專利名稱：反應(yīng)條件傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在對化學(xué)和生物學(xué)過程進(jìn)行分析期間檢測不良條件的方法和裝置，其中化學(xué)和生物學(xué)過程包括微電化學(xué)反應(yīng)、其它反應(yīng)和分析物的檢測。
背景技術(shù)：
制藥工業(yè)特別關(guān)注的一個領(lǐng)域是預(yù)測藥物在體內(nèi)如何代謝。例如，一個特別關(guān)注的參數(shù)是化合物與代謝酶之間反應(yīng)的最大速度。在一個典型的代謝過程中，氧化性藥物代謝酶(DME)向外來分子添加一個羥基，從而促進(jìn)其代謝降解。由酶，例如DME，催化的反應(yīng)受電子轉(zhuǎn)移的驅(qū)動。特別地，反應(yīng)過程的一個重要步驟是將電子提供給酶的催化位點，從而使酶與化合物反應(yīng)。涉及電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的反應(yīng)稱作氧化還原反應(yīng)。通常，驅(qū)動代謝反應(yīng)的電子在體內(nèi)是由氧化還原對(redox partner)在適當(dāng)?shù)难趸€原酶的幫助下提供的。然而，人們已知，氧化還原反應(yīng)還可以通過用電化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)的電極直接供應(yīng)電子人工地加以驅(qū)動。利用這種方法，就可以對代謝過程進(jìn)行研究。
微電化學(xué)反應(yīng)室在技術(shù)上是已知的。在一個典型的反應(yīng)室內(nèi)，一對電極提供電流，使其通過酶、底物和介體的混合物，從而使混合物發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。然后可以通過適當(dāng)?shù)难b置對最終的反應(yīng)進(jìn)行分析。重要的是，反應(yīng)室內(nèi)的條件是正確的，否則所發(fā)生的任何反應(yīng)的性質(zhì)都會受到影響。這種情況下，任何反應(yīng)分析的結(jié)果都可能是錯誤的。反應(yīng)條件變得不良的一個途徑是反應(yīng)混合物中的反應(yīng)物的濃度發(fā)生變化。反應(yīng)條件受到影響的另一個途徑是反應(yīng)室內(nèi)存在氣泡。
除了微電化學(xué)反應(yīng)之外，人們通常還希望分析其它的化學(xué)和生物學(xué)過程，例如其它類型的反應(yīng)或分析物的檢測。這些情況下，在分析期間，重要的問題還是使所用裝置內(nèi)的條件保持良好，否則有可能獲得假的結(jié)果。
我們已經(jīng)意識到了在對化學(xué)和生物學(xué)過程進(jìn)行分析期間檢測不良條件以便排除錯誤分析結(jié)果的重要性。另外，我們還意識到檢測不良條件的裝置可以有利地由先前裝置的現(xiàn)有部件加以提供。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由獨立的權(quán)利要求加以限定，現(xiàn)在我們將以它為參考。本發(fā)明的有利的特征在附屬權(quán)利要求中有說明。
本發(fā)明的第一個實施例提供了一種用于檢測微電化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)不良條件的方法和裝置。在使用中，通過電極施加電壓，使其通過位于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)混合物。若所施加的電壓足夠大，則電流將通過混合物在電極之間流動，并且誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。
提供至少兩個電極用于檢測和測量電流。當(dāng)反應(yīng)條件正常時，電極之間的穩(wěn)定狀態(tài)電流處于可預(yù)測的數(shù)值范圍之內(nèi)。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)電流位于預(yù)期范圍之外時，則表明裝置內(nèi)的反應(yīng)條件是不良的。穩(wěn)定狀態(tài)電流的大小取決于如下的因素，例如電極尺寸、反應(yīng)混合物中反應(yīng)物的濃度以及施加的電極間電壓。電極電流還會受到裝置內(nèi)存在的氣泡的影響。
提供一個檢測電路，用于將測得的電流與預(yù)期的電流范圍進(jìn)行比較，并產(chǎn)生指示反應(yīng)條件是正常還是不良的信號。在一個實施例中，一對電極執(zhí)行雙重功能，包括誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)和允許電流流過待測量的混合物。
在第二個實施例中，利用光學(xué)傳感測量反應(yīng)室內(nèi)電極之間的電流大小，以便檢測分析物的存在，從而確定室內(nèi)的條件是否不良。


圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的微流體電化學(xué)反應(yīng)裝置的示意圖；
圖2是圖1所示檢測電路的示意圖；和圖3是顯示在正常和不良反應(yīng)條件下通過圖1裝置內(nèi)的反應(yīng)室電極測得的電流隨時間的改變。
圖4是實現(xiàn)本發(fā)明的利用光學(xué)傳感檢測分析物存在的裝置的示意圖。
具體實施例方式
圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的微流體電化學(xué)反應(yīng)裝置的示意圖。裝置1包括第一混合通道3、第二混合通道5和反應(yīng)室7。第一混合通道3、第二混合通道5和反應(yīng)室7是連接的，從而流體可以依次通過第一混合通道3、第二混合通道5并經(jīng)由反應(yīng)室入口8進(jìn)入反應(yīng)室7。第一混合通道3的上游部分連接底物入口9和酶入口11，它們分別向第一混合通道3供應(yīng)底物和酶。第二混合通道5的上游部分連接介體入口13，其向第二混合通道5供應(yīng)介體(mediator)。反應(yīng)室7連接一個廢物出口15，其允許流體流出反應(yīng)室7。
本發(fā)明能夠應(yīng)用于具有微米級尺寸的電化學(xué)反應(yīng)室。實現(xiàn)本發(fā)明的反應(yīng)室的一個示例性應(yīng)用是作為微型生物芯片的分析部件。
底物(substrate)含有可以和反應(yīng)室7內(nèi)的酶進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的分子。底物可以是，例如，大量化合物中的任何一種，包括藥物、殺蟲劑和環(huán)境污染物、或者其它期望的化合物。酶可以是任何適合于解除構(gòu)成底物的化合物的毒性的代謝酶。這些酶的實例包括來自細(xì)胞色素P450和黃素單氧化酶家族的蛋白質(zhì)。介體發(fā)揮媒介的作用，電子通過它進(jìn)行傳遞，并可以是任何合適的導(dǎo)電流體。介體的目的是允許電子從位于反應(yīng)室7內(nèi)的電極17轉(zhuǎn)移到酶，從而誘發(fā)酶與底物之間的電化學(xué)反應(yīng)。底物、酶和介體都以流體狀態(tài)提供，從而它們可以沿著混合通道3、5流入反應(yīng)室7。
在使用中，底物通過底物入口9以第一預(yù)定流速連續(xù)地供應(yīng)到第一混合通道3，酶通過酶入口11以第二預(yù)定流速連續(xù)地供應(yīng)到第一混合通道3。底物和酶在第一混合通道3內(nèi)通過例如擴(kuò)散混合組合在一起。最終的底物/酶混合物沿著第一混合通道3流入第二混合通道5。底物和酶在第一混合通道3內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，因為沒有電子用于誘發(fā)反應(yīng)。
介體通過介體入口13以第三預(yù)定流速連續(xù)地供應(yīng)到第二混合通道5。介體在第二混合通道5內(nèi)與底物/酶混合物混合在一起，最終的底物/酶/介體混合物，下文稱作反應(yīng)混合物，通過第二混合通道5經(jīng)由反應(yīng)室入口8流入反應(yīng)室7。在進(jìn)入反應(yīng)室7的反應(yīng)混合物中，底物、酶和介體的比例由第一、第二和第三流速的相對大小確定，可以對其進(jìn)行調(diào)節(jié)從而獲得期望的反應(yīng)混合物濃度。反應(yīng)混合物在反應(yīng)室7內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，任何未反應(yīng)的反應(yīng)混合物和反應(yīng)產(chǎn)物都通過廢物出口15排出。
反應(yīng)室7包括兩個或多個電極17，它們的定位使得在使用中每個電極17至少有一部分與反應(yīng)室7內(nèi)含有的反應(yīng)混合物電接觸。電極17用于在使用中施加預(yù)定電壓通過反應(yīng)室7內(nèi)的一個區(qū)域，該區(qū)域恰好是反應(yīng)混合物所經(jīng)過的區(qū)域。電極17與一個電路相連，該電路被布置成使第一電極，例如17a，具有正極性，第二電極，例如17b，具有負(fù)極性，借此在電極17之間的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場。電場還可以通過數(shù)對電極17產(chǎn)生。當(dāng)電極17所施加的電壓大于反應(yīng)混合物中任何反應(yīng)物的氧化還原電位時，將使電子以電流的形式通過介體在電極17之間流動。一些電子從電極通過介體轉(zhuǎn)移到酶分子，從而在酶與底物之間誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。
