CN107438763A - 量子电容感测 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用电极进行的感测方法，该电极包括用感测元件功能化的电极基材。该方法包括在多个外加电压下采用电化学阻抗谱法，然后将测量数据随电压进行积分。还提供了一种用于执行感测方法的装置。该方法和装置适用于各种感测应用，包括诊断生物标记物的检测、药物筛选、糖阵列系统的开发以及诸如光强、温度和湿度等环境参数的检测。

Description

量子电容感测
本发明涉及一种通过探测功能化电极的量子电容进行电化学感测的方法和装置。
背景技术
电化学技术已经用于各种感测应用，例如，用于检测和定量对生理样品中目的诊断分子，用于感测有毒气体并监测湿度等环境参数的变化。
电化学阻抗谱法(EIS)是监测与适当修饰的电极表面的所处环境变化相关的电容或电荷转移电阻变化的技术。这种变化可以包括物质(例如生物标记物等靶物种)与电极表面的结合以及温度等环境参数的变化。考虑到其无标志物方法中的结构性简单、敏感度高、选择性多和适用性强，EIS是一项用于感测各种应用的颇有前景的技术。
在近来的工作中，本发明人已经证明，可以采用电化学阻抗谱法解决限制在电极表面的分子膜内的一系列电荷波动问题。其中包括与电子偶极子波动和场诱导的离子运动相关的变化，并且可以通过电活性单层电容光谱根据其特定的时间尺度和表面电位依赖性来解决。当这些分子膜含有具有能量上接近(氧化还原活性)的轨道状态的部分时，导致/产生下面的金属电极电子转移在该界面处产生新的和敏感的电位依赖性的充电过程这一结果。这种法拉第电容(称为氧化还原电容，Cr)不是静电的，并且可能(对于与非均匀电子转移快速率关联的高质量分子膜)比亥姆霍兹分布空间大百倍。已证明，这种Cr识别标志物可以积分到另外能够动员目的特定靶标(例如抗体的抗原配偶体)的膜中。氧化还原电容变化可用于建立敏感度高、稳定性好和方便性佳的新型无标志物生物感测形式。欲知详情，可以参考专利PCT/GB2014/051938和《生物传感器和生物电子学》杂志50(2013)437-440等资料。
虽然这些EIS技术能够实现敏感度高、稳定性强和方便性佳的感测方法，但应注意以下几点：
(i)氧化还原电容Cr实际上报道了受限氧化还原基团在其最佳电化学“半波电位”下的电化学活性。
(ii)没有收集到任何其他潜在信息。
(iii)如果膜的电化学活性受到干扰，则Cr测量值将发生变化。由于特异性结合/识别事件以外的现象(例如副反应/分解，溶剂或电解质渗透的变化)引起的扰动不一定与研究中的结合/识别事件区分开来。
因此，需要例如基于EIS原理的替代性而又相关联的感测方法。极具吸引力是使用简单的实验装置(例如，单个工作电极作为探针)的感测方法，其广泛适用于一系列不同参数的感测，不受一个或多个上述已知方法的缺点和/或对所感测的化学物质或其它参数具有较高敏感度和/或选择性。
发明内容
本发明人现在已经确定了一种用于感测适当功能化的电极表面所处环境的变化的新方法。可以使用特别简单方便的电化学系统执行该新方法，其仅涉及单个工作电极(即单个探针)。此外，该工作电极不必用氧化还原基团功能化，也不必假定这些氧化还原基团是稳定的。
本发明人开发的该新技术可以广泛应用于各种感测应用，包括，举例来说，载体介质中靶物种的特异性检测(例如生理样品中诊断生物标记物的检测)、药物筛选程序、在糖阵列系统中的用途以及检测工作电极附近的环境湿度、光强和温度等环境参数。
更详细地，本发明人开发的该技术利用了用感测元件功能化的工作电极，该感测元件电子耦合到前述电极。感测元件和电极之间的电子分布具有相关的电容式(及电荷动态)指纹，其随着所处环境的变化而敏感变化。
在本发明的方法中，在一系列不同的外加电位下(而不是常规EIS方法中的单一电位)获得电化学阻抗测量值。根据所述在不同电位下获得的多个测量值，获得固定频率(ω)处的复电容实部C'和/或复电容虚部C"的随电压变化的测量值。已经发现，对所测量的C'值和C"值在电压上进行积分，可给出积分测量值，该积分测量值可以密切的反映、从而感测到工作电极所处环境的性质。
具体地，本发明提供：
[1]一种感测方法，包括以下步骤：
(A)通过在一系列外加电位下采用电化学阻抗谱法，获得系统复阻抗Z*的多个测量值，所述系统具有工作电极，所述工作电极包括用感测元件功能化的电极基材，所述感测元件对所述外加电位的电化学响应对所述电极所处环境的变化敏感，所述感测元件的尺寸为0.5nm至10nm；
(B)将Z*的所述多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C"的多个测量值；
(C)对选定频率ω处的(a)C'、(b)C"或(c)C'和C"的任意组合的测量值随着外加电压进行积分；以及
(D)根据所述积分测量值评估所述电极所处环境。
本发明的感测方法适用于通过探测功能化电极的量子电容来进行电化学感测。因此可以将其称为“量子电容感测方法”。
因此，本发明还提供了一种量子电容感测方法，包括如上所述本发明感测方法所定义的步骤(A)、(B)、(C)和(D)。
[2]一种用于感测方法的装置，所述装置包括：
-电化学分光计，所述电化学分光计包括工作电极、反电极和恒电位仪，其中，所述工作电极包括用感测元件功能化的电极基材，所述感测元件对外加电位的电化学响应对电极所处环境的变化敏感，所述感测元件的尺寸为0.5nm至10nm；
