專利名稱：納米流體生物傳感器及其對(duì)于快速測(cè)量溶液中的生物分子相互作用的應(yīng)用及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使用光學(xué)裝置在納米流體生物傳感器中檢測(cè)熒光標(biāo)記生物分子的方法和設(shè)備。本發(fā)明可以有利地用于生物醫(yī)學(xué)和生物學(xué)分析。
背景技術(shù)：
納米流體被定義為具有納米范圍尺寸通道的流體系統(tǒng)，并且已經(jīng)應(yīng)用到了允許DNA操作、蛋白質(zhì)分離和樣品預(yù)濃縮的微流體系統(tǒng)中。當(dāng)前大部分的納米流體研發(fā)是為了生物工程和生物技術(shù)應(yīng)用。目前用于檢測(cè)特定生物分子的方法可以分為兩類(a)標(biāo)記技術(shù)，以及(b)無標(biāo)記技術(shù)。在標(biāo)記技術(shù)中，廣泛使用的是熒光法、比色法、放射性法、磷光法、生物發(fā)光法和化學(xué)發(fā)光法。也可以考慮官能化磁珠作為標(biāo)記技術(shù)。它們的優(yōu)點(diǎn)在于與無標(biāo)記方法相比的敏感性，以及由特異性標(biāo)記帶來的分子識(shí)別。在無標(biāo)記技術(shù)中，廣泛使用的是電化學(xué)生物傳感器，其涉及電流分析傳感器、電容型傳感器、電導(dǎo)型傳感器或阻抗型傳感器，具有快速和廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)生物分子被捕獲于或者固定到電極上或附近時(shí)，它們測(cè)量電極結(jié)構(gòu)的電特性的變化，但是所有這些概念都缺少分子特異性對(duì)比、敏感性和可靠性。表面等離子共振(SPR)也是一種無標(biāo)記光學(xué)技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)發(fā)生在非常接近傳感器金表面的生物分子相互作用，并且已經(jīng)帶來了在不需要沖洗樣品溶液中未反應(yīng)或過量反應(yīng)物的情況下實(shí)時(shí)研究表面限制的親和作用的很大可能性。酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)是一項(xiàng)重要的生物化學(xué)技術(shù)，主要用于檢測(cè)抗體和抗原的存在，因而被廣泛用作醫(yī)學(xué)和各種工業(yè)中的質(zhì)量控制檢驗(yàn)的分析工具。然而，ELISA分析昂貴，需要大量的溶液和冗長(zhǎng)的時(shí)間來獲得結(jié)果。目的本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于微米和納米流體的廉價(jià)和快速的生物傳感器，其不需要復(fù)雜的操作。本發(fā)明的又一目的在于使用納米流體從幾何學(xué)上限制光學(xué)測(cè)量體積，因而獲得生物傳感器的高敏感性。本發(fā)明的再一目的在于與現(xiàn)有生物傳感器相比，簡(jiǎn)化不同的表面涂層。參考附圖和優(yōu)選實(shí)施方案，本發(fā)明的這些和其他目的將會(huì)變得逐步明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于下述發(fā)現(xiàn)可以將孔設(shè)計(jì)在微米流體和納米流體系統(tǒng)的側(cè)面上，從而避免流體系統(tǒng)的容器和外部管道之間的復(fù)雜連接。通過在包含待測(cè)定的生物分子的溶液內(nèi)簡(jiǎn)單浸潰而填充設(shè)備。這就給出了一個(gè)測(cè)量擴(kuò)散的生物分子和在表面上固定的其他生物分子之間的相互作用的可能性。
本發(fā)明還基于下述發(fā)現(xiàn)如果必要，還可以由包含待測(cè)定的小濃度熒光生物分子的溶液替換通常與水浸物鏡一起使用的浸潰水。最后，本發(fā)明強(qiáng)調(diào)使具有不同生物分子的每個(gè)單晶片功能化并以陣列結(jié)構(gòu)布置這些晶片以執(zhí)行快速的多路檢測(cè)的可能性。在本發(fā)明的范圍中，使用納米流體，原因在于其高的表面-體積比，這意味著表面包括在檢測(cè)體積中，使擴(kuò)散的生物分子和表面上其他固定的生物分子之間的相互作用的檢測(cè)最大化。


圖IA是由支撐體100組成的系統(tǒng)的示意圖，納米流體生物傳感器200的陣列附著在支撐體100上。包含熒光生物分子300的溶液沉積在設(shè)備上，并且使用覆蓋有污染過濾器400的光學(xué)系統(tǒng)500進(jìn)行測(cè)量。圖IB是由支撐體100組成的備選的生物傳感系統(tǒng)的示意圖，納米流體設(shè)備200的陣列附著在支撐體100上。包含熒光生物分子300的溶液沉積在設(shè)備上，并且光學(xué)系統(tǒng)500用在EPI檢測(cè)中。圖2示出了由兩個(gè)基底201和202限制的納米狹縫的橫截面。光學(xué)體積510和納米狹縫204之間的交叉界定熒光生物分子331的檢測(cè)區(qū)。擴(kuò)散的熒光生物分子320可以與表面310上固定的生物分子相互作用，并因而在特異性結(jié)合存在時(shí)產(chǎn)生分子復(fù)合物330。圖3是由底部結(jié)構(gòu)202組成的微制造設(shè)備的陣列的透視圖，限制一個(gè)或多個(gè)納米狹縫204的非晶硅層沉積在底部結(jié)構(gòu)202上?；咨w201通過陽極鍵合貼附。液體從側(cè)面205上的側(cè)孔進(jìn)入設(shè)備。圖4表示支撐體100的頂視圖，納米流體設(shè)備200的陣列固定在支撐體100上。(A)圖示了矩形陣列，其示出例如2-晶片布置210和3-晶片布置220，以及⑶圖示了六邊形陣列，其示出例如3-晶片布置230和4-晶片布置240。