電極17之間的電流可以通過與電極17相連的任何合適的電流測量器件加以測量。在優(yōu)選實施例中，電極17與檢測電路19偶連，該檢測電路用于檢測和測量電極17間的電流。圖2是檢測電路的示意圖。檢測電路19包括輸入端21、電流檢測器23、比較器25、存儲器27和輸出端31。檢測電路19可以通過輸入端21與反應(yīng)室7的電極17偶連，該輸入端21用于接收電極17之間的電流。輸入端21與電流檢測器23偶連，電流檢測器用于檢測和測量由輸入端21接收的電流并產(chǎn)生表示電流大小的信號。比較器25接收由電流檢測器23產(chǎn)生的信號，用于將測得的電流與由比較器25從存儲器27接收的信號定義的預(yù)定數(shù)值范圍進(jìn)行比較。存儲器27用于存儲例如穩(wěn)定狀態(tài)電流或最大電流的一個或多個預(yù)定范圍。比較器25進(jìn)一步用于產(chǎn)生一個指示測得的電流是位于存儲器27存儲的所選數(shù)值范圍之內(nèi)還是之外的信號。由比較器25產(chǎn)生的信號通過輸出端31從檢測電路19輸出。當(dāng)檢測電路19與電極17偶連時，輸出端31提供電極電流是位于特殊預(yù)定范圍之內(nèi)還是之外的指示。
在優(yōu)選實施例中，用于誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的電極17和用于測量通過反應(yīng)混合物的電流的電極17是相同的電極17。在此實施例中，電極17執(zhí)行雙重功能，并且執(zhí)行本發(fā)明所需的部件優(yōu)選地由現(xiàn)有部件提供。選擇地，可以為每個功能提供不同的電極對17。
圖3是顯示在使用裝置1期間電極17之間的電流隨時間變化的簡圖。最初，第一混合通道3、第二混合通道5和反應(yīng)室7充滿空氣。因為空氣是電絕緣的，所以若由電極17施加的電壓低于預(yù)定的閾值，那么電極17之間不會有電流流動。從時間0，介體連續(xù)地引入到第二混合通道5，然后沿著第二混合通道5向反應(yīng)室7流動，從第二混合通道5替換空氣。在第一時間周期43內(nèi)，介體還沒有到達(dá)反應(yīng)室7，在此期間，電極電流為0，因為反應(yīng)室充滿空氣。
第一時間周期43之后，沿著第二混合通道5流動的介體到達(dá)反應(yīng)室7，隨后填充反應(yīng)室7。因為介體是導(dǎo)電的，所以反應(yīng)室7內(nèi)介體的存在使得電流在電極17之間流動。在此期間，介體逐漸充滿反應(yīng)室7，電極電流從0升高到預(yù)定的最大值，其取決于介體的導(dǎo)電率和其它因素。在緊接第一時間周期43的第二時間周期45內(nèi)，反應(yīng)室7充滿介體，從而電極電流保持最大值。
從時間0，底物和酶被連續(xù)引入到第一混合通道3，然后它們沿著第一混合通道3向反應(yīng)室7流動，從第一混合通道3替換空氣。至少在第一時間周期43內(nèi)，從第一混合通道3替換的空氣在沿著第一混合通道3流動的底物/酶混合物與沿著第二混合通道5流動的介體之間形成一個或多個氣穴(air pocket)。因為底物/酶混合物和介體沿著混合通道3、5流動，所以氣穴夾在流體流之內(nèi)被輸送到反應(yīng)室7。當(dāng)氣穴到達(dá)反應(yīng)室7時，先前在第二時間周期45中充滿反應(yīng)室7的介體被形成氣穴的空氣所替換，并逐漸被取代。在此期間，空氣逐漸充滿反應(yīng)室7，電極電流從反應(yīng)室充滿介體時的最大值降低到反應(yīng)室充滿空氣時的0。在緊接第二時間周期45的第三時間周期47內(nèi)，反應(yīng)室7充滿空氣，電流保持在0值。
因為底物、酶和介體被連續(xù)地引入到混合通道3、5，所以在一定時間之后，沿著第一混合通道3流動的底物/酶混合物將最終遇到并與沿著第二混合通道5流動的介體組合，并在第二混合通道5內(nèi)形成介體/酶/底物混合物。能夠看出，該反應(yīng)混合物首先是在氣穴的上游并緊鄰氣穴形成的。當(dāng)位于氣穴上游并緊鄰氣穴的反應(yīng)混合物到達(dá)并且開始填充反應(yīng)室7時，電極電流從0值增加到特定值。該數(shù)值取決于反應(yīng)混合物的電傳導(dǎo)率，其又取決于混合物的濃度。在緊接第三時間周期47的第四時間周期49內(nèi)，反應(yīng)室7充滿反應(yīng)混合物，從而電極電流保持穩(wěn)定狀態(tài)值。在隨后的時間內(nèi)，反應(yīng)混合物連續(xù)地流過反應(yīng)室7，電極電流保持在近似恒定的穩(wěn)定狀態(tài)值。
能夠看出，在第一43、第二45和第三47時間周期內(nèi)，電極電流的變化是由于裝置1內(nèi)存在空氣以及底物、酶和介體沒有完全混合導(dǎo)致的。該變化可以看作電極電流的暫時變化。然而在第四時間周期49內(nèi)，裝置1內(nèi)的條件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電化學(xué)反應(yīng)正是在此期間開始的。重要的是，需要有足夠的時間度過暫時條件并保持穩(wěn)定狀態(tài)條件。一旦可接受的穩(wěn)定狀態(tài)電極電流至少保持了預(yù)定的時間，就可以跨電極17施加的電壓以誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。上面依次描述的精確時間可以通過改變裝置1的幾何形狀加以控制。