-接收器，所述接收器设置为从所述电化学分光计接收输入数据，所述输入数据包括在一系列外加电位下获得的复阻抗Z*的多个测量值；以及
-处理器，所述处理器设置为(i)将Z*的多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C″的多个测量值，以及(ii)对所述选定频率ω处的(a)C'、(b)C″或(c)C'和C″的任意组合的测量值随着外加电压进行积分，得到积分测量值。所述感测方法可以是量子电容感测方法，即所述装置可用于量子电容感测方法。
[3]一种存储介质，用于存储计算机可读代码，所述代码由计算机或计算机网络执行，并且当所述代码执行时，所述计算机或计算机网络执行以下步骤：
-通过电化学分光计获得输入数据，所述输入数据包括在一系列外加电位下获得的复阻抗Z*的多个测量值；
-将Z*的所述多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C"的多个测量值；以及
-对所述选定频率ω处的(a)C'、(b)C"或(c)C'和C"的任意组合的测量值随着外加电压进行积分，得到积分测量值。
进一步优选的特征和实施例在所附的说明书和所附权利要求书中进行说明。
附图说明
图1描述了如示例中所述的根据电子密度及其相关的DOS变化而构建得到的分析曲线。(b)框示出了Cq＝e2g(E)的变化(由CS测量值得出)，该变化是由在不同CRP浓度下的电活性分子层中的抗-CRP抗体和CRP之间的相互作用(CRP浓度增加的趋势如图所示)导致的。绝对能量如最上方的x轴所示。这些线是将实验数据(由点表示)调整至高斯预期线型。(a)框示出了CRP浓度的自然对数与系统电子密度之间的线性关系(分析曲线)。
图2描述了如示例中所述的电导变化和相关分析曲线。(a)框示出了由各CRP浓度下的电子密度变化导致的电导率测量值(CRP浓度增加的趋势如图所示)。(b)框示出了由抗-CRP抗体和CRP之间相互作用导致的层上电导变化得出的分析曲线。
图3是用感测元件功能化的工作电极(金)的示意图，所述感测元件电子耦合到所述电极上。在该示例中，电极上安装了一片石墨烯，并且用作靶分析物受体的蛋白结合到石墨烯上。根据电容光谱法实验测得的状态(量子态)密度用作传感器信号。
图4是相对响应(RR)的曲线图，相对响应(RR)表示为以pM(x轴)为单位的不同浓度的靶分析物α-突触核蛋白(α-sync)的百分比(y轴)。该图示出了设置在金基材的绝缘体层上的导电石墨烯层的对比分析响应。石墨烯层用抗-α-突触核蛋白抗体适当修饰，用于α-突触核蛋白检测。很明显，量子电容和量子电导均比表面能量更敏感(如示例2中的方程式1所示)。敏感度由测定的斜率(S)证明。电容和电阻参数的最佳分析频率分别为118Hz和22Hz。对于各个给定浓度(均满足r2>0.99)，标准偏差均通过三次测量进行计算。
具体实施方式
现在对本发明的可选和优选特征进行说明。除非另有说明，否则本文所述的任何特征均可与本文所述的任何其它特征结合。
感测方法
电化学阻抗谱法(EIS)是本领域技术人员所熟知的技术。通常，在工作电极和反电极之间的偏置(或DC)电位上施加变化的交流电位。一般来说，EIS涉及一系列的交流频率ω的扫描。输入信号(通常为变化电位)与输出信号(通常为变化电流)的比率可计算出阻抗。通常输入信号和输出信号之间存在相位差，使得阻抗可以看作具有实部(有时称为Z')和虚部(有时称为Z")的复函数Z*。
所施加的变化的交流电位的频率范围可以是1mHz至10MHz。外加交流电位的振幅通常为正弦波形式，其振幅可以为1mV至100mV，任选地5mV至50mV，任选地5mV至20mV，任选地5mV至15mV，任选地8mV至12mV，任选地约10mV。
进行EIS测量时，偏置电位(或直流电位)可以设定为任何所需的值。这种直流或偏置电位在本文中称为外加电位。本发明的方法包括在一系列外加电位下(允许随后对外加电压进行积分)获得复阻抗的多个测量值，即分别在不同的选定电压下获得多个EIS测量值。通常，通过EIS获得的复阻抗的多个测量值至少是三个测量值，优选地，至少是五个测量值，比如至少是十个或甚至至少是二十个测量值，即该一系列外加电位通常包括至少三个不同的外加电位，优选地，是至少五个不同的外加电位，比如至少十个或甚至至少二十个不同的外加电位。
在将Z*的多个测量值转换为复电容实部C'的多个测量值的步骤中，使用(固定/单一)选定频率ω处的C'的测量值。本领域技术人员均已熟知，C'通常随着ω的变化而变化(即，C'是ω的函数)。合适的选定频率ω自然取决于特定电极的结构和所采用的感测方法的性质。然而，确定合适的选定频率ω是一项常规工作。技术人员可以轻松确定ω的值，例如，其中确定ω的值使C'的所得值为恰当高值(例如，处于或者接近在常规EIS扫描中外加频率范围内的C'最大值)和/或响应于试图进行探测的电极所处环境的具体特征。将Z*的多个测量值转换成复电容虚部C"的多个测量值时，可应用类似原理。
将选定频率ω处的Z*转换为C'和/或C"是本领域的常规工作且众所周知。特别地，在标准的实际EIS分析中，使用公式C*(ω)＝l/iωZ*(ω)，可以将特定电位下的复阻抗函数Z*(ω)及其实部和虚部相位转换为复电容C*(ω)。
