(57)【要約】本発明の一実施形態によれば、試料の存在又は量を検出する方法は、試料を含有する第１電解質溶液をバイポーラ電極の第１領域に付随させるステップと、電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を、バイポーラ電極の第２電極領域に付随させるステップと、第１電解質溶液を第２電解質溶液からイオン的に隔離するステップと、第１及び第２電解質溶液間に電位差を発生させるステップと、電気化学発光系から放出される光を検出することによって、バイポーラ電極の第１領域における試料の存在又は量を示すステップとを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の存在又は量を検出する方法において、
前記試料を含有する第１電解質溶液を第１電極領域に付随させるステップと、
電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を、第２電極領域に付随させるステップと、
前記第１及び第２電極領域を電子的に結合するステップと、
前記第１及び第２電解質溶液をイオン的に結合するステップと、
前記第１及び第２電極領域間に電位差を発生させるステップと、
前記第２電極領域において前記電気化学発光系から放出される光を検出することによって、前記第１電極領域における前記試料の存在を示すステップと、
からなることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記第１及び第２電極領域は電極の逆側の端部に付随され、前記第１及び第２電極領域間に電位差を発生させるステップは、前記電解質溶液内に前記電極の長さにわたって電界を発生するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記第１電極領域は第１電極からなり、前記第２電極領域は第２電極からなり、前記第１及び第２電極領域を電子的に結合するステップは、前記第１及び第２電極の間に電圧源を接続するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、該方法は更に、前記第１及び第２電極を別個のサンプル区画室に配置するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記第１及び第２電解質溶液をイオン的に結合するステップは、前記別個のサンプル区画室の間にイオン浸透性バリアを設けるステップを含み、前記イオン浸透性バリアは、狭い開口、液体−液体接合、塩ブリッジ、イオン透過膜、及びイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアからなる群から選択されていることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記試料は、電子活性試料からなることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、該方法は更に、前記試料にレドックス試薬でラベリングを行うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に非共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に静電的に結合されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、前記レドックス試薬が１又は複数のレドックス等価物を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項７記載の方法において、前記レドックス試薬は、レドックス・ポリマ、レドックス・デンドリマ、導電性ポリマ、及び金属コロイドからなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、前記電気化学発光系は、ルテニウム又はオスミウム・キレート、及びアミンからなることを特徴とする方法。
【請求項１４】
試料の存在又は量を検出する方法であって、
前記試料を含有する第１電解質溶液を第１電極領域に付随させるステップと、
電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を第２電極領域に付随させるステップと、
犠牲のレドックス試薬を含有する第３電解質溶液を、第３電極領域に付随させるステップと、
前記第１及び第２電極領域間には実質的な電位差が生じないように、前記第１、第２及び第３電極領域を電子的に結合するステップと、
前記第１、第２及び第３電解質溶液をイオン的に結合するステップと、
前記第１及び第２電極領域と前記第３電極領域との間に電位差を生じさせるステップと、
前記第２電極領域において前記電気化学発光系から放出される光を検出することによって、前記第１電極領域における前記試料の存在を示すステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、該方法は更に、前記第１、第２及び第３電極領域を別個のサンプル区画室に配置するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、前記第１、第２及び第３電解質溶液をイオン的に結合するステップは、前記別個のサンプル区画室間にそれぞれイオン浸透性バリアを設けるステップを含み、前記イオン浸透性バリアは、狭い開口、液体−液体接合、塩橋、イオン透過膜、及びイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアからなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の方法において、前記試料は電子活性試料からなることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４記載の方法において、該方法は更に、前記試料にレドックス試薬でラベリングを行うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に非共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に静電的に結合されることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８記載の方法において、前記レドックス試薬が１又は複数のレドックス等価物を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１４記載の方法において、前記レドックス試薬は、レドックス・ポリマ、レドックス・デンドリマ、導電性ポリマ、及び金属コロイドからなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１４記載の方法において、前記電気化学発光系は、ルテニウム又はオスミウム・キレート、及びアミンからなることを特徴とする方法。
【請求項２５】
試料の存在又は量を検出するシステムにおいて、
コンテナと、
前記コンテナ内に配置され、第１電極領域と第２電極領域とを有する電極と、
前記試料を含有し、前記チャネル内に配され、前記第１電極領域に付随される第１電解質溶液と、
電気化学発光系を含有し、前記チャネル内に配され、前記第２電極領域に付随される第２電解質溶液と、
前記第１電極領域と前記第２電極領域との間に電位差を発生するように動作可能な電圧源と、
前記電気化学発光系からの光信号の発生によって、前記試料の存在を検出するように動作可能な検出器と、
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記電圧源は、前記電解質溶液内に、前記電極の長さにわたって電界を加えるように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記電極は複数の電極からなり、前記電圧源は、前記電解質溶液において各電極の長さにわたって電界を加えるように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２７記載のシステムにおいて、前記複数の電極は、少なくとも２つの異なる長さの電極からなることを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陽極であり、前記第２電極領域は陰極であることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陰極であり、前記第２電極領域は陽極であることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記電気化学発光系は、ルテニウム又はオスミウム・キレート及びアミンからなることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記コンテナは、第１及び第２サンプル区画室に分離されており、前記第１区画室は前記第１電解質溶液を収容し、前記第２区画室は前記第２電解質溶液を収容することを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項３２記載のシステムにおいて、前記第１及び第２サンプル区画室の少なくとも１つはチャネルであることを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記第１及び第２サンプル区画室は、前記第１及び第２サンプル区画室間においてイオン連通させるように動作可能なバリアによって分離されていることを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項３４記載のシステムにおいて、前記バリアは、狭い開口、液体−液体接合、塩橋、イオン透過膜、及びイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアからなる群から選択されることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記試料は電子活性試料からなることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記試料にレドックス試薬でラベリングすることを特徴とするシステム。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に非共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３７記載の方法において、前記レドックス試薬は前記試料に静電的に結合されることを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３７記載の方法において、前記レドックス試薬が１又は複数のレドックス等価物を備えていることを特徴とする方法。
【請求項４２】
試料の存在又は量を検出するシステムにおいて、
コンテナと、
前記コンテナの第１部分に付随する第１電極と、
前記コンテナの第２部分に付随する第２電極と、
前記試料を含有し、前記コンテナ内に配され、前記第１電極に付随される第１電解質溶液と、
電気化学発光系を含有し、前記コンテナ内に配され、前記第２電極に付随される第２電解質溶液と、
前記第１及び第２電極間に電位差を発生するように動作可能な電圧源と、
前記電気化学発光系からの光信号の発生によって、前記試料の存在を検出するように動作可能な検出器と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項４３】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記電圧源は、前記第１及び第２電極間に電子的連通をもたらすことを特徴とするシステム。
【請求項４４】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記電位差が時間と共に変化することを特徴とするシステム。
【請求項４５】
請求項４２記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記コンテナ内に配置された第３電極を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項４６】
請求項４５記載のシステムにおいて、前記第３電極は、前記第１及び第２電極とは異なる電位にあることを特徴とするシステム。
【請求項４７】
