專利名稱：指示電化學(xué)過程的光信號的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體地涉及指示電化學(xué)過程的光信號。
背景技術(shù)：
氧化還原分子是在施加適當(dāng)電勢偏壓時能被電極還原或氧化的分子。氧化還原分子的還原或氧化反應(yīng)被稱為氧化還原反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)發(fā)生于許多應(yīng)用中，例如電池，燃料電池，醫(yī)學(xué)診斷，和膠片沖洗等。氧化還原分子可以發(fā)揮許多作用。例如，氧化還原分子可以作為標(biāo)簽，此時使其與所關(guān)心的分析物結(jié)合，通過氧化還原反應(yīng)對該氧化還原分子的檢測，就表明所結(jié)合分析物的存在。在一些情況下，所關(guān)心的分析物可能本身具有氧化還原活性。這種標(biāo)記方法或固有特性被用于醫(yī)學(xué)診斷中，通過電化學(xué)方法檢測DNA，蛋白質(zhì)，抗體，抗原，和其他物質(zhì)。
在用于色譜檢測器的傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器中，控制工作電極相對于參比電極的電勢，并測量流過工作電極和惰性計(jì)數(shù)電極之間的法拉第電流。在這種方法中，通過工作電極處發(fā)生的反應(yīng)提供整個體系的信息內(nèi)容。
在另一種電化學(xué)檢測方法中，使用電極來引發(fā)能借助電化學(xué)發(fā)光(ECL)發(fā)射光的氧化還原反應(yīng)。Aurora和Manz在PCT申請WO 00/0323中報(bào)道了一種包括浮動反應(yīng)電極的設(shè)備，能作為電化學(xué)發(fā)光裝置。Massey等人在美國專利6316607中公開了傳統(tǒng)ECL標(biāo)簽以及用來檢測這些標(biāo)簽的方法，但是該方法的用途也是依賴于一個電極來提供完整的信息內(nèi)容。De Rooij等人在美國專利6509195中公開了用來分析生物物質(zhì)的電化學(xué)發(fā)光檢測器，該方法中也使用了作為標(biāo)記和ECL發(fā)射器的標(biāo)簽。
基于ECL的檢測方法是對傳統(tǒng)電流測定或電勢測定電化學(xué)檢測方法的改進(jìn)，因?yàn)樗鼈兺`敏感。其更好的靈敏度是因?yàn)橛辛顺`敏光子檢測器，而且通過轉(zhuǎn)換成光信號能消除氧化還原信號中存在的噪聲。而心里檢測電流的方法從本質(zhì)上而言受所實(shí)施方法的限制。例如，氧化還原標(biāo)簽和ECL發(fā)射器通常是同一物質(zhì)，因此無法分別獨(dú)立地優(yōu)化氧化還原傳感和光發(fā)射過程。
發(fā)明概述在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有該分析物的第一電解質(zhì)溶液接觸雙性電極的第一區(qū)域；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液接觸雙性電極的第二區(qū)域；使第一電解質(zhì)溶液與第二電解質(zhì)溶液進(jìn)行離子隔離；在第一和第二電解質(zhì)溶液之間施加電勢差，檢測電化學(xué)體系所發(fā)射的光，從而指示雙性電極第一區(qū)域處分析物的存在或含量。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測多種分析物存在或含量的方法，包括使含有多種分析物的第一電解質(zhì)溶液接觸多個雙性電極的第一區(qū)域，每個雙性電極都與一種分析物-針對性結(jié)合試劑相關(guān)；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液接觸雙性電極的第二區(qū)域；使第一和第二電解質(zhì)溶液進(jìn)行離子隔離；在第一和第二電解質(zhì)溶液之間施加電勢差，檢測與雙性電極各第二區(qū)域接觸的電化學(xué)發(fā)光體系所發(fā)射的光，從而指示各個雙性電極第一區(qū)域處各種分析物的存在或含量。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液接觸第一容器，第一容器中包括第一電極和第二電極；使發(fā)光源與第二容器相連，第二容器中包括第三電極和第四電極；使第一和第三電極電偶合，在第二和第四電極之間施加電勢差，檢測從第二容器中的發(fā)光源所發(fā)射的光，從而指示第一容器中分析物的存在或含量。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測多種分析物存在或含量的方法，包括使含有多種分析物的第一電解質(zhì)溶液接觸第一容器，第一容器中包括多個第一電極和一個第二電極，每個第一電極都與一種分析物-針對性結(jié)合試劑相關(guān)；使多個發(fā)光源與第二容器相連，第二容器中包括多個第三電極和一個第四電極；使多個第一和第三電極電偶合；在第二和第四電極之間施加電勢差，并檢測與對應(yīng)的多個第三電極相連的多個發(fā)光源所發(fā)射的光，從而指示第一容器中各種分析物的存在或含量。
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了若干技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的實(shí)施方式可能包括所有、一些優(yōu)點(diǎn)，或不包括這些優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測電化學(xué)過程并以光子方式進(jìn)行指示的方法。因?yàn)殛枠O和陰極過程是化學(xué)去偶合的，所以目標(biāo)分析物不一定要直接參與ECL反應(yīng)序列。這樣能大大增加使用高靈敏度ECL方法能檢測的分析物數(shù)量。陽極和陰極反應(yīng)是電子偶合的，因此能使ECL強(qiáng)度與分析物濃度發(fā)生關(guān)聯(lián)，從而對其進(jìn)行定量。
本發(fā)明另一個實(shí)施方式表明，通過改變陽極和陰極的彼此相對形狀，能夠降低檢測限。
除了使此傳感器的傳感作用和指示作用去偶合之外，該系統(tǒng)能與沒有外部電觸點(diǎn)的雙性電極共同工作，這是本發(fā)明一些實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)。許多這樣的雙性電極可以排列在一個裝置中，受到同一電場的作用而具有活性。這種方法能簡化多重分析例如同時分析5，50或甚至50000種不同的分析物。的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在另一個實(shí)施方式中，通過使用不同長度的多個雙性電極，能組成電極陣列，用來檢測其半反應(yīng)具有不同表觀電勢的目標(biāo)物。已經(jīng)證明這種裝置能通過測量ECL強(qiáng)度或者被照光電極的長度而起作用。
在本發(fā)明的任何實(shí)施方式中，都能通過使用在電極和測量ECL體系所發(fā)光的光電二極管之間提供必要電勢偏壓的小型電池使這種裝置小型化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員不難確定本發(fā)明的其他技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡要說明參考附圖進(jìn)行以下說明，使用相同的圖中數(shù)字表示相同的部件，其中

圖1A所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中用來檢測分析物存在的系統(tǒng)正視示意圖；圖1B所示是圖1A系統(tǒng)的俯視示意圖；圖1C所示是用來檢測分析物存在的系統(tǒng)俯視示意圖，其中使用了長度不同的雙性電極；圖1D所示是用來檢測分析物存在的系統(tǒng)俯視示意圖，其中使用了雙性電極陣列；圖2所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中用來檢測分析物存在的系統(tǒng)俯視示意圖，其中使用了兩個隔開的電極；圖3所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中用來間接檢測分析物存在的系統(tǒng)俯視示意圖，其中使用了三個電極區(qū)域；圖4所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中用來檢測分析物存在的方法流程圖；圖5A所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中用來檢測分析物存在的系統(tǒng)示意圖，其中使用了隔離的樣品室和信號室；
圖5B所示是圖5A中系統(tǒng)的示意圖，其中所述室之間具有多個雙性電極；圖6所示是圖5A中系統(tǒng)的示意圖，其中使用了分析物的氧化還原循環(huán)；圖7所示是圖5A中系統(tǒng)的示意圖，其中使用了產(chǎn)生ECL信號的湮滅反應(yīng)；圖8所示是圖5A中系統(tǒng)的示意圖，其中的發(fā)光二極管產(chǎn)生光信號；圖9所示是用于檢測分析物存在的系統(tǒng)截面圖，該系統(tǒng)中包括樣品室和信號室，其間具有雙性電極；圖10所示是圖9中系統(tǒng)的截面圖，在樣品室和信號室之間具有多個雙性電極；圖11所示是用來檢測分析物存在的系統(tǒng)截面圖，該系統(tǒng)中包括一系列隔開的樣品室和一個共同的信號室；圖12所示是用于檢測分析物存在的系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)中包括一系列隔開的樣品室和一個共同的信號室；圖13A所示是含有5毫摩爾/升Ru(bpy)3Cl2和25毫摩爾/升三丙胺的0.1摩爾/升磷酸鹽緩沖液(pH6.9)的循環(huán)伏安圖(曲線a)和含有1毫摩爾/升芐基紫精二氯化物的相同溶液的循環(huán)伏安圖(曲線b)；圖13B所示是圖13A中兩種溶液在610納米處的歸一化ECL強(qiáng)度隨雙電極池中所施加電勢偏壓的變化圖；圖14所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中ECL發(fā)射強(qiáng)度隨雙性電極的陽極和陰極區(qū)域相對面積的變化圖；圖15A所示是電流與所施加電勢偏移的關(guān)系圖；圖15B所示是使用圖5A中的系統(tǒng)所獲得的光強(qiáng)與所施加電勢偏移的關(guān)系圖；圖16A所示是電流與所施加電勢的關(guān)系圖；圖16B所示是使用圖8中的系統(tǒng)所獲得的光強(qiáng)與所施加電勢的關(guān)系圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式圖1所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中基于電化學(xué)檢測和電致化學(xué)發(fā)光(“ECL”)指示的微流體傳感系統(tǒng)100的正視示意圖。一般來說，系統(tǒng)100被用來檢測目標(biāo)分析物102的存在，具體方法是用氧化還原試劑118標(biāo)記目標(biāo)分析物102，傳感第一電極區(qū)域124處的電化學(xué)反應(yīng)，通過與第二電極區(qū)域122相關(guān)聯(lián)的ECL體系120對電化學(xué)反應(yīng)的傳感進(jìn)行光指示。
