KR20110000549A - 나노입자 전기발생 화학발광 증폭 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
측정 장치에 연결된 전기화학 셀을 사용하여 화학적 분석물을 분석하기 위한 방법, 구성 및 키트가 제공된다. 전기화학 셀은, 하나 이상의 전도성 또는 지시제, 하나 이상의 화학적 분석물, 및 레독스 활성 나노입자 (NP; nanoparticle) 를 갖는 용액을 함유한다. 또한, 전기화학 셀은 이 용액과 연통하는 하나 이상의 전극을 포함한다. 하나 이상의 촉매 ECL 특성은, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 생성되고, 하나 이상의 전극에서 또는 광학 검출 시스템을 통해서 측정된다.
Description
본 특허 출원은, 2008년 4월 11일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/123,780호; 2008년 4월 11일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/123,943호; 및 2008년 4월 21일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/124,935호의 이점을 우선권 주장하고; 그 전체 내용은 임의의 그리고 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 통합된다.
나노입자 ("NP"; nanoparticle) 의 물리적 특성, 예를 들어, 높은 표면-대-체적비, 상승된 표면 에너지, 가압 적재 이후에 증가된 연성, 더 높은 경도, 더 큰 비열 등은 물질-지향적 산업 및 물질 과학을 개선된 어플리케이션으로 이끌었다. 예를 들어, 다양한 금속 NP 는 수많은 반응을 촉진하도록 사용되어 왔다.
NP 의 크기는 1㎚ 미만에서 약 100㎚ 범위이고, 전기 에너지 대역 구성은, 나중에 물리적 및 화학적 특성에 영향을 줄 수 있는 크기-의존적 특성이다. 나노입자와 벌크 물질 사이의 근본적인 구별은, 나노입자의 표면의 곡률 반경 및 표면 입자의 분율은 격자 상수와 비교가능하다는 것이다. 그 결과, 나노구조의 촉매는 일반적으로 벌크 물질에 기초한 그 유사물과 비교하여 더 높은 촉매 활동성을 갖는다. NP 를 형성하는 수많은 방법이 당업자에게 알려져 있고, 이 방법들은 원자 (또는 더욱 복잡한 라디칼 및 분자) 를 결합시킴으로써 그리고 벌크 재료의 분산에 의해, 예를 들어, 열 증착, 이온 스퍼터링, 용액으로부터의 환원, 마이크로에멀전에서의 환원, 및 응축에 의한 형성을 포함한다.
어레이를 감지하는데 사용되는 콜로이드 입자가 보고되어 있다. 전도성 NP 물질의 복수의 비전도성 영역 및 전도성 영역을 교대로 갖는 어레이를 통해서 유체 내의 분석물을 검출하기 위한 화학적 센서가 있다. 전도성 및/또는 비전도성 영역의 조성을 질적으로 또는 양적으로 변화시킴으로써 센서간 화학물질 감도에서의 가변성이 제공되는 것으로 보고되어 있다.
또한, 단일 입자를 검출하기 위한 전기화학 디바이스를 채용하는 단일 입자 전기화학 센서도 보고되어 있다. 또한, 박테리아, 바이러스, 응집체 (aggregate), 면역-결합체 (immuno-complex), 분자, 또는 이온 종과 같은 입자를 검출하는 고감도를 달성하기 위해 이러한 디바이스를 사용하는 방법이 설명되어 있다.
본 발명은, 일반적으로, 나노입자 ("NP") 의 분야에 관한 것이고, 특히, 나노입자를 사용하여 촉매 반응으로부터 전기발생 화학발광 ("ECL"; electrogenerated chemiluminescence) 신호를 증폭시키기 위한 기구, 방법 및 시약에 관한 것이다. 단일의 NP, 특히 ㎚ 스케일의 NP 를 생성하고, 위치시키고, 특징화하는 것 그리고 NP 에 대한 이러한 전극 반응에 의해 발생된 매우 작은 전류 및 ECL 강도를 측정하는 것에 대한 어려움은 인식되어 왔다. 본 기술은, 매우 민감한 전기분석 기술 (electroanalytical technique) 로서, 입자 크기 분포, 표면 필름 공극률 등을 판정하기 위해 잠재적으로 적용될 수 있다.
전극 표면상의 매트릭스에서의 다른 종의 흡착은, 비특정 흡착일 수 있기 때문에, 전극을 패시베이팅함으로써 간섭할 수 있다. 이러한 문제는, 통상적으로, 청결한 전기화학 시스템 (셀 및 전해질), 샘플 사전처리를 사용함으로써, 및/또는 지지 전극 표면을 변형시킴으로써 극복될 수도 있다.
본 방법 및 장치는 전기발생 화학발광 ("ECL") 반응 체계를 통해서 전극에 의한 단일 나노입자 충돌 이벤트를 검출하기 위해 채용될 수도 있다. 단일 입자 충돌 이벤트는 매우 민감한 분석적 함축을 가질 수 있는 광의 버스트 (a burst of light) 를 발생시킨다. 이는 통상적으로, 샘플 챔버 내에서 복수의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 및 복수의 전기발생 화학발광 ("ECL") 부분을 포함하는 액체 샘플을 하나 이상의 전극과 접촉시킴으로써 발생한다. 이러한 반응을 통해서, 이러한 이벤트와 관련된 ECL 강도에서의 큰 증폭 요인이 달성될 수 있다. 예를 들어, Ru(bpy)3 2+ 의 존재하에서 트리-n-프로필 아민 ("TPrA") 의 산화는 백금 나노입자 표면에서 급격히 발생하지만, 특정 전위창 (certain potential window) 내의 인듐 주석 산화물 ("ITO") 전극 표면에서는 훨씬 느린 속도로 발생한다. 그 결과, 전극 표면에서 입자의 모든 충돌은, 입자 크기, 입자 체류 시간, 및 전극 표면과 입자 상호작용의 특성과 서로 상관되는 고유 ECL-시간 프로파일을 발생시킨다. 이 기술은, 특히 매우 민감한 전기분석 기술로서, 나노입자 크기 분포를 판정하고, 전자 전이 운동 (electron transfer kinetic) 을 조사하도록 사용될 수 있다. 이는, 생체 분자들 (DNA 혼성화, 단백질-DNA, 항체-항원, 단백질-소분자 사이의 상호작용) 사이에서 단일 결합 이벤트를 검출하고 조사함으로써 간단하고, 저비용이고, 고속이며, 초고감도인 분석 방법으로서 나노테크놀로지(nanotechnology), 바이오테크놀로지 (biotechnology), 임상 분석 (clinical analysis) 에의 용도를 가져야만 한다. 단일 분자 검출 레벨은 가능해야만 한다.
본 출원은 전극에서 단일 NP 의 충돌 도중에 생성된 ECL 을 관찰하기 위해 사용될 수도 있는 방법 및 장치를 제공한다. 이 방법 및 장치는 매우 민감한 전기분석 방법의 기초뿐만 아니라 단일 NP 에서의 전기화학 프로세스의 정보를 제공할 수 있다. NP 는 전자 공학, 광학, 촉매 작용, 및 바이오테크놀로지에의 광범위한 용도를 갖는 것으로 나타나 있다.
일 실시형태에서, 본 출원은 샘플 챔버 내에서 샘플을 분석하기 위한 방법 및 디바이스를 제공한다. 이 실시형태에서, 본 방법은 통상적으로 샘플 챔버 내의 액체 샘플에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 를 첨가하는 단계, 및 하나 이상의 전극을 사용하여 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 생성된 전류 및/또는 ECL 을 관찰하는 단계를 포함할 수도 있다. 통상적으로, 관찰된 전기분석 특성은 전도성 또는 레독스 활성 NP 에 의해 촉진된 전극 반응의 ECL 강도의 증폭이다. 그러나, 관찰된 특성은 전류에만 한정되지 않고, ECL 방출, 다른 전기적 파라미터, 또는 그 임의의 조합과 같은 다른 파라미터를 포함할 수도 있다.
본 출원에 개시된 디바이스는 일반적으로 전기화학 장치 및 광자 검출기를 포함하는 측정 장치에 연결된 전기화학 셀을 포함한다. 전기화학 셀 (예를 들어, 도 16 에 도시된 예시적인 디바이스 참조) 은 통상적으로 샘플 챔버 내의 하나 이상의 전극 및 그 전극과 연통하는 전기화학 장치를 갖는다. 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 는 샘플 챔버 내의 샘플로 주입될 수도 있다. 주입된 NP 는 그 샘플과 상호작용할 수 있고, 광자 검출기를 통해서 관찰될 수 있는 하나 이상의 광자를 생성할 수 있다. 선택적으로, 이 디바이스는 용액 내에 지시제를 함유할 수도 있다. 또한, 전기화학 셀은 나노미터 스케일의 치수를 가질 수도 있고, 극미세전극 ("UME") 을 포함할 수도 있다.
본 출원은, 적어도 하나의 NP 를 갖는 하나 이상의 화학적 분석물(들)을 분석하기 위한 키트 (kit), 적어도 하나의 화학적 지시제, 적어도 하나의 전극, 그리고 NP(들), 전극(들) 및 화학적 분석물(들) 사이에서의 상호작용에 의해 생성된 하나 이상의 전류 및 ECL 특성을 판독하는 측정 장치를 포함한다.