对C'和/或C"的测量值的随着外加电压进行积分也可以通过常规方法进行，例如，当C'、C"或C'和C"的任意组合相对于外加电压绘图时，使用“图形方法下的面积”进行积分，和/或通过众所周知的常规计算机算法对经验性导出的数据进行积分。
已经发现，当进行EIS测量时，对选定频率ω处的C'和C"随着外加电压进行积分，可提供适用于感测，即可用于描述电极所处环境的“积分测量值”。具体来说，从C'的积分导出的积分测量值与系统的态密度(DOS)有关，即它反映了量子电容(如示例的图1中举例说明)。从C"的积分导出的积分测量值与系统的电导有关(如示例的图2中举例说明)。
在实践中，有时可以优选地(纯粹为了操作简便)仅对选定频率ω处的C'和C"中的一个随着外加电压进行积分，得出积分测量值。因此，在第一优选实施例中，将Z*的多个测量值转换成选定频率ω处复电容实部C'的多个测量值，并将这些测量值随着外加电压进行转换，得出积分测量值。此外，在第二优选实施例中，将Z*的多个测量值转换成选定频率ω处的复电容虚部C"的多个测量值，并这些测量值随着外加电压进行转换，以得出积分测量值。
然而，由于C'和C"两者均可使用，对于本领域技术人员来说显而易见的是可对选定频率ω处C'和C"的任何组合随着外加电压进行积分，得出积分测量值。例如，可以使用C'值和C"值(其中C'和/或C"可以用任何负常数或正常数加权)的任意和或C'值和C"值和C"值的任意乘积或商。
因此，应当理解，如本文所使用的术语“量子电容感测方法”包括仅对选定频率ω处的C"随着外加电压进行积分(使得积分测量值反映了系统的电导率而不是量子电容)而得出积分测量值的方法，以及如上所述仅对C'进行积分或对C'和C"的任何组合进行积分得出积分测量值的方法。
通常，所述评估工作电极所处环境的步骤可通过将积分测量值与一个或多个参考值进行比较来执行。参考值可以通过在已知电极所处环境的条件下获得一个或多个相应积分测量值来获得。换句话说，参考值用于在测试条件下执行该方法时，利用特定、已知条件可获得的期望值来校正积分测量值。实际上，对所处环境的评估可能是定性的或定量的。用于感测应用的装置的校正是一项本领域众所周知的常规工作，包括基于EIS的方法。
工作电极结构
工作电极包括用感测元件功能化的电极基材。
电极基材可以包括任何导电材料。基材可以包括金属或碳。金属可以是元素形式的金属或金属合金。任选地，整个基材包括金属或碳。基材可以包括过渡金属。基材可以包括选自元素周期表第9至11族中的任何一种过渡金属。基材可以包括选自但不限于铼、铱、钯、铂、铜、铟、铷、银和金的金属。基材可以包括选自金、银和铂的金属。基材可以包括含碳材料，其中可以选自棱面热解石墨、基面热解石墨、玻璃碳、硼掺杂金刚石、高度有序的热解石墨、碳粉和碳纳米管。在优选实施例中，基材包括金，例如基材为金基材。
电极表面(即基材表面)可以是平面的，包括大致平坦的表面，例如，没有缺口、突起和孔。这种基材表面通过诸如用细颗粒抛光的技术可以很容易的制备，例如细颗粒喷涂，任选地，可采用在各个抛光步骤中细颗粒粒度逐渐减小的顺序步骤选。例如，细颗粒可以包括金刚石等碳基材料，和/或颗粒直径不大于10μm，任选地不大于5μm、任选地不大于3μm、任选地不大于1μm、任选地不大于0.5μm、任选地不大于0.1μm的碳基材料。抛光后，可以清洗基材表面，例如，通过超声波，也可任选一种合适的液体介质(例如水)，即至少1分钟的时间(例如约1分钟至10分钟)。基材表面可以用腐蚀溶液(如酸性溶液)清洗，例如在抛光以及(如适用)超声波洗涤步骤之后进行。在合适的液体介质中(例如水)，腐蚀溶液可以包括无机酸，例如硫酸和/或过氧化物(例如H2O2)。基材可以进行电化学抛光，任选地，可在细颗粒抛光，清洗(例如超声波清洗)和/或使用腐蚀溶液的一个或多个步骤之后。电化学抛光可涉及在较高和较低电位之间的循环，直到达到稳定的还原峰为止，例如，较高电位不小于0.5V，任选地不小于1V，任选地不小于1.25V，较低电位不大于0.5V，任选地不大于0.25V，任选地不大于0.1V的。
电极基材用感测元件功能化。感测元件被限制于电极表面。在与电极基材结合时，感测元件能够在进行EIS时产生电化学响应。此外，对外加电位的电化学响应对电极所处环境中的变化敏感。
可以通过确保感测元件与电极表面电子耦合来实现电极的这些特性。“电子耦合”是指电子能够在电极表面和感测元件之间再分布。因此，当通过用感测元件功能化的电极表面来制造电极时，在电极表面和感测元件之间发生电子的再分布。类似地，当电极所处的环境发生变化时，特别是对应于正被感测的基材或环境参数的变化，会发生电极表面和感测元件之间的电子再分布。
通常，感测元件可以由具有与电极化学位不同的电子化学位的任何化合物构成。电极和给定的化合物必须分隔极短距离，即在低于例如10nm的纳米级内，例如低于2nm。这个短距离决定了感测信号的量化性质。实际上，它借助于纳米级长度范围内的散射区域连接两个能量状态(电极探针和其他化合物本身的能态)。
因此，每个感测元件尺寸通常不大于10nm，例如0.5至10nm；优选1至5nm，例如1至3nm。所述尺寸通常是从附接到电极表面的感测元件的端部延伸到没有附接到电极表面的感测元件的端部形成一条直线的最大尺寸。通常，每个感测元件的所有尺寸(即所有可测尺寸)不大于10nm，例如0.5至10nm；优选1至5nm，例如1至3nm。
