KR20230172619A

KR20230172619A - 고체 전극 및 센서

Info

Publication number: KR20230172619A
Application number: KR1020237042895A
Authority: KR
Inventors: 에릭 케이. 리; 보아즈 빌로즈니; 제임스 앤드류
Original assignee: 파커-한니핀 코포레이션
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2023-12-22
Also published as: JP2022132370A; EP3155408A4; JP6592016B2; US20200207928A1; JP7534357B2; EP3155408B1; US10538635B2; KR20170018036A; US11236207B2; JP2017517742A; KR20230014867A; JP2019214728A; KR102490036B1; KR102614385B1; CN107003266A; JP6960967B2; JP7250830B2; JP2021073471A; US20170101513A1; CN107003266B

Abstract

전극을 위한 기재의 표면 상에 친수성의 가교결합된 젤을 형성하는 데 사용하기에 적합한 중합성 단량체를 포함하는 분석물-무감응 재료.

Description

고체 전극 및 센서{SOLID STATE ELECTRODES AND SENSORS}

본 발명은, pH 측정을 포함하는 전기화학적 분석에 사용하기 위한, 산화환원-활성 분석물-무감응 재료 (analyte-insensitive material; "AIM")를 이용하는 "지시 전극" (indicator electrode; "IE"), 및 산화환원-활성 분석물-감응 재료 (analyte-sensitive material; "ASM")를 이용하는 작업 전극 (working electrode; "WE")을 포함하는 고체 전극(solid-state electrode)뿐만 아니라 본 발명의 재료의 제조 및 사용 방법, 및 그를 포함하는 전극, 센서, 및 장치를 제공한다. 일 실시 형태에서, AIM은, WE의 역할을 하는 ASM 및 가상 기준 전극 (pseudo reference electrode; "PRE")과 함께 사용되는 IE에 혼입된다. IE는 PRE 전위의 변화에 의해 야기되는 pH 판독 (또는 다른 분석물 측정)의 드리프트(drift)를 교정(correct)하며, 그에 의해 측정의 정확도를 개선하고 다른 유형의 분석물 센서에 필요로 하는 보정(calibration) 공정에 대한 필요성을 없앤다. 따라서, 본 발명은 특히 화학 및 전기화학의 분야, 및 분석물 측정, 특히 pH 측정의 분야, 및 그러한 측정이 이루어지는 모든 다양한 분야에 관한 것이다.

AIM 및/또는 ASM 전기화학에 기초한 전극 및 분석물-감지 장치가 이전에 기술되어 있다. 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제4,857,167호; 제5,223,117호; 제7,901,555호; 제8,177,958호; 제8,197,650호; 제8,506,779호; 제8,562,797호; 제8,877,037호; 제8,956,519호; 제8,961,754호를 참조한다. 각각 본 명세서에 참고로 포함된, 국제특허 공개 2010/026842호, 2010/028726호, 2011/045385호, 2013/112767호, 2013/134582호 및 2014/106066호를 참조한다. AIM 페로센을 이용하는 전극이 문헌[Lafitte et al. (2008), Electrochemistry Communications, 10(12), 1831-1834]; 문헌[Hickman et al. (1991), Science, 252(5006), 688-691]; 문헌[Robinson and Lawrence (2006), Electroanalysis, 18 (2006) 677-683], 및 문헌[Robinson and Lawrence (2008), Analytical Sciences 24. 339-343]에 기술되어 있다. 페로센 하이드로젤이 본 기술 분야에서 이전에 기술되어 있지만, 이러한 교시 및 재료는 개별 감지 요소로부터의 신호를 변환하기 위한 산화환원 매개체로서의 사용으로 제한된다. 게다가, 이들 참고 문헌은 본 명세서에서 논의되는 페로센 하이드로젤의 물리적 특성을 교시하거나 고려하지 못한다. 게다가, 본 발명은 기준 산화환원 신호를 검출 및 보고하는 페로센 하이드로젤 pH 감지 요소를 제공한다.

때때로 "전압전류식 센서"(voltammetric sensor)로 불리는, ASM/AIM 및 구형파 전압전류법 (square wave voltammetry; SWV)을 이용하는 전기화학적 센서는 "무보정"(calibration-free) 감지 (이는 최종 사용자가 센서를 보정할 필요가 없다는 것을 의미함), 특히 pH 측정의 기회를 제공하는 것으로 일컬어졌다. 이러한 센서에 있어서, WE에 의해 발생되는 pH-감응 신호, 및 IE에 의해 발생되는 pH-무감응 신호는 SWV 방법을 사용하여 주어진 분석물에 의해 동시에 발생된다. 분석물이 (pH 측정을 위한) 하이드로늄 이온인 경우, ASM WE는 하이드로늄 이온 농도의 변화에 응답하여 전위를 변화시키는 반면, pH 미터 내의 IE를 위해 이상적인 AIM은 pH의 변화와는 관계없이 일정한 전위를 발생시킨다. 이들 전위 둘 모두는, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 기준 전극 (RE) 전위와 관련하여 측정된다. 이러한 방식으로, ASM 신호와 AIM 신호 사이의 차이가 pH, 또는 다른 분석물과 상관될 수 있으며, 이러한 차이는 통상적인 기준 전극 (conventional reference electrode; "CRE") 또는 PRE 중 어느 하나일 수 있는 RE의 절대 전위와는 이상적으로는 무관하다. 따라서, 전압전류식 센서의 경우, RE의 안정성 및 정확도에 전적으로 의존하는 통상적인 전위 측정식 pH 센서에서보다 RE에서의 변화가 그 결과에 훨씬 덜 영향을 미친다. 실제로, 전압전류식 센서의 경우, 더 간단한 PRE (예를 들어, 고체 Ag/AgCl 조성물)가 CRE (예를 들어, 기준 용액 중에 넣어진 Ag/AgCl 또는 칼로멜 CRE) 대신에 사용될 수 있다.

그러나, "무보정"으로 지칭되는 어떠한 센서도 실제로 무보정이라고 입증되지는 않았고/않았거나 정확도, 신호 강도, 및/또는 내구성에 있어서 부족을 나타내기 때문에, 무보정 센서 기술에 대한 필요성이 남아 있다. 예를 들어, 페로센 (Fc)을 내부 기준 전극으로서 사용하는 이전의 자가-보정(self-calibrating) 센서는 시간 경과에 따라 불량한 안정성을 나타내었으며, Fc는 제한된 pH 범위에 걸쳐서만 충분히 pH-무감응이었다. 임의의 pH 감도는 임의의 필요한 보정의 정밀도를 감소시키고 시험 결과의 신뢰도를 제한한다.

감도의 관점에서, Fc에 기초한 종래 기술의 AIM 전극 (IE)은 더 약한, 비교적 잡음이 있는 신호를 전형적으로 나타낸다. 또한, 종래 기술의 IE 및 WE는, 특히 엄격한 시험 조건 하에서, 비교적 약하고/약하거나 불안정한 신호를 발생시킨다. 따라서, ASM계 WE 및 AIM계 IE를 사용하는 개선된 분석물 감지용 재료 및 방법에 대한 필요성이 남아 있다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족한다.

본 발명의 첫 번째 목적은, WE 및 IE를 포함하는, pH 미터의 새롭고 유용한 구성 요소뿐만 아니라 지금까지 종래 기술의 기술 및 장치로는 불가능하였던, 광범위한 조건 하에서 pH를 측정하는 데 사용될 수 있는 완벽한 센서를 제공하는 것이다. 바람직한 실시 형태에서, 본 발명의 pH 센서는 소형의 콤팩트한 고체 센서인데, 이는 습윤-건조 가역성이고 AIM계 IE를 포함하며, 이때 탄소, 도핑된 규소, 개질된 규소, 또는 전도성 규소 유도체, 또는 전도성 중합체 재료와 같은 전도성 기재에 비공유적으로 부착된, 가교결합된, 하이드로젤 매트릭스 내에 WE의 ASM 및 IE의 AIM이 혼입된다.

제1 태양에서, 본 발명은 AIM으로서 사용하기에 적합한 재료를 제공한다. 일 실시 형태에서, 재료는 AIM을 포함하는 친수성의 가교결합된 젤을 형성하는 데 사용하기에 적합한 중합성 단량체의 제제(preparation)이다. 다른 실시 형태에서, 재료는 AIM을 포함하는 친수성의 가교결합된 젤이다. 다른 실시 형태에서, 재료는 AIM으로서 작용하는, ASM 상에 코팅된 고체 완충제(buffer)를 형성하는 중합성 단량체의 제제이다.

제2 태양에서, 본 발명은 AIM 또는 ASM을 포함하는 친수성의 가교결합된 하이드로젤에 비공유적으로 부착된 다공성의 전도성 기재를 포함하는 전극을 제공한다. 일 실시 형태에서, 전극은 지시 전극 (IE)이다. 다른 실시 형태에서, 전극은 WE이다. 다른 실시 형태에서, 전극은 pH 미터의 전통적인 유리 탐침(probe)에 대한 고체 대체품(solid state replacement)이다.

제3 태양에서, 본 발명은 AIM을 포함하는 친수성의 가교결합된 하이드로젤 - 상기 젤은 다공성의 전도성 기재에 비공유적으로 부착됨 - 로 구성된 IE, ASM을 포함하는 작업 전극 (WE), 및 RE를 포함하는 분석물-감지 장치를 제공한다. 일 실시 형태에서, RE는 고체 PRE, 예를 들어 은과 염화은의 고체 혼합물 (Ag/AgCl) 또는 염화물 처리된(chloridized) 은 표면이다. 상기 장치의 일 실시 형태에서, WE의 ASM은 유사하게는 하이드로젤에 공유적으로 부착되거나 하이드로젤 내에 안정하게 포획되며, 이 하이드로젤은 결국 전도성 기재에 비공유적으로 부착되어 WE를 형성한다. 전도성 기재는 다공성일 수 있거나, 또는 하이드로젤 매트릭스의 부착을 촉진하도록 달리 형상화되거나 처리될 수 있다.

제4 태양에서, 본 발명은, 고체 PRE와 같은 RE와 관련하여, ASM-함유 WE 및 AIM-함유 IE로부터 전극 전위를 측정하고, 분석물 농도 또는 수준과, WE 전위와 IE 전위 사이의 차이 사이의 상관 관계를 확립하는 방법을 제공한다. 일 실시 형태에서, 상관 관계는 분석물 샘플의 pH를 추론하는 데 사용된다.

일 실시 형태에서, 본 발명은 분석물 센서를 사용하여 분석물을 측정하는 공정의 개선에 관한 것으로, 상기 분석물 센서는 제1 WE - 여기서, 제1 WE는 제1 세트의 산화환원 화학종 (ASM)을 포함하며, 제1 세트의 산화환원 화학종은 상기 분석물에 감응하는 하나 이상의 산화환원 화학종을 포함함 - 와; IE - 여기서, IE는 제2 세트의 산화환원 화학종 (AIM)을 포함하고, 제2 세트의 산화환원 화학종은 상기 분석물에 무감응하는 하나 이상의 산화환원 화학종을 포함함 - 와; 상대 전극 (counter electrode; "CE")과; CRE 또는 PRE일 수 있는 RE와; 제1 전극 쌍과 제2 전극 쌍 사이에 구형파 전위 스위프(sweep)를 인가하기 위한 수단 - 여기서, 제1 전극 쌍은 제1 WE 및 RE를 포함하고 제2 전극 쌍은 IE 및 RE를 포함함 - 과; 그리고 구형파 전압전류도(voltammogram)에서 제1 피크와 제2 피크 사이의 상대적 이동을 검출하기 위한 수단 - 여기서, 제1 피크는 제1 세트의 산화환원 화학종의 산화 및 환원 중 하나에 의해 생성되고 제2 피크는 제2 세트의 산화환원 화학종의 산화 및 환원 중 하나에 의해 생성됨 - 을 포함하고, 상기 개선은 제2 세트의 산화환원 활성 화학종이 IE의 표면에 공유적으로 부착되지 않고 그 대신에 IE 표면에 부착된 중합체 재료 내에 공유적으로든, 비공유적으로든, 또는 이들 둘 모두로든 포획되는 IE의 사용을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 개선은 제1 세트의 산화환원 활성 화학종이 WE의 표면에 공유적으로 부착되지 않고 그 대신에 WE 표면에 부착된 중합체 재료 내에 공유적으로든, 비공유적으로든, 또는 이들 둘 모두로든 포획되는 WE의 사용과 관련된다. 다른 실시 형태에서, 본 발명은 개선된 IE 및 개선된 WE 둘 모두를 포함하는 장치를 제공한다.

