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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-28
(54)【発明の名称】グラフェンベースの化学センサの非共有結合性修飾
(51)【国際特許分類】
G01N 27/22 20060101AFI20221021BHJP
G01N 33/497 20060101ALI20221021BHJP
H01L 29/16 20060101ALI20221021BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20221021BHJP
【ＦＩ】
G01N27/22 A
G01N33/497 Z
H01L29/16
H01L29/93
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022511117
(86)(22)【出願日】2020-08-18
(85)【翻訳文提出日】2022-04-15
(86)【国際出願番号】 US2020046829
(87)【国際公開番号】W WO2021034844
(87)【国際公開日】2021-02-25
(31)【優先権主張番号】62/889,387
(32)【優先日】2019-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】506192652
【氏名又は名称】ボストン サイエンティフィック サイムド，インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＢＯＳＴＯＮ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＳＣＩＭＥＤ，ＩＮＣ．
(71)【出願人】
【識別番号】513112245
【氏名又は名称】リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミネソタ
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＭＩＮＮＥＳＯＴＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ジェン、シュエ
(72)【発明者】
【氏名】ビュールマン、フィリップ ピエール ジョセフ
(72)【発明者】
【氏名】ケスター、スティーブン ジェイ．
【テーマコード（参考）】
2G045
2G060
【Ｆターム（参考）】
2G045AA25
2G045AA26
2G045CB22
2G045CB30
2G045FA34
2G045JA07
2G060AA01
2G060AB15
2G060AE19
2G060AF07
2G060AF10
2G060BA09
2G060BB08
2G060JA01
2G060KA01
(57)【要約】
本願の実施形態は、化学センサ、化学センサを含む機器及びシステム、並びに関連する方法に関する。一実施形態では、グラフェンバラクタを有する医療機器が含まれ、グラフェンバラクタは、グラフェン層と自己組織化単分子層とを備え、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置されている。自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含む。本願には他の実施形態も含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
グラフェンバラクタを含む医療機器であって、前記グラフェンバラクタは、グラフェン層と、
自己組織化単分子層とを備え、前記自己組織化単分子層は、前記自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通して前記グラフェン層の外面上に配置されており、
前記自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含む、医療機器。
【請求項2】
前記自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供する、請求項１及び３～７のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項3】
前記自己組織化単分子層は、表面積で５０％～１５０％のグラフェン上における被覆率を提供する、請求項１～２及び４～７のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項4】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ピラーレンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも５～１５の整数である、請求項１～３及び５～７のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項5】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ピラーレンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である、請求項１～４及び６～７のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項6】
前記自己組織化単分子層は、
又は
のいずれかを有する置換カリックスアレーンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも３～１５の整数である、請求項１～５及び７のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項7】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ペルアルキル化シクロデキストリンを含み、
各Ｚは、独立して、－Ｓ又は－Ｏを含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも５～１０の整数である、請求項１～６のいずれか一項に記載の医療機器。
【請求項8】
グラフェンの表面を修飾する方法であって、前記方法は、自己組織化単分子層を形成するステップと、
液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を用いて、前記自己組織化単分子層の表面被覆の程度を定量化するステップとを含み、
前記自己組織化単分子層は、前記自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置され、
前記自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含む、方法。
【請求項9】
少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含む、請求項８及び１０～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ピラーレンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも５～１５の整数である、請求項８～９及び１１～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ピラーレンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である、請求項８～１０及び１２～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記自己組織化単分子層は、
又は
のいずれかを有する置換カリックスアレーンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも３～１５の整数である、請求項８～１１及び１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記自己組織化単分子層は、
を有する置換ペルアルキル化シクロデキストリンを含み、
各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、
各Ｒ１は、独立して、Ｈ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、
各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、
ｎは少なくとも５～１０の整数である、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
分析物を検出する方法であって、患者からガス状サンプルを採取するステップと、
前記ガス状サンプルを１つ又は複数のグラフェンバラクタと接触させるステップとを含み、前記１つ又は複数のグラフェンバラクタの各々は、
グラフェン層と、
自己組織化単分子層とを備え、前記自己組織化単分子層は、前記自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通して前記グラフェン層の外面上に配置されており、
前記自己組織化単分子層は、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む、方法。
【請求項15】
前記ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合による前記１つ又は複数のグラフェンバラクタの電気特性における特異な応答を測定するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、２０２０年８月１８日に、すべての国を指定国とする出願人である米国法人ボストン サイエンティフィック サイムド，インコーポレイテッド、及びすべての国を指定国とする発明者である中国市民シュエ ジェン（Xue Zhen）の名義によるＰＣＴ国際特許出願として出願されている。本願はまた、すべての国を指定国とする出願人であるリージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミネソタ、すべての国を指定国とする発明者である米国市民フィリップ ピエール ジョセフ ビュールマン（Philippe Pierre Joseph Buhlmann）及び米国市民スティーブン ジェイ．ケスター（Steven J. Koester）の名義によるＰＣＴ国際特許出願としても出願されている。本願は、２０１９年８月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／８８９，３８７号に対する優先権を主張するものであり、この仮特許出願の内容は参照により余すところなく本明細書に援用される。
【0002】
分野
本明細書の実施形態は、化学センサ、化学センサを備えた機器及びシステム、並びに関連する方法に関する。より詳細には、本明細書の実施形態は、グラフェンの非共有結合性表面修飾に基づく化学センサに関する。
本明細書の実施形態は、化学センサ、化学センサを備えた機器及びシステム、並びに関連する方法に関する。より詳細には、本明細書の実施形態は、グラフェンの非共有結合性表面修飾に基づく化学センサに関する。
【背景技術】
【0003】
疾患の正確な検出により、臨床医は適切な治療的介入を行うことができる。疾患の早期発見は、より良好な治療結果をもたらす可能性がある。疾患は、組織サンプルの分析、様々な体液の分析、診断スキャン、遺伝子解析などを含む多くの異なる技術を用いて検出することができる。
【0004】
いくつかの病態は特有の化合物の産生を生じる。場合により、患者のガス状サンプル中に放出された揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が特定の疾患の特徴になることがある。これらの化合物の検出又はその分別検知は、特定の病態の早期発見を可能にすることができる。
【発明の概要】
【0005】
第１の態様では、グラフェンバラクタを有する医療機器が含まれ、グラフェンバラクタは、グラフェン層と自己組織化単分子層とを備え、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置されている。自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のピラーレン（pillarene）、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含むことができる。
【0006】
第２の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供する。
【0007】
第３の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する。
【0008】
第４の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、表面積で５０％～１５０％のグラフェン上における被覆率を提供する。
【0009】
第５の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、医療機器上においてアレイに構成された複数のグラフェンバラクタが含まれ得る。
【0010】
第６の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、式：
【0011】
の置換ピラーレンを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
【0012】
第７の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、Ｒ０置換基のうちの少なくともいくつかは他のＲ０置換基と異なる。
【0013】
第８の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、式：
【0014】
の置換ピラーレンを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
【0015】
第９の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、
【0016】
【0017】
又は
【0018】
のうちのいずれかを有し得る置換カリックスアレーンを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも３～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも３～１５の整数である。
【0019】
第１０の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、式：
【0020】
の置換ペルアルキル化シクロデキストリンを含むことができ、
式中、各Ｚは、独立して、－Ｓ又は－Ｏを含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１０の整数である。
式中、各Ｚは、独立して、－Ｓ又は－Ｏを含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１０の整数である。
【0021】
第１１の態様では、グラフェンの表面を修飾する方法が提供される。その方法は、自己組織化単分子層を形成するステップを含むことができ、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置される。自己組織化単分子層は、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含むことができる。その方法は、液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を用いて、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を定量化するステップを含むことができる。
【0022】
第１２の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、前記方法は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含むことができる。
【0023】
第１３の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、前記方法は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含むことができる。
【0024】
第１４の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、本明細書の方法における使用に適した自己組織化単分子層は、式：
【0025】
の置換ピラーレンを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
【0026】
第１５の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、式：
【0027】
の置換ピラーレンを含み、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。
【0028】
第１６の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、
【0029】
【0030】
又は
【0031】
のうちのいずれかを有し得る置換カリックスアレーンを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも３～１５の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも３～１５の整数である。
