KR20050023455A - 전기화학 이벤트의 광 신호 보고 - Google Patents

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KR20050023455A
KR20050023455A KR10-2005-7001188A KR20057001188A KR20050023455A KR 20050023455 A KR20050023455 A KR 20050023455A KR 20057001188 A KR20057001188 A KR 20057001188A KR 20050023455 A KR20050023455 A KR 20050023455A
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KR10-2005-7001188A
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리차드 엠. 크룩스
웨이 잔
줄리오 앨바레즈
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더 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법은 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 바이폴라 전극의 제1 영역과 회합시키는 단계와, 전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 바이폴라 전극의 제2 영역과 회합시키는 단계와, 제1 전해 용액을 제2 전해 용액과 이온적으로 절연하는 단계와, 제1 전해 용액과 상기 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계와, 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 바이폴라 전극의 제1 영역에 있는 분석 대상물의 존재를 나타내는 단계를 포함한다.

Description

전기화학 이벤트의 광 신호 보고{PHOTONIC SIGNAL REPORTING OF ELECTROCHEMICAL EVENTS}
본 발명은 일반적으로 전기화학 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기화학 이벤트의 광 신호 보고 방법에 관한 것이다.
산화환원 분자(redox molecule)는 적절한 전위 바이어스가 인가될 때 전극에 의해 환원되거나 산화될 수 있는 분자이다. 산화환원 분자의 환원 또는 산화는 산화환원 반응으로 지칭된다. 산화환원 반응은, 몇 가지 예를 들면, 배터리, 연료 전지, 의료용 진단, 필름 생산과 같은 많은 응용예에서 일어난다. 산화환원 분자는 많은 유용한 목적을 위해 쓰일 수 있다. 예를 들면, 산화환원 분자는 산화환원 분자가 관심 분석 대상물에 부착되고 산화환원 분자가 부착된 분석 대상물의 존재를 산화환원 반응을 통한 산화환원 분자의 검출로서 나타내는 라벨(label)로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 관심 분석 대상물이 본질적으로 산화환원성일 수 있다. 이러한 라벨링 방식 또는 본질적인 성질은, 여러 가지 중에서, 전기화학 검출을 통해 DNA, 단백질, 항체, 항원 및 다른 물질을 검출하기 위한 의학 진단 산업에서 사용된다.
크로마토그래피 검출기에서 때때로 사용되는 유형의 종래의 전기화학 센서에서, 동작 전극의 전위는 기준 전극의 전위에 관해 제어되고, 동작 전극과 비활성 카운터 전극 사이에 흐르는 유도 전류가 측정된다. 이러한 유형의 방법에서, 시스템의 전체 정보 내용은 동작 전극에서의 반응에 의해 제공된다.
전기화학 검출에 대한 다른 방법에서, 전극은 전기화학발광(ECL)에 의한 발광을 내는 산화환원 반응을 트리거하기 위해 사용된다. PCT 출원 WO 00/0323호에서 오로라(Aurora)와 만즈(Manz)는 전기화학발광 셀로서 사용될 수 있는 플로팅 반응 전극을 포함하는 장치를 보고하고 있다. 마세이(Massey) 등은 미국특허 제6,316,607호에서 종래의 ECL 라벨 및 이러한 라벨의 검출을 위한 기법을 개시하지만, 이 방법의 이용은 전체 정보 내용을 제공하는 하나의 전극에 다시 의존한다. 드 루이즈(De Rooij) 등은 미국특허 제6,509,195호에서는 표시자 및 ECL 발광기 모두의 기능을 하는 라벨을 사용하는 생물학적 물질을 분석하는 전기화학발광 검출기를 개시한다.
ECL 기반 검출 방법은 일반적으로 보다 감지가 잘 된다는 점에서 종래의 전류계 또는 전위계 전기화학 검출 방법보다 개선된 것이다. 보다 나은 감도는 초감도 광 검출기가 사용가능성과, 산화환원 신호에 존재하는 잡음의 일부를 광 신호로 변환하여 제거하는 것에 의한 것이다. 현재 실시예의 개선을 위한 수단은 실시되는 방법에 의해 불가피하게 제한된다. 예를 들면, 산화환원 라벨 및 ECL 발광기는 일반적으로 동일하게 되어 있으므로, 산화환원 센싱 및 발광, 각 프로세스는 독립적으로 최적화될 수 없다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 시스템의 개략적인 정면도.
도 1B는 도 1A의 시스템의 일 실시예를 도시하는 개략적인 평면도.
도 1C는 길이가 변하는 바이폴라 전극이 사용되는 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 시스템의 개략적인 평면도.
도 1D는 바이폴라 전극의 어레이가 사용되는 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 시스템의 개략적인 평면도.
도 2는 두 개의 분리된 전극이 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 시스템의 일 실시예를 도시하는 개략적인 평면도.
도 3은 세 전극 영역이 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 대상물의 존재를 간접적으로 검출하기 위한 시스템의 일 실시예를 도시하는 개략적인 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 방법을 도시하는 흐름도.
도 5A는 절연된 샘플 및 신호 칸이 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 대상물의 존재를 검출하기 위한 시스템의 개략도.
도 5B는 복수의 바이폴라 전극이 칸 사이에 연결(span)하는 도 5A의 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 6은 분석 대상물의 산화환원 리사이클링이 사용되는 도 5A의 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 7은 ECL 신호를 생성하는 소멸 반응이 사용되는 도 5A의 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 8은 발광 다이오드가 광 신호를 생성하는 도 5A의 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 9는 시스템이 그들 사이에 연결하는 바이폴라 전극이 있는 샘플 및 신호 칸을 포함하는 분석 대상물의 존재를 검출하는 시스템의 일 실시예의 단면도.
도 10은 복수의 바이폴라 전극이 샘플과 신호 칸 사이에 연결하는 도 9의 시스템의 일 실시예의 단면도.
도 11은 시스템이 분리된 샘플 칸 및 하나의 공통 신호 칸을 포함하는 분석 대상물의 존재를 검출하는 시스템의 일 실시예의 단면도.
도 12는 시스템이 일련의 분리된 샘플 칸 및 하나의 공통 신호 부분을 포함하는 분석 대상물의 존재를 검출하는 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 13A는 5 mM Ru(bpy)3Cl3 및 25 mM 3중 프로필아민을 포함하는 0.1 M 인산염 완충액[pH 6.9]의 사이클릭 볼타모그램(곡선 a) 및 1 mM 벤질 비오로겐 2염화물이 있는 동일한 용액의 사이클릭 볼타모그램(곡선 b).
도 13B는 두 전극 셀의 인가된 전위 바이어스의 함수로서 도 13A의 두 용액에 대해 610 nm에서 정규화된 ECL 강도의 그래프.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전극의 양극 및 음극 영역의 상대 면적의 함수로서 ECL 발광 강도의 그래프.
도 15A는 전류 대 인가된 전위 오프셋의 그래프.
도 15B는 도 5A에 도시된 시스템의 일 실시예를 이용하여 얻어진 광 강도 대 인가된 전위 오프셋의 그래프.
도 16A는 전류 대 인가된 전위의 그래프.
도 16B는 도 8에 도시된 시스템의 일 실시예를 이용하여 얻어진 광 강도 대 인가된 전위의 그래프.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하는 방법은 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 바이폴라 전극의 제1 영역과 회합시키는 단계와, 전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 바이폴라 전극의 제2 영역과 회합시키는 단계와, 상기 제1 및 제2 전극 영역을 전기적으로 결합하는 단계와, 제1 전해 용액을 제2 전해 용액과 이온적으로 절연시키는 단계와, 제1 전해 용액과 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계와, 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 바이폴라 전극의 제1 영역에서의 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법에 있어서, 다중 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 각각이 그에 회합된 분석 대상물 특정 결합 시약을 구비하는 바이폴라 전극의 제1 영역과 회합시키는 단계와, 전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 바이폴라 전극의 제2 영역과 회합시키는 단계와, 제1 전해 용액과 제2 전해 용액을 이온적으로 절연시키는 단계와, 제1 전해 용액과 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계와, 바이폴라 전극의 각각의 제2 영역과 회합된 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 바이폴라 전극의 각각의 제1 영역에서의 다중 분석 대상물 각각의 존재 또는 양을 나타내는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대상 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법에 있어서, 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 용기와 회합시키는 단계와, 발광원을 포함하는 제2 전해 용액을 제3 전극과 제4 전극을 포함하는 제2 용기와 회합시키는 단계와, 제1 전극과 제3 전극을 전기적으로 결합시키는 단계와, 제2 전극과 제4 전극 사이에 전위차를 일으키는 단계와, 제2 용기의 발광원으로부터 방출된 광을 검출하여, 제1 용기에 있는 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 대상 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법에 있어서, 다중 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 각각이 그에 회합된 분석 대상물 특정 결합 시약을 갖는 복수의 제1 전극 및 하나의 제2 전극을 포함하는 제1 용기와 회합시키는 단계와, 복수의 발광원을 복수의 제3 전극 및 하나의 제4 전극을 포함하는 제2 용기와 회합시키는 단계와, 복수의 제1 전극과 제3 전극을 전기적으로 결합시키는 단계와, 제2 전극과 제4 전극 사이에 전위차를 일으키는 단계와, 복수의 제3 전극 각각과 회합된 발광원으로부터 방출된 광을 검출하여, 제1 용기에 있는 다중 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 다수의 기술적 유리함을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 이러한 유리함의 전부, 일부를 포함하거나 아무 것도 포함하지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기화학 이벤트를 검출하고 이를 광으로 보고하는 방법이 제공된다. 양극(anode)과 음극(cathode) 프로세스가 화학적으로 분리되므로, 목표 분석 대상물을 ECL 반응 시퀀스에 직접 개입시킬 필요가 없다. 이는 매우 감도 높은 ECL 프로세스를 사용하여 검출 가능한 분석 대상물의 수를 상당히 증가시킨다. 양극과 음극 반응은 전기적으로 결합되므로, ECL 강도를 분석 대상물의 농도와 상관시켜 이를 정량화하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양극 및 음극의 형태를 서로 상대적으로 변경하여 검출의 제한을 낮출 수 있음을 도시하였다.
이러한 센서의 센싱 및 보고 기능의 화학 작용을 분리하는 것 외에도, 외부적 전기 접촉이 없는 바이폴라 전극을 가지고 시스템이 동작 가능한 것은 본 발명의 일부 실시예에서 유리하다. 복수의 이러한 바이폴라 전극은 장치 내에 어레이화되고 동일한 전기장에 의해 모두 활성화될 수 있다. 이러한 전략은 5, 50 또는 심지어 50,000 가지 다른 분석 대상물을 동시에 분석하는 것과 같은 다중화된 분석을 위한 시스템 설계를 간단하게 한다. 다른 실시예에 따르면, 다른 길이의 바이폴라 전극을 사용하여, 그 반쪽 반응들이 다른 명목 전위를 갖는 목표물들을 검출하기 위한 전극 어레이를 생성하는 것이 가능하다. 이러한 장치는 ECL의 강도 또는 발광되는 전극의 길이를 측정하여 동작할 수 있음이 도시된다.
본 발명의 임의의 실시예에서, 이러한 장치는 ECL 시스템에 의해 방출된 광을 측정하는 광다이오드와 전극 사이에 필요한 전위를 제공하는 소형 배터리로 소형화될 수 있다.
다른 기술적 유리함은 당업자에게 확실할 것이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 다음의 살명이 이루어진다. 여기서, 유사한 참조번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 검출 및 전기생성 화학발광(electrogenerated chemiluminescent, "ECL") 보고에 의존하는 미세유체역학 기반 센싱 시스템(100)의 개략적인 정면도이다. 일반적으로, 시스템(100)은 산화환원제(118)로 목표 분석 대상물(102)을 라벨링하고, 제1 전극 영역(124)에서 전기화학 반응을 센싱하고, 제2 전극 영역(122)과 회합된 ECL 시스템(120)을 통해 전기화학 반응의 센싱을 광으로 보고하여, 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, ECL 시스템(120)과 회합된 보고 반응(참조번호 101로 명시됨)은 산화환원제(118)에 의해 촉진된 전기화학 센싱 반응(참조번호 103으로 명시됨)과 분리된다. 이러한 분리는 이하 상세하게 설명된다. 시스템(100)이 전하 균형을 요구하므로, 본 발명의 교시는 센싱 반응(103) 및 보고 반응(101)이 전기적으로 결합된다는 것을 인식한다. 이 방식에서, 매우 감도가 높은 ECL 시스템(120)에 의해 검출될 수 있는 목표 분석 대상물(102)의 수는 상당히 증가된다. 또한, 전기적 결합으로 인해, ECL 시스템(120)에 의해 방출된 광(121)의 강도를 목표 분석 대상물(102)의 농도에 상관시켜 이를 정량화하는 것도 가능해진다. 시스템(100)은, 예를 들면, 도 1A, 1B, 1C, 1D에 도시된 것처럼 무선 모드로 구현될 수 있거나, 예를 들면, 도 2 및 3과 결합하여 이하 설명되는 것처럼 유선 모드로 구현될 수 있다. 다른 구현예들이 본 발명의 교시에 의해 고려될 수 있으며, 이들은 단지 예시를 위한 목적으로 제공되었다.
