CN1671864A - 指示电化学过程的光信号 - Google Patents
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Abstract
在本发明的一个实施方式中，提出了一种检测分析物存在或含量的方法，包括：使含有该分析物的第一电解质溶液与双性电极的第一区域相关联，使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与双性电极的第二区域相关联，使第一电解质溶液与第二电解质溶液离子隔离，在第一和第二电解质溶液之间施加电势差，检测电化学发光体系发射的光，从而指示双性电极第一区域处分析物的存在或含量。
Description
发明领域
本发明一般涉及电化学领域，具体地涉及指示电化学过程的光信号。
发明背景
氧化还原分子是在施加适当电势偏压时能被电极还原或氧化的分子。氧化还原分子的还原或氧化反应被称为氧化还原反应。氧化还原反应发生于许多应用中，例如电池，燃料电池，医学诊断，和胶片冲洗等。氧化还原分子可以发挥许多作用。例如，氧化还原分子可以作为标签，此时使其与所关心的分析物结合，通过氧化还原反应对该氧化还原分子的检测，就表明所结合分析物的存在。在一些情况下，所关心的分析物可能本身具有氧化还原活性。这种标记方法或固有特性被用于医学诊断中，通过电化学方法检测DNA，蛋白质，抗体，抗原，和其他物质。
在用于色谱检测器的传统电化学传感器中，控制工作电极相对于参比电极的电势，并测量流过工作电极和惰性计数电极之间的法拉第电流。在这种方法中，通过工作电极处发生的反应提供整个体系的信息内容。
在另一种电化学检测方法中，使用电极来引发能借助电化学发光(ECL)发射光的氧化还原反应。Aurora和Manz在PCT申请WO 00/0323中报道了一种包括浮动反应电极的设备，能作为电化学发光装置。Massey等人在美国专利6316607中公开了传统ECL标签以及用来检测这些标签的方法，但是该方法的用途也是依赖于一个电极来提供完整的信息内容。De Rooij等人在美国专利6509195中公开了用来分析生物物质的电化学发光检测器，该方法中也使用了作为标记和ECL发射器的标签。
基于ECL的检测方法是对传统电流测定或电势测定电化学检测方法的改进，因为它们往往更灵敏感。其更好的灵敏度是因为有了超灵敏光子检测器，而且通过转换成光信号能消除氧化还原信号中存在的噪声。而心里检测电流的方法从本质上而言受所实施方法的限制。例如，氧化还原标签和ECL发射器通常是同一物质，因此无法分别独立地优化氧化还原传感和光发射过程。
发明概述
在本发明的一个实施方式中，提出了一种检测分析物存在或含量的方法，包括：使含有该分析物的第一电解质溶液接触双性电极的第一区域；使含有电化学发光体系的第二电解质溶液接触双性电极的第二区域；使第一电解质溶液与第二电解质溶液进行离子隔离；在第一和第二电解质溶液之间施加电势差，检测电化学体系所发射的光，从而指示双性电极第一区域处分析物的存在或含量。
在本发明的另一个实施方式中，提出了一种检测多种分析物存在或含量的方法，包括：使含有多种分析物的第一电解质溶液接触多个双性电极的第一区域，每个双性电极都与一种分析物-针对性结合试剂相关；使含有电化学发光体系的第二电解质溶液接触双性电极的第二区域；使第一和第二电解质溶液进行离子隔离；在第一和第二电解质溶液之间施加电势差，检测与双性电极各第二区域接触的电化学发光体系所发射的光，从而指示各个双性电极第一区域处各种分析物的存在或含量。
在本发明的另一个实施方式中，提出了一种检测分析物存在或含量的方法，包括：使含有分析物的第一电解质溶液接触第一容器，第一容器中包括第一电极和第二电极；使发光源与第二容器相连，第二容器中包括第三电极和第四电极；使第一和第三电极电偶合，在第二和第四电极之间施加电势差，检测从第二容器中的发光源所发射的光，从而指示第一容器中分析物的存在或含量。
在本发明的另一个实施方式中，提出了一种检测多种分析物存在或含量的方法，包括：使含有多种分析物的第一电解质溶液接触第一容器，第一容器中包括多个第一电极和一个第二电极，每个第一电极都与一种分析物-针对性结合试剂相关；使多个发光源与第二容器相连，第二容器中包括多个第三电极和一个第四电极；使多个第一和第三电极电偶合；在第二和第四电极之间施加电势差，并检测与对应的多个第三电极相连的多个发光源所发射的光，从而指示第一容器中各种分析物的存在或含量。
本发明的实施方式提供了若干技术优点。本发明的实施方式可能包括所有、一些优点，或不包括这些优点。在本发明的一个实施方式中，提出了一种检测电化学过程并以光子方式进行指示的方法。因为阳极和阴极过程是化学去偶合的，所以目标分析物不一定要直接参与ECL反应序列。这样能大大增加使用高灵敏度ECL方法能检测的分析物数量。阳极和阴极反应是电子偶合的，因此能使ECL强度与分析物浓度发生关联，从而对其进行定量。
本发明另一个实施方式表明，通过改变阳极和阴极的彼此相对形状，能够降低检测限。
除了使此传感器的传感作用和指示作用去偶合之外，该系统能与没有外部电触点的双性电极共同工作，这是本发明一些实施方式的优点。许多这样的双性电极可以排列在一个装置中，受到同一电场的作用而具有活性。这种方法能简化多重分析例如同时分析5，50或甚至50000种不同的分析物。的系统的结构。在另一个实施方式中，通过使用不同长度的多个双性电极，能组成电极阵列，用来检测其半反应具有不同表观电势的目标物。已经证明这种装置能通过测量ECL强度或者被照光电极的长度而起作用。
在本发明的任何实施方式中，都能通过使用在电极和测量ECL体系所发光的光电二极管之间提供必要电势偏压的小型电池使这种装置小型化。
本领域技术人员不难确定本发明的其他技术优点。
附图简要说明
参考附图进行以下说明，使用相同的图中数字表示相同的部件，其中：
图1A所示是本发明一个实施方式中用来检测分析物存在的系统正视示意图；
图1B所示是图1A系统的俯视示意图；
图1C所示是用来检测分析物存在的系统俯视示意图，其中使用了长度不同的双性电极；
图1D所示是用来检测分析物存在的系统俯视示意图，其中使用了双性电极阵列；
图2所示是本发明一个实施方式中用来检测分析物存在的系统俯视示意图，其中使用了两个隔开的电极；
图3所示是本发明一个实施方式中用来间接检测分析物存在的系统俯视示意图，其中使用了三个电极区域；
图4所示是本发明一个实施方式中用来检测分析物存在的方法流程图；
图5A所示是本发明一个实施方式中用来检测分析物存在的系统示意图，其中使用了隔离的样品室和信号室；
图5B所示是图5A中系统的示意图，其中所述室之间具有多个双性电极；
图6所示是图5A中系统的示意图，其中使用了分析物的氧化还原循环；
图7所示是图5A中系统的示意图，其中使用了产生ECL信号的湮灭反应；
图8所示是图5A中系统的示意图，其中的发光二极管产生光信号；
图9所示是用于检测分析物存在的系统截面图，该系统中包括样品室和信号室，其间具有双性电极；
图10所示是图9中系统的截面图，在样品室和信号室之间具有多个双性电极；
图11所示是用来检测分析物存在的系统截面图，该系统中包括一系列隔开的样品室和一个共同的信号室；
图12所示是用于检测分析物存在的系统示意图，该系统中包括一系列隔开的样品室和一个共同的信号室；
图13A所示是含有5毫摩尔/升Ru(bpy)3Cl2和25毫摩尔/升三丙胺的0.1摩尔/升磷酸盐缓冲液(pH6.9)的循环伏安图(曲线a)和含有1毫摩尔/升苄基紫精二氯化物的相同溶液的循环伏安图(曲线b)；
图13B所示是图13A中两种溶液在610纳米处的归一化ECL强度随双电极池中所施加电势偏压的变化图；
图14所示是本发明一个实施方式中ECL发射强度随双性电极的阳极和阴极区域相对面积的变化图；
图15A所示是电流与所施加电势偏移的关系图；
图15B所示是使用图5A中的系统所获得的光强与所施加电势偏移的关系图；
图16A所示是电流与所施加电势的关系图；
图16B所示是使用图8中的系统所获得的光强与所施加电势的关系图。
本发明优选实施方式
图1所示是本发明一个实施方式中基于电化学检测和电致化学发光(“ECL”)指示的微流体传感系统100的正视示意图。一般来说，系统100被用来检测目标分析物102的存在，具体方法是：用氧化还原试剂118标记目标分析物102，传感第一电极区域124处的电化学反应，通过与第二电极区域122相关联的ECL体系120对电化学反应的传感进行光指示。