【0032】
第１７の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、自己組織化単分子層は、
【0033】
を有し得る置換ペルアルキル化シクロデキストリンを含み、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１０の整数である。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、各Ｒ１は、独立して、Ｈ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができ、各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができ、ｎは少なくとも５～１０の整数である。
【0034】
第１８の態様では、分析物を検出する方法が含まれている。その方法は、患者からガス状サンプルを採取するステップと、ガス状サンプルを１つ又は複数のグラフェンバラクタと接触させるステップとを含むことができる。１つ又は複数のグラフェンバラクタの各々は、グラフェン層と自己組織化単分子層とを備えることができ、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置されている。自己組織化単分子層は、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも１つを含むことができる。
【0035】
第１９の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、前記方法は、ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合による１つ又は複数のグラフェンバラクタの電気特性における特異な応答を測定するステップをさらに含むことができる。
【0036】
第２０の態様において、前の態様若しくは以下の態様の１つ若しくは複数に加えて、又はいくつかの態様の代替として、電気特性はキャパシタンス又は抵抗からなる群から選択され得る。
【0037】
本概要は、本願の教示の一部の概説であり、本主題を排他的又は網羅的に取り扱うことを意図するものではない。さらなる詳細事項は、詳細な説明及び添付する特許請求の範囲に見い出される。他の態様は、以下の詳細な説明を読んで理解し、その一部をなす図面を見ることにより、当業者に明らかとなるであろう。それらの詳細な説明及び図面の各々は限定的な意味で解釈されるべきではない。本願の範囲は添付する特許請求の範囲及びそれらの法的均等物によって定められる。
【0038】
態様は、以下の図に関連してより完全に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本明細書の様々な実施形態によるグラフェンバラクタの概略斜視図。
【図2】本明細書の様々な実施形態によるグラフェンバラクタの一部の概略断面図。
【図3】本明細書の様々な実施形態による化学センサ素子の概略平面図。
【図4】本明細書の様々な実施形態による測定ゾーンの一部の概略図。
【図5】本明細書の様々な実施形態によるパッシブセンサ回路及び読取り回路の一部の回路図。
【図6】本明細書の様々な実施形態によるガス状分析物を検知するシステムの概略図。
【図7】本明細書の様々な実施形態によるガス状分析物を検知するシステムの概略図。
【図8】本明細書の様々な実施形態による化学センサ素子の一部の概略断面図。
【図9】本明細書の様々な実施形態による濃度の関数としての相対的表面被覆率の代表的なプロット。
【図11】本明細書の様々な実施形態による濃度の関数としての相対的表面被覆率の代表的なプロット。
【発明を実施するための形態】
【0040】
実施形態は様々な変更及び代替形態が可能であるが、それらの詳細は、例及び図面によって示されており、詳細に説明されるであろう。しかしながら、本明細書の範囲は、記載される特定の態様に限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ、その意図は、本明細書の趣旨及び範囲内にある変更物、均等物、及び代替物を網羅することにある。
【0041】
本明細書の実施形態は、化学センサ、化学センサを含む医療機器及びシステム、並びに患者の息などの、しかしこれに限定されるものではないガス状サンプル中の化合物を検出するための関連する方法に関する。いくつかの実施形態において、本明細書の化学センサは、様々な表面レセプタによるグラフェンの非共有結合性表面修飾に基づくことができ、そのような表面レセプタには、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類が含まれる。本明細書に使用される場合、「ピラーレン」という用語は、「ピラーアレーン（pillararene）」という用語と言い換え可能に使用され得る。
【0042】
グラフェンは、六方格子の炭素原子の単一層を含有する炭素の形態である。グラフェンは、緊密に充填されたｓｐ２混成軌道により高い強度と安定性を有しており、各炭素原子は、その近隣の３つの炭素原子とそれぞれ１つのシグマ（σ）結合を形成し、六角形の平面から突き出る１つのｐ軌道を有する。六方格子のｐ軌道は、他の分子とのπ－πスタッキング相互作用を含む非共有結合性静電相互作用に適したグラフェンの表面上におけるπバンドを形成するように混成することができる。
【0043】
ピラーレンは、メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによってそれぞれが接続された５～１５個の修飾されたヒドロキノンサブユニットを有する複素環式大環状分子の群である。ピラーレンの基本コア構造は下記の通りである。
【0044】
ピラーレンのヒドロキノンサブユニットは、中央空洞を画定する対称な柱（ピラー）状構造を形成する。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、ピラーレンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。
【0045】
カリックスアレーンは、フェノールなどの化合物から誘導された３～１５個の芳香族成分を有する複素環式大環状分子の群であり、各成分が置換又は非置換メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによって接続されている。カリックスアレーンの１つの例示的な構造は下記の通りである。
【0046】
カリックスアレーンのサブユニットは、中央空洞を画定するカップ状の形状を形成することができる。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、カリックスアレーンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。
【0047】
シクロデキストリンは、１，４グリコシド結合によって結合された５～１０個のグルコースサブユニットを有する環状オリゴ糖の群であり、これは、α－ペルアルキル化シクロデキストリン、β－ペルアルキル化シクロデキストリン、及びγ－ペルアルキル化シクロデキストリン、並びにこれらの誘導体を含む。ペルアルキル化シクロデキストリンの基本コア構造は下記の通りである。
【0048】
シクロデキストリンのグルコースサブユニットは、その環境に露出する１つの大開口部と１つの小開口部とを有したトロイド構造を形成することができる。シクロデキストリンのトロイド構造によって画定される内部空洞により、シクロデキストリンは、ホスト－ゲスト化学に用いるための他の分子と錯体を形成することができる。
【0049】
いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、ホスト－ゲスト化学は、２つ以上の分子によって形成することができ、それらの２つ以上の分子が共有結合以外の分子間力によって結び付いている１つ又は複数の錯体を説明すると考えられる。ピラーレン、カリックスアレーン及びシクロデキストリンは、電子に富んだ芳香環及び芳香環に結合した１つ又は複数のアルキルオキシ基に起因する非共有結合性π－πスタッキング相互作用又は非共有結合性－ＣＨ－πスタッキング相互作用を通して、グラフェン上に官能化され得る。
【0050】
いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、炭化水素基（例えばアルキル鎖）内の水素原子は、静電相互作用を通してグラフェンの表面上のπ電子系と相互作用することができると考えられる。水素原子は電気陰性度が低く、従って、これらの水素原子は部分正電荷を帯びている。アルキル鎖の水素原子上の部分正電荷は、グラフェンの表面におけるπバンドのπ電子系との静電相互作用に関与することができる。アルキル鎖は、炭素原子がグラフェン表面に対して垂直又は平行のいずれかである１つの平面内に入るように、炭素－炭素骨格に沿って全トランス構造でグラフェン表面上に吸着することができる。
【0051】
例として、グラフェンの表面に沿ってその炭素－炭素骨格の垂直配向を有するアルキル鎖のトランス構造は、アルキル鎖の１つ置きの－ＣＨ２－基がグラフェンの方に向いたその水素原子を有する構成を生じる。そのため、アルキル鎖は、１つ置きの－ＣＨ２－基の－ＣＨ２－水素がグラフェン表面からの同一の距離に配置され、水素－グラフェン相互作用が最大化されるように、アルキル鎖自体をグラフェン表面に対して配向させることができる。従って、アルキル鎖は、アルキル鎖の長さに沿ってグラフェンの表面と相互作用することができる。また、アルケニル鎖及びアルキニル鎖、並びにこれらの誘導体の水素原子も同様にグラフェン表面と相互作用することができると考えられる。
【0052】
例えば炭化水素基で置換されたピラーレン、カリックスアレーン、又はペルアルキル化シクロデキストリンを含むレセプタ分子の自己組織化単分子層によるグラフェンの非共有結合性の機能化は、グラフェンの原子構造に大きな影響を与えず、多数の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）に対して十億分率（ｐｐｂ）又は百万分率（ｐｐｍ）レベルの高い感度を有する安定したグラフェンベースのセンサを提供する。そのため、本明細書の実施形態は、ＶＯＣ及び／又はそれの特異な結合パターンを検出するために用いることができ、これはひいては病態を識別するために利用され得る。
【0053】
ここで図１を参照すると、本明細書の実施形態によるグラフェンベースのバリアブルキャパシタ（即ちグラフェンバラクタ）１００の概略図が示されている。グラフェンバラクタは、様々な方法により様々な幾何学的形状で製作することができ、図１に示すグラフェンバラクタは、本明細書の実施形態による一例にすぎないことが理解されよう。
【0054】
グラフェンバラクタ１００は、絶縁体層１０２、ゲート電極１０４（又は「ゲートコンタクト」）、誘電体層（図１では図示せず）、グラフェン層１０８ａ，１０８ｂなどの１つ又は複数のグラフェン層、及びコンタクト電極１１０（又は「グラフェンコンタクト」）を含むことができる。いくつかの実施形態では、グラフェン層１０８ａ～１０８ｂは連続的であり得るが、他の実施形態では、グラフェン層１０８ａ～１０８ｂは不連続であり得る。ゲート電極１０４は、絶縁体層１０２に形成された１つ又は複数の凹部内に堆積させることができる。絶縁体層１０２は、シリコン基板（ウェハ）上などに形成される二酸化シリコンなどの絶縁材料から形成することができる。ゲート電極１０４は、クロム、銅、金、銀、ニッケル、タングステン、アルミニウム、チタン、パラジウム、プラチナ、イリジウム及びこれらの任意の組み合わせ又は合金などの導電性材料によって形成することができ、これらの材料は、絶縁体層１０２の最上部に堆積させるか、又は絶縁体層１０２内に埋設することができる。誘電体層は、絶縁体層１０２の表面及びゲート電極１０４の上に配置することができる。グラフェン層１０８ａ～１０８ｂは誘電体層上に配置することができる。誘電体層については、図２を参照してより詳細に後述する。
【0055】
グラフェンバラクタ１００は８個のゲート電極フィンガー１０６ａ～１０６ｈを含む。グラフェンバラクタ１００は８個のゲート電極フィンガー１０６ａ～１０６ｈを示しているが、任意の数のゲート電極フィンガー構成が想定され得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、個々のグラフェンバラクタは８個未満のゲート電極フィンガーを含むことができる。いくつかの実施形態では、個々のグラフェンバラクタは８個を超えるゲート電極フィンガーを含むことができる。他の実施形態では、個々のグラフェンバラクタは２個のゲート電極フィンガーを含むことができる。いくつかの実施形態では、個々のグラフェンバラクタは１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又はそれより多くのゲート電極フィンガーを含むことができる。
【0056】
グラフェンバラクタ１００は、グラフェン層１０８ａ，１０８ｂの一部の上に配置された１つ又は複数のコンタクト電極１１０を含むことができる。コンタクト電極１１０は、クロム、銅、金、銀、ニッケル、タングステン、アルミニウム、チタン、パラジウム、プラチナ、イリジウム及びこれらの任意の組み合わせ又は合金などの導電性材料から形成することができる。例示的なグラフェンバラクタのさらなる態様は、米国特許第９，５１３，２４４号に見い出すことができ、その内容は参照により余すところなく本明細書に援用される。
【0057】
本明細書に記載されるグラフェンバラクタは、単一のグラフェン層が、グラフェンと炭化水素基で置換された分子との間の非共有結合性相互作用を通して表面修飾されているものを含むことができる。いくつかの実施形態では、単一のグラフェン層の表面は、グラフェンと、多数のピラーレン、置換ピラーレン又はこれらの誘導体のうちのいずれか１つとの間の非共有結合性静電相互作用を通して表面修飾され得る。いくつかの実施形態では、単一のグラフェン層の表面は、グラフェンと、多数のカリックスアレーン、置換カリックスアレーン又はこれらの誘導体のうちのいずれか１つとの間の非共有結合性静電相互作用を通して表面修飾され得る。いくつかの実施形態では、単一のグラフェン層の表面は、グラフェンと、多数のペルアルキル化シクロデキストリン若しくは置換ペルアルキル化シクロデキストリン、又はこれらの誘導体のうちのいずれか１つとの間の非共有結合性静電相互作用を通して表面修飾され得る。他の実施形態では、単一のグラフェン層の表面は、グラフェンと、多数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体のうちのいずれか１つとの間の非共有結合性π－πスタッキング相互作用を通して表面修飾され得る。本明細書における使用に適したグラフェンバラクタ、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類に関する詳細は、さらに十分に後述する。
【0058】
本明細書の様々な実施形態において、グラフェンは、例えばボロフェン又はグラフェンの他の構造類似体を含む別の同様の単一層構造材料と置き換え可能であることが理解されよう。ボロフェンは、様々な結晶形態で配されたボロン原子の単一層である。
【0059】
次に図２を参照すると、本明細書の様々な実施形態によるグラフェンバラクタの一部の概略断面図が示されている。グラフェンバラクタ２００は、絶縁体層１０２と、絶縁体層１０２に埋め込まれたゲート電極１０４とを含むことができる。ゲート電極１０４は、図１を参照して上述したように、絶縁体層１０２内の凹部に導電性材料を堆積させることによって形成することができる。誘電体層２０２は、絶縁体層１０２の表面及びゲート電極１０４の上に形成することができる。いくつかの例では、誘電体層２０２は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、又はケイ酸ジルコニウムなどの材料から形成され得る。
【0060】
グラフェンバラクタ２００は、誘電体層２０２の表面上に配置され得る単一のグラフェン層２０４を含むことができる。グラフェン層２０４は、自己組織化単分子層２０６によって表面修飾され得る。自己組織化単分子層２０６は、非共有結合性相互作用を通してグラフェン層２０４の外面上に配置されるピラーレン、置換ピラーレン又はこれらの誘導体の同種集団から形成され得る。いくつかの実施形態では、自己組織化単分子層２０６は、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン又はこれらの誘導体の同種集団から形成され得る。他の実施形態では、自己組織化単分子層２０６は、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン又はこれらの誘導体の同種集団から形成され得る。例示的なピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又は前記のいずれかの誘導体は、さらに十分に後述する。自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９０％の表面被覆率（面積による）を提供することができる。いくつかの実施形態において、自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９５％の表面被覆率を提供することができる。他の実施形態では、自己組織化単分子層２０６は、グラフェン層２０４の少なくとも９８％の表面被覆率を提供することができる。
【0061】
