專利名稱：分析物檢測(cè)方法和分析物檢測(cè)集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)感興趣的分析物的方法，包括提供多個(gè)可單獨(dú)尋址的感測(cè)電極，所述感測(cè)電極包括第一感測(cè)電極，在其表面處包括第一受體，所述第一受體用于選擇性地粘合到感興趣的第一分析物；以及第二感測(cè)電極，在其表面處包括第二受體，所述第二受體用于選擇性地粘合至感興趣的第二分析物。本發(fā)明還涉及一種包括多個(gè)單獨(dú)可尋址感測(cè)電極的集成電路(IC)，所述感測(cè)電極包括第一感測(cè)電極，在其表面處包括第一受體，所述第一受體用于選擇性地粘合到感興趣的第一分析物；以及第二感測(cè)電極，在其表面處包括第二受體，所述第二受體用于選擇性地粘合至感興趣的第二分析物。
本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)這種IC功能的方法。
背景技術(shù)：
生物傳感器可以是指可用于分析物檢測(cè)的設(shè)備，這種設(shè)備將生物部件與物理化學(xué)或者物理檢測(cè)器部件相組合。例如，生物傳感器可以基于這樣的現(xiàn)象在生物傳感器表面上固定不動(dòng)的捕獲分子可以選擇性地與流體樣品中的目標(biāo)分子雜交，例如當(dāng)作為捕獲分子的抗體的抗體結(jié)合片段(antibody-binding fragment)或者DNA單鏈的序列適合目標(biāo)分子的相應(yīng)序列或結(jié)構(gòu)時(shí)。當(dāng)這種雜交或者傳感器事件在傳感器表面發(fā)生時(shí)，這可以改變表面以及表面正上方空間中的電學(xué)性質(zhì)，這可以被檢測(cè)為傳感器事件。許多合適的特定結(jié)合對(duì)(binding pair)候選物本身是已知的,其典型地是基于受體分子和分子(例如藥品)之間的鎖鑰(lock-and-key)類型的相互作用。這使得諸如基于分析(assay)的設(shè)備之類的感測(cè)設(shè)備特別適用于確定諸如DNA、RNA、荷爾蒙、代謝物、藥品等等之類的特定蛋白質(zhì)和其他生物化合物的存在與否，或者適用于確定諸如蛋白質(zhì)、肽、感染性蛋白質(zhì)、酶、核酸適體(aptamer)、核酶(ribozyme)和脫氧核酶(deoxyribozyme)之類的活躍和催化生物分子的活性和功能。例如，免疫分析已經(jīng)用于確定體液中特定蛋白質(zhì)的具體量，以輔助進(jìn)一步的診斷和治療。由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，檢測(cè)這些傳感器的感測(cè)表面上的單獨(dú)捕獲事件已經(jīng)變得切實(shí)可行。在PCT專利申請(qǐng)W02009/047703中公開(kāi)了這種傳感器的示例，其中捕獲分子形成電容器的絕緣層，電容器的極板或感測(cè)電極分別由導(dǎo)電感測(cè)表面和流體樣品形成。捕獲事件引起包括傳感器表面正上方的空間(在其中發(fā)生捕獲事件)在內(nèi)的絕緣層的介電常數(shù)的變化，這影響了電容器的電容。電容變化可以測(cè)量作為例如通過(guò)晶體管的電流上的偏置，如在該申請(qǐng)中的情況那樣。在PCT專利申請(qǐng)W02008/132656中公開(kāi)了一種可選結(jié)構(gòu)，其中公開(kāi)了一種擴(kuò)展柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在作為感測(cè)電極的擴(kuò)展柵的表面上具有捕獲分子，使得可以通過(guò)捕獲事件更改晶體管的柵電勢(shì)。已經(jīng)獲得廣泛注意的另一類生物傳感器是分析型生物傳感器，其中將抗體結(jié)合到磁珠上，磁珠通過(guò)磁力被吸引到攜帶另外抗體的感測(cè)表面，通過(guò)與所述抗體和所述另外抗體形成結(jié)合對(duì)，感興趣的分析物將磁珠結(jié)合到感測(cè)表面。例如，在PCT專利申請(qǐng)W02007/060601中給出了這種分析的示例，但是基于這種磁珠的生物傳感器不太適用于單獨(dú)結(jié)合事件方案中的檢測(cè)。代替地，檢測(cè)體磁(bulk magnetic)信號(hào)，其具有隨著研究的樣品中感興趣分析物的濃度而縮放的幅度。例如，如W02008/132656和W02009/047703中所公開(kāi)，可以將利用不同的受體分子來(lái)對(duì)生物傳感器陣列的不同部分進(jìn)行功能化，使得可以并行地檢測(cè)不同的分析物。這當(dāng)然是有吸引力的，因?yàn)檫@減小了不同分析物的總檢測(cè)時(shí)間。然而，由于最先進(jìn)CMOS生物傳感器的小感測(cè)面積，IC上不同生物傳感器的功能多樣性并非易事。為了能夠檢測(cè)特定的結(jié)合事件，必須知曉哪個(gè)生物傳感器元件(例如，電極或多個(gè)電極)包含哪種受體分子。因此，這要求受體分子在電極上的仔細(xì)放置，例如這可以通過(guò)定點(diǎn)(spotting)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中將包含特定受體的溶液的液滴或液點(diǎn)放置到生物傳感器表面的選定部分上。然而，現(xiàn)代制造技術(shù)促進(jìn)了 IC的提供，所述IC包括生物傳感器陣列，例如具有實(shí) 質(zhì)上小于這些液滴尺寸的間距的電極陣列，使得標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)技術(shù)不適用于提供具有分離受體的單獨(dú)電極。例如，常規(guī)地可以提供幾百平方微米的面積，而通過(guò)普通定點(diǎn)技術(shù)提供的單點(diǎn)直徑典型地在100-300微米的范圍，即大了數(shù)個(gè)量級(jí)以至于不能對(duì)尺寸在IOOnm范圍的單獨(dú)電極進(jìn)行定位。這種點(diǎn)尺寸與整個(gè)傳感器陣列在相同的數(shù)量級(jí)，從而不能夠?qū)⒉煌囊狐c(diǎn)沉積到一個(gè)生物傳感器上。例如，可以通過(guò)使用原子力顯微鏡(AFM)等尖端定點(diǎn)技術(shù)來(lái)提供較小的液點(diǎn)，例如BioForce或者Nanadrop的商用系統(tǒng),但是這些技術(shù)的成本不容許大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，這種傳感器功能化典型地在生物實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，在這些實(shí)驗(yàn)室中這些先進(jìn)的定點(diǎn)技術(shù)可能并不可用。除了以上功能化問(wèn)題之外，與這種生物傳感器陣列相關(guān)聯(lián)的另一問(wèn)題是單分子檢測(cè)信號(hào)通常相當(dāng)弱，使得可能要求較長(zhǎng)的獲得時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)可接受的信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種方法，使用包括多個(gè)感測(cè)電極的IC促進(jìn)了對(duì)不同的感興趣分析物進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，所述方法克服了至少一些上述問(wèn)題。