도 1은, 교정되지 않은 전압전류식 센서에서, 어떻게 RE 전위의 임의의 드리프트가 분석물 감응 재료 (ASM)를 함유하는 달리 안정한 WE의 측정 오차를 가져오는지를 개략적으로 나타낸다 (이 도면의 A에 도시됨). 이러한 측정 오차는 분석물 농도의 변화와 구별될 수 없다. 분석물 무감응 재료 (AIM)가 추가적인 IE로서 사용되는 경우 (이 도면의 B에 도시됨), 임의의 명백한 드리프트는 RE에 기인하여야 한다. 따라서, IE 전위에서의 드리프트는 작업 전극에서 관측되는 드리프트 오차를 상쇄하는 데 사용될 수 있다 (이 도면의 C에 도시됨). 이러한 방식으로, WE 전위와 IE 전위의 차이는 RE의 특성 또는 실체(identity)의 변화와 효과적으로 구분되고, 센서는 분석물의 더 정밀한 측정을 제공한다.
도 2는 페로센 메탄올 (Fc-MeOH)이 pH 1 내지 pH 10의 완충 용액에서 동일한 구형파 피크 전위를 나타냄을 입증하는 데이터를 나타낸다. 이러한 데이터를 생성하기 위하여, 1 mM Fc-MeOH 및 100 mM 염화나트륨을 함유하는 완충 용액을 각각 5회 스캔하였다. 에러 바(error bar)는 표준편차를 반영한다. 본 발명의 목적은 IE에 사용하기 위한 페로센 하이드로젤을 제공하는 것이다.
도 3은, 더욱 구체적으로 실시예 1에 기술된 바와 같이, 본 발명의 무보정 고체 pH 센서를 위한 구성 요소를 나타낸다. ASM은 WE 상에 위치되는 반면, AIM은 IE 상에 위치된다. 탄소 섬유 복합 재료가 둘 모두의 전극을 위한 기재로서 사용된다. 이러한 실시 형태에서의 상대 전극 (CE)은 WE를 둘러싸는 금속성 (예컨대, 스테인리스 강) 고리이다. 모든 전압전류식 측정은 이러한 예에서의 가상 기준 전극 (PRE)과 관련하여 이루어진다.
도 4는, 실시예 1에 기술된 바와 같이, 본 발명의 AIM 하이드로젤을 포함하는 pH 센서에서의 WE (즉, ASM) pH 피크 대 IE (AIM, 예컨대 Fc) 피크에 대한 pH 변화의 영향을 나타낸다.
도 5는, 실시예 1에 기술된 바와 같이, 본 발명의 WE-IE 쌍에 대한 RE의 변화의 영향을 나타낸다. 그 결과는 WE-IE 관계가 CRE와 무관함을 입증한다.
도 6은, 실시예 2에 기술된 바와 같이, 전-고체(all-solid-state) 센서 시스템에서의 WE-IE 쌍의 보정을 나타낸다.
도 7은, 실시예 3에 기술된 바와 같이, WE-IE 쌍과 통상적인 유리 pH 전극을 비교한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 센서 (장치)의 다양한 전극 구성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 pH 센서를 포함하는 다중벽 플레이트(multiwall plate)를 나타낸다.
도 10은, 본 발명의 대표적인 실시 형태에 따른, 마이크로리터 샘플을 측정하도록 설계된 pH 센서의 상세를 나타낸다.

종래 기술의 AIM계 지시 전극 및 ASM계 작업 전극은 일반적으로 제한된 정밀도 및 불량한 안정성과, AIM IE의 경우 좁은 pH-무감도(insensitivity) 범위 및 ASM WE의 경우 좁은 pH 감도(sensitivity)를 나타낸다. 이러한 종래 기술 전극에서 AIM 모이어티(moiety) (예컨대, 페로센)는 직접, 전형적으로 공유 부착을 통해 기재 표면에 부착된다. AIM 또는 ASM이 기재 표면에 공유적으로 부착되는 전극의 경우, 성취 가능한 AIM 또는 ASM의 유효 농도는 반응/결합을 위해 접근 가능한 기재의 2차원 표면적에 의해 제한된다. 게다가, 달성 가능한 작용기 밀도는 보통 반응성 부위의 밀도보다 낮으며, 이는 전극 전위 측정에서 낮은 신호 수준 및 그 결과로 인한 불확실성을 야기한다.

게다가, 전적으로 고체인 습윤-건조 가역성 pH 센서를 제공하고자 하는 이전의 시도들은 상업적 제품을 생성하지 못하였고; 본 발명 이전에, AIM/ASM 고체 기술에 기초한 고체 pH 미터는 여전히 구매가능하지 않다. 이전의 시도들은, WE에서의 충분한 신호 강도 발생 불가능; 사용 또는 보관 동안의 너무 빠른 신호 저하; 충분히 넓은 pH 범위에 걸친 불충분한 감도; 분석 샘플 또는 다른 사용 조건에 대한 불충분한 견고성(robustness)으로 인해 실패하였을 수 있다. 본 발명은, 우선, "하이드로젤 중합체 매트릭스" 또는 "하이드로젤"로 지칭되는, 가교결합된 친수성 중합체 매트릭스에 ASM 또는 AIM이 공유적으로 부착되거나 또는 그 내부에 안정하게 포획되어 있는 하이드로젤 재료를 제공함으로써, 이들 제한점을 극복하는 다양한 재료, 방법, 전극, 센서, 및 장치를 제공한다.

하이드로젤 중합체 매트릭스

본 발명의 IE 및 WE에서, 페로센 유도체일 수 있거나 또는 페로센 유도체를 포함할 수 있는 AIM 및 안트라퀴논 유도체일 수 있거나 또는 안트라퀴논 유도체를 포함할 수 있는 ASM은 전도성 기재에 공유 결합되지 않고 오히려 비공유 결합에 의해 그에 부착된 고도로 팽윤된 가교결합된 친수성 중합체 매트릭스 ("하이드로젤")에 공유 결합되거나 또는 물리적으로 그 내부에 포획된다. 3차원 하이드로젤 구조는 종래 기술에서 달성된 것에 비해 훨씬 더 높은 농도의 AIM (또는 ASM)을 수용한다. 투수성이 높은 하이드로젤은 AIM (또는 ASM)과 분석물 농도에 대해 시험되는 샘플 사이의 신속한 상호작용을 보장하며, 이는 샘플 변화에 대한 신속한 응답을 촉진한다. 본 발명의 AIM 하이드로젤 및 ASM 하이드로젤은 양호한 습윤-건조 가역성을 또한 나타내어, 건조 시에 물리적 완전성(integrity)을 유지하고 재습윤 시에 산화환원 활성을 신속하게 회복한다. 본 발명의 pH 센서의 pH 무감도의 범위는 전형적으로 적어도 pH 2 내지 pH 10을 포함한다.

페로센 (Fc)은 IE에 사용하기에 적합한 AIM으로서 기술되어 있으나, 고농도에서의 페로센의 고정화(immobilization)는 종종 좁은 pH 범위 밖의 작지만 중요한 pH 감도를 가져온다. 그 결과, AIM의 분석물-비의존성 특성(analyte-independent property)은 단지 부분적으로만 실현된다. 예를 들어, 폴리비닐페로센 (본래 높은 작용기 밀도를 갖는 AIM)을 기재 상에 물리적으로 고정화시키는 것은 저분해능 신호를 생성한다.

본 발명은 소정 페로센 유도체의 pH-무감도 범위가 고체 상태에서보다 용액에서 실질적으로 더 넓다는 발견에 부분적으로 기인하였다. 예를 들어, 페로센 메탄올 (Fc-MeOH, MW=216)은, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, pH 1 내지 10의 완충 용액에서 사실상 동일한 구형파 피크 전위를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 한 가지 목적은 고체 전극 및 센서의 실시 형태에서 AIM의 본래의 pH-무감도 및 ASM의 본래의 pH-감도를 유지하는 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 재료는 자유 용액에서의 AIM의 환경을 모방하는 분자 수준에서의 AIM 작동 환경을 제공한다. 본 발명의 일반적인 접근법은 Fc 유도체를 수화된 중합체 매트릭스에 혼입하는 것이다. 생성되는 중합체는 결국 전도성 기재 상에 침착되어 전극을 형성한다. 바람직하게는, Fc 유도체는 물에 의해 고도로 팽윤되지만 물에 용해성은 아닌 가교결합된 중합체 매트릭스로서 정의되는 하이드로젤에 공유적으로 부착된다. Fc 및 Fc 유도체를 갖는 본 발명에 따라 사용하기 위한 전형적인 하이드로젤은 중합체의 질량 분율보다 훨씬 더 높은 평형 물 함량(equilibrium water content)을 갖는다. 대조적으로, 열적 또는 화학적 가교결합에 의해 불용성으로 된 (본 발명의 WE를 형성하는 데 사용하기에 적합한) 폴리비닐 알코올과 같은 중합체는 물의 질량 분율이 중합체의 질량 분율에 필적하거나 그보다 훨씬 더 적다. 더 좁은 pH-무감도 범위가 허용가능하지 않다면, 이러한 중합체는 Fc를 위한 호스트(host) 중합체로서 덜 적합하다.

본 발명의 경우, 적합한 하이드로젤은 사슬들 사이의 공간 내에 물을 보유할 수 있는 중합체 사슬의 3차원 네트워크를 형성하는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 다성분 시스템으로서 제형화된다. 본 발명의 AIM을 형성하기 위하여, 일 실시 형태에서 공단량체들 중 적어도 하나는 반응성 Fc 유도체, 예를 들어 비닐페로센이다. 비닐페로센 (MW=212)은 Fc-MeOH의 반응성 유사체이지만, 물에 불용성이다. 그러나, 이것은 다른 친수성 비닐 공단량체 및 가교결합제와 함께 본 발명에 따라 사용되어, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 그의 폴리에테르 유도체, 및 본 기술 분야에서 잘 알려진 수많은 다른 것들에 기초한 하이드로젤을 형성할 수 있다. 부성분으로서 비닐페로센과 주성분으로서 다른 친수성 공단량체를 제형화하는 것은 비닐페로센을 용매화하는 목적에 부합하며 그의 pH-무감도를 유지하는 데 유리한 수화 환경을 그에 제공한다. 바람직한 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 팽윤된 젤 덩어리의 80%가 물이 되도록 제형화된다. 일부 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 팽윤된 젤 덩어리의 85 내지 95%가 물이 되도록 제형화된다.

AIM-함유 하이드로젤의 조성은, 건조한지 또는 수화되어 있는지와 관계없이, 중합체 매트릭스의 관점에서 기술될 수 있다. 본 발명은 AIM 성능에 영향을 주는 매트릭스의 2가지 특성을 명확히 한다: 이러한 특성은 총 중합체 단위에 대한 백분율로서의 AIM 단위의 몰 퍼센트 (또는 몰%), 및 총 중합체 단위에 대한 백분율로서의 가교결합제의 몰%이다. 본 발명의 경우, 단량체는 펜던트 중합성 기를 갖는 분자로 간주된다. 가교결합제는 2개의 중합성 기를 갖는 분자이다. AIM의 몰% 및 가교결합제의 몰% 둘 모두는, 중합 반응이 완료되고 모든 단량체가 중합체 사슬에 혼입된다고 가정할 때, 사용된 단량체의 화학량론적 양에 의해 결정된다.