いくつかの実施形態において、自己組織化単分子層は、グラフェン層の少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、又は１００％の表面被覆率（面積による）を提供することができる。自己組織化単分子層は、一定の範囲内にある表面被覆率を提供することができ、前述のパーセンテージのいずれもその範囲の下限又は上限となり得るが、但し、範囲の下限はその範囲の上限未満とすることが理解されよう。
【0062】
いくつかの実施形態において、グラフェン層の表面上におけるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体の自己組織化は、多分子層などの複数の層への自己組織化を含み得ることが理解されよう。多分子層は、走査型トンネル顕微鏡検査法（ＳＴＭ）及び他の走査型プローブ顕微鏡法などの技術によって検出し、定量化することができる。本明細書において１００％を超える被覆率のパーセンテージへの言及は、表面積の一部が複数の層によって被覆される状況、例えば、使用される化合物の２層、３層、又は潜在的にそれより多くの層によって被覆される状況を指すものとする。従って、本明細書における１０５％の被覆率への言及は、表面積の約５％がグラフェン層上における複数の層の被覆範囲を含むことを示すものとする。いくつかの実施形態では、グラフェン表面は、グラフェン層の１０１％、１０２％、１０３％、１０４％、１０５％、１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、１５０％、又は１７５％の表面被覆率を含むことができる。グラフェン層の多分子層表面被覆率は、表面被覆率の一定の範囲内にあり得、前述のパーセンテージのいずれもその範囲の下限又は上限となり得るが、但し、範囲の下限はその範囲の上限未満とすることが理解されよう。例えば、被覆率の範囲は、表面積で５０％～１５０％、表面積で８０％～１２０％、表面積で９０％～１１０％又は９９％～１２０％を含み得るが、これらに限定されるものではない。
【0063】
いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくともある最小閾値のラングミュアシータ値によって定量化される単分子層によるグラフェン表面の被覆率を提供することができるが、グラフェンの表面の大部分を単分子層よりも厚い多分子層で被覆することを回避することができる。ラングミュア吸着理論を用いた特定の自己組織化単分子層のラングミュアシータ値及びその特定についての詳細は、さらに十分に後述する。いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を提供する。いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する。いくつかの実施形態において、自己組織化単分子層は、少なくとも０．８５、０．８６、０．８７、０．８８、０．８９、０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、０．９５、０．９６、０．９７、０．９８、０．９９、又は１．０のラングミュアシータ値を提供することができる。自己組織化単分子層は一定範囲のラングミュアシータ値を提供することができ、前述のラングミュアシータ値のいずれもその範囲の下限又は上限となり得るが、但し、範囲の下限はその範囲の上限未満とすることが理解されよう。
【0064】
次に図３を参照すると、本明細書の様々な実施形態による化学センサ素子３００の概略平面図が示されている。化学センサ素子３００は基板３０２を含むことができる。基板は多くの異なる材料から形成され得ることが理解されよう。例として、基板は、シリコン、ガラス、石英、サファイア、ポリマー、金属、ガラス類、セラミック、セルロース系材料、複合材、金属酸化物などから形成され得る。基板の厚さは様々であり得る。いくつかの実施形態において、基板は、基板上のコンポーネントを損傷し得る過度の撓みを生じることなく取り扱われるために十分な構造的完全性を有する。いくつかの実施形態において、基板は約０．０５ｍｍ～約５ｍｍの厚さを有する。基板の長さ及び幅もまた様々であり得る。いくつかの実施形態では、長さ（又は主軸線）は約０．２ｃｍ～約１０ｃｍであり得る。いくつかの実施形態では、長さ（又は主軸）は約２０μｍ～約１ｃｍであり得る。いくつかの実施形態では、幅（主軸線に垂直）は約０．２ｃｍ～約８ｃｍであり得る。いくつかの実施形態では、幅（主軸に垂直）は約２０μｍ～約０．８ｃｍであり得る。いくつかの実施形態では、グラフェンベースの化学センサは使い捨てであり得る。
【0065】
第１の測定ゾーン３０４は基板３０２上に配置され得る。いくつかの実施形態において、第１の測定ゾーン３０４は、第１のガス流路の一部を画定することができる。第１の測定ゾーン（又はガスサンプルゾーン）３０４は、息サンプルなどのガス状サンプル中の分析物を検知することができる複数の個別グラフェンベースバリアブルキャパシタ（即ちグラフェンバラクタ）を含むことができる。第１の測定ゾーン３０４とは分離した第２の測定ゾーン（又は環境サンプルゾーン）３０６も基板３０２上に配置され得る。第２の測定ゾーン３０６も複数の個別グラフェンバラクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の測定ゾーン３０６は第１の測定ゾーン３０４内にあるのと同じ（種類及び／又は数の）個別グラフェンバラクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の測定ゾーン３０６は、第１の測定ゾーン３０４内にある個別グラフェンバラクタの一部のみを含むことができる。操作において、分析されたガス状サンプルを反映し得る第１の測定ゾーンから収集されたデータは、環境中に存在する分析物を反映し得る第２の測定ゾーンから収集されたデータに基づいて、補正又は正規化され得る。
【0066】
いくつかの実施形態において、第３の測定ゾーン（ドリフト制御又はウィットネスゾーン）３０８も基板上に配置することができる。第３測定ゾーン３０８は複数の個別グラフェンバラクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、第３の測定ゾーン３０８は第１の測定ゾーン３０４内にあるのと同じ（種類及び／又は数の）個別グラフェンバラクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、第３の測定ゾーン３０８は、第１の測定ゾーン３０４内にある個別グラフェンバラクタの一部のみを含むことができる。いくつかの実施形態では、第３測定ゾーン３０８は、第１の測定ゾーン３０４及び第２の測定ゾーン３０６のものとは異なる個別グラフェンバラクタを含むことができる。第３の測定ゾーンの態様は、より詳細に後述する。
【0067】
第１の測定ゾーン、第２の測定ゾーン及び第３測定ゾーンは、同一の大きさであるか、又は異なる大きさであり得る。化学センサ素子３００はまた、参照データを記憶するコンポーネント３１０も含むことができる。参照データを記憶するコンポーネント３１０は、電子データ記憶装置、光学データ記憶装置、印刷データ記憶装置（例えば印刷コード）などであり得る。参照データは、第３の測定ゾーンに関するデータを含むことができるが、これに限定されるものではない（より詳細に後述する）。
【0068】
いくつかの実施形態では、本明細書において具体化される化学センサ素子は電気コンタクト（図示せず）を含むことができ、この電気コンタクトは、化学センサ素子３００上のコンポーネントに電力を提供するために使用することができ、且つ／又は測定ゾーンに関するデータ及び／若しくはコンポーネント３１０に記憶されたものからデータを読み出すために使用することができる。しかしながら、他の実施形態では、外部電気コンタクトが化学センサ素子３００上に存在しない。
【0069】
本明細書の化学センサ素子からデータ及び／又は信号を収集するために、ダイレクトコンタクト回路設計及びパッシブワイヤレスセンシング回路設計の双方を含む多くの異なる回路設計を使用できることが理解されよう。いくつかの例示的な測定回路は米国特許出願公開第２０１９／００２５２３７号に記載されており、その内容は参照により本願に援用される。
【0070】
本明細書で具体化される化学センサ素子は、パッシブワイヤレスセンシングに適合するものを含むことができることが理解されよう。パッシブセンサ回路５０２及び読取り回路５２２の一部の概略図を図５に示し、より詳細に後述する。パッシブワイヤレスセンシング構成では、グラフェンバラクタの１つの端子がインダクタの一方の端部と接触し、グラフェンバラクタの第２の端子がインダクタの第２の端子と接触するように、グラフェンバラクタをインダクタと統合することができる。いくつかの実施形態では、インダクタはグラフェンバラクタと同一の基板上に位置し得るが、他の実施形態では、インダクタはオフチップ位置に位置してもよい。
【0071】
次に図４を参照すると、本明細書の様々な実施形態による測定ゾーン４００の一部の概略図が示されている。複数の個別グラフェンバラクタ４０２は、測定ゾーン４００にアレイで配置することができる。いくつかの実施形態では、化学センサ素子は、測定ゾーン内においてアレイに構成された複数のグラフェンバラクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数のグラフェンバラクタは同一であり得るが、他の実施形態では、複数のグラフェンバラクタは互いに異なり得る。
【0072】
いくつかの実施形態において、個別グラフェンバラクタは、それらの個別グラフェンバラクタがすべて特定の分析物に対するその結合挙動の特異性に関して互いに異なるという点で異種であり得る。いくつかの実施形態において、いくつかの個別グラフェンバラクタは、検証の目的のために重複していてもよいが、そうでなければ他の個別グラフェンバラクタとは異種である。さらに、他の実施形態では、個別グラフェンバラクタは同種であり得る。図４の個別グラフェンバラクタ４０２は格子状に編成された四角として示されているが、個別グラフェンバラクタは多くの異なる形状（様々な多角形、円、楕円形、不規則形状などを含むが、これらに限定されるものではない）をとることができ、同様に個別グラフェンバラクタの群は多くの異なるパターン（星形パターン、ジグザグパターン、放射状パターン、記号パターンなどを含むが、これらに限定されるものではない）に配され得ることが理解されよう。
【0073】
いくつかの実施形態において、測定ゾーンの長さ４１２及び幅４１４にわたる特定の個別グラフェンバラクタ４０２の順序は、実質的にランダムであり得る。他の実施形態では、順序は特定のものであり得る。例えば、いくつかの実施形態において、測定ゾーンは、流入するガス流のより近くに位置する分子量がより高い分析物のための特定の個別グラフェンバラクタ４０２と比較して、分子量がより低い分析物のための特定の個別グラフェンバラクタ４０２が流入するガス流からより遠くに位置するように順序付けられ得る。従って、異なる分子量の化合物を分離する役割を果たし得るクロマトグラフィ効果を利用して、対応する個別グラフェンバラクタに対する化合物の最適な結合を提供することができる。
【0074】
特定の測定ゾーン内における個別グラフェンバラクタの数は、約１～約１００，０００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約１～約１０，０００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約１～約１，０００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約２～約５００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約１０～約５００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約５０～約５００個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約１～約２５０個であり得る。いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの数は約１～約５０個であり得る。
【0075】
本明細書における使用に適した個別グラフェンバラクタの各々は、１つ又は複数の電気回路の少なくとも一部を含むことができる。例として、いくつかの実施形態では、個別グラフェンバラクタの各々は、１つ又は複数のパッシブ電気回路を含むことができる。いくつかの実施形態では、グラフェンバラクタは、それらのグラフェンバラクタが電子回路上に直接集積されるように備えられ得る。いくつかの実施形態では、グラフェンバラクタは、それらのグラフェンバラクタが回路にウェハボンディングされるように備えられ得る。いくつかの実施形態では、グラフェンバラクタは、読取り集積回路（ＲＯＩＣ）などの集積された読取り電子部品を含むことができる。抵抗又はキャパシタンスを含む電気回路の電気特性は、ガスサンプルからの成分との特異的結合及び／又は非特異的結合などの結合により変化し得る。
【0076】
次に図５を参照すると、本明細書の様々な態様によるパッシブセンサ回路５０２と読取り回路５５２の一部との概略図が示されている。いくつかの実施形態において、パッシブセンサ回路５０２は、インダクタ５１０に接続された金属－酸化物－グラフェンバラクタ５０４（ここで、ＲＳは直列抵抗を表し、ＣＧはバラクタキャパシタを表す）を含むことができる。グラフェンバラクタは、様々な方法により様々な幾何学的形状で製作することができる。例として、いくつかの態様において、ゲート電極は、図１にゲート電極１０４として示したように、絶縁体層に埋め込まれ得る。ゲート電極は、絶縁体層に凹部をエッチングし、次に、その凹部に導電性材料を堆積させてゲート電極を形成することによって形成され得る。誘電体層は、絶縁体層の表面及びゲート電極の上に形成することができる。いくつかの例では、誘電体層は、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素などの金属酸化物、又はケイ酸ハフニウム若しくはケイ酸ジルコニウムなどの別の材料から形成され得る。表面修飾グラフェン層は誘電体層上に配置することができる。コンタクト電極もまた表面修飾グラフェン層の表面上に配置することができ、コンタクト電極１１０として図１にも示されている。
【0077】
例示的なグラフェンバラクタ構造のさらなる態様は、米国特許第９，５１３，２４４号に見い出すことができ、その内容は参照により余すところなく本明細書に援用される。
様々な実施形態において、グラフェンバラクタの一部であり、従ってパッシブセンサ回路などのセンサ回路の一部である機能化グラフェン層（例えば、分析物と結合するレセプタを含むように機能化されている）は、測定ゾーンの表面を覆って流れるガスサンプルに曝露される。パッシブセンサ回路５０２はまた、インダクタ５１０も含むことができる。いくつかの実施形態において、各パッシブセンサ回路５０２には単一のバラクタのみが含まれている。他の実施形態において、各パッシブセンサ回路５０２には複数のバラクタが例えば並列で含まれている。
様々な実施形態において、グラフェンバラクタの一部であり、従ってパッシブセンサ回路などのセンサ回路の一部である機能化グラフェン層（例えば、分析物と結合するレセプタを含むように機能化されている）は、測定ゾーンの表面を覆って流れるガスサンプルに曝露される。パッシブセンサ回路５０２はまた、インダクタ５１０も含むことができる。いくつかの実施形態において、各パッシブセンサ回路５０２には単一のバラクタのみが含まれている。他の実施形態において、各パッシブセンサ回路５０２には複数のバラクタが例えば並列で含まれている。
【0078】
パッシブセンサ回路５０２において、電気回路のキャパシタンスは、ガスサンプル中の分析物とグラフェンバラクタとが結合すると変化する。パッシブセンサ回路５０２はＬＲＣ共振器回路として機能することができ、ＬＲＣ共振器回路の共振周波数は、ガスサンプルからの成分と結合すると変化する。
【0079】
読取り回路５２２は、パッシブセンサ回路５０２の電気特性を検出するために使用することができる。例として、読取り回路５２２は、ＬＲＣ共振器回路の共振周波数及び／又は該共振周波数の変化を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態において、読取り回路５２２は、抵抗５２４及びインダクタンス５２６を有する読取りコイルを含むことができる。センサ側ＬＲＣ回路がその共振周波数にあるとき、周波数に対する読取り回路のインピーダンスの位相のプロットは極小（即ち位相ディップ周波数）を有する。検知は、共振周波数及び／又は位相ディップ周波数の値を変化させる分析物の結合に応答してバラクタのキャパシタンスが変化するときに生じ得る。
【0080】
次に図６を参照すると、本明細書の様々な実施形態によるガス状分析物を検知するシステムの概略図が示されている。システム６００はハウジング６１８を含むことができる。システム６００は、評価対象者が息サンプルを吹き込むことができるマウスピース６０２を備えることができる。ガス状の息サンプルは、流入導管６０４を通過し、評価サンプル（患者サンプル）注入ポート６０６を通過し得る。システム６００は対照サンプル（環境）注入ポート６０８も備え得る。システム６００は、使い捨てセンサ素子を入れることができるセンサ素子チャンバ６１０も備え得る。システム６００はまた、表示画面６１４、及びキーボードなどのユーザ入力装置６１６も備え得る。システムはまた、ガス流出ポート６１２を備えることもできる。システム６００はまた、評価サンプル注入ポート６０６及び対照サンプル注入ポート６０８のうちの１つ又は複数に関連するガス流と流体連通するフローセンサも備え得る。多くの異なる種類のフローセンサを使用できることが理解されよう。いくつかの実施形態において、空気の流れを測定するために熱線流速計を使用することができる。いくつかの実施形態において、システムは、評価サンプル注入ポート６０６及び対照サンプル注入ポート６０８のうちの１つ又は複数に関連するガス流と流体連通するＣＯ２センサを備えることができる。