第四時間周期49的穩(wěn)定狀態(tài)電極電流小于第二時間周期45的最大電極電流，因為反應(yīng)室7內(nèi)底物和酶的存在會降低反應(yīng)混合物的電傳導(dǎo)率。當(dāng)誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)時，反應(yīng)消耗電子導(dǎo)致電極電流進(jìn)一步降低。在優(yōu)選實施例中，穩(wěn)定狀態(tài)電極電流大約是最大電極電流的50％。穩(wěn)定狀態(tài)電流可以圍繞平均值波動，但是在正常反應(yīng)條件下，保持在預(yù)定的可允許范圍之內(nèi)。
穩(wěn)定狀態(tài)電極電流取決于如下因素，包括電極17的尺寸、跨電極17施加的電壓和反應(yīng)混合物中底物、酶和介體的濃度。若這些因素每一個的數(shù)值都被確定，則能夠確定和預(yù)測穩(wěn)定狀態(tài)電極電流。正是該穩(wěn)定狀態(tài)電流允許在穩(wěn)定狀態(tài)電流與預(yù)定電流不一致時檢測出不良的反應(yīng)條件。
重要的是，在電化學(xué)反應(yīng)期間，反應(yīng)室7內(nèi)的條件是正確的，否則反應(yīng)過程會受到影響，并且涉及該反應(yīng)的任何分析都會給出錯誤的結(jié)果。一些可能影響反應(yīng)的因素包括反應(yīng)混合物中底物、酶和介體的濃度和電極17的表面尺寸。其它的因素包括電極17的跨度和跨電極17施加的電壓。影響反應(yīng)條件的另一個途徑可能是由裝置1內(nèi)存在的一個或多個氣泡導(dǎo)致的。
因為裝置1最初充滿空氣，因此存在空氣泡被截留(trapped)在流過裝置1的流體內(nèi)的風(fēng)險。在一種情況下，氣泡可能會截留在入口9、11、13其中之一內(nèi)，限制底物、酶或介體的流速，借此改變反應(yīng)混合物的組成。在另一種情況下，氣泡可能會截留在混合通道3、5其中之一內(nèi)，借此影響組分的混合，導(dǎo)致混合物的濃度不均。截留在混合通道3、5或其它障礙物內(nèi)的氣泡可能會影響裝置1內(nèi)的流體流，或者甚至完全阻止流動。在進(jìn)一步的情況下，氣泡可能被截留在反應(yīng)室7內(nèi)，并且位于一個或多個電極17的表面上。在這種情況下，電極17的有效表面區(qū)域被減小，導(dǎo)致跨電極17的電阻增加，使得電極電流降低。甚至當(dāng)被截留在反應(yīng)室7內(nèi)的氣泡不位于電極17的表面上時，反應(yīng)條件也會受到影響。
圖3虛線所示的曲線顯示了當(dāng)氣泡被截留在反應(yīng)室7內(nèi)并位于其中一個電極17的表面上時電極電流的變化。在第二45和第四49時間周期內(nèi)，電極17上存在的氣泡增加了電極17之間的電阻，并導(dǎo)致電極電流相對于沒有氣泡存在時產(chǎn)生的電極電流降低。氣泡的存在導(dǎo)致電極電流位于當(dāng)裝置1內(nèi)的條件正常時預(yù)期的電流范圍的外部。
根據(jù)本發(fā)明，穩(wěn)定狀態(tài)電極電流偏離預(yù)期數(shù)值提供了一個指示，表明裝置1內(nèi)的反應(yīng)條件是不良的。相反地，與預(yù)期數(shù)值一致的電極電流提供一個指示，表明反應(yīng)條件是正常的。因此，反應(yīng)的任何分析結(jié)果都可以根據(jù)檢測電路19產(chǎn)生的輸出信號加以接收或拒絕，該輸出信號指示電極電流是位于預(yù)期數(shù)值范圍之內(nèi)還是之外。在一個實施例中，只有當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)電極電流位于預(yù)定數(shù)值范圍之內(nèi)達(dá)預(yù)定的時間時，檢測電路19才產(chǎn)生指示正常反應(yīng)條件的信號。若在此期間電極電流位于預(yù)定范圍之外，那么將產(chǎn)生指示不良反應(yīng)條件的信號。這樣，能夠看出，電極17發(fā)揮檢測器的作用，能夠檢測不良的反應(yīng)條件。
在一個實施例中，同時對第二時間周期45內(nèi)的最大電極電流數(shù)值進(jìn)行監(jiān)視。這種情況下，在第二時間周期45內(nèi)，通過檢測電路19測量電極電流，并與預(yù)定最大電極電流進(jìn)行比較。若電極電流位于預(yù)定數(shù)值范圍之外，那么檢測電路19產(chǎn)生一個信號，指示裝置1內(nèi)存在不良的條件。這樣，如果檢測電路19確定在第二時間周期45期間裝置1內(nèi)的條件是不良的，那么過程可以較早地結(jié)束，從而節(jié)省時間以及所用底物、酶和介體的體積。
