pH and/or OCP data to a controller. there is. In some embodiments, a device may be configured to measure the pH of a solution by measuring the fluorescence of a pH-sensitive fluorescent molecule or molecules. In some embodiments, the device may be configured to measure the pH of a solution by use of a pH sensing electrode. In some embodiments, the device can be configured to measure the pH of a solution by measuring the pH by any method known in the art. The controller may be configured to repeatedly perform the following steps: a difference between a target pH value and/or OCP data and measured pH and/or OCP data or between a target output of the pH sensing element and a measured output of the pH sensing element. A current amount or an electric source waveform is selected based on the difference in , an electric current or an electric potential is applied to one or more of the two or more electrodes according to the electric potential waveform to apply the selected amount of current to the solution, and the OCP's or Sends a request to the device for another measurement and/or output of the pH sensing element.

바람직하게는, 용액 중에서 1종 이상의 산화환원 활성 종은 용액에 인가된 전기 전류 또는 전기 전위에 의해 유도된 전기화학 반응을 통해 수소 이온을 생성하고/거나 소모한다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된다: 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 및 이들의 유도체. 더욱 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 퀴논이다. ([Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35(2005)] 참조). 훨씬 더 바람직하게는, 퀴논은 하기로부터 선택된다: 히드로퀴논, 벤조퀴논, 나프토퀴논, 및 이들의 유도체. 가장 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 퀴논 유도체이다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 용액은 완충된, 완충되지 않은 수성, 유기 또는 이들의 혼합물이다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 전기원 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 바람직하게는, 전기원 파형은 전기 입력을 각각의 용액 pH 값에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 3개 이상의 전극은 금속 산화물, 유리상 탄소, 그래핀, 금, 은, 또는 백금으로 제조된다. 바람직하게는, 3개 이상의 전극에는 기준 전극, 작동 전극 및 상대 전극이 포함되고, 감지 소자는 감지 전극이다. 3개 이상의 전극 각각은 금속 산화물, 금, 유리상 탄소, 그래핀, 은, 백금, 염화은, 표준 수소, 수은 방울, 또는 포화된 칼로멜로 각각 제조된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, 감지 전극은 또한 작동 전극으로서 기능할 수 있다. 바람직하게는, 감지 전극은 pH 민감성 코팅으로 코팅되고, 감지 전극 및 pH 민감성 코팅의 OCP는 H+ 이온 농도에 의해 지배된다. 본 발명의 특정 예시적인 실시양태에서, pH 민감성 코팅은 유기 또는 무기 물질이다. 바람직하게는, pH 민감성 코팅은 폴리아닐린, 폴리피롤, 및 산화이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.Preferably, the one or more redox active species in the solution generate and/or consume hydrogen ions through an electrochemical reaction induced by an electrical current or electrical potential applied to the solution. Preferably, the one or more redox active species is selected from: quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, and derivatives thereof. More preferably, the at least one redox active species is a quinone. (See Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1-35 (2005)). Even more preferably, the quinone is selected from: hydroquinone, benzoquinone, naphthoquinone, and derivatives thereof. Most preferably, the at least one redox active species is a quinone derivative. In certain exemplary embodiments of the present invention, the solution is buffered, unbuffered aqueous, organic or a mixture thereof. In certain exemplary embodiments of the present invention, the electric source waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. Preferably, the electrical source waveforms are selected from predetermined maps that map electrical inputs to respective solution pH values. In certain exemplary embodiments of the invention, the three or more electrodes are made of metal oxides, glassy carbon, graphene, gold, silver, or platinum. Preferably, the three or more electrodes include a reference electrode, a working electrode and a counter electrode, and the sensing element is a sensing electrode. Each of the three or more electrodes is each made of a metal oxide, gold, glassy carbon, graphene, silver, platinum, silver chloride, standard hydrogen, mercury drops, or saturated calomel. In certain exemplary embodiments of the present invention, the sensing electrode may also function as the working electrode. Preferably, the sensing electrode is coated with a pH sensitive coating, and the OCP of the sensing electrode and the pH sensitive coating are governed by the H + ion concentration. In certain exemplary embodiments of the present invention, the pH sensitive coating is an organic or inorganic material. Preferably, the pH sensitive coating is made of a material selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, and iridium oxide.

용액에 첨가될 수 있고 생물학적 완충제에서 전기화학적 pH 조절에 적합한 퀴논 유도체, 퀴논 유도체를 포함하는 전기화학적 활성 조성물, 유도체 및/또는 조성물을 제조하는 방법, 및 그의 용도 또한 제공된다.Also provided are quinone derivatives that can be added to solutions and are suitable for electrochemical pH adjustment in biological buffers, electrochemically active compositions comprising quinone derivatives, methods of making the derivatives and/or compositions, and uses thereof.

예시적인 실시양태에 따라, 전기화학적 활성 조성물은 퀴논 유도체를 포함하고, 친핵체와 퀴논 유도체 사이의 반응성은 친핵체와 퀴논 유도체가 유래되는 비치환된 퀴논 사이의 반응성과 비교하여 감소되고, 조성물은 조성물의 pH가 퀴논 유도체를 통해 전기화학적으로 조절되도록 구성된다. 더욱 바람직하게는, 친핵체와 퀴논 유도체 사이의 반응성은 친핵체와 퀴논 유도체가 유래되는 비치환된 퀴논 사이의 반응성과 비교하여 적어도 50%만큼 감소된다. 바람직하게는, 퀴논 유도체는 하기로 이루어진 군으로부터 선택된 화학식으로 정의된다:According to an exemplary embodiment, the electrochemically active composition comprises a quinone derivative, the reactivity between the nucleophile and the quinone derivative is reduced compared to the reactivity between the nucleophile and the unsubstituted quinone from which the quinone derivative is derived, and the composition is It is configured such that the pH is controlled electrochemically through a quinone derivative. More preferably, the reactivity between the nucleophile and the quinone derivative is reduced by at least 50% compared to the reactivity between the nucleophile and the unsubstituted quinone from which the quinone derivative is derived. Preferably, the quinone derivative is defined by a formula selected from the group consisting of:

상기 화학식 I 내지 XII에서, 각각의 R 기는 H; CnH2n+1; Cl; F; I; Br; OM; NO2; OH; OCnH2n+1; OCnH2nOH; O(CnH2nO)yH; O(CnH2nO)yCnH2n+1; O(CnH2nO)yCOOH; O(CnH2nO)yCOOM; COOH; COOM; COOCnH2n+1; CONHCnH2n+1; CON(CnH2n+1)2; SO3H; SO3M; NH2; NHCnH2n+1; N(CnH2n+1)2; NHCnH2nOH; NHCnH2nNH2; N(CnH2nOH)2; N(CnH2nNH2)2; NHCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2nOH; NCnH2nCOCnH2nNH2; NHCnH2nCOCnH2nSH; SH; SCnH2n+1; SCnH2nOH; S(CnH2nO)yH; S(CnH2nO)yCnH2n+1; S(CnH2nO)yCOOH; S(CnH2nO)yCOOM; OCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSCnH2n+1; CnH2n; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nNHCnH2n+1; CnH2nN(CnH2n+1)CnH2n; CnH2nOH; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nOCnH2nOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOM; CnH2nCOOH; CnH2nCOOM; CnH2nCOOCnH2n+1; CnH2nCONHCnH2n+1; CnH2nCONH(CnH2n+1)2; CnH2nSO3H; CnH2nSO3M; CnH2nNH2; CnH2nN(CnH2n+1)2; CnH2nNHCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nNH2; CnH2nN(CnH2nOH)2; CnH2nN(CnH2nNH2)2; CnH2nNHCOCnH2n+1; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nNH2; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nSH; CnH2nSH; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nSCnH2nOH; CnH2nS(CnH2nO)yH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2n+1; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOM; 당; 펩티드; 및 아미노산으로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되고; R 기 중 적어도 1개는 수소가 아니고; M은 임의의 금속 양이온 또는 NH4 +이고; n은 1 내지 109의 정수이고; y는 1 내지 109의 정수이다.In Formulas I to XII above, each R group is H; C n H 2n+1 ; Cl; F; I; Br; OM; NO 2 ; OH; OC n H 2n+1 ; OC n H 2n OH; O(C n H 2n O) y H; O(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; O(C n H 2n O) y COOH; O(C n H 2n O) y COOM; COOH; COOM; COOC n H 2n+1 ; CONHC n H 2n+1 ; CON(C n H 2n+1 ) 2 ; SO 3 H; SO 3 M; NH 2 ; NHC n H 2n+1 ; N(C n H 2n+1 ) 2 ; NHC n H 2n OH; NHC n H 2 n NH 2 ; N(C n H 2n OH) 2 ; N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; NHCOC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n OH; NC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; NHC n H 2n COC n H 2n SH; SH; SC n H 2n+1 ; SC n H 2n OH; S(C n H 2n O) y H; S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; S(C n H 2n O) y COOH; S(C n H 2n O) y COOM; OC n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n ; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n+1 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 )C n H 2n ; C n H 2n OH; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n OC n H 2n OH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOM; C n H 2n COOH; C n H 2n COOM; C n H 2n COOC n H 2n+1 ; C n H 2n CONHC n H 2n+1 ; C n H 2n CONH(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n SO 3 H; C n H 2 n SO 3 M; C n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n NHC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n OH) 2 ; C n H 2n N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; C n H 2n NHCOC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n SH; C n H 2n SH; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n OH; C n H 2n S(C n H 2n O) y H; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOH; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOM; sugar; peptide; and amino acids; at least one of the R groups is not hydrogen; M is any metal cation or NH 4 + ; n is an integer from 1 to 10 9 ; y is an integer from 1 to 10 9 .

예시적인 실시양태에 따라, 퀴논 유도체의 모든 R 기는 서로 상이하다. 예시적인 실시양태에 따라, 퀴논 유도체의 R 기 중 2개 이상은 동일하다. 바람직하게는, 조성물은 수성 용액이다. 예시적인 실시양태에 따라, 조성물은 수성 완충제, 유기 용매, 전해질, 완충제 염, 생체시약, 생체분자, 계면활성제, 보존제, 동결보호제, 1종 이상의 반응물, 촉매, 효소, 보조-인자 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제, 및 이들의 조합물을 추가로 포함한다. 바람직하게는 1종 이상의 친핵체는 아민, 티올, 아미노산, 펩티드, 단백질, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 예시적인 실시양태에 따라, 친핵체와 퀴논 유도체 사이의 반응성은 (i) R 기 중 1개 이상에 의한 친핵체 결합 부위의 증가된 입체 장애; (ii) 친핵체 결합 부위와 R 기 중 1개 사이의 공유 결합에 의한 친핵체 결합 부위의 제거로 인해 친핵체와 퀴논 유도체가 유래되는 비치환된 퀴논 사이의 반응성과 비교하여 감소된다. 바람직하게는 친핵체와 퀴논 유도체 사이의 반응성은 (i) 및 (ii) 둘 다로 인해 친핵체와 퀴논 유도체가 유래되는 비치환된 퀴논 사이의 반응성과 비교하여 감소된다.According to an exemplary embodiment, all R groups of the quinone derivative are different from each other. According to an exemplary embodiment, at least two of the R groups of the quinone derivative are the same. Preferably, the composition is an aqueous solution. According to exemplary embodiments, the composition may comprise a group consisting of aqueous buffers, organic solvents, electrolytes, buffer salts, bioreagents, biomolecules, surfactants, preservatives, cryoprotectants, one or more reactants, catalysts, enzymes, co-factors, and the like. and combinations thereof. Preferably the at least one nucleophile is selected from the group consisting of amines, thiols, amino acids, peptides, proteins, and combinations thereof. According to an exemplary embodiment, the reactivity between the nucleophile and the quinone derivative is due to (i) increased steric hindrance of the nucleophile binding site by one or more of the R groups; (ii) the reactivity between the nucleophile and the unsubstituted quinone from which the quinone derivative is derived is reduced due to removal of the nucleophile binding site by covalent bond between the nucleophile binding site and one of the R groups; Preferably the reactivity between the nucleophile and the quinone derivative is reduced due to both (i) and (ii) compared to the reactivity between the nucleophile and the unsubstituted quinone from which the quinone derivative is derived.

R 기 중 1개 이상을 치환체로 치환시켜 퀴논 유도체를 제공함으로써 1개 이상의 R 기를 갖는 퀴논을 변형시키는 방법들이 또한 제공되며, 퀴논 유도체는 퀴논과 친핵체 사이의 반응성과 비교하여 친핵체와의 반응성이 감소되고; 치환체는 H; CnH2n+1; Cl; F; I; Br; OM; NO2; OH; OCnH2n+1; OCnH2nOH; O(CnH2nO)yH; O(CnH2nO)yCnH2n+1; O(CnH2nO)yCOOH; O(CnH2nO)yCOOM; COOH; COOM; COOCnH2n+1; CONHCnH2n+1; CON(CnH2n+1)2; SO3H; SO3M; NH2; NHCnH2n+1; N(CnH2n+1)2; NHCnH2nOH; NHCnH2nNH2; N(CnH2nOH)2; N(CnH2nNH2)2; NHCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2nOH; NCnH2nCOCnH2nNH2; NHCnH2nCOCnH2nSH; SH; SCnH2n+1; SCnH2nOH; S(CnH2nO)yH; S(CnH2nO)yCnH2n+1; S(CnH2nO)yCOOH; S(CnH2nO)yCOOM; OCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSCnH2n+1; CnH2n; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nNHCnH2n+1; CnH2nN(CnH2n+1)CnH2n; CnH2nOH; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nOCnH2nOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOM; CnH2nCOOH; CnH2nCOOM; CnH2nCOOCnH2n+1; CnH2nCONHCnH2n+1; CnH2nCONH(CnH2n+1)2; CnH2nSO3H; CnH2nSO3M; CnH2nNH2; CnH2nN(CnH2n+1)2; CnH2nNHCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nNH2; CnH2nN(CnH2nOH)2; CnH2nN(CnH2nNH2)2; CnH2nNHCOCnH2n+1; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nNH2; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nSH; CnH2nSH; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nSCnH2nOH; CnH2nS(CnH2nO)yH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2n+1; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOM; 당; 펩티드; 및 아미노산으로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되고; M은 임의의 금속 양이온 또는 NH4 +이고; n은 1 내지 109의 정수이고; y는 1 내지 109의 정수이다. 예시적인 실시양태에 따라, 1개 이상의 R 기는 극성 기로 치환된다. 바람직하게는, 극성 기는 고립 전자쌍을 함유하는 원자를 갖는다. 바람직하게는, 극성 기는 물과 수소 결합을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 극성 기는 산소, 질소 및 황 원자 중 적어도 1개를 함유한다. 더욱 바람직하게는, 극성 기는 OH, CH2OH, OCH3, COOH, SO3H, NH2, NH3Cl, ONa, 당, 아미노산, 및 펩티드로 이루어진 군으로부터 선택된다.Also provided are methods of modifying quinones having one or more R groups by substituting a substituent for one or more of the R groups to provide quinone derivatives, wherein the quinone derivatives have reduced reactivity with nucleophiles compared to the reactivity between quinone and nucleophiles. become; Substituents are H; C n H 2n+1 ; Cl; F; I; Br; OM; NO 2 ; OH; OC n H 2n+1 ; OC n H 2n OH; O(C n H 2n O) y H; O(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; O(C n H 2n O) y COOH; O(C n H 2n O) y COOM; COOH; COOM; COOC n H 2n+1 ; CONHC n H 2n+1 ; CON(C n H 2n+1 ) 2 ; SO 3 H; SO 3 M; NH 2 ; NHC n H 2n+1 ; N(C n H 2n+1 ) 2 ; NHC n H 2n OH; NHC n H 2 n NH 2 ; N(C n H 2n OH) 2 ; N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; NHCOC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n OH; NC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; NHC n H 2n COC n H 2n SH; SH; SC n H 2n+1 ; SC n H 2n OH; S(C n H 2n O) y H; S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; S(C n H 2n O) y COOH; S(C n H 2n O) y COOM; OC n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n ; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n+1 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 )C n H 2n ; C n H 2n OH; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n OC n H 2n OH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOM; C n H 2n COOH; C n H 2n COOM; C n H 2n COOC n H 2n+1 ; C n H 2n CONHC n H 2n+1 ; C n H 2n CONH(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n SO 3 H; C n H 2 n SO 3 M; C n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n NHC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n OH) 2 ; C n H 2n N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; C n H 2n NHCOC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n SH; C n H 2n SH; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n OH; C n H 2n S(C n H 2n O) y H; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOH; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOM; sugar; peptide; and amino acids; M is any metal cation or NH 4 + ; n is an integer from 1 to 10 9 ; y is an integer from 1 to 10 9 . According to exemplary embodiments, one or more R groups are substituted with polar groups. Preferably, polar groups have atoms containing lone pairs of electrons. Preferably, the polar groups are capable of forming hydrogen bonds with water. Preferably, the polar groups contain at least one of oxygen, nitrogen and sulfur atoms. More preferably, the polar group is selected from the group consisting of OH, CH 2 OH, OCH 3 , COOH, SO 3 H, NH 2 , NH 3 Cl, ONa, sugars, amino acids, and peptides.