在本發(fā)明一個實(shí)施方式的說明中，使與ECL體系120相連的指示反應(yīng)(數(shù)字101所示)與由氧化還原試劑118促進(jìn)的電化學(xué)傳感反應(yīng)(數(shù)字103所示)去偶合。下文進(jìn)一步具體說明去偶合。因?yàn)橄到y(tǒng)100要求電荷平衡，所以本發(fā)明說明認(rèn)為傳感反應(yīng)103和指示反應(yīng)101是電偶合的。這樣，就增加了能被高靈敏ECL體系120檢測的目標(biāo)分析物102的數(shù)量。另外，由于電偶合的原因，能使ECL體系120所發(fā)出光121的強(qiáng)度與目標(biāo)分析物102的濃度相關(guān)，從而對其進(jìn)行定量。系統(tǒng)100可以采用無線模式構(gòu)建，如圖1A，1B，1C和1D中所示，或者采用有線模式構(gòu)建，如圖2和3中所示。本發(fā)明的說明還可以采取其他模式，這里的模式僅是例子而已。
如圖1A和1B中所示，系統(tǒng)100包括測試容器104，其中容納有雙性電極106和電解質(zhì)溶液108。系統(tǒng)100中還包括電壓源110和檢測器114。
測試容器104可以是任何能容納雙性電極106和電解質(zhì)溶液108的合適容器。容器104可以是任何適當(dāng)尺寸的，通過任何適合制造方法采用合適材料形成。容器可以是具有任何適當(dāng)尺寸的通道，微通道，腔室，阱，管子，毛細(xì)管和類似物。例如，容器104的長度，寬度，和深度可以是0.1微米到幾厘米或更多。另外，容器104可以由任何適用材料形成，例如聚合物，彈性體，塑料，陶瓷，玻璃，石英，硅，和復(fù)合材料。雖然圖1A和1B中只示出一個容器104，不過系統(tǒng)100中可以包括多個容器104。而且，每個容器中都可以包括一個或多個雙性電極106，如圖1C和1D中所示。
雙性電極106是任何適當(dāng)尺寸的電極，由任何適當(dāng)材料形成，例如碳，導(dǎo)電漿液，導(dǎo)電聚合物，任何適用金屬，導(dǎo)電氧化物，和半導(dǎo)體材料。可以采用任何適當(dāng)方法形成雙性電極106，例如用于半導(dǎo)體工業(yè)的傳統(tǒng)平版印刷方法，濺射，蒸發(fā)，電子束沉積，絲網(wǎng)印刷，電鍍或無電沉積，以及涂漆。還可以預(yù)先形成雙性電極106，然后再安裝進(jìn)容器104中。雙性電極106包括第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122。在所述實(shí)施方式中，第一電極區(qū)域124作為陰極，第二電極區(qū)域122作為陽極；但在其他實(shí)施方式中，第一電極區(qū)域124作為陽極，第二電極區(qū)域122作為陰極。雙性電極106兩個電極末端的面積可以各不相同，通過改變電極寬度，第一電極區(qū)域124可以小于或大于第二電極區(qū)域122。例如，雙性電極106可以具有字母“T”的形狀。使用更寬的第一電極區(qū)域124和更窄的第二電極區(qū)域122，如圖1中所示，這樣就能控制兩個末端的相對電流密度，從而使信號集中于較小的面積，為氧化還原試劑118的反應(yīng)提供較大的電極面積，增強(qiáng)ECL光信號。
電解質(zhì)溶液108中可以含有任何溶解于水的適用電解質(zhì)鹽，有機(jī)溶劑，水相/有機(jī)溶劑溶液，離子傳導(dǎo)聚合物，熔融鹽，液氨，液態(tài)二氧化硫，和任何適用的超臨界流體?？梢圆捎萌魏芜m用方法將電解質(zhì)溶液108引入容器104中。在一個實(shí)施方式中，電解質(zhì)溶液108中含有用氧化還原試劑118標(biāo)記的目標(biāo)分析物102和ECL體系120。
目標(biāo)分析物102是任何需要用系統(tǒng)100分析的分子。例如，目標(biāo)分析物102可以是DNA，RNA，低聚核苷酸，蛋白質(zhì)，肽，酶，抗體，抗原，糖，(寡)糖，脂類，類固醇，激素，有機(jī)小分子，神經(jīng)傳遞質(zhì)，藥物，細(xì)胞，試劑，過程中間體，反應(yīng)產(chǎn)物，副產(chǎn)物，過程流體組分，污染物，或其他適用物質(zhì)。目標(biāo)分析物102可以是電活性的，這時其本身含有氧化還原試劑118，或者是非電活性的，這時需要用氧化還原試劑118作標(biāo)記。可以采用任何適用標(biāo)記方法，例如直接或間接標(biāo)記，共價標(biāo)記，非共價標(biāo)記，靜電標(biāo)記，就位標(biāo)記，通過酶反應(yīng)轉(zhuǎn)化和通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化的方法用氧化還原試劑118來標(biāo)記目標(biāo)分析物102。要在一次測量時檢測多種分析物時，可能需要不同的氧化還原標(biāo)簽。
氧化還原試劑118是任何適用的氧化還原活性分子。氧化還原活性分子是很容易被氧化或被還原的分子。氧化還原分子的一個例子是芐基紫精(BV2+)，它很容易在兩個連續(xù)的單電子過程中被兩個電子還原。其他例子包括二茂鐵，苯醌，吩噻嗪，紫精，卟啉，苯胺，噻吩，吡咯，過渡金屬絡(luò)合物，金屬顆粒，聚苯乙烯球等其他能容納多個氧化還原分子的顆粒以及類似物。能夠在氧化還原反應(yīng)中交換超過一個氧化還原當(dāng)量(即一個電子)的氧化還原標(biāo)簽在本發(fā)明中起到放大信號的作用。以下進(jìn)一步具體說明氧化還原試劑118的作用；但是通常，當(dāng)與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118通過第一電極區(qū)域124附近時，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這會導(dǎo)致ECL體系120在第二電極區(qū)域122處發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，從而發(fā)射光121，被檢測器114檢測到。
ECL體系120可以是任何適用的電化學(xué)發(fā)光體系。ECL體系是一種化合物或一些化合物的混合物，能夠通過氧化還原過程而發(fā)光。ECL體系的一個例子是與三烷胺混合的釕螯合物或鋨螯合物。在本發(fā)明的一個特定實(shí)施方式中，ECL體系120包括釕三-聯(lián)吡啶基化合物(“Ru(bpy)32+”)和三丙胺(“TPA”)。下文將一步具體說明的ECL體系120的作用是響應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)，例如氧化還原發(fā)應(yīng)，發(fā)射光121。光121被檢測器114檢測。因此，容器104上具有光學(xué)透明窗口112，使ECL體系120發(fā)射的光121被檢測器114檢測。窗口112可以是任何適用尺寸的，可以用任何適用材料和方法形成在容器104上。測試容器本身可以是由光學(xué)透明材料例如玻璃或合適的熱塑性塑料制成的，使光121被檢測器114檢測。測試容器可以是阱或其他形狀的，該容器具有一個向外的開口，光信號能直接通過這個開口到達(dá)檢測器。
檢測器114可以是任何能夠檢測從ECL體系120所發(fā)射光121的適用檢測器。例如，檢測器114可以包括視覺觀察，光電倍增管，電荷偶合器件，例如CCD陣列，CMOS陣列，光電二極管和照相機(jī)。檢測器114與窗口112相鄰，能夠檢測光121。
電壓源110可以是任何能在容器104的長度上施加適當(dāng)電壓的合適裝置，能對電解質(zhì)溶液108施加電場。在電極長度上對電解質(zhì)溶液施加的電場如圖1A-1D中ΔEfield所示。如果第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122處的電解質(zhì)溶液108的電勢差到達(dá)一個臨界值，則雙性電極106的兩端會發(fā)生法拉第過程。臨界電勢(Ecrit)取決于許多因素，例如電解質(zhì)溶液108中氧化還原試劑118的濃度，溫度，兩個半反應(yīng)異相電子遷移率常數(shù)的數(shù)值，質(zhì)量傳遞率，接界電勢等因素。但是通常Ecrit大致等于第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122處所發(fā)生氧化還原過程的表觀電勢差。
當(dāng)沿著雙性電極106長度的電解質(zhì)溶液108的電勢差(ΔEelec)小于Ecrit時，容器104中雙性電極106周圍的電流由電解質(zhì)溶液108中的電子產(chǎn)生。但是，當(dāng)電勢差ΔEelec大于Ecrit時，則從能量方面考慮，更傾向于在雙性電極106兩端(即第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122)發(fā)生法拉第過程，電流由雙性電極106中的電子產(chǎn)生。這樣，當(dāng)氧化還原試劑118發(fā)生氧化還原反應(yīng)時，則ECL體系120會發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，從而檢測到所發(fā)射的光121。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，容器104中存在一個離子透過屏障116，提供了兩個隔開的樣品室。屏障116起到使與傳感反應(yīng)103相關(guān)的氧化還原試劑(即分析物)和與指示反應(yīng)101相關(guān)的ECL體系隔離的作用，同時仍然允許離子偶合?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)碾x子透過屏障，例如液-液接界，鹽橋，電泳膜和可離子透過的溶膠凝膠屏障。屏障116還可以是連接隔開的室的狹窄開口。開口的一維尺寸與該容器的一維尺寸相同，開口的至少一維尺寸小于容器的相應(yīng)尺寸。狹窄開口能防止傳感反應(yīng)103與指示反應(yīng)101發(fā)生明顯的混合。在使用屏障116的一個實(shí)施方式中，組成與傳感反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)溶液108的鹽，緩沖劑和溶劑與指示反應(yīng)101相關(guān)的電解質(zhì)溶液的鹽，緩沖劑和溶劑可以相同或不同。
圖1C是系統(tǒng)100的俯視示意圖，其中使用了不同長度的一些雙性電極。圖1C所示的實(shí)施方式中有長度不同的電極106a，106b和106c。在電極106a，106b和106c之間的電解質(zhì)溶液108中所產(chǎn)生電場強(qiáng)度基本上正比于具體電極的長度。因此，各個不同長度的電極產(chǎn)生不同的ΔEelec。在所述實(shí)施方式中，能夠根據(jù)不同雙性電極106a，106b和106c所發(fā)射光的相對強(qiáng)度，區(qū)別混合物中具有不同氧化還原電勢的氧化還原標(biāo)簽。例如，可以用只小于最長電極，即電極106c的ΔEelec的Ecrit來表征某個氧化還原標(biāo)簽118。在該實(shí)施方式中，ECL體系120被激活，在電極106c的第二電極區(qū)域122c而不是電極106a或106b處發(fā)光。但是，可以用小于兩個較長電極，即電極106b和106c的ΔEelec的Ecrit來表征用于不同分析物的第二氧化還原標(biāo)簽118。在該實(shí)施方式中，ECL體系120被激活，分別在電極106b和106c的第二電極區(qū)域122b和122c而不是電極106a處發(fā)光。在構(gòu)想的實(shí)施方式中，調(diào)節(jié)電極長度能區(qū)分多種氧化還原標(biāo)簽，使用多個電極所發(fā)射光的圖案來確定混合物中分析物的存在。
