[发明专利]量子电容感测

说明书

本申请涉及使用电极进行的感测方法，该电极包括用感测元件功能化的电极基材。该方法包括在多个外加电压下采用电化学阻抗谱法，然后将测量数据随电压进行积分。还提供了一种用于执行感测方法的装置。该方法和装置适用于各种感测应用，包括诊断生物标记物的检测、药物筛选、糖阵列系统的开发以及诸如光强、温度和湿度等环境参数的检测。

本发明涉及一种通过探测功能化电极的量子电容进行电化学感测的方法和装置。

背景技术

电化学技术已经用于各种感测应用，例如，用于检测和定量对生理样品中目的诊断分子，用于感测有毒气体并监测湿度等环境参数的变化。

电化学阻抗谱法(EIS)是监测与适当修饰的电极表面的所处环境变化相关的电容或电荷转移电阻变化的技术。这种变化可以包括物质(例如生物标记物等靶物种)与电极表面的结合以及温度等环境参数的变化。考虑到其无标志物方法中的结构性简单、敏感度高、选择性多和适用性强，EIS是一项用于感测各种应用的颇有前景的技术。

在近来的工作中，本发明人已经证明，可以采用电化学阻抗谱法解决限制在电极表面的分子膜内的一系列电荷波动问题。其中包括与电子偶极子波动和场诱导的离子运动相关的变化，并且可以通过电活性单层电容光谱根据其特定的时间尺度和表面电位依赖性来解决。当这些分子膜含有具有能量上接近(氧化还原活性)的轨道状态的部分时，导致/产生下面的金属电极电子转移在该界面处产生新的和敏感的电位依赖性的充电过程这一结果。这种法拉第电容(称为氧化还原电容，C_r)不是静电的，并且可能(对于与非均匀电子转移快速率关联的高质量分子膜)比亥姆霍兹分布空间大百倍。已证明，这种C_r识别标志物可以积分到另外能够动员目的特定靶标(例如抗体的抗原配偶体)的膜中。氧化还原电容变化可用于建立敏感度高、稳定性好和方便性佳的新型无标志物生物感测形式。欲知详情，可以参考专利PCT/GB2014/051938和《生物传感器和生物电子学》杂志50(2013)437-440等资料。

虽然这些EIS技术能够实现敏感度高、稳定性强和方便性佳的感测方法，但应注意以下几点：

(i)氧化还原电容C_r实际上报道了受限氧化还原基团在其最佳电化学“半波电位”下的电化学活性。

(ii)没有收集到任何其他潜在信息。

(iii)如果膜的电化学活性受到干扰，则C_r测量值将发生变化。由于特异性结合/识别事件以外的现象(例如副反应/分解，溶剂或电解质渗透的变化)引起的扰动不一定与研究中的结合/识别事件区分开来。

因此，需要例如基于EIS原理的替代性而又相关联的感测方法。极具吸引力是使用简单的实验装置(例如，单个工作电极作为探针)的感测方法，其广泛适用于一系列不同参数的感测，不受一个或多个上述已知方法的缺点和/或对所感测的化学物质或其它参数具有较高敏感度和/或选择性。

发明内容

本发明人现在已经确定了一种用于感测适当功能化的电极表面所处环境的变化的新方法。可以使用特别简单方便的电化学系统执行该新方法，其仅涉及单个工作电极(即单个探针)。此外，该工作电极不必用氧化还原基团功能化，也不必假定这些氧化还原基团是稳定的。

本发明人开发的该新技术可以广泛应用于各种感测应用，包括，举例来说，载体介质中靶物种的特异性检测(例如生理样品中诊断生物标记物的检测)、药物筛选程序、在糖阵列系统中的用途以及检测工作电极附近的环境湿度、光强和温度等环境参数。

更详细地，本发明人开发的该技术利用了用感测元件功能化的工作电极，该感测元件电子耦合到前述电极。感测元件和电极之间的电子分布具有相关的电容式(及电荷动态)指纹，其随着所处环境的变化而敏感变化。