▶ ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングの特許一覧
(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】2023-09-22
(54)【発明の名称】電極表面近傍の溶液のｐＨの電子制御
(51)【国際特許分類】
G01N 27/26 20060101AFI20230914BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20230914BHJP
【ＦＩ】
G01N27/26 361F
G01N27/416 353Z
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023503165
(86)(22)【出願日】2021-07-16
(85)【翻訳文提出日】2023-03-03
(86)【国際出願番号】 US2021042031
(87)【国際公開番号】W WO2022016087
(87)【国際公開日】2022-01-20
(31)【優先権主張番号】16/932,096
(32)【優先日】2020-07-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ
(71)【出願人】
【識別番号】591245473
【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100147991
【弁理士】
【氏名又は名称】鳥居 健一
(72)【発明者】
【氏名】ジョンソン，クリストファー
(72)【発明者】
【氏名】カブシ，サム
(72)【発明者】
【氏名】フォミナ，ナデズダ
(72)【発明者】
【氏名】アーマッド，ハビブ
(72)【発明者】
【氏名】マルニアク，オータム
(72)【発明者】
【氏名】ラング，クリストフ
(72)【発明者】
【氏名】ラグナサン，アシュウィン
(72)【発明者】
【氏名】シン，ヨン・シク
(72)【発明者】
【氏名】ダルビッシュ，アルミン
(72)【発明者】
【氏名】パパゲオルギオウ，エフティミオス
(57)【要約】
電極およびｐＨ感知素子を含むフィードバック電極セットのマルチサイトアレイを含むｐＨまたはイオン勾配を制御するためのデバイスおよび方法。上記電極は参照電極、対電極、および作用電極を含むことができる。上記デバイスおよび方法は、作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を繰り返し選択し、選択された電流および／または電圧の量を作用電極のそれぞれに印加して作用電極近傍の溶液のｐＨを変化させ、感知素子のシグナル出力を測定する。マルチサイトアレイは、フィードバック電極セットおよび非フィードバック電極セットを含むことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極のアレイ上の溶液のｐＨを制御するためのデバイスであって、前記デバイスが、支持体と、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含む、電極のアレイと
を含み、前記フィードバック制御電極セットがそれぞれ、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む、１つまたは複数のサブセット
を含み、
前記１つもしくは複数の参照電極のうちの１つの参照電極および／または前記１つもしくは複数の対電極のうちの１つの対電極が、前記１つまたは複数のサブセットのうちの少なくとも１つと電気的に連結されており、
前記デバイスが、
ａ）前記連結された感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、前記１つまたは複数の作用電極のうちの少なくとも１つに印加する電流および／または電圧のそれぞれの量を選択するステップと、
ｂ）選択された前記電流および／または電圧のそれぞれの量を前記１つまたは複数の作用電極のうちの前記少なくとも１つに印加して、それぞれの作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップと、
ｃ）前記連結された感知素子の前記シグナル出力を測定するステップと
を繰り返し実施するように構成されている、デバイス。
【請求項2】
前記参照電極のうちの１つまたは複数が感知素子でもある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記溶液が、キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは複数の酸化還元活性種を含有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項4】
前記デバイスが、プロセッサを含む、またはプロセッサと通信的に連結されており、印加する電流および／または電圧の量を選択するステップが、前記感知素子の前記シグナル出力を含む入力を使用してアルゴリズムを実行するステップを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項5】
１つもしくは複数の前記作用電極、１つもしくは複数の前記参照電極、１つもしくは複数の前記対電極、および／または１つもしくは複数の前記感知素子が、スイッチマトリックスモジュールと電気的に連結されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項6】
１つもしくは複数の前記参照電極および／または１つもしくは複数の前記対電極が、２つ以上の前記サブセットと電気的に連結されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項7】
前記電極のアレイが、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットをさらに含み、前記フィードバック非制御電極セットがそれぞれ、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
それぞれのフィードバック非制御電極セットの前記１つもしくは複数の参照電極のそれぞれ、および／またはそれぞれのフィードバック非制御電極セットの前記１つもしくは複数の対電極のそれぞれが、それぞれのフィードバック非制御電極セットの作用電極のうちの少なくとも１つと電気的に連結されており、
前記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットのそれぞれが、ｐＨ感知素子を含まず、
（ｉ）全ての前記フィードバック制御電極セットが前記デバイスの１つのセクション内に含まれており、全ての前記フィードバック非制御電極セットが前記デバイスの物理的に分離した第２のセクション内に配置されている、または（ｉｉ）１つまたは複数の前記フィードバック制御電極セットが、２つ以上の前記フィードバック非制御電極セット間に散在しており、
前記フィードバック制御電極セットのうちの少なくとも１つが、前記フィードバック非制御電極セットのうちの少なくとも１つと電気的に連結されており、連結された前記フィードバック制御電極セットのうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの連結されたフィードバック制御電極セットの前記１つまたは複数の作用電極に印加された、選択された前記電流および／または電圧の量を、それぞれの連結された少なくとも１つのフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の前記作用電極にも印加するように構成されている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項8】
フィードバック制御電極セットを含むデバイスを用いて溶液のｐＨを制御する方法であって、前記フィードバック制御電極セットが、（１）１つまたは複数の参照電極、（２）１つまたは複数の対電極、および（３）１つまたは複数のサブセットを含み、前記１つまたは複数のサブセットがそれぞれ、作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含み、前記１つもしくは複数の参照電極のうちの１つの参照電極および／または前記１つもしくは複数の対電極のうちの１つの対電極が、１つまたは複数の前記サブセットと電気的に連結されており、前記方法が、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）前記感知素子のシグナル出力と前記目標感知値との差を最小限にするように、前記フィードバック制御電極セットの前記作用電極のうちの少なくとも１つに印加する電流および／または電圧のそれぞれの量を選択する工程、
ｉｉ）選択された前記電流および／または電圧のそれぞれの量を、前記フィードバック制御電極セットの前記作用電極のうちの前記少なくとも１つに印加して、前記フィードバック制御電極セットのそれぞれの作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）前記感知素子の前記シグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップとを含む、方法。
【請求項9】
前記溶液が、水および／または１つもしくは複数の酸化還元活性種を含み、印加された前記電流および／または電圧が、前記水および／または前記１つもしくは複数の酸化還元活性種の電気化学的反応により水素イオンを電気化学的に生成および／または消費する、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記１つまたは複数の酸化還元活性種が、キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記感知素子の前記シグナル出力を、ｐＨを前記感知素子のシグナル出力値と相関付ける所定の校正データと比較することによって、前記溶液のｐＨを測定するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項12】
使用されたデバイスが、２つ以上の前記フィードバック制御電極セットのアレイを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項13】
少なくとも２つの前記フィードバック制御電極セットがそれぞれ、独立した目標ｐＨ値、ならびに／または選択された前記電流および／もしくは電圧の量を印加する独立した一時的プログラムを用いて個々に制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記フィードバック制御電極セットが、スイッチマトリックスモジュールと電気的に連結されており、フィードバック制御電極セットのそれぞれの制御をスイッチマトリックスモジュールにより実施する、請求項８に記載の方法。
【請求項15】
少なくとも１つの前記参照電極および／または少なくとも１つの前記対電極が、２つ以上の前記サブセットと電気的に連結されている、請求項８に記載の方法。
【請求項16】
使用されたデバイスが、１つまたは複数の前記フィードバック制御電極セットおよび１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットのアレイを含み、１つまたは複数の前記フィードバック非制御電極セットが、１つまたは複数の前記フィードバック制御電極セットと電気的に連結されており、前記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットがそれぞれ、１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
それぞれのフィードバック非制御電極セットの前記１つもしくは複数の参照電極のそれぞれ、および／またはそれぞれのフィードバック非制御電極セットの前記１つもしくは複数の対電極のそれぞれが、それぞれのフィードバック非制御電極セットの前記１つまたは複数の作用電極のうちの少なくとも１つと電気的に連結されており、
前記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットのそれぞれが、ｐＨ感知素子を含まず、
選択された前記電流および／または電圧のそれぞれの量を印加する前記ステップが、連結された前記フィードバック制御電極セットの１つまたは複数の前記作用電極に、選択された前記電流および／または電圧の量を印加するステップと、連結された前記フィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の前記作用電極に、同一の電流および／または電圧のそれぞれの量を印加して、連結された前記フィードバック非制御電極セットの前記作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップとを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項17】
使用されたデバイスが、２つ以上の連結された前記フィードバック制御電極セットのアレイを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
少なくとも２つの連結された前記フィードバック制御電極セットがそれぞれ、独立した目標ｐＨ値、ならびに／または連結された前記フィードバック制御電極セットの１つもしくは複数のそれぞれの作用電極、および連結された前記フィードバック非制御電極セットの１つもしくは複数のそれぞれの作用電極に対して選択された電流および／もしくは電圧の量を印加するための独立した一時的プログラムを用いて個々に制御される、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの前記参照電極および／または前記対電極が、２つ以上のフィードバック制御電極セットのサブセット、および／または２つ以上のフィードバック非制御電極セットの作用電極と電気的に連結されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
連結された前記フィードバック非制御電極セットの前記１つまたは複数の作用電極が、連結された前記フィードバック制御電極の前記１つまたは複数の作用電極と類似の形状および設計を有する、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連する出願の参照
[0001]本出願は、現在は２０１９年８月１３日に付与された米国特許第１０，３７９，０８０号である２０１５年７月６日に出願された米国特許出願第１４／７９２，５７６号の分割出願である、２０１８年１２月２０日に出願された米国特許出願第１６／２２７，４６６号の一部係属出願である、２０２０年７月１７日に出願された米国特許出願第１６／９３２，０９６号の優先権の利益を主張する。上記参照の開示のそれぞれの全体の内容は、本明細書に参照により権利が放棄されることなくここに援用される。
[0001]本出願は、現在は２０１９年８月１３日に付与された米国特許第１０，３７９，０８０号である２０１５年７月６日に出願された米国特許出願第１４／７９２，５７６号の分割出願である、２０１８年１２月２０日に出願された米国特許出願第１６／２２７，４６６号の一部係属出願である、２０２０年７月１７日に出願された米国特許出願第１６／９３２，０９６号の優先権の利益を主張する。上記参照の開示のそれぞれの全体の内容は、本明細書に参照により権利が放棄されることなくここに援用される。
【0002】
[0002]本発明は、生体分子の診断方法における使用のためのバイオセンサーデバイスに関する。本発明はまた、水溶液中の気泡の存在を検出する方法、および、それに対応するデバイスおよびシステム、ならびにスライドで測定されたデータの処理のうちの少なくともいくつかが、スライド上に位置したコンピュータープロセッサにより、またはスライドの本体に接続された周辺部品上のプロセッサ、もしくはスライドに無線的に連結されたプロセッサにより実施されるライフサイエンス実験を実施するためのガラススライドにも関する。本発明は、電流を用いて溶液のｐＨを調節するための溶液中での電気化学的反応、特に酸化還元反応の使用にも関する。本発明は、生体バッファー中での使用に適しており、生体バッファー中のｐＨ調節を容易とするのに使用可能な生体バッファー、特に電気化学的活性剤にも関する。さらに、本発明は、電極表面付近にｐＨ濃度勾配を生じさせる方法にも関する。本発明は、バイオセンサーにおける生体分子間の相互作用の調節、電極表面付近のｐＨ勾配の制御における精度、正確性、および信頼性を改良するための統合された電子システムを使用する方法、上記バイオセンサーにおいて生体分子間の相互作用を調節するためにｐＨを制御する方法、バイオセンサーを用いた生体分子の診断方法、および上記バイオセンサーを改良する方法に利用することができる。
【背景技術】
【0003】
[0003]最近、予測医療、予防医療、そして特に感度および特異度等のより忠実な診断検査を要する個別化医療に対する関心が高まっている。多重測定プラットホーム、例えば、研究において現在使用されているタンパク質アレイは、近未来のための診断技術として有望視されている。これらの検査サンプルは、血液、血清、唾液、生体の細胞、尿、または他の生体分子等のヒトの体液であってもよいが、さらに牛乳、ベビーフードまたは水等の消費財であってもよい。この分野内では核酸、タンパク質、およびさらに小分子等の生体分子を対象とした低コストの多重検査の需要が高まっている。そのような検査において必要とされる感度および特異度は、困難な課題なくしては達成されない。これらの検査を統合された電子機器と組み合わせ、かつ相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いることで、いくつかの課題に対する解決策が提供されてきた。
【0004】
[0004]検出アッセイにおける二つの主な制限は、感度および交差反応性を含む。これらのファクターの両方は最小検出可能濃度、そしてそれによる診断エラー率に影響する。上記試験における感度は通常、標識検出精度、プローブ－分析物ペア（例えば抗体－抗原ペア）に関連するファクター、および表面（図１で示されている通り）上のプローブ分子（例えばプローブ抗体）の有効密度により限定されている。生体サンプル中の他の分子は、プローブ分子（例えば一次抗体）と結合することにより、または検査サイト（図２で示されている通り）の表面への分析物の物理吸着により最小検出可能濃度にも影響を与える可能性がある。検出剤（例えば二次抗体）も、表面に物理吸着してバックグラウンドシグナル（図２で示されている通り）の上昇を引き起こす可能性がある。交差反応性およびバックグラウンド問題の解決は、新たな検査アッセイの開発において多大な時間を要する可能性があり、全体的な検査コストおよび複雑性を高める。アッセイは通常、最適な試薬および条件を探索することにより、そしてさらに最も効果のあるプローブ分子（例えば抗体）を製造することにより最適化される。これは、開発が長期にわたり、場合によっては検査を実施できず、製造コストが高くつくことになる。例えば、通常ＥＬＩＳＡアッセイの開発は、分析開発の一環として正しい抗体を探索するのに何人かの科学者が一年よりも長い期間取り組むことを要する。タンパク質の交差反応性はそのような努力の失敗の原因となるおそれがある。
【0005】
[0005]複数のサイト検査プラットホームを提供するバイオセンサーは、アッセイ開発における上述の制限のいくつかに対して解決策を提供すると考えられていた。ＵＳ特許出願公開であるＵＳ２０１１／００９１８７０およびＵＳ２０１２／０１１５２３６（その内容はそれらの全体において参照することにより本開示に組み込まれる）には、そのような異なる反応条件に付すためにプローブ分子への生体分子分析物（例えばタンパク質）の結合を調節することができる複数のサイトを有するバイオセンサーが記載されている。例えば、４つのサイトを有するバイオセンサーにおいて検出されたシグナルも例えば４つのいくつかの成分を有していてもよい。これらの４つの項は、対象とするバイオマーカーの濃度、一次抗体（プローブ分子）サイトと非特異的に結合してバイオマーカーと結合するのを防ぐサンプル中の干渉分析物の濃度、サンドイッチを形成して誤りのシグナルを生成するサンプル中の干渉分析物の濃度、そして最後に表面に物理吸着し、誤りのシグナルを生成するサンプル中の干渉分析物の濃度に対応し得る。さらにそれぞれの項は、分子親和性、および物質移動等の他のアッセイ条件と相関関係にある結合効率ファクターａｉｊとも比例関係にある。各サイトでの条件を別々に制御することにより、別のサイトは別の効率ファクターを有していてもよい。
【0006】
[0006]異なるサイトでの結合効率ファクターに大きな変化を生じさせる分析条件の高精度かつ正確な制御は、対象とする生体分子分析物の検出システムとしてのバイオセンサーの性能において重要である。ＵＳ２０１４／０００８２４４（その内容はその全体において参照することにより本開示に組み込まれる）において、バイオセンサーおよび方法は、
複数の検査サイトのアレイを有するバイオセンサーにおける検査サイト間の結合効率に大きな変化を生じさせるＣＭＯＳ、電極アレイ、またはＴＦＴベースのセットアップを用いて容易に統合され得ることが記載されている。対象とする生体分子分析物を正確に測定するためには、バイオセンサーは高度の信頼性および再現性を要する。バイオセンサーの繰り返し使用による局所的なｐＨの調節のばらつき、および以降の測定間でのばらつきは、バイオセンサーによる対象とする生体分子分析物の測定精度を低減するおそれがある。
複数の検査サイトのアレイを有するバイオセンサーにおける検査サイト間の結合効率に大きな変化を生じさせるＣＭＯＳ、電極アレイ、またはＴＦＴベースのセットアップを用いて容易に統合され得ることが記載されている。対象とする生体分子分析物を正確に測定するためには、バイオセンサーは高度の信頼性および再現性を要する。バイオセンサーの繰り返し使用による局所的なｐＨの調節のばらつき、および以降の測定間でのばらつきは、バイオセンサーによる対象とする生体分子分析物の測定精度を低減するおそれがある。
【0007】
[0007]さらに、ｐＨは生体分子間の結合相互作用、酵素的活性、官能基の保護／脱保護等の化学修飾、化学／生化学反応速度、およびｐＨ感受性レポーター分子の視覚化のために重要な役割を担うファクターである。ｐＨは、多様なプロセスに対する万能的なスイッチまたはコントローラとして作用し得るため、ｐＨの高精度な制御、特に複数の条件を並行して制御することは、多くの用途において大きな可能性を提示し得る。そのためバイオセンサーのマルチサイトアレイの各サイトにおけるｐＨの調節は正確に制御される必要があり、そのようなｐＨ調節におけるばらつきは補正される必要がある。したがって、マルチサイトアレイ検査サイトのそれぞれでｐＨが正確に、確実に、かつ再現可能な方法で制御が可能なバイオセンサーの需要が存在する。
【0008】
[0008]ｐＨを測定し、制御する一般的な方法は当該技術分野で公知である。（Ｄｕｒｓｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ－Ｉｏｎ Ａｃｔｉｖｉｔｙ，”（水素イオンの活性）Ｋｉｒｋ－Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（カーク・オスマー化学技術百科事典），ｐｐ．１～１５（２００９））。現在、通常は、バッファー溶液全体を目標ｐＨと交換する、または溶液に対して酸または塩基を添加することにより、サンプルのｐＨを変化させている。このプロセスは時間を要し、誤差を招きやすく、また多くの場合において、サンプルを大きく希釈することになる。仮にサンプル容量が小さい、または分析または反応の経路の間において複数回のｐＨ変更が必要である場合、現在商用化されている技術は良い解決策を提供することができない。したがって、時間的かつ空間的に柔軟な目標値および最小限の希釈ファクターでｐＨを制御できる技術的な解決策は、多様な研究および工業用途に利益をもたらし得る。
【0009】
[0009]電極表面と接触している溶液の積極的なｐＨ制御は、タンパク質－タンパク質相互作用、等電点電気泳動、電気泳動、化学プロセスとバイオ化学プロセスとの組合せによるｐＨ検討、ＤＮＡ変性および復元、酵素的プロセスの制御、細胞操作において、高空間的かつ時間的な解決策で化学反応を加速または阻害するための方法として、またはｐＨが変数として関与する他のプロセスにおける潜在用途を有する。例えば、ＵＳ２０１４／０００８２４４には、対象とする生体サンプルの結合相互作用を調節することを目的とした、バイオセンサーの電極付近のｐＨまたはイオン濃度勾配を調節可能なバイオセンサーが記載されている。別の例において、ＵＳ２０１４／０２７４７６０（本明細書にその全体において参照することにより組み込まれる）には、精度、信頼性、および再現性の上昇した改良型バイオセンサーが記載されている。
【0010】
[0010]表面に付着した電気化学物質を通じて溶液の特性を制御する試みも記載されている。キノンテザー（ｑｕｉｎｏｎｅ ｔｅｔｈｅｒ）の還元、および後続のラクトン化を経由して改質金電極表面から電気化学的に誘発されたビオチンの放出が実証されている（Ｈｏｄｎｅｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．，“Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｔｈａｔ ｒｅｌｅａｓｅ ｌｉｇａｎｄｓ ｕｎｄｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，”（電気化学的制御下で配位子を放出する生体分子表面）Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１２２， ｐｐ．４２３５～３６（２０００））。表面から溶液への抗体の自己集合および放出の電気化学的制御は、ｎ－デカンチオール－ベンゾキノンの還元および酸化により達成された（Ａｒｔｚｙ－Ｓｃｈｎｉｒｍａｎ ｅｔ ａｌ．， Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．８， ｐｐ．３３９８～３４０３（２００８））。電気活性材料の３Ｄ層からのプロトンの放出は、Ｆｒａｓｃｏｎｉらにより、金ナノ粒子およびチオアニリンで構成された材料を用いて実証された（Ｆｒａｓｃｏｎｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｐＨ Ｃｈａｎｇｅｓ：Ａ Ｒｏｕｔｅ Ｔｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ，”（電気化学的刺激によるｐＨ変化：化学反応性を制御するルート）Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１３２（６）， ｐｐ．２０２９～３６（２０１０））。チオアニリン基の電気化学的酸化は、電極表面から拡散したプロトンを周囲の溶液中に生じさせることで、それ自体のｐＨを変化させている。
【0011】
[0011]生物学的ソリューションにおける電気化学的ｐＨ調節は、系の複雑な性質に起因する大きな課題を提示する。その制限は、ｐＨ変化を制限するバッファー成分の存在、使用可能な共溶媒の制限、アミンおよびチオール等の強力な求核剤の存在、およびＤＮＡ塩基、アスコルビン酸およびグルタチオン等の電気化学的に活性な干渉成分の存在を含む。
【0012】
[0012]キノンは、電気化学的に活性な分子の中で、最も広く検討された群のうちの一つである（その全体において参照することにより組み込まれるＴｈｏｍａｓ Ｆｉｎｌｅｙ， “Ｑｕｉｎｏｎｅｓ，”（キノン）Ｋｉｒｋ－Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（カーク・オスマー化学技術百科事典），１～３５（２００５）を参照。また、Ｃｈａｍｂｅｒｓ， Ｊ． Ｑ． Ｃｈｅｍ． Ｑｕｉｎｏｎｏｉｄ Ｃｏｍｐｄ． １９７４， Ｐｔ． ２：７３７～９１； Ｃｈａｍｂｅｒｓ， Ｊ． Ｑ． Ｃｈｅｍ． Ｑｕｉｎｏｎｏｉｄ Ｃｏｍｐｄ． １９８８， ２：７１９～５７； Ｅｖａｎｓ， Ｄ． Ｈ． Ｅｎｃｙｃｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｅｌｅｍ． １９７８， １２： １～２５９も参照）。ハイドロキノン／ベンゾキノンの変換は、電極表面でのプロトン勾配を生じさせるモデルシステムとして使用されている。（Ｃａｎｎａｎ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００２，４：８８６～９２）。パラハイドロキノンとアントラキノンとの組合せは、ＤＮＡ合成の第１の工程として、有機溶液のｐＨを酸性化するために使用され、有機塩基は、酸性のｐＨを電極表面に限定するために溶液に対して添加された（Ｍａｕｒｅｒ， ＰＬＯＳ Ｏｎｅ ２００６， ｌ：ｅ３４）。しかし、それらのシステムは、ペプチド、タンパク質、およびグルタチオン等の、生体系内に存在することの多い求核剤に対するベンゾキノン（ハイドロキノン酸化の生成物）の反応性のため、さらには非置換アントラキノンの水への不十分な溶解性のため、生物学的ソリューションでの使用に採用することができない（Ａｍａｒｏ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍ Ｒｅｓ Ｔｏｘｉｃｏｌ １９９６， ９（３）：６２３～６２９）。
【0013】
[0013]電気化学的な飛行時間測定は、電極上で生じたＨ＋イオンが外へ拡散していくことを実証している（Ｓｌｏｗｉｎｓｋａ ｅｔ ａｌ．， “Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｉｎｇ，”（定電流発電および電位差感知を用いた電気化学的飛行時間法）Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． Ｖｏｌ． ５５４～５５５， ｐｐ． ６１～６９ （２００３）； Ｅｉｓｅｎ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ： Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ ｍｅｔｈｏｄ，”（固相電位差センサー容量の測定：電気化学的飛行時間法） Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ７８（１８）， ｐｐ． ６３５６～６３ （２００６））。また、電極表面の開回路電位は、溶液中のＨ＋濃度、つまり溶液のｐＨ等の溶液中のイオン濃度の関数であることも示されている。（Ｙｉｎ ｅｔ ａｌ．， “Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｆｏｒ ｓｅｐａｒａｔｉｖｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｇａｔｅ ＩＳＦＥＴ，”（分離拡張ゲートＩＳＦＥＴ用の酸化インジウムスズ薄膜の検討）Ｍａｔ． Ｃｈｅｍ ． Ｐｈｙｓ． ７０（１）， ｐｐ． １２～１６ （２００１））。同様に、電気化学種の酸化還元反応速度もｐＨ依存性がある（Ｑｕａｎ ｅｔ ａｌ．， “Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ ｏｆ ｑｕｉｎｏｎｅｓ ｉｎ ｕｎｂｕｆｆｅｒｅｄ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ： ｒｅａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ａｑｕｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｑｕｉｎｏｎｅｓ，” （バッファーでないキノン水溶液のボルタンメトリー：キノンの水性電気化学におけるプロトン移動と水素結合の役割の再評価） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １２９（４２）， ｐｐ． １２８４７～５６ （２００７））。ｐＨの感知精度を改良するための新規のｐＨ感受性コーティングの組み込みにより電極のｐＨ感受性を改良する取り組みも行われてきた。（Ｇｅ ｅｔ ａｌ．， “ｐＨ－ｓｅｎｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙ（ａｎｉｌｉｎｅ） ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｏｎ ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ，”（酸化インジウムスズ上に自己集合したポリアニリン超薄膜のｐＨ感知特性）Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ７９（４）， ｐｐ． １４０１～１０ （２００７））。