在本发明一个实施方式的说明中，使与ECL体系120相连的指示反应(数字101所示)与由氧化还原试剂118促进的电化学传感反应(数字103所示)去偶合。下文进一步具体说明去偶合。因为系统100要求电荷平衡，所以本发明说明认为传感反应103和指示反应101是电偶合的。这样，就增加了能被高灵敏ECL体系120检测的目标分析物102的数量。另外，由于电偶合的原因，能使ECL体系120所发出光121的强度与目标分析物102的浓度相关，从而对其进行定量。系统100可以采用无线模式构建，如图1A，1B，1C和1D中所示，或者采用有线模式构建，如图2和3中所示。本发明的说明还可以采取其他模式，这里的模式仅是例子而已。
如图1A和1B中所示，系统100包括测试容器104，其中容纳有双性电极106和电解质溶液108。系统100中还包括电压源110和检测器114。
测试容器104可以是任何能容纳双性电极106和电解质溶液108的合适容器。容器104可以是任何适当尺寸的，通过任何适合制造方法采用合适材料形成。容器可以是具有任何适当尺寸的通道，微通道，腔室，阱，管子，毛细管和类似物。例如，容器104的长度，宽度，和深度可以是0.1微米到几厘米或更多。另外，容器104可以由任何适用材料形成，例如聚合物，弹性体，塑料，陶瓷，玻璃，石英，硅，和复合材料。虽然图1A和1B中只示出一个容器104，不过系统100中可以包括多个容器104。而且，每个容器中都可以包括一个或多个双性电极106，如图1C和1D中所示。
双性电极106是任何适当尺寸的电极，由任何适当材料形成，例如碳，导电浆液，导电聚合物，任何适用金属，导电氧化物，和半导体材料。可以采用任何适当方法形成双性电极106，例如用于半导体工业的传统平版印刷方法，溅射，蒸发，电子束沉积，丝网印刷，电镀或无电沉积，以及涂漆。还可以预先形成双性电极106，然后再安装进容器104中。双性电极106包括第一电极区域124和第二电极区域122。在所述实施方式中，第一电极区域124作为阴极，第二电极区域122作为阳极；但在其他实施方式中，第一电极区域124作为阳极，第二电极区域122作为阴极。双性电极106两个电极末端的面积可以各不相同，通过改变电极宽度，第一电极区域124可以小于或大于第二电极区域122。例如，双性电极106可以具有字母“T”的形状。使用更宽的第一电极区域124和更窄的第二电极区域122，如图1中所示，这样就能控制两个末端的相对电流密度，从而使信号集中于较小的面积，为氧化还原试剂118的反应提供较大的电极面积，增强ECL光信号。
电解质溶液108中可以含有任何溶解于水的适用电解质盐，有机溶剂，水相/有机溶剂溶液，离子传导聚合物，熔融盐，液氨，液态二氧化硫，和任何适用的超临界流体。可以采用任何适用方法将电解质溶液108引入容器104中。在一个实施方式中，电解质溶液108中含有用氧化还原试剂118标记的目标分析物102和ECL体系120。
目标分析物102是任何需要用系统100分析的分子。例如，目标分析物102可以是DNA，RNA，低聚核苷酸，蛋白质，肽，酶，抗体，抗原，糖，(寡)糖，脂类，类固醇，激素，有机小分子，神经传递质，药物，细胞，试剂，过程中间体，反应产物，副产物，过程流体组分，污染物，或其他适用物质。目标分析物102可以是电活性的，这时其本身含有氧化还原试剂118，或者是非电活性的，这时需要用氧化还原试剂118作标记。可以采用任何适用标记方法，例如直接或间接标记，共价标记，非共价标记，静电标记，就位标记，通过酶反应转化和通过化学反应转化的方法用氧化还原试剂118来标记目标分析物102。要在一次测量时检测多种分析物时，可能需要不同的氧化还原标签。
氧化还原试剂118是任何适用的氧化还原活性分子。氧化还原活性分子是很容易被氧化或被还原的分子。氧化还原分子的一个例子是苄基紫精(BV2+)，它很容易在两个连续的单电子过程中被两个电子还原。其他例子包括二茂铁，苯醌，吩噻嗪，紫精，卟啉，苯胺，噻吩，吡咯，过渡金属络合物，金属颗粒，聚苯乙烯球等其他能容纳多个氧化还原分子的颗粒以及类似物。能够在氧化还原反应中交换超过一个氧化还原当量(即一个电子)的氧化还原标签在本发明中起到放大信号的作用。以下进一步具体说明氧化还原试剂118的作用；但是通常，当与目标分析物102相关的氧化还原试剂118通过第一电极区域124附近时，会发生氧化还原反应，这会导致ECL体系120在第二电极区域122处发生相应的氧化还原反应，从而发射光121，被检测器114检测到。
ECL体系120可以是任何适用的电化学发光体系。ECL体系是一种化合物或一些化合物的混合物，能够通过氧化还原过程而发光。ECL体系的一个例子是与三烷胺混合的钌螯合物或锇螯合物。在本发明的一个特定实施方式中，ECL体系120包括钌三-联吡啶基化合物(“Ru(bpy)3 2+”)和三丙胺(“TPA”)。下文将一步具体说明的ECL体系120的作用是响应电化学反应，例如氧化还原发应，发射光121。光121被检测器114检测。因此，容器104上具有光学透明窗口112，使ECL体系120发射的光121被检测器114检测。窗口112可以是任何适用尺寸的，可以用任何适用材料和方法形成在容器104上。测试容器本身可以是由光学透明材料例如玻璃或合适的热塑性塑料制成的，使光121被检测器114检测。测试容器可以是阱或其他形状的，该容器具有一个向外的开口，光信号能直接通过这个开口到达检测器。
检测器114可以是任何能够检测从ECL体系120所发射光121的适用检测器。例如，检测器114可以包括视觉观察，光电倍增管，电荷偶合器件，例如CCD阵列，CMOS阵列，光电二极管和照相机。检测器114与窗口112相邻，能够检测光121。
电压源110可以是任何能在容器104的长度上施加适当电压的合适装置，能对电解质溶液108施加电场。在电极长度上对电解质溶液施加的电场如图1A-1D中ΔEfield所示。如果第一电极区域124和第二电极区域122处的电解质溶液108的电势差到达一个临界值，则双性电极106的两端会发生法拉第过程。临界电势(Ecrit)取决于许多因素，例如电解质溶液108中氧化还原试剂118的浓度，温度，两个半反应异相电子迁移率常数的数值，质量传递率，接界电势等因素。但是通常Ecrit大致等于第一电极区域124和第二电极区域122处所发生氧化还原过程的表观电势差。
当沿着双性电极106长度的电解质溶液108的电势差(ΔEelec)小于Ecrit时，容器104中双性电极106周围的电流由电解质溶液108中的电子产生。但是，当电势差ΔEelec大于Ecrit时，则从能量方面考虑，更倾向于在双性电极106两端(即第一电极区域124和第二电极区域122)发生法拉第过程，电流由双性电极106中的电子产生。这样，当氧化还原试剂118发生氧化还原反应时，则ECL体系120会发生相应的氧化还原反应，从而检测到所发射的光121。
在本发明的一个实施方式中，容器104中存在一个离子透过屏障116，提供了两个隔开的样品室。屏障116起到使与传感反应103相关的氧化还原试剂(即分析物)和与指示反应101相关的ECL体系隔离的作用，同时仍然允许离子偶合。可以使用任何适当的离子透过屏障，例如液-液接界，盐桥，电泳膜和可离子透过的溶胶凝胶屏障。屏障116还可以是连接隔开的室的狭窄开口。开口的一维尺寸与该容器的一维尺寸相同，开口的至少一维尺寸小于容器的相应尺寸。狭窄开口能防止传感反应103与指示反应101发生明显的混合。在使用屏障116的一个实施方式中，组成与传感反应相关的电解质溶液108的盐，缓冲剂和溶剂与指示反应101相关的电解质溶液的盐，缓冲剂和溶剂可以相同或不同。
图1C是系统100的俯视示意图，其中使用了不同长度的一些双性电极。图1C所示的实施方式中有长度不同的电极106a，106b和106c。在电极106a，106b和106c之间的电解质溶液108中所产生电场强度基本上正比于具体电极的长度。因此，各个不同长度的电极产生不同的ΔEelec。在所述实施方式中，能够根据不同双性电极106a，106b和106c所发射光的相对强度，区别混合物中具有不同氧化还原电势的氧化还原标签。例如，可以用只小于最长电极，即电极106c的ΔEelec的Ecrit来表征某个氧化还原标签118。在该实施方式中，ECL体系120被激活，在电极106c的第二电极区域122c而不是电极106a或106b处发光。但是，可以用小于两个较长电极，即电极106b和106c的ΔEelec的Ecrit来表征用于不同分析物的第二氧化还原标签118。在该实施方式中，ECL体系120被激活，分别在电极106b和106c的第二电极区域122b和122c而不是电极106a处发光。在构想的实施方式中，调节电极长度能区分多种氧化还原标签，使用多个电极所发射光的图案来确定混合物中分析物的存在。