도 1A 및 1B에 도시된 것처럼, 시스템(100)은 바이폴라(bipolar) 전극(106) 및 전해 용액(108)을 담은 테스트 용기(104)를 포함한다. 시스템(100)은 전압원(110) 및 검출기(114)도 포함한다.
테스트 용기(104)는 바이폴라 전극(106) 및 전해 용액(108)을 담도록 적응된 임의의 적절한 용기일 수 있다. 용기(104)는 임의의 적절한 크기일 수 있고, 임의의 적절한 제조 방법을 사용하여 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 용기는 임의의 적절한 차원을 가질 수 있는 채널(channel), 미세채널(microchannel), 챔버(chamber), 웰(well), 튜브(tube), 캐필러리(capillary) 등의 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 용기(104)의 길이, 폭 및 깊이는 0.1 미크론 내지 수 센티미터 이상에서 임의의 것일 수 있다. 또한, 용기(104)는 폴리머, 탄성체, 플라스틱, 세라믹, 유리, 수정, 실리콘, 조인트 합성물과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 도 1A 및 1B에 단지 하나의 용기(104)만이 도시되었지만, 시스템(100)은 여러 개의 용기(104)를 포함할 수 있다. 또한, 각각은 도 1C 및 1D에 도시된 것처럼 하나 이상의 바이폴라 전극(106)을 포함할 수 있다.
바이폴라 전극(106)은 탄소, 전도성 잉크, 전도성 폴리머, 임의의 적절한 금속, 전도성 산화물, 반도체 재료와 같은 임의의 적절한 재료로 형성된 임의의 적절한 크기의 전극이다. 바이폴라 전극(106)은 반도체 산업에서 사용되는 종래의 리소그래피 방법, 스퍼터링, 증착, 전자빔 증착, 스크린 인쇄, 전자적 또는 무전자적 증착, 페인팅과 같은 임의의 적절한 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 바이폴라 전극(106)은 먼저 형성된 다음 용기(104)에 배치될 수도 있다. 바이폴라 전극(106)은 제1 전극 영역(124) 및 제 전극 영역(122)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 전극 영역(124)은 음극 기능을 하고 제2 전극 영역(122)은 양극 기능을 하지만, 다른 실시예에서, 제1 전극 영역(124)이 양극 기능을 하고 제2 전극 영역(122)이 음극 기능을 한다. 바이폴라 전극(106)은 전극의 양단에서 면적을 달리할 수 있고, 그러므로, 전극의 폭을 달리하여 제1 전극 영역(124)은 제2 전극 영역(122)보다 작거나 클 수 있다. 예를 들면, 바이폴라 전극(106)은 "T"자 형태를 가질 수 있다. 이는 양단에서의 상대적 전류 밀도에 대한 제어를 제공하여, 도 1에 따라, 보다 넓은 제1 전극 영역(124)과 보다 좁은 제2 전극 영역(122)을 가짐으로서, 작은 면적으로 신호를 집중시키고, 산화환원제(118)에 의한 반응을 위한 보다 큰 전극 면적을 제공하여 ECL 광 신호를 증강시키는데 사용될 수 있다.
전해 용액(108)은 물, 유기 용매, 수성/유기 용매 용액, 이온 전도성 폴리머, 용융염, 액체 암모니아, 액체 이산화황, 임의의 적절한 임계 초과 유체에 용해된 임의의 적절한 전해염을 포함할 수 있다. 전해 용액(108)은 용기(104)에 임의의 적절한 방법을 사용하여 유입될 수 있다. 일 실시예에서, 전해 용액(108)은 산화환원제(118)로 라벨링된 목표 분석 대상물(102) 및 ECL 시스템(120) 모두를 포함한다.
목표 분석 대상물(102)은 시스템에 의해 분석되기 희망하는 임의의 적절한 분자이다. 예를 들면, 목표 분석 대상물(102)은 DNA, RNA, 올리고뉴클리오티드, 단백질, 펩티드, 엔자임, 항체, 항원, 설탕, (올리고)당류, 지질, 스테로이드, 호르몬, 작은 유기 분자, 신경전달물질, 마약, 세포, 시약, 프로세스 중간물, 반응 생성물, 부산물, 프로세스 스트림 성분, 오염원 또는 다른 적절한 종류일 수 있다. 목표 분석 대상물(102)은 본질적으로 산화환원제(118)를 포함하는 경우에 전자활성이거나, 목표 분석 대상물(102)은 산화환원제(118)에 의한 라벨링이 요구되는 비전자활성일 수 있다. 산화환원제(118)로 목표 분석 대상물(102)의 라벨링을 하는 것은 직접 또는 간접 라벨링, 공유결합 라벨링, 비공유결합 라벨링, 정전기적 라벨링, 인시츄(in-situ) 라벨링, 엔자임 반응에 의한 전환, 화학 반응에 의한 전환과 같은 임의의 적절한 라벨링 방법에 의해 될 수 있다. 한 번의 측정으로 여러 가지 분석 대상물을 검출해야 할 때, 다른 산화환원 라벨들이 사용될 수 있다.
산화환원제(118)는 임의의 적절한 산화환원 분자이다. 산화환원 활성 분자는 용이하게 산화되거나 환원될 수 있는 분자이다. 산화환원 분자의 일례는 2번의 연속적인 1전자 이벤트에서 2 전자만큼 용이하게 환원되는 벤질 비오로겐(benzyl viologen: BV2+)이다. 다른 예는 페로세인(ferrocenes), 퀴논(quinones), 페노티아진(phenothiazines), 비오로겐(viologens), 포르피린(porphyrins), 아닐린(anilines), 티오펜(thiophenes), 피롤(pyrroles), 촉매 복합체, 금속 입자, 여러 개의 산화환원 분자를 수용할 수 있는 폴리스틸렌 구체와 같은 다른 입자 등을 포함한다. 산화환원 반응에서 하나보다 많은 산화환원 당량(즉, 전자)을 교환할 수 있는 산화환원 라벨은 본 발명에서 신호를 증폭시키는 기능을 한다. 산화환원제(118)의 기능은 이하 상세하게 설명된다. 그러나, 일반적으로, 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)가 제1 전극 영역(124) 근처를 지날 때, 산화환원 반응이 일어나서, ECL 시스템(120)의 해당 산화환원 반응을 제2 전극 영역(122)에서 일으켜서, 방출 광(121)이 검출기(114)에 의해 검출된다.
ECL 시스템(120)은 임의의 적절한 전기화학발광 시스템일 수 있다. ECL 시스템은 산화환원 이벤트에 의해 발광(광 방출)하도록 유도될 수 있는 합성체 또는 합성체의 조합이다. ECL 시스템의 일례는 3중 알킬아민(trialkyamine)과 회합된 루테늄(ruthenium) 또는 오스뮴(osmium) 킬레이트(chelate) 화합물이다. 본 발명의 특정 실시예에서, ECL 시스템(120)은 루테늄 트리스 바이피리딜 합성체["Ru(bpy)3 2+"] 및 3중 프로필아민(tripropylamine)("TPA")을 포함한다. 이하 상세하게 설명되는 ECL 시스템(120)의 기능은 산화환원 반응과 같은 전기화학 반응에 응답하여 광(121)을 발생시키는 것이다. 광(121)은 검출기(114)에 의해 검출된다. 따라서, 광학적으로 투명한 창(112)이 ECL 시스템(120)으로부터 방출된 광(121)이 검출기(114)에 의해 검출될 수 있도록 용기(104)에 회합될 수 있다. 창(112)은 임의의 적절한 크기일 수 있고 임의의 적절한 재료 및 방법을 사용하여 용기(104)에 형성될 수 있다. 테스트 용기 자체가 검출기(114)에 의해 광(112)이 검출될 수 있도록 유리 또는 적절한 열가소성 플라스틱과 같은 광학적으로 투명한 재료로 제조될 수 있다. 테스트 용기는 광 신호가 직접 검출기로 갈 수 있도록 외부로 개구를 가지는 웰 또는 다른 형태일 수 있다.
검출기(114)는 ECL 시스템(120)으로부터 방출된 광(121)을 검출하도록 동작가능한 임의의 적절한 검출기일 수 있다. 예를 들면, 검출기(114)는 시각적 관측부, 광전자 증배관, CCD 어레이와 같은 전하 결합 장치, CMOS 어레이, 광다이오드, 카메라를 포함할 수 있다. 검출기(114)는 광(121)을 검출하기 위해서 창(112)에 인접하여 배치된다.
전압원(110)은 용기(104)의 길이에 걸쳐 적절한 전압을 인가하여 전해 용액(108)에 전기장을 유입하도록 동작가능한 임의의 적절한 장치일 수 있다. 전극의 길이를 가로질러 전해 용액에 걸린 전기장은 도 1A 내지 1D에 ΔEfield로 도시되어 있다. 제1 전극 영역(124)과 제2 전극 영역(122)에 존재하는 전해 용액(108)의 전위 차가 결정적 값에 도달하면, 유도 프로세스가 바이폴라 전극(106) 양단에서 일어난다. 이 결정적 전위(Ecrit)는 전해 용액(108)에 있는 산화환원제(118)의 농도, 온도, 두 반쪽 반응에 대한 이종 전자 전달율 상수의 크기, 질량 전달율, 정합 전위 등과 같은 많은 요인에 의존한다. 그러나, 통상적으로, Ecrit는 제1 전극 영역(124)과 제2 전극 영역(122)에서 일어나는 산화환원 프로세스의 명목 전위차와 대략 동일하다.
바이폴라 전극(106)의 길이에 걸린 전해 용액(108)의 전위차 ΔEelec가 Ecrit보다 작을 때, 바이폴라 전극(106)을 둘러싸는 용기(104) 내 전류는 전해 용액(108)의 이온에 의해 수송된다. 그러나, 전위차 ΔEelec가 Ecrit보다 크면, 바이폴라 전극(106)의 양단[즉, 제1 전극 영역(124) 및 제2 전극 영역(122)]에서 유도 프로세스가 일어나고 바이폴라 전극(106) 내 전자에 의해 전류가 수송되는 것이 강력하게 더 순조로울 것이다. 이 방식에서, 산화환원 반응이 산화환원제(118)에 일어나면, 상관된 산화환원 반응이 ECL 시스템(120)에서 일어나서, 광(121)의 방출이 검출되게 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 이온 침투 장벽(116)이 용기(104)에 존재하여, 분리된 샘플 칸을 제공한다. 장벽(116)은 이온 결합을 여전히 허용하면서, 보고 반응(101)과 회합된 ECL 시스템으로부터 센싱 반응(103)과 회합된 산화환원제(즉, 분석 대상물)를 분리하는 기능을 한다. 액체 대 액체 정합, 염 다리, 운반체 멤브레인, 이온 침투 졸 겔 장벽과 같은 임의의 적절한 이온 침투 장벽이 사용될 수 있다. 장벽(116)은 분리된 칸을 연결하는 좁은 개구일 수도 있다. 개구가 하나의 차원에서 용기와 동일한 크기일 수 있지만, 적어도 하나의 차원에서 개구는 용기의 해당 차원보다 작다. 좁은 개구는 센싱 반응(103)과 보고 반응(101)이 실질적으로 섞이지 않게 한다. 장벽(116)이 사용되는 일 실시예에서, 센싱 반응(103)과 회합된 전해 용액(108)을 구성하는 염, 완충액 및 용매는 보고 반응(101)과 회합된 전해 용액을 구성하는 염, 완충액 및 용매와 동일하거나 다를 수 있다.