本發(fā)明還旨在提供一種包括多個(gè)感測(cè)電極的1C，能夠改進(jìn)對(duì)不同的感興趣不同分析物進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種對(duì)集成電路進(jìn)行功能化的方法，所述集成電路包括承載多個(gè)感測(cè)電極的暴露表面，所述方法包括提供一種包括多個(gè)生物分子受體分子的溶液，所述多個(gè)生物分子受體分子用于選擇性地結(jié)合到不同的感興趣分析物；以及將所述表面暴露到所述溶液，從而形成所述受體分子在相應(yīng)感測(cè)電極上的隨機(jī)分布。本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí)與新型檢測(cè)技術(shù)(參見(jiàn)下文)相結(jié)合，不再需要預(yù)先知曉具體類型的受體分子在電極陣列上的位置。因此，可以避免使用定點(diǎn)技術(shù)，從而顯著地減小了對(duì)單獨(dú)的生物傳感器元件(例如，單獨(dú)的感測(cè)電極)進(jìn)行功能化的復(fù)雜性。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種檢測(cè)感興趣分析物的方法，包括提供根據(jù)本發(fā)明的功能化方法的功能化集成電路，使得第一感測(cè)電極在其表面處包括第一受體分子，所述第一受體分子用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第一分析物，以及第二感測(cè)電極在其表面處包括第二受體分子，所述第二受體分子用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第二分析物；將所述功能化集成電路暴露到潛在地包括第一分析物和第二分析物中至少一種的樣品；提供具有第一電學(xué)簽名的第一珠子，所述第一珠子附著于第一分子，所述第一分子具有用于依賴于所述樣品中第一分析物的存在而結(jié)合到第一感測(cè)電極的構(gòu)造(confirmation)或者親和力(affinity);提供具有第二電學(xué)簽名的第二珠子，所述第二珠子附著于第二分子，所述第二分子具有用于依賴于所述樣品中第二分析物的存在而結(jié)合到第二感測(cè)電極的構(gòu)造或者親和力；以及分別確定第一電極和第二電極上第一珠子和/或第二珠子的電學(xué)簽名的存在。本發(fā)明的檢測(cè)方法是基于這樣的認(rèn)識(shí)通過(guò)使用具有電學(xué)簽名(electricalsignature)的珠子,其中電學(xué)簽名被設(shè)計(jì)為具有針對(duì)特定類型感興趣分析物的特性,從而可以通過(guò)在感測(cè)電極陣列(多個(gè)感測(cè)電極)上該簽名在某個(gè)地方的出現(xiàn)(或者消失)來(lái)在樣品中檢測(cè)這種感興趣分析物。這同時(shí)也將揭示在本發(fā)明的功能化方法的隨機(jī)分布步驟中，陣列中的哪些電極已經(jīng)用與該感興趣分析物形成結(jié)合對(duì)的受體分子來(lái)進(jìn)行功能化。
可以按照任意合適的方式實(shí)現(xiàn)不同的電學(xué)簽名。優(yōu)選地，第一珠子和第二珠子具有不同的尺寸和/或由不同的材料制成，以實(shí)現(xiàn)這些不同的電學(xué)簽名，例如不同的電容簽名。第一分子和第二分子可以包括在所述樣品中。例如，第一分子具有用于結(jié)合到第一受體分子的親和力，而第二分子具有用于結(jié)合到第二受體分子的親和力。例如，第一和第二分子可以是抗體等，其選擇性地結(jié)合到感興趣的分析物，例如作為三明治分析(sandwichassay)的一部分。在可選實(shí)施例中，結(jié)合事件可以基于置換分析(replacement assay),在這種情況下所述方法還包括步驟在將所述陣列暴露到所述樣品之前，在第一受體分子和第一分子之間以及在第二受體分子和第二分子之間形成相應(yīng)的結(jié)合對(duì)；以及在將所述陣列暴露到所述樣品之后，在所述結(jié)合對(duì)中用第一分析物代替第一分子和/或用第二分析物代替第二分子。在該實(shí)施例中，通過(guò)來(lái)自感測(cè)電極的電學(xué)簽名的消失來(lái)檢測(cè)到結(jié)合事件，因?yàn)樵陔姌O表面處附著有珠子的第一分子被感興趣的分析物所代替。在再一個(gè)實(shí)施例中，第一分子是第一受體分子，而第二分子是第二受體分子，并且其中在不存在感興趣的第一分析物的情況下第一受體分子采用發(fā)夾構(gòu)造(hairpinconfirmation),而在不存在感興趣的第二分析物的情況下第二受體分子采用發(fā)夾構(gòu)造。例如，這是在DNA識(shí)別領(lǐng)域中的合適實(shí)施例，其中互補(bǔ)堿基對(duì)序列典型地采用發(fā)夾或者折疊構(gòu)造，其在與互補(bǔ)DNA序列形成結(jié)合對(duì)時(shí)斷開(kāi)。這將受體分子末端處的珠子從感測(cè)電極的表面移開(kāi)，可以通過(guò)電容變化檢測(cè)到這種移動(dòng)。變化量將至少部分地依賴于珠子的電學(xué)簽名。在另一實(shí)施例中，第一珠子和第二珠子是磁珠。例如，這可以如下使用分別電學(xué)地檢測(cè)第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極上第一珠子和/或第二珠子的存在可以包括至少向第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極提供具有時(shí)變頻率的振蕩電磁場(chǎng)；以及檢測(cè)頻率依賴電容信號(hào)，該頻率依賴電容信號(hào)指示每一所述感測(cè)電極上具體尺寸珠子的存在。因此，由珠子的不同尺寸、不同材料和/或不同重量引起的珠子的不同電學(xué)簽名將使每一珠子在施加的電磁場(chǎng)中諧振，直到其達(dá)到對(duì)于珠子的具體電學(xué)簽名而言特定的臨界頻率為止。大于該頻率，珠子將不再能夠跟隨交變的電磁場(chǎng)，這可以檢測(cè)為感測(cè)電極上方電介質(zhì)的時(shí)變電容的變化，即檢測(cè)到的信號(hào)不再以所施加的電磁場(chǎng)頻率來(lái)調(diào)制。因此，針對(duì)每一電極的臨界諧振頻率的檢測(cè)將確定哪一個(gè)珠子(以及因此哪一種感興趣分析物)已經(jīng)結(jié)合到該感測(cè)電極上(先前未知的)受體分子。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出了一種集成電路，所述集成電路包括多個(gè)可單獨(dú)尋址的感測(cè)電極和與各感測(cè)電極單獨(dú)耦合的信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器適用于基于在所述感測(cè)電極之一上感興趣分析物(40，40’ )的特定結(jié)合事件中所涉及的珠子(60，60’ )的電學(xué)簽名，來(lái)識(shí)別所述特定結(jié)合事件。這種IC促進(jìn)了不同感測(cè)電極上不同的感興趣分析物的并行檢測(cè)，而不需要預(yù)先知曉在哪個(gè)電極上已經(jīng)放置即固定了哪種受體分子。在實(shí)施例中，所述集成電路是功能化的1C，其中相應(yīng)的電極包括不同受體分子的隨機(jī)分布。所述集成電路還可以包括場(chǎng)發(fā)生器，用于向多個(gè)感測(cè)電極施加具有時(shí)變頻率的振蕩電磁場(chǎng)，其中所述信號(hào)處理器適用于通過(guò)感興趣分析物的結(jié)合反應(yīng)中所涉及的珠子在所述振蕩電磁場(chǎng)中的諧振特性，來(lái)識(shí)別所述感興趣分析物。