(i) 아세트산 및 알데히드의 존재하에 출발 물질과 할로겐화수소를 반응시키는 할라이드 치환 단계; (ii) 단계 (i)에 의해 생성된 물질과 구조 R-X의 친핵체의 반응; (iii) 단계 (ii)에 의해 생성된 물질과 산화제의 반응; 및 (iv) 단계 (iii)에 의해 생성된 물질과 환원제의 반응을 포함하는, 치환된 메틸 퀴논을 합성하는 방법들이 또한 제공되며, 여기서 R은 H; CnH2n+1; Cl; F; I; Br; OM; NO2; OH; OCnH2n+1; OCnH2nOH; O(CnH2nO)yH; O(CnH2nO)yCnH2n+1; O(CnH2nO)yCOOH; O(CnH2nO)yCOOM; COOH; COOM; COOCnH2n+1; CONHCnH2n+1; CON(CnH2n+1)2; SO3H; SO3M; NH2; NHCnH2n+1; N(CnH2n+1)2; NHCnH2nOH; NHCnH2nNH2; N(CnH2nOH)2; N(CnH2nNH2)2; NHCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2n+1; NCnH2nCOCnH2nOH; NCnH2nCOCnH2nNH2; NHCnH2nCOCnH2nSH; SH; SCnH2n+1; SCnH2nOH; S(CnH2nO)yH; S(CnH2nO)yCnH2n+1; S(CnH2nO)yCOOH; S(CnH2nO)yCOOM; OCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSH; O(CnH2nO)yCnH2nSCnH2n+1; CnH2n; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nNHCnH2n+1; CnH2nN(CnH2n+1)CnH2n; CnH2nOH; CnH2nOCnH2n+1; CnH2nOCnH2nOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOH; CnH2nO(CnH2nO)yCOOM; CnH2nCOOH; CnH2nCOOM; CnH2nCOOCnH2n+1; CnH2nCONHCnH2n+1; CnH2nCONH(CnH2n+1)2; CnH2nSO3H; CnH2nSO3M; CnH2nNH2; CnH2nN(CnH2n+1)2; CnH2nNHCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nNH2; CnH2nN(CnH2nOH)2; CnH2nN(CnH2nNH2)2; CnH2nNHCOCnH2n+1; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nOH; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nNH2; CnH2nNHCnH2nCOCnH2nSH; CnH2nSH; CnH2nSCnH2n+1; CnH2nSCnH2nOH; CnH2nS(CnH2nO)yH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2n+1; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOH; CnH2nS(CnH2nO)yCnH2nCOOM; 당; 펩티드; 및 아미노산으로 이루어진 군으로부터 선택되고; M은 임의의 금속 양이온 또는 NH4 +이고; n은 1 내지 109의 정수이고; y는 1 내지 109의 정수이고; X는 OH, NH2, NHR, SH, O-, 또는 S-이다.(i) a halide substitution step of reacting a starting material with a hydrogen halide in the presence of acetic acid and an aldehyde; (ii) reaction of the material produced by step (i) with the nucleophile of structure RX; (iii) reaction of the material produced by step (ii) with an oxidizing agent; and (iv) reacting the material produced by step (iii) with a reducing agent, wherein R is H; C n H 2n+1 ; Cl; F; I; Br; OM; NO 2 ; OH; OC n H 2n+1 ; OC n H 2n OH; O(C n H 2n O) y H; O(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; O(C n H 2n O) y COOH; O(C n H 2n O) y COOM; COOH; COOM; COOC n H 2n+1 ; CONHC n H 2n+1 ; CON(C n H 2n+1 ) 2 ; SO 3 H; SO 3 M; NH 2 ; NHC n H 2n+1 ; N(C n H 2n+1 ) 2 ; NHC n H 2n OH; NHC n H 2 n NH 2 ; N(C n H 2n OH) 2 ; N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; NHCOC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n+1 ; NC n H 2n COC n H 2n OH; NC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; NHC n H 2n COC n H 2n SH; SH; SC n H 2n+1 ; SC n H 2n OH; S(C n H 2n O) y H; S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; S(C n H 2n O) y COOH; S(C n H 2n O) y COOM; OC n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SH; O(C n H 2n O) y C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n ; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n+1 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 )C n H 2n ; C n H 2n OH; C n H 2n OC n H 2n+1 ; C n H 2n OC n H 2n OH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOH; C n H 2n O (C n H 2n O) y COOM; C n H 2n COOH; C n H 2n COOM; C n H 2n COOC n H 2n+1 ; C n H 2n CONHC n H 2n+1 ; C n H 2n CONH(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n SO 3 H; C n H 2 n SO 3 M; C n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n+1 ) 2 ; C n H 2n NHC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n NH 2 ; C n H 2n N(C n H 2n OH) 2 ; C n H 2n N(C n H 2n NH 2 ) 2 ; C n H 2n NHCOC n H 2n+1 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n OH; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n NH 2 ; C n H 2n NHC n H 2n COC n H 2n SH; C n H 2n SH; C n H 2n SC n H 2n+1 ; C n H 2n SC n H 2n OH; C n H 2n S(C n H 2n O) y H; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n+1 ; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOH; C n H 2n S(C n H 2n O) y C n H 2n COOM; sugar; peptide; and amino acids; M is any metal cation or NH 4 + ; n is an integer from 1 to 10 9 ; y is an integer from 1 to 10 9 ; X is OH, NH 2 , NHR, SH, O - , or S - .

예시적인 실시양태에 따라, 출발 물질은 디알콕시벤젠이고, 할라이드 치환 단계의 결과는 오르토-퀴논, 파라-퀴논, 또는 이들의 조합물이다. 바람직하게는, 오르토-퀴논 또는 파라-퀴논의 분자당 할라이드 기의 수는 1, 2, 3 또는 4개이다. 예시적인 실시양태에 따라, 출발 물질은 디알콕시나프탈렌이고, 할라이드 치환 단계의 결과는 오르토-나프토퀴논, 파라-나프토퀴논, 또는 이들의 조합물이다. 바람직하게는, 오르토-나프토퀴논 또는 파라-나프토퀴논의 분자당 할라이드 기의 수는 1 또는 2개이다. 바람직하게는, 할로겐화수소는 HCl, HBr, HI, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 산화제는 세륨 암모늄 니트레이트, 아이오딘, 과산화수소, 초고가 아이오딘, 아이오도벤젠 디아세테이트, 브로민 화합물, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 환원제는 나트륨 붕수화물, 칼륨 붕수화물, 나트륨 히드로술파이트, 트리클로로실란, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.According to an exemplary embodiment, the starting material is dialkoxybenzene and the result of the halide substitution step is ortho-quinone, para-quinone, or a combination thereof. Preferably, the number of halide groups per molecule of ortho-quinone or para-quinone is 1, 2, 3 or 4. According to an exemplary embodiment, the starting material is dialkoxynaphthalene and the result of the halide substitution step is ortho-naphthoquinone, para-naphthoquinone, or a combination thereof. Preferably, the number of halide groups per molecule of ortho-naphthoquinone or para-naphthoquinone is 1 or 2. Preferably, the hydrogen halide is selected from the group consisting of HCl, HBr, HI, and combinations thereof. Preferably, the oxidizing agent is selected from the group consisting of cerium ammonium nitrate, iodine, hydrogen peroxide, ultra-expensive iodine, iodobenzene diacetate, bromine compounds, and combinations thereof. Preferably, the reducing agent is selected from the group consisting of sodium borohydride, potassium borohydride, sodium hydrosulfite, trichlorosilane, and combinations thereof.

용액 중에 지지체를 포함하는 바이오센서를 제공하고, 지지체는 1개 이상의 전극, 및 그 위에 1개 이상의 고정된 프로브를 갖는 생체분자 계면 층을 포함하고, 용액은 퀴논 유도체를 포함하고; 생체분자 피분석물을 용액에 첨가하고; 1개 이상의 전극을 사용하여 퀴논 유도체를 전기화학적으로 반응시켜, H+ 이온의 양 및/또는 OH- 이온의 양을 생성하고, 1개 이상의 전극의 가까이에서 용액의 pH는 생성된 H+ 이온의 양 및/또는 OH- 이온의 양에 의해 제어되고; 바이오센서로부터의 신호를 수집하고, 친핵체와 퀴논 유도체 사이의 반응성은 친핵체와 퀴논 유도체가 유래되는 비치환된 퀴논 사이의 반응성과 비교하여 감소되는 것을 포함하는 방법들이 또한 제공된다.providing a biosensor comprising a support in a solution, the support comprising one or more electrodes and a biomolecular interface layer having one or more probes immobilized thereon, and the solution comprising a quinone derivative; adding a biomolecular analyte to the solution; The quinone derivative is electrochemically reacted using one or more electrodes to produce an amount of H + ions and/or an amount of OH - ions, and the pH of the solution in the vicinity of the one or more electrodes is proportional to the amount of H + ions produced. controlled by the amount and/or amount of OH - ions; Methods comprising collecting a signal from the biosensor and reducing the reactivity between the nucleophile and the quinone derivative compared to the reactivity between the nucleophile and the unsubstituted quinone from which the quinone derivative is derived are also provided.

바람직하게는, 1개 이상의 전극을 사용하여 퀴논 유도체를 전기화학적으로 반응시키기 전의 용액의 pH는 1 내지 14이다. 바람직하게는, 1개 이상의 전극을 사용하여 퀴논 유도체를 전기화학적으로 반응시킨 후의 용액의 pH는 1 내지 14이다. 바람직하게는, 용액은 1종 이상의 친핵체를 함유한다. 바람직하게는, 1종 이상의 친핵체는 아민, 티올, 아미노산, 펩티드, 단백질, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 예시적인 실시양태에 따라, 용액은 환원된 퀴논 유도체를 함유하고, 퀴논 유도체를 전기화학적으로 반응시키면 환원된 퀴논 유도체의 전기화학적 산화 반응이 일어나서 용액의 pH가 더욱 산성이 된다. 바람직하게는, 환원된 퀴논 유도체의 농도는 0 내지 1M이다. 예시적인 실시양태에 따라, 용액은 산화된 퀴논 유도체를 함유하고, 퀴논 유도체를 전기화학적으로 반응시키면 산화된 퀴논 유도체의 전기화학적 환원 반응이 일어나서 용액의 pH가 더욱 염기성이 된다. 바람직하게는, 산화된 퀴논 유도체의 농도는 0 내지 1M이다. 바람직하게는, 용액은 0 내지 1M의 농도에서 제공되는 1종 이상의 완충제 성분을 함유한다. 바람직하게는, 1종 이상의 완충제 성분은 유기 용매, 전해질, 생체 시약, 생체분자, 계면활성제, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 예시적인 실시양태에 따라, 상기 방법은 용액의 pH를 측정하는 것을 추가로 포함한다. 바람직하게는, pH는 계속해서 측정된다. 바람직하게는, 퀴논 유도체는 전기 전류의 양을 제공함으로써 전기화학적으로 반응한다. 바람직하게는, pH는 전기 전류의 양을 제공하기 전에 측정된다. 바람직하게는, 전기 전류의 양은 측정된 pH를 기반으로 하여 선택된다.Preferably, the pH of the solution before electrochemically reacting the quinone derivative using one or more electrodes is 1 to 14. Preferably, the pH of the solution after electrochemically reacting the quinone derivative using one or more electrodes is 1 to 14. Preferably, the solution contains one or more nucleophiles. Preferably, the one or more nucleophiles are selected from the group consisting of amines, thiols, amino acids, peptides, proteins, and combinations thereof. According to an exemplary embodiment, the solution contains the reduced quinone derivative, and electrochemically reacting the quinone derivative causes an electrochemical oxidation reaction of the reduced quinone derivative to make the pH of the solution more acidic. Preferably, the concentration of the reduced quinone derivative is 0 to 1M. According to an exemplary embodiment, the solution contains an oxidized quinone derivative, and electrochemically reacting the quinone derivative causes an electrochemical reduction reaction of the oxidized quinone derivative to make the pH of the solution more basic. Preferably, the concentration of the oxidized quinone derivative is 0 to 1M. Preferably, the solution contains one or more buffer components provided at a concentration of 0 to 1M. Preferably, the one or more buffer components are selected from the group consisting of organic solvents, electrolytes, bioreagents, biomolecules, surfactants, and combinations thereof. According to an exemplary embodiment, the method further comprises measuring the pH of the solution. Preferably, the pH is continuously measured. Preferably, the quinone derivative reacts electrochemically by providing a quantity of electrical current. Preferably, the pH is measured prior to providing the amount of electrical current. Preferably, the amount of electric current is selected based on the measured pH.

퀴논은 본원에서 비치환된 퀴논으로서 정의된다. 예를 들어, 화학 구조 I - XII는 모든 R 기가 수소인 경우의 퀴논을 나타낸다. 퀴논 유도체는 본원에서 적어도 1개의 수소가 치환체로 대체된 것을 제외하고는 퀴논과 구조적으로 유사한 화합물로서 정의된다. 1개 초과의 수소가 치환체로 대체되는 경우, 치환체의 종류는 독립적으로 선택될 수 있지만, 고유할 필요는 없다. 그들의 비치환된 대응물과 비교하여, 본 발명의 퀴논 유도체는 친핵체와의 반응성이 감소되고, 퀴논 유도체를 함유하는 생물학적 완충제의 pH는 전기화학적으로 조절될 수 있다.Quinones are defined herein as unsubstituted quinones. For example, chemical structures I-XII represent quinones when all R groups are hydrogen. A quinone derivative is defined herein as a compound structurally similar to quinone except that at least one hydrogen has been replaced by a substituent. When more than one hydrogen is replaced by a substituent, the type of substituent may be independently selected, but need not be unique. Compared to their unsubstituted counterparts, the quinone derivatives of the present invention have reduced reactivity with nucleophiles, and the pH of biological buffers containing quinone derivatives can be controlled electrochemically.

2개 이상의 전극 간에 전류가 인가되지 않는 동안에 용액의 pH 및/또는 용액에서 2개 이상의 전극의 개방 회로 전위(OCP)를 측정하고, 측정된 pH 및/또는 OCP를 기반으로 하여 전류의 양을 선택하고, 선택된 양의 전류를 용액에 제공하여, 적어도 하나의 전기화학적 생성 또는 소모 수소 이온들(at least one electrochemically generating or consuming hydrogen ions)에 의해 용액의 pH를 변화시키는 것을 포함하는, 3개 이상의 전극, 및 감지 전극일 수 있는 pH 감지 소자를 사용하여 용액의 pH를 제어하는 방법들이 또한 제공된다. 바람직하게는, 수소 이온의 생성 및/또는 소모는 용액 중에서 1종 이상의 산화환원 활성 종의 전기화학 반응에 의해 달성된다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된 퀴논이다: 히드로퀴논, 벤조퀴논, 나프타퀴논, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물. 바람직하게는, 3개 이상의 전극은 상대 전극, 작동 전극 및 기준 전극, 및 바람직하게는 pH 감지 전극을 포함한다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극은 작동 전극으로도 기능하도록 구성된다. 바람직하게는, 3개 이상의 전극은 각각 독립적으로 금속 산화물, 금, 유리상 탄소, 그래핀, 은, 백금, 염화은, 표준 수소, 수은 방울, 포화된 칼로멜, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다. 바람직하게는, 용액은 완충된, 완충되지 않은, 수성, 유기 또는 이들의 혼합물이다. 바람직하게는, 상기 방법은 용액 중에서 2개 이상의 전극의 측정된 OCP를 기반으로 하여 용액의 pH를 결정하는 것을 추가로 포함한다. 바람직하게는, 전기 파형을 선택하는 것은 결정된 pH를 기반으로 한다. 바람직하게는, 상기 방법은 전기 파형을 선택하고, 전기 파형을 용액에 제공하는 것을 추가로 포함한다. 전기 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 바람직하게는, 전기 파형은 각각의 전류량을 각각의 전기 파형에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다.Measuring the pH of a solution and/or the open circuit potential (OCP) of two or more electrodes in a solution while no current is applied between the two or more electrodes, and selecting the amount of current based on the measured pH and/or OCP and providing a selected amount of current to the solution to change the pH of the solution by at least one electrochemically generating or consuming hydrogen ions. , and methods of controlling the pH of a solution using a pH sensing element, which can be a sensing electrode, are also provided. Preferably, the generation and/or consumption of hydrogen ions is achieved by electrochemical reaction of one or more redox active species in solution. Preferably, the at least one redox active species is selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. Preferably, the at least one redox active species is a quinone selected from: hydroquinone, benzoquinone, naphthaquinone, derivatives thereof, and combinations thereof. Preferably, the three or more electrodes include a counter electrode, a working electrode and a reference electrode, and preferably a pH sensing electrode. According to an exemplary embodiment, the sensing electrode is configured to also function as a working electrode. Preferably, the three or more electrodes are each independently a material selected from the group consisting of metal oxides, gold, glassy carbon, graphene, silver, platinum, silver chloride, standard hydrogen, drops of mercury, saturated calomel, and combinations thereof. is manufactured with Preferably, the solution is buffered, unbuffered, aqueous, organic or a mixture thereof. Preferably, the method further comprises determining the pH of the solution based on the measured OCP of the two or more electrodes in the solution. Preferably, selecting the electrical waveform is based on the determined pH. Advantageously, the method further comprises selecting an electrical waveform and providing the electrical waveform to the solution. The electric waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. Preferably, the electrical waveforms are selected from predetermined maps that map respective amounts of current to respective electrical waveforms.

pH 감지 소자, 상대 전극, 기준 전극, 및 작동 전극을 포함하는 지지체; 전기화학적 활성제를 포함하는 바이오센서 시스템 또한 제공되며, 바이오센서는 전기화학적 활성제의 산화환원 상태의 변화를 제어하도록 구성되고, 바이오센서는 하기를 반복적으로 수행하도록 구성된다: 용액의 pH 및/또는 OCP와 목표 pH 값 및/또는 OCP 사이의 차이를 최소화하기 위해 작동 전극에 인가되는 전류의 양을 선택하고; 선택된 양의 전류를 작동 전극에 인가하여, 용액의 pH 및/또는 OCP를 조정하고; 용액의 pH 및/또는 OCP를 측정한다. 바람직하게는, 용액은 수성 용액이다. 바람직하게는, pH 감지 소자는 감지 전극이다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극은 작동 전극으로도 기능할 수 있다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극 및 작동 전극은 별개의 전극이고, 감지 전극과 작동 전극 사이의 거리는 0 cm 내지 1 cm이다. 바람직하게는, 작동 전극에 인가되는 전류의 양은 전기 파형을 인가함으로써 제공된다. 전기 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 바람직하게는, 전기 파형은 각각의 전류량을 각각의 전기 파형에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다. 바람직하게는, 감지 전극은 pH 민감성 코팅으로 코팅된다. pH 민감성 코팅은 유기 물질 또는 무기 물질이다. 바람직하게는, pH 민감성 코팅은 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.a support comprising a pH sensing element, a counter electrode, a reference electrode, and a working electrode; A biosensor system comprising an electrochemically active agent is also provided, wherein the biosensor is configured to control a change in the redox state of the electrochemically active agent, and the biosensor is configured to repeatedly perform the following: pH and/or OCP of a solution. select an amount of current applied to the working electrode to minimize the difference between the pH value and/or the target pH value and/or OCP; applying a selected amount of current to the working electrode to adjust the pH and/or OCP of the solution; Measure the pH and/or OCP of the solution. Preferably, the solution is an aqueous solution. Preferably, the pH sensing element is a sensing electrode. According to an exemplary embodiment, the sensing electrode can also function as a working electrode. According to an exemplary embodiment, the sensing and working electrodes are separate electrodes, and the distance between the sensing and working electrodes is between 0 cm and 1 cm. Preferably, the amount of current applied to the working electrode is provided by applying an electrical waveform. The electric waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. Preferably, the electrical waveforms are selected from predetermined maps that map respective amounts of current to respective electrical waveforms. Preferably, the sensing electrode is coated with a pH sensitive coating. pH sensitive coatings are organic or inorganic materials. Preferably, the pH sensitive coating is made of a material selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, and combinations thereof.