【0081】
様々な実施形態において、システム６００はまた、他の機能的コンポーネントも備えることができる。例として、システム６００は、湿度制御モジュール６４０及び／又は温度制御モジュール６４２を備えることができる。湿度制御モジュールは評価サンプル注入ポート６０６及び対照サンプル注入ポート６０８のうちの１つ又は複数に関連するガス流と流体連通することができ、これは、システムによって得られる読み取り値に対する悪影響を防止するために、２つのストリームの相対湿度を実質的に同じにするように、ガス流ストリームの一方又は双方の湿度を調整するためである。温度制御モジュールは、評価サンプル注入ポート６０６及び対照サンプル注入ポート６０８の１つ又は複数に関連するガス流と流体連通することができ、これは、システムによって得られる読み取り値に対する悪影響を防止するために、２つのストリームの温度を実質的に同じにするように、ガス流ストリームの一方又は双方の温度を調整するためである。例として、対照サンプル注入ポートに流れ込む空気は、患者から来る空気の温度と一致するか、又はそれを超えるようにするために、摂氏３７度以上にされ得る。湿度制御モジュール及び温度制御モジュールは、注入ポートから上流にあるか、注入ポート内にあるか、又は注入ポートから下流のシステム６００のハウジング６１８内にあり得る。いくつかの実施形態において、湿度制御モジュール６４０と温度制御モジュール６４２とを一体化させることができる。
【0082】
いくつかの実施形態（図示せず）では、システム６００の対照サンプル注入ポート６０８をマウスピース６０２に接続することもできる。いくつかの実施形態において、マウスピース６０２は、患者が息を吸い込んでいるときには空気が対照サンプル注入ポート６０８からマウスピースへ流れるように、切替え空気流バルブを備えることができ、システムは、これにより周囲空気が適切な対照測定ゾーン（第２の測定ゾーンなど）にわたって流れるように構成される。次に、患者が息を吐き出すと、切替え空気流バルブは、患者からの息サンプルがマウスピース６０２から流入導管６０４を通って評価サンプル注入ポート６０６内へ流れ、そして使い捨てセンサ素子上の適切なサンプル（患者サンプル）測定ゾーン（第１の測定ゾーンなど）にわたって流れるように切り替わることができる。
【0083】
一実施形態において、化学センサ素子を製造する方法が含まれる。その方法は、１つ又は複数の測定ゾーンを基板上に堆積させるステップを含むことができる。その方法は、複数の個別グラフェンバラクタを基板上の測定ゾーン内に堆積させるステップをさらに含むことができる。その方法は、グラフェン層の表面をピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体で修飾して、非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に自己組織化単分子層を形成することにより、１つ又は複数の個別グラフェンバラクタを生成するステップを含むことができる。その方法は、液滴接触角測定法、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を用いて、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を定量化するステップを含むことができる。その方法は、さらに十分に後述するように、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含むことができる。いくつかの実施形態において、その方法は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含むことができる。その方法は、参照データを記憶するためのコンポーネントを基板上に堆積させるステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、測定ゾーンはすべて、基板の同じ面に配置することができる。他の実施形態では、測定ゾーンは、基板の異なる面に配置することができる。
【0084】
一実施形態において、１つ又は複数のガスサンプルをアッセイする方法が含まれる。その方法は、化学センサ素子を検知装置に挿入することを含むことができる。化学センサ素子は、基板と、複数の個別グラフェンバラクタを備えた第１の測定ゾーンとを含むことができる。第１の測定ゾーンは、第１のガス流路の一部を画定することができる。化学センサ素子は、第１の測定ゾーンとは分離した第２の測定ゾーンをさらに含むことができる。第２の測定ゾーンもまた複数の個別グラフェンバラクタを含むことができる。第２の測定ゾーンは、第１のガス流路の外側に配置することができる。
【0085】
前記方法は、第１のガス流路を辿るように検知装置に対象が空気を吹き込むことを促すステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、患者の肺胞から生じる空気は揮発性有機化合物などの分析のための化合物の含有量が最も多いと考えられるため、対象からの空気のＣＯ２含有量が監視され、ＣＯ２含有量の平坦域中に使い捨てセンサ素子によるサンプリングが行われる。いくつかの実施形態において、前記方法は、フローセンサを用いて、息サンプル及び対照（又は環境）空気サンプルの総質量流量を監視するステップを含むことができる。前記方法は、個別グラフェンバラクタから情報を得て個別グラフェンバラクタの分析物結合状態を特定するステップをさらに含むことができる。前記方法は、サンプリングの完了時に使い捨てセンサ素子を廃棄することをさらに含むことができる。
【0086】
次に図７を参照すると、本明細書の様々な実施形態によるガス状分析物を検知するシステム７００の概略図が示されている。この実施形態において、システムは手持ち式である。システム７００はハウジング７１８を備えることができる。システム７００は、評価対象者が息サンプルを吹き込むことができるマウスピース７０２を備えることができる。システム７００はまた、表示画面７１４と、キーボードなどのユーザ入力装置７１６とを備えることができる。システムはまた、ガス流出ポート７１２を備えることができる。システムは、図６に関して上述したものなどの様々な他のコンポーネントも備えることができる。
【0087】
いくつかの実施形態において、測定ゾーンのうちの１つは、使用前の保管及び取扱いの間における経年化及び変動条件への曝露（例えば、熱曝露、光曝露、分子酸素曝露、湿潤曝露、等）の結果として生じ得る化学センサ素子の変化（又はドリフト）を示すように構成され得る。いくつかの実施形態において、第３の測定ゾーンはこの目的のために構成され得る。
【0088】
次に図８を参照すると、本明細書の様々な実施形態による化学センサ素子８００の一部の概略断面図が示されている。化学センサ素子８００は、基板８０２と、測定ゾーンの一部である基板８０２上に配置された個別グラフェンバラクタ８０４とを含むことができる。任意選択で、いくつかの実施形態において、個別グラフェンバラクタ８０４は、窒素ガス又は不活性液体若しくは固体などの不活性材料８０６によって封じ込められ得る。このようにして、第３の測定ゾーンのための個別グラフェンバラクタ８０４は、ガスサンプルとの接触から遮蔽され、従って、特に、使い捨てセンサ素子の製造時と使用時との間に生じることがあるセンサドリフトを制御するための対照又は参照として使用され得る。いくつかの実施形態において、例えば不活性ガス又は液体を使用する場合などでは、個別結合検出器は、バリア層８０８も含むことができ、これは、ポリマー材料、箔などの層であり得る。場合によっては、バリア層８０８は、使用直前に除去することができる。
【0089】
一実施形態において、１つ又は複数の分析物を検出する方法が含まれる。その方法は、患者からガス状サンプルを採取するステップを含むことができる。いくつかの実施形態において、ガス状サンプルは呼気を含むことができる。他の実施形態では、ガス状サンプルは、カテーテル又は他の同様の取出し装置を通じて患者の肺から取り出された息を含むことができる。いくつかの実施形態において、取出し装置は、内視鏡、気管支鏡又は気管鏡を含むことができる。前記方法はまた、グラフェンバラクタをガス状サンプルと接触させるステップを含むことができ、グラフェンバラクタは、グラフェン層と、非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置された自己組織化単分子層とを備える。いくつかの実施形態において、自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。いくつかの実施形態において、前記方法は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含むことができる。ラングミュアシータ値については、さらに十分に後述する。いくつかの実施形態において、前記方法は、ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合によるグラフェンリアクタのキャパシタンスにおける特異な応答を測定するステップを含むことができ、これは、ひいては病態を識別するために用いることができる。いくつかの実施形態において、前記方法は、少なくとも１つのピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体のうちから選択される自己組織化単分子層を含むことができる。
【0090】
グラフェンバラクタ
本明細書に記載されるグラフェンバラクタは、例えば患者の息などのガス状サンプル中の１つ又は複数の分析物を検知するために使用することができる。本明細書で具体化されるグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中に見られる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）に対して百万分率（ｐｐｍ）若しくは十億分率（ｐｐｂ）レベル又はこれらに近いレベルの高い感度を示すことができる。グラフェンバラクタの表面上へのＶＯＣの吸着は、そのような機器の抵抗、キャパシタンス、又は量子キャパシタンスを変化させることができ、ＶＯＣ及び／又はＶＯＣによる結合のパターンを検出するために用いられることが可能であり、これは、ひいては癌、心臓病、感染症、多発性硬化症、アルツハイマー病、パーキンソン病などのような病態を識別するために利用することができる。グラフェンバラクタは、ガス混合物中の個々の分析物、並びに非常に複雑な混合物における応答パターンを検出するために使用することができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の同一の分析物を検出するために含まれ得る。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の異なる分析物を検出するために含まれ得る。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の複数の分析物を検出するために含まれ得る。
本明細書に記載されるグラフェンバラクタは、例えば患者の息などのガス状サンプル中の１つ又は複数の分析物を検知するために使用することができる。本明細書で具体化されるグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中に見られる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）に対して百万分率（ｐｐｍ）若しくは十億分率（ｐｐｂ）レベル又はこれらに近いレベルの高い感度を示すことができる。グラフェンバラクタの表面上へのＶＯＣの吸着は、そのような機器の抵抗、キャパシタンス、又は量子キャパシタンスを変化させることができ、ＶＯＣ及び／又はＶＯＣによる結合のパターンを検出するために用いられることが可能であり、これは、ひいては癌、心臓病、感染症、多発性硬化症、アルツハイマー病、パーキンソン病などのような病態を識別するために利用することができる。グラフェンバラクタは、ガス混合物中の個々の分析物、並びに非常に複雑な混合物における応答パターンを検出するために使用することができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の同一の分析物を検出するために含まれ得る。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の異なる分析物を検出するために含まれ得る。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のグラフェンバラクタは、ガス状サンプル中の複数の分析物を検出するために含まれ得る。
【0091】
例示的なグラフェンバラクタは、グラフェン層と、グラフェン層の外面上に配置された自己組織化単分子層とを備えることができ、自己組織化単分子層は、図２に関して図示して上述したように、非共有結合性相互作用を通してグラフェン層と相互作用する。本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を提供することができる。ラングミュア吸着理論を用いた特定の自己組織化単分子層のラングミュアシータ値の特定は、さらに十分に後述する。いくつかの実施形態では、本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９５のラングミュアシータ値を提供する。いくつかの実施形態では、本明細書における使用に適した自己組織化単分子層は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を提供する。
【0092】
本明細書に記載されるグラフェンバラクタは、単一のグラフェン層が、本明細書の他の箇所に記載されるように、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含む１つ又は複数のレセプタ分子との非共有結合性相互作用を通して表面修飾されているものを含むことができる。置換ピラーレン、置換カリックスアレーン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン又は置換ピレン類は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ヘテロアルキル基、ヘテロアルケニル基、ヘテロアルキニル基、ハロアルキル基、ハロアルケニル基、ハロアルキニル基、ハロゲン化ヘテロアルキル基、ハロゲン化ヘテロアルケニル基、ハロゲン化ヘテロアルキニル基、アリール基、置換アリール基、ヘテロアリール基、置換ヘテロアリール基、アリールオキシ基、置換アリールオキシ基、アリールチオ、置換アリールチオ基、アリールアミン基、置換アリールアミン基、ハロゲン化アリール基、置換ハロゲン化アリール基、ビフェニル基、及び／又は置換ビフェニル基を含むが、これらに限定されるものではない本明細書に記載される任意の数の官能基で置換され得る。
【0093】
本明細書で使用される場合、「アルキル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１～Ｃ２０アルキル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるアルキル基は、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８アルキル）を含有することができる。他の実施形態では、本明細書におけるアルキル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１０～Ｃ１６アルキル）を含有することができる。本明細書の記載するアルキル基は、別段の指示がない限り、一般式ＣｎＨ２ｎ＋１を有する。
【0094】
本明細書で使用される場合、「アルケニル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基を指し、ここで、アルケニル基は少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ１～Ｃ２０アルケニル）。いくつかの実施形態において、本明細書におけるアルケニル基は、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基を含有することができ、ここで、アルケニル基は少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ６～Ｃ１８アルケニル）。他の実施形態では、本明細書におけるアルケニル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基を含有することができ、ここで、アルケニル基は少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ１０～Ｃ１６アルケニル）。本明細書に記載されるアルケニル基は、別段の指示がない限り、一般式ＣｎＨ（２ｎ＋１－２ｘ）を有し、式中、ｘはアルケニル基中に存在する二重結合の数である。
【0095】
本明細書で使用される場合、「アルキニル」という用語は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合を含み、１～２０個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１～Ｃ２０アルキニル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合を含み、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８アルキニル）を含有することができる。他の実施形態では、本明細書におけるアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合を含み、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８アルキニル）を含有することができる。
