指示電化學過程的光信號的製作方法

2023-06-11 00:20:06 2

專利名稱：指示電化學過程的光信號的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電化學領域，具體地涉及指示電化學過程的光信號。
背景技術：
氧化還原分子是在施加適當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被稱為氧化還原反應。氧化還原反應發生於許多應用中，例如電池，燃料電池，醫學診斷，和膠片衝洗等。氧化還原分子可以發揮許多作用。例如，氧化還原分子可以作為標籤，此時使其與所關心的分析物結合，通過氧化還原反應對該氧化還原分子的檢測，就表明所結合分析物的存在。在一些情況下，所關心的分析物可能本身具有氧化還原活性。這種標記方法或固有特性被用於醫學診斷中，通過電化學方法檢測DNA，蛋白質，抗體，抗原，和其他物質。
在用於色譜檢測器的傳統電化學傳感器中，控制工作電極相對於參比電極的電勢，並測量流過工作電極和惰性計數電極之間的法拉第電流。在這種方法中，通過工作電極處發生的反應提供整個體系的信息內容。
在另一種電化學檢測方法中，使用電極來引發能藉助電化學發光(ECL)發射光的氧化還原反應。Aurora和Manz在PCT申請WO 00/0323中報導了一種包括浮動反應電極的設備，能作為電化學發光裝置。Massey等人在美國專利6316607中公開了傳統ECL標籤以及用來檢測這些標籤的方法，但是該方法的用途也是依賴於一個電極來提供完整的信息內容。De Rooij等人在美國專利6509195中公開了用來分析生物物質的電化學發光檢測器，該方法中也使用了作為標記和ECL發射器的標籤。
基於ECL的檢測方法是對傳統電流測定或電勢測定電化學檢測方法的改進，因為它們往往更靈敏感。其更好的靈敏度是因為有了超靈敏光子檢測器，而且通過轉換成光信號能消除氧化還原信號中存在的噪聲。而心裡檢測電流的方法從本質上而言受所實施方法的限制。例如，氧化還原標籤和ECL發射器通常是同一物質，因此無法分別獨立地優化氧化還原傳感和光發射過程。
發明概述在本發明的一個實施方式中，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溶液接觸雙性電極的第一區域；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液接觸雙性電極的第二區域；使第一電解質溶液與第二電解質溶液進行離子隔離；在第一和第二電解質溶液之間施加電勢差，檢測電化學體系所發射的光，從而指示雙性電極第一區域處分析物的存在或含量。
在本發明的另一個實施方式中，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溶液接觸多個雙性電極的第一區域，每個雙性電極都與一種分析物-針對性結合試劑相關；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液接觸雙性電極的第二區域；使第一和第二電解質溶液進行離子隔離；在第一和第二電解質溶液之間施加電勢差，檢測與雙性電極各第二區域接觸的電化學發光體系所發射的光，從而指示各個雙性電極第一區域處各種分析物的存在或含量。
在本發明的另一個實施方式中，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光源所發射的光，從而指示第一容器中分析物的存在或含量。
在本發明的另一個實施方式中，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-針對性結合試劑相關；使多個發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，並檢測與對應的多個第三電極相連的多個發光源所發射的光，從而指示第一容器中各種分析物的存在或含量。
本發明的實施方式提供了若干技術優點。本發明的實施方式可能包括所有、一些優點，或不包括這些優點。在本發明的一個實施方式中，提出了一種檢測電化學過程並以光子方式進行指示的方法。因為陽極和陰極過程是化學去偶合的，所以目標分析物不一定要直接參與ECL反應序列。這樣能大大增加使用高靈敏度ECL方法能檢測的分析物數量。陽極和陰極反應是電子偶合的，因此能使ECL強度與分析物濃度發生關聯，從而對其進行定量。
本發明另一個實施方式表明，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，該系統能與沒有外部電觸點的雙性電極共同工作，這是本發明一些實施方式的優點。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。的系統的結構。在另一個實施方式中，通過使用不同長度的多個雙性電極，能組成電極陣列，用來檢測其半反應具有不同表觀電勢的目標物。已經證明這種裝置能通過測量ECL強度或者被照光電極的長度而起作用。
在本發明的任何實施方式中，都能通過使用在電極和測量ECL體系所發光的光電二極體之間提供必要電勢偏壓的小型電池使這種裝置小型化。
本領域技術人員不難確定本發明的其他技術優點。
附圖簡要說明參考附圖進行以下說明，使用相同的圖中數字表示相同的部件，其中

圖1A所示是本發明一個實施方式中用來檢測分析物存在的系統正視示意圖；圖1B所示是圖1A系統的俯視示意圖；圖1C所示是用來檢測分析物存在的系統俯視示意圖，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俯視示意圖，其中使用了雙性電極陣列；圖2所示是本發明一個實施方式中用來檢測分析物存在的系統俯視示意圖，其中使用了兩個隔開的電極；圖3所示是本發明一個實施方式中用來間接檢測分析物存在的系統俯視示意圖，其中使用了三個電極區域；圖4所示是本發明一個實施方式中用來檢測分析物存在的方法流程圖；圖5A所示是本發明一個實施方式中用來檢測分析物存在的系統示意圖，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中系統的示意圖，其中使用了分析物的氧化還原循環；圖7所示是圖5A中系統的示意圖，其中使用了產生ECL信號的湮滅反應；圖8所示是圖5A中系統的示意圖，其中的發光二極體產生光信號；圖9所示是用於檢測分析物存在的系統截面圖，該系統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截面圖，該系統中包括一系列隔開的樣品室和一個共同的信號室；圖12所示是用於檢測分析物存在的系統示意圖，該系統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/升磷酸鹽緩衝液(pH6.9)的循環伏安圖(曲線a)和含有1毫摩爾/升苄基紫精二氯化物的相同溶液的循環伏安圖(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所示是本發明一個實施方式中ECL發射強度隨雙性電極的陽極和陰極區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係圖；圖15B所示是使用圖5A中的系統所獲得的光強與所施加電勢偏移的關係圖；圖16A所示是電流與所施加電勢的關係圖；圖16B所示是使用圖8中的系統所獲得的光強與所施加電勢的關係圖。
本發明優選實施方式圖1所示是本發明一個實施方式中基於電化學檢測和電致化學發光(「ECL」)指示的微流體傳感系統100的正視示意圖。一般來說，系統100被用來檢測目標分析物102的存在，具體方法是用氧化還原試劑118標記目標分析物102，傳感第一電極區域124處的電化學反應，通過與第二電極區域122相關聯的ECL體系120對電化學反應的傳感進行光指示。
在本發明一個實施方式的說明中，使與ECL體系120相連的指示反應(數字101所示)與由氧化還原試劑118促進的電化學傳感反應(數字103所示)去偶合。下文進一步具體說明去偶合。因為系統100要求電荷平衡，所以本發明說明認為傳感反應103和指示反應101是電偶合的。這樣，就增加了能被高靈敏ECL體系120檢測的目標分析物102的數量。另外，由於電偶合的原因，能使ECL體系120所發出光121的強度與目標分析物102的濃度相關，從而對其進行定量。系統100可以採用無線模式構建，如圖1A，1B，1C和1D中所示，或者採用有線模式構建，如圖2和3中所示。本發明的說明還可以採取其他模式，這裡的模式僅是例子而已。