图1D是系统100的俯视示意图，其中使用了双性电极106a，106b，106c和106d的阵列。图1D所示形成“阵列”的实施方式按照与图1A和1B中所示实施方式相似的方式工作，区别在于使用了多个电极。
可以使用这种电极阵列来检测同一样品中的多种目标分析物。在此实施方式中，使一个识别单元与各个双性电极的一个区域相关联，能够使该区域变成分析物-针对性的。识别单元选择性地响应感兴趣的多种分析物中的一种或者选择性地与其结合。该识别单元可以是离子选择性薄膜，或任何能选择性地结合另一个分子的分子，例如DNA，RNA，PNA和其他核酸类似物，抗体，抗原，受体，配体等，包括这些识别单元的组合。下面将结合图5A讨论信号的定域发生。
图1A和1B中所示的无线型实施方式工作的简单说明如下，假设容器104中已经制成具有双性电极106，窗口112和屏障116。首先用氧化还原试剂118标记目标分析物102，并与电解质溶液108混合。另外，将ECL体系120与电解质溶液108混合。如上所述，用于目标分析物102和相关氧化还原试剂118的电解质溶液108以及用于ECL体系120的电解质溶液108可以是相同或不同类型的。将含有目标分析物102和相关氧化还原试剂118的电解质溶液108引入容器104的室105b中，将含有ECL体系120的电解质溶液108引入容器104的室105a中。然后将检测器114固定在与窗口112相近的适当位置处。
然后利用电压源110在容器104的长度上施加电场。这就在第一电极区域124和第二电极区域122之间的电解质溶液108中形成了电势差，在室105a和105b之间形成通过化学屏障116的离子流。当电势差ΔEelec大于Ecrit时，如上所述，电流开始在双性电极106中从第二电极区域122流动到第一电极区域124。当可被氧化还原试剂118标记的目标分析物102，通过扩散或整体对流在第一电极区域124内移动时，会发生氧化还原反应。因此，如果第一电极区域124作为阴极，则氧化还原试剂被还原，如果第一电极区域作为阳极，则氧化还原试剂被氧化。假设第一电极区域124作为阴极，则氧化还原试剂118从双性电极106接受电子，由于系统100要求电荷平衡，所以ECL体系120向双性电极106释放电子。ECL体系120的氧化还原反应导致光121射出窗口112。然后检测器114检测到光121，即产生检测到目标分析物102的信号。光121的强度与第一电极区域124附近被检测到的氧化还原分子数目相关，从而能够确定目标分析物的量。
使指示反应101与传感反应103去偶合导致产生本发明的若干技术优点。其技术优点之一是，系统100为传感和指示过程使用了分开的反应。现有系统关注于在“工作”电极处发生的反应，忽略了在“反”电极处发生的反应。结果是，必须用单一反应同时提供传感和指示功能。与此不同，在本发明一个实施方式的说明中，关注于在一个电极区域(即反电极)处由ECL体系所发射的光，而电化学传感反应在另一个电极区域(即工作电极)处发生。这样就能更好地控制分析物的检测，还能减少和/或克服由于在传感反应中使用ECL反应而产生的问题，其中利用ECL氧化还原分子作为目标分析物的标签，即同时作为标签和指示物质。
现有系统还要求在同一个样品室中进行传感和指示过程。与此不同，在本发明一些实施方式的说明中，提供了分开的传感和指示过程，从而允许根据溶剂，电解质浓度，和组成以及其他组分，对每个氧化还原过程独立进行优化，从而使ECL体系的发光效率最大，同时保持恰当的pH，离子强度，以及传感反应必需的其他溶剂条件。图2和3所示是在两个分开的室中在分开的电极上发生传感和指示反应。
图2所示是有线型系统100的俯视示意图，其中使用了两个电极200a，200b。电极200a和200b可以是任何适用尺寸和形状的，由任何适用材料形成，参见对双性电极106材料的描述。电极200a和200b可以具有相似的形状和面积，如图2中所示，或者具有不同的电极面积，为的是如上所述加强ECL体系所发射的信号。一个电极的面积可以是另一个电极的2倍，10倍，100倍，甚至1000倍。可以按照装置制造，包装，尺寸要求，灵敏度等因素的需要，根据应用的要求，改变电极形状。图2中所示实施方式与图1A和1B中所示类似，区别在于用电极200a和200b代替了双性电极106。另外，电极200a和200b通过电压源202彼此电偶合，电压源202可以是电池或其他能在电极200a和200b之间施加电势差的其他适用电压源。如图2中所示，电极200a作为阳极，电极200b作为阴极；但是根据氧化还原试剂118和ECL体系120所用氧化还原分子的种类，电极200a也可以作为阴极，而电极200b作为阳极。
与图1A-1D中所示实施方式相似，传感反应103与一个电极区域相关联，而指示反应101与另一个电极区域相关联。但在图2所示的实施方式中，这两个电极区域是位于两个相邻室206a和206b中的分开的两个电极。两个室之间的狭窄开口208允许两个室为保持电荷平衡而发生离子偶合。开口208的尺寸是在两个室之间产生迁移的需要和保持各个室的溶液基本隔开的要求的折衷。优选狭窄开口时，开口208小于容器的至少一个尺寸。例如，开口208可能与两侧的室等高，但是开口208的宽度可能小于两个相连室的宽度。在另一个实施方式中(未示出)，室206a和206b之间还有一个离子透过屏障，其功能与无线型实施方式中的化学屏障116相同。
在本发明另一个实施方式中，样品在容品流过，两个室间有个屏障存在于两个电极上游，两个室间有个开口存在于电极的下游。在另一个有两股或多股样品流通过电极的实施方式中，两个室间屏障存在于电极的上游，这两股或多股流体经过电极之后合并。在另一个实施方式中，在电极上游或下游之间不存在物理屏障，从分开的几个入口进入主通道的几股流体在层流条件下发生合并，从而保持整体分开的状态。
本发明另一个实施方式中的电极和室具有其他形状，包括有多个传感室与单个指示室101相连。图2中所示实施方式的工作与图1A-1D中所示相同。区别是，电压源202在电极200a和200b之间施加电势差，而不是如上所述在容器上施加。
图3所示是有线型系统100的俯视示意图，其中使用了三个电极300a，300b，和300c。电极300a，300b和300c具有任何适用的尺寸和形状，由适用材料形成，可参见对双性电极106和电极200a与200b的描述。图3中所示实施方式与图1A和2中所示实施方式的区别是，目标分析物102的检测是反向检测。换言之，在图1A和2所示的实施方式中，发生电化学传感反应时，光121的强度增加，而图3的实施方式相反，当发生电化学传感反应时，光121的强度降低。以下具体说明。
在所述实施方式中，电极300a与ECL体系120样关联，电极300b与目标分析物102和氧化还原试剂118相关联，电极300c与牺牲氧化还原试剂302相关联。牺牲氧化还原试剂302包含容易被电极还原或氧化的氧化还原分子。电极300c处存在牺牲氧化还原试剂302，使ECL体系120在电极300a和300c之间存在足够电势差时，在电极300a处发生相应的氧化还原反应。这就导致发射的光121透过窗口112，被检测器114检测到，与上述内容相似。通过室间的狭窄开口308提供室之间的离子偶合。
以下说明用氧化还原试剂118进行标记的目标分析物102的检测。电极300a和300b是直接电偶合的，因此具有基本相同的电势。当目标分析物102和氧化还原试剂118通过电极300b附近时，氧化还原试剂118发生氧化还原反应，这是由于电极300b处于对此反应合适的电势。这样，由于电极300a和300b是直接偶合的，所以从电极300c流来的电流分流到电极300a和300b。与ECL体系120和氧化还原试剂118相关的氧化还原分子争夺电子。因此，当目标分析物102(可以标记有氧化还原试剂118)接触电极300b时，从ECL体系120发射的光121的强度降低，从而表示检测到了目标分析物102。本发明实施方式中还采用其他的电极和微通道结构。
