基于拴系颗粒的生物传感器及感测分析物的方法技术

本发明专利技术涉及基于拴系颗粒的生物传感器及感测分析物的方法，其中用于感测分析物的方法使用拴系颗粒运动。功能化颗粒[500]具有第一状态[504]和第二状态[502]，在所述第一状态中，所述功能化颗粒与所述表面结合，并且在所述第二状态中，所述功能化颗粒没有与所述表面结合，其中，所述功能化颗粒根据所述分析物的存在与不存在来在所述第一与第二状态之间切换，由此，根据所述分析物的存在改变所述功能化颗粒的运动特性。所述功能化颗粒的空间坐标参数由检测器[516]测量，并且处理器[518]根据所述测量的空间坐标参数的变化确定所述分析物的存在/浓度。

【技术实现步骤摘要】
基于拴系颗粒的生物传感器及感测分析物的方法本申请是申请日为“2015年12月15日”、申请号为“201580075767.3”、题为“基于拴系颗粒的生物传感器”的分案申请。
本专利技术总体上涉及基于在由系链附接至表面的功能化颗粒的运动的变化的基础上检测分析物的存在的生物传感器技术。
技术介绍
生化标记的大部分生物感测原理已经发展成在体外诊断(in-vitrodiagnostics)中使用，在体外诊断中，采集样本(例如，血液、唾液、尿液、粘液、汗液或脑脊液)并且将其传递至活体外的人工设备(例如，一次性塑料)。在这种生物感测试验中，可以应用宽范围的样本预处理步骤(例如，分离或稀释步骤)，并且在试验中可以引入多种试剂(例如，针对目标放大、信号放大或清洗步骤)。体外生物感测试验的示例是：免疫测定、核酸测试、电解质和代谢物的测试、电化学试验、酶活性试验、基于细胞的试验等(参见蒂茨(Tietz)，临床化学和分子诊断学教科书(TextbookofClinicalChemistryandMolecularDiagnostics)，2005)。在体内生物化学感测中，传感器系统的至少一部分保持连接至或插入人体，例如，在皮肤上、或在皮肤中、或在皮肤下、或者在身体的另一部分上或中或下。由于生物传感器与活体之间的接触，体内生物化学感测对生物相容性提出较高要求(例如，炎症过程应当被最小化)，并且传感器系统应当在活体的复杂环境中可靠地操作。对监测应用而言，系统应当能够随时间执行多于一个测量，并且系统应当是鲁棒的且易于穿戴。体内生物化学感测的重要应用是连续葡萄糖监测(CGM)。商业连续葡萄糖监测设备基于酶的电化学感测(参见例如，希欧(Heo)和武内(Takeuchi)，Adv.Healthcare.Mat.，2013，第2卷，43-56页)。酶感测不如基于亲和性的感测通用。用于体内葡萄糖监测的商业系统可从德康医疗(Dexcom)和美敦力公司(Medtronic)购得。当今CGM系统的缺点是传感器响应示出了漂移，并且因此，系统需要通过体外血糖测试定期进行再校准(关于综述，参见例如，希欧和武内，Adv.Healthcare.Mat.，2013，第2卷，43-56页)。本领域已知一些基于颗粒的生物感测技术，包括基于通过光学散射进行检测的技术，例如，布鲁斯(Bruls)等人，实验室芯片(LabChip)，2009。专利申请US2012184048描述了一种用于在基于颗粒的生物感测系统中表征不同键类型的方法。未结合颗粒以靶标依赖的方式与感测表面结合，此后，执行结合-自由分离(清洗步骤)，并且随后，测量从结合颗粒处散射的光的强度波动，以便表征键类型，例如，在特异性和非特异性结合颗粒之间进行区分。对未结合颗粒以及结合-自由分离过程的使用对体外诊断是有用的。然而，对体内应用而言，未结合颗粒可能会带来安全风险，并且很难在体内情形下实现结合-自由分离过程。可以通过基于拴系颗粒运动(tetheredparticlemotion，TPM)的生物感测技术来避免以上难点。TPM技术基于对拴系到表面的颗粒的运动的测量。示例是劳伦斯(Laurens)等人，NucleicAcidsRes.，2009.9；37(16)：5454-5464，其中，TPM实验基于与DNA系链结合的蛋白质报道，以便揭示蛋白质如何改变DNA构造。在这种研究中，进行测量以避免将颗粒未经系链地结合到表面上，因为以另一种方式而不是经由系链与表面结合的颗粒并不给出关于系链的信息。示例是：布卢姆伯格(Blumberg)等人，Biophysical，2005；89，1272-1281。已经基于由系链附接的颗粒的运动依赖于分析物的存在而变化的原理而发展了具有附接至表面的功能化系链的生物传感器。运动变化是由于系链自身因为分析物的存在而发生的结构变化所导致的。还存在用于通过测量独立于分析物的存在而栓系到表面的功能化颗粒的运动学属性来检测分析物的技术。在这些技术中，重要的是避免颗粒键合到表面，因为位阻干扰了受分析物影响的敏感性。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供了一种基于检测由系链附接至表面的功能化颗粒的运动变化的生物感测技术，其中，分析物的存在使所述颗粒在与所述表面相结合与未结合状态之间变化。与已知的基于拴系颗粒的生物感测技术(其中结合至表面是不期望的)形成对比，根据本专利技术，分析物使得拴系颗粒在与表面相结合与未结合状态之间变化。这是与拴系颗粒运动研究方面的明确教导避免与表面结合的传统观点之间的令人惊讶的对比。本专利技术提供了一种用于敏感的、特异的、稳定的、生物相容的且灵活的体内生物化学监测的生物感测技术。存在对这种生物感测技术的许多应用，包括：用于糖尿病患者的连续葡萄糖监测，不需要定期重新校准传感器系统；对可能在例如急救护理中变得不稳定的患者很重要的电解质和代谢物监测；有助于例如在心脏病患者中监测肾功能的电解质测量；可以有助于监测心脏功能的蛋白质测量(例如，BNP是心力衰竭的关键标记)；有助于监测药物摄入(顺应性)和药物动力学(旨在保持药物在期望的浓度窗口内)的药物和/或药物代谢物测量；有助于监测药物有效性的药物反应测量；以及监测疾病管理、治疗控制、顺应性监测。另外，所述方法还可以非常普遍地应用于分子生物感测，例如，用于体外诊断、定点护理测试、环境测试、食品检验、取证等。本专利技术还可以发现生物、生物医学和药物研究中的应用，例如用于监测对活细胞、组织、器官等的试验。分析物可以是电解质、小分子、脂肪、糖类、多肽类、激素、蛋白质、寡核苷酸、DNA、RNA等。一方面，本专利技术提供了一种用于使用拴系颗粒运动来感测分析物的方法。所述方法包括：使包含所述分析物的基质与具有表面和系链分子的传感器设备接触，所述系链分子在第一端结合至所述表面，并且在第二端结合至功能化颗粒。所述功能化颗粒具有第一状态和第二状态，在所述第一状态中，所述功能化颗粒与所述表面结合，并且在所述第二状态中，所述功能化颗粒没有与所述表面结合，其中，所述功能化颗粒根据所述分析物的存在与不存在来在所述第一与第二状态之间切换，由此，根据所述分析物的存在改变所述功能化颗粒的运动特性。所述方法包括：测量所述功能化颗粒相对于所述表面的空间坐标参数；以及根据所述测量的空间坐标参数的变化来确定所述分析物的存在/浓度。在一些实施例中，可以通过以下步骤来测量所述空间坐标参数：照亮所述功能化颗粒和/或所述表面；检测来自所述功能化颗粒和/或所述表面的光学辐射；以及根据所述光学辐射确定所述功能化颗粒相对于所述表面的位置、取向和/或速度。在一些实施例中，可以通过以下步骤来测量所述空间坐标参数：激励所述功能化颗粒和/或所述表面中的自由电荷载流子；以及检测来自所述功能化颗粒和/或所述表面的光学辐射；其中，以所述功能化颗粒和/或所述表面的等离子体共振附近的波长来执行所述激励和/或检测。可以通过确定所述检测到的光学辐射的变化来确定所述分析物的存在/浓度。可以通过激励来自具有大于5nm的线宽的光源或来自超发光二极管的光来执行激励自由电荷载流子。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使用拴系颗粒运动来感测分析物的生物传感器，所述生物传感器包括：/n颗粒；/n表面；/n系链分子，所述系链分子在第一端结合至所述颗粒并且在第二端结合至所述表面；/n结合至所述颗粒或所述系链分子的第一部分；/n结合至所述表面或所述系链分子的第二部分，/n其中，所述第一部分结合至所述颗粒和/或所述第二部分结合至所述表面，/n其中：/n1)所述第一部分和所述第二部分具有取决于目标分析物存在或不存在的彼此之间的结合亲和性，和/或/n2)所述第一部分和所述第二部分具有对于所述目标分析物的结合亲和性，/n由此所述颗粒的运动特性取决于所述分析物的存在而变化，从而使得通过测量所述颗粒在空间坐标参数上相对于所述表面的变化来感测所述分析物。/n