請求項４５記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陽極であり、前記第２電極領域は陽極であり、前記第３電極領域は陰極であることを特徴とするシステム。
【請求項４８】
請求項４５記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陰極であり、前記第２電極領域は陰極であり、前記第３電極領域は陽極であることを特徴とするシステム。
【請求項４９】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陽極であり、前記第２電極領域は陰極であることを特徴とするシステム。
【請求項５０】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記第１電極領域は陰極であり、前記第２電極領域は陽極であることを特徴とするシステム。
【請求項５１】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記電気化学発光系は、ルテニウム又はオスミウム・キレート及びアミンからなることを特徴とするシステム。
【請求項５２】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記第１電解質溶液及び前記第２電解質溶液は、別個のサンプル区画室内に配されていることを特徴とするシステム。
【請求項５３】
請求項５２記載のシステムにおいて、前記別個のサンプル区画室の少なくとも１つはチャネルであることを特徴とするシステム。
【請求項５４】
請求項５２記載のシステムにおいて、前記別個のサンプル区画室は、該別個のサンプル区画室間でイオン連通させるように動作可能なバリアによって分離されていることを特徴とするシステム。
【請求項５５】
請求項５４記載のシステムにおいて、前記バリアは、狭い開口、液体−液体接合、塩橋、イオン透過膜、及びイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアからなる群から選択されることを特徴とするシステム。
【請求項５６】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記試料は電子活性試料からなることを特徴とするシステム。
【請求項５７】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記試料はレドックス試薬でラベリングされることを特徴とするシステム。
【請求項５８】
請求項５７記載のシステムにおいて、前記レドックス試薬は前記試料に共有結合されることを特徴とするシステム。
【請求項５９】
請求項５７記載のシステムにおいて、前記レドックス試薬は前記試料に非共有結合されることを特徴とするシステム。
【請求項６０】
請求項５７記載のシステムにおいて、前記レドックス試薬は前記試料に静電的に結合されることを特徴とするシステム。
【請求項６１】
請求項５７記載のシステムにおいて、前記レドックス試薬が１又は複数のレドックス等価物を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項６２】
試料の存在又は量を検出するシステムであって、
前記試料を含有する第１電解質溶液を第１電極領域と結合する手段と、
電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を第２電極領域と結合する手段と、
前記第１及び第２電極領域を電子的に結合する手段と、
前記第１及び第２電解質溶液をイオン的に結合する手段と、
前記第１及び第２電極領域間に電位差を発生する手段と、
前記第２電極領域において前記電気化学発光系から放出される光を検出することによって、前記第１電極領域における前記試料の存在を示す手段と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項６３】
１つ以上の試料の存在又は量を検出する方法において、
少なくとも１つの試料を含有する第１電解質溶液を、第１電極と第２電極とを備えている第１区画室に付随させるステップと、
発光源を、第３電極と第４電極とを備えている第２区画室に付随させるステップと、
前記第１及び第３電極を電子的に結合するステップと、
前記第２及び第４電極間に電位差を発生させるステップと、
前記第２区画室において前記発光源から発光される光を検出することによって、前記第１区画室における前記少なくとも１つの試料の存在又は量を示すステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項６３記載の方法において、前記発光源は電気化学発光（ＥＣＬ）系からなることを特徴とする方法。
【請求項６５】
請求項６３記載の方法において、前記発光源は発光ダイオードであることを特徴とする方法。
【請求項６６】
請求項６５記載の方法において、前記発行ダイオードは半導体発光ダイオードであることを特徴とする方法。
【請求項６７】
請求項６５記載の方法において、前記発光ダイオードは可視光を放出することを特徴とする方法。
【請求項６８】
請求項６３記載の方法において、前記第１電極及び第３電極は、１つのモノリシックバイポーラ電極を構成することを特徴とする方法。
【請求項６９】
請求項６３記載の方法において、該方法は更に、
複数の第１電極を前記第１区画室に付随させるステップと、
複数の第３電極を前記第２区画室に付随させるステップと、
複数の発光源を前記第２区画室に付随させるステップと、
各第１及び第３電極を電子的に結合するステップと、
前記第２区画室において各発光源から放出される光を検出するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７０】
請求項６９記載の方法において、前記複数の発光源は発光ダイオードであることを特徴とする方法。
【請求項７１】
請求項６９記載の方法において、前記第２電極は陰極であり、前記第４電極は陽極であることを特徴とする方法。
【請求項７２】
請求項６９記載の方法において、前記第２電極は陽極であり、前記第４電極は陰極であることを特徴とする方法。
【請求項７３】
試料の存在又は量を検出する方法であって、
前記試料を含有する第１電解質溶液を、バイポーラ電極の第１領域に付随させるステップと、
電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を前記バイポーラ電極の第２領域に付随させるステップと、
前記第１電解質溶液を前記第２電解質溶液からイオン的に隔離するステップと、
前記第１及び第２電解質溶液間に電位差を発生させるステップと、
前記電気化学発光系から放出される光を検出することによって、前記バイポーラ電極の第１領域における前記試料の存在又は量を示すステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項７４】
請求項７３記載の方法において、該方法は更に、前記第１及び第２電解質溶液に同じ組成を有させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７５】
請求項７３記載の方法において、前記試料を含有する第１電解質溶液をバイポーラ電極の第１領域に付随させるステップは、前記試料を含有する第１電解質溶液を複数のバイポーラ電極の各第１領域に付随させるステップを含み、
電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を前記バイポーラ電極の第２領域に付随させるステップは、前記電気化学発光系を含有する第２電解質溶液を、前記複数のバイポーラ電極の各第２領域に付随させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７６】
請求項７５記載の方法において、該方法は更に、前記第１及び第２電解質溶液間の電位差を、前記複数のバイポーラ電極の各々で同一にするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７７】
請求項７３記載の方法において、前記第１及び第２電解質溶液間に電位差を発生させるステップは、前記第１電解質溶液に付随する第１電極と、前記第２電解質溶液に付随する第２電極との間に電位差を分与するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７８】
請求項７７記載の方法において、前記第１電極は陰極であり、前記第２電極は陽極であることを特徴とする方法。
【請求項７９】
請求項７７記載の方法において、前記第１電極は陽極であり、前記第２電極は陰極であることを特徴とする方法。
【請求項８０】
請求項７３記載の方法において、前記バイポーラ電極の第１領域は、前記第２領域よりも広い表面積を有することを特徴とする方法。
【請求項８１】
請求項７５記載の方法において、前記複数のバイポーラ電極のそれぞれの第１領域は、前記第２領域それぞれよりも広い表面積を有することを特徴とする方法。
【請求項８２】
１つ以上の試料の存在又は量を検出するシステムであって、
第１電極と第２電極とを備えている第１区画室と、
少なくとも１つの試料を含有し、前記第１区画室に付随する第１電解質溶液と、
第３電極と第４電極とを備えている第２区画室と、
前記第２区画室に付随する発光源と、
前記第１及び第３電極を電子的に結合する導体と、
前記第２及び第４電極間に電位差を発生するように動作可能な電圧源と、
前記第２区画室において前記発光源から放出される光を検出することによって、前記第１区画室における前記少なくとも１つの試料の存在又は量を示すように動作可能な検出器と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項８３】
請求項８２記載のシステムにおいて、前記発光源は電気化学発光（ＥＣＬ）システムからなることを特徴とするシステム。
【請求項８４】
請求項８２記載のシステムにおいて、前記発光源は発光ダイオードであることを特徴とするシステム。
【請求項８５】
請求項８４記載のシステムにおいて、前記発光ダイオードは半導体発光ダイオードであることを特徴とするシステム。
【請求項８６】
請求項８４記載のシステムにおいて、前記発光ダイオードは可視光を放出することを特徴とするシステム。
【請求項８７】
請求項８２記載のシステムにおいて、前記第１電極及び第３電極は、１つのモノリシックバイポーラ電極を構成することを特徴とするシステム。
【請求項８８】
請求項８２記載のシステムにおいて、
前記第１区画室は複数の第１電極を備えており、
前記第２区画室は複数の第３電極を備えており、
前記発光源は、前記第２区画室に付随する複数の発光源からなり、
前記導体は、それぞれの第１及び第３電極を電子的に結合する複数の導体からなり、
前記検出器は、前記第２区画室において各発光源から放出される光を検出するように動作可能である
ことを特徴とするシステム。
【請求項８９】
請求項８８記載のシステムにおいて、前記複数の発光源は発光ダイオードであることを特徴とするシステム。
【請求項９０】
請求項８８記載のシステムにおいて、前記第２電極は陰極であり、前記第４電極は陽極であることを特徴とするシステム。
【請求項９１】
請求項８８記載のシステムにおいて、前記第２電極は陽極であり、前記第４電極は陰極であることを特徴とするシステム。
【請求項９２】
試料の存在又は量を検出するシステムであって、
第１区画室と、
前記第１区画室に付随する第１電極とバイポーラ電極の第１端部と、
第２区画室と、
前記第２区画室に付随する第２電極と前記バイポーラ電極の第２端部と、
前記試料を含有し、前記第１区画室内に配された第１電解質溶液と、
電気化学発光系を含有し、前記第２区画室内に配された第２電解質溶液と、
前記バイポーラ電極の第１端部及び前記バイポーラ電極の第２端部を電子的に結合する導体と、
前記第１及び第２電極間に電位差を発生するように動作可能な電圧源と、
前記第２区画室において前記電気化学発光系によって発生される光信号を検出することによって、前記第１区画室において前記試料の存在又は量を検出する検出器と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項９３】
請求項９２記載のシステムにおいて、前記第１及び第２区画室は共通のバリアを共有し、該共通バリアはイオン浸透性バリアからなることを特徴とするシステム。
【請求項９４】
請求項９３記載のシステムにおいて、前記バイポーラ電極の第１及び第２端部と、前記第１及び第２端部を結合する導体は、前記共通バリアに及ぶモノリシックバイポーラ電極を構成することを特徴とするシステム。
【請求項９５】
請求項９４記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記第１及び第２区画室間の前記共通バリアに及ぶ、少なくとも２つのバイポーラ電極を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項９６】
請求項９４記載のシステムにおいて、前記バイポーラ電極の第１領域は、前記第２領域よりも大きな表面積を有することを特徴とするシステム。
【請求項９７】
請求項９４記載のシステムにおいて、該システムは更に、
それぞれ付随する第１電極を有する複数の第１区画室を備えており、
前記電圧源は、前記それぞれの第１電極と第２電極との間に電位差を発生するように動作可能であり、
前記検出器は、前記第２区画室において前記電気化学発光系によって発生される前記光信号を検出することによって、前記第１区画室の少なくとも１つにおける前記試料の存在を検出するように動作可能である
ことを特徴とするシステム。
【請求項９８】
請求項９７記載のシステムにおいて、前記電圧源は、一連の連続する第１区画室において、前記電位差を発生するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項９９】
請求項９７記載のシステムにおいて、前記電圧源は、前記電位差を同時に発生するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１００】
請求項９２記載のシステムにおいて、
複数の第１区画室と、
前記第１区画室に付随する、それぞれの第１電極と前記バイポーラ電極のそれぞれの第１端部と、
前記バイポーラ電極のそれぞれの第１端部の１つと前記バイポーラ電極の第２端部との間に前記導体を電子的に結合するように動作可能なスイッチと
を備えており、
前記電圧源は、前記第１電極それぞれと前記第２電極との間に電位差を発生するように動作可能であり、
前記検出器は、前記第２区画室において前記電気化学発光系によって発生される前記光信号を検出することにより、前記第１区画室の１つにおける前記試料の存在を検出するように動作可能である
ことを特徴とするシステム。
【請求項１０１】
請求項９２記載のシステムにおいて、前記第１電極と前記バイポーラ電極の第１端部は、平行平面であり、１５μｍ未満の分離ギャップを有することを特徴とするシステム。
【請求項１０２】
試料の存在又は量を検出するシステムであって、
前記試料を含有する第１電解質溶液を第１電極領域と結合する手段と、
発光源を第２電極領域と結合する手段と、
前記第１及び第２電極領域を電子的に結合する手段と、
前記第１及び第２電極領域間に電位差を発生する手段と、
前記第２電極領域において前記発光組成物から放出される光を検出することによって、前記第１電極領域において前記試料の存在又は量を示す手段と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項１０３】
請求項１０２記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記第１及び第２電解質溶液をイオン的に結合する手段を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項１０４】
請求項１０２記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記第１及び第２電解質溶液をイオン的に隔離する手段を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項１０５】
請求項１０２記載のシステムにおいて、前記発光源は電気化学発光系であることを特徴とするシステム。
【請求項１０６】
請求項１０２記載のシステムにおいて、前記発光源は発光ダイオードであることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、電気化学の分野に関し、更に特定すれば、電気化学的事象の光子信号報告(photonic signal reporting)に関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックス分子とは、適宜の電位バイアスを印加すると、電極によって還元又は酸化することができる分子のことである。レドックス分子の還元又は酸化を、レドックス反応と呼ぶ。レドックス反応は、バッテリ、燃料セル、医療診断、及び膜生成のような多くの用途において生じ、これら以外にもあげることができる。レドックス分子は、多くの有用な目的に供することができる。例えば、レドックス分子をラベリング（標識）として用いることができ、この場合、レドックス分子を対象の試(analyte)に取り付け、レドックス反応によるレドックス分子の検出が、それを取り付けた試料の存在を示す。場合によっては、対象の試料が本質的にレドックス活性(redox-active)であることもある。このラベリング手法、又は本質的特性は、医療診断業界において用いられ、とりわけ、電気化学的検出によってＤＮＡ、蛋白質、抗体、抗原、及びその他の物質の検出する。
【０００３】
クロマトグラフ検出器においてときどき用いられる形式の従来の電気化学センサでは、作用電極(working electrode)の電位を、基準電極のそれに関して制御し、作用電極と不活性対電極(inert counter electrode)との間を流れるファラディ電流を測定する。この種の手法では、システムの情報内容全体が、作用電極における反応によって得られる。
【０００４】
電気化学的検出に対する別の手法では、電極を用いてレドックス反応を誘起し、その結果電気化学発光（ＥＣＬ：electrochemiluminescence）による発光が生ずる。Aurora及びManzは、ＰＣＴ出願ＷＯ００／０３２３号において、電気化学発光セルとして用いることができる、浮遊反応電極を内蔵した装置について報告している。Massey et al.は、米国特許第６，３１６，６０７号において、このようなラベル（標識）の検出のための従来のＥＣＬラベル及び方式を開示しているが、この場合もこの方法の利用は、情報内容全体を与える１つの電極を拠り所としている。De Rooij et al.は、米国特許第６，５０９，１９５号において、生体物質(biological substance)を分析するための電気化学発光検出器を開示しており、ここでも、その方法は、マーカ及びＥＣＬ放出体として機能するラベルを採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＥＣＬに基づく検出方法は、一般に感度が高いという点において、従来の電流測定又は電位測定検出方法に対する改善である。更に感度を高めるには、超好感度光子検出器が入手できるか否か、そして光信号への変換によるレドックス信号内に生ずるノイズの一部を除去することにかかっている。現在のやり方を改善する手段は、実施する方法によって自ずと制限される。例えば、レドックス・ラベル及びＥＣＬ放出部は、一般に同一であり、したがって、各プロセス、レドックス検知及び発光を独立して最適化することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、試料の存在又は量を検出する方法は、試料を含有する第１電解質溶液を、バイポーラ電極の第１領域に付随させるステップと、電気化学発光系を含有する第２電解質溶液をバイポーラ電極の第２領域に付随させるステップと、第１電解質溶液を第２電解質溶液からイオン的に隔離するステップと、第１及び第２電解質溶液間に電位差を発生させるステップと、電気化学発光系から放出される光を検出することによって、バイポーラ電極の第１領域における試料の存在又は量を示すステップとを含む。
【０００７】
本発明の別の実施形態によれば、多数の試料の存在又は量を検出する方法は、複数の試料を含有する第１電解質溶液を、各々、試料特定結合試薬を伴う、複数のバイポーラ電極の第１領域に付随させるステップと、電気化学発光系を含有する第２電解質溶液をバイポーラ電極の第２領域に付随させるステップと、第１及び第２電解質溶液をイオン的に隔離するステップと、第１及び第２電解質溶液間に電位差を発生させるステップと、バイポーラ電極のそれぞれの第２領域に付随する電気化学発光系から放出される光を検出することによって、バイポーラ電極のそれぞれの第１領域における多数の試料の各々の存在又は量を示すステップとを含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、試料の存在又は量を検出する方法は、試料を含有する第１電解質溶液を、第１電極及び第２電極を備えた第１コンテナに付随させるステップと、発光源を第３電極及び第４電極を備えた第２コンテナに付随させるステップと、第１及び第３電極を電子的に結合するステップと、第２及び第４電極間に電位差を発生させるステップと、第２コンテナにおいて発光源から放出される光を検出することによって、第１コンテナにおける試料の存在又は量を示すステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、多数の試料の存在又は量を検出する方法は、多数の試料を含有する第１電解質溶液を、複数の第１電極を備え、その各々に試料特定結合試薬を付随させた第１コンテナに付随させるステップと、複数の発光源を、複数の第３電極及び１つの第４電極を備えた第２コンテナに付随させるステップと、複数の第１及び第３電極を電子的に結合するステップと、第２及び第４電極間に電位差を発生させるステップと、複数の第３電極それぞれに付随する複数の発光源によって放出される光を検出することによって、第１コンテナにおける多数の試料の各々の存在又は量を示すステップとを含む。
【００１０】
本発明の実施形態では、多数の技術的利点が得られる。本発明の実施形態は、これらの利点の全て又は一部を含むか、又はいずれも含まない。本発明の一実施形態によれば、電気化学的事象を検出し、これらを光学的に報告する方法を提供する。陽極及び陰極プロセスが化学的に切断されているので、ターゲット試料が直接ＥＣＬ反応シーケンスに関与する必要はない。これによって、高感度ＥＣＬプロセスを用いて検出可能な試料数が大幅に増加する。陽極及び陰極反応は電子的に結合され、したがって、ＥＣＬ強度を試料の濃度に相関付け、これによって、それを定量化することが可能となる。
【００１１】
本発明の別の実施形態によれば、陽極及び陰極の形状を互いに対して変化させることによって、検出の限界を低下させることができることが示されている。
このセンサの検知及び報告機能の化学反応を遮断することに加えて、システムが外部の電気的接触を有さないバイポーラ電極を用いて動作することができることは、本発明の一部の実施形態では有利である。複数のこのようなバイポーラ電極をデバイス内に配列し、同じ電解によりこれらを全てアクティブにすることができる。この巧みな方法により、５、５０又は５０、０００もの異なる試料の同時分析のためというように、多重化分析用のシステム設計が簡略化される。別の実施形態によれば、異なる長さのバイポーラ電極を用いることによって、半反応(half reaction)が異なる正式電位(formal potential)を有するターゲットを検出する電極アレイを作成することができる。このようなデバイスは、ＥＣＬの強度、又は照明される電極の長さのいずれかを測定することによって動作可能である。
【００１２】
本発明のいずれの実施形態においても、このようなデバイスは、電極間に必要な電位バイアスを供給する小型バッテリと、ＥＣＬ系によって放出される光を測定するフォトダイオードによって、微小化することができる。
その他の技術的利点は、当業者によって確認することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
これより、添付図面に関連付けて以下の説明を行う。図面においては、同様の参照番号は同様の部分を表すものとする。
図１は、本発明の一実施形態による、電気化学的検出及び電子発生化学発光（「ＥＣＬ」）報告を拠り所とする、マイクロフルイディックを用いた検知システム１００の模式的な正面図である。一般に、システム１００は、ターゲット試料１０２の存在を検出するために利用され、その際、ターゲット試料１０２にレドックス試薬１１８でラベリング（標識）を行い、第１電極領域１２４における電気化学反応を検知し、第２電極領域１２２と関連するＥＣＬ系１２０によって、電気化学反応の検知を光学的に報告する。
【００１４】
本発明の一実施形態の教示によれば、ＥＣＬ系１２０に伴う報告反応（参照番号１０１で示す）は、レドックス試薬１１８によって容易となる電気化学検知反応（参照番号１０３で示す）から遮断される。この切断については、以下で更に詳しく説明する。システム１００は電荷の平衡を必要とするので、本発明の教示は、検知反応１０３及び報告反応１０１は電子的に結合されていることを認識する。このようにして、高感度ＥＣＬ系１２０を用いて検出することができるターゲットの試料１０２の数を大幅に増加させる。加えて、電子的結合のために、ＥＣＬ系１２０によって放出される光１２１の強度を、ターゲットの試料１０２の濃度に相関付け、これによって定量化することが可能となる。システム１００は、例えば、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄに示すように、ワイヤレス・モードで実現することもでき、あるいは、例えば、図２及び図３に関連付けて以下で説明するように、有線モードで実現することもできる。他の実施態様も本発明の教示によって想起され、これらは例示の目的で与えるに過ぎない。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、システム１００は、バイポーラ電極１０６と電解質溶液１０８とを収容する検査コンテナ１０４を含む。また、システム１００は、電圧源１１０と、検出器１１４も含む。
検査コンテナ１０４は、バイポーラ電極１０６及び電解質溶液１０８を収容するように構成された適宜のコンテナであれば任意のものでよい。コンテナ１０４は、適宜のサイズであれば任意のものでよく、任意の適宜の製造方法を用いて、任意の適宜の材料で形成すればよい。コンテナは、チャネル、微小チャネル、チャンバ、ウェル、管、毛管等の形態を取ることができ、その各々は、任意の適宜の寸法であればよい。例えば、コンテナ１０４の長さ、幅、及び深さは、０．１ミクロンから数センチメートル以上の間のいずれでもよい。加えて、コンテナ１０４は、ポリマ、エラストマ、プラスチック、セラミック、ガラス、クオーツ、シリコン、及び接合複合体のような任意の適宜の材料で形成することができる。図１Ａ及び図１Ｂには１つのコンテナ１０４のみを示すが、システム１００は、多数のコンテナ１０４を含むこともできる。更に、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、各々は、１つ以上のバイポーラ電極１０６を収容することができる。
【００１６】
バイポーラ電極１０６は、炭素、導電性インキ、導電性ポリマ、あらゆる適宜の金属、導電性酸化物、及び半導体材料のような、適宜の任意の材料で形成され、適したサイズを有するいずれかの電極である。バイポーラ電極１０６は、半導体業界において用いられている従来のリソグラフ法、蒸着、電子ビーム蒸着、スクリーン・プリント、電着又は無電解メッキ、及び塗装のような、任意の適宜の方法を用いて形成することができる。また、バイポーラ電極１０６は、予め形成しておき、次いでコンテナ１０４内に配置することもできる。バイポーラ電極１０６は、第１電極領域１２４と、第２電極領域１２２とを含む。図示の実施形態では、第１電極領域１２４は陰極として作用し、第２電極領域１２２は陽極として作用する。しかしながら、他の実施形態では、第１電極領域１２４は陽極として作用し、第２電極領域は陰極として作用する。バイポーラ電極１０６は、電極の各端部における面積が異なっていてもよく、したがって、電極の幅を変えることによって、第１電極領域１２４は、第２電極領域１２２よりも小さくしても、又は大きくしてもよい。例えば、バイポーラ電極１０６は、「Ｔ」字の形状を有することもできる。これによって、各端部における相対的電流密度の制御を行うことができ、したがって、小さい方のエリアに信号を集中させることによって、そしてレドックス試薬１１８による反応のために大きい方の電極エリアを割り当て、図１にしたがって、広い第１電極領域１２４と狭い第２電極領域１２２とを有することによって、ＥＣＬ光信号を増大するために用いることができる。
【００１７】
電解質溶液１０８は、水、有機溶剤、水溶性／有機溶剤の溶液、イオン導電性ポリマ、溶融塩、液体アンモニア、液体二酸化硫黄、及びあらゆる適宜の超臨界流体に溶解した任意の適宜の電解質塩で構成することができる。電解質溶液１０８をコンテナ１０４内に導入するには、適宜の方法であればそのいずれを用いてもよい。一実施形態では、電解質溶液１０８は、レドックス試薬１１８でラベルを付けたターゲット試料１０２と、ＥＣＬ系１２０の双方を含有する。
【００１８】
ターゲット試料１０２は、システム１００によって分析することが望ましい適宜の分子（複数の分子）であればいずれでもよい。例えば、ターゲット試料１０２は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、蛋白質、ペプチド、酵素、抗体、抗原、糖、（オリゴ）糖類、リピド(lipid)、ステロイド、ホルモン、試薬、プロセス中間体、反応生成物、副産物、プロセス・ストリーム成分(process stream components)、汚染物、又はその他の適宜の種とすることができる。ターゲット試料１０２は、電気活性でもよく、その場合、本来レドックス試薬１１８を含有する。あるいはターゲット試料１０２は、非電気活性でもよく、その場合、レドックス試薬１１８によるラベリングが必要となる。レドックス試薬１１８によるターゲット試料１０２のラベリングは、適宜のラベリング方法であればいずれでもよく、直接又は間接標識付け、共有ラベリング、非共有ラベリング、静電ラベリング、現場ラベリング、酵素反応による変換、及び化学反応による変換等がある。多数の試料を１回の測定において検出すべき場合には、異なるレドックス・ラベルを用いることができる。
【００１９】
レドックス試薬１１８は、いずれかの適宜のレドックス活性分子（複数の分子）である。レドックス活性分子とは、容易に酸化又は還元することができる分子のことである。レドックス分子の一例に、ベンジル・ビオロゲン（ＢＶ２＋）があり、これは、２回の連続する一電子事象(one electron event)において２つのの電子によって容易に還元される。他の例には、フェロセン、キノン、フェノチアジン、ピロール、遷移金属錯体、金属粒子、多数のレドックス分子をホスト(host)することができるポリスチレン球体のようなその他の粒子等が含まれる。１つよりも多いレドックス同等物（即ち、電子）を１回のレドックス反応において交換可能なレドックス・ラベルは、本発明において信号を増幅するように機能する。レドックス試薬１１８の機能については、以下で更に詳しく説明する。しかしながら、一般に、ターゲット試料１１８に伴うレドックス試薬１１８が第１電極領域１２４の近傍内を通過すると、レドックス反応が発生して、第２電極領域１２２においてＥＣＬ系１２０の対応するレドックス反応を引き起こし、これによって発光１２１が検出器１１４によって検出される。
【００２０】
ＥＣＬ系１２０は、適宜の電気化学発光系であればいずれでもよい。ＥＣＬ系とは、レドックス事象によって冷光を発する（発光する）ように誘導することができる化合物又は化合物の結合体である。ＥＣＬ系の一例は、トリアルキルアミンと結合したルテニウム又はオスミウム・キレートである。本発明の特定的な実施形態では、ＥＣＬ系１２０は、ルテニウム・トリビピリジル化合物（「Ｒｕ（ｂｐｙ）３２＋」）及びトリプロピルアミン（「ＴＰＡ］）を含む。ＥＣＬ系の機能については、以下で更に詳しく説明するが、レドックス反応のような電気化学的反応に応答して、光１２１を発生することである。光１２１は検出器１１４によって検出される。したがって、透光性ウィンドウ１１２をコンテナ１０４に付随させ、ＥＣＬ系１２０から発光した光１２１が検出器１１４によって検出できるようにするとよい。ウィンドウ１１２は、いずれの適宜のサイズでもよく、いずれかの適宜の材料及び方法を用いてコンテナ１０４内に形成すればよい。検査コンテナ自体は、ガラス又は適切な熱可塑性樹脂のような、光学的に透明な材料で作成し、光１２１が検出器１１４によって検出できるようにするとよい。検査コンテナは、ウェル又はその他のそのような形態でもよく、その場合、コンテナは外部への開口を有し、これを介して光信号が検出器に直接到達するようにするとよい。
【００２１】
検出器１１４は、ＥＣＬ系１２０から放出される光１２１を検出するように動作する適宜の検出器であればいずれでもよい。例えば、検出器１１４は、視覚観察(visual observation)、光電子倍増管、ＣＣＤアレイのような電荷結合デバイス、ＣＭＯＳアレイ、フォトダイオード、及びカメラを含むことができる。検出器１１４は、ウィンドウ１１２に隣接して配置され、光１２１を検出する。
電圧源１１０は、コンテナ１０４の長さにわたって適宜の電圧を印加することにより、電解質溶液１０８に電界を導入するように動作可能な適宜のデバイスであればいずれでもよい。電極の長さにわたって電解質溶液内に発生する電界を、図１Ａ〜図１ＤではΔＥｆｉｅｌｄとして示す。第１電極領域１２４及び第２電極領域１２２に存在する電解質溶液１０８の電位差が臨界値に達すると、バイポーラ電極１０６の両端において、ファラディ・プロセスが発生する。臨界電位（Ｅｃｒｉｔ）は、電解質溶液１０８内に存在するレドックス試薬１１８の濃度、温度、２つの半分の反応に対する異質電子移動率定数(heterogeneous electron-transfer rate constant)の大きさ、質量輸送率(mass transport rate)、接合電位等のような多くの要因によって決まる。しかしながら、通常、Ｅｃｒｉｔは、第１電極領域１２４及び第２電極領域１２２において発生するレドックス・プロセスの正式(formal)電位の差にほぼ等しい。
【００２２】
バイポーラ電極１０６の長さに沿った電解質溶液１０８の電位差（ΔＥｅｌｅｃ）がＥｃｒｉｔよりも小さい場合、バイポーラ電極１０６を方位するコンテナ１０４内の電流は、電解質溶液１０８内のイオンによって搬送される。しかしながら、バイポーラ電極１０６の二端（即ち、第１電極領域１２４及び第２電極領域１２２）においてファラディ・プロセスが発生するためには、そして電流がバイポーラ電極１０６内の電子によって搬送されるためには、電位差ΔＥｅｌｅｃがＥｃｒｉｔを超過する場合の方がエネルギ的に一層好ましい。このように、レドックス反応がレドックス試薬１１８に対して発生すると、相関のあるレドックス反応がＥＣＬ系１２０において発生し、光１２１の放出が検出される。
【００２３】
本発明の一実施形態では、イオン浸透性バリア１１６がコンテナ１０４内に存在し、これによって、分離したサンプル区画室を設けている。バリア１１６は、検知反応１０３に伴うレドックス試薬（即ち、試料）を、報告反応１０１に伴うＥＣＬ系から分離するように機能しつつも、イオン結合を可能にする。液体−液体接合、塩ブリッジ、イオン透過膜、及びイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアのような、いずれかの適宜のイオン浸透性バリアを利用することができる。また、バリア１１６は、別個の区画室を接続する狭い開口でもよい。開口は１つの寸法がコンテナと同じサイズでもよいが、少なくとも１つの寸法は、開口がコンテナにおける対応する寸法よりも小さい。狭い開口によって、検知反応１０３と報告反応１０１の実質的な混合を防止する。バリア１１６を利用する実施形態では、塩、バッファ、及び検知反応１０３に伴う電解質溶液１０８からなる溶剤は、塩、バッファ、及び報告反応１０１に伴う電解質溶液からなる溶液と同一であってもよく、又は異なってもよい。
【００２４】
図１Ｃは、システム１００を示す模式平面図であり、可変長のバイポーラ電極を利用している。図１Ｃに示す実施形態は、長さが異なる電極１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃを含む。電極１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃを横切って電解質溶液１０８中に発生する電界の大きさは、大まかに個々の電極の長さに比例する。したがって、異なる長さの各電極から、差ΔＥｅｌｅｃが得られる。図示の実施形態では、異なるレドックス電位を有する異なるレドックス・ラベルを、異なるバイポーラ電極１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃからの発光の相対的強度にしたがって、混合物の中で区別することができる。例えば、あるレドックス・ラベル１１８は、最も長い電極、即ち、電極１０６ｃのΔＥｅｌｅｃだけ少ないＥｃｒｉｔによって特徴付けることができる。この実施形態では、ＥＣＬ系１２０を活性化し、電極１０６ｃの第２電極領域１２２ｃから光を放出し、電極１０６ａや１０６ｂにおいては光を放出しない。しかしながら、異なる試料にラベルを付けるために用いられる第２レドックス・ラベル１１８は、長い方の２つの電極、即ち、電極１０６ｂ及び１０６ｃのΔＥｅｌｅｃだけ少ないＥｃｒｉｔによって特徴付けることができる。この実施形態では、ＥＣＬ系１２０を活性化し、電極１０６ｂ及び１０６ｃの第２電極領域１２２ｂ及び１２２ｃにおいてそれぞれ光を放出するが、電極１０６ａにおいては光を放出しない。多数のレドックス・ラベル間で区別するために電極の長さを調節し、多数の電極からの放出光のパターンを用いて混合物内における試料の存在を判定する実施形態も考えられる。
【００２５】
図１Ｄは、システム１００を示す模式平面図であり、バイポーラ電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ及び１０６ｄのアレイを利用している。図１Ｄの「アレイ」の実施形態は、多数の電極を利用しているという事実を除いて、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施形態と同様に動作する。
この電極のアレイは、同一サンプル内における多数のターゲット試料の検出のために利用することができる。この実施形態では、各バイポーラ電極の一領域を、認識素子の当該領域に対する連携によって、試料特定としている。認識素子は、対象となる多数の試料の内１つに選択的に応答し、選択的に結合する。この認識素子は、イオン選択膜、又はＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡのような、選択的に別のものを結合する任意の適宜の分子、ならびにその他の核酸類似物、抗体、抗原、受容体、配位体等とすればよく、このような認識素子の組み合わせを含む。信号の局在化発生については、図５Ａに関連して以下で論ずる。
【００２６】
コンテナ１０４が、バイポーラ電極１０６、ウィンドウ１１２、及びバリア１１６と共に既に作成されていると仮定して、図１Ａ及び図１Ｂに示すワイヤレスの実施形態を以下に簡単に説明する。最初にターゲット試料１０２にレドックス試薬１１８でラベル付けし、電解質溶液１０８と混合する。加えて、ＥＣＬ系１２０を電解質溶液１０８と混合する。前述のように、ターゲット試料１０２に用いる電解質溶液１０８及び付随させるレドックス試薬１１８、ならびにＥＣＬ系１２０に用いる電解質溶液１０８は、同一種類であってもなくてもよい。ターゲット試料１０２及び付随させるレドックス試薬１１８を含有する電解質溶液１０８を、コンテナ１０４の区画室１０５ｂに導入し、ＥＣＬ系１２０を含有する電解質溶液１０８を、コンテナ１０４の区画室１０５ａに導入する。次いで、検出器１１４をウィンドウ１１２に隣接して適切に配置する。
【００２７】
次いで、電圧源１１０により、電界をコンテナ１０４の長さにわたって発生させる。これによって、第１電極領域１２４と第２電極領域１２２との間で電解質溶液１０８に電位差が生じ、化学バリア１１６を介して区画室１０５ａと１０５ｂとの間にイオン流が生ずる。電位差ＥｅｌｅｃがＥｃｒｉｔを超過すると、前述のように、バイポーラ電極１０６において第２電極領域１２２から第１電極領域１２４に電流が流れ始める。任意にレドックス試薬１１８でラベリングしたターゲット試料１０２が拡散又は混合対流によって第１電極領域１２４の近傍内を通過すると、レドックス反応が発生する。したがって、第１電極領域１２４が陰極として作用すると、レドックス試薬は還元し、第１電極領域が陽極として作用すると、酸化する。第１電極領域１２４が陰極として作用すると仮定すると、レドックス試薬１１８はバイポーラ電極１０６から電子を受け入れ、システム１００は電荷の平衡を必要とするので、ＥＣＬ系１２０は電子をバイポーラ電極１０６に与える。ＥＣＬ系１２０のこのレドックス反応によって、ウィンドウ１１２を通じて光１２１が放出される。すると、検出器１１４が光１２１を検出する。これは、ターゲット試料１０２が検出されたことを通知する。光１２１の強度は、第１電極領域１２４付近で検出されるレドックス分子の数と関係があるので、ターゲット試料の量の判定が可能となる。
【００２８】
報告反応１０１の検知反応１０３からの遮断によって、本発明において多数の技術的利点が得られる。このような技術的利点の１つは、システム１００が検知及び報告プロセスに別個の反応を用いることである。従来のシステムは、「作用（ワーキング）」電極において生ずる反応に重点を置き、「対抗（カウンタ）」電極における活動を無視していた。その結果、単一の反応が、検知及び報告機能双方を同時に与えなければならなかった。対照的に、本発明の一実施形態によれば、他方の電極領域（即ち、作用電極）において電気化学的検知反応が行われている間、一方の電極領域（即ち、対電極）において発生するＥＣＬ系によって放出される光に重点を置く。これによって、試料検出の制御品質向上が可能となり、更に検知反応においては、ＥＣＬレドックス分子をターゲット試料のラベルとして用いる、即ち、ラベル及び報告体(reporter)双方として機能するため、ＥＣＬ反応を用いることに伴う問題を低減及び／又は解消することができる。
【００２９】
また、従来のシステムでは、検知及び報告プロセス双方を単一のサンプル区画室で行う必要があった。対照的に、本発明の一部の実施形態の教示では、検知及び報告プロセスの分離を可能とするため、各レドックス・プロセスの溶剤、電解質濃度、組成、及びその他の成分に対して独立した最適化ができ、適切なｐＨ、イオン強度、及び検知反応に必要と考えられるその他の溶剤条件を維持しつつ、ＥＣＬ系による発光の効率を最大限高めることができる。検知及び報告反応を別個の区画室内の別個の電極において行う本発明の実施形態については、図２及び図３と関連付けて以下で説明する。
【００３０】
図２は、２つの電極２００ａ、２００ｂを利用するシステム１０１０の有線の実施形態を示す模式平面図である。電極２００ａ及び２００ｂは、いずれかの適宜のサイズ及び任意の適宜の形状とすることができ、バイポーラ電極１０６について記載したように、任意の適宜の材料で形成することができる。電極２００ａ及び２００ｂは、図２に示すように、同様の形状及び面積とすることができ、あるいは電極面積を異ならすことにより、先に論じたように、システムが発生するＥＣＬ信号を強化することもできる。一方の電極の面積は、他方の電極の２倍、１０倍、１００倍、更に１０００倍にまでも大きくすることもできる。電極の形状は、用途にしたがって、製造用装置、封止、サイズ要件、感度等の必要性に応じて、変化させることができる。図２に示す実施形態は、バイポーラ電極１０６を電極２００ａ及び２００ｂと交換したという事実を除いて、図１Ａに示す実施形態と同様である。加えて、電極２００ａ及び２００ｂは、電子的に電圧源２０２を介して互いに結合されている。電圧源２０２は、バッテリ、又は電極２００ａと２００ｂとの間に電位差を印加するように動作可能なその他の適宜の電圧源でもよい。図２に示すように、電極２００ａは陽極として作用し、電極２００ｂは陰極として作用する。しかしながら、レドックス試薬１１８及びＥＣＬ系１２０に用いるレドックス分子の種類によっては、電極２００ａが陰極として作用してもよく、電極２００ｂが陽極として作用してもよい。
【００３１】
図１Ａ〜図１Ｄに示した実施形態と同様、検知反応１０３は電極領域の１つに随伴し、一方報告反応１０１は電極領域の別の１つに随伴する。しかしながら、図２に示す実施形態では、電極領域は、２つの隣接する区画室２０６ａ及び２０６ｂ内に配置された別個の電極である。区画室間にある狭い開口２０８によって、２つの区画室をイオン的に結合させ、電荷平衡の保存を可能にする。開口２０８のサイズは、区画室間でイオン連通を有する必要性と、各区画室の溶液を実質的に分離して維持する必要性とを勘案して決める。狭い開口が好ましい場合、開口２０８は、コンテナの幾何学的形状の少なくとも１つの寸法に対して小さくすることができる。例えば、開口２０８は、いずれの側の区画室とでも同じ高さとすることができるが、開口２０８の幅は、接続されている区画室の幅未満とすればよい。代替実施形態（図示せず）では、区画室２０６ａと２０６ｂとの間にイオン浸透性バリアがあってもよく、ワイヤレスの実施形態における化学的バリア１１６と同様に機能する。
【００３２】
本発明の別の実施形態では、コンテナ及び区画室間のバリアを通過するサンプル流が、電極の上流に存在し、区画室間の開口が電極の下流に存在する。２つ以上のサンプル・ストリームが電極を通過して流れる別の実施形態では、区画室間のバリアは、電極の上流に存在し、電極を通過する２つ以上のストリームが融合する。更に別の実施形態では、電極の上流側にも下流側にも、ストリームの間に物理的なバリアは存在せず、ストリームは、別個の入口から、主チャネル内に層流状態で融合することにより、バルク分離(bulk separation)を維持する。
本発明の別の実施形態では、報告反応１０１のための単一区画室に多数の検知反応区画室を随伴させた構成を含む、電極及び区画室のその他の構成も考えられる。図２に示す実施形態の動作は、先に図１Ａ〜図１Ｄに示した実施形態の動作と同様である。動作上の相違の１つは、電圧源２０２が、前述のようなコンテナ間ではなく、電極２００ａと２００ｂとの間に電位差を印加することである。
【００３３】
図３は、３つの電極３００ａ、３００ｂ及び３００ｃを利用したシステム１００の有線の実施形態を示す模式平面図である。電極３００ａ、３００ｂ及び３００ｃは、いずれかの適宜のサイズ及び任意の適宜の形状とし、バイポーラ電極１０６ならびに電極２００ａ及び２００ｂについて記載したような、任意の適宜の材料で形成することができる。図３に示す実施形態は、ターゲット試料１０２の検出が逆検出(inverse detection)であることが、図１Ａ及び図２に示した実施形態と異なる。言い換えると、図１Ａ及び図２に示した実施形態では、光１２１の強度は、電気化学的検知反応が発生すると増大するが、一方、図３の実施形態では、電気化学的反応が発生すると、光１２１の強度は低下する。これについて、以下に説明する。
【００３４】
図示の実施形態では、電極３００ａがＥＣＬ系１２０に付随し、電極３００ｂがターゲット試料１０２及びレドックス試薬１１８に付随し、電極３００ｃが犠牲のレドックス試薬３０２に付随している。犠牲レドックス試薬３０２は、電極によって容易に還元又は酸化するレドックス分子からなる。電極３００ｃに犠牲レドックス試薬３０２があるために、電極３００ａと３００ｃとの間に十分な電位差が存在するときには、電極３００ａに対応するＥＣＬ系１２０のレドックス反応が生ずる。次いで、これによってウィンドウ１１２を通じて光１２１の放出が生じ、検出器１１４によって検出される。これは前述と同様である。区画室間のイオン結合は、区画室間の狭い開口３０８によって得られる。
【００３５】
レドックス試薬１１８で標識付けしたターゲット試料１０２の検出について、以下に説明する。電極３００ａ及び３００ｂは、直接電子的に結合されており、したがって実質的に同一電位にある。ターゲット試料１０２及びレドックス試薬１１８が電極３００ｂ近傍内を通過すると、レドックス試薬１１８にレドックス反応が発生する。何故なら、電極３００ｂはこのような反応に適した電位に保持されているからである。このように、電極３００ａ及び３００ｂが直接結合されているので、電極３００ｃから来る電流は、電極３００ａ及び３００ｂの間で分配される。ＥＣＬ系１２０及びレドックス試薬１１８双方に関連があるレドックス分子は、電子を求めて競合する。このため、ターゲット試料１０２（任意にレドックス試薬１１８でラベル付けされている）が電極３００ｂに遭遇すると、ＥＣＬ系１２０から放出される光１２１の強度が低下することによって、ターゲット試料１０２の検出を示す。本発明のこの実施形態によって、電極及び微小チャネルの別の構成も考えられる。
【００３６】
図４は、本発明の一実施形態にしたがってターゲット試料１０２の存在を検出する方法を示すフローチャートである。この方法は、ステップ４００にて開始し、ここで、ターゲット試料１０２を含有する、電解質溶液１０８のような第１電解質を、第１電極領域１２４に付随させる。一実施形態では、ターゲット試料１０２にレドックス試薬１１８でラベリングを行う。ステップ４０２において、電解質溶液１０８のような、ＥＣＬ系１２０を含有する第２電解質を、第２電極領域１２２に付随させる。前述のように、第１及び第２電解質は、同一種類でもよく、異なる種類でもよい。