將參照附圖，通過(guò)非限制性示例，更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖I示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的傳感器設(shè)備；圖2示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)傳感器設(shè)備的電學(xué)置換模型；圖3示意性地示出了具有已經(jīng)使用定點(diǎn)技術(shù)功能化的感測(cè)陣列的IC ；圖4示意性地示出了感測(cè)電極模型；圖5示意性地示出了這種感測(cè)電極的電信號(hào)對(duì)于該電極上方珠子距離的依賴性；圖6示意性地示出了本發(fā)明的檢測(cè)方法的實(shí)施例；圖7示意性地示出了利用圖6的檢測(cè)原理獲得的感測(cè)信號(hào)；圖8示意性地示出了本發(fā)明的另一種檢測(cè)方法的實(shí)施例；圖9示意性地示出了本發(fā)明的再一種檢測(cè)方法的實(shí)施例；圖10示意性地示出了具有已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的方面進(jìn)行功能化的感測(cè)陣列的IC ；圖11示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的IC的實(shí)施例；圖12示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的另一 IC的實(shí)施例；圖13示意性地示出了圖12的IC的工作模型；圖14示意性地示出了在圖13的工作模型中可以獲得的多個(gè)電信號(hào)；圖15是根據(jù)本發(fā)明的示例生物傳感器的顯微圖像；圖16-20示出了利用圖15的生物傳感器獲得的電極的各種信號(hào)跡線；圖21示意性地示出了用于本發(fā)明IC的感測(cè)電極的示例控制信號(hào)；圖22示意性地示出了圖21的示例控制信號(hào)的調(diào)制頻率；以及圖23示意性0地示出了本發(fā)明的珠子檢測(cè)原理的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該理解，附圖只是示意性的并且沒(méi)有按比例繪制。還應(yīng)該理解，貫穿附圖使用相同的參考數(shù)字表示相同或類似的部分。圖I示出了 W02009/047703的傳感器設(shè)備10的實(shí)施例。傳感器設(shè)備10包括串聯(lián)耦合在第一電壓源V1和第二電壓源V2 (例如分別是電源電壓和地)之間的第一晶體管12和第二晶體管14。通過(guò)來(lái)自控制電路15 (例如，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器)的相應(yīng)控制信號(hào)CLKl和CLK2控制第一晶體管12和第二晶體管14。第一晶體管12和第二晶體管14之間的源/漏連接中的節(jié)點(diǎn)連接至承載多個(gè)捕獲分子30的電極16，捕獲分子30用于捕獲來(lái)自樣品20的感興趣分析物40。電極16和樣品20形成電容器C的電容器極板，極板通過(guò)由一個(gè)或多個(gè)捕獲分子30形成的電介質(zhì)層18分離。在操作中，通過(guò)第一晶體管12將電極16與電壓源V1相連來(lái)對(duì)電容器C充電。隨 后捕獲事件的發(fā)生，即捕獲分子30和感興趣分析物40的分子之間結(jié)合對(duì)的形成，導(dǎo)致電介質(zhì)層18的介電常數(shù)的變化，從而影響電容器C的電容。因此，在通過(guò)將第一晶體管切換到非導(dǎo)通狀態(tài)同時(shí)將第二晶體管14切換到導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)讀出電容器C時(shí)，可以根據(jù)從電極16流到第二電壓源V2的電荷來(lái)得出電容變化。電介質(zhì)層18的介電常數(shù)的變化典型地受到表面電勢(shì)變化和體積對(duì)于介電常數(shù)的貢獻(xiàn)的影響，這將結(jié)合圖2更加詳細(xì)地予以解釋。更具體而言，傳感器10的信號(hào)(S)是三個(gè)阻抗的函數(shù)，如圖2所示。每一個(gè)阻抗對(duì)于接近的分析物顆粒敏感，即如等式(I)所示S = S (Cn, Re, Ce)(I)電極電容Cn、電解液電阻Re和電解液電容Ce都由傳感器電極的幾何尺寸確定。在不存在分析物顆粒的情況下，可以將這些阻抗表示為如等式(2)-(4)所示C=C11Ti^(2)
R _ 16 1I ~
371 d(3)
_7] Ce = -S11S,(4)這里,d是電極的直徑,C0是電介質(zhì)層18 (例卯，硫醇化(thiolated) SAM或者硫醇化(thiolated)DNA雜交探針)的電容密度，oE是電解液的dc電阻率，e。是真空介電常數(shù)(8. 854xlO_12C/V-m)，以及e E是電解溶液的相對(duì)介電常數(shù)。典型的數(shù)值將是對(duì)于PT2，d =130nm ;對(duì)于硫醇化SAM, C0 = 0. 01F/m2 ;對(duì)于150mM的磷酸鹽緩沖溶液,其中I升去離子水中包括 2g NaCl,0. 2g KCl，0. 2g Na2HPO4 和 0. 2g KH2PO4, o E = I. 57S 并且 e E = 75. 4 ;對(duì)于生理溶液中的納米電極，得到典型的數(shù)值是(；=133& ，(^,(|=160& 并且1^(| = 2.60。注意可以將等式(2)-(4)的阻抗看作是與(生物)傳感器10相關(guān)的基本阻抗。在電極表面(附近的)鄰近區(qū)域中分析物顆?；蛘呱锓肿拥拇嬖谟绊戇@些阻抗。圖I的生物傳感器元件是用于IC的合適傳感器元件的非限制性示例，所述IC包括由多個(gè)單獨(dú)可控的電容感測(cè)電極16形成的傳感器陣列。這些感測(cè)電極的其他實(shí)施例(例如在W02008/132656中公開(kāi)的感測(cè)元件)同樣是切實(shí)可行的。應(yīng)該理解，本發(fā)明的范圍不是具體局限于特定類型的電容感測(cè)元件；適于集成到IC中并且能夠檢測(cè)單獨(dú)的特定結(jié)合事件的任意感測(cè)元件可以用于本發(fā)明的場(chǎng)景中。如前所述，可以將在例如W02008/132656和W02009/047703中公開(kāi)的感測(cè)電極的陣列進(jìn)行功能化以同時(shí)檢測(cè)多種感興趣分析物，從而提供強(qiáng)大的芯片實(shí)驗(yàn)室解決方案。圖3示出了這種功能化的現(xiàn)有技術(shù)方案，其中IClO的表面承載按照二維陣列或者網(wǎng)格組織的多個(gè)合適感測(cè)電極16。只是作為非限制示例，電極16具有方形形狀；電極16可以具有任意合適的形狀，例如圓形形狀。在該陣列中可以識(shí)別出四個(gè)區(qū)域50，其表示利用特定類型的受體分子功能化的不同區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域50中的感測(cè)電極16承載不同的受體，使得IC 10能夠在四個(gè)不同的感測(cè)區(qū)域50中同時(shí)檢測(cè)四種不同類型的感興趣分析物?？梢允褂霉亩c(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能化區(qū)域50的形成，其中將包含所需受體分子的溶液液滴沉積到指定的區(qū)域。液滴的直徑典型地是幾百微米，而現(xiàn)代IC制造工藝使得可以產(chǎn)生具有亞微米尺寸的感測(cè)電極16(為此原因，有時(shí)將這些電極稱作納米電極)，從而至 少在使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)技術(shù)時(shí)不能夠避免大量感測(cè)電極16被相同的受體分子覆蓋。