如圖1A和1B中所示，系統100包括測試容器104，其中容納有雙性電極106和電解質溶液108。系統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和電解質溶液108的合適容器。容器104可以是任何適當尺寸的，通過任何適合製造方法採用合適材料形成。容器可以是具有任何適當尺寸的通道，微通道，腔室，阱，管子，毛細管和類似物。例如，容器104的長度，寬度，和深度可以是0.1微米到幾釐米或更多。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，矽，和複合材料。雖然圖1A和1B中只示出一個容器104，不過系統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是任何適當尺寸的電極，由任何適當材料形成，例如碳，導電漿液，導電聚合物，任何適用金屬，導電氧化物，和半導體材料。可以採用任何適當方法形成雙性電極106，例如用於半導體工業的傳統平版印刷方法，濺射，蒸發，電子束沉積，絲網印刷，電鍍或無電沉積，以及塗漆。還可以預先形成雙性電極106，然後再安裝進容器104中。雙性電極106包括第一電極區域124和第二電極區域122。在所述實施方式中，第一電極區域124作為陰極，第二電極區域122作為陽極；但在其他實施方式中，第一電極區域124作為陽極，第二電極區域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，第一電極區域124可以小於或大於第二電極區域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域124和更窄的第二電極區域122，如圖1中所示，這樣就能控制兩個末端的相對電流密度，從而使信號集中於較小的面積，為氧化還原試劑118的反應提供較大的電極面積，增強ECL光信號。
電解質溶液108中可以含有任何溶解於水的適用電解質鹽，有機溶劑，水相/有機溶劑溶液，離子傳導聚合物，熔融鹽，液氨，液態二氧化硫，和任何適用的超臨界流體。可以採用任何適用方法將電解質溶液108引入容器104中。在一個實施方式中，電解質溶液108中含有用氧化還原試劑118標記的目標分析物102和ECL體系120。
目標分析物102是任何需要用系統100分析的分子。例如，目標分析物102可以是DNA，RNA，低聚核苷酸，蛋白質，肽，酶，抗體，抗原，糖，(寡)糖，脂類，類固醇，激素，有機小分子，神經傳遞質，藥物，細胞，試劑，過程中間體，反應產物，副產物，過程流體組分，汙染物，或其他適用物質。目標分析物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作標記。可以採用任何適用標記方法，例如直接或間接標記，共價標記，非共價標記，靜電標記，就位標記，通過酶反應轉化和通過化學反應轉化的方法用氧化還原試劑118來標記目標分析物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籤。
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苄基紫精(BV2+)，它很容易在兩個連續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中交換超過一個氧化還原當量(即一個電子)的氧化還原標籤在本發明中起到放大信號的作用。以下進一步具體說明氧化還原試劑118的作用；但是通常，當與目標分析物102相關的氧化還原試劑118通過第一電極區域124附近時，會發生氧化還原反應，這會導致ECL體系120在第二電極區域122處發生相應的氧化還原反應，從而發射光121，被檢測器114檢測到。
ECL體系120可以是任何適用的電化學發光體系。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。在本發明的一個特定實施方式中，ECL體系120包括釕三-聯吡啶基化合物(「Ru(bpy)32+」)和三丙胺(「TPA」)。下文將一步具體說明的ECL體系120的作用是響應電化學反應，例如氧化還原發應，發射光121。光121被檢測器114檢測。因此，容器104上具有光學透明窗口112，使ECL體系120發射的光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透明材料例如玻璃或合適的熱塑性塑料製成的，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檢測器。
檢測器114可以是任何能夠檢測從ECL體系120所發射光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，光電二極體和照相機。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的長度上施加適當電壓的合適裝置，能對電解質溶液108施加電場。在電極長度上對電解質溶液施加的電場如圖1A-1D中ΔEfield所示。如果第一電極區域124和第二電極區域122處的電解質溶液108的電勢差到達一個臨界值，則雙性電極106的兩端會發生法拉第過程。臨界電勢(Ecrit)取決於許多因素，例如電解質溶液108中氧化還原試劑118的濃度，溫度，兩個半反應異相電子遷移率常數的數值，質量傳遞率，接界電勢等因素。但是通常Ecrit大致等於第一電極區域124和第二電極區域122處所發生氧化還原過程的表觀電勢差。
當沿著雙性電極106長度的電解質溶液108的電勢差(ΔEelec)小於Ecrit時，容器104中雙性電極106周圍的電流由電解質溶液108中的電子產生。但是，當電勢差ΔEelec大於Ecrit時，則從能量方面考慮，更傾向於在雙性電極106兩端(即第一電極區域124和第二電極區域122)發生法拉第過程，電流由雙性電極106中的電子產生。這樣，當氧化還原試劑118發生氧化還原反應時，則ECL體系120會發生相應的氧化還原反應，從而檢測到所發射的光121。
在本發明的一個實施方式中，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103相關的氧化還原試劑(即分析物)和與指示反應101相關的ECL體系隔離的作用，同時仍然允許離子偶合。可以使用任何適當的離子透過屏障，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於容器的相應尺寸。狹窄開口能防止傳感反應103與指示反應101發生明顯的混合。在使用屏障116的一個實施方式中，組成與傳感反應相關的電解質溶液108的鹽，緩衝劑和溶劑與指示反應101相關的電解質溶液的鹽，緩衝劑和溶劑可以相同或不同。
圖1C是系統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之間的電解質溶液108中所產生電場強度基本上正比於具體電極的長度。因此，各個不同長度的電極產生不同的ΔEelec。在所述實施方式中，能夠根據不同雙性電極106a，106b和106c所發射光的相對強度，區別混合物中具有不同氧化還原電勢的氧化還原標籤。例如，可以用只小於最長電極，即電極106c的ΔEelec的Ecrit來表徵某個氧化還原標籤118。在該實施方式中，ECL體系120被激活，在電極106c的第二電極區域122c而不是電極106a或106b處發光。但是，可以用小於兩個較長電極，即電極106b和106c的ΔEelec的Ecrit來表徵用於不同分析物的第二氧化還原標籤118。在該實施方式中，ECL體系120被激活，分別在電極106b和106c的第二電極區域122b和122c而不是電極106a處發光。在構想的實施方式中，調節電極長度能區分多種氧化還原標籤，使用多個電極所發射光的圖案來確定混合物中分析物的存在。
圖1D是系統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」的實施方式按照與圖1A和1B中所示實施方式相似的方式工作，區別在於使用了多個電極。
