片上磁粒子檢測(cè)的數(shù)字控制的制作方法
【專利說(shuō)明】片上磁粒子檢測(cè)的數(shù)字控制
[0001 ] 有關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求對(duì)均通過(guò)完全引用而結(jié)合于此、提交于2013年5月20日的第61/825，464號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)；以及提交于2013年10月15日的第61/891，319號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]公開了一種用于在化學(xué)測(cè)試領(lǐng)域中使用的檢測(cè)系統(tǒng)和方法。更具體地，檢測(cè)系統(tǒng)可以用于過(guò)濾用于在包含數(shù)字控制功能的集成電路上測(cè)試的全血。
【背景技術(shù)】
[0004]護(hù)理點(diǎn)(P0C)診斷醫(yī)療設(shè)備有助于早期檢測(cè)疾病、實(shí)現(xiàn)更個(gè)人化定制的療法和允許醫(yī)生更容易地跟進(jìn)患者以查看處方的治療是否起作用。為了保證廣泛采用，這些工具必須準(zhǔn)確、易于被未受訓(xùn)練的個(gè)人使用并且生產(chǎn)和分發(fā)價(jià)格低廉。免疫檢測(cè)(IA)應(yīng)用特別適合用于P0C，因?yàn)榭梢詮目扇艿鞍踪|(zhì)生物標(biāo)記符標(biāo)識(shí)從心血管疾病到癌癥以至到可傳染感染的廣泛病癥。從原始樣品如全血對(duì)這些生物標(biāo)記的檢測(cè)和定量經(jīng)常包括使用熒光或磷光分子、酶、量子點(diǎn)、金屬粒子或者磁粒子來(lái)標(biāo)記目標(biāo)蛋白。對(duì)于高靈敏度應(yīng)用，必須區(qū)分特異性結(jié)合到目標(biāo)分析物的標(biāo)簽與對(duì)背景噪聲有貢獻(xiàn)的未特異性結(jié)合的標(biāo)簽。通過(guò)在低成本、易于使用的格式中組合標(biāo)簽分離和檢測(cè)，免疫-色譜測(cè)試(ICT)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)操作、即有能力執(zhí)行檢測(cè)而無(wú)需電子讀取器或者外部樣品預(yù)備系統(tǒng)。單獨(dú)操作是經(jīng)常被忽視的屬性、但是一個(gè)對(duì)于盡管有其它缺陷、如低生化靈敏度、用戶解釋、不準(zhǔn)確定量、時(shí)序要求和笨拙多路而仍然實(shí)現(xiàn)的ICT流行而言關(guān)鍵的屬性。
[0005]使用磁粒子標(biāo)記對(duì)于P0C應(yīng)用而言是理想的；可以個(gè)別地檢測(cè)磁粒子，因此可以實(shí)現(xiàn)亞皮摩爾靈敏度而無(wú)需如在酶標(biāo)記的情況下那樣花費(fèi)多達(dá)一小時(shí)的信號(hào)放大步驟。且通過(guò)將所述粒子結(jié)合到其上的檢測(cè)區(qū)域(sensing area)微陣列化(micro-arraying)，也可以低成本實(shí)現(xiàn)多路操作。使用磁粒子可以減少培養(yǎng)時(shí)間，因?yàn)樗鼈冇捎谒鼈兊母弑砻娣e與體積之比率而可以用液相動(dòng)力學(xué)結(jié)合到目標(biāo)分析物。另外，有能力從溶液用磁力和重力拉出磁粒子克服困擾多數(shù)高靈敏度方案的緩慢擴(kuò)散過(guò)程。來(lái)自磁粒子的信號(hào)可以隨時(shí)間穩(wěn)定、對(duì)溫度或者化學(xué)物改變不敏感并且在不透明或者半透明溶液如全血或者血漿中被檢測(cè)到。生物磁背景信號(hào)可能低，因此可以用最少樣品制劑實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)靈敏度。更重要的是，使用磁粒子作為檢測(cè)標(biāo)簽可以允許單獨(dú)設(shè)備操作，因?yàn)榭梢噪姶诺丶炔倏v又檢測(cè)這些粒子。
[0006]“磁粒子”是顯示磁性、反磁性、鐵磁性、亞鐵磁性、順磁性、超順磁性或者反鐵磁性行為的納米或者微米大小的粒子。“磁粒子”可以是指?jìng)€(gè)別粒子或者更大粒子聚合體，如磁珠。
