專(zhuān)利名稱(chēng)：用于檢測(cè)生物和化學(xué)材料的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)生物和化學(xué)材料，特別是涉及為了分析DNA序列以及檢測(cè)生物材料，如蛋白質(zhì)和ATP，在實(shí)驗(yàn)中雜交核酸的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著人類(lèi)基因序列研究已經(jīng)完成，人們更加希望在醫(yī)藥領(lǐng)域充分利用基因信息。在過(guò)去的基因序列研究中，基因表達(dá)分析和對(duì)基因的單核苷酸多形態(tài)(SNP)的分析特別引人注目。為了說(shuō)明基因功能或基因自身和疾病或藥物敏感性之間的不規(guī)則關(guān)系，對(duì)多種條件下的基因表達(dá)和在單獨(dú)個(gè)體中的基因突變進(jìn)行了研究?，F(xiàn)在，關(guān)于基因所獲得的知識(shí)已經(jīng)用于疾病診斷。
在疾病診斷中，與研究未知基因不同，涉及到的是已知基因的分類(lèi)或它們產(chǎn)生突變。最好能夠低成本的進(jìn)行診斷，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，已經(jīng)發(fā)展了多種類(lèi)型的方法。未來(lái)，從基于單個(gè)基因的疾病診斷到由于不同基因和環(huán)境條件之間的協(xié)同作用而發(fā)展的疾病診斷，以及檢測(cè)多個(gè)基因用于識(shí)別藥物敏感性的各種實(shí)驗(yàn)將更加引人注目。此時(shí)，希望可以同時(shí)檢測(cè)多種基因，而不是檢測(cè)單個(gè)基因或基因突變。正在尋求可以檢測(cè)SNP并包括用于以低成本放大基因的靶位點(diǎn)的過(guò)程的系統(tǒng)?？捎糜赟NP分析或遺傳測(cè)試的系統(tǒng)包括Invader分析(Invader assay)(Science 260，778(1993))，Taqman分析(J.Clin.Microbiol.34，2933(1966))，DNA微陣列(microarray)(Nature Gent.18，91(1998))，和高溫排序(pyrosequencing)(科學(xué)281，363(1998))。其中，可以檢測(cè)多個(gè)位置的DNA微陣列作為未來(lái)的基因排序技術(shù)引人注目。
在該微陣列技術(shù)中，將多種類(lèi)型的寡聚DNA或cDNA點(diǎn)滴在涂有聚L賴(lài)氨酸的滑動(dòng)玻璃板上。利用一種稱(chēng)為定位器(spotter)(或排列器arrayer)的裝置執(zhí)行點(diǎn)滴，可以形成以100-500um間隔的直徑大約為幾十到200um的斑點(diǎn)。對(duì)點(diǎn)滴的寡聚DNA或cDNA執(zhí)行后處理，在房間中干燥并儲(chǔ)存。通過(guò)從一個(gè)樣本細(xì)胞中提取出RNA并準(zhǔn)備用任何熒光染色劑，例如藍(lán)色素3和藍(lán)色素5標(biāo)記的cDNA，可以準(zhǔn)備一個(gè)目標(biāo)樣本。該目標(biāo)樣本溶液滴在微陣列上并在650℃的濕度箱中培養(yǎng)10小時(shí)。當(dāng)雜交完成后，用0.1％的SDS溶液洗滌微陣列并將其在室溫下晾干。為了測(cè)定該微陣列，需要使用一個(gè)掃描器。例如，使用氬離子激光器作為發(fā)射光源，使用光電倍增器管作為發(fā)光檢測(cè)器。利用共焦光學(xué)系統(tǒng)提高信噪比，消除焦點(diǎn)以外的其他點(diǎn)發(fā)射的背景的影響。為了測(cè)定多個(gè)斑點(diǎn)處的熒光，需要以高精度使微陣列與讀光學(xué)系統(tǒng)對(duì)正。因此，掃描器具有一個(gè)x-y臺(tái)，該臺(tái)可以在10um或更小的誤差范圍內(nèi)移動(dòng)。
通過(guò)集成和最小化傳感器和無(wú)線電通信部件來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本測(cè)量的方法已經(jīng)被提出(Bult，K.等Proceedings of International Symposiumon Low Power Electronics and Design，IEEE(1996)，p17-22，或Asada，G.等Proceedings of the European Solid-State Circuit ConferenceESSCIRC’9 p9-16)。利用RF(射頻)(Huang，Q.，Oberle，M.IEEEJournal of Solid-State Circuits卷33(1998)第937-946頁(yè)或Neukomm，P.，Rencoroni，I.和Quick，H.，15th International Symposium inBiotelemetry(1999)第609-617頁(yè))或紅外線(美國(guó)專(zhuān)利US5981166)提供集成傳感器和信號(hào)處理電路所需的能量的方法也已經(jīng)被提出。在這些傳統(tǒng)例子中，通常對(duì)應(yīng)每一個(gè)將被測(cè)量的目標(biāo)物，例如一個(gè)單獨(dú)樣本安裝一個(gè)傳感器芯片，或在將要測(cè)量一個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的裝置中安裝一個(gè)傳感器芯片。另外，在這些例子中，關(guān)于傳感器檢測(cè)結(jié)果的信息是通過(guò)無(wú)線電通信部分來(lái)發(fā)送的，但并沒(méi)有說(shuō)明用于識(shí)別將被測(cè)量的目標(biāo)物的信息通信。該裝置中，傳感器不能對(duì)應(yīng)每個(gè)將被測(cè)量的被識(shí)別的目標(biāo)物安裝或安裝在用于測(cè)量將被測(cè)量的多個(gè)項(xiàng)目的裝置中。
利用微粒來(lái)判斷生物分子的存在和其濃度的方法已經(jīng)被公開(kāi)(美國(guó)專(zhuān)利US6051377)。在該方法中，對(duì)每個(gè)微粒分配索引編碼。在單獨(dú)解碼索引編碼的同時(shí)，利用熒光、發(fā)光或輻射可檢測(cè)生物分子的出現(xiàn)和濃度。
為了實(shí)現(xiàn)用于生物和化學(xué)樣本的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)可以廣泛的用于醫(yī)藥領(lǐng)域的基因和蛋白質(zhì)檢測(cè)，食品、環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)，化學(xué)工廠的加工控制等，要求(1)測(cè)量系統(tǒng)小型化，(2)在一個(gè)單獨(dú)活性細(xì)胞中可進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目檢測(cè)，(3)該檢測(cè)需要更短時(shí)間(4)不僅可識(shí)別如核酸和蛋白質(zhì)等生物材料，還可識(shí)別溫度、壓力、pH值以及離子濃度(5)少量的樣本便足以完成檢測(cè)。
該微陣列為滑動(dòng)玻璃板，上面點(diǎn)滴有直徑為幾十到幾百u(mài)m的探針DNA斑點(diǎn)。為了形成該斑點(diǎn)，被稱(chēng)為定位器的裝置將包含多種探針的溶液點(diǎn)滴在該滑動(dòng)玻璃板上。為了確保使用少量的樣本與很多探針?lè)磻?yīng)，該斑點(diǎn)必須以高密度形成，且上述的斑點(diǎn)以幾十到幾百u(mài)m的間隔排列。因此，希望該定位器可以在10um或更小的誤差范圍內(nèi)，以很高的位置精度形成上述斑點(diǎn)。由于在測(cè)定過(guò)程中，溶液點(diǎn)滴的量和形狀會(huì)導(dǎo)致熒光密度的測(cè)量值的變化，因此定位器必須非常均勻一致的形成上述斑點(diǎn)。人們希望獲得可以避免這個(gè)問(wèn)題的測(cè)量裝置，它可使探針均勻一致的固定，并很容易選擇所需的多種探針來(lái)測(cè)量。
對(duì)于用于檢測(cè)信號(hào)的裝置，如上所述，對(duì)微陣列采用熒光檢測(cè)。此時(shí)，需要作為發(fā)射光源的激光器、共焦光學(xué)系統(tǒng)、光電倍增器管以及高精度x和y可移動(dòng)平臺(tái)。相應(yīng)的，很難將微陣列最小化并以低成本制造，因此希望得到一個(gè)經(jīng)濟(jì)的和容易檢測(cè)的裝置。該微陣列作為一個(gè)有用的技術(shù)主要表現(xiàn)在可以同時(shí)檢測(cè)很多項(xiàng)目，而通常目標(biāo)DNA與固定在基板上的探針的雜交的反應(yīng)速度非常慢，在某些情況下需要大約十個(gè)小時(shí)，很難提高其生產(chǎn)量。因此，希望找到一個(gè)簡(jiǎn)單和快速的檢測(cè)方法。
為了不僅測(cè)量生物材料，如核酸和蛋白質(zhì)，還可以測(cè)量物理和化學(xué)溫度、壓力以及離子濃度，需要一個(gè)導(dǎo)線來(lái)輸出傳感器信號(hào)。特別是，很多項(xiàng)目的測(cè)量需要在導(dǎo)線的布線、線耦合、和信號(hào)處理上花費(fèi)過(guò)多的空間和成本。希望能出現(xiàn)由于檢測(cè)和測(cè)量部分彼此不接觸而不需要導(dǎo)線，可實(shí)現(xiàn)所希望的簡(jiǎn)單的檢測(cè)很多項(xiàng)目的測(cè)量系統(tǒng)。同樣也需要這種技術(shù)，即具有用于感應(yīng)上述生物或化學(xué)材料的傳感器的測(cè)量裝置和用于測(cè)量物理和化學(xué)量的傳感器一起放置在相同的反應(yīng)殼體中以同時(shí)測(cè)量。
另外，在US6051377中公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)中，在微粒上捕捉到的生物分子的檢測(cè)比較費(fèi)時(shí)，因?yàn)橐獑为?dú)檢測(cè)微粒且需要檢測(cè)生物分子和索引編碼的機(jī)構(gòu)。為了克服上述問(wèn)題，希望得到這樣的測(cè)量系統(tǒng)，其中同一機(jī)構(gòu)可以檢測(cè)微粒上捕捉到的生物分子和索引編碼。

發(fā)明內(nèi)容
廣義的說(shuō)，本發(fā)明通過(guò)提供檢測(cè)生物和化學(xué)材料的系統(tǒng)和方法可以滿足這些需要?？梢岳斫獾氖潜景l(fā)明可以以多種方式實(shí)現(xiàn)，包括作為一個(gè)過(guò)程、一個(gè)設(shè)備、一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)裝置或一個(gè)方法。下面說(shuō)明本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。
提供一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，它具有一個(gè)用于容納一測(cè)量裝置和一外部控制單元的反應(yīng)裝置(cell)，該測(cè)量裝置具有一種探針和傳感器，一個(gè)信息通信裝置，和一個(gè)用于存儲(chǔ)載波識(shí)別信息的信息存儲(chǔ)裝置，該外部控制單元與測(cè)量裝置的信息通信裝置之間彼此不接觸的進(jìn)行信息的發(fā)送和接收。
提供一種測(cè)量系統(tǒng)，它具有一個(gè)用于容納多個(gè)測(cè)量裝置和一個(gè)外部控制單元的反應(yīng)裝置，該測(cè)量裝置具有一種探針和傳感器，一個(gè)信息通信裝置，和一個(gè)用于存儲(chǔ)載波識(shí)別信息的信息存儲(chǔ)裝置，該信息通信裝置通過(guò)外部控制單元識(shí)別該載波識(shí)別信息，并將傳感器檢測(cè)的與探針特定結(jié)合的檢測(cè)信息作為電信號(hào)發(fā)送到外部控制單元。
提供一種測(cè)量工具，它包括一個(gè)測(cè)量裝置，一個(gè)安裝在該測(cè)量裝置上的傳感器，一個(gè)安裝在該測(cè)量裝置上用于接收外部提供的信息的接收機(jī)構(gòu)，一個(gè)安裝在測(cè)量裝置上用于發(fā)送傳感器檢測(cè)到的信息的發(fā)送機(jī)構(gòu)，和一個(gè)安裝在測(cè)量裝置上用于存儲(chǔ)傳感器檢測(cè)到的包含載波識(shí)別信息的信息的裝置，其中測(cè)量裝置的表面被處理以固定一種探針。
具體的，在上述裝置中，該測(cè)量裝置被使用，其中適用于一個(gè)待測(cè)的目標(biāo)物的探針被固定，且將用于檢測(cè)被探針捕捉到的目標(biāo)物的傳感器，提供用于處理傳感器信息、控制與外部控制單元的通信、包含并匹配識(shí)別編號(hào)、并產(chǎn)生和控制能量的功能的電路塊，和一個(gè)用于與外部控制單元通信的天線結(jié)合在一起。
將該測(cè)量裝置放入包含樣本溶液的反應(yīng)裝置中，以檢測(cè)由固定在測(cè)量裝置上的探針捕獲的目標(biāo)物是否存在及它的量，并將檢測(cè)到的信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。另一方面，該外部控制單元通過(guò)電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置發(fā)送識(shí)別編號(hào)，從而可在多個(gè)測(cè)量裝置中識(shí)別特定的測(cè)量裝置。將任何電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化都發(fā)送到樣本容器中的多個(gè)測(cè)量裝置中，由形成在測(cè)量裝置上的天線接收，并在通過(guò)核驗(yàn)器和解調(diào)器后，與預(yù)先寫(xiě)入在測(cè)量裝置中的測(cè)量裝置特定識(shí)別編號(hào)進(jìn)行匹配。在各測(cè)量裝置的匹配電路中執(zhí)行匹配。當(dāng)從外部控制單元發(fā)送的識(shí)別編號(hào)與預(yù)先寫(xiě)入的識(shí)別編號(hào)匹配，且在它們之間建立匹配時(shí)，從實(shí)現(xiàn)匹配的測(cè)量裝置中經(jīng)由天線利用電磁波、電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化的裝置，通過(guò)通信控制/信號(hào)處理電路塊和調(diào)制電路塊向外部控制單元發(fā)射測(cè)量的信號(hào)用于讀入。當(dāng)通過(guò)天線接收到電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化時(shí)，由控制模塊和電壓調(diào)節(jié)器中包括整流和平滑電路的DC電源提供控制電路塊和傳感器所需的能量。
作為固定在測(cè)量裝置中的探針，可以使用DNA、蛋白質(zhì)、肽、低分子量化合物。或者，可以使用不需使用探針就可直接測(cè)量溫度、壓力和離子濃度的傳感器。當(dāng)使用探針時(shí)，必須在測(cè)量裝置中將用于測(cè)量目標(biāo)物結(jié)合程度的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，當(dāng)使用探針來(lái)感應(yīng)時(shí)，使用傳感器，這可以提供探針和目標(biāo)物之間的結(jié)合作為任何電信號(hào)，例如FET溝道傳導(dǎo)率、電極間阻抗、氧化還原電流和光電電流而被讀出。因此，該傳感器監(jiān)測(cè)物理和化學(xué)量，例如樣本溶液的溫度、壓力、pH值等，在將感應(yīng)到的目標(biāo)物結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，可使用與用于DNA感應(yīng)相同的傳感器信號(hào)處理裝置。因此，可以很容易的設(shè)計(jì)、制造具有放入反應(yīng)裝置的公共外部控制單元和天線的測(cè)量裝置，并使用它測(cè)量多種項(xiàng)目。因此，用戶可以通過(guò)為待測(cè)目標(biāo)物選擇合適的測(cè)量裝置，建立可測(cè)量滿意數(shù)目的待測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一簡(jiǎn)單和小型的測(cè)量裝置。本發(fā)明可使裝置縮短測(cè)量時(shí)間并使用少量的樣本來(lái)測(cè)量。探針以同一的方式固定，很容易被選擇用于測(cè)量。另外，用于測(cè)量裝置的識(shí)別信息和由裝置中的傳感器獲得的檢測(cè)信息都通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)酵獠靠刂茊卧?br> 本發(fā)明還包括方法、裝置、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的其他實(shí)施例，它們的配置如上所述，還具有其他特征和變化。


本發(fā)明可通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明來(lái)理解。為了便于說(shuō)明，相同的附圖標(biāo)記表示相同的結(jié)構(gòu)元件。
圖1A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1使用生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置的化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)；圖1B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1使用生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置的化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)中的功能塊；圖2A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2使用多種核酸探針的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)；圖2B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2使用多種蛋白質(zhì)或抗體探針的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)；圖2C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2使用多種抗原探針的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3沒(méi)有使用作為傳感器的探針的用于測(cè)量物理和化學(xué)量的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)；圖4A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的用于測(cè)量裝置的基板的結(jié)構(gòu)，該基板上安裝有一功能塊；圖4B示出絕緣基板114，如玻璃、石英和陶瓷，該基板上形成一薄硅膜；圖4C示出在硅薄膜和基板之間形成的中間層；圖5A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例5使用MOSFET結(jié)構(gòu)的感應(yīng)方法；圖5B示出一種感應(yīng)方法，其中測(cè)量一對(duì)相互交叉的電極之間的阻抗；圖5C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例7的一種感應(yīng)方法，其中利用一插入體施加電化學(xué)反應(yīng)；圖6A示出根據(jù)圖5所示的本發(fā)明實(shí)施例8，利用FET將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)；圖6B示出一晶體管源極，在它上面，與希望的目標(biāo)物匹配的探針與一對(duì)差動(dòng)放大器FET的輸入中的一個(gè)耦合；圖7A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9使用光電二極管作為傳感器時(shí)用于分類(lèi)SNP過(guò)程的測(cè)量裝置；圖7B示出用于分類(lèi)SNP的化學(xué)發(fā)光的測(cè)量過(guò)程；圖7C示出化學(xué)發(fā)光的發(fā)光機(jī)理；圖8A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9從光電二極管中讀出信號(hào)的電路的結(jié)構(gòu)；圖8B為圖8A中的光電二極管和讀出電路的示意圖；圖9A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9，一光電二極管光源和離該光源一定距離之間的光學(xué)輸出(optical field)；圖9B示出圖9A中的距離h和光學(xué)輸出之間的關(guān)系的曲線；圖10A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9，用于反應(yīng)以測(cè)量SNP的反應(yīng)裝置和一分配器的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖10B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9，用于反應(yīng)以測(cè)量SNP的反應(yīng)裝置和一分配器的結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9的化學(xué)發(fā)光檢測(cè)結(jié)果；圖12A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例11的利用本發(fā)明的測(cè)量裝置的酶聯(lián)免疫測(cè)定(EIA)；圖12B示出利用一抗原位于光電二極管上的測(cè)量裝置的酶聯(lián)免疫測(cè)定(EIA)；圖12C示出利用第一抗體位于抗原上的測(cè)量裝置的酶聯(lián)免疫測(cè)定(EIA)；圖12D示出利用酶聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光的測(cè)量裝置的酶聯(lián)免疫測(cè)定(EIA)；圖13A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例12，外部控制單元和目標(biāo)測(cè)量裝置之間發(fā)送或接收信號(hào)的流程；圖13B示出根據(jù)本實(shí)施例的，用于從外部控制單元發(fā)送信號(hào)的特定級(jí)和用于從包括對(duì)應(yīng)于發(fā)送到外部控制單元的信號(hào)級(jí)的傳感器信息的測(cè)量裝置中發(fā)送識(shí)別編號(hào)的方法；圖14示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例13用于存儲(chǔ)在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的傳感器信息，并在需要時(shí)通過(guò)信號(hào)處理/通信控制模塊發(fā)送這些信息的機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)；圖15A示出利用移位寄存器作為用于記錄識(shí)別編號(hào)的裝置的實(shí)施例；圖15B示出集成一時(shí)鐘數(shù)據(jù)分離電路的實(shí)施例；圖16A示出包括用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的一電路塊的實(shí)施例；圖16B示出使用產(chǎn)生的時(shí)鐘中的一部分來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器的實(shí)施例；圖17示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例16，組裝元件以制造測(cè)量裝置的流程；圖18示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例17，用于同時(shí)測(cè)量很多樣本的樣本和試劑分配器和一外部控制單元的結(jié)構(gòu)；圖19A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例18，用于測(cè)量多個(gè)試管中的樣本的系統(tǒng)的實(shí)施例；圖19B示出天線設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，其中多個(gè)天線緊密的以相同方向排列；圖19C示出在不同方向上位于試管周?chē)奶炀€排列；圖20A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，位于反應(yīng)裝置下面的一個(gè)用于向上面形成有外部天線的基板提供機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)器的實(shí)施例；圖20B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，與反應(yīng)裝置的底部平行的振動(dòng)器，該振動(dòng)器用于向上面形成有外部天線的基板提供機(jī)械振動(dòng)；圖21A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例20測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖21B示出在屏蔽盒中的試劑分配器的結(jié)構(gòu)，容納樣本溶液和測(cè)量裝置的反應(yīng)裝置，以及集成的外部天線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明公開(kāi)一種用于檢測(cè)生物和化學(xué)材料的系統(tǒng)和方法。