图4所示是本发明一个实施方式中检测目标分析物102存在的方法流程图。该方法从步骤400开始，此时使第一电解质，例如含有目标分析物102的电解质溶液108与第一电极区域124相关联。在一个实施方式中，目标分析物102具有氧化还原试剂118标签。步骤402中，使第二电解质，例如含有ECL体系120的电解质溶液108与第二电极区域122相关联。如上所述，第一和第二电解质可以是相同或不同类型的。
步骤404中，使第一电极区域124和第二电极区域122电偶合。在图1A和1B所示的无线型实施方式中，这个电偶合就是双性电极106，而在图2和3所示的有线型实施方式中，这个电偶合是用一条电路和一个电压源来电偶合分开的电极。步骤406中，使第一和第二电解质离子偶合。如果使用相同的电解质溶液108，而且其间没有化学屏障时，第一和第二电解质就是离子偶合的。在存在化学屏障的实施方式中，用允许两个电解质发生离子偶，但是阻止电解质化学偶合的屏障来产生离子偶合。例如，该化学屏障可以是液-液接界，盐桥，电泳膜，或离子能透过的溶胶凝胶屏障。
步骤408中，在第一电极区域124和第二电极区域122之间施加电势差。在图1A和1B的无线型实施方式中，这是对接触电极的电解质溶液施加电场，或者在图2和3的有线型实施方式中，是在电极之间施加电压。当电势差大于Ecrit时，ECL体系120发射光121。相应地，步骤410中，在第二电极区域122处ECL体系120发射的光121，被检测器114检测到。光121的强度与第一电极区域124处的氧化还原分子数量相关。如图4中所示，方法到此结束。
图5A到8是另一些用来检测目标分析物102存在的系统500的各个示意图，其中样品室502和信号室504彼此隔离。系统500a，500b，500c和500d在功能上相似，因为被引入样品室502的目标分析物102的存在会导致发生氧化还原反应，使电流通过信号室504。信号室504包括能在电流通过信号室504时发光的发光源，该光信号被检测器114记录。系统500e是一种用于对多种目标分析物102的存在进行多重检测的系统。多种分析物分别与样品室502中的多个双性电极相关联，与每种分析物结合的氧化还原标签使电流通过信号室504。通过每个发光源发射的信号(光)与信号室内的双性电极相关。
参见图5A，系统500a说明以发光源作为ECL体系120。在此实施方式中，样品室502包括电极506和双性电极510的第一末端508。信号室504包括电极512和双性电极510的第二末端514。电极506，512与电压源110，例如是电池，电源，或其他能在样品室502中的电解质溶液516和信号室504中的电解质溶液518之间施加电势差的适用电压源相连。另外，与电压源110相连的电路520还能提供电压调节和电势波形发生。
系统500a中也可有个参比电极519。这时，可以在电路520中使用恒电位器，与恒电位器相连的电极506作为工作电极，相连的电极512作为反电极。以下进一步说明此实施方式的工作。
电极506，512可以是相同或不同材料制成的，如上所述。双性电极510可以通过将两个独立电极与导体连接(“短路”)而构成，或者构成为一整体的电极，它有暴露于样品室和信号室502，504中的第一和第二末端508，514。虽然系统500a的设计或制造方法可能优选采取上述两种中的一种，但是作为双性电极510的功能仍然是相同的。
信号室504中还包括光学透明窗口112，这样，信号室504中产生的光信号就能被检测器114所记录。在一特定实施方式中，检测器114位于信号室504内部。该实施方式中的光学窗口112与检测器114是一整体的。
疑有目标分析物102的样品溶液装在样品室502中。样品溶液中还含有能提供电化学过程必需的离子传导的电解质。而且，还含有与目标分析物102相关的氧化还原试剂118。含有ECL体系120的电解质溶液518装在信号室504中。
在系统500a的一个实施方式中，将目标分析物102，以及因而与目标分析物102相关的氧化还原试剂118与双性电极510的第一末端508相关联。目标分析物102的这个相关联或定域化能集中目标分析物102，从本体溶液或流动样品中螯合目标分析物102，或者从其他类似物质中分离出目标分析物102。通过分析物-针对性识别单元实现定域化。
分析物-针对性单元可以是任何能对其环境选择性响应的适用薄膜，例如离子选择性薄膜。分析物针对性单元还可以是任何能选择性结合其他分子的适用分子，例如DNA，RNA，或PNA低聚物，探测性物质，引发剂，抗体，抗原，受体，配体和类似物质。分析物针对性响应性或结合性单元是本领域众所周知的，常用于化学和生物化验中。
分析物针对性单元可以采用各种形式，不过主要在物理意义上接近双性电极。该单元可以被直接固定在电极界面上，或者被固定在与电极相邻的区域中，或位于这两个位置处。该单元还可以被固定在其他固态载体上，例如珠粒，微粒，纳米颗粒，凝胶，多孔聚合物和类似物，然后将其限制在电极界面附近。单元的结合可以是共价的，非共价的，静电的，范德华力的，物理吸着或化学吸着。其他固态载体的位置限制可以是物理或化学的。物理限制包括多孔屏障内的限制性珠粒，这样液体就能与室的其他区域进行交换，而珠粒无法通过开口。
然后，目标分析物102的定域化起到将与目标分析物相关的氧化还原试剂118定域于双性电极510的作用。如果目标分析物102本身是电活性的，或者如果目标分析物直接标记有氧化还原试剂，则通过与分析物的结合实现定域化。
可以用氧化还原活性分子，氧化还原聚合物，具有结合的氧化还原基团的聚合物，导电聚合物，氧化还原活性颗粒，氧化还原活性胶体和类似物实现对分析物的直接标记。氧化还原活性颗粒可以通过可被氧化金属的无电沉积而就地产生。例如，使用具有金颗粒标记的分析物，使颗粒暴露于银离子溶液中，在金颗粒上形成银金属。所沉积的银，很容易被氧化，在分析中作为氧化还原试剂118。
还可以用能改变物质氧化还原活性的酶或催化剂来标记目标分析物102，而具有新氧化还原活性的分子就是本发明方法中与目标分析物102相关的氧化还原试剂118。后一种情况是间接标记的一个例子。由直接标记目标分析物的酶或催化剂产生的氧化还原试剂118本身不与目标分析物结合。但是，氧化还原试剂118的存在与目标分析物102的存在相关。
在直接或间接标记方法中，可以通过共价键或能与目标分析物102发生特定结合作用的试剂，使目标分析物102结合于直接标签或酶或催化剂。结合试剂的选择取决于目标分析物102的本性。例如，对于核酸目标，结合试剂可以是核酸或相关衍生物(RNA，DNA，PNA等)，对于抗原或抗体，结合试剂可以是针对该抗原或抗体的抗体。这种方法采用了许多常常被称为夹层化验的特征。
在所述实施方式中，信号室504中双性电极510阳极末端处的氧化作用使ECL体系120激活，与目标分析物102相关的氧化还原试剂118在样品室502中双性电极510的阴极末端被还原。当系统500a中不包括参比电极519时，该实施方式也可以在对应室中另一个电极处发生反应；即，分析物反应可以在电极506处发生，或者ECL体系反应可以在电极512处发生。反应方式取决于ECL体系120的选择和氧化还原试剂118的选择，这两方面都取决于各种因素，例如试剂可用性，成本，灵敏度，操作简易性和稳定性。
系统500a还取决于在室502，504中电极506，512处发生的氧化还原反应。其中，电极506是阳极，电极512是阴极。氧化还原物质可以是溶液中的任何分子，例如溶剂，电解质，或另一种加入电解质溶液中的具有明确氧化还原活性的分子，或者位于电极表面的固态组合物。例如，电极表面上可以涂覆有银/氯化银组合物，能为电路提供氧化还原相当物同时保持稳定的电势。
在一个实施方式中，系统500a按照以下方式工作。疑有目标分析物102的电解质溶液516装在样品室502中，含有ECL体系120的电解质溶液518装在信号室504中。提供与目标分析物102相关的氧化还原试剂118。电压源110在电极506和512之间提供电势差。其效果是在电解质溶液516和518之间产生电势差。当双性电极510两个界面处溶液之间的电势差增大到大约与氧化还原试剂118和ECL体系120之间的氧化还原电势差匹配时，法拉第电流会流过该双性电极，从而激活ECL体系120。信号室504上具有光学窗口112，使ECL体系120发射的光信号能被检测器114记录。
参见图5B中所示的系统500e，特别注意其与系统500a的区别进行描述。在所示实施方式中，样品室502中包括电极506和多个双性电极510a-d的第一末端508a-d。双性电极的数目至少是2，可以多达几千。信号室504中包括电极512和多个双性电极510a-d的第二末端514a-d。