본 발명의 일 실시 형태에서, 중합체 매트릭스 내의 AIM의 몰%는 0.1 내지 1로 유지된다. 가교결합도는 모든 공단량체를 기준으로 1 내지 2 몰%의 가교결합제이다. 이들 변수 둘 모두는 전기화학적 성능에 영향을 준다. 하이드로젤 내의 Fc 단위가 잘 용매화되지 않는 경우, 산화환원 특성은 불용성 페로센 재료의 특성과 더 유사하다. 이것은 페로센 함량이 매트릭스의 0.5 내지 1 몰% 초과인 경우에 또는 가교결합 밀도가 1.5 내지 2 몰% 초과인 경우에 일어날 수 있다. 페로센 함량이 0.1 내지 0.2 몰% 미만인 경우, 강한 산화환원 신호를 제공하기에 페로센 밀도가 충분하지 않을 것이다. 가교결합 밀도가 0.8 내지 1 몰% 미만인 경우, 하이드로젤은 물리적 완전성이 결여될 것이고 기재로부터 탈착되거나 점진적 용해를 겪을 수 있다.

일부 경우에, 중합체 매트릭스 내의 AIM의 몰%는 0.1 내지 1.5로 유지된다. 가교결합도는 모든 공단량체를 기준으로 1 내지 2 몰%의 가교결합제이다. 생성되는 하이드로젤은 비공유 부착을 통한 전극의 표면과의 양호한 결합 강도 및 양호한 구조적 완전성을 나타낸다. 일부 경우에, 이러한 유형의 실시 형태는 바이오기술, 제약, 및 식품 가공 산업에서 사용하기 위해 센서를 살균하는 데 필요할 수 있는 것과 같은 감마선 조사 처리를 견딘다.

다른 실시 형태에서, 중합체 사슬 내의 1 몰% 초과의 페로센에 의한 용매화가 양호하게 되도록 페로센 단량체의 친수성 유도체가 사용될 수 있다. 유사하게는, 응집을 방지하고 용매화에 도움을 주기 위해 벌키(bulky) Fc 단량체가 사용될 수 있다.

따라서, 일부 실시 형태에서 본 발명에 의해 제공되는 IE를 제조하기 위한 재료는 친수성 중합체 매트릭스에 (또는 그러한 매트릭스의 형성에 사용될 수 있는 단량체에) 공유 결합된 AIM을 포함한다. 매트릭스가 본 명세서에 기술된 바와 같이 가교결합되는 경우, 이는 "하이드로젤"로 지칭된다. 따라서, 본 발명에 의해 제공되는 재료에는 "AIM 중합체", "AIM 하이드로젤", "AIM 단량체", 및 그들을 제조하기 위한 다양한 다른 단량체가 포함된다. 일 실시 형태에서, 본 발명의 AIM 하이드로젤은 가교결합된 친수성 중합체 내에 페로센을 포함한다. 일 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 비닐페로센과 하나 이상의 친수성 공단량체의 공중합에 의해 형성되는데, 이러한 공단량체 중 적어도 하나는 2작용성 또는 다작용성이다. 2작용성 또는 다작용성 공단량체는 중합 시에 가교결합을 형성할 수 있으며, 본 명세서에서 가교결합제로서 지칭된다. 이들 성분의 공중합은 SWV 작동 조건 하에서 pH-무감응 신호를 나타내는 IE를 제공하는 하이드로젤을 산출한다. 이어서, 본 명세서에 기술된 방법에 따라, 이러한 신호는 상기에 기술된 바와 같은 ASM WE로부터의 pH-의존성 신호와 함께 사용되어 분석물 농도, 일 실시 형태에서는 pH에 상응하는 신호를 발생시킨다.

바람직한 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 N,N-다이메틸아크릴아미드 (97 내지 99 몰%), 폴리(에틸렌글리콜)다이아크릴레이트 (1 내지 2 몰%), 및 비닐페로센 (0.1 내지 1.5 몰%)의 라디칼 중합으로부터 형성되는 중합체를 포함한다.

다른 실시 형태에서, Fc 단량체는 가교결합이 없는 선형 단일중합체로서 사용될 수 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 비닐페로센은 바람직한 실시 형태가 되기에 충분히 친수성은 아니다. 그러나, 하기 표 1의 구조 Fc-II에 예시된 것과 같은 Fc 유도체는 전체 친수성을 증가시키도록 Fc와 중합성 기 사이에 적절한 친수성 연결기(linker)를 사용하여 본 발명에 따라 제조될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 하기 표 1의 구조 Fc-III에 예시된 것과 같은, 둘 이상의 중합성 기를 함유하는 다작용성 Fc 단량체는 단독으로 사용되어 가교결합된 단일중합체를 제공할 수 있다. 이러한 경우에, 중합체의 각각의 반복 단위는 Fc 기를 함유할 것이고, 이는 예외적으로 높은 Fc 작용성을 야기하지만 일부 응용을 위한 증가된 pH 감도를 제공할 수 있다. 친수성 공단량체를 연결기로서 도입함으로써, 본 발명의 일부 실시 형태에서와 같이, Fc 작용기가 "희석되고"(diluted), 생성되는 공중합체는 향상된 친수성을 나타낸다.

다른 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 AIM 단량체 및 하나 이상의 1작용성 공단량체를 포함하는 선형 공중합체이다. 이는 하기 표 3에서 선형 중합체 1 및 선형 중합체 2의 구조에 예시된다. 공단량체는, 선형 중합체 2에 예시된 바와 같이, AIM의 용매화에 도움을 주는 펜던트 기를 갖는 친수성 공단량체일 수 있다. 선형 중합체는 AIM 하이드로젤이 침착되는 전극 기재로부터의 누출을 방지하기에 충분히 커야 한다 (사슬당 50 내지 100개 초과의 단량체 단위).

다른 실시 형태에서, AIM 하이드로젤은 가교결합된 중합체 매트릭스 내에 물리적으로 포획된 AIM 분자를 포함한다. 적합한 AIM 분자는, 선형 중합체 1의 구조에 예시된 바와 같이, 길이가 50 내지 10,000개의 단위인 선형 중합체일 수 있거나; 또는 하기 표 4에 나타나 있는 구조에 예시된 바와 같이, 올리고머 또는 덴드리머(dendrimer)일 수 있다. 상호침투 네트워크 (interpenetrating network; IPN)로 불리는 그러한 구조는, AIM 상에 중합성 기를 필요로 하지 않고서도 가교결합된 중합체 내에 임의의 AIM 분자가 포획되게 할 것이다. IPN의 성분들은 일반적으로 서로 공유 결합되지 않는다.

본 발명의 실시 형태의 경우, 바람직한 중합성 기는 비닐, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 아크릴레이트, 및 메타크릴레이트 기를 비롯하여 라디칼 중합을 겪는 것들이다. 이들은 가수분해에 대해 화학적으로 견고하고 안정한 알킬 중합체 사슬을 생성하는 이점을 갖는다. 분자 그 자체는 친수성 기, 예를 들어 알코올 또는 에틸렌 글리콜 단위, 또는 페로센을 포함하는 AIM 모이어티를 포함할 수 있다.

다른 실시 형태에서, 중합성 기는 반응성 카르보닐 (예를 들어, 산 클로라이드) 및 친핵체 (예를 들어, 알코올 또는 아민 기) 둘 모두를 함유하는 단량체를 비롯하여 아미드 또는 에스테르 결합 형성을 통해 반응하는 것들을 포함한다. 이들은 폴리에스테르 또는 폴리아미드 중합체 사슬을 생성한다.

다른 실시 형태에서, 하이드로젤은, 보통 양친매성 콜로이드 성분으로 구성된, 초분자 하이드로젤로 또한 공지되어 있는, 비공유적으로 가교결합된 하이드로젤을 포함한다. 초분자 하이드로젤은 일반적으로 열 및 용매에 의한 분해에 대해 덜 견고하기 때문에, 이러한 실시 형태는 덜 바람직한 것으로 여겨진다.

[표 1]

페로센-함유 단량체

전형적인 페로센-함유 단량체가 표 1에 나타나 있다. 바람직한 실시 형태에서 사용되는 일례는 비닐페로센 (Fc-I)인데, 여기서 중합성 기는 페로센 방향족 고리에 직접 연결되어 있다. 구조 Fc-II에 예시된 다른 예는 메틸렌 연결기를 통해 연결된 아크릴레이트 (X=산소) 또는 아크릴아미드 (X=질소) 중합성 기를 그 특징으로 한다. 연결기는 C_nH_2n일 수 있으며, 이때 n은 1 내지 6일 수 있다. 연결기는 에틸렌 글리콜 단위와 같은 친수성 기를 또한 포함할 수 있다. 중합성 기의 알켄 부분은 아크릴 (도시됨) 또는 메타크릴 중 어느 하나일 수 있는데, 여기서 메틸 기는 카르보닐 기에 대해 알파 위치에서 탄소에 부착된다. 이들 상이한 유도체는 중합 속도 및 가수분해 저항성의 차이로 인해 바람직할 수 있다. 중합체 사슬 상의 펜던트 AIM 모이어티의 가수분해는 신호 감쇠(decay)의 원인이 될 수 있다. 다른 유형의 AIM 단량체는 상기 구조 Fc-III에 예시된 둘 이상의 중합성 기를 함유하는 것이다. 그러한 구조는 중합체에서 가교결합을 제공하며, 단독으로 또는 다른 단량체와의 공중합체로서 사용될 수 있다. AIM 중합체 및 AIM 하이드로젤은 임의의 친수성 중합체 매트릭스에 기초할 수 있다. 비닐 중합체는 단량체, 공단량체, 및 가교결합제의 실체 및 제형을 제어함으로써 얻어질 수 있는 매우 다양한 특성 때문에 특히 적합하다. 가교결합은, 중합체가 원 위치에서(in-situ) 중합될 수 있어서, 기재에 물리적으로 부착하는 견고한 네트워크를 형성, 선택적으로 소정 다공도를 갖는 기재를 관통한다는 점에서 이점을 제공한다. 그러한 속성을 갖는 단량체를 혼입함으로써 다양한 수준의 음이온성, 양이온성, 또는 쯔비터이온성 특성이 하이드로젤에 도입될 수 있다. 적합한 단량체에는 표 2 및 표 3에서 하기에 열거된 것들이 포함된다. 페로센 하이드로젤이 하기에 언급되어 있지만, 다른 AIM, 예를 들어 유기금속성, 이온성 염 및 산화환원 활성 유기 화학종은 마찬가지로 이러한 단량체를 사용하여 하이드로젤로 형성될 수 있다.

예를 들어, 비올로겐 중합체는 2개의 가역성 산화환원 피크를 갖는 견고한 친수성의 고분자전해질 구조로서 잘 알려져 있다 (문헌[Naoki et al. "Polyviologen Hydrogel with High-Rate Capability for Anodes toward an Aqueous Electrolyte-Type and Organic-Based Rechargeable Device."ACS Applied Materials & Interfaces 5.4 (2013): 1355-1361]). 산화환원 마커로서 전통적으로 사용되는 금속 염, 예를 들어, 헥사시아노페레이트는 리간드 중 하나를 중합성 기로 대체함으로써 본 발명에 따른 중합체에 또한 혼입될 수 있다.

[표 2]

라디칼-개시 단량체

전형적인 라디칼-개시 단량체가 표 2에 나타나 있다. 구조 I 및 구조 II는 양친매성인 것으로 알려진 단량체인데, 이는 소수성 분자를 용매화시킬 수 있으며 또한 하이드로젤의 친수성을 부여할 수 있다. 이들 구조는 라디칼 사슬 중합에 참여하는 알켄 기를 함유하여, 도시된 펜던트 기를 갖는 알킬 중합체 사슬을 생성한다. 펜던트 기는 중합체에 친수성을 부여하도록 선택될 수 있다.

구조 III 및 구조 IV는 하이드로젤에서의 가교결합을 위해 사용되는 2작용성 단량체이다. 구조 IV에서, 스페이서 기(spacer group)는 바람직한 실시 형태에서 1 내지 10개의 에틸렌 글리콜 단위, 또는 다른 실시 형태에서 20 내지 1000개의 에틸렌 글리콜 단위를 함유할 수 있다. 더 긴 스페이서는, 사용되는 폴리(에틸렌 글리콜) 사슬의 벌크 특성에 따라, 가교결합된 하이드로젤의 팽윤에 영향을 줄 수 있다.