為了全面理解本發(fā)明，將設(shè)置很多特別的限制。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明可以在沒(méi)有部分或全部這些特別限制的情況下實(shí)現(xiàn)。
在本說(shuō)明書(shū)中，公開(kāi)一種具有高靈敏度的小型測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，具有用于捕捉固定在芯片上的生物材料，如核酸和蛋白質(zhì)的探針，該測(cè)量裝置上配置具有一傳感器、識(shí)別編號(hào)的功能塊和射頻通信機(jī)構(gòu)，該傳感器檢測(cè)到在探針上捕捉到的目標(biāo)物出現(xiàn)，且通過(guò)射頻通信機(jī)構(gòu)將該傳感結(jié)果發(fā)送到外部控制單元。還公開(kāi)一種在使用測(cè)量裝置測(cè)量中，通過(guò)在電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置讀出識(shí)別編號(hào)和傳感器信號(hào)的裝置。
(實(shí)施例1)圖1A示出使用本發(fā)明的生物和化學(xué)材料測(cè)量裝置100的化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。在該測(cè)量裝置100中，固定有一個(gè)適用于將被檢測(cè)的目標(biāo)物的探針120，在同一基板111上安裝有用于檢測(cè)由探針捕捉的目標(biāo)物的傳感器110，一具有用于處理傳感器信息、控制與外部控制單元200通信、存儲(chǔ)和匹配識(shí)別編號(hào)、以及產(chǎn)生和控制電源等功能的電路塊102，和一用于與外部控制單元通信的天線101。圖15A示出使用移位寄存器作為用于記錄識(shí)別編號(hào)的裝置的例子，圖15B示出集成一時(shí)鐘數(shù)據(jù)分離電路的例子。
圖1B示出測(cè)量裝置100的功能塊圖。該測(cè)量裝置100被置入一個(gè)容納有樣本溶液301的樣本容器300中。在該測(cè)量裝置100中，形成用于檢測(cè)目標(biāo)物是否出現(xiàn)以及目標(biāo)物的量的傳感器110，該目標(biāo)物由部分或全部固定在測(cè)量裝置100的表面的探針120捕捉。在圖1中，該探針只是固定在傳感器區(qū)域110，但實(shí)際上它也可以部分或全部的固定在除了傳感器區(qū)域100以外的測(cè)量裝置100的前和后表面以及側(cè)部。由于固定在保護(hù)薄膜上的探針不會(huì)顯著的影響測(cè)量裝置的性能，因此在測(cè)量裝置100的表面上，除了傳感區(qū)域110，都涂有一保護(hù)薄膜。通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器(ADC)107將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。此時(shí)，從集成測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，將該ADC的分辨率設(shè)定為一(二個(gè)值)--八位(256個(gè)值)是有道理的。當(dāng)將該分辨率設(shè)定為一位時(shí)，該ADC的結(jié)構(gòu)與一比較器相同，在能耗和芯片占用面積上具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)設(shè)定為一較大數(shù)目的位數(shù)，傳感器可以獲得高分辨率的輸出，但能耗和芯片占用面積也將增加。另一方面，該外部控制單元200通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)中有變化的電磁波202裝置發(fā)送用于從多個(gè)測(cè)量裝置100中識(shí)別出一特定測(cè)量裝置的識(shí)別編號(hào)(0)。將該識(shí)別編號(hào)發(fā)送至樣本容器300中的多個(gè)測(cè)量裝置，且安裝在各測(cè)量裝置100上的天線101接收該識(shí)別編號(hào)，該識(shí)別編號(hào)在通過(guò)整形和解調(diào)電路后，與預(yù)先寫(xiě)入在測(cè)量裝置100中的測(cè)量裝置特定識(shí)別編號(hào)(1)進(jìn)行匹配。在各測(cè)量裝置的控制電路塊102中的匹配電路中執(zhí)行匹配。當(dāng)從外部控制單元發(fā)送來(lái)的識(shí)別編號(hào)與預(yù)先寫(xiě)入的識(shí)別編號(hào)進(jìn)行匹配且最終確定匹配時(shí)，該實(shí)現(xiàn)匹配的測(cè)量裝置利用電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)中有變化的裝置203經(jīng)由天線10，通過(guò)通信控制/信號(hào)處理電路塊104和調(diào)制電路塊103將匹配信號(hào)發(fā)送到外部控制單元1用于讀入。當(dāng)以電磁波被發(fā)送至外部，通過(guò)天線101接收到磁場(chǎng)或電場(chǎng)中有變化時(shí)，控制電路塊102和傳感器所消耗的能量由控制模塊中包括整流和平滑電路的DC電源和電壓調(diào)節(jié)器來(lái)提供。
(實(shí)施例2)參照?qǐng)D2，示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面固定在測(cè)量裝置100上的探針。在圖2A中，使用核酸的片斷作為探針?？梢允褂煤铣傻墓丫跠NA和cDNA作為核酸。在圖2B中，給出一個(gè)例子，其中蛋白質(zhì)或抗體作為探針。在圖2C中，使用抗原作為探針。
(實(shí)施例3)對(duì)于安裝在測(cè)量裝置100上的傳感器，如圖3所示，可使用用于測(cè)量裝置所處位置中的物理和化學(xué)量的類(lèi)型，而不是如圖1所示的使用探針，測(cè)量探針與樣本溶液中的目標(biāo)物的親和力實(shí)現(xiàn)的結(jié)合的類(lèi)型。例如，可以使用用于測(cè)量溫度、壓力、光量、pH值、離子濃度或糖的傳感器。
在測(cè)量溫度中，可以利用半導(dǎo)體電阻率或二極管電壓-電壓特性的溫度相關(guān)性。在測(cè)量壓力時(shí)，可以使用利用壓電元件或MEMS(微電子-機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的傳感器。在測(cè)量光量時(shí)，可以使用利用光電二極管或光激發(fā)載波引起的半導(dǎo)體導(dǎo)電率的變化的光電傳感器。在測(cè)量pH值和離子濃度時(shí)，可以使用捕捉離子以改變電動(dòng)勢(shì)的離子感應(yīng)薄膜。
在利用與實(shí)施例1所述相似的方法和裝置將上述傳感器測(cè)量到的物理和化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，將其數(shù)字化、調(diào)制并根據(jù)由外部控制單元發(fā)送的識(shí)別編號(hào)，從測(cè)量裝置100中發(fā)送。
(實(shí)施例4)在本實(shí)施例中，說(shuō)明了用于測(cè)量裝置100的基板。該測(cè)量裝置包括功能塊，這些功能塊包括一傳感器、一天線、一檢測(cè)電路、一整流/調(diào)制/解調(diào)電路、和一通信/數(shù)據(jù)處理/存儲(chǔ)控制電路。通過(guò)將這些功能塊集成在一個(gè)芯片上，可以在減小加工和安裝成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)小型和輕重量的測(cè)量裝置。也可通過(guò)將部分功能塊安裝在獨(dú)立的芯片上，并將這些芯片集成在一個(gè)印刷電路板上來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能類(lèi)型。
當(dāng)上述功能塊安裝在同一基板上時(shí)，可以使用一硅基板。
如圖4A所示，使用硅基板可實(shí)現(xiàn)利用常用的已有技術(shù)，安裝形成上述功能塊的元件和結(jié)構(gòu)。整流/調(diào)制/解調(diào)電路和數(shù)據(jù)處理/存儲(chǔ)電路的功能塊可通過(guò)利用CMOS晶體管的集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖4B示出絕緣基板114，例如玻璃、石英和陶瓷，該基板上施加了一層很薄的硅薄膜。例如，可通過(guò)CVD(化學(xué)蒸鍍)處理在藍(lán)寶石基板上鍍上多晶硅薄膜，并通過(guò)區(qū)域熔化處理將其再次延展以獲得一單晶硅薄膜。
在圖4C中，在硅薄膜和基板之間形成一中間層。單晶硅和陶瓷可用作基板。例如，通過(guò)使用單晶硅作為基板和使用利用SiO2薄膜的SOI(絕緣硅Silicon on insulator)作為中間層的這種結(jié)構(gòu)，MOS晶體管源極、柵極和配線中的任何寄生電容都可被降低，從而降低了能耗。因此，外部提供少量的能量就足夠了，這可減小安裝在測(cè)量裝置100上的天線的尺寸。
此時(shí)，測(cè)量裝置100的最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度最好不超過(guò)3mm。通過(guò)使測(cè)量裝置更小，可使微量滴定板或管的長(zhǎng)度為100μl。
(實(shí)施例5)下面說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置100上安裝的傳感器的一個(gè)方面。
圖5A示出利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的傳感器的一個(gè)例子。該具有MOS結(jié)構(gòu)的FET安裝在硅基板111上。這意味著利用柵極區(qū)域?qū)⒃礃O區(qū)域133與漏極區(qū)域134分離，該柵極區(qū)域包括一由導(dǎo)電材料制成的柵極電極131和一柵極絕緣薄膜132。一探針120固定在柵極電極上。假設(shè)目標(biāo)物為DNA片斷，則當(dāng)目標(biāo)物302通過(guò)雜交被探針120捕獲時(shí)，由于DNA被充以負(fù)電，并影響FET溝道區(qū)域136的導(dǎo)電率，因此該電極的電勢(shì)將改變。根據(jù)Souterand，E.等所著的Journal of Physical Chemistry B第101卷(1997)中第2980-2985頁(yè)所公開(kāi)的方法，該探針至少被固定在包含柵極的區(qū)域中，并在樣本溶液中雜交，測(cè)量源極133和漏極134之間的導(dǎo)電率可以確定探針120上是否結(jié)合有目標(biāo)物，以及目標(biāo)物的量。