광학적 그리고 전기적 증진과 같은 다른 증폭 기술과는 대조적으로, 나노입자에 기초한 본 ECL 증폭 체계는 특히 유리하다. 수반된 큰 증폭 인자들은 단일 입자 충돌 이벤트를 관찰하는 것을 허용할 수 있다. 개별적인 충돌 이벤트를 연구함으로써, 이러한 단일 이벤트에 수반된, 주파수-관련 입자 농도, 증폭-관련 입자 크기 및 전극 표면에 결합하는 입자의 특성 등과 같은 다수의 프로세스가 더욱 조사되고 분석될 수 있다. 나노입자의 단층을 사용하는 촉매 증폭은 바이오센서 및 바이오테크놀로지에서 이미 널리 검증되어 있다. 처음으로, 단일 나노입자에서 ECL 증폭이 검증되었다. SEM 및/또는 TEM 과 같은 단일 입자에서의 단일 전자 전이 이벤트를 연구하는데 사용된 현재의 방법은 고가이고 저속의 기술이다. 이럼에도 불구하고, 이러한 기술은 입자 크기 분포를 연구하는데 널리 사용되고 있다. 또한, 이 출원에는 광 산란이 사용된다. 본 기술은, 사이즈 분포를 판정하기 위한, 대부분의 경우, 나노입자의 화학적 동일성 (chemical identity) 을 판정하기 위한 전위를 갖는다. 형광 현미경, 표면 플라즈몬 공명 및 강화된 라만 (Raman) 과 진동 분광학은 생체분자들 사이의 결합을 검출하고 스크리닝 (screen) 하기 위한 바이오테크놀로지에 매우 유용하다. ECL 기술은 훨씬 덜 고가이고 더욱 간편한 장치를 통해서 단일 분자 및 단일 전자 전이 이벤트 레벨에서 이러한 상호작용을 검출할 수 있다. 본 방법은 광원이 사용되지 않는 이점을 가지고 있어서, 산란광 및 발광체 (luminescent impurity) 의 방사로부터의 간섭은 문제가 되지 않는다. 또한, 본 방법은, 전기화학적 여기 (electrochemical excitation) 가 임시적 그리고 공간적인 제어를 허용할 수 있기 때문에, 다른 화학발광 방법보다 훨씬 편리하다.
수많은 실시형태에서, 나노입자 ("NP") 는 약 200㎚ 이하이고, 더욱 일반적으로는 약 100㎚ 이하인 적어도 일 디멘션을 갖고, 몇몇 실시형태에서는, 적어도 일 디멘션은 약 50㎚ 이하이다. 예를 들어, 나노구조의 재료는, 어떠한 디멘션도 약 100㎚ 보다 크지 않고, 몇몇 경우에는 20㎚ 이하인, 나노입자 ("NP") 일 수도 있다. 다른 예시는, 통상적으로 적어도 2 디멘션 종종 3 디멘션이 약 200㎚ 보다 크지 않고, 종종 50㎚ 보다 크지 않은, 나노결정 ("NC") 을 포함한다. 다른 실시형태는, 약 200㎚ 초과의 두께를 갖는 길고, 긴직선의 벨트형 형태를 갖는, 나노벨트 ("NB") 를 포함할 수도 있다. 이러한 나노벨트는 약 200 내지 1000㎚ 의 폭 및 약 5 내지 15㎛ 까지의 길이를 가질 수도 있고, 통상적으로는 약 5 대 10 의 폭-대-두께 비를 갖는다.
본 발명 및 장치의 특징 및 이점을 더욱 완전하게 이해하기 위해서, 첨부된 도면과 함께 상세한 설명에 대한 참조가 이루어진다.
도 1 은 Pt NP 충돌/ECL 생성 이벤트의 개략적인 도면이다.
도 2 는 매크로 Pt (도 2a 및 도 2b) 또는 ITO (도 2c 및 도 2d) 전극에서 Ru(bpy)3 2+ 및 트리-n-프로필 아민 ("TPrA") 을 함유하는 용액에 대한 순환 전압-전류 곡선 (도 2a 및 도 2c) 및 (ECL 강도 대 전위) 커브 (도 2b 및 도 2d) 를 나타낸다.
도 3 은 매크로 Pt 디스크 전극에서 과도 전류 (도 3a) 및 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 3b) 를 나타낸다.
도 4 는 상이한 농도의 Pt NP:0nM Pt NP "흑색"; ~1 nM Pt NP "적색"; 및 ~2 nM Pt NP "청색" 를 함유하는 용액 내의 ITO 전극에서 순환 전압-전류 곡선 ("CV"; 도 4a) 및 (ECL 강도 (초당 킬로카운트, "kcps") 대 전위) 커브 (도 4b) 를 나타낸다.
도 5 는, 2nM Pt 콜로이드 용액의 주입 이전 (도 5a 및 도 5b) 그리고 이후 (도 5c 및 도 5d) 의 ITO 전극에서 개별적인 과도 전류 (도 5a 및 도 5c) 및 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 5b 및 도 5d) 의 그래프이다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 5b 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 5d 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다. 도 5e 는 ~4㎚ 의 평균 직경을 갖는 대표적인 백금 NP 의 TEM 이미지를 나타낸다.
도 6 은 ~2nM Pt NP 용액의 주입 이전 (도 6a 및 도 6c) 및 이후 (도 6b 및 도 6d) 의 ITO 전극에서 ECL 과도 상태(도 6a 및 도 6b) 및 ECL 과도 상태의 대응 확률 밀도 함수 ("PDF") (도 6c 및 도 6d) 를 나타낸다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 6a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 6b 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 7 은 지시제 종 및 공동반응물의 거의 동일한 농도이지만, 3 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (0nM Pt NP (도 7a 및 도 7d); ~1nM Pt NP (도 7b 및 도 7e); 및 ~2nM Pt NP (도 7c 및 도 7f)) 의 ITO 전극에서 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 7a, 도 7b 및 도 7c) 및 대응 PDF (도 7d, 도 7e, 및 도 7f 각각) 및 그 분해된 가우시안 분포를 나타낸다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 7a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 7b 의 전체 광자 카운트 = 9247 이다. 도 7c 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 8 은 ITO 전극에서의 공동반응물 및 Pt NP (Pt NP 의 농도 : ~ 1.6nM (도 8a, 도 8b, 도 8c) 및 ~ 2nM (도 8d)) 의 거의 동일한 농도이지만, 지시제 종의 상이한 농도 (Ru(bpy)3 2+ 의 농도 : 1.2μM (도 8a), 2μM (도 8b), 4μM (도 8c) 및 6μM (도 8d)) 로부터 초래되는 상이한 (ECL 강도 대 시간) 기록의 그래프를 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d 에 대한 Es = 0.91V 이다. 도 8a 의 전체 광자 카운트 = 1913 이다. 도 8b 의 전체 광자 카운트 = 4538 이다. 도 8c 의 전체 광자 카운트 = 9781 이다. 도 8d 의 전체 광자 카운트 = 17166 이다.
도 9 는, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d 에 각각 나타난 (ECL 강도 대 시간) 커브에 대응하는 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d 의 PDF 및 그 분해된 다수의-정규 분포를 도시한다.
도 10 은, 상이하게 인가된 단차 전위들 : 0.71(V 대 SCE) (도 10a, 도 10d), 0.81(V 대 SCE) (도 10b, 도 10e) 및 1.11(V 대 SCE) (도 10c, 도 10f) 에서 ~1nM Pt NP 를 갖는 ITO 전극에서의 과도 전류 (도 10a, 도 10b, 도 10c) 및 그 대응 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 10d, 도 10e, 도 10f) 을 도시하는 그래프이다. 도 10d 의 (ECL + dark) 카운트 = 2222 이다. 도 10e 의 (ECL + dark) 카운트 = 5216 이다. 도 10f 의 (ECL + dark) 카운트 = 5821 이다.
도 11 은 도 10 (도 11a=도 10d; 도 11b=도 10e; 및 도 11c=도 10f) 및 그 대응 PDF (도 11d, 도 11e, 및 도 11f 각각) 에서 도시된 (ECL 강도 대 시간) 커브 및 분해된 다수의-가우시안 분포를 나타낸다. 도 11a (ECL + dark) 카운트 = 2222 이고, Es = 0.71V 이다. 도 11b 의 (ECL + dark) 카운트 = 5216 이고, Es =0.81 V 이다. 도 11c 의 (ECL + dark) 카운트 = 5821 이고, Es =1.11 V 이다.
도 12 는, Pt NP 의 부재시에 지시제 종 Ru(bpy)3 2+ 의 2 개의 상이한 농도 (3μM (도 12a) 및 6μM (도 12b)) 로부터 초래되는 ITO 전극에서의 ECL 과도 상태의 PDF 이다. 도 12a 에서, Es = 0.91(V 대 SCE); 평균, μ=33 카운트; 및 편차 σ=6.5 이다. 도 12b 에서, Es = 0.91(V 대 SCE); 평균, μ=69 카운트; 및 편차 σ=7 이다.
도 13 은 Pt NP 에 의해 야기된 주파수 도메인에서 ECL 강도의 변동을 도시하는 도 7 (도 13a=도 7a; 도 13b=도 7c) 에 도시된 바와 같이, 2 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (0㎚ Pt NP (도 13a 및 도 13c); ~2nM Pt NP (도 13b 및 도 13d) 로부터 초래되는 ECL 과도 (도 13a 및 도 13b) 의 스펙트럼 밀도 함수 ("SDF") (도 13c 및 도 13d) 의 예시를 도시한다. 도 13a 내지 도 13d 에 대한 Es=0.91 (V 대 SCE) 이다. 도 13d 에서, MCS dwt = 15.6ms 이다. 도 13a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 13b 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 14 는 도 7 에 도시된 바와 같이 3 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (바닥 함수 0nM Pt NP; 중간 함수 ~1 nM Pt NP;; 상단 함수 ~2nM Pt NP) 로부터 초래되는 ECL 과도의 시간 상관 함수 ("TCF") 의 예시를 나타낸다.
도 15 는 ~2nM Pt NP 의 주입 이전 ("흑색" 커브) 및 주입 이후 ("적색" 커브) 에 용액 내의 ITO 전극에서 과도 전류 (도 15a 및 도 15c) 및 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 15b 및 도 15d) 의 두 부분을 나타낸다. 이 용액은 0.1 M NaClO4, 포스페이트 완충제 (pH 7.0), 1.3μM Ru(bpy)3(ClO4)2 및 5mM TPrA 를 함유한다. ITO 전위는, 도 15a 및 도 15b 에서 4s (채널 거주 시간, τch=15.6ms) 및 도 15c 및 도 15d 에서 250ms (τch=975μs) 의 2 개의 상이한 시간 주기 동안 0 에서 0.91 (V 대 SCE) 로 진척된다.