具體實(shí)施例方式如本文所用，術(shù)語“生物分子”旨在是一個(gè)通用術(shù)語，其包括例如(但不限于)多克隆抗體、單克隆抗體、Fab片段、重組抗體、球狀蛋白、氨基酸、核酸、酶、脂質(zhì)分子、多糖和病毒。如本文所用，術(shù)語“納米狹縫”旨在是一個(gè)通用術(shù)語，其表示一種界限分明的微制造結(jié)構(gòu)，具有納米尺寸的高度，其寬度和長(zhǎng)度較大。納米狹縫的納米尺寸高度被限定為大于2nm，原因在于檢測(cè)的最小蛋白質(zhì)的尺寸，這些蛋白質(zhì)必須進(jìn)入狹縫并且具有相同的數(shù)量級(jí)。本發(fā)明限于高度低于微米的納米狹縫，原因在于光學(xué)系統(tǒng)的檢測(cè)體積的范圍通常具有相同的數(shù)量級(jí)。如本文所用，術(shù)語“納米通道”旨在是一個(gè)通用術(shù)語，其表示一種界限分明的微制造結(jié)構(gòu)，具有納米尺寸的高度和寬度，其長(zhǎng)度較大。本發(fā)明旨在簡(jiǎn)化特定擴(kuò)散生物分子的存在的測(cè)量，以及簡(jiǎn)化特定擴(kuò)散生物分子與表面或者在表面上固定的其他生物分子相互作用的測(cè)量。如圖I中所示，納米流體設(shè)備200的陣列固定在支撐體100上，舉例來說，例如標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡蓋玻璃或者塑料封殼。包含熒光標(biāo)記生物分子的含水溶液被布置在支撐體上，使得納米流體設(shè)備的側(cè)孔205中的至少一個(gè)被包含在溶液300中，這導(dǎo)致填充了納米流體設(shè)備的通道。如果必要，如圖IA中所強(qiáng)調(diào)，可以使之前固定有污染過濾器400的水浸顯微鏡物鏡500與溶液接觸。否則，如圖IB中所示，將光學(xué)系統(tǒng)用于EPI檢測(cè)。圖2示出了檢測(cè)的原理，以及圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的生物傳感器的實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。首先，將生物分子310固定在基底201和202的表面上。必須以下述方式將檢測(cè)體積510集中在納米狹縫204內(nèi)由納米狹縫204的體積和檢測(cè)體積510界定的交叉體積最大。接著，通過毛細(xì)管作用將包含熒光標(biāo)記生物分子320的溶液300填充到系統(tǒng)中。生物分子320擴(kuò)散，與固定在納米狹縫204內(nèi)部的生物分子310相互作用，并且可產(chǎn)生分子復(fù)合物330、331。固定的熒光發(fā)射復(fù)合物331和擴(kuò)散通過光學(xué)檢測(cè)體積的擴(kuò)散的熒光發(fā)射生物分子320均由光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)。本發(fā)明不同于當(dāng)前用于檢測(cè)分子相互作用的生物傳感器。側(cè)孔的獨(dú)特設(shè)計(jì)允許液體溶液直接進(jìn)入流體系統(tǒng)。這不同于當(dāng)前基于微米和納米流體容器的生物傳感器，當(dāng)前的 生物傳感器必須與柔性管機(jī)械連接。那些方案需要注射包含待分析的生物分子的溶液，并且需要驅(qū)使它們通過微米或納米通道，這增加了系統(tǒng)的操作復(fù)雜性。圖3示出的生物傳感器可以如下制備首先，通過濕或干蝕刻來蝕刻晶圓202的側(cè)孔。接著，沉積2至IOOOnm厚度的非晶硅層203，并利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)進(jìn)行構(gòu)型，使得納米狹縫204的輪廓幾何化。將第二晶圓201陽極鍵合到第一晶圓202上。第二晶圓201的 高度必須與顯微鏡物鏡相符。然后，將晶圓201、202切割為單獨(dú)的晶片。納米狹縫204鏈接兩個(gè)側(cè)孔205并且由兩個(gè)晶圓201、202之間的間隔界定。非晶硅層203用作間隔物，以限制納米狹縫204的高度。圖4示出了生物傳感器200的陣列，生物傳感器200固定在可安裝顯微鏡的支撐體100上。生物傳感器200的布置可以是(A)矩形或者(B)六邊形，但是也可以考慮任何其他形狀。