可以理解，電極電流偏離預(yù)期數(shù)值是不良反應(yīng)條件的指示，其可以由任意數(shù)目的因素導(dǎo)致，其中裝置內(nèi)存在氣泡僅僅是一個實例。例如底物、酶或介體濃度的變化也會影響反應(yīng)條件。若介體的濃度超過正常，則反應(yīng)混合物的電傳導(dǎo)率會高于正常。因此，電極電流會高于介體濃度正常時的預(yù)期。若介體濃度偏離期望濃度足夠大，則穩(wěn)定狀態(tài)電極電流將位于預(yù)期的范圍之外。在進(jìn)一步的實例中，跨電極17施加不正確的電壓會導(dǎo)致電極電流發(fā)生變化，然后可以被檢測出來。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，本發(fā)明能夠同時用于靜態(tài)和動態(tài)的電化學(xué)反應(yīng)室。在靜態(tài)電化學(xué)反應(yīng)室實例中，流體流可以是不連續(xù)的，例如采用批處理，或者根本沒有流體流。在這種情況下，反應(yīng)室7內(nèi)存在的氣泡導(dǎo)致電極電流在一段時間內(nèi)特征性地降低，指示不良的反應(yīng)條件。在動態(tài)電化學(xué)室實例中，通過反應(yīng)室7的流體流是連續(xù)的，通過反應(yīng)室7的氣泡導(dǎo)致電極電流短暫地降低，其可以被連續(xù)監(jiān)視。
現(xiàn)在說明本發(fā)明進(jìn)一步的實施例，其中對反應(yīng)室內(nèi)的條件進(jìn)行監(jiān)視以便檢測分析物的存在。特別地，該實施例將表面增強拉曼光譜(SERS)與表面等離子體激元共振(SPR)協(xié)同組合在一起。
拉曼光譜是一種眾所周知的用于檢測分析物分子存在的技術(shù)。當(dāng)光線入射在分子上時，大多數(shù)光子被彈性散射。然而，少數(shù)的光子被非彈性散射，同時能量在光子和分子之間轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致散射光子的波長發(fā)生變化。入射光子與拉曼散射光子之間的能量差等于分子振動、轉(zhuǎn)動或電子能量狀態(tài)之間的能量差，使散射光子增加量子化的能量值。測量拉曼散射光子的頻率變化可以確定拉曼能譜，其是分子的特性。
拉曼效應(yīng)非常微弱，已知有一種稱作表面增強拉曼光譜(SERS)的技術(shù)可以增強該效應(yīng)。利用SERS，化合物或離子的拉曼散射發(fā)生在距金屬表面數(shù)十納米的范圍內(nèi)，導(dǎo)致拉曼散射增強數(shù)個數(shù)量級。SERS效應(yīng)本質(zhì)上是由于分子與靠近金屬表面的由金屬的電子產(chǎn)生的電磁場之間的能量傳遞產(chǎn)生的。實際上，金屬層6內(nèi)的電子向分子提供能量，借此提高拉曼效應(yīng)。
一種不同的用于測量分子存在的技術(shù)稱作表面等離子體激元共振(SPR)。提供一束平面偏振光的激發(fā)激光束，使其以接近臨界角的角度撞擊金屬層，該臨界角由金屬的折射系數(shù)決定。激發(fā)激光束的電矢量在金屬層表面內(nèi)誘發(fā)產(chǎn)生偶極子。正極化電荷的恢復(fù)力以激發(fā)的共振頻率產(chǎn)生振蕩的短暫電磁場。在瑞利極限內(nèi)，該共振主要由金屬層表面上自由電子的密度(“等離子體激元”)以及金屬及其環(huán)境的介電常數(shù)確定，其中金屬層表面上自由電子的密度決定所謂的“等離子體波長”。
吸附在金屬層表面上或其附近的分析物內(nèi)的分子會經(jīng)歷異常大的電磁場，其中與表面垂直的振動模式被最強烈地增強。該效應(yīng)能夠在金屬層內(nèi)的等離子體振子與表面附近的分子之間實現(xiàn)跨空間能量傳遞。能量傳遞使得金屬層的有效折射系數(shù)改變，導(dǎo)致臨界角改變，從而使衍射光的強度改變。然后用傳統(tǒng)的分光鏡檢測器測量散射光子的密度變化。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用附加的入射激光源可以增強用于檢測分子存在的SERS效應(yīng)，該激光源優(yōu)選地也用于SPR檢測。兩種效應(yīng)協(xié)同作用，選擇性地增強表面等離子體振子和分析物分子之間的相互作用。有效地，使用第二激光將能量泵唧進(jìn)入由第一激光產(chǎn)生的激勵中。通過改變參數(shù)，例如SPR激發(fā)激光的波長，或者金屬層的成分和厚度，能夠?qū)PR效應(yīng)選擇性地優(yōu)化，從而使來自特殊分析物分子的SERS信號最大化。綜合SERS和SPR的技術(shù)在英國專利申請0318356.3中有說明。