【0096】
本明細書で使用される場合、「ヘテロアルキル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１～Ｃ２０ヘテロアルキル）を指す。いくつかの実施形態において、本願におけるヘテロアルキル基は、６～１８個の範囲の炭素原子と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８ヘテロアルキル）を含有することができる。他の実施形態では、本願におけるヘテロアルキル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１０～Ｃ１６ヘテロアルキル）を含有することができる。いくつかの実施形態において、本明細書におけるヘテロアルキル基は、一般式－ＲＺ、－ＲＺＲ、－ＺＲＺＲ、又は－ＲＺＲＺＲを有することができ、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではなく、Ｚは、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又は任意のこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子を含むことができる。
【0097】
いくつかの実施形態において、ヘテロアルキル基は、アルコキシ基、アルキルアミド基、アルキルチオエーテル基、アルキルエステル基、アルキルスルホナート基、アルキルホスファート基などを含むことができるが、これらに限定されるものではない。本明細書における使用に適したヘテロアルキル基の例としては、－ＲＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＲ、－ＲＯＲ、－ＲＳＲ、－ＲＣＨＯ、－ＲＸ、－ＲＣ（Ｏ）ＮＨ２、－ＲＣ（Ｏ）ＮＲ、ＲＮＨ３
＋、－ＲＮＨ２、－ＲＮＯ２、－ＲＮＨＲ、－ＲＮＲＲ、－ＲＢ（ＯＨ）２、－ＲＳＯ３
－、－ＲＰＯ４
２－、又はこれらの任意の組み合わせから選択されるものを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル（但し、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢを含むが、これらに限定されるものではない少なくとも１つのヘテロ原子が少なくとも１つのＲ基中に存在する）、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではなく、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔを含むハロゲンであり得る。
【0098】
本明細書で使用される場合、「ヘテロアルケニル」という用語は、１つ又は複数の炭素－炭素二重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、１～２０個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるヘテロアルケニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素二重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８ヘテロアルケニル）を含有することができる。他の実施形態では、本明細書におけるヘテロアルケニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素二重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１０～Ｃ１６ヘテロアルケニル）を含有することができる。いくつかの実施形態において、本明細書におけるヘテロアルケニル基は、一般式－ＲＺ、－ＲＺＲ、－ＺＲＺＲ、又は－ＲＺＲＺＲを有することができ、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル若しくはＣ１～Ｃ２０アルケニル（但し、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合が少なくとも１つのＲ基中に存在する）、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではなく、Ｚは、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又は任意のこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子を含むことができる。
【0099】
いくつかの実施形態において、ヘテロアルケニル基は、アルケノキシ基、アルケニルアミン、アルケニルチオエステル基、アルケニルエステル基、アルケニルスルホナート基、アルケニルホスファート基などを含むことができるが、これらに限定されるものではない。本明細書における使用に適したヘテロアルケニル基の例としては、－ＲＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＲ、－ＲＯＲ、－ＲＳＲ、－ＲＣＨＯ、－ＲＸ、－ＲＣ（Ｏ）ＮＨ２、－ＲＣ（Ｏ）ＮＲ、ＲＮＨ３
＋、－ＲＮＨ２、－ＲＮＯ２、－ＲＮＨＲ、－ＲＮＲＲ、－ＲＢ（ＯＨ）２、－ＲＳＯ３
－、－ＲＰＯ４
２－、又はこれらの任意の組み合わせから選択されるものを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル若しくはＣ１～Ｃ２０アルケニル（但し、少なくとも１つ又は複数の炭素－炭素二重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とが、少なくとも１つのＲ基中に存在する）、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではなく、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔを含むハロゲンであり得る。
【0100】
本明細書で使用される場合、「ヘテロアルキニル」という用語は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、１～２０個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるヘテロアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ６～Ｃ１８ヘテロアルキニル）を含有することができる。他の実施形態では、本明細書におけるヘテロアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とを含み、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状の炭化水素官能基（即ちＣ１０～Ｃ１６ヘテロアルキニル）を含有することができる。いくつかの実施形態において、本明細書におけるヘテロアルキニル基は、一般式－ＲＺ、－ＲＺＲ、－ＺＲＺＲ、又は－ＲＺＲＺＲを有することができ、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル若しくはＣ１～Ｃ２０アルキニル（但し、少なくとも１つの炭素－炭素三重結合が少なくとも１つのＲ基中に存在する）、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではなく、Ｚは、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又は任意のこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子を含むことができる。
【0101】
いくつかの実施形態において、ヘテロアルキニル基は、アルキニルオキシ基、アルキニルアミン、アルキニルチオエステル基、アルキニルエステル基、アルケニルスルホナート基、アルケニルホスファート基などを含むことができるが、これらに限定されるものではない。本明細書における使用に適したヘテロアルキニル基の例としては、－ＲＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＨ、－ＲＣ（Ｏ）ＯＲ、－ＲＯＲ、－ＲＳＲ、－ＲＣＨＯ、－ＲＸ、－ＲＣ（Ｏ）ＮＨ２、－ＲＣ（Ｏ）ＮＲ、ＲＮＨ３
＋、－ＲＮＨ２、－ＲＮＯ２、－ＲＮＨＲ、－ＲＮＲＲ、－ＲＢ（ＯＨ）２、－ＲＳＯ３
－、－ＲＰＯ４
２－、又はこれらの任意の組み合わせから選択されるものを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、式中、Ｒは、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル若しくはＣ１～Ｃ２０アルキニル（但し、少なくとも１つ又は複数の炭素－炭素三重結合と、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢ、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない１つ又は複数のヘテロ原子とが、少なくとも１つのＲ基中に存在する）、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではなく、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔを含むハロゲンであり得る。
【0102】
本明細書で使用される場合、「ハロアルキル」という用語は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基（即ちＣ１～Ｃ２０ハロアルキル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロアルキル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基（即ちＣ６～Ｃ１８ハロアルキル）を含有することができる。他の実施形態では、本明細書におけるハロアルキル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基（即ちＣ１０～Ｃ１６ハロアルキル）を含有することができる。いくつかの実施形態において、ハロアルキルは、水素原子の代わりに１つのみのハロゲン原子を含有するモノハロアルキルを含むことができる。他の実施形態では、ハロアルキルは、水素原子の代わりに２つ以上のハロゲン原子を含有するポリハロアルキルを含むことができ、但し、少なくとも１つの水素原子は残存する。さらに他の実施形態では、ハロアルキルは、対応するアルキルのすべての水素原子の代わりにハロゲン原子を含有するペルハロアルキルを含むことができる。
【0103】
本明細書で使用される場合、「ハロアルケニル」という用語は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルケニル基を指し、ここで、ハロアルケニル基は、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ１～Ｃ２０ハロアルケニル）。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロアルケニル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルケニル基を含有することができ、ここで、ハロアルケニル基は、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ６～Ｃ１８アルケニル）。他の実施形態では、本明細書におけるハロアルケニル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルケニル基を含有することができ、ここで、ハロアルケニル基は、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を含有する（即ちＣ１０～Ｃ１６ハロアルケニル）。
【0104】
本明細書で使用される場合、「ハロアルキニル」という用語は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキニル基を指し、ここで、ハロアルキニル基は少なくとも１つの炭素－炭素三重結合を含有する（即ちＣ１～Ｃ２０ハロアルキニル）。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロアルキニル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、６～１８個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキニル基を含有することができ、ここで、ハロアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合を含有する（即ちＣ６～Ｃ１８アルキニル）。他の実施形態では、本明細書におけるハロアルキニル基は、１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられており、１０～１６個の範囲の炭素原子を含有する任意の直鎖状、分岐状又は環状のアルキニル基を含有することができ、ここで、ハロアルキニル基は、１つ又は複数の炭素－炭素三重結合を含有する（即ちＣ１０～Ｃ１６ハロアルキニル）。
【0105】
本明細書で使用される場合、「ハロゲン化ヘテロアルキル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキル基（即ち、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルキル基は、６～１８個の範囲の炭素原子（即ちＣ６～Ｃ１８）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキル基（即ち、Ｃ６～Ｃ１８ハロゲン化ヘテロアルキル）を含むことができる。他の実施形態では、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルキル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子（即ちＣ１０～Ｃ１６）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキル基（即ち、Ｃ１０～Ｃ１６）ハロゲン化ヘテロアルキル）を含むことができる。
【0106】
本明細書で使用される場合、「ハロゲン化ヘテロアルケニル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルケニル基（即ち、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルケニル基は、６～１８個の範囲の炭素原子（即ちＣ６～Ｃ１８）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルケニル基（即ち、Ｃ６～Ｃ１８ハロゲン化ヘテロアルケニル）を含むことができる。他の実施形態では、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルケニル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子（即ちＣ１０～Ｃ１６）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルケニル基（即ち、Ｃ１０～Ｃ１６ハロゲン化ヘテロアルケニル）を含むことができる。
【0107】
本明細書で使用される場合、「ハロゲン化ヘテロアルキニル」という用語は、１～２０個の範囲の炭素原子（即ちＣ１～Ｃ２０）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキニル基（即ち、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル）を指す。いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルキニル基は、６～１８個の範囲の炭素原子（即ちＣ６～Ｃ１８）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキニル基（即ち、Ｃ６～Ｃ１８ハロゲン化ヘテロアルキニル）を含むことができる。他の実施形態では、本明細書におけるハロゲン化ヘテロアルキニル基は、１０～１６個の範囲の炭素原子（即ちＣ１０～Ｃ１６）を含有し、且つ１つ又は複数の水素原子がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載される任意のヘテロアルキニル基（即ち、Ｃ１０～Ｃ１６ハロゲン化ヘテロアルキニル）を含むことができる。
【0108】
本明細書の使用される場合、「アリール」という用語は、例えばシクロペンタジエン、ベンゼン、及びこれらの誘導体などのＣ５～Ｃ８員芳香環を含有する任意の芳香族炭化水素官能基を指す。提供した例に対応する芳香族ラジカルは、例えば、シクロペンタジエニルラジカル及びフェニルラジカル、並びにこれらの誘導体を含む。いくつかの実施形態において、本明細書におけるアリール官能基はさらに置換されて、置換アリール官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「置換アリール」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでそれ自体が置換され得る、Ｃ５～Ｃ８員芳香環を含有する任意の芳香族炭化水素官能基を指す。