[0007]磁粒子傳感器是在集成電路中嵌入的可以檢測(cè)磁粒子的傳感器。例子包括光傳感器、磁傳感器、電容傳感器、電感傳感器、壓力傳感器。
[0008]其中使用磁粒子作為檢測(cè)標(biāo)簽的ICT是對(duì)常規(guī)ICT的改進(jìn)，因?yàn)閷?duì)粒子的檢測(cè)不限于條帶的表面、但是可以遍及條帶的體積來(lái)執(zhí)行從而產(chǎn)生更高靈敏度和提高的定量準(zhǔn)確度。然而，不能在單獨(dú)設(shè)備中容易地集成對(duì)磁粒子的體積檢測(cè)，因此這些實(shí)現(xiàn)方式需要額外設(shè)備以測(cè)量條帶中的體積磁化。
[0009]一種用于集成到單獨(dú)檢測(cè)系統(tǒng)中的備選方式是使用在經(jīng)由重力或者磁力沉淀到其中可以檢測(cè)特異性結(jié)合的粒子的檢測(cè)區(qū)域之前結(jié)合到溶液中的目標(biāo)分析物的磁粒子。生物功能化的1C可以用來(lái)檢測(cè)特異性結(jié)合的粒子。然而，迄今報(bào)道的多數(shù)基于1C的免疫檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方式不能單獨(dú)操作，因?yàn)樗鼈冃枰糜诹Ｗ訖z測(cè)的片外部件或者用于粒子操縱和樣品預(yù)備的微流體致動(dòng)。其它實(shí)現(xiàn)方式完全不能達(dá)到有必要在當(dāng)前市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)的成本結(jié)構(gòu)。
[0010]對(duì)于P0C應(yīng)用，希望樣品預(yù)備迅速，因?yàn)闄z測(cè)限于10-15分鐘。此外，為了回避需要制冷設(shè)備以及有助于存儲(chǔ)和分發(fā)，希望干樣品預(yù)備系統(tǒng)。也希望具有從患者接收小的未處理的樣品的樣品預(yù)備系統(tǒng)。來(lái)自手指刺入的平均懸滴血產(chǎn)生大約15μ1流體。對(duì)于更多流體，復(fù)雜化的靜脈刺破可能是必需的。另外，樣品預(yù)備系統(tǒng)必需低成本，因?yàn)樯镂廴绢檻]規(guī)定丟棄與生物樣品接觸的所有材料。也希望樣品預(yù)備系統(tǒng)能適用于多路操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]公開一種可以滿足以上描述的對(duì)于速度、成本和性能的要求的樣品預(yù)備系統(tǒng)。
[0012]有孔材料如膜過(guò)濾器可以回避對(duì)于離心或者復(fù)雜化的微流體樣品預(yù)備的需要。由于膜過(guò)濾器緊湊和低廉，所以減少系統(tǒng)成本從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)P0C操作。另外，膜可以無(wú)需在附加支持下30秒之內(nèi)從全血細(xì)胞分離血漿。用功能化的磁粒子培養(yǎng)濾液可以實(shí)現(xiàn)用于用亞皮摩爾靈敏度的迅速操作的液相動(dòng)力學(xué)。使用1C以執(zhí)行對(duì)磁粒子的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)低成本、單獨(dú)操作。因此，過(guò)濾器、毛細(xì)管、磁粒子和1C的組合可以產(chǎn)生有拇指驅(qū)動(dòng)的構(gòu)成因素的單獨(dú)、準(zhǔn)確、多路平臺(tái)。除了電池和顯示器的整個(gè)系統(tǒng)的大小可以減少至lcm3以下。
[0013]檢測(cè)系統(tǒng)可以用于免疫檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)可以用于核酸、小分子和無(wú)機(jī)分子測(cè)試或者其組合。
[0014]公開一種樣品預(yù)備系統(tǒng)，該樣品預(yù)備系統(tǒng)包括膜過(guò)濾器和配置為向操縱和檢測(cè)磁粒子的集成電路(1C)的暴露的表面遞送粒子的毛細(xì)管通道?？梢栽谀ど厦婊蛘吣ぶ蟹@樣品中的大粒狀物，如全血細(xì)胞，而包含目標(biāo)分析物的含水樣品跨越膜進(jìn)入毛細(xì)管的入口中，其中磁粒子可被重新懸置并且結(jié)合到濾液中的目標(biāo)分析物。有重新懸置的磁粒子的濾液可以由于毛細(xì)管作用而流過(guò)毛細(xì)管和流到1C的表面上的檢測(cè)區(qū)域上。