도 16 은, 전기화학 셀의 예시적인 실시형태 및 본 명세서에 개시된 본 방법에서 채용될 수 있는 ITO 전극 및 광학 시스템의 배열을 도시한다. 예시적인 셀은 ITO 동작 전극, 카운터 전극, 및 기준 전극 뿐만 아니라 광증폭기 튜브를 통해서 샘플 셀에 커플링된 광자 승산기를 포함한다.
도 1 은 Pt NP 충돌/ECL 생성 이벤트의 개략적인 도면이다.
도 2 는 매크로 Pt (도 2a 및 도 2b) 또는 ITO (도 2c 및 도 2d) 전극에서 Ru(bpy)3 2+ 및 트리-n-프로필 아민 ("TPrA") 을 함유하는 용액에 대한 순환 전압-전류 곡선 (도 2a 및 도 2c) 및 (ECL 강도 대 전위) 커브 (도 2b 및 도 2d) 를 나타낸다.
도 3 은 매크로 Pt 디스크 전극에서 과도 전류 (도 3a) 및 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 3b) 를 나타낸다.
도 4 는 상이한 농도의 Pt NP:0nM Pt NP "흑색"; ~1 nM Pt NP "적색"; 및 ~2 nM Pt NP "청색" 를 함유하는 용액 내의 ITO 전극에서 순환 전압-전류 곡선 ("CV"; 도 4a) 및 (ECL 강도 (초당 킬로카운트, "kcps") 대 전위) 커브 (도 4b) 를 나타낸다.
도 5 는, 2nM Pt 콜로이드 용액의 주입 이전 (도 5a 및 도 5b) 그리고 이후 (도 5c 및 도 5d) 의 ITO 전극에서 개별적인 과도 전류 (도 5a 및 도 5c) 및 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 5b 및 도 5d) 의 그래프이다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 5b 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 5d 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다. 도 5e 는 ~4㎚ 의 평균 직경을 갖는 대표적인 백금 NP 의 TEM 이미지를 나타낸다.
도 6 은 ~2nM Pt NP 용액의 주입 이전 (도 6a 및 도 6c) 및 이후 (도 6b 및 도 6d) 의 ITO 전극에서 ECL 과도 상태(도 6a 및 도 6b) 및 ECL 과도 상태의 대응 확률 밀도 함수 ("PDF") (도 6c 및 도 6d) 를 나타낸다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 6a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 6b 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 7 은 지시제 종 및 공동반응물의 거의 동일한 농도이지만, 3 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (0nM Pt NP (도 7a 및 도 7d); ~1nM Pt NP (도 7b 및 도 7e); 및 ~2nM Pt NP (도 7c 및 도 7f)) 의 ITO 전극에서 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 7a, 도 7b 및 도 7c) 및 대응 PDF (도 7d, 도 7e, 및 도 7f 각각) 및 그 분해된 가우시안 분포를 나타낸다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안에 0 에서 0.91V (V 대 SCE) 로 진척된다. 도 7a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 7b 의 전체 광자 카운트 = 9247 이다. 도 7c 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 8 은 ITO 전극에서의 공동반응물 및 Pt NP (Pt NP 의 농도 : ~ 1.6nM (도 8a, 도 8b, 도 8c) 및 ~ 2nM (도 8d)) 의 거의 동일한 농도이지만, 지시제 종의 상이한 농도 (Ru(bpy)3 2+ 의 농도 : 1.2μM (도 8a), 2μM (도 8b), 4μM (도 8c) 및 6μM (도 8d)) 로부터 초래되는 상이한 (ECL 강도 대 시간) 기록의 그래프를 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d 에 대한 Es = 0.91V 이다. 도 8a 의 전체 광자 카운트 = 1913 이다. 도 8b 의 전체 광자 카운트 = 4538 이다. 도 8c 의 전체 광자 카운트 = 9781 이다. 도 8d 의 전체 광자 카운트 = 17166 이다.
도 9 는, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d 에 각각 나타난 (ECL 강도 대 시간) 커브에 대응하는 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d 의 PDF 및 그 분해된 다수의-정규 분포를 도시한다.
도 10 은, 상이하게 인가된 단차 전위들 : 0.71(V 대 SCE) (도 10a, 도 10d), 0.81(V 대 SCE) (도 10b, 도 10e) 및 1.11(V 대 SCE) (도 10c, 도 10f) 에서 ~1nM Pt NP 를 갖는 ITO 전극에서의 과도 전류 (도 10a, 도 10b, 도 10c) 및 그 대응 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 10d, 도 10e, 도 10f) 을 도시하는 그래프이다. 도 10d 의 (ECL + dark) 카운트 = 2222 이다. 도 10e 의 (ECL + dark) 카운트 = 5216 이다. 도 10f 의 (ECL + dark) 카운트 = 5821 이다.
도 11 은 도 10 (도 11a=도 10d; 도 11b=도 10e; 및 도 11c=도 10f) 및 그 대응 PDF (도 11d, 도 11e, 및 도 11f 각각) 에서 도시된 (ECL 강도 대 시간) 커브 및 분해된 다수의-가우시안 분포를 나타낸다. 도 11a (ECL + dark) 카운트 = 2222 이고, Es = 0.71V 이다. 도 11b 의 (ECL + dark) 카운트 = 5216 이고, Es =0.81 V 이다. 도 11c 의 (ECL + dark) 카운트 = 5821 이고, Es =1.11 V 이다.
도 12 는, Pt NP 의 부재시에 지시제 종 Ru(bpy)3 2+ 의 2 개의 상이한 농도 (3μM (도 12a) 및 6μM (도 12b)) 로부터 초래되는 ITO 전극에서의 ECL 과도 상태의 PDF 이다. 도 12a 에서, Es = 0.91(V 대 SCE); 평균, μ=33 카운트; 및 편차 σ=6.5 이다. 도 12b 에서, Es = 0.91(V 대 SCE); 평균, μ=69 카운트; 및 편차 σ=7 이다.
도 13 은 Pt NP 에 의해 야기된 주파수 도메인에서 ECL 강도의 변동을 도시하는 도 7 (도 13a=도 7a; 도 13b=도 7c) 에 도시된 바와 같이, 2 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (0㎚ Pt NP (도 13a 및 도 13c); ~2nM Pt NP (도 13b 및 도 13d) 로부터 초래되는 ECL 과도 (도 13a 및 도 13b) 의 스펙트럼 밀도 함수 ("SDF") (도 13c 및 도 13d) 의 예시를 도시한다. 도 13a 내지 도 13d 에 대한 Es=0.91 (V 대 SCE) 이다. 도 13d 에서, MCS dwt = 15.6ms 이다. 도 13a 의 전체 광자 카운트 = 8428 이다. 도 13b 의 전체 광자 카운트 = 9968 이다.
도 14 는 도 7 에 도시된 바와 같이 3 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (바닥 함수 0nM Pt NP; 중간 함수 ~1 nM Pt NP;; 상단 함수 ~2nM Pt NP) 로부터 초래되는 ECL 과도의 시간 상관 함수 ("TCF") 의 예시를 나타낸다.
도 15 는 ~2nM Pt NP 의 주입 이전 ("흑색" 커브) 및 주입 이후 ("적색" 커브) 에 용액 내의 ITO 전극에서 과도 전류 (도 15a 및 도 15c) 및 (ECL 강도 대 시간) 기록 (도 15b 및 도 15d) 의 두 부분을 나타낸다. 이 용액은 0.1 M NaClO4, 포스페이트 완충제 (pH 7.0), 1.3μM Ru(bpy)3(ClO4)2 및 5mM TPrA 를 함유한다. ITO 전위는, 도 15a 및 도 15b 에서 4s (채널 거주 시간, τch=15.6ms) 및 도 15c 및 도 15d 에서 250ms (τch=975μs) 의 2 개의 상이한 시간 주기 동안 0 에서 0.91 (V 대 SCE) 로 진척된다.
도 16 은, 전기화학 셀의 예시적인 실시형태 및 본 명세서에 개시된 본 방법에서 채용될 수 있는 ITO 전극 및 광학 시스템의 배열을 도시한다. 예시적인 셀은 ITO 동작 전극, 카운터 전극, 및 기준 전극 뿐만 아니라 광증폭기 튜브를 통해서 샘플 셀에 커플링된 광자 승산기를 포함한다.
본 발명의 방법 및 장치의 다양한 실시형태들을 제작하고 사용하는 것이 이하 상세하게 설명되며, 본 출원은 다양한 구체적인 내용들에서 채용될 수 있는 수많은 적용가능한 신규의 개념을 제공한다는 것에 유념해야만 한다. 본 명세서에 설명된 구체적인 실시형태는 본 발명의 방법 및 장치를 제작하고 사용하기 위한 구체적인 방법들을 단지 설명하며, 본 발명의 범위를 한정하도록 의도되지 않는다.
본 출원은 단일의 입자 충돌 이벤트시에 종의 급격한 반응에 수반된 중대한 ECL 강도 증폭 요인에 기초한 방법을 제공한다. 나노입자 NP 의 표면에서 용액내의 종들의 반응은 동일한 전위 영역내의 동작 전극 표면에서 중대한 ECL 을 생성하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 상황에서, 전기화학 셀이 이러한 전위 영역 내에서 동작될 때, 중대한 ECL 은 동작 전극과 전기적으로 접촉하는 나노입자의 표면 (동작 전극 그 자체는 아님) 에서 발생하는 전기화학 생성 이벤트로부터만 생성될 것이다.