도 1C는 길이가 변하는 바이폴라 전극이 사용되는 시스템(100)을 도시하는 개략적인 평면도이다. 도 1C에 도시된 실시예는 길이가 다른 전극(106a, 106b, 106c)을 포함한다. 전해 용액(108)에서 전극(106a, 106b, 106c)에 걸린 전기장의 크기는 대략 특정 전극 길이에 비례하여 변한다. 따라서, 다른 길이를 가진 각 전극은 다른 ΔEelec를 제공한다. 도시된 실시예에서, 다른 산화환원 전위를 가진 다른 산화환원 라벨은 다른 바이폴라 전극(106a, 106b, 106c)으로부터 방출된 광의 상대적인 강도에 따라 혼합물 내에서 구분될 수 있다. 예를 들면, 소정 산화환원 라벨(118)은 가장 긴 전극, 즉 전극(106c)의 ΔEelec만큼만 큰 Ecrit을 갖는 특징이 있을 수 있다. 이 실시예에서, ECL 시스템(120)이 활성화되고 전극(106c)의 제2 전극 영역(122c)에서 광을 방출하고 전극(106a) 또는 전극(106b)에서는 방출하지 않는다. 그러나, 다른 분석 대상물을 라벨링하기 위해 사용된 제2 산화환원 라벨(118)은 두 개의 더 긴 전극, 즉 전극(106b) 및 전극(106c)의 ΔEelec만큼 큰 Ecrit을 갖는 특징이 있을 수 있다. 이 실시예에서 ECL 시스템(120)이 활성화되고 전극(106b) 및 전극(106c)의 제2 전극 영역(112b, 112c) 각각에서 광을 방출하고 전극(106a)에서는 방출하지 않는다. 전극의 길이가 여러 산화환원 라벨을 구분하도록 조정되고, 여러 전극으로부터 방출된 광의 패턴이 혼합물 내 분석 대상물의 존재를 판정하기 위해 사용되는 실시예들이 고려되었다.
도 1D는 바이폴라 전극(106a, 106b, 106c, 106d)의 어레이가 사용되는 시스템(100)의 개략적인 평면도이다. 도 1D의 "어레이" 실시예는 여러 전극이 사용된다는 점을 제외하면 도 1A 및 1B에 도시된 실시예와 마찬가지로 동작한다.
이러한 전극의 어레이는 동일한 샘플 내에 있는 다중 목표 분석 대상물을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 각 바이폴라 전극의 한 영역은 그 영역에 인식 요소를 회합하여 분석 대상물 특정으로 만들어진다. 인식 요소는 관심있는 여러 분석 대상물 중 하나에 선택적으로 응답하거나 선택적으로 회합한다. 이 인식 요소는 이온 선택적 멤브레인이거나, 또는 DNA, RNA, PNA, 다른 핵산류, 항체, 항원, 수용체, 리간드 등과 같은 다른 것을 선택적으로 회합하는 임의의 적절한 분자일 수 있고, 이러한 인식 요소의 조합을 포함한다. 신호의 국지화된 생성은 도 5A와 결합하여 설명된다.
용기(104)가 이미 바이폴라 전극(106), 창(112), 장벽(116)과 함께 제조되어 있는 도 1A 및 1B에 도시된 무선 실시예의 동작의 간단한 설명이 이하에 있다. 목표 분석 대상물(102)은 먼저 산화환원제(118)로 라벨링되고 전해 용액(108)과 혼합된다. 또한, ECL 시스템(120)은 전해 용액(108)과 혼합된다. 상술한 것처럼, 목표 분석 대상물(102) 및 회합된 산화환원제(118)를 위해 사용된 전해 용액(108)과 ECL 시스템(120)을 위해 사용된 전해 용액(108)은 동일한 유형이거나 아닐 수 있다. 목표 분석 대상물(102) 및 회합된 산화환원제(118)를 포함하는 전해 용액(108)은 용기(104)의 칸(105b)에 넣어지고 ECL 시스템(120)을 포함하는 전해 용액(108)은 용기(104)의 칸(105a)에 넣어진다. 그리고, 검출기(114)는 창(112)에 인접하게 적절하게 배치된다.
전압원(110)은 용기(104)의 길이를 따라 전기장을 준다. 이는 제1 전극 영역(124)과 제2 전극 영역(122) 사이에 전해 용액(108)에서 전위차를 일으켜, 화학적 장벽(116)을 통해 칸(105a)과 칸(105b) 사이에 이온적 흐름을 일으킨다. 상술한 것처럼, 전위차 ΔEelec가 Ecrit를 넘으면, 바이폴라 전극(106)에서 제2 전극 영역(122)으로부터 제1 전극 영역(124)으로 전류가 흐르기 시작한다. 선택적으로 산화환원제(118)로 라벨링된 목표 분석 대상물(102)이 제1 전극 영역(124) 근처에서 확산 또는 벌크 대류에 의해 지나갈 때 산화환원 반응이 일어난다. 따라서, 산화환원제는 제1 전극 영역(124)이 음극 역할을 하면 환원하고, 제1 전극 영역이 양극 역할을 하면 산화된다. 제1 전극 영역(124)이 음극 역할을 한다고 가정하면, 산화환원제(118)는 바이폴라 전극(106)으로부터 전자를 흡수하고, 시스템(100)이 전하 균형을 요구하기 때문에, ECL 시스템(120)은 바이폴라 전극(106)에 전자를 준다. 이러한 ECL 시스템(120)의 산화환원 반응은 광(121)이 창(112)을 통해 방출되게 한다. 검출기(114)는 목표 분석 대상물이 검출되었음을 나타내는 광(121)을 검출한다. 광(121)의 강도는 제1 전극 영역(124) 근처에서 검출된 산화환원 분자의 수와 관련 있어서 목표 분석 대상물의 양을 판정할 수 있게 한다.
보고 반응(101)을 센싱 반응(103)과 분리하여 본 발명에서 다수의 기술적 유리함이 얻어진다. 이러한 기술적 유리함 하나는 시스템(100)이 센싱과 보고 프로세스에 대해 별도의 반응을 이용한다는 점이다. 종래의 시스템은 "작동" 전극에서 일어나는 반응에 초점을 두고 "카운터" 전극에서의 활동은 무시하였다. 결국, 단일 반응이 동시에 센싱 및 보고 기능을 모두 제공해야 했다. 반면에, 본 발명의 일 실시예의 교시는 하나의 전극 영역(즉, 작동 전극)에서 전기화학적 센싱 반응이 일어나는 동안 다른 하나의 전극 영역(즉, 카운터 전극)에서 일어나는 ECL 시스템에 의한 광 방출에 초점을 둔다. 이는 목표 분석 대상물 검출의 보다 나은 품질 제어를 가능하게 하고, 또한 ECL 산화환원 분자가 목표 분석 대상물을 위한 라벨로서 사용되는, 즉 동시에 라벨과 보고자 모두의 기능을 하는 센싱 반응에서 ECL 반응을 사용하는 것과 연관된 문제들을 감소 및/또는 제거한다.
또한, 종래의 시스템은 센싱 및 보고 프로세스가 단일 샘플 칸에서 수행될 것을 요구하였다. 반면, 본 발명의 일부 실시예의 교시는 센싱 및 보고 프로세스의 분리를 제공하여, 센싱 반응을 위해 필요할 수 있는 적절한 pH, 이온적 강도, 다른 용매 조건을 유지하면서, ECL 시스템에 의한 발광의 효율을 최적화하도록 용매, 전해질 농도, 조성 및 다른 성분에 관해 각 산화환원 프로세스의 독립적 최적화를 허용한다. 센싱 및 보고 반응이 분리된 전극에서 분리된 칸에서 수행되는 본 발명의 실시예들이 도 2 및 3과 결합하여 이하 설명된다.
도 2는 두 개의 전극(200a, 200b)이 사용되는 시스템(100)의 유선 실시예를 도시하는 개략적인 평면도이다. 전극(200a, 200b)은 바이폴라 전극(106)에 대해 설명된 것과 같이 임의의 적절한 크기 및 임의의 적절한 형태일 수 있고 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 전극(200a, 200b)은 도 2에 도시된 것처럼 유사한 형태 및 면적이거나, 상술한 것처럼 시스템에 의해 생성된 ECL 신호를 증강시키기 위해 전극 면적이 다를 수 있다. 하나의 전극의 면적은 다른 하나의 전극에 비해 2배, 열 배, 백 배, 심지어 천 배 클 수 있다. 전극 형태는 응용예에 따라 제조, 패키징, 크기 요구사항, 감도 등에 대한 장치의 필요에 따라 변할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예는 바이폴라 전극(106)이 전극(200a, 200b)으로 대체된 점을 제외하면 도 1A 및 1B에 도시된 실시예와 유사하다. 또한, 전극(200a, 200b)은 전극(200a, 200b) 사이에 전위차를 인가하도록 동작가능한 배터리 또는 다른 적절한 전압원일 수 있는 전압원(202)을 통해 서로 전기적으로 결합된다. 도 2에 도시된 것처럼, 전극(200a)은 양극 역할을 하고 전극(200b)은 음극 역할을 한다. 그러나, 산화환원제(118)와 ECL 시스템(120)을 위해 사용된 산화환원 분자의 유형에 따라 전극(200a)이 음극 역할을 하고 전극(200b)이 양극 역할을 할 수도 있다.
도 1A-1D에 도시된 실시예와 유사하게, 센싱 반응(103)은 전극 영역 중 하나와 회합되고 보고 반응(101)은 전극 영역 중 다른 하나와 회합된다. 그러나, 도 2에 도시된 실시예에서는 전극 영역은 두 개의 인접한 칸(206a, 206b)에 배치된 분리된 전극이다. 칸 사이의 좁은 개구(208)는 두 개의 칸이 전하 균형을 유지하기 위해 이온적으로 결합되게 허용한다. 개구(208)의 크기는 칸 사이의 이온적 소통을 가져야 하는 필요와 실질적으로 각 칸의 용액의 분리를 유지해야 하는 필요 사이에서 절충된다. 좁은 개구가 양호할 때, 개구(208)는 용기 형상의 적어도 하나의 차원에 대해서 작을 수 있다. 예를 들면, 개구(208)는 양측에서 칸과 동일한 높이이지만 개구(208)의 폭은 연결된 칸의 폭 보다 작을 수 있다. 대안적인 실시예(미도시)에서, 무선 실시예의 화학적 장벽(116)과 유사한 기능을 하는 칸(206a)과 칸(206b) 사이의 이온 침투 장벽이 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 샘플은 용기를 통해 흐르고 칸 사이의 장벽은 전극의 업스트림에 존재하고 칸의 개구는 전극의 다운스트림에 존재한다. 둘 이상의 샘플 스트림이 전극을 통과하여 흐르는 다른 실시예에서, 칸 사이의 장벽은 전극의 업스트림에 존재하고 전극을 통과하여 둘 이상의 스트림은 합쳐진다. 다른 실시예에서, 전극의 업스트림 또는 다운스트림 스트림 사이에 물리적 장벽이 존재하지 않고, 스트림은 벌크 분리가 유지되도록 층형 유동 조건하에서 분리된 주입구로부터 주채널로 합쳐진다.
보고 반응(101)을 위한 단일 칸과 회합된 다중 센싱 반응 칸을 구비하는 구성을 포함하는 전극 및 칸의 다른 구성이 본 발명의 다른 실시예에서 고려된다. 도 2에 도시된 실시예의 동작은 상기 도 1A-1D에 도시된 실시예의 동작과 유사하다. 한가지 다른 동작은 전압원(202)이 상술한 것처럼 용기에 걸쳐 인가하지 않고 전극(200a, 200b) 사이에 전위차를 인가한다는 점이다.
도 3은 세 전극(300a, 300b, 300c)이 사용되는 시스템(100)의 유선 실시예를 도시하는 개략적인 평면도이다. 전극(300a, 300b, 300c)은 바이폴라 전극(106) 및 전극(200a, 200b)에 대해 설명된 것과 같은 임의의 적절한 크기 및 임의의 적절한 형태일 수 있고 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예는 목표 분석 대상물(102)의 검출이 역검출이라는 점에서 도 1A 및 2에 도시된 실시예와 다르다. 즉, 도 1A 및 2에 도시된 실시예에서, 광(121)의 강도는 전기화학적 센싱 반응이 일어날 때 광(121)의 강도가 감소하는 도 3의 실시예와 반대로 전기화학적 센싱 반응이 일어날 때 증가한다. 이는 이하에서 설명된다.