용액에 대한 목표 pH 값을 기반으로 하여 목표 pH 값 및/또는 개방 회로 전위(OCP)를 선택하고; 작동 전극에 전류가 인가되지 않는 동안에 기준 전극과 감지 전극 사이에서 감지 소자를 사용하여 pH를 결정하고/거나 용액의 OCP를 특징분석하고; 하기를 반복적으로 수행하는 것을 포함하는, 감지 소자, 상대 전극, 기준 전극, 및 작동 전극을 사용하여 용액의 pH를 모니터링하는 방법들이 또한 제공된다: 용액의 OCP 및/또는 pH와 목표 OCP 및/또는 pH 사이의 차이를 최소화하기 위해 작동 전극에 인가되는 전류의 양을 선택하고; 선택된 양의 전류를 작동 전극에 인가하여 용액의 OCP 및/또는 pH를 조정하고; 용액의 OCP 및/또는 pH를 측정한다. 바람직하게는, 용액은 수성 용액이다. 바람직하게는, 목표 pH 값은 전기화학적 델타-시그마-조절기를 포함시킴으로써 설정된다. 목표 pH 값은 시간 경과에 따라 변할 수 있고/거나 상이한 작동 전극 사이에서 상이할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전기화학적 델타-시그마-조절기의 출력-신호는 목표 pH 값을 생성하기 위해 필요한 전하의 디지털 표시를 얻기 위해 디지털 필터링된다. 바람직하게는, 목표 pH 값 및/또는 OCP는 상한 및 하한을 갖는 범위이다. 더욱 바람직하게는, 목표 pH 값은 단일 목표 값이다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극은 작동 전극으로도 기능할 수 있다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극 및 작동 전극은 별개의 전극이고, 감지 전극과 작동 전극 사이의 거리는 0 cm 내지 1 cm이다. 바람직하게는, 작동 전극에 인가되는 전류의 양은 전기 파형을 인가함으로써 제공된다. 전기 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 바람직하게는, 전기 파형은 각각의 전류량을 각각의 전기 파형에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다. 바람직하게는, 감지 전극은 pH 민감성 코팅으로 코팅된다. pH 민감성 코팅은 유기 물질 또는 무기 물질이다. 바람직하게는, pH 민감성 코팅은 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.selecting a target pH value and/or an open circuit potential (OCP) based on the target pH value for the solution; determining the pH and/or characterizing the OCP of the solution using a sensing element between the reference and sensing electrodes while no current is applied to the working electrode; Also provided are methods of monitoring the pH of a solution using a sensing element, a counter electrode, a reference electrode, and a working electrode comprising repeatedly performing the OCP and/or pH of the solution and the target OCP and/or selecting the amount of current applied to the working electrode to minimize the difference between pH; applying a selected amount of current to the working electrode to adjust the OCP and/or pH of the solution; Measure the OCP and/or pH of the solution. Preferably, the solution is an aqueous solution. Preferably, the target pH value is set by including an electrochemical delta-sigma-regulator. The target pH value may change over time and/or may differ between different working electrodes. More preferably, the output-signal of the electrochemical delta-sigma-regulator is digitally filtered to obtain a digital representation of the charge required to produce the target pH value. Preferably, the target pH value and/or OCP is a range having upper and lower limits. More preferably, the target pH value is a single target value. According to an exemplary embodiment, the sensing electrode can also function as a working electrode. According to an exemplary embodiment, the sensing and working electrodes are separate electrodes, and the distance between the sensing and working electrodes is between 0 cm and 1 cm. Preferably, the amount of current applied to the working electrode is provided by applying an electrical waveform. The electric waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. Preferably, the electrical waveforms are selected from predetermined maps that map respective amounts of current to respective electrical waveforms. Preferably, the sensing electrode is coated with a pH sensitive coating. pH sensitive coatings are organic or inorganic materials. Preferably, the pH sensitive coating is made of a material selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, and combinations thereof.

제어기; 3개 이상의 전극; pH 감지 소자; 및 1종 이상의 산화환원 활성 종을 함유하는 용액을 포함하는, 용액의 pH를 제어하기 위한 디바이스가 또한 제공되며, 디바이스는 하기를 반복적으로 수행하도록 구성된다: 용액 중에서 2개 이상의 전극 사이의 pH 및/또는 개방 회로 전위(OCP)를 측정하여, 측정된 pH 및/또는 OCP 데이터를 생성하고; 제어기를 사용하여, 목표 pH 값 및/또는 OCP 데이터와 측정된 pH 및/또는 OCP 데이터 사이의 차이를 기반으로 하여 전류의 양 또는 전기 전위 파형을 선택하고; 제어기를 사용하여, 선택된 양의 전류 또는 선택된 전기 전위 파형을 3개 이상의 전극 중 1개 이상을 통해 용액에 인가한다. 바람직하게는, 용액은 수성 용액이다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 용액에 인가된 전기 전류 또는 전기 전위에 의해 유도된 전기화학 반응을 통해 수소 이온을 생성하거나 또는 소모한다. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된다: 퀴논, 카테콜, 아미노페놀 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물. 바람직하게는, 1종 이상의 산화환원 활성 종은 하기로부터 선택된 퀴논이다: 히드로퀴논, 벤조퀴논, 나프타퀴논, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물. 바람직하게는, 용액은 완충된, 완충되지 않은 수성, 유기 또는 이들의 혼합물이다. 바람직하게는, 전기 전위 파형은 정전류적 파형 또는 정전위적 파형이다. 더욱 바람직하게는, 전기 전위 파형은 각각의 전류량을 각각의 전기 전위 파형에 맵핑하는 사전 결정된 맵으로부터 선택된다. 바람직하게는, 3개 이상의 전극은 기준 전극, 작동 전극, 및 상대 전극을 포함하고, pH 감지 소자는 감지 전극이다. 3개 이상의 전극은 금속 산화물, 금, 유리상 탄소, 그래핀, 은, 백금, 염화은, 표준 수소, 수은 방울, 포화된 칼로멜, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 물질로 제조된다. 예시적인 실시양태에 따라, 감지 전극은 작동 전극으로도 기능할 수 있다. 바람직하게는, 감지 전극은 pH 민감성 코팅으로 코팅된다. pH 민감성 코팅은 유기 물질 또는 무기 물질이다. 바람직하게는, pH 민감성 코팅은 폴리아닐린, 폴리피롤, 산화이리듐, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.controller; three or more electrodes; pH sensing element; and a solution containing at least one redox active species, a device for controlling the pH of a solution is also provided, the device being configured to repeatedly perform the following: pH between two or more electrodes in a solution and / or measuring an open circuit potential (OCP) to generate measured pH and / or OCP data; using the controller, selecting an amount of current or electrical potential waveform based on a difference between the target pH value and/or OCP data and the measured pH and/or OCP data; Using a controller, a selected amount of current or selected electrical potential waveform is applied to the solution through one or more of the three or more electrodes. Preferably, the solution is an aqueous solution. Preferably, the one or more redox active species generate or consume hydrogen ions through an electrochemical reaction induced by an electrical current or electrical potential applied to the solution. Preferably, the at least one redox active species is selected from: quinones, catechols, aminophenol hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. Preferably, the at least one redox active species is a quinone selected from: hydroquinone, benzoquinone, naphthaquinone, derivatives thereof, and combinations thereof. Preferably, the solution is buffered or unbuffered aqueous, organic or a mixture thereof. Preferably, the electric potential waveform is a galvanostatic waveform or a potentiostatic waveform. More preferably, the electric potential waveform is selected from a predetermined map mapping each amount of current to each electric potential waveform. Preferably, the three or more electrodes include a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode, and the pH sensing element is a sensing electrode. The three or more electrodes are made of materials independently selected from the group consisting of metal oxides, gold, glassy carbon, graphene, silver, platinum, silver chloride, standard hydrogen, drops of mercury, saturated calomel, and combinations thereof. According to an exemplary embodiment, the sensing electrode can also function as a working electrode. Preferably, the sensing electrode is coated with a pH sensitive coating. pH sensitive coatings are organic or inorganic materials. Preferably, the pH sensitive coating is made of a material selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, iridium oxide, and combinations thereof.

본 발명의 예시적인 실시양태에 따라, 용액 중에 전기화학적 활성제를 갖는 시스템의 도면은 도 21에 제시된다. 이전에 기재된 시스템에서, 전기화학적 활성제는 용액 중에 있는 것이 아니라 전극 표면에 부착되었다. 도 21에 도시된 바와 같이, 시스템은 용액 중에 애노드 전극 및 전기화학적 활성제를 제공할 수 있다. 전류를 전극에 인가하면 전기화학적 활성제가 전기화학적 산화환원 반응을 일으키도록 유도되어, 전극 근처의 용액의 pH가 더욱 산성이 된다. 전극 표면에 부착되는 것이 아니라 용액 중에 전기화학적 활성제가 있는 것이 여러 이점을 갖는다. 예를 들어, 전기화학적 활성제의 양이 표면 층의 밀도에 의해 제한되지 않는 경우에 주변 환경에 더욱 유의한 변화를 미쳐서, 디바이스의 용량이 증가될 수 있고; 벌크 용액으로부터의 확산을 통해 신선한 전기화학적 활성제가 전극 표면에 제공되어, 순환 능력을 가능하게 할 수 있고; 보편적인 전기화학이 모든 유형의 전극에 인가될 수 있어서, 다른 표면 화학, 예컨대 오염 방지 시약 또는 생체분자의 부착을 방해하지 않을 것이다. 추가로, 생물학적 용액 중에서 pH 생성을 위한 전기화학적 활성제로서 퀴논을 사용하기 위해, 퀴논의 구조는 생물학적 용액 중에서 사용하기 위한 요건을 충족하도록 변형될 수 있다. 생물학적 완충제 중에서 pH 조절에 유용하도록, 분자는 하기 요건을 충족해야 한다: 전자 자극시 전기화학 반응을 통한 양성자의 방출 또는 소모, 충분한 수용성, 환원 및 산화 전위는 용액 내에서 물 가수분해 또는 다른 산화환원 활성 종의 전위보다 낮아야 함, 전자 자극의 부재시 용액 중에서의 안정성(즉, 자가 산화/환원 없음), 친핵체에 대한 낮은 반응성, 생물학적 샘플(예를 들어: 단백질, 펩티드, 세포, DNA, 및 효소)과의 상용성.A diagram of a system with an electrochemically active agent in solution, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, is presented in FIG. 21 . In the previously described system, the electrochemically active agent was attached to the electrode surface rather than being in solution. As shown in FIG. 21 , the system can provide an anode electrode and electrochemically active agent in solution. Applying current to the electrode induces the electrochemical active agent to undergo an electrochemical redox reaction, making the pH of the solution near the electrode more acidic. Having the electrochemically active agent in solution rather than adhering to the electrode surface has several advantages. For example, when the amount of electrochemically active agent is not limited by the density of the surface layer, the capacity of the device can be increased with a more significant change to the surrounding environment; Diffusion from the bulk solution may provide fresh electrochemically active agents to the electrode surface, enabling cycling capability; A universal electrochemistry can be applied to all types of electrodes, so it will not interfere with the adhesion of other surface chemistries, such as antifouling reagents or biomolecules. Additionally, to use quinones as electrochemically active agents for pH generation in biological solutions, the structure of quinones can be modified to meet the requirements for use in biological solutions. To be useful for pH control in biological buffers, a molecule must meet the following requirements: release or consumption of protons through an electrochemical reaction upon electron stimulation, sufficient water solubility, reduction and oxidation potentials to prevent water hydrolysis or other redox in solution. Must be lower than the potential of the active species, stability in solution in the absence of electronic excitation (i.e., no self-oxidation/reduction), low reactivity towards nucleophiles, biological samples (eg: proteins, peptides, cells, DNA, and enzymes) compatibility with.

도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 수성 용액 중에서 pH 조절을 위해 사용될 수 있는 퀴논 유도체를 도시한다.22A-22C depict quinone derivatives that can be used for pH adjustment in aqueous solutions according to exemplary embodiments of the present invention.

상기 설명은 예시적인 것이며 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 관련 기술분야의 기술자는 상기 설명으로부터 본 발명이 다양한 형태로 구현될 수 있고, 다양한 실시양태가 단독으로 또는 조합으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시양태가 그의 특정한 예와 관련하여 기재되었지만, 도면, 상세한 설명 및 첨부물의 연구시 다른 변형이 기술자에 의해 자명해질 것이기 때문에, 본 발명의 실시양태 및/또는 방법의 진정한 범위는 그렇게 제한되지 않아야 한다. 추가로, 흐름도에서 예시된 단계는 생략될 수 있고/거나 특정 단계 순서가 변경될 수 있고, 특정 예에서 여러 예시된 단계는 자동으로 수행될 수 있다.The above description is illustrative and not intended to be limiting. A person skilled in the art can understand from the above description that the present invention may be embodied in various forms, and that the various embodiments may be embodied singly or in combination. Thus, while embodiments of the present invention have been described in connection with specific examples thereof, the true scope of the embodiments and/or methods of the present invention lies, as other variations will become apparent to those skilled in the art upon a study of the drawings, detailed description and appendices. It shouldn't be so limited. Additionally, steps illustrated in the flowcharts may be omitted and/or the order of certain steps may be changed, and in certain instances several illustrated steps may be performed automatically.

하기는 임의의 방식으로 제한되지 않고 구체적인 방법을 예시하는 실시예이다. 예들은 일반적인 지식으로부터 이해되는 바와 같이 상세한 설명의 범위 내에서 변형될 수 있다.The following are examples that illustrate specific methods without being limiting in any way. Examples may be modified within the scope of the detailed description as understood from common knowledge.

예들examples

실시예 1- 전극 표면에서 H+ 또는 OH- 이온의 전기화학적 생성. Example 1 - Electrochemical generation of H+ or OH- ions at electrode surfaces .

사용되는 전극 물질: 전극 물질은 인듐 주석 산화물이었다. 이는 수성 용액 중에서 매우 큰 전위 범위를 갖는 반도체 전극 표면이다.Electrode material used: The electrode material was indium tin oxide. It is a semiconductor electrode surface with a very large potential range in aqueous solution.

H + 이온을 생성하기 위한 종의 전기-산화. 전극 표면에서 아스코르브산의 산화는 H+ 이온을 생성하였고, 전극 표면 pH를 더욱 산성 상태로 변화시켰다:Electro-oxidation of species to produce H + ions . Oxidation of ascorbic acid at the electrode surface produced H + ions and changed the electrode surface pH to a more acidic state:

AH2 → A + 2H+ + 2e- AH 2 → A + 2H + + 2e -

여기서, AH2는 아스코르브산(C6H6O6)이다(도 5에 도시됨). 산화하는 전극 전위는 Ag/AgCl 기준 전극에 비해 인듐 주석 산화물 물질에 대해 0.5V 미만이었다(도 7에 도시됨). 이 전위는 수성 용액 중에서 산소 발생 반응에 필요한 전압보다 낮았다. 더 높은 전극 전위(예를 들어 단지 인산염 완충제 중의 ITO 전극의 경우 > 1V)는 PEG 층을 손상시킬 수 있다(도 8에 도시됨). 아스코르브산은 또한 표면 화학의 전기화학적 분해를 방지하기 위해 희생 종으로서 작용하였다.Here, AH 2 is ascorbic acid (C6H6O6) (shown in FIG. 5). The oxidizing electrode potential was less than 0.5V for the indium tin oxide material compared to the Ag/AgCl reference electrode (shown in FIG. 7). This potential was lower than that required for the oxygen evolution reaction in aqueous solution. Higher electrode potentials (eg > 1V for ITO electrodes in phosphate buffer only) can damage the PEG layer (shown in Figure 8). Ascorbic acid also served as a sacrificial species to prevent electrochemical degradation of the surface chemistry.

OH - 이온을 생성하기 위한 종의 전기-환원. 벤조퀴논(C6H4O2)에서 히드로퀴논(C6H6O2)으로의 환원은 -0.1V에서 OH- 이온을 생성할 수 있다: OH - electro-reduction of species to produce ions . Reduction of benzoquinone (C6H4O2) to hydroquinone (C6H6O2) can produce OH - ions at -0.1V:

BQ + 2e- + 2H2O → HQ + 2OH- BQ + 2e - + 2H 2 O → HQ + 2OH -

이 환원 반응은 전극 계면에서 pH를 증가시켰다.This reduction reaction increased the pH at the electrode interface.

상기 예에서, 생성된 H+ 또는 OH- 이온의 양은 용액에 존재하는 종의 농도(nM-mM 범위), 인가된 전위(-2V 내지 +2V), 파형의 유형(상이한 주파수 및 듀티 사이클에서 펄스파, 일정파, 톱니파, 사인파, 구형파), 및 종의 확산(용액 중 첨가제로 인해 달라질 수 있음)에 따라 좌우될 것이다. 이들 파라미터는 다중 부위 어레이에 존재하는 각각의 작동 전극에서 상이한 pH를 얻기 위해 최적화될 수 있다.In the example above, the amount of H + or OH - ions produced depends on the concentration of the species present in the solution (in the nM-mM range), the applied potential (-2V to +2V), and the type of waveform (pulls at different frequencies and duty cycles). spar, constant, sawtooth, sine, square), and diffusion of the species (which may vary due to additives in solution). These parameters can be optimized to obtain a different pH at each working electrode present in the multi-site array.

예 2 - 효소 반응을 이용하는 pH 변화Example 2 - pH change using an enzymatic reaction

효소, 예컨대 옥시다제, 우레아제 또는 데히드로게나제는 반응 동안에 수소를 소모하거나 또는 생성하는 것으로 공지되어 있다. 예를 들어:Enzymes such as oxidase, urease or dehydrogenase are known to consume or produce hydrogen during reactions. for example:

ß-d-글루코스 + O2 → d-글루코스-δ-락톤 + H2O2 ß-d-glucose + O 2 → d-glucose-δ-lactone + H 2 O 2

d-글루코스-δ-락톤 + H2O → d-글루코네이트 + H+ d-glucose-δ-lactone + H 2 O → d-gluconate + H +

글루코스 옥시다제의 존재하에 글루코스의 산화는 관심 단백질 근처에서 pH를 변화시키기 위해 사용되는 H+ 이온을 생성할 수 있다.Oxidation of glucose in the presence of glucose oxidase can generate H + ions that are used to change the pH near the protein of interest.

