CN109923406A - 具有用于分子氧化还原的改进的电子转移速率的电极布置 - Google Patents

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Abstract

经涂覆的电极，其包括电极、被配置成固定生物分子的涂层和被配置成改进电子转移速率的涂层。还提供了制造所述经涂覆的电极的方法。生物传感器，其包括多个电极，每个电极包括经涂覆的电极。

Description

具有用于分子氧化还原的改进的电子转移速率的电极布置
发明领域
本发明的方面涉及电极表面改性和用于将电极表面改性以优化电化学体系中，特别是具有固有慢电子转移动力学的体系中，例如使用醌作为氧化还原分子的体系中的电子转移动力学的方法。本发明的方面还涉及将这些改性应用于电极并同时保持所述电极所包含的其它表面改性的功能。
背景
电极组合物在电化学体系中，特别是在生物化学中，例如作为生物传感器是非常重要的。首先，电极材料应是彼此生物相容的，并且不应经由反应或催化而干扰所述体系中任何组分的标准行为。其次，电极的电位窗必须足够宽，以执行所需的电化学而不使该电极劣化。第三，电极应抵抗来自所述体系的不希望的改性，例如来自蛋白质、盐或不可逆地结合到表面上并减小活性表面积量的其它化学物类。第四，一些电化学测定需要这些化学物类与电极紧密连接。第五，在一些应用中，可能需要电极的某些光学性质（例如对某些波长的透明性或不透明性）。最后，目标电化学反应应理想地在排除与该体系的组分的非生产性和/或非故意副反应的电位下进行。
电子转移动力学也在电化学体系中起重要作用。快速电子转移动力学在电化学中非常有利，因为它们允许在氧化还原事件后的整个体系快速平衡（Bard等,Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons,96-115 (2001)）。对于伏安传感平台，电子转移动力学直接翻译为传感器的滞后时间，并且更快的动力学产生快速反映周围电化学环境的传感器。对于主动驱动氧化还原过程的电极，更快的动力学允许更小的活化过电位，这允许氧化还原在目标物类的标准电位（E°）附近发生。这可以有助于减少与该体系的其它组件的不希望的副反应。在这两种情况下，快速电子转移动力学有助于使电化学体系可预见地响应。
电极组合物可以影响电化学体系中的电子转移动力学，并且对于不经历有效电子转移的电化学物类尤其重要。在其中额外过程对于电子转移而言必需（例如质子交换、溶剂重组、键重排等）并基本上有助于其速率的此类体系中，能斯特方程不能有效地应用，并且使得建立在能斯特方程上的物理模型不准确。
醌是经历低效电子转移的此类电化学物类的实例。醌是最广泛研究的电化学活性分子类别之一（参见K. Thomas Finley, "Quinones," Kirk-Othmer Encyclopedia ofChemical Technology, 1-35 (2005)，其通过引用以其整体并入本文。还参见Chambers,J.Q., "Electrochemistry of Quinones," Chemistry of Quinoid Compounds, 1:737-91 (1974); Chambers, J.Q., "Electrochemistry of Quinones," Chemistry ofQuinoid Compounds, 2:719-57 (1988); Evans, D.H., Encyclopedia ofElectrochemistry of the Elements, 12: 1-259 (1978)）。醌是一大类有机氧化还原分子，其常用于广泛的电化学体系，包括生物、合成、工业、医药和基础学术应用，但经常对许多电极具有固有缓慢的电子转移速率。
两个广泛因素导致醌的这些缓慢电子转移速率。首先，醌进行双质子、双电子氧化还原反应。因此，它们的伏安行为取决于由质子转移引起的其它因素，包括扩散系数、温度、相关物类的pKa值、二价阴离子的稳定性以及可能的质子转移速率常数（参见Bae等, "Enhanced electrochemical reactions of 1,4-benzoquinone at nanoporouselectrodes," Phys. Chem. Chem. Phys., 15: 10645-53 (2013)）。结果，醌不符合标准能斯特行为，需要在大多数电极处的大过电位来引发氧化还原，因此限制了它们作为电位式传感器的效用。虽然醌分子的结构变化可以有助于调整这种固有速度，但这种变化也不可避免地对分子行为具有其它后果（包括偏移的标准电位（E°）、溶解度变化等），这些额外的后果经常是重大的且不能一概而论。