도시된 실시예에서, 전극(300a)은 ECL 시스템(120)과 회합되고, 전극(300b)은 목표 분석 대상물(102) 및 산화환원제(118)와 회합되고, 전극(300c)은 희생 산화환원제(sacrifical redox reagent)(302)와 회합된다. 희생 산화환원제(302)는 전극에 의해 용이하게 환원 또는 산화되는 산화환원 분자를 포함한다. 전극(300c)에 희생 산화환원제(302)가 존재하여, 전극(300a)과 전극(300c) 사이에 충분한 전위차가 있을 때 ECL 시스템(120)의 해당 산화환원 반응이 전극(300a)에서 일어나게 된다. 그리고, 이는 상술할 것과 유사하게 창(112)을 통해 광(121)을 방출하여 검출기(114)에 의해 검출되게 한다. 칸 사이의 이온적 결합은 칸 사이의 좁은 개구(308)에 의해 제공된다.
산화환원제(118)로 라벨링된 목표 분석 대상물(102)의 검출은 이하 설명된다. 전극(300a)과 전극(300b)은 직접 전기적으로 결합되어 실질적으로 동일한 전위이다. 목표 분석 대상물(102) 및 산화환원제(118)가 전극(300b) 근처를 지날 때, 전극(300b)이 산화환원 반응하기 적절한 전위에 놓이므로 산화환원 반응이 산화환원제(118)에 일어난다. 이 방식에서, 전극(300a)과 전극(300b)이 직접 결합되므로 전극(300c)으로부터 온 전류는 전극(300a)과 전극(300b) 사이에 공유된다. ECL 시스템(120)과 산화환원제(118) 모두에 회합된 산화환원 분자는 전자를 위해 경쟁한다. 그러므로, ECL 시스템(120)으로부터 방출되는 광(121)의 강도는 목표 분석 대상물(102)[선택적으로 산화환원제{118)로 라벨링됨]이 전극(300b)을 만날 때 감소하여, 목표 분석 대상물(102)의 검출을 나타낸다. 전극 및 미세채널의 다른 구성은 본 발명의 이 실시예에 의해 고려된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다. 이 방법은 전해 용액(108)과 같은 목표 분석 대상물(102)을 포함하는 제1 전해질이 제1 전극 영역(124)과 회합되는 단계(400)에서 시작한다. 일 실시예에서, 목표 분석 대상물(102)은 산화환원제(118)로 라벨링된다. 전해 용액(108)과 같은 ECL 시스템(120)을 포함하는 제2 전해질은 단계(402)에서 제2 전극 영역(122)과 회합된다. 상술한 것처럼, 제1 및 제2 전해질은 동일한 유형 또는 다른 유형일 수 있다.
제1 전극 영역(124) 및 제2 전극 영역(122)은 단계(404)에서 전기적으로 결합된다. 도 1A 및 1B에 도시된 무선 실시예에서, 이는 바이폴라 전극(106)을 포함하고, 도 2 및 3에서 도시된 유선 실시예에서, 이는 회로 및 전압원과 전기적으로 결합된 분리된 전극을 포함한다. 제1 및 제2 전해질은 단계(406)에서 이온적으로 결합된다. 제1 및 제2 전해질은 동일한 전해 용액(108)이 사용되고 이들 사이에 화학적 장벽이 없으면 이온적으로 결합된다. 화학적 장벽이 있는 실시예에서, 이온적 결합은 전해질의 화학적 결합은 방지하지만 이온적 결합은 허용하는 장벽으로부터 얻어진다. 예를 들면, 화학적 장벽은 액체 대 액체 정합, 염 다리, 운반체 멤브레인 또는 이온 침투 졸 겔 장벽을 포함할 수 있다.
단계(408)에서 전위차가 제1 전극 영역(124)과 제2 전극 영역(122) 사이에 일어난다. 이는 도 1A 및 1B의 무선 실시예에서는 전극을 접촉하는 전해 용액에 전기장을 거는 것을 포함할 수 있고, 도 2 및 3의 유선 실시예에서는 전극 사이에 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 전위차가 Ecrit를 넘으면, 광(121)이 ECL 시스템(120)으로부터 방출된다. 따라서, 단계(410)에서, 제2 전극 영역(122)에서 ECL 시스템(120)으로부터 방출된 광은 검출기(114)에 의해 검출된다. 광(121)의 강도는 제1 전극 영역(124)에 존재하는 산화환원 분자의 수와 관련 있다. 이는 도 4에 그려진 대로 방법을 종료한다.
도 5A 내지 8은 샘플 칸(502)과 신호 칸(504)이 서로 절연된 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하기 위한 대안적인 시스템(100)의 다양한 실시예의 개략도이다. 시스템(500a, 500b, 500c, 500d)은 샘플 칸(502)으로 유입된 목표 분석 대상물(102)의 존재가 산화환원 반응을 일으켜서 전류가 신호 칸(504)을 통해 흐르게 한다는 점에서 기능 면에서 유사하다. 신호 칸(504)은 전류가 신호 칸(504)을 통해 흐를 때 광을 방출하도록 유도되고 그 광 신호가 검출기(114)에 의해 기록되는 발광원을 포함한다. 시스템(500e)은 다중화된 검출을 위한 다중 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하기 위한 시스템 실시예를 예시한다. 다중 분석 대상물은 개별적으로 샘플 칸(502)의 복수의 바이폴라 전극과 회합되고, 목표 분석 대상물 각각과 회합된 산화환원 라벨은 신호 칸(504)을 통해 전류가 흐르게 한다. 신호(광)는 신호 칸의 복수의 바이폴라 전극과 회합된 복수의 발광원 각각을 통해 방출된다.
도 5A를 참조하면, 시스템(500a)은 ECL 시스템(120)인 발광원을 도시한다. 도시된 실시예에서, 샘플 칸(502)은 전극(506) 및 바이폴라 전극(510)의 제1 단(508)을 포함한다. 신호 칸(504)은 전극(512) 및 바이폴라 전극(510)의 제2 단(514)을 포함한다. 전극(506, 512)은 배터리, 전원, 또는 샘플 칸(502)의 전해 용액(516)과 신호 칸(504)의 전해 용액(518) 사이에 전위차를 줄 수 있는 다른 적절한 전압원과 같은 전압원(110)에 연결된다. 또한, 전압원(110)과 회합된 회로(520)도 전압 정류 및 전위 파형 생성을 제공할 수 있다.
시스템(500a)은 기준 전극(519)을 선택적으로 포함할 수 있다. 이 경우, 정전위기(potentiostat)가 회로(520)를 위해 사용될 수 있고 전극(506)은 작동 전극으로서 정전위기에 연결되고 전극(512)은 카운터 전극으로서 연결된다. 이 실시예의 동작은 이하 설명된다.
전극(506, 512)은 상술한 것처럼 동일하거나 다른 재료로 이루어질 수 있다. 바이폴라 전극(510)은 두 개의 독립적으로 형성된 전극을 전도체와 연결("쇼트")시켜 형성되거나, 샘플 칸(502) 및 신호 칸(504)에 노출된 제1 및 제2단(508, 514)이 있는 하나의 모놀리식(monolithic) 전극으로서 형성될 수 있다. 시스템(500a)의 설계 또는 제조 방법이 다른 것에 비해 하나의 포맷을 선호할 수 있지만, 바이폴라 전극(510)의 기능은 동일하게 유지된다.
신호 칸(504)은 광학적으로 투명한 창(112)도 포함하여, 신호 칸(504) 내에서 발생한 광 신호가 검출기(114)에 의해 기록될 수 있다. 특정 실시예에서, 검출기(114)는 신호 칸(504) 내에 장착된다. 이 실시예에서 광학 창(112)은 검출기(114)와 집적될 것이다.
목표 분석 대상물(102)을 포함하는 것으로 생각되는 샘플 용액은 샘플 칸(502)과 회합된다. 샘플 용액은 전기화학 프로세스를 위해 필요한 이온적 도통을 제공하기 위한 전해질도 포함한다. 또한, 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)가 제공된다. 전해 용액(518)은 신호 칸(504)에 ECL 시스템(120)을 포함한다.
시스템(500a)의 일 실시예는 목표 분석 대상물(102) 및 이에 따른 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)를 바이폴라 전극(510)의 제1단(508)과 회합하는 것을 제공한다. 목표 분석 대상물(102)의 회합 또는 국지화는 목표 분석 대상물(102)을 농축하거나, 목표 분석 대상물(102)을 벌크 용액 또는 유동 샘플 스트림으로부터 분리시키거나, 다른 유사 종류로부터 목표 분석 대상물(102)을 분리하는 기능을 할 수 있다. 국지화는 분석 대상물 특정 인식 요소를 통해 일어난다.
분석 대상물 특정 요소는 이온 선택적 멤브레인과 같은 그 환경에 선택적으로 응답하는 임의의 적절한 멤브레인일 수 있다. 분석 대상물 특정 요소는 DNA, RNA 또는 PNA 올리고머, 프로브, 또는 프라이머, 항체, 항원, 수용체, 리간드 등과 같은 다른 분자를 선택적으로 회합하는 능력을 보이는 임의의 적절한 분자일 수 있다. 분석 대상물 특정 응답 또는 결합 요소는 당업계에 공지되어 있고 화학적 생물학적 분석에서 흔히 사용된다.
분석 대상물 특정 요소는 물리적으로 바이폴라 전극 근처에 배치되겠지만, 다수의 형태로 제공될 수 있다. 요소는 전극 인터페이스 또는 전극에 인접한 면적에, 또는 둘 모두에 직접 회합될 수 있다. 요소는 비드(beads), 미세입자, 나노입자, 겔, 침투성 폴리머 등과 같은 다른 고체 지지체에 회합될 수 있고 이는 전극 인터페이스 근처에 제한된다. 요소의 결합은 공유, 비공유, 정전기적, 반 데르 바알스, 물리흡착, 화학흡착일 수 있다. 다른 고체 지지체의 제한은 물리적 또는 화학적일 수 있다. 물리적 제한은 비드를 침투성 장벽 내 제한하여 유체가 칸의 다른 영역과 교환되지만 비드는 개구를 통과하지 못하게 한다.
목표 분석 대상물(102)의 국지화는 이에 따라 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)를 바이폴라 전극(510)에 국지화하는 기능을 한다. 목표 분석 대상물(102) 자체가 전기활성이거나, 목표물이 직접 산화환원제로 라벨링될 때, 국지화는 분석 대상물의 결합에 의해 달성된다.
분석 대상물의 직접 라벨링은 산화환원성 분자, 산화환원 폴리머, 결합된 산화환원 그룹이 있는 폴리머, 전도성 폴리머, 산화환원성 입자, 산화환원성 콜로이드 등을 가지고 수행될 수 있다. 산화환원성 입자는 산화성 금속의 무전자적 증착에 의해 그 자리에서 생성될 수 있다. 예를 들며, 금 입자로 라벨링된 분석 대상물을 사용하여, 입자를 은 이온의 용액에 노출하면 은 금속이 금 입자 위에 형성될 것이다. 용이하게 산화될 수 있는 증착된 은은 분석에서 산화환원제(118)의 기능을 한다.
목표 분석 대상물(102)은 기질(substrate)의 산화환원 활성을 바꿀 수 있는 엔자임(enzyme) 또는 카탈리스트(catalyst)로 라벨링될 수도 있고, 새로운 산화환원 활성을 지닌 분자는 본 발명의 방법에서 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)이다. 이 후자 경우는 간접 라벨링의 예이다. 목표물을 직접 라벨링하는 엔자임 또는 카탈리스트에 의해 생성된 산화환원제(118)는 자체가 목표물에 결합되지는 않는다. 그러나, 산화환원제(118)의 존재는 목표 분석 대상물(102)의 존재와 연관된다.
간접 또는 직접 라벨링 방법에서, 직접 라벨, 또는 엔자임 또는 카탈리스트를 목표 분석 대상물(102)에 부착하는 것은 공유 결합 또는 목표 분석 대상물(102)과 특정 결합 상호작용이 가능한 약품에 의해 수행될 수 있다. 결합 약품의 선택은 목표 분석 대상물(102)의 성질에 의존한다. 예를 들면, 핵산 목표물을 위해서는 결합 에이전트는 핵산 또는 관련 파생물(RNA, DNA, PNA 등)일 것이고, 항원 또는 항체를 위해서는 결합 약품은 항원 또는 항체에서 알려진 항체일 것이다. 이러한 방법은 통상 샌드위치 분석으로 지칭되는 것의 많은 특징을 이용한다.
