在側(cè)流免疫分析中產(chǎn)生pH/溫度/離子梯度用于調(diào)節(jié)生物分子的相互作用及其應(yīng)用
【專利說明】在側(cè)流免疫分析中產(chǎn)生pH/溫度/離子梯度用于調(diào)節(jié)生物 分子的相互作用及其應(yīng)用
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本發(fā)明要求于2013年3月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?3/800, 328的權(quán)益。該 申請(qǐng)的內(nèi)容在此通過援引并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種作為生物傳感器的用于側(cè)流（LF)檢測(cè)的裝置，改進(jìn)該LF檢測(cè)裝 置以及在診斷方法中使用該LF裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 最近人們對(duì)預(yù)測(cè)性、預(yù)防性并且尤其是個(gè)體化用藥越來越關(guān)注，其要求診斷測(cè)試 具有高重現(xiàn)性、敏感性和特異性。側(cè)流（LF)檢測(cè)裝置包含這樣的診斷測(cè)試并且在即時(shí)診斷 中是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。當(dāng)與其它診斷技術(shù)例如ELISA和PCR/Q-PCR相比較時(shí)，LF檢測(cè) 裝置具有快速、簡(jiǎn)單、高度自動(dòng)化以及成本有效的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)容易制造、長(zhǎng)保存期并且客戶 容易使用是使LF檢測(cè)裝置非常有吸引力的一些其它優(yōu)勢(shì)。
[0005]LF檢測(cè)裝置通常被用作診斷裝置，其中主要焦點(diǎn)是提供簡(jiǎn)單的是或否答案的定性 系統(tǒng)。然而目前，人們對(duì)更敏感、定量以及多路復(fù)用測(cè)量的需求越來越高，這要求實(shí)現(xiàn)閱讀 器體系。
[0006] 在LF檢測(cè)裝置中最常見的傳感方法是視覺傳感，通常通過視覺檢測(cè)來測(cè)定比色、 熒光或其它視覺變化作為檢測(cè)結(jié)果。使用試劑標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)包括膠體金、乳膠顆粒、碳、熒光 分子和化學(xué)發(fā)光分子的這些變化。然后可施加酶反應(yīng)來放大信號(hào)。使用標(biāo)簽的視覺檢測(cè)的 主要問題是：在沒有放大的情況下相對(duì)差的檢測(cè)極限，根據(jù)檢測(cè)不能獲得動(dòng)態(tài)信息，以及根 據(jù)檢測(cè)沒有獲得定量信息。對(duì)于替代視覺表征的方法有明顯需求，替代方法在保持簡(jiǎn)單、快 速、成本有效的裝置的同時(shí)可提供定量實(shí)時(shí)分析，這使得LF檢測(cè)更吸引人。
[0007] 理想的LF檢測(cè)是使用病人樣品直接進(jìn)行，而不需要純化，因?yàn)檫@降低了在分析之 前進(jìn)行處理的時(shí)間、復(fù)雜性和成本。不幸的是，原始樣品中的很多各種生物分子增加了檢測(cè) 內(nèi)的非特異性交叉反應(yīng)性的機(jī)會(huì)，這可能導(dǎo)致如圖1舉例說明的假陽性讀取。雖然這可通 過開發(fā)更好的、更特效的探針分子來避免，但開發(fā)過程是昂貴且費(fèi)力的，并且不能保證徹底 消除交叉反應(yīng)性。然而，眾所周知的是，在特異性和非特異性結(jié)合相互作用之間反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 和結(jié)合強(qiáng)度是不同的。此外，這些結(jié)合特征是容易受到局部環(huán)境因素包括溫度、pH和離子 強(qiáng)度的影響而改變。通過可控地改變局部環(huán)境參數(shù)，可以更好地表征所檢測(cè)的相互作用為 特異性或非特異性。
[0008] 在LF檢測(cè)裝置中影響所產(chǎn)生的信號(hào)的一些其它關(guān)鍵因素包括溫度和溶液的離子 強(qiáng)度（包括pH)或局部環(huán)境。為了提供更精確的定性和/或定量的診斷裝置，包括測(cè)量和 影響這些條件的傳感器和致動(dòng)器（actuator)可以可控地改變局部環(huán)境參數(shù)。
