TW200525151A - Method for controlling electrodeposition of an entity and devices incorporating the immobilized entity - Google Patents

Description

200525151 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用以控制諸如生物分子等實體之電極 沉積之方法及設備’其中於一對有重疊關係的電：附：提 供該實體，橫跨該等電極施加一電位，其足以引起該生物 分子成分遷移至該等電極之一，使該實體沉積一單層於該 電極上。本發明進一步係關於使用固定不動實體之方法， 以及結合該固定不動實體之裝置。 【先前技術】 已揭示利用化學半屬族使蛋白質固定不動於一基板上之 傳統方法。美國專利第6,475鄭號說明用於高通量筛選之 A白貝陣列’其中複數個不同部件固定不動於一基板之表 面於該基板表面上提供一單層。該等蛋白質固定不動 於該早層上。該單層由各種化學半屬族形成，其包括一益 =聚梦氧基板上的院基石夕氧炫單層、燒基硫醇/二； 土一石爪化物單層及一烷基單層。 、國專利第4,294,677號說明一種藉由電泳電極沉積一蛋 白貝於來自一液體的一 皙冰鉉+、 丁又谀胰上之方法，其中該蛋白 古iLi"7散於懸浮液中。該離子交換膜可包括化學彈性 物骨架，其上附有作為取代分子的許多陰離子、 基。 日基、幾酸醋基、苯粉基及銨 亦已揭示其他用以電極沉積-蛋白質而不使用化學半屬 族的傳統方法。 个便用化干+屬 97835.doc 200525151 美國專利弟5，16 6，0 6 3號說明一種用以使分子固定不動於 一導電基板以生產生物感測器之方法。將一生物感測器電 極及一反電極浸沒於含有至少一種生物分子的一溶液之護 圈外罩中。於該等電極之間建立小於1伏特的電位差。此 專利有缺點，因為系統中使用相對較大的體積，故難以控 制生物感測器電極上積累的生物分子量。 需要提供一種用以控制實體之電極沉積之方法及系統。 【發明内容】 本發明係關於一種用以控制沉積實體之電極沉積之方法 及系統，其中於一對重疊電極之間以預定濃度提供該沉積 貫體的溶液或懸浮液。對該等電極施加一電位，其足以引 ^該沉積實體遷移至該等電極之_，㈣沉積實體沉積受 拴的一厚度。可控制該等電極間的距離及所施加的電壓， 以提供該沉積實體之遷移。該方法及系統提供諸如蛋白 負、酶、光收穫複合物、DNA、RNA、pNA之類沉積實體 可叉控地固定不動於一基板上，而不會喪失功能。一項具 - κ 例中σ亥系統可在奈米級上使用。此外，可藉由本 發明之方法形成裝置。下面將參考附圖詳細說明本發明。 【實施方式】 現在將詳細參考本發明的較佳具體實施例，在所附圖式 中圖解其範例。可能的話，該等圖式及說明中將會使用相 同的疋件符號來表示相同或類似的部件。 回為依據本發明之教導用以控制沉積實體的電極沉積 之系統10的示意圖。系統10包括電極12及電極14。電極12 97835.doc 200525151 與電極14形成重疊關係。 電極12及14可由金屬或「金屬替代品」形成。本文中術 語「金屬」係用以包含由純元素金屬（例如Ag或Mg)組成的 材料，以及亦包含由二或多種純元素金屬（例如1^§與Ag_ 起，表示為Mg : Ag)組成的材料之金屬合金。術語「金屬 替代品」指並非在通常定義範圍内的金屬，但是具有某些 適¥應用所需要的金屬狀特性之材料。可用於電極12及14 之適當金屬替代品包括摻雜的寬帶隙半導體，例如氧化銦 錫（ITO)、氧化鎵銦錫（GITO)及氧化鋅銦錫（ZIT〇)等透明 導電氧化物。用於電極12及14的其他適當材料係聚合物金 屬，例如摻雜以聚苯乙烯磺酸鹽（pss)之聚乙烯二羥基嘧 吩（PEDOT) 〇 電極12與14之-或二者均可為透明的。此處，當材料為 至少允許相關波長的環境電磁輻射之5〇%透射通過該（等 層時，則稱該（等）材料層為r透明」的。