分析物针对性识别单元与每个第一末端508a-d相连。疑有多种目标分析物102a-d的样品溶液装在样品室502中，提供与每种目标分析物相关的氧化还原试剂118。氧化还原试剂可能都是相同的，因为每个信号相关的双性电极的类别能够使信号与分析物发生联系。
ECL体系120位于信号室504中，并与双性电极510a-d的每个第二末端514a-d相关联。根据相应双性电极的位置，记录并联系在每个双性电极处发射的光信号，能够确定样品室中每种分析物的存在或量。在此实施方式中，优选使用能同时记录所有信号的像素检测器，不过如果只有少量双性电极，则可以使检测器对信号室进行扫描，顺序记录信号。
参见图6，样品室502的结构能支持与目标分析物102相关的氧化还原试剂118发生氧化还原再循环。氧化还原试剂118可以采用上述任何形式，附加条件是，它是化学和动力学可逆的物质。氧化还原再循环是经过充分研究的一种现象，其中，可逆氧化还原试剂在两个紧邻电极之间移动，一个电极相对氧化还原试剂保持还原电势，另一个相对氧化还原试剂保持氧化电势。在所述实施方式中，氧化还原试剂118与电极506发生电子迁移反应之后，扩散至电极508，发生相反的电子迁移反应，使氧化还原试剂118恢复其原始状态。该循环可以重复。随着电极506和508之间距离的缩小，氧化还原试剂118的转换时间也缩短，通过样品室502的净电流增加。当电极506和508之间的特征距离接近到大约15微米时，电流开始有明显增加。当距离缩小到大约5微米时，增加幅度至少是5倍。电流的增加有助于增强ECL体系120所产生的信号，例如增加强度和提高灵敏度。
在一个实施方式中，如图6中所示，电极506和508以面平行方式排列，电极界面之间具有狭窄缝隙。在另一个实施方式中，电极506和508被整合成距离接近，共平面的电极。为了使氧化还原循环产生的放大效果最大化，应该将两个电极排列成相交的形状，从而使这两个电极附近的面积最大。
图7所示是类似于上述系统500a和500b的系统500c，但在信号室504中具有另一种形式的ECL体系120。通过所谓“湮灭”反应产生电化学发光信号，其标志数字是530。在这种反应中，发光分子的氧化态和还原态是分别产生的。它们接触时，发生如下反应：一个电子从被还原分子迁移到被氧化分子，产生两种中性物质，其中的一种具有电激活状态。激活态的分子回到基态，根据发光分子的光物理性质，以一定效率发射光子。ECL体系可以是基于溶液的，包含溶剂，电解质盐和氧化还原活性生光团，例如钌三(联吡啶)，二苯基蒽，和红荧烯。ECL体系中还可以有离子传导聚合物和散布有生光团的电解质的薄膜，例如导电聚合物，例如聚(对-亚苯基)或聚(对-亚苯基亚乙烯基)，或氧化还原聚合物，例如基于钌配合物的聚合物。
图8所示是系统500d，其中，位于信号室504中的发光源是固态单元532。以相反取向提供了两个整流发射器，产生每个方向的电子流。例如，发光二极管(“LED”)和激光二极管可以在系统500d中发挥作用，使样品室502中产生的氧化还原信号完全转换成信号室504中产生的光信号。由与目标分析物102相关的氧化还原试剂118通过的电流被这些LED和激光二极管等单元转换成发射的光，然后被检测器114记录。
LED的基本结构中包括被夹在两个电极(阴极和阳极)之间的至少两个层的层叠。对于商用标准型半导体LED，层叠中包括n-掺杂半导体和p-掺杂半导体。对于近来开发的有机半导体，层叠中包括电子传输层，空穴传输层，发射层，通常有个电子传输层。对电极施加合适电压时，与可流动的电流大小有关，电子和空穴相遇并分别在n-p接点或在发射层中再次结合，结果发射出光。有机和半导体LED可能发出可见光或红外光。因此，可以根据光发射器要求的对合适波长范围的灵敏度选择检测器114。
图9到12所示是用来检测目标分析物102存在的另一种系统900的示意图。
图9所示是用来检测目标分析物102存在的系统900a的截面图，其中包括样品室502和信号室504之间的双性电极902。在所述实施方式中，样品室502和信号室504在机壳904中垂直排列。样品室502位于机壳904的上部，信号室504位于其下部。屏障906位于样品室502和信号室504之间，起到物理分隔这两个室的作用。在一些实施方式中，屏障906使室实现离子隔离，在其他实施方式中，屏障906在两个室之间提供迁移。
在一个实施方式中，双性电极902具有一个暴露于样品室502的区域，和一个暴露于信号室504的相背区域。双性电极902每个区域的面积可以是基本相同的，或者具有不同的面积，从而能在各个区域中控制电流密度。
样品室502包括电极908，信号室504包括电极910。这些电极都被连接至外部电压源110(未示出)。通过控制电极908和910之间的电势差，就能控制在双性电极902上形成的电势差。电极908可以是任何适合的导体，可以采取任何适用形状，例如盘状，针状，管状，环状等，挂在一个盖式门上，有一个导体固定在样品室502的壁上。电极910可以是类似形状的，还要考虑到电极910的物理位置，使光信号能不受阻挡地从发光源传播通过光学窗口112到达检测器114。
图10所示是系统900b的截面图。系统900b的大致结构与图9中系统900a相似；但是系统900b中包括多个双性电极912a，912b和912c。虽然只对三个双性电极进行了举例，但是本发明还可以采用任何适当数目的双性电极。在一个实施方式中，用双性电极912a，912b和912c检测单个目标分析物，例如目标分析物102。
在另一个实施方式中，使用双性电极912a，912b和912c检测同一样品中的多种目标分析物。双性电极的数目可以少至2，多达25，或甚至多达几百或几千。其排列方式取决于双性电极的数目和其他因素，例如制造方法，要求的用途和类似因素，但是一般包括沿着通道线形排列或者位于室中的有序二维排列。多种分析物中的一种可以作为内部对照。在此实施方式中，与样品室502相连的每个双性电极区域分别与不同的分析物针对性识别单元相关。每个单元都起到使所关心的一种目标分析物定域化的作用，从而使氧化还原试剂与每个双性电极发生联系，如上所述。
图11中所示是具有多个样品室的系统900c的截面图。可以采用任何适合数目的样品室。系统900c还可以被用于批次样品分析。在有些情况下，在系统900c中分析从相同或不同来源的多种样品是有好处的。例如，可以对不同来源的多种样品进行检测，检测同一目标分析物的存在或含量。或者对同一来源的多个样品进行测试，独立检测同一目标分析物(例如重复检测)或者不同组的目标分析物。本发明的范围中还包括每个样品室502中具有多个双性电极(与图10类似)的系统900c。具有多个样品室的系统还能对标准，对正的和负的对照样品同时进行测试。
图中所示的系统900c下部的信号室504是个单一，共用，流体连接的室。信号室504中每个双性电极902所产生的信号通过扩散被定域于电极处。检测器114可以是一个阵列式光电检测器，例如照相机，CCD阵列，光电二极管阵列，CMOS阵列，或其他适用的检测器。检测器114还可以是个单器件检测器，例如光电倍增管或光电二极管，能相对每个双性电极位置移动，从而读取每个位置处产生的信号。根据要读取的双性电极902的数目，系统900c的成本，要求的读取时间，灵敏度和其他关于系统900c性能的适当因素，可以随意进行选择。
信号室504中还可以包括分别对应于每个样品室的多个独立信号室。例如，这种系统中可以排列着包括样品室，信号室504，样品室电极，双性电极和信号室电极的多个单元，如图9和10中所示。
图12所示的是系统900d。系统900d与图11的系统900c类似；但是，系统900d包括多个分别连接于同一个信号室504的样品室。这种系统被优选用于在不同时间点分析多种样品。在所示实施方式中，可以使用与检测器114具有固定物理关系的单个信号室504，用来分析位于多个样品室中的不同样品。因为每个样品是在分开的样品室中进行分析的，所以就避免了样品的交叉污染。
系统900d包括具有开关922的电路920，能在双性电极的第一末端924a，924b和924c与第二末端926之间，以及样品室电极928a，928b和928c与信号室电极930之间形成不同的适当连接。
在图9到12所示的任何实施方式中，含有ECL体系120的电解质溶液都可以被图5到8中讨论的发光源替代。
实施例
1.通过光转换检测电化学过程。
为了证明本发明一个实施方式中传感反应和指示反应的化学偶合，在偶合以下两个不同阴极过程时，对阳极处由Ru(bpy)3 2+和三丙胺的ECL体系出发的信号强度进行比较：
等式(1)表示质子还原，当实验条件下表观电势比等式(2)的反应更负时，发生等式(1)的反应，苄基紫精被还原成激活阳离子。
按照与图2中所示相似的方法进行试验，其中，两个电极区域是分开的电极(例如，图2中的200a和200b)，电极之间的电压源(202)提供电势差。采用标准的照相平版印刷方法形成图案，蚀刻并除去光刻胶，在玻璃基片上制成氧化铟锡(“ITO”)电极。电极宽50微米，其长度足以横跨室的宽度(参见下文)，并具有从模板凸出的一些连接块。将聚(二甲基硅氧烷)模板(“PDMS”)连接在印刷有图案的ITO/玻璃基片上形成一个室，该模板具有1.2厘米长，750微米宽和30微米深的凹陷。凹陷两端的孔延伸透过PDMS层，作为液体储槽和将电解质溶液引入室中的装置。将电源(Hewlett-Packard，E3620A型)连接至连接块，用来控制电极之间的电势偏移。
在第一个实验中，在室中装入含有5毫摩尔/升Ru(bpy)3Cl2(bpy＝2，2′-联吡啶)和25毫摩尔/升三丙胺的0.1摩尔/升pH6.9磷盐冲液的电解质溶液。在该溶液中，如图13A中伏安图“a”所示，在相对于Ag/AgCl参比电极大约-1.08伏，观察到第一还原过程即质子还原反应(1)。在相对于Ag/AgCl0.8伏时，观察到第一氧化过程即Ru(bpy)3 2+和三丙胺ECL体系的氧化反应。
在双电极实验(图13B)中，加大两个电极之间的电势差增大，当偏压达到约1.8伏时，观察到开始发光。该偏压与溶液的阳极和阴极反应之间的1.88伏窗口密切相关。
在第二个实验中，采用与第一个实验中相同的溶液，制备时添加了5毫摩尔/升的苄基紫精二氯化物(BV2+)溶液。同样，ECL体系发生第一氧化过程，但是对于该溶液，在相对Ag/AgCl大约-0.52伏的条件下，观察到第一还原过程，即紫精的还原，如图13A中伏安图“b”所示。所以，存在BV2+时，阴极和阳极过程发生的电压差从1.80伏减小到大约1.38伏。
在双电极实验中向室中引入BV2+时，很容易在ΔEelec＝1.4伏(图13B)时观察到ECL现象，而在不含BV2+的溶液中，在该电势偏压条件下无法观察到ECL信号。在1.4伏偏压条件下产生的信号与溶液的阳极和阴极反应之间的1.38伏窗口密切相关。
如上所述，双性或双电极结构中在阳极和阴极处发生的电化学反应是电相关的，而不是化学相关的。在阳极处消耗的电子数量和阴极处产生的电子数量之间存在一对一的对应关系。本实施方式表明，阳极处的ECL强度反映或指示了在双电极电池的阴极处电化学反应的发生。这一点证明了该传感器传感和指示功能之间的关系，这样就能根据其氧化还原电势区分两种氧化还原活性不同的分析物。
2.信号强度与相对电极面积的关系
能在更大程度上反映分析物(例如在阴极)的实验条件能加强ECL强度(例如在阳极)。因此，在其他相同条件下，增大阴极面积导致更强的ECL。为了证明这一点，采用与图1A和1B中所示类似的实施方式，测量ECL强度与阴极阳极相对面积的关系，其中的两个电极区域(122，124)是双性电极(106)的相对末端，电极上的电势场使溶液中靠近每个电极末端处产生电势差。
采用三种不同的双性电极形状，测试ECL发射强度与阳极阴极区域相对面积的关系。在第一种情况下，电极形状是“T”形的，其的顶部(200微米×100微米)作为阴极，窄的底部(50微米宽)作为阳极。在第二种情况下，电极形状是具有不变宽度(50微米)的带状电极，阴极和阳极面积相同。在第三种情况下，电极形状也是“T”形的(尺寸与上文相同)，但是以宽的顶部作为阳极，以窄的底部作为阴极。在这三种情况下，电极都长500微米。电场是沿着其长轴方向施加的。
使含有5毫摩尔/升Ru(bpy)3Cl2和25毫摩尔/升三丙胺的0.1摩尔/升pH6.9磷酸盐缓冲液接触每个电极，沿着每个电极长度施加1.88伏电场时，记录ECL发射谱。结果如图14中所示。当阴极面积相对于阳极大时，观察到最高的ECL强度。
发射曲线“1”和“2”之间的区别表明，即使所有试剂的浓度都相同，通过增加指示电极区域的电流，这种情况下是对电极区域面积进行设计，就能增强ECL信号。
3.具有隔离样品室和信号室的系统中的氧化还原传感和ECL基的光指示。
在此实施例中，信号室和样品室是两个分开的模块，因此是离子隔离的。室的结构如图5A系统500a中所示，但是没有参比电极519。信号室中装有一个1毫米直径玻璃碳电极(514)和一个卷曲的Ag/AgCl丝状电极(512)。室中装有含0.1摩尔/升磷酸盐缓冲液(pH7.5)，10毫摩尔/升氯化钠，和10毫摩尔/升三丙胺(TPA)与0.1毫摩尔/升Ru(bpy)3Cl2(bpy＝2，2′-联吡啶)ECL体系的电解质溶液(518)。样品室中装有一个1毫米直径玻璃碳电极(508)和一个卷曲的Ag/AgCl丝状电极(506)，其中装有含0.1摩尔/升NaCl，还含5.0毫摩尔/升K3Fe(CN)6的电解质溶液，作为具有本征氧化还原活性的模型分析物。在两个玻璃碳电极之间用铜线彼此电连接(“短路”)，两个Ag/AgCl电极被连接到程控电势波形发生器(计算机控制的恒电位器，具有被跳接在一起的记数引线和参比引线：CHI660A型，CH Instruments，Austin，TX)。用光电倍增管(PMT；MP963型，Perkin Elmer，Santa Clara，CA)测量并记录从信号室中的玻璃碳电极区域发射的光。
图15A所示是用上述系统线性扫描两个Ag/AgCl电极之间施加的电势偏移而获得的循环伏安图(CV)。图15B所示是记录图15A中CV时，观察到的光子发射与电势偏移线性扫描之间的关系。图15A和15B一起表明，每个室中的电化学偶合过程一起产生了分析物针对性光信号。
使用隔离的样品室和信号室的检测系统可具有两个重要实用优点。首先，信号室与光子检测设备都能被独立优化，能很容易地与发生分析物识别过程的样品室单元形成接口。其次，发光源阵列可以与氧化还原反应排列偶合，而不需要每个排列单元用的独立控制线路。使用LED作为发光源时，如以下实施方式中所述，也适合于将信号发生和光学成像结合起来，使得能同时和连续地监控与每种分析物相关的氧化还原反应。
4.具有隔离的样品室和信号室的系统中的氧化还原传感和LED基的光指示。
在此实施例中，用LED发光源代替以上实施例中的ECL体系。系统结构基于图8的系统500d。样品室中包括一个15微米直径玻璃碳电极(506)，一个铂电极(508)，一个Ag/AgCl参比电极(519)，样品室中装有0.1摩尔/升NaCl，还含有作为模型目标分析物的20毫摩尔/升K3Fe(CN)6的电解质溶液。两个发光二极管(SSL-LX5093SRC/E，DigiKey，Thief River Falls，MN)平行连接，在电极接点512和514之间相反取向。恒电位电路连接到作为工作电极的玻璃碳电极506，作为参比电极的Ag/AgCl电极519，和作为反电极的接头512。
图16A所示是系统的循环伏安图，降低曲线表示铁氰化钾分析物的存在。图16B所示是在图16A中CV同时测得的LED发射强度(当阴极电流通过样品室中电极506时通过电流的LED)。由LED发光源产生的信号表明样品室中氧化还原试剂分析物的存在。
虽然具体说明了本发明的一些实施方式和实施例，但是仍然能在不超出本发明由权利要求所限定的原理和范围情况下，作处各种变化，代替和改进。
Claims (106)
1.一种检测分析物存在或含量的方法，包括：
使含有分析物的第一电解质溶液与第一电极区域相关联；
使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与第二电极区域相关联；
使第一和第二电极区域电偶合；
使第一和第二电解质溶液离子偶合；
在第一和第二电极区域之间施加电势差；