因此，通過(guò)以下事實(shí)可以容易地識(shí)別已經(jīng)使用這種定點(diǎn)技術(shù)功能化的IC 10 :已經(jīng)同質(zhì)地功能化了IC 10的感測(cè)陣列的區(qū)域50，即這種區(qū)域50內(nèi)的所有感測(cè)電極承載相同的受體分子。應(yīng)該注意，利用這些受體對(duì)電極表面功能化本身是已知的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠想到許多合適的處理(例如，在受體要結(jié)合到的感測(cè)電極16的表面上形成自組裝單層)，從而為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)不再進(jìn)一步詳細(xì)地解釋本發(fā)明的這一方面。上述定點(diǎn)技術(shù)可能是有問(wèn)題的。首先，由于需要仔細(xì)地將IC 10與定點(diǎn)設(shè)備(例如噴墨打印頭)對(duì)齊，并且需要在定點(diǎn)工藝中應(yīng)用若干清洗步驟，定點(diǎn)工藝是耗時(shí)的。例如，仔細(xì)的對(duì)齊必須確保對(duì)所需感測(cè)電極16進(jìn)行功能化，以便準(zhǔn)確檢測(cè)出IC 10能夠檢測(cè)的一組分析物中一種具體感興趣分析物的存在，需要預(yù)先知曉哪種受體分子30已經(jīng)附著到感測(cè)電極16表面。此外，標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)技術(shù)不能用于具有微米或者亞微米尺寸的IC 10。例如，申請(qǐng)人能夠生產(chǎn)一種具有總尺寸僅為幾百平方微米的感測(cè)陣列的1C，對(duì)于這種1C，感測(cè)功能的差異化變得不能利用這種標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閱蝹€(gè)液點(diǎn)或液滴將覆蓋整個(gè)感測(cè)陣列。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)基于以下認(rèn)識(shí)解決了這一問(wèn)題。本身已知的是提供顆?；蛘咧樽幼鳛榉治鲂纬煞磻?yīng)(assay forming reaction)中的標(biāo)簽,例如在W02007/060601中詳細(xì)解釋的那樣。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到可以使用電容感測(cè)電極16來(lái)電容性地感測(cè)這種珠子。另外，本發(fā)明的發(fā)明人還認(rèn)識(shí)到通過(guò)對(duì)于不同類型的特定結(jié)合對(duì)，即特定的感興趣分析物40與其匹配受體分子30的(間接)直接結(jié)合，來(lái)選擇不同類型的珠子，可以通過(guò)在形成具體的特定結(jié)合對(duì)中所涉及的珠子的特定電學(xué)簽名來(lái)檢測(cè)這種特定結(jié)合對(duì)的形成。通過(guò)提供多個(gè)具有不同電學(xué)簽名的珠子、并且將不同的珠子與不同的結(jié)合對(duì)相關(guān)聯(lián)，不再需要預(yù)先知曉受體分子30在具體感測(cè)電極16上的位置，因?yàn)榭梢詫?duì)于具體的特定結(jié)合事件而言唯一的電學(xué)簽名的檢測(cè)用于識(shí)別具體的感興趣分析物的存在。換句話說(shuō)，感興趣的分析物不再通過(guò)檢測(cè)感測(cè)電極16陣列中特定位置處的信號(hào)來(lái)檢測(cè)，而是通過(guò)在該陣列內(nèi)的任意位置處可能出現(xiàn)的唯一電容性信號(hào)來(lái)檢測(cè)。為此，每一感測(cè)電極16必須能夠檢測(cè)單獨(dú)的珠子及其電學(xué)簽名?？梢酝ㄟ^(guò)改變用于不同珠子的尺寸和/或材料來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電學(xué)簽名。這可以根據(jù)以下等式(5)來(lái)理解
該模型表示由在位置&處將珠子插入到電解液中引起的電解液導(dǎo)納改變A Ye，珠子具有半徑a、dc電導(dǎo)率Ob和介電常數(shù)eB，電解液具有DC電導(dǎo)率Oe和介電常數(shù)eE。這里，《是(諧波)角頻率，尾urfe)是在插入顆粒之前顆粒位置處電解液中的局部電場(chǎng)，以及V是在納米電極的SAM-電解液界面處的平均電壓(假設(shè)相對(duì)電極是0電壓)。從等式
(5)可以看到，信號(hào)幅度倍增可以由三個(gè)參數(shù)引起體積(4Jia3)、電導(dǎo)率(Ob)以及介電常數(shù)(e B)。圖4示出了具有典型的75nm電極半徑r的圓形感測(cè)電極，圖5示出了在圓形感測(cè)電極中心處的比率(E/V)2作為傳感器上方的高度z的函數(shù)，Wz = O處進(jìn)行歸一化。從等式(5)可以看出，電容變化與顆?；蛑樽拥捏w積及其相對(duì)于介質(zhì)的介電性質(zhì)直接成比例。假定這樣的事實(shí)當(dāng)與生物分子相比較時(shí)，珠子典型地具有大得多的尺寸(大約大10-100倍)，并且可以選擇或者調(diào)諧其材料性質(zhì)，珠子或標(biāo)簽提供增加信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，使得除了能夠避免將定點(diǎn)技術(shù)用于IC 10的感測(cè)電極16的功能多樣性之外，另外的優(yōu)勢(shì)是可以獲得改進(jìn)的信號(hào)強(qiáng)度，這不但有助于在不同的電學(xué)簽名之間進(jìn)行區(qū)分，而且也減小了感測(cè)試驗(yàn)的獲取時(shí)間。圖6示出了本發(fā)明的示例實(shí)施例,其基于三明治(或者ELISA)分析的原理。IC 10可以包括多個(gè)感測(cè)電極16、16’。作為非限制性示例并且只是為了清楚起見(jiàn)，示出了兩個(gè)電極。電極16、16’承載不同的受體分子30、30’。受體分子30(例如抗體、互補(bǔ)DNA鏈等等)能夠與感興趣的分析物40形成特定的結(jié)合對(duì)，而與受體分子30不同的受體分子30’能夠與另一種感興趣的分析物40’形成特定的結(jié)合對(duì)。感興趣的分析物40能夠與另一分子45 (例如另一種受體)形成另一種特定的結(jié)合對(duì)，該另一分子45附著珠子60作為標(biāo)簽。感興趣的分析物40’能夠與另一分子45’ (例如另一種受體)形成另一種特定的結(jié)合對(duì)，該另一分子45’附著珠子60’作為標(biāo)簽。珠子60和60’具有不同的電學(xué)簽名，即分別按照不同且可檢測(cè)的方式影響包括感測(cè)電極16和16’在內(nèi)的IClO的電容性感測(cè)元件的電容，使得可以通過(guò)這種電學(xué)簽名來(lái)檢測(cè)諸如感興趣的分析物40和40’之類的感興趣分析物的特定結(jié)合事件。在圖7中示出了從感測(cè)電極16得出的傳感器信號(hào)的簡(jiǎn)化表示，作為感興趣分析物40結(jié)合到受體分子30和包括珠子60的另一分子45結(jié)合到感興趣分析物40的函數(shù)。這說(shuō)明了當(dāng)包括珠子60的另一分子45結(jié)合到感興趣分析物40時(shí)，獲得了信號(hào)強(qiáng)度的大大增力口，從而如前所述通過(guò)電容器極板之間的電介質(zhì)性質(zhì)的顯著變化顯著地影響了包括感測(cè)電極16在內(nèi)的電容性傳感器的電容。在圖6中，已經(jīng)通過(guò)對(duì)于珠子60和60 ’選擇不同的半徑實(shí)現(xiàn)了不同的電學(xué)簽名。