可以使用這種電極陣列來檢測同一樣品中的多種目標分析物。在此實施方式中，使一個識別單元與各個雙性電極的一個區域相關聯，能夠使該區域變成分析物-針對性的。識別單元選擇性地響應感興趣的多種分析物中的一種或者選擇性地與其結合。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。下面將結合圖5A討論信號的定域發生。
圖1A和1B中所示的無線型實施方式工作的簡單說明如下，假設容器104中已經製成具有雙性電極106，窗口112和屏障116。首先用氧化還原試劑118標記目標分析物102，並與電解質溶液108混合。另外，將ECL體系120與電解質溶液108混合。如上所述，用於目標分析物102和相關氧化還原試劑118的電解質溶液108以及用於ECL體系120的電解質溶液108可以是相同或不同類型的。將含有目標分析物102和相關氧化還原試劑118的電解質溶液108引入容器104的室105b中，將含有ECL體系120的電解質溶液108引入容器104的室105a中。然後將檢測器114固定在與窗口112相近的適當位置處。
然後利用電壓源110在容器104的長度上施加電場。這就在第一電極區域124和第二電極區域122之間的電解質溶液108中形成了電勢差，在室105a和105b之間形成通過化學屏障116的離子流。當電勢差ΔEelec大於Ecrit時，如上所述，電流開始在雙性電極106中從第二電極區域122流動到第一電極區域124。當可被氧化還原試劑118標記的目標分析物102，通過擴散或整體對流在第一電極區域124內移動時，會發生氧化還原反應。因此，如果第一電極區域124作為陰極，則氧化還原試劑被還原，如果第一電極區域作為陽極，則氧化還原試劑被氧化。假設第一電極區域124作為陰極，則氧化還原試劑118從雙性電極106接受電子，由於系統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的氧化還原反應導致光121射出窗口112。然後檢測器114檢測到光121，即產生檢測到目標分析物102的信號。光121的強度與第一電極區域124附近被檢測到的氧化還原分子數目相關，從而能夠確定目標分析物的量。
使指示反應101與傳感反應103去偶合導致產生本發明的若干技術優點。其技術優點之一是，系統100為傳感和指示過程使用了分開的反應。現有系統關注於在「工作」電極處發生的反應，忽略了在「反」電極處發生的反應。結果是，必須用單一反應同時提供傳感和指示功能。與此不同，在本發明一個實施方式的說明中，關注於在一個電極區域(即反電極)處由ECL體系所發射的光，而電化學傳感反應在另一個電極區域(即工作電極)處發生。這樣就能更好地控制分析物的檢測，還能減少和/或克服由於在傳感反應中使用ECL反應而產生的問題，其中利用ECL氧化還原分子作為目標分析物的標籤，即同時作為標籤和指示物質。
現有系統還要求在同一個樣品室中進行傳感和指示過程。與此不同，在本發明一些實施方式的說明中，提供了分開的傳感和指示過程，從而允許根據溶劑，電解質濃度，和組成以及其他組分，對每個氧化還原過程獨立進行優化，從而使ECL體系的發光效率最大，同時保持恰當的pH，離子強度，以及傳感反應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生傳感和指示反應。
圖2所示是有線型系統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ECL體系所發射的信號。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。可以按照裝置製造，包裝，尺寸要求，靈敏度等因素的需要，根據應用的要求，改變電極形狀。圖2中所示實施方式與圖1A和1B中所示類似，區別在於用電極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中所示實施方式相似，傳感反應103與一個電極區域相關聯，而指示反應101與另一個電極區域相關聯。但在圖2所示的實施方式中，這兩個電極區域是位於兩個相鄰室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生離子偶合。開口208的尺寸是在兩個室之間產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。優選狹窄開口時，開口208小於容器的至少一個尺寸。例如，開口208可能與兩側的室等高，但是開口208的寬度可能小於兩個相連室的寬度。在另一個實施方式中(未示出)，室206a和206b之間還有一個離子透過屏障，其功能與無線型實施方式中的化學屏障116相同。
在本發明另一個實施方式中，樣品在容品流過，兩個室間有個屏障存在於兩個電極上遊，兩個室間有個開口存在於電極的下遊。在另一個有兩股或多股樣品流通過電極的實施方式中，兩個室間屏障存在於電極的上遊，這兩股或多股流體經過電極之後合併。在另一個實施方式中，在電極上遊或下遊之間不存在物理屏障，從分開的幾個入口進入主通道的幾股流體在層流條件下發生合併，從而保持整體分開的狀態。
本發明另一個實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中所示實施方式的工作與圖1A-1D中所示相同。區別是，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中所示實施方式與圖1A和2中所示實施方式的區別是，目標分析物102的檢測是反向檢測。換言之，在圖1A和2所示的實施方式中，發生電化學傳感反應時，光121的強度增加，而圖3的實施方式相反，當發生電化學傳感反應時，光121的強度降低。以下具體說明。
在所述實施方式中，電極300a與ECL體系120樣關聯，電極300b與目標分析物102和氧化還原試劑118相關聯，電極300c與犧牲氧化還原試劑302相關聯。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處發生相應的氧化還原反應。這就導致發射的光121透過窗口112，被檢測器114檢測到，與上述內容相似。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進行標記的目標分析物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。當目標分析物102和氧化還原試劑118通過電極300b附近時，氧化還原試劑118發生氧化還原反應，這是由於電極300b處於對此反應合適的電勢。這樣，由於電極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相關的氧化還原分子爭奪電子。因此，當目標分析物102(可以標記有氧化還原試劑118)接觸電極300b時，從ECL體系120發射的光121的強度降低，從而表示檢測到了目標分析物102。本發明實施方式中還採用其他的電極和微通道結構。
圖4所示是本發明一個實施方式中檢測目標分析物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，例如含有目標分析物102的電解質溶液108與第一電極區域124相關聯。在一個實施方式中，目標分析物102具有氧化還原試劑118標籤。步驟402中，使第二電解質，例如含有ECL體系120的電解質溶液108與第二電極區域122相關聯。如上所述，第一和第二電解質可以是相同或不同類型的。
步驟404中，使第一電極區域124和第二電極區域122電偶合。在圖1A和1B所示的無線型實施方式中，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離子偶合。如果使用相同的電解質溶液108，而且其間沒有化學屏障時，第一和第二電解質就是離子偶合的。在存在化學屏障的實施方式中，用允許兩個電解質發生離子偶，但是阻止電解質化學偶合的屏障來產生離子偶合。例如，該化學屏障可以是液-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，在第一電極區域124和第二電極區域122之間施加電勢差。在圖1A和1B的無線型實施方式中，這是對接觸電極的電解質溶液施加電場，或者在圖2和3的有線型實施方式中，是在電極之間施加電壓。當電勢差大於Ecrit時，ECL體系120發射光121。相應地，步驟410中，在第二電極區域122處ECL體系120發射的光121，被檢測器114檢測到。光121的強度與第一電極區域124處的氧化還原分子數量相關。如圖4中所示，方法到此結束。
