專利名稱：包括多孔聚合物電極的微流體系統(tǒng)的制作方法
包括多孔聚合物電極的微流體系統(tǒng)概述使用小規(guī)才莫分析系統(tǒng)例如微流體系統(tǒng)(microfluidic system )可進(jìn)行各 種分析。這樣的系統(tǒng)的靈敏度、輕便性和耐久性可通過結(jié)合多孔聚合物電 極作為系統(tǒng)部件來增強(qiáng)。多孔聚合物電極將導(dǎo)電材料的有利的導(dǎo)電特性與 多孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合。因而形成的多孔電極可用于定性或定量分析，并捕獲和 /或釋放帶電材料，例如核酸。電極基質(zhì)的孔也可填充有不導(dǎo)電材料，從而 產(chǎn)生具有多個(gè)分立的導(dǎo)電表面的電極。在微流體系統(tǒng)中的這樣的多孔電極 的使用可使在因而形成的設(shè)備上的電極具有有利的特性。


圖1是示例性多孔聚合物電極組件的橫截面圖。圖2是可選擇的示例性多孔聚合物電極組件的部分橫截面圖。圖3是另一示例性電極組件的表面的透視圖。圖4是又一示例性電極組件的部分橫截面圖。圖5是又一示例性電極組件的橫截面圖。圖6又一電才及組件的透一見圖。圖7是示例性微流體系統(tǒng)的示意性描述。圖8可選擇的選定微流體系統(tǒng)的示意性描述。圖9是示出網(wǎng)狀玻璃碳上甲氧基瘞吩的電聚合的曲線，如實(shí)施例1中 描述的。圖10是示出在正電荷和中性電荷之間的多孔聚合物電極的周期性變
化的循環(huán)伏安圖(cyclic voltammogram),如實(shí)施例1中描述的。圖11是保持在正電勢的示例性電極組件的熒光微觀圖，如實(shí)施例2 中描述的。在電極表面上吸附的DNA的存在通過借助于Y0Y0-1核酸染 色劑的DNA的熒光染色來演示。圖12是保持在中性電勢的示例性電極組件的熒光微觀圖，如實(shí)施例2 中描述的。在電極表面上有很少的或沒有DNA存在，且在電極基質(zhì)內(nèi)只 有很少的量，如通過借助于YOYO-l核酸染色劑的DNA的熒光染色演示 的。選定實(shí)施方式的描述I.多孔聚合物電極圖1描繪了示例性多孔導(dǎo)電聚合物電極組件10，如在橫截面中看到的。 雖然各種幾何結(jié)構(gòu)適合于所公開的電極組件，但圖1的特定電極組件是圓 柱形的。電極組件包括為因而形成的電極提供基質(zhì)的多孔整料12。應(yīng)用于 多孔整料表面的是導(dǎo)電聚合物14。選定的多孔聚合物電極在2006年6月 30日提交的Lau等人的"POROUS POLYMER ELECTRODES"的美國專 利申請第11/479,175號(hào)的中被描述，其在此以引用方式并入。導(dǎo)電聚合物14一般與電勢源電接觸。在一方面，與導(dǎo)電聚合物14接 觸的導(dǎo)電層16提供電接觸。電極組件10的導(dǎo)電層16包圍圓柱形電極組 件本身。電接觸可以是直接的，其中導(dǎo)電層16物理地接觸導(dǎo)電聚合物14 的至少一部分，或間接的，例如其中多孔整料12本身適當(dāng)?shù)貙?dǎo)電。任何 適當(dāng)耐用和導(dǎo)電的材料可用于提供導(dǎo)電聚合物14和電勢源之間的電連接。 導(dǎo)電層16 —般為導(dǎo)電金屬，例如金、柏、鋁、鎳或鉻。在電極組件的特 定方面，導(dǎo)電層包括金屬金。在電極組件的可選擇方面，導(dǎo)電層包括鉑。電極組件可制成各種幾何結(jié)構(gòu)中的任何一種。 一般來說，電極組件微 觀上是多孔的。也就是說，組件結(jié)合具有孔、腔或通道17的基質(zhì)。 一般 孔或通道尺寸范圍從約2^im到約100pm寬，其中基質(zhì)表面的至少一部分 是導(dǎo)電的和/或能夠-波充電。存在于多孔基質(zhì)中的孔、腔或通道可手工形成，
或可作為多孔整料12的形成的副產(chǎn)品存在。這些孔17可具有規(guī)則或不規(guī) 則的形狀，并可規(guī)則地排列，例如以陣列或以不特定的短程或長程順序。一般來說，在電極組件是多孔的場合，可跟蹤彎曲路徑的微通道17允許 流體流過基質(zhì)，以便流體與導(dǎo)電聚合物的區(qū)域至少間斷地接觸。電極組件 的特定多孔性取決于所使用的特定的制備方法，并可被該特定方法修整。 在一方面，電極組件的多孔特征根據(jù)應(yīng)用于具有所期望的多孔性的多孔整 料12的導(dǎo)電聚合物出現(xiàn)。的強(qiáng)度和完整性，但是因而形成的電極的耐久性可通過基底層18的存在 而提高，如圖2的平面電極組件示出的。雖然基底可參與向聚合物12傳 導(dǎo)電勢，但一般基底對電極組件提供機(jī)械完整性，并可選擇地提供制造電 極組件的前提或基礎(chǔ)?；?8可由各種材料形成。 一般來說，基底由實(shí)質(zhì)上化學(xué)惰性的并 可容易地成形和/或機(jī)加工的材料制造?；卓砂ɡ缃饘?、玻璃、硅或 其它天然的或合成的聚合物。基底可形成為各種結(jié)構(gòu)中的任何一種。更具 體地說，基底可適當(dāng)?shù)爻尚尾⒅贫ǔ叽?，使得因而形成的電極組件可結(jié)合 各種類型的分析系統(tǒng)中的任何一種來使用。例如，電極組件可結(jié)合利用毛 細(xì)通道、微井(microwell)、流動(dòng)池或微通道或其他結(jié)構(gòu)的分析系統(tǒng)來使 用。在基底存在的場合，導(dǎo)電層16 —般放置在基底的表面上，以便形成 操作電極所必需的任何電路，包括對電勢源的一個(gè)或多個(gè)電連接。導(dǎo)電層 16的應(yīng)用可通過例如無電鍍、電鍍、汽相沉積、濺射(spluttering)或應(yīng) 用導(dǎo)電材料的任何其它適當(dāng)?shù)姆椒▉響?yīng)用。為了便于導(dǎo)電層16和多孔整料12或?qū)щ娋酆衔?4之間的強(qiáng)相互作 用，導(dǎo)電層16可^^皮物理或化學(xué)改性，以增強(qiáng)與聚合物的相互作用。例如， 在導(dǎo)電層16是金屬層的場合，金屬表面可例如纟皮化學(xué)活化或物理地粗糙 化，或者兩者皆有。尤其是，在導(dǎo)電層16是金的金屬層的場合，用硫醇 化合物化學(xué)活化金表面在連接隨后的聚合物層方面可能是有利的。在一方 面，金表面可用a-巰基-PEG-co-醛改性，隨后用曱基丙烯酸3-氨丙基酯
(3-aminopropyl methacrylate )處理，得到可在聚合物多孔整料12的應(yīng)用 期間經(jīng)歷共聚作用的活性表面成分。各種含硫化合物及其衍生物(例如， 硫醇或二硫化物)可用于對金導(dǎo)電表面進(jìn)行改性。電極組件IO可包括已應(yīng)用于下層多孔整料12的導(dǎo)電表面聚合物14。 電極組件10可通過這樣的方式在導(dǎo)電層16上制備多孔整料來制備，也就 是使所應(yīng)用的多孔整料結(jié)合期望的形貌(topography),即，具有期望尺寸、 形狀、多孔性及布置的腔、孔和/或不規(guī)則的狀況。多孔整料可接著通過應(yīng) 用期望的導(dǎo)電聚合物14在其整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)中^f皮改性。多孔整料可由導(dǎo)電 或不導(dǎo)電材料制備，假定電連接設(shè)置在導(dǎo)電聚合物14和導(dǎo)電層16之間。 在多孔整料12實(shí)質(zhì)上是不導(dǎo)電的場合，多孔整料可被應(yīng)用而使得導(dǎo)電層 16的部分被暴露，并因此放置成與導(dǎo)電聚合物14電連通，例如在圖1和 圖2中20處示出的。在一些實(shí)施方式中，多孔整料可為導(dǎo)電材料，例如網(wǎng)狀玻璃碳 (reticulated vitreous carbon)(即，多孔玻璃狀碳)。