感测元件可以由具有不同于电极化学电位的电子化学电位的化合物组成，该化合物通过短化学连接体耦合至电极表面，感测元件(即所述化合物和所述连接体)尺寸不大于10nm，例如0.5至10nm；优选1至5nm，例如1至3nm。
通常，与具有可认为基本上无限DOS的底层电极基材相比，感测元件具有有限和限定的电子态密度(“DOS”)。因此，感测元件通常不同于电极基材，即它们不是导电金属或碳基材。合适的感测元件的示例包括氧化还原活性物种、分子膜、纳米粒子、石墨烯、碳纳米管和量子点。具有这种材料的电极基材的功能化在本领域众所周知，并且可以使用常规技术来实现。
合适的氧化还原活性物种的代表性示例包括锇基氧化还原体系、二茂铁、醌类和卟啉及其衍生物。醌类的衍生物包括对苯醌和氢醌。优选氧化还原活性物种是二茂铁或其衍生物，例如烷基(例如C1-6烷基)或其酰基衍生物。最优选的氧化还原活性物种是二茂铁。
重要的是，尽管感测元件可以包括氧化还原活性物种，但感测元件并非必须是氧化还原活性物种。因此，在本发明的一个实施例中，工作电极采用感测元件功能化，但是工作电极不用任何氧化还原活性物种进行功能化。例如，本实施例中的感测元件可以选自分子膜、纳米粒子、石墨烯、碳纳米管和量子点。例如，感测元件不包括氧化还原活性物种。
在一个优选实施例中，感测元件包括石墨烯。通常，例如，电极基材包括金(例如，基材可以是金基材)，并且感测元件包括石墨烯。石墨烯可以以氧化形式存在，即为氧化石墨烯。
工作电极还可以包括布置于电极基材和感测元件之间的中间层。该中间层可以是特定化合物的自组装单层，例如半胱氨酸。此处所涉及的化合物可以被称为绝缘体。
在一个实施例中，电极基材包括金，工作电极还包括布置于电极基材上的中间层，并且布置于中间层上的感测元件包括石墨烯。石墨烯可以以氧化形式存在，即为氧化石墨烯。中间层通常包含半胱氨酸。
术语“感测元件”可以与同样说明了在电极表面上功能化材料性质的术语“纳米级实体”互换使用。
感测方法的应用
本发明的原理可以广泛应用。特别是，可以感测物理物质或物理物质以外的环境参数。基本上可以感测到任何物质或环境参数，前提是该物质或参数的量的变化可导致工作电极的所处环境的变化，从而导致感测元件和电极基材之间的电子分布的变化。因此，工作电极可以根据所要使用的预期感测方法进行设计。
物理物质的感测
在一个实施例中，该方法是用于感测化学物质(即一种化合物或一组化合物)的方法。在该实施例中，在步骤(A)中，工作电极与可能包括该物质的载体介质接触，并且感测元件对外加电位的电化学响应对所述物质的存在敏感，如果载体介质确实包含该物质，则将获得特定的积分测量值。载体介质不含该物质时，积分测量值将不同。类似地，随着载体介质中物质的浓度变化，积分测量值也会随之发生变化。
尽管载体介质也可能是气体介质，但优选为液体形式。载液(或载气)可以是可以悬浮或溶解(或分散)该物质的任何液体(或气体)。在一个实施例中，载液包括水。在一个实施例中，载液包括生物流体。生物流体可以是源自人或动物受试者的流体。在一个实施例中，载液包括未稀释生物流体。在本文中，未稀释生物流体是源自受试者(例如，人或动物)的未用另一种液体稀释的生物流体。生物流体可以选自血液、尿液、泪液、唾液、汗液和脑脊液。任选地，载体介质包括从受试者(例如，人或动物)获得的生物流体，以及稀释剂。稀释剂可以在从受试者获得之后加入到生物流体中。稀释剂可以包括液体介质，例如选自水和醇的液体介质，例如酒精或乙醇。载体介质还可以包括缓冲液。缓冲液可以包含磷酸盐。
在本发明方法的优选方面，工作电极包括能够结合所述物质的受体部分，并且感测元件对外加电位的电化学响应对所述物质与受体部分的结合敏感。优选地，受体部分能够该物质特异性结合。“能够该物质特异性结合”通常是指对该物质的结合常数比对存在于载体介质中的任何其它物质的结合常数至少大50倍，优选至少大100倍，更优选至少大200倍。
受体部分可以包含在感测元件本身中，或者可选地，电极基材用感测元件和不同于感测元件的受体部分功能化。
受体部分的示例包括抗体、抗体片段、核酸、核酸适体、低聚糖、肽和蛋白质。优选地，受体部分选自抗体、核酸和肽。最优选的受体部分是抗体。
抗体或抗体片段可以选自IgA、IgD、IgE、IgG和IgM类中的一种或多种。在优选的实施例中，抗体或抗体片段是IgG型。该抗体选择性地与目的物质结合。抗体或抗体片段可以来自哺乳动物，包括但不限于选自人、小鼠、大鼠、兔、山羊、绵羊和马等哺乳动物。核酸适体可以选自肽适体、DNA适体和RNA适体。
抗体可以例如是抗-α突触核蛋白抗体(anti-α-sync)。
显然，对给定电极的受体部分的选择取决于目的物质(即目的“靶标”)的标识。
例如，靶标可以是α突触核蛋白(α-sync)，在这种情况下，受体部分通常包括抗α-突触核蛋白或由其组成。
在一个实施例中，工作电极包括受体部分；感测元件包括石墨烯；并且电极基材包括金。受体部分可以如上文进一步限定，例如它们可以包括抗α-突触核蛋白或由其组成。石墨烯可以以氧化形式存在，即为氧化石墨烯，因为这可促进受体部分的附接。
工作电极还可以包括布置在电极基材上、电极基材和感测元件之间的中间层。中间层通常包含半胱氨酸。
靶物种的检测，例如诊断应用