[표 3]

이온성 단량체

2개의 예시적인 이온성 단량체가 표 3에 나타나 있다. 이들 단량체는 비이온성 단량체를 사용하여 달성할 수 있는 친수성을 넘어서 AIM 중합체의 친수성을 증가시킬 수 있다.

공단량체 및/또는 가교결합제의 선택, 이러한 성분들의 비, 및 하이드로젤의 총 고형물 함량을 변화시킴으로써 광범위한 중합체/하이드로젤 특성이 얻어질 수 있다. 고형물 함량은, 물과 비교하여, 중합체 매트릭스가 차지하는 젤의 비율을 말한다. 전형적인 하이드로젤은 1 내지 10%의 고형물을 함유하며, 이는 재료가 물을 흡수하여 팽윤되는 능력(capacity)에 따라 크게 좌우될 수 있다. 이러한 팽윤 그 자체는 가교결합도에 따라 크게 좌우된다. 본 발명의 일부 실시 형태에서, AIM 중합체 또는 AIM 하이드로젤은 3차원 중합체 구조 전반에 비닐페로센 (또는 다른 적합한 페로센 유도체 또는 다른 AIM-연결된 단량체 또는 중합체, 또는 AIM과 단량체(들)의 혼합된 제제)을 포함하여, 원하는 pH-무감도 범위보다 좁은 범위를 야기하는 페로센 (또는 다른 AIM) 기의 임계 밀도(threshold density)를 초과하지 않으면서도 이전에 달성할 수 있었던 것보다 훨씬 더 큰 유효 집단(effective population)의 AIM을 가능하게 한다.

본 발명의 방법을 사용하여 제조되는 대표적인 중합체가 표 4 및 표 5에 나타나 있다. 이들에는 비닐페로센 및 공단량체 N,N-다이메틸아크릴아미드 (II) 또는 더 친수성인 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트 (I), 또는 다이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트 (n=2인 것을 제외하고는 I과 유사함)를 함유하는 선형 중합체, 및 폴리(에틸렌글리콜)다이아크릴레이트 (IV) 또는 메틸렌(비스)아크릴아미드 (III)와 가교결합된 페로센-함유 하이드로젤이 포함된다. 표 4 및 표 5에서, x, y 및 z는 각각의 단량체의 화학량론적 비를 지칭한다. 예를 들어, x:y의 비는 호스트 중합체의 페로센 (또는 다른 AIM) 치환의 정도에 상응한다 (예를 들어, 상기에 논의된 0.1 내지 1 몰%의 페로센).

[표 4]

선형 중합체

표 4는 AIM으로서 Fc를 포함하는 선형 중합체의 예를 나타낸다. 값 x, y, 및 z는 중합체 전반에 무작위로 분포된 단량체 단위들의 화학량론적 비를 나타낸다. 선형 중합체 1로 예시된 바람직한 실시 형태에서, x 및 y의 비는 100:1 내지 1000:1일 수 있다. 선형 중합체 2로 예시된 바람직한 실시 형태에서, x, y, 및 z의 비는 90:1:10, 85:1:15, 80:1:20, 900:1:100, 800:1:200, 및 0:1:100일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 단량체 사슬의 기의 정확한 배치 및 분포가 공지되도록 블록 공중합체가 사용될 수 있다.

선형 중합체 1 및 선형 중합체 2는 Fc (예시의 목적임; 임의의 AIM가 사용될 수 있음) 작용기를 친수성 중합체에 혼입하는 것과 관련된 방법 및 재료를 예시한다. 선형 중합체 2에서의 3가지 공단량체의 사용은 친수성 정도 및 다른 물리적 특성의 제어를 제공한다. 그러나, 둘 모두의 선형 중합체는 시간 경과에 따라 물에 용해되며; 따라서, 본 발명에 따라 가교결합을 사용하여 용해를 늦추거나 없앨 수 있다.

가교결합된 중합체 1 및 가교결합된 중합체 2는, 표 5에 나타나 있는 바와 같이, 가교결합제 III 및 가교결합제 IV를 각각 포함하며, 표 5에서 가교결합제는 진하게 강조되어 있다.

[표 5]

가교결합된 중합체

표 5는 AIM으로서 Fc를 포함하는 가교결합된 중합체의 예를 나타낸다. 값 x, y, 및 z는 중합체 전반에 무작위로 분포된 단량체 단위들의 화학량론적 비를 나타낸다. 가교결합된 중합체 2의 경우, 에스테르 결합보다는, 가수분해에 대해 더 견고한 아미드 결합을 포함하도록, 2작용성 가교결합제를 개질하는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 것과 같은 가교결합된 중합체에 대한 바람직한 실시 형태에서, x, y, 및 z의 비는 1000:1:5 내지 1000:1:20; 1000:10:5 내지 1000:10:20일 수 있다. 다른 실시 형태에서 중합체는 오직 AIM 단량체 및 가교결합제 단량체로만 구성되며, 이때 그 비는 0:1:1000 내지 0:20:1000가 된다.

일부 실시 형태에서, 폴리비닐알코올이 페로센 및 본 발명의 선형 중합체 (예컨대, 아세틸 기, 페로센 및 하이드록실 기를 포함하는 선형 중합체)에 의해 작용화되며, 상기 선형 중합체는 열적으로 가교결합되거나, 화학적으로 가교결합되거나, 또는 방사선을 통해 가교결합된다. 예를 들어, 일례로, 가교결합제는 말레산 무수물, 말레산, 글루타르알데하이드, 다이아이소시아네이트, 다이비닐 에테르, 퍼요오데이트, 또는 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함된 문헌[http://ntrs.nasa.gov/archive/ nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790012957.pdf]에 개시된 바와 같은 임의의 제네릭(generic) 다이알데하이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 경우에, PVA는, 응용에 따라, 긴 측쇄 또는 더 짧은 측쇄 중 어느 하나 및/또는 피크 전위를 더 양의 전위 또는 더 음의 전위로 조정하는 데 유리한 전자 흡인(withdrawing) 기 또는 전자 공여(donating) 기를 갖는 페로센 유도체에 의해 작용화된다. 일부 실시 형태에서, 전체적으로 본 명세서에 포함된 문헌[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2975373/table/T1/]에 개시된 바와 같이, 소정 페로센 유도체는 스캔-의존성 감쇠에 대해 더 견고하고 저항성이기 때문에 선택된다.

당업자는, AIM이 ASM으로 대체된다는 점에서만 상기에 기술된 AIM 재료와 상이한, WE를 제조하는 데 유용한 단량체, 중합체 및 하이드로젤뿐만 아니라 이들을 사용하여 형성되는 WE가 본 발명에 의해 제공됨을 알 것이다. 따라서, 본 발명의 하이드로젤의 전기화학적으로 활성인 성분은 분석물 무감응 재료, 분석물 감응 재료, 또는 이들 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비닐안트라센 또는 2-아크릴아미도-안트라퀴논 (하기 표 6에 나타나 있음)을 상기에 기술된 하이드로젤 매트릭스에 혼입하여 본 발명의 ASM 하이드로젤을 형성할 수 있다. 대안적으로, 분석물-감응 응답 및 분석물-무감응 응답 둘 모두를 나타내는 동일한 하이드로젤에서 ASM-비닐 단량체 및 AIM-비닐 단량체 둘 모두가 공단량체로서 사용될 수 있다.

[표 6]

전기화학적으로 활성인 성분

본 발명의 전극, 센서, 및 장치의 다양한 실시 형태에서, 폴리아크릴아미드 페로센 공액체(conjugate) 및 폴리아크릴아미드 안트라퀴논 공액체가 AIM 및 ASM으로서 각각 사용된다. 그러한 실시 형태는, ASM 및 AIM 둘 모두가 공단량체로서 중합체 매트릭스에 혼입되어 원하는 조성의 랜덤 공중합체를 생성하는, 2가지 선형 중합체 또는 공중합체를 포함한다. 그러한 실시 형태는 WE 및 IE가 개별 기재 상에 있는 것들을 또한 포함한다.

일부 실시 형태에서, 이미 올리고머, 중합체, 또는 덴드리머의 형태인 페로센 유도체와 같은 AIM을 사용하여, AIM이 하이드로젤에 공유적으로 부착되지 않고 오히려 물리적 포획에 의해 그 내부에 유지되는 AIM 하이드로젤을 제조한다. 효과적인 물리적 포획은, 하이드로젤의 유효 네트워크 밀도가 충분히 높아 페로센 유도체 (또는 다른 AIM) 성분의 확산성 손실을 최소화할 것을 필요로 한다. 단량체성 AIM은 일반적으로 물리적 포획에 적합하지 않은데, 이는 AIM을 효과적으로 유지하는 데 필요한 높은 네트워크 밀도가 고도로 팽윤된 하이드로젤의 요건과 상반되기 때문이다. 표 7에 나타나 있는 예시적인 페로센 재료는 그러한 고정화에 적합하다. 졸-젤 화학에 기초한 것들을 포함하는 대안적인 친수성 스캐폴드(scaffold) (본 명세서에 참고로 포함된 국제특허 공개 2012/018632호 참조)가, 적절한 고정화를 제공하도록 스캐폴드의 유효 기공 크기와 비교하여 충분히 높은 평균 분자량을 갖는 AIM 중합체 또는 AIM 하이드로젤 (또는 본 발명의 WE의 제조를 위한 ASM을 갖는 상응하는 재료)을 고정화시키기 위해 IPN을 형성하는 데 사용될 수 있다.

[표 7]

IPN을 형성하는 데 사용하기 위한 페로센 재료

페로센 (또는 다른 AIM) 중합체를 또한 다른 중합체 매트릭스 내로 블렌딩하여 본 발명의 AIM 중합체 및 AIM 하이드로젤을 산출할 수 있다. 그러한 매트릭스는 하이드로젤의 성능 범위를 초과하는 소정 속성, 예컨대 내열성 또는 내화학성을 부여하도록 선택된다. 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF), 에폭시, 전기중합된 폴리피롤, 및 다양한 전도성 잉크 제형이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 예시적인 재료이다. 이러한 중합체 및 다른 중합체가 때때로 특수 용도 센서의 기계적, 유전체적, 또는 물리화학적 요건을 충족시키는 데 이용된다.

전극 설계

본 발명은, 동일하거나 상이할 수 있는, 기재에 대한 AIM 또는 그의 기재에 대한 ASM의 공유 부착 없이도 견고한 전극을 제공한다. 본 발명의 일부 전극에서, AIM 하이드로젤은 비공유적 수단에 의해 기재 표면에 고정된다. 본 발명은, 확실한 고정화를 보장하도록 적절한 수준의 표면 텍스처(texture), 기공률(porosity), 및/또는 3차원 비틀림(tortuosity)을 갖는, 그러한 부착을 향상시키는 기재를 제공한다. 이들 특징은, AIM과 분석물의 상호작용에 영향을 주지 않고도 AIM 하이드로젤 (또는 ASM 하이드로젤)의 부착 및/또는 봉쇄(containment)를 개선할 수 있어, 팽윤된 하이드로젤의 고투과성 속성으로부터 부분적으로 이익을 얻는다. 이들은 또한 유리상 탄소, 또는 다른 금속성 및 비금속성 표면과 같은 매끄러운 표면 상에 침착된 동일한 재료와 비교하여, 달리 AIM 하이드로젤의 반복된 팽윤 및 수축에 기인할 수 있었을 접촉, 마모, 또는 탈착과 관련된 물리적 손상에 대한 보호를 제공한다. 사실상, 텍스처화된 또는 다공성인 기재의 기계적 특성은 AIM 하이드로젤의 본래의 취약성(fragility)을 극복하여 높은 구조적 완전성을 전달한다.