在多孔整料12本身導(dǎo)電 的場合，多孔整料可用作導(dǎo)電聚合物14和導(dǎo)電層16之間的直接電連接， 從而到應(yīng)用的電勢源的電連接。選定的多孔整料可由聚丙烯酸或聚丙烯酸的共聚物的三維多孔膜制 備，該聚合物或共聚物可原位聚合，并與導(dǎo)電層16的表面共價(jià)結(jié)合。示例性多孔聚合物整料膜可通過選定的單體亞單元(subunits )的自由 基聚合來制備。單分子光引發(fā)劑和/或雙分子光引發(fā)劑可用于引發(fā)聚合反樣，系統(tǒng)甚至在有氧的情況下也可實(shí)現(xiàn)乙烯基和乙烯基單體的自由基聚 合。例如，適當(dāng)?shù)亩嗫拙酆衔镎峡赏ㄟ^丙烯酸和亞甲基雙丙烯酰胺的混 合物的聚合來制備，可使用單分子引發(fā)劑和雙分子引發(fā)劑的組合來實(shí)現(xiàn)聚 合。適當(dāng)?shù)膯畏肿右l(fā)劑包括但不限于苯偶姻酯(benzoinesters )、聯(lián)苯 酰纟宿酉同(benzil ketal); a-二步克氧基苯乙酉同(alpha陽dialkoxy acetophenone )、 a-羥基苯烷基酮(alpha-hydroxy-alkylphenone )、 a-氨基烷基膦、以及?；?膦氧化物。適當(dāng)?shù)碾p分子引發(fā)劑一般需要例如胺等的共引發(fā)劑來產(chǎn)生自由
基。雙分子引發(fā)劑包括但不限于二苯甲酮、噻噸酮和二茂鈦。在電極組件的一個(gè)方面，多孔聚合物整料使用相分離/沉淀技術(shù)來制 備，以產(chǎn)生期望的整料多孔性，并因此產(chǎn)生因而形成的電極表面的多孔性 和/或形貌。多孔聚丙烯酸整料可在有例如二氧雜環(huán)乙烷、庚烷、乙醚和曱 基乙基酮等的成孔劑(有機(jī)溶劑)的情況下通過自由基聚合來沉淀。在曱基乙基酮(MEK)中的包含丙烯酸、亞曱基雙丙烯酰胺和單/雙分子光引 發(fā)劑的溶液的薄膜可使用UV-光源來光聚合。當(dāng)聚合進(jìn)行時(shí)，不溶于MEK 的交聯(lián)聚合物沉淀(導(dǎo)致相分離)，形成多孔膜。聚合和隨后的相分離可 用于形成具有期望的孔隙度的聚合物整料。因而形成的聚合物整料的多孔 性和孔徑可通過選擇成孔劑(溶劑)、用在反應(yīng)中的特定單體以及所利用 的聚合參數(shù)來修整。多孔聚合物整料的機(jī)械特性還可通過添加適當(dāng)?shù)慕宦?lián) 劑和/或選擇期望的共聚單體來修整。一般來說，多孔整料的機(jī)械完整性在多孔聚合物膜與基底共價(jià)結(jié)合時(shí) 增強(qiáng)。例如，在基底是玻璃的場合，玻璃表面可使用反應(yīng)性硅烷試劑來改 性。通過例如(3-甲基丙烯酰氧丙基)甲基二甲氧基硅烷與玻璃表面上的 硅烷醇基團(tuán)反應(yīng)，形成了可與如丙烯酸等的乙烯基單體共聚合的、可聚合 的表面曱基丙烯酰氧基基團(tuán)，將多孔聚合物整料與玻璃基底共價(jià)結(jié)合。在另 一方面，適當(dāng)?shù)亩嗫拙酆衔镎峡赏ㄟ^燒結(jié)聚合物微粒來制備。 適當(dāng)?shù)奈⒘？稍谑袌錾腺I到，或它們可一皮預(yù)先制備。例如，在微粒包括交 聯(lián)的聚丙烯酸的場合，適當(dāng)?shù)奈⒘？赏ㄟ^丙烯酸的反相乳液聚合來合成。 聚合過程可由例如過硫酸鉀等的熱引發(fā)劑來引發(fā)。在有適當(dāng)?shù)?、例如四?基乙二胺或其它催化劑的聚合催化劑存在的情況下，可進(jìn)一步發(fā)生聚合。 聚合還可在有期望的、例如N， N-亞甲基雙丙烯酰胺或其它交聯(lián)劑的交聯(lián) 劑存在的情況下進(jìn)行。交聯(lián)的聚丙烯酸微粒可例如通過透析被純化，并通 過簡單的過濾被收集。為了制備期望的多孔整料，包括聚合物微粒的組合物可涂到期望基底 的表面上。 一般來說，在高溫下微粒燒結(jié)，或變成粘結(jié)固體(coherent solid), 制備足夠交聯(lián)度的聚合物微粒，以提供具有期望多孔性的多孔整料。為了 獲得期望的整料特征，微粒配方可包括控制整料厚度的增稠劑。增稠劑可
例如為石圭觸變劑(silica thixotropic agent )，或?yàn)樗苄跃酆衔?，如非交?lián): 的聚乙烯醇或非交聯(lián)的聚丙烯酸?？墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)墓に噥響?yīng)用微粒組合物，并燒結(jié)微粒。例如，微粒 組合物可通過旋;漠(spincasting)、浸漬涂布、噴涂、輥涂或其它應(yīng)用方法 來應(yīng)用。因而形成的涂層一般在高溫時(shí)應(yīng)用外部壓力來干燥。例如，氣動(dòng) 熱壓機(jī)可用于燒結(jié)微粒，以形成多孔整料。在燒結(jié)過程之后，存在的任何 水溶性增稠劑一般可通過用水沖洗多孔整料來移除。底漆(primer)可用于提高燒結(jié)的整料到期望的基底上的粘附力。例 如，在基底是玻璃的場合，底漆可為硅烷衍生表面劑(silane-derivatized surface agent )。底漆還可為如上所述聚合并化學(xué)結(jié)合到基底表面的交聯(lián)的 或非交聯(lián)的聚丙烯酸層。一般，在多孔聚合物電極呈現(xiàn)更敞開的孔結(jié)構(gòu)是有利的場合，例如在 樣品溶液流經(jīng)電極組件的應(yīng)用中，由整料制備的相分離/沉淀方法產(chǎn)生的更 敞開的孔結(jié)構(gòu)可能是優(yōu)選的。上面描述的聚合物多孔整料制劑可提供水解穩(wěn)定性、對多孔整料的表 面特征的高控制度以及成本有效性。然而，各種其它多孔整料組合物也可 用于制備具有期望的孔隙度的整料，并適合于適當(dāng)多孔的電極組件的應(yīng) 用。例如，多孔整料可由碳形成。特別地，多孔整料可由碳布(carbon cloth )、 碳?jí)|料(carbon mat )、網(wǎng)狀玻璃碳、碳?xì)?carbon felt)或其它碳材料形成。 導(dǎo)電粘合劑可用于將碳多孔整料粘結(jié)到導(dǎo)電層?？墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)膶?dǎo)電粘 合劑，包括例如糊劑，所說的糊劑包括分散在N-甲基吡咯烷酮中聚偏二氟 乙烯(PVDF)的稠溶液中的碳黑粉末。導(dǎo)電層可包括，例如金屬不銹鋼 或金。導(dǎo)電表面聚合物可接著應(yīng)用于多孔整料，以形成期望的電極組件。導(dǎo)電聚合物14的應(yīng)用可通過選擇具有與應(yīng)用的涂層相互作用的表面 的多孔整料組合物來促進(jìn)。例如，多孔整料可包括適當(dāng)?shù)墓倌軋F(tuán)，例如羧 酸基團(tuán)或其它的基團(tuán)，以便應(yīng)用的導(dǎo)電聚合物可與多孔整料離子地和/或共 價(jià)地相互作用，以增強(qiáng)粘合。 導(dǎo)電聚合物可利用化學(xué)氧化應(yīng)用于多孔整料。例如，氯化鐵可用作前 體吡咯和雙遙吩的氧化劑，且在多孔聚合物整料呈現(xiàn)表面羧酸基團(tuán)的場合，用氯化鐵處理多孔整料一般導(dǎo)致Fe(III)離子與羧itt的締合。當(dāng)因而 形成的載有鐵的多孔聚合物整料暴露于例如吡咯或雙噻吩等的適當(dāng)?shù)膯?體的溶液時(shí)，氧化的和導(dǎo)電的聚合物可沉淀在多孔整料的表面上。應(yīng)認(rèn)識(shí) 到，各種相似的化學(xué)氧化劑中的任何一種可以這種方式使用。例如，在多 孔整料表面用銨成分功能化時(shí)，過硫酸鈉可通過銨基(ammonium group) 粘結(jié)到所述表面，并隨后用于氧化所應(yīng)用的聚合物前體?？蛇x擇地，導(dǎo)電聚合物層可在無化學(xué)氧化劑或存在化學(xué)氧化劑的情況 下以電化學(xué)方法制備。尤其，在存在于多孔聚合物整料中的孔暴露下面的 導(dǎo)電層的場合，導(dǎo)電聚合物可從導(dǎo)電層本身的表面生長，從而形成導(dǎo)電層 16和導(dǎo)電聚合物14之間的有利的電連接。各種反荷陰離子(counter anion) (摻雜劑)可用于該方法，且如由Li等人描述的"摻雜-去摻雜-再摻雜 (doping-dedoping-redoping )'，才支術(shù)(Synthetic Metals, 92, 121-126 (1998))可 用于提高因而形成的導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性。在多孔整料本身導(dǎo)電的場合， 導(dǎo)電聚合物可被電化學(xué)氧化，并沉淀在多孔整料本身的表面上。學(xué)氧化來制備。如這里使用的，適當(dāng)?shù)膯误w是在氧化時(shí)產(chǎn)生這樣的聚合物 的單體該聚合物呈現(xiàn)充分的導(dǎo)電性，以用作電極表面層。 一般來說，因 而形成的聚合物可按可控制的和可逆的方式被氧化和還原，從而允許控制 由聚合物呈現(xiàn)的表面電荷。適當(dāng)?shù)膯误w包括但不限于乙炔、苯胺、。卡唑、 二茂鐵亞基亞乙烯基(ferrocenylene vinylene )、卩引咮、異硫茚、亞苯基、 亞苯基亞乙烯基(phenylenevinylene)、亞苯基硫化物、酞菁、吡咯、*鬼 啉、竭吩(selenophene )、石克氮化物、漆唑、硫茚、謹(jǐn):喻和乙烯基呼唑，包 括它們的衍生物及其組合和子組合。在特定的實(shí)施例中，非導(dǎo)電聚苯胺根據(jù)由Chiang和MacDiarmid報(bào)道 的方案(Synthetic Metals, 13, 193-205 (1986》來合成。在N-甲基吡咯烷酮 (NMP)中可溶的非導(dǎo)電聚苯胺可應(yīng)用于多孔整料。涂敷的聚苯胺可接著 以電化學(xué)方法或以化學(xué)方法;故氧化，以產(chǎn)生導(dǎo)電聚合物層。導(dǎo)電聚苯胺和
帶負(fù)電的多孔聚合物整料之間的離子相互作用以及物理互鎖將導(dǎo)電聚合 物錨定到多孔整料表面。在多孔整料被羧S交基團(tuán)功能化的場合，這些物質(zhì) 可用作導(dǎo)電聚合物的反荷陰離子。在導(dǎo)電聚合物表面的外表面上的正電荷 可接著用于吸引和/或固定帶負(fù)電的分析物，并隨后以電化學(xué)方法中和，以 釋放捕獲的分析物。這里描述的多孔聚合物電極一般提供較大的電極表面積。該增加的表 面積可在選定的應(yīng)用中提供優(yōu)點(diǎn)，如下面將討論的。然而，該表面積還可導(dǎo)致電極展示相當(dāng)大的背景雙層電容(background double layer capacitance )。在不希望有該背景信號(hào)的場合，它可通過多孔電極的表面改 性來減弱，使得電極包括多個(gè)分立的導(dǎo)電域，其中該域可部分地或全部由 不導(dǎo)電基質(zhì)隔離。這樣的結(jié)構(gòu)可隔離導(dǎo)電域，從而減小電極的幾何面積， 同時(shí)仍然允許相應(yīng)的導(dǎo)電域的擴(kuò)散區(qū)域的重疊。這可減小充電電流，同時(shí) 仍然允許溶液相分析物的最大取樣。因而形成的電極為捕獲和法拉第信號(hào) 提供有效的大的表面積，但有減小的電容，因而減小了背景信號(hào)。例如， 在一些方面，背景信號(hào)可減小多達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。在一些實(shí)施方式中，具有多個(gè)分立的導(dǎo)電域的電極可通過首先如上所 述制備多孔聚合物電極，并接著用無孔的和不導(dǎo)電的材料填充多孔電極組 件內(nèi)的孔來制備。在一方面，孔可填充有低粘度兩部分(two-part)環(huán)氧樹 脂，或潛伏性固化粘合劑(latent cure adhesive)或其它制劑。多個(gè)導(dǎo)電域 可接著例如通過拋光、砂紙打磨、鉆孔或其它整形法被機(jī)械釋放，以顯露 不導(dǎo)電基質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)電聚合物島狀區(qū)(island)。這樣的導(dǎo)電島狀區(qū)可具有納 米級(jí)到毫米級(jí)的直徑。在電極的一個(gè)方面，如圖3所示，填充的電極基質(zhì)的表面被暴露，結(jié) 果產(chǎn)生平面電極組件20。暴露的電極面22包括由或是不導(dǎo)電多孔整料26 或是不導(dǎo)電填充材料28的不導(dǎo)電材料分離的導(dǎo)電域24。雖然圖3示出元 件24、 26和28的某些相對尺寸和分布，但是這些尺寸和分布是示例性的， 并可根據(jù)用戶的需要來變化?？蛇x擇地，具有隔離的導(dǎo)電域和多孔電極基質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)可通過在填充的 電極基質(zhì)中鉆孔或以其他方式機(jī)加工通道來獲得，以產(chǎn)生多孔電極組件30，如圖4所示。因而形成的通道32暴露了在不導(dǎo)電填充材料36和多孔 整料37內(nèi)的導(dǎo)電聚合物34的隔離域。通道可隨機(jī)地分布，或以規(guī)則的陣 列排列。因而形成的電極組件允許所關(guān)心的樣品流通過或經(jīng)過電極，類似 于上述多孔電極組件，具有減小的背景信號(hào)的額外優(yōu)點(diǎn)。在另一實(shí)施例中，如果圖1多孔聚合物電極10的空腔17用不導(dǎo)電填 充材料填充，如上討論的，且電極的上表面和下表面也^皮覆蓋，則多孔電 極基質(zhì)可通過機(jī)加工通過圓柱形基質(zhì)的通道來制備，如圖5的橫截面圖所 示的。電極基質(zhì)40包括涂有導(dǎo)電聚合物42的不導(dǎo)電多孔整料41，且因而 形成的空腔填充有不導(dǎo)電填料43。導(dǎo)電聚合物42的至少一部分與導(dǎo)電層 44電接觸。通道46沿著電極組件的圓柱形軸線延伸，從而在通道的內(nèi)表 面上暴露導(dǎo)電聚合物42的至少一部分，并允許溶液流過電極組件。電極 基質(zhì)可包括具有任何適當(dāng)?shù)男螤?、通道?shù)量以及陣列幾何結(jié)構(gòu)的通道的陣 列。作為機(jī)加工的可選擇方案，不導(dǎo)電填充材料可包括負(fù)性光致抗蝕劑材 料(negative photoresist material )。在這方面，在選定區(qū)域的負(fù)性抗蝕劑的 照明(illumination)和顯影(devdopment)也可暴露隔離的導(dǎo)電島狀區(qū)。在可選擇的方面，如圖6所示，電極組件47可包括一系列導(dǎo)電多孔 聚合物電極插件48，這些導(dǎo)電多孔聚合物電極插件48在形成在不導(dǎo)電基 底49中的孔或腔內(nèi)被制備。這種類型的電極組件可通過在不導(dǎo)電基底中 的適當(dāng)?shù)那换蚨磧?nèi)如上所述聚合多孔電極基質(zhì)來制備。電極組件47還可 結(jié)合與多孔聚合物電極插件電連接的導(dǎo)電材料(未示出)，例如包括銅、金或其它足夠惰性和導(dǎo)電的材料。II.多孔聚合物電極的示例性應(yīng)用這里描述的多孔聚合物電極組件可在電化學(xué)應(yīng)用中擁有各種有利的 特性，包括但不限于在電位測定法、伏安法、極譜法和電導(dǎo)分析法中的應(yīng) 用。特別是，電極表面的不規(guī)則的和可定制的形貌允許研究者研究各種生 物電子學(xué)現(xiàn)象。另外，多孔聚合物電極的表面可通過適當(dāng)?shù)膯误w前體的選 擇或通過表面的化學(xué)改性或兩者一起容易被定制，如在本領(lǐng)域中容易理解 的。
多孔聚合物電極可便于分析物的檢測、定量化、固定、表征和/或凈化。 多孔聚合物電極可在體內(nèi)或在體外利用。 一般來說，多孔聚合物電極在包 括使電極與所關(guān)心的分析物接觸并將電勢施加到該電極的方法中是有用的。在結(jié)合選定的分析物利用多孔聚合物電極的場合，分析物一般是帶電 的物質(zhì)，或可被氧化或還原，以產(chǎn)生帶電的物質(zhì)。通過改變多孔聚合物電 極的電勢，帶電的分析物可被捕獲和/或聚集和/或釋放。 一般來說，電極 基質(zhì)的多孔性被選擇成與期望的帶電分析物互補(bǔ)并在空間上相互作用。也 就是說，在電極表面上存在的腔被適當(dāng)?shù)刂贫ǔ叽?，以容納帶電的分析物。 優(yōu)選地，電極形貌被選擇成使得帶電的分析物有一定選擇性地與電極相互 作用。多孔聚合物電極可因此便于期望的分析物的捕獲，而與擴(kuò)散方向無 關(guān)，并可提供提高的檢測敏感性。具有適當(dāng)?shù)碾姾?、尺寸和形狀的任何分析物可成為對所公開的電極適 當(dāng)?shù)姆治鑫?，包括被改性成包含電化學(xué)活性標(biāo)記的分析物，該標(biāo)記共價(jià)或 非共價(jià)地與分析物關(guān)聯(lián)。分析物一般是生物分子。生物分子可帶正電或負(fù) 電，并可包括例如多肽、碳水化合物和核酸聚合物。尤其對于是核酸聚合物的分析物，核酸聚合物可作為核酸片段、低聚 核苷酸或包括呈現(xiàn)二級(jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)的聚合物的更大的核酸聚合物出現(xiàn)。核 酸片段可包括單鏈、雙鏈、三鏈和/或四鏈結(jié)構(gòu)。核酸可為小片段，或可以選4奪地包括至少8個(gè)》威基或石威基對。分析物可為RNA或DNA的核酸聚合 物，或其混合物或雜化物。任何DNA可選擇地為單鏈、雙鏈、三鏈或四 鏈DNA;任何RNA可選擇地為單鏈("ss")或雙鏈("ds")。核酸聚合物在核酸聚合物包括改性的核苦酸堿基的場合，堿基可包括但不限于 4-乙酰胞苷、5曙(羧基羥甲基(carboxyhydroxymethyl))尿香、2'畫0曙甲基 胞苷、5-羧曱基氨甲基-2-硫代尿苷、5-羧甲基氨甲基尿苷、二氫尿苷、2，-0-甲基假尿苷、P-D-半乳糖Q核苷(beta-D-galactosylqueuosine )、 2，-0-甲基 鳥苷、肌苷、N6-異戊烯腺苷、l-曱基腺苷、1-曱基假尿苷、l-甲基鳥苦、 l-甲基肌苷、2,2-二曱基鳥苷、2-甲基腺苷、2-曱基鳥苷、3-甲基胞苷、5-曱基胞苷、N6-曱基腺苷、7-曱基鳥苷、5-甲基氨基曱基尿苷 (methylaminomethyluridine ) 、 5-曱氧基氨基甲基-2-硫代尿苦、(3-D-甘露糖 Q核苷(beta-D-mannosylqueuosine)、 5-甲氧基羰基甲基-2-辟u代尿苷、5-曱氧基羰基甲基尿苷、5-甲氧基尿苷、2-甲硫基-N6-異戊烯基腺苷、 N-((9-P-D-呋喃核糖基-2-曱硫基噪呤-6-基)氨曱?；?蘇氨酸、N-((9-P-D-呔 喃核糖基嘌呤-6-基)N-曱基氨曱?；?蘇氨酸、尿苷-5-氧乙酸-曱基酯、尿苷 -5-氧乙酸、wybutoxosine、假尿苷、Q核苷、5-曱基-2-硫代尿香、2-硫代 胞苷、5-甲基-2-硫代尿苷、2-硫代尿苦、4-硫代尿苷、5-甲基尿苷、N-((9-P-D-呋喃核糖基嘌呤-6-基)-M甲?；?蘇氨酸、2，-0-曱基-5-曱基尿普、2，-0-曱基尿苷、wybutosine、 3-(3-氨基-3-羧基-丙基)尿苷以及(acp3)u。核酸聚合物分析物可選擇地出現(xiàn)在凝聚相中，例如染色體中。核酸聚 合物可選擇地包括一個(gè)或更多改性的堿基或鏈，或者包括非共價(jià)或共價(jià)地 連接的標(biāo)記。例如，改性的堿基可為自然地出現(xiàn)的改性的磁羞或合成地改 性的堿基。核酸聚合物還可為或可包括肽核酸，如N-(2-氨基乙基)甘氨酸 單元。核酸聚合物可^^皮活性官能團(tuán)改性，或^L共軛的物質(zhì)取代。在一方面， 核酸聚合物通過與用于電化學(xué)檢測的電化學(xué)活性標(biāo)記的締合被改性。分析物溶液可為生物纟羊品，或可/人生物纟羊品獲得，該生物樣品從血液 樣品、尿樣品、swipe或涂片(smear)或其它樣品制備?？蛇x擇地，樣品 可為從空氣樣品、水樣品或土壤樣品或其它形式的樣品制備的環(huán)境樣品。 分析物溶液可通過從生物結(jié)構(gòu)(例如從溶解的細(xì)胞、組織、有機(jī)體或細(xì)胞 器官)提取而獲得。樣品一般是含水的，但可包含生物相容的有機(jī)溶劑、 緩沖劑、無機(jī)鹽和/或本領(lǐng)域中已知的用于分析溶液的其它組分。所關(guān)心的分析物一般存在于根據(jù)本領(lǐng)域中通常已知的方法制備的水 溶液(大部分是水溶液)或可與水互溶的溶液中。使分析物溶液與多孔聚 合物電極接觸的任何方法通常為使分析物與電極接觸的可接受的方法。在 一方面，電極浸入分析物溶液中。在另一方面，分析物溶液應(yīng)用于電極。 在電極結(jié)合在裝置或設(shè)備中的場合，裝置或設(shè)備可包括用于制備分析物溶 液和/或使分析物溶液與電極接觸的適當(dāng)?shù)囊毫?fluidics)。色譜柱可在多孔 聚合物電極的上游放置，且色譜柱可設(shè)置成進(jìn)行生物分子或細(xì)胞的過濾、
分離、隔離和預(yù)捕獲/釋放之中的一種或多種,任何方法。 一般來說，電勢施加到電極表面，或施加的電勢是變化的，并 測定因而形成的電流?？蛇x擇地，電勢可保持在選定的值，測定電流隨著時(shí)間的變化，或可應(yīng)用恒定的電流，并測定得到的電壓。一^:通過與標(biāo)準(zhǔn)物，例如已知量的相同或類似的分析物比較，可定性地檢測分析物的存在， 或可定量地測定分析物的量。檢測和定量可由與分析物共價(jià)或非共價(jià)地締 合的電化學(xué)標(biāo)記的存在而改善。通?？赏ㄟ^比較電化學(xué)響應(yīng)的存在和/或大小與另一響應(yīng)(例如，從在 不同時(shí)間相同樣品和/或在任何時(shí)間另一樣品的相似測量得到的響應(yīng))和/ 或校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值(例如，從校準(zhǔn)曲線、預(yù)期響應(yīng)的計(jì)算和/或電化學(xué)活性的參 考材料得到的值)來進(jìn)行關(guān)聯(lián)。所公開的多孔聚合物電極的高表面積可提高分析物檢測敏感性。特別 是在分析物是帶電分析物且適當(dāng)?shù)碾妱荼皇┘拥诫姌O以捕獲分析物的場 合。在一方面，多孔聚合物電極可用于通過將分析物靜電地吸引到電極表 面來捕獲和/或聚集帶電分析物。例如，通過從流動(dòng)的樣品捕獲分析物，樣 品中的分析物可能全部被捕獲。通過移除施加的電勢，或通過反轉(zhuǎn)施加的電勢的才及性，所捕獲的分析物可釋;^丈到溶液中，用于收集或進(jìn)一步的表征。 這在分析物是核酸或核酸片段的場合是特別有利的應(yīng)用。例如，帶電分析物可為呈現(xiàn)凈負(fù)電荷的核酸聚合物。通過將正電荷施 加到多孔聚合物電極，并通過選擇具有與所關(guān)心的核酸聚合物互補(bǔ)的孔和 表面特征的電極，核酸聚合物可在電極表面被捕獲并聚集。在一方面，多 孔聚合物電極可在正的氧化狀態(tài)和中性還原狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，且該可逆性用 于捕獲和釋放帶負(fù)電的核酸片段。在一些實(shí)施方式中，多孔聚合物電極可 用于檢測和/或定量從PCR擴(kuò)增得到的核酸片段。在2006年6月30日提交并在此以引用方式并入的Aivazachvili等人 的題為"DETECTION OF NUCLEIC ACID AMPLIFICATION"的美國專利 申請第11/448,439號(hào)中描迷了用于檢測核酸擴(kuò)增的各種分析方法。在臨時(shí) 申請中公開的選定的分析方法可使用如這里公開的多孔聚合物電極而有
利地實(shí)現(xiàn)，并尤其可使用如下所述的結(jié)合了多孔聚合物電極的微流體設(shè)備(microfluidic device )有利地實(shí)現(xiàn)。在電化學(xué)系統(tǒng)中的背景噪聲來自測量系統(tǒng)中內(nèi)在的背景電流以及電 容充電電流。因?yàn)檫@些電流可能很小，所以用電化學(xué)設(shè)備可比利用其它檢 測方法的設(shè)備獲得更好的信噪比和靈敏度。進(jìn)一步，因?yàn)殡娀瘜W(xué)方法一般 使用小電流和電壓，結(jié)合多孔聚合物電極的設(shè)備一般不需要大的、昂貴的 和大功率的電源。這優(yōu)于用于光學(xué)檢測方法的需要光源的設(shè)備，因?yàn)榛?電化學(xué)的設(shè)備一般不需要光學(xué)部件，例如光源、鏡、濾波器、檢波器、支 持機(jī)構(gòu)或運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，基于電化學(xué)的設(shè)備適合于用在便攜式和/或手持 設(shè)備中。III.結(jié)合多孔聚合物電極的裝置如上所述的聚合物電極可結(jié)合到各種裝置、系統(tǒng)或設(shè)備中。例如，電 極可結(jié)合為微板、PCR板或硅芯片的一部分。在一方面，聚合物電極結(jié)合 到設(shè)備中，以便分析物溶液流經(jīng)或流過多孔聚合物電極的基質(zhì)。在一個(gè)實(shí) 施例中，分析物溶液流過三維多孔基質(zhì)，例如圖1所示的圓柱形電極組件。 可選擇地，多孔聚合物電極適合于浸入在分析物溶液中(即，"浸量尺")， 或分析物溶液流經(jīng)多孔聚合物電極，例如圖2所示的平面電極組件。這里 所述的多孔聚合物電極特別適合于結(jié)合到微流體設(shè)備中。微流體設(shè)備是利用小體積流體的設(shè)備。在一些情況下，微流體設(shè)備可 利用納升級(jí)或更少體積的流體。在一個(gè)實(shí)施例中，微流體設(shè)備可利用皮升 (picoliter )級(jí)體積的流體。微流體設(shè)備可利用位于各種幾何結(jié)構(gòu)中以準(zhǔn)備、 傳送和/或分析樣品的各種微通道、井和/或閥。這些微通道、井和/或閥可 具有范圍從毫米(mm)到微米(pm)或甚至納米(nm)的尺寸。微流體 設(shè)備也可被稱為"中等尺度(mesoscale)，，設(shè)備或"微型機(jī)械(micromachined)" 設(shè)備，而沒有限制。微流體設(shè)備可依賴于各種力來使流體傳送通過設(shè)備， 包括注射、泵送、應(yīng)用抽吸、毛細(xì)管作用、滲透作用、熱膨脹和收縮以及 其他的作用。在一個(gè)實(shí)施例中，微流體設(shè)備可依賴于活性電滲透來輔助水 溶性樣品、試劑和緩沖劑的傳送。圖7示意性地描繪了示例性微流體設(shè)備50，且該微流體設(shè)備50包括
多孔聚合物電極組件52、設(shè)置成控制在電極組件52處施加的電勢的控制 器54、適合于制備所關(guān)心的樣品溶液58的一個(gè)或多個(gè)部件56以及適合于 將所關(guān)心的樣品溶液58傳送到電極組件52并/人電才及組件52傳送出樣品 溶液58的流體系統(tǒng)60。這樣的微流體設(shè)備的流動(dòng)通路可呈現(xiàn)近似約0.1 pm到500 pm的橫截 面尺寸，雖然典型的寬度約為2.0^irn到300 pm，更優(yōu)選為10到100 pm。 對于很多應(yīng)用，可使用5 pm-50 pm的通道寬度。在基底上或基底內(nèi)制造的 反應(yīng)室或混合室可具有更大的尺寸，例如高達(dá)幾毫米。通常，微流體通道 和室的深度約為O.lpm到100 pm， 一般為2^im-50 jxm的量級(jí)。一般來說，微流體設(shè)備包括被微制造成界定所關(guān)心的分析所要求的各 種通道、混合室和/或反應(yīng)室以及入口的基底。i殳備的通道、室和其它特征 可根據(jù)固體或半固體基底來設(shè)計(jì)和制造。 一般來說，基底是硅，且微流體 通道和室4吏用確定的孩"幾加工方法樣t制造。微流體設(shè)備的通道和元件可在基底表面上制造，且覆蓋物接著可粘附 在基底表面上。雖然任何適當(dāng)?shù)母采w物可用于密封基底表面，并界定微流 體通道和室，但是透明的覆蓋物允許微流體設(shè)備的操作被監(jiān)控。 一般來說， 玻璃覆蓋物可粘附到基底。這里所述的微流體設(shè)備一般可設(shè)置成分析小于 10 或約10 pL體積的樣品。流體在整個(gè)微流體設(shè)備中的傳送可通過視覺觀察或通過光學(xué)檢測和 分析來確定，尤其在使用透明覆蓋物或透明基底的場合。Kricka等人的美國專利NO. 5,296,375 ( 1994 )和Wilding等人的美國 專利NO. 5,498,392 ( 1996 )中描述了各種微流體設(shè)備；兩者在此以引用方 式并入。所關(guān)心的樣品在添加到微流體設(shè)備之前可以被純化到或更高或稍低 的程度。可選擇地，微流體設(shè)備可結(jié)合一個(gè)或多個(gè)被設(shè)置成制備暴露到多 孔聚合物電極組件或用多孔聚合物電極組件分析的樣品的部件。樣品制備步驟可包括，例如細(xì)胞溶解、蛋白質(zhì)變性、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (PCR)、電泳、親合色譜法和電化學(xué)分析。在所關(guān)心的樣品包括生物材料
的場合，樣品的預(yù)處理可包括一個(gè)或多個(gè)程序，例如液化、消化(digestion) 和稀釋，以及其他程序。在微流體設(shè)備用來純化分析物的場合，例如通過捕獲分析物并隨后釋 放它，分析物一般帶電荷，或能夠獲得電荷，使得它可與多孔聚合物電極 表面靜電地相互作用。在分析物本身不帶電的場合，分析物可與該分析物 的捕獲探針(capture probe )相結(jié)合，該探針可與分析物復(fù)合，以提供帶電 物質(zhì)。在微流體設(shè)備用來檢測或測定分析物的量的場合，分析物可選擇地與 能夠與該分析物特異地相互作用的捕獲探針相結(jié)合，且其包括檢測試劑。 在檢測由多孔聚合物電極完成的場合，檢測試劑通常為電化學(xué)活性的物質(zhì)。分析物的分析可與額外的儀器分析相結(jié)合，包括分析物的光學(xué)表征。 在微流體設(shè)備還進(jìn)行光學(xué)分析的場合，分析物可被直接檢測，或可與使該 分析物具有可檢測的光學(xué)特性的捕獲探針相結(jié)合。例如，除了電化學(xué)活性 的標(biāo)記外，分析物也可與比色或發(fā)光標(biāo)記結(jié)合。結(jié)合多孔聚合物電極的微流體設(shè)備可用于進(jìn)行利用多孔聚合物電極 有利特性的各種分析方法中的任一種，如上所述。在一些實(shí)施方式中，附 屬的微流體設(shè)備對于分析物的檢測、定量、固定、表征和/或純化是有用的， 特別是在該分析物是生物分子的場合，以及最特別的是在生物分子是核酸 聚合物的場合。圖8示出適合于核酸聚合物的擴(kuò)增和隨后的檢測的代表性微流體設(shè) 備。微流體設(shè)備62是示意性地描述，且是為了簡單起見，該微流體設(shè)備 62不是用來描述可存在于這樣的微流體系統(tǒng)中的所有微通道和井。所選定 的微流體設(shè)備，包括適合于核酸聚合物的擴(kuò)增和檢測的微流體設(shè)備，在 Wilding等人的國際公布號(hào)WO 93/22053 ( 1993 ); Wilding等人的美國專利 No. 5,304,487 ( 1994 )和Kricka的美國專利No. 5,296,375 ( 1994 )中有描 述；其各專利在此以引用方式并入。微流體設(shè)備62包括多孔聚合物電極組件64和設(shè)置成控制在電極組件 64處施加的電勢的控制器66。控制器一般用作電源和用于進(jìn)行電流或電位測量的儀器。多孔聚合物電極組件64的上游是微流體設(shè)備的樣品制備區(qū)域68,該 樣品制備區(qū)域被設(shè)置成制備所關(guān)心的樣品溶液。樣品制備區(qū)域68包括試 劑儲(chǔ)罐70，該試劑儲(chǔ)罐70被設(shè)置成供應(yīng)對樣品制備過程有用的試劑。微 流體設(shè)備的各個(gè)室經(jīng)由適合于傳送試劑、樣品溶液和反應(yīng)產(chǎn)物通過設(shè)備的 微流體通道系統(tǒng)72互相連接，并尤其將這樣的物質(zhì)傳送到電極組件64以 及將這樣的物質(zhì)從電極組件64傳送出來。樣品， 一般是生物樣品，可通過入口 74被引入微流體設(shè)備中。樣品 可通過注射、通過電滲透、通過毛細(xì)管作用或任何其它適當(dāng)?shù)囊敕椒ㄒ?入。微流體設(shè)備可選擇地包括預(yù)處理井或室76。如果需要，預(yù)處理室76 可允許生物樣品與試劑混合，用于樣品消化、液化或稀釋。這樣的預(yù)處理 可用于使生物樣品流體性能足以增強(qiáng)下游過程的效率。在該預(yù)處理之后，樣品可選擇地被過濾。例如，樣品一般可通過電滲 透泵送，經(jīng)過過濾器78傳送到反應(yīng)室80中。過濾器78可用于去除可能 干擾下游反應(yīng)的大顆粒。過濾介質(zhì)可為與所研究的生物樣品相容的任何適 當(dāng)?shù)倪^濾劑。例如，過濾器78可包括膜過濾器，或具有相對大的孔徑例 如約100 nm的多孔玻璃濾器。反應(yīng)室80可用于樣品的溶解和變性。如圖7所示，對于溶解和/或變 性過程有用的試劑可通過閥84從試劑儲(chǔ)罐82添加。溶解和/或變性過程可 通過加熱單元86的加熱來加速。加熱單元86可包括一個(gè)或多個(gè)加溫?zé)簟?加熱盤管、流體熱交換器或任何其它適當(dāng)?shù)募訜嵫b置，以及風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、 熱交換器或用于冷卻反應(yīng)室80的其它適當(dāng)?shù)睦鋮s機(jī)構(gòu)。在溶解和/或變性之后，樣品可選擇地通過途中附加的過濾器90,傳 送到PCR室88。在過濾器90和過濾器78存在時(shí)，過濾器90可一般比過 濾器78細(xì)。例如，與具有約100 pm的孔徑的相對粗糙的過濾器78不同， 過濾器90可選成約5pm-10 pm的孔徑。這樣細(xì)的過濾器可用于除去溶解/ 變性過程不希望有的副產(chǎn)品。 一旦樣品到達(dá)PCR室88,對PCR過程有用 的試劑就可通過閥94從PCR試劑儲(chǔ)罐92添加到PCR室88。 PCR室88 可被加熱單元96加熱。類似于加熱單元86，加熱單元96可為促進(jìn)PCR 過程的任何適當(dāng)?shù)募訜釞C(jī)構(gòu)，并一般包括冷卻結(jié)構(gòu)，以便可在PCR室88 中實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)。在此以引用方式并入的Wittwer等人的美國專利No. 5,455,175 ( 1995 )中描述了所選定的適當(dāng)?shù)臒嵫h(huán)才幾構(gòu)。在PCR結(jié)束之后，樣品可通過具有約5pm-10 pm的孔徑的另一過濾 器98被傳送到電解室97。電解室97包括由控制器控制的電極100。雖然 在圖7中被描繪為電連接到控制器66，但是用于電極100的控制器可與用 于多孔聚合物電極64的控制器相同或不同。適當(dāng)?shù)脑噭┛赏ㄟ^閥104從 試劑儲(chǔ)罐102添加到電解室97。添加到該電解室的試劑可包括，例如結(jié)合 檢測試劑的、用于擴(kuò)增的核酸聚合物的捕獲探針。當(dāng)捕獲探針存在時(shí)，其一般為擴(kuò)增的核酸聚合物的選擇性結(jié)合配件。 捕獲探針可來自任何適當(dāng)?shù)脑?，并可具有任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。捕獲探針可從 天然的和/或人工的源獲得。因此，捕獲探針可由細(xì)胞、細(xì)胞溶解產(chǎn)物、合 成酶、化學(xué)合成、酶裂解、化學(xué)裂解和/或連接(ligation)及/或其它方式 來合成或形成。因此，捕獲探針可為RNA、 DNA或其任何適當(dāng)?shù)念愃莆铩?而且，捕獲探針可屬于與分析物相同的分子結(jié)構(gòu)類型(例如，都是DNA 或都是RNA)，或不同的分子結(jié)構(gòu)類型(例如，捕獲探針為核酸類似物， 而分纟斤物為RNA或DNA，或其它的類型)。相對于擴(kuò)增的核酸聚合物，捕獲探針可具有任何適當(dāng)?shù)闹麈溄Y(jié)構(gòu)。在 一些實(shí)施例中，捕獲探針可具有與分析物不同的主鏈，例如在捕獲探針中 主鏈帶電較少，而分析物中主鏈帶電較多(或反之亦然)。使用這種安排， 與捕獲探針相比，擴(kuò)增的核酸聚合物對多孔聚合物電極可具有更大的親和 力，或(反之亦然)。捕獲探針的類似主鏈可沒有磷酸成分、核糖成分或 兩者皆無。在一些實(shí)施例中，捕獲探針的類似主鏈可包括多個(gè)酰胺成分。 在一些實(shí)施例中，類似主鏈可為肽主鏈，使得類似物為肽核酸。如這里使 用的，肽主鏈為可^f皮水解以釋放多個(gè)氨基羧酸、特別是a-氨基羧酸的任何 主鏈。在示例性實(shí)施方式中，肽核酸具有由鏈接的N-(2-氨基乙基》甘氨 酸子單元形成的主鏈，該子單元通過主鏈的亞曱基羰基成分布置一系列核
捕獲探針可設(shè)置成通過堿基對的相互作用與擴(kuò)增的核酸一起形成雙 鏈體，以便捕獲探針和分析物一起形成至少部分雙鏈的核酸。因此，分析 物的一部分(或全部)可與分析物的一部分(或全部)互補(bǔ)。可選擇地或 另外，捕獲探針可包括與分析物無關(guān)的雙鏈區(qū)域，例如將捕獲探針結(jié)合到 光學(xué)元件的基質(zhì)。捕獲探針可設(shè)置成雜交(堿基對)到分析物的任何區(qū)域，在一個(gè)實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)牟东@探針包括可與捕獲探針共價(jià)或非共價(jià)地 締合的一個(gè)或多個(gè)可探測的電化學(xué)標(biāo)記。捕獲探針可進(jìn)一步包括但不限 于發(fā)光標(biāo)記(包括熒光、發(fā)光和化學(xué)發(fā)光標(biāo)記)、或比色標(biāo)記、或其組 合。可選擇地，所選定的標(biāo)記可例如通過標(biāo)記與額外的纟全測試劑的相互作 用來間4妄;險(xiǎn)測。在標(biāo)記與額外的檢測試劑相互作用的場合，標(biāo)記一般為特異性結(jié)合對 的一員，例如標(biāo)記的抗體的半抗原，或通過互補(bǔ)的序列標(biāo)記的核酸序列。 標(biāo)記可包括地谷新配基成分，例如可用作辣根過氧化物酶或堿性磷酸酶檢 測的目標(biāo)，其后依次是化學(xué)發(fā)光或比色檢測。額外的檢測試劑可包括電化學(xué)介體(mediator )，使得標(biāo)記與額外的檢測試劑的締合便于捕獲探針的電 化學(xué)纟全測。