同樣，允許透身; 相關波長的環境電磁輻射之某些但少於观的層稱為「并 透月」的特疋s之，IT0為高度摻雜退化一型半導體， 其光學帶隙約為3.2 eV，使其對於約3_人以上的波長裔 透明的。另一合適的金屬替代品材料係透明導電的聚合物 聚苯胺（ΡΑΝΙ)及其化學親緣物。 ' 金屬替代品可進-步選自大範圍的非金屬材料，盆中若 材料不含以其化學未化合形式的金屬，則術語「非㈣ f味著包含大範圍的材料。當金屬係以其化學未化合开 4 單獨或與作為合金的一或多種 少》 、他金屬組合式出現時，金 97835.doc 200525151 屬可另外指以其金屬形式出 見或作為「游離金屬」。因 此，本發明之金屬替代品雷 电極有時可稱「游離金屬」，其 中術語「游離金屬」清楚地咅 μ禾者包括不含以化學未化合 形式的金屬之材料。游離全屬 至屬通常具有某種形式的金屬結 合’可將其視作大量價電子 — 7 51起的某種類型化學結合， 该寺價電子可在整個全屬a # 孟屬日日格的電子傳導頻帶中自由移 動。雖然金屬替代品可包含金屬 3兔屬成分，但是該等成分為數 個基貝上的「非金屬。发 -既非純游離金屬亦非游離金屬 之合金。當金屬以其金屬形式 蜀心式出現時，電子傳導頻帶一般 會提供高電導率與光學輻射所 J叮而的同反射性，以及其他金 屬特性。 电極12可附著於基板15，而電極14可附著於基板。例 如二可採用熟知的金屬及非金屬沉積技術，例如電子束蒸 發等’將電極12及電極14沉積為個職板15及基板16上的 膜0 基板15及16可為有機或無機基板、生物或非生物基板、 或該等材料之任何組合。一項具體實施例中，該基板係透 明或半透明的。基板15及16可為平坦、堅固或半堅固的。 用於基板15及16的合適材料包括聚矽氧、矽石、石英、破 璃、受控的有孔玻璃、碳、氧化鋁、二氧化鈦、鍺、氮化 矽、沸石及砷化鎵。如金、鉑、鋁、銅、鈦等金屬及其 合金亦可用作基板的選擇。此外，基板還可使用多種陶瓷 及聚合物。可用作基板的聚合物包括（但不侷限於）以下所 列·聚苯乙烯；聚（4)fluorethylene;(聚）vinylidenedifluoride ; 97835.doc 200525151 聚碳酸S旨；聚甲基丙稀酸甲酯；polyvinlyethylene ;聚乙 烯醯亞胺；聚（醚醚）酮；聚曱醛（POM);聚乙烯苯酚；聚 丙交酯；聚甲基丙稀酸亞胺（PMI) ; polyalkenesulfone (PAS) ; polyhydroxyethylmethacrylate ;聚二甲基石夕氧烧橡膠； 聚丙烯醯胺；聚醯亞胺；共團塊聚合物；及Eupergit®。光 阻劑、聚合Langmuir-Blodgett膜及LIGA結構亦可用作本發 明之基板。 電源18之正極引線19連接至電極12，負極引線20連接至 電極14，電源18供應電極12與電極14之間的實質上恒定之 電流。若需要，可藉由切換引線19及引線20與電源18之連 接，使引線19帶負電，而引線20帶正電，來使電流方向反 向。 電極12與電極14間之距離D!可在約10 nm至約5.0 nm的 範圍内。一項具體實施例中，距離Di、電極12與電極14之 尺寸係選擇用於奈米級裝置。若基板之其餘區域絕緣，便 可發生奈米級電極上之沉積。適當之距離Di為約1.0 mm。 施加於電極12與電極14之電壓取決於距離Di。例如，所施 加的電壓可在約1 V/cm至約1，000 V/cm的範圍内。當電極 12與電極14間之距離為約1 mm時，可使用的適當電壓範圍 為約 10 V/cm至約 200 V/cm。 將沉積實體22之溶液或懸浮液提供於電極12與14之間。 在預定時間内持續施加該電壓，使沉積實體22遷移至電極 12或14，以在電極12或電極14上提供沉積實體22之沉積 膜。例如，可持續施加電壓約5分鐘至約48小時。所施加 97835.doc -10- 200525151 電壓係基於沉積實體22之膜的期望厚度，以及沉積實體22 電極沉積開始時溶液的濃度。