【0014】
[0014]多くのライフサイエンス用途（プロテオミクス、ゲノミクス、マイクロ流体力学、細胞培養等）は、実験を実施するための基材としてガラススライドを使用する。ガラススライドの例は、タンパク質マイクロアレイ、ライセートアレイ、ＤＮＡマイクロアレイおよび細胞培養プラットホームを含む。タンパク質マイクロアレイの一つの使用は、健常者または対照被験者からの対応物質と比較した特定の症状を有する患者由来の生体物質（例えば、血液血清）の分析である。生体物質は、多くの（多くの場合、数千の）ヒトのタンパク質を含有するマイクロアレイに対して適用される。疾患に罹患した物質（ｄｉｓｅａｓｅｄ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）中の抗体は、マイクロアレイ中の特定の抗原と反応する（結合する）可能性があることにより、症状特有のバイオマーカーとしての抗原を特定する。タンパク質検出に加え、比色検出法、化学発光検出法および蛍光検出法等の他のタイプの検出法もガラススライドを用いて実施できる。
【0015】
[0015]実験は、通常、対象物質を水または水を含有する液体と組み合わせた水性条件下で実施され、スライド上に載せて分析される。多くの場合において、気泡（空気または他の気体から形成される）の存在は、実験の障害となり、結果に悪い影響を及ぼす。悪い影響の一つの例は、気泡が試験溶液の乾燥を引き起こす場合である。これは、対象物質（例えば、生体分子分析物）が、生体分子分析物と相互作用すると想定された分子と結合できていない偽性の結合イベントを生じ得る。別の例は、気泡が試験溶液の有効流速を変化させ、その流速が実験の一環として測定される場合である。したがって、実験結果を正しく解釈できるように、気泡を検出し、それらの存在の示唆を出力することが望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
[0016]気泡を検出する一つの方法は、顕微鏡下で各スライドを人の手で確認することである。しかし、顕微鏡法は通常、視野がスライドの小さなエリアに限定されており、スライドの全体の確認には多大な時間を要することから、必ずしも実用的ではない。さらに、顕微鏡下のスライドを照らすための光の使用は、対象物質に対して破壊的な影響を与える場合がある。
【0017】
[0017]米国特許第１０，３７９，０８０号（本開示によって、その全体において参照することにより組み込まれる）に記載されている電子的なｐＨ制御は、これらの課題のいくつかのための解決策を提供することができる。同様のｐＨ制御スキームは、多様な設計フォーマット、特にアレイフォーマットで使用し、同一のサンプル溶液で同時に高多重の独立した測定および反応を実施することができる。電極のそれぞれ付近の微環境を局所的に制御する電極アレイを使用する場合、別のサイト間の「クロストーク」または「ブリードオーバー」が懸念される。この課題は個々のサイト間の間隔を空けることで、またはバルク溶液に添加されるバッファー試薬を用いるかのいずれかによって対処される。前者のアプローチはアレイ（サイズの大きいデバイス）の密度の低下をもたらし、後者のアプローチは、電気化学的反応の速度がバルク溶液のバッファー能力を上回るのに十分高いことを要する。実際上、比較的高い電圧または電流を印加すること、または、比較的高濃度である電気活性分子を用いることを意味する。これらの測定値は、反応システムの他の成分も関与する副反応に繋がりかねない。
【課題を解決するための手段】
【0018】
[0018]本開示は、上述の課題の多くを解決する閉ループ制御を提供する。個々に対処可能な電極の高密度アレイにおける閉ループのいくつかの実施態様が本開示に記載される。アレイフォーマットにおける電極表面付近のｐＨまたはイオン勾配を調節するためのデバイスおよび方法が本明細書に開示される。上記デバイスは、１つまたは複数の作用電極、ある例では電極であってもよいｐＨ感知素子、対電極、および参照電極を含んでいてもよい。個々の作用電極のそれぞれは、オンデマンドフォーマット内の表面の近傍の小さな物理的空間内において、電気化学的にｐＨ変化を誘発することができる。対電極および参照電極は、複数の作用素子および感知素子により共有されていてもよい。ｐＨ調節試薬は、電気化学的に酸化または還元されることで、表面からナノメートル～マイクロメートルの距離を包含するｐＨ調節ゾーンを生じさせる。作用電極の電気的な出力パラメータは、より高速かつ高精度なｐＨ制御を達成するための感知素子からのフィードバックに基づいて調節することができる。
【0019】
[0019]本明細書に開示されているいくつかの態様は、アレイベースのｐＨ制御、アレイベースのｐＨ制御を含むデバイス、およびその使用方法を含む。ある例では、マルチ電極アレイは、作用電極、参照電極、対電極、および感知素子で構成されるフィードバック制御電極セットを含む。参照電極および対電極は、電極の複数のセットにより共有されていてもよい。ある例では、セットのそれぞれは、少なくとも独立的に制御される、作用電極および感知素子を有する。ある例では、電極のセットのそれぞれは、一時的なばらつきを有する特定のｐＨ条件のためにプログラムが構築されていてもよい。アレイにおける電極の数は、１から何億に及んでいてもよい。ある例では、上記アレイは、単層デバイスまたは多層デバイス中に含まれる。上記デバイスは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を含む、またはそれらを除く多くの製作スキームを有していてもよい。
【0020】
[0020]ある態様では、デバイスは、単一のデバイス中に電極アレイを含んでいてもよい。上記デバイスは、フィードバック制御電極セットの一つの単一のセクション、またはフィードバック制御電極セットの複数のセクションを含んでいてもよい。フィードバック制御電極セットは、作用電極、参照電極、および対電極、および電極であってもよい感知素子を含むものであってもよい。参照電極および対電極は、複数の電極セットにより共有されていてもよい。フィードバック制御電極セットを含むセクションは、フィードバック制御セクションであってもよい。このセクションは、目標ｐＨ値を達成するために要求される電気的なパラメータを特定するために使用してもよい。上記目標ｐＨ値は、経時的に異なっていてもよく、および／または、経時的に変化させることができ、またはフィードバック制御電極セット間で異なっていてもよい。ある例では、各種ｐＨ条件は単一のデバイス内の電極アレイを用いて同時に試験され、および／または提供されるものであってもよい。上記デバイスは、感知素子を含まない電極セット、および／またはフィードバック制御電極セットでない電極セットをさらに含んでいてもよい。フィードバック制御電極セットでない電極セットを含むセクションは、フィードバック非制御セクションであってもよい。フィードバック制御セクションの使用により特定される電気的なパラメータは、フィードバック非制御セクションに適用することができる。フィードバック非制御電極セットは、任意で参照電極、および対電極と共に、作用電極としての少なくとも一つの電極を有していてもよい。
【0021】
[0021]ある例では、上記デバイスは、反応工程の複数のラウンドでｐＨ値を変化させるために使用してもよく、それらのいくつかは、アレイ内の特定的に選択された電極に明確なｐＨ値を割り当てることを要する。反応工程の複数ラウンドに関する反応の非限定的な例には、ペプチドおよび核酸等のポリマーのライブラリ配列の作成が含まれる。ある例では、上記デバイスは、１つまたは複数のエリアのｐＨを連続的におよび／または１回または複数回視覚化させるのに使用してもよい。
【0022】
[0022]ある態様では、フィードバック制御電極セットは、基材の全体に分布しており、１つまたは複数のそれぞれがフィードバック非制御電極セットに取り囲まれている。ある例では、フィードバック非制御電極セットは、フィードバック非制御電極セット間および／または経時的に様々な目標ｐＨ値を有する。ある例では、フィードバック制御電極セットの使用により特定された電気的パラメータは、その影響が存在する場合に、それを克服するために隣り合う電極からフィードバック非制御電極セットへの印加前に変化させてもよい。適用された電気的パラメータは、各種ｐＨ値からの影響を平均化することにより変化させることができる。ある例では、この構成は、近接した電極セットからのｐＨ制御の影響を最小限にとどめ得る。
【0023】
[0023]ある態様では、本明細書には閉ループｐＨ制御、閉ループｐＨ制御を含むデバイス、およびその使用方法が開示されている。ある例では、閉ループｐＨ制御は、本明細書に開示されているいかなるアレイのフィードバック制御電極セットをも含む。ある例では、アレイベースのｐＨ制御は、閉ループｐＨ制御または閉ループｐＨ制御を含むデバイスを含む。ある例では、閉ループｐＨ制御は、ｐＨを電気化学的に調節する。閉ループｐＨ制御は、感知素子、作用電極、対電極、および参照電極を含んでいてもよい。ある例では、感知素子は、感知素子が安定である、および／またはｐＨが安定した溶液中に存置されている場合等、特に限定されないが、参照電極として使用される。対電極および参照電極は複数の作用電極および／または感知素子のために共有されていてもよい。ある例では、外部の対電極および／または参照電極を使用してもよい。ある例では、パターン化オンチップ対電極（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｏｎ－ｃｈｉｐ ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）および／または参照電極を使用してもよい。ある例では外部の対電極、および／またはオンチップ対電極、および／または参照電極を使用してもよい。ある例では、対電極は作用電極周りに配置される。ある例では、対電極の作用電極周りへの配置は、ｐＨ制御の正確性を改良し得る。
【0024】
[0024]溶液は、デバイスおよび／または閉ループｐＨ制御と接触していてもよい。ある例では、溶液中にｐＨ調節試薬が存在する。ｐＨ感知素子は、溶液の初期ｐＨ値を測定するように構成してもよい。溶液の初期ｐＨ値は、作用電極に印加するための電流または電圧の量を算出するために使用してもよい。電流または電圧を作用電極に印加する場合、ｐＨ調節試薬の電気化学的酸化および／または還元が起こり得る。酸化および／または還元は局所的なｐＨ変化を誘発し得る。局所的なｐＨ変化は、プロトンの生成または消費の間の平衡、およびバッファー溶液のバッファー能力を通じて起こり得る。ある例では、ｐＨ変化はバッファーでない溶液において起こり得る。ある例では、局所的なｐＨ変化は、電極の表面から数ｎｍ～数ｍｍの短い垂直距離でｐＨ調節ゾーンを生じさせる。ある例では、ｐＨ調節ゾーンは、ｐＨ依存性の化学反応／生化学反応が起きることを可能とする。ある例では、溶液中のｐＨ依存性反応はｐＨ調節ゾーン内でのみ起きる。調節ゾーンの大きさは、溶液のバッファー能力に依存するものであってもよい。ある例では、強いバッファー溶液中の方が、弱いバッファー溶液中または非バッファー溶液中よりも調節ゾーンが小さい。ある例では、ｐＨ感知素子はｐＨの調節の間の実際のｐＨをモニターする。ある例では、電気的な出力は、ｐＨ感知素子が実際のｐＨをモニターする場合、閉ループ制御を通じて連続的に行われる。ｐＨのモニターおよび調節を同時に行うことは、ｐＨのより高速および／または高精度な制御を可能とし得る。
【0025】
[0025]作用電極および感知素子は多様な形状および大きさを有していてもよい。ある例では、形状および大きさは、用途および／またはアレイフォーマットの要件に依存する。ある例では、作用電極および感知素子はスライドのデザインに沿って配置される。ある例では、作用電極および感知素子は互いに接触している。ある例では、感知素子は作用電極から物理的に分離している。ある例では、感知素子は隙間により作用電極から物理的に分離している。ある例では、上記隙間は１ｎｍから１００ミクロンであってもよい。ある例では、絶縁層が感知素子と作用電極との間に配置される。ある例では、対電極は作用電極を少なくとも部分的に取り囲む。ある例では、対電極は、作用電極が非バッファー溶液と接触するように構成されている、または、非バッファー溶液と接触している場合に作用電極を少なくとも部分的に取り囲む。
【0026】
[0026]ある例では、感知素子は、ｐＨ感受性材料で被覆された電極を含む。ある例では、感知素子は半導体ベースの電気的な部品を含む。ある例では、感知素子は、電界効果トランジスタを含む。ある例では、感知素子はポリマー半導体を含む。
【0027】
[0027]これらの閉ループ制御およびこれらを含むデバイスは、複数の検査サイトのアレイを有するバイオセンサーにおける検査サイト間の結合効率に大きな変化を生じさせるため、例えばＣＭＯＳ、電極アレイ、またはＴＦＴベースのバイオセンサーと統合可能な方法において使用してもよい。ある例では、電流の印加は、バイオセンサー等のアレイの電極表面付近のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法を提供する。ある例では、アレイは、プローブ生体分子と対象とする生体分子分析物との間の生体分子間の相互作用を調節するために使用される。
【0028】
[0028]本明細書に開示されているアレイベースのｐＨ制御およびデバイスは、
－ 生体分子間の結合相互作用を制御および／またはモニターするステップ、
－ 酵素的活性を制御し、および／または酵素的活性のオン／オフをスイッチングするステップ、
－ 表面改質のために化学を制御するステップ、
－ 分子を化学修飾するステップ、
－ ブロッキングおよびデブロッキングの繰り返し工程、およびコンジュゲートを通じてポリマー構造を組み立てるステップ、
－ 化学反応速度を制御および／またはモニターするステップ、および／または
－ ｐＨ感受性レポーター分子を視覚化するステップ
を含む多様な用途に使用してもよい。
－ 生体分子間の結合相互作用を制御および／またはモニターするステップ、
－ 酵素的活性を制御し、および／または酵素的活性のオン／オフをスイッチングするステップ、
－ 表面改質のために化学を制御するステップ、
－ 分子を化学修飾するステップ、
－ ブロッキングおよびデブロッキングの繰り返し工程、およびコンジュゲートを通じてポリマー構造を組み立てるステップ、
－ 化学反応速度を制御および／またはモニターするステップ、および／または
－ ｐＨ感受性レポーター分子を視覚化するステップ
を含む多様な用途に使用してもよい。
【0029】
[0029]実施形態例によれば、１つまたは複数の下記態様１から５２が提供される。
[0030]態様１は、電極のアレイ上の溶液のｐＨを制御するためのデバイスであって、上記デバイスが、支持体と、１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含む、電極のアレイとを含み、上記フィードバック制御電極セットがそれぞれ、１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されており、
上記デバイスが、
ａ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、それぞれの作用電極に印加する電流および／または電圧の量を選択するステップと、
ｂ）選択された電流および／または電圧の量をそれぞれの作用電極に印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップと、
ｃ）感知素子のシグナル出力を測定するステップと
を繰り返し実施するように構成されている、デバイスである。
[0030]態様１は、電極のアレイ上の溶液のｐＨを制御するためのデバイスであって、上記デバイスが、支持体と、１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含む、電極のアレイとを含み、上記フィードバック制御電極セットがそれぞれ、１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されており、
上記デバイスが、
ａ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、それぞれの作用電極に印加する電流および／または電圧の量を選択するステップと、
ｂ）選択された電流および／または電圧の量をそれぞれの作用電極に印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップと、
ｃ）感知素子のシグナル出力を測定するステップと
を繰り返し実施するように構成されている、デバイスである。
【0030】
[0031]態様２は、１つまたは複数の参照電極および１つまたは複数の対電極が、プロセッサを通じて少なくとも一つのサブセットと電気的に連結されている、態様１のデバイスである。
【0031】
[0032]態様３は、支持体がガラススライド、プラスチック板、ケイ素ウェハ、ガラスウェハ、石英ウェハ、柔軟なプラスチックシート、ポリマー層、紙、またはそれらの混合物を含む、態様１から２のいずれか一つのデバイスである。
【0032】
[0033]態様４は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して、金属酸化物、ガラス状炭素、グラフェン、金属、導電性ポリマー、塩化銀、飽和カロメル、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、態様１から３のいずれか一つのデバイスである。
【0033】
[0034]態様５は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して金電極、銀電極、白金電極、通常水素電極、水銀滴電極、またはそれらの組合せを含む、態様１から４のいずれか一つのデバイスである。
【0034】
[0035]態様６は、感知素子が、電界効果トランジスタ、ポリマー半導体、金属電極、無機電極、有機電極、もしくはｐＨ感受性コーティング材料、またはそれらの組合せを含む、態様１から５のいずれか一つのデバイスである。
【0035】
[0036]態様７は、ｐＨ感受性コーティング材料がポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、酸化インジウムスズ、イオン選択性ポリマー、またはそれらの組合せを含む、態様６のデバイスである。
【0036】
[0037]態様８は、参照電極のうちの１つまたは複数が感知素子でもある、態様１から７のいずれか一つのデバイスである。
[0038]態様９は、溶液がバッファー溶液、バッファーされていない溶液、水性溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である、態様１から８のいずれか一つのデバイスである。
[0038]態様９は、溶液がバッファー溶液、バッファーされていない溶液、水性溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である、態様１から８のいずれか一つのデバイスである。
【0037】
[0039]態様１０は、溶液がキノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは複数の酸化還元活性種を含有する、態様１から９のいずれか一つのデバイスである。
【0038】
[0040]態様１１は、作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧が定電流的に、または定電圧的に印加される、態様１から１０のいずれか一つのデバイスである。
【0039】
[0041]態様１２は、デバイスが、プロセッサを含む、またはプロセッサと通信的に連結されており、印加する電流および／または電圧の量を選択するステップが、感知素子のシグナル出力を含む入力を使用してアルゴリズムを適用するステップを含む、態様１から１１のいずれか一つのデバイスである。
【0040】
[0042]態様１３は、作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が、スイッチマトリックスモジュールと電気的に連結されている、態様１から１２のいずれか一つのデバイスである。
【0041】
[0043]態様１４は、スイッチマトリックスモジュールが相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）および／または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、態様１３のデバイスである。
[0044]態様１５は、フィードバック制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様１から１４のいずれか一つのデバイスである。
[0044]態様１５は、フィードバック制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様１から１４のいずれか一つのデバイスである。
【0042】
[0045]態様１６は、少なくとも一つの参照電極および／または少なくとも一つの対電極が複数のサブセットと電気的に連結されている、態様１から１５のいずれか一つのデバイスである。
【0043】
[0046]態様１７は、電極のアレイが、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットをさらに含み、上記フィードバック非制御電極セットが、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
フィードバック非制御電極セットの参照電極、および／またはフィードバック非制御電極セットの対電極が、フィードバック非制御電極セットの作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されており、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まず、
（ｉ）１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの全てがデバイスの１つのセクション内に含まれており、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットの全てがデバイスの物理的に分離した第２のセクション内に配置されている、または
（ｉｉ）１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、２つ以上のフィードバック非制御電極セット間に散在しており、フィードバック制御電極セットのうちの１つまたは複数が、フィードバック非制御電極セットの１つまたは複数と電気的に連結されており、
連結された電極セットが、連結されたフィードバック制御電極セットの１つまたは複数の作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧の量を、連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加するように構成されている、態様１から１６のいずれか一つのデバイスである。
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
フィードバック非制御電極セットの参照電極、および／またはフィードバック非制御電極セットの対電極が、フィードバック非制御電極セットの作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されており、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まず、
（ｉ）１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの全てがデバイスの１つのセクション内に含まれており、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットの全てがデバイスの物理的に分離した第２のセクション内に配置されている、または
（ｉｉ）１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、２つ以上のフィードバック非制御電極セット間に散在しており、フィードバック制御電極セットのうちの１つまたは複数が、フィードバック非制御電極セットの１つまたは複数と電気的に連結されており、
連結された電極セットが、連結されたフィードバック制御電極セットの１つまたは複数の作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧の量を、連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加するように構成されている、態様１から１６のいずれか一つのデバイスである。
【0044】
[0047]態様１８は、溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されているフィードバック制御電極セットを含むデバイスを得るステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、作用電極のそれぞれに印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法である。
ａ）１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されているフィードバック制御電極セットを含むデバイスを得るステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、作用電極のそれぞれに印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法である。
【0045】
[0048]態様１９は、溶液が、水および／または１つもしくは複数の酸化還元活性種を含み、作用電極に印加された電流および／または電圧が、水および／または上記１つもしくは複数の酸化還元活性種の電気化学的反応により水素イオンを電気化学的に生成および／または消費する、態様１８の方法である。
【0046】
[0049]態様２０は、溶液がバッファー溶液、バッファーされていない溶液、水性溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である、態様１８から１９のいずれか一つの方法である。
【0047】
[0050]態様２１は、１つまたは複数の酸化還元活性種がキノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される、態様１９から２０の方法である。
【0048】
[0051]態様２２は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して、金属酸化物、ガラス状炭素、グラフェン、金属、導電性ポリマー、塩化銀、飽和カロメル、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、態様１８から２１のいずれか一つの方法である。
【0049】
[0052]態様２３は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して金電極、銀電極、白金電極、通常水素電極、水銀滴電極、またはそれらの組合せを含む、態様１８から２２のいずれか一つの方法である。
【0050】
[0053]態様２４は、感知素子が、電界効果トランジスタ、ポリマー半導体、金属電極、無機電極、有機電極、ｐＨ感受性コーティング材料、またはそれらの組合せを含む、態様１８から２３のいずれか一つの方法である。
【0051】
[0054]態様２５は、ｐＨ感受性コーティング材料がポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、酸化インジウムスズ、イオン選択性ポリマー、またはそれらの組合せを含む、態様２４の方法である。
【0052】
[0055]態様２６は、感知素子のシグナル出力を、ｐＨを感知素子のシグナル出力値と相関付ける所定の校正データと比較することによって、溶液のｐＨを測定するステップを含む、態様１８から２５のいずれか一つの方法である。
【0053】
[0056]態様２７は、作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧が定電流的に、または定電圧的に印加される、態様１８から２６のいずれか一つの方法である。
[0057]態様２８は、得られたデバイスが２つ以上のフィードバック制御電極セットのアレイを含む、態様１８から２７のいずれか一つの方法である。
[0057]態様２８は、得られたデバイスが２つ以上のフィードバック制御電極セットのアレイを含む、態様１８から２７のいずれか一つの方法である。
【0054】
[0058]態様２９は、少なくとも２つのフィードバック制御電極セットがそれぞれ、独立した目標ｐＨ値、ならびに／または選択された電流および／もしくは電圧の量を印加する独立した一時的プログラムを用いて個々に制御される、態様１８から２８のいずれか一つの方法である。
【0055】
[0059]態様３０は、フィードバック制御電極セットが、スイッチマトリックスモジュールと電気的に連結されており、フィードバック制御電極セットのそれぞれの制御をスイッチマトリックスモジュールにより実施する、態様１８から２９のいずれか一つの方法である。
【0056】
[0060]態様３１は、スイッチマトリックスモジュールが相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）および／または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、態様３０の方法である。
[0061]態様３２は、フィードバック制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様１８から３１のいずれか一つの方法である。
[0061]態様３２は、フィードバック制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様１８から３１のいずれか一つの方法である。
【0057】
[0062]態様３３は、少なくとも一つの参照電極および／または少なくとも一つの対電極が複数のサブセットと電気的に連結されている、態様１８から３２のいずれか一つの方法である。
【0058】
[0063]態様３４は、得られたデバイスが態様１から１６のいずれか一つのデバイスである、態様１８から３３のいずれか一つの方法である。
[0064]態様３５は、溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）デバイスを得るステップであって、上記デバイスは、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック制御電極セット、ならびに
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極を含み、フィードバック非制御電極セットの参照電極、および／またはフィードバック非制御電極セットの対電極が、フィードバック非制御電極セットの作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されている、フィードバック制御電極と電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セット
のアレイを含み、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まないステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれ、および１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットに連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法である。
[0064]態様３５は、溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）デバイスを得るステップであって、上記デバイスは、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック制御電極セット、ならびに
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極を含み、フィードバック非制御電極セットの参照電極、および／またはフィードバック非制御電極セットの対電極が、フィードバック非制御電極セットの作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されている、フィードバック制御電極と電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セット
のアレイを含み、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まないステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれ、および１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットに連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法である。
【0059】
[0065]態様３６は、溶液が、水および／または１つもしくは複数の酸化還元活性種を含み、作用電極に印加された電流および／または電圧が、水および／または上記１つもしくは複数の酸化還元活性種の電気化学的反応により水素イオンを電気化学的に生成および／または消費する、態様３５の方法である。
【0060】
[0066]態様３７は、溶液がバッファー溶液、バッファーされていない溶液、水性溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である、態様３５から３６のいずれか一つの方法である。
【0061】
[0067]態様３８は、１つまたは複数の酸化還元活性種がキノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される、態様３６から３７のいずれか一つの方法である。
【0062】
[0068]態様３９は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して、金属酸化物、ガラス状炭素、グラフェン、金属、導電性ポリマー、塩化銀、飽和カロメル、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、態様３５から３８のいずれか一つの方法である。
【0063】
[0069]態様４０は、１つまたは複数の作用電極、参照電極、対電極、および／または感知素子が独立して金電極、銀電極、白金電極、通常水素電極、水銀滴電極、またはそれらの組合せを含む、態様３５から３９のいずれか一つの方法である。
【0064】
[0070]態様４１は、感知素子が、電界効果トランジスタ、ポリマー半導体、金属電極、無機電極、有機電極、ｐＨ感受性コーティング材料、またはそれらの組合せを含む、態様３５から４０のいずれか一つの方法である。
【0065】
[0071]態様４２は、ｐＨ感受性コーティング材料がポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、酸化インジウムスズ、イオン選択性ポリマー、またはそれらの組合せを含む、態様４１の方法である。
【0066】
[0072]態様４３は、感知素子のシグナル出力を、ｐＨを感知素子のシグナル出力値と相関付ける所定の校正データと比較することによって、溶液のｐＨを測定するステップを含む、態様３５から４２のいずれか一つの方法である。
【0067】
[0073]態様４４は、作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧が定電流的に、または定電圧的に印加される、態様３５から４３のいずれか一つの方法である。
[0074]態様４５は、得られたデバイスが２つ以上のフィードバック制御電極セットのアレイを含む、態様３５から４４のいずれか一つの方法である。
[0074]態様４５は、得られたデバイスが２つ以上のフィードバック制御電極セットのアレイを含む、態様３５から４４のいずれか一つの方法である。
【0068】
[0075]態様４６は、少なくとも２つのフィードバック制御電極セットが、独立した目標ｐＨ値、ならびに／またはフィードバック制御電極セットの作用電極、およびフィードバック非制御電極セットの作用電極に対して選択された電流および／もしくは電圧の量を印加するための独立した一時的プログラムを用いて個々に制御される、態様４５の方法である。
【0069】
[0076]態様４７は、フィードバック制御電極セットが、スイッチマトリックスモジュールと電気的に連結されており、フィードバック制御電極セットのそれぞれの制御をスイッチマトリックスモジュールにより実施する、態様３５から４６のいずれか一つの方法である。
【0070】
[0077]態様４８は、スイッチマトリックスモジュールが相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）および／または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、態様４７の方法である。
[0078]態様４９は、フィードバック制御電極セットおよびフィードバック非制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様３５から４８のいずれか一つの方法である。
[0078]態様４９は、フィードバック制御電極セットおよびフィードバック非制御電極セットが物理的な結合を通じてデバイスと電気的に連結されている、態様３５から４８のいずれか一つの方法である。
【0071】
[0079]態様５０は、１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの参照電極および／または対電極がフィードバック制御電極セットの複数のサブセットおよび／またはフィードバック非制御電極セットの複数の作用電極と電気的に連結されている、態様３５から４９のいずれか一つの方法である。
【0072】
[0080]態様５１は、連結されたフィードバック非制御電極セットの作用電極が、連結されたフィードバック制御電極の作用電極と類似の形状および設計を有する、態様３５から５０のいずれか一つの方法である。
【0073】
[0081]態様５２は、得られたデバイスが態様１７のデバイスである、態様３５から５１のいずれか一つの方法である。
[0082]本開示で使用されている通り、各種専門用語は、特定の実施態様のみを説明する目的で使用されており、実施態様を限定することは意図されていない。
[0082]本開示で使用されている通り、各種専門用語は、特定の実施態様のみを説明する目的で使用されており、実施態様を限定することは意図されていない。
【0074】
[0083]例えば、本開示で使用されている通り、例えば構造、部品、操作等の要素を修飾するために用いられる通常の語句（例えば、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、「第３の（ｔｈｉｒｄ）」等）は、それ自体で別の要素に対するその要素のいかなる優先度または順序をも示すものではなく、むしろ単に（序数詞を使用しない場合であっても）同一の名称を有する別の要素からその要素を区別する。
【0075】
[0084]語句「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、必ずしも直接的に接続されていない場合、また必ずしも機械的に接続されていない場合であっても、接続されたと定義される。さらに、「連結された」二つの物体は互いに統合されたものであってもよい。具体的には、構成要素が物理的に近接することにより、単一の構造に統合されることにより、または同一の材料部から形成されることにより連結されるものであってもよい。場合によっては、結合は、機械的結合、熱的結合、電気的結合、通信的な結合（例えば、有線または無線）、または化学的結合（例えば化学結合）をさらに含んでいてもよい。
【0076】
[0085]語句「ある（ａ）」および「ある（ａｎ）」は、本開示で明示的に要求されない場合を除き、１つまたは複数として定義される。語句「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、当業者により理解される通り、広く捉えられるが必ずしも特定のものの全体ではない（が特定のものを含む、例えば、実質的に９０度は、９０度であることを含み、また、実質的に並行は、並行であることを含む）ものとして定義される。本開示で使用されている通り、語句「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」は、特定のものの「１０パーセント以内」で置き換えてもよい。さらに、語句「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」は、パーセンテージが０．１、１、または５パーセントを含む場合は、特定のものの「あるパーセンテージ以内」で置き換えてもよく、設計、製造、または測定公差を意味すると理解してもよい。文言「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、「および」または「または」を意味する。具体的には、Ａ、Ｂ、および／またはＣは、Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、ＡとＢとの組合せ、ＡとＣとの組合せ、ＢとＣとの組合せ、またはＡ、Ｂ、およびＣの組合せを含む。すなわち、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は包括的な「または」として働く。
【0077】
[0086]語句「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」等のｃｏｍｐｒｉｓｅの任意の形態）、「有する（ｈａｖｅ）」（ならびに「ｈａｓ」および「ｈａｖｉｎｇ」等のｈａｖｅの任意の形態）、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」（ならびに「ｃｏｎｔａｉｎｓ」および「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」等のｃｏｎｔａｉｎの任意の形態）および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（ならびに「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」等のｉｎｃｌｕｄｅの任意の形態）は非限定的でオープンエンドであり、その範囲内に追加の工程、材料等を含んでいてもよい。つまり、１つまたは複数の要素を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」装置は、それらの１つまたは複数の要素を備えるが、それらの１つまたは複数の要素のみを備えるように限定されない。同様に、１つまたは複数の工程を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」方法は、それらの１つまたは複数の工程を備えるが、それらの１つまたは複数の工程のみを備えるように限定されない。
【0078】
[0087]いかなる製造の材料、組成物、システム、方法、および物体のいかなる態様も、いかなる記載された工程、要素、および／または特徴をも含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）／有する（ｈａｖｅ）／含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）よりもむしろ、任意の記載された工程、要素、および／または特徴のみからなる、または、任意の記載された工程、要素、および／または特徴のみから本質的になる。このように、任意の請求項において、語句「のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」または「のみから本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、上記で挙げられたいかなるオープンエンドの連結動詞とも代替可能であり、オープンエンドの連結動詞を用いた場合に、他に可能性のあるものから所定の請求の範囲を変更する。さらに、語句「ｗｈｅｒｅｉｎ」は「ｗｈｅｒｅ」と同様に使用され得ることも理解することができる。
【0079】
[0088]さらに、特定の方法で構成されるデバイスまたはシステムは、少なくともその方法で構成されるが、具体的に記載された方法以外に他の方法で構成することもできる。一つの実施形態の１つまたは複数の特徴は、本開示または実施形態の性質上、明確に禁止されていない限り、記載も図示もされていない場合であっても、他の実施形態にも適用することができる。
【0080】
[0089]本開示の態様と関連する詳細のいくつかは上記に記載されており、その他は下記に記載されている。本開示の他の実施態様、利点、および特徴は、下記セクション：図面の簡単な説明、発明を実施するための形態、および請求の範囲等を含む出願の全体の審査後に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【0081】
【図1】[0090]典型的な周知のＥＬＩＳＡアッセイのステップの図である：ａ）ブロックされた表面上の固定化一次抗体に試料を導入してインキュベートし、ｂ）試料を洗浄し、ｃ）標識された二次抗体を添加する。標識の数は、標的抗原の濃度に比例する。
【図2】[0091]望ましくない交差反応性の図である。目的の抗原（ひし形）以外の分子が、一次抗体または表面に結合して、不正確なシグナルを生成するか、または抗原がサンドイッチを形成するのを妨げる可能性がある。
【図3】[0092]マルチサイトセンサーおよび検出されたシグナルの構成要素の図である。下部の２つの概略図は、サイトのうち２つに対応する。
【図4】[0093]マルチサイトセンサーのセンサーテストサイトの構成の図である。
【図5】[0094]電気化学的方法を使用した電極表面でのｐＨ変化の概略図である。
【図6】[0095]磁性マイクロ／ナノ粒子を使用して酵素をタンパク質表面に接近させた際の、酵素反応によるｐＨ変化の図である。マイクロ／ナノキャビティは、ｐＨ変化の局所化に役立つ。
【図7A】[0096]ＰＢＳ単独中での酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極のサイクリックボルタモグラムである。ｐＨ変化が起こり得る領域は、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して１Ｖ超の酸素発生がある領域である。
【図7B】[0097]ＩＴＯ電極におけるアスコルビン酸の酸化テストに関するサイクリックボルタモグラム研究の図である。約０．２５Ｖでの電流増加は、ＩＴＯ電極での酸化の開始を示す。
【図8A】[0098]リン酸塩バッファー中のＩＴＯ－ＰＥＧ表面への１Ｖの印加を示す図である。１Ｖの印加前後のインピーダンスの変化は、ＰＥＧの変化または電極からのＰＥＧの除去を示す。
【図8B】[0099]ＩＴＯ－ＰＥＧ表面でのアスコルビン酸の０．５Ｖおよび０．７５Ｖでの酸化を示す図である。アスコルビン酸の酸化中にインピーダンスに変化がないことは、ＰＥＧ層がいかなる変化も受けないことを示す。
【図9】[00100]蛍光タンパク質（緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）など）のスポット（５）と、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）リンカー（３）を使用して固定化された固定化プローブ（４）とを含む生体分子界面層（１０）が塗布された電極のアレイ（２）を備えた（ガラスまたはプラスチック）基板（１）の図である。
【図10】[00101]溶液のｐＨの変化に応じた、ＰＥＧコーティングされたＩＴＯに共有結合したＧＦＰの蛍光強度の変化を示す図である。溶液のｐＨは、希リン酸塩バッファーにＨＣｌを添加して調整した（ｐＨ７．４）。
【図11】[00102]０．１ＭのＮａ２ＳＯ４を含有する希リン酸塩バッファー（ｐＨ＝７．４）中での酸化還元活性分子２－メチル－１，４－ジヒドロキノンの電流駆動酸化によってもたらされる、ＩＴＯ作用電極表面のｐＨ変化を示す図である。１０秒間の誘導後、電流（５０マイクロアンペア）を３０秒間印加すると、ＧＦＰ蛍光強度の変化によって観察されたように、溶液のｐＨが５．５に低下した（図１０が、ｐＨ値を評価するための検量線として使用される）。電流をオフにした後、ｐＨは５０秒以内に中性値に回復した。
【図12】[00103]図１２Ａは、ｐＨ調節実験の前、その間、およびその後のＧＦＰスポットにおける視覚的変化を示す図である。図１２Ａでは、スポットにわたる蛍光強度のプロファイルが示される。図１２Ｂでは、電極に電流を印加する前（０秒）、その間（４０秒）、およびその後（１１０秒）のＧＦＰスポットの蛍光強度の変化が示される。
【図13】[00104]透明なＩＴＯ電極に連動したＡＳＩＣチップを有するスライドガラスを示す図である。
【図14】[00105]本発明の一例示的実施形態による、気泡検出および／またはｐＨ制御のための系のブロック図である。
【図15】[00106]本発明の一例示的実施形態による、例示的電極アレイの上面図である。
【図16】[00107]本発明の例示的実施形態による、様々な電極形状を示す図である。
【図17】本発明の例示的実施形態による、様々な電極形状を示す図である。
【図18】[00108]本発明の一例示的実施形態による、データ処理能力を有するスライドを示す図である。
【図19】本発明の一例示的実施形態による、データ処理能力を有するスライドを示す図である。
【図20】本発明の一例示的実施形態による、データ処理能力を有するスライドを示す図である。
【図21】[00109]本発明の一例示的実施形態による、電気化学的活性剤を電極上のバルク溶液に溶解させた生物学的バッファーを含む電気化学的ｐＨ生成系を示す図解であり、ｐＨの変化は、バルク溶液の緩衝作用により電極表面近傍に限定される。
【図22-1】[00110]本発明の一例示的実施形態による、生体溶液中のｐＨ生成に使用され得るハイドロキノンおよびベンゾキノンの構造を示す図である。
【図22-2】[00110]本発明の一例示的実施形態による、生体溶液中のｐＨ生成に使用され得るハイドロキノンおよびベンゾキノンの構造を示す図である。
【図22-3】[00110]本発明の一例示的実施形態による、生体溶液中のｐＨ生成に使用され得るハイドロキノンおよびベンゾキノンの構造を示す図である。
【図23】[00111]本発明の例示的実施形態による、タンパク質の安定性に対するベンゾキノンの置換の効果を明確に示す図である。
【図24】[00112]本発明の例示的実施形態による、バッファー溶液中の置換キノンの矩形波ボルタモグラム（対Ａｇ／ＡｇＣｌ）を示す図である。
【図25-1】[00113]置換ハイドロキノンおよびベンゾキノンの合成ステップを示す図である。
【図25-2】[00113]置換ハイドロキノンおよびベンゾキノンの合成ステップを示す図である。
【図26】[00114]本発明の一例示的実施形態による、電極近傍の溶液のｐＨを維持するために使用される開ループ波形を示す図である。
【図27】[00115]本発明の例示的実施形態による、ｐＨ制御のための波形整形の例を示す図である。
【図28】[00116]本発明の一例示的実施形態による、ｐＨの関数としてのＰＡＮＩコーティングされた表面の開回路電位の応答を示す図であり、６０ｍＶ／ｐＨはネルンスト限界に近い。
【図29】[00117]図２９Ａは、本発明の一例示的実施形態による、単一のＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴを用いた閉ループフィードバック法の使用による感知電極（ＳＥ）上で制御されたＯＣＰを示し、図２９Ｂは、本発明の一例示的実施形態による、定義されたＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴの上限値および下限値を用いた閉ループフィードバックの使用によるＳＥ上で制御されたＯＣＰの実験結果を示す図である。
【図30】[00118]、本発明の一例示的実施形態による、作用電極（ＷＥ）に電位を印加することにより感知電極（ＳＥ）によって測定された開回路電位電圧で表される、溶液のｐＨを制御するためのクローズドルックフィードバック法（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｋ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｅｔｈｏｄ）の実験結果を示す図である。
【図31】[00119]本発明の一例示的実施形態による開ループの概略図であり、Ａ部では、制御された電流源が使用され、Ｂ部では、制御された電圧源が使用される。
【図32】[00120]本発明の一例示的実施形態による、閉ループ単一制御電流源を示す図である。
【図33】[00121]本発明の一例示的実施形態による、閉ループ二重制御電流源を示す図である。
【図34】[00122]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた感知電極を有する閉ループ単一制御電流源を示す図である。
【図35】[00123]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた感知電極を有する閉ループ二重制御電流源を示す図である。
【図36】[00124]本発明の一例示的実施形態による、組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ単一制御電流源を示す図である。
【図37】[00125]本発明の一例示的実施形態による、組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電流源を示す図である。
【図38】[00126]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ単一制御電流源を示す図である。
【図39】[00127]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電流源を示す図である。
【図40】[00128]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた感知電極を有する閉ループ単一制御電位源を示す図である。
【図41】[00129]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた感知電極を有する閉ループ二重制御電位源を示す図である。
【図42】[00130]本発明の一例示的実施形態による、組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ単一制御電位源を示す図であり、フィードバック制御されたＰｈｉ１およびＰｈｉ２スイッチは、ＷＥ電位入力およびＳＥ測定出力用である。
【図43】[00131]本発明の一例示的実施形態による、組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電位源を示す図であり、フィードバック制御されたＰｈｉ１およびＰｈｉ２スイッチは、ＷＥ電位入力およびＳＥ測定出力用である。
【図44】[00132]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ単一制御電位源を示す図であり、フィードバック制御されたＰｈｉ１およびＰｈｉ２スイッチは、ＷＥ電位入力およびＳＥ測定出力用である。
【図45】[00133]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングされた組み合わされた作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電位源を示す図であり、フィードバック制御されたＰｈｉ１およびＰｈｉ２スイッチは、ＷＥ電位入力およびＳＥ測定出力用である。
【図46】[00134]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングおよびアナログコントローラアーキテクチャを有する、分離した作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電流源を示す図である。
【図47】[00135]本発明の一例示的実施形態による、ＰＡＮＩコーティングおよびデジタルコントローラアーキテクチャを有する、分離した作用電極および感知電極を有する閉ループ二重制御電流源を示す図である。また、Ａ部では、本発明の一例示的実施形態による、閉ループフィードバック制御のためのアナログシグナル処理を有するコントローラアーキテクチャ設計が示され、Ｂ部では、本発明の一例示的実施形態による、閉ループフィードバック制御のためのデジタルシグナル処理を有するコントローラアーキテクチャ設計が示されており、このアーキテクチャは、図３２～４５に示されるコントローラ概略図に適用可能である。
【図48】[00136]図４８Ａは、本発明の例示的実施形態による、ｐＨ感知用の電位電極構成（ルーティングは図示せず）を示す図である。図４８Ｂは、本発明の例示的実施形態による、ｐＨ感知用の電位電極構成（ルーティングは図示せず）を示す図である。図４８Ｃは、本発明の例示的実施形態による、ｐＨ感知用の電位電極構成（ルーティングは図示せず）を示す図である。図４８Ｄは、本発明の例示的実施形態による、ｐＨ感知用の電位電極構成（ルーティングは図示せず）を示す図である。
【図49】[00137]本発明の一例示的実施形態による、フィードバック制御オプションを有する多電極アレイを示す図であり、このアレイでは、固有の目標ｐＨ値および時間制御スキームのために作用電極、感知電極、参照電極、および対電極を有する各電極セットが個別に制御され、参照電極および対電極は、複数の電極セットで共有され得る。
【図50】[00138]本発明の一例示的実施形態による、フィードバック制御セクションおよびフィードバック非制御セクションの両方を有する多電極アレイを示す図である。フィードバック制御セクションは、作用電極、参照電極、対電極、および感知素子から構成される１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含有する。参照電極および対電極は、複数の電極セットで共有され得る。各フィードバック制御セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。各目標ｐＨ値用に、フィードバック非制御セクション中に、やはり同一の目標ｐＨ値に割り当てられている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットがある。フィードバック非制御電極セットの作用電極の形状およびサイズが、フィードバック制御電極セットの作用電極の形状およびサイズと類似している場合、フィードバック制御セクションから得られた電気的パラメータは、フィードバック非制御セクションの作用電極に直接適用され得る。この構成は、より簡単なデバイスアーキテクチャで同一のレベルの制御を得るのに役立つ。
【図51】[00139]フィードバック制御電極セットが基板全体に配置され、フィードバック非制御電極セットの間に分散している多電極アレイを示す図である。フィードバック制御電極セットは、フィードバック非制御電極セットの間に一定のパターンで配置されてもよく、かつ／またはランダムに配置されてもよい。フィードバック制御電極セットは、作用電極、参照電極、対電極、および感知素子から構成される。参照電極および対電極は、複数の電極セットで共有され得る。各フィードバック制御電極セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。各目標ｐＨ値用に、やはり同一の目標ｐＨ値に割り当てられている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットがある（ｐＨ結合）。この構成は、より簡単なデバイスアーキテクチャで同一またはより高いレベルの制御を得るのに役立つ。場合によっては、この構成により、フィードバック制御電極セットがそれぞれのｐＨ結合フィードバック非制御電極セットに囲まれている場合など、異なる目標ｐＨ値を有する隣接する作用電極からの感知電極への影響を最小限にすることができる。
【図52】[00140]本発明の一例示的実施形態による、閉ループ制御による酸化還元活性種（この例ではキノン）の酸化／還元を介する、溶液のｐＨを調節する概略図である。
【図53】[00141]本発明の一例示的実施形態による、酸化インジウムスズ電極上の１ｍＭリン酸塩バッファー中のキノンの酸化／還元を介する溶液のｐＨ変化の例を示す図である。ｐＨ値は、表面にパターン化された事前校正酸化イリジウム感知電極によって決定された。閉ループ制御により、目標ｐＨ値を正確かつ迅速に達成した。