예 3 - 생체분자 계면 층에서 생체분자 프로브와 함께 효소의 공동-고정화Example 3 - Co-immobilization of Enzymes with Biomolecular Probes in a Biomolecular Interfacial Layer

효소는 단백질, 반응물, 촉매 등과 함께 표면 상에 공동-고정화될 때 그들을 근접하게 만들어서, 효소 반응에 의해 생성된 H+는 단백질 결합(예를 들어 항원-항체 결합 및 비-특이적인 결합), 반응 속도 등에 영향을 미칠 수 있는 국소화된 pH 변화를 유발할 것이다.Enzymes bring proteins, reactants, catalysts, etc., into close proximity when co-immobilized on a surface, so that the H + produced by the enzymatic reaction can lead to protein binding (e.g. antigen-antibody binding and non-specific binding), reaction will cause localized pH changes that can affect rates and the like.

예 4 - 자성 마이크로/나노입자에 대한 효소의 부착Example 4 - Attachment of Enzymes to Magnetic Micro/Nanoparticles

단백질, 반응물, 촉매 등은 전자석 상의 고체 표면의 마이크로/나노공동에 부착된다. 효소는 용액 중에서 자성 마이크로/나노입자에 별도로 부착된다. 아래에 제작/배치된 전자석을 제어하면 국소 pH 값이 제어된다. 효소 반응은 상응하는 효소 기질을 도입함으로써 촉발된다(도 6에 도시됨). 대안적으로 전기화학적 활성 효소가 사용된다. pH 변화는 공동에서 국소화되고, 단백질 상호작용, 반응 속도 등이 조절된다.Proteins, reactants, catalysts, etc. are attached to the micro/nanocavities of the solid surface on the electromagnet. Enzymes are separately attached to magnetic micro/nanoparticles in solution. Controlling the electromagnet built/placed underneath controls the local pH value. The enzymatic reaction is triggered by introducing the corresponding enzyme substrate (shown in Figure 6). Alternatively, electrochemically active enzymes are used. pH changes are localized in the cavity, and protein interactions, reaction rates, etc. are regulated.

예 5 - 녹색 형광 단백질(GFP)에 의한 형광 강도에 의해 모니터링되는 pH의 전기화학적 조절Example 5 - Electrochemical modulation of pH monitored by fluorescence intensity by green fluorescent protein (GFP)

사용되는 전극 물질: 전극 물질은 인듐 주석 산화물이었다. 사용된 형광 단백질은 전극의 어레이를 포함하는 유리 기판 상에 고정된 GFP이다. GFP는 스폿으로 적용되고, 각각의 스폿은 한 전극과 중첩되는 영역 및 전극과 중첩되지 않는 영역을 커버한다.Electrode material used: The electrode material was indium tin oxide. The fluorescent protein used is GFP immobilized on a glass substrate containing an array of electrodes. GFP is applied in spots, each spot covering an area overlapping with one electrode and an area not overlapping with an electrode.

ITO 작동 전극의 표면에서 pH 변화는 0.1M Na2SO4를 함유하는 묽은 인산염 완충제(pH = 7.4) 중에서 산화환원 활성 분자인 2-메틸-1,4-디히드로퀴논의 전류-유도된 산화를 통해 생성된다. 10초의 유도 후에, 전류(50 마이크로암페어)를 30초 동안 인가하였고, GFP 형광 강도의 변화에 의해 관찰된 바와 같이 용액 pH가 5.5로 저하되었다. 도 10은 pH 값을 평가하기 위한 보정 곡선으로 사용된다. 전류가 꺼진 후, pH는 50초 내에 중성 값으로 회복되었다(도 11 및 도 12b에 도시됨).The pH change at the surface of the ITO working electrode is via current-induced oxidation of the redox active molecule 2-methyl-1,4-dihydroquinone in dilute phosphate buffer containing 0.1 M Na 2 SO 4 (pH = 7.4). is created After 10 seconds of induction, a current (50 microamps) was applied for 30 seconds and the solution pH lowered to 5.5 as observed by a change in GFP fluorescence intensity. 10 is used as a calibration curve for evaluating pH values. After the current was turned off, the pH recovered to a neutral value within 50 seconds (shown in FIGS. 11 and 12B).

예 6 - 친핵체와의 반응 방지Example 6 - Prevention of Reaction with Nucleophiles

파라-벤조퀴논 및 오르토-벤조퀴논(도 22a 내지 도 22c에서 화합물 2, 4, 6 및 9)은 고리의 이중 결합에서 친핵성 공격에 민감하다(도 22a 내지 도 22c의 구조 2에서 위치 2, 3, 5 및 6, 도 22a 내지 도 22c의 구조 4에서 위치 3, 4, 5 및 6, 및 도 22a 내지 도 22c의 구조 6에서 위치 2 및 3). 이들 위치 중 일부 또는 모두에서 치환체의 도입은 친핵성 공격의 문제를 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 1,4-벤조퀴논(도 22a 내지 도 22c에서 구조 2, 여기서 R1, R2, R3 및 R4는 H임)은 단백질의 아미노 기와의 마이클(Michael) 부가 반응을 겪는다([Loomis et al., Phytochemistry, 5, 423, (1966)] 및 US6753312 B2). 다른 한편으로, 2,5-디치환된 1,4-벤조퀴논(도 21에서 구조 2, 여기서 R1 및 R3은 H이고, R2 및 R4는 H 이외의 기임)은 단백질의 존재하에 마이클 부가 반응에 대한 민감성을 나타내지 않으며, 생물학적 완충제로서 사용하기에 더욱 적합하다. 도 23은 벤조퀴논의 존재하에 단백질 안정성에 대한 치환 효과를 입증한다. 녹색 형광 단백질(GFP)의 형광 강도는 인산염 완충된 식염수 중에서 3가지 상이한 벤조퀴논과 함께 30분 동안 인큐베이션한 후에 측정되었다(벤조퀴논의 농도는 0.5mM이었음). 형광 강도에서의 차이는 벤조퀴논에서의 상이한 치환이 GFP의 안정성에 미치는 다양한 효과를 나타낸다. GFP의 형광 강도는 그의 구조적 온정성의 지표이다. 형광 강도의 상실은 일반적으로 그의 3차 구조의 상실(단백질 변성)을 나타낸다(Yin D. X., Zhu L., Schimke R. T. Anal. Biochem. 1996, 235:195-201). 도 23에 도시된 바와 같이, GFP는 이치환된 벤조퀴논과 함께 30분 동안 인큐베이션한 후에 그의 형광 강도의 100%를 유지하는 반면에, 비치환된 벤조퀴논 및 일치환된 벤조퀴논과의 인큐베이션은 각각 형광 강도에서 25% 및 7% 손실을 유발한다.Para-benzoquinone and ortho-benzoquinone (compounds 2, 4, 6 and 9 in FIGS. 22A-22C) are susceptible to nucleophilic attack at the ring double bond (position 2 in structure 2 of FIGS. 22A-22C). 3, 5 and 6, positions 3, 4, 5 and 6 in structure 4 of FIGS. 22A-22C, and positions 2 and 3 in structure 6 of FIGS. 22A-22C). Introduction of substituents at some or all of these positions can alleviate the problem of nucleophilic attack. For example, 1,4-benzoquinone (structure 2 in FIGS. 22A-22C, where R1, R2, R3 and R4 are H) undergoes a Michael addition reaction with amino groups of proteins ([Loomis et al. al., Phytochemistry, 5, 423, (1966)] and US6753312 B2). On the other hand, 2,5-disubstituted 1,4-benzoquinones (structure 2 in Figure 21, where R1 and R3 are H and R2 and R4 are groups other than H) are susceptible to Michael addition reactions in the presence of proteins. and is more suitable for use as a biological buffer. 23 demonstrates the effect of substitution on protein stability in the presence of benzoquinone. The fluorescence intensity of green fluorescent protein (GFP) was measured after incubation for 30 minutes with three different benzoquinones in phosphate buffered saline (benzoquinone concentration was 0.5 mM). Differences in fluorescence intensity indicate the different effects of different substitutions in benzoquinone on the stability of GFP. The fluorescence intensity of GFP is an indicator of its structural integrity. Loss of fluorescence intensity usually indicates loss of its tertiary structure (protein denaturation) (Yin D. X., Zhu L., Schimke R. T. Anal. Biochem. 1996, 235:195-201). As shown in Figure 23, GFP retains 100% of its fluorescence intensity after incubation with disubstituted benzoquinones for 30 minutes, whereas incubation with unsubstituted and monosubstituted benzoquinones, respectively It causes 25% and 7% loss in fluorescence intensity.

예 7 - 수용성 조정Example 7 - Soluble adjustment

방향족 화합물의 수용성은 수소 결합에 참여할 수 있는 고립 전자쌍을 갖는 하전된 기 또는 원자를 도입함으로써 개선될 수 있다. 이러한 기는 예를 들어 - OH, - CH2OH, - OCH3, - COOH, - SO3H, - NH2, - NH3Cl, - ONa이다. 당, 아미노산 및 펩티드는 또한 퀴논의 수용성을 개선시킬 수 있다. 합성 거대분자, 예컨대 폴리에틸렌글리콜은 치환체로도 사용될 수 있다.The water solubility of aromatic compounds can be improved by introducing charged groups or atoms with lone pairs of electrons capable of participating in hydrogen bonding. Such groups are for example - OH, - CH 2 OH, - OCH 3 , - COOH, - SO 3 H, - NH 2 , - NH 3 Cl, - ONa. Sugars, amino acids and peptides can also improve the water solubility of quinones. Synthetic macromolecules such as polyethylene glycol may also be used as substituents.

예 8 - 산화환원 범위의 조정Example 8 - Adjustment of redox range

퀴논의 환원/산화 전위는 구체적인 적용의 필요에 맞게 조정될 수 있다. 전자-공여 기(예컨대 알킬, 히드록실, 알콕시, 메톡시메틸, 모르폴리노메틸, 아미노 및 클로로 치환체)를 도입함으로써 산화환원 전위가 더 높은 전압을 향해 밀려날 수 있다. 반대로, 전자-끄는 기(예컨대 니트로, 시아노, 카르복실산, 또는 카르복실산 에스테르 기)는 산화환원 전위를 더 낮은 전압을 향해 밀어낼 것이다.The reduction/oxidation potential of quinones can be tailored to the needs of specific applications. The redox potential can be pushed towards higher voltages by introducing electron-donating groups (such as alkyl, hydroxyl, alkoxy, methoxymethyl, morpholinomethyl, amino and chloro substituents). Conversely, electron-withdrawing groups (such as nitro, cyano, carboxylic acid, or carboxylic acid ester groups) will push the redox potential toward lower voltages.

예시적인 실시양태에서, 수성 용액 중 히드로퀴논의 산화 메카니즘은 두 단계를 수반한다: 전자의 전달 및 양성자의 전달. 전자-끄는 또는 전자-공여 치환체의 도입은 상기 과정의 첫번째 단계를 다룬다. 히드로퀴논의 산화 전위는 또한 히드로퀴논의 히드록실 기와 분자내 수소 결합을 형성할 수 있는 치환체를 도입함으로써 저하될 수 있다. 이러한 수소 결합은 히드록실 기의 수소와 산소 사이의 결합을 약화시켜, 산화 반응에 대한 전체적인 에너지 장벽을 저하시킨다. 이러한 R 기의 예는 CH2OH, CH2OCH3, 모르폴리노메틸, 및 COOCH3이다.In an exemplary embodiment, the mechanism of oxidation of hydroquinone in aqueous solution involves two steps: transfer of electrons and transfer of protons. The introduction of electron-withdrawing or electron-donating substituents covers the first step of the process. The oxidation potential of hydroquinone can also be lowered by introducing a substituent capable of forming an intramolecular hydrogen bond with the hydroxyl group of hydroquinone. These hydrogen bonds weaken the bond between the hydrogen and oxygen of the hydroxyl group, lowering the overall energy barrier to the oxidation reaction. Examples of such R groups are CH 2 OH, CH 2 OCH 3 , morpholinomethyl, and COOCH 3 .

동일한 메카니즘을 통해 그러나 상이한 전위에서 전기화학적 변환를 겪는 분자를 선택하는 능력을 가지면, 상이한 pH 조건을 수용할 수 있고, 시스템에서 다른 산화환원 활성 성분을 수반하는 바람직하지 않은 전기화학 반응을 피할 수 있다. 예를 들어, DNA 합성을 수반하는 적용에서, 전압을 피리미딘 염기, 뉴클레오시드, 및 뉴클레오티드의 환원 전위 미만으로 유지하는 것이 바람직하다(수성 용액 pH ~8 중의 NHE에 비해 1V)(Steenken, S. J Am Chem Soc, 1992, 114: 4701-09).Having the ability to select molecules that undergo electrochemical transformation through the same mechanism but at different potentials can accommodate different pH conditions and avoid undesirable electrochemical reactions involving other redox active components in the system. For example, in applications involving DNA synthesis, it is desirable to keep the voltage below the reduction potential of pyrimidine bases, nucleosides, and nucleotides (1 V relative to NHE in an aqueous solution pH ~8) (Steenken, S J Am Chem Soc, 1992, 114: 4701-09).

히드로퀴논의 자가 산화는 고려되어야 할 또 다른 문제이다. 예시적인 실시양태에서, 산화를 피하기 위해, 분자 산소에 의한 자발적인 화학적 산화에 내성인 충분히 높은 전기화학적 산화 전위를 갖는 퀴논 유도체가 사용된다.Autooxidation of hydroquinone is another issue to be considered. In an exemplary embodiment, to avoid oxidation, a quinone derivative with a sufficiently high electrochemical oxidation potential that is resistant to spontaneous chemical oxidation by molecular oxygen is used.

반대로, 충분히 낮은 환원 전위를 갖는 벤조퀴논은 머캅토에탄올, 글루타티온 및 디티오트레이톨과 같은 환원제가 용액 중에 존재하는 시스템에 대해 선택되어야 한다. 이러한 적용의 예는 DNA 합성, 전기영동, 및 면역검정이다.Conversely, benzoquinones with sufficiently low reduction potentials should be selected for systems where reducing agents such as mercaptoethanol, glutathione and dithiothreitol are present in solution. Examples of such applications are DNA synthesis, electrophoresis, and immunoassays.

퀴논의 산화환원 전위는 용액의 pH에 의해 영향을 받는다. 더 염기성인 pH에서 히드로퀴논을 산화시키는 것이 더 용이한 반면에, 더욱 산성인 pH는 더 높은 산화 전위를 필요로 할 것이다. 따라서, 이는 공기 중에서 산소에 의한 자가 산화에 대한 히드로퀴논의 안정성에 영향을 미친다. 따라서, 염기성 pH에서 작업해야 하는 경우에는, 더 높은 산화 전위에서 퀴논의 사용이 전기화학적 시스템의 안정성을 개선시킬 것이다. 도 24는 퀴논에서 상이한 치환체에 대해 상이한 산화 전위가 있음을 도시하며(도 24, A-D), 따라서 산화 전위는 퀴논에서 치환체를 변화시킴으로써 조정될 수 있다.The redox potential of quinones is affected by the pH of the solution. It is easier to oxidize hydroquinone at a more basic pH, while a more acidic pH will require a higher oxidation potential. Thus, it affects the stability of hydroquinone against auto-oxidation by oxygen in air. Thus, when working at basic pH, the use of quinones at higher oxidation potentials will improve the stability of the electrochemical system. Figure 24 shows that there are different oxidation potentials for different substituents in quinones (Figure 24, A-D), so oxidation potentials can be tuned by changing substituents in quinones.

예 9 - 치환된 퀴논의 합성Example 9 - Synthesis of Substituted Quinones

도 25a 및 도 25b에 도시된 반응식 1은 본 발명의 예시적인 실시양태에 따라 치환된 퀴논의 합성을 나타낸다.Scheme 1, shown in Figures 25A and 25B, shows the synthesis of substituted quinones according to an exemplary embodiment of the present invention.

예 10 - 2,5-디메틸-1,4-히드로퀴논Example 10 - 2,5-Dimethyl-1,4-hydroquinone

나트륨 디티오네이트(18.7g, 107.3 mmol, 7.3 equiv)를 20 mL H2O에 용해시키고, 분리 깔때기에 로딩하였다. 다음으로, 75 mL 디에틸 에테르 중 벤조퀴논(2 g, 14.7 mmol, 1 equiv)의 용액을 첨가하였다. 2상 혼합물을 30분 동안 강력하게 교반하였고, 유기 층이 오렌지색에서 옅은 황색으로 변하였다. 유기 상을 염수로 세척하고, MgSO4 상에서 건조시키고, 농축시켜, 백색 고체(1.69 g, 83%)를 수득하였다.Sodium dithionate (18.7 g, 107.3 mmol, 7.3 equiv) was dissolved in 20 mL H 2 O and loaded into a separatory funnel. Next, a solution of benzoquinone (2 g, 14.7 mmol, 1 equiv) in 75 mL diethyl ether was added. The biphasic mixture was vigorously stirred for 30 minutes and the organic layer turned from orange to pale yellow. The organic phase was washed with brine, dried over MgSO 4 and concentrated to give a white solid (1.69 g, 83%).