임의의 전도성 기재가 본 발명의 AIM 중합체 및 AIM 하이드로젤 (및 ASM 중합체 및 ASM 하이드로젤)의 지지, 고정화 및 보호를 위해 전극으로서 사용될 수 있다. 이들은 탄소 동소체, 예를 들어 탄소 섬유, 다공성 흑연, 거대다공성 탄소, 메소다공성 탄소, 미세다공성 탄소, 나노다공성 탄소, 탄소 나노섬유 (나노다공성 알루미나와 같은 재료 상의 탄소-코팅에 의해 제조됨) 및 그 복합재; 및 나노튜브 및 그 복합재를 포함할 수 있다. 금속은 나노다공성 금, 백금 및 은을 포함할 수 있다. 스크린 인쇄된 전극은 메소다공성 탄소, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 또는 채널 또는 기공과 같은 마이크로- 또는 나노-스케일 특징부로 임프린팅되는 카본 잉크를 포함하는, 원하는 조도(roughness)를 갖는 다양한 표면 코팅을 가질 수 있다. 다공성의 전도성 기재는 매우 짧은 신호 경로로부터 추가로 이득을 얻으며, 그에 의해 신호 캡처 효율을 증가시킨다.

소정 전도성 중합체가 전극 기재로 사용될 수 있으며 AIM 하이드로젤로 코팅될 수 있다. 전도성으로 되기에 충분한 양의 탄소 동소체 또는 금속 입자를 함유하는 엔지니어링 중합체 복합재가 AIM 하이드로젤을 위한 지지체로서 사용될 수 있다. 그러한 복합재용으로 적합한 중합체에는 에폭시, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리피롤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 기타 플루오로중합체 또는 공중합체, 및 다양한 비닐 중합체, 예를 들어 PVC, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 및 그 유도체 및 공중합체, 셀룰로오스 중합체, 및 실리콘 중합체가 포함된다.

본 발명의 전극은 다양한 탄소 복합재와 같은 강성(rigid) 기재를 사용하여, 또는 가요성의 전도성 기재 (예컨대, 직조 또는 부직 카본 패브릭) 상에, 또는 전도성 코팅 (예를 들어, 카본 잉크, 인듐 주석 산화물, 은 등)에 의해 전도성으로 된 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리올레핀 등과 같은 비전도성 지지체 필름 상에 제조될 수 있다. 본 발명의 재료는, CE 및 PRE에 의해 매우 근접하게 보완되는, 다양한 기하학적 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극은 도 8에 나타나 있는 바와 같이 동심형 고리, 세그먼트, 및 어레이로 배열될 수 있다. 전도성 코팅 및 그로부터 유래된 전극은 센서가 광범위한 형상 계수 및 치수로 제작될 수 있게 한다.

도 8을 계속 참조하면, 일부 실시 형태에서, 고체 센서의 전극 구성 요소들(1, 3, 4)은 중심 전극(2)을 둘러싸는 단일 동심형 고리 내의 섹션들로서 배열된다. 예를 들어, 일 실시 형태에서, 고체 센서의 감지 표면은 복수의 전극 세그먼트, 즉 ASM-함유 WE(1), 가상 기준 전극(3), 및 상대 전극(4)을 갖는 단일 동심형 고리를 포함하며, 여기서 개개의 전극 세그먼트들은 중심에 위치된 AIM-함유 IE(2) 둘레에 방사상으로 배열된다. 감지 표면은 복수의 전극들 사이에 개재되도록 배치된 비전도성 재료(5)를 추가로 포함한다. 일부 경우에, 다양한 전극 세그먼트의 노출 표면적은 하나 이상의 다른 전극 세그먼트에 비하여 원하는 신호를 생성하도록 선택된다.

일부 경우에, 센서 재료 또는 복합재는 25 마이크로미터 이하 정도의 특성 반경(characteristic radius)을 갖는 미세반구(micro-hemisphere)로 형성된다. 이러한 치수의 센서는 매우 낮은 신호를 발생시키지만, 그의 감소된 이중 층 커패시턴스가 또한 응답 시간을 단축시킨다. (문헌[J. Wang, Analytical Chemistry, 3^rd ed., 2006, John Wiley] 참조). 센서 어레이는 실제 응용을 위해 실행 가능한 신호 수준을 갖는 소형화 전극 또는 미소전극에 사용하기 위해 구성될 수 있다.

일부 경우에, 전극 구성 요소들(1, 2, 3)은 중심에 위치된 전극 구성 요소(4)를 둘러싸는 개개의 동심형 고리로서 제공된다. 각각의 전극 구성 요소의 각각의 신호를 분리하기 위해 비전도성 재료(5)가 각각의 전극들(1, 2, 3, 4) 사이에 개재되도록 배치된다. 일부 경우에, 센서 구성 요소의 위치는 하나 이상의 다른 전극 고리와 비교하여 센서 구성 요소의 원하는 노출 표면적에 기초하여 선택된다. 일부 경우에, 각각의 동심형 전극 고리는 동일한 폭을 포함한다. 일부 경우에, 하나 이상의 동심형 전극 고리는 하나 이상의 다른 전극 고리와 비교하여 특유한 폭을 포함한다.

전도성 기재는 인쇄 회로 기판용으로 보통 사용되는 세라믹, 유리, 또는 유리 섬유-보강된 복합재와 같은 견고한 지지 재료를 사용하여 추가로 지지될 수 있다. 이들 재료는 감지 요소로부터 전자 회로로 신호를 전송하기 위한 잘 확립된 접속 옵션(connectivity option)을 제공한다. 다양한 패키징 옵션 (예를 들어, 다층 인쇄 회로 기판, 플레이트-관통 접점(plate-through contact) 등)이 센서 및 장치의 증가된 패키징 밀도, 신뢰도 및 기능성을 제공한다.

AIM 하이드로젤 및 ASM 하이드로젤은 코팅으로서 기재에 도포될 수 있다. 그러나, 다양한 실시 형태에서, AIM 하이드로젤 또는 ASM 하이드로젤은 가교결합된 구조를 얻도록 원 위치에서 형성된다. 코팅으로서 도포될 때, AIM 중합체 (또는 ASM 중합체)는 코팅 용액을 제조하기에 충분히 용매 또는 용매 혼합물에 용해성이어야 하지만, 센서의 수명 동안 전극 표면 상에 남아 있는 의도된 분석물 ― 보통, 물 ― 에 충분히 불용성이어야 한다. 이는 종종 후보 선형 AIM (또는 ASM) 중합체의 친수성을 제한한다. AIM (또는 ASM) 중합체를 가교결합하는 것은 이러한 상충 관계(trade-off)를 없애는데, 낮은 정도의 가교결합조차도 심지어 고도로 친수성인 중합체를 불용성으로 만들기 때문이다

그러나, 이러한 불용성 때문에, 가교결합된 중합체는 용액으로서 도포할 수 없으며 원 위치에서 제조해야만 한다. 이는, 단량체 및 개시제의 용액을 기재 상에 도포하고, 이어서 중합 공정을 개시하는 것을 수반한다. 따라서, 중합 및 가교결합 전에 단량체가 기재의 기공 내로 침투할 수 있다. 심지어 표면에 대한 공유 결합 없이도 중합체가 기재에 대한 탁월한 접착력을 갖고 임의의 표면 특징부 및 내부 구조에 정합되는 것을 보장한다. 가교결합은 치수 안정성을 부여하기에 그리고 AIM 센서 (IE) 또는 ASM 센서 (WE)의 기능 수명을 연장하는 데 기여하는 AIM (또는 ASM) 하이드로젤의 더 낮은 분자량 분율을 유지하기에 특히 유리하다. 하기의 실시예 1은, 기재가 탄소 기재인 전극 표면 상에서 가교결합된 하이드로젤을 생성하여 본 발명의 페로센-함유 전극 (IE)을 제조하는 방법을 설명함으로써 본 발명의 이러한 태양을 예시한다.

본 발명의 AIM 및 ASM 하이드로젤은 양호한 습윤-건조 가역성을 나타내어, 건조 시에 그의 물리적 완전성을 유지하고 재습윤 시에 그의 산화환원 활성 및 전극 전위를 신속하게 회복한다.

구형파 전압전류법 (SWV) 방법은 본 발명의 센서 구성 요소로부터 신호를 발생시키는 데 사용된다. WE 및 IE에 의해 발생된 신호는 동시에 또는 상이한 간격으로 모니터링될 수 있다. 본 문맥에서, 용어 "스위프" 및 "스캔"은 상호 교환가능하게 사용된다. ASM 및 AIM 둘 모두가 동일한 기재 상에 위치되는 실시 형태에서, 구형파 전위 스위프가 인가되어, ASM 및 AIM으로부터 개별적이지만 동시에 발생하는 응답을 이끌어 낸다. 동일한 스캔 파라미터 (예를 들어, 전압 스위프의 범위, 페데스탈(pedestal) 높이, 및 체류 시간(dwell time)으로도 지칭되는 스캔 간의 간격)가 둘 모두의 전극에 적용된다.

ASM 및 AIM이 별개의 전기적으로 독립적인 전극 상에 개별적으로 위치하는 다른 실시 형태에서 그리고 본 발명에 의해 제공되는 중요한 새로운 방법에 따르면, 상이한 스캔 파라미터를 갖는 2개의 개별적인 구형파 전위 스위프가 전극에 인가될 수 있다. WE 및 IE의 샘플링은 개별적으로 몇몇 이점을 제공한다. 첫째로, 신호 품질이 ASM에 대해 그리고 AIM에 대해 개별적으로 최적화될 수 있다. 둘째로, IE는 WE보다 덜 빈번하게 샘플링될 수 있으며, 일부 AIM은 상이한 분석물들에서 변함없이 유지되도록 설계된다. 따라서, IE는 분석물의 변화가 일어나거나 예상되는 경우에 정지 상태(stasis)를 재확인하기 위해서 샘플링하기만 하면 된다. IE를 샘플링하는 데 소비되지 않은 시간은 WE의 모니터링을 재개하는 데 사용될 수 있어서, 사실상 WE 체류 시간을 단축시키고 더 응답성인 pH 측정 시스템을 가져온다. 셋째로, IE의 덜 빈번한 샘플링은, 양호한 정확도 및 넓은 pH-무감도 범위를 나타내지만 반복적인 전기화학적 여기(excitation)의 결과로 신호 손실에 영향을 받기 쉬운 소정 AIM 재료가 이용될 수 있게 한다.

일 실시 형태에서, 본 발명의 센서의 SWV 전자 기기는 WE 및 IE로부터의 입력들 사이를 다중화(multiplex)하도록 구성된다. WE 및 IE 입력은 전기적으로 동등하며 기준 전극/가상 기준 전극 (RE/PRE) 및 CE 회로와 공통이다. 이러한 시스템의 작동이 표 8에 예시된다.

일정 전위기 회로(potentiostat circuitry) (블록 1 내지 9)의 차별화된 특징은 ASM 또는 AIM 전극 중 어느 하나를 선택하도록 사용되는 멀티플렉서(multiplexer; 3)이다. 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기(4), 아날로그-디지털 변환기(ADC; 5), 기준 전극(6), 구형파 여기를 발생시키기 위한 디지털-아날로그 변환기(DAC; 7), 및 상대 전극(9)을 구동하는 차동 증폭기(8)가 WE 및 IE 둘 모두에 공통이다.

[표 8]

SWV 시스템 작동

전압 스캔 (또는 스위프) 범위, 페데스탈 높이, 평형 시간, 및 체류 시간 (즉, 순차적인 전압 스캔 간의 휴지 시간)을 포함하는 SWV 작동 파라미터는 WE 및 IE에 대해 독립적으로 조정가능하다. 일 실시 형태에서, 동일한 SWV 회로가 WE 및 IE를 순차적으로 모니터링하는 데 사용된다.

WE 및 IE 스캔의 전체 시간 시퀀스(sequence)가 표 9에 나타나 있다. 화살표는 독립적인 체류 시간으로 설정된 규칙적인 간격으로 일어나는 스캔 또는 반복의 그룹화(grouping)를 나타낸다.

[표 9]

WE 및 IE 스캔의 시간 시퀀스

스캔 파라미터는 각각의 전극에 대해 최적화된다. 일련의 반복된 스캔의 통계치, 즉 피크 전위 평균 및 표준 편차를 WE 및 IE에 대해 개별적으로 유지하여, 이들 전극으로부터의 결과를 독립적으로 분석할 수 있다.

