在電極表面附近產(chǎn)生 pH/離子濃度梯度以調(diào)節(jié)生物分子相互作用的方法
【專利說明】在電極表面附近產(chǎn)生pH/離子濃度梯度以調(diào)節(jié)生物分子相 互作用的方法
[0001] 本發(fā)明是申請日為2013年6月25日,申請?zhí)枮?01380036161. X,,標(biāo)題為"在電 極表面附近產(chǎn)生pH/離子濃度梯度以調(diào)節(jié)生物分子相互作用的方法"的專利申請的分案申 請。
[0002] 相關(guān)申請的交叉參考
[0003] 本申請要求2012年7月6日申請的美國申請系列號13/543,300的權(quán)益,通過引 用將這個申請的內(nèi)容并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及使用生物傳感器對生物分子的診斷方法及改良這種生物傳感器的方 法。此外,本發(fā)明涉及在電極表面附近產(chǎn)生pH濃度梯度以調(diào)節(jié)這種生物傳感器中生物分子 相互作用的方法。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 近年來,越來越感興趣于預(yù)測醫(yī)療、預(yù)防醫(yī)療及特別是個體化醫(yī)療,這需要具有 更高保真度如靈敏性和特異性的診斷檢測。多重測量平臺(Multiplexed measurement platforms)例如目前用于研究中的蛋白質(zhì)陣列屬于不久的將來具有發(fā)展前途的診斷技術(shù)。 這些檢測中的樣品可以是人類體液如血液、血清、唾液、生物細(xì)胞、尿液,或者其它生物分 子,也可以是消費品如牛奶、嬰兒食物或者水。在這個領(lǐng)域內(nèi),越來越需要低成本多重檢測 以檢測生物分子如核酸、蛋白質(zhì)以及小分子。實現(xiàn)這種檢測中的靈敏性和特異性是個有難 度的挑戰(zhàn)。將這些檢測與集成電子產(chǎn)品組合及使用CMOS技術(shù)已經(jīng)提供了解決其中一些挑 戰(zhàn)的方案。
[0007] 在檢測測定中的兩個主要限制包括靈敏性和交叉反應(yīng)性。這兩個因素影響最小 可檢測濃度并因此影響診斷誤差率。這種檢測中的靈敏性通常受到標(biāo)記檢測準(zhǔn)確度、探 針-分析物對(例如抗體-抗原對)的締合系數(shù)及表面上探針分子(例如探針抗體)的有 效濃度的限制(如圖1所示)。生物學(xué)樣品中的其它分子通過與探針分子(例如初級抗體) 結(jié)合或者通過分析物與檢測位點表面的物理吸附也可影響最小可檢測濃度(如圖2所示)。 檢測劑(例如二級抗體)也可以物理吸附于表面,導(dǎo)致背景信號的增加(如圖2所示)。解 決交叉反應(yīng)性和背景問題在新檢測的開發(fā)中要花費大量時間并增加了整體檢測的成本和 復(fù)雜性。測定典型地通過尋找最佳試劑和條件以及通過產(chǎn)生最特異性的探針分子(例如抗 體)而優(yōu)化。這樣導(dǎo)致較長的開發(fā)時間、在一些情況中的檢測不可行性以及較高的生產(chǎn)成 本。例如,典型的ELISA測定的開發(fā)需要一些科學(xué)家工作一年以上以發(fā)現(xiàn)正確的抗體作為 所述測定開發(fā)的一部分。蛋白質(zhì)的交叉反應(yīng)性可能是這種嘗試失敗的根源。
[0008] 提供多位點檢測平臺的生物傳感器被認(rèn)為是提供了解決上述測定開發(fā)中的一些 限制的方案。公開的美國專利申請US 2011/0091870描述了具有多個位點的這種生物傳 感器,其可以進(jìn)行不同的反應(yīng)條件以調(diào)節(jié)生物分子分析物(例如蛋白質(zhì))與探針分子的結(jié) 合。例如,在具有四個位點的生物傳感器中檢測的信號也可具有幾種成分,例如四種。這四 項(terms)可相應(yīng)于感興趣的生物標(biāo)記的濃度、樣品中與初級抗體(探針分子)位點非特 異性結(jié)合并且阻止所述生物標(biāo)記結(jié)合的干擾分析物的濃度、樣品中形成夾心并產(chǎn)生錯誤信 號的干擾分析物的濃度,以及最終樣品中與表面物理吸附并產(chǎn)生錯誤信號的干擾分析物的 濃度。各項(term)與結(jié)合效率因子a u也成比例,所述結(jié)合效率因子是分子親和性及其它 測定條件例如質(zhì)量轉(zhuǎn)運(mass transport)的函數(shù)。通過控制在單獨每個位點的條件,不同 位點具有不同的效率因子。在每個位點的信號的精確測量導(dǎo)致多個方程和多個未知數(shù),例 如,
[0009]
[0010] 其中Can相應(yīng)于靶向的生物分子分析物濃度,C n、c]2、c]3相應(yīng)于引起背景信號中不 同各項(terms)的那些分子的總濃度。
[0011] 在這種生物傳感器作為感興趣的生物分子分析物的檢測系統(tǒng)的性能中,重要的是 在不同位點的測定條件的精確和準(zhǔn)確控制以產(chǎn)生結(jié)合效率因子的較大改變。因此,需要可 以與基于CMOS、電極陣列或者TFT的設(shè)置(setup)易于集成的方法,以產(chǎn)生在具有多個檢測 位點的陣列的生物傳感器中的檢測位點之間結(jié)合效率的較大改變。