본 방법에서 채용된 ECL 부분은 전기발생 종 및 광의 방사 ("전기화학발광"; electrochemiluminescence) 를 초래하는 레독스 반응에 수반될 수 있는 화합물이다. 예를 들어, 전기화학발광은, 하나 이상의 반응물이 전기화학적으로 자극되는 프로세스에 의해 생성된 루미네선스를 수반할 수도 있고, 하나 이상의 화학 반응물을 발광하는 바람직하게는 반복적으로 발광하는 (ECL 부분으로부터 유래된) 종을 생성하게 할 수도 있다. 즉, ECL 부분은, 전기화학적으로 개시된 레독스 반응을 통해서, 일반적으로는 가시 스펙트럼에서의 파장에서 발광할 종으로 변환될 수 있는 화합물이다. ECL 부분은 금속-함유 착물을 포함할 수도 있다. 이러한 화합물에 포함될 수도 있는 적절한 금속은 루테늄, 오스뮴, 레늄, 세륨, 유로퓸, 테르븀, 및/또는 이테르븀을 포함한다. 유기 리간드를 갖는 루테늄-함유 화합물은 본 방법에서 일반적으로 채용된다. 금속-함유 화합물은 종종 여러자리 리간드 (polydentate ligand), 예를 들어, 비피리딜, 치환된 비피리딜, 1,10-페난트롤린 및/또는 치환된 1,10-페난트롤린과 같은 방향족 여러자리 리간드를 포함한다. 적절한 ECL 부분의 구체적인 예시는 비스(2,2'-비피리딜)루테늄(II) 또는 트리스(2,2'-비피리딜)루테늄(II) 부분을 포함하는 화합물을 포함한다. ECL 라벨로서 작용할 수 있는 화합물의 일 그룹은 Ru(bpy)3 2+ 염, 예를 들어, Ru(bpy)3 Cl2 이다.
본 명세서에 설명된 방법에 채용된 나노입자는 당업자에게 알려진 다양한 방법에 의해 생성될 수 있다. 이는, 원자들 (또는 더욱 복잡한 라디칼들 및 분자들) 을 결합시키고, 예를 들어, 열 증착, 이온 스퍼터링, 용액으로부터의 환원, 마이크로에멀전에서의 환원, 및 응축과 같은 벌크 물질의 분산에 의해 NP 를 형성하는 방법을 포함한다. 예를 들어, 백금 NP 는 H2PtCl6 수용액과 시트르산 나트륨 수용액을 결합시키고, 그 후, 강교반 (vigorous stirring) 하에서 NaBH4 수용액을 적하하여 첨가함으로써 제조된 용액으로부터 생성될 수도 있다. 이 용액은 다른 30 분 동안 교반하면서 유지되었다. 당업자는, 콜로이드 나노입자를 함유하는 다른 용액, 예를 들어 백금, 팔라듐 또는 루테늄 나노입자의 콜로이드 용액이 유사하게 제조될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
이러한 방법에 의해 생성된 NP 의 크기는 1㎚ 미만에서 약 100㎚ 까지의 범위일 수 있다. 더욱 일반적으로, 이러한 나노입자의 평균 크기에 대한 범위는 그 직경이 약 1㎚ 내지 10㎚ 이고, 약 2 내지 7㎚ 의 직경일 수도 있다. 예를 들어, 도전성 백금 나노입자와 같은 적절한 나노입자는 약 4㎚ 의 평균 직경을 갖는 약 2㎚ 내지 6㎚ 직경의 크기 범위를 가질 수 있다.
본 방법에 채용된 콜로이드 NP 의 용액은 pM 내지 nM 범위의 콜로이드 NP 의 농도를 가질 수도 있다. 수많은 경우, 약 1 내지 10nM 의 NP 농도가 사용된다. 이러한 용액은 예를 들어, 약 0.1μM (100nM) 콜로이드 NP 를 함유하는 시험물질용액 (stock solution) 의 10 내지 100μL 의 부분표본 (aliquot) 을 더 큰 체적의 샘플 용액 (예를 들어, 대략 5mL) 에 첨가함으로써 편리하게 제조될 수 있다. 몇몇 어플리케이션에서, 콜로이드 나노입자의 약 100pM 이하를 함유하는 샘플 용액이 채용될 수도 있다.
본 방법에서, 통상적으로 샘플 용액은 ECL 라벨 화합물 및 선택적인 공동반응물의 훨씬 높은 농도를 함유한다. 예를 들어, 콜로이드 NP 의 농도가 pM 내지 nM 범위에 있는 경우, 본 방법은 ECL 라벨 화합물, 예를 들어, Ru(bpy)3 2+ 염의 약 1 내지 20μM, 및 ECL 공동반응물, 예를 들어, TPrA 의 약 1 내지 100mM를 포함하는 샘플 용액을 사용하여 적절하게 수행될 수도 있다.
도 1 은 단일의 백금 NP 충돌 이벤트의 개략적인 도면이다. 입자가 충돌하고 체류 시간 동안 몇몇 산화 반응 (여기서는 개략적인 Ru(bpy)3 2+ 및 TPrA) 을 촉진시키는 전극으로 입자가 확산된다. 전극에서 단일의 백금 NP 의 충돌은 입자-촉진된 반응을 위한 그 특성 (ECL 강도 대 시간) 과도에 의해 전기화학적으로 관찰되었다. 단일의 이벤트는 용액 내에 존재하는 공동반응물 (예를 들어, Ru(bpy)3 2+ 및 TPrA) 및 지시제 종의 전기촉매 반응에 의해 발생된 ECL 에 의해 특징화된다. 전기촉매 반응이 관심 전위의 선택된 전극에서 발생하지 않고 NP 보다 훨씬 큰 확산 계수를 갖는 높은 농도의 지시제 종 및 공동반응물을 수반할 수 있기 때문에, ECL 강도에서의 현저한 증폭이 발생한다. 모든 충돌은 입자 크기, 입자 체류 시간 및 전극 표면과 NP 상호작용의 특징과 상관될 수 있는 고유한 (ECL 강도 대 시간) 프로파일을 생성한다. 본 발명은 또한 단일의 NP 에서 불균일 운동의 연구 및 매우 민감한 전기분석 기술의 적용을 허용한다.
평탄한 매크로전극 (planar macroelectrode) (예를 들어, 공동반응물로서 포스페이트 완충제 (pH~7.5), 10μM (Ru(bpy)3 2+) 및 50mM 트리-n-프로필 아민 ("TPrA") 를 함유하는 0.1M NaClO4 용액 내의 2nM Pt NP 의 분산액에 침지된 인듐 주석 산화물 ("ITO") 전극) 에서, 입자들이 표면에 부착될 때의 전극 표면 Jp , s 로의 입자들의 확산-제어된 흐름은:
이고, 여기서, Dp 는 입자 확산 계수이고, Cp 는 입자 농도이다. 보통, 간단한 NP 또는 나노전극 페러데이 또는 충전 프로세스에서, 오직 하나 또는 몇몇 전자 (np) 만이 NP 와 전극 사이에서 이동하여 백그라운드 (background) 전류 레벨 이상을 관찰하기에는 너무 작은 전류, ip ,s=npFAeJp ,s (여기서, Ae 는 전극 면적이고, F 는 페러데이 상수임) 를 산출한다. 그러나, 반경 r0 의 초소형전극 ("UME"; ultramicroelectrode) 상에서, 충전동안의 전류는, DR 이 R 의 확산 계수인 시간~ r0 2/DR 에서 안정적인 상태에 도달하는 R 산화 동안의 충전 페러데이 전류 및 입자 충전을 포함하는 과도 전류이다. 상이한 유형의 충돌이 발생할 수 있기 때문에, 각각의 충돌 이벤트에 대한 전류-시간 ("i-t") 과도 전류는, 전극에서의 입자의 체류 시간, T, 즉, 전극이 전자를 입자에 통과시킬 수 있을 때의 시간 주기에 의해 판정될 것이다. 입자가 안정 상태 전류에 도달하기 위한 충분한 시간 동안 전극에 부착하고, 농도 CR 의 반응물 R 이 반경 α 의 입자에서만 산화되는 경우, 입자와 R 의 상대적인 안정-상태 흐름에 의해 제공되는 증폭 인자는 ~ (B/16)(DRCRα)/(DpCpr0) 이다. 이는, ~B(DRCRr0)/4(DpCpα) 의 상대적인 안정-상태 전류 (np=nR 이고, nR 은 반응시에 수반되는 전자의 수라고 가정함) 에 도달할 것이다. 1pM 입자 용액 및 10mM 지시제 R 에 대해, 입자의 확산 계수가 대략 10 배만큼 상이하다고 가정하면, 1㎚ 반경 입자에 대한 추정 증폭 인자는 9 내지 10 배일 수 있다. 금속 NP 을 사용하여 촉매 반응으로부터 전류를 증폭시키기 위한 방법 및 시약이 본 명세서에 기재되고 제공된다.
도 2d 에 도시된 바와 같이, 용액 내에서 상대적으로 높은 농도의 공동반응물과 지시제 종의 반응은 0.88V 의 음의 전위에서 ITO 전극에서의 상당한 ECL 강도를 생성하지 않고, 동일한 용액 조건하에서 0.75 (V 대 SCE) 의 전위의 Pt 디스크 전극에서 (도 2b 참조) 상당한 ECL 강도가 용이하게 관찰될 수 있다. 이에 대응하는 순환 전압-전류 곡선이 도 2a 및 도 2c 에 도시된다.
도 3 은 25mM 포스페이트 완충제 (pH~7.5) 를 함유하고, (Ru(bpy)3(ClO4)2) 및 50mM TPrA 포화된 0.1 M NaClO4 용액 내에 매크로 Pt 디스크 전극에서의 과도 전류 (도 3a) 및 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 3b) 이다. 전류 및 ECL 강도 모두는 작은 노이즈 레벨을 갖는 완만한 커브였다.