[0009] 美國(guó)專利申請(qǐng)2011/0091870描述了一種提供多點(diǎn)檢測(cè)平臺(tái)的生物傳感器，其中 在該生物傳感器中的多位點(diǎn)可以經(jīng)受不同反應(yīng)條件，以調(diào)節(jié)生物分子分析物（例如蛋白 質(zhì)）與探針分子的結(jié)合。例如在具有四個(gè)位點(diǎn)的生物傳感器中檢測(cè)到的信號(hào)也可具有若干 部分例如四個(gè)。這四項(xiàng)對(duì)應(yīng)例如所感興趣的生物標(biāo)記的濃度、樣品中與初級(jí)抗體位點(diǎn)非特 異性結(jié)合并且阻止所述生物標(biāo)記結(jié)合的分析物的濃度、樣品中形成夾心并產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)的 分析物的濃度，以及最后，樣品中與表面物理吸附并產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)的分析物的濃度。每項(xiàng)還 與結(jié)合效率因子au成比例，所述結(jié)合效率因子是分子親和性和其它檢測(cè)條件例如流速的 函數(shù)。通過分別控制在每個(gè)位點(diǎn)的條件，不同位點(diǎn)將表現(xiàn)出不同的效率因子。精確測(cè)量每 個(gè)位點(diǎn)的信號(hào)可產(chǎn)生多個(gè)方程式和多個(gè)未知數(shù)，例如：
[0010]
[0011] 其中Cag對(duì)應(yīng)靶向生物分子分析物的濃度，以及Cη、(^2、(^3對(duì)應(yīng)在背景信號(hào)中導(dǎo)致 不同項(xiàng)的各分子的總濃度，如圖2所示。
[0012] 在不同位點(diǎn)精確控制檢測(cè)條件，這可極大地改變結(jié)合效率因子，導(dǎo)致可獲得由所 感興趣的生物分子分析物的定量或更精確的定性測(cè)定的數(shù)據(jù)陣列。此外，在側(cè)流檢測(cè)裝置 上使用電檢測(cè)和電化學(xué)檢測(cè)可明顯提高當(dāng)前的即時(shí)診斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明提供一種具有檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的側(cè)流檢測(cè)裝置，所述裝置包括至少 一個(gè)電極，其中每個(gè)電極可包括驅(qū)動(dòng)元件和/或傳感元件。該側(cè)流檢測(cè)裝置可控制影響樣 品中所感興趣的生物分子分析物的信號(hào)強(qiáng)度的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，和測(cè)量所感興趣的生物分 子分析物的信號(hào)強(qiáng)度，以測(cè)定其在樣品中的濃度。在側(cè)流檢測(cè)裝置中的這些集成電極不僅 可控制局部環(huán)境參數(shù)例如ΡΗ、溫度和離子濃度，而且還可測(cè)量這些參數(shù)，所述參數(shù)包括例如 當(dāng)樣品流過所述裝置時(shí)的流速、流形態(tài)、溫度或離子強(qiáng)度。該側(cè)流檢測(cè)裝置還可測(cè)量來自 在多位點(diǎn)陣列中的每個(gè)位點(diǎn)中所感興趣的生物分子分析物的信號(hào)，以測(cè)定其在樣品中的濃 度。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種側(cè)流檢測(cè)裝置，其包括用于測(cè)量生物分子分 析物的檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列，其具有包括用于提供毛細(xì)流的吸收劑材料的固體載體，所 述裝置包括：
[0015]a)用于接收樣品的樣品部；
[0016]b)診斷部，其包括檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列，每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)包括用于生物分子分析 物的探針，其中在多位點(diǎn)陣列的每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)可獨(dú)立地改變用于生物分子分析物和探針之 間的相互作用的條件；
[0017]c)用于提供毛細(xì)流的吸收劑材料的吸收劑部；以及
[0018] d)至少一個(gè)電極；
[0019] 其中，所述樣品部、診斷部和吸收劑部是毛細(xì)流連通的，產(chǎn)生從樣品部a)流向吸 收劑部c)的毛細(xì)流，樣品由此流過診斷部中的每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的探針，以提供樣品和這種探 針之間的接觸。