圖5A到8是另一些用來檢測目標分析物102存在的系統500的各個示意圖，其中樣品室502和信號室504彼此隔離。系統500a，500b，500c和500d在功能上相似，因為被引入樣品室502的目標分析物102的存在會導致發生氧化還原反應，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時發光的發光源，該光信號被檢測器114記錄。系統500e是一種用於對多種目標分析物102的存在進行多重檢測的系統。多種分析物分別與樣品室502中的多個雙性電極相關聯，與每種分析物結合的氧化還原標籤使電流通過信號室504。通過每個發光源發射的信號(光)與信號室內的雙性電極相關。
參見圖5A，系統500a說明以發光源作為ECL體系120。在此實施方式中，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中的電解質溶液516和信號室504中的電解質溶液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還能提供電壓調節和電勢波形發生。
系統500a中也可有個參比電極519。這時，可以在電路520中使用恆電位器，與恆電位器相連的電極506作為工作電極，相連的電極512作為反電極。以下進一步說明此實施方式的工作。
電極506，512可以是相同或不同材料製成的，如上所述。雙性電極510可以通過將兩個獨立電極與導體連接(「短路」)而構成，或者構成為一整體的電極，它有暴露於樣品室和信號室502，504中的第一和第二末端508，514。雖然系統500a的設計或製造方法可能優選採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中還包括光學透明窗口112，這樣，信號室504中產生的光信號就能被檢測器114所記錄。在一特定實施方式中，檢測器114位於信號室504內部。該實施方式中的光學窗口112與檢測器114是一整體的。
疑有目標分析物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過程必需的離子傳導的電解質。而且，還含有與目標分析物102相關的氧化還原試劑118。含有ECL體系120的電解質溶液518裝在信號室504中。
在系統500a的一個實施方式中，將目標分析物102，以及因而與目標分析物102相關的氧化還原試劑118與雙性電極510的第一末端508相關聯。目標分析物102的這個相關聯或定域化能集中目標分析物102，從本體溶液或流動樣品中螯合目標分析物102，或者從其他類似物質中分離出目標分析物102。通過分析物-針對性識別單元實現定域化。
分析物-針對性單元可以是任何能對其環境選擇性響應的適用薄膜，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合其他分子的適用分子，例如DNA，RNA，或PNA低聚物，探測性物質，引發劑，抗體，抗原，受體，配體和類似物質。分析物針對性響應性或結合性單元是本領域眾所周知的，常用於化學和生物化驗中。
分析物針對性單元可以採用各種形式，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域中，或位於這兩個位置處。該單元還可以被固定在其他固態載體上，例如珠粒，微粒，納米顆粒，凝膠，多孔聚合物和類似物，然後將其限制在電極界面附近。單元的結合可以是共價的，非共價的，靜電的，範德華力的，物理吸著或化學吸著。其他固態載體的位置限制可以是物理或化學的。物理限制包括多孔屏障內的限制性珠粒，這樣液體就能與室的其他區域進行交換，而珠粒無法通過開口。
然後，目標分析物102的定域化起到將與目標分析物相關的氧化還原試劑118定域於雙性電極510的作用。如果目標分析物102本身是電活性的，或者如果目標分析物直接標記有氧化還原試劑，則通過與分析物的結合實現定域化。
可以用氧化還原活性分子，氧化還原聚合物，具有結合的氧化還原基團的聚合物，導電聚合物，氧化還原活性顆粒，氧化還原活性膠體和類似物實現對分析物的直接標記。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生。例如，使用具有金顆粒標記的分析物，使顆粒暴露於銀離子溶液中，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氧化還原活性的酶或催化劑來標記目標分析物102，而具有新氧化還原活性的分子就是本發明方法中與目標分析物102相關的氧化還原試劑118。後一種情況是間接標記的一個例子。由直接標記目標分析物的酶或催化劑產生的氧化還原試劑118本身不與目標分析物結合。但是，氧化還原試劑118的存在與目標分析物102的存在相關。
在直接或間接標記方法中，可以通過共價鍵或能與目標分析物102發生特定結合作用的試劑，使目標分析物102結合於直接標籤或酶或催化劑。結合試劑的選擇取決於目標分析物102的本性。例如，對於核酸目標，結合試劑可以是核酸或相關衍生物(RNA，DNA，PNA等)，對於抗原或抗體，結合試劑可以是針對該抗原或抗體的抗體。這種方法採用了許多常常被稱為夾層化驗的特徵。
在所述實施方式中，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，與目標分析物102相關的氧化還原試劑118在樣品室502中雙性電極510的陰極末端被還原。當系統500a中不包括參比電極519時，該實施方式也可以在對應室中另一個電極處發生反應；即，分析物反應可以在電極506處發生，或者ECL體系反應可以在電極512處發生。反應方式取決於ECL體系120的選擇和氧化還原試劑118的選擇，這兩方面都取決於各種因素，例如試劑可用性，成本，靈敏度，操作簡易性和穩定性。
系統500a還取決於在室502，504中電極506，512處發生的氧化還原反應。其中，電極506是陽極，電極512是陰極。氧化還原物質可以是溶液中的任何分子，例如溶劑，電解質，或另一種加入電解質溶液中的具有明確氧化還原活性的分子，或者位於電極表面的固態組合物。例如，電極表面上可以塗覆有銀/氯化銀組合物，能為電路提供氧化還原相當物同時保持穩定的電勢。
在一個實施方式中，系統500a按照以下方式工作。疑有目標分析物102的電解質溶液516裝在樣品室502中，含有ECL體系120的電解質溶液518裝在信號室504中。提供與目標分析物102相關的氧化還原試劑118。電壓源110在電極506和512之間提供電勢差。其效果是在電解質溶液516和518之間產生電勢差。當雙性電極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上具有光學窗口112，使ECL體系120發射的光信號能被檢測器114記錄。
參見圖5B中所示的系統500e，特別注意其與系統500a的區別進行描述。在所示實施方式中，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。雙性電極的數目至少是2，可以多達幾千。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。疑有多種目標分析物102a-d的樣品溶液裝在樣品室502中，提供與每種目標分析物相關的氧化還原試劑118。氧化還原試劑可能都是相同的，因為每個信號相關的雙性電極的類別能夠使信號與分析物發生聯繫。
ECL體系120位於信號室504中，並與雙性電極510a-d的每個第二末端514a-d相關聯。根據相應雙性電極的位置，記錄並聯繫在每個雙性電極處發射的光信號，能夠確定樣品室中每種分析物的存在或量。在此實施方式中，優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行掃描，順序記錄信號。