도 4 는, Pt NP ("흑색" 커브) 주입 이전, ~ 1 nM Pt NP ("적색" 커브) 주입 이후, ~ 2nM Pt NP ("청색" 커브) 주입 이후의 용액의 ITO 전극에서의 순환 전압-전류 곡선 (도 4a) 및 ECL 강도 (초당 킬로카운트 "kcps") 대 전위 커브 (도 4b) 를 나타낸다. 이 용액은 0.1M NaClO4, 포스페이트 완충제 (pH 7.0), 10μM Ru(bpy)3(ClO4)2 및 50mM TPrA 를 함유한다. 전위 스캔 레이트는 포인트 s 에서부터 20mV 이다. ITO 상에서, Pt NP 의 존재시에, 도 4b 의 "흑색" 커브에서 나타난 바와 같이, 어떠한 인지가능한 ECL 강도도 그 전위가 대략적으로 양의 0.85 (V 대 SCE) 일 때까지 관찰되지 않았고, 상당한 전류가 ~0.6V 주위의 전위에서 흐르기 시작하였다 (도 4a 의 "흑색" 커브 참조). 그러나, NP 가 존재하고 다른 반응물을 전기촉매할 수 있는 경우, ITO 와 접촉시에 Pt NP 에서의 종 R 대 O (예를 들어, (Ru(bpy)3 2+ 또는 TPrA) 의 산화라 할 수 있고, 도 4b 의 "적색" 커브에 도시된 것과 같은 ECL 강도에서의 중대한 강화가 더 낮은 바이어스 전위 (≤0.75 V) 에서 관찰될 수 있다. 도 4b 에 도시된 바와 같이, ECL 강도의 강화는 Pt NP 의 농도가 증가함에 따라 증가하고, 이는, ECL 강화가 ITO 와 접촉시에 Pt NP 유도된 전기화학 반응과 관련된다는 것을 나타낸다.
본 방법의 일 실시형태에서, 도 5 는 백금 입자를 주입하기 전 그리고 후의 용액 내의 ITO 전극에서의 과도 전류를 나타낸다. 도 5a 는 백금 NP 의 부재시에 3μM Ru(bpy)3 2+ 및 5mM TPrA 내의 ITO 전극에서의 과도 전류의 그래프이고; 도 5c 는 ~2nM Pt NP 의 존재시에 3μM Ru(bpy)3 2+ 및 5mM TPrA 내의 ITO 전극에서의 과도 전류의 그래프이다. 도 5b (전체 광자 카운트 = 8428) 는 도 5a 에 대응하는 (ECL 강도 대 시간) 커브이다. 도 5d (전체 광자 카운트 = 9968) 는 도 5c 에 대응하는 (ECL 강도 대 시간) 커브이다. 도 5e 는 평균 직경 ~4㎚ 를 갖는 대표적인 백금 NP 의 TEM 이미지이다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안 0 에서 0.91 (V 대 SCE) 로 진척되었다.
백금 콜로이드 용액은 나트륨 시트레이트의 존재시에 수소화 붕소 나트륨으로 H2PtCl6 를 환원시킴으로써 획득되었다. 입자 크기는 약 2 내지 약 6㎚ 사이, 대부분 4㎚ 직경의 분포였다. 몇몇 실시형태에서, 전기화학 셀 내에서 ~ 1nM Pt NP 를 획득하기 위해 4mL 완충된 전해질 용액으로 약 40μL Pt 콜로이드 용액 (~0.1nM Pt NP) 이 주입되었다. 이 용액을 잘 혼합한 후, 지지 전극 상에서 원하는 진폭의 단차 전위를 인가하고, 머지않아 전류 및 ECL 강도의 변화를 동시에 모니터링함으로써 과도 전류 및 (ECL 강도 대 시간) 반응이 기록되었다.
도 6c 는, 동일한 강도를 갖는 ITO 전극에서 ECL 이벤트의 출현의 수를, 어떠한 Pt NP 도 존재하지 않을 때 도 6a (전체 광자 카운트 = 8428) 에서 나타난 (ECL 강도 대 시간) 기록에 대한 확률 밀도 함수 ("PDF") 로서 나타낸다. PDF 는 ~ 33 카운트에서 피크된 평균 ECL 강도를 갖는 정규 가우시안 분포를 나타낸다. 도 6d 는, 동일한 강도를 갖는 ITO 전극에서 ECL 이벤트의 출현의 수를, ~2nM Pt NP 가 존재할 때 도 6b (전체 광자 카운트 = 9968) 로 나타난 (ECL 강도 대 시간) 기록에 대한 확률 밀도 함수 ("PDF") 로서 나타낸다. ITO 전위는 4 초의 지속기간 동안 0 에서 0.91 (V vs. SCE) 로 진척되었다.
도 7 은, 지시제 종 및 공동반응물의 거의 동일한 농도이지만 3 개의 상이한 콜로이드 Pt NP 농도 (0nM Pt NP (도 7a 및 도 7d); ~1nM Pt NP (도 7b 및 도 7e); 및 ~2nM Pt NP (도 7c 및 도 7f)) 에서의 ITO 전극에서의 (ECL 강도 대 시간) 커브 (도 7a (전체 광자 카운트 = 8428), 도 7b (전체 광자 카운트 = 9217) 및 도 7c (전체 광자 카운트 = 9968)) 및 대응하는 PDF (도 7d, 도 7e 및 도 7f 각각) 및 그 분해된 가우시안 분포를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전반적인 ECL 강도는 첨가된 ~1nM Pt NP 의 각각의 증분에 대해 ~ 10% 만큼 증가되었다. ~ 33 카운트에서 대부분의 PDF 피크가 Pt NP 의 부재시에 관찰되지만, 다수의 피크는 Pt NP 의 농도가 증가함에 따라, 예를 들어, 도 7e 에 도시된 커브에 대한 20 및 46 카운트에 가까운 피크에서 발현한다. 46 카운트에 가까운 피크의 전반적인 ECL 강도에 대한 상대적인 기여도는 NP 농도를 증가시킴에 따라서 증가하고, 이는 이 피크가 NP 충돌로부터 주로 기여된다는 것을 제안한다. 34 카운트에 가까운 ECL 피크의 위치가 NP 농도에만 약간 의존한다는 것에 유의한다.
도 8 은 Pt NP 및 공동반응물의 농도를 거의 일정하게 유지시킴으로써 지시제 종의 상이한 농도를 초래하는 상이한 (ECL 강도 대 시간) 기록을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전반적인 ECL 강도는 이 경우 지시제 종, 예를 들어, Ru(bpy)3 2+ 의 농도가 증가함에 따라 증가한다. 또한, 연속적인 ECL 배경에 걸친 ECL 강도에서의 변동은 지시제 종의 농도의 증가에 따라 증가한다. 이 거동은, PDF 의 상대 진폭뿐만 아니라 분포도 나타내는 PDF 의 상대 진폭뿐만 아니라 분포도 나타내는 도 9 에 도시된 대응 PDF 에 잘 반영되고, 이 PDF 는 지시제 종의 농도에 강하게 의존한다.
각각의 전류 및 ECL 프로파일은 측정 전극 상의 개별적인 단일 분자 및 NP 충돌과 관련된다. 개별적인 (ECL 강도 대 시간) 프로파일의 특징은 입자 크기, 입자 체류 시간, 입자와 전극 표면 사이의 상호작용, 지시제 종과 공동반응물의 활성 매개물 및 지시제 종의 여기 상태의 발생을 위한 운동에 의해 영향을 받는다. 대부분의 경우, 입자는 충돌 이후에 전극을 떠나고, ECL 강도는 큰 광자 스파이크를 나타냄으로써 매우 날카롭게 증가하지만, 그후, 연속적인 ECL 배경으로 복귀한다.
도 10 은 상이한 인가된 전위에서 ITO 전극에서의 대응 (ECL 강도 대 시간) 커브 및 과도 전류를 나타낸다. 운동-제어 영역 (도 4 에 도시된 순환 전압-전류 곡선 또는 (ECL 강도 대 전위) 커브에서의 피크 전위의 네거티브 전위 웰) 에서, 전반적인 ECL 강도 및 ECL 강도 변동 모두는 바이어스를 증가시킴에 따라 증가한다 (예를 들어, 도 10d 및 도 10e 참조). 또한, 음으로 충진된 입자와 양으로 충진된 표면 사이에서 서로 끌어당기는 상호작용 (전기영동 효과) 이 있고, 이는, 입자가 전극 표면상으로 접착되는 것을 야기한다. 훨씬 더 양의 값으로 전위를 설정함으로써 이러한 효과를 시험하였다. 물질 전이 및 운동 한정이 수반되지만, 더 많은 충돌이 관찰되었다 (도 10f 참조).
상이한 단계 전위에서의 (ECL 강도 대 시간) 커브 및 대응 PDF 가 도 11 에 도시된다. ECL 강도의 변동은 도 11d, 도 11e 및 도 11f 에 도시된 바와 같이 다수의 정규 분포의 특징이다. 각각의 개별적인 충돌 이벤트에서 발생하는 ECL 이 변동하는 이유는, 전극 표면으로의 NP 이동 및 충돌의 랜덤 특성 (예를 들어, 전자 터널링이 가능한 거리에서 전극 표면으로 입자가 얼마나 가까이 접근할 수 있는지), 체류 시간, 및 입자 크기 효과에 기인한다.
비교를 위해, ECL 과도 전류 및 Pt NP 의 부재시에 지시제 종의 상이한 농도로부터 초래되는 대응 PDF가 평가된다 (도 12 참조). 도시된 바와 같이, PDF 는 지시제 종의 농도에 거의 비례하는 평균 ECL 강도를 갖는 우세한 단일의 정규 분포를 나타낸다.