【0109】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるアリール官能基は、１つ又は複数のヘテロ原子を含んで、ヘテロアリール官能基を形成することができる。本明細書における使用に適したヘテロ原子は、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＢを含むことができるが、これらに限定されるものではない。本明細書で使用される場合、「ヘテロアリール」という用語は、Ｃ５～Ｃ８員芳香環の１つ又は複数の炭素原子が１つ又は複数のヘテロ原子又はヘテロ原子の組み合わせで置き換えられている、本明細書で定義される任意のアリール官能基を指す。ヘテロアリール官能基の例としては、ピロール、チオフェン、フラン、イミダゾール、ピリジン及びピリミジンのラジカルを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。本明細書におけるヘテロアリール官能基はさらに置換されて、置換ヘテロアリール官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「置換ヘテロアリール」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでさらに置換された本明細書に記載される任意のヘテロアリール官能基を指す。
【0110】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるアリール官能基はさらに置換されて、アリールオキシ官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「アリールオキシ」という用語は、一般式Ａｒｙｌ－Ｏ－の官能基を含むことができ、ここで、アリール官能基はＣ５～Ｃ８員芳香環を含むことができる。いくつかの実施形態において、アリールオキシ基は、式Ｃ６Ｈ５Ｏ－のフェノキシ官能基を含むことができる。いくつかの実施形態において、アリールオキシ官能基はさらに置換され得る。本明細書で使用される場合、「置換アリールオキシ」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでさらに置換された、本明細書で定義される任意のアリールオキシ官能基を含むことができる。
【0111】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるアリール官能基はさらに置換されて、アリールチオ官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「アリールチオ」という用語は、一般式Ａｒｙｌ－Ｓ－の官能基を含むことができ、ここで、アリール官能基はＣ５～Ｃ８員芳香環を含むことができる。いくつかの実施形態において、アリールチオ官能基は、式Ｃ６Ｈ５Ｓ－のフェニルスルファニル官能基を含むことができる。いくつかの実施形態において、アリールチオ官能基はさらに置換され得る。本明細書で使用される場合、「置換アリールチオ」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでさらに置換された、本明細書で定義される任意のアリールチオ官能基を含むことができる。
【0112】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるアリール官能基はさらに置換されて、アリールアミン官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「アリールアミン」という用語は、一般式Ａｒｙｌ－ＮＨｎの官能基を含むことができ、ここで、アリール官能基はＣ５～Ｃ８員芳香環を含むことができ、ｎは０～３であり得るが、但し、ｎ＝０、１又は２である場合には、Ｎ原子において非Ｈ置換が存在し、これは、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができるが、これらに限定されるものではない。
【0113】
いくつかの実施形態において、アリールアミン官能基は、式Ｃ６Ｈ５Ｎのλ１－アザニルベンゼン官能基を含むことができる。いくつかの実施形態において、アリールアミン官能基はさらに置換され得る。本明細書で使用される場合、「置換アリールアミン」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでさらに置換された、本明細書で定義される任意のアリールアミン官能基を含むことができる。
【0114】
本明細書の使用される場合、「ハロゲン化アリール」という用語は、例えばシクロペンタジエン、ベンゼン及びこれらの誘導体などのＣ５～Ｃ８員芳香環を含有する任意の芳香族基、又は例えばシクロペンタジエニルラジカル及びフェニルラジカル並びにこれらの誘導体を含む提供した例に対応する芳香族ラジカルを含み、ここで、アリール基又は対応する芳香族ラジカルの１つ又は複数の水素原子が、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含むハロゲン原子によって置き換えられている本明細書に記載されるアリール基を指す。いくつかの実施形態において、ハロゲン化アリール基はクロロフェニル基を含むことができる。他の実施形態では、ハロゲン化アリール基はペルフルオロフェニル基を含むことができる。
【0115】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるハロゲン化アリール官能基はさらに置換されて、置換ハロゲン化アリール官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「置換ハロゲン化アリール」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基、ヘテロアルキニル官能基、ハロアルキル官能基、ハロアルケニル官能基、ハロアルキニル官能基、ハロゲン化ヘテロアルキル官能基、ハロゲン化ヘテロアルケニル官能基、ハロゲン化ヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでそれ自体が置換され得る本明細書に記載される任意のハロゲン化アリール基を指す。
【0116】
本明細書で使用される場合、「ビフェニル」という用語は、分子式（Ｃ６Ｈ５）２を有した芳香族炭化水素官能基を指し、ポルフィリン又はメタロポルフィリンに結合される場合、ポルフィリン又はメタロポルフィリン環構造に対する共有結合の部位において１つ少ない水素を有する。いくつかの実施形態において、ビフェニル官能基は置換されて、置換ビフェニル官能基を形成することができる。本明細書で使用される場合、「置換ビフェニル」という用語は、本明細書に記載される１つ又は複数のアルキル官能基、アルケニル官能基、アルキニル官能基、ヘテロアルキル官能基、ヘテロアルケニル官能基若しくはヘテロアルキニル官能基、又はこれらの任意の組み合わせでそれ自体が置換された本明細書に記載されるビフェニル官能基を指す。
【0117】
グラフェンの機能化のためのレセプタ分子
グラフェンの機能化に適したレセプタ分子は、本明細書に記載されるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類のいずれかを含むことができる。
グラフェンの機能化に適したレセプタ分子は、本明細書に記載されるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類のいずれかを含むことができる。
【0118】
ピラーレン
本明細書における使用に適したピラーレンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。ピラーレンは、メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによってそれぞれが接続された５～１５個の修飾されたヒドロキノンサブユニットを有する複素環式大環状分子の群である。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、ピラーレンのヒドロキノンサブユニットは、中央空洞を画定する対称な柱状構造を形成すると考えられる。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、ピラーレンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。ピラーレンは、１，４－二置換されたもの、１，２－二置換されたもの、又は１，５－二置換されたものを含む、ベンゼン環の様々な位置で置換されたものを含むことができる。ピラーレンの基本コア構造は以下の通りであり、
本明細書における使用に適したピラーレンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。ピラーレンは、メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによってそれぞれが接続された５～１５個の修飾されたヒドロキノンサブユニットを有する複素環式大環状分子の群である。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、ピラーレンのヒドロキノンサブユニットは、中央空洞を画定する対称な柱状構造を形成すると考えられる。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、ピラーレンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。ピラーレンは、１，４－二置換されたもの、１，２－二置換されたもの、又は１，５－二置換されたものを含む、ベンゼン環の様々な位置で置換されたものを含むことができる。ピラーレンの基本コア構造は以下の通りであり、
【0119】
式中、ｎは少なくとも５～１５の整数であり、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができる。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３
＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
【0120】
いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体又は任意の組み合わせを含むことができる。例えば－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。Ｒ０が－Ｒ１である実施形態では、Ｒ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘを独立して含むことができる。いくつかの実施形態において、Ｒ０置換基のうちの少なくともいくつかは他のＲ０置換基と異なる。他の実施形態では、Ｒ０置換基はすべて同一であり得る。
【0121】
いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適したピラーレンは、一般式：
【0122】
のものを含むことができ、
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
式中、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができ、ｘは少なくとも０～１５の整数であり、ｙは少なくとも０～１５の整数であり、ｎは少なくとも５～１５の整数である。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；＝Ｏ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
【0123】
いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。例えば－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。Ｒ０が－Ｒ１である実施形態では、Ｒ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘを独立して含むことができる。いくつかの実施形態において、Ｒ０置換基のうちの少なくともいくつかは他のＲ０置換基と異なる。他の実施形態では、Ｒ０置換基はすべて同一であり得る。
【0124】
様々な実施形態において、本明細書における使用に適したピラーレンは、ジメトキシピラー［５］アレーン又はジメトキシピラー［４］アレーン［１］キノンなどのピラーレンを含むことができる。いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適したピラーレンは、化学構造：
【0125】
のジメトキシピラー［５］アレーンを含む。
他の実施形態では、本明細書における使用に適したピラーレンは、化学構造：
他の実施形態では、本明細書における使用に適したピラーレンは、化学構造：
【0126】
のジメトキシピラー［４］アレーン［１］キノンを含む。
カリックスアレーン
カリックスアレーンは、フェノールなどの化合物から誘導された３～１５個の芳香族成分を有する複素環式大環状分子の群であり、各成分が置換又は非置換メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによって接続されている。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、カリックスアレーンのサブユニットは、中央空洞を画定するカップ状の形状を形成することができると考えられている。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、カリックスアレーンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。本明細書における使用に適したカリックスアレーンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。カリックスアレーンのいくつかの例示的な構造は、
カリックスアレーン
カリックスアレーンは、フェノールなどの化合物から誘導された３～１５個の芳香族成分を有する複素環式大環状分子の群であり、各成分が置換又は非置換メチレン（－ＣＨ２－）ブリッジによって接続されている。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、カリックスアレーンのサブユニットは、中央空洞を画定するカップ状の形状を形成することができると考えられている。中央空洞が化学センシングの目的の分析物を捕捉することができるため、カリックスアレーンはホスト－ゲスト化学に用いられる新たなクラスの大環状分子である。本明細書における使用に適したカリックスアレーンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。カリックスアレーンのいくつかの例示的な構造は、
【0127】
【0128】
及び
【0129】
を含み、式中、ｎは少なくとも３～１５の整数であり、各Ｒ０は、独立して、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を含むことができる。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；－ＯＨ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３
＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
【0130】
いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。例えば－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。Ｒ０が－Ｒ１である実施形態では、Ｒ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘを独立して含むことができる。いくつかの実施形態において、Ｒ０置換基のうちの少なくともいくつかは他のＲ０置換基と異なる。他の実施形態では、Ｒ０置換基はすべて同一であり得る。
【0131】
ペルアルキル化シクロデキストリン
様々なペルアルキル化シクロデキストリンは、本明細書に記載されるグラフェンの表面の修飾に使用するのに適し得る。本明細書における使用に適したペルアルキル化シクロデキストリンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。いくつかの実施形態において、ペルアルキル化シクロデキストリンは、α－シクロデキストリン、β－シクロデキストリン及びγ－シクロデキストリン、並びにこれらの誘導体を含み得るが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態において、ペルアルキル化シクロデキストリン及びこれらの誘導体は、式：
様々なペルアルキル化シクロデキストリンは、本明細書に記載されるグラフェンの表面の修飾に使用するのに適し得る。本明細書における使用に適したペルアルキル化シクロデキストリンは、置換されているもの又は非置換のものを含む。いくつかの実施形態において、ペルアルキル化シクロデキストリンは、α－シクロデキストリン、β－シクロデキストリン及びγ－シクロデキストリン、並びにこれらの誘導体を含み得るが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態において、ペルアルキル化シクロデキストリン及びこれらの誘導体は、式：
