在透明微陣列上進(jìn)行精確pH監(jiān)控的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本發(fā)明要求申請(qǐng)日為2013年3月15日的第13/834, 126號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的權(quán)益。 該專利申請(qǐng)的內(nèi)容全文作為參考加入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于生物傳感器中的微陣列的裝置和使用這樣的包括所述裝置 的生物傳感器對(duì)生物分子進(jìn)行診斷的方法。并且，本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)確和可靠地控制電極 表面附近的pH梯度的方法，以調(diào)整這樣的生物傳感器內(nèi)的生物分子相互作用。
【背景技術(shù)】
[0004] 需要更高的保真度例如靈敏度和特異性的診斷實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)、預(yù)防和特定的個(gè)人醫(yī) 藥最近越來越引起興趣。例如當(dāng)前在研究中使用的多元平臺(tái)，例如蛋白質(zhì)陣列，在不久的將 來其位于很有希望的診斷技術(shù)中。這些實(shí)驗(yàn)中的樣品為人體體液，例如血液、血清、唾液、生 物細(xì)胞、尿液、或其他生物分子，也可以為消費(fèi)品，如牛奶、嬰兒食品、或水。在該領(lǐng)域中對(duì)生 物分子如核酸、蛋白質(zhì)還有小分子的低成本、多元化的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的需求。在這樣的實(shí)驗(yàn) 中需要獲得靈敏度和特異性并非沒有艱難的挑戰(zhàn)。采用集成的電子元件和使用CMOS技術(shù) 將這些實(shí)驗(yàn)合并已經(jīng)提供了解決一些挑戰(zhàn)的方案。
[0005] 在檢測(cè)化驗(yàn)中的兩個(gè)主要局限包括靈敏度和交叉反應(yīng)性。這兩個(gè)因素均影響最小 可檢測(cè)濃度和診斷錯(cuò)誤率。這樣的實(shí)驗(yàn)中的靈敏度通常受到標(biāo)記物檢測(cè)準(zhǔn)確度、探針-分 析物對(duì)的關(guān)聯(lián)因子（例如抗體-抗原對(duì)）、和表面上的探針分子的有效密度（例如探針抗 體）的限制。生物樣品中的其他分子也可以影響最小可檢測(cè)濃度，通過與探針分子的結(jié)合 (例如原發(fā)性抗體），或通過實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的表面對(duì)分析物的物理吸附。檢測(cè)試劑（例如二次抗 體）可以物理附著在表面上，引起背景信號(hào)的增加。解決交叉反應(yīng)性和背景問題會(huì)在新的 實(shí)驗(yàn)的分析開發(fā)中耗費(fèi)大量的時(shí)間，并且增加全部實(shí)驗(yàn)的成本和復(fù)雜性。該化驗(yàn)通常通過 尋找最佳時(shí)機(jī)和條件以及構(gòu)造最特異性探針分子（例如抗體）得到優(yōu)化。這導(dǎo)致了長(zhǎng)的開 發(fā)時(shí)間、一些情況下的實(shí)驗(yàn)的不可行性、和較高的構(gòu)造費(fèi)用。例如典型的ELISA化驗(yàn)的開發(fā) 需要數(shù)個(gè)科學(xué)家工作一年以上時(shí)間來尋找正確的抗體，這為分析開發(fā)中的一部分。蛋白質(zhì) 的交叉反應(yīng)性是這類研發(fā)工作失敗的常見原因。
[0006] 提供了多元位點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的生物傳感器被認(rèn)為提供了化驗(yàn)開發(fā)中的上述限制的 一些解決方案。美國(guó)公開專利申請(qǐng)US2011/0091870描述了這樣的具有多元位點(diǎn)的生物傳 感器，其可以進(jìn)行不同的反應(yīng)條件以調(diào)整生物分子分析物（例如蛋白質(zhì)）和探針分子之間 的結(jié)合。例如生物傳感器中檢測(cè)到的具有四個(gè)位點(diǎn)的信號(hào)也可以具有幾個(gè)要素，例如4個(gè)。 這四項(xiàng)可以關(guān)聯(lián)于感興趣的生物標(biāo)記物的濃度，樣品中與原發(fā)性抗體（探針分子）位點(diǎn)非 特異性結(jié)合并且阻止生物標(biāo)記物的結(jié)合的干擾分析物的濃度，樣品中的形成夾心結(jié)構(gòu)并產(chǎn) 生錯(cuò)誤信號(hào)的干擾分析物的濃度，和最終地樣品中的物理吸附到表面并產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)的干 擾分析物的濃度。每一項(xiàng)也正比于結(jié)合率因子，其為分子親和性和其他分析條件如傳 質(zhì)的函數(shù)。通過分別控制各位點(diǎn)的條件，不同位點(diǎn)將具有不同的有效因子。每個(gè)位點(diǎn)的信 號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量會(huì)得到多元方程和多元未知數(shù)，例如，
[0007]
[0008] 其中Can為目標(biāo)生物分子分析物濃度，且Cn、C]2、C]3為得到背景信號(hào)中的不同項(xiàng)的 分子的總濃度。