參見圖6，樣品室502的結構能支持與目標分析物102相關的氧化還原試劑118發生氧化還原再循環。氧化還原試劑118可以採用上述任何形式，附加條件是，它是化學和動力學可逆的物質。氧化還原再循環是經過充分研究的一種現象，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。在所述實施方式中，氧化還原試劑118與電極506發生電子遷移反應之後，擴散至電極508，發生相反的電子遷移反應，使氧化還原試劑118恢復其原始狀態。該循環可以重複。隨著電極506和508之間距離的縮小，氧化還原試劑118的轉換時間也縮短，通過樣品室502的淨電流增加。當電極506和508之間的特徵距離接近到大約15微米時，電流開始有明顯增加。當距離縮小到大約5微米時，增加幅度至少是5倍。電流的增加有助於增強ECL體系120所產生的信號，例如增加強度和提高靈敏度。
在一個實施方式中，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產生的放大效果最大化，應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所示是類似於上述系統500a和500b的系統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」反應產生電化學發光信號，其標誌數字是530。在這種反應中，發光分子的氧化態和還原態是分別產生的。它們接觸時，發生如下反應一個電子從被還原分子遷移到被氧化分子，產生兩種中性物質，其中的一種具有電激活狀態。激活態的分子回到基態，根據發光分子的光物理性質，以一定效率發射光子。ECL體系可以是基於溶液的，包含溶劑，電解質鹽和氧化還原活性生光團，例如釕三(聯吡啶)，二苯基蒽，和紅熒烯。ECL體系中還可以有離子傳導聚合物和散布有生光團的電解質的薄膜，例如導電聚合物，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，例如基於釕配合物的聚合物。
圖8所示是系統500d，其中，位於信號室504中的發光源是固態單元532。以相反取向提供了兩個整流發射器，產生每個方向的電子流。例如，發光二極體(「LED」)和雷射二極體可以在系統500d中發揮作用，使樣品室502中產生的氧化還原信號完全轉換成信號室504中產生的光信號。由與目標分析物102相關的氧化還原試劑118通過的電流被這些LED和雷射二極體等單元轉換成發射的光，然後被檢測器114記錄。
LED的基本結構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。對於商用標準型半導體LED，層疊中包括n-摻雜半導體和p-摻雜半導體。對於近來開發的有機半導體，層疊中包括電子傳輸層，空穴傳輸層，發射層，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，電子和空穴相遇並分別在n-p接點或在發射層中再次結合，結果發射出光。有機和半導體LED可能發出可見光或紅外光。因此，可以根據光發射器要求的對合適波長範圍的靈敏度選擇檢測器114。
圖9到12所示是用來檢測目標分析物102存在的另一種系統900的示意圖。
圖9所示是用來檢測目標分析物102存在的系統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。在所述實施方式中，樣品室502和信號室504在機殼904中垂直排列。樣品室502位於機殼904的上部，信號室504位於其下部。屏障906位於樣品室502和信號室504之間，起到物理分隔這兩個室的作用。在一些實施方式中，屏障906使室實現離子隔離，在其他實施方式中，屏障906在兩個室之間提供遷移。
在一個實施方式中，雙性電極902具有一個暴露於樣品室502的區域，和一個暴露於信號室504的相背區域。雙性電極902每個區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體，可以採取任何適用形狀，例如盤狀，針狀，管狀，環狀等，掛在一個蓋式門上，有一個導體固定在樣品室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光源傳播通過光學窗口112到達檢測器114。
圖10所示是系統900b的截面圖。系統900b的大致結構與圖9中系統900a相似；但是系統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行了舉例，但是本發明還可以採用任何適當數目的雙性電極。在一個實施方式中，用雙性電極912a，912b和912c檢測單個目標分析物，例如目標分析物102。
在另一個實施方式中，使用雙性電極912a，912b和912c檢測同一樣品中的多種目標分析物。雙性電極的數目可以少至2，多達25，或甚至多達幾百或幾千。其排列方式取決於雙性電極的數目和其他因素，例如製造方法，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於室中的有序二維排列。多種分析物中的一種可以作為內部對照。在此實施方式中，與樣品室502相連的每個雙性電極區域分別與不同的分析物針對性識別單元相關。每個單元都起到使所關心的一種目標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生聯繫，如上所述。
圖11中所示是具有多個樣品室的系統900c的截面圖。可以採用任何適合數目的樣品室。系統900c還可以被用於批次樣品分析。在有些情況下，在系統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行檢測，檢測同一目標分析物的存在或含量。或者對同一來源的多個樣品進行測試，獨立檢測同一目標分析物(例如重複檢測)或者不同組的目標分析物。本發明的範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900c。具有多個樣品室的系統還能對標準，對正的和負的對照樣品同時進行測試。
圖中所示的系統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所產生的信號通過擴散被定域於電極處。檢測器114可以是一個陣列式光電檢測器，例如照相機，CCD陣列，光電二極體陣列，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體，能相對每個雙性電極位置移動，從而讀取每個位置處產生的信號。根據要讀取的雙性電極902的數目，系統900c的成本，要求的讀取時間，靈敏度和其他關於系統900c性能的適當因素，可以隨意進行選擇。
信號室504中還可以包括分別對應於每個樣品室的多個獨立信號室。例如，這種系統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900d。系統900d與圖11的系統900c類似；但是，系統900d包括多個分別連接於同一個信號室504的樣品室。這種系統被優選用於在不同時間點分析多種樣品。在所示實施方式中，可以使用與檢測器114具有固定物理關係的單個信號室504，用來分析位於多個樣品室中的不同樣品。因為每個樣品是在分開的樣品室中進行分析的，所以就避免了樣品的交叉汙染。
系統900d包括具有開關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連接。
在圖9到12所示的任何實施方式中，含有ECL體系120的電解質溶液都可以被圖5到8中討論的發光源替代。
實施例1.通過光轉換檢測電化學過程。
為了證明本發明一個實施方式中傳感反應和指示反應的化學偶合，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體系出發的信號強度進行比較(1)(2)等式(1)表示質子還原，當實驗條件下表觀電勢比等式(2)的反應更負時，發生等式(1)的反應，苄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行試驗，其中，兩個電極區域是分開的電極(例如，圖2中的200a和200b)，電極之間的電壓源(202)提供電勢差。採用標準的照相平版印刷方法形成圖案，蝕刻並除去光刻膠，在玻璃基片上製成氧化銦錫(「ITO」)電極。電極寬50微米，其長度足以橫跨室的寬度(參見下文)，並具有從模板凸出的一些連接塊。將聚(二甲基矽氧烷)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釐米長，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。