其次，在电子转移可发生之前，醌必须在物理上与电极相邻，因为醌经历准内球电子转移（Robin-Day分类系统中的M型）（参见Rosokha等, "Continuum of Outer- andInner-Sphere Mechanisms for Organic Electron Transfer. Steric Modulation ofthe Precursor Complex in Paramagnetic (Ion-Radical) Self-Exchanges," J. Am.Chem. Soc, 129(12):3683-97 (2007)）。因此，电极表面可以引入若干附加因素，其可能将所观察到的醌电子转移从其最佳速率减小。例如，在电极界面处的空间拥挤可以具有非常显著的影响（参见DuVall等, "Control of Catechol and Hydroquinone Electron-Transfer Kinetics on Native and Modified Glassy Carbon Electrodes," Anal.Chem., 71(20):4594-4602 (1999)）。同样，电极表面上的静电电荷可以吸引或排斥醌，从而对电子转移速率产生大影响（参见DuVall等, J. Am. Chem. Soc, 122(28):6759-64(2000)）。醌的扩散速率和影响它的变量（例如温度、粘度等）也会影响电子转移。另外，电极的总表面积是实现多少电子转移的重要决定因素。例如，一些电极，如氧化铟锡（ITO）电极是进一步不利的，因为它们的表面积的仅一部分是实际上电化学活性的。ITO电极的物理界面的绝大部分是不导电的，因为仅存在呈导电且允许发生反应的小热点（参见Marrikar等,"Modification of Indium-Tin Oxide Electrodes with Thiophene Copolymer ThinFilms: Optimizing Electron Transfer to Solution Probe Molecules," Langmuir,23(3): 1530-42 (2007)）。因此，氧化还原分子，例如醌仅在与电极上的热点之一接触时才发生反应，这导致甚至更低效的电子转移反应。
改进从电极到目标物类的电子转移的方法是已知的。电子生化传感器可以使用使目标分子氧化或还原的酶，然后电极通过（分别）还原或氧化该酶而使该酶“再生”，并且通过电极的总电流用于将存在的目标分子量进行量化。然而，该酶通常是与电极的差电子转移配对物，因此有机分子被用作介体或摆渡物（shuttle），以帮助转移电子。美国专利申请公开号2006/0113187公开了可以在溶液中使用钌、二茂铁或铁氰化物衍生物以增强电子转移。美国专利号4,879,243和7,544,438公开了醌衍生物可以实现这种功能，但是电子转移介体/增强剂溶解在分析溶液本身中，而不是局限在电极上。美国专利号7,384,749公开了可以将电子转移增强剂/部分（例如二茂铁）固定到目标分子上以进行核酸的位点选择性修饰。EP0187719公开了利用与电极表面结合的小分子（(吡啶基-亚甲基)肼硫代甲酰胺（PHMC））来增强电子转移到溶液中的物类，而不使用中间介体。有机层也可用于太阳能电池应用中以增强两种电极材料之间的导电性。
概述
以下阐述本发明的某些示例实施方案的概述。应当理解，介绍这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方案的简要概述，并且这些方面不旨在限制本发明的范围。实际上，本发明可以包括可能未在下面阐述的各种方面。
本发明的示例实施方案提供了具有改进从电极到目标物类的电子转移的对电极的改性或涂层但没有破坏电极上的任何其它改性或涂层的功能的生化体系。例如，电极可以在其表面上包含亲水性聚合物，例如聚乙二醇（PEG）的涂层。常规聚合物涂层通过其连接的反应性基团而从溶液中固定感兴趣的生物分子。根据本发明的示例实施方案，用于改进电子转移的涂层或改性不以破坏感兴趣的生物分子固定在聚合物涂层上的方式使聚合物涂层的反应性基团失活或以其它方式干扰它们。
Jackowska等, "New trends in the electrochemical sensing of dopamine,"Anal. Bioanal. Chem., 405:3753-71 (2013)以及Jackowska等所引用的出版物中已经描述了这种电极涂层用于测定生物样品中未知醌或醌衍生物，例如多巴胺的存在和/或量。
因此，本发明的实施方案提供电极表面的改性，从而优化以固有慢电子转移动力学为特征的电化学体系（例如涉及醌的那些）中的电子转移动力学，而不改变氧化还原分子本身的化学结构。本发明的示例实施方案将这些改性应用于电极而不破坏任何其它电极改性的功能。
本发明的示例实施方案提供了电极以及制造经改性的电极的方法，该电极具有改进的对于氧化还原分子的电子转移速率。在一个示例实施方案中，这些改性的电极用于对维持原始电极的某些光学性质和化学界面具有附加要求的生化平台。这样改性的电极可用于pH感测和/或pH调节的系统中以及如描述于美国专利申请系列号14/792,553、14/792,576、14/792,541、14/792,569和14/792,530（其在此通过引用以其整体并入本文）的生物传感器系统中。
根据本发明的示例实施方案，提供了包括一个或多个区域的生物传感器，其中每个区域被配置成控制其自身的局部pH水平，以使得每个区域可以具有不同的pH水平。根据一个示例实施方案，提供传感器的不同区域以用于检测在该区域的特定局部pH水平下一种或多种相应蛋白质的存在或特定浓度。在每个区域存在所述一种或多种相应蛋白质或存在不同蛋白质的组合或其特定浓度产生独特的特征或谱。例如，根据一个示例实施方案，通过检测多种pH水平下特定蛋白质的存在，获得该蛋白质如何响应宽范围pH水平的独特的谱或特征。当测量不同pH水平下包含多种蛋白质的样品的信号时，得到的数据集包含多个谱，但是可以从这一较大的数据集中以更高的保真度分离令人感兴趣的蛋白质的独特谱。