在一個實施例中，提供任意合適尺寸的反應(yīng)室、容器或外罩51，利用上述的組合SERS/SPR技術(shù)檢測分析物，例如蛋白質(zhì)分子。反應(yīng)室51是透明的，允許激光束52、62通過并進(jìn)入反應(yīng)室51內(nèi)。用于SERS和SPR技術(shù)的金屬表面66位于反應(yīng)室內(nèi)部。金屬表面66可以，例如，放在位于反應(yīng)室51基座上的基片53上。兩個或多個電極55位于反應(yīng)室51內(nèi)，用于檢測室51內(nèi)的條件是否不良。電極55被布置成使電極55之間的區(qū)域包括分析區(qū)的至少一部分，其中待檢測的分析物位于分析區(qū)內(nèi)或者分析物的檢測發(fā)生在分析區(qū)內(nèi)，從而接近金屬表面66或者反應(yīng)室51內(nèi)的任何其它位置。例如，在一個實施例中，有兩個置于室51相對側(cè)壁上的電極55，以便使與金屬表面66相鄰的區(qū)域位于電極55之間，從而可以監(jiān)視該特殊位置處的不良條件。在另一個實施例中，電極55被布置成使反應(yīng)室51內(nèi)部體積的全部或大部分都位于電極55之間，從而可以監(jiān)視反應(yīng)室51內(nèi)任何位置的不良條件。電極55進(jìn)一步布置成與用于檢測電極間任何電流的大小的檢測電路(未顯示)相連。
通過入口(未顯示)將可能含有待檢測分析物的氣體或液體混合物饋給進(jìn)入反應(yīng)室51。使第一激光源，其是一個SERS激發(fā)激光波束52，入射在受體分子60上，其典型地是與導(dǎo)電金屬表面66上的受體分子58相結(jié)合的抗體。分析物混合物通過金屬表面66，從而分析物分子，若存在的話，與受體分子60相接觸并與之結(jié)合。當(dāng)分析物分子與受體分子60相結(jié)合時，受體分子58被替換并接近表面66，借此顯示SERS散射的強化。以一種已知的方式，發(fā)生SERS散射并通過任何合適的傳感器(未顯示)檢測被散射的輻射54。同時，使第二激光源，其是一個SPR激光束62，入射在金屬表面66上。第二激光束62與表面等離子體激元耦合，其進(jìn)一步產(chǎn)生一個電磁場，該電磁場又與待分析分子的振動能狀態(tài)偶連。通過任何合適的傳感器(未顯示)檢測衍射光64的強度。
在分析檢測過程中，跨電極55施加預(yù)定的電壓，其誘導(dǎo)電流通過分析物混合物在電極55之間流動。電流的大小可以通過任何與電極相連的合適電流測量器件加以測量，例如圖2所示的檢測電路。如上面更詳細(xì)說明的，若測得的電流位于預(yù)定的范圍之外，則提供一個指示，表明反應(yīng)室51內(nèi)的條件由于，例如，氣泡的存在而變得不良。
能夠看出，電極55不需要執(zhí)行雙重功能。例如，在本實施例中，電極55只是出于檢測反應(yīng)條件是否不良的目的提供的，而并非像前一實施例那么用于誘發(fā)反應(yīng)。然而，在可選擇實施例中，其中一個電極55除了提供一個檢測電流的裝置之外，還可以發(fā)揮組合SERS和SPR檢測方法中金屬表面66的作用。
在上述實施例中能夠看出，本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用。大體上，本發(fā)明可以用于如下的應(yīng)用，其中在執(zhí)行化學(xué)或生物學(xué)分析時需要檢測由于空氣泡的存在或者由于分析中所用混合物的組成不正確導(dǎo)致的不良條件。
任何上述的技術(shù)和其它的技術(shù)都可以組合地使用。例如，在一個實施例中，電化學(xué)室用于執(zhí)行電化學(xué)反應(yīng)，其具有電極用以誘發(fā)該反應(yīng)。然后，可以用SERS、SPR或組合SERS/SPR檢測反應(yīng)中涉及的分子，例如反應(yīng)產(chǎn)物。室內(nèi)的條件可以同時在反應(yīng)期間和檢測分析物期間用一對電極加以監(jiān)視，如上所述。用于誘發(fā)反應(yīng)的電極可以和用于監(jiān)視反應(yīng)條件的電極相同，并且用于誘發(fā)反應(yīng)和/或監(jiān)視反應(yīng)條件的電極可以為SERS/SPR技術(shù)提供金屬表面。
權(quán)利要求
1.一種微電化學(xué)反應(yīng)室，包括一個用于使電化學(xué)反應(yīng)組分通過并進(jìn)入反應(yīng)室的入口，和至少兩個電極，該電極被布置成在使用時與反應(yīng)流體電接觸，電極能夠與一個檢測電路相連，該電路被配置為用于檢測電極間的電流，并且被配置為用于當(dāng)電流位于預(yù)定范圍之外時產(chǎn)生一個信號，由此指示不良的反應(yīng)條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中，至少其中兩個電極被配置為用于在使用時施加一個電壓跨越反應(yīng)組分所經(jīng)過的區(qū)域的至少一部分上，由此在組分之間誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中用于誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的電極與用于檢測電流的電極是相同的電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中電化學(xué)反應(yīng)組分形成包括底物、酶和介體的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中底物包括異型生物質(zhì)化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中酶包括來自細(xì)胞色素P450或黃素單氧化酶家族的蛋白質(zhì)。