應(yīng)該理解的是，可以按照任意合適的方式實(shí)現(xiàn)不同珠子之間電學(xué)簽名的差異，例如通過(guò)使用具有不同介電常數(shù)的材料、單獨(dú)珠子中不同材料的組合(例如，由具有包層或者殼的核形成的珠子，其中可以單獨(dú)地改變核和包層或殼材料)、不同尺寸珠子和不同珠子材料的組合等等。在實(shí)施例中，珠子60和60’是包括細(xì)鐵粒的聚苯乙烯珠子。這種珠子是從Ademtech公司購(gòu)得?？蛇x地，珠子60和60’可以是例如金珠、銀珠等等的金屬珠子，或者珠子可以包括電介質(zhì)材料，例如聚苯乙烯、聚丙烯、二氧化硅等等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠想到相對(duì)于樣品介質(zhì)(例如水)建立足夠電學(xué)對(duì)比的珠子的其他合適材料。本發(fā)明不局限于三明治分析。可以與本發(fā)明實(shí)施例結(jié)合使用任意合適類型的分析。例如，圖8示出了可選實(shí)施例，其中示出了置換分析。在該實(shí)施例中，在將IC 10暴露到潛在地包括感興趣分析物40的樣品之前，使與另一分子45結(jié)合的珠子60結(jié)合到匹配受體30。在暴露到感興趣分析物40時(shí)，將包括珠子60的另一分子45從受體分子30驅(qū)除，并且替換以感興趣分析物40，從而在感興趣分析物40和受體分子30之間形成特定結(jié)合對(duì)，導(dǎo)致從感測(cè)電極16去除珠子60，這可以通過(guò)其電學(xué)簽名的消失來(lái)檢測(cè)，從而發(fā)信號(hào)表示感興趣分析物40和受體分子30之間的特定結(jié)合事件。通過(guò)利用不同感測(cè)電極16上的不同受體分子30并且結(jié)合針對(duì)不同受體分子具有不同電學(xué)簽名的珠子，可以通過(guò)相應(yīng)的特征電學(xué)簽名從各感測(cè)電極16消失來(lái)同時(shí)檢測(cè)不同的感興趣分析物。也可以采用其他類型的分析，例如競(jìng)爭(zhēng)分析法。在以上示例中，已經(jīng)將珠子60和60’附著到與感興趣分析物相互作用的分子上?？蛇x地，可以用珠子60和60’直接標(biāo)記各種感興趣的分析物。
本發(fā)明的原理不局限于基于分析的分析物檢測(cè)。圖9示出了可選實(shí)施例，其中將珠子60附著到感測(cè)電極16表面上的受體分子30。在該實(shí)施例中，受體分子30形成分子信標(biāo)，例如DNA發(fā)夾，其中受體分子采用內(nèi)部折疊的構(gòu)造(internally foldedconformation),從而使得珠子60與感測(cè)電極16的表面相距第一距離。在特定結(jié)合事件中與感興趣分析物40 (例如互補(bǔ)DNA單鏈)接合時(shí)，受體分子通過(guò)展開(kāi)為更加線性或者伸展的構(gòu)造來(lái)改變其構(gòu)造，這使珠子60移動(dòng)至感測(cè)電極16上方的新位置，與第一距離相比，該新位置相距感測(cè)電極16不同的距離。這引起了感測(cè)電極16上方電容的變化，變化的幅度由珠子60的電學(xué)簽名支配。因此，具有不同電學(xué)簽名的不同珠子60以及IC 10的相應(yīng)感測(cè)電極16上不同類型受體分子30的結(jié)合使用，將允許通過(guò)由不同受體分子30在與匹配的感興趣分析物形成特定結(jié)合對(duì)時(shí)的展開(kāi)而導(dǎo)致的各種電容變化，來(lái)同時(shí)檢測(cè)不同的感興趣分析物?？梢酝ㄟ^(guò)IC 10的表面暴露到包含多個(gè)所需受體分子30、30’的樣品，來(lái)將包括多個(gè)感測(cè)電極16的IC 10的表面進(jìn)行功能化。這導(dǎo)致受體分子在感測(cè)電極16上的隨機(jī)分布。這在圖10中示意性地示出。得到的功能化IClO可以容易地區(qū)別于使用定點(diǎn)技術(shù)來(lái)對(duì)感測(cè)電極16陣列的功能化進(jìn)行差別化處理的現(xiàn)有技術(shù)1C，因?yàn)楸景l(fā)明的差別化IC在各感測(cè)電極16的表面上表現(xiàn)出各種受體分子30的隨機(jī)(即無(wú)序)分布，而在現(xiàn)有技術(shù)IC中存在高度的秩序(如在圖3的詳細(xì)描述中所解釋的那樣按區(qū)域分組)。應(yīng)該理解，圖10提供了得到的IC 10的簡(jiǎn)化表示。實(shí)際上，大多數(shù)感測(cè)電極將包括多于一種類型的受體分子30，并且一些感測(cè)電極16根本沒(méi)有被功能化。然而，這并不成問(wèn)題，單獨(dú)感測(cè)電極30上多種類型受體30的存在可以容易地檢測(cè)到，因?yàn)樵跇悠分写嬖诙嘤谝环N合適的感興趣分析物時(shí)，在該感測(cè)電極處可能發(fā)生多個(gè)結(jié)合事件，從而得到的傳感器信號(hào)是這些結(jié)合反應(yīng)中所涉及的珠子60的電學(xué)簽名的集合?？墒褂靡阎臄?shù)學(xué)原理將該傳感器信號(hào)分解為單獨(dú)的分量?？蛇x地，可以使用以下借助圖21-23更加詳細(xì)解釋的信號(hào)調(diào)制技術(shù)在頻域中檢測(cè)各種結(jié)合事件。圖11更加詳細(xì)地示出了本發(fā)明的IC的實(shí)施例。IC 10包括具有多個(gè)感測(cè)元件的傳感器陣列70，每一個(gè)感測(cè)元件均包括在IC 10的暴露表面處的分離感測(cè)電極16。可以如上所述對(duì)感測(cè)電極16功能化?？蛇x地，可以使用已知的定點(diǎn)技術(shù)對(duì)感測(cè)電極16功能化。IC10還包括信號(hào)處理器80，所述信號(hào)處理器與感測(cè)陣列70的感測(cè)元件單獨(dú)地相連。信號(hào)處理器80還配置用于檢測(cè)包括相應(yīng)感測(cè)電極16在內(nèi)的每一個(gè)感測(cè)元件上的珠子60的電學(xué)簽名。為此，例如，信號(hào)處理器可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器82，例如查找表，可以將多個(gè)預(yù)先定義的電學(xué)簽名與分配給該簽名的感興趣分析物一起存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。在操作中，信號(hào)處理器80可以將檢測(cè)的電學(xué)簽名與存儲(chǔ)的電學(xué)簽名進(jìn)行比較，并且在匹配時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)表不檢測(cè)到向存儲(chǔ)器82中存儲(chǔ)的電學(xué)簽名所分配的感興趣分析物。信號(hào)處理器80還可以配置用于對(duì)具體的感興趣分析物的檢測(cè)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如通過(guò)對(duì)其相關(guān)聯(lián)珠子的電學(xué)簽名的肯定匹配次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且提供這種次數(shù)作為被測(cè)樣品中感興趣分析物濃度的表示。例如，IC 10可以形成包括流體通道的傳感器設(shè)備(未示出)的一部分，在所述流體通道中暴露出感測(cè)陣列70，其中在典型的測(cè)量期間，通過(guò)所述流體通道饋送可能包含至 少一種感興趣分析物的樣品，從而使得感測(cè)陣列70與樣品接觸?？