独特的特征或谱可以表示存在相应的状况，例如疾病。在一个示例实施方案中，生物传感器由此检测是否存在该状况并且包括用于输出信号，例如二进制信号的输出接口，这指示是否存在该状况。在传感器的不同区域操纵和控制pH水平的能力允许更好的传感器。
为了使传感器正确地检测一种或多种蛋白质的存在或浓度以获得特征或谱，在一个示例实施方案中，所述传感器在每个蛋白质感测区域中包括一个或多个电极以及用于建立每个相应区域的pH水平的醌。该醌可以连接在电极的表面上，或更优选地包含在与电极接触的溶液中，并且通过该溶液由于用该溶液的新鲜醌替代消耗的醌而可以维持（sustained）pH水平的变化。每个电极在特定电压或电流下充电，从而使醌活化（例如氧化或还原）以产生必要的反应（例如在醌和电极之间的电子转移）以建立局部pH水平。
醌具有固有电压，在该电压下它们被活化以允许发生电子转移。醌也经历双质子、双电子氧化还原反应。由于醌的这些独特性质，在一个示例实施方案中，生物传感器使用醌来感测pH水平以及调节电极处的pH水平两者，然后基于所感测的pH水平而重新调节pH水平。在一个示例实施方案中，在特定电流下将电荷施加到电极，并且通过测量在醌和电极之间发生电子转移时的所得电压而确定该电极处的局部pH。在另一个示例实施方案中，在特定电压下将电荷施加到电极，并且通过测量发生电子转移时的所得电流而确定该电极处的局部pH。
在使用封闭体系的示例实施方案中，单个电极用于通过使醌活化来感测pH水平并调节pH水平。在另一个示例实施方案中，一个电极或电极组用于感测pH水平且另一个电极或电极组用于调节pH水平。
当使醌在其固有电压或接近其固有电压下活化以允许转移电子时，使用醌调节和/或感测pH水平是最佳的。如果存在电子转移低效，例如存在较不导电的电极（如ITO电极），则对于使醌活化以允许电子转移而言所需的电荷可能大于醌的固有电压（即过电位）。过电位是有问题的，因为它是不可预见的。过电位还可能导致pH水平感测和调节的滞后，这使生物传感器较不可靠且较不准确。此外，过电位可能对生物传感器的其它材料如DNA产生负面影响，这也使生物传感器变得较不可靠和较不准确。
因此，根据本发明的示例实施方案，将涂层施加到电极，该涂层增加电极表面和醌之间的电子转移能力直至允许使醌在其固有电压下活化以调节和/或感测pH水平的程度。除了被配置成固定生物分子以检测生物分子的存在或特定浓度的另一涂层之外，施加所述涂层。用于增加电子转移能力的涂层以特定方式施加，以使得它不抑制被配置成固定生物分子的其它涂层的功能。关于这一点，在一个示例实施方案中，用于生物分子固定的涂层以具有空隙的稀疏方式施加，并且用于增加电子转移能力的涂层施加在那些空隙中，并且在一个示例实施方案中以小于所述被配置成固定生物分子的涂层厚度的厚度施加，从而允许该被配置成固定生物分子的涂层延伸到用于增加电子转移能力的涂层之外。该示例实施方案允许将用于增加电子转移能力的涂层施加到载片（其具有一个或多个电极），在该载片上已经具有用于生物分子固定的涂层。在另一个示例实施方案中，获得没有用于生物分子固定的涂层的载片（其具有一个或多个电极），将用于增加电子转移能力的涂层施加到该载片上，随后将用于生物分子固定的涂层施加到增加电子转移能力的涂层的顶部，以使得用于生物分子固定的涂层不受增加电子转移能力的涂层的阻碍。在任一实施方案中，如果需要，在将用于增加电子转移能力的涂层施加到载片上后，可以对该涂层进行图案化或蚀刻，以使得该涂层仅限于所述一个或多个电极。
根据示例实施方案，提供了经涂覆的电极，其包括：(a)电极；(b)被配置成固定生物分子的涂层；(c)被配置成改进电子转移速率的涂层。
在一些示例实施方案中，电极是ITO电极。
在一些示例实施方案中，经涂覆的电极被配置成使醌活化以调节或感测经涂覆的电极附近（local）的区域中的pH水平。
在一些示例实施方案中，被配置成固定生物分子的涂层包含聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物。
在一些示例实施方案中，被配置成固定生物分子的涂层在聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物的每个之间含有间隙。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层沉积在PEG-NHS聚合物的每个之间的间隙中，以使得两个涂层彼此散置。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于被配置成固定生物分子的涂层的厚度。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层包含一种或多种化学柄（handle），其中所述一种或多种化学柄被配置成将被配置成固定生物分子的涂层与被配置成改进电子转移速率的涂层结合。
在一些示例实施方案中，所述一种或多种化学柄选自羧酸盐/酯、胺和硫醇。
在一些实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
在一些示例实施方案中，导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
在一些示例实施方案中，无机导电材料包括纳米颗粒。