【００３７】
ステップ４０４において、第１電極領域１２４及び第２電極領域１２２を電子的に結合する。図１Ａ及び図１Ｂに示したワイヤレスの実施形態では、バイポーラ電極１０６を含み、図２及び図３に示す有線の実施形態では、回路及び電圧源と電子的に結合された別個の電界を含む。ステップ４０６において、第１及び第２電解質をイオン的に結合する。同じ電解質溶液１０８を利用しており、間に化学的バリアがなければ、第１及び第２電解質はイオン的に結合される。化学的バリアが存在する実施形態では、イオン結合を許すが電解質の化学結合を妨げるバリアによって、イオン結合が生ずる。例えば、化学的バリアは、液体−液体接合、塩ブリッジ、イオン浸透性膜、又はイオン浸透性ゾル・ゲル・バリアを含むことができる。
【００３８】
ステップ４０８において、第１電極領域１２４と第２電極領域１２２との間に電位差を発生させる。これは、図１Ａ及び図１Ｂにおけるワイヤレスの実施形態では、電極に接触する電解質溶液全体に電界をかけることを含み、図２及び図３の有線構成では、電極間に電圧を印加することを含んでいる。電位差がＥｃｒｉｔを超過した場合、ＥＣＬ系１２０から光１２１が放出される。したがって、ステップ４１０において、第２電極領域においてＥＣＬ系１２０から放出された光１２１は、検出器１１４によって検出される。光１２１の強度は、第１電極領域１２４に存在するレドックス分子の数と相関がある。これで、図４に概略的に示した方法が終了する。
【００３９】
図５Ａ〜図８は、サンプル区画室５０２及び信号区画室５０４が互いに隔離されており、ターゲット試料１０２の存在を検出する代替システム５００の種々の実施形態の模式図である。システム５００ａ、５００ｂ、５００ｃ及び５００ｄは、機能が同様であり、サンプル区画室５０２内に導入されたターゲット試料１０２の存在により、レドックス反応が発生し、信号区画室５０４に信号を通過させる。信号区画室５０４は、発光源を含み、電流が信号区画室５０４を通過すると、誘起されて光を発光し、光信号が検出器１１４によって記録される。システム５００ｅは、多重検出のために、多数のターゲット試料１０２の存在を検出するシステムの実施形態を例示する。多数の試料は、別々に、サンプル区画室５０２内の複数のバイポーラ電極に付随し、試料の各々に伴うレドックス・ラベルにより、電流が信号区画室５０４を通過する。信号（光）は、信号区画室内の複数のバイポーラ電極に付随する複数の発光源それぞれによって放出される。
【００４０】
図５Ａを参照すると、システム５００ａは、発光源をＥＣＬ系１２０として示す。図示の実施形態では、サンプル区画室５０２は、電極５０６と、バイポーラ電極５１０の第１端部５０８とを含む。信号区画室５０４は、電極５１２と、バイポーラ電極４１０の第２端部５１４とを含む。電極５０６、５１２は、バッテリ、電源、又はサンプル区画室５０２内の電解質溶液５１６と信号区画室５０４内の電解質溶液５１６との間に電位差を与えることができる適宜の電圧源である、電圧源１１０に接続されている。加えて、電圧源１１０と連動する回路５２０も、電圧を規制し、電位波形を発生することができる。
システム５００ａは基準電極５１９を含むこともできる。この場合、回路５２０にはポテンシオスタットを用い、電極５０６を作用電極としてポテンシオスタットに接続し、電極５１２を対電極として接続する。この実施形態の動作について以下に詳しく説明する。
【００４１】
電極５０６、５１２は、前述のように、同一又は異なる材料で形作ることができる。バイポーラ電極５１０は、２つの独立して形作った電極を導体と接続（短絡）することによって構成することができ、あるいは、第１及び第２端部５０８、５０４がサンプル及び信号区画室５０２、５０４内に露出した１つのモノリシック電極として構成することもできる。バイポーラ電極５１０の機能は、同一のままであるが、システム５００ａの設計即ち製造方法は、一方のフォーマットを他方よりも優先することができる。
また、信号区画室５０４は、透光性ウィンドウ１１２も含み、光区画室５０４内で発生した光子信号を検出器１１４によって記録できるようにしている。好適な実施形態では、検出器１１４を信号区画室５０４内に取り付ける。この実施形態における光ウィンドウ１１２は、検出器１１４に一体化されている。
【００４２】
ターゲット試料１０２を含有していると思われるサンプル溶液を、サンプル区画室５０２に付随させる。サンプル溶液は電解質も含有し、電気化学的プロセスに必要なイオン伝導が行われるようにしている。また、ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８も設ける。電解質溶液５１８は、信号区画室５０４内においてＥＣＬ系１２０を含有する。
システム５００ａの一実施形態では、ターゲット試料１０２、したがって、ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８を、バイポーラ電極５１０の第１端部５０８に付随させる。ターゲット試料１０２の随伴又は局在化は、ターゲット試料１０２を集中させ、バルク溶液又は流動サンプル・ストリームからターゲット試料１０２を引き離し、又はターゲット試料１０２を別の同様の種から分離するように作用する。局在化は、試料特定認識素子によって生ずる。
【００４３】
試料特定素子は、イオン選択膜のように、選択的にその環境に応答する適宜の膜であればいずれでもよい。また、試料特定素子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、又はＰＮＡオリゴマー、プローブ、プライマ、抗体、抗原、受容体、リガンド等のような、他の分子と選択的に接合することが可能である適宜の分子であればいずれでもよい。試料特定応答又は結合素子は、当技術分野では周知であり、化学及び生化学のアッセイ(assay)において一般に用いられている。
【００４４】
試料特定素子は、多数の形態で設けることができるが、物理的にはバイポーラ電極付近に配置する。この素子は、電極界面、又は電極に隣接する区域、又は双方に直接結合してもよい。また、素子は、ビーズ、微小粒子、ナノ粒子、ゲル、多孔性ポリマ等のような、その他の固体支持体に結合してもよく、一方、これらは電極界面付近に閉じこめられる。素子の結合は、共有結合、非共有結合、静電、ファンデルヴァールス、物理吸着、又は化学吸着とすることができる。他の固体支持体の閉じこめは、物理的でも又は化学的でもよい。物理的な閉じこめは、ビーズを多孔性バリア内に拘束し、流体が区画室の他の区域と交換することができるが、ビーズは開口を通過できないようにしている。
【００４５】
一方、ターゲット試料１０２の局在化は、当該ターゲット試料に伴うレドックス試薬１１８をバイポーラ電極５１０に局在化するように機能する。ターゲット試料１０２自体が電気反応性である場合、又はターゲットにレドックス試薬で直接ラベリングしている場合、局在化は、試料の結合によって行う。
試料の直接ラベリングは、レドックス活性分子、レドックス・ポリマ、レドックス基が結合したポリマ、導電性ポリマ、レドックス活性粒子、レドックス活性コロイド等によって行うことができる。レドックス活性粒子は、現場で酸化可能金属の無電解めっきによって生成することができる。例えば、金粒子でラベリングされた試料を用いて、粒子を銀イオンの溶液に曝すと、金粒子上に銀金属が形成する。堆積した銀は、酸化し易いので、分析においてレドックス試薬１１８として機能する。
【００４６】
また、ターゲット試料１０２は、基板のレドックス活動を変化させることができる酵素又は触媒でラベリングすることもでき、新たなレドックス活動を処理する分子は、本方法においてターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８である。この後者の場合は、間接ラベリングの例である。ターゲットに直接ラベリングする酵素又は触媒によって生成されるレドックス試薬１１８は、それ自体はターゲットには結合されない。しかしながら、レドックス試薬１１８の存在は、ターゲット試料１０２の存在と関連付けられる。
【００４７】
直接又は間接ラベリング方法のいずれにおいても、直接ラベル、すなわち酵素又は触媒のターゲット試料１０２への付着は、共有結合によって又はターゲット試料１０２と特定の結合相互作用が可能な作用物質によって行うことができる。結合剤の選択は、ターゲット試料１０２の性質によって左右される。例えば、核酸ターゲットでは、結合剤は核酸又は関連する誘導体（ＲＮＡ、ＤＮＡ、ＰＮＡ等）であり、抗原又は抗体では、結合剤は、抗原又は抗体を対象とした抗体である。この方法論は、一般にサンドウィッチ・アッセイと呼ばれている機構の多くを採用する。
【００４８】
図示の実施形態では、ＥＣＬ系１２０は、信号区画室５０４においてバイポーラ電極５１０の陽極端において酸化によって活性化され、ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８は、サンプル区画室５０２内においてバイポーラ電極５１０の陰極端において還元される。基準電極５１９がシステム５００ａに含まれていない場合、この実施形態は、それぞれの区画室における他の電極において発生するいずれの反応でも実現することができる。即ち、試料反応が電極５０６において発生することができ、又はＥＣＬ系反応が電極５１２において発生することができる。フォーマットは、ＥＣＬ系１２０の選択及びレドックス試薬１１８の選択によって異なり、いずれも、試薬の入手可能性、コスト、感度、取扱の容易さ、及び安定性というような、種々の要因に左右される可能性がある。
【００４９】
また、システム５００ａは、区画室５０２、５０４内の電極５０６、５１２において発生するレドックス反応にも依存する。図示のように、電極５０６は陽極であり、電極５１２は陰極である。レドックス種は、溶剤のような溶液内のあらゆる分子、電解質、あるいは電極表面における電解質溶液又は固体組成物に追加された明確なレドックス活動を有する別の分子とすることができる。例えば、電極の表面には、銀／塩化銀複合体で被覆することができ、安定な電位を維持しつつ、回路にレドックス等価物を供給することができる。
【００５０】
一実施形態では、システム５００ａは以下のように動作する。ターゲット試料１０２を含有すると思われる電解質溶液５１６を、サンプル区画室５０２内に配置し、ＥＣＬ系１２０を含有する電解質溶液５１８を信号区画室５０４内に配置する。ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８を用意する。電圧源１１０を動作させ、電極５０６と５１２との間に電位差を与える。これには、電解質溶液５１６と５１８との間で電位差を分与する効果がある。バイポーラ電極５１０の各界面における溶液間の電位差が、レドックス試薬１１８とＥＣＬ系１２０との間のレドックス電位差とほぼ一致する点まで増加したとき、ファラディ電流がバイポーラ電極を通過し、ＥＣＬ系１２０を活性化する。信号区画室５０４には光ウィンドウ１１２が付随し、ＥＣＬ系１２０からの光子信号を検出器１１４によって記録することができる。
【００５１】
図５Ｂを参照して、特にシステム５００ａとの相違に関して、システム５００ｅについて以下に説明する。図示の実施形態では、サンプル区画室５０２は、電極５０６と、バイポーラ電極５１０ａ〜５１０ｄの複数の第１端部５０８ａ〜５０８ｄとを含む。バイポーラ電極の数は、少なくとも２つ、そして数千個という多さでも可能である。信号区画室５０４は、電極５１２と、バイポーラ電極５１０ａ〜５１０ｄの複数の第２端部５１４ａ〜５１４ｄとを含む。
試料特定認識素子は、第１端部５０８ａ〜５０８ｄの各々に付随する。多数のターゲット試料１０２ａ〜１０２ｄを含有すると思われるサンプル溶液は、サンプル区画室５０２に付随し、各ターゲット試料に伴うレドックス試薬１１８を設ける。レドックス試薬は、全て同一でもよい。何故なら、各信号と関連するバイポーラ電極を識別することにより、当該信号の試料との相関付けを行うことができるからである。
【００５２】
ＥＣＬ系１２０は、信号区画室５０４に付随し、更にバイポーラ電極５１０ａ〜５１０ｄの各第２端部５１４ａ〜５１４ｄに付随する。各バイポーラ電極において放出される光信号は、記録され、位置によってそれぞれのバイポーラ電極と相関付けられ、サンプル区画室内における各試料の存在又は量を判定する。この実施形態では、全ての信号を同時に記憶することができる、画素に基づく検出器が好ましいが、少数のバイポーラ電極しかない場合、検出器を信号区画室に対して走査すれば、順次信号を記録することができる。
【００５３】
図６を参照すると、サンプル区画室５０２は、ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８のレドックス再循環に対応するように構成されている。レドックス試薬１１８は、ここで論じた形態の任意のものとすることができ、更に、化学的及び力学的に可逆的な種であるという追加要件がある。レドックス再循環は、研究が進んでいる現象であり、可逆性レドックス試薬が２つの密接した電極間で移動し、レドックス試薬に関して、一方が還元電位に保持され、他方が酸化電位に保持される。図示した実施形態では、電極５０６との電子移動反応を受けた後、レドックス試薬１８は電極５０８に拡散し、逆電子移動反応が起こり、レドックス試薬１１８をその基の状態に戻す。このようにして、循環を繰り返すことができる。電極５０６と５０８との間の距離が短くなるに連れて、レドックス試薬１１８の遷移時間は短縮し、サンプル区画室５０２を通過する正味の電流は増加する。電極５０６と５０８との間の特性距離が約１５μｍに近づくと、著しい電流の増加が開始する。この増加は、距離が約５μｍまで減少すると、少なくとも５倍になる可能性がある。この電流増加により、ＥＣＬ系１２０からの信号を容易に増強し、例えば、強度が高くなり、感度も良くなる。
【００５４】
一実施形態では、図６によって示唆されるように、電極５０６及び５０８を平面平行状に配置し、電極界面間に狭いギャップを設ける。代替実施形態では、電極５０６及び５０８は、密接した共面電極として組み込むことができる。レドックス循環によって得られる増幅効果を最大限高めるためには、２つの電極を櫛型レイアウトに配置することによって、２つのこのような電極の密接接近面積を最大にする。
【００５５】
図７は、先に論じたシステム５００ａ及び５００ｂと同様なシステム５００ｃを示すが、信号区画室５０４に代替形態のＥＣＬ系１２０を有する。電気化学発光信号は、参照番号５３０で示すように、いわゆる「消滅」反応によって発生される。このような反応では、発光分子の酸化状態及び還元状態は、別々に発生する。これらが交わると、２つは反応して、還元分子から酸化分子への電子の移動により、２つの中立種を生成し、その１つが電子的に励起した状態を取る。励起状態にある分子は、基底状態に戻り、発光分子の光物理的特性に特徴的な効率で光子が放出される。ＥＣＬ系は、溶剤、電解質塩、及び、例えば、ルテニウム・トリ（ビフィリジン）、ジフェニルアンセラセン、及びルブレン(rubrene)のような、レドックス活性ルモファー(redox-active lumophore)からなり、溶液を主体とすることができる。また、ＥＣＬ系は、イオン伝導ポリマの薄膜、及びポリｐ−フェニレン又はポリｐ−フェニレンビニレンによって例示される導電性ポリマのようなルモファーを散在させた電解質、あるいはルテニウム錯体系ポリマ(ruthenium complex-based polymer)に例示されるレドックス・ポリマを含むこともできる。
【００５６】
図８は、信号区画室５０４内の発光源がソリッド・ステート素子であるシステム５００ｄを示す。整流エミッタが２つ、逆向きに設けられており、いずれの方向の電子流にも対処している。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザ・ダイオードは、システム５００ｄ内において、サンプル区画室５０２内で発生するレドックス信号の、信号区画室５０４において発生する光子信号への変換を完成するように機能することができる。ターゲット試料１０２に伴うレドックス試薬１１８を通過する電流は、ＬＥＤ及びレーザ・ダイオードのような素子によって、発光に変換され、次いで検出器１１４によって記録される。
【００５７】
ＬＥＤの基本構造は、２つの電極（陰極及び陽極）間に挟持された少なくとも２つの層のスタックからなる。商用の標準フォーマットの半導体ＬＥＤでは、スタックは、ｎドープ半導体とｐドープ半導体とからなる。最近開発された有機半導体では、スタックは、電子輸送層、正孔輸送層、放出層、及び、電子輸送層からなる。適切な電圧を電極間に印加すると、流すことができる電流量に関して、ｎ−ｐ接合又は放出層において、それぞれ、電子及び正孔が交わり、その結果光を放出する。有機及び半導体ＬＥＤは、可視光又は赤外線光を放出するように作り上げることができる。したがって、発光部が要求する、適切な波長範囲に対する感度で検出器１１４を選択する。
【００５８】
図９〜図１２は、ターゲット試料１０２の存在を検出するための、別の代替システム９００の種々の実施形態の模式図である。
図９は、サンプル区画室５０２と信号区画室５０４との間に広がるバイポーラ電極９０２を含み、ターゲット試料１０２の存在を検出するシステム９００ａの断面図である。図示の実施形態では、サンプル区画室５０２及び信号区画室５０４は、ハウジング９０４内に垂直に配置されている。サンプル区画室５０２はハウジング９０４の上部にあり、信号区画室５０４は下部にある。バリア９０６がサンプル区画室５０２と信号区画室５０４との間にあり、物理的に区画室を分離するように機能する。実施形態の中には、バリア９０６がイオン的に区画室を隔離するものもあり、別の実施形態では、バリア９０６が区画室間でイオン連通を行わせるものもある。
【００５９】
一実施形態では、バイポーラ電極９０２は、サンプル区画室５０２に露出した１つの領域と、信号区画室５０４に露出した対向領域とを有する。バイポーラ電極９０２の各領域の面積は実質的に同じとすればよく、あるいは各領域における電流密度を制御するためには、面積を異ならせてもよい。
サンプル区画室５０２は電極９０８を含み、信号区画室５０４は電極９１０を含む。これらの電極は、外部の電圧源１１０（図示せず）に接続されている。電極９０８と９１０との間の電位差を制御することによって、バイポーラ電極９０２間に発生する電位差を制御する。電極９０８は、任意の適宜の導体で作成することができ、円形、ピン、管、円環等のような、任意の適宜の形状をなすことができ、蓋又はガントリ(gantry)から下に延び、導体がサンプル区画室５０２の壁に接着されている。電極９１０も同様に製作することができ、光子信号が、遮られることなく、発光源から、光ウィンドウ１１２を通過して検出器１１４まで伝搬することができるように、電極９１０を物理的に配置するという考慮が加わっている。
【００６０】
図１０は、システム９００ｂの断面図を示す。システム９００ｂの概略的な構造は、図９のシステム９００ａと同様である。しかしながら、システム９００ｂは、複数のバイポーラ電極９１２ａ、９１２ｂ及び９１２ｃを含む。３つのバイポーラ電極のみを図示したが、本発明は、適宜の数のバイポーラ電極であればいくつでもよい。一実施形態では、バイポーラ電極９１２ａ、９１２ｂ及び９１２ｃは、ターゲット試料１０２のような単一のターゲット試料の検出に用いられている。
【００６１】
別の実施形態では、バイポーラ電極９１２ａ、９１２ｂ及び９１２ｃは、同一サンプル内にある多数のターゲット試料の検出に用いられる。バイポーラ電極の数は、少ない場合には２個、多い場合には２５個、あるいは数百又は数千個もの大量でも可能である。レイアウトは、バイポーラ電極の数と、製造方法、所望の用途などのような他の要因によって左右されるが、通例チャネルに沿って配置した直線状アレイ、又はチャンバ内に順番に配置した二次元アレイを含む。多数の試料の１つを内部制御としてもよい。この実施形態では、サンプル区画室５０２に付随する各バイポーラ電極の領域は、各々、異なる試料特定認識素子に関連付けられている。各素子は、多数の対象試料の１つを局在化するように機能し、したがって、前述のように、各バイポーラ電極によって、関連のあるレドックス試薬を局在化するように機能する。
【００６２】
図１１は、複数のサンプル区画室を有するシステム９００ｃの断面図である。適宜の数のサンプル区画室であればいくつでも利用できる。システム９００ｃも、一括サンプル分析に有用であると言える。場合によっては、システム９００ｃ内部において、同一又は異なる発生源からの多数のサンプルを分析することが有利な場合もある。例えば、異なる発生源からの多数のサンプルを検査して、同一ターゲット試料の存在又は量を調べることができる。また、同じ発生源からのサンプルを、同じターゲット試料について独立して検査したり（例えば、二重検査）、又は異なるターゲット試料集合について検査することもできる。また、システム９００ｃの各サンプル区画室５０２内に複数のバイポーラ電極（図１０と同様）を有することも、本発明の範囲に該当する。複数のサンプル区画室を有することによって、標準品、ならびに正及び負制御サンプルの同時検査が可能となる。
【００６３】
システム９００ｃの下部にある信号区画室５０４は、単一の共通流体接続区画室として示されている。信号区画室５０４内にある各バイポーラ電極９０２において発生した信号は、拡散によって当該電極に局在化される。検出器は、カメラ、ＣＣＤアレイ、フォトダイオード・アレイ、ＣＭＯＳアレイ、又はその他の適宜の検出器のような、アレイ型光検出器とすることができる。また、検出器１１４は、光電子倍増管又はフォトダイオードのような単一素子の検出器としてもよく、これを各バイポーラ検出器の位置に対して移動させて、各位置で発生する信号を読み取る。読み取るバイポーラ電極９０２の数、システム９００ｃのコスト、所望の読み取り時間、感度、及びシステム９００ｃの性能に関するその他の適宜の要因に応じて、いずれかの選択肢を用いればよい。
あるいは、信号区画室５０４は、各サンプル区画室に対応する個々の信号区画室で構成することもできる。例えば、図９及び図１０に示すような、サンプル区画室、信号区画室５０４、サンプル区画室電極、バイポーラ電極（複数）、及び信号区画室電極を含む複数の単位体を、例えば、このようなシステム内に配置することもできる。
【００６４】
図１２には、システム９００ｄが示されている。システム９００ｄは、図１１のシステム９００ｃと同様である。しかしながら、システム９００ｄは、複数のサンプル区画室を含み、これらが様々に同じ信号区画室５０４に接続されている。これは、異なる時点での多数のサンプルの分析には好ましいシステムである。図示の実施形態では、検出器１１４に対して固定の物理的関係を有する単一の信号区画室５０４を、複数のサンプル区画室における異なるサンプルの分析に用いることができる。各サンプルを別個のサンプル区画室において分析するので、サンプル間の相互汚染が回避される。
【００６５】
システム９００ｄは、切替機能９２２を備えた電気回路９２０を含み、バイポーラ電極の第１端部９２４ａ、９２４ｂ及び９２４ｃと第２端部９２６との間、及びサンプル区画室電極９２８ａ、９２８ｂ及び９２８ｃと信号区画室電極９３０との適切な接続を可変に形成する。
図９〜図１２に関連付けて説明した実施形態のいずれにおいても、ＥＣＬ系１２０を含有する電解質溶液は、図５〜図８に関して先に論じた発光源のいずれとも置換することができる。
【００６６】
実施例
１．光子変換による電気化学的事象の検出。
本発明の一実施形態の検知及び報告機能の化学的結合を実証するために、ＥＣＬ系、Ｒｕ（ｂｐｙ）３２＋及び陽極において発生するトリプロピルアミンからの信号強度を、２つの異なる陰極プロセスに結合した場合で比較する。
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＝Ｈ２                            （１）
ＢＶ２＋  ＋  ｅ−  ＝ＢＶ＋                            （２）
式（１）は陽子還元を表し、ベンジル・ビオロゲンのラジカル陽イオンへの還元である式（２）の反応よりも負側の見掛電位(formal potential)での実験において用いられる条件下で発生する。
【００６７】
図２の実施形態に類似した本発明の実施形態を用いて実験を行った。２つの電極領域は別個の電極（例えば、図２における２００ａ及び２００ｂ）であり、電極間にある電圧源（２０２）が電位差を供給する。パターンを規定するフォトリソグラフ法、エッチング、及びフォトレジストの除去を用いて、酸化インジウム錫（「ＩＴＯ」）電極を、ガラス基板上に作成した。電極の幅は５０μｍであり、区画室の幅（以下を参照）に届き、成型品から突出する接続パッドを有するのに十分な長さとした。区画室は、長さ１．２ｃｍ、幅７５０μｍ、奥行き３０μｍに規定した空洞を有するポリ（ジメチルシロキサン）成型品（「ＰＤＭＳ」）を、パターン化したＩＴＯ／ガラス基板に接合することによって形成した。空洞の両端における孔は、ＰＤＭＳ層を貫通し、流体溜め、及び電解質溶液を区画室に導入する手段として機能する。電源（ヒューレット・パッカード社(Hewlett-Packard)（登録商標）、型番E3620A）をパッドに接続し、電極間の電位オフセットを制御するために用いた。