예 11 - 1,4-비스(브로모메틸)-2,5-디메톡시벤젠Example 11 - 1,4-bis(bromomethyl)-2,5-dimethoxybenzene

파라포름알데히드(알드리치(Aldrich), 4.27 g, 144.75 mmol) 및 HBr/AcOH(플루카(Fluka), 33%, 30 mL)를 빙초산(피셔(Fisher), 50 mL) 중 1,4-디메톡시벤젠(알드리치, 10.00 g, 72.37 mmol)의 교반 용액에 천천히 첨가하였다. 혼합물을 50℃에서 1시간 동안 교반하고, 실온으로 냉각시킨 다음, 물(200 mL)에서 가수분해하였다. 여과에 의해 백색 고체를 수득하였고, CHCl3(50 mL)에 현탁시키고, 10분 동안 환류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 여과에 의해 백색 고체를 다시 수집하고, 물(15.75 g, 67%)로 세척하였다. NMR 스펙트럼을 실험에 의해 수득하여, 생성된 화합물의 화학 구조 및 그의 순도를 확인하였다. NMR 결과는 다음과 같았다: 1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ: 6.88(s, 2H), 4.54(s, 4H), 3.87(s, 6H) ppm.Paraformaldehyde (Aldrich, 4.27 g, 144.75 mmol) and HBr/AcOH (Fluka, 33%, 30 mL) were mixed with 1,4-dimethoxy in glacial acetic acid (Fisher, 50 mL). To a stirred solution of benzene (Aldrich, 10.00 g, 72.37 mmol) was added slowly. The mixture was stirred at 50 °C for 1 hour, cooled to room temperature and hydrolyzed in water (200 mL). A white solid was obtained by filtration, suspended in CHCl 3 (50 mL) and refluxed for 10 min. After cooling to room temperature, the white solid was collected again by filtration and washed with water (15.75 g, 67%). An NMR spectrum was obtained experimentally to confirm the chemical structure of the resulting compound and its purity. The NMR results were as follows: 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ: 6.88 (s, 2H), 4.54 (s, 4H), 3.87 (s, 6H) ppm.

예 12 - 1,4-디메톡시-2,5-디메톡시메틸벤젠Example 12 - 1,4-dimethoxy-2,5-dimethoxymethylbenzene

건조한 라운드 바닥 플라스크를 2,5-디브로모메틸-1,4-디메톡시-벤젠(3g, 9.26 mmol, 1.0 equiv), 무수 K2CO3(25.6 g, 185 mmol, 20 equiv), 및 건조 메탄올(200 mL)로 충전시켰다. 반응 혼합물을 30분 동안 가열하여 환류시킨 다음, 주위 온도로 냉각시키고, 여과하고, 조 백색 고체로 농축시켰다. 고체를 물에 재현탁시키고, 에틸 아세테이트로 추출하고, MgSO4 위에서 건조시키고, 농축시켰다. 잔류물을 옅은 황색 분말(1.2 g, 57%)로서 헥산 중에서 재결정화시켰다. 체류 인자 (Rf) (50% EtOAc/헥산) = 0.65.A dry round bottom flask was charged with 2,5-dibromomethyl-1,4-dimethoxy-benzene (3 g, 9.26 mmol, 1.0 equiv), anhydrous K 2 CO 3 (25.6 g, 185 mmol, 20 equiv), and dried Charged with methanol (200 mL). The reaction mixture was heated to reflux for 30 min, then cooled to ambient temperature, filtered and concentrated to a crude white solid. The solid was resuspended in water, extracted with ethyl acetate, dried over MgSO 4 and concentrated. The residue was recrystallized from hexane as a pale yellow powder (1.2 g, 57%). Retention factor (Rf) (50% EtOAc/Hexanes) = 0.65.

예 13 - 2,5-디메톡시메틸-1,4-벤조퀴논Example 13 - 2,5-dimethoxymethyl-1,4-benzoquinone

아세토니트릴(0.1 M, 52 mL) 중 1,4-디메톡시-2,5-디메톡시메틸벤젠(1.2 g, 5.24 mmol, 1.0 equiv)의 용액을 물(8 mL) 중 세륨 암모늄 니트레이트(5.8 g, 10.6 mmol, 2.02 equiv)의 용액으로 처리하였다. 반응 혼합물을 아르곤하에 주위 온도에서 30분 동안 교반한 다음, 물로 희석하고, 디클로로메탄으로 추출하였다. 조합된 유기 층을 물로 세척하고, Na2SO4 위에서 건조시키고, 오렌지색 고체로 농축시켰다. 조 혼합물을 불활성화된 실리카 겔(0-5% 에틸 아세테이트/헥산) 상에서 컬럼 크로마토그래피에 의해 정제하여, 황색 결정(300 mg, 67%)을 수득하였다. Rf (50% EtOAc/헥산) = 0.7; 1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ: ppm; UV-Vis = 268 nm.A solution of 1,4-dimethoxy-2,5-dimethoxymethylbenzene (1.2 g, 5.24 mmol, 1.0 equiv) in acetonitrile (0.1 M, 52 mL) was dissolved in cerium ammonium nitrate (5.8 mL) in water (8 mL). g, 10.6 mmol, 2.02 equiv). The reaction mixture was stirred under argon at ambient temperature for 30 min, then diluted with water and extracted with dichloromethane. The combined organic layers were washed with water, dried over Na 2 SO 4 and concentrated to an orange solid. The crude mixture was purified by column chromatography on deactivated silica gel (0-5% ethyl acetate/hexanes) to give yellow crystals (300 mg, 67%). Rf (50% EtOAc/Hexanes) = 0.7; 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ: ppm; UV-Vis = 268 nm.

예 14 - 2,5-디메톡시메틸-1,4-히드로퀴논Example 14 - 2,5-dimethoxymethyl-1,4-hydroquinone

2.5 mL EtOAc 중 예 13의 반응에 따라 수득된 벤조퀴논(200 mg, 1.02 mmol, 1.0 equiv)을 2 mL H2O 중 나트륨 디티오네이트(1.3 g, 7.44 mmol, 7.3 equiv)의 용액으로 처리하였다. 2상 혼합물을 30분 동안 강력하게 혼합하였고, 용액이 밝은 색에서 옅은 황색으로 변하였다. 혼합물을 물로 희석하고, 에틸 아세테이트로 추출하고, MgSO4 위에서 건조시키고, 백색 분말(96 mg, 48%)로 농축시켰다.Benzoquinone (200 mg, 1.02 mmol, 1.0 equiv) obtained according to the reaction of Example 13 in 2.5 mL EtOAc was treated with a solution of sodium dithionate (1.3 g, 7.44 mmol, 7.3 equiv) in 2 mL H 2 O. . The biphasic mixture was intensively mixed for 30 minutes and the solution turned from light to pale yellow. The mixture was diluted with water, extracted with ethyl acetate, dried over MgSO 4 and concentrated to a white powder (96 mg, 48%).

예 15 - 1,4-디메톡시-2,5-디히드록시메틸벤젠Example 15 - 1,4-dimethoxy-2,5-dihydroxymethylbenzene

건조한 라운드 바닥 플라스크를 2,5-디브로모메틸-1,4-디메톡시-벤젠(5g, 15.4 mmol, 1.0 equiv) 및 NaOH(77 mL of 1.0 M 용액, 77 mmol, 5.0 equiv), 12 mL H2O, 및 38 mL THF로 충전시켰다. 반응 혼합물을 밀봉하고, 6시간 동안 80℃로 가열하였다. 냉각시킨 후, 반응 혼합물을 회전 증발에 의해 농축시켜, 조 고체를 수득하였고, 이를 헥산 중에서 백색 분말(3 g, 60%)로 재결정화하였다. Rf (80% EtOAc/헥산) = 0.2.A dry round bottom flask was charged with 2,5-dibromomethyl-1,4-dimethoxy-benzene (5 g, 15.4 mmol, 1.0 equiv) and NaOH (77 mL of 1.0 M solution, 77 mmol, 5.0 equiv), 12 mL H 2 O, and 38 mL THF. The reaction mixture was sealed and heated to 80° C. for 6 hours. After cooling, the reaction mixture was concentrated by rotary evaporation to give a crude solid which was recrystallized in hexanes as a white powder (3 g, 60%). Rf (80% EtOAc/Hexanes) = 0.2.

예 16 - 2,5-디메톡시메틸-1,4-벤조퀴논Example 16 - 2,5-dimethoxymethyl-1,4-benzoquinone

아세토니트릴(0.2 M, 25 mL) 중 1,4-디메톡시-2,5-디히드록시메틸벤젠(1.0 g, 5.04 mmol, 1.0 equiv)의 용액을 0℃에서 물(33 mL) 중 세륨 암모늄 니트레이트(5.5 g, 10.1 mmol, 2.0 equiv)의 용액으로 처리하였다. 반응 혼합물을 아르곤하에 주위 온도에서 30분 동안 교반한 다음, EtOAc로 추출하였다. 조합된 유기 층을 Na2SO4 위에서 건조시키고, 오렌지색-적색 고체로 농축시켰다. 조 혼합물을 불활성화된 중성 알루미나(0-100% 에틸 아세테이트/헥산) 상에서 컬럼 크로마토그래피에 의해 정제하여, 황색 결정(300 mg, 67%)을 수득하였다. Rf (80% EtOAc/헥산) = 0.4; 1H NMR (DMSO, 500 MHz): 6.6 (s, 2H), 5.3 (s, 2H), 4.3 (s, 4H), ppm; 13C NMR (DMSO, 125 MHz): 187.4, 149.1, 129.8, 57.0 ppm; UV-Vis = 260 nm.A solution of 1,4-dimethoxy-2,5-dihydroxymethylbenzene (1.0 g, 5.04 mmol, 1.0 equiv) in acetonitrile (0.2 M, 25 mL) was dissolved in cerium ammonium in water (33 mL) at 0 °C. It was treated with a solution of nitrate (5.5 g, 10.1 mmol, 2.0 equiv). The reaction mixture was stirred under argon at ambient temperature for 30 min and then extracted with EtOAc. The combined organic layers were dried over Na 2 SO 4 and concentrated to an orange-red solid. The crude mixture was purified by column chromatography on deactivated neutral alumina (0-100% ethyl acetate/hexanes) to give yellow crystals (300 mg, 67%). Rf (80% EtOAc/Hexanes) = 0.4; 1 H NMR (DMSO, 500 MHz): 6.6 (s, 2H), 5.3 (s, 2H), 4.3 (s, 4H), ppm; 13 C NMR (DMSO, 125 MHz): 187.4, 149.1, 129.8, 57.0 ppm; UV-Vis = 260 nm.

예 17 - 2,5-디히드록시메틸-1,4-히드로퀴논Example 17 - 2,5-dihydroxymethyl-1,4-hydroquinone

0.6 mL EtOAc 중 예 16의 반응에 따라 수득된 벤조퀴논(60 mg, 0.36 mmol, 1.0 equiv)을 0.7 mL H2O 중 나트륨 디티오네이트(453 mg, 2.6 mmol, 7.3 equiv)의 용액으로 처리하였다. 2상 혼합물을 30분 동안 강력하게 교반하였고, 용액이 밝은 색에서 옅은 황색으로 변하였다. 혼합물을 물로 희석하고, 에틸 아세테이트로 추출하고, MgSO4 위에서 건조시키고, 조 고체로 농축시키고, 이를 Ar하에 불활성화된 중성 알루미나 상에서 컬럼 크로마토그래피에 의해 정제하여, 백색 분말(26 mg, 30%)을 수득하였다. UV-Vis = 297 nm.Benzoquinone (60 mg, 0.36 mmol, 1.0 equiv) obtained according to the reaction of Example 16 in 0.6 mL EtOAc was treated with a solution of sodium dithionate (453 mg, 2.6 mmol, 7.3 equiv) in 0.7 mL H 2 O. . The biphasic mixture was vigorously stirred for 30 minutes and the solution turned from light to pale yellow. The mixture was diluted with water, extracted with ethyl acetate, dried over MgSO 4 and concentrated to a crude solid which was purified by column chromatography over deactivated neutral alumina under Ar to give a white powder (26 mg, 30%) was obtained. UV-Vis = 297 nm.

예 18 - 개방 루프 방법Example 18 - Open Loop Method

예시적인 실시양태에 따라, 개방 루프 pH 제어로 명명되는 방법은 전극의 가까이에서 용액의 원하는 pH를 유지하기 위해 전기 전류 또는 전기 전위 형성을 이용하는 것을 수반한다. 상기 방법은 시스템의 전기화학적 성분에 대한 이해를 이용하며, 주요 구성요소는 퀴논의 환원/산화 성질, 용액의 출발 pH, 전극 물질의 전자 전달 계수, 산화환원 분자 농도, 염 농도, 및 완충제 조성 및 농도이다. 이들 모든 성분은 전기화학 반응이 전극의 가까이에서 pH를 변화시키는 방법에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이해와 실험 데이터를 포함시킴으로써, 일련의 모델을 이용하여 필요에 따라 pH를 변화시키기 위해 파형을 정의할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a method termed open loop pH control involves using an electric current or electric potential buildup to maintain a desired pH of a solution in proximity of an electrode. The method uses an understanding of the electrochemical components of the system, the main components being the reduction/oxidation properties of the quinone, the starting pH of the solution, the electron transfer coefficient of the electrode material, the redox molecule concentration, the salt concentration, and the buffer composition and is the concentration All of these components can affect how the electrochemical reaction changes the pH near the electrode. By incorporating this understanding and experimental data, a series of models can be used to define waveforms to change pH as needed.

도 26은 전극의 가까이에서 용액의 pH를 15분에 걸쳐 pH 6.5에서 유지하도록 설계된 개방 루프 파형 실험으로부터의 결과를 도시한다. 전류 값 3.12e-6 내지 3.50e-6 사이에서 대략적으로 확장되는 계단형 추적은 시스템에 인가된 전류(우측 축)와 상관관계가 있다. 대략 직선인 추적은 표면에 결합된 녹색 형광 단백질의 pH 의존적인 형광을 분석함으로써 측정되는 전극 표면의 가까이에서 관찰된 pH(좌측 축)와 상관관계가 있다.26 shows results from open loop waveform experiments designed to hold the pH of a solution at pH 6.5 over 15 minutes in close proximity to the electrodes. A stepped trace extending approximately between current values 3.12e -6 and 3.50e -6 correlates with the current applied to the system (right axis). The approximately straight trace correlates with the pH observed close to the electrode surface (left axis) as measured by analyzing the pH-dependent fluorescence of the green fluorescent protein bound to the surface.

도 27은 용액의 pH를 형성하고 제어하는데 사용될 수 있는 파형(A-E)의 4가지 상이한 예를 도시한다. 흑색 선은 시간 경과에 따라 플롯된 전류/전위 구동된 입력이고, 회색 선은 전극 표면의 가까이에서 용액 중에서 생성된 pH 변화이다.27 shows four different examples of waveforms (A-E) that can be used to form and control the pH of a solution. The black line is the current/potential driven input plotted over time, and the gray line is the pH change produced in solution near the electrode surface.

시스템의 관련 전기화학적 성분이 고정되어 유지된다면, 이들 파형을 사용하여, 추가의 복잡함이 없이 요구에 따라 용액의 동일한 pH 변화 프로파일을 재현가능하게 생성할 수 있다. 상기 방법은 다양한 전극 시스템을 사용하여 구현될 수 있으며, 예시적인 설정의 개략도는 도 31, A-B에 도시된다. 상기 방법은 최소 2개의 전극(815, 820)을 필요로 한다. 초기에, 전극(700)의 가까이에서 용액의 개방 회로 전위는 2개의 전극(815, 820) 사이에서 0 전류를 인가함으로써 측정될 수 있다. 이 상태에서, 1개의 전극은 감지 전극(SE)(815)으로서 작용하고, 두번째는 기준 전극(RE)(820)으로서 작용한다. 출발 OCP를 알게 되면, 전류(800)(도 31, A) 또는 전기 전위(804)(도 31, B)는 원하는 pH 변화를 기반으로 하여 전극(815, 820)에 인가된다. 전류 또는 전위가 인가되는 동안에, 1개의 전극(815)은 작동 전극(WE)으로 작용하고, 두번째 전극(820)은 상대 전극(CE)으로 작용한다. 이는 시스템의 조건이 고정되어 유지되어야 한다는 점에서 가장 간단한 경우이지만, 정확성을 개선시키기 위해서는, 시스템 상태의 연속적인 피드백 방법이 바람직하다.If the relevant electrochemical components of the system remain fixed, these waveforms can be used to reproducibly generate the same pH change profile of a solution on demand without additional complexity. The method can be implemented using a variety of electrode systems, and schematic diagrams of exemplary setups are shown in FIGS. 31 , A-B. The method requires at least two electrodes 815 and 820. Initially, the open circuit potential of the solution near electrode 700 can be measured by applying zero current between the two electrodes 815, 820. In this state, one electrode acts as a sensing electrode (SE) 815 and the second acts as a reference electrode (RE) 820 . Once the starting OCP is known, a current 800 (FIG. 31 A) or electrical potential 804 (FIG. 31 B) is applied to the electrodes 815, 820 based on the desired pH change. While current or potential is applied, one electrode 815 serves as a working electrode WE, and the second electrode 820 serves as a counter electrode CE. This is the simplest case in that the condition of the system must remain fixed, but to improve accuracy, a continuous feedback method of the system state is desirable.

예 19 - 폐쇄 루프 방법Example 19 - Closed Loop Method

또 다른 예시적인 실시양태에 따라, 폐쇄 루프 pH 제어로 명명되는 방법은 전류 또는 전위를 제어하기 위해 피드백 측정으로서 개방 회로 전위를 사용한다.According to another exemplary embodiment, a method termed closed loop pH control uses open circuit potential as a feedback measurement to control current or potential.