在一些示例实施方案中，无机导电材料选自金、铂和钯。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于100纳米。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。
根据示例实施方案，提供了包括多个电极的生物传感器，每个电极是经涂覆的电极，其包括：(a)电极；(b)被配置成固定生物分子的涂层；(c)被配置成改进电子转移速率的涂层。
根据示例实施方案，提供了将电极改性的方法，该方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；并(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上。
在一些示例实施方案中，被配置成固定生物分子的涂层包含PEG-NHS聚合物。
在一些示例实施方案中，电极是ITO电极。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
在一些示例实施方案中，导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
根据示例实施方案，提供了将电极改性的方法，该方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；(b) 使被配置成固定生物分子的涂层的一种或多种化学基团失活；(c) 将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到该电极上；(d) 使所述一种或多种化学基团重新活化。在一个示例性实施方案中，涂层的施加发生在失活之后和重新活化之前。
在一些示例实施方案中，所述一种或多种化学基团通过使用水解来失活。
在一些示例实施方案中，所述被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用电聚合来施加。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
在一些示例实施方案中，无机导电材料包括纳米颗粒。
在一些示例实施方案中，无机导电材料选自金、铂和钯。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用选自气相沉积、电镀、电沉积和溶液相沉积的技术来施加。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于100纳米。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上石墨烯制成。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用电沉积或共价结合来施加。
根据示例实施方案，提供了将电极改性的方法，该方法包括：(a)提供电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上；(c) 将一种或多种化学柄合并到被配置成改进电子转移速率的涂层上；并(d)将被配置成固定生物分子的涂层施加到所述电极上，其中所述一种或多种化学柄被配置成将所述被配置成固定生物分子的涂层与所述被配置成改进电子转移速率的涂层结合。
在一些示例实施方案中，被配置成固定生物分子的涂层包含PEG-NHS聚合物。
在一些示例实施方案中，电极是ITO电极。
在一些示例实施方案中，所述一种或多种化学柄选自羧酸盐/酯、胺和硫醇。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
在一些示例实施方案中，导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
在一些示例实施方案中，无机导电材料是铂或钯。
在一些示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。
根据示例实施方案，提供了方法，其包括：使经涂覆的电极与包含醌的溶液接触，其中经涂覆的电极包括(a)电极，(b)被配置成固定生物分子的涂层，和(c)被配置成改进电子转移速率的涂层；将电荷施加到所述经涂覆的电极上以使所述醌活化；测量所述经涂覆的电极附近的区域中的pH水平；并调节该pH水平。
当参考附图阅读某些示例性实施方案的以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所述附图中相同的字符在所有附图中表示相同的部分。
附图简述
图1说明了根据本发明的一个示例实施方案的经涂覆的电极。
图2说明了根据本发明的另一个示例实施方案的经涂覆的电极。
图3说明了根据本发明的一个示例实施方案的包括多个经涂覆的电极的生物传感器。
图4显示了具有与透明ITO电极连接的ASIC芯片的玻璃载片。
详细描述
本发明的示例实施方案提供了电极，其通过添加增大电极的导电表面积的不同材料而改性，以改进电极和氧化还原分子，特别是具有固有慢电子转移速率的氧化还原分子（例如醌）之间的电子转移速率。此类改性应用于电极，同时保持该电极的其它表面特征的功能，例如通过聚合物涂层固定生物分子。