该物质可以是用户希望检测/感测的靶物种，即可存在或不存在于载体介质中，任选地与一种或多种其它非靶物种一起存在。最常见地，该方法是一种用于确定所述载体介质中所述靶物种浓度的方法。
虽然该方法可用于检测一系列靶物种，但一个特别有用的方面是检测一种诊断目的物种。对生理样品中生物标记物的敏感度检测在诊断中越来越受关注。本发明的方法可以敏感地且选择性地用于感测(并确定浓度)特定生物标记物，特别是提供一种用受体部分功能化的电极基材，该受体部分可以与目的生物标记物的特异性结合。
靶物种的示例包括选自CRP蛋白、胰岛素以及神经变性、癌症、心肌梗死、糖尿病和一般创伤中的一种或多种标志物的那些靶物种。
更普遍的是，根据本发明的方法用于检测的适宜靶物种包括蛋白质、多肽、抗体、纳米粒子、药物、毒素、有害气体、危险化学品、爆炸物、病毒颗粒、细胞、多细胞生物体、细胞因子和趋化因子、配子体、细胞器、脂质、核酸序列、低聚糖、代谢途径的化学中间体和大分子。在优选的实施例中，靶物种包括生物分子，或基本上由生物分子组成或者全部由其组成，更合适的是生物大分子，最合适的是多肽。生物标记物是特别目的生物分子的一个示例。
如果靶物种为蛋白质或包含蛋白质，则蛋白质可以选自但不限于天然蛋白质、变性蛋白质、蛋白质片段以及原核或真核表达的蛋白质。蛋白质可以在本领域具有其正常含义，最优选的“蛋白质”是指多肽分子。此类多肽可以包括诸如糖基化、磷酸化等修饰或其他此类修饰。
如果靶物种是抗体，则该抗体可以选自IgA、IgD、IgE、IgG和IgM类中的一种或多种。
如果靶物种是纳米粒子，那么纳米粒子可以选自但不限于一种或多种绝缘、金属或半导体纳米粒子。
如果靶物种是药物，则该药物可以选自但不限于酒精(例如乙醇)、安非他命、硝酸戊酯、海洛因、氯胺酮、合成代谢类固醇、迷幻药、溶剂、大麻、可卡因(如可卡因盐酸盐或“可乐”)、烟草、镇静剂、强效纯可卡因(即可卡因游离碱)、摇头丸和/或γ-羟基丁酸(GHB)。或者，在一些实施例中，该药物可以是药用物质。
靶物种可以是候选药物，例如，可以使用本发明对特定活性或性质进行测试或筛选的化学或生物实体。
如果靶物种是毒素，则该毒素可以选自但不限于一种或多种源自动物、植物或细菌的毒素。
如果靶物种是病毒粒子，则该病毒粒子可以选自但不限于一种或多种具有和不具有基因组的病毒粒子。
如果靶物种是细胞，则该细胞可以选自但不限于多能祖细胞、人细胞(例如B细胞、T细胞、肥大细胞、吞噬细胞、嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞和内皮细胞)、癌细胞(例如源自肝脏、颈椎、胰腺、结肠直肠、前列腺、表皮、脑、乳腺、肺、睾丸、肾、膀胱等部位癌变的癌细胞)、非人源性单细胞生物、藻类、真菌、细菌、植物细胞、寄生虫卵、疟原虫和支原体中的一种或多种。
如果靶物种是细胞器，该细胞器可以选自但不限于细胞核、线粒体、高尔基体、内质网、溶酶体、吞噬体、细胞内膜、细胞外膜、细胞骨架、核膜、染色质、核基质和叶绿体中的一种或多种。
如果靶物种是脂质，该脂质可以选自但不限于信号转导脂质、结构性脂质、磷脂、糖脂和脂肪酸中的一种或多种。
如果靶物种是核酸序列，则该核酸序列可以选自但不限于DNA、cDNA、RNA、rRNA、mRNA、miRNA和tRNA中的一种或多种。
如果靶物种是低聚糖，则该低聚糖可以选自但不限于一种或多种源自人、动物、植物、真菌或细菌的低聚糖。
靶物种可以是指示特定疾病的任何抗原或被分析物。靶标可以选自如C反应蛋白(CRP蛋白)、血管紧张素I转换酶(肽基二肽酶A)1；脂联素；晚期糖基化终末产物特异性受体；α-2-HS-糖蛋白；血管生成素、核糖核酸酶、RNase A家族5；载脂蛋白A-1；载脂蛋白B(包括Ag(x)抗原)；载脂蛋白E；BCL-2相关X蛋白；B细胞慢性淋巴细胞白血病/淋巴瘤2；补体C3；趋化因子(C-C基序)配体2；CD 14，可溶性；CD 40，可溶性；cdk5；相关穿透素；组织蛋白酶B；二肽基肽酶IV；表皮生长因子；内皮糖蛋白；Fas；纤维蛋白原；铁蛋白；生长激素1；丙氨酸氨基转移酶；肝细胞生长因子；结合珠蛋白；热休克70kDa蛋白1B；细胞间粘附分子1；胰岛素样生长因子1(生长调节素C)；胰岛素样生长因子1受体；胰岛素样生长因子结合蛋白1；胰岛素样生长因子结合蛋白2；胰岛素样生长因子结合蛋白3；白细胞介素18；白细胞介素2受体α；白细胞介素2受体β；白细胞介素6(干扰素β2)；白细胞介素6受体；白细胞介素6信号转导子(gp130，制瘤素M受体)；白细胞介素8；激活素A；瘦素(肥胖同系物，小鼠)；纤溶酶原激活剂、组织；促黑皮素原(促肾上腺皮质激素/β-促脂解素/α-黑素细胞刺激激素/β-黑素细胞刺激激素/β-内啡肽)；胰岛素原；抵抗素；选择素e(内皮细胞粘附分子1)；选择素P(颗粒膜蛋白140kDa，抗原CD62)；丝氨酸蛋白酶抑制剂，进化枝E(连接蛋白，纤溶酶原激活物抑制剂1型)，成员1；血清/糖皮质激素调节激酶；性激素结合球蛋白；转化生长因子β1(CamuratiEngelmann病，即进行性骨干发育不良)；TIMP金属肽酶抑制因子2；肿瘤坏死因子受体超家族成员1B；血管细胞粘附分子1(VCAM-1)；血管内皮生长因子；因子II，因子V、因子VIII，因子IX、因子XI，因子XII，F/纤维蛋白降解产物、凝血酶-抗凝血酶III复合物、纤维蛋白原、纤溶酶原、凝血酶原和血管性血友病因子等。对糖尿病有用的标志物包括例如C反应蛋白；葡萄糖；胰岛素；TRIG；GPT；HSPA1B；IGFBP2；LEP；ADIPOQ；CCL2；ENG；HP；IL2RA；SCp；SHBG和TIMP2。目前优选的靶物种包括选自CRP蛋白、胰岛素和神经变性、癌症、心肌梗死、糖尿病和一般创伤中的一种或多种的标志物的靶物种。