도시된 실시예에서, ECL 시스템(120)은 신호 칸(504)의 바이폴라 전극(510)의 양극단에서 산화에 의해 활성화되고 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)는 샘플 칸(502)의 바이폴라 전극(510)의 음극단에서 환원된다. 기준 전극(519)이 시스템(500a)에 포함되지 않을 때, 이 실시예는 각각의 칸의 다른 전극에서 일어나는 각각의 반응으로서 실시될 수 있다. 즉, 분석 대상물 반응은 전극(506)에서 일어날 수 있고, ECL 시스템 반응은 전극(512)에서 일어날 수 있다. 포맷은 ECL 시스템(120)의 선택 및 산화환원제(118)의 선택에 의존하고, 두 선택은 시약 가용성, 비용, 감도, 취급 용이성, 안정성과 같은 다양한 요인에 의존할 수 있다.
또한, 시스템(500a)은 칸(502, 504)의 전극(506, 512)에서 일어나는 산화환원 반응에 의존한다. 도시된 것처럼, 전극(506)은 양극이고 전극(512)은 음극이다. 산화환원류는 용매와 같은 용액의 임의의 분자, 전해질, 또는 전해 용액에 추가된 잘 규정된 산화환원 활성 또는 전극 표면에서 고체 합성물을 가지는 다른 분자일 수 있다. 예를 들면, 전극 표면은 안정적 전위를 유지하면서 회로에 산화환원 당량을 공급할 수 있는 은/염화은 합성물로 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템(500a)은 다음과 같은 방식으로 동작한다. 목표 분석 대상물(102)을 포함할 것으로 생각되는 전해 용액(516)은 샘플 칸(502)에 놓이고 ECL 시스템(120)을 포함하는 전해 용액(518)은 신호 칸(504)에 놓인다. 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)가 제공된다. 전압원(110)은 전극(506)과 전극(512) 사이에 전위차를 주도록 작동된다. 그 효과는 전해 용액(516)과 전해 용액(518) 사이에 전위차를 주는 것이다. 바이폴라 전극(510)의 각 인터페이스에서 용액 사이의 전위차가 대략 산화환원제(118)와 ECL 시스템(120) 사이의 산화환원 전위의 차와 일치하는 점까지 증가할 때, 유도 전류가 바이폴라 전극을 통해 흐를 것이고, 이는 ECL 시스템(120)을 활성화시킨다. 광학 창(112)은 신호 칸(504)과 회합되어, ECL 시스템(120)으로부터의 광 신호가 검출기(114)에 의해 기록되게 한다.
도 5B를 참조하면, 특히 시스템(500a)과 다른 점에 관해서 시스템(500e)이 이하와 같이 설명된다. 도시된 실시예에서, 샘플 칸(502)은 전극(506) 및 바이폴라 전극(510a-510d)의 복수의 제1 단(508a-508d)을 포함한다. 바이폴라 전극(510a-510d)의 수는 적어도 두 개 일 수 있고, 수 천 개일 수도 있다. 신호 칸(504)은 전극(512) 및 바이폴라 전극(510a-510d)의 복수의 제2 단(514a-514d)을 포함한다.
분석 대상물 특정 인식 요소는 제1 단(508a-508d)의 각각과 회합된다. 다중 목표 분석 대상물(102a-102d)을 포함하는 것으로 고려되는 샘플 용액은 샘플 칸(502)과 회합되고, 각 목표 분석 대상물과 회합된 산화환원제(118)가 제공된다. 산화환원제는 각 신호와 회합된 바이폴라 전극의 아이덴티티가 목표 분석 대상물과 신호의 상관 관계를 주기 때문에 모두 동일할 수 있다.
ECL 시스템(120)은 신호 칸(504) 및 바이폴라 전극(510a-510d)의 각각의 제2 단(514a-514d)과 회합된다. 각 바이폴라 전극에서 방출된 광 신호는 샘플 칸의 각 분석 대상물의 존재 또는 양을 판정하기 위해서 기록되고 각각의 바이폴라 전극과의 위치에 의해 상관된다. 이 실시예에서, 단지 적은 수의 바이폴라 전극이 주어지면 검출기는 차례대로 신호를 기록하기 위해 신호 칸에 대해 스캔될 수 있지만, 모든 신호를 동시에 기록하는 것이 가능한 화소 기반 검출기가 양호하다.
도 6을 참조하면, 샘플 칸(502)은 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)의 산화환원 리사이클링을 지원하도록 구성된다. 산화환원제(118)는 화학적 및 동역학적으로 가역적인 종류라는 추가적인 요구사항을 가지고 본 명세서에서 언급된 임의의 형태를 가질 수 있다. 산화환원 리사이클링은 가역적인 산화환원제가 하나는 환원 전위로 유지되고 다른 하나는 산화 전위로 유지되는 두 개의 가까이 배치된 전극 사이를 이동하는 산화환원제에 관한 잘 연구된 현상이다. 도시된 실시예에서, 전극(506)에서 전자 전달 반응을 겪은 후, 산화환원제(118)는 전자 전달 역반응이 일어나는 전극(508)으로 확산하고, 그 원래 상태로 산화환원제(118)를 되돌린다. 그러므로 사이클은 반복될 수 있다. 전극(506, 508) 사이의 거리가 감소되면 산화환원제(118)의 천이 시간도 감소하고 샘플 칸(502)을 통하는 순수 전류는 증가한다. 전류에 있어 상당한 증가는 전극(506, 508) 사이의 특징적 거리가 대략 15 ㎛에 접근할 때 시작된다. 증가는 거리가 대략 5 ㎛로 감소하면 최소한 5배가 될 수 있다. 이러한 전류 증가는, 예를 들면, 증가된 강도 및 보다 나은 감도를 갖는 ECL 시스템(120)으로부터의 증강된 신호를 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 도 6에 의해 암시되었듯이, 전극(506, 508)은 전극 인터페이스 사이에 좁은 간격을 두고 평면 평행 형상으로 배열된다. 대안적 실시예에서, 전극(506, 508)은 가까이 배치되고 동일 평면 전극으로서 포함될 수 있다. 산화환원 사이클링으로부터 얻어지는 증폭 효과를 최대화하기 위해서, 이러한 두 전극에 대한 근접 방식의 면적은 서로 맞물리는 레이아웃으로 두 전극을 배열하여 최대화된다.
도 7은 상술한 시스템(500a, 500b)과 유사하지만 신호 칸(504)의 ECL 시스템(120)의 대안적인 형태를 가진 시스템(500c)을 도시한다. 전기화학발광 신호는 참조번호 530으로 명시된 소위 "소멸" 반응에 의해 생성된다. 이러한 반응에서, 발광 분자의 산화된 상태 및 환원된 상태는 별도로 생성된다. 그들이 두 개의 중성 종류를 생성하기 위해 환원된 분자에서 산화된 분자로의 전자 전달에 의한 두 반응에 접할 때 하나는 전기적으로 여기된 상태를 이용한다. 여기된 상태의 분자는 발광 분자의 광물리적 성질의 효율성 특징을 가지고 방출되는 광자에 의해 접지 상태로 돌아온다. ECL 시스템은 용매, 전해염 및, 예를 들면, 루테늄 트리스 바이피리딘[ruthenium tris(bipyridine)], 디페닐안트라센(diphenylanthracene), 루브렌(rubrene)과 같은 산화환원성 루모포어(lumophore)를 포함하는 용액 기반일 수 있다. ECL 시스템은 이온 전도성 폴리머 및, 폴리(피 페닐렌) 또는 폴리(피 페닐렌비닐렌)으로 예시된, 전도성 폴리머, 또는, 루테늄 복합체 기반 폴리머에 의해 예시된, 산화환원 폴리머와 같은, 루모포르가 산재된 전해질의 박막도 포함할 수 있다.
도 8은 신호 칸(504)의 발광원이 고체 상태 요소(532)인 시스템(500d)을 도시한다. 양방향에서 전자의 흐름을 고려하기 위해, 반대 배향의 두 정류 발광기가 제공된다. 예를 들면, 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드는 샘플 칸(502)에서 생기는 산화환원 신호를 신호 칸(504)에서 발생된 광 신호로 변환하는 것을 완료하도록 시스템(500d) 내에서 기능을 할 수 있다. 목표 분석 대상물(102)과 회합된 산화환원제(118)에 의해 통과된 전류는 LED 및 레이저 다이오드와 같은 소자에 의해 방출광으로 변환되어 검출기(114)에 의해 기록된다.
LED의 기본 구조는 두 전극(음극 및 양극) 사이에 끼인 최소한 두 층의 스택을 포함한다. 반도체 LED를 위한, 상용화된 표준 포맷, 스택은 n 도핑된 반도체 및 p 도핑된 반도체를 포함한다. 더 최근에 개발된 유기 반도체에서는 스택은 전자 운송층, 정공 운송층, 방출층, 및 통상적으로 전자 운송층을 포함한다. 적절한 전압이 전극에 걸쳐 인가되고 흐를 수 있는 전류량에 관계하여 인가될 때, 전자와 정공은 만나서 각각 n-p 정합 또는 방출층에서 재결합하고 결과적으로 광을 방출한다. 유기 및 반도체 LED는 가시광 또는 적외선광을 방출하도록 형성될 수 있다. 검출기(114)는 발광기에 의해 요구되는 적절한 파장 범위에 대한 감도를 갖도록 선택될 것이다.
도 9 내지 12는 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하는 다른 대안 시스템(900)의 다양한 일 실시예의 개략도이다.
도 9는 샘플 칸(502)과 신호 칸(504) 사이에 연결하는 바이폴라 전극(902)을 포함하는 목표 분석 대상물(102)의 존재를 검출하기 위한 시스템(900a)의 단면도이다. 도시된 실시예에서, 샘플 칸(502) 및 신호 칸(504)은 하우징(904)에 수직으로 배치된다. 샘플 칸(502)은 하우징(904)의 상부에 있고 신호 칸(504)은 하부에 있다. 장벽(906)은 샘플 칸(502)과 신호 칸(504) 사이에 놓이고 물리적으로 칸을 분리하는 기능을 한다. 일부 실시예에서, 장벽(906)은 칸을 이온적으로 절연하고, 다른 실시예에서, 장벽(906)은 칸 사이에 이온적 소통을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 바이폴라 전극(902)은 샘플 칸(502)에 노출된 하나의 영역과 신호 칸(504)에 노출된 반대 영역을 구비한다. 바이폴라 전극(902)의 각 영역의 면적은 실질적으로 동일하거나, 각 영역에서 전류 밀도를 제어하기 위해 면적이 다를 수 있다.
샘플 칸(502)은 전극(908)을 포함하고 신호 칸(504)은 전극(910)을 포함한다. 이 전극들은 외부 전압원(110)(미도시)에 연결된다. 전극(908, 910) 사이의 전위차를 제어하여, 바이폴라 전극(902)에 걸린 전위차를 제어한다. 전극(908)은 임의의 적절한 전도체로 형성될 수 있고, 리드(lid) 또는 갠트리(gantry)로부터 내려오는 디스크, 핀, 튜브, 링 등, 및 샘플 칸(502)의 벽에 부착된 전도체와 같은 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 전극(910)은 광 신호가 발광원으로부터 광학 창(112)을 통해 검출기(114)까지 차단되지 않고 전파할 수 있도록 전극(910)이 물리적으로 배치되어야 하는 추가적인 고려사항을 가지고 마찬가지로 형성될 수 있다.
도 10은 시스템(900b)의 단면도를 도시한다. 시스템(900b)의 일반적 구성은 도 9의 시스템(900a)과 유사하지만, 시스템(900b)은 복수의 바이폴라 전극(912a, 912b, 912c)을 포함한다. 단지 3 전극이 도시되었지만, 본 발명은 임의의 적절한 수의 바이폴라 전극을 고려한다. 일 실시예에서, 바이폴라 전극(912a, 912b, 912c)은 목표 분석 대상물(102)과 같은 단일 목표 분석 대상물의 검출을 위해 사용된다.
다른 실시예에서, 바이폴라 전극(912a, 912b, 912c)은 동일한 샘플 내 다중 목표 분석 대상물의 검출을 위해 사용된다. 바이폴라 전극의 수는 2개로 적거나, 25개 정도이거나, 심지어 수 백 또는 수 천 개일 수 있다. 레이아웃은 바이폴라 전극 및 제조 방법, 희망 응용예 등과 같은 다른 요인에 의존하지만, 통상적으로 채널을 따라 배치된 선형 어레이 또는 챔버 내에 배치된 순서화된 2차원 어레이를 포함한다. 다중 분석 대상물 중 하나는 내부 제어일 수 있다. 이 실시예에서, 샘플 칸(502)과 회합된 각 바이폴라 전극의 영역은 다른 분석 대상물 특정 인식 요소와 각각 회합된다. 상술한 것처럼, 각 요소는 관심 있는 다중 목표 분석 대상물 중 하나 및 그에 따라 각 바이폴라 전극과 회합된 산화환원제를 국지화하는 기능을 한다.
도 11은 복수의 샘플 칸을 구비하는 시스템(900c)의 단면도를 도시한다. 임의의 적절한 수의 샘플 칸이 사용될 수 있다. 시스템(900c)은 일괄적 샘플 분석에 대해 유용할 수 있다. 일부 경우에, 동일하거나 다른 출처로부터의 다중 샘플을 시스템(900c)내에서 분석하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 다른 출처로부터의 다중 샘플은 동일한 목표 분석 대상물의 존재 또는 양에 대해 테스트될 수 있다. 또는 동일한 출처의 샘플이 동일한 목표 분석 대상물에 대해(예, 이중 테스트) 또는 목표 분석 대상물의 다른 세트에 대해 독립적으로 테스트될 수 있다. 또한, 시스템(900c)의 각 샘플 칸(502) 내에 복수의 바이폴라 전극(도 10과 유사)을 구비하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 복수의 샘플 칸을 구비하는 것은 표준, 포지티브, 네가티브 제어 샘플의 동시 테스트를 가능하게도 한다.
시스템(900c)의 하부의 신호 칸(504)은 단일 공통 유체적 연결 칸으로서 도시되었다. 신호 칸(504)의 각 바이폴라 전극(902) 각각에서 발생된 신호는 확산에 의해 전극으로 국지화된다. 검출기(114)는 카메라, CCD 어레이, 광다이오드 어레이, CMOS 어레이 또는 다른 적절한 검출기와 같은 어레이 기반 광검출기일 수 있다. 검출기(114)는 각 위치에서 생성된 신호를 판독하기 위해 각 바이폴라 전극에 대해 이동되는 광전자 증배관 또는 광다이오드와 같은 단일 소자 검출기일 수도 있다. 판독될 바이폴라 전극(902)의 수에 따라, 시스템(900c)의 비용, 희망 판독 시간, 감도 및 시스템(900c)의 성능에 관한 다른 적절한 요인, 또는 선택사항이 사용될 수 있다.
신호 칸(504)은 각 샘플 칸에 해당하는 개별적인 신호 칸을 대안적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 9 및 10에 도시된, 샘플 칸, 신호 칸(504), 샘플 칸 전극, 바이폴라 전극(들), 신호 칸 전극을 포함하는 복수의 유닛이 이러한 시스템 내에 배치될 수 있다.
도 12에 도시된 것처럼, 시스템(900d)이 도시된다. 시스템(900d)은 도 11의 시스템(900c)과 유사하다. 그러나, 시스템(900d)은 동일한 신호 칸(504)에 가변적으로 연결되는 복수의 샘플 칸을 포함한다. 이는 다른 시점의 다중 샘플의 분석 대상물을 위한 양호한 시스템이다. 도시된 실시예에서, 검출기(114)와 고정된 물리적 관계를 갖는 단일 신호 칸(504)이 복수의 샘플 칸에 있는 다른 샘플의 분석 대상물을 위해 사용될 수 있다. 각 샘플이 분리된 샘플 칸에서 분석되므로, 샘플 사이에 서로 오염시키는 것이 방지된다.
시스템(900d)은 바이폴라 전극의 제1 단(924a, 924b, 924c)과 제2 단(926)에 적절한 연결을 가변적으로 형성하기 위한 스위칭 기능(922)이 있는 전기 회로(920), 및 신호 칸 전극(930)과 샘플 칸 전극(928a, 928b, 928c)을 포함한다.
도 9 내지 12와 연계하여 설명된 임의의 실시예에서, ECL 시스템(120)을 포함하는 전해 용액은 도 5 내지 8과 연계하여 앞서 언급한 임의의 발광원으로 대체될 수 있다.
예
1. 광 변환에 의한 전기화학 이벤트의 검출
본 발명의 일 실시예의 센싱 및 보고 기능의 화학적 결합을 보이기 위해서, 양극에서 발생된 Ru(bpy)3 2+ 및 3중 프로필아민인 ECL 시스템으로부터의 신호 강도는 두 개의 다른 음극 프로세스와 결합될 때 비교된다.
화학식 1은 화학식 2의 반응에 대한 것보다 더 음인 명목 전위에서 되는 실험에서 사용되는 조건에서 일어나는 양성자 환원, 벤질 비오로겐의 라디칼 카티온으로의 환원을 나타낸다.
두 개의 전극 영역이 분리된 전극(예, 도 2의 200a 및 200b)이고 전극 사이의 전압원(202)이 전위차를 제공하는 도 2와 유사한 본 발명의 실시예를 사용하여 실험이 수행되었다. 산화인듐막("ITO") 전극이 패턴, 에칭, 감광제의 제거를 규정하는 표준 사진 식각 방법을 사용하여 유리 기판 위에 마련되었다. 전극은 50 ㎛ 폭이고, 칸의 폭을 연결하기에 충분한 길이이고(이하 참조), 몰드로부터 돌출하는 연결 패드를 구비한다. 칸들은 패턴화된 ITO/유리 기판에 길이 1.2 ㎝, 폭 750 ㎛, 깊이 30 ㎛로 규정된 캐비티를 구비하는 폴리(디메틸실록산) 몰드("PDMS")를 결합하여 형성되었다. 캐비티의 양단에 있는 정공들은 PDMS층을 통해 확장되고 유체 저장기 및 칸으로 전해 용액을 유입하기 위한 수단으로 기능한다. 전원(휴렛 패커드, 모델번호 E3620A)은 패드에 연결되어 전극 사이의 전위 오프셋을 제어하기 위해 사용되었다.
제1 실험에서, 칸은 0.1 M 수성 인산염 완충액, pH 6.9에 5 mM Ru(bpy)3Cl2 (bpy = 2,2'-bipyridine) 및 25 mM 3중 프로필아민을 포함하는 전해 용액으로 채워졌다. 이 용액에서, 도 13A의 볼타모그램 "a"에서 관측되는 것처럼, 제1 환원 프로세스, 양성자 환원 반응 화학식 1이 약 -1.08 V vs. Ag/AgCl 기준 전극에서 관측된다. Ru(bpy)3 2+ 및 3중 프로필아민 ECL 시스템의 산화 반응에 해당하는 제1 산화 프로세스는 약 0.8 V vs. Ag/AgCl에서 관측된다.
두 전극 실험(도 13B)에서, 두 전극 사이의 전위차는 증가되고, 광방출이 바이어스가 약 1.8 V에 도달하면서 시작되는 것이 관측되었다. 이 바이어스는 용액에 대한 양극 프로세스와 음극 프로세스 사이의 1.88 V 창과 잘 상관된다.
제2 실험에서, 5 mM 벤질 비오로겐 2염화물(BV2+)이 추가된 제1 실험에서 사용된 동일 용액이 마련되었다. 제1 산화 프로세스는 ECL 시스템으로 인한 것이지만, 이 용액의 제1 환원 프로세스는 도 13A의 볼타모그램 "b"에서 관측된 것처럼 비오로겐의 환원에 해당하는 약 -0.52 V vs. Ag/AgCl에서 관측된다. 그러므로, BV2+의 존재하면, 음극 프로세스와 양극 프로세스의 온셋 사이의 전압차는 1.80 V에서 약 1.38 V로 좁혀진다.
BV2+이 없는 용액에서 이 전위 바이어스에서 ECL 신호가 관측되지 않는 반면, BV2+이 두 전극 실험을 위한 칸에 유입될 때, ECL은 ΔEelec = 1.4 V(도 13B)에서 용이하게 관측된다. 1.4 V 바이어스에서 신호의 출현은 용액에 대한 양극 및 음극 프로세스 사이의 1.38 V 창과 잘 상관된다.
상술한 것처럼, 바이폴라 또는 두 전극 구성의 양극 및 음극에서 일어나는 전기화학적 프로세스는 전기적으로 링크되지만 화학적으로는 링크되지 않는다. 양극에서 소비되는 전자의 수와 음극에서 제공되는 수 사이에는 일대일 대응관계가 있다. 이 예에서는 양극에서의 ECL 강도가 두 전극 셀의 음극에서의 전기화학적 반응의 발생을 반영 또는 보고하는 것을 도시하였다. 이는 이 센서의 센싱 기능과 보고 기능 사이의 관계와, 산화환원 전위에 기초한 2가지 다른 산화환원성 분석 대상물을 판별할 수 있음을 보여준다.
2. 카운터 전극 면적의 함수로서의 신호 강도
분석 대상물의 더 많은 전환을 야기하는(예를 들면, 음극에서) 실험 조건은 ECL 강도를 증강시킨다(예를 들면, 양극에서). 따라서, 다른 것이 동일한 조건일 때, 음극의 면적을 증가시키면 더 강한 ECL을 낳는다. 이를 보이기 위해서, 두 전극 영역(122, 124)이 바이폴라 전극(106)의 반대 단에 있고 전극에 걸린 전위장은 전극의 각 단 근처의 용액에서 전위차를 발생시키는 도 1A 및 1B와 유사한 본 발명의 실시예를 사용하여 음극과 양극의 상대적 면적의 함수로서 ECL 강도가 측정되었다.
3개의 다른 바이폴라 전극 형상이 양극 및 음극 영역의 상대 면적의 함수로서 ECL 방출 강도에 대해 테스트되었다. 제1 경우에, 전극은 음극 기능을 하는 넓은 상부(200 ㎛ x 100 ㎛)와 양극 기능을 하는 좁은 하부(50 ㎛ 폭)를 갖는 "T"자와 같은 형태로 된다. 제2 경우에, 전극은 일정한 폭(50 ㎛)의 띠 전극이어서, 음극과 양극은 면적이 동일하다. 제3 경우에, 다시 "T" 형태(상기와 동일한 차원)가 사용되지만, 양극 기능을 하는 넓은 상부와 음극 기능을 하는 좁은 하부를 갖는다. 모든 경우에, 전극은 500 ㎛ 길이였다. 전기장은 장축을 따라 걸린다.
5 mM Ru(bpy)3Cl2와 25 mM 3중 프로필아민을 포함하는, 0.1 M 인산염 완충액, pH 6.9의 용액이 각 전극과 접촉되도록 되었고, ECL 방출 스펙트럼은 1.88 V의 전기장이 각 전극의 길이를 따라 걸릴 때 기록되었다. 결과는 도 14에 도시되어 있다. 최고 ECL 강도는 음극의 면적이 양극에 비해 클 때 관측되었다.
방출 곡선 "1"과 "2" 사이의 차이는 모든 시약이 동일한 농도로 주어졌을 때에도, 이 경우 전극 영역 면적의 설계에 의해, 보고 전극 영역의 전류를 증가시켜, ECL 신호가 증강되었다.
3. 절연된 샘플 및 신호 칸을 가진 시스템에서의 산화환원 센싱 및 ECL 기반 광 보고
이 예에서, 신호 칸과 샘플 칸은 두 개의 분리된 모듈로서 형성되어 이온적으로 절연되었다. 칸들은 기준 전극(519)없이 도 5A에 제시된 시스템(500a)에 따라 구성되었다. 신호 칸은 1 mm 지름 글래시 카본 전극(514) 및 코일화된 Ag/AgCl 와이어 전극(512)을 포함하였다. 칸은 0.1 M 인산염 완충액(pH 7.5), 10 mM 염화나트륨을 포함하는 전해 용액(518), 및 ECL 시스템 10 mM 3중 프로필아민(TPA) 및 0.1 mM Ru(bpy)3Cl2(bpy =2,2'-bipyridine)으로 채워졌다. 샘플 칸은 1 mm 지름 글래시 카본 전극(508) 및 코일화된 Ag/AgCl 와이어 전극(506)을 포함하고, 칸은 0.1 M NaCl을 포함하고, 고유의 산화환원성을 갖는 모델 전해질 기능을 하는 5.0 mM K3Pe(CN)6을 더 포함하는 전해 용액으로 채워졌다. 두 가지 글래시 카본 전극은 구리 와이어로 서로 전기적으로 연결되었고("쇼트되었고"), 두 개의 Ag/AgCl 전극은 프로그램가능 전위 파형 발생기[카운터와 함께 점프된 기준 리드들을 가진 컴퓨터 제어 정전위기(potentiostat): 모델 CHI660A, CH 인스투르먼트, 텍사스 오스틴]에 연결되었다. 신호 칸의 글래시 카본 전극의 영역으로부터의 광 방출은 광전자 증배관(PMT, 모델 MP 963, 퍼킨 엘머, 캘리포니아 산타 클라라)을 가지고 측정되고 기록되었다.