도 13 은, 콜로이드 Pt NP 를 함유하거나 또는 함유하지 않는 용액 내에서 ECL 과도의 스펙트럼 밀도 함수 ("SDF") 를 비교한다. ECL 과도의 SDF 는 주파수 도메인에서 ECL 강도의 변동을 표현한다. 도시된 바와 같이, Pt NP 를 갖는 또는 갖지 않는 용액에서, 전반적인 ECL 강도의 큰 비율은 거의 안정-상태 (f=0 Hz) 연속 배경으로부터 기여한다. 이러한 용액 내의 Pt NP 의 존재는 다양한 저주파수 성분 (f≥3Hz) 의 ECL 강도 변동에 현저하게 기여하고, 평가된 NP 의 분산도를 제안한다.
Pt NP 농도의 함수로서 몇몇 (ECL 강도 대 시간) 기록의 시간 상관 함수 (TCF) (도 14 참조) 는 거의 안정-상태의 값에 도달하는 ms 내의 ECL 강도 붕괴를 나타낸다. 단일의 입자 충돌 이벤트에서 종 (및/또는 그 공동반응물) 의 급격한 EC 반응에 수반되는 ECL 의 순간적인 반응은 확산 한계(수 ns) 에 도달할 수 있고, 당업자로 하여금 신속한 운동을 연구하도록 허용한다.
도 15 는 Pt NP 주입 전후에 용액 내의 ITO 전극에서의 ECL 강도 과도 상태 및 전류를 나타낸다. 도 15a 및 도 15c 에서 도시된 것과 같이, 매크로 ITO 전극이 측정 전극으로서 사용되는 한, Pt NP 가 존재하는지에 관계없이, 과도 전류는 커브들을 부드럽게 붕괴한다. 그러나, (ECL 강도 대 시간) 커브가 광자 카운트의 진폭 및 주파수 (도 15b 및 도 15d 참조) 에서 중대한 변동을 나타낸다. 지시제 종 및 공동반응물의 농도가 거의 일정하게 유지될 때, 용액 내의 Pt NP 의 농도에 강하게 의존하고, 이는 광자 카운트의 변동이, 지지 전극과 충돌함에 따라 NP 상에서의 촉진된 반응과 관련된다는 것을 제안한다.
단일의 NP 충돌 이벤트는 지시제로서 Ru(bpy)3 2+ 를 사용하고 공동반응물로서 TPrA 를 사용하여 조사되고, 당업자는 다른 지시제 및/또는 공동반응물이 사용될 수도 있다는 것을 알 것이다. 배경 전류를 절감하고, 상대 ECL 효율을 강화시키기 위해, 전극 또는 NP 에는 특정 표면 처리를 행할 수 있다. 예를 들어, 금 전극은 용액 종으로 전자 터널링할 수 있는 안정 단층을 형성하는 벤젠디메탄티올의 표면 어셈블링된 단층으로 코팅될 수 있다. 다른 티올기가 백금 입자에 강하게 결합될 수 있다. 매크로전극 또는 UME 는 ITO, 금, 니켈, Pt, Ir, Rh, 및/또는 카본 (예를 들어, 글래시 카본, 그라파이트, 또는 다이아몬드) 를 포함할 수도 있다. 또한, 지시제 종은 Ru(bpy)3 2+ 또는 당업자에게 알려진 다른 재료일 수도 있다.
도 16 은 본 방법에 채용될 수도 있는 예시적인 전기화학 셀 2 의 개략적인 도면을 도시한다. 셀은 광자 검출기 (14) 를 포함하는 광학 시스템 및 ITO 동작 전극 (4) 을 포함한다. 도 16 에 도시된 셀에서, 아발란치 스타일 포토다이오드일 수도 있는 광자 검출기의 입력 슬릿과 ITO 전극 사이에 어떠한 포커싱 렌즈도 위치되지 않는다. 또한, 이 도면에 도시된 셀은, 백금 카운터 전극일 수도 있는 카운터 전극 (6), Ag/AgCl 기준 전극과 같은 기준 전극 (8), 및 커버 (10) 를 포함한다. 일 실시형태에서, 셀은, 광섬유 (10), 예를 들어, 전기화학 셀 (2) 과 광자 검출기 (14) 를 연결하는, 약 1 내지 2㎜ 의 직경을 갖는 광섬유를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 적절한 아발란치 스타일 포토다이오드는 약 10e-5 내지 10e-4㎠ 의 활성 면적을 가질 수도 있다. ITO 동작 전극의 활성 면적은 적절하게 약 0.01 내지 0.5㎠ 일 수도 있다.
본 출원은, 매크로 전극 또는 UME 와의 단일 입자 충돌 이벤트를 관찰하는 신규의 방법을 제공한다. 단일 이벤트는 용액 내에 존재하는 공동반응물을 가지거나 또는 가지지 않는 지시제의 입자-촉매 반응을 통해서 생성된 ECL 또는 전류에 의해 특징화된다. 지시제는 고농도 및 높은 확산 계수를 갖는 것으로 선택될 수 있기 때문에, 현저한 증폭이 발생한다. 모든 충돌은, 입자 크기, 입자 체류 시간, 및 전극 표면과의 입자 상호작용에 상관될 수 있는 ECL 과도 현상 또는 고유 전류를 발생시킨다. 입자 농도, 입자 크기 (예를 들어, 백금 시트레이트 NP 대 백금 옥살레이트 NP), 인가된 기판 전위, 및 지시제의 농도를 변형시킴으로써, 단일 입자에서의 지시제 반응에 대한 정보를 획득하기 위해 i-t 프로파일 또는 (ECL 강도 대 시간) 커브를 사용할 수 있어야만 한다. NP 를 사용하여 광학, 전도성 및 대량 신호를 증폭시키는 것과 비교하면, 본 방법에서의 촉매 전류 또는 ECL 능폭은 단일 입자 충돌 이벤트의 관찰을 허용하고, i-t 또는 (ECL 강도 대 시간) 커브를 통해서, 단일 입자 레벨에서의 전기화학 운동의 연구를 허용한다. 또한, 이는, 입자 크기 분포를 판정하는데 유용할 수도 있고, 매우 민감한 전기분석 방법으로서, 단일 결합 이벤트 레벨에 유용할 수도 있다.
백금 NP 용액은, 2mM H2PtCl6 수용액의 60mL 를 50mM 나트륨 시트레이트 수용액의 3mL 와 조합함으로써 제조되었고, 강교반 하에서, 120mM NaBH4 수용액 7mL 이 서서히 적하 첨가되었다. 그 결과로 초래되는 용액은 다른 30 분 동안 교반하며 유지되었다. 당업자는, 예를 들어, 백금, 팔라듐 및 루테늄과 같은 다른 NP 용액이 유사하게 제조될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
본 출원은 측정 장치에 연결된 전기화학 셀을 갖는 화학 분석물을 분석하기 위한 방법, 조성 및 키트를 설명한다. 전기화학 셀은, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 를 갖는 용액 (일반적으로, NP 의 콜로이드 용액 형태), 하나 이상의 화학적 분석물 (지시제 및 공동반응물로서) 을 함유한다. 또한, 전기화학 셀은 그 용액와 연통하는 하나 이상의 전극을 함유한다. 하나 이상의 전기촉매 특성은, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 생성되고, 방출된 전자기 방사를 측정하기 위해 하나 이상의 전극 또는 다른 검출 장치 (예를 들어, 광자 검출기) 를 사용하여 이 특성이 측정될 수 있다.
본 출원은 전기화학 셀 내에서 용액 내에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 의 사용을 포함하는 방법을 제공한다. 전도성 NP 는 전체적으로 또는 부분적으로 금속일 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전도성 NP 는 백금 NP, 금 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP, ITO NP 또는 그 혼합물 및 조합일 수도 있다. 또한 NP 는 NP 의 외부 재료와는 상이한 재료의 코어를 가질 수도 있다. NP 가 약 0.5㎚ 와 100㎚ 사이의 크기로 된 직경일 수도 있지만, 일 실시형태에 대한 일반적인 크기 범위는 약 1㎚ 와 10㎚ 사이의 직경 그리고 평균적으로 4㎚ 의 직경이다. 또한, NP 직경의 크기 분포는 일반적으로 균일하고, 분산질이며 또는 다양할 수도 있다. NP 는 용액 내의 다른 그룹들에 비해 직경이 상이하지만 그 그룹 내에서는 동일한 직경을 갖는 입자들의 상이한 그룹을 가질 수도 있다.
하나 이상의 전기촉매 특성은 장치에 의해 측정될 수 있는 임의의 특징일 수 있지만, 가장 일반적인 특징은 전도성 NP 에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 전기촉매 ECL 증폭이다. 다른 적절한 특징의 예는 전류, 저항, 임피던스, 커패시턴스, 인덕턴스 또는 그 조합을 포함한다.
예시적인 실시형태
일 실시형태에서, 샘플을 분석하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 샘플 챔버 내의 액체 샘플에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 를 첨가하는 단계; 및 전극에서의 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 생성된 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학적 특성을 관찰하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학적 특성을 측정하는 것은 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 초래되는 전기화학발광 강도를 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이 측정은, 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터의 전류 증폭을 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 이러한 방법의 일부로서 측정될 수도 있는 다른 전기촉매 특징은, 전류, 저항, 임피던스, 커패시턴스, 인덕턴스 또는 그 조합을 포함한다. 광 특징이 측정되는 것은 전기화학-발광 강도를 측정하는 것을 포함하는 수많은 경우에서, 샘플은 ECL 공동반응물, 예를 들어, 트리알킬 아민과 같은 제 3 차 아민을 더 포함한다.
본 발명에서 채용될 수도 있는 적절한 전도성 나노입자의 예는 백금 NP, 금 NP, 은 NP, 구리 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP, ITO NP, 전도성 산화물 NP, 전도성 폴리머 NP 또는 그 조합을 포함한다. 본 발명에 채용된 나노입자는 50㎚ 이하의 최대 치수 (예를 들어, 약 1㎚ 내지 25㎚ 의 최대 치수) 를 갖는다. 예를 들어, 나노입자는 약 1㎚ 내지 10㎚ 의 직경 (예를 들어, 약 4-5㎚ 의 직경을 평균으로 하는 나노입자) 일 수도 있다.