【0132】
を有するものを含み得るが、これらに限定されるものではなく、
式中、ｎは、５～１０の任意の整数又は６～８の任意の整数であり得、Ｚは－Ｓ又は－Ｏであり得る。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、又はアリールアミン；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。
式中、ｎは、５～１０の任意の整数又は６～８の任意の整数であり得、Ｚは－Ｓ又は－Ｏであり得る。各Ｒ１は、独立して、Ｈ；任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、又はアリールアミン；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。
【0133】
例えば－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。いくつかの実施形態において、１つ又は複数のヒドロキシル基又はアミノ基の存在は、シクロデキストリン分子とグラフェン層との間の水素結合に寄与することができる。様々な実施形態において、式中、ＺＲ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘで置き換えられ得る。
【0134】
いくつかの実施形態において、本明細書における使用に適したペルアルキル化シクロデキストリンは、化学構造：
【0135】
を有するヘプタキス（２，３，６－トリ－Ｏ－メチル）－β－シクロデキストリン（本明細書では「β－ＣＤＭｅ２１」）を含むことができる。
多環芳香族炭化水素
様々な多環芳香族炭化水素化合物が、本明細書に記載されるグラフェンの表面の修飾に使用するのに適し得る。本明細書における使用に適した多環芳香族炭化水素化合物は、置換されているもの又は非置換のものを含む。本明細書に記載されるように、多環芳香族炭化水素は、式：
多環芳香族炭化水素
様々な多環芳香族炭化水素化合物が、本明細書に記載されるグラフェンの表面の修飾に使用するのに適し得る。本明細書における使用に適した多環芳香族炭化水素化合物は、置換されているもの又は非置換のものを含む。本明細書に記載されるように、多環芳香族炭化水素は、式：
【0136】
によって表すことができ、
式中、ｎは少なくとも３～２０の整数であり、各Ｘは、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を独立して含むが、これらに限定されるものではない任意の置換基であり得る。各Ｒ１は、独立して、－Ｈ、－ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－ＯＲ２、－ＳＲ２、－ＣＨＯ、－Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－ＮＨ３ ＋、－ＮＨ２、－ＮＯ２、－ＮＨＲ２、－ＮＲ２Ｒ２、－Ｎ３、－Ｂ（ＯＨ）２、－ＯＰＯ（ＯＨ）２、－ＯＳＯ（ＯＨ）２、任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
式中、ｎは少なくとも３～２０の整数であり、各Ｘは、－Ｒ１、－ＯＲ１又は－ＳＲ１を独立して含むが、これらに限定されるものではない任意の置換基であり得る。各Ｒ１は、独立して、－Ｈ、－ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－ＯＲ２、－ＳＲ２、－ＣＨＯ、－Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－ＮＨ３ ＋、－ＮＨ２、－ＮＯ２、－ＮＨＲ２、－ＮＲ２Ｒ２、－Ｎ３、－Ｂ（ＯＨ）２、－ＯＰＯ（ＯＨ）２、－ＯＳＯ（ＯＨ）２、任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
【0137】
いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。例えば－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。Ｘが－Ｒ１である実施形態では、Ｒ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘを独立して含むことができる。
【0138】
いくつかの実施形態において、多環芳香族炭化水素は、式：
【0139】
によって表されるピレン類、置換ピレン類及びピレン誘導体を含むことができ、
式中、Ｘは、Ｒ１、－ＯＲ１又はＳＲ１を含むが、これらに限定されるものではない任意の置換基であり得る。各Ｒ１は、独立して、－Ｈ、－ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－ＯＲ２、－ＳＲ２、－ＣＨＯ、－Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－ＮＨ３ ＋、－ＮＨ２、－ＮＯ２、－ＮＨＲ２、－ＮＲ２Ｒ２、－Ｎ３、－Ｂ（ＯＨ）２、－ＯＰＯ（ＯＨ）２、－ＯＳＯ（ＯＨ）２、任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
式中、Ｘは、Ｒ１、－ＯＲ１又はＳＲ１を含むが、これらに限定されるものではない任意の置換基であり得る。各Ｒ１は、独立して、－Ｈ、－ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－ＯＲ２、－ＳＲ２、－ＣＨＯ、－Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－ＮＨ３ ＋、－ＮＨ２、－ＮＯ２、－ＮＨＲ２、－ＮＲ２Ｒ２、－Ｎ３、－Ｂ（ＯＨ）２、－ＯＰＯ（ＯＨ）２、－ＯＳＯ（ＯＨ）２、任意の直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル、又はこれらの任意の組み合わせ；アリール、ヘテロアリール、置換アリール、置換ヘテロアリールアリール、ハロゲン化アリール、置換ハロゲン化アリール、ベンジル若しくは置換ベンジル、ビフェニル若しくは置換ビフェニル、アリールオキシ、アリールチオ、アリールアミン、又はこれらの任意の置換体；－Ｒ２ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＲ２、－Ｒ２ＯＲ２、－Ｒ２ＳＲ２、－Ｒ２ＣＨＯ、－Ｒ２Ｘ（ここで、Ｘはハロゲン原子である）、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＨ２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＮＲ２、－Ｒ２ＮＨ３ ＋、－Ｒ２ＮＨ２、－Ｒ２ＮＯ２、－Ｒ２ＮＨＲ２、－Ｒ２ＮＲ２Ｒ２、－Ｒ２Ｎ３、－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２、－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２、又はこれらの任意の誘導体若しくは組み合わせを含むことができる。各Ｒ２は、独立して、任意の同一の若しくは異なる直鎖状、分岐状若しくは環状のＣ１～Ｃ２０アルキル、Ｃ１～Ｃ２０アルケニル、Ｃ１～Ｃ２０アルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ヘテロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルケニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロアルキニル、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルケニル基、Ｃ１～Ｃ２０ハロゲン化ヘテロアルキニル基、又はこれらの任意の置換体若しくは組み合わせを含むことができる。
【0140】
いくつかの実施形態において、各Ｒ１は、独立して、前述のもののいずれかの任意の置換体、任意の誘導体、又は任意の組み合わせを含むことができる。例えば－Ｒ２Ｂ（ＯＨ）２、－Ｒ２Ｃ（Ｏ）ＯＨ、－Ｒ２ＯＰＯ（ＯＨ）２及び－Ｒ２ＯＳＯ（ＯＨ）２などの酸性官能基が列挙される様々な実施形態では、対応するナトリウム塩、カリウム塩なども本明細書において想定されることが理解されるべきである。Ｘが－Ｒ１である実施形態では、Ｒ１は、ＸがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ又はＡｔのうちの少なくとも１つを含む任意のハロゲン原子であるような－Ｘを独立して含むことができる。
【0141】
いくつかの実施形態において、多環芳香族炭化水素は、式ｐｙｒｅｎｙｌ－（ＣＨ２）ｎ－ＳＯ３Ｘを有するものを含むことができ、式中、ｎは０～１０の数であり、Ｘは、Ｈ、又はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ若しくはＳｒを含むが、これらに限定されるものではない金属カチオンである。本願で使用される場合、「ピレニル（ｐｙｒｅｎｙｌ）」という用語はピレン基を指す。
【0142】
いくつかの実施形態において、多環芳香族炭化水素は、式：
【0143】
によって表される１－ピレンスルホン酸を含むことができる。
ラングミュア吸着理論
いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、ラングミュア吸着理論によれば、グラフェンの単分子層修飾は、
ラングミュア吸着理論
いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、ラングミュア吸着理論によれば、グラフェンの単分子層修飾は、
【0144】
に従って、自己組織化溶液のバルク中の吸着質の濃度を変更することによって制御することができると考えられ、
式中、θは表面被覆率であり、Ｃは自己組織化溶液のバルク中の吸着質の濃度であり、Ｋはグラフェンに対する吸着質の吸着の平衡定数である。実験的に、表面被覆率は、
式中、θは表面被覆率であり、Ｃは自己組織化溶液のバルク中の吸着質の濃度であり、Ｋはグラフェンに対する吸着質の吸着の平衡定数である。実験的に、表面被覆率は、
【0145】
に従って、未修飾のグラフェンと修飾されたグラフェンとの間における接触角の変化によって表わすことができ、
式中、Φ（ｉ）は自己組織化溶液の濃度の関数としての修飾グラフェンの接触角であり、Φ（ｂａｒｅ）は未修飾グラフェンの接触角であり、Φ（ｓａｔ．）はレセプタ分子の完全な単分子層で修飾されたグラフェン（即ち１００％の表面被覆率又はθ＝１．０）の接触角であり、ここで、レセプタ分子は、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン又は置換ペルアルキル化シクロデキストリン及びこれらの誘導体のうちの１つ又は複数を含むことができる。式（２）のθを式（１）に代入してΦ（ｉ）について解くと、式（３）が得られる。
式中、Φ（ｉ）は自己組織化溶液の濃度の関数としての修飾グラフェンの接触角であり、Φ（ｂａｒｅ）は未修飾グラフェンの接触角であり、Φ（ｓａｔ．）はレセプタ分子の完全な単分子層で修飾されたグラフェン（即ち１００％の表面被覆率又はθ＝１．０）の接触角であり、ここで、レセプタ分子は、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン又は置換ペルアルキル化シクロデキストリン及びこれらの誘導体のうちの１つ又は複数を含むことができる。式（２）のθを式（１）に代入してΦ（ｉ）について解くと、式（３）が得られる。
【0146】
従って、実験的に観察されたΦ（ｉ）値は、２つのフィッティングパラメータＫ及びΦ（ｓａｔ．）を用いて、自己組織化溶液中のレセプタ濃度の関数としてフィッティングすることができる。これらの２つのパラメータが特定されると、異なる自己組織化濃度での相対的表面被覆率を、Ｋを用いて式（１）から予測することができる。
【0147】
データをラングミュア吸着モデルでフィッティングして、表面吸着の平衡定数、及びグラフェン上で９０％以上の表面被覆率（すなわち、θ＞０．９）を有する稠密な単分子層を形成するために必要とされる自己組織化溶液の濃度を特定することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも９０％以上の表面被覆率が望ましい。いくつかの実施形態では、少なくとも９５％以上の表面被覆率が望ましい。いくつかの実施形態では、少なくとも９８％以上の表面被覆率が望ましい。
【0148】
グラフェンに対する置換ピラーアレーンの吸着についての代表的なラングミュア吸着等温線を図９に示し、以下の実施例１～３においてより十分に説明する。データは、ＸＰＳ測定によって特定されるグラフェンに対するジメトキシピラー［５］アレーン（本明細書では「ＤＭピラー［５］アレーン」）の吸着について、相対的単分子層被覆率（点）をラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）と共に示している。自己組織化溶液中のＤＭピラー［５］アレーン濃度の対数の関数としてのグラフェンに対するＤＭピラー［５］アレーンの吸着の相対的表面被覆率は図１０に示す。
【0149】
上記の例において、ラングミュアモデルは、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて得られた未修飾グラフェン及び修飾グラフェンの表面の元素組成からＫを特定するために用いられる。ＸＰＳデータを用いる代わりに、赤外分光法若しくはラマン分光法又は液滴接触角測定法によって得られたデータも用いることができる。
【0150】
Ｘ線光電子分光法
Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、材料の表面の元素組成を定量的に測定できる高感度の分光技術である。ＸＰＳのプロセスは、真空下におけるＸ線による表面の照射を伴い、それとともに物質の最上部の０～１０ｎｍ以内における運動エネルギー及び電子の放出を測定する。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、グラフェンの表面上に形成された自己組織化単分子層の存在を確認するためにＸＰＳを用いることができると考えられる。
Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、材料の表面の元素組成を定量的に測定できる高感度の分光技術である。ＸＰＳのプロセスは、真空下におけるＸ線による表面の照射を伴い、それとともに物質の最上部の０～１０ｎｍ以内における運動エネルギー及び電子の放出を測定する。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、グラフェンの表面上に形成された自己組織化単分子層の存在を確認するためにＸＰＳを用いることができると考えられる。
【0151】
単分子層、グラフェン及びその下の基板を構成する原子の種類の表面濃度（ＸＰＳから特定される）は、単分子層のラングミュアシータ値、即ち換言すれば、グラフェン上の単分子層分子の表面密度に依存する。例えば、銅基板上における所与のシクロデキストリンの単分子層についての炭素、酸素及び銅の表面濃度（即ち、ＸＰＳから特定されるＣ％、Ｏ％及びＣｕ％）は、自己組織化溶液中におけるそのシクロデキストリンの濃度に依存する。Ｃ％、Ｏ％又はＣｕ％のデータを別々にフィッティングすると、実験誤差により、表面吸着の平衡定数（Κ）の僅かに異なる値が得られるであろう。しかしながら、Ｃ％、Ｏ％又はＣｕ％のデータは同一の平衡を特徴付けるため、Κの真の値は１つのみである。従って、ＸＰＳデータは、Ｃ％、Ｏ％及びＣｕ％のデータについて別々にフィッティングされるだけでなく、１つの結合されたデータセットとしてもフィッティングされ得る。単分子層、グラフェン及びその下の基板を構成する数種類の原子についての結合データのフィッティングにより、Ｋの真の値のより正確な推定が得られる。この目的のために、下記の式を用いることができ、ここで、各データポイントは、（ｉ）指数、（ｉｉ）自己組織化溶液の濃度、及び（ｉｉｉ）ＸＰＳによって特定される炭素、酸素又は銅の濃度を含むベクトルからなる。
【0152】
指数１はＣ％データに対して使用し、指数２はＯ％データに対して使用し、指数３はＣｕ％データに対して使用した。０の入力に対するクロネッカーのデルタ（Kronecker delta）の出力は１であり、任意の他の入力に対するそれは０である。このフィッティング手順により、炭素、酸素及び銅の最大表面濃度（即ち、それぞれＣ％（ｓａｔ．）、Ｏ％（ｓａｔ．）及びＣｕ％（ｓａｔ．））が、３つの吸着等温線すべてに関するΚの単一値と共に、１ステップで得られる。
【0153】
上記の例において、Ｋ値は、３つの吸着等温線、即ち、３種類の原子の表面濃度からフィッティングされる。同じ種類のフィッティングは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより多くの異なる種類の原子の吸着等温線についても実施され得る。
【0154】
ＸＰＳデータのフィッティングによって特定される平衡定数Ｋは、ラングミュア吸着モデルにおいて、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン及びそれらの誘導体などのグラフェン上で単分子層を形成する様々な分子で修飾されたグラフェン表面についてのθ値を特定するために使用することができる。ジメトキシピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの吸着についての代表的なラングミュア吸着等温線を図９に示し、実施例１～３においてより詳細に説明する。
【0155】
液滴接触角測定法