圖1D是系統(tǒng)100的俯視示意圖，其中使用了雙性電極106a，106b，106c和106d的陣列。圖1D所示形成“陣列”的實(shí)施方式按照與圖1A和1B中所示實(shí)施方式相似的方式工作，區(qū)別在于使用了多個電極。
可以使用這種電極陣列來檢測同一樣品中的多種目標(biāo)分析物。在此實(shí)施方式中，使一個識別單元與各個雙性電極的一個區(qū)域相關(guān)聯(lián)，能夠使該區(qū)域變成分析物-針對性的。識別單元選擇性地響應(yīng)感興趣的多種分析物中的一種或者選擇性地與其結(jié)合。該識別單元可以是離子選擇性薄膜，或任何能選擇性地結(jié)合另一個分子的分子，例如DNA，RNA，PNA和其他核酸類似物，抗體，抗原，受體，配體等，包括這些識別單元的組合。下面將結(jié)合圖5A討論信號的定域發(fā)生。
圖1A和1B中所示的無線型實(shí)施方式工作的簡單說明如下，假設(shè)容器104中已經(jīng)制成具有雙性電極106，窗口112和屏障116。首先用氧化還原試劑118標(biāo)記目標(biāo)分析物102，并與電解質(zhì)溶液108混合。另外，將ECL體系120與電解質(zhì)溶液108混合。如上所述，用于目標(biāo)分析物102和相關(guān)氧化還原試劑118的電解質(zhì)溶液108以及用于ECL體系120的電解質(zhì)溶液108可以是相同或不同類型的。將含有目標(biāo)分析物102和相關(guān)氧化還原試劑118的電解質(zhì)溶液108引入容器104的室105b中，將含有ECL體系120的電解質(zhì)溶液108引入容器104的室105a中。然后將檢測器114固定在與窗口112相近的適當(dāng)位置處。
然后利用電壓源110在容器104的長度上施加電場。這就在第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122之間的電解質(zhì)溶液108中形成了電勢差，在室105a和105b之間形成通過化學(xué)屏障116的離子流。當(dāng)電勢差ΔEelec大于Ecrit時，如上所述，電流開始在雙性電極106中從第二電極區(qū)域122流動到第一電極區(qū)域124。當(dāng)可被氧化還原試劑118標(biāo)記的目標(biāo)分析物102，通過擴(kuò)散或整體對流在第一電極區(qū)域124內(nèi)移動時，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因此，如果第一電極區(qū)域124作為陰極，則氧化還原試劑被還原，如果第一電極區(qū)域作為陽極，則氧化還原試劑被氧化。假設(shè)第一電極區(qū)域124作為陰極，則氧化還原試劑118從雙性電極106接受電子，由于系統(tǒng)100要求電荷平衡，所以ECL體系120向雙性電極106釋放電子。ECL體系120的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致光121射出窗口112。然后檢測器114檢測到光121，即產(chǎn)生檢測到目標(biāo)分析物102的信號。光121的強(qiáng)度與第一電極區(qū)域124附近被檢測到的氧化還原分子數(shù)目相關(guān)，從而能夠確定目標(biāo)分析物的量。
使指示反應(yīng)101與傳感反應(yīng)103去偶合導(dǎo)致產(chǎn)生本發(fā)明的若干技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是，系統(tǒng)100為傳感和指示過程使用了分開的反應(yīng)?，F(xiàn)有系統(tǒng)關(guān)注于在“工作”電極處發(fā)生的反應(yīng)，忽略了在“反”電極處發(fā)生的反應(yīng)。結(jié)果是，必須用單一反應(yīng)同時提供傳感和指示功能。與此不同，在本發(fā)明一個實(shí)施方式的說明中，關(guān)注于在一個電極區(qū)域(即反電極)處由ECL體系所發(fā)射的光，而電化學(xué)傳感反應(yīng)在另一個電極區(qū)域(即工作電極)處發(fā)生。這樣就能更好地控制分析物的檢測，還能減少和/或克服由于在傳感反應(yīng)中使用ECL反應(yīng)而產(chǎn)生的問題，其中利用ECL氧化還原分子作為目標(biāo)分析物的標(biāo)簽，即同時作為標(biāo)簽和指示物質(zhì)。
現(xiàn)有系統(tǒng)還要求在同一個樣品室中進(jìn)行傳感和指示過程。與此不同，在本發(fā)明一些實(shí)施方式的說明中，提供了分開的傳感和指示過程，從而允許根據(jù)溶劑，電解質(zhì)濃度，和組成以及其他組分，對每個氧化還原過程獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，從而使ECL體系的發(fā)光效率最大，同時保持恰當(dāng)?shù)膒H，離子強(qiáng)度，以及傳感反應(yīng)必需的其他溶劑條件。圖2和3所示是在兩個分開的室中在分開的電極上發(fā)生傳感和指示反應(yīng)。
圖2所示是有線型系統(tǒng)100的俯視示意圖，其中使用了兩個電極200a，200b。電極200a和200b可以是任何適用尺寸和形狀的，由任何適用材料形成，參見對雙性電極106材料的描述。電極200a和200b可以具有相似的形狀和面積，如圖2中所示，或者具有不同的電極面積，為的是如上所述加強(qiáng)ECL體系所發(fā)射的信號。一個電極的面積可以是另一個電極的2倍，10倍，100倍，甚至1000倍?？梢园凑昭b置制造，包裝，尺寸要求，靈敏度等因素的需要，根據(jù)應(yīng)用的要求，改變電極形狀。圖2中所示實(shí)施方式與圖1A和1B中所示類似，區(qū)別在于用電極200a和200b代替了雙性電極106。另外，電極200a和200b通過電壓源202彼此電偶合，電壓源202可以是電池或其他能在電極200a和200b之間施加電勢差的其他適用電壓源。如圖2中所示，電極200a作為陽極，電極200b作為陰極；但是根據(jù)氧化還原試劑118和ECL體系120所用氧化還原分子的種類，電極200a也可以作為陰極，而電極200b作為陽極。
與圖1A-1D中所示實(shí)施方式相似，傳感反應(yīng)103與一個電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)，而指示反應(yīng)101與另一個電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)。但在圖2所示的實(shí)施方式中，這兩個電極區(qū)域是位于兩個相鄰室206a和206b中的分開的兩個電極。兩個室之間的狹窄開口208允許兩個室為保持電荷平衡而發(fā)生離子偶合。開口208的尺寸是在兩個室之間產(chǎn)生遷移的需要和保持各個室的溶液基本隔開的要求的折衷。優(yōu)選狹窄開口時，開口208小于容器的至少一個尺寸。例如，開口208可能與兩側(cè)的室等高，但是開口208的寬度可能小于兩個相連室的寬度。在另一個實(shí)施方式中(未示出)，室206a和206b之間還有一個離子透過屏障，其功能與無線型實(shí)施方式中的化學(xué)屏障116相同。
在本發(fā)明另一個實(shí)施方式中，樣品在容品流過，兩個室間有個屏障存在于兩個電極上游，兩個室間有個開口存在于電極的下游。在另一個有兩股或多股樣品流通過電極的實(shí)施方式中，兩個室間屏障存在于電極的上游，這兩股或多股流體經(jīng)過電極之后合并。在另一個實(shí)施方式中，在電極上游或下游之間不存在物理屏障，從分開的幾個入口進(jìn)入主通道的幾股流體在層流條件下發(fā)生合并，從而保持整體分開的狀態(tài)。
本發(fā)明另一個實(shí)施方式中的電極和室具有其他形狀，包括有多個傳感室與單個指示室101相連。圖2中所示實(shí)施方式的工作與圖1A-1D中所示相同。區(qū)別是，電壓源202在電極200a和200b之間施加電勢差，而不是如上所述在容器上施加。
圖3所示是有線型系統(tǒng)100的俯視示意圖，其中使用了三個電極300a，300b，和300c。電極300a，300b和300c具有任何適用的尺寸和形狀，由適用材料形成，可參見對雙性電極106和電極200a與200b的描述。圖3中所示實(shí)施方式與圖1A和2中所示實(shí)施方式的區(qū)別是，目標(biāo)分析物102的檢測是反向檢測。換言之，在圖1A和2所示的實(shí)施方式中，發(fā)生電化學(xué)傳感反應(yīng)時，光121的強(qiáng)度增加，而圖3的實(shí)施方式相反，當(dāng)發(fā)生電化學(xué)傳感反應(yīng)時，光121的強(qiáng)度降低。以下具體說明。
在所述實(shí)施方式中，電極300a與ECL體系120樣關(guān)聯(lián)，電極300b與目標(biāo)分析物102和氧化還原試劑118相關(guān)聯(lián)，電極300c與犧牲氧化還原試劑302相關(guān)聯(lián)。犧牲氧化還原試劑302包含容易被電極還原或氧化的氧化還原分子。電極300c處存在犧牲氧化還原試劑302，使ECL體系120在電極300a和300c之間存在足夠電勢差時，在電極300a處發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)。這就導(dǎo)致發(fā)射的光121透過窗口112，被檢測器114檢測到，與上述內(nèi)容相似。通過室間的狹窄開口308提供室之間的離子偶合。
以下說明用氧化還原試劑118進(jìn)行標(biāo)記的目標(biāo)分析物102的檢測。電極300a和300b是直接電偶合的，因此具有基本相同的電勢。當(dāng)目標(biāo)分析物102和氧化還原試劑118通過電極300b附近時，氧化還原試劑118發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這是由于電極300b處于對此反應(yīng)合適的電勢。這樣，由于電極300a和300b是直接偶合的，所以從電極300c流來的電流分流到電極300a和300b。與ECL體系120和氧化還原試劑118相關(guān)的氧化還原分子爭奪電子。因此，當(dāng)目標(biāo)分析物102(可以標(biāo)記有氧化還原試劑118)接觸電極300b時，從ECL體系120發(fā)射的光121的強(qiáng)度降低，從而表示檢測到了目標(biāo)分析物102。本發(fā)明實(shí)施方式中還采用其他的電極和微通道結(jié)構(gòu)。
圖4所示是本發(fā)明一個實(shí)施方式中檢測目標(biāo)分析物102存在的方法流程圖。該方法從步驟400開始，此時使第一電解質(zhì)，例如含有目標(biāo)分析物102的電解質(zhì)溶液108與第一電極區(qū)域124相關(guān)聯(lián)。在一個實(shí)施方式中，目標(biāo)分析物102具有氧化還原試劑118標(biāo)簽。步驟402中，使第二電解質(zhì)，例如含有ECL體系120的電解質(zhì)溶液108與第二電極區(qū)域122相關(guān)聯(lián)。如上所述，第一和第二電解質(zhì)可以是相同或不同類型的。