[0020] 本發(fā)明所述的以側(cè)流檢測(cè)裝置形式的生物傳感器可與例如CMOS、電極陣列或基于 TFT的生物傳感器集成，以使在所述具有檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的側(cè)流檢測(cè)裝置中的檢測(cè) 位點(diǎn)之間的結(jié)合效率發(fā)生變化。此外，在LF測(cè)試裝置中的至少一個(gè)電極與用于計(jì)算樣品和 /或所感興趣的生物分子分析物的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的處理單元連接。所計(jì)算的一個(gè)或多個(gè) 參數(shù)是影響來自結(jié)合的所標(biāo)記的生物分子分析物絡(luò)合物的信號(hào)強(qiáng)度的那些，從而影響樣品 中的分析物的濃度的計(jì)算。因此，在LF檢測(cè)裝置中的集成電極不僅調(diào)節(jié)在檢測(cè)位點(diǎn)的局部 環(huán)境處的PH、離子濃度和/或溫度，而且還可測(cè)量影響樣品中所感興趣的生物分子分析物 的濃度的精確測(cè)定的其它參數(shù)，例如樣品流過LF檢測(cè)裝置的診斷部的流速和流形態(tài)。
[0021] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種側(cè)流檢測(cè)裝置，其包括用于測(cè)量生物分子 分析物的檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列，其具有包括用于提供毛細(xì)流的吸收劑材料且沿流向被分 成平行道的固體載體，所述裝置包括：
[0022] a)用于接收樣品的樣品部；
[0023] b)診斷部，其包括檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列，每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)包括用于生物分子分析 物的探針，其中在多位點(diǎn)陣列的每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)處可獨(dú)立地改變用于生物分子分析物和探針 之間的相互作用的條件；
[0024] c)用于提供毛細(xì)流的吸收劑材料的吸收劑部；
[0025] d)作為驅(qū)動(dòng)元件的至少一個(gè)電極；以及
[0026] e)作為傳感元件的至少一個(gè)電極；
[0027] 其中，所述樣品部、診斷部和吸收劑部是毛細(xì)流連通的，產(chǎn)生從樣品部a)流向吸 收劑部c)的毛細(xì)流，樣品由此流過診斷部中的每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)處的探針，以提供樣品和這種 探針之間的接觸。
[0028] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種用于測(cè)定生物樣品中的生物分子分 析物的濃度的方法，所述方法包括：
[0029] a)提供側(cè)流檢測(cè)裝置，所述側(cè)流檢測(cè)裝置包括檢測(cè)位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列，其中在檢 測(cè)位點(diǎn)可獨(dú)立地改變用于生物分子分析物相互作用的條件，所述側(cè)流裝置具有包括用于提 供毛細(xì)流的吸收劑材料的固體載體，所述側(cè)流裝置包括用于接收樣品的樣品部、包括檢測(cè) 位點(diǎn)的多位點(diǎn)陣列的診斷部、用于提供毛細(xì)流的吸收劑材料的吸收劑部，作為驅(qū)動(dòng)元件的 至少一個(gè)電極、以及作為傳感元件的至少一個(gè)電極；
[0030] b)將生物樣品加入所述側(cè)流檢測(cè)裝置的樣品部，樣品由此流過診斷部中的每個(gè)檢 測(cè)位點(diǎn)的探針，以提供樣品和探針之間的接觸；
[0031] c)在樣品和探針之間接觸之后，從每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的每個(gè)傳感元件獲得信號(hào)；
[0032] d)從不是位于檢測(cè)位點(diǎn)的每個(gè)傳感元件（如果有）獲得信號(hào)；以及
[0033] e)由步驟c)和d)中獲得的信號(hào)測(cè)定生物分子分析物的濃度；
[0034] 其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)元件的激活改變每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的至少一個(gè)局部環(huán)境參數(shù)。
[0035] 樣品中的生物分子分析物的濃度通過測(cè)定與所述側(cè)流檢測(cè)裝置的診斷部結(jié)合的 生物分子分析物的信號(hào)強(qiáng)度，并且考慮對(duì)于流過側(cè)流免疫分析裝置的診斷部的樣品所測(cè)定 的一個(gè)或多