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)生物材料，如基因的系統(tǒng)，為了使用該系統(tǒng)，需要樣本準(zhǔn)備過(guò)程。該樣本DNA可通過(guò)，例如從血液提取基因組和PCR擴(kuò)增多個(gè)待測(cè)的目標(biāo)區(qū)域來(lái)獲得。該樣本準(zhǔn)備方法并不局限于本說(shuō)明書(shū)中所述的實(shí)施例。
可通過(guò)下面的方法固定探針。將環(huán)氧丙氧基丙基引入測(cè)量裝置100的表面，該表面上通過(guò)已知的硅烷結(jié)合反應(yīng)覆蓋有SiO2保護(hù)薄膜。將該測(cè)量裝置100浸入1M NaOH溶液中，并用超聲波清洗30分鐘。在用純凈流動(dòng)水清洗后，將該測(cè)量裝置100在110℃的溫度下烘烤15分鐘。將該測(cè)量裝置浸入濃縮的3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷溶液中5分鐘，然后浸入溶解在50％的乙醇溶液中的4％的3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷溶液中30分鐘，并不時(shí)攪拌。該測(cè)量裝置在110℃溫度下烘烤30分鐘以獲得測(cè)量裝置100，其中它的表面上具有利用硅烷耦合劑引入的環(huán)氧丙氧基。將適用于將被測(cè)量的目標(biāo)物的1μl不同探針120(20pmol/μl)溶解在0.5M的碳酸氫鈉緩沖液(pH值9.5)中，以獲得1pmol/μl溶液。將該具有引入的環(huán)氧丙氧基的測(cè)量裝置100浸入得到的溶液中。在為避免干燥的飽和水蒸氣的環(huán)境下，將該測(cè)量裝置100在50℃下加熱30分鐘。從DNA溶液中取出該測(cè)量裝置100，然后將其浸入包含0.1M Lys的0.5M碳酸氫鈉緩沖液(pH值9.5)中，以封閉剩下的glycidoxy基團(tuán)。用20mM的Tris-HCL(pH7.5)清洗該測(cè)量裝置100。通過(guò)上述的處理，通過(guò)5’末端的氨基和環(huán)氧丙氧基之間的反應(yīng)，將包含幾百種探針的探針120固定。而探針，例如，可以采用下面的合成寡DNA。
5’-CAG GACAG GCACA AACAC GCACC TCAAA G-3’(序列編號(hào)1)下面的寡聚DNA被用作對(duì)應(yīng)上述探針的目標(biāo)物。
5’-AACAGCTTTGAGGTGCGTGTTTGTGCCTGTCCTGGGGAGAGACCGGCGCACA-3’(序列編號(hào)2)此時(shí)，探針按照每一探針類(lèi)型被一起固定在相關(guān)的多個(gè)測(cè)量裝置上。
(實(shí)施例6)圖5B示出用于通過(guò)測(cè)量交叉放置的一對(duì)電極之間的阻抗，判斷被捕獲的目標(biāo)物是否存在及它的量的裝置。該測(cè)量方法在Van Gerwen等所著的Sensors and Actuators B49(1998)第73-80頁(yè)中公開(kāi)。該探針120通過(guò)與實(shí)施例5相似的方法固定在測(cè)量裝置100上。將它浸入包含目標(biāo)物的樣本溶液中從而在探針上與目標(biāo)物雜交。通過(guò)與上述相似的方法可以誘導(dǎo)探針的固定和雜交反應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)物結(jié)合至探針時(shí)，電極的變形的表面改變，從而進(jìn)一步影響電極之間的阻抗。可通過(guò)測(cè)量該阻抗來(lái)判斷目標(biāo)物是否出現(xiàn)。
(實(shí)施例7)圖5C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例利用電化學(xué)反應(yīng)的檢測(cè)過(guò)程。使用電化學(xué)反應(yīng)的檢測(cè)方法可采用，例如Hashimoto，K.，Ito，K.，和Ishimori，Y.所著的Analytical Chemistry，66卷，No.21(1994)第3830-3833頁(yè)中所述的方法。單鏈DNA可用作固定在電極143上的檢測(cè)劑120。探針可通過(guò)與實(shí)施例5中相似的方法來(lái)固定。樣本溶液中不僅可加入DNA片斷、目標(biāo)物，還可加入選擇性的陷落在雙鏈區(qū)域中的插入件309。當(dāng)探針120和目標(biāo)物302雜交形成雙鏈DNA時(shí)，該插入件309陷落在形成的雙鏈DNA中，并在氧化/還原反應(yīng)中起主導(dǎo)作用。在上面固定有探針的電極中，可檢查到由于插入件的氧化/還原反應(yīng)引起的AC電場(chǎng)導(dǎo)致的電流變化。
(實(shí)施例8)圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，從用于將利用圖5A所示的FET的傳感器發(fā)送的傳感器信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)。在圖6A中，在n溝道FET傳感器中，漏極電極與電壓源Vdd152連接，源極電極與電流源153連接。當(dāng)目標(biāo)物被探測(cè)極120捕獲時(shí)，柵極電極131的電勢(shì)相對(duì)于基板111改變。這影響了貫穿柵極絕緣薄膜的柵極電極下的半導(dǎo)體基板111的表面的溝道136的導(dǎo)電率，導(dǎo)致接線端164的電勢(shì)改變。接線端155將關(guān)于這種變化的信息通過(guò)包括MOSFET151和電流源154的源極輸出電路發(fā)送到后面的信號(hào)處理電路。在圖6B中，給出一個(gè)例子，其中具有與預(yù)期的固定目標(biāo)物匹配的探針120a的FET和具有與預(yù)期的目標(biāo)物匹配和不匹配的探針的FET安裝在相同的基板上，信號(hào)輸入到一對(duì)差動(dòng)放大器MOSFET158和159。在通過(guò)雜交的檢測(cè)過(guò)程中，信號(hào)被非特定的結(jié)合顯著影響，必須消除。在圖6B中，傳感器FET的源極165上，與預(yù)期目標(biāo)物匹配的檢測(cè)劑120a與一對(duì)差動(dòng)放大器FET的輸出中的一個(gè)耦合，而傳感器FET的源極166上，與預(yù)定目標(biāo)物不匹配的檢測(cè)劑120b與一對(duì)差動(dòng)放大器FET的輸出中的另一個(gè)耦合，從而將兩個(gè)差動(dòng)放大器之間的差動(dòng)輸出引導(dǎo)至接線端163。這種結(jié)構(gòu)可以消除在樣本溶液中的雜質(zhì)帶來(lái)的任何影響，通過(guò)選擇性的將探針與預(yù)期目標(biāo)物結(jié)合，產(chǎn)生高信噪比的信號(hào)。
(實(shí)施例9)本發(fā)明的測(cè)量裝置中的傳感器使用光電二極管可實(shí)現(xiàn)通過(guò)BAMPER方法測(cè)量SNP。下面說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例。BAMPER方法具有這樣的特點(diǎn)，它被設(shè)計(jì)為使引物的3’末端處于這樣的位置，其中可檢測(cè)位移以合成互補(bǔ)鏈。引物的互補(bǔ)鏈的延伸很大程度上依賴(lài)于該3’末端是否與目標(biāo)物匹配。當(dāng)匹配時(shí)，互補(bǔ)鏈延伸，當(dāng)不匹配時(shí)，該互補(bǔ)鏈幾乎不延伸。如果利用這個(gè)現(xiàn)象，則可以識(shí)別SNP。但是，即使當(dāng)末端堿基(end base)與預(yù)期的目標(biāo)物不匹配時(shí)，也可進(jìn)行互補(bǔ)鏈合成。為了防止這種現(xiàn)象，自動(dòng)在引物的3’末端的附近加入不匹配基。此時(shí)，由于總共出現(xiàn)包括一個(gè)引物末端的兩個(gè)不匹配，因此該引物的互補(bǔ)鏈幾乎不發(fā)生延伸。另一方面，當(dāng)3’末端與預(yù)期的目標(biāo)物匹配時(shí)，即使在該末端附近出現(xiàn)人造的不匹配，也會(huì)出現(xiàn)無(wú)機(jī)焦磷酸鹽被釋放的互補(bǔ)鏈合成。通過(guò)在該3’末端附近插入人造的不匹配，可以利用3’末端的匹配和不匹配高精度的控制互補(bǔ)鏈合成。下面示出反應(yīng)公式。
(公式1)
在DNA聚合酶存在時(shí)，當(dāng)反應(yīng)基質(zhì)dNTP(脫氧核苷酸三磷酸鹽)被合成時(shí)，產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的無(wú)機(jī)焦磷酸鹽(PPi)。當(dāng)在具有APS(腺苷5)和ATP硫酸化酶的情況下反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生ATP。在具有蟲(chóng)螢光素和熒光素酶的情況下ATP反應(yīng)時(shí)，發(fā)光。通過(guò)測(cè)量該光，可以判斷互補(bǔ)鏈?zhǔn)欠裱由?。由于在發(fā)光反應(yīng)中，產(chǎn)生PPi，因此可通過(guò)消耗APS來(lái)保持發(fā)光。
圖7系列示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例使用BAMPER方法的測(cè)量裝置100。圖7A、7B和7C分別示出一測(cè)量裝置、用于分類(lèi)SNP的化學(xué)發(fā)光測(cè)量過(guò)程和化學(xué)發(fā)光的發(fā)光機(jī)理。此時(shí)，可通過(guò)光電二極管檢測(cè)到具有互補(bǔ)鏈延伸的發(fā)光，并對(duì)目標(biāo)物中的SNP進(jìn)行分類(lèi)。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明利用光電二極管測(cè)量發(fā)光量的過(guò)程。圖8系列示出用于讀出光電二極管170輸出的信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)。圖8A和圖8B分別為光電二極管信號(hào)讀出電路、和光電二極管和讀出電路的示意圖。在測(cè)量之前，將信號(hào)輸入到復(fù)位信號(hào)輸入接線端172以打開(kāi)MOSFET171，并向光電二極管施加反偏壓，從而將其充電到初始電壓Vpd。在充電后，該MOSFET171被關(guān)閉進(jìn)入信號(hào)檢測(cè)模式。當(dāng)光被輻射到光電二極管上時(shí)，光電二極管兩端上的電壓由于放電而降低。通過(guò)監(jiān)測(cè)這個(gè)電壓，可以判斷光的量。將該光電二極管的電壓值通過(guò)源極輸出電路傳送到信號(hào)處理電路。如果將本發(fā)明的多個(gè)上面固定有不同探針的測(cè)量裝置放入相同的反應(yīng)裝置中，則固定在特定測(cè)量裝置上的探針的延伸反應(yīng)產(chǎn)生的光將導(dǎo)致其他測(cè)量裝置的傳感器的測(cè)量值中的串?dāng)_。
圖9示出光產(chǎn)生和距離光源的距離之間的關(guān)系。圖9A示出由離光源S181距離為h的矩形光電檢測(cè)部分(2a×2b)對(duì)著的立體角。該立體角可被表示為公式2。(LIGHT UND BEKEUCHTU NGTheorie und Praxis der Lichttchnik 4thEdition by Hans-Jurden Hents hel1994 Huthig Buch Veriag，Heidelberg)(公式2) Ω0單元立體角(＝1sr)圖9B示出通過(guò)利用該公式2計(jì)算由位于光源正下方的面積為2mm×2mm的正方形光檢測(cè)部分正對(duì)著的立體角Ω0和以3mm的間隔由面積為2mm×2mm的正方形光檢測(cè)部分正對(duì)著的立體角Ω1，得到的距離h和光產(chǎn)生之間的關(guān)系圖。此時(shí)，光源S位于檢測(cè)器的對(duì)角線交叉點(diǎn)的正上方。由于該圖具有對(duì)稱(chēng)性，因此計(jì)算出在x-y平面上的一個(gè)象限中的角度Ω0/4，并乘以4。當(dāng)距離超過(guò)1.5mm時(shí)，從固定在光電二極管正上方的探針中獲得的光減少到20％或更少，當(dāng)距離超過(guò)3mm時(shí)，該光減少為10％或更少。實(shí)際上，由于在測(cè)量裝置100上加入傾角，因此該立體角變得比這些值更小，從而使串?dāng)_大大的減小，以判斷是否出現(xiàn)被捕獲的目標(biāo)物。此時(shí)，由于隨著離光源的距離增大，光的會(huì)聚減小，導(dǎo)致亮度減弱，且由于通過(guò)預(yù)先中斷亮度的測(cè)量可使PPi漫射的影響最小化，因此由特定測(cè)量裝置捕捉的DNA的延伸導(dǎo)致的向其他測(cè)量裝置周?chē)腜Pi漫射對(duì)目標(biāo)物檢測(cè)沒(méi)有影響。
為了將探針固定在測(cè)量裝置上，根據(jù)實(shí)施例5中描述的過(guò)程，在測(cè)量裝置用于使用硅烷耦合劑的處理的涂有SiO2的表面上引入環(huán)氧丙氧基丙基。在本實(shí)施例中，上述的探針(用于基因組分類(lèi)的引物)被固定。用于固定該探針的方法與實(shí)施例5中所述的相同。為了對(duì)SNP分類(lèi)，使用一種測(cè)量裝置，該裝置上固定有野生型和突變型的探針，在野生型中，3’末端處的單個(gè)核苷已經(jīng)如下所述被替換。在本例子中，使用了用于檢測(cè)存在于p53外顯子8中的SNP的探針?；蛘?，上面固定有作為探針的具有用于檢測(cè)在其他位置的SNP的堿基序列的引物的測(cè)量裝置100，也可同時(shí)被選擇，以浸入反應(yīng)裝置中。
現(xiàn)在，說(shuō)明在本方法中使用的試劑和它的成分。
(i)反應(yīng)溶液0.1M Tris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.70.5mM EDTA5mM 醋酸鎂0.1％ 牛血清白蛋白ImM 二硫蘇糖醇0.2mg/ml 聚乙烯吡咯烷酮
0.2U/μl DNA聚合酶1，Exo-Klennow片斷1.0U/mL ATP硫酸化酶2mG/mL熒光素酶(ii)基質(zhì)溶液A10mM Tris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.7525uM dNTP1.0uM APS(iii)基質(zhì)溶液B10mM Tris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.7520mM D-蟲(chóng)螢光素說(shuō)明利用合成的寡聚DNA(具有與p53相同的序列)作為DNA樣本來(lái)測(cè)量BAMPER的過(guò)程。在p53序列中，突變位點(diǎn)用下劃線標(biāo)出。該DNA樣本和實(shí)施例所述的用于基因組分類(lèi)的引物如下所示(它們都由Amersham Pharmacia Biotech提供)。注意已經(jīng)使用一個(gè)人造的不匹配引物作為用于基因組分類(lèi)的引物。
5’-CTTTC TTGCG GAGAT TCTCT TCCTC TGTGCGCCGG TCTCT CCCAG GACAG GCACA AACAC GCACC TCAAA GCTGT TCCGT CCCAG TAGATTACCA-3’(序列編號(hào)3)[突變型p53外顯子8]5’-CTTTC TTGCG GAGAT TCTCT TCCTC TGTGCGCCGG TCTCT CCCAG GACAG GCACA AACAC GCACC TCAAA GCTGT TCCGT CCCAG TAGATTACCA-3’(序列編號(hào)4)[用于基因組分類(lèi)的引物(用于野生型)]5’-AACAGCTTTGAGGTGCGTGATT-3’(序列編號(hào)5) 5’-AACAGCTTTGAGGTGCGTGATA-3’(序列編號(hào)6)通過(guò)將目標(biāo)DNA片斷(10-100fmol/μl)與固定在測(cè)量裝置上的用于基因組分類(lèi)的探針(引物)在退火緩沖液(10mM Tris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.75，2mM醋酸鎂)(在94℃ 20秒，65℃ 120秒，室溫)中雜交獲得DNA樣本溶液。圖7B中示出當(dāng)利用BAMPER方法檢測(cè)到SNP時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)。
將測(cè)量裝置放入包含目標(biāo)物DNA片斷的樣本溶液(10-100fmol/μl)中使其與固定在測(cè)量裝置上的退火緩沖液(10mM Tris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.75)中的探針雜交(在94℃ 20秒，65℃ 120秒，室溫)。將測(cè)量裝置放入上述的反應(yīng)溶液(40μl)中，將基質(zhì)溶液A(10μl)加入其中，從而誘導(dǎo)堿基延伸反應(yīng)，其中測(cè)量裝置上固定有與樣本DNA片斷雜交后的探針。此時(shí)，將不同的探針，例如120c和120d固定在反應(yīng)裝置330中的多個(gè)測(cè)量裝置上。在堿基延伸開(kāi)始2秒后，利用分配器將基質(zhì)溶液B(1μl)306加入，從而引發(fā)化學(xué)發(fā)光。
圖10A示出在上述反應(yīng)中所使用的反應(yīng)裝置330和分配器307的結(jié)構(gòu)。采用內(nèi)部直徑為25um、長(zhǎng)度為21mm的毛細(xì)管308作為分配器。通過(guò)改變壓力值和壓力時(shí)間，可高精度的控制加入的基質(zhì)溶液的量。當(dāng)基質(zhì)溶液的量為0.1μl時(shí)，壓力被設(shè)置為0.2Mpa，壓力時(shí)間為1.1秒。利用引物末端的匹配和不匹配可以控制堿基延伸反應(yīng)，在反應(yīng)裝置330中可以觀察到發(fā)光。這意味著對(duì)應(yīng)于反應(yīng)裝置中的引物的序列位于目標(biāo)DNA上。測(cè)量裝置100上的光電二極管檢測(cè)到發(fā)光，發(fā)光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)任意電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置傳送。從測(cè)量裝置100發(fā)出的信號(hào)在外部天線333處被接收，并被傳送到外部控制單元。如圖10A和10B所示，通過(guò)將外部天線在反應(yīng)裝置330外側(cè)盡可能的靠近測(cè)量裝置100放置，可以防止由于電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化導(dǎo)致的信號(hào)衰減。
(實(shí)施例10)在實(shí)施例9中，說(shuō)明了利用化學(xué)發(fā)光測(cè)量SNP的方法。在本實(shí)施例中，將參照關(guān)于熒光素酶濃度相關(guān)性的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明本方法。根據(jù)實(shí)施例9所示的公式，發(fā)光由反應(yīng)產(chǎn)生，在反應(yīng)過(guò)程中，在存在ATP和熒光素酶的情況下蟲(chóng)螢光素被氧化。
(公式3)
基本使用圖10所示的測(cè)量裝置的配置，除了測(cè)量裝置被靠近的置于反應(yīng)裝置外側(cè)的正下方，信號(hào)由導(dǎo)線讀出。
特別的，將AP溶液(2×10-7M，0.05μl)加入到基質(zhì)溶液中，該基質(zhì)溶液為溶解有蟲(chóng)螢光素(0.1μg/μl)和熒光素酶(0.2，0.5，1.0，2.0，5.0μg/μl)的緩沖液(10mMTris-醋酸鹽緩沖液，pH值7.75)。假設(shè)信號(hào)累積時(shí)間Tss為1秒，通過(guò)觀察信號(hào)的變化，可以獲得熒光素酶濃度相關(guān)性。圖11示出測(cè)量的結(jié)果。隨著熒光素酶濃度變高，用于反應(yīng)的時(shí)間常量變小，峰值強(qiáng)度增加。光電二極管的輸出的最大變化為1.4mV，通過(guò)放大該變化，可以很容易實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
已經(jīng)證明利用上述的緩沖液(10mM Tris-醋酸鹽緩沖液)，無(wú)線電通信可以正確的讀取識(shí)別編號(hào)。由于測(cè)量裝置覆有任何保護(hù)性薄膜層，如SiO2和Si3N4，因此，即使在溶液中，測(cè)量裝置中的通信功能塊也可以正常工作。該測(cè)量裝置在緩沖液中可實(shí)現(xiàn)的通信距離為空氣中的70-80％。
(實(shí)施例11)圖12系列示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于執(zhí)行酶聯(lián)免疫分析(EIA)的過(guò)程。圖12A、12B、12C和12D分別示出測(cè)量裝置、位于光電二極管上的抗原、位于抗原上的第一抗體、和由酶聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致的化學(xué)發(fā)光。參照作為基本協(xié)議的由F.M.Ausubel，R.Brent，R.B.Kingston，D.D.More，J.G.Seidman，J.A.Smith和K.Struhl，JohnWiley & Sons 1995編寫(xiě)的Molecular Biology第三版中的ShortProtocols，化學(xué)和生物發(fā)光可用于測(cè)量氧活性。在EIA技術(shù)中，經(jīng)常使用吸收或發(fā)光。發(fā)光可提高靈敏度，實(shí)現(xiàn)高精度的量化抗體和抗原(Arakawa，H.，Maeda，M.，和Tsuji，A.，Anal.Biochem.，97，p2481979或Puget，K.，Michelson，A.M和Thore，A.，Anal.Biochem.，79，p447，1997)。在本實(shí)施例中，說(shuō)明了利用發(fā)光氨(luminor)和H2O2的基質(zhì)溶液通過(guò)過(guò)氧化物酶用于測(cè)量亮度(hv＝425nm)的方法。測(cè)量裝置100浸入利用包含0.05％(w/v)NaN3的PBS稀釋到0.2-10μg/ml的抗原溶液中，在37℃下保溫2小時(shí)，涂上抗原321。該測(cè)量裝置在用水清洗兩次后，在室溫下浸入加入1mM EDTA 0.25％(w/v)BSA(牛血清白蛋白)和0.05％(w/v)NaN3的生理鹽水中30分鐘，然后用水沖洗三次。利用上述的封閉緩沖液，將從目標(biāo)樣本中獲得的第一抗體320(將被分析的目標(biāo)物)稀釋到50μl。在室溫下將該測(cè)量裝置100浸入該溶液中孵育2小時(shí)，使第一抗原和抗體彼此反應(yīng)。將該測(cè)量裝置100用水沖洗三次，然后在室溫下浸入該封閉緩沖液中10分鐘，然后用水沖洗三次，然后再次將水甩干。然后將該測(cè)量裝置100在室溫下浸入稀釋后的溶液中孵育2小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，例如該溶液包含由過(guò)氧化物酶標(biāo)記的羊抗兔IgG作為第二抗體322-酶323的綴合物(Olsson T.，Brunius，G.，Carlsson，H.E.，和Thore，A.J.Immunol方法，25，p127 1979)，然后用水將其沖洗三次。
為了準(zhǔn)備基質(zhì)溶液324，將發(fā)光氨溶解在0.1N的NaOH中以獲得0.05M溶液，并用0.2M Tris緩沖液將其稀釋到0.01M。圖10所示的結(jié)構(gòu)可用于反應(yīng)裝置和分配器。將相同量的0.2M Tris緩沖液(pH值8.5)和0.01M H2O2溶液倒入反應(yīng)裝置中。將上述測(cè)量裝置100放入溶液中，并將上述發(fā)光氨稀釋溶液滴入其中。由圖8所示的光電二極管檢測(cè)發(fā)光。此時(shí)，通過(guò)將測(cè)量裝置100浸入包含從不同樣本中獲得的第一抗原(第一抗原樣本不同)的溶液中并測(cè)量，可以在相同條件下同時(shí)測(cè)量很多樣本。
(實(shí)施例12)利用本發(fā)明的測(cè)量裝置100可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)如實(shí)施例8所述將多個(gè)測(cè)量裝置100放入一個(gè)反應(yīng)裝置中，同時(shí)測(cè)量很多待測(cè)項(xiàng)目，例如在待測(cè)基因組上的SNP和多個(gè)位置的不同類(lèi)型的蛋白質(zhì)。此時(shí)，必須單獨(dú)識(shí)別多個(gè)測(cè)量裝置檢測(cè)到的信號(hào)，并將它們讀入到外部控制單元中。在實(shí)施例1中，描述了由外部控制單元206發(fā)送測(cè)量裝置100的識(shí)別編號(hào)207，測(cè)量裝置100接收該識(shí)別編號(hào)207，并根據(jù)與在測(cè)量裝置100中存儲(chǔ)的識(shí)別編號(hào)相匹配的結(jié)果發(fā)送傳感器信息的方法。在該實(shí)施例中描述了信號(hào)發(fā)送/接收的流程。
圖13A示出當(dāng)外部控制單元206發(fā)送目標(biāo)測(cè)量裝置100的識(shí)別編號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)送/接收的流程。該目標(biāo)測(cè)量裝置100的識(shí)別編號(hào)由外部控制單元206發(fā)送到多個(gè)測(cè)量裝置100。各測(cè)量裝置將接收到的信號(hào)與存儲(chǔ)在裝置中的識(shí)別編號(hào)匹配。如果不匹配，則測(cè)量裝置100停止。如果匹配，則將傳感器信息發(fā)送。當(dāng)信號(hào)由外部控制單元206連續(xù)發(fā)送到測(cè)量裝置100時(shí)，該發(fā)送的識(shí)別編號(hào)與存儲(chǔ)的識(shí)別編號(hào)一位一位的進(jìn)行匹配。如果在任何點(diǎn)不匹配，測(cè)量裝置100都將停止匹配過(guò)程。另一方面，如果發(fā)送的位與寫(xiě)入各測(cè)量裝置的識(shí)別編號(hào)的位連續(xù)匹配，則各測(cè)量裝置繼續(xù)工作。如果發(fā)送的所有位都與存儲(chǔ)在裝置中的位匹配，則該測(cè)量裝置將隨后發(fā)送傳感器信息。
圖13B示出根據(jù)本實(shí)施例外部控制單元206發(fā)送信號(hào)的特定級(jí)，和從包含對(duì)應(yīng)于至外部控制單元206的信號(hào)級(jí)的傳感器信息的測(cè)量裝置100發(fā)送識(shí)別編號(hào)的方法。
(實(shí)施例13)圖14示出根據(jù)本實(shí)施例的功能塊的機(jī)構(gòu)，其中在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)107轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的傳感器信息被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器190中，并從測(cè)量裝置通過(guò)信號(hào)處理/通信控制模塊將其發(fā)送。此時(shí)，該傳感器信息可以只是某一點(diǎn)的一個(gè)值，也可以是多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的多個(gè)值。裝置特定識(shí)別編號(hào)可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的特定地址處。
通過(guò)安裝用于臨時(shí)存儲(chǔ)傳感器信息的存儲(chǔ)器，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)獲得的多個(gè)數(shù)據(jù)可被一起存儲(chǔ)和發(fā)送。此時(shí)，即使測(cè)量裝置不總是或頻繁地與外部控制單元206通信，也可以記錄在給定時(shí)間段中最大、最小和平均值，并將其發(fā)送。
(實(shí)施例14)圖15A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量裝置100的功能塊的結(jié)構(gòu)。在該例子中，使用一移位寄存器作為用于記錄識(shí)別編號(hào)的裝置。當(dāng)用于識(shí)別編號(hào)的位的數(shù)目大約為10時(shí)，該電路與存儲(chǔ)器相比可更加容易的配置以紀(jì)錄并匹配識(shí)別編號(hào)。
圖15B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有一時(shí)鐘數(shù)據(jù)分離電路的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，必須將用于驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘插入到測(cè)量裝置100上的電路塊102中。最好是測(cè)量裝置100上的電路塊102的能耗由電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置從外部提供，并簡(jiǎn)化電路以節(jié)能。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可由外部控制單元206產(chǎn)生時(shí)鐘，并通過(guò)載波裝置將其發(fā)送到測(cè)量裝置。在電路功能塊192，將發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分離，產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)的電路塊。
(實(shí)施例15)圖16A示出測(cè)量裝置100上的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生。時(shí)鐘信號(hào)由測(cè)量裝置100上的天線接收的電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化產(chǎn)生。因此，最佳的時(shí)鐘可為每個(gè)測(cè)量裝置產(chǎn)生?？僧a(chǎn)生適用于測(cè)量裝置上的電路塊的時(shí)鐘。
圖16B用于說(shuō)明時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。此時(shí)，測(cè)量裝置100上產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)中的一些用于驅(qū)動(dòng)傳感器。為了測(cè)量實(shí)施例6中所述的微電極之間的阻抗，必須安裝一個(gè)AC或脈沖電源。在這種情況下，插入用于利用天線101接收到的電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化產(chǎn)生時(shí)鐘的電路193。在電路193產(chǎn)生的時(shí)鐘用于測(cè)量微電極之間的阻抗。由于接收到的電磁波通常為1MHz或更高，因此可通過(guò)將其分割來(lái)獲得時(shí)鐘?；蛘撸衫脤?shí)施例1中所述的DC電源中的振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘。
(實(shí)施例16)圖17示出安裝元件用以制造測(cè)量裝置100的流程。為安裝在測(cè)量裝置上的電路使用CMOS可實(shí)現(xiàn)高集成度和節(jié)能。因此，CMOS安裝過(guò)程非常關(guān)鍵。圖15示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例利用如實(shí)施例8中所述的光電二極管作為傳感器時(shí)，裝配測(cè)量裝置的過(guò)程的例子。在一個(gè)硅基板上形成一元件分離區(qū)域，安裝光電二極管和MOSFET，布線，最后覆蓋保護(hù)薄膜。
當(dāng)使用實(shí)施例6所述的FET結(jié)構(gòu)的傳感器時(shí)，可以利用適用于探針固定的材料裝配電路的通用CMOS柵極電極部分，這樣該柵極電極部分可在不需保護(hù)膜的情況下與包含目標(biāo)物的溶液直接接觸。
在對(duì)第二層和第三層進(jìn)行金屬?lài)婂兊倪^(guò)程中形成天線101(過(guò)程編號(hào)8)。如果需要在2-3層或更多層上進(jìn)行金屬?lài)婂円灾圃霱OSFET電路，則在另一加工步驟形成跨接這些層的天線。導(dǎo)電層，例如測(cè)量裝置100上的元件裝配和金屬?lài)婂儾糠种袥](méi)有磁力線穿過(guò)。因此，為了形成該天線，要控制中間層絕緣膜的厚度，使磁力線可穿過(guò)該薄膜從測(cè)量裝置100中透射。
(實(shí)施例17)圖18示出用于同時(shí)測(cè)量很多樣本的樣本/試劑分配器和一外部天線的結(jié)構(gòu)。在本說(shuō)明書(shū)中，說(shuō)明了具有有利于實(shí)現(xiàn)小型測(cè)量裝置的特征的實(shí)施例。這些實(shí)施例可很容易用于可處理很多樣本的大型系統(tǒng)中去。通過(guò)將本發(fā)明的測(cè)量裝置放入標(biāo)準(zhǔn)滴定板334上的反應(yīng)裝置中，其中還有很多樣本和滴入試劑，可以進(jìn)行雜交、親和力結(jié)合和發(fā)光反應(yīng)。這些反應(yīng)可通過(guò)測(cè)量裝置上的傳感器來(lái)檢測(cè)，傳感器信息可由各反應(yīng)裝置的外部天線讀出。
(實(shí)施例18)圖19A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于測(cè)量多個(gè)試管334中的樣本的測(cè)量系統(tǒng)。用于測(cè)量樣本的方法與實(shí)施例14相同。下面說(shuō)明外部天線的設(shè)計(jì)。圖19B示出天線設(shè)計(jì)的例子，其中將多個(gè)天線以同一方向緊密的排列。這種設(shè)計(jì)可使天線與處于試管中的多個(gè)垂直位置的測(cè)量裝置100高效的通信。圖19C示出天線在不同方向上圍繞試管排列的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可使天線與置于多個(gè)方向上的試管334中的溶液中的測(cè)量裝置100高效的通信。例如，如果外部天線在三個(gè)方向排列，且彼此交叉，則即使測(cè)量裝置100朝向一不同方向，測(cè)量裝置100也可與外部天線高效的通信。
(實(shí)施例19)通常，如果測(cè)量裝置100朝向不同方向，則在與外部天線耦合中會(huì)出現(xiàn)損耗，允許的通信距離也縮短。為了避免這個(gè)問(wèn)題，實(shí)施例19希望確保通信的穩(wěn)定。如圖20A和20B所示，將反應(yīng)裝置330的底部設(shè)計(jì)為具有一平坦區(qū)域，這樣當(dāng)將多個(gè)測(cè)量裝置放入反應(yīng)裝置330時(shí)，可使它們不重疊的分散在底部。外部天線排列在一個(gè)平面上，該平面位于反應(yīng)裝置的底部下面，并平行于該底部。此時(shí)，安裝一用于向基板提供機(jī)械振動(dòng)的振蕩器，基板上形成外部天線。圖20A示出的設(shè)計(jì)中，振蕩器342安裝在反應(yīng)裝置的下面，圖20B示出的設(shè)計(jì)中，振蕩器343安裝在和反應(yīng)裝置底部相同的水平面上。通過(guò)向反應(yīng)裝置施加振動(dòng)，測(cè)量裝置100不會(huì)重疊，它們的芯片側(cè)面向反應(yīng)裝置的底部，確保了外部天線和測(cè)量裝置之間的穩(wěn)定通信。
通過(guò)將上面形成有測(cè)量裝置100的傳感器、電路和天線的元件形成區(qū)域設(shè)計(jì)為正方形，且使該區(qū)域的一個(gè)側(cè)邊和厚度的尺寸之間的比率為5或更大(例如，500μm×500μm，厚度為100μm或更小)，可以顯著的降低芯片側(cè)面向反應(yīng)裝置的底部的可能性。
上述加入的振蕩器還具有其他理想的效果，即加速固定在測(cè)量裝置上的探針和目標(biāo)物之間的反應(yīng)。通過(guò)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的良好的攪拌和分子運(yùn)動(dòng)速率的增加使反應(yīng)可在更短的時(shí)間內(nèi)完成。
(實(shí)施例20)下面說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖21A為系統(tǒng)的外觀，圖21B示出在一屏蔽盒350中的試劑分配器337、包含樣本溶液和測(cè)量裝置的反應(yīng)裝置(微滴定板)340以及集成的外部天線336的結(jié)構(gòu)。為了確保外部控制單元和測(cè)量裝置之間的信息通信和能量傳輸，使用了電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化。此時(shí)，必須采取任何可以防止電磁波擴(kuò)散到周?chē)鷧^(qū)域的措施。為了實(shí)現(xiàn)該目的，將被認(rèn)為是電磁波擴(kuò)散源的部分置入屏蔽盒中。由于在這種結(jié)構(gòu)中，電磁波不會(huì)泄漏入周?chē)到y(tǒng)區(qū)域，從外部天線向反應(yīng)裝置中的測(cè)量裝置100提供的足夠的能量，從而確?？梢援a(chǎn)生建立穩(wěn)定通信所需的電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化的強(qiáng)度級(jí)。
根據(jù)上述本發(fā)明實(shí)施例，利用該小型測(cè)量系統(tǒng)和少量的樣本可以在較短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量。即，可實(shí)現(xiàn)一簡(jiǎn)單和快速的測(cè)量系統(tǒng)。另外，該探針可以均勻的固定在測(cè)量裝置上，且很容易選擇適用于不同測(cè)量的探針。在一個(gè)反應(yīng)裝置中可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)物材料。在彼此不接觸的情況下，測(cè)量裝置和外部控制單元之間可發(fā)送/接收測(cè)量裝置的傳感器信息和識(shí)別編號(hào)。
本發(fā)明還具有下面特征。
(1)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中在一基板上形成測(cè)量裝置，對(duì)該基板進(jìn)行表面處理以固定一探針，將特定的探針固定在該基板上，安裝一用于檢測(cè)探針捕獲的目標(biāo)物的傳感器，并裝配一結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于確定被捕獲的目標(biāo)物是否存在或它的量，并數(shù)字化該測(cè)量的值，再利用電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置將數(shù)字化的測(cè)量值發(fā)送到外部單元，一識(shí)別編號(hào)存儲(chǔ)在測(cè)量裝置中，通過(guò)該識(shí)別編號(hào)可以識(shí)別特定的測(cè)量裝置和探針類(lèi)型。
(2)如(1)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中探針為抗原、抗體、核酸以及任何類(lèi)型的蛋白質(zhì)中的任何一個(gè)，它可作為目標(biāo)物被檢測(cè)。
(3)一種生物和化學(xué)樣本檢測(cè)裝置，其中在該測(cè)量裝置上安裝有用于檢測(cè)溫度、壓力、離子濃度或糖的傳感器，裝配有一機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于數(shù)字化來(lái)自傳感器的信號(hào)，再利用電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置將數(shù)字化的信號(hào)發(fā)送到外部單元，一識(shí)別編號(hào)存儲(chǔ)在測(cè)量裝置中，通過(guò)該識(shí)別編號(hào)可以識(shí)別特定的測(cè)量裝置和探針類(lèi)型。
(4)如(1)或(3)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中發(fā)送/接收、檢測(cè)和控制發(fā)送/接收電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化的功能塊裝配在相同的半導(dǎo)體基板上，該功能塊用于感應(yīng)、傳感器信號(hào)處理、識(shí)別編號(hào)紀(jì)錄和與外部單元進(jìn)行信號(hào)傳輸和信息通信。
(5)如(1)或(3)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中一用于發(fā)送/接收電磁波的天線形成在與(4)中所述的用于感應(yīng)、傳感器信號(hào)處理、識(shí)別編號(hào)紀(jì)錄和與外部單元進(jìn)行信號(hào)傳輸和信息通信，控制發(fā)送/接收電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化的功能塊相同的半導(dǎo)體基板上，包括該天線的測(cè)量裝置外形上的兩個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離在3.0mm內(nèi)。
(6)如(1)或(3)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中由(4)中所述的用于感應(yīng)、傳感器信號(hào)處理、識(shí)別編號(hào)紀(jì)錄和與外部單元進(jìn)行信號(hào)傳輸和信息通信，控制發(fā)送/接收電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化的功能塊所耗的能量由外部的電磁波、磁場(chǎng)或電場(chǎng)變化來(lái)提供，并通過(guò)(5)所述的天線接收。
(7)如(1)或(3)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中半導(dǎo)體、玻璃或陶瓷基板可作為基板的材料，對(duì)各測(cè)量裝置，在該基板上安裝(4)所述的功能塊。
(8)如(2)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中安裝有一場(chǎng)效應(yīng)管(下面簡(jiǎn)稱(chēng)為FET)，通過(guò)將探針固定在FET的柵極，并根據(jù)探針和目標(biāo)物之間的結(jié)合/不結(jié)合，檢測(cè)晶體管的源極和漏極之間的導(dǎo)電率，判斷特定結(jié)合是否存在。
(9)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中通過(guò)將分離的電極插入溶液中、在該電極上固定一探針、根據(jù)該探針和目標(biāo)物之間的結(jié)合/不結(jié)合、觀察電極之間的阻抗變化以識(shí)別捕獲的目標(biāo)物是否存在或確定它的量，來(lái)確定是否存在特定結(jié)合。
(10)如(2)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中當(dāng)投入與探針特定結(jié)合的材料、和對(duì)氧化和還原過(guò)程起主導(dǎo)作用且選擇性的只與特定結(jié)合位置結(jié)合的分子時(shí)，傳感器電化學(xué)的檢測(cè)是否存在特定結(jié)合，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)作為電信號(hào)通過(guò)安裝在芯片上的信息通信裝置發(fā)送到外部控制單元中。
(11)如(2)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，包括一作為傳感器的光電二極管，該光電二極管檢測(cè)是否存在特定結(jié)合。
(12)如(1)或(3)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，包括一用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)字化的測(cè)量信號(hào)的存儲(chǔ)區(qū)域，信號(hào)數(shù)據(jù)從該存儲(chǔ)區(qū)域中讀出并被傳送到外部單元。
(13)如(1)或(3)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中通過(guò)一參考一特定參考信號(hào)的比較器或一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將安裝在半導(dǎo)體裝置上的傳感器測(cè)量到的模擬信號(hào)數(shù)字化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，將該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入用于臨時(shí)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)區(qū)域中，并從該存儲(chǔ)區(qū)域中讀出以便傳輸?shù)酵獠繂卧小?br> (14)一種使用(1)或(3)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置的生物和化學(xué)樣本測(cè)量工具套件，其中該套件包括多個(gè)生物和化學(xué)測(cè)量裝置，基板的表面被處理以固定探針，每個(gè)測(cè)量裝置上固定多種探針，在測(cè)量裝置中存儲(chǔ)一可識(shí)別特定測(cè)量裝置和固定的探針類(lèi)型的識(shí)別編號(hào)。
(15)如(1)、(3)和(14)中所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量工具套件，其中將上面固定有作為探針的任何抗原、抗體、核酸或任何蛋白質(zhì)的任何測(cè)量裝置和上面安裝有用于感應(yīng)溫度、壓力、離子濃度或糖的傳感器的任何測(cè)量裝置集成在一起。
(16)一種使用生物和化學(xué)樣本測(cè)量的系統(tǒng)，包括多個(gè)生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置和一個(gè)用于放入這些測(cè)量裝置和樣本的反應(yīng)裝置，其中生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置包括特定的探針、傳感器、用于信息通信的裝置和用于記錄可識(shí)別探針類(lèi)型的識(shí)別編號(hào)的裝置，固定有多種探針，當(dāng)樣本溶液加入反應(yīng)裝置時(shí)，傳感器電檢測(cè)是否存在特定結(jié)合，外部控制單元通過(guò)信息通信裝置利用電磁波、磁場(chǎng)變化或電場(chǎng)變化的裝置與測(cè)量裝置進(jìn)行信息通信。
(17)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中當(dāng)將(16)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置放入包含生物或化學(xué)樣本的反應(yīng)裝置中時(shí)，捕獲目標(biāo)物，并檢測(cè)捕獲信號(hào)，然后將測(cè)量信號(hào)發(fā)送到外部控制單元。
(18)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中當(dāng)將(1)或(3)所述的多個(gè)生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置放入包含生物或化學(xué)樣本的反應(yīng)裝置中時(shí)，當(dāng)從外部單元發(fā)送一特定的第一識(shí)別編號(hào)，測(cè)量裝置接收到該第一識(shí)別編號(hào)，并將其與內(nèi)部存儲(chǔ)的自身的識(shí)別編號(hào)匹配，如果匹配，則其識(shí)別編號(hào)與接收到的識(shí)別編號(hào)匹配的測(cè)量裝置上的傳感器將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到外部發(fā)送器/接收器，該外部發(fā)送器/接收器發(fā)送一第二識(shí)別編號(hào)，具有匹配的識(shí)別編號(hào)的測(cè)量裝置將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到外部發(fā)送器/接收器，然后重復(fù)該過(guò)程。