步驟404中，使第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122電偶合。在圖1A和1B所示的無線型實(shí)施方式中，這個電偶合就是雙性電極106，而在圖2和3所示的有線型實(shí)施方式中，這個電偶合是用一條電路和一個電壓源來電偶合分開的電極。步驟406中，使第一和第二電解質(zhì)離子偶合。如果使用相同的電解質(zhì)溶液108，而且其間沒有化學(xué)屏障時，第一和第二電解質(zhì)就是離子偶合的。在存在化學(xué)屏障的實(shí)施方式中，用允許兩個電解質(zhì)發(fā)生離子偶，但是阻止電解質(zhì)化學(xué)偶合的屏障來產(chǎn)生離子偶合。例如，該化學(xué)屏障可以是液-液接界，鹽橋，電泳膜，或離子能透過的溶膠凝膠屏障。
步驟408中，在第一電極區(qū)域124和第二電極區(qū)域122之間施加電勢差。在圖1A和1B的無線型實(shí)施方式中，這是對接觸電極的電解質(zhì)溶液施加電場，或者在圖2和3的有線型實(shí)施方式中，是在電極之間施加電壓。當(dāng)電勢差大于Ecrit時，ECL體系120發(fā)射光121。相應(yīng)地，步驟410中，在第二電極區(qū)域122處ECL體系120發(fā)射的光121，被檢測器114檢測到。光121的強(qiáng)度與第一電極區(qū)域124處的氧化還原分子數(shù)量相關(guān)。如圖4中所示，方法到此結(jié)束。
圖5A到8是另一些用來檢測目標(biāo)分析物102存在的系統(tǒng)500的各個示意圖，其中樣品室502和信號室504彼此隔離。系統(tǒng)500a，500b，500c和500d在功能上相似，因?yàn)楸灰霕悠肥?02的目標(biāo)分析物102的存在會導(dǎo)致發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電流通過信號室504。信號室504包括能在電流通過信號室504時發(fā)光的發(fā)光源，該光信號被檢測器114記錄。系統(tǒng)500e是一種用于對多種目標(biāo)分析物102的存在進(jìn)行多重檢測的系統(tǒng)。多種分析物分別與樣品室502中的多個雙性電極相關(guān)聯(lián)，與每種分析物結(jié)合的氧化還原標(biāo)簽使電流通過信號室504。通過每個發(fā)光源發(fā)射的信號(光)與信號室內(nèi)的雙性電極相關(guān)。
參見圖5A，系統(tǒng)500a說明以發(fā)光源作為ECL體系120。在此實(shí)施方式中，樣品室502包括電極506和雙性電極510的第一末端508。信號室504包括電極512和雙性電極510的第二末端514。電極506，512與電壓源110，例如是電池，電源，或其他能在樣品室502中的電解質(zhì)溶液516和信號室504中的電解質(zhì)溶液518之間施加電勢差的適用電壓源相連。另外，與電壓源110相連的電路520還能提供電壓調(diào)節(jié)和電勢波形發(fā)生。
系統(tǒng)500a中也可有個參比電極519。這時，可以在電路520中使用恒電位器，與恒電位器相連的電極506作為工作電極，相連的電極512作為反電極。以下進(jìn)一步說明此實(shí)施方式的工作。
電極506，512可以是相同或不同材料制成的，如上所述。雙性電極510可以通過將兩個獨(dú)立電極與導(dǎo)體連接(“短路”)而構(gòu)成，或者構(gòu)成為一整體的電極，它有暴露于樣品室和信號室502，504中的第一和第二末端508，514。雖然系統(tǒng)500a的設(shè)計(jì)或制造方法可能優(yōu)選采取上述兩種中的一種，但是作為雙性電極510的功能仍然是相同的。
信號室504中還包括光學(xué)透明窗口112，這樣，信號室504中產(chǎn)生的光信號就能被檢測器114所記錄。在一特定實(shí)施方式中，檢測器114位于信號室504內(nèi)部。該實(shí)施方式中的光學(xué)窗口112與檢測器114是一整體的。
疑有目標(biāo)分析物102的樣品溶液裝在樣品室502中。樣品溶液中還含有能提供電化學(xué)過程必需的離子傳導(dǎo)的電解質(zhì)。而且，還含有與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118。含有ECL體系120的電解質(zhì)溶液518裝在信號室504中。
在系統(tǒng)500a的一個實(shí)施方式中，將目標(biāo)分析物102，以及因而與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118與雙性電極510的第一末端508相關(guān)聯(lián)。目標(biāo)分析物102的這個相關(guān)聯(lián)或定域化能集中目標(biāo)分析物102，從本體溶液或流動樣品中螯合目標(biāo)分析物102，或者從其他類似物質(zhì)中分離出目標(biāo)分析物102。通過分析物-針對性識別單元實(shí)現(xiàn)定域化。
分析物-針對性單元可以是任何能對其環(huán)境選擇性響應(yīng)的適用薄膜，例如離子選擇性薄膜。分析物針對性單元還可以是任何能選擇性結(jié)合其他分子的適用分子，例如DNA，RNA，或PNA低聚物，探測性物質(zhì)，引發(fā)劑，抗體，抗原，受體，配體和類似物質(zhì)。分析物針對性響應(yīng)性或結(jié)合性單元是本領(lǐng)域眾所周知的，常用于化學(xué)和生物化驗(yàn)中。
分析物針對性單元可以采用各種形式，不過主要在物理意義上接近雙性電極。該單元可以被直接固定在電極界面上，或者被固定在與電極相鄰的區(qū)域中，或位于這兩個位置處。該單元還可以被固定在其他固態(tài)載體上，例如珠粒，微粒，納米顆粒，凝膠，多孔聚合物和類似物，然后將其限制在電極界面附近。單元的結(jié)合可以是共價的，非共價的，靜電的，范德華力的，物理吸著或化學(xué)吸著。其他固態(tài)載體的位置限制可以是物理或化學(xué)的。物理限制包括多孔屏障內(nèi)的限制性珠粒，這樣液體就能與室的其他區(qū)域進(jìn)行交換，而珠粒無法通過開口。
然后，目標(biāo)分析物102的定域化起到將與目標(biāo)分析物相關(guān)的氧化還原試劑118定域于雙性電極510的作用。如果目標(biāo)分析物102本身是電活性的，或者如果目標(biāo)分析物直接標(biāo)記有氧化還原試劑，則通過與分析物的結(jié)合實(shí)現(xiàn)定域化。
可以用氧化還原活性分子，氧化還原聚合物，具有結(jié)合的氧化還原基團(tuán)的聚合物，導(dǎo)電聚合物，氧化還原活性顆粒，氧化還原活性膠體和類似物實(shí)現(xiàn)對分析物的直接標(biāo)記。氧化還原活性顆粒可以通過可被氧化金屬的無電沉積而就地產(chǎn)生。例如，使用具有金顆粒標(biāo)記的分析物，使顆粒暴露于銀離子溶液中，在金顆粒上形成銀金屬。所沉積的銀，很容易被氧化，在分析中作為氧化還原試劑118。
還可以用能改變物質(zhì)氧化還原活性的酶或催化劑來標(biāo)記目標(biāo)分析物102，而具有新氧化還原活性的分子就是本發(fā)明方法中與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118。后一種情況是間接標(biāo)記的一個例子。由直接標(biāo)記目標(biāo)分析物的酶或催化劑產(chǎn)生的氧化還原試劑118本身不與目標(biāo)分析物結(jié)合。但是，氧化還原試劑118的存在與目標(biāo)分析物102的存在相關(guān)。
在直接或間接標(biāo)記方法中，可以通過共價鍵或能與目標(biāo)分析物102發(fā)生特定結(jié)合作用的試劑，使目標(biāo)分析物102結(jié)合于直接標(biāo)簽或酶或催化劑。結(jié)合試劑的選擇取決于目標(biāo)分析物102的本性。例如，對于核酸目標(biāo)，結(jié)合試劑可以是核酸或相關(guān)衍生物(RNA，DNA，PNA等)，對于抗原或抗體，結(jié)合試劑可以是針對該抗原或抗體的抗體。這種方法采用了許多常常被稱為夾層化驗(yàn)的特征。
在所述實(shí)施方式中，信號室504中雙性電極510陽極末端處的氧化作用使ECL體系120激活，與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118在樣品室502中雙性電極510的陰極末端被還原。當(dāng)系統(tǒng)500a中不包括參比電極519時，該實(shí)施方式也可以在對應(yīng)室中另一個電極處發(fā)生反應(yīng)；即，分析物反應(yīng)可以在電極506處發(fā)生，或者ECL體系反應(yīng)可以在電極512處發(fā)生。反應(yīng)方式取決于ECL體系120的選擇和氧化還原試劑118的選擇，這兩方面都取決于各種因素，例如試劑可用性，成本，靈敏度，操作簡易性和穩(wěn)定性。
系統(tǒng)500a還取決于在室502，504中電極506，512處發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。其中，電極506是陽極，電極512是陰極。氧化還原物質(zhì)可以是溶液中的任何分子，例如溶劑，電解質(zhì)，或另一種加入電解質(zhì)溶液中的具有明確氧化還原活性的分子，或者位于電極表面的固態(tài)組合物。例如，電極表面上可以涂覆有銀/氯化銀組合物，能為電路提供氧化還原相當(dāng)物同時保持穩(wěn)定的電勢。
在一個實(shí)施方式中，系統(tǒng)500a按照以下方式工作。疑有目標(biāo)分析物102的電解質(zhì)溶液516裝在樣品室502中，含有ECL體系120的電解質(zhì)溶液518裝在信號室504中。提供與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118。電壓源110在電極506和512之間提供電勢差。其效果是在電解質(zhì)溶液516和518之間產(chǎn)生電勢差。當(dāng)雙性電極510兩個界面處溶液之間的電勢差增大到大約與氧化還原試劑118和ECL體系120之間的氧化還原電勢差匹配時，法拉第電流會流過該雙性電極，從而激活ECL體系120。信號室504上具有光學(xué)窗口112，使ECL體系120發(fā)射的光信號能被檢測器114記錄。
參見圖5B中所示的系統(tǒng)500e，特別注意其與系統(tǒng)500a的區(qū)別進(jìn)行描述。在所示實(shí)施方式中，樣品室502中包括電極506和多個雙性電極510a-d的第一末端508a-d。雙性電極的數(shù)目至少是2，可以多達(dá)幾千。信號室504中包括電極512和多個雙性電極510a-d的第二末端514a-d。
分析物針對性識別單元與每個第一末端508a-d相連。疑有多種目標(biāo)分析物102a-d的樣品溶液裝在樣品室502中，提供與每種目標(biāo)分析物相關(guān)的氧化還原試劑118。氧化還原試劑可能都是相同的，因?yàn)槊總€信號相關(guān)的雙性電極的類別能夠使信號與分析物發(fā)生聯(lián)系。
ECL體系120位于信號室504中，并與雙性電極510a-d的每個第二末端514a-d相關(guān)聯(lián)。根據(jù)相應(yīng)雙性電極的位置，記錄并聯(lián)系在每個雙性電極處發(fā)射的光信號，能夠確定樣品室中每種分析物的存在或量。在此實(shí)施方式中，優(yōu)選使用能同時記錄所有信號的像素檢測器，不過如果只有少量雙性電極，則可以使檢測器對信號室進(jìn)行掃描，順序記錄信號。