도 29a는 단일 OCP V목표를 갖는 폐쇄 루프 피드백 방법을 이용하여 감지 전극(SE) 상에서 제어된 OCP를 예시한다. 한 설정에서(도 32에 도시됨), 시스템은 SE(817)에서 검출된 Vin(830)이 단일 OCP V목표 값에 도달할 때까지 용액(700) 중 H+ 농도를 증가시키기 위해 전류원(800)으로부터 전류를 인가하도록 구동된다. 이어서, 전류원(800)은 스위치(802)를 사용하여 차단되고, SE(817)로부터 먼 H+ 이온의 확산은 용액(700) 중 H+ 농도를 감소시킨다. 유사하게, 시스템은 OCP V목표 값에 도달할 때까지 H+ 농도의 감소를 유도하도록 설정될 수 있고, 이어서 SE를 향한 H+ 이온의 확산은 H+ 농도를 증가시킨다(도시되지 않음). 또 다른 설정에서(도 33에 도시됨), 시스템이 pH 변화를 용이하게 하기 위해 확산에 의존할 필요가 없도록 양의(800) 및 음의(801) 전류원을 사용한다. 이 시스템은 양의 및 음의 방향 둘 다로 pH를 능동적으로 변화시킬 수 있다. 이 설정에서, 시스템은 Vin(830)이 단일 OCP V목표 값에 도달할 때까지 H+ 농도를 증가시키기 위해 전류원(800)으로부터 양의 전류를 인가하도록 구동되고, 전환 스위치(803)를 사용하여 음의 전류원(801)을 작동 전극(WE)(816)에 연결시켜 음의 전류를 인가하고, H+ 농도를 감소시키기 위해서는 설정을 반대로 구동시킨다. 이러한 방식으로, 시스템은 수동 확산에 의존하지 않고, 전자 제어에 의해 pH를 능동적으로 모니터링하고 조정한다.29A illustrates OCP controlled on sensing electrode SE using a closed loop feedback method with a single OCP V target . In one setup (shown in FIG. 32 ), the system uses a current source (shown in FIG. 32 ) to increase the H + concentration in solution 700 until V in 830 detected at SE 817 reaches a single OCP V target value. 800) is driven to apply current. Current source 800 is then shut off using switch 802 and the diffusion of H + ions away from SE 817 reduces the H + concentration in solution 700 . Similarly, the system can be set to induce a decrease in H + concentration until an OCP V target value is reached, then diffusion of H + ions towards the SE increases the H + concentration (not shown). In another setup (shown in FIG. 33 ), positive (800) and negative (801) current sources are used so that the system does not have to rely on diffusion to facilitate pH changes. This system can actively change pH in both positive and negative directions. In this setup, the system is driven to apply positive current from current source 800 to increase the H + concentration until V in 830 reaches a single OCP V target value, using transfer switch 803. Thus, a negative current is applied by connecting the negative current source 801 to the working electrode (WE) 816, and the setting is reversed to reduce the H + concentration. In this way, the system does not rely on passive diffusion, but actively monitors and adjusts the pH by electronic control.

도 29b는 SE(817)과 RE(822) 사이의 OCP의 실험 데이터를 도시하며, 이는 전류가 WE(816)에 인가됨에 따라 변한다. 이 설정에서(도 32에 도시됨), 상부 및 하부 목표는 SE(817) 상의 OCP 값에 대해 제어기(900)를 통해 사전 설정된다. 전위가 하한 미만일 때 피드백은 전류 구동된 pH 변화를 활성화시키고, 상한 초과일 때 스위치(802)는 전류를 차단한다. 데이터는 상부 목표가 달성될 때까지 상승하는 OCP를 나타낸다. 이어서, 피드백은 WE(816)을 끄고, 이는 벌크로부터 완충제가 용액(700)의 국소 pH를 복원하기 시작함에 따라 OCP의 저하를 유도한다. OCP가 하한 목표에 도달할 때, OCP를 다시 증가시키기 위해 스위치(802)를 사용하여 전류를 재개한다. 이 피드백 메카니즘은 WE(816)에 가까이에서 용액(700)에 대해 정의된 pH가 유지되게 할 수 있다. 또 다른 설정에서(도 33에 도시됨), 상한에 도달할 때까지 OCP를 능동적으로 증가시키기 위해 양의 전류가 인가된 다음, 하한에 도달할 때까지 OCP를 능동적으로 감소시키기 위해 음의 전류가 역으로 인가되도록, 피드백은 OCP를 계속해서 변화시키기 위해 활성화될 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 수동 확산에 의존하지 않고, 전자 제어에 의해 pH를 능동적으로 모니터링하고 조정한다.29B shows experimental data of OCP between SE 817 and RE 822, which changes as current is applied to WE 816. In this setup (shown in FIG. 32 ), upper and lower targets are preset via controller 900 for OCP values on SE 817 . When the potential is below the lower limit, the feedback activates the current driven pH change, and when the potential is above the upper limit, the switch 802 turns off the current. The data represent an ascending OCP until the upper target is achieved. Feedback then turns off WE 816, which causes a drop in OCP as the buffer from the bulk begins to restore the local pH of solution 700. When OCP reaches the lower limit target, switch 802 is used to resume current to increase OCP again. This feedback mechanism may allow a defined pH to be maintained for solution 700 close to WE 816 . In another setup (shown in FIG. 33 ), a positive current is applied to actively increase OCP until an upper limit is reached, then a negative current is applied to actively decrease OCP until a lower limit is reached. To be applied in reverse, the feedback can be activated to continuously change the OCP. In this way, the system does not rely on passive diffusion, but actively monitors and adjusts the pH by electronic control.

추가로, 도 30은 전류가 인가된 작동 전극에 인접한 감지 전극 상에서 측정된 개방 회로 전위 전압의 실험 결과를 도시한다. 작동 전극은 감지 전극과 함께 폐쇄 루프 피드백에 있다. 감지 전극에 의해 검출되는 바와 같이 작동 전극의 개방 회로 전위(OCP)는 작동 전극 근처에서 용액의 pH와 유사하다. 피드백은 감지 전극 개방 회로 전위가 0.2V 미만일 경우에만 전류를 WE에 인가하도록 설정되었다. 이어서, 피드백은 0.19V 내지 0.2V(목표 OCP) 사이에서 경계를 이루어, 전위를 0.19 미만에서는 작동 전극 ON 및 0.2V 초과에서는 OFF로 전환한다. 시간 560s에서의 이동은 벌크 용액을 작동 전극에 피펫팅함으로써 유발된 중단이다. 이는 작동 전극에 인가된 전류에 의해 생성된 pH 구배를 교란시켜, 용액의 pH가 벌크 용액의 pH로 즉시 되돌아가게 한다. 피펫팅이 멈춘 뒤, 폐쇄 루프 피드백 시스템이 복원되어, 그 후 목표 OCP를 유지할 수 있다.Additionally, FIG. 30 shows experimental results of the open circuit potential voltage measured on the sensing electrode adjacent to the energized working electrode. The working electrode is in closed loop feedback with the sensing electrode. The open circuit potential (OCP) of the working electrode as detected by the sensing electrode is similar to the pH of the solution near the working electrode. The feedback was set to apply current to the WE only when the sensing electrode open circuit potential was less than 0.2V. The feedback then borders between 0.19V and 0.2V (target OCP), turning the potential to the working electrode ON below 0.19 and OFF above 0.2V. The shift at time 560 s is an interruption caused by pipetting the bulk solution onto the working electrode. This perturbs the pH gradient created by the current applied to the working electrode, causing the pH of the solution to immediately return to that of the bulk solution. After pipetting stops, the closed loop feedback system is restored to maintain the target OCP thereafter.

도 32-47은 폐쇄 루프 피드백 설정에 대한 개략도를 도시하며, 감지 전극(SE)(816)과 기준 전극(RE)(822) 사이의 OCP는 1개 이상의 스위치(802-803, 806-810)을 통해 전류원(들)(800-801) 또는 전위원(들)(804-805)을 조절하는 제어기(900)에 대한 입력으로서 제공된다. 이러한 방식으로, H+ 이온의 전기화학적 생성/소모를 증가시키거나 또는 감소시키도록 시스템을 트리거 온(trigger on) 및 트리거 오프(trigger off)하여, 벌크 용액으로부터 완충 이온의 확산 속도의 증가 또는 감소의 균형을 유지하여, SE(816)과 RE(822) 사이의 목표 OCP(V목표)에 의해 정의되는 구체적인 pH 값을 달성할 수 있다.32-47 show a schematic diagram of a closed loop feedback setup, wherein the OCP between a sensing electrode (SE) 816 and a reference electrode (RE) 822 is one or more switches 802-803, 806-810 is provided as an input to the controller 900 that regulates the current source(s) 800-801 or the potential source(s) 804-805 via In this way, the system is triggered on and off to increase or decrease the electrochemical production/consumption of H + ions, thereby increasing or decreasing the rate of diffusion of buffer ions from the bulk solution. A specific pH value defined by a target OCP (V target ) between SE 816 and RE 822 can be achieved.

예 20 - pH 민감성 코팅의 사용Example 20 - Use of a pH Sensitive Coating

폐쇄 루프 pH 제어 방법을 추가로 개선시키기 위해, 작동 및/또는 감지 전극(815, 816, 817) 상에 pH 민감성 코팅(840)을 추가함으로써 개선된 pH 민감도를 포함시킬 수 있다. 이러한 코팅의 예는 PANI이며, 이는 이례적인 pH 민감도를 갖는 것으로 나타났다. PANI는 수소 이온과 상호작용하고 중합체의 전도성을 변화시키는 하전된 기를 함유한다. pH의 함수로서 PANI의 반응은 pH 검출의 네르스티안 한계(59mV/pH)에 가깝다. PANI의 개방 회로 전위에서의 변화는 단지 H+ 이외의 용액 중 다른 이온에 대해 민감성인 그저 비피복 전극 표면과는 달리 H+ 이온에 대해 고도로 선택적이다. 도 28은 pH의 함수로서 개방 회로 전위(OCP)의 반응을 도시하며, 전극의 표면은 pH 민감성 PANI 코팅으로 코팅된다. pH의 함수로서 OCP의 반응은 네르스티안 한계에 가까운 대략 60mV/pH가 되는 선의 기울기로 도시된다.To further improve the closed loop pH control method, improved pH sensitivity may be included by adding a pH sensitive coating 840 on the actuation and/or sensing electrodes 815, 816, 817. An example of such a coating is PANI, which has been shown to have exceptional pH sensitivity. PANI contains charged groups that interact with hydrogen ions and change the conductivity of the polymer. The response of PANI as a function of pH is close to the Nerstian limit of pH detection (59 mV/pH). The change in the open circuit potential of PANI is highly selective for H + ions, unlike just the bare electrode surface, which is sensitive to other ions in solution other than H + . 28 shows the response of open circuit potential (OCP) as a function of pH, the surface of the electrode being coated with a pH sensitive PANI coating. The response of OCP as a function of pH is plotted with the slope of the line being approximately 60 mV/pH close to the Nerstian limit.

예 21 - 디바이스 설계Example 21 - Device design

도 31은 개방 루프 방법을 이용하는 디바이스 설계의 예시적인 개략도를 도시한다. 파트 A에서는 제어된 전류원이 사용되는 반면에, 파트 B에서는 제어된 전압원이 사용된다.31 shows an exemplary schematic diagram of a device design using an open loop method. In part A a controlled current source is used, whereas in part B a controlled voltage source is used.

폐쇄 루프 방법과 함께 다양한 설계가 이용될 수 있다. 도 32, 34, 36, 38, 40, 42 및 44는 단일 제어된 전류원(800)을 갖는 폐쇄 루프 방법에 대한 다양한 설계를 도시하고, 도 33, 35, 37, 39, 41, 43 및 45-47은 이중 제어된 전류원(800, 801)을 사용하는 대안적인 설계를 도시한다. 폐쇄 루프 방법은 또한 PANI 코팅된(840) 감지 전극(817)을 갖는 설계에서 구현될 수 있다(도 34, 35, 38-41 및 44-47). WE 및 SE는 또한 감지 및 작동 전극 둘 다로서 기능할 수 있는 단일 전극(815)과 조합될 수 있다(도 36-39). 다양한 스위치(802-803, 806-810)을 사용하여 전류(800-801) 및 전압원(804-805)을 연결하고 분리한다. 도 32, 34, 36 및 38은 전류원(800)을 연결하고 분리하기 위한 간단한 스위치(802)를 도시한다. 도 40은 전압원(804)을 연결하고 분리하기 위한 유사한 스위치(806)를 도시한다. 도 33, 44, 46 및 48은 양의 전류원(800)과 음의 전류원(801) 사이의 전환을 위한 전환 스위치(803)를 도시한다. 도 42는 양의 전압원(804)과 음의 전압원(805) 사이의 전환을 위한 유사한 전환 스위치를 도시한다. 도 42-45에서, 스위치(808-810)은 클록 위상 Phi1 및 Phi2와 함께 작동한다. 스위치(808 및 810)은 클록 위상 Phi1과 함께 작동하고, 스위치(809)는 Phi2와 함께 작동한다. 상기 각각의 예에서, WE 전위 입력 및 SE 측정 출력에 대한 추가의 제어 수준을 가능하게 하도록 피드백을 기반으로 하여 제어기(900)에 의해 제어되는 다양한 스위치이다.A variety of designs can be used with closed loop methods. 32, 34, 36, 38, 40, 42 and 44 show various designs for the closed loop method with a single controlled current source 800, and FIGS. 33, 35, 37, 39, 41, 43 and 45- 47 shows an alternative design using dual controlled current sources 800, 801. Closed loop methods can also be implemented in designs with PANI coated 840 sensing electrodes 817 (FIGS. 34, 35, 38-41 and 44-47). The WE and SE can also be combined with a single electrode 815 that can function as both a sensing and actuating electrode (FIGS. 36-39). The current 800-801 and voltage sources 804-805 are connected and disconnected using the various switches 802-803 and 806-810. 32, 34, 36 and 38 show a simple switch 802 for connecting and disconnecting the current source 800. 40 shows a similar switch 806 for connecting and disconnecting the voltage source 804. 33 , 44 , 46 and 48 show a transfer switch 803 for switching between a positive current source 800 and a negative current source 801 . 42 shows a similar transfer switch for switching between a positive voltage source 804 and a negative voltage source 805. 42-45, switches 808-810 operate with clock phases Phi1 and Phi2. Switches 808 and 810 operate with clock phase Phi1 and switch 809 with Phi2. In each of the above examples, it is the various switches controlled by the controller 900 based on feedback to enable an additional level of control over the WE potential input and SE measurement output.

도 46은 폐쇄 루프 제어기를 갖는 시스템 아키텍쳐를 개략적으로 도시한다. 이 시스템은 pH를 단 하나의 목표 값 V목표(907)로 제어한다. pH를 조절하기 위해 전기 전류 대신에 전기 전압을 사용하는 시스템을 갖는 전기화학적 셀에 동일한 아키텍쳐가 적용될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 제어기는 다음과 같이 작동한다. 입력 전압(Vin)(830)을 샘플링하고(901), 목표 전압 V목표(907)과 비교하고(902), 차이를 증폭시키고(903), 루프 필터(904)에 의해 처리한다. 이는 또한 루프 필터의 일부일 수 있고, 또한 상이한 방식으로, 예를 들어 스위칭 축전기 증폭기 또는 스위칭-축전기 루프 필터로서 실현될 수 있다. 루프 필터(904)에 대한 한 예는 비례 부분(P), 적분 부분(I) 및 미분 부분(D)을 갖는 PID-제어기이다. 루프 필터(904)의 출력 신호는 비교기(905)에 의해 고정된 임계값과 비교된다. 비교기(905)의 출력은 양 또는 음일 수 있다. 이는 디지털 표시와 균등하다. 이어서, 이 디지털 신호는 플립-플롭 또는 래치와 같은 클록 모듈(906)에 저장된다. 예시적인 실시양태에서, 클록(908)의 주파수는 H+ 이온의 확산 시간 상수의 역수에 의해 결정되는 주파수보다 훨씬 더 크다. 이어서, 플립-플롭의 출력 신호는 양의 또는 음의 통합 전류가 WE(816)에 인가되는지 여부를 결정한다. 이 반응식은 또한 단 하나의 전류원(800)을 갖는 시스템 또는 전류원(800, 801) 대신에 전압원(804, 805)을 갖는 시스템에 적용될 수 있다. 시스템은 "전기화학적 델타-시그마-조절기"로서 작동하고, 통합 전류원의 양자화 오류는 전기화학적 셀의 전달 함수 및 전자 루프 필터(904)의 전달 함수에 의해 "형성"되고, 클록 CLK(908)의 주파수에 의해 결정되는 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 분포된다. 비교기의 1-비트-출력은 도 46에 도시된 바와 같이 디지털 필터(909)에 의해 필터링될 수 있다. 이는 시스템이 pH를 목표 값으로 유지하기 위해 전기화학적 셀에 적용되어야 하는 것의 디지털 표시를 생성한다.46 schematically illustrates a system architecture with a closed loop controller. This system controls the pH to a single target value V target (907). The same architecture can be applied to electrochemical cells with systems that use electrical voltage instead of electrical current to regulate pH. In an exemplary embodiment, the controller operates as follows. The input voltage (V in ) 830 is sampled (901), compared to the target voltage V target (907) (902), the difference is amplified (903) and processed by a loop filter (904). It can also be part of a loop filter and can also be realized in a different way, for example as a switched-capacitor amplifier or a switched-capacitor loop filter. One example for loop filter 904 is a PID-controller with a proportional part (P), an integral part (I) and a derivative part (D). The output signal of loop filter 904 is compared to a fixed threshold by comparator 905. The output of comparator 905 can be positive or negative. It is equivalent to digital display. This digital signal is then stored in a clock module 906, such as a flip-flop or latch. In an exemplary embodiment, the frequency of clock 908 is much greater than the frequency determined by the reciprocal of the diffusion time constant of H + ions. The output signal of the flip-flop then determines whether a positive or negative integrated current is applied to WE 816. This equation can also be applied to a system with only one current source 800 or a system with voltage sources 804 and 805 instead of current sources 800 and 801 . The system operates as an "electrochemical delta-sigma-regulator", wherein the quantization error of the integrated current source is "shaped" by the transfer function of the electrochemical cell and the transfer function of the electronic loop filter 904, and the clock CLK 908 It is distributed over a wide frequency spectrum determined by frequency. The 1-bit-output of the comparator may be filtered by digital filter 909 as shown in FIG. This creates a digital indication of what the system must apply to the electrochemical cell to maintain the pH at the target value.

아날로그 제어기, 디지털 제어기, 또는 아날로그 및 디지털 신호 처리 둘 다를 사용하는 제어기가 사용될 수 있다는 점에서 제어기 아키텍쳐 설계에 융통성이 있다. 도 47은 두번째 제어기 아키텍쳐를 도시하며, 도 46과의 주요 차이점은 pH에 대한 목표 값을 설정하는 방식이다. 도 46에서, 목표 pH 값은 아날로그 전압 V목표(907)에 의해 설정된다. 이 V목표(907)은 디지털에서 아날로그로의 변환기(DAC)에 의해 생성될 수 있다. 도 47에서, 입력 전압 Vin(830)은 아날로그에서 디지털로의 변환기(ADC)(911)에 의해 디지털화된 다음, 디지털 목표 값(910)과 비교된다(912). 상기 언급된 바와 같이, 전자는 H+ 이온의 확산 시간 상수의 역수보다 훨씬 더 높은 주파수(908)에서 클록된다.There is flexibility in controller architecture design in that analog controllers, digital controllers, or controllers using both analog and digital signal processing may be used. Figure 47 shows the second controller architecture, the main difference from Figure 46 is the way the target value for pH is set. In FIG. 46 , the target pH value is set by analog voltage V target 907 . This V target 907 can be created by a digital to analog converter (DAC). In FIG. 47 , the input voltage V in 830 is digitized by an analog-to-digital converter (ADC) 911 and then compared to a digital target value 910 (912). As mentioned above, electrons are clocked at a frequency 908 much higher than the reciprocal of the diffusion time constant of H + ions.