【図54】[00142]図５４Ａは、本発明の一例示的実施形態による、外部対電極および参照電極を有するｐＨ制御デバイスの設定を示す図である。図５４Ｂは、本発明の一例示的実施形態による、基板上に対電極および参照電極を有するｐＨ制御デバイスの設定を示す図である。デバイスは、個々に制御される１つまたは複数の作用電極および感知素子を有し得る。
【図55】[00143]図５５Ａは、本発明の一例示的実施形態による、ｐＨ制御電極設計の例を示す図である。図５５Ｂは、本発明の一例示的実施形態による、ｐＨ制御電極設計の例を示す図である。図５５Ｃは、本発明の一例示的実施形態による、ｐＨ制御電極設計の例を示す図である。図５４Ｄは、本発明の一例示的実施形態による、ｐＨ制御電極設計の例を示す図である。作用電極および感知電極は、用途に応じて様々な種類の形状およびサイズを有し得る（図Ａおよび図Ｂ）。感知電極は、作用電極と同一平面上に配置してもよく（図Ｃ）、または中間に絶縁層を設けて作用電極の上に配置してもよい（図Ｄ）。対電極は、作用電極の周囲にパターン化することができ、これにより拡散効果が最小限に抑えられ、より明確な物理空間内でｐＨを制御するのに役立つ（図Ｅ）。
【発明を実施するための形態】
【0082】
[00144]本開示は、ｐＨの電子的な制御に関連する問題に対処するための閉ループ制御を提供する。個々に対処可能な電極の高密度アレイにおける閉ループのいくつかの実施態様が本開示に記載されている。アレイフォーマットにおける電極表面付近のｐＨまたはイオン勾配を調節するためのデバイスおよび方法が本明細書に開示されている。個々の作用電極のそれぞれは、オンデマンドフォーマット内の表面の近傍の小さな物理的空間内において、電気化学的にｐＨ変化を誘発することができる。電気的な構成は、１つまたは複数の作用電極、感知電極等のｐＨ感知素子、対電極、および参照電極で構成されていてもよい。対電極および参照電極は、複数の作用電極および感知素子により共有されていてもよい。ｐＨ調節試薬は、電気化学的に酸化または還元されることで、表面からナノメートル～マイクロメートルの距離を包含するｐＨ調節ゾーンを生じさせる。作用電極の電気的な出力パラメータは、より高速かつ高精度なｐＨ制御を達成するための感知素子からのフィードバックに基づいて調節することができる。
【0083】
[00145]マルチサイトアレイにおけるｐＨまたはイオン濃度勾配を変動させることを目的とした、
支持体と、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含む、電極のアレイとを含むデバイスであって、
上記フィードバック制御電極セットが、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、
上記参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている、デバイスが提供される。
上記デバイスは、下記：
ａ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、それぞれの作用電極に印加する電流および／または電圧の量を選択するステップと、
ｂ）選択された電流および／または電圧の量をそれぞれの作用電極に印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップと、
ｃ）感知素子のシグナル出力を測定するステップと
を繰り返し実施するように構成されている。
支持体と、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットを含む、電極のアレイとを含むデバイスであって、
上記フィードバック制御電極セットが、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、
上記参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている、デバイスが提供される。
上記デバイスは、下記：
ａ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、それぞれの作用電極に印加する電流および／または電圧の量を選択するステップと、
ｂ）選択された電流および／または電圧の量をそれぞれの作用電極に印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させるステップと、
ｃ）感知素子のシグナル出力を測定するステップと
を繰り返し実施するように構成されている。
【0084】
[00146]上記デバイスは、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットをさらに含み、上記フィードバック非制御電極セットが、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
参照電極、および／または対電極が、少なくとも１つの作用電極と電気的に連結されており、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まず、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの全てがデバイスの１つのセクション内に含まれており、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットの全てがデバイスの物理的に分離した第２のセクション内に配置されている、または
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、２つ以上のフィードバック非制御電極セット間に散在しており、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットと電気的に連結されており、
連結された１つまたは複数のフィードバック制御電極セットおよび１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、
フィードバック制御電極セットの１つまたは複数の作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧の量を、連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加するように構成されているデバイスである。
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極
を含み、
参照電極、および／または対電極が、少なくとも１つの作用電極と電気的に連結されており、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まず、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットの全てがデバイスの１つのセクション内に含まれており、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットの全てがデバイスの物理的に分離した第２のセクション内に配置されている、または
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、２つ以上のフィードバック非制御電極セット間に散在しており、
１つまたは複数のフィードバック制御電極セットが、１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットと電気的に連結されており、
連結された１つまたは複数のフィードバック制御電極セットおよび１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、
フィードバック制御電極セットの１つまたは複数の作用電極に印加された、選択された電流および／または電圧の量を、連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加するように構成されているデバイスである。
【0085】
[00147]さらに本明細書には、
溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されているフィードバック制御電極セットを含むデバイスを得るステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、作用電極のそれぞれに印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法が開示されている。
溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）１つまたは複数の参照電極、１つまたは複数の対電極、および作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されているフィードバック制御電極セットを含むデバイスを得るステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、作用電極のそれぞれに印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法が開示されている。
【0086】
[00148]さらに本明細書には、
溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）デバイスを得るステップであって、上記デバイスは、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック制御電極セット、ならびに
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極を含み、参照電極、および／または対電極が、作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されているフィードバック制御電極と電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セット
のアレイを含み、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まないステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、１つまたは複数のフィードバック制御電極セット作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれ、および１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットに連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法が開示されている。
溶液のｐＨを制御する方法であって、上記方法が、
ａ）デバイスを得るステップであって、上記デバイスは、
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
作用電極と電気的に連結されているｐＨ感知素子を含む１つまたは複数のサブセットを含み、参照電極および／または対電極が、少なくとも１つのサブセットと電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック制御電極セット、ならびに
１つまたは複数の参照電極、
１つまたは複数の対電極、および
１つまたは複数の作用電極を含み、参照電極、および／または対電極が、作用電極の少なくとも１つと電気的に連結されているフィードバック制御電極と電気的に連結されている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セット
のアレイを含み、
上記１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが、ｐＨ感知素子を含まないステップと、
ｂ）目標ｐＨを有する溶液中の感知素子からの１つまたは複数のシグナル出力に基づき、感知素子の目標感知値を選択するステップと、
ｃ）下記：
ｉ）感知素子のシグナル出力と目標感知値との差を最小限にするように、１つまたは複数のフィードバック制御電極セット作用電極のそれぞれに印加する電流および／または電圧の量を選択する工程、
ｉｉ）選択された電流および／または電圧の量を、１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットの作用電極のそれぞれ、および１つまたは複数の連結されたフィードバック制御電極セットに連結されたフィードバック非制御電極セットの１つまたは複数の作用電極にも印加して、作用電極の近傍の溶液のｐＨを変化させる工程、および
ｉｉｉ）感知素子のシグナル出力を測定する工程
を繰り返し実施するステップと
を含む方法が開示されている。
【0087】
[00149]上記方法は上述のデバイスを利用するものであってもよい。
[00150]上述の方法において、および上述のデバイスの使用により、化合物のライブラリを作成するためのバイオセンサーもしくはリアクター等のマルチサイトアレイ、または化合物を大量に高速で生産するためのリアクターの内部等の各種作用電極サイトにおいて局所的なｐＨまたはイオン濃度勾配を実現させることができる。非限定的な例として、電極において、特にバイオセンサーのマルチサイトアレイのサブセット上の生体分子の界面層における生体分子のプローブ等のプローブの近傍における局所的なｐＨおよび／またはイオン濃度勾配の多様性は、生体サンプルから検査されるプローブと分析物との結合効率を調節することを可能とする。対象分析物は、プローブと結合した場合に、例えば標識された二次抗体等の検出物質を使用して検出することができる。マルチサイトアレイのサブセットにおける結合効率の調節は、対象分析物を正確に測定する方法を提供する。
[00150]上述の方法において、および上述のデバイスの使用により、化合物のライブラリを作成するためのバイオセンサーもしくはリアクター等のマルチサイトアレイ、または化合物を大量に高速で生産するためのリアクターの内部等の各種作用電極サイトにおいて局所的なｐＨまたはイオン濃度勾配を実現させることができる。非限定的な例として、電極において、特にバイオセンサーのマルチサイトアレイのサブセット上の生体分子の界面層における生体分子のプローブ等のプローブの近傍における局所的なｐＨおよび／またはイオン濃度勾配の多様性は、生体サンプルから検査されるプローブと分析物との結合効率を調節することを可能とする。対象分析物は、プローブと結合した場合に、例えば標識された二次抗体等の検出物質を使用して検出することができる。マルチサイトアレイのサブセットにおける結合効率の調節は、対象分析物を正確に測定する方法を提供する。
【0088】
[00151]別の非限定的な例としては、デバイスおよび方法は、反応工程の複数のラウンドでｐＨ値を変化させるために使用することができ、それらのいくつかは、アレイ内の特定的に選択された電極に明確なｐＨ値を割り当てることを要する。反応工程の複数ラウンドに関する反応の非限定的な例には、ペプチドおよび核酸等のポリマーのライブラリアレイの作成が含まれる。
【0089】
[00152]さらに別の非限定的な例としては、デバイスおよび方法は、１つまたは複数のエリアのｐＨを連続的に、または１回または複数回視覚化させるのに使用してもよい。
[00153]上記デバイスは、フィードバック制御電極セットのマルチサイトアレイを含むことが好ましい。上記マルチサイトアレイは、多くの異なる検査サイト、反応サイト、または異なるフィードバック制御電極セットサイトにおいてｐＨを変動させるための他の方法を含むことが好ましい。各サイトは、（生体分子の）プローブを使用した（生体分子の）分析物の検出を通じて生体サンプルから（生体分子の）分析物の分析を実施するためのサイトを表し得る。フィードバック制御電極セットのそれぞれにおける各サイトにおける分析条件は、（生体分子の）分析物を正確に測定するために（生体分子の）分析物の濃度を測定することを可能とする複数の方程式および複数の未知数を導く多様なシグナルの一群を得るために変更してもよい。各サイトはまた、異なるｐＨ要件を有する１つまたは複数の異なる工程を要する異なる化学反応を実施するためのサイトを表し得る。フィードバック制御電極セットのそれぞれにおける各サイトにおける分析条件は、タンパク質ライブラリ、核酸ライブラリ、または有機化合物ライブラリ等の化学物質のライブラリの作成につながる多様な化学反応の生成物の一群を得るために変更してもよい。
[00153]上記デバイスは、フィードバック制御電極セットのマルチサイトアレイを含むことが好ましい。上記マルチサイトアレイは、多くの異なる検査サイト、反応サイト、または異なるフィードバック制御電極セットサイトにおいてｐＨを変動させるための他の方法を含むことが好ましい。各サイトは、（生体分子の）プローブを使用した（生体分子の）分析物の検出を通じて生体サンプルから（生体分子の）分析物の分析を実施するためのサイトを表し得る。フィードバック制御電極セットのそれぞれにおける各サイトにおける分析条件は、（生体分子の）分析物を正確に測定するために（生体分子の）分析物の濃度を測定することを可能とする複数の方程式および複数の未知数を導く多様なシグナルの一群を得るために変更してもよい。各サイトはまた、異なるｐＨ要件を有する１つまたは複数の異なる工程を要する異なる化学反応を実施するためのサイトを表し得る。フィードバック制御電極セットのそれぞれにおける各サイトにおける分析条件は、タンパク質ライブラリ、核酸ライブラリ、または有機化合物ライブラリ等の化学物質のライブラリの作成につながる多様な化学反応の生成物の一群を得るために変更してもよい。
【0090】
[00154]可視化、分析物の濃度の検査などのために、得られた多様なシグナルにおける複数の未知数はそれぞれ、結合効率係数αｉｊに比例する項、および検査サイトで検出された生体試料結合中の各種分子の濃度を含む。複数の未知数を含む複数の方程式は、例えば、以下のように表すことができる。
【0091】
【数1】
【0092】
（式中、Ｃａｎは、目標生体分子分析物濃度に対応し、Ｃｊ１、Ｃｊ２、Ｃｊ３は、分子の全濃度に対応し、バックグラウンドシグナルにおいて異なる項目をもたらし、その複数の等式の集合から、目標生体分子分析物の濃度が決定され得る）。
【0093】
[00155]フィードバック制御電極セットの数、および各フィードバック制御電極セット内のサイトの数は、必要に応じて変えることができる。これらの分析条件のいくつかは、例えば温度、せん断応力、および圧力などのパラメータを含む。例えば、生体分子プローブと生体試料中の目的の分析物が相互作用する、または反応が起こる溶液の温度は、検査サイトの電磁熱を利用して変えることができる。生体分子プローブと目的の分析物の相互作用または反応のための別の重要な条件は、ｐＨまたはイオン濃度である。本明細書に記載の方法およびデバイスは、例えば生体分子プローブ近傍の結合効率または反応物近傍の反応速度に影響を与えるために、サイトの局所環境において、このｐＨまたはイオン濃度を調節する。
【0094】
[00156]本明細書に開示されるデバイスの非限定例として、マルチサイトアレイの各サイトは、１つまたは複数の電極および／またはｐＨセンサーが配置される支持体を含むことができる。生体分子プローブまたは反応物は、同様に表面上に固定化または結合され得る。このようにプローブまたは反応物を固体表面または支持体に固定化することは、分析方法に必要なプローブまたは反応物の量を減らすことを助け、また検出／反応領域を局限して正確な測定を行い、および／または異なる反応サイトへのブリードを減少させる。プローブおよび／または反応物は、（図３、４、および５２に示す）シリコン、ガラス、金属および半導体材料などの支持体および／または電極の固体表面に付着させることができる。
【0095】
[00157]プローブおよび／または反応物は、（図４に示す）生体分子界面層内の支持体および／または電極上に付着または固定化することができる。生体分子層は、固定化ポリマーの層、好ましくはシラン固定化ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含むことができる。表面固定化ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）は、生体分子分析物および／または反応物の表面への非特異的吸着を防止するために使用され得る。表面固定化ＰＥＧの少なくとも一部は、コンジュゲート可能なＮ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）エステル、マレイミド、アルキン、アジド、ストレプトアビジンまたはビオチンなどの末端官能基を含むことが可能である。プローブおよび／または反応物は、表面固定化ＰＥＧとコンジュゲートすることにより、固定化され得る。ｐＨを変化させるために使用される方法は、例えば固体支持体の表面へのＰＥＧの共有結合、または（図５に示す）プローブもしくは反応物をＰＥＧにコンジュゲートしたリンカーを損なわないことが重要である。本明細書に記載のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法は、プローブおよび／または反応物の環境におけるｐＨ／イオン濃度変化に影響を与えながら、これらの表面化学を保護することができる。
【0096】
[00158]好適な生体分子プローブは、目的の分析物が特定の親和性を有する、炭水化物、タンパク質、糖タンパク質、グリココンジュゲート、核酸、細胞、またはリガンドであり得る。このようなプローブは、例えば、抗体、抗体フラグメント、ペプチド、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡオリゴヌクレオチド、ＲＮＡオリゴヌクレオチド、脂質、細胞表面の糖タンパク質および糖脂質と結合するレクチン、糖、アゴニスト、またはアンタゴニストであり得る。具体的な例としては、生体分子プローブは、例えば生体試料中に存在する抗原と相互作用するタンパク質抗体であり、抗原は目的の生体分子分析物である。
【0097】
[00159]本明細書に記載の分析方法において、生体試料中の目的の分析物は、例えばタンパク質、例えば抗原もしくは酵素またはペプチド、細胞全体、細胞膜の成分、核酸、例えば、ＤＮＡもしくはＲＮＡ、またはＤＮＡオリゴヌクレオチド、もしくはＲＮＡオリゴヌクレオチドであり得る。
【0098】
[00160]好適な反応物は、非限定例として、炭水化物、タンパク質、糖タンパク質、グリココンジュゲート、核酸、ヌクレオチド、アミノ酸、またはさらなる反応物が反応して所望の生成物または中間体を生成し得る別の有機化学前駆体であり得る。このような反応物質は、非限定例として、ペプチド、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡオリゴヌクレオチド、ＲＮＡオリゴヌクレオチド、脂質、または糖であり得る。
【0099】
[00161]本明細書で提供されるデバイスを含むバイオセンサーは、生体試料中の目的の生体分子分析物を決定するための分析方法で使用することができ、この分析物は、例えば、タンパク質、例えば抗原もしくは酵素またはペプチド、細胞全体、細胞膜の成分、核酸、例えば、ＤＮＡもしくはＲＮＡ、またはＤＮＡオリゴヌクレオチド、もしくはＲＮＡオリゴヌクレオチドであり得る。
【0100】
[00162]このような方法では、マルチサイトアレイバイオセンサーにおける種々の検査サイトにおいて、局所的なｐＨまたはイオン濃度勾配を得ることができる。作用電極、特に生体分子界面層の（生体分子）プローブの近傍における、局所的なｐＨおよび／またはイオン濃度勾配の、バイオセンサーのマルチサイトアレイのサブセットにわたる変動は、（生体分子）プローブと生体試料からの検査すべき分析物との結合効率を調節することを可能にする。目的の分析物は、（生体分子）プローブに結合すると、次に、例えば標識された二次抗体などの検出剤を用いて検出され得る。マルチサイトアレイのサブセットにおける結合効率の調節は、このような目的の分析物の正確な測定を実現する。
【0101】
[00163]本明細書で提供されるデバイスを含む反応容器は、化合物のライブラリを製造するための分析方法において使用することができ、化合物は、例えばタンパク質、例えばペプチド、または核酸、例えば、ＤＮＡもしくはＲＮＡ、ＤＮＡオリゴヌクレオチド、ＲＮＡオリゴヌクレオチド、またはタンパク質と核酸のコンジュゲート、または有機化合物、例えばポリマーまたは医薬であり得る。
【0102】
[00164]このような方法では、マルチサイトアレイにおける種々のサイトにおいて、局所的なｐＨまたはイオン濃度勾配を得ることができる。作用電極、特に生体分子界面層中の（生体分子）プローブまたは表面に結合した反応物の近傍における、局所的なｐＨおよび／またはイオン濃度勾配の、マルチサイトアレイのサブセットにわたる変動は、（生体分子）プローブと生体試料からの検査すべき分析物との結合効率の調節または反応物の反応速度の調節を行うことを可能にする。いくつかの場合において、目的の分析物は、（生体分子）プローブに結合していれば、次に、例えば標識二次抗体などの検出剤を用いて検出することができる。マルチサイトアレイのサブセットにおける結合効率の調節は、このような目的の分析物の正確な測定を実現する。いくつかの場合において、作用電極の近傍で促進される反応から生成される目的の生成物は、さらなる反応によって表面から放出され得る。
【0103】
[00165]電極はそれぞれ、例えば金属酸化物、ガラス状炭素、グラフェン、金属、金、銀、白金、導電性ポリマー、塩化銀、通常水素、水銀滴、飽和カロメル、またはこれらの組合せなどの、デバイスの意図する目的に適した任意の電極であってよい。バイオセンサーの場合、電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、金、銀電極、またはそれらの組合せを含み得る。好ましい実施形態では、本明細書に記載の方法におけるバイオセンサーの電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極である。
【0104】
[00166]ｐＨ感知素子は、ｐＨを感知するのに適した任意の素子であってよく、例えば、電界効果トランジスタ、ポリマー半導体、金属電極、無機電極、有機電極、およびポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、酸化インジウムスズ、イオン選択性ポリマーを含むｐＨ感受性被覆材料を含む１つまたは複数の電気部品の組合せによって形成され得る。いくつかの場合において、各サイトのｐＨは、ｐＨ感受性蛍光タンパク質の蛍光強度によって決定される。
【0105】
[00167]作用電極に接触する溶液は、デバイスの意図された目的に適した任意の溶液、例えば、バッファー溶液、非バッファー溶液、水溶液、有機溶液、またはそれらの混合物であってよい。いくつかの場合において、溶液は、１つまたは複数の酸化還元活性種を含有する。酸化還元活性種は、キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せなどの、デバイスの意図された目的に適した任意の種であってよい。溶液は、水、バッファー阻害剤、プローブ、標的、反応物、懸濁粒子、レポーティング分子、酵素、基質、細胞、ウイルス、溶媒、共溶媒、触媒などを含むことができる。いくつかの場合において、溶液は生物学的試料である。いくつかの場合において、溶液は、緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）などのｐＨ感受性蛍光タンパク質を含有する。いくつかの場合において、溶媒または共溶媒は、水、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、および／またはＮ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）である。いくつかの場合において、溶液は、リン酸塩バッファーなどのバッファーを含有する。いくつかの場合において、溶液は、電解質、例えば塩、例えば、硫酸ナトリウム、塩化ナトリウム、または塩化カリウムを含有する。いくつかの場合における溶液中の水の量は、０．０００１重量％～１００重量％、例えば、０．００１、０．０１、０．１、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、９９、９９．９重量％、またはその任意の範囲もしくは百分率もしくはそれらの間であってよい。
【0106】
[00168]支持体は、デバイスの意図された目的に適した任意の支持体、例えば、パターン化された電極を有し得る材料であってよい。表面は、ガラススライド、プラスチック基板、シリコンウエハ、ガラスウエハ、石英ウエハ、軟質プラスチックシート、ポリマー層、紙、またはそれらの混合物などの材料であってよい。支持体は、その上またはその中に、１つまたは複数の電極、センサー、電磁石、１つまたは複数の固定化検出剤、プローブ、反応物、酵素、細胞、触媒、細胞、ウイルス、基質、レポーティング分子（ｒｅｐｏｒｔｉｎｇ ｍｏｌｅｃｕｌｅ）等を有する界面層を含有し得る。いくつかの場合において、表面は、緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）などのｐＨ感受性蛍光タンパク質をその上に固定化したものである。いくつかの場合において、支持体はＰＥＧでコーティングされている。表面およびその上または中に含有される物は、異なる標的または生成物の検出を容易にするために、サイトごとに異なっていてもよい。
【0107】
[00169]生体分子分析物は、任意の好適な検出方法を用いて検出され得る。そのような分析物の既知の検出方法は、発光、蛍光、比色法、電気化学的方法、インピーダンス測定、または磁気誘導測定を含む。このような方法の多くでは、分析物が固定化生体分子プローブに結合し、例えば、固定化プローブに結合した、分析物に特異的に結合する二次標識プローブなどの検出剤が導入される。この検出剤または二次標識プローブは、例えば発光または蛍光などの検出可能なシグナルを生じさせることができる。
【0108】
[00170]生体分子プローブの検出および化学反応などの分析法では、生体分子プローブまたは反応物を取り囲む溶液のｐＨが、プローブおよび分析物の間の結合／活性または反応速度に大きく影響することが知られている。また、他のイオンの濃度もまた、結合／活性／反応に大きな影響を与えることがある。本明細書では、作用電極に近いプローブまたは反応物の近傍のｐＨおよび／またはイオン濃度を調節するデバイスおよび方法が提供される。作用電極近傍のｐＨの調節はまた、プローブまたは意図された反応物以外の他の分子に対する分析物および反応物の非特異的相互作用、および溶液中の他の分子とプローブ、分析物、または反応物との相互作用にも影響を与え得る。しかしながら、ｐＨまたはイオン濃度の調節は、生体分子プローブまたは反応物をマルチサイトアレイのあるサイトで固体支持体に固定化するような表面化学のいずれをも損なわないように制御され得る。本明細書に記載のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法は、プローブまたは反応物の環境におけるｐＨ／イオン濃度変化に影響を与えながら、これらの表面化学を保護することができる。
【0109】