參見圖6，樣品室502的結(jié)構(gòu)能支持與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118發(fā)生氧化還原再循環(huán)。氧化還原試劑118可以采用上述任何形式，附加條件是，它是化學(xué)和動力學(xué)可逆的物質(zhì)。氧化還原再循環(huán)是經(jīng)過充分研究的一種現(xiàn)象，其中，可逆氧化還原試劑在兩個緊鄰電極之間移動，一個電極相對氧化還原試劑保持還原電勢，另一個相對氧化還原試劑保持氧化電勢。在所述實(shí)施方式中，氧化還原試劑118與電極506發(fā)生電子遷移反應(yīng)之后，擴(kuò)散至電極508，發(fā)生相反的電子遷移反應(yīng)，使氧化還原試劑118恢復(fù)其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以重復(fù)。隨著電極506和508之間距離的縮小，氧化還原試劑118的轉(zhuǎn)換時間也縮短，通過樣品室502的凈電流增加。當(dāng)電極506和508之間的特征距離接近到大約15微米時，電流開始有明顯增加。當(dāng)距離縮小到大約5微米時，增加幅度至少是5倍。電流的增加有助于增強(qiáng)ECL體系120所產(chǎn)生的信號，例如增加強(qiáng)度和提高靈敏度。
在一個實(shí)施方式中，如圖6中所示，電極506和508以面平行方式排列，電極界面之間具有狹窄縫隙。在另一個實(shí)施方式中，電極506和508被整合成距離接近，共平面的電極。為了使氧化還原循環(huán)產(chǎn)生的放大效果最大化，應(yīng)該將兩個電極排列成相交的形狀，從而使這兩個電極附近的面積最大。
圖7所示是類似于上述系統(tǒng)500a和500b的系統(tǒng)500c，但在信號室504中具有另一種形式的ECL體系120。通過所謂“湮滅”反應(yīng)產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光信號，其標(biāo)志數(shù)字是530。在這種反應(yīng)中，發(fā)光分子的氧化態(tài)和還原態(tài)是分別產(chǎn)生的。它們接觸時，發(fā)生如下反應(yīng)一個電子從被還原分子遷移到被氧化分子，產(chǎn)生兩種中性物質(zhì)，其中的一種具有電激活狀態(tài)。激活態(tài)的分子回到基態(tài)，根據(jù)發(fā)光分子的光物理性質(zhì)，以一定效率發(fā)射光子。ECL體系可以是基于溶液的，包含溶劑，電解質(zhì)鹽和氧化還原活性生光團(tuán)，例如釕三(聯(lián)吡啶)，二苯基蒽，和紅熒烯。ECL體系中還可以有離子傳導(dǎo)聚合物和散布有生光團(tuán)的電解質(zhì)的薄膜，例如導(dǎo)電聚合物，例如聚(對-亞苯基)或聚(對-亞苯基亞乙烯基)，或氧化還原聚合物，例如基于釕配合物的聚合物。
圖8所示是系統(tǒng)500d，其中，位于信號室504中的發(fā)光源是固態(tài)單元532。以相反取向提供了兩個整流發(fā)射器，產(chǎn)生每個方向的電子流。例如，發(fā)光二極管(“LED”)和激光二極管可以在系統(tǒng)500d中發(fā)揮作用，使樣品室502中產(chǎn)生的氧化還原信號完全轉(zhuǎn)換成信號室504中產(chǎn)生的光信號。由與目標(biāo)分析物102相關(guān)的氧化還原試劑118通過的電流被這些LED和激光二極管等單元轉(zhuǎn)換成發(fā)射的光，然后被檢測器114記錄。
LED的基本結(jié)構(gòu)中包括被夾在兩個電極(陰極和陽極)之間的至少兩個層的層疊。對于商用標(biāo)準(zhǔn)型半導(dǎo)體LED，層疊中包括n-摻雜半導(dǎo)體和p-摻雜半導(dǎo)體。對于近來開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體，層疊中包括電子傳輸層，空穴傳輸層，發(fā)射層，通常有個電子傳輸層。對電極施加合適電壓時，與可流動的電流大小有關(guān)，電子和空穴相遇并分別在n-p接點(diǎn)或在發(fā)射層中再次結(jié)合，結(jié)果發(fā)射出光。有機(jī)和半導(dǎo)體LED可能發(fā)出可見光或紅外光。因此，可以根據(jù)光發(fā)射器要求的對合適波長范圍的靈敏度選擇檢測器114。
圖9到12所示是用來檢測目標(biāo)分析物102存在的另一種系統(tǒng)900的示意圖。
圖9所示是用來檢測目標(biāo)分析物102存在的系統(tǒng)900a的截面圖，其中包括樣品室502和信號室504之間的雙性電極902。在所述實(shí)施方式中，樣品室502和信號室504在機(jī)殼904中垂直排列。樣品室502位于機(jī)殼904的上部，信號室504位于其下部。屏障906位于樣品室502和信號室504之間，起到物理分隔這兩個室的作用。在一些實(shí)施方式中，屏障906使室實(shí)現(xiàn)離子隔離，在其他實(shí)施方式中，屏障906在兩個室之間提供遷移。
在一個實(shí)施方式中，雙性電極902具有一個暴露于樣品室502的區(qū)域，和一個暴露于信號室504的相背區(qū)域。雙性電極902每個區(qū)域的面積可以是基本相同的，或者具有不同的面積，從而能在各個區(qū)域中控制電流密度。
樣品室502包括電極908，信號室504包括電極910。這些電極都被連接至外部電壓源110(未示出)。通過控制電極908和910之間的電勢差，就能控制在雙性電極902上形成的電勢差。電極908可以是任何適合的導(dǎo)體，可以采取任何適用形狀，例如盤狀，針狀，管狀，環(huán)狀等，掛在一個蓋式門上，有一個導(dǎo)體固定在樣品室502的壁上。電極910可以是類似形狀的，還要考慮到電極910的物理位置，使光信號能不受阻擋地從發(fā)光源傳播通過光學(xué)窗口112到達(dá)檢測器114。
圖10所示是系統(tǒng)900b的截面圖。系統(tǒng)900b的大致結(jié)構(gòu)與圖9中系統(tǒng)900a相似；但是系統(tǒng)900b中包括多個雙性電極912a，912b和912c。雖然只對三個雙性電極進(jìn)行了舉例，但是本發(fā)明還可以采用任何適當(dāng)數(shù)目的雙性電極。在一個實(shí)施方式中，用雙性電極912a，912b和912c檢測單個目標(biāo)分析物，例如目標(biāo)分析物102。
在另一個實(shí)施方式中，使用雙性電極912a，912b和912c檢測同一樣品中的多種目標(biāo)分析物。雙性電極的數(shù)目可以少至2，多達(dá)25，或甚至多達(dá)幾百或幾千。其排列方式取決于雙性電極的數(shù)目和其他因素，例如制造方法，要求的用途和類似因素，但是一般包括沿著通道線形排列或者位于室中的有序二維排列。多種分析物中的一種可以作為內(nèi)部對照。在此實(shí)施方式中，與樣品室502相連的每個雙性電極區(qū)域分別與不同的分析物針對性識別單元相關(guān)。每個單元都起到使所關(guān)心的一種目標(biāo)分析物定域化的作用，從而使氧化還原試劑與每個雙性電極發(fā)生聯(lián)系，如上所述。
圖11中所示是具有多個樣品室的系統(tǒng)900c的截面圖?？梢圆捎萌魏芜m合數(shù)目的樣品室。系統(tǒng)900c還可以被用于批次樣品分析。在有些情況下，在系統(tǒng)900c中分析從相同或不同來源的多種樣品是有好處的。例如，可以對不同來源的多種樣品進(jìn)行檢測，檢測同一目標(biāo)分析物的存在或含量?；蛘邔ν粊碓吹亩鄠€樣品進(jìn)行測試，獨(dú)立檢測同一目標(biāo)分析物(例如重復(fù)檢測)或者不同組的目標(biāo)分析物。本發(fā)明的范圍中還包括每個樣品室502中具有多個雙性電極(與圖10類似)的系統(tǒng)900c。具有多個樣品室的系統(tǒng)還能對標(biāo)準(zhǔn)，對正的和負(fù)的對照樣品同時進(jìn)行測試。
圖中所示的系統(tǒng)900c下部的信號室504是個單一，共用，流體連接的室。信號室504中每個雙性電極902所產(chǎn)生的信號通過擴(kuò)散被定域于電極處。檢測器114可以是一個陣列式光電檢測器，例如照相機(jī)，CCD陣列，光電二極管陣列，CMOS陣列，或其他適用的檢測器。檢測器114還可以是個單器件檢測器，例如光電倍增管或光電二極管，能相對每個雙性電極位置移動，從而讀取每個位置處產(chǎn)生的信號。根據(jù)要讀取的雙性電極902的數(shù)目，系統(tǒng)900c的成本，要求的讀取時間，靈敏度和其他關(guān)于系統(tǒng)900c性能的適當(dāng)因素，可以隨意進(jìn)行選擇。
信號室504中還可以包括分別對應(yīng)于每個樣品室的多個獨(dú)立信號室。例如，這種系統(tǒng)中可以排列著包括樣品室，信號室504，樣品室電極，雙性電極和信號室電極的多個單元，如圖9和10中所示。
圖12所示的是系統(tǒng)900d。系統(tǒng)900d與圖11的系統(tǒng)900c類似；但是，系統(tǒng)900d包括多個分別連接于同一個信號室504的樣品室。這種系統(tǒng)被優(yōu)選用于在不同時間點(diǎn)分析多種樣品。在所示實(shí)施方式中，可以使用與檢測器114具有固定物理關(guān)系的單個信號室504，用來分析位于多個樣品室中的不同樣品。因?yàn)槊總€樣品是在分開的樣品室中進(jìn)行分析的，所以就避免了樣品的交叉污染。
系統(tǒng)900d包括具有開關(guān)922的電路920，能在雙性電極的第一末端924a，924b和924c與第二末端926之間，以及樣品室電極928a，928b和928c與信號室電極930之間形成不同的適當(dāng)連接。
在圖9到12所示的任何實(shí)施方式中，含有ECL體系120的電解質(zhì)溶液都可以被圖5到8中討論的發(fā)光源替代。
實(shí)施例1.通過光轉(zhuǎn)換檢測電化學(xué)過程。
為了證明本發(fā)明一個實(shí)施方式中傳感反應(yīng)和指示反應(yīng)的化學(xué)偶合，在偶合以下兩個不同陰極過程時，對陽極處由Ru(bpy)32+和三丙胺的ECL體系出發(fā)的信號強(qiáng)度進(jìn)行比較(1)(2)等式(1)表示質(zhì)子還原，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件下表觀電勢比等式(2)的反應(yīng)更負(fù)時，發(fā)生等式(1)的反應(yīng)，芐基紫精被還原成激活陽離子。
按照與圖2中所示相似的方法進(jìn)行試驗(yàn)，其中，兩個電極區(qū)域是分開的電極(例如，圖2中的200a和200b)，電極之間的電壓源(202)提供電勢差。采用標(biāo)準(zhǔn)的照相平版印刷方法形成圖案，蝕刻并除去光刻膠，在玻璃基片上制成氧化銦錫(“ITO”)電極。電極寬50微米，其長度足以橫跨室的寬度(參見下文)，并具有從模板凸出的一些連接塊。將聚(二甲基硅氧烷)模板(“PDMS”)連接在印刷有圖案的ITO/玻璃基片上形成一個室，該模板具有1.2厘米長，750微米寬和30微米深的凹陷。凹陷兩端的孔延伸透過PDMS層，作為液體儲槽和將電解質(zhì)溶液引入室中的裝置。將電源(Hewlett-Packard，E3620A型)連接至連接塊，用來控制電極之間的電勢偏移。