도 47에서 제어기는 또한 폐쇄 루프 방법을 이용하여 특정 목표 pH 값을 설정하기 위해 필요한 전기 전류 또는 전압을 "측정"하기 위해 사용될 수 있다. 이 정보를 이용하여, 시스템을 특징분석하고, 개방 루프 시스템에 대한 자극을 유도할 수 있다. 이것이 매우 유용할 수 있는 한 예는 한 부위가 폐쇄 루프를 이용하여 올바른 값을 "측정"하기 위해 사용되는 것인 여러 부위의 어레이-구조이며, 이어서 이들 값은 여러 다른 "미러링된" 부위에 대해 개방-루프에 따라 적용된다.The controller in FIG. 47 can also be used to “measure” the electrical current or voltage needed to set a specific target pH value using a closed loop method. This information can be used to characterize the system and derive stimuli for the open loop system. One example where this can be very useful is an array-structure of several sites where one site is used to "measure" the correct value using a closed loop, and then these values are then plotted against several other "mirrored" sites. Applied according to open-loop.

도 48a-48d는 pH 감지에 대한 예시적인 전극 구성의 예시를 도시한다(경로 지정은 도시되지 않음). 작동 전극 및 감지 전극의 기하구조의 예시에는 다음이 포함된다: 도 48a 작동 전극에 인접하여 위치하는 감지 전극, 도 48b 작동 전극 내에 위치하는 감지 전극, 도 48c 단일 작동 전극에 대한 다중 감지 전극, 및 도 48d 서로 맞물린 작동 및 감지 전극. PANI 표면의 포함은 폐쇄 루프 pH 제어의 정확성을 개선시키는데 유리하다. pH를 모니터링하는 감지 전극을 포함시키기 위한 여러 상이한 방법이 있다. 예를 들어, 여전히 또 다른 대안으로, 작동 전극 및 감지 전극은 또한 능동 및 수동/측정 단계 사이에서 전환시킴으로써 하나로 동일할 수 있다.48A-48D show examples of exemplary electrode configurations for pH sensing (routing not shown). Examples of working and sensing electrode geometries include: FIG. 48A sensing electrode positioned adjacent to the working electrode, FIG. 48B sensing electrode positioned within the working electrode, FIG. 48C multiple sensing electrodes to a single working electrode, and 48D Interdigitated actuation and sensing electrodes. Inclusion of a PANI surface is beneficial to improve the accuracy of closed loop pH control. There are several different methods for incorporating a sensing electrode that monitors pH. For example, as yet another alternative, the working and sensing electrodes can also be the same as one by switching between active and passive/measuring phases.

예 22 - pH 조절Example 22 - pH control

pH 조절 시약, 예컨대 퀴논 유도체, 히드라진 유도체, 또는 물의 가역적인 전기화학적 산화/환원은 국소 영역에서 신속한 pH 변화에 대해 입증되었다(Fomina et al., Lab Chip 16, pp. 2236-2244(2016)). pH 조절 한계는 구체적인 pH 조절 시약의 pKa 및 산화/환원 전위, 및 그들의 농도에 따라 좌우될 수 있다. 1mM 인산염 완충제 중에서 인듐-주석 산화물 전극 상에서 2,5-디메틸-1,4-히드로퀴논의 산화 및 2,5-디메틸-1,4-벤조퀴논의 환원에 의한 주문형 pH 조절을 시험하였다. 도 53은 애노드 전류가 전극에 인가될 때, 양성자 생성이 완충제 용량을 극복하고, 용액의 pH가 더욱 산성이 되고, 그 반대의 경우도 마찬가지임을 도시한다.Reversible electrochemical oxidation/reduction of pH adjusting reagents such as quinone derivatives, hydrazine derivatives, or water has been demonstrated for rapid pH changes in localized areas (Fomina et al., Lab Chip 16, pp. 2236-2244 (2016)) . The pH control limits may depend on the pKa and oxidation/reduction potential of specific pH control reagents, and their concentrations. On-demand pH control by oxidation of 2,5-dimethyl-1,4-hydroquinone and reduction of 2,5-dimethyl-1,4-benzoquinone was tested on an indium-tin oxide electrode in 1 mM phosphate buffer. 53 shows that when an anode current is applied to the electrode, proton production overcomes the buffer capacity and the pH of the solution becomes more acidic and vice versa.

예 23 - 다중-전극 어레이 설계Example 23 - Multi-electrode array design

도 49는 피드백-제어 전극을 함유하는 다중-전극 어레이의 비제한적인 예시를 도시한다. 일부 예에서 제어 유닛에 연결하기 위해 필요할 수 있는 연결 전극 및 접촉 패드는 명료함을 위해 도시되지 않는다. 이 방식은 반응 또는 시각화 단계의 다중 라운드를 수행하는데 특이 유용하다. 피드백-제어 섹션에서 각각의 피드백-제어 세트는 독립적인 pH 값, 동일한 pH 값, 또는 이들의 조합을 목표로 할 수 있다.49 shows a non-limiting example of a multi-electrode array containing feedback-control electrodes. Connection electrodes and contact pads that may be needed in some instances to connect to the control unit are not shown for clarity. This approach is particularly useful for performing multiple rounds of reaction or visualization steps. Each feedback-control set in the feedback-control section can target an independent pH value, the same pH value, or a combination thereof.

도 50은 피드백-제어 섹션 및 비-피드백-제어 섹션을 함유하는 단일 디바이스에 대한 제어 방식의 비제한적인 예시를 도시한다. 이 방식은 반응 또는 시각화 단계의 다중 라운드를 수행하는데 특히 유용하다. 피드백-제어 섹션에서 각각의 피드백-제어 세트는 독립적인 pH 값, 동일한 pH 값, 또는 이들의 조합을 목표로 할 수 있다. 각각의 목표 pH 값에 대해, 동일한 목표 pH 값에 대해 배정된 비-피드백-제어 섹션에서 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트가 있을 수 있다. 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극의 형상 및 크기가 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)의 형상 및 크기와 유사한 경우, 피드백-제어 섹션으로부터 수득된 전기 파라미터는 비-피드백-제어 섹션의 작동 전극에 직접적으로 적용될 수 있다.50 shows a non-limiting example of a control scheme for a single device containing a feedback-controlled section and a non-feedback-controlled section. This approach is particularly useful for performing multiple rounds of reaction or visualization steps. Each feedback-control set in the feedback-control section can target an independent pH value, the same pH value, or a combination thereof. For each target pH value, there may be one or more sets of non-feedback-controlled electrodes in the non-feedback-controlled section assigned to the same target pH value. When the shape and size of the working electrode of the non-feedback-controlled electrode set(s) is similar to that of the working electrode(s) of the feedback-controlled electrode set, the electrical parameters obtained from the feedback-controlled section are - Can be applied directly to the working electrode of the control section.

도 51은 비-피드백-제어 전극 세트 사이에서 분산된 피드백-제어 전극 세트의 비제한적인 예시를 도시한다. 각각의 피드백-제어 전극 세트는 독립적인 pH 값, 동일한 pH 값, 또는 이들의 조합을 목표로 할 수 있다. 각각의 목표 pH 값에 대해, 동일한 목표 pH 값(pH 커플링됨)에 대해 또한 배정된 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트가 있다. 이 구성은 더욱 간단한 디바이스 아키텍쳐에 의해 동일한 수준의 제어 또는 더 큰 수준의 제어를 달성하는데 도움이 될 수 있다. 일부 예에서 이 구성은 피드백-제어 전극 세트가 그의 각각의 pH 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트에 의해 둘러싸일 때와 같이 상이한 목표 pH 값을 갖는 인접한 작동 전극으로부터 감지 전극에 대한 효과를 최소화할 수 있다. 피드백-제어 전극 세트의 동일한 목표 pH 값에 대해 배정된 비-피드백-제어 전극 세트는 동일한 목표 pH 값이 배정된 각각의 피드백-제어 전극 세트와 인접하게 및/또는 인접하지 않게 위치할 수 있다. 피드백-제어 전극 세트는 동일한 목표 pH 값이 배정된 각각의 비-피드백-제어 전극 세트와 관련하여 패턴으로 분포되고/거나 무작위로 분포될 수 있다. 일부 예에서, 피드백-제어 전극 세트는 무작위로 또는 작동 전극에 걸쳐 균일한 용액 pH를 제공하도록 설계된 패턴으로 분포된다. 일부 예에서, 피드백-제어 전극 세트는 각각의 작동 전극에서 고유한 용액 pH 및/또는 고유한 일련의 pH 변화를 제공하는데 있어서 최대의 다양성을 제공하도록 설계된 패턴으로 분포된다. 일부 예에서, 피드백-제어 전극 세트는 최대의 피드백을 제공하도록 또는 감지 소자의 집합체로부터의 피드백을 최소화하도록 설계된 패턴으로 분포된다.51 shows a non-limiting example of a feedback-control electrode set distributed among non-feedback-control electrode sets. Each feedback-control electrode set can target an independent pH value, the same pH value, or a combination thereof. For each target pH value, there is one or more sets of non-feedback-control electrodes also assigned to the same target pH value (pH coupled). This configuration can help achieve the same level of control or a greater level of control with a simpler device architecture. In some examples, this configuration minimizes the effect on the sensing electrode from an adjacent working electrode having a different target pH value, such as when a set of feedback-control electrodes is surrounded by its respective set of pH-coupled non-feedback-control electrodes. can do. Non-feedback-control electrode sets assigned to the same target pH value of the feedback-control electrode set may be positioned adjacent to and/or not adjacent to each feedback-control electrode set assigned the same target pH value. The feedback-control electrode sets may be pattern-distributed and/or randomly-distributed with respect to each non-feedback-control electrode set assigned the same target pH value. In some examples, the feedback-control electrode set is distributed randomly or in a pattern designed to provide a uniform solution pH across the working electrode. In some examples, the feedback-control electrode sets are distributed in a pattern designed to provide maximum versatility in providing a unique solution pH and/or a unique series of pH changes at each working electrode. In some examples, the feedback-control electrode sets are distributed in a pattern designed to provide maximum feedback or minimize feedback from the collection of sensing elements.

하기 문단에서 추가로 상세하게 기재되는 바와 같이, 비제한적인 예에서, 다중-전극 어레이 설계는 pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극 사이에서 직접적인 전기 커플링을 통해 pH 커플링되는 pH 커플링된 전극 세트를 포함하고; 다른 비제한적인 예에서, 다중-전극 어레이 설계는 프로세서로부터 동일한 전기 파라미터를 수신하는 pH 커플링된 전극 세트의 각각의 작동 전극을 통해 pH 커플링되는 pH 커플링된 전극 세트를 포함하고; 다른 비제한적인 예에서, 다중-전극 어레이 설계는 프로세서로부터 상이한 전기 파라미터를 수신하지만 동일한 목표 pH 값를 생성하도록 구성된 pH 커플링된 전극 세트의 각각의 작동 전극을 통해 pH 커플링되는 pH 커플링된 전극 세트를 포함한다.As described in further detail in the paragraphs below, in a non-limiting example, a multi-electrode array design may include a pH coupled electrode that is pH coupled via direct electrical coupling between the working electrodes of a set of pH coupled electrodes. contains a set; In another non-limiting example, a multi-electrode array design includes a set of pH coupled electrodes that are pH coupled via each working electrode of the set of pH coupled electrodes receiving the same electrical parameters from the processor; In another non-limiting example, a multi-electrode array design is a pH coupled electrode that receives different electrical parameters from a processor but is pH coupled via each working electrode of a set of pH coupled electrodes configured to produce the same target pH value. contains a set

직접적인 전기 커플링은 직접적인 전기 커플링 경로에서 프로세서를 우회하거나 또는 그를 포함하지 않는 전기 커플링일 수 있다. 일부 예에서, 직접적인 전기 커플링은 전선을 통한 커플링을 통해 달성된다. pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극이 직접적으로 전기적으로 커플링되는 경우, 일부 예에서, 피드백-제어 작동 전극은 프로세서로부터 전기 파라미터를 수득하고, 피드백-제어 전극은 전기 파라미터를 직접적인 전기 커플링을 통해 비-피드백-제어 작동 전극에 직접적으로 전달한다. 바람직하게는 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극의 형상 및 크기는 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)의 형상 및 크기와 유사하다. 이 방식으로, pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극은 동일한 전기 파라미터를 수신할 수 있고, 동일한 방식으로 pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극을 둘러싸는 용액을 변형시킬 수 있다.Direct electrical coupling may be electrical coupling that bypasses or does not include a processor in the direct electrical coupling path. In some examples, direct electrical coupling is achieved through coupling through electrical wires. When the working electrode of a set of pH coupled electrodes is directly electrically coupled, in some instances, the feedback-controlled working electrode obtains an electrical parameter from a processor, and the feedback-controlled electrode converts the electrical parameter to a direct electrical coupling. through the non-feedback-controlled actuation electrode. Preferably, the shape and size of the working electrode of the non-feedback-control electrode set(s) is similar to the shape and size of the working electrode(s) of the feedback-control electrode set. In this way, the working electrode of the pH-coupled electrode set can receive the same electrical parameters and in the same way can transform the solution surrounding the working electrode of the pH-coupled electrode set.

pH 커플링된 전극 세트의 각각의 작동 전극이 프로세서로부터 동일한 전기 파라미터를 수신할 때, pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극이 동일한 방식으로 pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극을 둘러싸는 용액을 변형시키도록, pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극은 바람직하게는 동일한 크기 및/또는 형상을 갖는다. 일부 예에서, 전기 파라미터가 프로세서로부터 수신될 때, 비-피드백-제어 전극 세트(들)가 피드백-제어 전극 세트(들)에 pH 커플링되는 재배정은 용이하게 변화될 수 있다.When each working electrode of the pH-coupled electrode set receives the same electrical parameters from the processor, the working electrode of the pH-coupled electrode set modifies the solution surrounding the working electrode of the pH-coupled electrode set in the same way. To ensure this, the working electrodes of the pH coupled electrode set preferably have the same size and/or shape. In some examples, the reassignment of pH coupling of the non-feedback-controlled electrode set(s) to the feedback-controlled electrode set(s) can be readily changed when the electrical parameters are received from the processor.

pH 커플링된 전극 세트의 각각의 작동 전극이 프로세서로부터 전기 파라미터를 수신하여 동일한 목표 pH 값을 생성할 때, pH 커플링된 전극 세트의 작동 전극은 서로 상이한 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 이들 예에서, 프로세서는 (1) 전기 파라미터를 pH 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)에 제공하여, pH 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)을 둘러싸는 용액의 pH를 목표 pH 값으로 변형시킬 수 있고, (2) 변형된 전기 파라미터를 상이한 크기 및/또는 형상을 갖는 pH 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)을 제공하여, pH 커플링된 비-피드백-제어 전극의 작동 전극(들)을 둘러싸는 용액의 pH를 동일한 목표 pH 값으로 변형시킬 수 있다. 일부 예에서, 변형된 전기 파라미터는 pH 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)을 위해 필요한 전기 파라미터 및 pH 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들)을 위해 필요한 전기 파라미터와 상관관계를 갖는 사전 결정된 보정 데이터에 따라 변형되어 둘 다 동일한 목표 pH 값을 수득한다. 일부 예에서, 전기 파라미터가 프로세서로부터 수신될 때, 비-피드백-제어 전극 세트(들)가 피드백-제어 전극 세트(들)에 pH 커플링되는 재배정은 용이하게 변화될 수 있다.When each working electrode of the pH-coupled electrode set receives electrical parameters from the processor to generate the same target pH value, the working electrodes of the pH-coupled electrode set may have different sizes and/or shapes. In these examples, the processor (1) provides an electrical parameter to the working electrode(s) of the pH coupled feedback-controlled electrode set to obtain a solution surrounding the working electrode(s) of the pH coupled feedback-controlled electrode set. (2) providing working electrode(s) of a set of pH-coupled non-feedback-controlled electrodes having different sizes and/or shapes for the modified electrical parameter, The pH of the solution surrounding the working electrode(s) of the coupled non-feedback-control electrode can be modified to the same target pH value. In some examples, the modified electrical parameter is the electrical parameter required for the working electrode(s) of the pH coupled feedback-controlled electrode set and the electrical parameter required for the working electrode(s) of the pH coupled non-feedback-controlled electrode set. Modified according to predetermined calibration data correlated with electrical parameters, both yield the same target pH value. In some examples, the reassignment of pH coupling of the non-feedback-controlled electrode set(s) to the feedback-controlled electrode set(s) can be readily changed when the electrical parameters are received from the processor.

일부 예에서, pH 커플링은 동일한 사용 동안에 또는 pH 커플링된 전극 세트를 포함하는 디바이스의 사용 사이에 시간 경과에 따라 변화될 수 있다. 디바이스가 각각의 작동 전극에서 고유한 생성물을 생성하도록 각각의 개별 작동 전극에서 고유한 일련의 pH 조건을 제공할 수 있기 때문에, 이는 이들 pH 커플링된 전극을 포함하는 디바이스가 동시에 1종 초과의 생성물, 예컨대 생성물의 라이브러리를 생성하는데 사용될 때 유리할 수 있다. 이는 또한 감지 전극의 수, 그에 따라 달리 요구되는 처리될 감지 소자의 집합체로부터 피드백의 양을 감소시키는데 유리할 수 있다. 이는 추가로 pH 커플링된 전극 세트를 함유하는 동일한 디바이스가 사용 사이에 여러 상이한 목적을 위해 사용될 때 유리할 수 있다. 일부 예에서, pH 커플링의 변화는 스위치의 네트워크를 통해 및/또는 각각의 작동 전극을 개별적으로 제어하는 프로세서를 통해 제어된다. 일부 예에서, pH 커플링 및/또는 pH 커플링의 변화는 예컨대 그래픽 사용자 계면을 통한 pH 커플링의 선택을 통해 사용자 정의된다.In some examples, pH coupling may change over time during the same use or between uses of a device that includes a set of pH coupled electrodes. Since the device can provide a unique set of pH conditions at each individual working electrode to produce a unique product at each working electrode, this means that devices incorporating these pH-coupled electrodes can produce more than one product at the same time. , for example, can be advantageous when used to generate a library of products. This may also be advantageous in reducing the number of sensing electrodes and thus the amount of feedback from the collection of sensing elements to be processed that would otherwise be required. This may be advantageous when the same device, which further contains a set of pH coupled electrodes, is used for several different purposes between uses. In some examples, the change in pH coupling is controlled through a network of switches and/or through a processor that individually controls each working electrode. In some examples, pH coupling and/or changes in pH coupling are user-defined, such as through selection of pH coupling through a graphical user interface.