在第一個實驗中，在室中裝入含有5毫摩爾/升Ru(bpy)3Cl2(bpy＝2，2′-聯吡啶)和25毫摩爾/升三丙胺的0.1摩爾/升pH6.9磷鹽衝液的電解質溶液。在該溶液中，如圖13A中伏安圖「a」所示，在相對於Ag/AgCl參比電極大約-1.08伏，觀察到第一還原過程即質子還原反應(1)。在相對於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。
在雙電極實驗(圖13B)中，加大兩個電極之間的電勢差增大，當偏壓達到約1.8伏時，觀察到開始發光。該偏壓與溶液的陽極和陰極反應之間的1.88伏窗口密切相關。
在第二個實驗中，採用與第一個實驗中相同的溶液，製備時添加了5毫摩爾/升的苄基紫精二氯化物(BV2+)溶液。同樣，ECL體系發生第一氧化過程，但是對於該溶液，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，陰極和陽極過程發生的電壓差從1.80伏減小到大約1.38伏。
在雙電極實驗中向室中引入BV2+時，很容易在ΔEelec＝1.4伏(圖13B)時觀察到ECL現象，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伏偏壓條件下產生的信號與溶液的陽極和陰極反應之間的1.38伏窗口密切相關。
如上所述，雙性或雙電極結構中在陽極和陰極處發生的電化學反應是電相關的，而不是化學相關的。在陽極處消耗的電子數量和陰極處產生的電子數量之間存在一對一的對應關係。本實施方式表明，陽極處的ECL強度反映或指示了在雙電極電池的陰極處電化學反應的發生。這一點證明了該傳感器傳感和指示功能之間的關係，這樣就能根據其氧化還原電勢區分兩種氧化還原活性不同的分析物。
2.信號強度與相對電極面積的關係能在更大程度上反映分析物(例如在陰極)的實驗條件能加強ECL強度(例如在陽極)。因此，在其他相同條件下，增大陰極面積導致更強的ECL。為了證明這一點，採用與圖1A和1B中所示類似的實施方式，測量ECL強度與陰極陽極相對面積的關係，其中的兩個電極區域(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生電勢差。
採用三種不同的雙性電極形狀，測試ECL發射強度與陽極陰極區域相對面積的關係。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磷酸鹽緩衝液接觸每個電極，沿著每個電極長度施加1.88伏電場時，記錄ECL發射譜。結果如圖14中所示。當陰極面積相對於陽極大時，觀察到最高的ECL強度。
發射曲線「1」和「2」之間的區別表明，即使所有試劑的濃度都相同，通過增加指示電極區域的電流，這種情況下是對電極區域面積進行設計，就能增強ECL信號。
3.具有隔離樣品室和信號室的系統中的氧化還原傳感和ECL基的光指示。
在此實施例中，信號室和樣品室是兩個分開的模塊，因此是離子隔離的。室的結構如圖5A系統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)和一個捲曲的Ag/AgCl絲狀電極(512)。室中裝有含0.1摩爾/升磷酸鹽緩衝液(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′-聯吡啶)ECL體系的電解質溶液(518)。樣品室中裝有一個1毫米直徑玻璃碳電極(508)和一個捲曲的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的電解質溶液，作為具有本徵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生器(計算機控制的恆電位器，具有被跳接在一起的記數引線和參比引線CHI660A型，CH Instruments，Austin，TX)。用光電倍增管(PMT；MP963型，Perkin Elmer，Santa Clara，CA)測量並記錄從信號室中的玻璃碳電極區域發射的光。
圖15A所示是用上述系統線性掃描兩個Ag/AgCl電極之間施加的電勢偏移而獲得的循環伏安圖(CV)。圖15B所示是記錄圖15A中CV時，觀察到的光子發射與電勢偏移線性掃描之間的關係。圖15A和15B一起表明，每個室中的電化學偶合過程一起產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可具有兩個重要實用優點。首先，信號室與光子檢測設備都能被獨立優化，能很容易地與發生分析物識別過程的樣品室單元形成接口。其次，發光源陣列可以與氧化還原反應排列偶合，而不需要每個排列單元用的獨立控制線路。使用LED作為發光源時，如以下實施方式中所述，也適合於將信號發生和光學成像結合起來，使得能同時和連續地監控與每種分析物相關的氧化還原反應。
4.具有隔離的樣品室和信號室的系統中的氧化還原傳感和LED基的光指示。
在此實施例中，用LED發光源代替以上實施例中的ECL體系。系統結構基於圖8的系統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分析物的20毫摩爾/升K3Fe(CN)6的電解質溶液。兩個發光二極體(SSL-LX5093SRC/E，DigiKey，Thief River Falls，MN)平行連接，在電極接點512和514之間相反取向。恆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所示是系統的循環伏安圖，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發射強度(當陰極電流通過樣品室中電極506時通過電流的LED)。由LED發光源產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明的一些實施方式和實施例，但是仍然能在不超出本發明由權利要求所限定的原理和範圍情況下，作處各種變化，代替和改進。
權利要求
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溶液與第一電極區域相關聯；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與第二電極區域相關聯；使第一和第二電極區域電偶合；使第一和第二電解質溶液離子偶合；在第一和第二電極區域之間施加電勢差；檢測在第二電極區域處由電化學發光體系發射的光，從而指示第一電極區域處分析物的存在。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於第一和第二電極區域與電極的兩個相背末端相關聯，對第一和第二電極區域之間施加電勢差是沿著電極長度在電解質溶液中產生電場。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於第一電極區域包括第一電極，第二電極區域包括第二電極，使第一和第二電極區域電偶合包括在第一和第二電極之間裝設一個電壓源。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於進一步包括在分開的樣品室中裝設第一和第二電極。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於使第一和第二電解質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.如權利要求1所述的方法，其特徵在於分析物是個電活性分析物。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括用氧化還原試劑標記分析物。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物靜電結合。