[0015]結(jié)合到目標(biāo)分析物的磁粒子可以通過(guò)特異性化學(xué)相互作用強(qiáng)烈地結(jié)合到1C的表面上的功能化的檢測(cè)區(qū)域。特異性結(jié)合到1C的表面的磁粒子的數(shù)目是代表生物樣品中呈現(xiàn)的目標(biāo)分析物的濃度。
[0016]1C的表面可以包含一個(gè)或者多個(gè)檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)于芯片的表面上的區(qū)域，其中粒子傳感器可以在這些區(qū)域中檢測(cè)到特異性結(jié)合的粒子?？梢栽?C中嵌入粒子傳感器。為了磁粒子的總數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，粒子傳感器可以被放置在檢測(cè)區(qū)域以外以檢測(cè)從檢測(cè)區(qū)域去除的非特異性結(jié)合的粒子。
[0017]1C可以包含一個(gè)或者多個(gè)磁力生成器以操縱檢測(cè)區(qū)域上的非特異性結(jié)合的磁粒子。這些磁力可以用來(lái)將磁珠吸引到檢測(cè)區(qū)域并且從檢測(cè)區(qū)域去除非特異性結(jié)合的磁粒子。系統(tǒng)可以具有兩個(gè)或者更多毛細(xì)管，例如其中遞送毛細(xì)管的入口被放置在過(guò)濾器正下方并且將濾液遞送到沉淀毛細(xì)管中，其被放置在檢測(cè)區(qū)域正上方。干燥的磁粒子可以被放置在沉淀毛細(xì)管的頂部。從沉淀毛細(xì)管的頂部，干燥的磁粒子一旦濾液到達(dá)它們就可以沉淀到檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度可以由沉淀毛細(xì)管的高度確定。
[0018]檢測(cè)系統(tǒng)可以被配置為取得全血或者預(yù)先過(guò)濾的血液、尿液、淚液、唾液、排泄物、口腔、鼻腔樣品或者其它生物或者非生物含水樣品。
[0019]化學(xué)物，例如但不限于:核酸適體、寡核苷酸、蛋白質(zhì)、用于防止凝結(jié)的制劑、用于內(nèi)部校準(zhǔn)曲線的目標(biāo)分析物、結(jié)合催化制劑、磁粒子或者其組合，可以在膜過(guò)濾器組件中沿著毛細(xì)管的軸或者在1C的表面上被干燥并且可以被血漿重新溶解、但是保持結(jié)合到它們?cè)谄渖媳桓稍锏谋砻妗?br>[0020]檢測(cè)系統(tǒng)可以包含用戶界面控件以簡(jiǎn)化用戶。全干檢測(cè)系統(tǒng)可以校準(zhǔn)背景信號(hào)和原生目標(biāo)信號(hào)。如果未滿足某些使用情況條件，則檢測(cè)系統(tǒng)可以使結(jié)果無(wú)效。
[0021]檢測(cè)系統(tǒng)可以向用于存儲(chǔ)和分析的輔助移動(dòng)設(shè)備發(fā)送結(jié)果。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是包括樣品預(yù)備和遞送模塊(SPDM)8、光源2、集成電路12(IC)、印刷電路板(PCB)9、顯示器1和外殼11的檢測(cè)系統(tǒng)10的變化的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0023]圖2是在含水樣品5通過(guò)遞送毛細(xì)管14被過(guò)濾和經(jīng)由毛細(xì)管作用被毛細(xì)傳送到至表面毛細(xì)管15中和到集成電路12的表面7上時(shí)的檢測(cè)系統(tǒng)10的變化的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0024]圖3是示出在由于毛細(xì)管作用而吸收向上傳送沉淀毛細(xì)管13的過(guò)程中的含水樣品5的檢測(cè)系統(tǒng)10的變化的橫截面?zhèn)纫晥D。一旦含水樣品5到達(dá)沉淀毛細(xì)管13的頂部，含水樣品5可以與反應(yīng)物球體3復(fù)水從而釋放粒子4以向1C 12的表面7上沉淀。
[0025]圖4A和4B分別是包含用分離導(dǎo)體實(shí)施的磁分離場(chǎng)生成器的IC12的變化的俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。