본 발명에 사용되는 적절한 전극 재료의 예는 ITO, Pt, Au, Ni, Rh, Ir 및 카본 (예를 들어, 글래시 카본, 그라파이트, 또는 다이아몬드) 을 포함한다. 본 출원에서 예시된 바와 같이, 인듐 주석 산화물 ("ITO") 또는 금 동작 전극을 함유하는 셀과 같은 샘플 셀을 사용하는 방법에는 백금 NP 이 사용될 수도 있다.
본 방법에 채용된 적절한 ECL 일부분은 레독스 활성, 이온 발광 화합물을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 레독스 활성, 이온 발광 화합물은, 전기화학발광 여러자리 금속 착물, 예를 들어, 하나 이상의 복소고리방향족 여러자리 리간드, 및 루테늄, 오스뮴, 레늄, 세륨, 유로퓸, 테르븀 및 이테르븀으로부터 선택된 금속을 포함하는 여러자리 금속 착물을 포함할 수도 있다. 여러자리 금속 착물은 루테늄, 및 비피리딜, 치환된 비피리딜, 1,10-페난트롤린 및/또는 치환된 1,10-페난트롤렌으로부터 선택된 적어도 하나의 여러자리 리간드를 포함할 수도 있다.
다른 실시형태는 화학적 분석물을 분석하기 위한 키트에 관한 것이다. 이 키트는:
하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP;
하나 이상의 화학적 지시제 (예를 들어, ECL 라벨); 및
샘플 챔버, 예를 들어, 플로우 셀 내에 위치된 하나 이상의 전극
을 포함한다.
전기화학 셀은 측정 장치에 연결가능하다. 전도성 또는 레독스 활성 NP, 화학적 분석물 및 적어도 하나의 전극은 전기촉매 전류 및/또는 측정 장치에 의해 판독가능한 ECL 특성을 생성하기 위해 용액과 연통한다.
다른 실시형태는, (a) 챔버 내에서 하나 이상의 나노입자를 액체 샘플에 첨가시키는 단계 및 (b) 전극에서 하나 이상의 나노입자와 샘플의 상호작용으로부터 초래되는 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학적 특징을 측정하는 단계를 포함하는 샘플을 분석하는 방법을 제공한다. 샘플 챔버는 그 내부에 위치된 하나 이상의 전극을 갖고, 예를 들어, 동작 전극, 카운터 전극 및 기준 전극을 포함할 수도 있다. 샘플은 전기발생 화학발광 ("ECL 일부분") 할 수 있는 복수의 일부분을 포함하고, 또한, ECL 일부분의 전기발생 화학발광을 강화시킬 수 있는 공동반응물을 포함할 것이다. 예를 들어, 샘플이 복수의 루테늄 기반 ECL 일부분을 포함하는 경우, 샘플 내의 공동반응물로서 제 3 차 알킬 아민, 예를 들어, 트리프로필 아민 ("TPrA") 을 포함하는 것이 유리할 수도 있다. 나노입자는 전도성 또는 레독스 활성 물질로 형성된다. 본 실시형태에 채용될 수도 있는 적절한 전도성 나노입자의 예는 백금 NP, 금 NP, 은 NP, 구리 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP, 및/또는 전도성 산화물 NP 를 포함한다.
다른 실시형태는, (a) 챔버 내에서 하나 이상의 전도성 나노입자를 액체 샘플에 첨가시키는 단계 및 (b) 전극에서 하나 이상의 나노입자와 샘플의 상호작용으로부터 초래되는 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학적 특징을 측정하는 단계를 포함하는 샘플을 분석하는 방법을 제공한다. 적절한 전도성 나노입자의 예는 백금 NP, 금 NP, 은 NP, 구리 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP, ITO NP, 전도성 산화물 NP, 전도성 NP 또는 그 조합을 포함한다. 본 출원에서 예시된 바와 같이, 백금 NP 는 인듐 주석 산화물 동작 전극을 함유하는 샘플 셀을 사용하는 이러한 방법에 채용될 수도 있다. 이 실시형태에서, 전기화학 및/또는 광학 특징을 측정하는 것은 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 초래되는 전기화학발광 강도를 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이 측정은 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 전류 증폭을 측정하는 것을 포함할 수도 있다.
다른 실시형태는, 적어도 하나의 나노입자를 갖는 화학적 분석물을 분석하기 위한 디바이스를 제공한다. 이 디바이스는 측정 장치에 연결된 전기화학 셀을 적절하게 포함한다. 전기화학 셀은 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP, 하나 이상의 화학적 분석물, 지시제를 포함하는 용액을 함유할 수 있고, 이 용액과 연통하는 하나 이상의 전극을 갖는다. 디바이스는, 하나 이상의 전극에서 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 발생되는 하나 이상의 전기화학 특징을 측정할 수 있다.
다른 실시형태는 (a) 하나 이상의 전극을 갖는 챔버 내에서 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 샘플을 조합하는 단계; 및 (b) 전극들 중 하나의 전극에서 NP 와 샘플의 상호작용에 의해 발생된 하나 이상의 전기화학적 특징을 측정하는 단계를 포함하는 신호 증폭의 방법에 관한 것이다.
다른 실시형태는 하나 이상의 전극을 갖는 챔버 내에서 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 샘플을 조합하는 단계; 및 하나 이상의 전극에서 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 샘플의 상호작용에 의해 발생된 하나 이상의 전기화학적 및/또는 광학적 특징을 측정하는 단계를 포함하는 신호 증폭의 방법을 제공한다. 하나 이상의 전기화학적 및/또는 광학적 특징은 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터의 전기발생 화학발광을 포함할 수도 있다. 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학적 특징은, 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 레독스 반응, 예를 들어, 일부분 및, 선택적으로는 트리알킬 아민 (예를 들어, 트리프로필아민) 과 같은 ECL 공동반응물을 수반하는 레독스 반응으로부터의 전류 증폭을 포함할 수도 있다.
본 출원은, 전극에서 단일 NP 들의 충돌 동안 발생된 ECL 을 관찰하기 위해 사용될 수도 있는 방법 및 장치를 제공한다. 이 방법 및 장치는 단일 NP 에서의 전기 화학 프로세스의 정보 뿐만 아니라 매우 민감한 전기분석 방법을 제공할 수 있다. 이러한 방법은 통상적으로, 전도성 또는 레독스 활성 나노입자의 콜로이드 용액인 액체 샘플을 샘플 챔버 내에 하나 이상의 전극과 접촉시키는 단계; 전극에서 NP 와 액체 샘플의 상호작용에 의해 발생된 적어도 하나의 전기화학 및/또는 광학적 특징을 관찰하는 단계를 포함한다. 통상적으로, 액체 샘플은 ECL ("ECL 라벨 화합물") 을 할 수 있는 화합물 및 선택적으로, 제 3 차 알킬 아민 (예를 들어, 트리프로필 아민) 과 같은 ECL 공동반응물을 포함한다. 샘플 용액은 보통 ECL 라벨 화합물 및 선택적인 공동 화합물의 훨씬 더 높은 농도를 함유한다. 예를 들어, 콜로이드 NP 의 농도가 pM 내지 nM 범위에 있는 경우, 샘플 용액은 ECL 라벨 화합물 (예를 들어, Ru(bpy)3 2+ 염) 의 약 1 내지 20μM, 및 ECL 공동반응물 (예를 들어, 트리프로필 아민) 의 약 1 내지 100mM 을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이 측정은 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터의 전류 증폭을 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 특정 실시형태에서, 이 측정은 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 초래하는 전기화학발광 강도를 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 이러한 방법의 일부로서 측정될 수도 있는 다른 전기촉매 특징은 전류, 저항, 임피던스, 커패시턴스, 인덕턴스 또는 그 조합을 포함한다.
다른 실시형태는:
나노스케일 셀이, 샘플 챔버 내에 하우징된 샘플과 연통하도록 위치된 하나 이상의 전극; 샘플 챔버 내에서 증착된 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP (여기서, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 는 하나 이상의 전기촉매 전류 또는 ECL 특징을 발생시키기 위해 샘플과 상호작용함); 및 하나 이상의 전기촉매 전류 또는 ECL 특징들을 검출하기 위해 하나 이상의 전극과 연통하는 검출기를 포함하는
적어도 하나의 NP 를 함유하는 샘플을 분석하기 위한 나노스케일 전기화학 셀에 관한 것이다. 나노스케일 전기화학 셀은 UME 또는 매크로전극을 포함할 수도 있다 (즉, 샘플 컴파트먼트가 매크로전극과 접촉하도록 위치될 수도 있다). NP 는, 백금 NP, 금 NP, 은 NP, 구리 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP, ITO NP, 전도성 화합물 NP, 전도성 화합물 또는 레독스 폴리머 NP 또는 그 조합을 포함할 수도 있다.
다른 실시형태에서, 샘플을 분석하는 방법은: 하나 이상의 전극을 갖는 챔버에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 및 액체 샘플을 도입하는 단계 (여기서, 샘플은 복수의 전기발생 화학발광 ("ECL") 일부분을 포함함); 및 하나 이상의 전극에서 하나 이상의 나노입자와 샘플의 전기촉매 상호작용으로부터 초래되는 하나 이상의 전기화학적 및/또는 광학적 특징을 측정하는 단계를 포함한다. 이 샘플은 지방족 3 차 아민, 예를 들어, 트리프로필 아민 또는 트리에틸 아민과 같은 ECL 공동반응물을 더 포함할 수도 있다. ECL 부분은 루테늄-함유 유기 화합물을 포함할 수도 있다. 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자는 백금 나노입자를 포함할 수도 있는데, 예를 들어, 전극은 인듐 주석 산화물 동작 전극을 포함한다. 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특징을 측정하는 것은, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 전류 증폭을 측정하는 것을 포함할 수도 있고, 및/또는 상기 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터 초래되는 전기화학발광 강도를 측정하는 것을 포함한다.