在特定的實(shí)施例中，擴(kuò)增的檢測是通過在多孔聚合物電極64處的電 化學(xué)檢測進(jìn)行，可選擇地通過電化學(xué)介體的存在進(jìn)行。在特定的實(shí)施例中，擴(kuò)增的檢測利用捕獲探針，該捕獲探針包括用電 化學(xué)標(biāo)記改性的引物和特異性復(fù)合蛋白質(zhì)。這樣的捕獲探針可添加到電解 室97,使得所關(guān)心的擴(kuò)增的核酸聚合物與標(biāo)記的引物和復(fù)合蛋白質(zhì)締合， 以形成復(fù)合物。在非共價(jià)復(fù)合物形成之后，電勢強(qiáng)加在電解井97中的電 極100和電解井108中的電極106之間。 一般來說，電極100保持在陰極 電勢，而電極106保持在陽極電勢，使得結(jié)合交聯(lián)的聚丙烯酰胺凝膠110 的薄層，電泳在凝膠110上發(fā)生。當(dāng)電泳出現(xiàn)時(shí)，多孔聚合物電極一般為 電中性的，或保持在不導(dǎo)電狀態(tài)。聚丙烯酰胺凝膠一般以低的交聯(lián)度制備。在這些電泳條件下，除了目 標(biāo)DNA以外，復(fù)合和雜交到蛋白質(zhì)和標(biāo)記的引物的所有核酸片段轉(zhuǎn)移到
電解室108。相對較大的核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合物由于它的大尺寸和相對不能穿 透交聯(lián)的聚丙烯酰胺凝膠的薄層而被留下。雖然描述了電泳分離，但任何適當(dāng)?shù)姆蛛x過程可用來隔離目標(biāo)核酸聚合物，包括例如機(jī)械分離、尺寸排阻色譜法、使用衍生的珠(bead)或基 質(zhì)的分離?；|(zhì)可包括，例如磁珠或鏈霉親合素改性的基質(zhì)，并還可用于 從其它核酸片段和游離的標(biāo)記分離分析物核酸序列。一旦任何過量的和游離的電化學(xué)活性的捕獲探針以及非目標(biāo)DNA片 段已經(jīng)從多孔聚合物電極組件64附近除去，陽極電勢就可施加到電極組 件64，而電解室97內(nèi)的電極100保持在陰極電勢。如果還沒有導(dǎo)電，則 多孔聚合物電極就轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)電狀態(tài)，并帶正電。當(dāng)雜交的核酸復(fù)合物從交聯(lián)的聚丙烯酰胺凝膠108的薄層遷移時(shí)，復(fù) 合物可在帶正電的多孔聚合物電極處被靜電捕獲，并聚集在內(nèi)部電極表面 上。如果選擇使用的電化學(xué)標(biāo)記與聚合物電極的材料相容，則目標(biāo)核酸聚 合物可被電化學(xué)檢測。目標(biāo)核酸序列的電化學(xué)檢測取決于與引物、所使用 的復(fù)合蛋白質(zhì)和目標(biāo)核酸聚合物締合的電化學(xué)活性標(biāo)記的氧化還原電勢。用于形成核酸復(fù)合物的特異性復(fù)合蛋白質(zhì)可從下列項(xiàng)的組中的任一 項(xiàng)選擇重組酶、單鏈結(jié)合蛋白、抗體、轉(zhuǎn)錄因子或任何其它核酸結(jié)合蛋 白。該結(jié)合也可通過包括地谷新配基或生物素或其它物質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)額 外的試劑介導(dǎo)。實(shí)施例下列實(shí)施例描述了包括多孔聚合物電極的微流體系統(tǒng)的所選擇的方 面和實(shí)施方式。這些實(shí)施例為了具體說明而被包括，且不是用來限制或限 定本發(fā)明教導(dǎo)內(nèi)容的全部范圍。尤其，這里公開和說明的特定方面和實(shí)施 方式不應(yīng)被認(rèn)為是限制意義的，因?yàn)榭赡苡泻芏嗟淖兓问?。?shí)施例1尺寸大致為3 mm x 5 mm x 15 mm的一部分網(wǎng)狀玻璃》友(RVC )泡沫 (平均孔徑約60 密度為12-15%, DUOCEL)通過用丙酮沖洗來清潔，
并用氮?dú)飧稍铩Ｊ褂明{魚夾實(shí)現(xiàn)與泡沫的電接觸。將RVC電極浸到乙腈 含35 mM的3-曱氧基蓬吩和10 mM的高氯酸鈉的去離子水為1:3的攪拌 溶液中。RVC暴露到溶液的面積大致是3 mm x 5 mm x 8 mm 。曱氧基瘞吩 的電聚合使用鉑箔反電極在對Ag/AgCl為1.4 V時(shí)繼續(xù)進(jìn)行300秒。在圖 9中示出該活化過程。在聚合之后，將電極從溶液中移出，用水沖洗，并 放回10mM的高氯酸鈉溶液中。接著進(jìn)行循環(huán)伏安法(20mV/s)，以在正 電和中性之間轉(zhuǎn)換導(dǎo)電聚合物涂層的帶電狀態(tài)，如圖IO所示。實(shí)施例2多孔聚合物電極組件通過將在其氧化狀態(tài)帶正電的聚3-甲氧基瘞吩電 化學(xué)沉積到網(wǎng)狀玻璃碳的整料的表面上來制備，如實(shí)施例l中描述的。因 而形成的電極組件的捕獲核酸的能力通過將電極組件暴露到人類基因組 DNA來驗(yàn)證，該基因組DNA用焚光核酸染色劑YOYO-l( Molecular Probes, Inc., Eugene, OR)來預(yù)先染色。如圖11所示，帶正電的電極組件的熒光微 觀圖顯示，在電極組件的表面上存在人類DNA。作為對照，將聚(3-甲氧 基噻吩)聚合物電化學(xué)還原到其中性狀態(tài)來重復(fù)實(shí)驗(yàn)。如圖12所示，中 性電極組件顯示，在電極組件的表面上YOYO-l熒光很少或沒有，且在電 才及基質(zhì)內(nèi)只有少量的熒光。上面闡述的公開內(nèi)容可包括具有獨(dú)立效用的多個(gè)不同發(fā)明。雖然這些 發(fā)明的每個(gè)都以其優(yōu)選形式公開，但如這里公開和示出的其的特定實(shí)施方 式，且不應(yīng)被認(rèn)為是限制意義的，因?yàn)榭赡苡泻芏嘧兓问?。本發(fā)明的主 題包括這里公開的各種元件、特征、功能和/或特性的所有新穎的和非顯而 易見的組合和子組合。下列權(quán)利要求特別指出被認(rèn)為新穎的和非顯而易見 的某些組合和子組合。體現(xiàn)在特征、功能、元件和/或特性的其它組合和子 組合中的發(fā)明可在從這個(gè)申請或相關(guān)申請要求優(yōu)先權(quán)的申請中被要求權(quán) 利。這樣的權(quán)利要求不管是涉及不同的發(fā)明還是涉及相同的發(fā)明，并且對 原始權(quán)利要求的范圍不管是更寬、更窄、相當(dāng)還是不同，也被認(rèn)為包括在 本公開內(nèi)容的發(fā)明的主題內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種微流體設(shè)備，其包括多孔電極組件，其包括多孔整料；導(dǎo)電聚合物，其應(yīng)用于所述多孔整料的至少一部分，以便材料的表面界定多孔形貌；以及電連接件，其在所述導(dǎo)電聚合物和電勢源之間；以及控制器，其設(shè)置成控制施加到所述導(dǎo)電聚合物的電勢。
2. 如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述多孔整料包括導(dǎo)電材 料；且在所述導(dǎo)電聚合物和所述電勢源之間的所述電連接件包括所述多孔 整料。
3. 如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其進(jìn)一步包括流體系統(tǒng)，所述 流體系統(tǒng)設(shè)置成將所關(guān)心的樣品傳送到多孔聚合物電極，并將所關(guān)心的樣 品從多孔聚合物電極傳送出來。
4. 如權(quán)利要求3所述的微流體設(shè)備，其中所述流體系統(tǒng)進(jìn)一步包括 設(shè)置成過濾所關(guān)心的所述樣品的 一個(gè)或多個(gè)過濾器。