전형적인 범위 및 바람직한 값을 포함하는, 본 발명의 WE 및 IE에 대한 SWV용 작동 파라미터가 표 10에 나타나 있다.

[표 10]

WE 및 IE에 대한 SWV용 작동 파라미터

본 발명의 SWV 기술의 특별한 특징은 2가지 작동 모드의 구현이다. 첫째로, 분석물 내의 ASM 또는 AIM의 피크 전위의 위치를 알아내기 위해 비교적 넓은 전위 범위를 커버하는 각각의 전압 스캔의 초반에 "탐색"(seek) 모드가 사용된다. 둘째로, 더 높은 분해능으로 전극으로부터의 피크 전위의 위치를 알아내기 위해 더 작은 전압 증분으로 "추적"(tracking) 모드가 사용된다. 추적 모드에서, 예를 들어, 2 ㎷의 스텝 높이는 0.03 pH 단위의 pH 분해능에 상응한다. 이는 대부분의 pH 분석 응용에 대해 충분하다. (0.015 pH 단위의 분해능을 위해) 스텝 높이를 1 ㎷로 추가로 감소시키는 것이 가능하지만, 그렇게 하는 것은 ±200 ㎷ 범위를 스팬(span)하는 데 필요한 시간을 또한 증가시킨다. AIM 피크 전위가 대체로 불변하기 때문에 더 좁은 스캔 폭이 충분하다.

하기 절차는, WE 및 IE로부터의 신호를 사용하여 관심 분석물의 농도, 이 경우에 pH로서 표시되는 하이드로늄 이온 농도를 유도하는 방법을 기술한다.

표 11 내지 표 13에 나타나 있는 바와 같이, 스캔의 시작 (1)은 낮은 분해능에서의 WE의 넓은 SWV 스위프 (2a)로 시작하여, 후속 WE 추적 스캔 (2b)의 중심을 탐색한다. 스위프의 속도는 전압 범위의 한계들 사이의 각각의 전압 증분의 스텝 높이(SH)에 의해 설정된다. SWV 출력을 처리하여 피크를 찾는 것이 단계 3 내지 단계 6에 요약되어 있다. WE 탐색 스캔 (2a) 직후에 그러나 WE 추적 스캔 (2b)을 시작하기 전에, IE의 넓은 SWV 스위프 (8a)가 후속 IE 추적 스캔의 중심을 탐색한다. IE 추적 스캔의 초기 그룹을 평균하여 AIM 베이스라인(baseline)을 결정하고 (9), 비휘발성 메모리에 저장한다 (10). AIM 베이스라인으로부터 후속 AIM 추적 스캔 (8b)의 피크 의 차이 (단계 3 내지 단계 6)는 ΔAIM과 같다 (11). AIM 피크는 불변하기 때문에, ΔAIM는 RE 또는 PRE의 드리프트를 반영한다. ASM 피크는, RE 또는 PRE의 드리프트와 동등한 교정 계수(correction factor)로서 적용되는 ΔAIM에 의해 교정된다 (7). 보정 표는 몇몇 온도 (예컨대, 5℃ 내지 50℃)에서 소정 pH 범위 (예컨대, pH 2 내지 pH 12)에 걸친 표준 완충제에 대한 평균 ASM 응답을 특성화한다. 보정 표의 항목(entry)은, Ag/AgCl 또는 칼로멜과 같은 안정한 RE를 사용하여, 제어된 조건 하에서 만들어진다. 보정 표로부터, 교정된 ASM (7)과 동일한 센서 온도 및 전압에서, 샘플의 상응하는 pH가 결정된다 (12).

[표 11]

WE 스캔, 베이스라인 교정; 피크-선정(peak-pick); ASM 피크 전위 계산; ASM 교정

[표 12]

AIM 피크 전위 및 ΔAIM을 계산하는 데 사용된 IE 스캔 (베이스라인-교정되고 피크-선정됨)

[표 13]

미리 결정된 보정 표 (또는 함수)로부터의 pH 계산

본 발명의 WE-IE 쌍을 사용하여 pH (또는 다른 분석물 농도)를 결정하는 것은 하기와 같이 수행될 수 있다. 표준 Ag/AgCl 또는 칼로멜 기준 전극을 기준으로 한 온도 범위에 걸친 pH 완충제에 대한 ASM의 응답의 보정 표를 사용하여, AIM의 드리프트에 응답하여 ASM 피크를 교정하는 것을 가능하게 할 수 있다. 다른 방법은 주어진 온도 범위에 걸쳐 pH 완충제에 대한 ASM 피크 전위와 AIM 피크 전위 사이의 차이로부터 직접 보정 표를 준비하는 것이다. 이러한 작업은 본 발명의 분석물 감지 장치의 펌웨어(firmware)에 포함될 수 있다. 본 발명의 분석물 감지 장치는 WE, IE, RE (CRE 또는 PRE, 그러나 전형적으로는 PRE), 및 CE 중 각각 적어도 하나를 포함하는 센서 조립체를 포함한다. 이들 센서 구성 요소는 다양한 공간 배열, 표면적 비, 평면 또는 3차원 설계, 동축 또는 비-동축 기하학적 구조, 또는 이들의 몇몇 조합으로 구성될 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 한 가지 요구되는 구성은 직경이 12 mm인 센서 조립체이다. 이러한 기하학적 구조는 통상적인 유리 전극과 유사하며, 따라서 기구 및 설비와 호환성(compatible)이다. 본 발명의 감지 요소들은 직경이 12 mm인 탐침의 말단 평면 표면에 동일하게 위치될 수 있거나, 보호를 위해 적합하게 움푹 들어갈 수 있거나, 또는 분석물에 접근 가능한 3차원 공간에 조직될 수 있다. 상대 전극은, 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 말단 표면 상에 동일하게 위치된 구성 요소들 중 하나일 수 있거나, 또는 다른 감지 요소들을 둘러싸는 칼라(collar) 또는 원형 트레이스(trace)의 형태일 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 다른 실시 형태는, 도 9에 나타나 있는 바와 같이, 모든 웰의 하부 및/또는 내부 벽에 어드레스 가능한(addressable) 센서가 존재하는, 다중웰(multiwell) 또는 마이크로웰(microwell) 플레이트이다. 전극의 구성은 일부 실시 형태에서 상기의 12 mm 탐침 설계와 유사하다. 주요한 차이는 전극 표면의 크기의 차이 및 전자 기기 인터페이스에 있다. 다중웰 플레이트 경우에, 각각의 전극에 대한 전기적 접속은 플레이트의 배면으로의 구멍을 통해 또는 전도성 트레이스에 의해 달성될 수 있다. 이러한 접속은 전도도를 모니터링하기 위한 다중웰 플레이트 센서에서 일반적이다. 전형적인 구성에서, 96-웰 플레이트는 웰당 50 내지 200 마이크로리터의 용액을 수용할 것이다. 각각의 웰의 하부에 있는 전극 표면은 1 내지 2 제곱밀리미터 정도일 것이고; 웰의 직경은 약 1 cm이다. 센서 설계의 다양한 예시적인 실시 형태가 도 8에 나타나 있다. 대안적인 실시 형태에서, 전극이 다중웰 플레이트 내에 포함되어, 분석물이 모든 감지 요소와 접촉하여 측정을 가능하게 한다. 소정 실시 형태에서, 하나 이상의 전극이 샘플 공동의 벽에 위치되어, 하부의 전부는 아니더라도 적어도 일부분을 광학 분석을 위해 투명한 채로 남겨 둔다. 대안적으로, 가요성 필름 상에 위치된 인쇄 전극이 가요성 용기, 튜브 세트, 및 바이오프로세싱(bioprocessing)을 위한 다른 구성 요소 (단일 사용 또는 일회용 구성 요소를 포함함)에서의 구성 요소로서 특히 적합하다.

이제 도 10을 참조하면, 본 발명은, 특히 본 명세서에 참고로 포함된 국제특허 공개 2014/106066호에 따라, 매우 작은 분석물 샘플 부피에서의 pH 측정에 또한 적용 가능하다. 이러한 실시 형태는 수 마이크로리터 또는 1 마이크로리터 미만(sub-microliter) 정도의 액체의 소적의 측정을 위한 센서 조립체 및 그로부터 유래된 기구를 포함한다. 이러한 실시 형태에서, WE, IE 및 PRE는 모두 수 제곱밀리미터 정도의 면적 내에 위치된다. 일 실시 형태에서, 이는 WE/IE 모듈이다. 근접성은 WE/IE 모듈과 RE가 동시에 샘플과 접촉하게 되는 것을 보장한다. 유사한 치수의 CE를 포함하는 CE 모듈이 WE 구성 요소에 매우 근접하게 될 때 이 회로가 완성된다. 이러한 센서 구성 요소들 사이에 형성된 간극을 사용하여 모세관 현상에 의해 분석물 소적을 유지하여, 전극 표면을 브릿징 및 습윤화하고 전기화학적 회로를 완성하게 된다. 샘플 소적이 센서 조립체의 2개의 부분을 브릿징할 때에만 전류 흐름이 있게 된다.

본 발명의 다양한 태양이 또한 하기 실시예에서 예시된다.

실시예

실시예 1: 전극 표면 상에 가교결합된 하이드로젤을 형성함으로써 생성되는 페로센-함유 전극.

이 실시예에서는, 하이드로젤을 형성하는 데 사용되는 중합 공정 동안 본 발명의 AIM 하이드로젤이 전극 표면 상에 고정화된다 (전극 표면에 공유 결합되지 않는다). 중합 후에, 전극을 물 또는 물-용매 혼합물 중에서 세척하여 오염물, 미반응 단량체 및 반응 부산물을 제거한다. 여분의 하이드로젤을 전극 표면으로부터 제거한다. 이어서, 하우징 상에 전극을 장착하며, 여기서 하이드로젤-함유 표면이 분석물 용액에 노출된다. 기재의 전도성 배면을 일정 전위기에 접속한다. 기준 전극 또는 가상 기준 전극과 관련하여 스위핑 구형파 전위를 인가하여 전류 피크를 제공함으로써 AIM 신호를 얻는다. 이어서, AIM으로부터의 전류 피크 전위를 기준 전극에서의 드리프트를 교정하는 데 사용하거나 또는 다른 작업 전극 (ASM)을 위한 기준으로서 사용한다.

이 실시예에서, AIM의 화학적 구조는 본 발명의 친수성의 가교결합된 중합체 매트릭스에 공유 결합된 페로센을 포함한다. 전극은 전도성 기재의 존재 하에서 단량체 혼합물을 중합함으로써 생성한다. N,N-다이메틸아크릴아미드 (DMMA)와 5 중량% 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 다이아크릴레이트 및 1 중량% 비닐페로센을 포함하는 단량체 용액을 n-부탄올 중에 희석하여 25% 용액을 얻었다. 열활성화 개시제 (아조비스 아이소부티로니트릴, AIBN)를 0.5% 중량/부피의 농도로 첨가하였다. 탄소 섬유의 전극 디스크를 이 혼합물 중에 침지하고, 이것을 이어서 초음파 처리하고 아르곤으로 스파징(sparge)하여 산소를 제거하였다. 이 혼합물에 뚜껑을 덮고 60℃에서 24시간 동안 가열하여 본 발명의 하이드로젤을 생성하였다. 젤에서 전극을 잘라내고 담수 중에서 2일 동안 세척하였다. 이어서, 여분의 하이드로젤을 전극 표면으로부터 제거하였다. 전극을 사용할 때까지 물 속에 보관하였다.