11.如權利要求7所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當量。
12.如權利要求7所述的方法，其特徵在於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，導電聚合物，和金屬膠體。
13.如權利要求1所述的方法，其特徵在於電化學發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溶液與第一電極區域相關聯；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與第二電極區域相關聯；使含有犧牲氧化還原試劑的第三電解質溶液與第三電極區域相關聯；使第一，第二和第三電極區域電偶合，使得第一和第二電極區域之間基本沒有電勢差；使第一，第二和第三電解質溶液離子偶合；使第一和第二電極區域與第三電極區域之間形成電勢差；檢測在第二電極區域處由電化學發光體系發射的光，從而指示第一電極區域處分析物的存在。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於進一步包括在隔離的樣品室中設置第一，第二和第三電極區域。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於使第一，第二和第三電解質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.如權利要求14所述的方法，其特徵在於分析物是電活性分析物。
18.如權利要求14所述的方法，其特徵在於進一步包括用氧化還原試劑標記分析物。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
20.如權利要求18所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
21.如權利要求18所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物靜電結合。
22.如權利要求18所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當量。
23.如權利要求14所述的方法，其特徵在於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，導電聚合物和金屬膠體。
24.如權利要求14所述的方法，其特徵在於電化學發光體系統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，包括容器；位於容器內的電極，該電極具有第一電極區域和第二電極區域；位於通道內的與第一電極區域相關聯的含有分析物的第一電解質溶液；位於通道內的與第二電極區域相關聯的含有電化學發光體系的第二電解質溶液；能在第一電極區域和第二電極區域之間施加電勢差的電壓源；通過電化學發光體系所產生的光信號能檢測分析物存在的檢測器。
26.如權利要求25所述的系統，其特徵在於電壓源能沿著電極長度在電解質溶液中形成電場。
27.如權利要求25所述的系統，其特徵在於電極包括多個電極，其中的電壓源能沿著每個電極長度在電解質溶液中形成電場。
28.如權利要求27所述的系統，其特徵在於多個電極包括至少兩個不同長度的電極。
29.如權利要求25所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陽極，第二電極區域是陰極。
30.如權利要求25所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陰極，第二電極區域是陽極。
31.如權利要求25所述的系統，其特徵在於電化學發光體系是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
32.如權利要求25所述的系統，其特徵在於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溶液，第二樣品室容納第二電解質溶液。
33.如權利要求32所述的系統，其特徵在於第一和第二樣品室中至少一個是根通道。
34.如權利要求25所述的系統，其特徵在於第一和第二樣品室被允許第一和第二樣品室之間發生離子遷移的屏障所隔開。
35.如權利要求34所述的系統，其特徵在於屏障選自狹窄開口，液-液接界，鹽橋，電泳膜和離子可透過的溶膠凝膠屏障。
36.如權利要求25所述的系統，其特徵在於分析物是電活性分析物。
37.如權利要求25所述的系統，其特徵在於分析物具有氧化還原試劑標記。
38.如權利要求37所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
39.如權利要求37所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
40.如權利要求37所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑與分析物靜電結合。
41.如權利要求37所述的方法，其特徵在於氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當量。
42.一種檢測分析物存在或含量的系統，包括容器；連接於容器第一部分的第一電極；連接於容器第二部分的第二電極；位於容器中而且與第一電極相關聯的含有分析物的第一電解質溶液；位於容器中而且與第二電極相關聯的含有電化學發光體系的第二電解質溶液；能在第一和第二電極之間施加電勢差的電壓源；通過從電化學發光體系發出光信號，能檢測分析物存在的檢測器。
43.如權利要求42所述的系統，其特徵在於電壓源在第一和第二電極之間提供電子遷移。
44.如權利要求42所述的系統，其特徵在於電勢差隨時間變化。
45.如權利要求42所述的系統，其特徵在於進一步包括位於容器中的第三電極。
46.如權利要求45所述的系統，其特徵在於第三電極的電勢與第一和第二電極的不同。
47.如權利要求45所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陽極，第二電極區域是陽極，而且第三電極區域是陰極。
48.如權利要求45所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陰極，第二電極區域是陰極，第三電極區域是陽極。
49.如權利要求42所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陽極，第二電極區域是陰極。
50.如權利要求42所述的系統，其特徵在於第一電極區域是陰極，第二電極區域是陽極。
51.如權利要求42所述的系統，其特徵在於電化學發光體系是釕螯合物或鋨螯合物和胺。
52.如權利要求42所述的系統，其特徵在於第一電解質溶液和第二電解質溶液位於分開的樣品室中。
53.如權利要求52所述的系統，其特徵在於分開的樣品室中至少有一個是通道。
54.如權利要求52所述的系統，其特徵在於分開的樣品室被允許隔離樣品室之間發生遷移的屏障分隔。
55.如權利要求54所述的系統，其特徵在於屏障選自液-液接界，鹽橋，電泳膜和溶膠凝膠屏障。
56.如權利要求42所述的系統，其特徵在於分析物是電活性分析物。
57.如權利要求42所述的系統，其特徵在於分析物具有氧化還原試劑標記。
58.如權利要求57所述的系統，其特徵在於氧化還原試劑與分析物共價鍵合。
59.如權利要求57所述的系統，其特徵在於氧化還原試劑與分析物非共價鍵合。
60.如權利要求57所述的系統，其特徵在於氧化還原試劑與分析物靜電結合。
61.如權利要求57所述的系統，其特徵在於氧化還原試劑提供超過一個氧化還原當量。