图1显示了经涂覆的电极100，其包括电极102、被配置成固定生物分子的涂层104以及被配置成改进电子转移速率的涂层106。电极102可以包括在基底，例如载片上。电极102可以是适用于生物传感器中的任何电极，例如ITO、金或银电极。在一个优选的示例实施方案中，电极102是ITO电极。ITO是透明导体。与金或铂相反，ITO在保持透明的同时导电。透明度可能是重要的，特别是在使用光学技术的生物和生化平台中，并且能够透视载片的能力是必要的。经涂覆的电极100可以用于包含预定浓度和量的醌的溶液中。经涂覆的电极100可用于使醌活化以调节或感测经涂覆的电极100附近的区域中的pH水平。经涂覆的电极100可用作传感器或执行器或两者的一部分，以便感测和/或调整经涂覆的电极100附近的溶液的pH水平。在一个示例实施方案中，被配置成固定生物分子的涂层104包含亲水性聚合物108，例如PEG，其中聚合物108的每个用官能团110官能化以缀合生物分子。官能团110可包括例如NHS、马来酰亚胺、氟苯基、氨基甲酸酯、碳酸酯、环氧化物、醛和吖内酯（azlactone）。例如，于2016年5月31日提交的美国专利系列号15/169,008公开了用于缀合生物分子的吖内酯官能化的基底，该专利在此通过引用以其整体并入本文。
如图1所示，被配置成改进电子转移速率的涂层106可以由导电有机聚合物112，例如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基制成。这种有机导电聚合物112可以通过产生高密度3D导电表面来增加2D电极的工作区域。虽然这些有机导电聚合物的大多数会产生光谱特征，但薄层不会影响本体光学性质，例如透明度和反射率。
如图1所示，根据一个示例实施方案，被配置成固定生物分子的涂层104在官能化的亲水性聚合物108的每个之间包含间隙。被配置成改进电子转移速率的涂层106沉积在亲水性聚合物108的每个之间的间隙中，以使得涂层106和涂层104彼此散置。在该示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层106的厚度小于被配置成固定生物分子的涂层104的厚度。使涂层106散置在涂层104中和厚度的不同会确保每个涂层正确地起作用而不干扰其它涂层的功能。涂层106可以改进电子转移速率，同时允许涂层104缀合生物分子，因为官能团110保持可以被生物分子接近。
图2显示了经涂覆的电极200的另一示例实施方案，其类似于图1。经涂覆的电极200包括电极202、被配置成固定生物分子的涂层204以及被配置成改进电子转移速率的涂层206。被配置成固定生物分子的涂层204由通过用于缀合生物分子的官能团210官能化的亲水性聚合物208制成。被配置成改进电子转移速率的涂层206可由导电有机聚合物212制成。在图2中，被配置成改进电子转移速率的涂层206包含化学柄214，其被配置成将被配置成固定生物分子的涂层204与被配置成改进电子转移速率的涂层206结合。化学柄214可以是羧酸盐/酯、胺或硫醇。图2中所示的实施方案与图1中所示的实施方案的一个不同之处在于，在图2中，将涂层206在涂层204沉积之前沉积在电极202（其可以包括在另一个基底，例如载片上）上。在图1中，涂层106可以沉积在电极102（其也可以包括在另一个基底，例如载片上）上，其中电极102已经包含涂层104。
根据本发明的另一示例实施方案，被配置成改进电子转移速率的涂层106/206由无机导电材料，例如金、铂或钯制成。无机导电材料可以是纳米颗粒的形式。对于像ITO电极这样的稀疏导电表面，碳、铂、钯或金的薄（小于100nm）涂层可以将导电表面积从仅离散的热点显著增加到整个表面。
根据本发明的另一示例实施方案，被配置成改进电子转移速率的涂层106/206由石墨烯制成。即使简单的石墨烯单层也是高度导电的，并且它们可以有助于将如ITO电极那样的稀疏活性表面转换为完全导电的表面。石墨烯还有利地与如醌那样的有机氧化还原试剂相互作用，这有助于增大醌的转换率（即增大电子转移效率）。
图3显示了生物传感器300，其包括与基底316连接的多个电极318，其中每个电极302是类似于图1的经涂覆的电极100的经涂覆的电极，其具有被配置成固定生物分子的涂层304和被配置成改进电子转移速率的涂层306。被配置成固定生物分子的涂层304由通过用于缀合生物分子的官能团310官能化的亲水性聚合物308制成。被配置成改进电子转移速率的涂层306可以由导电有机聚合物312制成。图3显示了类似于图1的实施方案，其中被配置成固定生物分子的涂层304在官能化的亲水型聚合物308的每个之间包含间隙，并且被配置成改进电子转移速率的涂层306沉积在亲水性聚合物308的每个之间的间隙中，以使得涂层306和涂层304彼此散置并且以使得涂层306的厚度小于涂层304的厚度。
在另一个实施方案中，生物传感器包括与基底连接的多个电极，其中每个电极是类似于图2的经涂覆的电极的经涂覆的电极。在该实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层包含化学柄，该化学柄被配置成将被配置成固定生物分子的涂层与被配置成改进电子转移速率的涂层结合。在该实施方案中，在沉积被配置成固定生物分子的涂层之前沉积被配置成改进电子转移速率的涂层。
根据本发明的示例实施方案，一种方法包括将电极改性或将涂层施加到电极上，以便改进电极和氧化还原分子，特别是具有固有慢电子转移速率的氧化还原分子（例如醌）之间的电子转移速率。应用这样的改性或施加这样的涂层而不干扰电极表面上的现有化学界面，例如被配置成固定生物分子的现有聚合物涂层。或者，应用该改性或施加该涂层，以使得可在所述应用或施用后构建化学界面。在一个示例实施方案中，被配置成固定生物分子的现有聚合物涂层由亲水性聚合物例如PEG制成，并且每个聚合物通过用于缀合生物分子的官能团官能化，其中这种官能团包括NHS、马来酰亚胺、氟苯基、氨基甲酸酯、碳酸酯、环氧化物、醛或吖内酯。所述电极可以是适用于生物传感器的任何电极，例如ITO、金或银电极。在一个优选的示例实施方案中，电极是ITO电极。
根据一个示例实施方案，当施加被配置成改进电子传输速率且完全地或基本上由导电有机聚合物制成的涂层时，为了保持化学界面，将电极改性的方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；(b)然后使被配置成固定生物分子的涂层的一种或多种化学基团失活；(c)然后将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到该电极上；并(d)然后使所述一种或多种化学基团重新活化。该方法对于保持被设计用于将蛋白质或其它溶液组分与电极表面共价结合的化学界面而言特别有效。在该实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于被配置成固定生物分子的涂层的厚度。在一个示例实施方案中，使用水解进行所述一种或多种化学基团的失活。如果需要，可以使用已知的保护基团进一步减少化学基团的任何剩余反应性。
根据另一示例实施方案，当施加被配置成改进电子传输速率且完全地或基本上由导电有机聚合物制成的涂层时，为了保持化学界面，将电极改性的方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到该电极上，其中可以使用电聚合施加所述被配置成改进电子转移速率的涂层。该方法对于保持被设计用于减小对电极表面的非特异性吸附的化学界面而言特别有效。有机单体可以自由地扩散到被配置成固定生物分子的现有涂层中，并在将电荷施加到电极且所述单体在电极或聚合物表面附近经历氧化电位之后形成导电有机聚合物（即被配置成改进电子转移速率的涂层）。在该实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于被配置成固定生物分子的涂层的厚度。
在通过施加被配置成改进电子转移速率的涂层，即包含导电有机聚合物的涂层来将电极改性的所提供的这两种方法中，导电聚合物可以是聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚、聚亚苯基或它们的混合物。这些聚合物可以经由电聚合或经由其它标准聚合物合成技术而聚集。这些聚合物保持了电极的光学性质，例如透明度。
根据另一个示例实施方案，当施加完全地或基本上由导电有机聚合物制成的被配置成改进电子转移速率的涂层时，为了保持化学界面，将电极改性的方法包括：(a)提供电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上；(c)将一种或多种化学柄合并到被配置成改进电子转移速率的涂层上；并(d)将被配置成固定生物分子的涂层施加到所述电极上，其中所述一种或多种化学柄被配置成将所述被配置成固定生物分子的涂层与所述被配置成改进电子转移速率的涂层结合。该方法对于保持被设计用于减小对电极表面的非特异性吸附的化学界面而言特别有效。所述一种或多种化学柄可以是羧酸盐/酯、胺和硫醇。由于该化学柄，可以使用全部的聚合物合成技术库来施加被配置成固定生物分子的涂层。
在另一示例实施方案中，将电极改性的方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到该电极上，其中被配置成改进电子转移速率的涂层由无机导电材料，例如金、铂或钯制成，其可以是纳米颗粒的形式。所述涂层保持了电极的光学特性（例如透明度）。所述涂层可以是经由气相沉积、电镀、电沉积或溶液相沉积而施加的薄膜（小于100纳米）。该涂层也可以是纳米颗粒或粗糙纳米颗粒，例如金纳米颗粒的稀疏涂层，其经由电沉积进行沉积。当施加金纳米颗粒时，这些纳米颗粒可以从HAuCl4溶液直接电沉积在电极表面上，而不干扰任何现有的化学界面。金纳米颗粒可以经由电极诱导的氧化过程而进一步粗糙化，这有效地形成具有非常高表面积的3D界面（参见Bae等人, "Enhanced electrochemical reactionsof 1,4-benzoquinone at nanoporous electrodes," Physical Chemistry ChemicalPhysics, 15: 10645-53 (2013)）。虽然较高浓度的金纳米颗粒表现出可对电极增加光学伪像（artifacts）的等离子体激元（plasmonic）行为，但较低的浓度据称提供最小的破坏。