7.一種用于檢測微電化學(xué)反應(yīng)室中的反應(yīng)條件是否正確的方法，包括將反應(yīng)流體依次饋給反應(yīng)室，監(jiān)視反應(yīng)室中電極間的電流，確定電流是否位于第一限定范圍之外，以及若電流位于第一限定范圍之外，則確定室內(nèi)的反應(yīng)條件是不良的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中饋給反應(yīng)流體進(jìn)入反應(yīng)室的步驟進(jìn)一步包括如下的步驟把介體饋入反應(yīng)室，并隨后把底物和酶饋入反應(yīng)室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中把介體饋入反應(yīng)室的步驟進(jìn)一步包括如下的步驟當(dāng)反應(yīng)室僅含有介體時，監(jiān)視電極之間的電流，確定電流是否位于第二限定范圍之外，并且若電流位于第二限定范圍之外，則確定室內(nèi)的反應(yīng)條件是不良的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中把反應(yīng)流體饋入反應(yīng)室的步驟進(jìn)一步包括把底物、酶和介體的混合物饋入反應(yīng)室的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件不良的步驟進(jìn)一步包括確定氣泡位于反應(yīng)室內(nèi)的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件是否不良的步驟進(jìn)一步包括確定反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)流體的濃度是否不正確的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件不良的步驟進(jìn)一步包括確定所施加的跨電極電壓不正確的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括產(chǎn)生一個指示反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件是否不良的信號的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中把反應(yīng)流體饋入反應(yīng)室內(nèi)的步驟進(jìn)一步包括以預(yù)定的流速把每一種反應(yīng)流體饋入反應(yīng)室的步驟。
16.一種用于確定微電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)條件是否不良的裝置，包括一個微電化學(xué)反應(yīng)室和一個檢測電路，其中微電化學(xué)反應(yīng)室包括-一個入口，用于使電化學(xué)反應(yīng)組分通過并進(jìn)入反應(yīng)室；以及-至少兩個電極，該電極布置成在使用時與反應(yīng)流體電接觸，電極與檢測電路相連；并且，其中檢測電路包括-電流檢測器，其被配置為用于檢測和測量在反應(yīng)室的電極之間的電流；-比較器，其被配置為用于將該電流與一個預(yù)定范圍進(jìn)行比較，并且用于產(chǎn)生一個指示電流是否位于該預(yù)定范圍之外的信號，由此指示不良的反應(yīng)條件。
17.一種用于檢測分析物中分子的存在的反應(yīng)室，包括至少兩個電極，該電極被配置為用于在使用時施加一個電壓通過一個分析區(qū)的至少一部分，電極能夠與一個檢測電路相連，該檢測電路被配置為用于檢測電極之間的電流，并且被配置為如果電流位于預(yù)定范圍之外則產(chǎn)生一個信號，由此指示分析區(qū)域中的不良反應(yīng)條件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的反應(yīng)室用于通過光學(xué)手段檢測分析物的存在。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的反應(yīng)室，進(jìn)一步包括一個在檢測分析物時使用的分析物載體，其中使用來自第一光源的激光輻射通過拉曼散射檢測分析物的存在，該分析物載體包括-一個基片，用于支持分析物，并且其光學(xué)性質(zhì)被選擇用于和來自第一輻射源的激光輻射相匹配；以及-一個導(dǎo)電表面，其位于基片的一部分上，用于接收分析物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的反應(yīng)室，其中使用來自第二激光輻射源的激光輻射產(chǎn)生一個場以增強拉曼散射，并且其中基片的光學(xué)性質(zhì)被選擇與第二輻射源相匹配。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20的反應(yīng)室，被配置為用于檢測導(dǎo)電表面上分析物的存在。
