CN1809746A - 电化学检测方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种限制或减少电活性物质运动的屏障形成的测量方法。所述方法包括提供具有工作电极(23，24)和与工作电极隔离的反电极(23，24)的电化学电池(1，2，3)；在电池内提供受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，所述受试组分和测试组分会导致限制或减少电活性物质运动的屏障形成；在工作电极和反电极之间施加足够的电势以产生与待测量的电活性物质浓度成比例的电流；和测量工作电极处的电流以获得限制或减少电活性物质运动的屏障形成的测量。所述电化学电池可为具有电池(1，2，3)的多电池试片(10)的形式，所述电池(1，2，3)形成在***在上下层(21，22)之间的绝缘隔离层(20)中的切口中。

Description

电化学检测方法
发明领域
本发明涉及一种限制或减少电活性物质运动的屏障形成的电化学测量方法，尤其适用于检测凝集作用。本发明的一个示例性的应用为抗原检测技术，例如应用于血型的全血分析中。
技术背景
现有技术中，在液体样品中确定抗原存在的常用方法是将样品与该抗原的抗体接触，以使得当抗体与抗原结合时，在样品中发生物质的凝集作用。然后采用光学方法，例如检查样品的光密度、浊度或光散射来确定凝集作用。
例如，US 6,330,058公开了一种使用预定波长范围的光密度光谱来获得样品凝集指数的方法。US 5,256,376也公开了一种通过测量光密度谱来测量凝集作用以及使用具有离心机的设备来进行该方法的光度技术。
凝集测试可以是定性的，即仅检测分析物存在与否，或者是定量的，即所发生的凝集程度对应于分析物的具体含量。在现有技术中，确定凝集发生是通过使用散射光来测量溶液浊度或通过测量光密度等从视觉上进行的。这些视觉技术在简单的同时，至多是半定量且容易产生用户错误，而光密度或光散射技术在更加定量和减少用户错误的同时，需要较昂贵和复杂的实施设备。
本发明试图提供这些现有技术的替代技术。
发明内容
第一方面，本发明提供一种限制或减少样品中电活性物质运动的屏障形成的测量方法，所述方法包括：
提供具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池；
在所述电池内提供受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，所述受试组分和测试组分会导致限制或减少电活性物质运动的屏障形成；
在工作电极和反电极之间施加足够的电势以产生与待测电活性物质向工作电极的传质速率相关的电流；以及
测量工作电极处的电流以获得限制或减少电活性物质运动的屏障形成的测量。
优选的是，由凝集作用导致屏障形成。
在一些实施方案中，所述方法包括施加足够的电势以保持工作电极处电活性物质的浓度。
在一个优选实施方案中，本发明包括在电池中所期望发生的显著屏障形成之前的第一时间测量电流，并且在所期望发生的显著屏障形成的第二时间再次测量电流，利用所测量电流的差来获得屏障形成的测量。
在一个优选实施方案中，所述第一时间是屏障形成测量参数的变化小于样品中屏障完全形成时所述参数总变化的约20％的时间，更优选小于所述参数总变化的约10％的时间。
在一个优选实施方案中，所述第二时间是凝集测量参数的变化大于样品中屏障完全形成时所述参数总变化的约50％的时间，更优选大于所述总变化的约70％的时间。
实际上，这些时间可以通过考虑样品间可能的屏障形成动力学范围和设备将应用的测试条件以及挑选适合于整个范围的时间来确定。作为选择，可以通过确定屏障形成测量参数随时间的变化速率来获得每个单独测试的合适时间。
对于本领域技术人员来说很明显，屏障形成测量参数的变化速率本身也可以被用来测量感兴趣的测试物质存在与否或其浓度。
所测量电流的差可被用来获得电活性物质扩散系数的测量，从而获得屏障形成的测量。所测量电流的差还可被用来获得扩散系数变化的测量从而获得屏障形成的测量。
可以多种不同方式在电池内提供测试组分、受试组分和电活性物质。
通常，所述方法将包括通过将含有受试组分的液体样品放入电池中来提供受试组分。
在一些实施方案中，所述方法将包括通过在将液体样品放入电池之前将测试组分加入液体样品来提供测试组分。
在其它实施方案中，在加入液体样品之前将所述测试组分提供至电池中。例如，可以通过将测试组分干燥加入电池中来将测试组分储存在电池中。
可以通过屏障形成反应或测试组分和受试组分之间的其它反应来提供电活性物质。
作为选择，可以通过测试组分来提供电活性物质。在另一选择中，电活性物质可以独立于测试组分和受试组分而提供。
在一个优选实施方案中，通过屏障形成反应来提供电活性物质，所述方法包括提供可作为工作电极的两个电极，并且在所述两个电极处或附近提供测试组分，所述方法还包括改变所施加的电势和电流测量电路连接以在所述工作电极之间转换，并且测量两个工作电极处的电流从而获得屏障形成的测量。
在一些实施方案中，所测量的电流可用来获得电荷的测量，继而用来获得屏障形成的测量。
本发明还提供确定目标组分是否存在于受试组分中的方法，包括：
提供具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池；
在电池内提供可包括或不包括目标组分的受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，目标组分存在时，所述受试组分和测试组分设计来导致限制或减少电活性物质运动的屏障形成；
在工作电极和反电极之间施加足够的电势以产生与待测量电活性物质向工作电极的传质相关的电流；以及
测量工作电极处的电流以确定限制或减少电活性物质运动的屏障是否形成，从而确定在所述受试组分中是否存在所述目标组分。
本发明还扩展至用来测量限制或减少电活性物质运动的屏障形成的设备，其包括：
具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池，该电化学电池适合接收电池内的受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，所述受试组分和测试组分设计来导致限制或减少电活性物质运动的屏障形成；
电源，其用来在工作电极和反电极之间施加足够电势以产生与待测量的电活性物质向工作电极的传质相关的电流；
用来测量工作电极处电流的电流计；以及
用来由所测量的电流来确定屏障形成测量的屏障形成测量装置。
优选的是，所述屏障形成测量装置是用来确定凝集测量的凝集测量装置。
所述设备的电化学电池可以包括单独的参考电极。作为选择，所述反电极可以是反/参考电极。
所述设备的更多构造细节以及本发明方法的额外特征将由于本发明的下列详细描述而变得明显。
附图说明
图1a和1b示出一个优选实施方案的多电池设备；
图2为用来区分实施例2的钙溶液的电流图；
图3示出实施例3的免疫传感器。
具体实施方式
本发明的实施方案基于电化学测量，尤其是计时电流测量，可以得到关于溶液中电活性物质的浓度和/或扩散系数的信息。这是通过在工作电极和反(或反/参考)电极之间施加足够的电势以产生与待测量的还原或氧化形式的电活性物质的浓度成比例的电流，所述浓度通过电极处所述物质的氧化或还原反应而在工作电极表面处测得。
在很多实施方案中，这包括施加足够的电势以保持工作电极表面处电活性物质的浓度为0。
由发生在工作电极处的还原或氧化反应导致流动的电流与此处由浓度梯度所产生的传质速率和扩散系数有关。可分析该电流以得出溶液中的电活性物质浓度、电活性物质的扩散系数或以上两者的测量值。例如，如果已知电活性物质的浓度，则对于孤立的工作电极可以通过Cottrell方程等来分析电流以得到扩散系数的测量值。公知的Cottrell方程定义了有限扩散(diffusion-limited)电流密度与时间之间的关系。扩散电流密度反比于时间的平方根，或以不同方式表达：i(t)×t0.5的结果为常数。该常数与反应物浓度和反应物扩散系数的平方根成比例。另一方面，如果已知该物质在液体样品中的扩散系数，则可以推出浓度。
在公开于美国专利6,284,125的另一种类型的电流分析电池即薄层电池中，将工作电极和反电极配置得彼此相对接近。这样测量电活性物质的扩散常数和浓度均无需提前知道任一参数。
在所有实施方案中均无需设定工作电极的电势以使得工作电极处的电活性物质浓度保持为0(即常态扩散受限条件)。仅需要电流流动至少部分由所述物质向电极的传质所决定。例如，可以设定工作电极电势以使得对于特定的电活性物质向电极的传质速率，在该电极处的电活性物质反应量和通过传质到达该电极的量之间的平衡导致该电极处电活性物质的浓度保持为电活性物质本体浓度的约50％。然后，如果由于样品中屏障形成导致电活性物质向电极的传质减少，则所述平衡将迁移至该电极处电活性物质浓度为本体浓度的约20％处。而后将改变该电极处的电流，如Butler-Volmer方程所指出，因而指示样品屏障形成的改变。
不用必需使用产生直流电的电压来进行测量，也可以使用产生交流电的电压。例如，可以施加方波或正弦波电压，该电压波的典型波幅和频率为30mV和相应的5Hz。如果其间施加电压的电极之一使用可以进行屏障形成的试剂涂覆，而第二个电极处不存在该试剂，这是尤其有利的。这样，电流信号的不对称可用作任何屏障形成发生的可靠测量。
在本发明的实施方案中，对限制或减少电活性物质运动的屏障的测量则来源于所测量的电流、浓度或扩散系数的测量的至少之一，如下所详述。通常，该方法被用来测量由凝集反应形成的屏障。然而，屏障也可在其它情况下形成。例如，屏障可以通过其它聚集反应、使电活性物质固定的反应或结合电活性物质以减慢物质运动的反应来形成。
本领域的技术人员将理解在本发明的实施方案采用电流分析技术的同时，也可以采用电量分析技术来获得屏障形成的测量-即可以测量通过工作电极的电荷而不是电流(通常，通过测量随时间的电流值并将其积分以获得电荷量)。
本发明实施方案的电流分析电池需要至少两个电极：工作电极和反电极，当填充电池时它们与液体样品相接触。也可有或没有第三电极，即参考电极，其会提供将工作电极电势与之比较的参考电势。实际上，通常根本并不需要参考或者可使反电极起到参考电极和反电极的作用。在此，除非上下文隐含了其它意思，术语“反电极”包括单独的反电极和反/参考电极二者。
至少工作电极需要由在使用条件下对化学或电化学氧化或还原反应呈惰性的材料制成。例如，如果将工作电极用作阳极，则其必须在所处的电势处和化学环境中对化学或电化学氧化反应呈惰性。如果将工作电极用作阴极，则其必须在所处的电势处和化学环境中对化学或电化学还原反应呈惰性。适合用于阳极的材料的实例为金、铂、钯、铱、石墨碳、氧化铟、氧化锡、混合的氧化铟/锡、不锈钢、汞。这些材料的混合物或合金也适用。适合用于阴极的材料的实例为所有上述适用于阳极的材料加上例如铜、钢、镍、铝、铬和银。
在本发明的所有实施方案中，在电池中提供受试组分、测试组分和至少一种电活性物质以便获得屏障形成的测量。
在此，术语“受试组分”用来指屏障形成测试的受试者-即具有未知性质的组分。通常，将受试组分作为用于屏障形成测试的液体样品的一部分提供至电池。样品也可负载在多孔凝胶或微孔膜中。然而，本领域的技术人员将理解所述情形可以反过来，即“受试组分”可以经过测试以确定其导致屏障形成的能力。
相似地，术语“测试组分”用来指已知性质并用来测试受试组分的组分。测试组分通常在加入含有受试组分的液体样品之前就已存在于电池中。然而，也可以在将液体样品提供至电池之前或之后将其加入液体样品中。
“电活性物质”为在工作电极处交换电子以引起电流在电池中流动的物质。
电活性物质可作为测试组分和受试组分之间屏障形成反应的产物提供。作为选择，也可以将其单独加入液体样品中(或实际上加入电池本身)。
术语“目标组分”用来指将与测试组分反应并且可存在或可不存在于受试组分中的组分。
术语“凝集作用”此处用其广义，指包括结合位点的可凝集物质在暴露于凝集素之后的聚集过程。凝集素是能够与一个以上可凝集物质上的结合位点特异性相互作用、从而使可凝集物质通常交联成为网格状结构的物质。通过为某一特定的所需分析物选择具有结合特异性的凝集素，可以检测所需分析物在该化合物的混合物中的存在。
凝集反应通常需要匹配可凝集物质和凝集素的浓度。过量的凝集素将饱和可凝集物质上的结合位点而不使可凝集物质之间形成交联。过量的可凝集物质将快速包围凝集素并与之结合，并减少可凝集物质之间交联的可能性。本领域的技术人员将能够轻易确定特定凝集反应的最优条件。
凝集反应可通过对所需抗原提供凝集素而用来检测可凝集物质结合位点的存在，例如红细胞表面上的血型抗原的存在，或通过提供合适的可凝集物质而用来检测凝集素的存在，例如细胞表面标志物的循环抗体的存在。因此，根据应用，“受试组分”可为凝集素，相应的“测试组分”为可凝集物质；或者作为选择，“受试组分”可为可凝集物质，相应的“测试组分”为凝集素。
适用于凝集反应的物质可包括涂覆有特异结合位点物质的颗粒载体，如抗体已经吸附于其表面的乳胶微珠、胶体金颗粒、活性炭颗粒或红细胞。其它适用于特异结合点物质的载体为能够交联或凝集以在电化学电池中形成扩散屏障的聚合物。这些聚合物可溶或可不溶于样品基质。例如用于含水样品的合适的不溶性聚合物的实例为聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜。这些聚合物优选为微细长丝形式。用于含水样品的适合的可溶性聚合物包括聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯基硫酸盐、聚酯磺酸盐、聚苯乙烯磺酸盐和含季铵基的聚苯乙烯。理想的是，该颗粒或聚合物易于悬浮于溶液中。另一类用于特异结合位点的合适载体为小分子，其中目标物质的存在使小分子交联形成能够抑制电活性物质运动的更大物质。该体系的一个例子是当脱氧胆酸钠为小分子物质时，特异结合位点为组成部分脱氧胆酸盐的羧酸基团，并且目标组分为用来交联脱氧胆酸盐的钙。作为选择，凝集物质可在其表面上固有地表达凝集素，例如表达在红细胞表面上的血型抗原或表达在微生物如细菌或真菌或病毒颗粒上的表面抗原。
凝集素是能够结合优选在不同颗粒上的两种或多种凝集物质的分子，以使得能够进行颗粒间的交联和随后的网格形成。凝集素通常包括免疫球蛋白、尤其是IgM和IgG免疫球蛋白。该免疫球蛋白可以是来自血清的多克隆抗体，或在组织培养物、腹水或通过重组技术产生的单克隆抗体。多克隆抗体或不同单克隆抗体的混合物可用来结合相同颗粒上的不同抗原表位。同样考虑含有免疫球蛋白氨基酸序列从而具有所需的抗原结合特异性的合成分子。技术人员将认识到具有抗体的抗原结合特异性的人工抗体变体也将可以作为凝集反应中的凝集素。这种变体包括具有两个或更多抗原结合序列的嵌合分子。该嵌合分子的抗原结合位点可具有相同的抗原结合特异性，或可具有不同的抗原特异性。技术人员将意识到嵌合分子可以包含来自抗体或其它分子如凝集素或以上二者的结合位点。具有抗原结合特异性的其它分子也可以被用作凝集素。例如，外源凝集素表现出结合末端碳水化合物残基的特异性，并且其可以未改性形式或改性形式用作凝集素，对其改性时，例如通过生成二聚物或其它低聚物或具有多重结合位点的嵌合多肽，从而使其能够同时与一个以上抗原颗粒的表面相互作用。
根据本发明的一个实施方案，电流分析电池中的电流流动用来获得对已发生在液体样品中的屏障形成的测量。电流大小可用来确定屏障形成的程度。例如，对于特定体积的受试组分和测试组分，可以用实验数据将电池中的电流流动标定为屏障形成值。电流大小随时间的变化也可用来获得样品中电活性物质扩散系数的测量值或电活性物质扩散系数随时间的变化，从而获得屏障形成的测量。
量值的变化或量值的比率可用来确定是否已发生屏障的形成和/或获得屏障形成量的测量值。此外，对于特定的受试组分和测试组分，这些测量可进行标定。也可得到电化学电池中屏障形成的空间差异。例如，通过将屏障形成试剂形式的测试组分涂覆在电池的一个电极上或附近，但不涂覆在电池的第二电极上，由流经的电流可以确定是否有屏障形成。本发明该方面的一个实施方案中，可以设定一个电极的电势以使其成为电池中的工作电极并测量电流流动。随后可以调节电极之间的电势以使第二电极成为工作电极，并且再次测量电流。如果工作电极之一上的样品含有屏障形成试剂而另一工作电极上的样品没有，则可以比较二者之间的电流以确定屏障形成。该实施方案的优点在于考虑了会从其它方面影响屏障形成评估的样品基质和环境测试条件的变化。该实施方案还可用来检测单个电流分析电池中不同物质的屏障形成的存在，尤其是凝集作用的存在。该应用可包括，例如使用涂覆有anti-A、anti-B或Rh抗体的三个工作电极来确定人类红细胞单个样品上的A、B和Rh抗原。
本发明该方面的一个特别优选实施方案中，使用将两个电极相互面对面放置的电极构形。根据该实施方案，将含有屏障形成试剂的测试组分涂覆在面对面电极之一上，并且将不含屏障形成试剂的测试组分涂覆在另一面对面电极上。没有屏障形成试剂的电极将首先为工作电极，并测量电流流动，而另一电极作为反电极。随后将电势的极性反转以使另一面对面电极成为工作电极，并且在屏障形成试剂存在下测量其电流。该实施方案的优点在于电极层可分别涂覆测试组分，从而易于制造，并且测试组分交叉污染的机会很小。为使该实施方案有效，电活性物质必须与屏障形成试剂结合。本领域技术人员将理解该结合反应严格说来是固定化反应的一种，而非凝集反应。在该实施方案中，测试组分与电活性物质相同，并且受试组分导致电活性物质固定。通常，该实施方案需要每个电活性分子固定一个分析物分子，因此其仅可应用于较高浓度的分析物。
本发明该方面的另一特别优选实施方案中，如上所述配置两个面对面电极，使得在测试期间反电极的产物到达工作电极，如美国专利6,284,125中所公开类型中的薄层电池，通过引用将其公开内容并入本文。在如美国专利6,284,125中所公开的电池中，扩散系数的测量可基本与所用工作电极的面积或所含电活性物质的浓度无关。通过交替使用每个面对面电极作为工作电极，一个上面没有涂覆屏障形成试剂而一个上面涂覆有屏障形成试剂，分析每种情况下的电流流动以得到扩散系数，可以得到对屏障形成的发生更为直接的测量，其较不易受制造误差的影响，所述的制造误差为电极可以没有理论面积或用户错误如用户仅将样品部分填充电池。
本发明该方面的另一实施方案中，测试期间仅有一个电极用作工作电极。根据该实施方案，将在样品加入传感器电池之后的适当短的时间测量工作电极处的电流流动，并且与在样品加入传感器电池之后的至少一个较长时期的电流流动作比较。适当短的时间是在目标组分存在下期望在电池中已发生显著量的屏障形成之前的时间。适当较长的时间是在目标组分存在下期望在电池中已发生显著量的屏障形成反应的时间。
期望发生显著的屏障形成之前的时间是屏障形成测量参数的变化小于样品中完全形成屏障时该参数总变化的约20％或者更优选小于约10％的时间。
期望发生显著的屏障形成的时间是屏障形成测量参数的变化大于样品中完全形成屏障时该参数总变化的约50％或者更优选大于约70％的时间。
实际上可以通过考虑样品间的可能屏障形成动力学范围和设备将应用的测试条件以及选择适合于整个范围的时间来确定。作为选择，通过确定屏障形成测量参数随时间的变化速率，可以得到每个单独测试的合适时间。
对于本领域的技术人员而言很明显，屏障形成测量参数变化速率本身也可以用作所关注的测试物质存在与否或浓度的量度。
通过比较不同时间测量的电流，可以获得已发生的屏障形成的测量，其较少依赖于样品基质或进行测试的温度。
根据该实施方案，在电池中工作电极离反电极足够远以致在测试期间来自反电极的反应产物不能到达工作电极的情况下，可任选在电极之间施加短时期的电势差以测量短时间的电流。随后可以将其关闭以使电活性物质的浓度梯度缓和恢复。随后可以再次在电极之间施加较长时间的电势差以适合测量较长时间的电流。在某些情况下这会导致对已发生的屏障形成的更为精确的测量。
根据该实施方案来实施本发明需要屏障形成反应动力学足够慢以有足够时间测量指示没有显著屏障形成的液体样品的电流信号，但也应足够快以使在分析物存在下的屏障形成反应在所需短时间内完成。
本发明的一些实施方案中，可发生在电池中的屏障形成，更具体而言是凝集反应，是抗原或多种抗原与抗体或多种抗体之间反应的结果。测试组分可以是抗原或抗体，或者该抗原或抗体可包含目标组分是其他抗原或抗体的部分测试组分。
在本发明该方面的一个优选实施方案中，测试组分具有合适的尺寸和功能性以使其不需过度搅拌即能够悬浮在液体样品，但还应足够大以使其能引起显著屏障的扩散。合适的测试组分的实例是与可溶于液体样品的聚合物结合、或与小的不溶性微珠或纤维结合的抗原或抗体。合适的可溶性聚合物的实例是聚丙烯酸、聚乙烯基硫酸盐、聚苯乙烯磺酸盐和聚乙烯醇。适合用于不溶性微珠或纤维的材料的实例是聚苯乙烯、乳胶或聚丙烯酰胺。作为选择，抗原或抗体可以存在于悬浮的细胞如红细胞或细菌细胞表面上。
并不总是需要测试组分足够大以引起显著屏障的扩散。例如如果目标组分具有足够尺寸来引起显著屏障的扩散，则测试组分可以较小。该目标组分的实例是细胞表面上的抗原，其中测试组分是细胞表面抗原的抗体并且导致细胞凝集。在将样品加入到电池中之前就悬浮于样品中的细胞或其他颗粒是凝集颗粒时，所述颗粒仅需具有合适尺寸和/或密度以使其在测试期间基本不会沉淀在电池中，至少是以非凝集形式存在。
在本发明该方面的另一优选实施方案中，测试组分可以是能够结合较大颗粒如细胞并结合目标组分的物质。而且，根据该实施方案，目标组分将能够结合一种以上测试组分，从而通过结合至少两种测试组分且其中每种测试组分还结合分散颗粒，使得该颗粒形成屏障。
在一些实施方案中，将用来处理液体样品的测试组分干燥加入电化学电池中。测试组分可以在与电池的至少一个电极接触中干燥或在电池的惰性壁上干燥。作为选择，测试组分可以在将样品加入电化学电池之前使样品接触并溶解于测试组分的电池外部位置进行干燥。测试组分可包含电活性物质或接触液体样品时形成电活性物质的物质。作为选择，电活性物质可以已经存在于待测样品中。电活性物质可以已知浓度存在，然而对于本发明的一些实施方案而言这并不是在一些实施方案中起作用所必需的。例如，如果如前述使用薄层电池来测量电活性物质的扩散系数，则该测量基本与所含电活性物质的浓度无关。相似地，如果进行电流信号的比较，则该比较通常与所含电活性物质的浓度无关。该电活性物质必须在样品中可溶并可运动。合适的电活性物质的实例是Fe(CN)6 3-、Fe(CN)6 4-、Cr3+、Cr2O7 2-、Cu2+、Co(NH3)6 3+、Co(NH3)6 2+、Sn4+、I-、Br-。
像该电活性物质一样，测试组分也可以包含电活性物质的可溶性氧化还原共轭氧化剂或还原剂，或者需要通过在反电极处的反应来完成电化学回路的第二可溶性电活性物质。优选的是该第二电活性物质相对于第一电活性过量以使其不限制电化学电池中的电流流动。在其它构形中，反电极可以通过氧化或还原现有技术中已知的不溶性物质来完成该回路。适用于该反电极的材料实例是银/氯化银、银/溴化银、汞/氯化汞、汞/硫酸汞。
测试组分还可任选包含用来控制pH和稳定试剂的缓冲剂以及设计来辅助传感器的制造和应用的其它添加剂。例如，可以加入表面活性剂和聚合物以改善制造期间形成干燥试剂的方法和/或改善电池填充样品的方法，例如通过改变电池表面的亲水性。合适的缓冲剂的实例是磷酸盐、碳酸盐、硼酸盐、柠康酸盐、柠檬酸盐和苯六甲酸盐。合适的表面活性剂的实例是Triton X-100、tween、Brij 35、Brij 20普朗尼克类非离子型表面活性剂(pluronics)。注意当待用的液体样品或电池测试组分含有蛋白质时，该表面活性剂不会以干扰测试的方式来使蛋白质变性。而且，在测试组分中存在能够氧化血红蛋白的氧化剂的情况下，该表面活性剂不应在所释放的血红蛋白被氧化时溶解红细胞并干扰传感器电流信号。然而在凝集反应的测量基本与所含电活性物质浓度无关的实施方案中该判据较不重要。
在使用本发明的一个优选实施方案中，将要测试目标组分的液体样品加入包含至少两个电极：工作电极和反电极或反/参考电极的电池中，并干燥测试组分。当向电池填充至少部分溶解该干燥试剂的液体样品时，如果存在目标组分，则测试组分和目标组分相互作用从而在所述液体中形成物质屏障。通过测量电池中电极之间电流流动特性来监控屏障形成的发生。为了使电流在电极之间流动，在工作电极和反电极之间施加电势差，其中该电势差足够大以引起发生在工作电极/溶液界面处的电化学氧化或还原反应和发生在反电极/溶液界面处氧化反应的相应还原。此外，电极之间的电势差应该足够高以使在工作电极/溶液界面处被氧化或被还原物质的浓度有效保持为0。屏障形成测量装置通常完成由电流来确定屏障形成测量的设备。
如上所述，在本发明的另一实施方案中，一种或多种测试组分可以存在于液体样品中或在将液体样品加入电池之前加入液体样品中。
在另一实施方案中，液体样品可以是其中发生屏障形成反应的多孔凝胶，如琼脂糖凝胶。另一可能是屏障形成反应发生在其上涂覆电极的微孔膜中。这些构形可以更容易地利用涂覆在屏障形成试剂中的微珠，因为微珠可被悬浮在孔洞中，并且如果屏障形成则堵塞孔洞，因此不需要微珠必须易于在样品中悬浮。
在一些实施方案中，将一个以上电化学电池装入单个装置，从而可以用一个装置来测量多个屏障形成反应。
在本发明该方面的一个实施方案中，可以形成分立的电化学电池以使该分立电池中的至少一些工作电极可分别连接至外部电路。这样分别连接的工作电极处的电流流动可以分别监控。作为选择，该电化学电池可提供为微阵列或其它已知结构来提供多种测试组分。
在本发明该方面的一个优选实施方案中，在分立的电化学电池中设置工作电极使其全部通过相同的线路连接至电流测量电路。尤其优选将电池设计为一次性使用的，随后丢弃。例如，该装置可以是***到测量仪器中的包含多个电池的试片，用来分析样品且随后将该试片丢弃。在这种一次性使用的装置中，需要保持向用户供应该试片的低成本和测量仪器的低复杂度。因此，优选与测量仪器具有较少连接的试片。
使用本发明该方面的该实施方案的方法实例为将样品加入第一电池，并获得指示凝集反应发生的电流测量值，从而在该测试阶段末期得知第一电池中的电流并可预测更长时间的电流。
随后可用样品填充第二电池并且测量指示第二电池中发生屏障形成的第二电流。为了精确测量第二电池中的电流，第一电池中流动的已知电流将被从总电流流动中减去。在完成发生在第二电池中的屏障形成测量之后，如果在同一装置中还将使用其它电池，则第一和第二电池中的电流流动需要处于已知状态以使其可以在填充第三电池时从电流流动中减去，依此类推。
在多电池装置的一个优选实施方案中，电池可以是薄层电化学电池，从而在适当时间之后，先前已经填充且形成屏障的任一电池中的电流基本恒定，使得能够更精确地从最后填充电池中的电流流动中减去之前填充电池中的电流流动。
为了说明本发明的特征，给出用来确定血型的应用实例。该应用中通常以红细胞表面上是否存在三种抗原来确定血型。该抗原为A-抗原、B-抗原和Rh-抗原。
根据本发明的实施方案，可以使用三个分立装置或更优选使用在此处称为试片、在同一装置上具有三个电池的单一装置来进行所需测量。当电池位于分立试片或同一试片上时，一个电池将含有A-抗原的抗体形式的第一测试组分，第二电池将含有B-抗原的抗体(第二测试组分)，第三电池含有Rh-抗原的抗体(第三测试组分)。使用时，试片将被***具有连接试片电极和电路的连接装置的测量仪器。通过至少能够在电极之间施加所需电势并测量所得电流的电源来完成电路。在一个优选实施方案中，测量仪器还包括能够分析所测电流信号、显示结果、储存结果和连接其它设备的凝集反应测量装置。凝集反应测量装置可以是改装的电流计。该测量仪器可包括在所需时间提取电流测量值的取样装置。
在该实施例中，电池中的电极将相互面对面放置且相隔约100微米。含有10mM亚铁***的试剂将涂覆在所有三个电池的上电极上，并且将含有100mM铁***和抗体的试剂涂覆在下电极上。抗体为第一电池中的A-抗原抗体、第二电池中的B-抗原抗体和第三电池中的Rh-抗原抗体。
使用时，用户将全血样品(受试组分)填充第一电池并在电极之间施加300mV的电势，使上电极为阳极即工作电极，下电极为阴极即反电极。记录电流并将数秒钟后的电流与在应该已发生任何凝集反应的足够长时间处所记录的电流进行比较。在工作电极上没有凝集试剂会延迟工作电极附近凝集反应的开始时间，从而允许有足够时间来记录指示非凝集样品的电流。如果长时间测量的电流与短时间测量的电流之比小于预定阈值，则检测到A-抗原(目标组分)的存在。
如果第一电池样品中存在A-抗原，一旦A-抗原检测的合适时间过去，测量仪器就会指示用户将另一相同的血样填充第二电池。注意这时第一电池中的电流或是稳定值或是以可预测方式随时间变化。一旦用户将样品填充第二孔，就会记录对应于第一和第二电池的总电流流动的第二电流轨迹。随后测量仪器减去来自第一电池的已知电流以得到第二电池电流。如前所述，在短时间和较长时间测试该电流以检测是否发生凝集反应。
在检测第二电池中B-抗原的适当时间之后，测量仪器指示用户将另一相同的血样填充第三孔并且从总电流中减去第一和第二电池中的已知电流以给出第三电池电流。如上所述测试该电流以检测是否发生凝集反应。
由三个结果可以判定A、B、AB和O血型，并可判定所分析的血液是Rh阳性还是阴性。
注意血液样品可以是毛细血管血、静脉血或动脉血。
本发明的优选实施方案
一种合适的多电池试片示于图1a和1b。图1a示出装置的上视图，图1b示出装置的截面图(未按比例绘制)。
试片10具有通过***在上下层21和22之间的绝缘隔离层20中的切口而形成于其中的电池1、2和3，其具有涂覆在其内表面上的电极层23和24。提供连接点4来连接电极层和测量仪器的外部电路(未示出)。本领域技术人员可很容易地设计出用来进行必要测量的适当电路。将测试组分(未示出)干燥在层23和24的内表面上并标记为孔1、2和3。
实施例
实施例1-用于钙的凝集传感器
将用于钙的凝集传感器开发为用来确定本发明效率的模型。通过在0.007”厚的Melinex 453上溅射30nm厚的金涂层来制备金电极。
在27％乙醇/1.5％异丙醇/71.5％水中制备含有44mg/mL脱氧胆酸钠、214mM铁***和0.11％普朗尼克(Pluronic)PE6200的溶液。将该溶液涂覆在金电极上并干燥。
在107μm厚的双面胶带上切出矩形孔。将胶带叠合于金电极上，以使孔重叠干燥的化学品。将涂覆有上述试剂的第二金电极叠合于胶带的另一面，因而形成具有相对电极的电化学电池。切割该三层结构从而很好地限定电极面积(0.0985cm2)，并且在该矩形孔的底部存在开口，其作为填充传感器的样品入口和排气孔。
将这两个电极连接到稳压器并且将含有0-30mM CaCl2的9mM亚铁***溶液载入该电化学电池。施加-0.3V电势25秒钟，随后施加+0.3V电势10秒钟。在施加+0.3V电势之后的0.1秒测量电流。各种含钙溶液的电流示于图2。
实施例2-用于凝乳酶蛋白水解活性的传感器
通过凝乳酶对牛奶的作用来提供单独类型的凝集反应。凝乳酶从牛奶中的酪蛋白上切除亲水性磷酸化的肽以生成不溶性蛋白质。随后该蛋白质凝集并且经进一步加工后能够形成酸乳或乳酪。
通过在电化学电池中干燥混合有电活性物质的低档牛奶或酪蛋白来提供用于凝乳酶的传感器。如果加入电池的液体含有活性凝乳酶，则可以通过在电极之间施加电压和分析电流瞬态来感知接着发生的凝集。
实施例3
实施例2中所述的酶分析法可以用于免疫分析，其在单一腔中进行，不包含清洗步骤，没有固定定时步骤。
该免疫分析的特征示于图3。传感器由具有可为电极或平面聚合物或其它表面的上表面30和下电极31的单一腔组成。下电极31具有酪蛋白(乳蛋白)涂层。上表面30具有固定化抗体33的涂层(示为Y型结构)，抗原-凝乳酶34以非共价键偶联抗体上的抗原结合点，以形成抗体-抗原-凝乳酶层。将氧化和还原形式的氧化还原对的混合物，例如铁氰化物和亚铁氰化物的混合物涂覆在下和/或上电极/表面上。
当将具有未知抗原浓度的流体加入室中时，自由抗原将与结合的抗原-凝乳酶偶联物“竞争”。随后该偶联物向下扩散至酪蛋白层并引发酪蛋白凝集在下电极31附近形成屏障层。可通过继续施加固定电压并监控电流使随之发生凝集反应，或者可以通过如本申请其它地方所述的施加电压脉冲序列(sequence)在不同的时间监控还原或氧化的氧化还原物质的扩散系数，或者可以快速反转电压极性且随时间监控峰值电流。下电极处电流流动的大小和任选的变化速率将对应于随时间发展的凝集程度，其反过来与到达酪蛋白层的抗原-凝乳酶偶联物的量成比例。这又与样品溶液中的抗原浓度成比例。
对于本领域技术人员而言很明显可对本发明进行各种改进，这些改进应该被视为属于本文所述的本发明范围。

Claims (39)

1.一种测量限制或减少电活性物质运动的屏障形成的方法，所述方法包括：
提供具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池；
在电池内提供受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，所述受试组分和测试组分会导致形成限制或减少电活性物质运动的屏障；
在工作电极和反电极之间施加足够的电势以产生与待测电活性物质向工作电极的传质速率相关的电流；和
测量工作电极处的电流以得到限制或减少电活性物质运动的屏障形成的测量。
2.权利要求1所述的方法，其中受试组分和测试组分会通过凝集反应形成屏障。
3.权利要求1所述的方法，其中所施加的电势足够保持工作电极处电活性物质的浓度。
4.权利要求1所述的方法，其中测量电流步骤包括在期望于电池中发生显著屏障形成之前的第一时间测量电流和在期望发生显著屏障形成的第二时间再次测量电流，并且根据所测电流的差获得所述屏障形成的测量。
5.权利要求4所述的方法，包括选择第一时间为屏障形成测量参数变化小于或期望小于屏障完全形成时所述参数总变化的约20％的时间。
6.权利要求5所述的方法，其中屏障形成测量参数变化小于所述总变化的约10％。
7.权利要求4所述的方法，包括选择第二时间为屏障形成测量参数的变化大于或期望大于屏障完全形成时所述参数总变化的约50％的时间。
8.权利要求7所述的方法，其中屏障形成测量参数的变化大于所述总变化的约70％。
9.权利要求4所述的方法，包括通过确定屏障形成测量参数随时间的变化速率来选择所述的第一时间和第二时间。
10.权利要求1所述的方法，其中所测电流的差用来获得电活性物质扩散系数的测量，从而获得屏障形成的测量。
11.权利要求1所述的方法，其中所测电流的差用来获得扩散系数变化的测量，从而获得屏障形成的测量。
12.权利要求1所述的方法，其中提供受试组分的步骤是通过将含有受试组分的液体样品加入电池而进行的。
13.权利要求12所述的方法，其中提供测试组分的步骤是通过在将液体样品加入电池之前将测试组分加入液体样品而进行的。
14.权利要求12所述的方法，其中提供测试组分的步骤是通过在加入液体样品之前将测试组分加入电池而进行的。
15.权利要求14所述的方法，其中通过将测试组分干燥加入电池中来将测试组分加入电池。
16.权利要求1所述的方法，包括利用测试组分和受试组分之间的反应来提供所述电活性物质。
17.权利要求1所述的方法，包括利用测试组分来提供所述电活性物质。
18.权利要求1所述的方法，其中通过屏障形成反应来提供所述电活性物质，所述方法还包括提供可以作为工作电极的两个电极并且在所述两个电极之一处或附近提供测试组分，所述方法还包括改变所施加的电势或电流测量电路连接以在所述工作电极之间转换，并且测量所述两个工作电极处的电流从而获得屏障形成的测量。
19.权利要求1所述的方法，其中测量电流以获得电荷的测量，从而得到屏障形成的测量。
20.权利要求1所述的方法，其中当所述受试组分包含目标组分时，所述受试组分和测试组分会导致屏障形成，其中所述方法还包括根据屏障形成的测量来确定所述目标组分是否存在。
21.一种确定目标组分是否存在于受试组分中的方法，包括：
提供具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池；
在电池内提供可含有或不含有目标组分的受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，当目标组分存在时，所述受试组分和测试组分会导致限制或减少电活性物质运动的屏障形成；
在工作电极和反电极之间施加足够的电势以产生与待测电活性物质向工作电极的传质速率相关的电流；和
测量工作电极处的电流以确定限制或减少电活性物质运动的屏障是否形成，从而确定所述目标组分是否存在于所述受试组分中。
22.权利要求21所述的方法，其中屏障形成将由凝集反应所引起。
23.权利要求21所述的方法，包括施加足以保持工作电极处电活性物质浓度的电势。
24.权利要求21所述的方法，其中测量电流步骤包括在期望于电池中发生显著屏障形成之前的第一时间测量电流和在期望发生显著屏障形成的第二时间再次测量电流，并且根据所测电流的差获得所述屏障形成的测量。
25.权利要求24所述的方法，包括选择第一时间以对应于屏障形成的测量参数变化小于屏障完全形成时所述参数总变化的约20％的时间，更优选小于所述参数总变化的约10％的时间，并且选择第二时间为凝集测量参数的变化大于样品中总变化的约50％的时间。
26.权利要求25所述的方法，其中选择第一和第二时间分别对应于小于所述总变化的约10％和大于约70％。
27.权利要求21所述的方法，包括根据所测电流的差获得电活性物质扩散系数的测量，从而获得屏障形成的测量。
28.权利要求21所述的方法，还包括根据所测电流的差获得扩散系数变化的测量，从而获得屏障形成的测量。
29.权利要求21所述的方法，其中通过屏障形成反应来提供所述电活性物质，所述方法包括提供可以作为工作电极的两个电极并且在所述两个电极之一处或附近提供测试组分，所述方法还包括改变所施加的电势或电流测量电路连接以在所述工作电极之间转换，并且测量所述两个工作电极处的电流，从而获得屏障形成的测量。
30.一种用来测量限制或减少电活性物质运动的屏障形成的设备，其具有：
具有工作电极和与工作电极隔离的反电极的电化学电池，所述电化学电池适合在电池内接收受试组分、测试组分和至少一种电活性物质，所述受试组分和测试组分会导致限制或减少所述至少一种电活性物质运动的屏障形成；
电源，其用来在工作电极和反电极之间施加足够电势以产生与所测电活性物质向工作电极的传质速率相关的电流；
用来测量工作电极处电流的电流计；和
屏障形成测量装置，其用来根据所测电流确定对于所述至少一种电活性物质运动的屏障形成的测量。
31.权利要求30所述的设备，其中屏障形成测量装置是用来确定凝集测量的凝集测量装置，所述凝集形成所述屏障。
32.权利要求30所述的设备，其中所述电化学电池还包括单独的参考电极。
33.权利要求30所述的设备，其中所述反电极可以是反/参考电极。
34.权利要求30所述的设备，还包括当所述设备用来检测受试组分中目标组分存在时，根据屏障形成测量确定测试组分存在的检测装置。
35.权利要求30所述的设备，其中所述电流计设计为在期望于电池中发生显著屏障形成之前的第一时间和在期望发生显著屏障形成的第二时间测量电流，从而根据所测电流的差来获得屏障形成的所述测量。
36.权利要求30所述的设备，还包括用来在第一和第二时间从电流计中进行电流取样的取样装置，第一时间为期望于电池中发生显著屏障形成之前的时间，第二时间为期望发生显著屏障形成的时间，并且其中屏障形成测量装置根据电流差来确定屏障形成的测量。
37.权利要求30所述的设备，其中所述屏障形成测量装置根据电流的测量来确定电活性物质扩散系数的测量，从而获得屏障形成的测量。
38.权利要求30所述的设备，其中所述屏障形成测量装置利用所测电流的差来获得扩散系数变化的测量，从而获得屏障形成的测量。
39.权利要求30的设备，其中所述设备包括可以作为工作电极的两个电极和用来改变所施加的电势或电流测量电路连接以获得这两个工作电极处电流测量的装置。
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