[0026]圖4C是呈現(xiàn)在向分離導(dǎo)體23吸引非特異性結(jié)合的磁粒子25之后的來(lái)自圖4A和4B的場(chǎng)景的橫截面圖。
[0027]圖5A是存儲(chǔ)干球體3的試管30的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0028]圖5B是在含水樣品5溶解干燥的球體3和釋放粒子4之后的試管30的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0029]圖6是有錐形側(cè)壁40的試管的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0030]圖7是有蓋50的試管30以容納試管中的干燥的球體3的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0031 ]圖8是從雙面帶60構(gòu)造的表面毛細(xì)管15的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0032]圖9是集成電路12的在其上裝配有雙面帶60的表面的俯視圖。檢測(cè)區(qū)域21可以處于沉淀毛細(xì)管之下，而活性區(qū)域71可以處于沿著表面毛細(xì)管的長(zhǎng)度。
[0033]圖10示出有通向兩個(gè)表面毛細(xì)管15和62的遞送毛細(xì)管14的系統(tǒng)的橫截面，其分別地導(dǎo)向兩個(gè)沉淀毛細(xì)管13和63，以用于控制或多路操作。
[0034]圖11示出裝配到PCB9上并且經(jīng)由引線接合81電連接的集成電路12的橫截面。弓丨線接合81可以由密封劑80密閉地密封。
[0035]圖12示出裝配到PCB9上并且通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)貫穿硅通路82電連接的集成電路12的橫截面。
[0036]圖13示出每個(gè)傳感器有一個(gè)數(shù)字地可尋址分離導(dǎo)體90的集成電路表面7的俯視圖。
[0037]圖14示出每個(gè)傳感器有一個(gè)數(shù)字地可尋址分離導(dǎo)體90和一個(gè)數(shù)字地可尋址聚集導(dǎo)體92的集成電路表面7的俯視圖。
[0038]圖15示出有槽100的沉淀毛細(xì)管13的橫截面，其用于保留沉淀毛細(xì)管13中的干燥的球體3。
[0039]圖16示出遞送毛細(xì)管14、表面毛細(xì)管15、沉淀毛細(xì)管13以及防止含水樣品從沉淀毛細(xì)管向過(guò)濾器回吸的被動(dòng)單向閥的橫截面圖。
[0040]圖17A是在含水樣品5已經(jīng)溶解干燥的球體3之前被放在干球體3之上的止流器120的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0041]圖17B是在含水樣品5已經(jīng)溶解干球體3和釋放粒子4之后已被密閉地密封沉淀毛細(xì)管13的頂部的止流器120的橫截面?zhèn)纫晥D。
【具體實(shí)施方式】
[0042]公開了使用非磁或者磁粒子標(biāo)記以執(zhí)行檢測(cè)的生物傳感器。如果粒子附著到與分析物或者分析物類似物或者分析物副產(chǎn)物反應(yīng)的化學(xué)實(shí)體，則所述粒子可以在檢測(cè)目標(biāo)分析物的存在或者不存在時(shí)用作輔助物或者標(biāo)簽。反應(yīng)可以是免疫、基于核酸、共價(jià)、離子、氫鍵合、范德華力和能夠促進(jìn)或者抑制標(biāo)記的粒子結(jié)合到表面的其它化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。
[0043]粒子可以是直徑從幾個(gè)納米到數(shù)十微米的任何球形或者任意地成形的定位的物體，其調(diào)制傳入光(例如反射光、衍射光、阻止或者吸收光、增加或者減少光的強(qiáng)度、改變光的波長(zhǎng)或者譜組成)。粒子也可以是磁性的。磁粒子顯示反磁性、鐵磁性、亞鐵磁性、順磁性、超順磁性或者反鐵磁性行為。磁粒子可以包括磁材料的個(gè)別納米大小的粒子(常稱為磁納米粒子或者可磁化納米粒子)或者這樣的磁納米粒子的更大聚合體以形成實(shí)質(zhì)上球形珠(常稱為磁珠、可磁化珠)。磁粒子可以被如聚合物、玻璃、陶瓷或者任何其它非磁材料的非磁材料覆蓋或者封裝，該非磁材料可以用特異性反應(yīng)成目標(biāo)分析物的生物或者化學(xué)分子涂覆。非磁材料是指顯示無(wú)磁性質(zhì)或者顯示量值比磁粒子中的磁材料的對(duì)應(yīng)性質(zhì)小得多(例如小于0.001%)的任何材料。磁粒子的直徑可以從若干納米到數(shù)十微米。