已經發現，為減小使沉積實 祖2 2 生遷移所需提供的電壓，最好使電極12與14間之距 離達到最小。 沉積實體22之溶液或懸浮液中沉積實體之濃度及溶液之 體積，係選擇成用以控制持續施加預定電壓時沉積於電極 12或電極14上之沉積實體22之膜的厚度。例如，沉積實體 22之溶液或懸浮液中沉積實體之濃度可選擇成用以形成電 極12或電極14上的一單層。在本發明之一項具體實施例 中，使用約10 (ag/ml至約1 mg/ml範圍内的沉積實體濃度， 約1 mm3至約1〇〇 mm3的體積，以及約1〇 v/cm至約2〇〇 範圍内的電壓，沉積貫體1⑽％可沉積於電極12或電極 14，產生約5 nm至約1〇 nm厚度之一單層膜。應明白，藉 由改變溶液或懸浮液中沉積實體22之濃度及溶液之體積， 可沉積更厚的膜。 可使用護圈外罩24來保存電極12與電極14間之沉積實體 22的溶液或懸浮液。護圈外罩24緊鄰電極12與電極14而定 位。如圖2所示，護圈外罩24可具有開端，例如〇形環等。 或者，護圈外罩24可具有各種形狀。護圈外罩24之尺寸可 選擇成用以提供預定體積之沉積實體22溶液或懸浮液。例 如，遵圈外罩24之尺寸可提供約1 mm3至約1〇〇 mm3的一體 積。 ' 一項具體實施例中，可將護圈外罩24置於一電極上，例 如電極14。然後，沉積實體22之溶液或懸浮液接納於護圈 97835.doc -11 - 200525151 外罩24令且接觸電極j 4。 只體22之溶液或懸浮液的體 積填滿護圈外罩24。將另一 + n 单4將另1極，例如電極12置於護圈外 罩 之上’用以保存電極1 2鱼帝：K彳/1 pg ^ 私極14間之沉積實體22。例 如，護圈外罩24可使用一基板，利 巧用大約10 mm3的300 mm 石夕晶圓覆蓋該整個基板’其具有約imm厚的沉積單元。 沉積實體之遷移朝向與沉積實體22溶液或懸浮液中沉積 貫體之電荷相反的電極12或14發生。在沉積實體22向電極 12或電極14遷移時，^ T儿積貝體22之所以能附著於電極12或 電極14’主要是由於沉積實體與電極12或電極14間之凡得 瓦（Van der Waals)相互作用。 沉積實體適合於沉積在電極12或14上。適當之沉積實體 包括（但不偈限於）以下類別的自然天成或人工合成之分子 或群，其可作為生物系統之成分而存在：蛋白質:包 括簡單史白貝及含有其他有機化合物之複雜蛋白質，例如 脫輔基蛋白、酿蛋白、縮氨酸、寡縮氨酸、脂蛋白、印蛋 白、乳蛋白、血清蛋白、肌蛋白、種蛋白、硬蛋白質、2 素蛋白、鱗蛋白質及核蛋白質。其他適當之沉積實體包括 抗原及其抗體、抗體片斷、半抗原及其抗體、受體及其他 膜蛋白質、蛋白類似物（其中至少一非縮氨酸鏈取代:縮 氨酸鏈)、酶及酶先驅物、辅酶、酶抑制劑、氨基酸心 何生物、荷爾蒙、脂質、碟脂、醣脂、脂質體、核芽、寡 核苦、聚核苦’以及其技術上已認知且具有生物功能的類 似物與衍生物，包括（例如）：具有硫代磷酸酯鏈的甲基化 聚核苷酸及核苷酸類似物；質粒，黏接質體，人工染色 97835.doc 200525151 體’其他核酸載體，抗敏聚核芽酸’包括那些實質上鱼至 少一内生核酸互補的聚核苷酸或那些具有與所選病毒或逆 轉錄病毒基因組之至少一部分相反的序列之核苷酸，病 毒’抗囷素’抗敏及任何其他生物性主動分子，合成物， 微分子或合成聚合物。適當之沉積實體22亦包括脫氧核糖 核酸（DNA)、核糖核酸（RNA)及縮氨酸核酸（pna)。 沉積貫體22可包括光收穫複合物。此處所用之術語「光 收穫複合物」（LHC)指光合複合物，例如ps 1 (光合系統I， 例如获菜中）、PS2(光合系統Π)、LH1(光收穫複合物丨）及/ 或LH2(光收穫複合物2，紫色細菌中）。Fromme，P等人，

Biochim· Biophys· Acta 1365，175 (1998); Lee，I等人， *Phys· Rev· Lett· 79，3294 (1997) ; Schubert，W.D等人，j.