본 상세한 설명에 개시된 임의의 실시형태들은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 임의의 방법, 키트, 시약, 또는 조성에 대해서 고찰될 것이다. 또한, 본 구성은 본 명세서에 개시된 방법들을 달성하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 특정 실시형태들은 본 발명의 제한이 아닌 설명의 방법으로 나타난다. 본 발명의 주요 특징은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 실시형태에 채용될 수 있다. 당업자는, 본 명세서에 설명된 구체적인 절차에 대한 일상적인 실험, 수많은 등가물만을 사용하는 것을 인식할 것이고, 또는 이들만을 사용한다는 것을 확인할 수 있을 것이다. 이러한 등가물은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되고, 특허청구범위에 의해 커버된다.
특허청구범위 및/또는 상세한 설명에서 용어 "구비하는 (comprising)" 와 관련하여, 단어 단수표현 ("a" 또는 "an") 의 사용은 "하나 (one)" 을 의미할 수도 있지만, "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나 이상" 의 의미와도 일치한다. 특허청구범위에서의 용어 "or" 의 사용은, 본 개시물이 "및/또는" 및 대안책만을 지칭하는 정의를 지지하지만, 대안책만을 지칭하도록 명시적으로 지시되지 않는 한 또는 대안책이 상호 배타적이지 않는 한, "및/또는" 을 의미하는 것으로 사용된다. 본 출원 전체에 걸쳐서, 용어 "약 (about)" 은, 값이 디바이스에 대한 에러의 고유 변화, 값을 결정하는데 채용되는 방법, 또는 연구 주제들 중에서 존재하는 변화를 포함하도록 사용된다.
본 상세한 설명 및 특허청구범위(들)에 사용되는 바와 같이, "구비하는 (comprising)" (및 "comprise" 및 "comprises" 와 같은 comprising 의 임의의 형태), "갖는 (having)" ("have" 및 "has" 와 같은 having 의 임의의 형태), "including" ("includes" 및 "include" 와 같은 including 의 임의의 형태) 또는 "함유하는 (containing)" ("contains" 및"contain" 과 같은 containing 의 임의의 형태) 는 포괄적이고 개방된 형태이며, 추가적이고 재인용되지 않은 엘리먼트 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다.
본 명세서에 사용된 것과 같은 용어 "또는 그 조합 (or combinations thereof)" 은 그 용어에 선행하는 열거된 아이템들의 모든 변형 및 조합을 지칭한다. 예를 들어, "A, B, C, 또는 그 조합" 은 A, B, C, AB, AC, BC, 또는 ABC 중 적어도 하나를 포함하도록 의도되고, 그 순서가 특정 내용에서 중요한 경우, BA, CA, CB, BCA, BCA, ACB, BAC, 또는 CAB 도 포함하도록 의도된다. 이 예시에서 계속하여, BB, AAA, MB, BBC, AAABCCCC, BCCAAA, CABABB 등과 같은 하나 이상의 아이템 또는 용어의 반복을 포함하는 조합이 명백하게 포함된다. 당업자는, 통상적으로, 내용에 명백하게 명시되어 있지 않은 한, 임의의 조합의 용어 또는 아이템의 수는 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에서 청구되고 개시된 모든 조성 및/또는 방법은 본 개시물을 고려하여 불필요한 실험 없이도 이행되고 실행될 수 있다. 본 발명의 조성 및 방법이 특정 예시적인 실시형태들에 의해 설명되었지만, 본 발명의 개념, 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 조성 및/또는 방법, 및 단계 또는 방법의 단계의 시퀀스들에 변형이 적용될 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 모든 이러한 유사한 치환 및 변형은 본 발명의 사상, 범위 및 개념 내에 있는 것으로 고려된다.
Claims (23)
- (a) 하나 이상의 전극을 갖는 챔버 내의 액체 샘플에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 (redox) 활성 나노입자 (NP; nanoparticle) 를 첨가하는 단계로서, 상기 액체 샘플은 복수의 전기발생 화학발광 (ECL; electrogenerated chemiluminescent) 부분을 포함하는, 상기 첨가하는 단계; 및
상기 하나 이상의 전극에서의 상기 액체 샘플과 상기 하나 이상의 나노입자의 상호작용으로부터 초래되는 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성을 검출하는 단계를 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 상기 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 공동반응물 (coreactant) 을 갖거나 또는 갖지 않는 상기 ECL 부분의 레독스 반응으로부터 초래되는 특성을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 상기 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 공동반응물을 갖거나 또는 갖지 않는 상기 ECL 부분의 레독스 반응으로부터의 전기발생 화학발광을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 상기 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 공동반응물을 갖거나 또는 갖지 않는 상기 ECL 부분의 레독스 반응으로부터 초래되는 전류 증폭을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전극은 ITO, Pt, Ir, Rh, Au, 카본 및/또는 Ni 를 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 는 백금 NP, 금 NP, 은 NP, 구리 NP, 팔라듐 NP, 카본 NP 또는 그 조합을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 NP 는 약 50㎚ 보다 크지 않은 최대 치수를 갖는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 NP 는 약 1㎚ 내지 약 25㎚ 의 최대 치수를 갖는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 는 백금 NP 를 포함하고;
상기 하나 이상의 전극은 Pt, Au, Ir, Rh, 및/또는 카본을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ECL 부분은 레독스 활성의 이온성 발광 화합물을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 레독스 활성의 이온성 발광 화합물은, 전기화학발광 여러자리 금속 착물을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 전기화학발광 여러자리 금속 착물은, 루테늄, 오스뮴, 레늄, 세륨, 유로퓸, 테르븀 및 이테르븀으로부터 선택된 금속 및 복소고리 방향족 여러자리 리간드를 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 전기화학발광 여러자리 금속 착물은 비피리딜, 치환된 비피리딜, 1,10-페난트롤린 및/또는 치환된 1,10-페난트롤린으로부터 선택된 적어도 하나의 여러자리 리간드 및 루테늄을 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 액체 샘플은 ECL 공동반응물을 더 포함하는, 샘플을 분석하는 방법. - 하나 이상의 전극을 갖는 챔버 내에서 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 (NP) 와 샘플을 결합시키는 단계; 및
상기 하나 이상의 전극에서 상기 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 상기 샘플의 상호작용에 의해 발생된 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성을 측정하는 단계를 포함하는, 신호 증폭 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 상기 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터의 전기발생 화학발광을 포함하는, 신호 증폭 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 상기 하나 이상의 NP 에 의해 촉진된 레독스 반응으로부터의 전류 증폭을 포함하는, 신호 증폭 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성은, 전기발생 화학발광, 전류, 저항, 임피던스, 커패시턴스, 인덕턴스, 전류 증폭 또는 그 조합을 포함하는, 신호 증폭 방법. - 샘플을 분석하기 위한 나노스케일 전기화학 디바이스로서,
샘플 챔버 내에 하우징된 액체 샘플과 연통하도록 위치된 하나 이상의 전극으로서; 상기 액체 샘플은, 하나 이상의 전기촉매 전류 또는 전기발생 화학발광 (ECL) 특성을 발생시키기 위해 상기 액체 샘플과 상기 하나 이상의 전극을 상호작용시킬 수 있는 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 (NP) 를 포함하는, 상기 하나 이상의 전극; 및
상기 하나 이상의 전기촉매 전류 또는 ECL 특성을 검출할 수 있는 하나 이상의 검출기를 포함하는, 나노스케일 전기화학 디바이스. - 화학 분석물을 분석하기 위한 디바이스로서,
측정 장치에 연결된 전기화학 셀을 포함하고,
상기 전기화학 셀은, 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 (NP; nanoparticle) 를 포함하는 액체 샘플, 하나 이상의 화학 분석물, 하나 이상의 전기발생 화학발광 (ECL) 부분 및 상기 액체 샘플과 연통하는 하나 이상의 전극을 함유하고,
상기 하나 이상의 전극에서의 상기 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 NP 와 상기 하나 이상의 ECL 부분의 전기촉매 상호작용에 의해 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성이 발생되는, 화학 분석물 분석 디바이스. - 하나 이상의 전극을 갖는 챔버 내에 하나 이상의 전도성 또는 레독스 활성 나노입자 및 액체 샘플을 도입하는 단계로서, 상기 액체 샘플은 복수의 전기발생 화학발광 (ECL; electrogenerated chemiluminescent) 부분을 포함하는, 상기 도입하는 단계; 및
상기 하나 이상의 전극에서의 상기 하나 이상의 나노입자와 상기 액체 샘플의 전기촉매 상호작용으로부터 초래되는 하나 이상의 전기화학 및/또는 광학 특성을 측정하는 단계를 포함하는, 샘플 분석 방법. - 전극 표면을 통해 하나 이상의 나노입자의 충돌을 검출하는 방법으로서,
샘플 챔버 내의 하나 이상의 전극을 나노입자 (NP; nanoparticle) 의 콜로이드 용액인 액체 샘플과 접촉시키는 단계; 및
상기 전극에서 상기 NP 와 상기 액체 샘플의 전기촉매 상호작용에 의해 발생된 적어도 하나의 전기화학 및/또는 광학 특성을 관찰하는 단계를 포함하는, 나노입자의 충돌을 검출하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 액체 샘플은 복수의 전기발생 화학발광 (ECL; electrogenerated chemiluminescent) 부분을 포함하고,
상기 적어도 하나의 전기화학 및/또는 광학 특성은 상기 NP 에 의해 촉진되고, 공동반응물을 갖거나 또는 갖지 않는, 상기 ECL 부분의 레독스 반응에 의해 발생되는, 나노입자의 충돌을 검출하는 방법.
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