[0012] 發(fā)明概述
[0013] 本發(fā)明提供了這樣的方法,其可以與例如基于CMOS、電極陣列或者TFT的生物傳 感器集成,以產(chǎn)生在具有多個檢測位點陣列的生物傳感器中的檢測位點之間結(jié)合效率的較 大改變。具體而言,本發(fā)明提供了調(diào)節(jié)這種生物傳感器的電極表面附近PH或離子濃度的方 法,以調(diào)節(jié)探針生物分子與感興趣的生物分子分析物之間的生物分子相互作用。
[0014] 在一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH或離子濃度的方法, 所述方法包括:
[0015] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分子分析物 相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點包含在水性溶液中的支持物,所述支持物 包含一或多個電極或者包含電磁鐵、及其上具有一或多個固定化探針的生物分子界面層;
[0016] b)在所述水性溶液中加入電化學(xué)活性劑、酶、酶底物、緩沖抑制劑,或者其組合; 及
[0017] c)使所述電化學(xué)活性劑、酶、酶底物或者其組合在水性溶液中反應(yīng),以產(chǎn)生H+離子 或OH離子,或者用緩沖抑制劑增加 H+離子或OH離子的擴散,或者用緩沖抑制劑抑制H+離 子或OH離子與緩沖鹽之間的相互作用。
[0018] 在另一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH和離子濃度的方 法,所述方法包括:
[0019] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分子分析 物相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點均包含在水性溶液中的支持物,所述支 持物包含一或多個電極或者包含電磁鐵、及其上具有一或多個固定化探針的生物分子界面 層;
[0020] b)在所述水性溶液中加入電化學(xué)活性劑;及
[0021] c)氧化或還原所述電化學(xué)活性劑。
[0022] 在另一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH或離子濃度的方 法,所述方法包括:
[0023] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分子分析物 相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點均包含在水性溶液中的支持物,所述支持 物包含一或多個電極或者包含電磁鐵、及其上具有一或多個固定化探針和一或多個固定化 酶的生物分子界面層;
[0024] b)在所述水性溶液中加入酶底物;及
[0025] c)酶促氧化或還原所述酶底物。
[0026] 在再一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH或離子濃度的方 法,所述方法包括:
[0027] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分析分析物 相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點包含在水性溶液中的一個電磁鐵及具有一 或多個固定化探針的生物分子界面層;
[0028] b)在所述水性溶液中加入固定化在微?;蚣{米粒子上的一或多種酶;
[0029] c)在所述水性溶液中加入酶底物;及
[0030] d)酶促氧化或還原所述酶底物。
[0031] 在另一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH或離子濃度的方 法,所述方法包括:
[0032] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分子分析物 相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點包含在水性溶液中的支持物,所述支持物 包含一或多個電極或包含電磁鐵、及具有一或多個固定化探針的生物分子界面層;
[0033] b)在所述水性溶液中加入酶;及
[0034] c)使所述酶在電極表面反應(yīng)。
[0035] 在另一個實施方案中,本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)生物傳感器中pH或離子濃度的方 法,所述方法包括:
[0036] a)提供包含檢測位點的多位點陣列的生物傳感器,檢測位點中與生物分子分析物 相互作用的條件可以獨立地變化,每個檢測位點包含在水性溶液中的支持物,所述支持物 包含一或多個電極或者包含電磁鐵、及具有一或多個固定化探針的生物分子界面層;
[0037] b)在所述水性溶液中加入緩沖抑制劑;及
[0038] c)抑制H