【００６８】
第１の実験では、５ｍＭのＲｕ（ｂｐｙ）３Ｃｌ２（ｂｐｙ＝２、２’−ビピリジン）及び２５ｍＭのトリプロピルアミンを、ｐＨ６．９の０．１Ｍ水性燐酸塩バッファ内に含有する電解質溶液で区画室を充填した。この溶液では、図１３Ａのボルタモグラム「ａ」において観察されるように、第１還元プロセス、陽子還元反応（１）が、Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極に対して約−１．０８Ｖにおいて観察される。第１酸化プロセスは、Ａｇ／ＡｇＣｌに対して約０．８Ｖにおいて観察され、これはＲｕ（ｂｐｙ）３２＋及びトリプロピルアミンＥＣＬ系の酸化反応に対応する。
二電極を用いた実験（図１３の（Ｂ））では、２つの電極間の電位差を増大させ、バイアスが約１．８Ｖに達すると、発光が開始することを観察した。このバイアスは、溶液に対する陽極及び陰極プロセス間の１．８８Ｖウィンドウに対する相関性が高い。
【００６９】
第２の実験では、第１と同じ溶液を用い、５ｍＭのベンジル・ビオロゲン・ジクロライド（ＢＶ２＋）を追加したものを調合した。第１酸化プロセスは、この場合もＥＣＬ系によるが、この溶液における第１還元プロセスは、図１３Ａにおけるボルタモグラム「ｂ」において観察されるように、Ａｇ／ＡｇＣｌに対して約−０．５２Ｖにおいて観察された。これは、ビオロゲンの還元に対応する。このように、ＢＶ２＋の存在の下では、陰極及び陽極プロセスの開始間の電圧差は、１．８０Ｖから約１．３８Ｖに狭まった。
二電極を用いた実験のためにＢＶ２＋を区画室に導入すると、ＥＣＬがΔＥｅｌｅｃ＝１．４Ｖにおいて容易に観察された（図１３の（Ｂ））が、ＢＶ２＋を欠く溶液では、この電位バイアスではＥＣＬ信号は観察されなかった。１．４Ｖバイアスにおける信号の出現は、溶液に対する陽極及び陰極プロセス間の１．３８Ｖウィンドウに対して高い相関がある。
【００７０】
先に述べたように、バイポーラ又は二電極構成のいずれかの陽極及び陰極において発生する電気化学プロセスは、電気的に連携するが、科学的には連携しない。陽極において消費される電子数と、陰極において供給される数との間には、１対１の対応がある。この例において、陽極におけるＥＣＬ強度は、二電極セルの陰極における電気化学反応の発生を反映、即ち、報告することを示した。これは、このセンサの検知及び報告機能間の関係を実証し、それらのレドックス電位に基づいて、２つの異なるレドックス活性試料間で区別できることを実証するものである。
【００７１】
２．相対的電極面積の関数としての信号強度
試料（例えば、陰極における）のターンオーバ(turn-over)増大をもたらす実験条件では、ＥＣＬ強度（例えば、陽極における）を高める。したがって、それ以外は同一条件として、陰極の面積を広げると、その結果ＥＣＬの強度が高くなる。これを実証するために、図１Ａ及び図１Ｂと同様の本発明の実施形態を用いて、陰極及び陽極の相対面積の関数としてＥＣＬ強度を測定した。ここで、２つの電極領域（１２２、１２４）は、バイポーラ電極（１０６）の反対側の端部であり、電極を横切る電位場が、電極の各端部付近において溶液内で電位差を発生する。
【００７２】
３つの異なるバイポーラ電極構造を検査して、陽極及び陰極領域の相対面積の関数として、ＥＣＬ放出強度を求めた。第１の場合では、電極は「Ｔ」のような形状であり、広い上面（２００μｍ×１００μｍ）が陰極として機能し、狭い底面（幅５０μｍ）が陽極として機能する。第２の場合では、電極は幅が一定（５０μｍ）の帯状電極であり、したがって、陰極及び陽極の面積は等しい。第３の場合も、再度「Ｔ」形状を用いるが（前述と同じ寸法）、広い上面が陽極として機能し、狭い底面が陰極として機能する。全ての場合において、電極の長さは５００μｍであった。この長軸を横切るように電界を印加した。
【００７３】
５ｍＭのＲｕ（ｂｐｙ）３Ｃｌ２及び２５ｍＭのトリプロピルアミンを含有する、ｐＨ６．９の０．１Ｍ燐酸塩バッファの溶液を、各電極と接触するように配し、１．８８Ｖの電界を各電極の長さ全体にかけたときのＥＣＬ放出スペクトルを記録した。その結果を図１４に示す。最も高いＥＣＬ強度が観察されたのは、陰極の面積が陽極に比較して大きいときである。
放出曲線「１」及び「２」間の差は、全ての試薬を同じ濃度にしても、報告電極領域において電流を増加させることによって、この場合では電極領域の面積の設計によって、ＥＣＬ信号は高められることを実証する。
【００７４】
３．サンプル区画室及び信号区画室を分離したシステムにおけるレドックス検知及びＥＣＬに基づく光子報告
この例では、信号区画室及びサンプル区画室を２つの別個のモジュールとして構築し、したがってイオン的に隔離する。区画室は、図５Ａに紹介したシステム５００ａにしたがって構成し、基準電極５１９を除いた。信号区画室は、直径１ミリのガラス炭素電極（５１４）とコイル状Ａｇ／ＡｇＣｌワイヤ電極（５１２）とを内蔵した。区画室には、０．１Ｍの燐酸塩バッファ（ｐＨ７．５）、１０ｍＭの塩化ナトリウム、ならびにＥＣＬ系、１０ｍＭのトリプロピルアミン（ＴＰＡ）及び０．１ｍＭのＲｕ（ｂｐｙ）３Ｃｌ２（ｂｐｙ＝２、２’−ビピリジン）を含有する電解質溶液（５１８）で充填した。サンプル区画室は、直径１ｍｍのガラス炭素電極（５０８）と、コイル状Ａｇ／ＡｇＣｌワイヤ電極（５０６）とを内蔵し、０．１ＭのＮａＣｌを含有し、更に５．０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６を含有し、固有レドックス活動(intrinsic redox activity)を呈するモデル試料として機能する電解質溶液でこの区画室を充填した。２つのガラス炭素電極を電子的に互いに、銅ワイヤで接続し、２つのＡｇ／ＡｇＣｌ電極をプログラム可能な電位波形発生器（対抗（カウンタ）リード及び基準リードを共にジャンプさせた、コンピュータ制御型ポテンショスタット、型番CHI660A, ＣＨインスツルメンツ社(CH Instruments), Austin TX)に接続した。信号区画室におけるガラス炭素電極の領域からの発光を測定し、光電子倍増管（ＰＭＴ、型番MP 963, Perkin Elmer, Santa Clara, CA）で記録した。
【００７５】
図１５の（Ａ）は、前述のシステムを用いて、２つのＡｇ／ＡｇＣｌ電極間に与えた電位オフセットを線形的に走査することによって得た循環ボルタモグラム（ＣＶ）を示す。図１５の（Ｂ）は、図１５の（Ａ）に示したＣＶを記録している間に観察された電位オフセットの線形掃引の関数として、光子の放出を示す。図１５の（Ａ）及び（Ｂ）は、双方合わせて、各区画室における電磁結合プロセス全体で試料特定光信号を生成することを実証する。
【００７６】
サンプル及び信号区画室を隔離して利用する検出システムの実施形態は、２つの重要な実用的利点を有することができる。第１に、光子検出装置と組み合わせた信号区画室を独立して最適化し、試料認識プロセスが行われているサンプル区画室と容易にインターフェースすることができる。第２に、発光源のアレイをレドックス反応のアレイに結合するに当たっては、各アレイ素子の回路を独立して制御する必要なく、実用的な方法で行うことができる。ＬＥＤを発光源として用いることも、以下の実施例に例示するように、信号発生の封止(packaging)及び光学的撮像には適しているので、各試料に伴うレドックス反応を同時にそして連続的に監視することができる。
【００７７】
４．サンプル及び信号区画室を隔離したシステムにおけるレドックス検知及びＬＥＤに基づく光子報告
この例では、ＬＥＤ発光源を、前述の例のＥＣＬ系の代わりに用いる。システム構成は、図８のシステム５００ｄに基づいている。サンプル区画室は、直径１５μｍのガラス炭素電極（５０６）、プラチナ電極（５０８）、Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極（５１９）を内蔵し、この区画室を、更に２０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６をモデル・ターゲット試料として含有する０．１ＭのＮａＣｌの電解質溶液で充填した。２つの発光ダイオード（SSL-LX5093SRC/E, ディジキー社(DigiKey)、 Thief River Falls, MN)を、電極接点５１２及び５１４の間に逆向きにして、並列に接続した。ポテンショスタット回路を、作用電極としてのガラス炭素電極５０６、基準電極としてのガラス炭素電極５０６、及び対電極としての接点５１２に接続した。
【００７８】
図１６の（Ａ）は、前述のシステムの循環ボルタモグラムを示し、還元波(reduction wave)は、フェロシアン化カリウム試料の存在を示す。図１６の（Ｂ）は、１つのＬＥＤ（陰極電流がサンプル区画室内の電極５０６を通過するときに電流を通過させる１つ）からの放出強度を、図１６の（Ａ）のＣＶと同時に測定して示す。ＬＥＤ発光源によって発生した信号は、サンプル区画室におけるレドックス試薬試料の存在を示した。
【００７９】
本発明の実施形態及び実施例について詳細に説明したが、種々の変更、交換、及び変形は、添付した特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による試料の存在を検出するシステムの模式的正面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムの一実施形態を示す模式的平面図である。
【図１Ｃ】可変長のバイポーラ電極を利用して、試料の存在を検出するシステムの模式的平面図である。
【図１Ｄ】バイポーラ電極のアレイを利用して、試料の存在を検出するシステムの模式的平面図である。
【図２】２つの別個の電極を利用し、本発明の一実施形態にしたがって、試料の存在を検出するシステムの一実施形態を示す模式的平面図である。
【図３】３つの電極領域を利用し、本発明の一実施形態にしたがって、試料の存在を間接的に検出するシステムの一実施形態を示す模式的平面図である。
【図４】本発明の一実施形態にしたがって試料の存在を検出する方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】隔離したサンプル及び信号区分室を利用し、本発明の一実施形態にしたがって、試料の存在を検出するシステムの模式図である。
【図５Ｂ】複数のバイポーラ電極が区画室の間に広がっている、図５Ａのシステムの一実施形態の模式図である。
【図６】試料のレドックス再循環を利用した、図５Ａのシステムの一実施形態の模式図である。
【図７】ＥＣＬ信号を生成する消滅反応を利用した、図５Ａのシステムの一実施形態の模式図である。
【図８】発光ダイオードが光子信号を生成する、図５Ａのシステムの一実施形態の模式図である。
【図９】サンプル区画室及び信号区画室を含み、これらの間にバイポーラ電極が広がっている、試料の存在を検出するシステムの一実施形態の断面図である。
【図１０】複数のバイポーラ電極がサンプル及び信号区画室間に広がっている、図９のシステムの一実施形態の断面図である。
【図１１】別個のサンプル区画室のアレイと共通信号区画室とを含む、試料の存在を検出するシステムの一実施形態の断面図である。
【図１２】一連の別個のサンプル区画室と、共通の信号区画室とを含む、試料の存在を検出するシステムの一実施形態の模式図である。
【図１３】（Ａ）は、５ｍＭのＲｕ（ｂｐｙ）３ｃｌ２及び２５ｍＭのトリプロピルアミン（曲線ａ）を含有する０．１Ｍ燐酸バッテリ、及び１ｍＭベンジル・ビオロゲン・ジクロライドを含有する同じ溶液（曲線ｂ）の循環ボルタモグラムであり、（Ｂ）は、二電極セルにおける印加電位バイアスの関数として、図１３の（Ａ）の２種類の溶液に対する６１０ｎｍにおける正規化ＥＣＬ強度のグラフである。
【図１４】本発明の一実施形態によるバイポーラ電極の陽極領域及び陰極領域の相対的面積の関数としてのＥＣＬ放出強度のグラフである。
【図１５】（Ａ）は、電流対印加した電位オフセットのグラフであり、（Ｂ）は、図５Ａに示したシステムの一実施形態を利用して得た、光強度対印加電位オフセットのグラフである。
【図１６】（Ａ）は、電流対印加電位のグラフであり、（Ｂ）は、図８に示すシステムの一実施形態を利用して得た、光強度対印加電位のグラフである。
【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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