液滴接触角測定法は、液体による固体表面の濡れ性を特定するために用いることができる。濡れ性又は濡れは、液体と固体表面との間の接触領域における分子間力に起因し得る。濡れの程度は、液体と固体表面との間の接触領域と、液気界面に対する接線との間に形成される接触角Φの値によって表され得る。固体表面が親水性であり、試験液として水が使用される（つまり濡れ性が高い）場合、Φの値は０～９０度の範囲内にあり得る。固体表面が中程度に親水性から疎水性である（つまり濡れ性が中程度である）場合、水を試験液としたΦの値は８５～１０５度の範囲内にあり得る。固体表面が非常に疎水性である（つまり濡れ性が低い）場合、水を試験液として用いたΦの値は９０～１８０度の範囲内にあり得る。従って、接触角の変化は、基板の界面化学の変化を反映することができる。
液滴接触角測定法は、液体による固体表面の濡れ性を特定するために用いることができる。濡れ性又は濡れは、液体と固体表面との間の接触領域における分子間力に起因し得る。濡れの程度は、液体と固体表面との間の接触領域と、液気界面に対する接線との間に形成される接触角Φの値によって表され得る。固体表面が親水性であり、試験液として水が使用される（つまり濡れ性が高い）場合、Φの値は０～９０度の範囲内にあり得る。固体表面が中程度に親水性から疎水性である（つまり濡れ性が中程度である）場合、水を試験液としたΦの値は８５～１０５度の範囲内にあり得る。固体表面が非常に疎水性である（つまり濡れ性が低い）場合、水を試験液として用いたΦの値は９０～１８０度の範囲内にあり得る。従って、接触角の変化は、基板の界面化学の変化を反映することができる。
【0156】
グラフェン表面及びグラフェン表面になされた修飾は、液滴接触角測定法を用いて特徴付けることができる。液滴接触角測定法は、グラフェン表面の修飾の程度に関する定量的情報を提供することができる。接触角測定は、サンプル表面上に存在する官能基に対して感度が高く、自己組織化単分子層の形成及び表面被覆率の程度を特定するために用いられ得る。π電子が豊富な分子を含有する自己組織化溶液に浸漬したものと比較した未修飾グラフェン表面からの接触角の変化は、グラフェンの表面上における自己組織化単分子層の形成を確認するために用いることができる。
【0157】
濡れ液とも呼ばれる接触角測定値の特定に使用するのに適した溶媒の種類は、未修飾グラフェン上における液の接触角と修飾グラフェン上における接触角との間の差を最大にし、それにより結合等温線の測定のためのデータ精度を改善するものである。いくつかの実施形態において、濡れ液は、脱イオン（ＤＩ）水、ＮａＯＨ水溶液、ホウ酸塩緩衝液（ｐＨ９．０）、他のｐＨ緩衝液、ＣＦ３ＣＨ２ＯＨなどを含むことができるが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態において、濡れ液は極性である。いくつかの実施形態において、濡れ液は非極性である。
【0158】
方法
本明細書におけるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類は、グラフェンの表面を修飾する１つ又は複数の方法に使用され得る。一実施形態において、方法は、自己組織化単分子層を形成するステップを含むことができ、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置される。その方法は、本明細書の他の箇所に記載されるように、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン若しくは置換カリックスアレーン、又はこれらの誘導体を含む自己組織化単分子層を含むことができる。その方法は、液滴接触角測定、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を用いて、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を定量化するステップを含むことができる。いくつかの実施形態において、そのような非共有結合性相互作用は静電相互作用を含むことができる。他の実施形態では、非共有結合性相互作用はπ－πスタッキング相互作用を含むことができる。
本明細書におけるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類は、グラフェンの表面を修飾する１つ又は複数の方法に使用され得る。一実施形態において、方法は、自己組織化単分子層を形成するステップを含むことができ、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置される。その方法は、本明細書の他の箇所に記載されるように、１つ若しくは複数のピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン若しくは置換カリックスアレーン、又はこれらの誘導体を含む自己組織化単分子層を含むことができる。その方法は、液滴接触角測定、ラマン分光法又はＸ線光電子分光法を用いて、自己組織化単分子層の表面被覆の程度を定量化するステップを含むことができる。いくつかの実施形態において、そのような非共有結合性相互作用は静電相互作用を含むことができる。他の実施形態では、非共有結合性相互作用はπ－πスタッキング相互作用を含むことができる。
【0159】
いくつかの実施形態において、その方法は、少なくとも０．９のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップをさらに含むことができる。他の実施形態において、その方法は、少なくとも０．９８のラングミュアシータ値を示す誘導体化されたグラフェン層を選択するステップを含む。
【0160】
本明細書におけるピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類又は置換ピレン類は、グラフェンの表面を修飾する１つ又は複数の方法に使用され得る。一実施形態において、方法は、分析物を検出するステップを含むことができる。その方法は、患者からガス状サンプルを採取するステップと、ガス状サンプルを１つ又は複数のグラフェンバラクタと接触させるステップとを含むことができる。１つ又は複数のグラフェンバラクタは、グラフェン層と自己組織化単分子層とを備えることができ、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とグラフェンのπ電子系との間の非共有結合性相互作用を通してグラフェン層の外面上に配置されている。自己組織化単分子層は、本明細書の他の箇所に記載されるように、ピラーレン、置換ピラーレン、カリックスアレーン、置換カリックスアレーン、ペルアルキル化シクロデキストリン、置換ペルアルキル化シクロデキストリン、ピレン類若しくは置換ピレン類、又はこれらの誘導体を含む群から選択される少なくとも１つを含むことができる。前記方法は、ガス状サンプル中に存在する１つ又は複数の分析物の結合による１つ又は複数のグラフェンバラクタの電気特性における特異な応答を測定するステップをさらに含むことができ、電気特性はキャパシタンス又は抵抗を含む群から選択され得る。
【0161】
態様は、以下の実施例を参照してよりよく理解され得る。これらの実施例は、特定の実施形態を代表するものであるが、本明細書の実施形態の全般的な範囲を限定するものではない。
【実施例】
【0162】
実施例１： 実験材料
ジメトキシピラー［５］アレーン（本明細書では「ＤＭピラー［５］アレーン」）は、東京化成工業（マサチューセッツ州ケンブリッジ）から購入した。Ｃｕ箔上の単分子層グラフェンは、グラフェネア（Graphenea）（ドノスティア、スペイン）から購入した。ヘプタキス（２，３，６－トリ－Ｏ－メチル）－β－シクロデキストリン（本明細書では「β－ＣＤＭｅ２１」）、ヘキサン及びアセトニトリルは、シグマアルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ミズーリ州セントルイス）から購入した。ＤＭピラー［５］アレーンの化学構造は下記の通りである。
ジメトキシピラー［５］アレーン（本明細書では「ＤＭピラー［５］アレーン」）は、東京化成工業（マサチューセッツ州ケンブリッジ）から購入した。Ｃｕ箔上の単分子層グラフェンは、グラフェネア（Graphenea）（ドノスティア、スペイン）から購入した。ヘプタキス（２，３，６－トリ－Ｏ－メチル）－β－シクロデキストリン（本明細書では「β－ＣＤＭｅ２１」）、ヘキサン及びアセトニトリルは、シグマアルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ミズーリ州セントルイス）から購入した。ＤＭピラー［５］アレーンの化学構造は下記の通りである。
【0163】
β－ＣＤＭｅ２１の化学構造は下記の通りである。
【0164】
実施例２： ＤＭピラー［５］アレーンの自己組織化によるグラフェンの表面修飾
アセトニトリルを自己組織化溶媒として使用した。グラフェン基板を、０ミルモル（ｍＭ）、０．００３０ｍＭ、０．０１０ｍＭ、０．０３０ｍＭ、０．１０ｍＭ又は０．３０ｍＭを含む様々な濃度のＤＭピラー［５］アレーン溶液に一晩浸漬した。次に、ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェン基板を少量のアセトニトリル溶媒で３回洗浄して、過剰な自己組織化溶液を除去した。
アセトニトリルを自己組織化溶媒として使用した。グラフェン基板を、０ミルモル（ｍＭ）、０．００３０ｍＭ、０．０１０ｍＭ、０．０３０ｍＭ、０．１０ｍＭ又は０．３０ｍＭを含む様々な濃度のＤＭピラー［５］アレーン溶液に一晩浸漬した。次に、ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェン基板を少量のアセトニトリル溶媒で３回洗浄して、過剰な自己組織化溶液を除去した。
【0165】
実施例３： ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの表面特性解析
未修飾のグラフェン及びＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを、バーサプローブＩＩＩ（VersaProbe III）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ５０００、５フィジカルエレクトロニクス（Physical Electronics）、ミネソタ州チャンハッセン）で収集した。ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの表面元素組成の結果を表１に示す。
未修飾のグラフェン及びＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを、バーサプローブＩＩＩ（VersaProbe III）走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ５０００、５フィジカルエレクトロニクス（Physical Electronics）、ミネソタ州チャンハッセン）で収集した。ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの表面元素組成の結果を表１に示す。
【0166】
【表1】
【0167】
Ｃ％、Ｏ％及びＣｕ％のデータを上述したように同時にフィッティングして、平衡定数Ｋを特定した。平衡定数Ｋ及びＤＭピラー［５］アレーンによる少なくとも９０％の単分子層の形成に必要とされる自己組織化溶液の濃度を表２に示す。
【0168】
【表2】
【0169】
ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの吸着についてのラングミュア吸着等温線を図９に示す。図は、ＸＰＳデータによって特定された、ＤＭピラー［５］アレーンで修飾されたグラフェンの吸着についての相対的単分子層被覆率（点）をラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）と共に示している。自己組織化溶液中のＤＭピラー［５］アレーン濃度の対数の関数としてのグラフェンに対するＤＭピラー［５］アレーンの吸着の相対的表面被覆率は図１０に示す。
【0170】
実施例４： β－ＣＤＭｅ２１の自己組織化によるグラフェンの表面修飾
ヘキサンを自己組織化溶媒として使用した。グラフェン基板を、０ミルモル（ｍＭ）、０．００５０ｍＭ、０．０１０ｍＭ、０．０５０ｍＭ、０．１０ｍＭ又は０．５０ｍＭを含む様々な濃度のβ－ＣＤＭｅ２１溶液に一晩浸漬した。次に、β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェン基板を少量のヘキサン溶媒で３回洗浄して、過剰な自己組織化溶液を除去した。
ヘキサンを自己組織化溶媒として使用した。グラフェン基板を、０ミルモル（ｍＭ）、０．００５０ｍＭ、０．０１０ｍＭ、０．０５０ｍＭ、０．１０ｍＭ又は０．５０ｍＭを含む様々な濃度のβ－ＣＤＭｅ２１溶液に一晩浸漬した。次に、β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェン基板を少量のヘキサン溶媒で３回洗浄して、過剰な自己組織化溶液を除去した。
【0171】
実施例５： β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンの表面特性解析
未修飾のグラフェン及びβ－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを、バーサプローブＩＩＩ走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ５０００、５フィジカルエレクトロニクス、ミネソタ州チャンハッセン）で収集した。β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンの表面元素組成の結果を表３に示す。
未修飾のグラフェン及びβ－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを、バーサプローブＩＩＩ走査型ＸＰＳマイクロプローブ（ＰＨＩ５０００、５フィジカルエレクトロニクス、ミネソタ州チャンハッセン）で収集した。β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンの表面元素組成の結果を表３に示す。
【0172】
【表3】
【0173】
Ｃ％、Ｏ％及びＣｕ％データを上述したように同時にフィッティングして、平衡定数Ｋを特定した。平衡定数Ｋ及びβ－ＣＤＭｅ２１による少なくとも９０％の単分子層の形成に必要とされる自己組織化溶液の濃度を表４に示す。
【0174】
【表4】
【0175】
β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンの吸着についてのラングミュア吸着等温線を図１１に示す。同図は、ＸＰＳデータによって特定された、β－ＣＤＭｅ２１で修飾されたグラフェンの吸着についての相対的単分子層被覆率（点）をラングミュア吸着理論に基づくフィット（実線）と共に示している。自己組織化溶液中のβ－ＣＤＭｅ２１濃度の対数の関数としてのグラフェンに対するβ－ＣＤＭｅ２１の吸着の相対的表面被覆率は図１２に示す。
【0176】
本明細書及び添付の特許請求の範囲に用いられる場合、単数形「ａ」「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、内容が明らかに他の意味を示していない限り、複数の指示対象を含むことに留意すべきである。「又は」という用語は、内容が明らかに他の意味を示していない限り、一般に「及び／又は」を含む意味で使われていることにも留意すべきである。
【0177】
本明細書及び添付の特許請求の範囲に用いられる場合、「構成される」という語句は、特定のタスクを実施するか、又は特定の構成をとるように構築又は構成されるシステム、装置又は他の構造を説明していることにも留意すべきである。「構成される」という句は、配されて構成される、構築されて配される、構築される、製造される、及び配される、などの他の同様の語句と言い換え可能に使用され得る。
【0178】
本明細書中のすべの刊行物及び特許出願は、本発明が関係する技術分野の一般的な技術水準を示す。すべての刊行物及び特許出願は、個々の刊行物又は特許出願が参照文献として具体的且つ個別に示されている場合と同じ程度に、参照により本明細書に援用される。
【0179】
本願において用いられる場合、終点による数値範囲の列挙は、その範囲内に包含されるすべての数を含むものとする（例えば、２～８は２．１、２．８、５．３、７などを含む）。
【0180】
本明細書に用いられる見出しは、米国特許法施行規則第１．７７条に基づく示唆に整合するように、又は他の場合には構成上の手がかりを与えるために提供されている。これらの見出しは、本開示から提出され得る任意の請求項に記載されている本発明を限定又は特徴付けるものと見なしてはならない。例として、見出しが「分野」を指しているとしても、そのような請求項は、いわゆる技術分野を説明するためにこの見出しの下で選択された文言によって限定されるべきではない。さらに、「背景」における技術の説明は、技術が本開示における任意の発明に対する従来技術であることを認めるものではない。「概要」もまた、提出された請求項に記載された本発明の特徴を示すものとはみなされない。
【0181】
本明細書に記載される実施形態は、本発明を網羅することも、本発明を以下の詳細な説明に開示されたまさにその形態に限定することも意図するものではない。むしろ、実施形態は、当業者が原理及び実践を認識し理解することができるように選択され記載される。従って、態様は様々な特定の好ましい実施形態及び技術を参照して記載されている。しかしながら、本明細書の趣旨及び範囲内に留まりながらも、多くの変形及び変更がなされ得ることが理解されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】