靶物种可例如包括α-突触核蛋白(α-sync)，或由其组成。如果靶物种是或包括α-突触核蛋白，则受体部分可以包括α-突触核蛋白抗体或由其组成。
靶物种可能是与监测糖尿病有关的靶标。在一个实施例中，该靶标可以选自葡萄糖、胰岛素、白细胞介素2受体α(IL2-RA)、C-反应蛋白(CRP)和糖化血红蛋白(HbAlc)。如果靶物种是葡萄糖，则受体部分可以选自例如GDH-FAD测定的分子识别元件或葡萄糖/半乳糖结合蛋白(“GGBP”)(Scholle等人，Mol.Gen.Genet 208：247-253(1987))。如果靶标是IL-2RA，受体部分可以包括IL-2RA特异的单克隆抗体或由其组成。如果靶物种是或包括C反应蛋白，则优选人C反应蛋白。如果靶物种是或包括C反应蛋白，受体部分可以包括anti-CRP或由其组成。如果靶物种是或包括胰岛素，则受体部分可以包括胰岛素抗体或由其组成。
基于糖阵列的方法
本发明的方法也可用于涉及糖阵列的应用中。糖阵列是其中每个阵列单元包含特定糖类部分(不同于其它阵列单元中的糖类部分)的阵列。在本发明的上下文中，该阵列包括多个单独可寻址的电化学系统，其各自的工作电极用属于糖类部分的受体部分功能化。例如，糖类部分的阵列可以构成生物体(例如人)的糖组或糖组的一部分。
因此，在本发明方法的一个实施例中，物质(正在被感测)选自凝集素蛋白、糖酶和糖类结合抗体，而受体部分则为糖类部分。此外，在该感测方法中，工作电极可以形成糖阵列的一部分，该糖阵列包含多个分别用不同糖类部分功能化的工作电极。因此，该方法可包括步骤为在包含在糖阵列中的每个工作电极上执行方法步骤(A)至(D)。
药物筛选/发现
本发明方法的另一应用是在药物筛选和发现领域。在已知的用于药物筛选的基于阵列的系统中，每个阵列单元包括可获取受体部分，由候选药物结合的受体部分将初步表明候选药物可能具有治疗价值。例如，具有已知基于紫杉醇-微管蛋白模型的筛选方法。在该模型中，将已知的抗癌药物紫杉醇与微管蛋白质保护素的相互作用活性用作参考，新的候选药物可与之比较。
特别是，在本发明的方法中，该物质(正在被感测)可以是候选药物，受体部分可以是能够结合至已知参考药物的部分。因此，感测候选药物与受体部分的结合将与已知药物类似方式作用的候选药物具有相关性(因此值得进一步研究)。相比之下，无法进行结合可能导致候选药物的排斥。
应当理解，在该感测方法中，工作电极是阵列的组成部分，该阵列包括多个工作电极，每个工作电极用受体部分功能化。因此所述阵列适用于同时筛选多个候选药物。这个阵列设置可以让大量候选药物一次性进行高通量筛选。
环境参数感测
在另一实施例中，该方法是用于感测电极所处环境的环境参数变化的方法。这些环境参数的示例包括所处环境的温度、所处环境的光强(例如，可见光的强度，或者替代性地或另外的紫外光的强度)以及所处环境的湿度。
在此类方法中，光、温度或环境/表面水的相互作用影响所测量的感测元件处的DOS或电子密度(由DOS积分测得)。电化学响应的相关变化是可测量的，并且可以容易地校准以备后续应用。
装置
本发明还提供了一种用于感测方法的装置，该方法通常是本发明所述的感测方法。该装置包括电化学分光计，即专门用于执行本发明方法的电化学分光计，该电化学分光计的工作电极用感测元件功能化。工作电极如本文所述。
该装置还包括(a)接收器，该接收器配置为从电化学分光计接收输入数据，该输入数据包括在一系列外加电位得到的复阻抗Z*的多个测量值；和(b)处理器，该处理器设置为(i)将Z*的多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C″的多个测量值，以及(ii)对所述选定频率ω处的C'、C″或C'和C″的组合的测量值随着外加电压进行积分。接收器和处理器可以是计算机的一部分。接收器和处理器的功能可以通过将计算机编程为从本发明的方法接收输入数据并将这些数据处理成如本文所述的积分测量值来实现。
接收器可以直接从分光计接收输入数据，也可以间接地从分光计创建的数据文件中读取数据。
通过“编程”是指计算机配有计算机可读代码，其提供用于执行接收输入数据、转换成复电容实部C'和/或虚部C"的步骤的指令，并且以自动方式积分，获得积分测量值，例如没有来自用户的干扰。计算机可以包括用合适的计算机程序编程的物理计算机等。该程序可以在诸如存储介质上提供，由计算机或计算机网络完成此工作。该存储介质可以是计算机本身的一个整体组成部分，例如硬盘或者诸如光盘等可移动存储介质或诸如USB闪存设备的可移动存储设备。
因此，该装置可以用于执行本发明的方法，由此操作员使用电化学分光计执行本发明方法中的步骤(A)的必要的EIS测量，其中，自动执行随后的步骤完成该感测方法。
