专利名称：等离激元电学的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生电能流的系统，以及检测在金属结构中以电信号形式传导的荧光、发光、化学发光或磷光特征的检测系统和方法。
背景技术：
使用生物分析法鉴定和定量蛋白质和其他生物分子，在生物医学和生物化学应用中是极为重要的1_3。荧光在大多数这样的应用中是主流技术，其中目标生物分子通过来自其荧光团标记的结合配偶体的荧光发射进行检测4’5。在平面表面上执行的基于荧光的生物分析一般灵敏度欠缺并需要昂贵的光学仪器6’7。此外，在这些分析中的生物识别事件固有地缓慢(几分钟至数小时)6’7。通过在这些分析中引入等离激元(plasmon)共振粒子(PSP)， 不使用尖端光学仪器即可改进基于荧光的分析的灵敏度8’9。灵敏度的提高可能是由荧光特征的增加和与PSP紧邻放置的荧光团的寿命降低所造成的，这种现象被称为金属增强荧光 (MEF)8,。在基于MEF的生物分析中，将PSP(—般为银纳粒)沉积在平面表面上，并在PSP 上建立生物分析8。因为大多数生物分子的尺寸小于PSP (20-100nm)，因此荧光团被置于其发射会由于它们与PSP的表面等离激元的相互作用而增加的距离内1(1。发光物质与紧邻的金属纳粒的相互作用已被深入研究。这些近场相互作用在大多数情况下非常复杂，但是可以从现象上简单理解为是由于紧邻的荧光团在金属中诱导镜像偶极子(mirror dipole)，镜像偶极子继而以发射的形式来辐射耦合量子，如图1A。这种相互作用以前被恰当地称为“金属增强荧光”。几十年来，基于荧光的技术依靠光检测器将光子通量转变成数字特征，例如光电倍增管或电荷耦合器件(CCD)相机。几乎所有基于荧光的仪器都包含一个或多个这些类型的检测器。然而，这种检测器昂贵，并且需要另外的设备。因此，不需要这种昂贵的检测器就可检测荧光，将是有利的。
发明内容
本发明涉及检测从含金属的表面上传导并发射的电信号形式的荧光、发光、化学发光或磷光特征的检测系统和方法。因此，本发明不需昂贵的检测器即可提供荧光的数字化和直接检测。一方面，本发明涉及用于产生电流的系统，所述系统包含基片，包括位于基片上的金属材料，其中金属材料被造型成粒子、纳米结构、岛或胶体，并且至少部分用极性溶液覆盖；一组导电电极，与位于其上的至少两个金属粒子通讯性接触；
位于金属材料附近的固有或外来荧光团，其中荧光团被电磁能量激发在金属材料中诱导镜像偶极子，以产生等离激元电流加以储存或导向电流读取装置。重要的是，电流随着结合性荧光团的量的增加而增加，从而提供了用来提供与结合性荧光团的量成比例的电信号的分析。另一方面，本发明涉及分析检测方法，所述方法包含在基片上提供导电金属材料，其中金属材料被造型成不连续薄膜、粒子、纳米结构、岛或胶体，并且其中基片具有第一端和相对的第二端；将基片的第一和第二端以及位于其上的至少两个金属粒子与第一和第二电极通讯性接触，其中第一和第二电极与电流读取装置通讯性连接；导入至少一种生物分子，使得置于导电金属材料附近，其中生物分子能够在金属材料中诱导镜像偶极子，并且该偶极子通过与金属材料的预定接近度而增强；从电磁能量源施加电磁能以激发生物分子并在金属材料中诱导镜像偶极子，以产生等离激元电流；以及通过电流检测器测量等离激元电流。上面描述的方法和系统可用于多种检测系统中，包括但不限于免疫分析法、杂交分析法、共振能量转移分析法、基于偏振/各向异性的分析法、基于化学发光的分析法、基于发光的分析法、酶联免疫吸附分析法。另一方面，本发明提供了检测系统，所述检测系统包含位于容器内的导电金属材料，其中金属材料被造型成不连续薄膜、粒子、纳米结构、岛或胶体，导电金属材料在基片上；至少一个置于导电金属材料附近的荧光团，其中荧光团能够在金属材料中诱导镜像偶极子，并且该偶极子通过与金属材料的预定接近度而增强；第一和第二电极，与至少两个位于其上的金属粒子通讯性连接，其中第一和第二电极与电流读取装置通讯性连接；电磁能量源，用于激发荧光团并在金属材料中诱导镜像偶极子，以产生等离激元电流，其中电磁能量源与第一和第二电极相距一定距离，以增加被电流读取装置检测的电流。