在第一個實(shí)驗(yàn)中，在室中裝入含有5毫摩爾/升Ru(bpy)3Cl2(bpy＝2，2′-聯(lián)吡啶)和25毫摩爾/升三丙胺的0.1摩爾/升pH6.9磷鹽沖液的電解質(zhì)溶液。在該溶液中，如圖13A中伏安圖“a”所示，在相對于Ag/AgCl參比電極大約-1.08伏，觀察到第一還原過程即質(zhì)子還原反應(yīng)(1)。在相對于Ag/AgCl0.8伏時，觀察到第一氧化過程即Ru(bpy)32+和三丙胺ECL體系的氧化反應(yīng)。
在雙電極實(shí)驗(yàn)(圖13B)中，加大兩個電極之間的電勢差增大，當(dāng)偏壓達(dá)到約1.8伏時，觀察到開始發(fā)光。該偏壓與溶液的陽極和陰極反應(yīng)之間的1.88伏窗口密切相關(guān)。
在第二個實(shí)驗(yàn)中，采用與第一個實(shí)驗(yàn)中相同的溶液，制備時添加了5毫摩爾/升的芐基紫精二氯化物(BV2+)溶液。同樣，ECL體系發(fā)生第一氧化過程，但是對于該溶液，在相對Ag/AgCl大約-0.52伏的條件下，觀察到第一還原過程，即紫精的還原，如圖13A中伏安圖“b”所示。所以，存在BV2+時，陰極和陽極過程發(fā)生的電壓差從1.80伏減小到大約1.38伏。
在雙電極實(shí)驗(yàn)中向室中引入BV2+時，很容易在ΔEelec＝1.4伏(圖13B)時觀察到ECL現(xiàn)象，而在不含BV2+的溶液中，在該電勢偏壓條件下無法觀察到ECL信號。在1.4伏偏壓條件下產(chǎn)生的信號與溶液的陽極和陰極反應(yīng)之間的1.38伏窗口密切相關(guān)。
如上所述，雙性或雙電極結(jié)構(gòu)中在陽極和陰極處發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是電相關(guān)的，而不是化學(xué)相關(guān)的。在陽極處消耗的電子數(shù)量和陰極處產(chǎn)生的電子數(shù)量之間存在一對一的對應(yīng)關(guān)系。本實(shí)施方式表明，陽極處的ECL強(qiáng)度反映或指示了在雙電極電池的陰極處電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。這一點(diǎn)證明了該傳感器傳感和指示功能之間的關(guān)系，這樣就能根據(jù)其氧化還原電勢區(qū)分兩種氧化還原活性不同的分析物。
2.信號強(qiáng)度與相對電極面積的關(guān)系能在更大程度上反映分析物(例如在陰極)的實(shí)驗(yàn)條件能加強(qiáng)ECL強(qiáng)度(例如在陽極)。因此，在其他相同條件下，增大陰極面積導(dǎo)致更強(qiáng)的ECL。為了證明這一點(diǎn)，采用與圖1A和1B中所示類似的實(shí)施方式，測量ECL強(qiáng)度與陰極陽極相對面積的關(guān)系，其中的兩個電極區(qū)域(122，124)是雙性電極(106)的相對末端，電極上的電勢場使溶液中靠近每個電極末端處產(chǎn)生電勢差。
采用三種不同的雙性電極形狀，測試ECL發(fā)射強(qiáng)度與陽極陰極區(qū)域相對面積的關(guān)系。在第一種情況下，電極形狀是“T”形的，其的頂部(200微米×100微米)作為陰極，窄的底部(50微米寬)作為陽極。在第二種情況下，電極形狀是具有不變寬度(50微米)的帶狀電極，陰極和陽極面積相同。在第三種情況下，電極形狀也是“T”形的(尺寸與上文相同)，但是以寬的頂部作為陽極，以窄的底部作為陰極。在這三種情況下，電極都長500微米。電場是沿著其長軸方向施加的。
使含有5毫摩爾/升Ru(bpy)3Cl2和25毫摩爾/升三丙胺的0.1摩爾/升pH6.9磷酸鹽緩沖液接觸每個電極，沿著每個電極長度施加1.88伏電場時，記錄ECL發(fā)射譜。結(jié)果如圖14中所示。當(dāng)陰極面積相對于陽極大時，觀察到最高的ECL強(qiáng)度。
發(fā)射曲線“1”和“2”之間的區(qū)別表明，即使所有試劑的濃度都相同，通過增加指示電極區(qū)域的電流，這種情況下是對電極區(qū)域面積進(jìn)行設(shè)計(jì)，就能增強(qiáng)ECL信號。
3.具有隔離樣品室和信號室的系統(tǒng)中的氧化還原傳感和ECL基的光指示。
在此實(shí)施例中，信號室和樣品室是兩個分開的模塊，因此是離子隔離的。室的結(jié)構(gòu)如圖5A系統(tǒng)500a中所示，但是沒有參比電極519。信號室中裝有一個1毫米直徑玻璃碳電極(514)和一個卷曲的Ag/AgCl絲狀電極(512)。室中裝有含0.1摩爾/升磷酸鹽緩沖液(pH7.5)，10毫摩爾/升氯化鈉，和10毫摩爾/升三丙胺(TPA)與0.1毫摩爾/升Ru(bpy)3Cl2(bpy＝2，2′-聯(lián)吡啶)ECL體系的電解質(zhì)溶液(518)。樣品室中裝有一個1毫米直徑玻璃碳電極(508)和一個卷曲的Ag/AgCl絲狀電極(506)，其中裝有含0.1摩爾/升NaCl，還含5.0毫摩爾/升K3Fe(CN)6的電解質(zhì)溶液，作為具有本征氧化還原活性的模型分析物。在兩個玻璃碳電極之間用銅線彼此電連接(“短路”)，兩個Ag/AgCl電極被連接到程控電勢波形發(fā)生器(計(jì)算機(jī)控制的恒電位器，具有被跳接在一起的記數(shù)引線和參比引線CHI660A型，CH Instruments，Austin，TX)。用光電倍增管(PMT；MP963型，Perkin Elmer，Santa Clara，CA)測量并記錄從信號室中的玻璃碳電極區(qū)域發(fā)射的光。
圖15A所示是用上述系統(tǒng)線性掃描兩個Ag/AgCl電極之間施加的電勢偏移而獲得的循環(huán)伏安圖(CV)。圖15B所示是記錄圖15A中CV時，觀察到的光子發(fā)射與電勢偏移線性掃描之間的關(guān)系。圖15A和15B一起表明，每個室中的電化學(xué)偶合過程一起產(chǎn)生了分析物針對性光信號。
使用隔離的樣品室和信號室的檢測系統(tǒng)可具有兩個重要實(shí)用優(yōu)點(diǎn)。首先，信號室與光子檢測設(shè)備都能被獨(dú)立優(yōu)化，能很容易地與發(fā)生分析物識別過程的樣品室單元形成接口。其次，發(fā)光源陣列可以與氧化還原反應(yīng)排列偶合，而不需要每個排列單元用的獨(dú)立控制線路。使用LED作為發(fā)光源時，如以下實(shí)施方式中所述，也適合于將信號發(fā)生和光學(xué)成像結(jié)合起來，使得能同時和連續(xù)地監(jiān)控與每種分析物相關(guān)的氧化還原反應(yīng)。
4.具有隔離的樣品室和信號室的系統(tǒng)中的氧化還原傳感和LED基的光指示。
在此實(shí)施例中，用LED發(fā)光源代替以上實(shí)施例中的ECL體系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于圖8的系統(tǒng)500d。樣品室中包括一個15微米直徑玻璃碳電極(506)，一個鉑電極(508)，一個Ag/AgCl參比電極(519)，樣品室中裝有0.1摩爾/升NaCl，還含有作為模型目標(biāo)分析物的20毫摩爾/升K3Fe(CN)6的電解質(zhì)溶液。兩個發(fā)光二極管(SSL-LX5093SRC/E，DigiKey，Thief River Falls，MN)平行連接，在電極接點(diǎn)512和514之間相反取向。恒電位電路連接到作為工作電極的玻璃碳電極506，作為參比電極的Ag/AgCl電極519，和作為反電極的接頭512。
圖16A所示是系統(tǒng)的循環(huán)伏安圖，降低曲線表示鐵氰化鉀分析物的存在。圖16B所示是在圖16A中CV同時測得的LED發(fā)射強(qiáng)度(當(dāng)陰極電流通過樣品室中電極506時通過電流的LED)。由LED發(fā)光源產(chǎn)生的信號表明樣品室中氧化還原試劑分析物的存在。
雖然具體說明了本發(fā)明的一些實(shí)施方式和實(shí)施例，但是仍然能在不超出本發(fā)明由權(quán)利要求所限定的原理和范圍情況下，作處各種變化，代替和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與第一電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與第二電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使第一和第二電極區(qū)域電偶合；使第一和第二電解質(zhì)溶液離子偶合；在第一和第二電極區(qū)域之間施加電勢差；檢測在第二電極區(qū)域處由電化學(xué)發(fā)光體系發(fā)射的光，從而指示第一電極區(qū)域處分析物的存在。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一和第二電極區(qū)域與電極的兩個相背末端相關(guān)聯(lián)，對第一和第二電極區(qū)域之間施加電勢差是沿著電極長度在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電場。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一電極區(qū)域包括第一電極，第二電極區(qū)域包括第二電極，使第一和第二電極區(qū)域電偶合包括在第一和第二電極之間裝設(shè)一個電壓源。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括在分開的樣品室中裝設(shè)第一和第二電極。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于使第一和第二電解質(zhì)離子偶合是在分開的樣品室之間提供離子透過屏障，該離子透過屏障選自狹窄開口，液-液接界，鹽橋，電泳膜和離子能透過的溶膠凝膠屏障。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于分析物是個電活性分析物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括用氧化還原試劑標(biāo)記分析物。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物靜電結(jié)合。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當(dāng)量。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于氧化還原試劑選自氧化還原聚合物，氧化還原樹枝狀聚合物，導(dǎo)電聚合物，和金屬膠體。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于電化學(xué)發(fā)光體系是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