计算机可以被进一步编程以输出从所述积分测量值产生的数据。该输出可以是显示器和/或计算机文件和/或作为到另一设备的数据流。此类数据可以包括对应于积分测量值本身的简单数值数据。或者，数据可以包括被感测物质的存在、缺失或浓度的指示或在所研究的系统中定性或定量指示所感测的环境参数。对本领域技术人员来说显而易见，通常通过对与积分测量值相关的校准(参考)值进行额外编程，可以对计算机进行常规编程提供这些数据。
此外，本发明提供了一种用于存储计算机可读代码的存储介质。当完成这一工作时，该代码能够导致如本文所定义的接收器和处理器(即，如上所述的计算机)执行与本发明的装置中的接收器和处理器相关联的步骤。
示例1
按照如下方式制备工作电极。通过在十五烷硫醇和11-二茂铁基十一烷硫醇溶液中温育，在金电极基材上产生混合的自组装单层(SAM)。通过将它们浸泡于Anti-CRP中制备接受表面。
将C-反应蛋白(CRP)等分试样加入到在PBS中的界面中，C-反应蛋白(CRP)等分试样的浓度范围为0nmol/L至8.0nmol/L(具体而言，在0、0.5、1.0、2.0、4.0和8.0nmol/L浓度下进行测量)。使用Ag/AgCl作为参考的三电极配置的恒电位仪、作为反电极的铂和上述工作电极进行电化学测量。所有实验均进行三次，图中给出的测量值是相应平均值。
在+0.2V和+0.8V之间的电位范围内对Ag/AgCl采用电化学阻抗谱法测量，其电位阶跃为15mV，稳频为20mHz。
由此测得图1和图2的DOS。图1(b)的线形直接由20mHz处的复电容实部构成。具体地说，DOS线形反映了量子电容线形，即e2DOS。这些线是将实验数据(由这里的点表示)与包含热变宽效应的高斯函数的拟合。因此，电子密度N(具有热变宽)由该高斯函数的积分给出为：
其中：gr(μe)是DOS函数(高斯函数作为电位的函数，如图1b所示)，Er是与电极相关的氧化还原物种的氧化还原电位，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，μe是与电位相关的电极中电子的化学势，为μe＝-cV。
然后将N作为CRP浓度的函数计算，如图1(a)所示。具体地说，通过将由分子层体积归一化处理的图1(b)中的曲线的积分(对于11-二茂铁基-十一烷硫醇分子层使用3.5nm长度)计算出电子密度。
图2由20mHz处的复电容的虚电容项构成；它考虑了氧化还原膜的电导(参见图2(a))。电导的积分也可提供电子密度。该电子密度还提供了一种用于在分子膜上感测结合事件的方法(参见图2(b)所示的分析曲线)。
示例2
本发明人已经证明，通过使用电容光谱学方法，可以实验性获取分子量化状态及其使用(量子电容)，并将该信号用作生物传感器应用的换能器；由于所测量的电容对环境的任何变化(静电或化学)均非常敏感，这一点是可以做到的。此外，本发明人已经证明，系统的量子电容以及将量子分子可获取状态传递到电极/探针的量化电阻都可以用作换能器信号。本发明人还认识到，根据密度泛函理论(量子力学方法)电子密度的函数与如下电容谱密切相关
其中，Ceq是包含两个数值(量子)和(静电)的电化学电容。由此得出结论，鉴于包含在的量子力学状态随着一些外部事件(例如蛋白质的结合)而变化，任何包含限制电子状态或连接到电极的纳米级尺寸的小型化器件有可能用于传感器形式。本发明人在此证明，当与其结合的蛋白质用作如图3所示的分析物(靶蛋白)的受体时，在工作电极探针上安装石墨烯片的情况下该系统对这种变化非常敏感。在该系统中，量子力学状态的能量、电容和电阻(与石墨烯电子状态和金/探针电极电子状态之间的耦合相关)可以用作换能器信号。这一点在图4中说明。
通过在8小时的温育时间内向水中滴加石墨烯的分散体，通过中间自组装单层(图3由半胱氨酸制成的绝缘体层)在金电极(机械和电化学抛光)上沉积氧化石墨以生产该设备。为了形成低污染表面，在电极上通过静电组装(带负电荷的氧化石墨烯末端)固定好CBMA(一种两性离子单体)之后，受体进行附着。在固定接受物种(抗α-突触核蛋白)之前，用水漂洗表面修饰电极并在氮气流中使之干燥。然后在去离子水中用1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳化二亚胺(EDC)(0.4M)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)(0.1M)活化末端羧基40分钟，然后与PBS溶液中的1μM相应受体分子的在室温下反应1小时。然后将界面浸入1M乙醇胺(pH值约8.5)中，使任何未反应的活化羧基基团失活，并在测量之前用PBS溶液清洗(图3所示)。
对于(图4的)每个参数获得的响应(R)，即量子电容量子电导和表面能(E[ρ])[参见等式(1)]通过一系列靶浓度(α-突触核蛋白)进行估算。为了使这些参数中的每一个的换能信号归一化，可使用相对响应。对于不同靶浓度在共振频率处(即k＝G/Cq最大值)的相对响应(RR)因此被计算为
其中，表示在缺失分析物的情况下参数的初始值(空白测量)，并且是将受体功能化电极暴露于相同频率k处的相应靶浓度后的参数值。在一系列靶浓度内收集RR，可以绘制各个参数的分析曲线，如图4所示。

Claims (20)

1.一种感测方法，包括以下步骤：