[00171]本明細書に記載の方法を実施する際に、表面化学の適合性を考慮することができる。ｐＨ変化は、水素イオンまたはヒドロキシルイオン濃度の変化によって引き起こされる。図５に示す通り、電極－液体、電極－クロスリンカー、クロスリンカー－タンパク質、およびタンパク質－タンパク質界面で行われる様々な化学反応も、固体表面近傍で起こるｐＨ変化がその上のプローブまたは反応物に到達するための障害となり得る。これらはイオンの拡散障壁として作用し、プローブ、分析物、および反応物周辺のｐＨ変化を阻害し得る。本明細書に記載されたｐＨまたはイオン濃度を調節するこれらの方法は、水素またはヒドロキシルイオン濃度の変化を最大化し、表面化学によって課された拡散の障害を克服できるようにすることに役立つ。
【0110】
[00172]別の重要な観点は、固体界面と接触している溶液のバッファー能である。バッファー作用は、界面でのｐＨ変化が、そこから離れて固定化されているプローブまたは反応物に決して到達しない程度に大きくてよい。この距離は、固体界面の上に堆積された界面層に基づいて変化し得る。そのような界面層は、３００ｎｍ以下、好ましくは１～１５０ｎｍ、さらに好ましくは５～１００ｎｍの厚さを有していてもよい。そのため、固体界面と界面層内のプローブまたは反応物との間の距離は、０．１～３００ｎｍの間であり得る。電極界面のｐＨ変化を拡張して相互作用するプローブ－分析物ペアまたは反応物に到達させる、溶液中または表面上のバッファー阻害剤の使用は、プローブおよび／または反応物の近傍のｐＨまたはイオン濃度の調節に寄与し得る。
【0111】
[00173]以下は、固液界面におけるｐＨ／イオン濃度を調節するための方法の例である。これらの方法は、１）電気化学的酸化／還元時に目的のイオン（例えば、Ｈ＋、Ｍｇ＋、ＯＨ－）を生成する溶液に電気化学的活性種を添加することによる、電極表面でのイオンの電気化学的生成；２）酵素を目的のサイトに近づけ、酵素と反応した酵素基質からそのような目的のイオンを放出させること；３）例えば、溶液（例えばリン酸塩）中のイオン拡散速度を選択的に低下させるポリマーを混合することによる、バッファー阻害剤の導入を含む。米国特許第７，９４８，０１５号は、小さな局所的なｐＨ変化を測定することを目的とする用途（例えば、ＤＮＡ配列決定）のための、このような阻害剤の使用を記載している。しかしながら、ｐＨを局所的に調節する方法において、局所的なｐＨ変化を電極－液体界面からさらに遠ざけるために、同様の阻害剤を使用することができ；４）静電気力による電極表面近傍の既存イオンの再分配ができる。
【0112】
[00174]本明細書に記載のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法の一実施形態では、マルチサイトアレイのサイトで電気化学的活性剤を溶液に添加し、サイトはプローブ、検出剤または反応剤を含む電気化学的活性剤を酸化または還元する界面層を有している。電気化学活性剤は、１ｎＭ～１００ｍＭの濃度で添加してもよく、好ましくは１０ｎＭ～１０ｍＭの濃度、より好ましくは１００ｎＭ～５ｍＭの濃度で添加してもよい。電気化学活性剤は、－２Ｖ～＋２Ｖ（対Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極）の範囲の電極電位で電気酸化または電気還元されてもよい。好ましくは、電極電位は－ＩＶ～＋１Ｖの範囲であり、さらに好ましくは、電極電位は－０．５Ｖ～＋０．５Ｖの範囲である。酸化還元反応の駆動に必要な電圧は、電極表面に生じたｐＨをモニターするためにリアルタイムフィードバック法として利用することができる。
【0113】
[00175]本明細書で提供されるデバイスは、各検査サイトでのｐＨを調節するために、溶液中のマルチサイトのこのようなアレイを含み得る。いくつかの場合において、このアレイは、生体試料中の目的の生体分子分析物の存在および濃度を決定するため、または多段階化学反応を促進するために使用される。このような使用において、デバイスは、リン酸塩バッファー、好ましくは０．１ｍＭ～１００ｍＭの濃度を有する希釈リン酸塩バッファーを含む溶液に接触し得る。好ましい実施形態では、希釈リン酸塩バッファーのｐＨは、５～８、好ましくは７～８、より好ましくは７～７．５である。
【0114】
[00176]１つまたは複数の作用電極における電気化学的反応による本明細書に記載のデバイス上のｐＨまたはイオン濃度の調節は、定電流モードまたは定電位モードで行われ得る。さらに、ｐＨを調節するための方法において、任意のタイプの電気パルスがデバイスの電極上に印加され得る。このようなパルスは、アニーリングパルス（ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｐｕｌｓｅ）の形態であることができ、パルス周波数、パルス幅、およびパルス形状によって変化することができる。アニーリングパルスでは、非共有結合分子がデバイスから除去されるようにｐＨを変化させるために十分な電圧が印加される。このようなアニーリングパルスは、非共有結合性物質を除去するために試料または反応物溶液との最初の接触後に基板を洗浄する必要性を排除または低減する。別の利点は、アニーリングパルスが、単純な洗浄よりも、デバイスからそのような非共有結合物質を除去するために効率的であり得ることである。ｐＨを調節するための好ましいパルス幅は、１ナノ秒～６０分の範囲である。
【0115】
[00177]溶液は、例えば硫酸ナトリウムなどの１つまたは複数の電解質、または他の任意の好適な強電解質をさらに含み得る。好ましくは、電解質は、硫酸ナトリウム、塩化ナトリウムまたはカリウム、臭化ナトリウムまたはカリウム、ヨウ化ナトリウムまたはカリウム、過塩素酸ナトリウムまたはカリウム、硝酸ナトリウムまたはカリウム、臭化テトラアルキルアンモニウムおよびヨウ化テトラアルキルアンモニウムから選択される。バッファー阻害剤もまた、溶液に使用することができる。好適なバッファー阻害剤は、ポリ（アリルアミン塩酸塩）、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）、ポリ（ビニルピロドン）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（ビニルアミン）、ポリ（４－ビニルピリジン）およびトリス（２－カルボキシエチル）ホスフィンヒドロクロリドから選択されてもよい。米国特許出願第１３／５４３，３００号に記載されたｐＨを調節する方法で使用する場合、水溶液は、好ましくは、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）およびそれらの混合物からなる群から選択される水混和性有機共溶媒をも含む。
【0116】
[00178]好適な電気化学的活性剤は、塩酸ドーパミン、アスコルビン酸、フェノールおよび誘導体、ベンゾキノンおよび誘導体、例えば、２，５－ジヒドロキシ－１，４－ベンゾキノン、２，３，５，６－テトラヒドロキシ－１，４－ベンゾキノンおよび２，６－ジクロロキノン－４－クロロイミド；ナフトキノンおよび誘導体、例えば、ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン、５，８－ジヒドロキシ－１，４－ナフトキノン、および１，４－ナフトキノン－２－スルホン酸カリウム；および９，１０－アントラキノンおよび誘導体、例えば、アントラキノン－２－カルボン酸ナトリウム、９，１０－アントラキノン－２，６－ジスルホン酸カリウムを含む。好ましくは、水溶液中の電気化学活性剤の濃度は、１ｎＭ～１００ｍＭである。
【0117】
[00179]溶液中のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法の別の実施形態では、酵素が界面層または磁性粒子に固定化される。界面層または磁性粒子はまた、その中またはその上に１つまたは複数の固定化生体分子プローブまたは反応物を有し得る。次に、酵素基質がマルチサイトアレイ内の特定のサイトで溶液に添加され、そのサイトは界面層を有し、酵素基質を酵素的に酸化する。
【0118】
[00180]界面層中または磁性マイクロ粒子もしくはナノ粒子への固定化に適した酵素は、例えば、オキシダーゼ、ウレアーゼ、またはデヒドロゲナーゼを含む。このような固定化オキシダーゼは、例えば、（図６に示す通り）グルコースとしての酵素基質を有するグルコースオキシダーゼであってよい。固定化酵素および酵素基質の添加量は、マルチサイトアレイの異なるサイトにおいて、マルチサイトアレイにおいてｐＨまたはイオン濃度勾配を与えるように変化させてよい。
【0119】
[00181]あるいは、酵素は、上記の方法のように固体表面に固定化され、界面層または磁性マイクロもしくはナノ粒子に固定化されるのではなく、マルチサイトアレイのサイトにおける溶液に添加される。電気分解により、酵素は電極表面で酸化還元反応を起こし、局所的なｐＨを不安定にさせる。
【0120】
[00182]これらの実施形態のそれぞれにおいて、ｐＨまたはイオン濃度は、溶液にバッファー阻害剤を添加することによってさらに調節され得る。このようなバッファー阻害剤の添加は、目的の生成イオンをプローブ、反応物、検出剤の位置まで拡散させることを補助するか、またはその添加がそのような生成イオンと緩衝塩との相互作用を阻害するかのいずれかである。あるいは、本明細書に記載のｐＨまたはイオン濃度を調節する方法において、バッファー阻害剤は、電気化学活性剤または固定化酵素の非存在下で、そのサイトの溶液に添加される。このような実施形態では、バッファー阻害剤は、溶液に添加され、サイト内の作用電極で生じるＨ＋イオンまたはＯＨ－イオンの拡散を促進するか、またはＨ＋イオンまたはＯＨ－イオンと緩衝塩との間の相互作用を阻害する。
【0121】
[00183]好適なバッファー阻害剤は、ポリ（塩酸アリルアミン）、ポリ（塩化ジアリルジメチルアンモニウム）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（ビニルアミン）、ポリ（４－ビニルピリジン）およびトリス（２－カルボキシエチル）ホスフィン塩酸塩から選択される可溶性ポリマーを含む。添加されるバッファー阻害剤の量は、マルチサイトアレイにｐＨまたはイオン濃度勾配を与えるように、マルチサイトアレイのサブセットのそれぞれの異なるサイトで変化させることができる。
【0122】
[00184]サイトのマルチサイトアレイ内のｐＨを調節する方法がバイオセンサーまたはリアクターで使用される場合、各サイトでのｐＨの調節の正確性、信頼性、および再現性が重要である。しかし、各サイトにおけるｐＨの調節は、その後の使用で変わり得る。試料中の目的の分析物の量を正確に決定するために、または上述のデバイスおよび方法を用いて反応条件を正確に調製するために、各サイトにおけるｐＨが正確に調節または制御される必要がある。本明細書で提供されるデバイスは、各サイトのｐＨを正確に決定し、制御することを可能にする。
【0123】
[00185]ｐＨセンサーは、ある電極に、その電極（作用電極）がマルチサイトアレイ内の特定のサイトでｐＨ調節を行うと、ｐＨを感知させる。一実施例では、蛍光タンパク質の蛍光強度がセンサーによって使用される。蛍光強度は、ｐＨの調節により変化し得る。蛍光タンパク質の蛍光強度の変化は、ｐＨの変化に比例し得る（例えば、ｐＨと蛍光強度の間に線形関係がある場合）。したがって、図１０にも示す通り、蛍光タンパク質の蛍光強度とｐＨとを相関させることにより、任意の時間における各位置のｐＨ値を容易に求めることができる。ｐＨと蛍光強度の相関の正確な校正は、デバイスの使用前または使用中に実行され得る。好ましくは、蛍光タンパク質は、緑色蛍光タンパク質、黄色蛍光タンパク質、およびシアン蛍光タンパク質から選択される。より好ましくは、蛍光タンパク質は、固定化された緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）である。代替的な実施形態では、ｐＨ感受性蛍光タンパク質の代わりに、ｐＨ感受性色素が使用されてもよい。別の代替的な実施形態では、ｐＨ感受性結合タンパク質が使用されてもよい。
【0124】
[00186]サイトのマルチサイトアレイにおいて、ｐＨセンサーは、電極によっても覆われた領域と電極で覆われていない領域とを表面上で覆うことができる。ｐＨセンサーによって覆われる電極は、作用電極または対電極のいずれかである。好ましくは、ｐＨセンサーは、図１２Ａに示す通り、各スポットが１つのサイトと電極で覆われていない領域のみと重なる、明確なスポットにおいて表面上に適用される。電極で覆われていない領域上にｐＨセンサーの存在は、ｐＨが電極によって調節されていないときにｐＨセンサー出力の決定を可能にする。このｐＨセンサー出力は、電極によるｐＨの調節を停止した後、ｐＨセンサー出力が元の強度に戻るかどうかを判断する際の基準および対照として使用することができる。したがって、電極上または電極近傍に配置されていないｐＨセンサーは、シグナル正規化のための内部基準として使用することができる。
【0125】
[00187]校正がデバイスの使用中に実施される場合、マルチサイトアレイ内の１つまたは複数のサイトは、ｐＨ相関に対するｐＨセンサー出力の校正に特化させることができる。ｐＨが電極（作用電極）によってそのようなサイトでもはや調節されないとき、ｐＨセンサー出力は、電極を通して電流が印加される前のその強度に戻ることができる。
【0126】
[00188]デバイスは、１つまたは複数の対電極と１つまたは複数の作用電極を含む。デバイスにおいて、１つまたは複数の電極は、マルチサイトアレイ内に配置することができ、マルチサイトアレイの各サイトは、作用電極および／または対電極を含むことができる。電極は、デバイスの意図された目的に適した任意の電極、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、金、または銀電極であってよい。好ましい実施形態では、デバイスの電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極である。代替実施形態では、作用電極は酸化インジウムスズ電極であり、対電極は酸化インジウム電極、金電極、白金電極、銀電極、および炭素電極から選択される。
【0127】
[00189]デバイスの電極は、ｐＨを調節するため、もしくは感知電極として、またはその両方として使用することができる。デバイスまたはデバイスを使用するバイオセンサーにおいて、１つまたは複数の電極は、ポゴピンを介して電子板に、ｚ軸接着剤を介してホイル上のチップに、または基板上のチップに接続することができる。電子板またはチップは、プリント電池、基板に結合された小型電池、基板上のコイルを用いた磁気結合電力伝送、または基板上のコイルを用いたＲＦ結合電力伝送によって電力を供給することができる。
【0128】
[00190]以下の説明は、特定の実施形態の例示であり、一般的な知識から理解されるように、説明の範囲内での変更が可能である。図９は、基板（１）、例えばガラスまたはプラスチックを含む、デバイスの一部の側面図を示す。１つまたは複数の電極（２）が基板（１）上を覆っており、基板（１）は生体分子界面層（１０）でも覆われている。生体分子界面層（１０）は、固定化ＰＥＧ（３）、固定化プローブ（４）、および緑色蛍光タンパク質スポット（５）の形態での固定化ｐＨ感受性蛍光タンパク質を含む。ＧＦＰスポット（５）は、電極（２）および電極で覆われていない領域と重なっている。電極（２）およびＧＦＰスポット（５）は、デバイス上に複数の検査サイトをもたらすように、マルチサイトアレイ内に配置される。
【0129】
[00191]発光分子自体の位置を直接制御することにより、発光分子により生成される発光シグナルの位置を制御することができる。この位置の制御は、例えば、発光分子を固定化することを含む。ただし、ｐＨ感受性発光分子で電極近傍の溶液のｐＨを制御する機能を組み込むことで、浮動性発光分子により生成される発光シグナルの位置を制御することも可能である。
【0130】
[00192]図１４は、本発明の例示的実施形態による、ｐＨを制御するための例示的システム１００を示す。図１４に示す例では、システム１００は、目的物質を含有する検査溶液が置かれる領域１１を含むスライド３０と、制御ユニット１２と、電源１４とを含む。スライド３０は、任意の電気的絶縁材料から形成されてもよい。例えば、ガラスは、この目的のために、かつ基板として機能するために、典型的に使用され、その上に領域１１、制御ユニット１２および電源１４が形成されるであろう。ガラスは、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から形成され得、場合によっては添加物が共に使用される。あるいは、他の種類のケイ酸塩ガラスが使用されてもよい。
【0131】
[00193]領域１１は、ｐＨを制御するために使用される電極のアレイを含む。例示的実施形態では、領域１１の電極の少なくともいくつかは、検査溶液のｐＨレベルを検出するために使用される。（例えば、前述した米国特許出願第１３／５４３，３００号は、バイオセンサーにおけるｐＨ調節のための電極の使用を記載しており、この調節は、本明細書で論じられる電極を用いて行われ得る）。
【0132】
[00194]図１５は、一組の列電極Ｘ０１～Ｘ１２が互いから規則的に間隔を空けて配置されている、例示的な電極アレイの上面図である。一組の列電極Ｙ０１～Ｙ０９もまた、規則的に間隔を空けて配置され、例えばガラスの介在層によって列電極Ｘ０１～Ｘ１２から分離されている。各電極は、ｐＨ調節に使用するための１つまたは複数の接触パッド３１、３２を含む。パッドの形状は可変であり、例示的実施形態では、実質的に正方形である。図１６は、例示的な正方形パッドの拡大図である。図１７は、パッドが互いにかみ合った構造を形成し、したがって枠形状である、代替的実施形態を示す。
【0133】
[00195]図１４に示される例では、制御ユニット１２は、電極アレイ１１に電気的に接続され、アレイ１１を制御してｐＨ調節を実行する。制御ユニット１２は、例えば、マイクロプロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であってよい。例示的実施形態では、制御ユニット１２は、例えばポゴピンを用いて、スライド３０に着脱可能に接続される電子回路板上に配置される。制御ユニット１２は、例えばチップオンガラスプロセスを使用して、硬質ガラス基板に直接接合されたパッケージ化チップ内に位置することができる。代替の例示的実施形態では、スライド３０は、軟質ホイル型基板で形成され、制御ユニット１２は、Ｚ軸接着剤を使用して、特定の液晶ディスプレイにおいてチップが接着される態様と同様の態様で、スライド３０に接着されて、チップオンホイルを形成する。制御ユニット１２は、例えば、本明細書に記載のｐＨ調節技術を実装するプログラムコードを含む非一時的コンピューター可読記憶媒体を含むことができる。ｐＨ調節に加えて、制御ユニット１２は、電極が他のタイプの感知を行うよう、または気泡検出などの他の感知構造、もしくはバイオセンサーの技術分野で公知である他の感知もしくは制御を制御するよう、制御することができる。
【0134】
[00196]例示的実施形態では、制御ユニット１２は、指定された電極に入力パルスを印加させる制御シグナルを送信する。静電容量および／またはｐＨ値は、いくつかの場合において、入力パルスに対する電極の応答に基づいて、制御ユニット１２で測定され得る。静電容量の測定は、自己静電容量（例えば、単一電極）または相互静電容量（例えば、２つの電極間）の測定値を利用するタッチスクリーンディスプレイの技術分野において公知である。いくつかの場合において、気泡検出もサポートするために、制御ユニット１２は、生命科学実験において静電容量を測定する典型的な制御ユニットの静電容量検出範囲よりも大きい静電容量検出範囲を有する。制御シグナルは、ｐＨ調節のための入力パルスを適用するために使用され得る。ｐＨ調節のための制御シグナルは、例えば、ｐＨ調節のために設計されたあらかじめ定義されたプログラムシーケンスに従って、制御ユニット１２によって開始され得る。あるいは、ｐＨ調節のための制御シグナルは、例えばデータ処理ユニット５０からのコマンドに応答して、外部的に開始される。一実施例では、制御ユニット１２は、測定値をアナログ形式からデジタル形式に変換することおよび／または測定値をフィルタリングすることを含む、測定された静電容量値および／またはｐＨ値に対して予備シグナル処理を実行するハードウェアおよび／またはソフトウェアコンポーネントを含む。一実施例では、処理された測定値は、次に、生データとしてデータ取得ユニット４０に出力される。
【0135】
[00197]電源１４は、制御ユニット１２および電極アレイ１１に電力を供給する。例えば、例示的実施形態では、電源１４は、コイン電池またはプリント電池などの電池である。一例示的実施形態では、スライド３０は、１回限りの使用のために設計され、使い捨てであり、したがって、電池は、例えば１回の測定に十分である小さなエネルギー容量を備え、電池は、例えばガラス表面に接着または粘着されて、スライドに永久的に取り付けられる。スライド３０が再利用可能である例示的実施形態では、電池は、再充電可能またはユーザーが交換可能であり得る。他の形態の電力供給が代替的に使用されてもよい。一例示的実施形態では、電力は、外部電源（例えば、データ収集ユニット４０）とスライド内の１つまたは複数の共振コイルとの間の磁気的連結を介してワイヤレスで供給される。磁気的連結の代替として、ただしワイヤレス電力転送も使用して、外部電源は、無線周波数（ＲＦ）シグナルを使用して共振コイルに連結することができる。さらに別の例示的実施形態では、スライド３０は、データ取得ユニット４０への有線接続を介して電力を受け取る。
【0136】
[00198]一例では、データ取得ユニット４０は、スライド３０と通信して、制御ユニット１２から測定された静電容量値および／またはｐＨ値を生データの形で受信するデバイスである。例えば、一例では、データ取得ユニット４０は、スライド３０内の対応するインターフェースへの有線通信インターフェース２０を含む。一例示的実施形態では、生データは、制御ユニット１２から並列に出力される。例えば、例示的実施形態では、制御ユニット１２は複数の出力チャネルを含み、１つの行または１つの列からのデータは対応するチャネルに出力される。この実施形態では、インターフェース２０は、例えば、パラレルデータをデータ処理ユニット５０への送信に適した形式に変換する。この変換は、汎用非同期送受信回路（ＵＡＲＴ）または他の従来のデータ変換装置を使用したパラレル－シリアル変換を含むことができる。代替的実施形態では、インターフェース２０は、例えばＲＦシグナルを使用して、スライド３０と無線で通信を行う。
【0137】
[00199]例示的実施形態では、データ処理ユニット５０は、データ取得ユニット４０の出力インターフェース２２から、例えばＵＡＲＴの送信部分から、生データを受信する。出力インターフェース２２は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェースなどの有線シリアルインターフェースであってよい。あるいは、出力インターフェース２２は、無線、例えば、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＷｉＦｉインターフェースであってもよい。一例では、インターフェースは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ（ＬＥ）インターフェースである。データ処理ユニット５０は、例えば、デスクトップ、ラップトップまたはタブレットの形態の汎用コンピューターであってよく、例えば、プロセッサと、生データをさらに処理するための命令を記憶するメモリとを含む。例えば、例示的実施形態では、さらなる処理は、生データをあらかじめ定義されたスケールに正規化することと、正規化されたデータを使用して、表示デバイス６０での表示のために二次元または三次元グラフなどの出力画像を生成することとを含む。データ処理ユニット５０がラップトップまたはタブレットである場合、表示デバイス６０は、単一ユニットとしてデータ処理ユニット５０の筐体に統合されていてもよい。表示デバイス６０は、例えばデータ処理ユニット５０がデスクトップである場合、代替的に、外部に接続されてもよい。出力画像は、データの経時的変化を示す動画を形成するために結合されてもよい。一実施形態では、測定された静電容量値および／またはｐＨ値を表す出力画像は、他の測定データに対応する追加の出力画像と一緒に表示される。例えば、出力画像および追加の出力画像は、同じ表示画面の異なる部分に表示されてもよいし、表示画面の同じ部分にオーバーレイ（スーパーインポーズ）表示されてもよい。
【0138】
[00200]例示的実施形態では、データ処理ユニット５０はまた、ｐＨ調節のためのコマンドを制御ユニット１２に発行するようにも構成される。コマンドは、例えば、データ処理ユニット５０のプロセッサが検査溶液のｐＨレベルを調整すべきであると判断したときに、自動的に生成され得る。代替的にまたは追加的に、コマンドは、ユーザー開始によるものであってもよい。
【0139】
[00201]例示的実施形態によれば、スライド３０は、１つまたは複数の電極層がガラス基板の上に配置されている層状構造を含んでもよい。層状構造は、例えば、２つ以上の層が別々に形成され、次に、例えば接着剤または結合を用いて一緒にラミネートされる、ラミネート技術を用いて形成され得る。あるいは、層状構造は、半導体デバイス製造の技術分野において公知である技術を使用して、単一ユニットとしてモノリシックに形成され得る。層状構造は、例えばＳｉＯ２（酸化物とも呼ばれる）で形成された１つまたは複数の不動態化層を含んでもよい。ただし、不動態化層の組成およびサイズは、例えば、ＳｉＯ２の原子層からＳｉＯ２の数マイクロメートルまで変化し、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）等の様々な技術を用いて形成され得ると理解されよう。窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）は、別の例示的不動態化材料である。積層構造がラミネーションを使用して形成される場合、不動態化層は、ラミネートされる薄膜として形成され得る。
【0140】
[00202]ｐＨ調節を行う１つの方法は、検査溶液を集めるチャネルを形成するように、隣接する電極のパッドを分離することである。チャネルは、検査溶液が電極と接触することを可能にするので、溶液のｐＨレベルは、隣接する電極の間に電流を送ることによって調整され得る。例示的実施形態によれば、電極は、任意の好適な導電性材料で形成することができるが、ＩＴＯは透明で比較的無色であり、光学測定を伴う実験に適しているので、好ましくは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である。これにより、図１３に示す通り、測定領域１１全体を透明にすることができる。酸化物層が、電極を覆う不動態化層として使用されてもよい。ｐＨ調節がチャネルを用いて実行される場合、例示的実施形態では、酸化物層はチャネルを完全には充填しないが、代わりに、電極の側部は露出したままであり、検査溶液との接触が可能である。
【0141】
[00203]ｐＨ測定の結果は、表示デバイス６０で表示するための出力であってよい。例示的実施形態によれば、生データ値は、二次元テーブルの形式で表示される。各テーブルエントリは、対応する電極パッドから得られたｐＨ測定値に対応する。生データは、三次元グラフ、例えば、ｘ値およびｙ値が電極位置に対応し、ｚ値がｐＨ測定値に対応する三次元メッシュとして表示されてもよい。視覚的認識を容易にするために、例示的実施形態では、グラフは、例えばグラデーション方式、例えばｐＨの変化に応じて色が徐々に変化するグレースケール方式またはヒートマップを使用して、色分けされてもよい。別の実施形態では、色分けは、ｐＨ値が色の変化を用いて表される二次元グラフ上のｐＨ位置を示すために使用される。生データの表示に対して代替的にまたは追加的に、例示的実施形態によるデータ処理ユニット６０は、あらかじめ定められた尺度に正規化することによって生データを処理する。上述したグラフは、単独で、または実験の対象である他のパラメータ、例えば静電容量値および流量からの追加値と共に、表示され得る。一実施形態では、追加値は、例えば異なる配色を用いてｐＨ値の上に重ねて、同じグラフ上に表示される。
【0142】
[00204]有利には、ｐＨ値のグラフ表示により、ユーザーは、特定の場所としてのｐＨを迅速に決定し、ｐＨに対応して好適な是正措置を講じることができる。ユーザーは、例えば、特定のｐＨ値の位置に関連しないそれらの（実験によって測定された１つまたは複数のパラメータに対応する）追加値を維持する一方、特定のｐＨ値の位置に関連する値を廃棄することを決定してもよい。あるいは、所望の範囲外のｐＨ値が多く、そのため追加値が全体として信頼できないので、ユーザーはデータのセット全体を破棄することを決定することもできる。
【0143】
[00205]例示的実施形態によれば、ｐＨ値は追加の測定データに重ねられ、この追加データは、測定領域の物理的構成を表すレイアウトデータと関連付けて記憶される。レイアウトデータは、画像（例えば、測定領域のスキャン画像）またはテキスト（例えば、アレイを作製するために使用されるマイクロアレイスポッター用の構成ファイル、またはＧｅｎｅＰｉｘ Ａｒｒａｙ Ｌｉｓｔ（ＧＡＬ）ファイル）の形式で電子ファイル内に格納され得る。追加測定データは、画像またはテキスト（例えば、ＧＡＬファイルに格納された静電容量測定値、または測定領域のスキャン画像上にグレースケールでレンダリングされた静電容量測定値）であってもよい。
【0144】
[00206]ｐＨ値が重ね合わされる例示的実施形態によれば、合成表示を生成することができ、この表示は、アレイ内の対応する位置に追加の測定値に重ね合わされたｐＨ値と一緒にアレイのグラフ表現を表示する。重ね合わせは、テキストオンテキスト、テキストオンイメージ、イメージオンイメージとしてレンダリングされ得る。テキストオンテキストの例は、アレイの半分の位置にｐＨ値を表示し、もう半分の位置に追加の測定データを表示するものである。テキストオンイメージの例は、ヒートマップを用いてｐＨを表示する一方、追加の測定データをヒートマップ上に数値で表示するものである。イメージオンイメージの例は、ヒートマップでｐＨを表示する一方、三次元メッシュを使用して追加の測定データを表現するものである。重ね合わせ表示する前に、あるいは重ね合わせ表示に関連して、重ね合わせデータを電子レイアウトファイルに格納することができる。
【0145】
[00207]例示的実施形態によれば、スライド上または外部コンピューター上のプロセッサは、所望の範囲外のｐＨ値に応答して、追加の測定データを（例えば、測定値をヌル値に置き換えることによって）自動的に無効にするように構成される。例えば、スライド上のプロセッサは、いくつかの場所のｐＨを検出し、そのｐＨがどこにあるかの指示を外部コンピューターに出力し、外部コンピューターは、指示された場所に基づいて無効化を実行することができる。これにより、ユーザーはｐＨ値を手動で確認して、追加測定データまたは反応によって生成された生成物をその場所内に保持するかどうかを決定する手間を省くことができる。
【0146】
[00208]例示的実施形態によれば、電極は、ｐＨ検出およびｐＨ調節に加えて、機能を実行するために使用され得る。例えば、電極は、気泡検出のために使用され得る。いくつかの例では、電極は、温度調節のために使用され得る。別の例として、静電容量測定は、溶液の誘電率を推定するために使用することができ、この誘電率は、次に、細胞の成長速度、反応生成物の生成速度、または目的の物質が生体分子に結合する速度に相関させることができる。いくつかの場合において、電極の機能が１つの機能と別の機能との間で変更され得る。
【0147】