梢詰?yīng)用后續(xù)的沖洗步驟，以去除任意未反應(yīng)的感興趣分析物，并且特別是去除任意未結(jié)合的珠子，以避免這些珠子污染感測(cè)陣列70并且破壞與相應(yīng)感測(cè)電極16結(jié)合的珠子的電學(xué)簽名。返回圖11,應(yīng)該注意,迄今為止，已經(jīng)針對(duì)由相應(yīng)感測(cè)電極16檢測(cè)的電容大小或幅度變化，解釋了電學(xué)簽名的檢測(cè)。然而，在頻域中檢測(cè)電學(xué)簽名同樣切實(shí)可行。在圖12中示出了配置用于在頻域中檢測(cè)電學(xué)簽名的IC的實(shí)施例。除了圖11中已經(jīng)示出的特征之夕卜，IClO還包括電磁場(chǎng)發(fā)生器90，其適用于使感測(cè)陣列70受到具有可變頻率f的振蕩電磁場(chǎng)。在該實(shí)施例中，各種珠子60應(yīng)該是導(dǎo)電和/或磁性珠子。在操作中，電磁場(chǎng)發(fā)生器90使感測(cè)陣列70受到連續(xù)增加或降低頻率的電磁場(chǎng)，即按照該頻率旋轉(zhuǎn)場(chǎng)極性的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。這引起了珠子60在施加的電磁場(chǎng)中振蕩，如圖13所不。在(I)中，電磁場(chǎng)92對(duì)于珠子60具有排斥效應(yīng),從而強(qiáng)迫其遠(yuǎn)離感測(cè)電極16的表面，而半個(gè)周期之后，電磁場(chǎng)92對(duì)于珠子60具有吸引效應(yīng)，從而強(qiáng)迫其朝向感測(cè)電極16的表面。由受體分子30、感興趣分析物40以及諸如三明治分析中的另一抗體之類的另一分子形成的特定結(jié)合對(duì)中的構(gòu)造靈活性促進(jìn)的這種周期性位移，導(dǎo)致了由包括感測(cè)電極16的感測(cè)元件所檢測(cè)到的感測(cè)信號(hào)以振蕩電磁場(chǎng)92的頻率而被調(diào)制。依賴于珠子60的尺寸，運(yùn)動(dòng)阻力或者位移阻力將改變。對(duì)于每一個(gè)珠子60，將存在臨界振蕩頻率，在所述臨界振蕩頻率以上，珠子不能夠跟隨所施加的電磁場(chǎng)92，因?yàn)?樣品)流體中的粘滯拖曳抑制了珠子60跟隨該場(chǎng)。該截止頻率與珠子60的尺寸直接相關(guān)。換句話說(shuō)，不同尺寸的珠子60將表現(xiàn)出不同的截止頻率，使得可以將具有特定尺寸的珠子的截止頻率的確定用于檢測(cè)與該珠子相關(guān)聯(lián)的感興趣分析物的存在。為此，信號(hào)處理器80適用于確定當(dāng)具體的感測(cè)元件所檢測(cè)的電容性信號(hào)的調(diào)制消失時(shí)的場(chǎng)頻率，并且將該截止頻率與在存儲(chǔ)器82中與相關(guān)聯(lián)的感興趣分析物一起存儲(chǔ)的截止頻率進(jìn)行比較。信號(hào)處理器80還可以適用于控制電磁場(chǎng)發(fā)生器90。在圖14中示意性地示出了截止頻率對(duì)于針對(duì)三個(gè)不同尺寸珠子而產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)制的影響。珠子60是最大的珠子,而珠子60”是最小的珠子,珠子60’具有中間尺寸。應(yīng)該立即明白的是對(duì)于這些不同尺寸的珠子，獲得了不同的截止頻率?，F(xiàn)在將通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)示例，更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明概念的驗(yàn)證。應(yīng)該理解的是只是為了說(shuō)明性目的而選擇了這些示例，并且不應(yīng)該將它們解釋為按照任意方式限制本發(fā)明的范圍。圖15示出了包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的集成電路10的生物傳感器的顯微圖像。IC10包括65536個(gè)圓形金電極16的規(guī)則256*256陣列，每一個(gè)電極均具有130nm的直徑，由圖15右手側(cè)的圖像的放大部分所示。如W0200/047703中公開(kāi)的那樣，傳感器電極16與一對(duì)串聯(lián)連接的晶體管相連，并且具體地如該申請(qǐng)的圖I所示。在圖15中，利用暴露的連接110將IC 10安裝到載體100上。應(yīng)該理解的是這只是為了清楚起見(jiàn)，并且典型地用模制品覆蓋連接110，以防止當(dāng)將IC 10暴露到流體樣品中時(shí)的短路。在以下實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)使用了圖15所示的生物傳感器。
實(shí)驗(yàn)I將生物傳感器的IC 10暴露到IOmM磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中。在初始暴露到PBS溶液之后，將IC 10暴露到去離子水(mQ級(jí))中10分鐘，接著暴露到IOmM PBS溶液中10分鐘。隨后暴露到包括聚苯乙烯珠子的IOmM PBS溶液中，聚苯乙烯珠子包括細(xì)鐵粒。珠子具有500nm的直徑。最后，將IC 10暴露到IOmM的PBS溶液中再10分鐘。實(shí)驗(yàn)2在該實(shí)驗(yàn)中，將IC 10暴露到與實(shí)驗(yàn)I中相同序列的溶液中，不同之處在于使用具有119nm直徑的珠子。圖16示出了在實(shí)驗(yàn)I期間獲得的IC 10的兩個(gè)電極16的測(cè)量信號(hào)210和220?？梢钥闯?，在用圖15中標(biāo)記為mQ的去離子水溶液代替PBS溶液時(shí)，觀察到了電容傳感器的電容的較大下降，這是由與PBS溶液相比較，去離子水的不同介電和導(dǎo)電性質(zhì)造成的。可以觀察到的并且由虛線箭頭表示的電容較大下降是由電極16上方氣泡的通過(guò)引起的。這導(dǎo)致了電極16上方介質(zhì)的介電常數(shù)暫時(shí)接近1，減小了包括電極16在內(nèi)的電容器的電容，這是已知的。在用PBS溶液代替去離子水時(shí)，包括電極16在內(nèi)的電容器的電容再次增加。一旦將珠子添加到PBS溶液中，所測(cè)電容的向下尖峰清楚可見(jiàn)，如圖15中的實(shí)線箭頭表示。這種電容下降是由在感測(cè)電極16上方行進(jìn)的電絕緣珠子引起的。應(yīng)該理解，尖峰的大小除其他因素之外，依賴于珠子與感測(cè)電極16的重疊以及珠子與感測(cè)電極16的距離。重要的是觀察到信號(hào)跡線210和220清楚地說(shuō)明，在PBS+BEADS時(shí)間段期間，珠子信號(hào)比這些信號(hào)中的典型噪聲電平強(qiáng)得多。圖17針對(duì)不同電極16的多個(gè)信號(hào)跡線更加詳細(xì)地示出了圖16的PBS+BEADS時(shí)間段的一部分。這里，如實(shí)線箭頭所示，可以清楚的認(rèn)識(shí)到，通過(guò)電極16之一的珠子引起包括該感測(cè)電極16作為其極板之一的電容器的電容明顯下降。從圖18中可以得出，IClO的單獨(dú)電極16能夠檢測(cè)單獨(dú)珠子的另外證據(jù)，圖18示出了圖15中IC 10的130nm金電極16的信號(hào)跡線。如實(shí)線箭頭所示，電容下降歸因于足夠鄰近區(qū)域中通過(guò)金電極16表面的電絕緣珠子，使得通過(guò)金電極16檢測(cè)到500nm直徑的珠子。然而應(yīng)該理解，珠子具有比金電極16顯著地大的直徑。當(dāng)IC的金電極16之間的間距是300nm左右時(shí)，這意味著這種珠子也必須部分地與相鄰的金電極重疊，這將在與主檢測(cè)事件同時(shí)觸發(fā)這些周?chē)姌O的信號(hào)跡線中較小幅度的檢測(cè)信號(hào)。如圖18中的虛線箭頭所示，可以觀察到這種次級(jí)檢測(cè)事件。圖16-18證明了檢測(cè)到通過(guò)IClO表面上方的珠子。圖19證明了可以在靜止在電極16表面上的同時(shí)檢測(cè)到珠子。示出了在實(shí)驗(yàn)I期間獲得的IC 10的單獨(dú)金電極16的若干信號(hào)跡線，包括信號(hào)跡線250和260。如實(shí)線箭頭所示，信號(hào)跡線250和260示出了實(shí)驗(yàn)I的PBS+BEADS時(shí)間段期間電容的顯著下降，這種減小在隨后的PBS沖洗時(shí)間段期間反轉(zhuǎn)。在信號(hào)跡線250和260中觀察到的電容的這種持續(xù)下降歸因于粘附到相應(yīng)金電極16表面上的珠子?？梢钥闯觯谥樽诱掣降诫姌O表面期間，觀察不到(另外的)單獨(dú)珠子事件。應(yīng)該注意的是為了完整性，尚未完全理解這些珠子粘附到電極16的金表面上背后的機(jī)制。圖20示出了在實(shí)驗(yàn)2期間獲得的相應(yīng)單獨(dú)電極16的多個(gè)信號(hào)跡線，其中使用119nm電絕緣珠子來(lái)代替實(shí)驗(yàn)I的500nm的珠子。在圖20中示出了該實(shí)驗(yàn)的PBS+BEADS工作段。實(shí)線箭頭表示由金電極16檢測(cè)到的珠子粘附事件，而虛線箭頭表示珠子經(jīng)過(guò)金電極16。應(yīng)該注意，為了清楚起見(jiàn)，圖20的Y軸示出了電容的減小而不是電容，從而將圖20中 的珠子檢測(cè)事件表示為信號(hào)跡線中的正變化。更具體地，Y軸顯示了 A/D轉(zhuǎn)換器代碼，該代碼的增加對(duì)應(yīng)于測(cè)量電容的減小。圖21示意性示出了 IC 10的電極16的控制信號(hào)300的優(yōu)選實(shí)施例?？刂菩盘?hào)300包括第一調(diào)制，其典型的是高頻調(diào)制，典型地位于MHz域中；以及第二調(diào)制，其由圖21中的虛線表示，并且是比第一調(diào)制低得多的頻率，并且典型地在kHz域。在圖22中示出了控制信號(hào)300的調(diào)制頻率。高頻調(diào)制用于改善電容測(cè)量的分辨率，因?yàn)槭褂酶哳l調(diào)制信號(hào)能夠精確地測(cè)量小電容這本身是已知的?，F(xiàn)在將更加詳細(xì)的解釋第二頻率調(diào)制的目的。當(dāng)諸如珠子60之類的珠子經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)(生物)分子而附著到電極16的表面時(shí)，珠子60將試圖跟隨控制信號(hào)300中的調(diào)制，因?yàn)檫@種調(diào)制使電極16上方的電場(chǎng)以第一和第二調(diào)制頻率而被調(diào)制。第一(高)頻率調(diào)制對(duì)于珠子60或60’而言太高而不能夠?qū)@種調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)，因?yàn)橹樽?0所懸置于的介質(zhì)的粘滯拖曳太高而不允許珠子60跟隨這種調(diào)制。然而，具有nm尺寸的珠子60的臨界響應(yīng)頻率典型地位于kHz域。臨界響應(yīng)頻率是珠子60可以跟隨的最大調(diào)制頻率。因?yàn)榕R界響應(yīng)頻率由珠子60的物理性質(zhì)支配，主要由其尺寸支配，不同尺寸的珠子60將表現(xiàn)出不同的臨界響應(yīng)頻率，如圖23中的箭頭400所示。為此，IC 10的控制電路可以適用于執(zhí)行控制信號(hào)300的信號(hào)掃描，其中將第二(低頻)調(diào)制的頻率系統(tǒng)地從第一頻率值改變?yōu)榈诙l率值，或者按照離散步長(zhǎng)改變或者連續(xù)地改變。只要控制信號(hào)30的第二調(diào)制頻率保持小于具體珠子60的臨界響應(yīng)頻率，電極16將產(chǎn)生以第二調(diào)制頻率調(diào)制的電容信號(hào)，因?yàn)橹樽?0能夠跟隨電場(chǎng)中感應(yīng)的變化，即珠子60能夠根據(jù)所施加的電場(chǎng)而振蕩，從而引起包括電極16在內(nèi)的電容器的電容的調(diào)制變化。然而，一旦控制信號(hào)300的第二調(diào)制頻率超過(guò)具體珠子60的臨界響應(yīng)頻率，電極16所檢測(cè)的信號(hào)的調(diào)制將消失，因?yàn)橹樽硬辉倌軌蚋S電場(chǎng)方向的變化，即變得靜止不動(dòng)，使得包括電極16在內(nèi)的電容器的電容值調(diào)制將消失。因?yàn)椴煌闹樽?0典型地具有不同的臨界響應(yīng)頻率，具體珠子60在電極16上的結(jié)合事件可以簡(jiǎn)單地通過(guò)其臨界響應(yīng)頻率的確定來(lái)檢測(cè)。這也使得可以同時(shí)檢測(cè)單一電極16上不同的感興趣分析物的結(jié)合事件，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)其相關(guān)聯(lián)珠子的唯一臨界響應(yīng)頻率來(lái)識(shí)別每一個(gè)結(jié)合事件，從而可以在第二調(diào)制頻率的單獨(dú)頻率掃描中容易地檢測(cè)到多個(gè)結(jié)合事件。最后需要指出的是，本發(fā)明的方法和IC適用于涉及特定結(jié)合事件的所有已知生物親和反應(yīng)(affinity reaction),結(jié)合事件例如DNA、蛋白質(zhì)、核酸適體(aptamer)、膜蛋白質(zhì)結(jié)合反應(yīng)等等。應(yīng)該注意，上述實(shí)施例說(shuō)明而不是限制本發(fā)明，并且在不脫離所附權(quán)利要求范圍的情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)許多替代的實(shí)施例。在權(quán)利要求中，放置在括號(hào)中的任意參考符號(hào)不應(yīng)該解釋為限制權(quán)利要 求。詞語(yǔ)“包括”不排除權(quán)利要求中列舉的元件或步驟之外的其他元件或步驟的存在。元件前的詞語(yǔ)“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)這種元件的存在?？梢酝ㄟ^(guò)包括若干不同元件的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在枚舉了若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，可以通過(guò)同一硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些裝置的若干裝置。在相互不同的從屬權(quán)利要求中闡述具體措施的事實(shí)不表示不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
1.ー種對(duì)集成電路(10)進(jìn)行功能化的方法，所述集成電路包括承載多個(gè)感測(cè)電極(16)的暴露表面，所述方法包括 提供ー種包括多個(gè)生物分子受體分子(30，30’ )的溶液，所述多個(gè)生物分子受體分子(30，30’ )用于選擇性地結(jié)合到不同的感興趣分析物(40，40’ );以及 將所述表面暴露到所述溶液，從而形成所述受體分子在相應(yīng)感測(cè)電極上的隨機(jī)分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟向所述集成電路(10)提供信號(hào)處理器(80)，所述信號(hào)處理器與各感測(cè)電極(16，16’ )單獨(dú)耦合，所述信號(hào)處理器適用于基于在所述感測(cè)電極之一上感興趣分析物(40，40’ )的特定結(jié)合事件中所涉及的珠子(60，60’ )的電學(xué)簽名，來(lái)識(shí)別所述特定結(jié)合事件。