[0044]圖1示出包括樣品預(yù)備和遞送模塊(SPDM)8、光源2、集成電路(IC)12、印刷電路板(PCB)9、顯示器1和外殼11的檢測(cè)系統(tǒng)10。檢測(cè)系統(tǒng)10可以被配置為通過(guò)引入、檢測(cè)和/或量化特異性結(jié)合到1C 12的表面7上的粒子來(lái)對(duì)含水樣品5執(zhí)行生物和/或化學(xué)檢測(cè)。檢測(cè)可以是用來(lái)檢測(cè)含水樣品5中的目標(biāo)分析物的存在或者量化目標(biāo)分析物的濃度或者數(shù)量的任何程序。目標(biāo)分析物可以是酶、蛋白質(zhì)、小分子、核酸以及其它生物、化學(xué)和無(wú)機(jī)實(shí)體或者其組合。含水樣品5可以是全血、血漿、血清、稀釋的血液衍生物、脊髓液、痰液、肺部灌洗、排泄物樣品、口腔樣品、鼻腔樣品、淚液、其它體液、實(shí)驗(yàn)室樣品、環(huán)境樣品、潛在地包含一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)分析物的任何其它液體或者其組合。
[0045]另外，圖1示出可以在SPDM8的頂部放置的過(guò)濾器6。過(guò)濾器6可以是能夠阻止或者俘獲粒狀物(例如紅血細(xì)胞、白血細(xì)胞、其它細(xì)胞和微米到毫米大小的粒子)的任何類型的過(guò)濾器(例如膜過(guò)濾器、微過(guò)濾器、注射器過(guò)濾器)，因此從含水樣品5去除粒狀物。過(guò)濾器6也可以適于從含水樣品5去除某些生物或者化學(xué)分子(例如過(guò)濾器6上的化學(xué)涂層可以去除與目標(biāo)分析物競(jìng)爭(zhēng)或者以任何方式干擾檢測(cè)的分子)。另外，過(guò)濾器6可以包括化學(xué)物、分子和可以輔助檢測(cè)方案的其它可溶解物質(zhì)。例如過(guò)濾器6可以包含防止血液樣品凝結(jié)的干抗凝結(jié)因子或者干檢測(cè)添加物以減輕樣品中的干擾物的影響。進(jìn)而另外，過(guò)濾器6可以用親水性材料涂覆以輔助含水樣品5的吸收。過(guò)濾器可以使用雙面粘合帶、轉(zhuǎn)移粘合劑、熱熔粘合劑、沿著邊緣的環(huán)氧樹脂密封物或者通過(guò)熱密封或者相似結(jié)合工藝來(lái)附著到SPDM的頂表面上。為了盡量減少在過(guò)濾器之下的死體積，雙面帶、轉(zhuǎn)移粘合劑或者環(huán)氧樹脂密封物的高度可以小于lwn或者小于5μηι或者小于ΙΟμπι或者小于20μηι或者小于50μηι或者小于ΙΟΟμπι或者小于250ymo
[0046]另外，圖1示出表面毛細(xì)管15、遞送毛細(xì)管14和沉淀毛細(xì)管13。遞送毛細(xì)管14可以將膜過(guò)濾器6流體地連接到表面毛細(xì)管15從而允許含水樣品5從過(guò)濾器流向IC 12的表面7。表面毛細(xì)管15可以將遞送毛細(xì)管14流體地連接到沉淀毛細(xì)管13、因此允許含水樣品5從遞送毛細(xì)管14流入沉淀毛細(xì)管13中并且向上沿著沉淀毛細(xì)管13流向干球體3。在檢測(cè)系統(tǒng)10的一個(gè)變化中，過(guò)濾器6可以被放置在遞送毛細(xì)管14或者表面毛細(xì)管15以內(nèi)。沉淀毛細(xì)管13可以被垂直地放置在1C 12之上并且與包含粒子4的反應(yīng)物接觸。反應(yīng)物可以被配置在球體內(nèi)(即反應(yīng)物球體3)或者任何其它形狀中。反應(yīng)物球體3或者其它形狀可以停留在沉淀毛細(xì)管13的頂部上并且可以優(yōu)選地是干的或者凍干的。1C 12可以通過(guò)任何已知方法(例如引線接合、倒裝芯片組裝、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂及其組合)裝配到PCB 9。檢測(cè)系統(tǒng)10可以由具有用于數(shù)字顯示器1的開口和用于過(guò)濾器6的開口的外殼11封裝。顯示器1可以通過(guò)集成在1C 1