[00209]電極が２つの層に配置された例示的実施形態が記載されている。しかし、層の数はより多くても少なくてもよい。実際、ｐＨ調節とｐＨ測定の両方には、１つの層で十分である。さらに、全ての電極層がｐＨ調節またはｐＨ測定に使用される必要はない。その代わりに、従来のバイオセンサーまたはリアクターにおける電極の使用法に従って、さらなる電極層が他の目的に使用され得る。
【0148】
[00210]本発明の例示的実施形態は、測定データの処理の少なくとも一部が、処理データの表示を担当する外部コンピューターではなく、スライド自体またはスライドの本体に接続された周辺デバイス上で実行されるガラススライドに関する。このようなスライドは、本明細書においてガラス上計器（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ－ｏｎ－ｇｌａｓｓ）と呼ばれる。図１８～図２０はそれぞれ、ガラス上計器の一実施形態例を示す。
【0149】
[00211]図１８は、本発明の例示的実施形態によるスライド４００を示す。スライド４００は、ｐＨ測定／調節領域４０５と、電源４１０と、処理回路４２０とを含む。領域４０５は、ＩＴＯ（電極用）と一緒にＴＦＴ（スイッチ用）から形成され得る。あるいは、領域４０５は、他の金属と組み合わせたＩＴＯまたはＩＴＯのみを使用して形成され得る。電源４１０は、図１４の電源１４に類似するものであってよく、例えば磁気またはＲＦ連結を用いて電力供給される電池または受動的電源であってもよい。
【0150】
[00212]処理回路４２０は、図１４の制御ユニット１２に類似するものであってよく、予備的なシグナル処理を実行することができる。さらに、処理回路４２０は、データ処理ユニット５０に関して先に説明した機能の一部（例えば、ｐＨ値の正規化もしくはスケーリング、またはｐＨ調節の制御）を実行することができる。処理回路４２０は、領域４０５から得た生データを処理するプロセッサ（例えば、１つまたは複数のＣＭＯＳチップ）を含むことができる。処理回路４２０は、生データを処理するためにプロセッサによって使用される、命令またはデータを記憶するメモリをさらに含むことができる。処理回路４２０は、生データを外部コンピューターに出力するための好適なフォーマットに配列するか、または予備的なデータ分析（例えば、ｐＨ検出および特定のｐＨに関連するデータの無効化）を実行するように構成され得る。プロセッサは、領域４０５の感知動作（例えば、アレイの駆動およびデータの読み出し）を制御し、データ圧縮を行い、予備的に処理されたデータの外部コンピューターへの有線または無線伝送を行うことができる。後処理および表示用データの出力は、外部のコンピューターで行われてもよい。
【0151】
[00213]図１９は、本発明の例示的実施形態によるスライド５００を示す。構成要素５０５、５１０および５２０は、図１８の構成要素４０５、４１０および４２０とそれぞれ類似し、同じ機能を実行することができる。しかしながら、スライド５００の本体上に配置される代わりに、電源５１０および処理回路５２０は、例えばスライド５００のハードウェアインターフェースに適合する周辺回路板５１５上に、外部接続される。
【0152】
[00214]図２０は、本発明の例示的実施形態によるスライド６００を示す。構成要素６０５、６１０および６２０は、図１８の構成要素４０５、４１０および４２０とそれぞれ類似し、同じ機能を果たすことができる。図２０の実施形態では、電源６１０および処理回路は、図１９と同様に、外部接続されている。ただし、回路板６１５は、回路板６１５と外部コンピューターとの間でデータおよび電力の伝送を行うためのシリアルポートコネクタを含む。具体的には、シリアルポートを用いて、測定データを外部コンピューターに転送したり、測定領域６０５を動作させるための電力または電源６１０を充電するための電力を供給したりすることができる。
【0153】
[00215]本発明の例示的実施形態は、例えば、任意の従来的メモリデバイスを含む非一時的ハードウェアコンピューター読み取り可能媒体上に提供されるコードを実行して、単独でまたは組み合わせて、本書に記載の方法のいずれかを実行し、例えば、記載されたグラフィカルユーザーインターフェースのいずれか１つまたは複数を出力することを目的とする、任意の従来的処理回路およびデバイスまたはそれらの組合せ、例えば、パーソナルコンピューター（ＰＣ）または他のワークステーションプロセッサの中央処理デバイス（ＣＰＵ）を使用して実装され得る１つまたは複数のプロセッサに関する。メモリデバイスは、任意の従来的永久および／または一時メモリ回路またはその組合せを含むことができ、その非包括的リストは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、フラッシュメモリ、および磁気テープを含む。
【0154】
[00216]本発明の例示的実施形態は、本明細書に記載された方法のいずれか１つまたは複数を実行するためにプロセッサによって実行可能な命令が格納された、非一時的ハードウェアコンピューター可読媒体、例えば上記のものに関する。
【0155】
[00217]本発明の例示的実施形態は、例えば、ハードウェアコンポーネントまたは機械の、本明細書に記載された方法のいずれか１つまたは複数を実行するためにプロセッサによって実行可能な命令を送信する方法に関する。
【0156】
[00218]本発明の例示的実施形態は、上述したデバイスおよび方法、例えば、コンピューター実装された方法の単独または組合せのうちの１つまたは複数に関する。
[00219]本発明の例示的実施形態は、電極近傍の溶液のｐＨを制御するために電子機器を使用するデバイスおよび方法と、その方法を統合電子システムで実施するためのデバイスとを提供する。好ましくは、本発明のデバイスおよび方法は、約１ｃｍの距離の範囲内で電極を取り囲む溶液のｐＨを制御することができる。溶液のｐＨを制御するために電子機器を使用するためのデバイスおよび方法は、上記および本明細書の他の場所で説明したデバイスおよび方法による溶液のｐＨの検出をも含むことができる。いくつかの場合において、ｐＨ検出およびｐＨ調節はともに、同じデバイスおよび／または方法によって実行される。
[00219]本発明の例示的実施形態は、電極近傍の溶液のｐＨを制御するために電子機器を使用するデバイスおよび方法と、その方法を統合電子システムで実施するためのデバイスとを提供する。好ましくは、本発明のデバイスおよび方法は、約１ｃｍの距離の範囲内で電極を取り囲む溶液のｐＨを制御することができる。溶液のｐＨを制御するために電子機器を使用するためのデバイスおよび方法は、上記および本明細書の他の場所で説明したデバイスおよび方法による溶液のｐＨの検出をも含むことができる。いくつかの場合において、ｐＨ検出およびｐＨ調節はともに、同じデバイスおよび／または方法によって実行される。
【0157】
[00220]例示的実施形態によれば、電子制御によって溶液のｐＨを変更する方法は、３つ以上の電極およびｐＨ感知素子を用いて溶液に特定の量の電気入力を供給して、溶液中の水素イオンを電気化学的に生成および／または消費するステップを含む。水素イオンの生成および／または消費は、溶液中の１つまたは複数の酸化還元活性種の電気化学的反応によって達成される。好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、下記：キノン、カテコール、アミノフェノールヒドラジン、およびそれらの誘導体から選択される。より好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種はキノンである（Ｔｈｏｍａｓ Ｆｉｎｌｅｙ、「Ｑｕｉｎｏｎｅｓ（キノン）」、Ｋｉｒｋ－Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（カーク・オスマー化学技術百科事典）、１～３５頁（２００５）を参照）。さらに好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、下記：ヒドロキノン、ベンゾキノン、ナフトキノンナフトキノンから選択される。最も好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、以下にさらに定義されるキノン誘導体である。
【0158】
[00221]好ましくは、３つ以上の電極は、対電極、作用電極、および参照電極（ＲＥ）を含む。いくつかの例示的実施形態では、感知素子は感知電極であり得る。本発明の特定の例示的実施形態では、感知電極は、作用電極としても機能することができる。本発明の特定の例示的実施形態では、３つ以上の電極は、それぞれ独立して、金属酸化物、金、ガラス状炭素、グラフェン、銀、白金、塩化銀、通常水素、水銀滴、または飽和カロメルで作製されている。本発明の特定の例示的実施形態では、溶液は、バッファー溶液、非バッファー溶液、水溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である。本発明の特定の例示的実施形態では、電気入力の量は、特定の量の電流を供給することによって規定される。本発明の特定の例示的実施形態では、電源波形は、供給される電気入力の量に基づいて選択される。好ましくは、電源波形は、定電流波形または定電位波形である。より好ましくは、電源波形は、電気入力量を個々の溶液ｐＨ値に対応付けた所定のマップから選択される。
【0159】
[00222]本発明の例示的実施形態によれば、３つ以上の電極を用いて溶液のｐＨを制御する方法は、２つ以上の電極間に電気入力が印加されていない間に溶液のｐＨおよび／または溶液中の２つ以上の電極の開路電位（ＯＣＰ）を得るステップと、ｐＨおよび／またはＯＣＰに基づいて電気入力の量を選択するステップと、２つ以上の電極間で溶液に電気入力量を供給して溶液のｐＨを変化させるステップとを含む。本発明の特定の例示的実施形態では、ＯＣＰは、溶液中の２つ以上の電極のＯＣＰを測定することによって得られるか、または既知のまたは測定された初期ｐＨから計算される。本発明の特定の例示的実施形態では、方法は、溶液中の２つ以上の電極のＯＣＰに基づいて溶液のｐＨを決定するステップをも含む。本発明の特定の例示的実施形態では、方法は、電気入力量に基づいて電源波形を選択し、選択された電源波形に従って電気入力量が供給されるステップをも含む。
【0160】
[00223]本発明の特定の例示的実施形態では、方法は、溶液中の２つ以上の電極の測定されたＯＣＰに基づいて、溶液のｐＨを決定するステップをさらに含む。本発明の特定の例示的実施形態では、電気入力の量は、決定されたｐＨに基づいて選択される。
【0161】
[00224]本発明の例示的実施形態によれば、感知素子、参照電極、対電極、および作用電極を用いて溶液のｐＨを監視する方法は、目標ｐＨ値および／または開路電位（ＯＣＰ）を選択するステップと、作用電極に電気入力が印加されていない間に参照電極と感知電極との間で溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰを特性決定するステップと、下記：溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰと目標ｐＨ値および／またはＯＣＰとの差を最小限にするように、作用電極に印加する電気入力の量を選択する工程；ならびに溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰを調整するために作用電極に電気入力の量を印加する工程を繰り返して実施するステップとを含む。
【0162】
[00225]本発明の特定の例示的実施形態では、目標ｐＨ値および／またはＯＣＰは固定値であり、他の例示的実施形態では、目標ｐＨ値および／またはＯＣＰは変動値である。本発明の特定の例示的実施形態では、目標ｐＨ値および／またはＯＣＰは、上限と下限を有する範囲であるか、または単一の値である。好ましくは、目標ＯＣＰは、目標ｐＨ値に基づいて選択される。好ましくは、目標ｐＨ値は、ユーザー定義される。いくつかの実施形態では、ｐＨは経時的に変化し、および／または異なる作用電極に対して異なる。本発明の特定の例示的実施形態では、感知電極は、作用電極としても機能することができる。本発明の特定の例示的実施形態では、感知電極と作用電極は、別個の電極である。好ましくは、感知電極と作用電極との間の距離は、０ｃｍ～１ｃｍである。電気入力は、電流として、または電位として与えられ得る。好ましくは、電気入力の量は、作用電極に電位を印加することによって与えられる。より好ましくは、電位は、電源波形に従って与えられる。電源波形は、定電流波形または定電位波形である。さらにより好ましくは、電源波形は、電気入力量を個々の溶液ｐＨ値に対応付けた所定のマップから選択される。好ましくは、感知素子は、ｐＨ感受性コーティングで被覆された感知電極であり、感知電極およびｐＨ感受性コーティングのＯＣＰは、Ｈ＋イオン濃度によって支配される。本発明の特定の例示的実施形態では、ｐＨ感受性コーティングは、有機材料である。本発明の他の例示的実施形態では、ｐＨ感受性コーティングは、無機材料である。好ましくは、ｐＨ感受性コーティングは、ポリアニリン、ポリピロール、および酸化イリジウムからなる群から選択される材料から作製される。
【0163】
[00226]例示的実施形態は、電気化学的パラメータの監視および／または特性決定を行い、検出されたシグナルをフィードバック制御として使用して、特定の長さの時間、所望のｐＨ波形を発生させることを含む。記載された全ての方法は、下記の式：
【0164】
【化1】
【0165】
に基づいて、酸化時にＨ＋イオンを放出してｐＨを下げ、還元時にＨ＋イオンを消費してｐＨを上げる、酸化還元対の使用を含む。
[00227]酸化還元反応の一例は、キノン誘導体の反応である。キノンの誘導体には多くの種類があり、それぞれ固有の酸化ピークおよび還元ピークを持ち、酸化還元反応速度は溶液のｐＨに依存することがわかっている。電子移動係数および参照電極に対する開路電位（ＯＣＰ）を含む、電極の電気化学的特性も考慮できる特性である。ＯＣＰは、溶液のｐＨに依存することが以前から実証されてきた。
[00227]酸化還元反応の一例は、キノン誘導体の反応である。キノンの誘導体には多くの種類があり、それぞれ固有の酸化ピークおよび還元ピークを持ち、酸化還元反応速度は溶液のｐＨに依存することがわかっている。電子移動係数および参照電極に対する開路電位（ＯＣＰ）を含む、電極の電気化学的特性も考慮できる特性である。ＯＣＰは、溶液のｐＨに依存することが以前から実証されてきた。
【0166】
[00228]本発明の例示的実施形態によれば、溶液のｐＨを制御するためのデバイスは、コントローラ、３つ以上の電極、および１つまたは複数の酸化還元活性種を含有する溶液を含む。いくつかの実施形態では、デバイスは、溶液のｐＨおよび／または溶液中の２つ以上の電極間のＯＣＰを測定して測定ＯＣＰデータを生成し、測定ｐＨおよび／またはＯＣＰデータをコントローラに送るように構成され得る。いくつかの実施形態では、デバイスは、ｐＨ感受性蛍光分子の蛍光を測定することによって、溶液のｐＨを測定するように構成され得る。いくつかの実施形態では、デバイスは、ｐＨ感知電極の使用によって溶液のｐＨを測定するように構成され得る。いくつかの実施形態では、デバイスは、当該分野で公知である任意の方法でｐＨを測定することによって、溶液のｐＨを測定するように構成され得る。コントローラは、以下のステップ：目標ｐＨ値および／またはＯＣＰデータと測定ｐＨおよび／またはＯＣＰデータとの差、またはｐＨ感知素子の目標出力とｐＨ感知素子の測定出力との差に基づいて電流量または電源波形を選択するステップと、電流または電位波形に応じた電位を２つ以上の電極のうちの１つまたは複数に与えることによって、選択された電流の量を溶液に印加するステップと、ＯＣＰの別の測定および／またはｐＨ感知素子の出力についての要求をデバイスに送信するステップとを繰り返し実施するように構成され得る。
【0167】
[00229]好ましくは、溶液中の１つまたは複数の酸化還元活性種は、溶液に印加される電流または電位によって誘発される電気化学的反応によって水素イオンを生成および／または消費する。好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、下記：キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、およびそれらの誘導体から選択される。より好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、キノンである。（参照：Ｔｈｏｍａｓ Ｆｉｎｌｅｙ、「Ｑｕｉｎｏｎｅｓ（キノン）」、Ｋｉｒｋ－Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（カーク・オスマー化学技術百科事典）、１～３５頁（２００５））。さらにより好ましくは、キノンは、下記：ヒドロキノン、ベンゾキノン、ナフトキノン、およびそれらの誘導体から選択される。最も好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、キノン誘導体である。本発明の特定の例示的実施形態では、溶液は、バッファー溶液、非バッファー溶液、水溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である。本発明の特定の例示的実施形態では、電源波形は、定電流波形または定電位波形である。好ましくは、電源波形は、電気入力量を個々の溶液ｐＨ値に対応付けた所定のマップから選択される。本発明の特定の例示的実施形態では、３つ以上の電極は、金属酸化物、ガラス状炭素、グラフェン、金、銀、または白金で作製されている。好ましくは、３つ以上の電極は、参照電極、作用電極、および対電極を含み、感知素子は感知電極である。３つ以上の電極はそれぞれ、金属酸化物、金、ガラス状炭素、グラフェン、銀、白金、塩化銀、通常水素、水銀滴、または飽和カロメルで作製されている。本発明の特定の例示的実施形態では、感知電極は、作用電極としても機能することができる。好ましくは、感知電極は、ｐＨ感受性コーティングで被覆され、感知電極およびｐＨ感受性コーティングのＯＣＰは、Ｈ＋イオン濃度によって支配される。本発明の特定の例示的実施形態では、ｐＨ感受性コーティングは、有機材料または無機材料である。好ましくは、ｐＨ感受性コーティングは、ポリアニリン、ポリピロール、および酸化イリジウムからなる群から選択される材料から作製される。
【0168】
[00230]溶液に添加され得、生体バッファー中の電気化学的ｐＨ調節に適したキノン誘導体、キノン誘導体を含む電気化学的に活性な組成物、誘導体および／または組成物の製造方法、ならびにそれらの使用もまた提供される。
【0169】
[00231]例示的実施形態によれば、電気化学的に活性な組成物は、キノン誘導体を含み、求核剤とキノン誘導体との反応性は、求核剤とキノン誘導体の由来元である非置換キノンとの反応性と比較して低下し、組成物は、組成物のｐＨがキノン誘導体を介して電気化学的に調節されるように構成される。より好ましくは、求核剤とキノン誘導体との反応性は、求核剤とキノン誘導体の由来元である非置換キノンとの反応性と比較して、少なくとも５０％低下する。好ましくは、キノン誘導体は、
【0170】
【化2】
【0171】
からなる群から選択される化学式で定義される。上記化学式Ｉ～ＸＩＩにおいて、各Ｒ基は、独立して、Ｈ；ＣｎＨ２ｎ＋１；Ｃｌ；Ｆ；Ｉ；Ｂｒ；ＯＭ；ＮＯ２；ＯＨ；ＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＯＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣＯＯＨ；ＣＯＯＭ；ＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＳＯ３Ｈ；ＳＯ３Ｍ；ＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；Ｎ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＳＨ；ＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＳＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＯＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｈ；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｍ；ＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；糖；ペプチド；およびアミノ酸からなる群から選択され；Ｒ基の少なくとも１つは水素ではなく；Ｍは任意の金属カチオンまたはＮＨ４
＋であり；ｎは１～１０９の整数であり；ｙは１～１０９の整数である。
【0172】
[00232]例示的実施形態によれば、キノン誘導体のＲ基の全ては互いに異なる。例示的実施形態によれば、キノン誘導体のＲ基のうちの２つ以上は同じである。好ましくは、組成物は、水溶液である。例示的実施形態によれば、組成物は、水性バッファー、有機溶媒、電解質、緩衝塩、生体試薬、生体分子、界面活性剤、防腐剤、凍結保護剤、１つまたは複数の反応物、触媒、酵素、補因子等およびそれらの組合せからなる群から選択される添加物をさらに含む。好ましくは、１つまたは複数の求核剤は、アミン、チオール、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、およびそれらの組合せからなる群から選択される。例示的実施形態によれば、求核剤とキノン誘導体との反応性は、求核剤とキノン誘導体の由来元である非置換キノンとの反応性と比較して、以下の理由により低減される。（ｉ）１つまたは複数のＲ基による求核性結合サイトの立体障害の増加；（ｉｉ）求核性結合サイトとＲ基の１つとの間の共有結合による求核性結合サイトの除去。好ましくは、求核剤とキノン誘導体との反応性は、（ｉ）と（ｉｉ）の両方に起因して、求核剤とキノン誘導体の由来元である非置換キノンとの反応性と比較して低下する。
【0173】
[00233]１つまたは複数のＲ基を有するキノンを、Ｒ基の１つまたは複数を置換基で置換することにより修飾してキノン誘導体を提供することを含む方法もまた提供され、ここで、キノン誘導体はキノンと求核剤との反応性に比べて求核剤との反応性が低下し；置換基は、独立して、Ｈ；ＣｎＨ２ｎ＋１；Ｃｌ；Ｆ；Ｉ；Ｂｒ；ＯＭ；ＮＯ２；ＯＨ；ＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＯＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣＯＯＨ；ＣＯＯＭ；ＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＳＯ３Ｈ；ＳＯ３Ｍ；ＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；Ｎ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＳＨ；ＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＳＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＯＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｈ；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｍ；ＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；糖；ペプチド；およびアミノ酸からなる群から選択され；Ｍは任意の金属カチオンまたはＮＨ４
＋であり；ｎは１～１０９の整数であり；ｙは１～１０９の整数である。例示的実施形態によれば、１つまたは複数のＲ基は、極性基で置換されている。好ましくは、極性基は、弧立電子対を含有する原子を有する。好ましくは、極性基は、水と水素結合を形成することが可能である。好ましくは、極性基は、酸素原子、窒素原子、および硫黄原子のうちの少なくとも１つを含有する。より好ましくは、極性基は、ＯＨ、ＣＨ２ＯＨ、ＯＣＨ３、ＣＯＯＨ、ＳＯ３Ｈ、ＮＨ２、ＮＨ３Ｃｌ、ＯＮａ、糖、アミノ酸、およびペプチドからなる群から選択される。
【0174】
[00234]（ｉ）酢酸およびアルデヒドの存在下で出発物質をハロゲン化水素と反応させるハロゲン化物置換ステップ；（ｉｉ）ステップ（ｉ）により生成された材料を構造Ｒ－Ｘの求核剤と反応させるステップ；（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）により生成された材料を酸化剤と反応させるステップおよび（ｉｖ）ステップ（ｉｉｉ）により生成された材料を還元剤と反応させるステップを含む置換メチルキノンの合成方法であって、Ｒは、Ｈ；ＣｎＨ２ｎ＋１；Ｃｌ；Ｆ；Ｉ；Ｂｒ；ＯＭ；ＮＯ２；ＯＨ；ＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＯＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣＯＯＨ；ＣＯＯＭ；ＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣＯＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＳＯ３Ｈ；ＳＯ３Ｍ；ＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；Ｎ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；Ｎ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＮＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＳＨ；ＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＳＣｎＨ２ｎＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；Ｓ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＯＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＨ；Ｏ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）ＣｎＨ２ｎ；ＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＯ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；ＣｎＨ２ｎＣＯＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＣＯＮＨ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｈ；ＣｎＨ２ｎＳＯ３Ｍ；ＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎ＋１）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＯＨ）２；ＣｎＨ２ｎＮ（ＣｎＨ２ｎＮＨ２）２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣＯＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＮＨ２；ＣｎＨ２ｎＮＨＣｎＨ２ｎＣＯＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＨ；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳＣｎＨ２ｎＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎ＋１；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＨ；ＣｎＨ２ｎＳ（ＣｎＨ２ｎＯ）ｙＣｎＨ２ｎＣＯＯＭ；糖；ペプチド；およびアミノ酸からなる群から選択され；Ｍは任意の金属カチオンまたはＮＨ４
＋であり；ｎは１～１０９の整数であり；ｙは１～１０９の整数であり；ＸはＯＨ、ＮＨ２、ＮＨＲ、ＳＨ、Ｏ－、またはＳ－のいずれかである、方法もまた提供される。
【0175】
[00235]例示的実施形態によれば、出発材料はジアルコキシベンゼンであり、ハロゲン化物置換ステップの結果は、オルトキノン、パラキノン、またはそれらの組合せである。好ましくは、オルトキノンまたはパラキノンの１分子当たりのハロゲン化基の数は、１、２、３、または４である。例示的実施形態によれば、出発材料はジアルコキシナフタレンであり、ハロゲン化物置換ステップの結果は、オルトナフトキノン、パラナフトキノン、またはこれらの組合せである。好ましくは、オルトナフトキノンまたはパラナフトキノンの１分子当たりのハロゲン化基の数は、１または２である。好ましくは、ハロゲン化水素は、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ、およびそれらの組合せからなる群から選択される。好ましくは、酸化剤は、硝酸アンモニウムセリウム、ヨウ素、過酸化水素、超原子価ヨウ素、ヨードベンゼンジアセテート、臭素化合物、およびそれらの組合せからなる群から選択される。好ましくは、還元剤は、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ酸カリウム、ヒドロ亜硫酸ナトリウム、トリクロロシラン、およびそれらの組合せからなる群から選択される。
【0176】
[00236]溶液中に支持体を含むバイオセンサーを提供するステップであって、該支持体は、１つまたは複数の電極と、１つまたは複数の固定化プローブを有する生体分子界面層とを含み、該溶液は、キノン誘導体を含む、ステップ；生体分子分析物を該溶液に添加するステップ；１つまたは複数の電極を用いてキノン誘導体を電気化学的に反応させて、特定の量のＨ＋イオンおよび／または特定の量のＯＨ－イオンを生成するステップであって、１つまたは複数の電極近傍の溶液のｐＨが、生成されるＨ＋イオンの量および／またはＯＨ－イオンの量によって制御される、ステップ；バイオセンサーからシグナルを収集ステップであって、核剤とキノン誘導体との反応性が核剤とキノン誘導体の由来元である非置換キノンとの反応性と比較して低下している、ステップを含む方法もまた提供される。
【0177】