(A)通过在一系列外加电位下采用电化学阻抗谱法，获得系统复阻抗Z*的多个测量值，所述系统具有工作电极，所述工作电极包括用感测元件功能化的电极基材，所述感测元件对所述外加电位的电化学响应对所述电极所处环境的变化敏感，所述感测元件的尺寸为0.5nm至10nm；
(B)将Z*的所述多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C”的多个测量值；
(C)对所述选定频率ω处的(a)C'、(b)C"或(c)C'和C"的任意组合的测量值随着外加电压进行积分，得到积分测量值；以及
(D)根据所述积分测量值评估所述电极所处环境。
2.根据权利要求1所述的感测方法，其中，在步骤(A)中，所述通过在一系列外加电位下采用电化学阻抗谱法，获得复阻抗的多个测量值的步骤，包括在不同外加电位下获得复阻抗的至少五个测量值。
3.根据权利要求1或2所述的感测方法，其中，步骤(D)中的所述评估步骤是通过将所述积分测量值与一个或多个参考值进行比较来执行的，所述一个或多个参考值是在所述电极所处环境已知的条件下执行所述步骤(A)、(B)和(C)获得的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的感测方法，所述感测方法用于感测化学物质，其中：
-在步骤(A)中，所述工作电极与载体介质接触，所述载体介质可包括所述物质；
-所述感测元件对所述外加电位的电化学响应对所述物质的存在敏感；以及
-在步骤(D)中，所述评估步骤包括感测所述化学物质是否存在于所述载体介质中。
5.根据权利要求4所述的感测方法，其中：
-所述工作电极包括能够与所述物质结合的受体部分；以及
-所述感测元件对所述外加电位的电化学响应对所述物质与所述受体部分的结合敏感。
6.根据权利要求5所述的感测方法，其中，所述物质为靶物种，所述受体部分能够与所述靶物种进行特异性结合，并且其中，所述方法用于测定所述载体介质中所述靶物种的浓度。
7.根据权利要求6所述的感测方法，其中，所述靶物种选自：CRP蛋白、胰岛素、以及神经变性、癌症、心肌梗死、糖尿病和一般创伤中的一种或多种的标志物。
8.根据权利要求5所述的感测方法，其中，所述物质选自凝集素蛋白、糖酶以及糖类结合抗体，并且其中，所述受体部分为糖类部分。
9.根据权利要求8所述的感测方法，其中，所述工作电极是糖阵列的组成部分，所述糖阵列包括多个工作电极，每个工作电极用不同的糖类部分功能化。
10.根据权利要求5所述的感测方法，其中，所述物质为候选药物，并且其中，所述受体部分能够与参考药物结合。
11.根据权利要求10所述的感测方法，其中，所述工作电极是阵列的组成部分，所述阵列包括多个工作电极，每个工作电极用所述受体部分功能化，所述阵列适合用于同时筛选多个候选药物。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的感测方法，所述感测方法用于感测环境参数的变化，所述环境参数选自温度、光强和湿度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的感测方法，其中，所述感测元件包括氧化还原活性物种、分子膜、纳米粒子、石墨烯、碳纳米管或量子点中的一种或多种。
14.根据前述权利要求中任一项所述的感测方法，其中，所述工作电极未用氧化还原活性物种功能化。
15.根据权利要求5至14中任一项所述的感测方法，其中，能够与所述物质结合的所述受体部分包括抗体或抗体片段。
16.根据前述权利要求中任一项所述的感测方法，其中，所述感测元件包括石墨烯。
17.一种用于感测方法的装置，所述装置包括：
-电化学分光计，所述电化学分光计包括工作电极、反电极和恒电位仪，其中，所述工作电极包括用感测元件功能化的电极基材，所述感测元件对外加电位的电化学响应对所述电极所述环境的变化敏感，所述感测元件的尺寸为0.5nm至10nm；
-接收器，所述接收器设置为从所述电化学分光计接收输入数据，所述输入数据包括在一系列外加电位下获得的复阻抗Z*的多个测量值；以及
-处理器，所述处理器设置为(i)将Z*的所述多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C”的多个测量值，以及(ii)对所述选定频率ω处的(a)C'、(b)C”或(c)C'和C”的任意组合的测量值随着外加电压进行积分，得到积分测量值。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括输出单元，所述输出单元设置为输出由所述积分测量值生成的数据。
19.根据权利要求1至16中任一项所述的感测方法，或根据权利要求17或18所述的装置，其中，所述感测方法为量子电容感测方法。
20.一种存储介质，用于存储计算机可读代码，所述代码由计算机或计算机网络执行，并且当所述代码执行时，所述计算机或计算机网络执行以下步骤：
-通过电化学分光计获得输入数据，所述输入数据包括在一系列外加电位下获得的复阻抗Z*的多个测量值；
-将Z*的所述多个测量值转换为选定频率ω处的复电容实部C'和/或选定频率ω处的复电容虚部C"的多个测量值；以及
-对所述选定频率ω处的(a)C'、(b)C"或(c)C'和C"的任意组合的测量值随着外加电压进行积分，得到积分测量值。
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