5. 如權(quán)利要求3所述的微流體設(shè)備，其進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)部件， 所述部件適合于制備通過所述多孔聚合物電極進(jìn)行分析的樣品溶液。
6. 如權(quán)利要求5所述的微流體設(shè)備，其中適合于制備所關(guān)心的樣品 溶液的所述一個(gè)或多個(gè)部件包括一個(gè)或多個(gè)試劑儲(chǔ)罐。
7. 如權(quán)利要求5所述的微流體設(shè)備，其中適合于制備所關(guān)心的樣品 溶液的所述一個(gè)或多個(gè)部件包括為溶解反應(yīng)而配置的室。
8. 如權(quán)利要求5所述的微流體設(shè)備，其中適合于制備所關(guān)心的樣品 溶液的所述一個(gè)或多個(gè)部件包括為變性反應(yīng)而配置的室。
9. 如權(quán)利要求5所述的微流體設(shè)備，其中適合于制備所關(guān)心的樣品 溶液的所述一個(gè)或多個(gè)部件包括為聚合酶鏈反應(yīng)而配置的室。
10. 如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述多孔整料包括約2pm 到約100 [im寬的孔。
11. 如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述多孔聚合物電極組件 包括基底；導(dǎo)電層，其布置在所述基底上； 多孔整料，其布置在所述導(dǎo)電層上；以及導(dǎo)電聚合物，其應(yīng)用于所述多孔整料，使得所述導(dǎo)電聚合物至少部分 地界定存在于所述多孔整料中的孔，并且使得電連接形成在所述導(dǎo)電層和 所述導(dǎo)電聚合物之間。
12. 如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述多孔聚合物電極組件 包括多孔不導(dǎo)電整料；無孔和不導(dǎo)電填充材料，其在所述多孔整料的孔內(nèi)；以及導(dǎo)電聚合物，其布置在所述整料的所述孔中，并插在所述整料和所述 填充材料之間。
13. 如權(quán)利要求12所述的微流體設(shè)備，其中所述多孔電極組件的表 面暴露出至少部分地被不導(dǎo)電填充材料和不導(dǎo)電整料隔離的多個(gè)導(dǎo)電域。
14. 如權(quán)利要求13所述的微流體設(shè)備，其中所述導(dǎo)電域暴露在所述 多孔電極組件的外表面上。
15. 如權(quán)利要求13所述的微流體設(shè)備，其中所述導(dǎo)電域暴露在所述 多孔電極組件中通道的內(nèi)表面上。
16. —種用于分析核酸的微流體設(shè)備，其包括 基底，其具有在其內(nèi)制造的多個(gè)微流體室和通道； 覆蓋物，其粘結(jié)到所述基底表面； 入口，其設(shè)置成接收生物樣品； 設(shè)置成預(yù)處理所述生物樣品的 一個(gè)或多個(gè)室；設(shè)置成使所述生物樣品進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)的 一個(gè)或多個(gè)室；設(shè)置成分離通過所述聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增的核酸聚合物的一個(gè)或多個(gè) 室；以及多孔聚合物電極，其設(shè)置成檢測所擴(kuò)增的核酸聚合物。
17. 如權(quán)利要求16所述的微流體設(shè)備，其進(jìn)一步包括設(shè)置成使所擴(kuò) 增的核酸聚合物與可電化學(xué)檢測的標(biāo)記締合的室。
18. 如權(quán)利要求16所述的微流體設(shè)備，其中設(shè)置成分離所擴(kuò)增的核 酸聚合物的所述室設(shè)置成以電泳方法分離所擴(kuò)增的核酸聚合物。
19. 一種分析樣品的方法，其包括將樣品引入根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的微流體設(shè)備中； 制備所述樣品，用于通過所述多孔聚合物電極進(jìn)行分析； 將所述樣品傳送到所述多孔聚合物電極；以及 施加電勢到所述多孔聚合物電極。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括檢測樣品中所關(guān)心的 分析物。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中檢測所關(guān)心的所述分析物的所 述步驟包括檢測帶電的生物分子。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中檢測所關(guān)心的所述分析物的所 述步驟包括檢測與所關(guān)心的所述分析物締合的電化學(xué)活性標(biāo)記。
23. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中檢測所關(guān)心的所述分析物的所 述步驟包括;險(xiǎn)測帶負(fù)電的生物分子，而施加電勢的所述步驟包括將正電勢 施加到所述多孔聚合物電極。
24. 如權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括由于所述施加的電勢 而將所關(guān)心的分析物保留在所述多孔聚合物電極中。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其進(jìn)一步包括施加第二電勢到所述 多孔聚合物電極，其中所施加的第二電勢從所述多孔聚合物電極釋放所關(guān) 心的分沖斤物。
26. —種檢測核酸的方法，其包括將被認(rèn)為包含目標(biāo)核酸的樣品引入根據(jù)權(quán)利要求16-18中任一項(xiàng)所述 的微流體設(shè)備中；預(yù)處理所述樣品；使所預(yù)處理的樣品進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)； 從聚合酶鏈反應(yīng)混合物中分離擴(kuò)增的核酸聚合物；以及 使用多孔聚合物電極檢測所擴(kuò)增的核酸聚合物。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中預(yù)處理所述樣品的步驟包括消 化、液化、稀釋、溶解和變性所述樣品中的一種或多種。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其進(jìn)一步包括用電化學(xué)活性標(biāo)記來 標(biāo)記所擴(kuò)增的核酸聚合物。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其進(jìn)一步包括用特異性復(fù)合蛋白質(zhì) 來標(biāo)記所擴(kuò)增的核酸聚合物。
30. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中分離所擴(kuò)增的核酸聚合物的步 驟包括用電泳方法從所述聚合酶鏈反應(yīng)混合物分離所擴(kuò)增的核酸聚合物。
全文摘要
微流體設(shè)備以及使用微流體設(shè)備的方法，所述微流體設(shè)備結(jié)合多孔聚合物電極組件，包括用于檢測核酸的微流體設(shè)備。
文檔編號(hào)G01N27/447GK101400993SQ200680050785
公開日2009年4月1日 申請日期2006年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者克里斯蒂安·M·斯卡布, 奧瑞克·N·K·勞, 康拉德·佛爾斯蒂奇 申請人:阿普爾拉股份有限公司