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)申請的奪叉引用
[0002] 本發(fā)明要求申請日為2013年3月15日的第13/834, 126號美國專利申請的權(quán)益。 該專利申請的內(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驗的預(yù)測、預(yù)防和特定的個人醫(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，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。這些實驗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，也可以為消費品，如牛奶、嬰兒食品、或水。在該領(lǐng)域中對生 物分子如核酸、蛋白質(zhì)還有小分子的低成本、多元化的實驗呈現(xiàn)增長的需求。在這樣的實驗 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) 將這些實驗合并已經(jīng)提供了解決一些挑戰(zhàn)的方案。
[0005] 在檢測化驗中的兩個主要局限包括靈敏度和交叉反應(yīng)性。這兩個因素均影響最小 可檢測濃度和診斷錯誤率。這樣的實驗中的靈敏度通常受到標(biāo)記物檢測準(zhǔn)確度、探針-分 析物對的關(guān)聯(lián)因子（例如抗體-抗原對）、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），或通過實驗位點的表面對分析物的物理吸附。檢測試劑（例如二次抗 體）可以物理附著在表面上，引起背景信號的增加。解決交叉反應(yīng)性和背景問題會在新的 實驗的分析開發(fā)中耗費大量的時間，并且增加全部實驗的成本和復(fù)雜性。該化驗通常通過 尋找最佳時機(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)致了長的開 發(fā)時間、一些情況下的實驗的不可行性、和較高的構(gòu)造費用。例如典型的ELISA化驗的開發(fā) 需要數(shù)個科學(xué)家工作一年以上時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] 提供了多元位點實驗平臺的生物傳感器被認(rèn)為提供了化驗開發(fā)中的上述限制的 一些解決方案。美國公開專利申請US2011/0091870描述了這樣的具有多元位點的生物傳 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到的具有四個位點的信號也可以具有幾個要素，例如4個。 這四項可以關(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) 生錯誤信號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)生錯誤信號的干 擾分析物的濃度。每一項也正比于結(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的條件，不同位點將具有不同的有效因子。每個位點的信 號的準(zhǔn)確測量會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為得到背景信號中的不同項的 分子的總濃度。
[0009] 對不同位點處的分析條件進(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 對這樣的生物傳感器作為感興趣的生物分子分析物的檢測系統(tǒng)的實施來說是重要的。在共 同未決的第13/543, 300號美國專利申請（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 具有多個實驗位點的陣列的生物傳感器的實驗位點之間產(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)的檢測之間的變化會降低用這樣的生 物傳感器對感興趣的生物分子分析物的檢測準(zhǔn)確度。因為生物傳感器的多位點陣列的每個 位點的所述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，對于生物 傳感器來說，需要其中的多位點陣列的每個實驗位點的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、或具有多元實驗位點的陣列的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號申請中所述的生物傳感器中，為了重復(fù)測定樣品中感興趣 的生物分子分析物，同時保持生物傳感器的高度的準(zhǔn)確性。
[0011] 在一個實施例中提供了一種用于具有實驗位點的多位點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，其支撐一個或多個電極；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或多個固定的 探針。
[0014] 在另一個實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，其支撐一個或多個電極；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或多個固定的 探針。
[0017] 在另一個實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)提供了包括實驗位點的多位點陣列的生物傳感器，其中與生物分子分析物相互 作用的條件可以獨立地變化，所述生物傳感器具有裝置，該裝置包括支撐一個或多個電極 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或多個固定的探針的生物 分子界面層；及
[0019] b)在水溶液中在所述一個或多個電極上電化學(xué)活性試劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H+離子或 0H離子。
[0020] 在另一個實施例中提供了一種檢測生物樣品中的生物分子分析物的方法，所述方 法包括：
[0021] a)提供了包括實驗位點的多位點陣列的生物傳感器，其中與生物分子分析物相 互作用的條件可以獨立地變化，所述生物傳感器具有裝置，該裝置包括支撐一個或多個電 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或多個固定的探針的生 物分子界面層，并且在每個實驗位點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)在水溶液中在每個實驗位點處電化學(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)整和控制每個實驗位點的pH;
[0023]c)將生物樣品施加到每個實驗位點；及
[0024] d)檢測每個實驗位點的生物分子分析物，
[0025] 其中電化學(xué)活性試劑的量和電化學(xué)反應(yīng)在實驗位點的子集陣列內(nèi)的實驗位點之 間變化，為了獲得實驗位點的集合，其中實驗位點的電極表面附近的pH或離子濃度變化， 并且其中每個實驗位點的pH通過pH敏感熒光蛋白的熒光強度來測定。
【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（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]