도 15A는 두 개의 Ag/AgCl 전극 사이에 걸린 전위 오프셋을 선형적으로 스캔하여 상술된 시스템을 사용하여 얻어진 사이클릭 볼타모그램(CV)을 도시한다. 도 15B는 도 15A에 제시된 CV가 기록되는 동안 얻어진 전위 오프셋의 선형 스윕의 함수로서 광 방출을 도시한다. 도 15A 및 15B는 각 칸의 전기화학적으로 결합된 프로세스가 분석 대상물 특정 광 신호를 함께 생성하는 것을 함께 보여준다.
절연된 샘플 및 신호 칸을 사용하는 검출 시스템의 실시예는 두 개의 중요한 실질적인 유리함을 가질 수 있다. 먼저, 광 검출 장치와 결합하여 신호 칸은 독립적으로 최적화되고 분석 대상물 인식 프로세스가 일어나는 샘플 칸과 용이하게 인터페이스된다. 둘째, 발광원의 어레이는 각 어레이 요소를 위한 독립적으로 제어되는 회로를 필요로 하지 않는 실용적인 방식으로 산화환원 반응의 어레이에 결합될 수 있다. 이하 예에서 설명되는 것처럼, 발광원으로서 LED를 사용하는 것은 각 분석 대상물과 관련된 산화환원 반응이 동시에 연속적으로 모니터될 수 있도록 신호 생성 및 광학적 영상화를 패키지화하는 데도 적절하다.
4. 절연된 샘플 및 신호 칸을 가진 시스템에서의 산화환원 센싱 및 LED 기반 광 보고
이 예에서, LED 발광원은 이전 예의 ECL 시스템을 대체한다. 시스템 구성은 도 8의 시스템(500d)에 기초한다. 샘플 칸은 15 ㎛ 지름 글래시 카본 전극(506), 플래티늄 전극(508), Ag/AgCl 기준 전극(519)을 포함하였고, 칸은 모델 목표 분석 대상물로서 20 mM K3Fe(CN)6를 더 포함하는 0.1 M NaCl의 전해 용액으로 채워졌다. 두 개의 발광 다이오드(SSL-LK5094SRC/E, 디지키, 미네소타 티프 리버 폴스)가 전극 접촉(512, 514) 사이에 반대 배향으로 병렬로 연결되었다. 정전위기 회로는 작동 전극으로서의 글래시 카본 전극(506), 기준 전극으로서의 Ag/AgCl 전극(519) 및 카운터 전극으로서의 접촉(512)에 연결되었다.
도 16A는 포타슘 페리시아나이드(potasium ferricyanide) 분석 대상물의 존재를 나타내는 환원파를 가진 시스템의 사이클릭 볼타모그램을 도시한다. 도 16B는 도 16A의 CV에서 동시에 측정된 하나의 LED[음극 전류가 샘플 칸의 전극(506)을 통과할 때 전류를 통과시키는 LED]로부터의 방출 강도를 도시한다. LED 발광원에 의해 생성된 신호는 샘플 칸의 산화환원제 분석 대상물의 존재를 나타낸다.
본 발명의 실시예 및 예시가 상세하게 설명되었지만, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경예, 대체예, 대안예가 이에 이루어질 수 있다.

Claims (106)

  1. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법이며,
    상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 영역과 회합시키는(associate) 단계와,
    전기화학발광 시스템(electrochemiluminescent system)을 포함하는 제2 전해 용액을 제2 전극 영역과 회합시키는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전극 영역을 전기적으로 결합하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전해 용액을 이온적으로 결합하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전극 영역 사이에 전위차를 일으키는 단계와,
    상기 제2 전극 영역에서 상기 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 상기 제1 전극 영역에서의 상기 분석 대상물의 존재를 나타내는 단계
    를 포함하는 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 영역은 전극의 반대 단들과 회합되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 영역 사이에 전위차를 일으키는 단계는 상기 전극의 길이에 걸쳐 상기 전해 용액에 전기장을 발생시키는 단계를 포함하는 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 제1 전극을 포함하고, 상기 제2 전극 영역은 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 영역을 전기적으로 결합하는 단계는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전압원을 배치하는 단계를 포함하는 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극을 분리된 샘플 칸들에 배치하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해 용액을 이온적으로 결합하는 단계는 상기 분리된 샘플 칸들 사이에 이온 침투 장벽을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 이온 침투 장벽은 좁은 개구, 액체 대 액체 정합(liquid-liquid junction), 염 다리, 운반체 멤브레인(ionophoric membrane), 이온 침투 졸 겔 장벽(ion-permeable sol-gel barrier)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분석 대상물은 전자활성(electroactive) 분석 대상물을 포함하는 검출 방법.
  7. 제1항에 있어서, 산화환원제로 상기 분석 대상물을 라벨링(labeling)하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 공유적으로 결합되는 검출 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 비공유적으로 결합되는 검출 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 정전기적으로 결합되는 검출 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 산화환원제는 하나 이상의 산화환원 당량을 제공하는 검출 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 산화환원제는 산화환원 폴리머, 산화환원 덴드리머(dendrimer), 전도성 폴리머, 금속 콜로이드를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전기화학발광 시스템은 루테늄(ruthenium) 또는 오스뮴(osmium) 킬레이트(chelate) 및 아민(amine)을 포함하는 검출 방법.
  14. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법이며,
    상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 영역과 회합시키는 단계와,
    전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 제2 전극 영역과 회합시키는 단계와,
    희생 산화환원제(sacrificial redox reagent)를 포함하는 제3 전해 용액을 제3 전극 영역과 회합시키는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전극 영역 사이에 실질적으로 전위차가 없도록 상기 제1, 제2, 제3 전극 영역을 전기적으로 결합하는 단계와,
    상기 제1, 제2, 제3 전해 용액을 이온적으로 결합하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전극 영역과 상기 제3 전극 영역 사이에 전위차를 일으키는 단계와,
    상기 제2 전극 영역에서 상기 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 상기 제1 전극 영역에서의 상기 분석 대상물의 존재를 나타내는 단계
    를 포함하는 검출 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 전극 영역을 분리된 샘플 칸들에 배치하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 전해 용액을 이온적으로 결합하는 단계는 상기 분리된 샘플 칸들 사이에 각각의 이온 침투 장벽을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 각각의 장벽은 좁은 개구, 액체 대 액체 정합, 염 다리, 운반체 멤브레인, 이온 침투 졸 겔 장벽을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 분석 대상물은 전자활성 분석 대상물을 포함하는 검출 방법.
  18. 제14항에 있어서, 산화환원제로 상기 분석 대상물을 라벨링하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 공유적으로 결합되는 검출 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 비공유적으로 결합되는 검출 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 정전기적으로 결합되는 검출 방법.
  22. 제18항에 있어서, 상기 산화환원제는 하나 이상의 산화환원 당량을 제공하는 검출 방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 산화환원제는 산화환원 폴리머, 산화환원 덴드리머, 전도성 폴리머, 금속 콜로이드를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 방법.
  24. 제14항에 있어서, 상기 전기화학발광 시스템은 루테늄 또는 오스뮴 킬레이트 및 아민을 포함하는 검출 방법.
  25. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    용기(container)와,
    상기 용기 내에 배치되고, 제1 전극 영역과 제2 전극 영역을 구비하는 전극과,
    상기 용기 내에 놓이고, 상기 제1 전극 영역과 회합된 상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액과,
    상기 용기 내에 놓이고, 상기 제2 전극 영역과 회합된 전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액과,
    상기 제1 전극 영역과 상기 제2 전극 영역 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능한 전압원과,
    상기 전기화학발광 시스템으로부터의 광 신호의 발생에 의해 상기 분석 대상물의 존재를 검출하도록 동작가능한 검출기
    를 포함하는 검출 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전압원은 상기 전극의 길이에 걸쳐 상기 전해 용액에 전기장을 걸도록 동작가능한 검출 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 전극은 복수의 전극을 포함하고, 상기 전압원은 상기 각 전극의 길이에 걸쳐 상기 전해 용액에 전기장을 걸도록 동작가능한 검출 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 복수의 전극은 적어도 두 개의 다른 길이의 전극을 포함하는 검출 시스템.
  29. 제25항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 양극(anode)이고 상기 제2 전극 영역은 음극(cathode)인 검출 시스템.
  30. 제25항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 음극이고 상기 제2 전극 영역은 양극인 검출 시스템.
  31. 제25항에 있어서, 상기 전기화학발광 시스템은 루테늄 또는 오스뮴 킬레이트 및 아민을 포함하는 검출 시스템.
  32. 제25항에 있어서, 상기 용기는 제1 및 제2 샘플 칸으로 분리되고, 상기 제1 칸은 상기 제1 전해 용액을 담고, 상기 제2 칸은 상기 제2 전해 용액을 담는 검출 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제1 및 제2 샘플 칸 중 적어도 하나는 채널인 검출 시스템.
  34. 제25항에 있어서, 상기 제1 및 제2 샘플 칸은 상기 제1 샘플 칸과 상기 제2 샘플 칸 사이에 이온적 소통을 허용하도록 동작가능한 장벽에 의해 분리되는 검출 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 장벽은 좁은 개구, 액체 대 액체 정합, 염 다리, 운반체 멤브레인, 이온 침투 졸 겔 장벽을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 시스템.
  36. 제25항에 있어서, 상기 분석 대상물은 전자활성 분석 대상물을 포함하는 검출 시스템.
  37. 제25항에 있어서, 상기 분석 대상물은 산화환원제로 라벨링되는 검출 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 공유적으로 결합되는 검출 시스템.
  39. 제37항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 비공유적으로 결합되는 검출 시스템.
  40. 제37항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 정전기적으로 결합되는 검출 시스템.
  41. 제37항에 있어서, 상기 산화환원제는 하나 이상의 산화환원 당량을 제공하는 검출 시스템.
  42. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    용기와,
    상기 용기의 제1 부분과 회합된 제1 전극과,
    상기 용기의 제2 부분과 회합된 제2 전극과,
    상기 용기 내에 놓인 상기 분석 대상물을 포함하고 상기 제1 전극과 회합된 제1 전해 용액과,
    상기 용기 내에 놓인 전기화학발광 시스템을 포함하고 상기 제2 전극과 회합된 제2 전해 용액과,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능한 전압원과,
    상기 전기화학발광 시스템으로부터의 광 신호의 발생에 의해 상기 분석 대상물의 존재를 검출하도록 동작가능한 검출기
    를 포함하는 검출 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 전압원은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전기적 소통을 제공하는 검출 시스템.
  44. 제42항에 있어서, 상기 전위차는 시간에 따라 변하는 검출 시스템.
  45. 제42항에 있어서, 상기 용기 내에 배치된 제3 전극을 더 포함하는 검출 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제3 전극은 상기 제1 및 제2 전극과 다른 전위에 있는 검출 시스템.
  47. 제45항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 양극이고, 상기 제2 전극 영역은 양극이고, 상기 제3 전극 영역은 음극인 검출 시스템.
  48. 제45항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 음극이고, 상기 제2 전극 영역은 음극이고, 상기 제3 전극 영역은 양극인 검출 시스템.
  49. 제42항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 양극이고 상기 제2 전극 영역은 음극인 검출 시스템.
  50. 제42항에 있어서, 상기 제1 전극 영역은 음극이고 상기 제2 전극 영역은 양극인 검출 시스템.
  51. 제42항에 있어서, 상기 전기화학발광 시스템은 루테늄 또는 오스뮴 킬레이트 및 아민을 포함하는 검출 시스템.