检测在第二电极区域处由电化学发光体系发射的光，从而指示第一电极区域处分析物的存在。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第一和第二电极区域与电极的两个相背末端相关联，对第一和第二电极区域之间施加电势差是沿着电极长度在电解质溶液中产生电场。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于第一电极区域包括第一电极，第二电极区域包括第二电极，使第一和第二电极区域电偶合包括在第一和第二电极之间装设一个电压源。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于进一步包括在分开的样品室中装设第一和第二电极。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于使第一和第二电解质离子偶合是在分开的样品室之间提供离子透过屏障，该离子透过屏障选自狭窄开口，液-液接界，盐桥，电泳膜和离子能透过的溶胶凝胶屏障。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于分析物是个电活性分析物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括用氧化还原试剂标记分析物。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物共价键合。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物非共价键合。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物静电结合。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于氧化还原试剂提供超过一个氧化还原当量。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于氧化还原试剂选自氧化还原聚合物，氧化还原树枝状聚合物，导电聚合物，和金属胶体。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于电化学发光体系是钌螯合物或锇螯合物和胺。
14.一种检测分析物存在或含量的方法，包括：
使含有分析物的第一电解质溶液与第一电极区域相关联；
使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与第二电极区域相关联；
使含有牺牲氧化还原试剂的第三电解质溶液与第三电极区域相关联；
使第一，第二和第三电极区域电偶合，使得第一和第二电极区域之间基本没有电势差；
使第一，第二和第三电解质溶液离子偶合；
使第一和第二电极区域与第三电极区域之间形成电势差；
检测在第二电极区域处由电化学发光体系发射的光，从而指示第一电极区域处分析物的存在。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于进一步包括在隔离的样品室中设置第一，第二和第三电极区域。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于使第一，第二和第三电解质溶液离子偶合是在分开的样品室之间提供各自的离子透过屏障，各自的屏障选自狭窄开口，液-液接界，盐桥，电泳膜和离子可透过的溶胶凝胶屏障。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于分析物是电活性分析物。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于进一步包括用氧化还原试剂标记分析物。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物共价键合。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物非共价键合。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物静电结合。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于氧化还原试剂提供超过一个氧化还原当量。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于氧化还原试剂选自氧化还原聚合物，氧化还原树枝状聚合物，导电聚合物和金属胶体。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于电化学发光体系统是钌螯合物或锇螯合物和胺。
25.一种检测分析物存在或含量的系统，包括：
容器；
位于容器内的电极，该电极具有第一电极区域和第二电极区域；
位于通道内的与第一电极区域相关联的含有分析物的第一电解质溶液；
位于通道内的与第二电极区域相关联的含有电化学发光体系的第二电解质溶液；
能在第一电极区域和第二电极区域之间施加电势差的电压源；
通过电化学发光体系所产生的光信号能检测分析物存在的检测器。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于电压源能沿着电极长度在电解质溶液中形成电场。
27.如权利要求25所述的系统，其特征在于电极包括多个电极，其中的电压源能沿着每个电极长度在电解质溶液中形成电场。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于多个电极包括至少两个不同长度的电极。
29.如权利要求25所述的系统，其特征在于第一电极区域是阳极，第二电极区域是阴极。
30.如权利要求25所述的系统，其特征在于第一电极区域是阴极，第二电极区域是阳极。
31.如权利要求25所述的系统，其特征在于电化学发光体系是钌螯合物或锇螯合物和胺。
32.如权利要求25所述的系统，其特征在于容器被分隔成第一和第二样品室，第一样品室容纳第一电解质溶液，第二样品室容纳第二电解质溶液。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于第一和第二样品室中至少一个是根通道。
34.如权利要求25所述的系统，其特征在于第一和第二样品室被允许第一和第二样品室之间发生离子迁移的屏障所隔开。
35.如权利要求34所述的系统，其特征在于屏障选自狭窄开口，液-液接界，盐桥，电泳膜和离子可透过的溶胶凝胶屏障。
36.如权利要求25所述的系统，其特征在于分析物是电活性分析物。
37.如权利要求25所述的系统，其特征在于分析物具有氧化还原试剂标记。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物共价键合。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物非共价键合。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于氧化还原试剂与分析物静电结合。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于氧化还原试剂提供超过一个氧化还原当量。
42.一种检测分析物存在或含量的系统，包括：
容器；
连接于容器第一部分的第一电极；
连接于容器第二部分的第二电极；
位于容器中而且与第一电极相关联的含有分析物的第一电解质溶液；
位于容器中而且与第二电极相关联的含有电化学发光体系的第二电解质溶液；
能在第一和第二电极之间施加电势差的电压源；
通过从电化学发光体系发出光信号，能检测分析物存在的检测器。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于电压源在第一和第二电极之间提供电子迁移。
44.如权利要求42所述的系统，其特征在于电势差随时间变化。
45.如权利要求42所述的系统，其特征在于进一步包括位于容器中的第三电极。
46.如权利要求45所述的系统，其特征在于第三电极的电势与第一和第二电极的不同。
47.如权利要求45所述的系统，其特征在于第一电极区域是阳极，第二电极区域是阳极，而且第三电极区域是阴极。
48.如权利要求45所述的系统，其特征在于第一电极区域是阴极，第二电极区域是阴极，第三电极区域是阳极。
49.如权利要求42所述的系统，其特征在于第一电极区域是阳极，第二电极区域是阴极。
50.如权利要求42所述的系统，其特征在于第一电极区域是阴极，第二电极区域是阳极。
51.如权利要求42所述的系统，其特征在于电化学发光体系是钌螯合物或锇螯合物和胺。
52.如权利要求42所述的系统，其特征在于第一电解质溶液和第二电解质溶液位于分开的样品室中。
53.如权利要求52所述的系统，其特征在于分开的样品室中至少有一个是通道。
54.如权利要求52所述的系统，其特征在于分开的样品室被允许隔离样品室之间发生迁移的屏障分隔。