3.—種檢測(cè)感興趣分析物的方法，包括 提供根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功能化的集成電路(10)，使得第一感測(cè)電極(16)在其表面處包括第一受體分子(30)，所述第一受體分子(30)用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第一分析物(40)，以及第二感測(cè)電極在其表面處包括第二受體分子(30’)，所述第二受體分子(30’ )用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第二分析物(40’ )； 將所述功能化的集成電路暴露到可能包括感興趣的第一分析物和第二分析物中至少一種的樣品； 提供具有第一電學(xué)簽名的第一珠子(60)，所述第一珠子附著于第一分子(30，40，45)，所述第一分子(30，40，45)具有用于依賴于所述樣品中第一分析物(40)的存在而結(jié)合到第一感測(cè)電極的構(gòu)造或者親和カ； 提供具有第二電學(xué)簽名的第二珠子出0’)，所述第二珠子附著于第二分子(30’，40’，45’)，所述第二分子(30’，40’，45’)具有用于依賴于所述樣品中第二分析物(40’)的存在而結(jié)合到第二感測(cè)電極的構(gòu)造或者親和カ；以及 分別確定第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極上第一珠子和/或第二珠子的電學(xué)簽名的存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一珠子￠0)和所述第二珠子出0’)具有不同的尺寸和/或由不同的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述樣品中包括第一分子(40，45)和第二分子(40，，45，)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一分子(40，45)具有用于結(jié)合到第一受體分子(30)的親和力，而所述第二分子(40’，45’)具有用于結(jié)合到第二受體分子(30’ )的親和力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一分子是第一分析物(40)，而所述第二分子是第二分析物(40’)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟 在將所述陣列暴露到所述樣品之前，在第一受體分子(30)和第一分子(45)之間以及在第二受體分子(30’ )和第二分子(45’ )之間形成相應(yīng)的結(jié)合對(duì)；以及 在將所述陣列暴露到所述樣品之后，在所述結(jié)合對(duì)中用感興趣的第一分析物(40)代替第一分子和/或用感興趣的第二分析物(40’ )代替第二分子。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述第一分子是第一受體分子(30)，而第二分子是第二受體分子(30’)，并且其中在不存在感興趣的第一分析物(40)的情況下第一受體分子采用發(fā)夾構(gòu)造，而在不存在感興趣的第二分析物(40’ )的情況下第二受體分子采用發(fā)夾構(gòu)造。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中第一珠子￠0)和第二珠子出0’)是磁珠。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中分別檢測(cè)第一感測(cè)電極(16)和第二感測(cè)電極(16’ )上第一珠子￠0)和/或第二珠子出0’ )的電學(xué)簽名的步驟包括 至少向第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極提供具有時(shí)變頻率的振蕩電磁場(chǎng)(92);以及 檢測(cè)頻率依賴電信號(hào)，所述頻率依賴電信號(hào)指示每ー個(gè)所述感測(cè)電極上一定尺寸珠子的存在。
12.ー種集成電路(10)，包括 多個(gè)可單獨(dú)尋址的感測(cè)電極(16，16’ );以及 與各感測(cè)電極單獨(dú)耦合的信號(hào)處理器(80)，所述信號(hào)處理器適用于基于在所述感測(cè)電極之ー上感興趣分析物(40，40’)的特定結(jié)合事件中所涉及的珠子出0，60’)的電學(xué)簽名，來(lái)識(shí)別所述特定結(jié)合事件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成電路，其中所述多個(gè)感測(cè)電極包括第一感測(cè)電極(16)，在其表面處包括第一受體分子(30)，所述第一受體分子用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第一分析物(40)，以及第二感測(cè)電極(16’)，在其表面處包括第二受體分子(30’)，所述第二受體分子用于選擇性地結(jié)合到感興趣的第二分析物(40’)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的集成電路(10)，其中相應(yīng)的感測(cè)電極(16，16’)包括不同受體分子(30，30’ )的隨機(jī)分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的集成電路(10)，還包括場(chǎng)發(fā)生器(90)，用于向所述多個(gè)感測(cè)電極(16，16’ )施加具有時(shí)變頻率的振蕩電磁場(chǎng)(92)，其中所述信號(hào)處理器(80)適用于通過(guò)感興趣分析物(40，40’ )的結(jié)合反應(yīng)中所涉及的珠子(60，60’ )在所述振蕩電磁場(chǎng)中的諧振特性，來(lái)識(shí)別所述感興趣分析物(40，40’)。
全文摘要
公開(kāi)了一種提供功能化集成電路的方法，使第一感測(cè)電極在表面處包括選擇性結(jié)合到感興趣第一分析物的第一受體分子，第二感測(cè)電極在表面處包括選擇性結(jié)合到感興趣第二分析物的第二受體分子；將功能化集成電路暴露到潛在包括第一分析物和第二分析物中至少一種的樣品；提供附著到第一分子、具有第一電學(xué)簽名的第一珠子，第一分子具有依賴于樣品中第一分析物的存在而結(jié)合到第一感測(cè)電極的構(gòu)造或親和力；提供附著到第二分子、具有第二電學(xué)簽名的第二珠子，第二分子具有依賴于樣品中第二分析物的存在而結(jié)合到第二感測(cè)電極的構(gòu)造或親和力；分別確定第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極上第一珠子和/或第二珠子的電學(xué)簽名的存在。還提供了一種實(shí)現(xiàn)這種方法的IC。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102954984SQ20121029742
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者菲利浦·弗雷德里, 弗里斯科·耶德瑪, 戴維·斯滕溫克爾, 希爾柯·瑟伊 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司