Mol· Biol· 272, 741-768 (1997)。該等複合物可從商業途徑 購得，例如從PROTEIN LABS公司（92101美國加利福尼亞 州聖迭哥市Russ Blvd 1425號T-107C單元）。在系統1〇之通 常條件下具有弱或不存在的極性或可感應的極性之任一前 述沉積實體皆可共價地鏈接至一適當帶電之載子，以形成 可沉積在電極12或14上的一帶電複合物。 利用技術上已認知的方法，可將前述類別之沉積實體的 成員及其特定成員的任一組合作為液體中的膠體粒子置於 溶液或懸浮液中；所用之方法取決於該液體的成分。沉積 貫體22之溶液或懸浮液可為能夠傳導相當大之電流的水溶 液，例如生理食鹽水。該溶液或懸浮液可具有生理位準所 需之pH值。藉由適當地調整溶液之？11值，可以很高的靈 97835.doc 200525151 敏度控制原#存在於沉積實體22溶液或懸浮液中的沉積實 體在電極12及14上沉積的方向、遷移率及速率。此控制： 基於使用適用於永久帶電半屬族之傳統電泳技術，帶電半 屬族賦予沉積實體以溶液中的淨電荷，取決於溶液之阳 值：當沉積實體具有的淨負電荷為零時，沉積實體不會受 電場之影響而遷移，稱此時沉積實體溶液之pH值為等等電 點。若PH值大於該等等電.點，分子將具有淨負電荷，·相 反’若PH值小於該等等電‘點，分子將具有淨正電荷因 此’在圖1所示系統1〇中，將沉積實體22之溶液或懸浮液 值調整為大於或小於需要沉積在電極。或“上的沉積 貫體之等等電點。可根據需要使用熟知的酸、驗試劑來完 成此調整。亦可根據需要將其他添加劑，例如非離子表面 活性劑及防沫劑或去垢劑等添加到溶液中。 依據本發明之方法及糸# 4 _ 万居及糸·统生產之固定不動沉積實體可用 於範圍廣泛的分子偵測系祐 ^曰 貝、i系、、先包括電流電化學生物感測 !、量熱、聲學、電位、光學及基於ISFET的生物感測 态0 如蛋白質、酶、抗體或_ | 。， 杂 蛋白（例如凝集素）等固定不動 貫體可用於生物感測器，1根 、很艨生理配位體與固定不動生 物分子之相互作用的結果來自 木谓列所選生理分子的存在或濃 度0 固定不動實體可用於任何其 刼作至關重要的任何裝置中。 記憶體裝置及光生伏打裝置。 中固定不動實體對於裝置之 適當之裝置包括固態裝置、 97835.doc -14- 200525151 圖3 A說明沉積於電極上的LH2膜之吸收光譜。一對電極 隔開大約1 mm的電極距離。於室溫下，施加大約5〇伏特的 電壓達24小時。吸收光譜顯示80〇 nm處及850 nm處之峰值 清楚可見，指示該等複合物不受影響（無關聯的色素分子 之吸收將發生藍移）。 圖3B為所得膜之SEM顯微圖。1〇 nm至15 nm大小的特徵 係所關注的複合物。 應明白，上述具體實施例僅用於說明目的，僅為可代表 本發明原則之應用的許多可能的特定具體實施例中之少數 幾個。本技術之專業人士可利用該等原理來設計出許多及 變化的其它配置，而並不背離本發明的精神及範圍。 【圖式簡單說明】 圖1為依據本發明之教導用以控制沉積實體的電極沉積 之糸統的示意斷面圖。 圖2為圖1所示系統之護圈外罩與一電極組合後的俯視 圖0 圖3 A為依據本發明之裝置所產生的沉積實體之沉積膜的 吸收光譜圖。 圖3B為圖3A所顯示之膜的SEM顯微圖。 【主要元件符號說明】 10 系統 12 電極 14 電極 15 基板 97835.doc -15- 200525151 16 基板 18 電源 19 引線 20 引線 22 沉積實體 24 護圈外罩 97835.doc -16-

Claims (1)