대안적으로, 전극은 전도성 기재의 존재 하에서 단량체 혼합물을 중합함으로써 생성하는데, 여기서 N,N-다이메틸아크릴아미드 (DMMA)와 3 중량% N,N'-메틸렌 비스 아크릴아미드 및 3 중량% 비닐페로센을 포함하는 단량체 용액을 n-부탄올 중에 희석하여 용액을 얻었다. 열활성화 개시제 (예컨대, 아조비스 아이소부티로니트릴 (AIBN))를 0.5% 중량/부피의 농도로 첨가하였다. 탄소 섬유의 전극 디스크를 이 혼합물 중에 침지하고, 이것을 이어서 초음파 처리하고 아르곤으로 스파징하여 산소를 제거하였다. 이 혼합물에 뚜껑을 덮고 75℃에서 가열하였다. 20 내지 60분 사이에 젤화가 일어나서 본 발명의 하이드로젤을 생성하였다. 90분 후에, 젤에서 전극을 잘라내고 알코올 중에서 12 내지 18시간 동안 팽윤되게 두었고, 그 후에 전극을 1:1 알코올:물 혼합물 중에서 2시간 동안 이어서 탈이온수 중에서 2시간 동안 세척하였다. 이어서, 여분의 하이드로젤을 전극 표면으로부터 제거하였다. 이어서, 전극을 사용할 때까지 물 속에 보관하였다.

이제 도 3을 참조하면, 4개의 고체 센서 구성 요소를 주어진 분석물 용액 중에 동시에 침지하여 배치하였다. IE는 탄소 섬유 기재 상으로의 페로센-하이드로젤의 원 위치 중합에 의해 제조하였다. WE는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제20130168609호에 기술된 바와 같이 제조된 폴리비닐 알코올 안트라퀴논 (PVA-AQ)을 이용하였다. 본 발명에 따른 PVA-AQ에 대한 대안적인 화학적 작용(chemistry)이 하기 실시예 4에 제공되어 있다. 상대 전극 CE는 WE를 둘러싸는 스테인리스 강 고리였다. 모든 전압전류식 측정은 가상 기준 전극 (PRE)과 관련하여 이루어졌는데, 이러한 경우에 상기 전극은 가요성 폴리에스테르 기재 상의 스크린 인쇄된 은/염화은 필름이었다. 도 3에 나타나 있는 WE는 n-부틸 리튬, 수소화나트륨, 또는 칼륨 3차 부톡사이드와 같은 염기를 사용하는 즉석의 방법(improvised method)을 사용하여 구성하였다.

AIM 하이드로젤의 pH-무감응 범위를 확인하기 위해, 3개의 IE를 제조하고 이를 각각 100 mM의 첨가된 염화나트륨을 함유하는 일련의 완충 용액에서 표준 칼로멜 전극 (SCE)에 대하여 시험하였다. 5회 측정으로부터 구형파 전압전류법 피크 값을 얻었다. 이상적인 AIM은, pH와 상관없이, 피크 전위의 편차를 나타내지 않을 것이다. 하기 표 14에 나타나 있는 바와 같이, 시험된 IE (EL1, EL2, EL3)는 다양한 감도로 pH 스케일에 걸쳐 안정성을 나타낸다. pH 7.5 내지 6의 생물학적 관련 범위에서, 최대 2 ㎷의 편차가 있었다. 더 넓은 범위에 걸쳐서는, 이 편차는 더 크며, 이때 전극은 pH 2 내지 pH 10의 범위에 대해 2 또는 3 ㎷의 표준 편차를 나타낸다. ASM에 대해 58 ㎷/pH 단위의 기울기가 주어진다면, 이러한 오차는 주어진 pH 범위에 대해 AIM을 사용하여 달성할 수 있는 분해능을 결정할 것이다. 예를 들어, 6 ㎷의 오차는 0.1 단위의 pH 측정 오차로 해석된다.

[표 14]

표 1의 결과를 생성하는 데 사용된 AIM 하이드로젤은 중량 기준으로 5%의 PEG-다이아크릴레이트와 가교결합되고 1% 비닐페로센을 함유하는 DMAA의 매트릭스였다. EL1 및 EL2는 젤 중 20 중량% 고형물로 중합되었고; EL3은 젤 중 25% 고형물로 중합되었다. 스캔 간에 90초의 지연 시간을 두고 전극을 각각의 완충제 중에서 5회 SWV 스캔하였다. 표 1에 보고된 값은 5회 스캔 시리즈 중 마지막 측정치이다. 표 1에서 pH 7의 완충제에 대한 값은 pH 변동(excursion)의 시작 및 끝에 취한 측정치들의 평균이다.

pH 변화에 대한 WE 및 IE의 특성 응답이 도 4에 나타나 있다. 실험 오차 내에서, pH 6, pH 7 및 pH 8의 완충제에서 측정된 AIM 피크들은 중첩 가능한 반면, ASM 피크는 pH의 함수로서 예상되는 변화를 나타내었다.

WE-IE 쌍에 대한 기준 전극에서의 변화의 영향이 도 5에 나타나 있다. 이러한 경우에, pH 6의 완충제를 사용하였다. PRE로 표시된 데이터 (실선)의 경우, 도 3에 나타나 있는 고체 Ag/AgCl PRE를 사용하였다. ASM 피크 (좌측)와 AIM 피크 (우측)는 675 ㎷만큼 떨어져 있었다. 액계(liquid-junction) RE로 표시된 데이터 (점선)의 경우, 시판 Ag/AgCl 기준 전극을 대신에 사용하였다. ASM 피크와 AIM 피크는 671 ㎷만큼 떨어져 있었다. 기준 전위의 거의 100 ㎷의 이동에도 불구하고, AIM 피크와 ASM 피크 사이의 차이는 거의 동일하였다. 간단히 말해, 이러한 결과는, 본 발명의 이러한 WE-IE 쌍에 대해, AIM-ASM 관계가 RE와 무관함을 입증한다.

실시예 2: 전-고체 pH 센서 시스템의 고유한 pH 응답

통상적인 SWV에서, pH는 단일 WE의 특성 전위와 직접적으로 상관된다. WE-IE 쌍에 대해, 이러한 두 전극의 전위차는 pH와 상관된다. 이 실시예에서는, 2개의 WE-IE 쌍을, 얇은 스테인리스 강 봉(rod)으로 제조된 상대 전극 및 PRE의 역할을 하는 스크린 인쇄된 은/염화은 전극과 함께 배치하였다. 모든 센서 구성 요소가 고체 상태였다. 상기에 기술된 바와 같이, 기준 전극의 속성은 다소 가요성이며, pH 보정 곡선은 단지 AIM 피크 위치와 ASM 피크 위치 사이의 차이만을 고려한다. 이 경우에, 보정은, 주위 온도 (22 내지 24℃)에서 20 mM 완충제 및 100 mM 염화나트륨을 사용하여 중복(duplicate) WE-IE 쌍에 대해 생성하였다. 그 결과는 도 6에 나타나 있다.

도 6은 2개의 개별적인 WE-IE 쌍에 대한 전위 대 pH의 선형 관계를 나타낸다. 이러한 경우의 전위는 PRE와 관련하여 측정된 AIM 피크와 ASM 피크 사이의 차이이다. 이것은 보정 곡선으로 간주될 수 있다: 기울기 및 절편을 사용하여, 미지의 pH를 결정할 수 있다. ASM-AIM 전위차는 이상적으로는 PRE의 절대 전위가 아니라 오직 pH에 따라서만 좌우될 것이다.

실시예 3: 분석물 섭동(perturbation), 예컨대 이온 강도에 대한 WE-IE 쌍의 응답

기준 전극 전위는 분석물 이온 강도의 변화에 의해 영향을 받을 수 있음이 일반적으로 인식된다. 이러한 변화는 예상되는 이온 강도에서의 보정에 의해 통상적인 전위 측정식 pH 측정에서 보상될 수 있다. 본 발명의 WE-IE 전극 쌍의 경우, RE (전형적으로, PRE) 전위의 변화는 ASM 및 AIM에 유사하게 영향을 준다. 따라서, 오차는 자가-상쇄(self-canceling)된다. 이러한 영향이 도 7에 나타나 있으며, 여기서 ASM-AIM 쌍을 통상적인 유리 pH 전극 (써모 오리온(Thermo Orion))과 비교한다. WE-IE 쌍을, 100 mM의 첨가된 염 (염화나트륨)을 함유하는 BDH 기준 표준 완충제 (브이더블유알 인터내셔널(VWR International)) 중에서 우선 보정하였다. 이어서, PRE 전위가 30 ㎷만큼 이동하게 하는 10 mM 염화나트륨 용액 중에서 측정을 행하였다. 보정된 유리 pH 탐침으로 측정한 pH는 속 빈 동그라미(open circle)를 사용하여 도시된다. 어떠한 교정도 없이 Ag/AgCl PRE와 관련하여 WE를 사용하여 측정한 pH는 X로 표시한다. 오차는 PRE에서의 이동 때문이다. AIM-교정된 pH는 속 찬 동그라미(filled circle)로 도시된다. 교정된 pH 값의 정확도는, PRE와 비교하여, AIM이 이온 강도에 훨씬 덜 민감함을 나타낸다. 요약하면, 이러한 결과는, 본 발명의 WE-IE 쌍이 CRE 또는 PRE에 대한 이온 강도의 영향을 보상함을 입증한다.

실시예 4: PVA-AQ (ASM) 화학적 작용

본 발명의 pH 미터에 사용하기에 적합한 전극은 안트라퀴논 유도체 (PVA-AQ)에 공유 결합된 폴리비닐알코올로 구성된 하이드로젤로부터 제조할 수 있다. PVA-AQ는 다이에틸 아미노 메틸 폴리스티렌: 유기 합성 반응에 보통 사용되는 중합체성 염기를 사용하여 합성하였다. 이러한 반응은 일반적으로 완료하는 데 대략 48시간을 필요로 한다. 반응 시간을 단축하기 위하여, 본 발명은 n-부틸 리튬, 수소화나트륨 및 칼륨 3차 부톡사이드를 반응시키는 방법을 제공하지만, AQ 작용화의 반응 시간 및/또는 밀도를 변화시키는 임의의 치환을 비롯하여 본 발명의 원하는 PVA-AQ를 제조하는 데 필요한 대로 유기 합성 반응에 보통 사용되는 다수의 염기 중 임의의 것을 치환할 수 있고 반응 조건을 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법 및 PVA-AQ 화학적 작용은 몇몇 상이한 염기를 사용하여 특정 응용에 요구되는 PVA의 작용화를 달성함으로써 맞춰질 수 있다. 염기로서 n-부틸 리튬을 사용하는 PVA-AQ의 예시적인 합성이 표 15에 나타나 있다.

[표 15]

n-부틸 리튬을 사용하는 PVA-AQ 합성

염기로서 n-부틸 리튬을 사용하는 PVA-AQ의 합성

표 14의 PVA-AQ ASM을 제조하기 위한 절차는 하기와 같다. 교반 막대(bar)가 구비된 오븐 건조된 500 ml 플라스크를 아르곤으로 30분 동안 퍼징하였다. 캐뉼라 이송(cannula transfer)을 통해 첨가되는 300 mL의 건조 DMSO와 함께 1.77g (0.042 mol)의 PVA를 플라스크에 첨가하였다. 시스템을 양의 아르곤 압력 하에서 유지하고, 자기 교반 막대로 교반하면서 오일조 내에서 50℃로 가열하여 PVA를 용해시켰다. 2시간 후에, 플라스크를 실온으로 냉각하고 10.4 mL (0.0166 mol)의 n-부틸 리튬을 첨가하였다. 15분 후에, 5 g의 2-브로모메틸 안트라퀴논을 첨가하였다. 이것을 주위 온도에서 아르곤 하에 20시간 동안 교반되게 두었다. 다음날, 탁한 갈색의 조 반응 혼합물을 교반되는 10배 부피의 1,4-다이옥산에 적하하였다. 생성된 용액은 연한 갈색(caramel-brown)이었는데, 담황색 고형물이 있다. 이 용액을 2시간 동안 교반되게 두었고, 이어서 유리 프릿형 뷰흐너(Buchner) 깔때기에서 진공 여과하였다. 대안적으로, 상기 혼합물을 가라앉게 둘 수 있고, 경사분리(decantation)에 의해 용매 혼합물을 제거한 후에 담황색 고형물을 분리할 수 있다. 고형물을 아세톤으로 세척하였다. 고형물을 다시 DMSO에 용해시키고, 1,4-다이옥산 및 아세톤을 사용하여 침전시켜 임의의 미반응 브로모메틸 안트라퀴논을 제거하였다. 불순물을 제거하는 데 도움을 주기 위해 헥산 세척을 또한 사용하였다.