14.一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與第一電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與第二電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使含有犧牲氧化還原試劑的第三電解質(zhì)溶液與第三電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使第一，第二和第三電極區(qū)域電偶合，使得第一和第二電極區(qū)域之間基本沒有電勢差；使第一，第二和第三電解質(zhì)溶液離子偶合；使第一和第二電極區(qū)域與第三電極區(qū)域之間形成電勢差；檢測在第二電極區(qū)域處由電化學(xué)發(fā)光體系發(fā)射的光，從而指示第一電極區(qū)域處分析物的存在。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括在隔離的樣品室中設(shè)置第一，第二和第三電極區(qū)域。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于使第一，第二和第三電解質(zhì)溶液離子偶合是在分開的樣品室之間提供各自的離子透過屏障，各自的屏障選自狹窄開口，液-液接界，鹽橋，電泳膜和離子可透過的溶膠凝膠屏障。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于分析物是電活性分析物。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括用氧化還原試劑標(biāo)記分析物。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物靜電結(jié)合。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當(dāng)量。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于氧化還原試劑選自氧化還原聚合物，氧化還原樹枝狀聚合物，導(dǎo)電聚合物和金屬膠體。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于電化學(xué)發(fā)光體系統(tǒng)是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
25.一種檢測分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括容器；位于容器內(nèi)的電極，該電極具有第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域；位于通道內(nèi)的與第一電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)的含有分析物的第一電解質(zhì)溶液；位于通道內(nèi)的與第二電極區(qū)域相關(guān)聯(lián)的含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液；能在第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間施加電勢差的電壓源；通過電化學(xué)發(fā)光體系所產(chǎn)生的光信號能檢測分析物存在的檢測器。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于電壓源能沿著電極長度在電解質(zhì)溶液中形成電場。
27.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于電極包括多個電極，其中的電壓源能沿著每個電極長度在電解質(zhì)溶液中形成電場。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于多個電極包括至少兩個不同長度的電極。
29.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陽極，第二電極區(qū)域是陰極。
30.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陰極，第二電極區(qū)域是陽極。
31.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于電化學(xué)發(fā)光體系是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
32.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于容器被分隔成第一和第二樣品室，第一樣品室容納第一電解質(zhì)溶液，第二樣品室容納第二電解質(zhì)溶液。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于第一和第二樣品室中至少一個是根通道。
34.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于第一和第二樣品室被允許第一和第二樣品室之間發(fā)生離子遷移的屏障所隔開。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其特征在于屏障選自狹窄開口，液-液接界，鹽橋，電泳膜和離子可透過的溶膠凝膠屏障。
36.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于分析物是電活性分析物。
37.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于分析物具有氧化還原試劑標(biāo)記。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于氧化還原試劑與分析物靜電結(jié)合。
41.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當(dāng)量。
42.一種檢測分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括容器；連接于容器第一部分的第一電極；連接于容器第二部分的第二電極；位于容器中而且與第一電極相關(guān)聯(lián)的含有分析物的第一電解質(zhì)溶液；位于容器中而且與第二電極相關(guān)聯(lián)的含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液；能在第一和第二電極之間施加電勢差的電壓源；通過從電化學(xué)發(fā)光體系發(fā)出光信號，能檢測分析物存在的檢測器。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于電壓源在第一和第二電極之間提供電子遷移。
44.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于電勢差隨時間變化。
45.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括位于容器中的第三電極。
46.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其特征在于第三電極的電勢與第一和第二電極的不同。
47.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陽極，第二電極區(qū)域是陽極，而且第三電極區(qū)域是陰極。
48.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陰極，第二電極區(qū)域是陰極，第三電極區(qū)域是陽極。
49.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陽極，第二電極區(qū)域是陰極。
50.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極區(qū)域是陰極，第二電極區(qū)域是陽極。
51.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于電化學(xué)發(fā)光體系是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
52.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液位于分開的樣品室中。
53.如權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，其特征在于分開的樣品室中至少有一個是通道。
54.如權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，其特征在于分開的樣品室被允許隔離樣品室之間發(fā)生遷移的屏障分隔。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其特征在于屏障選自液-液接界，鹽橋，電泳膜和溶膠凝膠屏障。
56.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于分析物是電活性分析物。
57.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于分析物具有氧化還原試劑標(biāo)記。
58.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其特征在于氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
59.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其特征在于氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
60.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其特征在于氧化還原試劑與分析物靜電結(jié)合。
61.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其特征在于氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當(dāng)量。
62.一種檢測分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與第一電極區(qū)域偶合的裝置；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與第二電極區(qū)域偶合的裝置；使第一和第二電極區(qū)域電偶合的裝置；使第一和第二電解質(zhì)溶液離子偶合的裝置；在第一和第二電極區(qū)域之間施加電勢差的裝置；檢測第二電極區(qū)域處由電化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)所發(fā)射的光，從而指示第一電極區(qū)域處分析物存在的裝置。
63.檢測一種或多種分析物存在或含量的方法，包括使含有至少一種分析物的第一電解質(zhì)溶液與第一室相關(guān)聯(lián)，第一室中包括第一電極和第二電極；使發(fā)光源第二室與相關(guān)聯(lián)，第二室中包括第三電極和第四電極；使第一和第三電極電偶合；在第二和第四電極之間施加電勢差；檢測第二室中由發(fā)光源發(fā)射的光，從而指示第一室中至少一種分析物的存在或含量。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于發(fā)光源包括電化學(xué)發(fā)光(ECL)體系。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于發(fā)光源是個發(fā)光二極管。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于發(fā)光二極管是個半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