[0009] 對(duì)不同位點(diǎn)處的分析條件進(jìn)行準(zhǔn)確和精密控制以產(chǎn)生親和率因子的巨大改變，這 對(duì)這樣的生物傳感器作為感興趣的生物分子分析物的檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施來說是重要的。在共 同未決的第13/543, 300號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)（其內(nèi)容通過參考全文引入本文）中描述了這樣 的生物傳感器和這樣的方法，其可以容易的與CMOS、電極陣列或基于TFT的設(shè)置集成，以在 具有多個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的陣列的生物傳感器的實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)之間產(chǎn)生親和率的巨大變化。由于生物 傳感器重復(fù)使用造成的局部pH的調(diào)整的變化和連續(xù)的檢測(cè)之間的變化會(huì)降低用這樣的生 物傳感器對(duì)感興趣的生物分子分析物的檢測(cè)準(zhǔn)確度。因?yàn)樯飩鞲衅鞯亩辔稽c(diǎn)陣列的每個(gè) 位點(diǎn)的所述pH的調(diào)整需要被準(zhǔn)確的控制并且所述pH的調(diào)整需要被修正。因此，對(duì)于生物 傳感器來說，需要其中的多位點(diǎn)陣列的每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的pH可以被準(zhǔn)確的、可靠的、和可再 現(xiàn)的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本文提供了準(zhǔn)確的、可靠的和可再現(xiàn)的控制pH的裝置和方法，其可以與例如 CMOS、電極陣列、或具有多元實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的陣列的TFT基生物傳感器集成。特別地，電流施加 提供了可靠和可再現(xiàn)地調(diào)整這樣的生物傳感器的電極附近的pH或離子濃度，以調(diào)整探針 生物分子和感興趣的生物分子分析物之間的生物分子相互作用。本文描述的裝置可以用于 如共同未決的第13/543, 300號(hào)申請(qǐng)中所述的生物傳感器中，為了重復(fù)測(cè)定樣品中感興趣 的生物分子分析物，同時(shí)保持生物傳感器的高度的準(zhǔn)確性。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中提供了一種用于具有實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的生物傳感器中的 裝置，所述裝置包括：
[0012] (a)透明的支撐基底，其支撐一個(gè)或多個(gè)電極；及
[0013] (b)生物分子界面層，其在其上具有固定的pH敏感熒光蛋白和一個(gè)或多個(gè)固定的 探針。
[0014] 在另一個(gè)實(shí)施例中提供了一種生物傳感器，其包括的裝置包括：
[0015] (a)透明的支撐基底，其支撐一個(gè)或多個(gè)電極；及
[0016] (b)生物分子界面層，其在其上具有固定的pH敏感熒光蛋白和一個(gè)或多個(gè)固定的 探針。
[0017] 在另一個(gè)實(shí)施例中提供了一種調(diào)整生物傳感器中的pH或離子濃度的方法，所述 方法包括：
[0018]a)提供了包括實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的生物傳感器，其中與生物分子分析物相互 作用的條件可以獨(dú)立地變化，所述生物傳感器具有裝置，該裝置包括支撐一個(gè)或多個(gè)電極 的透明支撐基底，和在其上具有固定的pH敏感熒光蛋白和一個(gè)或多個(gè)固定的探針的生物 分子界面層；及
[0019] b)在水溶液中在所述一個(gè)或多個(gè)電極上電化學(xué)活性試劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H+離子或 0H離子。
[0020] 在另一個(gè)實(shí)施例中提供了一種檢測(cè)生物樣品中的生物分子分析物的方法，所述方 法包括：
[0021] a)提供了包括實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的生物傳感器，其中與生物分子分析物相 互作用的條件可以獨(dú)立地變化，所述生物傳感器具有裝置，該裝置包括支撐一個(gè)或多個(gè)電 極的透明支撐基底，和在其上具有固定的pH敏感熒光蛋白和一個(gè)或多個(gè)固定的探針的生 物分子界面層，并且在每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)具有包括稀釋的磷酸緩沖液和電化學(xué)活性試劑的水溶 液；
[0022] b)在水溶液中在每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)處電化學(xué)活性試劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生H+離子或 0H離子，借此調(diào)整和控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的pH;
[0023]c)將生物樣品施加到每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)；及
[0024] d)檢測(cè)每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的生物分子分析物，
[0025] 其中電化學(xué)活性試劑的量和電化學(xué)反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的子集陣列內(nèi)的實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)之 間變化，為了獲得實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的集合，其中實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的電極表面附近的pH或離子濃度變化， 并且其中每個(gè)實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)的pH通過pH敏感熒光蛋白的熒光強(qiáng)度來測(cè)定。
【附圖說明】
[0026]圖1:帶有電極陣列⑵的基底（玻璃或塑料）（1)的示意圖，其上施加了生物分子 界面層（10)，界面層包括熒光蛋白質(zhì)（例如綠熒光蛋白（GFP))點(diǎn)（5)，和固定的探針（4)， 使用聚乙二醇（PEG)固定劑（3)進(jìn)行固定。
[0027]