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的操作展示了與其他固定的生物分子相互作用或者不與之相互作用的生物分子的檢測(cè)、列舉、識(shí)別和表征。本發(fā)明的應(yīng)用可以涵蓋生物醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和食品分析以及分析和生物分析化學(xué)中的基本研究。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)和測(cè)量熒光生物分子(320)的擴(kuò)散和生物分子相互作用(310，320)的生物傳感器(200);所述生物傳感器(200)基本上由基底組成，所述基底具有被設(shè)計(jì)成位于光學(xué)系統(tǒng)(500)前面的上部(201)、下部(202)和側(cè)面；所述生物傳感器(200)還包括適用于包含生物分子(320)的溶液(300)的間隔； 其特征在于，所述間隔是納米狹縫(204)，所述納米狹縫被限定在所述上部和下部(201,202)之間并且與位于所述側(cè)面上的側(cè)孔(205)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物傳感器(200)，其中納米狹縫(204)的內(nèi)壁預(yù)先覆蓋有諸如生物分子(310)的物質(zhì)，該物質(zhì)可以與所述溶液(300)的生物分子(320)生物或化學(xué)相互作用。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的生物傳感器(200)，其中所述基底由從下列組成的組中選擇的材料制成硅、玻璃、塑料和氧化物。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的生物傳感器(200)，其中所述側(cè)孔(205)具有IOOnm2至20nm2的面積，以及所述納米狹縫(204)具有2nm和IOOOnm之間的高度、2nm和20mm之間的寬度以及2nm和20mm之間的長(zhǎng)度。
5.一種包含多個(gè)如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的生物傳感器(200)的陣列，所述生物傳感器(200)固定在共同支撐體(100)上。
6.一種由一個(gè)或多個(gè)如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的生物傳感器(200)組成的組件，所述組件包含用于激發(fā)和檢測(cè)的光學(xué)裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組件，其中所述光學(xué)裝置是熒光測(cè)量單元，所述熒光測(cè)量單元包含檢測(cè)器，所述檢測(cè)器是諸如檢測(cè)器陣列(CMOS或CCD)的單光子檢測(cè)器、雪崩光電二極管(APD)或光電倍增管(PMT)。
8.一種用于檢測(cè)和測(cè)量熒光生物分子(320)的擴(kuò)散和生物分子相互作用(310，320)的方法，所述方法包括 a)提供至少一個(gè)如權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的生物傳感器(200)； b)通過在生物傳感器(200)上沉積包含熒光生物分子(320)的含水溶液(300)，從側(cè)孔(205)填充所述生物傳感器(200)； c)放置光學(xué)系統(tǒng)(500)，如果與所述含水溶液(300)接觸，則所述光學(xué)系統(tǒng)(500)受污染過濾器(400)保護(hù)； d)確定熒光生物分子(320)和通過光學(xué)檢測(cè)體積的那些熒光生物分子的存在和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，所述光學(xué)檢測(cè)體積能夠部分地或者完全限制在所述納米狹縫(204)內(nèi)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述生物分子(320)是蛋白質(zhì)、DNA、RNA、抗體、氨基酸、核酸、酶、脂質(zhì)分子、多糖或病毒。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所述含水溶液(300)還可以用作通常與液體浸潰物鏡一起使用的液體。
全文摘要
要求保護(hù)一種用于快速檢測(cè)在納米限制范圍的狹縫(204)中擴(kuò)散的生物分子(320)的方法和設(shè)備。具體地，本發(fā)明涉及一種幫助設(shè)備填充的流體側(cè)孔(205)、覆蓋有生物分子的表面以及測(cè)量含水溶液中熒光標(biāo)記生物分子和在表面上固定的其他生物分子之間的親和力的新穎構(gòu)思。
文檔編號(hào)G01N21/05GK102762971SQ201080053842
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者I·梅爾基, T·拉瑟, Y·福尼爾, 尼古拉斯·杜蘭德 申請(qǐng)人:洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院