62.一種檢測分析物存在或含量的系統，包括使含有分析物的第一電解質溶液與第一電極區域偶合的裝置；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與第二電極區域偶合的裝置；使第一和第二電極區域電偶合的裝置；使第一和第二電解質溶液離子偶合的裝置；在第一和第二電極區域之間施加電勢差的裝置；檢測第二電極區域處由電化學發光系統所發射的光，從而指示第一電極區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溶液與第一室相關聯，第一室中包括第一電極和第二電極；使發光源第二室與相關聯，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；檢測第二室中由發光源發射的光，從而指示第一室中至少一種分析物的存在或含量。
64.如權利要求63所述的方法，其特徵在於發光源包括電化學發光(ECL)體系。
65.如權利要求63所述的方法，其特徵在於發光源是個發光二極體。
66.如權利要求65所述的方法，其特徵在於發光二極體是個半導體發光二極體。
67.如權利要求65所述的方法，其特徵在於發光二極體發射可見光。
68.如權利要求63所述的方法，其特徵在於第一電極和第三電極構成一個整體的雙性電極。
69.如權利要求63所述的方法，其特徵在於進一步包括將多個第一電極與第一室相關聯；將多個第三電極與第二室相關聯；將多個發光源與第二室相關聯；使相應的第一和第三電極電偶合；檢測第二室中由各個發光源發射的光。
70.如權利要求69所述的方法，其特徵在於多個發光源是發光二極體。
71.如權利要求69所述的方法，其特徵在於第二電極是陰極，第四電極是陽極。
72.如權利要求69所述的方法，其特徵在於第二電極是陽極，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溶液與雙性電極的第一區域相關聯；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與雙性電極的第二區域相關聯；使第一電解質溶液與第二電解質溶液離子隔離；在第一和第二電解質溶液之間施電勢差；檢測電化學發光體系發射的光，從而指示雙性電極第一區域處分析物的存在或含量。
74.如權利要求73所述的方法，其特徵在於進一步包括使第一和第二電解質溶液具有相同的組成。
75.如權利要求73所述的方法，其特徵在於使含有分析物的第一電解質溶液與雙性電極的第一區域相關聯是使含有分析物的第一電解質溶液分別與多個雙性電極的第一區域相關聯；使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與雙性電極的第二區域相關聯是，使含有電化學發光系統的第二電解質溶液分別與多個雙性電極的第二區域相關聯。
76.如權利要求75所述的方法，其特徵在於進一步包括使第一和第二電解質溶液之間產生的電勢差對各個雙性電極都相同。
77.如權利要求73所述的方法，其特徵在於在第一和第二電解質溶液之間施加電勢差包括，在與第一電解質溶液相關聯的第一電極和與第二電解質溶液相關聯的第二電極之間施加電勢差。
78.如權利要求77所述的方法，其特徵在於第一電極是陰極，第二電極是陽極。
79.如權利要求77所述的方法，其特徵在於第一電極是陽極，第二電極是陰極。
80.如權利要求73所述的方法，其特徵在於雙性電極的第一區域具有大於第二區域的面積。
81.如權利要求75所述的方法，其特徵在於多個雙性電極的每個第一區域具有大於對應第二區域的面積。
82.檢測一種或多種分析物存在或含量的系統，包括具有第一電極和第二電極的第一室；與第一室相關聯的含有至少一種分析物的第一電解質溶液；具有第三電極和第四電極的第二室；與第二室相關聯的發光源；使第一和第三電極電偶合的導體；能在第二和第四電極之間施加電勢差的電壓源；檢測第二室中由發光源所發射的光，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.如權利要求82所述的系統，其特徵在於發光源包括電化學發光(ECL)體系。
84.如權利要求82所述的系統，其特徵在於發光源是發光二極體。
85.如權利要求84所述的系統，其特徵在於發光二極體是半導體發光二極體。
86.如權利要求84所述的系統，其特徵在於發光二極體發射可見光。
87.如權利要求82所述的系統，其特徵在於第一電極和第三電極構成一個整體的雙性電極。
88.如權利要求82所述的系統，其特徵在於第一室包括多個第一電極；第二室包括多個第三電極；發光源包括多個與第二室相關聯的發光源；導體是電偶合相應第一和第三電極的多個導體；檢測器能檢測第二室中每個發光源所發射的光。
89.如權利要求88所述的系統，其特徵在於多個發光源是發光二極體。
90.如權利要求88所述的系統，其特徵在於第二電極是陰極，第四電極是陽極。
91.如權利要求88所述的系統，其特徵在於第二電極是陽極，第四電極是陰極。
92.檢測分析物存在或含量的系統，包括第一室；第一電極和與第一室相關聯的雙性電極第一末端；第二室；第二電極和與第二室相關聯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溶液；含有電化學發光體系的裝在第二室中的第二電解質溶液；電偶合雙性電極第一末端和雙性電極第二末端的導體；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發光體系產生的光信號，從而檢測第一分析物中分析物存在或含量的檢測器。
93.如權利要求92所述的系統，其特徵在於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.如權利要求93所述的系統，其特徵在於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體構成橫跨共同屏障的整體雙性電極。
95.如權利要求94所述的系統，其特徵在於進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.如權利要求94所述的系統，其特徵在於雙性電極的第一區域具有大於第二區域的面積。
97.如權利要求94所述的系統，其特徵在於進一步包括多個第一室，具有與其相連的對應第一電極；能在對應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發光體系所產生的光信號，從而檢測至少一個第一室中分析物存在的檢測器。
98.如權利要求97所述的系統，其特徵在於電壓源能在第一室的順序系列中產生電勢差。
99.如權利要求97所述的系統，其特徵在於電壓源能同時產生各個電勢差。
100.如權利要求92所述的系統，其特徵在於包括多個第一室；對應的第一電極和與第一室相連的雙性電極的對應第一末端；能使雙性電極的對應第一末端和第二末端之間的導體發生電偶合的開關；能在對應的第一電極和第二電極之間產生電勢差的電壓源；能檢測第二室中電化學發光系統所產生的光信號，從而檢測一個第一室中分析物存在的檢測器。
101.如權利要求92所述的系統，其特徵在於第一電極和雙性電極第一末端是面平行的，分隔間隙小於15微米。
102.檢測分析物存在或含量的系統，包括使含有分析物的第一電解質溶液與第一電極區域偶合的裝置；使發光源與第二電極區域偶合的裝置；使第一和第二電極區域電偶合的裝置；在第一和第二電極區域之間施加電勢差的裝置；檢測第二電極區域處由發光組合物所發射的光，從而指示第一電極區域處分析物存在或含量的裝置。
103.如權利要求102所述的系統，其特徵在於進一步包括使第一和第二電解質溶液離子偶合的裝置。
104.如權利要求102所述的系統，其特徵在於進一步包括使第一和第二電解質溶液離子隔離的裝置。
105.如權利要求102所述的系統，其特徵在於發光源是電化學發光體系。
106.如權利要求102所述的系統，其特徵在於發光源是發光二極體。
全文摘要
在本發明的一個實施方式中，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溶液與雙性電極的第一區域相關聯，使含有電化學發光體系的第二電解質溶液與雙性電極的第二區域相關聯，使第一電解質溶液與第二電解質溶液離子隔離，在第一和第二電解質溶液之間施加電勢差，檢測電化學發光體系發射的光，從而指示雙性電極第一區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 優先權日2002年7月23日
發明者R·M·克羅克斯, W·詹, J·阿爾瓦雷茲 申請人:德克薩斯A&M大學系統