1. 200525151 十、申請專利範圍： 1. 一種用以控制一沉積實體之電極沉積之方法，其包括以 下步驟： 製備一預定濃度的該沉積實體之一溶液或懸浮液； 提供該溶液於一對電極附近，該對電極以一預定距離 彼此重疊；以及 杈垮该寺兩個電極施加一預定電位，其足以引起該沉 積貝體遷移至該等電極之一，從而沉積該沉積實體於該 等電極之該一電極上。 2·如凊求項1之方法，其中該沉積之該預定濃度係在約ι〇吨心 至、力1 mg/ml的範圍内，且該溶液的體積係在約i mm3至 約1〇〇 mm3的範圍内。 月长員2之方法’其中該對電極間之該距離係在約1〇订订 至約5·〇 nm的範圍内。 4 H求項3之方法，其中該預定電位係在約1 v/⑽至約 ι，υυυ v/cm的範圍内。 女口月求項1之方法，其中該沉一抑 該箄带k 貝貝、之早層係沉積於 々寻兒極之該一電極上。 6 · 士明求項i之方法，其該 至約1〇 U之層之厚度約在5 mi 上：_的範圍内，其係沉積在該等電極之一電極

   如請求 組成之 物、

   貝1之方法，其中該沉積實體係 群組：蛋白質、縮氨酸、酶、 物、凝集素、糖、募核苷酸 選自由以下物質 _基板、酶辅助 、〇Na、RNA、 97835.doc 200525151 PNA、病毒、抗菌素、抗敏、抗原、半抗原、抗體、氨 基酸及其衍生物、荷爾蒙、脂質、磷脂、醣脂、脂質 體、核苷酸、以及光收穫複合物。 8·如請求項1之方法，其中該沉積實體係選自由以下物質 組成之群組：蛋白質，光合系統I，光合系統II，光收穫 複合物1，以及光收穫複合物2。 9·如請求項1之方法，其中該等電極之一係透明的，且該 沉積實體係選自由以下物質組成之群組：蛋白質、光合 系統I、光合系統II、光收穫複合物1、以及光收穫複合 物2。 1 〇·如請求項1之方法，其中該溶液係提供 極之間的護圈外罩内。 Π · 一種藉由請求項1之方法所形成之裝置。 12. 如請求項12之裝置，其中該沉積實體係選自由以下μ 組成之群組：蛋白質、光合系統j、光合系統η、光收箱 複合物卜以及光收穫複合物2;且該袭置係一固態光截 裝置。 # 13. 如請求項12之裝置，其中 Υ Θ衣置係一光生伏打裝置。 14. 如請求項丨丨之裝置，其 ,,,5 '、甲。亥衣置係一生物感測器。 15·如凊求項U之裝置，其 ^ 亥衣置係一記憶體裝置。 16· —種用於一沉積實體之 兩個帝K ^ /儿私之設備，其包括·· 一 严極，，、處於重疊關係中； 護圈構件，其位於該等兩個電 積實體之-溶液或懸浮液；°之間’用以接納該沉 97835.doc 200525151 施加構件，其橫跨誃 ? _ . Μ、兩個電極施加一電位，該電位 ^ ^ ^ ^ 至该寺兩個電極之一，從而沉 積年 貝貫體於該等電極之該-電極上。 17·如請求項16之設備，其中 ^ 1 、 μ，儿積之該預定濃度係在約10 pg/ml 至約1 mg/ml的範圍内， w .1ΠΛ 3 且该洛液的體積係在約1 mm3至 約100 mm3的範圍内。 18·如請求項16之設備，苴 nm /、""對包極間之該距離係在約10 至約5.0 nm的範圍内。 19·如請求項16之設備，其 ^ x 、疋笔位係在約1 V/cm至約 1，000 V/cm的範圍内。 2〇.如請求項16之設備，其中該 。。 ^ ^ W 5 ^之一早層係沉積於 该寺電極之該一電極上。 21 ·如睛求項16之設備，其中該沉積 貝灵之一層之厚度約在5 mr 至約10 nm的範圍内，其係沉 — 丨，Tw儿積在該等電極之一電極 上。 22. 如請求項16之設備，其中該沉積實體係選自由以下物質 組成之群組：蛋白質、縮氨酸、酶、酶基板、酶輔助 物、藥物、凝集素、糖、募核芽酸、dna、rna、 PNA、病毒、抗菌素、抗敏、抗原、半抗原、抗體、氨 基酸及其衍生物、荷爾蒙、脂質、磷脂、醣脂、脂質 體、核苷酸、以及光收穫複合物。 23. 如請求項16之設備，其中該沉積實體係選自由以下物質 組成之群組：蛋白質，光合系統Ϊ，光合系統π，光收種 複合物1，以及光收獲複合物2。 97835.doc 200525151 2 4.如請求項16之設備，其中該等電極之一 沉積實體係選自由以下物質組成之群組 系統I、光合系統II、光收穫複合物1、 物2 〇 係透明的，且該 :蛋白質、光合 以及光收穫複合 97835.doc