B. 염기로서 수소화나트륨을 사용하는 PVA-AQ의 합성

교반 막대가 구비된 오븐 건조된 둥근 바닥 플라스크 (플라스크 1)를 30분 동안 아르곤 하에 두었다. 캐뉼라 이송을 통해 첨가되는 50 ml의 건조 DMF와 함께 924 mg (21 mmol)의 PVA를 플라스크에 첨가하였다. 오일조를 120℃로 가열하고, 플라스크를 오일조에 넣어서 PVA를 용해시켰다. 일단 PVA가 용해되면, 플라스크를 오일조에서 꺼내 실온으로 냉각되게 하였다. 캐뉼라 이송을 통해 20 ml의 건조 DMF를 제2 오븐 건조된 플라스크 (플라스크 2)에 첨가하였다. 수소화나트륨 (400 mg, 10 mmol)을 플라스크 2에 첨가하고 교반하였다. 캐뉼라 이송을 통해 플라스크 2의 내용물을 플라스크 1에 첨가하였다. 플라스크 1의 수소화나트륨/PVA 혼합물은 담황색 현탁액으로 나타났다. 20분 동안 교반한 후에, 브로모메틸안트라퀴논 (300 mg, 1 mmol)을 반응물에 첨가하였다. 5분 후에, 이 혼합물은 진한 황갈색으로 변하였는데, 아주 약간의 용해되지 않은 고형물이 있었다. 이 혼합물을 90분 동안 교반하였다. 0.5 ml의 물을 첨가하여 반응을 켄칭(quench)하고 이어서 추가로 30분 동안 교반하였다. 이어서 10.5 mL (10.5 mmol)의 1 M 염산을 플라스크 1에 첨가하였고, 이는 탈양성자화된 PVA를 중화시켜 혼합물을 가용화하는 데 도움을 주었으며, 그 결과 혼합물이 담황색으로 변하게 되었다. 플라스크 1의 내용물을 1.5 L의 아세톤이 담긴 새로운 플라스크 (플라스크 3)에 적하하고 15분 동안 교반하였으며, 그 동안에 담황색 침전물이 형성되었다. 10분 동안 침전물이 가라앉게 두었고, 이어서 경사분리하여 침전물의 부피를 감소시켰다. 이어서, 경사분리된 침전물을 얼음조에서 진공 여과하였다. 이어서, 고형물을 아세톤으로 세척하고 진공에서 건조하였다.

실시예 5: 탄소 섬유 디스크의 제조

탄소 섬유/폴리비닐 에스테르 디스크 (8.5 mm 직경)의 의도된 감지 면을 220 그릿(grit) 사포로 사포질하였다. 이어서, 사포질된 디스크를 100 ml 비커에 넣고, 이어서 이 비커에 50 ml의 헥산 (VWR)을 첨가하고 1분 동안 초음파 처리하였다. 비커로부터 여분의 헥산을 제거하였다. 50 ml의 에탄올 (VWR)을 비커에 첨가하고 1분 동안 계속 초음파 처리하였고, 그 후에 여분의 에탄올을 제거하였다. 다시 50 ml의 에탄올을 비커에 첨가하고, 디스크를 1분 동안 초음파 처리하고, 이어서 여분의 에탄올을 제거함으로써, 제3 세척 단계를 완료하였다. 이어서, 세척된 디스크를 사용할 때까지 건조한 상태로 보관하였다.

실시예 6: 프리-젤(Pre-gel) 혼합물 I

깨끗한 바이알에 0.06 g의 비닐페로센, 0.06 g의 비스아크릴아미드, 및 1.88 g의 DMAA를 첨가함으로써, 2 g의 하이드로젤 단량체 용액을 얻었다. 바이알의 내용물을 혼합하여 비닐페로센을 용해시켰다. 보관하기 전에, 바이알 내로 10초 동안 아르곤의 스트림을 부드럽게 송풍함으로써, 바이알의 상부 공간(headspace)을 건조 아르곤 가스로 퍼징하였다. 이어서, 바이알에 뚜껑을 덮고, 이 바이알을 최대 1주일 동안 냉동고 (-18 내지 -22℃)에 보관하였다.

실시예 7: 프리-젤 혼합물 II

깨끗한 바이알에 0.10 g의 비닐페로센, 1.0 g의 폴리(에틸렌글리콜) 다이아크릴레이트, 및 8.9 g의 DMAA를 첨가함으로써, 10 g의 하이드로젤 단량체 용액을 얻었다. 바이알의 내용물을 혼합하여 비닐페로센을 용해시켰다. 보관하기 전에, 바이알 내로 10초 동안 아르곤의 스트림을 부드럽게 송풍함으로써, 바이알의 상부 공간을 건조 아르곤 가스로 퍼징하였다. 이어서, 바이알에 뚜껑을 덮고, 이 바이알을 최대 1주일 동안 냉동고 (-18 내지 -22℃)에 보관하였다.

실시예 8: 탄소 섬유 전극을 사용한 원 위치 하이드로젤 형성

50 내지 100 rpm의 속도에서 광폭 교반 막대로 교반하면서 75℃ (+/-2℃)에서 평형을 이루도록 오일조를 예열하였다. 20 mg의 AIBN, 0.75 ml의 단량체 용액, 및 3.0 ml의 n-부탄올을 20 ml 바이알에 첨가하고 혼합하여 AIBN을 용해시켰다. 사포질되고 세척된 탄소 섬유 디스크를, 사포질된 면이 위로 오도록, 바이알의 하부에 적층하여 추가하였다. 마이크로 교반 막대를 디스크의 위에 바이알에 추가하였다. 이어서, 바이알을 10초 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 스테인리스 강 중공 니들을 사용하여, 바이알 내의 용액을 1분 동안 아르곤으로 스파징하고 20초 간격으로 부드럽게 휘저어 혼합하였다. 이어서, 바이알에 뚜껑을 단단히 닫고, 바이알의 액체 내용물이 오일 높이(level)에서 1 cm 아래에 위치되도록 오일조에 침지하였다. 오일조 내에 있는 동안, 바이알의 액체 내용물을 마이크로 교반 막대에 의해 대략 50 내지 100 rpm의 속도로 혼합하여, 탄소 섬유 디스크를 제거(dislodging)하지 않으면서, 용액을 부드럽게 교반한다. 대략 20분 및 60분 동안 오일조 내에 둔 후에 젤화가 일어나며, 젤화는 마이크로 교반 막대를 고정함으로써 볼 수 있다. 오일조 내에 둔 지 총 90분 후에, 바이알을 꺼내고 주위 온도로 냉각되게 둔다.

실시예 9: 하이드로젤 전극의 세척 및 보관

금속 스패츌러를 사용하여 하이드로젤 용액을 없애고, 탄소 섬유 디스크를 제거한다. 탄소 섬유 디스크가 담긴 바이알에 15 ml의 에탄올 (95%)을 첨가하고, 이어서 바이알을 12 내지 18시간 동안 교반 및 혼합하여 하이드로젤 용액이 팽윤되게 한다. 이어서, 여분의 에탄올 및 팽윤된 하이드로젤을 바이알로부터 제거한다. 15 ml 에탄올/물 용액 (1:1)을 바이알 내의 디스크에 첨가하고 2시간 동안 교반하고, 그 후에 여분의 용액을 바이알로부터 제거한다. 이어서, 15 ml의 물을 바이알 내의 디스크에 첨가하고 추가로 2시간 동안 교반한다.

면도기를 사용하여, 표면 및 에지 둘 모두를 가로질러 부드럽게 긁어냄으로써, 각각의 전극의 표면으로부터 여분의 하이드로젤을 제거한다. 이어서, 전극을 종이 (킴와이프(Kimwipe)) 상에서 10분 동안 건조한다. 이어서, 전극을 라벨이 부착된 깨끗한 나사식 뚜껑이 있는 바이알(screw-cap vial)로 옮긴다.

실시예 10: 페로센카르복스알데하이드를 사용한 페로센/PVA 아세탈의 제조

표 16을 참조하여, 폴리비닐 알코올 (2.0 gm, 4.55 × 10^-2 당량)을 실온에서 하룻밤 교반하여 1-메틸-2-피롤리디논 (NMP, 50 mL)에 용해시켰다. 이어서, 이러한 교반된 용액에 페로센카르복스알데하이드 (500 mg, 2.34 × 10^-3 mol)를 첨가하였다. 이어서, 진한 염산 (1.0 mL)을 첨가하고 생성된 용액을 실온에서 48시간 동안 교반하였다. NMP 용액을 격렬하게 교반되는 에틸 아세테이트 (250 mL)에 천천히 첨가하여 중합체를 침전시켰다. 첨가가 완료된 후에, 에틸 아세테이트를 중합체로부터 경사분리하고, 중합체를 후속하여 에틸 아세테이트 (각각 250 mL) 중에서 2회 교반하여 잔류 NMP 및 미결합 페로센카르복스알데하이드를 제거하였다. 중합체를 여과에 의해 단리하고, 에틸 아세테이트로 세척하고, 이어서 진공 하에서 건조하였다.

[표 16]

페로센/PVA 아세탈 화합물

실시예 11: 탄소 섬유 재료 상의 페로센/PVA 아세탈 하이드로젤 형성

제조된 탄소 섬유 디스크에 SEN-01-46b를 용액으로서 도포하고, 후속하여 건조하고 경화시켜 불용성으로 만든다.

대안적으로, SEN-01-46b 용액을 우선 순수한 PVA 용액과 혼합하여 페로센의 몰% 농도를 조정한다. 이어서, 조정된 SEN-01-46b 용액을 제조된 탄소 섬유 디스크에 도포한다. 이어서, 말레산 무수물, 말레산, 글루타르알데하이드, 다이아이소시아네이트, 다이비닐 에테르, 퍼요오데이트, 또는 임의의 제네릭 다이알데하이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 가교결합제를 용액에 첨가하여, 제조된 탄소 재료 상의 하이드로젤의 형성을 촉진한다.

Claims

분석물-무감응 재료-함유(analyte-insensitive material-containing; AIM-함유) 단량체, 및 i) 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트, 및 ii) N,N-다이메틸아크릴아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 추가적인 단량체를 포함하며, 대략 100:1 내지 대략 1000:1의 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트:AIM-함유 단량체의 제1 화학량론적 비를 포함하고, 대략 90:1:10, 85:1:15, 80:1:20, 900:1:100, 800:1:200, 및 0:1:100의 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트:AIM-함유 단량체:N,N-다이메틸아크릴아미드의 제2 화학량론적 비를 포함하는, 가교결합된 하이드로젤 재료.
제1항에 있어서, i) 메틸렌(비스)아크릴아미드, 및 ii) 폴리(에틸렌글리콜)다이아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교결합 단량체를 추가로 포함하며, 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트:AIM-함유 단량체:메틸렌(비스)아크릴아미드의 제3 화학량론적 비를 포함하거나, 또는 트라이에틸렌글리콜 메틸 에테르 메타크릴레이트:AIM-함유 단량체:폴리(에틸렌글리콜)다이아크릴레이트의 제4 화학량론적 비를 포함하고, 상기 제3 또는 제4 화학량론적 비 중 어느 하나는 대략 1000:1:5 내지 대략 1000:1:20, 또는 대략 1000:10:5 내지 대략 1000:10:20인, 가교결합된 하이드로젤 재료.
제1항에 있어서, AIM-함유 단량체의 분석물-무감응 재료(AIM)가 페로센이고, 제1, 제2, 제3 및 제4 화학량론적 비는 대략 0.1 몰% 내지 대략 1.0 몰%의 하이드로젤 중의 페로센의 몰%에 상응하는 것인, 가교결합된 하이드로젤 재료.
제1항에 있어서, AIM-함유 단량체의 분석물-무감응 재료(AIM)가 페로센인, 가교결합된 하이드로젤 재료.