22.根據(jù)權(quán)利要求19，20或21的反應(yīng)室，其中導(dǎo)電表面上沉積有報告染料(reporter dye)，其具有用于選擇性結(jié)合到待分析的分析物分子上的結(jié)合分子。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的反應(yīng)室，其中報告染料被布置成在使用時使報告染料位于和待分析的分子結(jié)合的分析區(qū)域中。
24.根據(jù)權(quán)利要求19-23任何一個的反應(yīng)室，其中，導(dǎo)電表面包括其中一個電極。
25.一種微電化學(xué)反應(yīng)室，包括根據(jù)權(quán)利要求17-24中任何一個反應(yīng)室，其中，至少其中兩個電極被布置成用于施加電壓跨越在使用時反應(yīng)組分所經(jīng)過的區(qū)域的至少一部分上，由此在組分之間誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的微電化學(xué)反應(yīng)室，其中用于誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的電極和用于檢測電流的電極相同。
27.一種用于檢測反應(yīng)室內(nèi)分析物中分子的存在的方法，該方法包括如下步驟-在導(dǎo)電表面的分析區(qū)域上提供分析物；-用第一激光輻射照射分析區(qū)從而產(chǎn)生拉曼散射；-通過拉曼散射檢測從分析區(qū)散射的輻射從而檢測分子的存在；-同時用第二激光輻射與導(dǎo)電表面成一定的角度照射導(dǎo)電表面，以便在分析區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個場，其中在分析區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的場增強拉曼散射效應(yīng)；-監(jiān)視反應(yīng)室內(nèi)電極之間的電流；-確定電流是否位于預(yù)定范圍之外；以及-若電流位于預(yù)定范圍之外，則確定反應(yīng)室內(nèi)的條件是不良的。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)條件不良的步驟進(jìn)一步包括確定有氣泡位于反應(yīng)室內(nèi)的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)條件不良的步驟包括確定分析物混合物的組成不正確的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求27，28或29的方法，其中確定反應(yīng)室內(nèi)條件不良的步驟進(jìn)一步包括確定所施加的跨電極電壓不正確的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于在對化學(xué)和生物學(xué)過程進(jìn)行分析期間檢測不良條件的方法和裝置(1)。在一個實施例中，監(jiān)視微電化學(xué)反應(yīng)室(7)內(nèi)的反應(yīng)條件。該反應(yīng)室(7)含有電極(17a，17b)，其用于使電流通過位于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)混合物，借此誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。設(shè)置檢測電路(19)用于檢測和測量電極(17a，17b)間的電流。檢測電路(19)產(chǎn)生一個信號，指示測得的電流是位于預(yù)定的數(shù)值范圍之內(nèi)還是該范圍之外。若測得的電流位于預(yù)期的數(shù)值范圍之外，則反應(yīng)條件是不利的。一對電極可以執(zhí)行雙重的功能，包括誘發(fā)和檢測電化學(xué)反應(yīng)。在另一個實施例中，電極利用表面增強拉曼散射和表面等離子體激元共振的組合技術(shù)檢測被分析物的存在。
文檔編號B01J19/00GK1853101SQ200480026573
公開日2006年10月25日 申請日期2004年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月5日
發(fā)明者布賴恩·P.·艾倫, 理查德·吉爾伯特, 周曉峰 申請人:E2V技術(shù)英國有限公司