(19)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中當(dāng)將(1)或(3)所述的多個(gè)生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置放入包含生物或化學(xué)樣本的反應(yīng)裝置中時(shí)，外部控制單元發(fā)送一個(gè)用于指定一特定信號(hào)級(jí)的信號(hào)，該測(cè)量裝置接收到該信號(hào)，并將其與它上面的傳感器中內(nèi)部存儲(chǔ)的信號(hào)級(jí)匹配，如果匹配，則將具有匹配的信號(hào)級(jí)的識(shí)別編號(hào)發(fā)送到外部發(fā)送器/接收器，或者如果檢測(cè)到多個(gè)信號(hào)級(jí)，則外部控制單元順序發(fā)送對(duì)應(yīng)不同信號(hào)級(jí)的信號(hào)，然后具有與這些信號(hào)級(jí)相關(guān)的傳感器信號(hào)的測(cè)量裝置將它們自己的識(shí)別編號(hào)發(fā)送到外部控制單元。
(20)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)在(1)或(3)中所述的測(cè)量裝置和一外部控制單元之間進(jìn)行信號(hào)通信，該外部控制單元產(chǎn)生一時(shí)鐘信號(hào)，識(shí)別編號(hào)的位在與時(shí)鐘信號(hào)同步的傳輸信號(hào)上被順序發(fā)送。
(21)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，包括一反應(yīng)裝置和一外部控制單元，該反應(yīng)裝置中具有(1)或(3)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置，其中用于在與一外部控制單元連接的測(cè)量裝置和該外部控制單元之間發(fā)送/接收的天線被放置在與測(cè)量裝置的盒體相同的盒體中，該盒體具有電磁屏蔽功能。
(22)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中(21)中所述的盒體的電磁屏蔽功能可將與外部控制單元連接的天線發(fā)射的電磁波在盒體外部衰減到1/1000或更小。
(23)一種生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，其中(1)或(3)種所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置放入多個(gè)反應(yīng)裝置，該系統(tǒng)通過(guò)一與該外部控制單元連接的相同天線或?qū)?yīng)各反應(yīng)裝置的多個(gè)天線，與所述多個(gè)反應(yīng)裝置中的測(cè)量裝置進(jìn)行信息通信。一種使用了(15)所述的生物和化學(xué)樣本測(cè)量工具套件的生物和化學(xué)樣本測(cè)量系統(tǒng)，包括一溫度調(diào)節(jié)加熱器和一壓電元件或一離子濃度調(diào)節(jié)分配器，還包括一裝置，該裝置用于利用權(quán)利要求3所述的放入反應(yīng)裝置中的生物和化學(xué)樣本測(cè)量裝置以固定時(shí)間間隔監(jiān)視溫度、pH值、離子濃度中的任一個(gè)，并控制溫度調(diào)節(jié)加熱器和壓電元件或離子濃度調(diào)節(jié)分配器，從而將樣本保持在最佳溫度或最佳離子濃度級(jí)。
在前面的說(shuō)明中，利用特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，可以對(duì)其進(jìn)行多種修改和變化。相應(yīng)的，說(shuō)明書(shū)和附圖只是示意性的并不進(jìn)行限定。
序列列表<110>日立公司(HITACHI，LTD.)<120>用于檢查生物和化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備<130>H02011831A<140>日本<160>6<210>1<211>29<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>1caggacaggc acaaacacgc acctcaaa<210>2<211>52<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>2aacagctttg aggtgcgtgt ttgtgcctgt cctggggaga gaccggcgca ca<210>3<211>95<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>3ctttcttgcg gagattctct tcctctgtgc gccggtctct cccaggacaggcacaaacac gcacctcaaa gctgttccgt cccagtagat tacca<210>4<211>95<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>4
ctttcttgcg gagattctct tcctctgtgc gccggtctct cccaggacaggcactaacac gcacctcaaa gctgttccgt cccagtagat tcca<210>5<211>22<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>5aacagatttg aggtgcgtga tt<210>6<211>22<212>DNA<213>人工序列<220>
<223>DNA探針<400>6aacagctttg aggtgcgtga ta
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量工具套件，包括一芯片；一安裝在該芯片上的傳感器；一安裝在該芯片上的接收機(jī)構(gòu)，其中該接收機(jī)構(gòu)被配置以接收外部提供的信息；一安裝在該芯片上的發(fā)送機(jī)構(gòu)，其中該發(fā)送機(jī)構(gòu)被配置以發(fā)送傳感器檢測(cè)到的信息；和一安裝在該芯片上的信息存儲(chǔ)裝置，被配置以存儲(chǔ)包含載波識(shí)別信息的信息，其中該芯片的表面被處理以固定一種探針。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量工具套件，還包括一個(gè)或更多其他的芯片，該一個(gè)或更多個(gè)其它芯片中的每一個(gè)包括固定其上的另一種探針；和存儲(chǔ)在另一信息存儲(chǔ)裝置中的另一載波識(shí)別信息。
3.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量工具套件，其中探針為抗原、抗體、核酸、蛋白質(zhì)和肽中的任何一種。
4.一種包括一反應(yīng)裝置的測(cè)量系統(tǒng)，該反應(yīng)裝置包括一外部控制單元；和一芯片，包括一特定類(lèi)型的探針，一與該探針連接的傳感器，一信息通信裝置，和一用于存儲(chǔ)載波識(shí)別信息的信息存儲(chǔ)裝置，其中該外部控制單元被配置以通過(guò)向信息通信裝置發(fā)送一電信號(hào)或從信息通信裝置接收一電信號(hào)中的任一種來(lái)執(zhí)行信息通信，其中信息通信為無(wú)線通信。
5.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多個(gè)其它芯片，其中該芯片和一個(gè)或更多個(gè)其它芯片都包含在反應(yīng)裝置中，其中該芯片和一個(gè)或更多個(gè)其它芯片包括在不同芯片間的多種探針；和在不同芯片間的多種載波識(shí)別信息。
6.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中當(dāng)提供一包含與探針結(jié)合的特定材料的樣本，和當(dāng)安裝在芯片上的信息通信裝置向外部控制單元發(fā)送作為電信號(hào)的檢測(cè)信息時(shí)，傳感器被配置以通過(guò)電學(xué)原理檢測(cè)到特定結(jié)合。
7.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該傳感器有一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中該探針固定在該晶體管表面上，從而根據(jù)該晶體管導(dǎo)電率的任何變化利用電學(xué)原理檢測(cè)該特定耦合。
8.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該傳感器具有一電極，其中探針固定在電極的表面上，其中電極被配置以根據(jù)電極之間的阻抗變化利用電學(xué)原理檢測(cè)特定結(jié)合。
9.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該傳感器具有電極，其中該探針固定在該電極的表面上，其中該電極被配置以根據(jù)電極附近的電化學(xué)反應(yīng)引起的電極上的電流的任何變化，利用電學(xué)原理檢測(cè)特定結(jié)合。
10.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該傳感器具有一光電二極管，其中該探針固定在該光電二極管的一個(gè)表面上，其中該光電二極管被配置以通過(guò)獲得由光電二極管附近的發(fā)光反應(yīng)發(fā)射的光，利用電學(xué)原理檢測(cè)特定的結(jié)合。
11.一具有一反應(yīng)裝置的測(cè)量系統(tǒng)，該反應(yīng)裝置包括一外部控制單元；和一芯片，包括一特定類(lèi)型的探針，一傳感器，一信息通信裝置，和一用于存儲(chǔ)載波識(shí)別信息的信息存儲(chǔ)裝置，其中該信息通信裝置被配置以使外部控制單元識(shí)別該載波識(shí)別信息，并且其中該信息通信裝置還被配置以使傳感器將關(guān)于探針上的特定結(jié)合的檢測(cè)的信息作為電信號(hào)發(fā)送到外部控制單元。
12.如權(quán)利要求11所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)還包括一個(gè)或更多其它芯片，其中該芯片和該一個(gè)或更多其它芯片包含在反應(yīng)裝置中，其中該芯片和該一個(gè)或更多其它芯片包括不同芯片間的多種探針；和不同芯片間的多種載波識(shí)別信息。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)生物和化學(xué)材料的系統(tǒng)和方法。為了低成本和很容易地測(cè)量生物材料，如基因，提供了一種小型、高靈敏度、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量裝置。在一芯片上固定適用于目標(biāo)生物材料的探針，在該芯片上還具有傳感器、識(shí)別編號(hào)和無(wú)線通信模塊，被捕獲的目標(biāo)物由傳感器感應(yīng)，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將感應(yīng)的結(jié)果傳送到外部控制單元。從而實(shí)現(xiàn)該小型、高靈敏度的測(cè)量裝置，它可以測(cè)量例如基因等生物和化學(xué)材料，并測(cè)量例如溫度、壓力、pH值等物理和化學(xué)量。
文檔編號(hào)G01N33/543GK1521274SQ03148620
公開(kāi)日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者矢澤義昭, 釜堀政男, 神原秀記, 宇佐美光雄, 武井健, 光雄, 男, 記 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所