예 24 - 폐쇄-루프 제어 및 설계Example 24 - Closed-Loop Control and Design

도 52는 폐쇄-루프 pH 제어가 표면-패턴화된 전극과 함께 작동할 수 있는 방법의 개략도의 비제한적인 예시를 도시한다.52 shows a non-limiting example of a schematic diagram of how closed-loop pH control can work with surface-patterned electrodes.

도 54a-54b는 외부 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 폐쇄-루프 pH 제어의 비제한적인 예시(도 54a) 및 표면 패턴화된 온-칩 상대 및 기준 전극을 갖는 폐쇄-루프 pH 제어의 비제한적인 예(도 54b)를 도시한다.54A-54B are non-limiting examples of closed-loop pH control with external counter and reference electrodes (FIG. 54A) and closed-loop pH control with surface patterned on-chip counter and reference electrodes. An example (FIG. 54B) is shown.

도 55a-54d는 감지 소자 및 작동 전극 및 일부 예에서 다른 컴포넌트의 설계의 비제한적인 예시를 도시한다. 도 55a 및 도 55b는 다양한 적용에서 사용될 수 있는 슬라이드 설계를 도시한다. 일부 예에서, 감지 소자는 누화 또는 단락을 피하기 위해 작동 전극으로부터 물리적으로 분리되어야 한다. 작동 전극 및 감지 소자가 동일한 평면에 있어야 하는 경우에는, 작동 전극과 감지 소자 사이에 1 nm 내지 100 마이크로미터의 작은 갭을 이용할 수 있다(도 55c). 또 다른 가능한 설계 옵션은 다중-층 스택을 구축하는 것이며: 감지 소자와 작동 전극 사이에 얇은 절연 층이 배치될 수 있다(도 55d). 상대 전극은 또한 작동 전극 주변에 패턴화될 수 있고, 이는 확산 효과를 최소화할 수 있고, 더욱 한정적인 형상의 pH 조절 대역에서, 특히 비-완충된 용액에서 pH를 제어하는데 도움이 될 수 있다(도 55e).55A-54D show non-limiting examples of designs of sensing elements and working electrodes and in some examples other components. 55A and 55B show a slide design that can be used in a variety of applications. In some instances, the sensing element must be physically separated from the working electrode to avoid crosstalk or shorting. If the working electrode and the sensing element are to be in the same plane, a small gap of 1 nm to 100 micrometers between the working electrode and the sensing element can be used (FIG. 55C). Another possible design option is to build a multi-layer stack: a thin insulating layer can be placed between the sensing element and the working electrode (Fig. 55d). The counter electrode can also be patterned around the working electrode, which can minimize diffusion effects and can help control the pH in a more restrictive shaped pH control zone, especially in non-buffered solutions ( Figure 55e).

Claims (20)

전극의 어레이 상에서 용액의 pH를 제어하는 디바이스이며,
지지체; 및
1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)를 포함하는 전극의 어레이를 포함하고, 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들)는 각각:
1개 이상의 기준 전극(들);
1개 이상의 상대 전극(들); 및
작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하는 1개 이상의 서브세트(들)를 포함하고;
여기서:
1개 이상의 기준 전극(들)의 기준 전극 및/또는 1개 이상의 상대 전극(들)의 상대 전극은 1개 이상의 서브세트(들) 중 적어도 1개와 전기적으로 커플링되고;
디바이스는 하기의:
a) 커플링된 감지 소자(들)의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 1개 이상의 작동 전극(들) 중 적어도 1개에 인가될 전류 및/또는 전압의 각각의 양을 선택하고;
b) 1개 이상의 작동 전극(들) 중 적어도 1개에 전류 및/또는 전압의 선택된 각각의 양을 인가하여, 각각의 작동 전극(들)의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고;
c) 커플링된 감지 소자(들)의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하도록 구성되는 디바이스.
A device for controlling the pH of a solution on an array of electrodes,
support; and
An array of electrodes comprising one or more feedback-control electrode set(s), each of the one or more feedback-control electrode set(s):
one or more reference electrode(s);
one or more counter electrode(s); and
one or more subset(s) comprising a pH sensing element electrically coupled to the working electrode;
here:
the reference electrode of the one or more reference electrode(s) and/or the counter electrode of the one or more counter electrode(s) are electrically coupled with at least one of the one or more subset(s);
The device is:
a) selecting the respective amount of current and/or voltage to be applied to at least one of the one or more working electrode(s) to minimize the difference between the signal output of the coupled sensing element(s) and the target sensing value; do;
b) applying a selected respective amount of current and/or voltage to at least one of the one or more working electrode(s) to change the pH of the solution proximate each working electrode(s);
c) a device configured to repeatedly measure the signal output of the coupled sensing element(s).
제1항에 있어서, 기준 전극(들) 중 1개 이상이 또한 감지 소자인 디바이스.The device of claim 1 , wherein at least one of the reference electrode(s) is also a sensing element. 제1항에 있어서, 용액이 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화환원 활성 종을 함유하는 것인 디바이스.The device of claim 1 , wherein the solution contains at least one redox active species selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 디바이스가 프로세서를 포함하거나 또는 그에 통신가능하게 커플링되고, 인가될 전류 및/또는 전압의 양을 선택하는 것이 감지 소자(들)의 신호 출력을 포함하는 입력을 사용하여 알고리즘을 실행하는 것을 포함하는 것인 디바이스.The method of claim 1 , wherein the device comprises or is communicatively coupled to a processor, wherein selecting the amount of current and/or voltage to be applied is performed using an input comprising a signal output of the sensing element(s) to be applied to an algorithm. A device comprising executing a. 제1항에 있어서, 작동 전극(들) 중 1개 이상, 기준 전극(들) 중 1개 이상, 상대 전극(들) 중 1개 이상, 및/또는 감지 소자(들) 중 1개 이상이 스위치-매트릭스 모듈에 전기적으로 커플링된 것인 디바이스.The method of claim 1 , wherein at least one of the working electrode(s), at least one of the reference electrode(s), at least one of the counter electrode(s), and/or at least one of the sensing element(s) is a switch. - a device that is electrically coupled to the matrix module. 제1항에 있어서, 기준 전극(들) 중 1개 이상 및/또는 상대 전극(들) 중 1개 이상이 서브세트 중 2개 이상에 전기적으로 커플링된 것인 디바이스.The device of claim 1 , wherein at least one of the reference electrode(s) and/or at least one of the counter electrode(s) are electrically coupled to at least two of the subset. 제1항에 있어서, 전극의 어레이가 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)를 추가로 포함하고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들) 각각은:
1개 이상의 기준 전극(들);
1개 이상의 상대 전극(들); 및
1개 이상의 작동 전극(들)을 포함하고;
여기서:
각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 기준 전극(들) 및/또는 각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 상대 전극(들)은 각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들) 중 적어도 1개와 전기적으로 커플링되고;
각각의 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)는 pH 감지 소자를 포함하지 않고;
(i) 모든 피드백-제어 전극 세트(들)는 디바이스의 한 섹션에 포함되고, 모든 비-피드백-제어 전극 세트(들)는 디바이스의 물리적으로 분리된 제2 섹션에서 배열되거나, 또는 (ii) 피드백-제어 전극 세트(들) 중 1개 이상은 비-피드백-제어 전극 세트(들) 중 2개 이상 사이에 산재되어 있고;
피드백-제어 전극 세트(들) 중 적어도 1개는 비-피드백-제어 전극 세트(들) 중 적어도 1개에 전기적으로 커플링되고, 커플링된 피드백-제어 전극 세트(들) 중 적어도 1개는 적어도 1개의 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극(들)에 인가된 전류 및/또는 전압의 선택된 양이 각각의 커플링된 적어도 1개의 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극(들) 중 1개 이상에도 인가되도록 구성된 것인 디바이스.
The method of claim 1 , wherein the array of electrodes further comprises one or more non-feedback-controlled electrode set(s), each of the one or more non-feedback-controlled electrode set(s):
one or more reference electrode(s);
one or more counter electrode(s); and
comprises one or more working electrode(s);
here:
Each one or more reference electrode(s) of each non-feedback-control electrode set and/or each one or more counter electrode(s) of each non-feedback-control electrode set is electrically coupled with at least one of the working electrode(s) of the control electrode set;
Each set of one or more non-feedback-controlled electrode(s) does not include a pH sensing element;
(i) all feedback-control electrode set(s) are included in one section of the device and all non-feedback-control electrode set(s) are arranged in a physically separate second section of the device, or (ii) one or more of the feedback-control electrode set(s) are interspersed between two or more of the non-feedback-control electrode set(s);
At least one of the feedback-control electrode set(s) is electrically coupled to at least one of the non-feedback-control electrode set(s), and at least one of the coupled feedback-control electrode set(s) is A selected amount of current and/or voltage applied to one or more working electrode(s) of at least one coupled feedback-control electrode set is applied to each of the at least one coupled non-feedback-control electrode set(s) A device configured to also be applied to one or more of the working electrode(s) of the device.
피드백-제어 전극 세트를 포함하는 디바이스를 사용하여 용액의 pH를 제어하는 방법이며,
피드백-제어 전극 세트는 (1) 1개 이상의 기준 전극(들), (2) 1개 이상의 상대 전극(들), 및 (3) 1개 이상의 서브세트(들)를 포함하고, 1개 이상의 서브세트(들) 각각은 작동 전극에 전기적으로 커플링된 pH 감지 소자를 포함하고, 1개 이상의 기준 전극(들)의 기준 전극 및/또는 1개 이상의 상대 전극(들)의 상대 전극은 서브세트(들) 중 1개 이상과 전기적으로 커플링되고, 상기 방법은,
b. 목표 pH를 갖는 용액 중의 감지 소자로부터의 1개 이상의 신호(들) 출력을 기반으로 하여 감지 소자에 대한 목표 감지 값을 선택하는 단계;
c. 하기의:
i. 감지 소자의 신호 출력과 목표 감지 값 사이의 차이를 최소화하기 위해 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들) 중 적어도 1개에 인가될 전류 및/또는 전압의 각각의 양을 선택하고;
ii. 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들) 중 적어도 1개에 전류 및/또는 전압의 선택된 각각의 양을 인가하여, 피드백-제어 전극 세트의 각각의 작동 전극의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키고;
iii. 감지 소자의 신호 출력을 측정하는 것을 반복적으로 수행하는 단계를 포함하는 방법.
A method for controlling the pH of a solution using a device comprising a set of feedback-controlled electrodes,
A feedback-control electrode set includes (1) one or more reference electrode(s), (2) one or more counter electrode(s), and (3) one or more subset(s), and includes one or more sub-electrode(s). Each of the set(s) includes a pH sensing element electrically coupled to a working electrode, and the reference electrode of one or more reference electrode(s) and/or the counter electrode of one or more counter electrode(s) are a subset ( s) is electrically coupled with at least one of the methods,
b. selecting a target sensing value for the sensing element based on one or more signal(s) output from the sensing element in a solution having a target pH;
c. of the following:
i. selecting respective amounts of current and/or voltage to be applied to at least one of the working electrode(s) of the feedback-controlled electrode set to minimize the difference between the signal output of the sensing element and the target sensing value;
ii. applying a selected respective amount of current and/or voltage to at least one of the working electrode(s) of the feedback-control electrode set to change the pH of the solution proximate to each working electrode of the feedback-control electrode set;
iii. A method comprising repeatedly measuring a signal output of a sensing element.
제8항에 있어서, 용액이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종(들)을 포함하고, 인가된 전류 및/또는 전압이 물 및/또는 1종 이상의 산화환원 활성 종(들)의 전기화학 반응에 의해 수소 이온을 전기화학적으로 생성하고/거나 소모하는 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein the solution comprises water and/or one or more redox active species(s), and the applied current and/or voltage is applied to the electrical current and/or one or more redox active species(s). wherein hydrogen ions are electrochemically produced and/or consumed by a chemical reaction. 제9항에 있어서, 1종 이상의 산화환원 활성 종이 퀴논, 카테콜, 아미노페놀, 히드라진, 이들의 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.10. The method of claim 9, wherein the at least one redox active species is selected from the group consisting of quinones, catechols, aminophenols, hydrazines, derivatives thereof, and combinations thereof. 제8항에 있어서, pH와 감지 소자의 신호 출력 값을 서로 관련시키는 사전 결정된 보정 데이터를 감지 소자의 신호 출력과 비교함으로써 용액의 pH를 결정하는 단계를 포함하는 방법.9. The method of claim 8, comprising determining the pH of the solution by comparing the signal output of the sensing element to predetermined calibration data correlating the pH and the signal output value of the sensing element. 제8항에 있어서, 사용된 디바이스가 2개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 어레이를 포함하는 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein the device used comprises an array of two or more feedback-controlled electrode sets. 제12항에 있어서, 피드백-제어 전극 세트 중 적어도 2개가 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 인가하기 위해 독립적인 목표 pH 값 및/또는 독립적인 시간 프로그램에 의해 개별적으로 각각 제어되는 것인 방법.13. The method of claim 12, wherein at least two of the feedback-controlled electrode sets are each individually controlled by independent target pH values and/or independent time programs to apply selected amounts of current and/or voltage. 제8항에 있어서, 피드백-제어 전극 세트가 스위치-매트릭스 모듈에 전기적으로 커플링되고, 각각의 피드백-제어 전극 세트의 제어가 스위치-매트릭스 모듈에 의해 수행되는 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein a set of feedback-control electrodes is electrically coupled to the switch-matrix module, and control of each set of feedback-control electrodes is performed by the switch-matrix module. 제8항에 있어서, 기준 전극(들) 중 적어도 1개 및/또는 상대 전극(들) 중 적어도 1개가 서브세트 중 2개 이상에 전기적으로 커플링된 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein at least one of the reference electrode(s) and/or at least one of the counter electrode(s) are electrically coupled to two or more of the subsets. 제8항에 있어서, 사용된 디바이스가 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트(들) 및 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 어레이를 포함하고, 비-피드백-제어 전극 세트(들) 중 1개 이상이 피드백-제어 전극 세트(들) 중 1개 이상에 전기적으로 커플링되고, 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들) 각각은:
1개 이상의 기준 전극(들);
1개 이상의 상대 전극(들); 및
1개 이상의 작동 전극(들)을 포함하고;
여기서:
각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 기준 전극(들) 및/또는 각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 상대 전극(들)은 각각의 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극(들) 중 적어도 1개와 전기적으로 커플링되고;
각각의 1개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트(들)가 pH 감지 소자를 포함하지 않고;
전류 및/또는 전압의 선택된 각각의 양을 인가하는 것은 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 작동 전극(들) 중 1개 이상에 인가하고, 전류 및/또는 전압의 동일한 각각의 양을 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극(들) 중 1개 이상에 인가하여, 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트(들)의 작동 전극(들)의 가까이에서 용액의 pH를 변화시키는 것을 포함하는 것인 방법.
9. The method of claim 8, wherein the device used comprises an array of one or more feedback-controlled electrode set(s) and one or more non-feedback-controlled electrode set(s), and the non-feedback-controlled electrode set(s) ) is electrically coupled to one or more of the feedback-control electrode set(s), and each of the one or more non-feedback-control electrode set(s):
one or more reference electrode(s);
one or more counter electrode(s); and
comprises one or more working electrode(s);
here:
Each one or more reference electrode(s) of each non-feedback-control electrode set and/or each one or more counter electrode(s) of each non-feedback-control electrode set is electrically coupled with at least one of the one or more working electrode(s) of the control electrode set;
each of the one or more non-feedback-controlled electrode set(s) does not include a pH sensing element;
Applying the selected respective amount of current and/or voltage applies the selected amount of current and/or voltage to one or more of the working electrode(s) of the coupled feedback-controlled electrode set, and the current and/or voltage is applied to one or more of the working electrode(s) of the coupled non-feedback-control electrode set(s) so that the working electrode of the coupled non-feedback-control electrode set(s) ( s) changing the pH of the solution in the vicinity of the
제16항에 있어서, 사용된 디바이스가 2개 이상의 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 어레이를 포함하는 것인 방법.17. The method of claim 16, wherein the device used comprises an array of two or more coupled feedback-control electrode sets. 제17항에 있어서, 커플링된 피드백-제어 전극 세트(들) 중 적어도 2개가 전류 및/또는 전압의 선택된 양을 커플링된 피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 작동 전극(들) 및 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 각각의 1개 이상의 작동 전극(들)에 인가하기 위해 독립적인 목표 pH 값 및/또는 독립적인 시간 프로그램에 의해 개별적으로 각각 제어되는 것인 방법.18. The method of claim 17 wherein at least two of the coupled feedback-control electrode set(s) transmit selected amounts of current and/or voltage to each one or more working electrode(s) of the coupled feedback-control electrode set(s) and wherein each is individually controlled by independent target pH values and/or independent time programs for application to each one or more working electrode(s) of the coupled non-feedback-controlled electrode set. 제16항에 있어서, 1개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 기준 전극 및/또는 상대 전극이 2개 이상의 피드백-제어 전극 세트의 서브세트 및/또는 2개 이상의 비-피드백-제어 전극 세트의 작동 전극에 전기적으로 커플링된 것인 방법.17. The method of claim 16, wherein the reference electrode and/or counter electrode of one or more feedback-controlled electrode sets is a subset of two or more feedback-controlled electrode sets and/or the working electrode of two or more non-feedback-controlled electrode sets. electrically coupled to 제16항에 있어서, 커플링된 비-피드백-제어 전극 세트의 1개 이상의 작동 전극(들)이 커플링된 피드백-제어 전극의 1개 이상의 작동 전극(들)과 유사한 형상 및 설계를 갖는 것인 방법.17. The method of claim 16, wherein one or more working electrode(s) of the coupled non-feedback-control electrode set has a similar shape and design as the one or more working electrode(s) of the coupled feedback-control electrode set. way of being.
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