在本实施方案中，生物分子包含当与UV至顶范围内的辐射接触时具有发射荧光能力的荧光组分。另一方面，本发明涉及金属增强荧光感测的方法，所述方法包含向检测系统中使用的表面施加导电金属材料，其中表面包括玻璃、石英或聚合材料，其中表面具有第一和第二端，其中第一和第二端以及至少某些金属材料与第一和第二电极通讯性连接，在它们之间放置电流测量装置；导入含有至少一种生物分子的极性溶液，用于置于导电金属表面附近，其中生物分子能够激发以产生偶极矩或发射荧光；使用电磁源激发生物分子以产生偶极矩或发射荧光，并通过这种激发在金属材料中诱导偶极子，以产生等离激元电流；使用电流读取装置例如安培计(ampmeter)测量等离激元电流。优选，电极相隔足够距离以提供最佳电流读数，其中相隔约5nm至lOOnm。
另一方面，本发明提供了不使用光检测器即可检测样品中靶病原体的方法，所述方法包含提供一种系统，该系统包含固定化金属材料，其位于极性溶液中的表面基片上， 其中基片具有第一和第二端并且基片的第一和第二端包括电极，或至少某些金属材料与第一和第二电极通讯性连接，其中固定化金属材料上附有与靶病原体的已知DNA序列互补的固定化捕获DNA序列探针；以及与靶病原体的已知DNA序列互补的游离捕获DNA序列探针， 其中游离捕获DNA序列探针上附有荧光团；将样品与固定化捕获DNA序列探针相接触，其中靶病原体的任何DNA序列与固定化捕获DNA序列探针结合；将结合的靶病原体DNA序列与游离捕获DNA序列探针相接触，其中游离捕获DNA 序列探针与靶病原体DNA序列的结合导致荧光团定位于距固定化金属材料足够的距离处， 以在金属材料中诱导偶极子；使用UV至顶范围内的电磁能来辐照系统，以激发位于距金属材料预定距离处的荧光团；并且使用位于电极之间的电流检测器测量等离激元电流，其中电流与荧光团的量成比例。优选，导电金属材料采取金属粒子例如纳米结构、岛、胶体、多孔基质或半连续金属表面的形式。金属元素可以包括任何形式的金属，例如银、金、钼、锌、铝、铟、钯、铑、铁、镍和铜，更优选金属材料是银，例如低密度银。基片可以包括玻璃、石英和/或聚合材料。优选，金属材料是粒子的形式并相隔一定距离以提供最佳电流，并且其中电阻高于连续金属薄膜的电阻。优选，每个金属粒子的至少一部分与极性溶剂或具有偶极矩并且可诱导的偶极非质子溶剂例如水、其他极性溶剂包括甲醇或乙酸、离子性盐溶液和/或丙酮、乙二醇二乙酸酯相接触。能够发射荧光和/或在被电磁能激发后表现出偶极矩的分子，包括但不限于荧光团、发色团、发光团或包含外来发光活性的生物分子。一方面，本发明涉及生物分析系统，其包含金属表面，用于增强位于金属表面附近的基于化学发光的反应的效果，其中金属表面等离激元被化学发光物质的化学诱导的电子激发态所激发，并且来自化学发光反应的能量的转移在金属结构中诱导了可以使用电流装置测量的等离激元电流。另一方面，本发明涉及分析方法，所述方法包含提供至少一个容器或器皿，其中第一和第二电极被置于容器内或与其通讯性连接；在容器中导入金属纳米结构，其中容器包含极性溶液，其中金属纳米结构可以游离在溶液中或与容器表面连接并与第一和第二电极通讯性连接；导入在激发后表现出偶极活性的分子并将这些分子置于金属纳米结构附近，其中金属纳米结构位于与金属纳米结构预定的接近度，以在金属纳米结构中诱导镜像偶极子； 以及测量电流。另一方面，本发明涉及金属增强化学发光感测的方法，所述方法包含
向在检测系统中使用的表面施加导电金属材料，其中表面或金属材料与一组电极相连；导入含有至少一种生物分子的极性溶液，使得置于金属表面附近，其中生物分子包含化学发光标记物；触发化学发光标记物以化学诱导电子激发态，由此产生金属表面等离激元并在金属材料中诱导镜像偶极子和在溶液中产生电流。另一方面，本发明涉及用于测量化学发光的系统，所述系统包含位于表面基片上的部分金属化的表面，其中金属化表面与极性溶剂接触，其中基片或部分金属化表面与一组电极相连；附着于部分金属化表面或位于部分金属化表面附近的连接分子，用于结合或捕获测试样品中的目标分子；对目标分子具有亲和性的检测分子，其中检测分子包含化学发光标记物；触发组分，其与化学发光标记物进行化学反应以产生化学诱导的电子激发态，并在部分金属化表面中诱导镜像偶极子并在极性溶剂中诱导电流，其中电流被测量，并且该电流与测试样品中目标分子的量成比例。一种用于传导电流的系统，所述系统包含1.分散在极性溶剂中的金属粒子，其中金属粒子适于连接固有或外来荧光团分子；以及2.电磁能量源，用于投送而至顶范围内并且量足以激发荧光团的辐射，其中这种激发在金属粒子中产生镜像偶极子，并在溶液中诱导电流。此外，本发明涉及将本发明的等离激元电学概念与显微镜组合使用，用于提供视觉图像和所诱导的等离激元电流的直接数字读数，其中该系统包括沉积有金属离子的基片，其中基片是适用于显微镜的载片，并且基片或两个金属粒子适于连接电极并与电流读取装置相连。从随后的公开内容和权利要求书，本发明的其他方面和优点将更加明显。
图1显示了金属增强荧光的当前解释的示意图(A)，等离激元电流因被激发的荧光团与银纳粒的表面等离激元的耦合而产生(B)，电极装置带有安培计用于测量电流， F-荧光团，MEF-金属增强荧光，PC-等离激元电流，Ag-银纳粒。图2显示了在用兔IgG覆盖的SiF中，等离激元电流(PC)对所添加的荧光素标记的抗IgG抗体浓度的依赖性，以及实验的图形解释。图3A显示了在水中，由激光G73nm)在覆盖有FITC的SiF (R >> 200M0hm/cm) 中诱导的等离激元电流(PC)。电极之间的距离是10mm。SiF上的激发点从左侧电极移动到右侧电极。如图3B中所示，观察到的等离激元电流的方向，非线性地依赖于激发点距电极本身的距离。图4显示了使用Xe弧灯以及使用473nm激光器对FITC-SiF(H2O)的辐照。图5显示，上图在SiF(干燥样品)中诱导的电流；中图由湿SiF(H2O)诱导的电流；下图包被有(FITC)的SiF-水溶液。载片的辐照使用Xe-弧灯进行。以约5秒的时间间隔迅速实现手动关灯。SiF-银岛膜。图6A和B显示了由光在含有沉积的FITC标记的人血清白蛋白(HSA-FITC)或溶剂 (水)的SiF中诱导的电流对激发波长的依赖性。(a)观察到的电流对激光功率偏移进行校正；(b)HSA-FITC对电流、SiF和FITC的吸收的贡献。激发使用激光进行。发光功率通过中性滤光片(NF)调整到约20-50mW。在某些波长处的电流校正通过使用N-滤光片(0D473 =1. 04o. u.)衰减以归一化到46. 5mff的功率G73nm激光器的功率(500mW))来进行。在 pH 5. 5 的水中[HSA-FITC] = 0. 65mM。图7显示了在473nm激光辐照后由SiF-染料系统产生的电流对所研究染料的消光系数的依赖性。取电流对染料浓度的线性依赖性，将观察到的电流归一化到由染料在 150mM浓度下诱导的电流。图8显示了 20nm和40nm金结合的抗IgG抗体(兔)的吸收光谱。插入图基于光激发后的等离激元电流(PC)的模型免疫分析法(IgG-抗IgG抗体)的图示。Ag-银岛； Au-与抗IgG抗体结合的金纳粒。图9显示了在用40nm金结合的抗IgG抗体覆盖的SiF-IgG中诱导的电流。Iex为 473nm,金-抗IgG抗体的浓度为0. InM0图10显示了由473nm激光在SiF-IgG载片中诱导的电流对抗IgG抗体结合物 (20nm和40nm金或FITC)浓度的依赖性。图11显示了在用20nm和40nm金结合的抗IgG抗体包被的SiF-IgG载片中，电流对激发波长的依赖性。激光功率被归一化到_45mW。图12显示了使用抗体检测结合性抗原，其中结合性抗原表现出偶极矩，并在金属粒子中诱导偶极，从而产生电流。图13显示了两种抗体的使用，其中一种捕获靶抗原，另一种提供在激发后在金属材料中产生诱导的偶极子的荧光团标签。
具体实施例方式本发明涉及产生电流的系统和方法，其中将荧光团置于金属粒子附近，并且其中荧光团的激发在金属粒子中产生诱导的镜像偶极子，以及从一个金属粒子向在极性溶剂中通讯性接触的相邻金属粒子的电流流动。本发明描述了薄金属膜中电信号形式的荧光(发光、化学发光、磷光)特征检测。 通常，荧光或发光发射使用检测器、PMT(光电倍增管)或CCD(电荷耦合器件)相机等来检测。但是，与金属紧邻的荧光团能够在金属中诱导电流，其可以使用如图IB中显示的安培计来检测。荧光直接检测的概念是荧光光谱术及其应用的巨大突破。该技术的潜在应用包括免疫测定法，提供可用于为手持装置供电的含金属结构的织物和纺织品，其中抗原浓度现在可以直接读取并且更重要的是以数字形式读取，而不需要外部检测器，如图2中所示。另一个应用是在太阳能转换中，其中目光激发的荧光团能够在薄金属膜中产生电流。当在本文中使用时，“荧光团”是指可以被电磁能激发并紧邻金属表面诱导镜像偶极子金属表面的任何物质，并打算涵盖能够与样品中目标分析物特异性相互作用或反应、 以提供一种或多种光学信号的化学或生物化学分子或其片段。此外，荧光团包括外来和固
8有荧光团两者。外来荧光团是指与另一种物质结合的荧光团。固有荧光团是指自身是荧光团的物质。示例性荧光团包括但不限于在本文引为参考的《Molecular Probes Catalogue)) (分子探针目录)中列出的那些。代表性的荧光团包括但不限于Alexa Fluor 350、丹磺酰氯(DNS-C1)、5_(碘乙酰氨基)荧光素(5-IAF)；荧光素5-异硫氰酸酯(FITC)、四甲基罗丹明5_(和6_)异硫氰酸酯(TRITC)、6_丙烯酰-2-二甲基氨基萘(aCrylodan)、7-硝基苯并-2-噁_1，3，-二唑-4-基氯化物(NBD-Cl)、溴化乙锭、萤黄、5-羧基罗丹明6G盐酸盐、丝丽胺罗丹明B磺酰氯、德克萨斯红磺酰氯、B0DIPY 、萘胺磺酸包括但不限于1-苯胺萘-8-磺酸(ANS)和 6_(对甲苯胺基)萘-2-磺酸(TNS)、蒽基脂肪酸、DPH、十八碳四烯酸、TMA-DPH、芴基脂肪酸、荧光素-磷脂酰乙醇胺、德克萨斯红-磷脂酰乙醇胺、芘基-磷脂酰胆碱、芴基-磷脂酰胆碱、部花青M0、1- (3-磺酸根合丙基)-4- [- β - [2 [ ( 二正丁基氨基)- 萘基]乙烯基] 吡啶鐺甜菜碱(Naphtyl Styryl) ,3,3' - 二丙基硫杂二羰花青(diS_C3-(5))、4_(对-二戊基氨基苯乙烯基)-1-甲基吡啶鐺(di-5-ASP)、Cy-3 Iodo乙酰胺、Cy-5_N-羟基琥珀酰亚胺、Cy-7-异硫氰酸酯、罗丹明800、IR-125、噻唑橙、天青B、尼罗蓝、铝酞菁、Oxaxine 1、 4'，6-二咪基-2-苯基吲哚(DAPI) ,Hoechst 33342、T0T0、吖啶橙、乙锭同二聚体、N(乙氧羰基甲基)-6-甲氧基喹啉鐺(MQAE)、Fura-2、钙绿、羧基SNARF-6、BAPTA、香豆素、植物荧光素(phytofluor)、晕苯、绿色荧光蛋白和金属配体络合物。代表性的固有荧光团包括但不限于具有芳香环结构的有机化合物，包括但不限于 NADH、FAD、酪氨酸、色氨酸、嘌呤、嘧啶、脂类、脂肪酸、核酸、核苷酸、核苷、氨基酸、蛋白质、 肽类、DNA、RNA、糖类和维生素。其他适合的荧光团包括酶-辅因子、镧系元素、绿色荧光蛋白、黄色荧光蛋白、红色荧光蛋白或其突变体和衍生物。还包括新的季氮杂环含硼酸化合物，包括
权利要求
1.一种用于产生电流的系统，所述系统包含 基片，包括位于该基片上的金属材料，一组导电电极，与位于其上的至少两个金属粒子通讯性接触； 固有或外来荧光团，位于所述金属材料附近，其中因电磁能量的所述荧光团的激发在所述金属材料中诱导镜像偶极子，产生等离激元电流以供储存或导向电流读取装置。
2.权利要求1的系统，其中金属材料被造型成粒子、纳米结构、岛或胶体。
3.权利要求1的系统，其中所述金属材料选自银、金、钼、锌、铝、铟、钯、铑、铁、镍和铜。
4.权利要求1的系统，其中所述电极与所述电流读取装置通讯性连接。
5.权利要求1的系统，其中所述表面包括玻璃、石英或聚合材料。
6.权利要求1的系统，其还包含电磁能量源，用于激发所述荧光团并在所述金属材料中诱导镜像偶极子，以产生等离激元电流。
7.权利要求6的系统，其中所述电磁能量源与第一和第二电极相距一定距离，以增加由所述电流读取装置所检测的电流。
8.权利要求1的系统，其中所述镜像偶极子通过与所述金属材料的预定接近度而得到增强。
9.权利要求8的系统，其中与所述金属材料的所述预定接近度是约IOnm至50nm。
10.权利要求1的系统，其中检测到的电信号与结合性荧光团的量成比例。
11.权利要求1的系统，其中所述金属材料至少部分地被极性溶剂或偶极非质子溶剂覆盖。
12.—种分析检测方法，所述方法包含在基片上提供导电金属材料，其中所述金属材料被造型成不连续薄膜、粒子、纳米结构、岛或胶体，并且其中所述基片具有第一端和相对的第二端；使所述基片的所述第一和第二端和位于其上的至少一些金属粒子与第一和第二电极通讯性接触，其中所述第一和第二电极与电流读取装置通讯性连接；导入至少一种生物分子，使得置于所述导电金属材料附近，其中所述生物分子能够在所述金属材料中诱导镜像偶极子，并且所述偶极子通过与所述金属材料的预定接近度而得到增强；从电磁能量源施加电磁能以激发所述生物分子并在所述金属材料中诱导镜像偶极子， 以产生等离激元电流；以及通过电流检测器测量所述等离激元电流。
13.权利要求12的分析系统，其中所述金属材料选自银、金、钼、锌、铝、铟、钯、铑、铁、 镍和铜。
14.权利要求12的分析系统，其中所述表面包括玻璃、石英或聚合材料。
15.权利要求12的分析系统，其中所述生物分子包括当与UV至顶范围内的辐射接触时具有发射荧光能力的荧光发射组分。
16.权利要求12的分析系统，其中所述分析系统用于杂交分析法、共振能量转移分析法、基于偏振/各向异性的分析法、基于化学发光的分析法、基于发光的分析法、酶联免疫吸附分析法。
17.权利要求12的分析系统，其中所述镜像偶极子通过与所述金属材料的预定接近度而得到增强。
18.权利要求17的分析系统，其中与所述金属材料的所述预定接近度是从约IOnm至 50nmo
19.权利要求12的分析系统，其中检测到的电信号与结合性荧光团的量成比例。
20.一种金属增强荧光感测方法，所述方法包含向检测系统中使用的表面施加导电金属材料，其中所述表面包括玻璃、石英或聚合材料，其中所述表面具有第一和第二端，其中所述第一和第二端以及至少一些金属材料与第一和第二电极通讯性连接，在它们之间放置电流测量装置；导入含有至少一种生物分子的极性溶液，使得置于所述导电金属表面附近，其中所述生物分子能够激发，以产生偶极矩或发射荧光；使用电磁源激发所述生物分子以产生偶极矩或发射荧光，并通过这种激发在所述金属材料中诱导偶极子，以产生等离激元电流；使用例如安培计的电流读取装置来测量等离激元电流。
21.一种分析方法，所述方法包含提供至少一个容器或器皿；其中第一和第二电极被置于所述容器内或与其通讯性连接；在所述容器中导入金属纳米结构，其中所述容器包含极性溶液，其中所述金属纳米结构可以游离在溶液中或与所述容器表面连接；导入在激发后表现出偶极活性的分子并将这样的分子置于所述金属纳米结构附近，其中所述金属纳米结构位于与所述金属纳米结构预定接近度的位置，以在所述金属纳米结构中诱导镜像偶极子；以及测量电流。
22.一种用于传导电流的系统，所述系统包含分散在极性溶剂中的金属粒子，其中金属粒子适于连接固有或外来荧光团分子；以及电磁能量源，用于投送UV至顶范围内并且量足以激发荧光团的辐射，其中这种激发在所述金属粒子中产生镜像偶极子，并在所述溶液中诱导电流。
全文摘要
本发明涉及检测从含金属的表面传导并发射的电信号形式的荧光、发光、化学发光或磷光特征的检测系统和方法。因此，本发明不需昂贵的检测器即可提供荧光的数字化和直接检测。
文档编号G01N33/483GK102216757SQ200980145288
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者克里斯·D·戈德斯 申请人:马里兰大学,巴尔的摩县