[00237]好ましくは、１つまたは複数の電極を使用してキノン誘導体を電気化学的に反応させる前の溶液のｐＨは、１～１４である。好ましくは、１つまたは複数の電極を使用してキノン誘導体を電気化学的に反応させた後の溶液のｐＨは、１～１４である。好ましくは、溶液は、１つまたは複数の求核剤を含有する。好ましくは、１つまたは複数の求核剤は、アミン、チオール、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、およびそれらの組合せからなる群から選択される。例示的実施形態によれば、溶液は還元型キノン誘導体を含有し、キノン誘導体を電気化学的に反応させると、還元型キノン誘導体の電気化学的酸化反応が起こり、溶液のｐＨをより酸性にする。好ましくは、還元型キノン誘導体の濃度は、０～１Ｍである。例示的実施形態によれば、溶液は酸化キノン誘導体を含有し、キノン誘導体を電気化学的に反応させると、酸化キノン誘導体の電気化学的還元反応が起こり、溶液のｐＨをより塩基性にする。好ましくは、酸化キノン誘導体の濃度は、０～１Ｍである。好ましくは、溶液は、０～１Ｍである濃度で提供される１つまたは複数のバッファー成分を含有する。好ましくは、１つまたは複数のバッファー成分は、有機溶媒、電解質、生体試薬、生体分子、界面活性剤、およびそれらの組合せからなる群から選択される。例示的実施形態によれば、方法は、溶液のｐＨを測定することをさらに含む。好ましくは、ｐＨは連続的に測定される。好ましくは、キノン誘導体は、特定の量の電流を供給することによって電気化学的に反応させる。好ましくは、ｐＨは、特定の量の電流を供給する前に測定される。好ましくは、電流の量は、測定されたｐＨに基づいて選択される。
【0178】
[00238]本明細書において、キノンは、非置換キノンとして定義される。例えば、化学構造Ｉ～ＸＩＩは、Ｒ基の全てが水素である場合、キノンを表すことになる。キノン誘導体は、本明細書において、少なくとも１つの水素が置換基で置換されていることを除いて、キノンと構造的に類似している化合物として定義される。２つ以上の水素が置換基で置換されている場合、置換基の同一性は独立に選択され得るが、固有である必要はない。本発明のキノン誘導体は、その非置換の対応物と比較して、求核剤との反応性が低下しており、キノン誘導体を含有する生体バッファーのｐＨを電気化学的に調節することが可能である。
【0179】
[00239]３つ以上の電極および感知電極であり得るｐＨ感知素子を用いて溶液のｐＨを制御する方法であって、２つ以上の電極間に電流が印加されていない間に溶液のｐＨおよび／または溶液中の２つ以上の電極の開路電位（ＯＣＰ）を測定するステップと、測定したｐＨおよび／またはＯＣＰに基づいて電流量を選択するステップと、選択した量の電流を溶液に与え、それにより電気化学的に生成または消費する少なくとも１つの水素イオンにより溶液のｐＨを変化させるステップとを含む方法もまた提供される。好ましくは、水素イオンの生成および／または消費は、溶液中の１つまたは複数の酸化還元活性種の電気化学的反応によって達成される。好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される。好ましくは、１つまたは複数の酸化還元活性種は、下記：ヒドロキノン、ベンゾキノン、ナフタキノン、それらの誘導体、およびそれらの組合せから選択されるキノンである。好ましくは、３つ以上の電極は、対電極、作用電極、および参照電極を含み、好ましくは、ｐＨ感知電極である。例示的実施形態によれば、感知電極は、作用電極としても機能するように構成される。好ましくは、３つ以上の電極はそれぞれ独立して、金属酸化物、金、ガラス状炭素、グラフェン、銀、白金、塩化銀、通常水素、水銀滴、飽和カロメル、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料で作製されている。好ましくは、溶液は、バッファー溶液、非バッファー溶液、水溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である。好ましくは、方法は、溶液中の２つ以上の電極の測定されたＯＣＰに基づいて、溶液のｐＨを決定するステップをさらに含む。好ましくは、電気波形の選択は、決定されたｐＨに基づいて行われる。好ましくは、方法は、電気波形を選択するステップと、電気波形を溶液に供給するステップとをさらに含む。電気波形は、定電流波形または定電位波形のいずれかである。好ましくは、電気波形は、個々の電流量を個々の電気波形に対応付けた所定のマップから選択される。
【0180】
[00240]ｐＨ感知素子、対電極、参照電極、および作用電極を含む支持体と；電気化学的活性剤とを含むバイオセンサーであって、電気化学的活性剤の酸化還元状態の変化を制御するように構成されており、下記：溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰと目標ｐＨ値および／またはＯＣＰとの間の差を最小限にするように、作用電極に印加される電流量を選択するステップと；選択された電流の量を作用電極に印加して溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰを調整するステップと；溶液のｐＨおよび／またはＯＣＰを測定するステップとを繰り返し実施するように構成されている、バイオセンサーシステムもまた提供される。好ましくは、溶液は水溶液である。好ましくは、ｐＨ感知素子は、感知電極である。例示的実施形態によれば、感知電極は、作用電極としても機能することができる。例示的実施形態によれば、感知電極および作用電極は、別個の電極であり、感知電極と作用電極との間の距離は、０ｃｍ～１ｃｍである。好ましくは、作用電極に印加される電流量は、電気波形を印加することによって提供される。電気波形は、定電流波形または定電位波形である。好ましくは、電気波形は、個々の電流量を個々の電気波形に対応付けた所定のマップから選択される。好ましくは、感知電極は、ｐＨ感受性コーティングで被覆されている。ｐＨ感受性コーティングは、有機材料または無機材料である。好ましくは、ｐＨ感受性コーティングは、ポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料から作製される。
【0181】
[00241]また、感知素子、対電極、参照電極、および作用電極を使用して溶液のｐＨをモニターする方法であって、溶液の目標ｐＨ値に基づいて目標ｐＨ値および／または開回路電位（ＯＣＰ）を選択するステップと、作用電極に電流が印加されていない間に、感知素子を使用してｐＨを決定するステップおよび／または参照電極と感知電極の間の溶液のＯＣＰを特徴付けるステップと、下記：ＯＣＰおよび／または溶液のｐＨと目標ＯＣＰおよび／またはｐＨの間の差を最小限にするように、作用電極に印加する電流の量を選択する工程、選択した量の電流を作用電極に印加して、ＯＣＰおよび／または溶液のｐＨを調整する工程、ならびにＯＣＰおよび／または溶液のｐＨを測定する工程を繰り返し実施するステップとを含む、方法が提供される。好ましくは、溶液は水溶液である。好ましくは、目標ｐＨ値は、電気化学デルタシグマ変調器を組み込んで設定される。目標ｐＨ値は、経時的に変化する、および／または異なる作用電極間で異なる可能性がある。より好ましくは、電気化学デルタシグマ変調器の出力シグナルは、目標ｐＨ値を生成するのに必要な電荷のデジタル表示を得るためにデジタルフィルタ処理される。好ましくは、目標ｐＨ値および／またはＯＣＰは、上限および下限を伴う範囲である。より好ましくは、目標ｐＨ値は、単一の目標値である。例示的実施形態によれば、感知電極はまた、作用電極として機能することができる。例示的実施形態によれば、感知電極および作用電極は別個の電極であり、感知電極と作用電極の間の距離は、０ｃｍ～１ｃｍである。好ましくは、作用電極に印加される電流の量は、電気波形を印加することによって得られる。電気波形は、定電流波形または定電位波形である。好ましくは、電気波形は、それぞれの電流量をそれぞれの電気波形に対応付けられる所定のマップから選択される。好ましくは、感知電極は、ｐＨ感受性コーティングでコーティングされている。ｐＨ感受性コーティングは、有機材料または無機材料である。好ましくは、ｐＨ感受性コーティングは、ポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料で作製される。
【0182】
[00242]また、コントローラ、３つ以上の電極、ｐＨ感知素子、および１種または複数の酸化還元活性種を含有する溶液を含む、ｐＨを制御するためのデバイスであって、下記：溶液中の２つ以上の電極間のｐＨおよび／または開回路電位（ＯＣＰ）を測定して、測定されたｐＨおよび／またはＯＣＰデータを生成するステップと、コントローラを使用して、目標ｐＨ値および／またはＯＣＰデータと測定されたｐＨおよび／またはＯＣＰデータの間の差に基づく電流の量または電位波形を選択するステップと、コントローラを使用して、選択された量の電流または選択された電位波形を、３つ以上の電極のうちの１つまたは複数を介して溶液に印加するステップとを繰り返し実施するように構成されている、デバイスが提供される。好ましくは、溶液は水溶液である。好ましくは、１種または複数の酸化還元活性種は、溶液に印加された電流または電位によって誘導される電気化学的反応により、水素イオンを生成または消費する。好ましくは、１種または複数の酸化還元活性種は、下記：キノン、カテコール、アミノフェノール、ヒドラジン、それらの誘導体、およびそれらの組合せから選択される。好ましくは、１種または複数の酸化還元活性種は、下記：ハイドロキノン、ベンゾキノン、ナフタキノン、それらの誘導体、およびそれらの組合せから選択されるキノンである。好ましくは、溶液は、バッファー溶液、非バッファー水溶液、有機溶液、またはそれらの混合物である。好ましくは、電位波形は、定電流波形または定電位波形である。より好ましくは、電位波形は、それぞれの電流量をそれぞれの電位波形にマッピングする所定のマップから選択される。好ましくは、３つ以上の電極は、参照電極、作用電極、および対電極を含み、ｐＨ感知素子は、感知電極である。３つ以上の電極は、金属酸化物、金、ガラス状炭素、グラフェン、銀、白金、塩化銀、通常水素、水銀滴、飽和カロメル、およびそれらの組合せからなる群から独立して選択される材料で作製される。例示的実施形態によれば、感知電極はまた、作用電極として機能することができる。好ましくは、感知電極は、ｐＨ感受性コーティングでコーティングされている。ｐＨ感受性コーティングは、有機材料または無機材料である。好ましくは、ｐＨ感受性コーティングは、ポリアニリン、ポリピロール、酸化イリジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料で作製される。
【0183】
[00243]本発明の一例示的実施形態による、溶液中に電気化学的活性剤を有する系の図が、図２１に提示される。前述した系では、電気化学的活性剤は溶液中にあるのではなく、電極表面に付着していた。図２１に示すように、図２１の系は、アノード電極および溶液中の電気化学的活性剤を提供し得る。電極に電流を印加することにより、電気化学的活性剤が電気化学的酸化還元反応を起こし、電極近傍の溶液のｐＨがより酸性になる。電気化学的活性剤を電極表面に付着させるのではなく、溶液中に有することには、多くの利点がある。例えば、電気化学的活性剤の量が表面層の密度に制限されない場合、周囲の環境により大きな変化をもたらす可能性があり、それによってデバイスの容量が増加し、新しい電気化学的活性剤は、バルク溶液からの拡散によって電極表面に供給され得るため、サイクリング能力が与えられ、普遍的な電気化学的性質があらゆる種類の電極に適用され得、これは防汚試薬または生体分子の付着などの他の表面の化学的性質を妨げない。さらに、生体溶液中のｐＨ生成のための電気化学的活性剤としてキノンを使用するために、生体溶液での使用要件を満たすようにキノンの構造を変更することができる。生体バッファーのｐＨ調節に役立つためには、分子が下記の要件：電子刺激による電気化学的反応によるプロトンの放出または消費、十分な水溶性、還元および酸化ポテンシャルが、溶液中の水加水分解または他の酸化還元活性種の電位よりも低くあるべきであること、電子刺激がない（すなわち、自己酸化／還元がない）場合の溶液中での安定性、求核剤への反応性が低いこと、生体試料（例えば、タンパク質、ペプチド、細胞、ＤＮＡ、および酵素）との適合性を満たす必要がある。
【0184】
[00244]図２２は、本発明の例示的実施形態による、水溶液中のｐＨ調節に使用され得るキノン誘導体を示す。
[00245]上記の説明は、実例であることを意図しており、限定的なものではない。当業者は、前述の説明から、本発明は種々の形態で実施され得ること、および様々な実施形態が単独でまたは組み合わされて実行され得ることを理解することができる。したがって、本発明の実施形態は、その特定の例に関連して説明されているが、図面、明細書、および添付文書を検討した場合、当業者に他の変更が明らかとなるので、本発明の実施形態および／または方法の真の範囲は、そのように限定されるべきではない。さらに、フローチャートに示されているステップを省略してもよく、かつ／または特定のステップ順序を変更してもよく、場合によっては、図示されている複数のステップを同時に実施してもよい。
[00245]上記の説明は、実例であることを意図しており、限定的なものではない。当業者は、前述の説明から、本発明は種々の形態で実施され得ること、および様々な実施形態が単独でまたは組み合わされて実行され得ることを理解することができる。したがって、本発明の実施形態は、その特定の例に関連して説明されているが、図面、明細書、および添付文書を検討した場合、当業者に他の変更が明らかとなるので、本発明の実施形態および／または方法の真の範囲は、そのように限定されるべきではない。さらに、フローチャートに示されているステップを省略してもよく、かつ／または特定のステップ順序を変更してもよく、場合によっては、図示されている複数のステップを同時に実施してもよい。
【0185】
[00246]以下は、いかなる方法でも限定することを意図しない、特定の方法を説明する例である。これらの例は、一般的な知識から理解される説明の範囲内で変更されてもよい。
【実施例1】
【0186】
電極表面でのＨ＋またはＯＨ－イオンの電気化学生成
[00247]使用した電極材料：電極材料は、酸化インジウムスズであった。これは、水溶液中に非常に大きな電位窓を有する半導体電極表面である。
[00247]使用した電極材料：電極材料は、酸化インジウムスズであった。これは、水溶液中に非常に大きな電位窓を有する半導体電極表面である。
【0187】
[00248]Ｈ＋イオンを生成するための種の電気酸化
電極表面でのアスコルビン酸の酸化によりＨ＋イオンが生成され、電極表面のｐＨがより酸性の状態に変化した：
ＡＨ２→Ａ＋２Ｈ＋＋２ｅ－
式中、ＡＨ２は、アスコルビン酸（Ｃ６Ｈ６Ｏ６）である（図５に示されるように）。アスコルビン酸が酸化する電極電位は、酸化インジウムスズ材料の場合、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して０．５Ｖ未満であった（図７に示されるように）。この電位は、水溶液中の酸素発生反応に必要な電圧よりも低かった。より高い電極電位は（例えば、リン酸塩バッファーのみのＩＴＯ電極では、＞１Ｖである）、ＰＥＧ層を損傷する可能性がある（図８に示されるように）。アスコルビン酸は、表面の化学的性質の電気化学的分解を防止するための犠牲種としても作用した。
電極表面でのアスコルビン酸の酸化によりＨ＋イオンが生成され、電極表面のｐＨがより酸性の状態に変化した：
ＡＨ２→Ａ＋２Ｈ＋＋２ｅ－
式中、ＡＨ２は、アスコルビン酸（Ｃ６Ｈ６Ｏ６）である（図５に示されるように）。アスコルビン酸が酸化する電極電位は、酸化インジウムスズ材料の場合、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して０．５Ｖ未満であった（図７に示されるように）。この電位は、水溶液中の酸素発生反応に必要な電圧よりも低かった。より高い電極電位は（例えば、リン酸塩バッファーのみのＩＴＯ電極では、＞１Ｖである）、ＰＥＧ層を損傷する可能性がある（図８に示されるように）。アスコルビン酸は、表面の化学的性質の電気化学的分解を防止するための犠牲種としても作用した。
【0188】
[00249]ＯＨ－イオンを生成するための種の電気還元
ベンゾキノン（Ｃ６Ｈ４Ｏ２）をハイドロキノン（Ｃ６Ｈ６Ｏ２）に還元すると、－０．１ＶでＯＨ－イオンを生成し得る。
ＢＱ＋２ｅ－＋２Ｈ２Ｏ→ＨＱ＋２ＯＨ－
この還元反応により、電極インターフェースのｐＨが上昇した。
ベンゾキノン（Ｃ６Ｈ４Ｏ２）をハイドロキノン（Ｃ６Ｈ６Ｏ２）に還元すると、－０．１ＶでＯＨ－イオンを生成し得る。
ＢＱ＋２ｅ－＋２Ｈ２Ｏ→ＨＱ＋２ＯＨ－
この還元反応により、電極インターフェースのｐＨが上昇した。
【0189】
[00250]上記の例では、生成されるＨ＋またはＯＨ－イオンの量は、溶液中に存在する種の濃度（ｎＭ～ｍＭの範囲）、印加電位（－２Ｖ～＋２Ｖ）、波形の種類（様々な周波数およびデューティーサイクルでのパルス波、定波、のこぎり波、正弦波、矩形波）、および種の拡散（溶液中の添加物によって変化する可能性がある）に応じる。これらのパラメータを最適化して、マルチサイトアレイに存在する各作用電極で異なるｐＨを得ることができる。
【実施例2】
【0190】
酵素反応を使用するｐＨ変化
[00251]オキシダーゼ、ウレアーゼ、またはデヒドロゲナーゼなどの酵素は、反応中に水素を消費または生成することが公知である。例えば：
β－ｄ－グルコース＋Ｏ２→ｄ－グルコース－δ－ラクトン＋Ｈ２Ｏ２
ｄ－グルコース－δ－ラクトン＋Ｈ２Ｏ→ｄ－グルコネート＋Ｈ＋
グルコースオキシダーゼの存在下でグルコースを酸化すると、Ｈ＋イオンが生成され、目的のタンパク質近傍のｐＨを変化させるために使用される。
[00251]オキシダーゼ、ウレアーゼ、またはデヒドロゲナーゼなどの酵素は、反応中に水素を消費または生成することが公知である。例えば：
β－ｄ－グルコース＋Ｏ２→ｄ－グルコース－δ－ラクトン＋Ｈ２Ｏ２
ｄ－グルコース－δ－ラクトン＋Ｈ２Ｏ→ｄ－グルコネート＋Ｈ＋
グルコースオキシダーゼの存在下でグルコースを酸化すると、Ｈ＋イオンが生成され、目的のタンパク質近傍のｐＨを変化させるために使用される。
【実施例3】
【0191】
生体分子インターフェース層における酵素と生体分子プローブとの共固定化
[00252]酵素は、タンパク質、反応物、触媒などと共に表面で共固定化される場合、それらが近接するため、酵素反応によって生成されるＨ＋は、タンパク質結合（例えば、抗原抗体結合および非特異的結合）、反応速度などに影響を与え得る局所的なｐＨ変化を引き起こす。
[00252]酵素は、タンパク質、反応物、触媒などと共に表面で共固定化される場合、それらが近接するため、酵素反応によって生成されるＨ＋は、タンパク質結合（例えば、抗原抗体結合および非特異的結合）、反応速度などに影響を与え得る局所的なｐＨ変化を引き起こす。
【実施例4】
【0192】
磁性マイクロ／ナノ粒子への酵素の付着
[00253]タンパク質、反応物、触媒などは、電磁石上の固体表面のマイクロ／ナノキャビティに付着する。酵素は、溶液中の磁性マイクロ／ナノ粒子に別々に結合する。下部に製造／配置した電磁石を制御することにより、局所的なｐＨ値を制御する。酵素反応は、対応する酵素基質を導入することによって引き起こされる（図６に示されるように）。また、電気化学的に活性な酵素を使用する。ｐＨ変化はキャビティに局在し、タンパク質の相互作用、反応速度などが調節される。
[00253]タンパク質、反応物、触媒などは、電磁石上の固体表面のマイクロ／ナノキャビティに付着する。酵素は、溶液中の磁性マイクロ／ナノ粒子に別々に結合する。下部に製造／配置した電磁石を制御することにより、局所的なｐＨ値を制御する。酵素反応は、対応する酵素基質を導入することによって引き起こされる（図６に示されるように）。また、電気化学的に活性な酵素を使用する。ｐＨ変化はキャビティに局在し、タンパク質の相互作用、反応速度などが調節される。
【実施例5】
【0193】
緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）による蛍光強度によってモニタリングされるｐＨの電気化学的調節
[00254]使用した電極材料：電極材料は、酸化インジウムスズであった。使用した蛍光タンパク質は、電極のアレイを含むガラス基板上に固定化されたＧＦＰである。ＧＦＰをスポットとして適用し、各スポットは、１つの電極と重なる領域および電極と重ならない領域を覆う。
[00254]使用した電極材料：電極材料は、酸化インジウムスズであった。使用した蛍光タンパク質は、電極のアレイを含むガラス基板上に固定化されたＧＦＰである。ＧＦＰをスポットとして適用し、各スポットは、１つの電極と重なる領域および電極と重ならない領域を覆う。
【0194】
[00255]ＩＴＯ作用電極表面のｐＨ変化は、０．１ＭのＮａ２ＳＯ４を含有する希リン酸塩バッファー（ｐＨ＝７．４）中での酸化還元活性分子２－メチル－１，４－ジヒドロキノンの電流駆動酸化によってもたらされる。１０秒間の誘導後、電流（５０マイクロアンペア）を３０秒間印加すると、ＧＦＰ蛍光強度の変化によって観察されたように、溶液のｐＨが５．５に低下した。図１０が、ｐＨ値を評価するための検量線として使用される。電流をオフにした後、ｐＨは５０秒以内に中性値に回復した（図１１および１２Ｂに示されるように）。
【実施例6】
【0195】
求核剤との反応の防止
[00256]パラベンゾキノンおよびオルトベンゾキノン（図２２の化合物２、４、６、および９）は、環の二重結合（図２２の構造２の位置２、３、５、および６、図２２の構造４の位置３、４、５、および６、ならびに図２２の構造６の位置２および３）で求核攻撃を受けやすい。これらの位置の一部または全てに置換基を導入することで、求核攻撃の問題を軽減できる。例えば、１，４－ベンゾキノン（図２２の構造２、式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４はＨである）は、タンパク質のアミノ基とマイケル付加反応を起こす（Ｌｏｏｍｉｓら、Ｐｈｙｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、５、４２３、（１９６６）および米国特許第６７５３３１２（Ｂ２）号）。一方、２，５－二置換１，４－ベンゾキノン（図２１の構造２、式中、Ｒ１およびＲ３はＨであり、Ｒ２およびＲ４はＨ以外の基である）は、タンパク質の存在下ではマイケル付加反応への感受性を示さず、生物学的バッファーでの使用のためにより好適である。図２３は、ベンゾキノンの存在下でのタンパク質の安定性に対する置換の効果を示す。緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）の蛍光強度は、リン酸塩バッファー生理食塩水中で３種類の異なるベンゾキノンと３０分間インキュベーションした後に測定した（ベンゾキノンの濃度は０．５ｍＭであった）。蛍光強度の差は、ベンゾキノンの様々な置換が、ＧＦＰの安定性に及ぼす多様な効果を示す。ＧＦＰの蛍光強度は、その構造的完全性を示している。蛍光強度の低下は通常、その三次構造の喪失（タンパク質の変性）を示す（Ｙｉｎ Ｄ．Ｘ．、Ｚｈｕ Ｌ．、Ｓｃｈｉｍｋｅ Ｒ．Ｔ．Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ。１９９６、２３５：１９５～２０１）。図２３に示すように、ＧＦＰは二置換ベンゾキノンと３０分間インキュベーションした後もその蛍光強度の１００％を保持するが、非置換ベンゾキノンおよび一置換ベンゾキノンとインキュベーションすると、それぞれ２５％および７％の蛍光強度の低下を引き起こす。
[00256]パラベンゾキノンおよびオルトベンゾキノン（図２２の化合物２、４、６、および９）は、環の二重結合（図２２の構造２の位置２、３、５、および６、図２２の構造４の位置３、４、５、および６、ならびに図２２の構造６の位置２および３）で求核攻撃を受けやすい。これらの位置の一部または全てに置換基を導入することで、求核攻撃の問題を軽減できる。例えば、１，４－ベンゾキノン（図２２の構造２、式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４はＨである）は、タンパク質のアミノ基とマイケル付加反応を起こす（Ｌｏｏｍｉｓら、Ｐｈｙｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、５、４２３、（１９６６）および米国特許第６７５３３１２（Ｂ２）号）。一方、２，５－二置換１，４－ベンゾキノン（図２１の構造２、式中、Ｒ１およびＲ３はＨであり、Ｒ２およびＲ４はＨ以外の基である）は、タンパク質の存在下ではマイケル付加反応への感受性を示さず、生物学的バッファーでの使用のためにより好適である。図２３は、ベンゾキノンの存在下でのタンパク質の安定性に対する置換の効果を示す。緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）の蛍光強度は、リン酸塩バッファー生理食塩水中で３種類の異なるベンゾキノンと３０分間インキュベーションした後に測定した（ベンゾキノンの濃度は０．５ｍＭであった）。蛍光強度の差は、ベンゾキノンの様々な置換が、ＧＦＰの安定性に及ぼす多様な効果を示す。ＧＦＰの蛍光強度は、その構造的完全性を示している。蛍光強度の低下は通常、その三次構造の喪失（タンパク質の変性）を示す（Ｙｉｎ Ｄ．Ｘ．、Ｚｈｕ Ｌ．、Ｓｃｈｉｍｋｅ Ｒ．Ｔ．Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ。１９９６、２３５：１９５～２０１）。図２３に示すように、ＧＦＰは二置換ベンゾキノンと３０分間インキュベーションした後もその蛍光強度の１００％を保持するが、非置換ベンゾキノンおよび一置換ベンゾキノンとインキュベーションすると、それぞれ２５％および７％の蛍光強度の低下を引き起こす。
【実施例7】
【0196】
水溶解度の調整
[00257]芳香族化合物の水溶解度は、水素結合に関与できる孤立電子対を有する荷電基または原子を導入することによって改善され得る。このような基は、例えば、－ＯＨ、－ＣＨ２ＯＨ、－ＯＣＨ３、－ＣＯＯＨ、－ＳＯ３Ｈ、－ＮＨ２、－ＮＨ３Ｃｌ、－ＯＮａである。糖類、アミノ酸、およびペプチドはまた、キノンの水溶解度を向上させることができる。ポリエチレングリコールなどの合成高分子も同様に置換基として使用することができる。
[00257]芳香族化合物の水溶解度は、水素結合に関与できる孤立電子対を有する荷電基または原子を導入することによって改善され得る。このような基は、例えば、－ＯＨ、－ＣＨ２ＯＨ、－ＯＣＨ３、－ＣＯＯＨ、－ＳＯ３Ｈ、－ＮＨ２、－ＮＨ３Ｃｌ、－ＯＮａである。糖類、アミノ酸、およびペプチドはまた、キノンの水溶解度を向上させることができる。ポリエチレングリコールなどの合成高分子も同様に置換基として使用することができる。
【実施例8】
【0197】
酸化還元窓の調整
[00258]キノンの還元／酸化電位は、特定の用途の必要性に合わせて調整できる。電子供与基（例えば、アルキル、ヒドロキシル、アルコキシ、メトキシメチル、モルホリノメチル、アミノ、およびクロロ置換基）を導入することによって、酸化還元電位をより高い電圧に押し上げることができる。反対に、電子吸引基（例えば、ニトロ、シアノ、カルボン酸、またはカルボン酸エステル基）は、酸化還元電位をより低い電圧に押し下げる。
[00258]キノンの還元／酸化電位は、特定の用途の必要性に合わせて調整できる。電子供与基（例えば、アルキル、ヒドロキシル、アルコキシ、メトキシメチル、モルホリノメチル、アミノ、およびクロロ置換基）を導入することによって、酸化還元電位をより高い電圧に押し上げることができる。反対に、電子吸引基（例えば、ニトロ、シアノ、カルボン酸、またはカルボン酸エステル基）は、酸化還元電位をより低い電圧に押し下げる。
【0198】
[00259]一例示的実施形態では、水溶液中のハイドロキノンの酸化の機構は、電子の移動およびプロトンの移動という２つのステップを含む。電子吸引置換基および電子供与置換基を導入することは、この工程の第１ステップに対処する。ハイドロキノンの酸化電位は、ハイドロキノンのヒドロキシル基と分子内水素結合を形成できる置換基を導入することによっても下げることができる。このような水素結合は、ヒドロキシル基の水素と酸素の間の結合を弱めるため、酸化反応に対する全体的なエネルギー障壁を低下させる。このようなＲ基の例は、ＣＨ２ＯＨ、ＣＨ２ＯＣＨ３、モルホリノメチル、およびＣＯＯＣＨ３である。
【0199】
[00260]同一の機構で電気化学変換を受けるが電位が異なる分子を選択する能力を有することにより、様々なｐＨ条件に対応でき、系内の他の酸化還元活性成分が関与する望ましくない電気化学的反応を回避できる。例えば、ＤＮＡ合成を伴う用途の場合、電圧をピリミジン塩基、ヌクレオシド、およびヌクレオチドの還元電位未満に保つことが好ましい（ｐＨが約８の水溶液中のＮＨＥに対して１Ｖ）（Ｓｔｅｅｎｋｅｎ、Ｓ．Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ、１９９２、１１４：４７０１～０９）。
【0200】
[00261]ハイドロキノンの自己酸化は、考慮すべき別の問題である。一例示的実施形態では、酸化を回避するために、分子状酸素による自発的化学酸化に対して耐性がある、電気化学的酸化電位が十分に高いキノン誘導体を使用する。
【0201】
[00262]反対に、メルカプトエタノール、グルタチオン、およびジチオトレイトールなどの還元剤が溶液中に存在する系の場合には、還元電位が十分に低いベンゾキノンを選択するべきである。このような用途の例は、ＤＮＡ合成、電気泳動、および免疫検定法である。
【0202】
[00263]キノンの酸化還元電位は、溶液のｐＨに影響される。ハイドロキノンをより塩基性のｐＨで酸化する方が容易であるが、より酸性のｐＨはより高い酸化電位を必要とする。これは、ひるがえって、空気中の酸素による自己酸化に対するハイドロキノンの安定性に影響を及ぼす。したがって、塩基性ｐＨで作業する必要がある場合は、より高い酸化電位を有するキノンを使用すると電気化学的系の安定性が向上する。図２４は、キノンの様々な置換基に様々な酸化電位があることを示しており（図２４、Ａ～Ｄ）、したがって、キノンの置換基を変更することによって酸化電位を調整できる。
【実施例9】
【0203】
置換キノンの合成
[00264]図２５に示されるスキーム１は、本発明の一例示的実施形態による置換キノンの合成の図である。
[00264]図２５に示されるスキーム１は、本発明の一例示的実施形態による置換キノンの合成の図である。
【実施例10】
【0204】
２，５－ジメチル－１，４－ハイドロキノン
【0205】
【化3】
【0206】
[00265]ジチオン酸ナトリウム（１８．７ｇ、１０７．３ｍｍｏｌ、７．３当量）を２０ｍＬのＨ２Ｏに溶解し、分離漏斗に投入した。次に、ベンゾキノン（２ｇ、１４．７ｍｍｏｌ、１当量）の７５ｍＬジエチルエーテル溶液を添加した。二相混合体を３０分間激しく撹拌し、有機層が橙色から淡黄色に変化した。有機相をブラインで洗浄し、ＭｇＳＯ４で乾燥させ、濃縮して白色固体（１．６９ｇ、８３％）を得た。
【実施例11】
【0207】
１，４－ビス（ブロモメチル）－２，５－ジメトキシベンゼン
【0208】
【化4】
【0209】
[00266]パラホルムアルデヒド（Ａｌｄｒｉｃｈ、４．２７ｇ、１４４．７５ｍｍｏｌ）およびＨＢｒ／ＡｃＯＨ（Ｆｌｕｋａ、３３％、３０ｍＬ）を、１，４－ジメトキシベンゼン（Ａｌｄｒｉｃｈ、１０．００ｇ、７２．３７ｍｍｏｌ）の氷酢酸（Ｆｉｓｈｅｒ、５０ｍＬ）撹拌溶液にゆっくりと添加した。混合物を５０℃で１時間撹拌し、室温に冷却させ、次いで水（２００ｍＬ）で加水分解した。白色固体をろ過して回収し、ＣＨＣｌ３（５０ｍＬ）に懸濁して、１０分間還流した。室温に冷却した後、白色固体を再びろ過して回収し、水（１５．７５ｇ、６７％）で洗浄した。得られた化合物の化学構造およびその純度を確認するために、実験的にＮＭＲスペクトルを取得した。ＮＭＲの結果は以下の通りであった：1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ: 6.88 (s, 2H), 4.54 (s, 4H), 3.87 (s, 6H) ppm.