  52. 제42항에 있어서, 상기 제1 전해 용액 및 상기 제2 전해 용액은 분리된 샘플 칸들 내에 놓이는 검출 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 분리된 샘플 칸들 중 적어도 하나는 채널인 검출 시스템.
  54. 제52항에 있어서, 상기 분리된 샘플 칸들은 상기 분리된 샘플 칸들 사이에 이온적 소통을 허용하도록 동작가능한 장벽에 의해 분리되는 검출 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 장벽은 액체 대 액체 정합, 염 다리, 운반체 멤브레인, 졸 겔 장벽을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 검출 시스템.
  56. 제42항에 있어서, 상기 분석 대상물은 전자활성 분석 대상물을 포함하는 검출 시스템.
  57. 제42항에 있어서, 상기 분석 대상물은 산화환원제로 라벨링되는 검출 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 공유적으로 결합되는 검출 시스템.
  59. 제57항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 비공유적으로 결합되는 검출 시스템.
  60. 제57항에 있어서, 상기 산화환원제는 상기 분석 대상물에 정전기적으로 결합되는 검출 시스템.
  61. 제57항에 있어서, 상기 산화환원제는 하나 이상의 산화환원 당량을 제공하는 검출 시스템.
  62. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 영역과 결합하는 수단과,
    전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 제2 전극 영역과 결합하는 수단과,
    상기 제1 및 제2 전극 영역을 전기적으로 결합하는 수단과,
    상기 제1 및 제2 전해 용액을 이온적으로 결합하는 수단과,
    상기 제1 및 제2 전극 영역 사이에 전위차를 발생시키는 수단과,
    상기 제2 전극 영역에서 상기 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여 상기 제1 전극 영역에서의 상기 분석 대상물의 존재를 나타내는 수단
    을 포함하는 검출 시스템.
  63. 하나 이상의 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법이며,
    적어도 하나의 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 칸과 회합시키는 단계와,
    발광원을 제3 전극 및 제4 전극을 포함하는 제2 칸과 회합시키는 단계와,
    상기 제1 및 제3 전극을 전기적으로 결합하는 단계와,
    상기 제2 및 제4 전극 사이에 전위차를 일으키는 단계와,
    상기 제2 칸의 상기 발광원으로부터 방출된 광을 검출하여, 상기 제1 칸에서의 상기 적어도 하나의 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 단계
    를 포함하는 검출 방법.
  64. 제63항에 있어서, 상기 발광원은 전기화학발광(ECL) 시스템을 포함하는 검출 방법.
  65. 제63항에 있어서, 상기 발광원은 발광 다이오드인 검출 방법.
  66. 제65항에 있어서, 상기 발광 다이오드는 반도체 발광 다이오드인 검출 방법.
  67. 제65항에 있어서, 상기 발광 다이오드는 가시광을 방출하는 검출 방법.
  68. 제63항에 있어서, 상기 제1 및 제3 전극은 하나의 모놀리식 바이폴라 전극(monolithic bipolar electrode)을 포함하는 검출 방법.
  69. 제63항에 있어서,
    복수의 제1 전극을 상기 제1 칸에 회합시키는 단계와,
    복수의 제3 전극을 상기 제2 칸에 회합시키는 단계와,
    복수의 발광원을 상기 제2 칸에 회합시키는 단계와,
    각각의 제1 및 제3 전극을 전기적으로 결합하는 단계와,
    상기 제2 칸에서 각각의 발광원으로부터 방출된 광을 검출하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  70. 제69항에 있어서, 상기 복수의 발광원은 발광 다이오드인 검출 방법.
  71. 제69항에 있어서, 상기 제2 전극은 음극이고 상기 제4 전극은 양극인 검출 방법.
  72. 제69항에 있어서, 상기 제2 전극은 양극이고 상기 제4 전극은 음극인 검출 방법.
  73. 대상 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 방법이며,
    상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 바이폴라 전극의 제1 영역과 회합시키는 단계와,
    전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 상기 바이폴라 전극의 제2 영역과 회합시키는 단계와,
    상기 제1 전해 용액을 상기 제2 전해 용액과 이온적으로 절연하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계와,
    상기 전기화학발광 시스템으로부터 방출된 광을 검출하여, 상기 바이폴라 전극의 상기 제1 전극 영역에서의 상기 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 단계
    를 포함하는 검출 방법.
  74. 제73항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해 용액이 동일한 조성을 갖게 하는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  75. 제73항에 있어서, 상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 바이폴라 전극의 제1 영역과 회합시키는 단계는 상기 분석 대상물을 포함하는 상기 제1 전해 용액을 복수의 바이폴라 전극의 각각의 제1 영역과 회합시키는 단계를 포함하고,
    전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액을 상기 바이폴라 전극의 제2극 영역과 회합시키는 단계는 상기 전기화학발광 시스템을 포함하는 상기 제2 전해 용액을 상기 복수의 바이폴라 전극의 각각의 제2 영역과 회합시키는 단계를 포함하는 검출 방법.
  76. 제75항에 있어서, 상기 복수의 바이폴라 전극의 각각에 대해 동일하도록 상기 제1 및 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계를 더 포함하는 검출 방법.
  77. 제73항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해 용액 사이에 전위차를 일으키는 단계는 상기 제1 전해 용액과 회합된 제1 전극과 상기 제2 전해 용액과 회합된 제2 전극 사이에 전위차를 부여하는 단계를 포함하는 검출 방법.
  78. 제77항에 있어서, 상기 제1 전극은 음극이고 상기 제2 전극은 양극인 검출 방법.
  79. 제77항에 있어서, 상기 제1 전극은 양극이고 상기 제2 전극은 음극인 검출 방법.
  80. 제73항에 있어서, 상기 바이폴라 전극의 상기 제1 영역은 상기 제2 영역의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 검출 방법.
  81. 제75항에 있어서, 상기 복수의 바이폴라 전극의 상기 각각의 제1 영역은 상기 각각의 제2 영역의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 검출 방법.
  82. 하나 이상의 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 칸과,
    상기 제1 칸과 회합된 적어도 하나의 대상 분석물을 포함하는 제1 전해 용액과,
    제3 전극 및 제4 전극을 포함하는 제2 칸과,
    상기 제2 칸과 회합된 발광원과,
    상기 제1 및 제3 전극을 전기적으로 결합하는 전도체와,
    상기 제2 및 제4 전극 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능한 전압원과,
    상기 제2 칸에서 상기 발광원으로부터 방출된 광을 검출하여 상기 제1 칸에서의 상기 적어도 하나의 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내도록 동작가능한 검출기
    를 포함하는 검출 시스템.
  83. 제82항에 있어서, 상기 발광원은 전기화학발광(ECL) 시스템을 포함하는 검출 시스템.
  84. 제82항에 있어서, 상기 발광원은 발광 다이오드인 검출 시스템.
  85. 제84항에 있어서, 상기 발광원은 반도체 발광 다이오드인 검출 시스템.
  86. 제84항에 있어서, 상기 발광 다이오드는 가시광을 방출하는 검출 시스템.
  87. 제82항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극은 하나의 모놀리식 바이폴라 전극을 포함하는 검출 시스템.
  88. 제82항에 있어서,
    상기 제1 칸은 복수의 제1 전극을 포함하고,
    상기 제2 칸은 복수의 제3 전극을 포함하고,
    상기 발광원은 상기 제2 칸과 회합된 복수의 발광원을 포함하고,
    상기 전도체는 각각의 제1 및 제3 전극을 전기적으로 결합하는 복수의 전도체를 포함하고,
    상기 검출기는 상기 제2 칸에서 각각의 발광원으로부터 방출된 광을 검출하도록 동작가능한 검출 시스템.
  89. 제88항에 있어서, 상기 복수의 발광원은 발광 다이오드인 검출 시스템.
  90. 제88항에 있어서, 상기 제2 전극은 음극이고 상기 제4 전극은 양극인 검출 시스템.
  91. 제88항에 있어서, 상기 제2 전극은 양극이고 상기 제4 전극은 음극인 검출 시스템.
  92. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    제1 칸과,
    상기 제1 칸과 회합된 제1 전극 및 바이폴라 전극의 제1 단과,
    제2 칸과,
    상기 제2 칸과 회합된 제2 전극 및 상기 바이폴라 전극의 제2 단과,
    상기 제1 칸 내에 놓인 상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액과,
    상기 제2 칸 내에 놓인 전기화학발광 시스템을 포함하는 제2 전해 용액과,
    상기 바이폴라 전극의 상기 제1 단과 상기 바이폴라 전극의 상기 제2 단을 전기적으로 결합하는 전도체와,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능한 전압원과,
    상기 제2 칸에서 상기 전기화학발광 시스템으로부터 발생된 광 신호를 검출하여, 상기 제1 칸의 상기 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내도록 동작가능한 검출기
    를 포함하는 검출 시스템.
  93. 제92항에 있어서, 상기 제1 및 제2 칸은 공통의 장벽을 공유하고 상기 공통의 장벽은 이온적으로 불침투성인 장벽을 포함하는 검출 시스템.
  94. 제93항에 있어서, 상기 바이폴라 전극의 상기 제1 및 제2 단 및 상기 제1 및 제2 단을 결합하는 상기 전도체는 상기 공통의 장벽을 연결하는(span) 모놀리식 바이폴라 전극을 포함하는 검출 시스템.
  95. 제94항에 있어서, 상기 제1 칸과 상기 제2 칸 사이에 상기 공통의 장벽을 연결하는 적어도 두 개의 바이폴라 전극을 더 포함하는 검출 시스템.
  96. 제94항에 있어서, 상기 바이폴라 전극의 상기 제1 영역은 상기 제2 영역의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 검출 시스템.
  97. 제94항에 있어서,
    각각에 회합된 각각의 제1 전극을 구비하는 복수의 제1 칸들을 더 포함하고,
    상기 전압원은 상기 각각의 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능하고,
    상기 검출기는 상기 제2 칸의 상기 전기화학발광 시스템에 의해 발생된 상기 광 신호를 검출하여 상기 적어도 하나의 제1 칸에 있는 상기 분석 대상물의 존재를 검출하도록 동작가능한 검출 시스템.
  98. 제97항에 있어서, 상기 전압원은 일련의 차례의 상기 제1 칸에 상기 전위차를 발생시키도록 동작가능한 검출 시스템.
  99. 제97항에 있어서, 상기 전압원은 상기 전위차를 동시에 발생시키도록 동작가능한 검출 시스템.
  100. 제92항에 있어서,
    복수의 제1 칸과,
    상기 제1 칸과 회합된 각각의 제1 전극 및 상기 바이폴라 전극의 각각의 제1 단과,
    상기 바이폴라 전극의 상기 각각의 제1 단과 상기 바이폴라 전극의 각각의 제2 단 사이에 상기 전도체를 전기적으로 결합하도록 동작가능한 스위치를 포함하고,
    상기 전압원은 상기 각각의 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위차를 발생시키도록 동작가능하고,
    상기 검출기는 상기 제2 칸에서 상기 전기화학발광 시스템에 의해 발생된 광 신호를 검출하여, 상기 제1 칸 중 하나에 있는 상기 분석 대상물의 존재를 검출하도록 동작가능한 검출 시스템.
  101. 제92항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 바이폴라 전극의 상기 제1 단은 평면 평행이고 15 ㎛ 미만의 분리 간격을 가지는 검출 시스템.
  102. 분석 대상물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 시스템이며,
    상기 분석 대상물을 포함하는 제1 전해 용액을 제1 전극 영역과 결합하는 수단과,
    발광원을 제2 전극 영역과 결합하는 수단과,
    상기 제1 및 제2 전극 영역을 전기적으로 결합하는 수단과,
    상기 제1 및 상기 제2 전극 영역 사이에 전위차를 발생시키는 수단과,
    상기 제2 전극 영역에서 상기 발광원으로부터 방출된 광을 검출하여, 상기 제1 전극 영역에서의 상기 분석 대상물의 존재 또는 양을 나타내는 수단
    을 포함하는 검출 시스템.
  103. 제102항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해 용액을 이온적으로 결합하는 수단을 더 포함하는 검출 시스템.
  104. 제102항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해 용액을 이온적으로 절연하는 수단을 더 포함하는 검출 시스템.
  105. 제102항에 있어서, 상기 발광원은 전기화학발광 시스템인 검출 시스템.
  106. 제102항에 있어서, 상기 발광원은 발광 다이오드인 검출 시스템.
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