55.如权利要求54所述的系统，其特征在于屏障选自液-液接界，盐桥，电泳膜和溶胶凝胶屏障。
56.如权利要求42所述的系统，其特征在于分析物是电活性分析物。
57.如权利要求42所述的系统，其特征在于分析物具有氧化还原试剂标记。
58.如权利要求57所述的系统，其特征在于氧化还原试剂与分析物共价键合。
59.如权利要求57所述的系统，其特征在于氧化还原试剂与分析物非共价键合。
60.如权利要求57所述的系统，其特征在于氧化还原试剂与分析物静电结合。
61.如权利要求57所述的系统，其特征在于氧化还原试剂提供超过一个氧化还原当量。
62.一种检测分析物存在或含量的系统，包括：
使含有分析物的第一电解质溶液与第一电极区域偶合的装置；
使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与第二电极区域偶合的装置；
使第一和第二电极区域电偶合的装置；
使第一和第二电解质溶液离子偶合的装置；
在第一和第二电极区域之间施加电势差的装置；
检测第二电极区域处由电化学发光系统所发射的光，从而指示第一电极区域处分析物存在的装置。
63.检测一种或多种分析物存在或含量的方法，包括：
使含有至少一种分析物的第一电解质溶液与第一室相关联，第一室中包括第一电极和第二电极；
使发光源第二室与相关联，第二室中包括第三电极和第四电极；
使第一和第三电极电偶合；
在第二和第四电极之间施加电势差；
检测第二室中由发光源发射的光，从而指示第一室中至少一种分析物的存在或含量。
64.如权利要求63所述的方法，其特征在于发光源包括电化学发光(ECL)体系。
65.如权利要求63所述的方法，其特征在于发光源是个发光二极管。
66.如权利要求65所述的方法，其特征在于发光二极管是个半导体发光二极管。
67.如权利要求65所述的方法，其特征在于发光二极管发射可见光。
68.如权利要求63所述的方法，其特征在于第一电极和第三电极构成一个整体的双性电极。
69.如权利要求63所述的方法，其特征在于进一步包括：
将多个第一电极与第一室相关联；
将多个第三电极与第二室相关联；
将多个发光源与第二室相关联；
使相应的第一和第三电极电偶合；
检测第二室中由各个发光源发射的光。
70.如权利要求69所述的方法，其特征在于多个发光源是发光二极管。
71.如权利要求69所述的方法，其特征在于第二电极是阴极，第四电极是阳极。
72.如权利要求69所述的方法，其特征在于第二电极是阳极，第四电极是阴极。
73.一种检测分析物存在或含量的方法，包括：
使含有分析物的第一电解质溶液与双性电极的第一区域相关联；
使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与双性电极的第二区域相关联；
使第一电解质溶液与第二电解质溶液离子隔离；
在第一和第二电解质溶液之间施电势差；
检测电化学发光体系发射的光，从而指示双性电极第一区域处分析物的存在或含量。
74.如权利要求73所述的方法，其特征在于进一步包括使第一和第二电解质溶液具有相同的组成。
75.如权利要求73所述的方法，其特征在于使含有分析物的第一电解质溶液与双性电极的第一区域相关联是使含有分析物的第一电解质溶液分别与多个双性电极的第一区域相关联；
使含有电化学发光体系的第二电解质溶液与双性电极的第二区域相关联是，使含有电化学发光系统的第二电解质溶液分别与多个双性电极的第二区域相关联。
76.如权利要求75所述的方法，其特征在于进一步包括使第一和第二电解质溶液之间产生的电势差对各个双性电极都相同。
77.如权利要求73所述的方法，其特征在于在第一和第二电解质溶液之间施加电势差包括，在与第一电解质溶液相关联的第一电极和与第二电解质溶液相关联的第二电极之间施加电势差。
78.如权利要求77所述的方法，其特征在于第一电极是阴极，第二电极是阳极。
79.如权利要求77所述的方法，其特征在于第一电极是阳极，第二电极是阴极。
80.如权利要求73所述的方法，其特征在于双性电极的第一区域具有大于第二区域的面积。
81.如权利要求75所述的方法，其特征在于多个双性电极的每个第一区域具有大于对应第二区域的面积。
82.检测一种或多种分析物存在或含量的系统，包括：
具有第一电极和第二电极的第一室；
与第一室相关联的含有至少一种分析物的第一电解质溶液；
具有第三电极和第四电极的第二室；
与第二室相关联的发光源；
使第一和第三电极电偶合的导体；
能在第二和第四电极之间施加电势差的电压源；
检测第二室中由发光源所发射的光，从而指示第一室中至少一种分析物的存在或含量的检测。
83.如权利要求82所述的系统，其特征在于发光源包括电化学发光(ECL)体系。
84.如权利要求82所述的系统，其特征在于发光源是发光二极管。
85.如权利要求84所述的系统，其特征在于发光二极管是半导体发光二极管。
86.如权利要求84所述的系统，其特征在于发光二极管发射可见光。
87.如权利要求82所述的系统，其特征在于第一电极和第三电极构成一个整体的双性电极。
88.如权利要求82所述的系统，其特征在于：
第一室包括多个第一电极；
第二室包括多个第三电极；
发光源包括多个与第二室相关联的发光源；
导体是电偶合相应第一和第三电极的多个导体；
检测器能检测第二室中每个发光源所发射的光。
89.如权利要求88所述的系统，其特征在于多个发光源是发光二极管。
90.如权利要求88所述的系统，其特征在于第二电极是阴极，第四电极是阳极。
91.如权利要求88所述的系统，其特征在于第二电极是阳极，第四电极是阴极。
92.检测分析物存在或含量的系统，包括：
第一室；
第一电极和与第一室相关联的双性电极第一末端；
第二室；
第二电极和与第二室相关联的双性电极第二末端；
含有分析物的装在第一室中的第一电解质溶液；
含有电化学发光体系的装在第二室中的第二电解质溶液；
电偶合双性电极第一末端和双性电极第二末端的导体；
能在第一和第二电极之间施加电势差的电压源；
能检测由第二室中电化学发光体系产生的光信号，从而检测第一分析物中分析物存在或含量的检测器。
93.如权利要求92所述的系统，其特征在于第一和第二室共用一个共同屏障，该共同屏障是个离子不能渗透屏障。
94.如权利要求93所述的系统，其特征在于双性电极的第一和第二末端以及偶合第一和第二末端的导体构成横跨共同屏障的整体双性电极。
95.如权利要求94所述的系统，其特征在于进一步包括至少两个横跨所述第一和第二室之间共同屏障的双性电极。
96.如权利要求94所述的系统，其特征在于双性电极的第一区域具有大于第二区域的面积。
97.如权利要求94所述的系统，其特征在于进一步包括：
多个第一室，具有与其相连的对应第一电极；
能在对应的第一电极和第二电极之间施加电势差的电压源；
能检测第二室中电化学发光体系所产生的光信号，从而检测至少一个第一室中分析物存在的检测器。
98.如权利要求97所述的系统，其特征在于电压源能在第一室的顺序系列中产生电势差。
99.如权利要求97所述的系统，其特征在于电压源能同时产生各个电势差。
100.如权利要求92所述的系统，其特征在于包括：
多个第一室；
对应的第一电极和与第一室相连的双性电极的对应第一末端；
能使双性电极的对应第一末端和第二末端之间的导体发生电偶合的开关；
能在对应的第一电极和第二电极之间产生电势差的电压源；
能检测第二室中电化学发光系统所产生的光信号，从而检测一个第一室中分析物存在的检测器。
101.如权利要求92所述的系统，其特征在于第一电极和双性电极第一末端是面平行的，分隔间隙小于15微米。
102.检测分析物存在或含量的系统，包括：
使含有分析物的第一电解质溶液与第一电极区域偶合的装置；
使发光源与第二电极区域偶合的装置；
使第一和第二电极区域电偶合的装置；
在第一和第二电极区域之间施加电势差的装置；
检测第二电极区域处由发光组合物所发射的光，从而指示第一电极区域处分析物存在或含量的装置。
103.如权利要求102所述的系统，其特征在于进一步包括使第一和第二电解质溶液离子偶合的装置。
104.如权利要求102所述的系统，其特征在于进一步包括使第一和第二电解质溶液离子隔离的装置。
105.如权利要求102所述的系统，其特征在于发光源是电化学发光体系。
106.如权利要求102所述的系统，其特征在于发光源是发光二极管。
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