【実施例12】
【0210】
１，４－ジメトキシ－２，５－ジメトキシメチルベンゼン
【0211】
【化5】
【0212】
[00267]乾燥した丸底フラスコに、２，５－ジブロモメチル－１，４－ジメトキシ－ベンゼン（３ｇ、９．２６ｍｍｏｌ、１．０当量）、無水Ｋ２ＣＯ３（２５．６ｇ、１８５ｍｍｏｌ、２０当量）、および乾燥メタノール（２００ｍＬ）を充填した。反応混合物を３０分間加熱して還流させ、次いで周囲温度に冷却し、ろ過して、濃縮して粗白色固体を得た。固体を水に再懸濁し、酢酸エチルで抽出し、ＭｇＳＯ４で乾燥させて、濃縮した。残留物をヘキサン中で淡黄色粉末（１．２ｇ、５７％）として再結晶化した。保持係数（Ｒｆ）（５０％ＥｔＯＡｃ／ヘキサン）＝０．６５。
【実施例13】
【0213】
２，５－ジメトキシメチル－１，４－ベンゾキノン
【0214】
【化6】
【0215】
[00268]１，４－ジメトキシ－２，５－ジメトキシメチルベンゼン（１．２ｇ、５．２４ｍｍｏｌ、１．０当量）のアセトニトリル（０．１Ｍ、５２ｍＬ）溶液を、硝酸セリウムアンモニウム（５．８ｇ、１０．６ｍｍｏｌ、２．０２当量）の水（８ｍＬ）溶液で処理した。反応混合物をアルゴン下で、周囲温度で３０分間撹拌し、次いで水で希釈して、ジクロロメタンで抽出した。結合した有機層を水で洗浄し、Ｎａ２ＳＯ４で乾燥させて、濃縮して橙色固体を得た。粗混合体を不活性化したシリカゲル（０～５％の酢酸エチル／ヘキサン）上でカラムクロマトグラフィーによって精製し、黄色結晶（３００ｍｇ、６７％）を得た。Ｒｆ（５０％ＥｔＯＡｃ／ヘキサン）＝０．７；1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ: ppm;ＵＶ－Ｖｉｓ＝２６８ｎｍ。
【実施例14】
【0216】
２，５－ジメトキシメチル－１，４－ハイドロキノン
【0217】
【化7】
【0218】
[00269]２．５ｍＬのＥｔＯＡｃ中の、実施例１３の反応により得られたベンゾキノン（２００ｍｇ、１．０２ｍｍｏｌ、１．０当量）を、ジチオン酸ナトリウム（１．３ｇ、７．４４ｍｍｏｌ、７．３当量）の２ｍＬのＨ２Ｏ溶液で処理した。二相混合体を３０分間激しく撹拌し、溶液が鮮黄色から淡黄色に変化した。混合物を水で希釈し、酢酸エチルで抽出し、ＭｇＳＯ４で乾燥させ、濃縮して白色粉末（９６ｍｇ、４８％）を得た。
【実施例15】
【0219】
１，４－ジメトキシ－２，５－ジヒドロキシメチルベンゼン
【0220】
【化8】
【0221】
[00270]乾燥した丸底フラスコに、２，５－ジブロモメチル－１，４－ジメトキシ－ベンゼン（５ｇ、１５．４ｍｍｏｌ、１．０当量）およびＮａＯＨ（７７ｍＬの１．０Ｍ溶液、７７ｍｍｏｌ、５．０当量）、１２ｍＬのＨ２０、および３８ｍＬのＴＨＦを充填した。反応混合物を密封し、８０℃で６時間加熱した。冷却後、反応混合物を回転蒸発によって粗固体に濃縮し、ヘキサン中で白色粉末（３ｇ、６０％）に再結晶化した。Ｒｆ（８０％ＥｔＯＡｃ／ヘキサン）＝０．２。
【実施例16】
【0222】
２，５－ジメトキシメチル－１，４－ベンゾキノン
【0223】
【化9】
【0224】
[00271]１，４－ジメトキシ－２，５－ジヒドロキシメチルベンゼン（１．０ｇ、５．０４ｍｍｏｌ、１．０当量）のアセトニトリル（０．２Ｍ、２５ｍＬ）溶液を、硝酸セリウムアンモニウム（５．５ｇ、１０．１ｍｍｏｌ、２．０当量）の水（３３ｍＬ）溶液で０℃で処理した。反応混合物をアルゴン下で、周囲温度で３０分間撹拌し、次いでＥｔＯＡｃで抽出した。結合した有機層を、Ｎａ２ＳＯ４で乾燥させ、濃縮して橙赤色固体を得た。粗混合体を不活性化した中性アルミナ（０～１００％の酢酸エチル／ヘキサン）上でカラムクロマトグラフィーによって精製し、黄色結晶（３００ｍｇ、６７％）を得た。Ｒｆ（８０％ＥｔＯＡｃ／ヘキサン）＝０．４；1H HMR (DMSO, 500 MHz): 6.6 (s, 2H), 5.3 (s, 2H), 4.3 (s, 4H), ppm; 13C NMR (DMSO, 125 MHz): 187.4, 149.1, 129.8, 57.0 ppm;ＵＶ－Ｖｉｓ＝２６０ｎｍ。
【実施例17】
【0225】
２，５－ジヒドロキシメチル－１，４－ヒドロキノン
【0226】
【化10】
【0227】
[00272]０．６ｍＬのＥｔＯＡｃ中の、実施例１６の反応により得られたベンゾキノン（６０ｍｇ、０．３６ｍｍｏｌ、１．０当量）を、ジチオン酸ナトリウム（４５３ｍｇ、２．６ｍｍｏｌ、７．３当量）の０．７ｍＬのＨ２Ｏ溶液で処理した。二相混合体を３０分間激しく撹拌し、溶液が鮮黄色から淡黄色に変化した。混合物を水で希釈し、酢酸エチルで抽出し、ＭｇＳＯ４で乾燥させ、濃縮して粗固体を得て、不活性化した中性アルミナ上で、Ａｒ下でカラムクロマトグラフィーによって精製し、白色粉末（２６ｍｇ、３０％）を得た。ＵＶ－Ｖｉｓ＝２９７ｎｍ。
【実施例18】
【0228】
開ループ法
[00273]一例示的実施形態によれば、開ループｐＨ制御と呼ばれる方法は、電流または電位成形（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｈａｐｉｎｇ）を使用して、電極近傍の溶液の所望のｐＨを維持することを含む。この方法は、系の電気化学成分の知識を使用しており、主な要素は、キノンの還元／酸化特性、溶液の開始ｐＨ、電極材料の電子移動係数、酸化還元分子濃度、塩濃度、ならびにバッファーの組成および濃度である。これらの全ての成分が、電気化学的反応が電極近傍のｐＨをどのように変化させるかに影響を与え得る。この知識を用い、実験データを組み込むことによって、一連のモデルを使用して波形を定義し、必要に応じてｐＨを変化させることができる。
[00273]一例示的実施形態によれば、開ループｐＨ制御と呼ばれる方法は、電流または電位成形（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｈａｐｉｎｇ）を使用して、電極近傍の溶液の所望のｐＨを維持することを含む。この方法は、系の電気化学成分の知識を使用しており、主な要素は、キノンの還元／酸化特性、溶液の開始ｐＨ、電極材料の電子移動係数、酸化還元分子濃度、塩濃度、ならびにバッファーの組成および濃度である。これらの全ての成分が、電気化学的反応が電極近傍のｐＨをどのように変化させるかに影響を与え得る。この知識を用い、実験データを組み込むことによって、一連のモデルを使用して波形を定義し、必要に応じてｐＨを変化させることができる。
【0229】
[00274]図２６は、電極近傍の溶液のｐＨを、ｐＨ６．５で１５分間にわたって保持するように設計された開ループ波形実験の結果を示す。ほぼ電流値３．１２ｅ－６と３．５０ｅ－６の間に伸びる段階状のトレースは、系に印加される電流（右軸）と相関する。ほぼ一直線のトレースは、電極表面近傍で観察されたｐＨと相関しており、これは、表面に結合した緑色蛍光タンパク質のｐＨ依存性蛍光（左軸）を分析することによって測定される。
【0230】
[00275]図２７は、溶液のｐＨの形成および制御に使用できる４つの異なる波形の例（Ａ～Ｅ）を示す。黒色線は電流／電位駆動入力であり、灰色線は、得られた電極表面近傍の溶液のｐＨ変化を経時的にプロットしたものである。
【0231】
[00276]系の関連する電気化学成分が一定のままである場合、これらの波形を使用して、複雑さを増すことなく、オンデマンドで溶液の同一のｐＨ変化プロファイルを再現的に生成できる。この方法は、様々な電極系を使用して実行でき、例示的セットアップの概略図を図３１、Ａ～Ｂに示す。この方法には、最小限の２つの電極８１５、８２０が必要である。最初に、電極７００近傍の溶液の開回路電位は、２つの電極８１５、８２０の間にゼロ電流を印加することによって測定することができる。この状態では、一方の電極が感知電極（ＳＥ）８１５として機能し、第２の電極が参照電極（ＲＥ）８２０として機能する。開始ＯＣＰがわかると、所望のｐＨ変化に基づいて電流８００（図３１、Ａ）または電位８０４（図３１、Ｂ）が電極８１５、８２０に印加される。電流または電位が印加される間、一方の電極８１５は作用電極（ＷＥ）として機能し、第２の電極８２０は対電極（ＣＥ）として機能する。これは、系の状態を一定に保たなければならない点で最も単純なケースであるが、精度を向上させるためには、系の状態を継続的にフィードバックする方法が好ましい。
【実施例19】
【0232】
閉ループ法
[00277]別の例示的実施例によると、閉ループｐＨ制御と呼ばれる方法は、開回路電位をフィードバック測定として使用して電流または電位を制御する。
[00277]別の例示的実施例によると、閉ループｐＨ制御と呼ばれる方法は、開回路電位をフィードバック測定として使用して電流または電位を制御する。
【0233】
[00278]図２９Ａは、単一のＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴを用いた閉ループフィードバック法を使用して感知電極（ＳＥ）上で制御されたＯＣＰを示す。１つのセットアップ（図３２に示される）では、系を駆動して電流源８００から電流を印加し、ＳＥ８１７によって検出されたＶｉｎ８３０が単一のＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴ値に達するまで、溶液７００中のＨ＋濃度を増加させる。次いで、スイッチ８０２を使用して電流源８００を遮断し、Ｈ＋イオンがＳＥ８１７から拡散すると、溶液７００中のＨ＋濃度が低下する。同様に、Ｈ＋濃度の低下がＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴ値に達するまで駆動するように系を設定でき、次いで、Ｈ＋イオンがＳＥに向かって拡散すると、Ｈ＋濃度が増加する（図示せず）。別のセットアップ（図３３に示される）では、正の電流源８００および負の電流源８０１を使用しているため、系はｐＨの変化を促進するために拡散に頼る必要がない。この系は、ｐＨを正方向および負方向の両方で能動的に変化させることができる。このセットアップでは、系を駆動して電流源８００から正電流を印加し、Ｖｉｎ８３０が単一のＯＣＰ ＶＴＡＲＧＥＴ値に達するまでＨ＋濃度を増加させ、切り替えスイッチ８０３を使用して負電流源８０１を作用電極（ＷＥ）８１６に接続して負電流を印加し、セットアップを反対に駆動してＨ＋濃度を低下させる。このように、系は受動的拡散に頼らず、電子制御によってｐＨを能動的にモニタリングおよび調整する。
【0234】
[00279]図２９Ｂは、ＳＥ８１７とＲＥ８２２の間のＯＣＰの実験データを示しており、このデータは、ＷＥ８１６に電流が印加されると変化する。このセットアップ（図３２に示される）では、上限および下限目標は、コントローラ９００を介してＳＥ８１７のＯＣＰの値にあらかじめ設定されている。フィードバックは、電位が下限を下回る場合、電流駆動ｐＨ変化を作動し、上限を超える場合、スイッチ８０２が電流を遮断する。データは、ＯＣＰが上限目標に達するまで上昇していることを示す。次いで、フィードバックがＷＥ８１６をオフにすることにより、バルクからのバッファーが溶液７００の局所ｐＨを回復し始めると、ＯＣＰが低下する。ＯＣＰが下限目標に達すると、スイッチ８０２を使用して電流が再開され、ＯＣＰが再び増加する。このフィードバック機構により、溶液７００の定義されたｐＨをＷＥ８１６近傍に維持できる。別のセットアップ（図３３に示される）では、フィードバックを作動してＯＣＰを連続的に変化させることができるので、正の電流を印加して上限に達するまでＯＣＰを能動的に増加させ、次いで反対に負の電流を印加して下限に達するまでＯＣＰを能動的に減少させることができる。このように、系は受動的拡散に頼らず、電子制御によってｐＨを能動的にモニタリングおよび調整する。
【0235】
[00280]さらに、図３０は、電流が印加された作用電極に隣接する感知電極で測定された開回路電位電圧の実験結果を示す。作用電極は、感知電極と共に閉ループフィードバック状態にある。感知電極によって検出された作用電極の開回路電位（ＯＣＰ）は、作用電極近傍の溶液のｐＨに類似する。フィードバックは、感知電極の開回路電位が０．２Ｖ未満の場合にのみ、ＷＥに電流を印加するように設定されている。次いで、フィードバックは０．１９Ｖから０．２Ｖ（目標ＯＣＰ）の間にとどめられ、作用電極の電位を０．１９Ｖ未満でオンにし、０．２Ｖ超でオフにする。５６０秒の時間でのシフトは、バルク溶液を作用電極にピペッティングしたことによる乱れである。これにより、作用電極に印加される電流によって生成されたｐＨ勾配が乱れ、溶液のｐＨが直ちにバルク溶液のｐＨに戻される。ピペッティングを停止した後、閉ループフィードバック系が目標ＯＣＰを回復し、次いで維持することができる。
【0236】
[00281]図３２～４７は、閉ループフィードバックセットアップの概略図を示し、感知電極（ＳＥ）８１６と参照電極（ＲＥ）８２２の間のＯＣＰが、１つまたは複数のスイッチ８０２～８０３、８０６～８１０を介して電流源８００～８０１または電位源８０４～８０５を調整するコントローラ９００への入力として提供される。このようにして、系をオンおよびオフしてＨ＋イオンの電気化学生成／消費を増加または減少させ、バルク溶液からのバッファーイオンの拡散速度の増加または減少のバランスをとることができ、ＳＥ８１６とＲＥ８２２の間の目標ＯＣＰ（ＶＴＡＲＧＥＴ）で定義された特定のｐＨ値を達成することができる。
【実施例20】
【0237】
ｐＨ感受性コーティングの使用
[00282]閉ループｐＨ制御法をさらに改善するために、作用電極および／または感知電極８１５、８１６、８１７にｐＨ感受性コーティング８４０を添加することにより、改善されたｐＨ感受性を組み込むことができる。このようなコーティングの例はＰＡＮＩであり、ＰＡＮＩは、特別なｐＨ感受性を有することが示されている。ＰＡＮＩは、水素イオンと相互作用してポリマーの伝導率を変化させる荷電基を含有する。ｐＨの関数としてのＰＡＮＩの応答は、ｐＨ検出のネルンスト限界（５９ｍＶ／ｐＨ）に近い。ＰＡＮＩの開回路電位における変化は、Ｈ＋だけでなく溶液中の他のイオンに感受性を持つ単なる裸電極表面とは異なり、Ｈ＋イオンに対して非常に選択的である。図２８は、ｐＨの関数としての開回路電位（ＯＣＰ）の応答を示しており、電極の表面がｐＨ感受性ＰＡＮＩコーティングで覆われている。ｐＨの関数としてのＯＣＰの応答は、線の傾きによっておよそ６０ｍＶ／ｐＨであることが示され、これはネルンスト限界に近い。
[00282]閉ループｐＨ制御法をさらに改善するために、作用電極および／または感知電極８１５、８１６、８１７にｐＨ感受性コーティング８４０を添加することにより、改善されたｐＨ感受性を組み込むことができる。このようなコーティングの例はＰＡＮＩであり、ＰＡＮＩは、特別なｐＨ感受性を有することが示されている。ＰＡＮＩは、水素イオンと相互作用してポリマーの伝導率を変化させる荷電基を含有する。ｐＨの関数としてのＰＡＮＩの応答は、ｐＨ検出のネルンスト限界（５９ｍＶ／ｐＨ）に近い。ＰＡＮＩの開回路電位における変化は、Ｈ＋だけでなく溶液中の他のイオンに感受性を持つ単なる裸電極表面とは異なり、Ｈ＋イオンに対して非常に選択的である。図２８は、ｐＨの関数としての開回路電位（ＯＣＰ）の応答を示しており、電極の表面がｐＨ感受性ＰＡＮＩコーティングで覆われている。ｐＨの関数としてのＯＣＰの応答は、線の傾きによっておよそ６０ｍＶ／ｐＨであることが示され、これはネルンスト限界に近い。
【実施例21】
【0238】
デバイスの設計
[00283]図３１は、開ループ法を利用したデバイス設計の例示的概略図を示す。Ａ部では、制御された電流源を使用し、Ｂ部では制御された電圧源を使用する。
[00283]図３１は、開ループ法を利用したデバイス設計の例示的概略図を示す。Ａ部では、制御された電流源を使用し、Ｂ部では制御された電圧源を使用する。
【0239】
[00284]閉ループ法と共に様々な設計を使用できる。図３２、３４、３６、３８、４０、４２、および４４は、単一制御電流源８００を用いた閉ループ法の様々な設計を示し、図３３、３５、３７、３９、４１、４３、および４５～４７は、二重制御電流源８００、８０１を使用する代替設計を示す。閉ループ法はまた、ＰＡＮＩコーティング８４０を施された感知電極８１７を用いた設計で実行できる（図３４、３５、３８～４１、および４４～４７）。ＷＥおよびＳＥを組み合わせて、感知電極および作用電極の両方として機能できる単一の電極８１５としてもよい（図３６～３９）。様々なスイッチ８０２～８０３、８０６～８１０を使用して、電流８００～８０１および電圧源８０４～８０５を接続および切断する。図３２、３４、３６、および３８は、電流源８００を接続および切断するための簡単なスイッチ８０２を示す。図４０は、電圧源８０４を接続および切断するための類似のスイッチ８０６を示す。図３３、４４、４６、および４８は、正電流源８００と負電流源８０１とを切り替えるための切り替えスイッチ８０３を示す。図４２は、正電圧源８０４と負電圧源８０５とを切り替えるための類似の切り替えスイッチを示す。図４２～４５では、スイッチ８０８～８１０は、クロック位相Ｐｈｉ１およびＰｈｉ２と連動して動作する。スイッチ８０８および８１０は、クロック位相Ｐｈｉ１と連動して動作し、スイッチ８０９はＰｈｉ２と連動する。上記の各例では、フィードバックに基づいてコントローラ９００によって制御される様々なスイッチにより、ＷＥ電位入力およびＳＥ測定出力のさらなる制御レベルが可能となる。
【0240】
[00285]図４６は、閉ループコントローラを有する系のアーキテクチャを概略的に示す。この系は、１つの目標値ＶＴＡＲＧＥＴ９０７のみでｐＨを制御する。同一のアーキテクチャは、電流の代わりに電圧を使用してｐＨを調節する系を備えた電気化学セルに適用できる。一例示的実施形態では、コントローラは以下のように動作する。入力電圧（Ｖｉｎ）８３０を９０１でサンプリングし、９０２で目標電圧ＶＴＡＲＧＥＴ９０７と比較し、その差を９０３で増幅してループフィルタ９０４で処理する。これをループフィルタの一部とすることもでき、例えばスイッチドキャパシタ増幅器またはスイッチドキャパシタループフィルタなどの様々な方法で実現することもできる。ループフィルタ９０４の一例は、比例部（Ｐ）、積分部（Ｉ）および微分部（Ｄ）を有するＰＩＤコントローラである。ループフィルタ９０４の出力シグナルは、コンパレータ９０５によって固定閾値と比較される。コンパレータ９０５の出力は、正でも負でもよい。これは、デジタル表示と同等である。次いで、このデジタルシグナルは、フリップフロップまたはラッチのようにクロックモジュール９０６に保存される。一実施形態では、クロック９０８の周波数は、Ｈ＋イオンの拡散時定数の逆数によって決定される周波数よりもはるかに高い。次いで、フリップフロップの出力シグナルは、ＷＥ８１６に正または負の単位電流を印加するかどうかを決定する。このスキームは、１つの電流源８００のみを有する系、または電流源８００、８０１の代わりに電圧源８０４、８０５を有する系にも適用することができる。この系は、「電気化学デルタシグマ変調器」として機能し、単位電流源の量子化誤差は、電気化学セルの伝達関数および電子ループフィルタ９０４の伝達関数によって「形成」され、クロックＣＬＫ９０８の周波数によって決定される広い周波数スペクトルにわたって分散される。図４６に示すように、コンパレータの１ビット出力は、デジタルフィルタ９０９でフィルタ処理できる。これにより、ｐＨを目標値に保つために系が電気化学セルに適用しなければならないものがデジタル表示される。
【0241】
[00286]アナログコントローラ、デジタルコントローラ、またはアナログおよびデジタルの両方のシグナル処理を使用するコントローラを使用できるという点で、コントローラアーキテクチャ設計には柔軟性がある。図４７は、第２のコントローラアーキテクチャを示しており、図４６との主な差異は、ｐＨの目標値を設定する方法である。図４６では、目標ｐＨ値は、アナログ電圧ＶＴＡＲＧＥＴ９０７によって設定される。このＶＴＡＲＧＥＴ９０７は、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）によって生成できる。図４７では、入力電圧Ｖｉｎ８３０が、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）９１１によってデジタル化され、次いで９１２でデジタル目標値９１０と比較される。前述のように、電子機器はＨ＋イオンの拡散時定数の逆数よりもはるかに高い周波数９０８でクロックされる。
【0242】
[00287]図４７のコントローラは、特定の目標ｐＨ値を設定するために必要な電流または電圧を、閉ループ法を使用して「測定」するために使用され得る。この情報を使用して、系を特徴付け、開ループ系の刺激を導き出すことができる。これが非常に役立ち得る一例は、多数のサイトのアレイ構造であり、この構造では、１つのサイトが閉ループを使用して正しい値を「測定」するために使用され、次いでそれらの値は、開ループによって他の多くの「ミラーリング」サイトに適用される。
【0243】
[00288]図４８Ａ～４８Ｄは、ｐＨ感知用の例示的な電極構成（ルーティングは図示せず）の図を示す。作用電極および感知電極の形状の図は、以下を含む：図４８Ａは、作用電極に隣接して配置された感知電極であり、図４８Ｂは、作用電極内に配置された感知電極であり、図４８Ｃは、単一の作用電極用の複数の感知電極であり、図４８Ｄは、互いにかみ合った作用電極および感知電極である。ＰＡＮＩ表面の組み込みは、閉ループｐＨ制御の精度を向上させるのに有利である。ｐＨをモニターするための感知電極を組み込む方法には、多くの様々なものがある。例えば、さらに別の代案では、能動的および受動的／測定ステップを切り替えることにより、作用電極および感知電極を同一にすることもできる。
【実施例22】
【0244】
ｐＨ調節
[00289]ｐＨ調節試薬、例えば、キノン誘導体、ヒドラジン誘導体、または水の可逆的な電気化学的酸化／還元は、局所領域での急速なｐＨ変化が実証されている（Ｆｏｍｉｎａら、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ １６、ｐｐ．２２３６～２２４４（２０１６））。ｐＨ調節の限界は、特定のｐＨ調節試薬のｐＫａおよび酸化／還元電位、ならびにそれらの濃度に応じ得る。１ｍＭリン酸塩バッファー中の酸化インジウムスズ電極での２，５－ジメチル－１，４－ハイドロキノンの酸化、および２，５－ジメチル－１，４－ベンゾキノンの還元によるオンデマンドｐＨ調節をテストした。図５３は、電極にアノード電流を印加する場合、プロトン生成がバッファー容量を上回り、溶液のｐＨがより酸性になり、逆もまた同様であることを示す。
[00289]ｐＨ調節試薬、例えば、キノン誘導体、ヒドラジン誘導体、または水の可逆的な電気化学的酸化／還元は、局所領域での急速なｐＨ変化が実証されている（Ｆｏｍｉｎａら、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ １６、ｐｐ．２２３６～２２４４（２０１６））。ｐＨ調節の限界は、特定のｐＨ調節試薬のｐＫａおよび酸化／還元電位、ならびにそれらの濃度に応じ得る。１ｍＭリン酸塩バッファー中の酸化インジウムスズ電極での２，５－ジメチル－１，４－ハイドロキノンの酸化、および２，５－ジメチル－１，４－ベンゾキノンの還元によるオンデマンドｐＨ調節をテストした。図５３は、電極にアノード電流を印加する場合、プロトン生成がバッファー容量を上回り、溶液のｐＨがより酸性になり、逆もまた同様であることを示す。
【実施例23】
【0245】
多電極アレイの設計
[00290]図４９は、フィードバック制御電極を含む多電極アレイの非限定的な図を示す。場合によっては制御ユニットへの接続に必要であり得る接続電極およびコンタクトパッドは、明瞭化するため図示していない。このスキームは、反応または可視化の複数のステップを実行する場合に特に役立つ。フィードバック制御セクションにおける各フィードバック制御セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。
[00290]図４９は、フィードバック制御電極を含む多電極アレイの非限定的な図を示す。場合によっては制御ユニットへの接続に必要であり得る接続電極およびコンタクトパッドは、明瞭化するため図示していない。このスキームは、反応または可視化の複数のステップを実行する場合に特に役立つ。フィードバック制御セクションにおける各フィードバック制御セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。
【0246】
[00291]図５０は、フィードバック制御セクションおよびフィードバック非制御セクションを含有する単一デバイスの制御スキームの非限定的な図を示す。このスキームは、反応または可視化の複数のステップを実行する場合に特に役立つ。フィードバック制御セクションにおける各フィードバック制御セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。各目標ｐＨ値用に、フィードバック非制御セクション中に、同一の目標ｐＨ値に割り当てられている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットが存在し得る。フィードバック非制御電極セットの作用電極の形状およびサイズが、フィードバック制御電極セットの作用電極の形状およびサイズと類似している場合、フィードバック制御セクションから得られた電気的パラメータは、フィードバック非制御セクションの作用電極に直接適用され得る。
【0247】
[00292]図５１は、フィードバック制御電極セットがフィードバック非制御電極セットの間に分散している非限定的な図を示す。各フィードバック制御電極セットは、独立したｐＨ値、同一のｐＨ値、またはそれらの組合せを目標とすることができる。各目標ｐＨ値用に、やはり同一の目標ｐＨ値に割り当てられている１つまたは複数のフィードバック非制御電極セットがある（ｐＨ結合）。この構成は、より簡単なデバイスアーキテクチャで同一レベルの制御またはより高いレベルの制御を得るのに役立つ可能性がある。場合によっては、この構成により、フィードバック制御電極セットがそれぞれのｐＨ結合フィードバック非制御電極セットに囲まれている場合など、異なる目標ｐＨ値を有する隣接する作用電極からの感知電極への影響を最小限にすることができる。フィードバック制御電極セットの同一の目標ｐＨ値に割り当てられたフィードバック非制御電極セットは、同一の目標ｐＨ値に割り当てられたそれぞれのフィードバック制御電極セットに隣接して、および／または隣接せずに配置することができる。フィードバック制御電極セットは、同一の目標ｐＨ値に割り当てられたそれぞれのフィードバック非制御電極セットに対して一定のパターンで、および／またはランダムに配置されてもよい。場合によっては、フィードバック制御電極セットは、ランダムに配置されるか、または作用電極にわたって均一な溶液ｐＨが得られるように設計された一定のパターンで配置される。場合によっては、フィードバック制御電極セットは、それぞれの作用電極で固有の溶液ｐＨおよび／または固有の一連のｐＨ変化を提供する点において、最大限の汎用性が得られるように設計された一定のパターンで配置される。場合によっては、フィードバック制御電極セットは、最大限のフィードバックを提供するか、または感知素子の集合体からのフィードバックを最小限にするように設計された一定のパターンで配置される。
【0248】
[00293]次の段落でさらに詳述するように、非限定的な実施例では、多電極アレイの設計は、ｐＨ結合電極セットの作用電極間の直接電気的結合によってｐＨ結合されたｐＨ結合電極セットを含有し、他の非限定的な実施例では、多電極アレイの設計は、プロセッサから同一の電気的パラメータを受け取るｐＨ結合電極セットの各作用電極によってｐＨ結合されたｐＨ結合電極セットを含有し、他の非限定的な実施例では、多電極アレイの設計は、プロセッサから異なる電気的パラメータを受け取りながらも、同一の目標ｐＨ値を生成するように構成されたｐＨ結合電極セットの各作用電極によってｐＨ結合されたｐＨ結合電極セットを含有する。
【0249】
[00294]直接電気的連結は、直接電気的連結経路においてプロセッサをバイパスする電気的連結でも、プロセッサを含まない電気的連結でもよい。場合によっては、電線を介した結合によって直接電気的結合が実現される。ｐＨ結合電極セットの作用電極が直接電気的に連結されている場合、場合によっては、フィードバック制御作用電極がプロセッサから電気的パラメータを取得し、フィードバック制御電極が直接電気的連結を介してフィードバック非制御作用電極に電気的パラメータを直接渡す。好ましくは、フィードバック非制御電極セットの作用電極の形状およびサイズは、フィードバック制御電極セットの作用電極の形状およびサイズと類似している。このようにして、ｐＨ結合電極セットの作用電極は、同一の電気的パラメータを受け取り、ｐＨ結合電極セットの作用電極を囲む溶液を同様の方法で変更することができる。
【0250】
[00295]ｐＨ結合電極セットの各作用電極がプロセッサから同一の電気的パラメータを受け取る場合、ｐＨ結合電極セットの作用電極は、好ましくは同一のサイズおよび／または形状を有し、これにより、ｐＨ結合電極セットの作用電極は、ｐＨ結合電極セットの作用電極を囲む溶液を同様の方法で変更する。場合によっては、プロセッサから電気的パラメータを受け取る場合、どのフィードバック非制御電極セットをどのフィードバック制御電極セットにｐＨ結合するかの再割り当てを、容易に変更できる。
【0251】
[00296]ｐＨ結合電極セットの各作用電極が、プロセッサから電気的パラメータを受け取って同一の目標ｐＨ値を生成する場合、ｐＨ結合電極セットの作用電極は、互いに異なるサイズおよび／または形状を有することがある。このような場合、プロセッサは、（１）電気的パラメータをｐＨ結合フィードバック制御電極セットの作用電極に提供して、ｐＨ結合フィードバック制御電極セットの作用電極を囲む溶液のｐＨを目標ｐＨ値に変更し、（２）異なるサイズおよび／または形状を有するｐＨ結合フィードバック非制御電極セットの作用電極に変更された電気的パラメータを提供して、ｐＨ結合フィードバック非制御電極の作用電極を囲む溶液のｐＨを同一の目標ｐＨ値に変更することができる。場合によっては、変更された電気的パラメータは、ｐＨ結合フィードバック制御電極セットの作用電極に必要な電気的パラメータを、ｐＨ結合フィードバック非制御電極セットの作用電極に必要な電気的パラメータに相関付け、両方が同一の目標ｐＨ値を得るようにする所定の校正データに従って変更される。場合によっては、プロセッサから電気的パラメータを受け取る場合、どのフィードバック非制御電極セットをどのフィードバック制御電極セットにｐＨ結合するかの再割り当てを、容易に変更できる。
【0252】
[00297]場合によっては、ｐＨ結合は、ｐＨ結合電極セットを含有するデバイスの同一使用中に、または使用の間に、経時的に変化する可能性がある。これは、デバイスが個々の作用電極それぞれに固有の一連のｐＨ条件を提供して、各作用電極で固有の生成物を生成できるので、これらのｐＨ結合電極を含有するデバイスを使用して、生成物ライブラリなどの少なくとも１つの生成物を同時に生成する場合に有利である。またこれは、感知電極の数を減らし、それに応じて本来必要である処理すべき感知素子の集合体からのフィードバックの量を減らすのに有利である。これは、ｐＨ結合電極セットを含有する同一のデバイスを、使用の間に複数の異なる目的で使用する場合にさらに有利であり得る。場合によっては、ｐＨ結合の変更は、スイッチのネットワークを介して、および／または各作用電極を個々に制御するプロセッサを介して制御される。場合によっては、ｐＨ結合および／またはｐＨ結合の変更は、グラフィカルユーザーインターフェースからｐＨ結合を選択することなどによってユーザー定義される。
【実施例24】
【0253】
閉ループ制御および設計
[00298]図５２は、閉ループｐＨ制御が、表面パターン化された電極でどのように機能するかを示す概略図の非限定的な図を示す。
[00298]図５２は、閉ループｐＨ制御が、表面パターン化された電極でどのように機能するかを示す概略図の非限定的な図を示す。
【0254】
[00299]図５４Ａ～５４Ｂは、外部対電極および参照電極を有する閉ループｐＨ制御の非限定的な図（図５４Ａ）、ならびに表面パターン化されたオンチップ対電極および参照電極を有する閉ループｐＨ制御の非限定的な例（図５４Ｂ）を示す。
【0255】
[00300]図５５Ａ～５４Ｄは、感知素子および作用電極、ならびに場合による他の構成要素の設計の非限定的な図を示す。図５５Ａおよび図５５Ｂは、様々な用途に使用できるスライド設計を示す。場合によっては、クロストークまたは短絡を回避するために、感知素子は、作用電極から物理的に分離する必要がある。作用電極および感知素子が同一平面上にある必要がある場合は、作用電極と感知素子の間に１ｎｍから１００ミクロンまでの範囲の小さな間隙を使用できる（図５５Ｃ）。別の可能な設計オプションは、多層スタックを構築することであり、絶縁薄層を感知素子と作用電極の間に配置できる（図５５Ｄ）。対電極を作用電極の周囲にパターン化することもでき、これにより、拡散効果を最小限にすることができ、特に非バッファー溶液の場合、ｐＨ調節区域のより明確な形状でｐＨを制御するのに役立つことができる（図５５Ｅ）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22-1】
【図22-2】
【図22-3】
【図23】
【図24】
【図25-1】
【図25-2】
【図26】
【図27A】
【図27B】
【図27C】
【図27D】
【図27E】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31A】
【図31B】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48A】
【図48B】
【図48C】
【図48D】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
【図53】
【図54】
【図55】
【国際調査報告】