67.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于發(fā)光二極管發(fā)射可見光。
68.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于第一電極和第三電極構(gòu)成一個整體的雙性電極。
69.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括將多個第一電極與第一室相關(guān)聯(lián)；將多個第三電極與第二室相關(guān)聯(lián)；將多個發(fā)光源與第二室相關(guān)聯(lián)；使相應(yīng)的第一和第三電極電偶合；檢測第二室中由各個發(fā)光源發(fā)射的光。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于多個發(fā)光源是發(fā)光二極管。
71.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于第二電極是陰極，第四電極是陽極。
72.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于第二電極是陽極，第四電極是陰極。
73.一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與雙性電極的第一區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與雙性電極的第二區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使第一電解質(zhì)溶液與第二電解質(zhì)溶液離子隔離；在第一和第二電解質(zhì)溶液之間施電勢差；檢測電化學(xué)發(fā)光體系發(fā)射的光，從而指示雙性電極第一區(qū)域處分析物的存在或含量。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括使第一和第二電解質(zhì)溶液具有相同的組成。
75.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與雙性電極的第一區(qū)域相關(guān)聯(lián)是使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液分別與多個雙性電極的第一區(qū)域相關(guān)聯(lián)；使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與雙性電極的第二區(qū)域相關(guān)聯(lián)是，使含有電化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)的第二電解質(zhì)溶液分別與多個雙性電極的第二區(qū)域相關(guān)聯(lián)。
76.如權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括使第一和第二電解質(zhì)溶液之間產(chǎn)生的電勢差對各個雙性電極都相同。
77.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于在第一和第二電解質(zhì)溶液之間施加電勢差包括，在與第一電解質(zhì)溶液相關(guān)聯(lián)的第一電極和與第二電解質(zhì)溶液相關(guān)聯(lián)的第二電極之間施加電勢差。
78.如權(quán)利要求77所述的方法，其特征在于第一電極是陰極，第二電極是陽極。
79.如權(quán)利要求77所述的方法，其特征在于第一電極是陽極，第二電極是陰極。
80.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于雙性電極的第一區(qū)域具有大于第二區(qū)域的面積。
81.如權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于多個雙性電極的每個第一區(qū)域具有大于對應(yīng)第二區(qū)域的面積。
82.檢測一種或多種分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括具有第一電極和第二電極的第一室；與第一室相關(guān)聯(lián)的含有至少一種分析物的第一電解質(zhì)溶液；具有第三電極和第四電極的第二室；與第二室相關(guān)聯(lián)的發(fā)光源；使第一和第三電極電偶合的導(dǎo)體；能在第二和第四電極之間施加電勢差的電壓源；檢測第二室中由發(fā)光源所發(fā)射的光，從而指示第一室中至少一種分析物的存在或含量的檢測。
83.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光源包括電化學(xué)發(fā)光(ECL)體系。
84.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光源是發(fā)光二極管。
85.如權(quán)利要求84所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光二極管是半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
86.如權(quán)利要求84所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光二極管發(fā)射可見光。
87.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極和第三電極構(gòu)成一個整體的雙性電極。
88.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其特征在于第一室包括多個第一電極；第二室包括多個第三電極；發(fā)光源包括多個與第二室相關(guān)聯(lián)的發(fā)光源；導(dǎo)體是電偶合相應(yīng)第一和第三電極的多個導(dǎo)體；檢測器能檢測第二室中每個發(fā)光源所發(fā)射的光。
89.如權(quán)利要求88所述的系統(tǒng)，其特征在于多個發(fā)光源是發(fā)光二極管。
90.如權(quán)利要求88所述的系統(tǒng)，其特征在于第二電極是陰極，第四電極是陽極。
91.如權(quán)利要求88所述的系統(tǒng)，其特征在于第二電極是陽極，第四電極是陰極。
92.檢測分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括第一室；第一電極和與第一室相關(guān)聯(lián)的雙性電極第一末端；第二室；第二電極和與第二室相關(guān)聯(lián)的雙性電極第二末端；含有分析物的裝在第一室中的第一電解質(zhì)溶液；含有電化學(xué)發(fā)光體系的裝在第二室中的第二電解質(zhì)溶液；電偶合雙性電極第一末端和雙性電極第二末端的導(dǎo)體；能在第一和第二電極之間施加電勢差的電壓源；能檢測由第二室中電化學(xué)發(fā)光體系產(chǎn)生的光信號，從而檢測第一分析物中分析物存在或含量的檢測器。
93.如權(quán)利要求92所述的系統(tǒng)，其特征在于第一和第二室共用一個共同屏障，該共同屏障是個離子不能滲透屏障。
94.如權(quán)利要求93所述的系統(tǒng)，其特征在于雙性電極的第一和第二末端以及偶合第一和第二末端的導(dǎo)體構(gòu)成橫跨共同屏障的整體雙性電極。
95.如權(quán)利要求94所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括至少兩個橫跨所述第一和第二室之間共同屏障的雙性電極。
96.如權(quán)利要求94所述的系統(tǒng)，其特征在于雙性電極的第一區(qū)域具有大于第二區(qū)域的面積。
97.如權(quán)利要求94所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括多個第一室，具有與其相連的對應(yīng)第一電極；能在對應(yīng)的第一電極和第二電極之間施加電勢差的電壓源；能檢測第二室中電化學(xué)發(fā)光體系所產(chǎn)生的光信號，從而檢測至少一個第一室中分析物存在的檢測器。
98.如權(quán)利要求97所述的系統(tǒng)，其特征在于電壓源能在第一室的順序系列中產(chǎn)生電勢差。
99.如權(quán)利要求97所述的系統(tǒng)，其特征在于電壓源能同時產(chǎn)生各個電勢差。
100.如權(quán)利要求92所述的系統(tǒng)，其特征在于包括多個第一室；對應(yīng)的第一電極和與第一室相連的雙性電極的對應(yīng)第一末端；能使雙性電極的對應(yīng)第一末端和第二末端之間的導(dǎo)體發(fā)生電偶合的開關(guān)；能在對應(yīng)的第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電勢差的電壓源；能檢測第二室中電化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)所產(chǎn)生的光信號，從而檢測一個第一室中分析物存在的檢測器。
101.如權(quán)利要求92所述的系統(tǒng)，其特征在于第一電極和雙性電極第一末端是面平行的，分隔間隙小于15微米。
102.檢測分析物存在或含量的系統(tǒng)，包括使含有分析物的第一電解質(zhì)溶液與第一電極區(qū)域偶合的裝置；使發(fā)光源與第二電極區(qū)域偶合的裝置；使第一和第二電極區(qū)域電偶合的裝置；在第一和第二電極區(qū)域之間施加電勢差的裝置；檢測第二電極區(qū)域處由發(fā)光組合物所發(fā)射的光，從而指示第一電極區(qū)域處分析物存在或含量的裝置。
103.如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括使第一和第二電解質(zhì)溶液離子偶合的裝置。
104.如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括使第一和第二電解質(zhì)溶液離子隔離的裝置。
105.如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光源是電化學(xué)發(fā)光體系。
106.如權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)光源是發(fā)光二極管。
全文摘要
在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提出了一種檢測分析物存在或含量的方法，包括使含有該分析物的第一電解質(zhì)溶液與雙性電極的第一區(qū)域相關(guān)聯(lián)，使含有電化學(xué)發(fā)光體系的第二電解質(zhì)溶液與雙性電極的第二區(qū)域相關(guān)聯(lián)，使第一電解質(zhì)溶液與第二電解質(zhì)溶液離子隔離，在第一和第二電解質(zhì)溶液之間施加電勢差，檢測電化學(xué)發(fā)光體系發(fā)射的光，從而指示雙性電極第一區(qū)域處分析物的存在或含量。
文檔編號G01N21/76GK1671864SQ03817531
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月23日
發(fā)明者R·M·克羅克斯, W·詹, J·阿爾瓦雷茲 申請人:得克薩斯A&M大學(xué)系統(tǒng)