当施加铂或钯时，由于电极呈现顶部涂层材料的电子特性，同时在很大程度上保持了底层材料的光学特性（参见Zudans等人, "Electrochemical and opticalevaluation of noble metal-and carbon-ITO hybrid optically transparentelectrodes," Journal of Electroanalytical Chemistry, 565(2):311-20 (2004)），可以对表面化学进行调整以保持任何现有的化学界面，例如被配置成缀合生物分子的化学界面（例如PEG上的官能团）。因此，在另一示例实施方案中，将电极改性的方法包括：(a)提供电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上；(c)将一种或多种化学柄合并到被配置成改进电子转移速率的涂层上；并(d)将被配置成固定生物分子的涂层施加到所述电极上，其中所述一种或多种化学柄被配置成将被配置成固定生物分子的涂层与被配置成改进电子转移速率的涂层结合。在该示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由铂或钯制成。该涂层保持了电极的光学性质（例如透明度）。该涂层可以是经由气相沉积、电镀、电沉积或溶液相沉积而施加的薄膜（小于100纳米）。
在一个示例实施方案中，将电极改性的方法包括：(a)提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的第二涂层施加到已包含固定生物分子的涂层的电极上，其中被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。该石墨烯涂层可以使用从氧化石墨烯溶液经由还原电位的电沉积（参见Chen等人, "Direct electrodeposition of reduced graphene oxide onglassy carbon electrode and its electrochemical application,"Electrochemistry Communications, 13(2): 133-37 (2011)）或通过以其氧化形式经由标准偶联化学与电极表面直接共价结合来施加。石墨烯在很大程度上保持了电极的光学特性（例如透明度）。
还可以将石墨烯改性以保持化学界面，包括使用化学方式来打开可连接所需化学界面的官能或化学柄。因此，在另一示例实施方案中，将电极改性的方法包括：(a)提供电极；(b)将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上；(c)将一种或多种化学柄合并到被配置成改进电子转移速率的涂层上；并(d)将被配置成固定生物分子的涂层施加到所述电极上，其中所述一种或多种化学柄被配置成将被配置成固定生物分子的涂层与被配置成改进电子转移速率的涂层结合。在该示例实施方案中，被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。石墨烯涂层可以使用电沉积或通过直接共价结合来施加到电极上。
以上描述旨在是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以从前面的描述中理解到，本发明可以以各种形式实现，并且各种实施方案可以单独或组合实现。因此，虽然已经结合其特定实例描述了本发明的实施方案，但是本发明的实施方案和/或方法的真实范围不应受此限制，因为根据附图、说明书和以下权利要求的研究，其它修改对于技术从业人员而言将变得显而易见。

Claims (43)

1.经涂覆的电极，其包括：
(a) 电极；
(b) 被配置成固定生物分子的涂层；和
(c) 被配置成改进电子转移速率的涂层。
2.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述电极是氧化铟锡电极。
3.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述经涂覆的电极被配置成使醌活化以调节或感测经涂覆的电极附近的区域中的pH水平。
4.权利要求1的经涂覆的电极，其进一步包含醌，其中所述电极被配置成触发醌以调节或感测经涂覆的电极附近的区域中的pH水平。
5.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述被配置成固定生物分子的涂层包含聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物。
6.权利要求5的经涂覆的电极，其中所述被配置成固定生物分子的涂层在聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物的每个之间含有间隙。
7.权利要求6的经涂覆的电极，其中被配置成改进电子转移速率的涂层沉积在聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物的每个之间的间隙中，以使得两个涂层彼此散置。
8.权利要求7的经涂覆的电极，其中被配置成改进电子转移速率的涂层的厚度小于被配置成固定生物分子的涂层的厚度。
9.权利要求1的经涂覆的电极，其中被配置成改进电子转移速率的涂层包含一种或多种化学柄，并且其中所述一种或多种化学柄被配置成将被配置成固定生物分子的涂层与被配置成改进电子转移速率的涂层结合。
10.权利要求9的经涂覆的电极，其中所述一种或多种化学柄选自羧酸盐/酯、胺和硫醇。
11.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
12.权利要求11的经涂覆的电极，其中所述导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
13.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
14.权利要求13的经涂覆的电极，其中所述无机导电材料包括纳米颗粒。
15.权利要求13的经涂覆的电极，其中所述无机导电材料选自金、铂和钯。
16.权利要求13的经涂覆的电极，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层小于100纳米。
17.权利要求1的经涂覆的电极，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。
18.包括多个电极的生物传感器，其中每个电极包括经涂覆的电极，所述经涂覆的电极包括：
(a) 电极；
(b) 被配置成固定生物分子的涂层；和
(c) 被配置成改进电子转移速率的涂层。
19.将电极改性的方法，所述方法包括：
(a) 提供具有被配置成经由一种或多种化学基团固定生物分子的涂层的电极；并
(b) 将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上。
20.权利要求19的方法，其中所述被配置成固定生物分子的涂层包含聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物。
21.权利要求19的方法，其中所述电极是氧化铟锡电极。
22.权利要求19的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
23.权利要求22的方法，其中所述导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
24.权利要求22的方法，其进一步包括：
在施加所述被配置成改进电子转移速率的涂层之前，使所述被配置成固定生物分子的涂层的一种或多种化学基团失活；并
在施加所述被配置成改进电子转移速率的涂层之后，使所述一种或多种化学基团重新活化。
25.权利要求24的方法，其中所述一种或多种化学基团通过使用水解来失活。
26.权利要求22的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用电聚合来施加。
27.权利要求19的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
28.权利要求27的方法，其中所述无机导电材料包含纳米颗粒。
29.权利要求27的方法，其中所述无机导电材料选自金、铂和钯。
30.权利要求27的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用选自气相沉积、电镀、电沉积和溶液相沉积的技术来施加。
31.权利要求27的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层小于100纳米。
32.权利要求19的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。
33.权利要求32的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层通过使用电沉积或共价结合来施加。
34.将电极改性的方法，所述方法包括：
(a) 提供电极；
(b) 将被配置成改进电子转移速率的涂层施加到所述电极上；
(c) 将一种或多种化学柄合并到被配置成改进电子转移速率的涂层上；并
(d) 将被配置成固定生物分子的涂层施加到所述电极上，其中所述一种或多种化学柄被配置成将所述被配置成固定生物分子的涂层与所述被配置成改进电子转移速率的涂层结合。
35.权利要求34的方法，其中被配置成固定生物分子的涂层包含聚(乙二醇)琥珀酰亚胺基羧甲基酯（PEG-NHS）聚合物。
36.权利要求34的方法，其中所述电极是氧化铟锡电极。
37.权利要求34的方法，其中所述一种或多种化学柄选自羧酸盐/酯、胺和硫醇。
38.权利要求34的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由导电有机聚合物制成。
39.权利要求38的方法，其中所述导电有机聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吲哚和聚亚苯基。
40.权利要求38的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由无机导电材料制成。
41.权利要求40的方法，其中所述无机导电材料是铂或钯。
42.权利要求34的方法，其中所述被配置成改进电子转移速率的涂层完全地或基本上由石墨烯制成。
43.方法，其包括：
将经涂覆的电极与包含醌的溶液接触，其中经涂覆的电极包括(a)电极、(b)被配置成固定生物分子的涂层和(c)被配置成改进电子转移速率的涂层；
将电荷施加到所述经涂覆的电极上以使所述醌活化；
测量所述经涂覆的电极附近的区域中的pH水平；并
调节所述pH水平。
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