【技术特征摘要】
20141216 US 62/092,763;20141216 US 62/092,751;20151.一种用于使用拴系颗粒运动来感测分析物的生物传感器，所述生物传感器包括：
颗粒；
表面；
系链分子，所述系链分子在第一端结合至所述颗粒并且在第二端结合至所述表面；
结合至所述颗粒或所述系链分子的第一部分；
结合至所述表面或所述系链分子的第二部分，
其中，所述第一部分结合至所述颗粒和/或所述第二部分结合至所述表面，
其中：
1)所述第一部分和所述第二部分具有取决于目标分析物存在或不存在的彼此之间的结合亲和性，和/或
2)所述第一部分和所述第二部分具有对于所述目标分析物的结合亲和性，
由此所述颗粒的运动特性取决于所述分析物的存在而变化，从而使得通过测量所述颗粒在空间坐标参数上相对于所述表面的变化来感测所述分析物。


2.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述表面是基质的表面。


3.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述表面是第二颗粒的表面。


4.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述颗粒具有在5nm到10μm范围内的尺寸。


5.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述系链分子具有在5nm到10μm范围内的长度。


6.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器具有介于103部分/μm2与105部分/μm2之间范围内的结合部分的密度。


7.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，结合至所述颗粒或结合至所述表面的部分具有达105部分/μm2的密度。


8.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，该生物传感器包括结合至至少100个对应系链分子的第一端的至少100个颗粒，该至少100个对应系链分子在第二端结合至所述表面。


9.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，该生物传感器在415×415μm2的区域中有2到10,000个颗粒。


10.如权利要求1所述的生物传感器，进一步包括具有衍射极限的光学系统，其中所述生物传感器包括系链的颗粒，该系链的颗粒通过至少所述光学系统的衍射极限与最邻近的系链的颗粒分离。


11.如权利要求1所述的生物传感器，进一步包括具有衍射极限的光学系统，其中所述生物传感器包括系链的颗粒，该系链的颗粒具...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·W·J·普林斯，M·梅瑞克斯，L·J·利泽多恩，P·吉利斯特拉，E·W·A·维瑟，M·RM·W·斯希珀斯，
申请(专利权)人：埃因霍温科技大学，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL