利用抗体结合蛋白的模式化沉积产生基于光衍射的生物传感器制造技术

本发明专利技术提供一种廉价而又灵敏的装置以及用来对介质中的分析物进行检测和定量的方法。该装置含有一种金属化薄膜，膜上印有预定模式的特定抗体结合蛋白。一旦目标分析物附着于印有蛋白的塑料薄膜的特定区域，即可通过该分析物的确定尺寸和特定精确位置产生透射光衍射和／或反射光衍射。产生的衍射图像可用眼睛方便地观察，也可选择性地使用一种传感装置。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一般而言，本专利技术涉及对介质中的分析物进行检测的领域，更详细地说，本专利技术涉及将抗体结合蛋白微晒图(micro-contact print)在一种基质上，用于产生可表明介质中存在该分析物的一次性专用传感器。
技术介绍
有多种系统和装置可用来检测不同介质中的多种分析物。这些系统和装置大多比较昂贵，并且要由经过培训的技术人员来进行测试。在很多情况下，最好是能够快速而廉价地测定分析物的存在情况。而所需要的正是一种易于生产、造价低廉，并且能够灵敏可靠地检测分析物甚至微量分析物的生物传感系统。此外还需要一种简单灵活的方法来制备可实现最佳大规模处理的生物传感器。Sandstrom et al.，24 Applied Optics 472，1985对一种硅制光学基质的应用进行了描述，该基质含有一层一氧化硅，并含有一层作为介质薄膜的硅。文中指出，薄膜的厚度变化可改变光学基质的特性，从而随薄膜的厚度产生不同的颜色。薄膜的厚度与观察到的颜色相关，而光学基质上覆盖的一层薄膜能够产生可见的颜色变化。作者指出，颜色变化可利用数学模型来定量，而“利用计算机模型进行计算的结果表明，使用多层结构不会引起光学特性的变化……但表面的生物层几乎不改变这种结构的反射作用，因为其光学特性主要由该多层结构的内界面决定。尽管可由额外的介质层来实现其它大多数应用性能，但最灵敏的生物层检测系统为单层系统”。Sandstrom et al.还指出，金属表面的金属氧化膜具有一些缺点，并且金属离子的存在还会在许多生化应用中产生有害作用。他们指出，理想的表层介质薄膜是将一氧化硅层置于环境大气中时自然形成的2-3nm厚的二氧化硅层，在玻璃或塑料基质上则可采用在40-60nm一氧化硅层上形成70-95nm二氧化硅层的方案。另外，他们还描述了一氧化硅楔的形成，方法是对一氧化硅进行选择性蚀刻、用二氯二甲基硅烷处理二氧化硅表面，并施加抗原与抗体生物层。他们可通过该楔形结构由一种偏振光椭圆计来测量薄膜厚度，并指出“最大的反差位于约65nm区域，这里的干涉色由紫色变为蓝色”。他们指出，这种系统的灵敏度之高足以通过固定化抗体来检测蛋白抗原。他们断定“提供的该设计方案具有足以适用于广泛应用领域的灵敏性”。所用原料，即玻璃、硅和氧化硅，具有化学惰性，并且不会影响所研究的生化反应。利用上述计算方法可设计出针对不同应用而优化的薄片。这种薄片可通过工业方法来生产，并且可确保其品质，目前能够以商品形式购买的有两种设计款式。Kumar et al.发表的美国专利5,512,131描述了一种装置，该装置含有一种带金属涂层的聚合物基质。抗体结合蛋白层则模压(stamp)在带涂层基质的表面。该装置可用于模压过程，或可作为一种开关。当分析物与该装置结合时可产生一种衍射图像。因而可使用一种显象装置，如摄谱仪(spectrometer)，来确定该衍射图像的存在情况。但Kumar et al.描述的该装置具有一些缺点。其中之一就是需要额外的显象装置来观察所有的衍射图像。由于需要衍射装置而不能裸眼来确定分析物的存在情况，所以Kumar et al.的装置不能对大量的样品进行测试。Bogart et al.的美国专利号5,482,830描述了一种装置，该装置包含一种带有光学活性表面的基质，这种光学活性表面可随光照而显示出第一颜色。第一种颜色被定义为发射光的光谱分布该基质还可显示出与第一颜色不同的第二种颜色(通过与第一颜色的波长组合不同的光波长组合，或不同的光谱分布，或通过与第一颜色不同的一种或多种波长的强度)。当分析物出现在该表面时，在相同的光的刺激下可显示出第二种颜色。由一种颜色向另一种颜色的变化可通过仪器或眼睛来测量。这种灵敏的检测方法相对于上文Sandstrom和Nygren描述的装置而言是一种进步，从商业角度考虑，使用该装置更具前途和竞争力。但在Bogart et al.的专利中描述的方法和装置也有一些缺点。一是该装置造价昂贵。另一问题是难以控制晶片上的不同薄层以获得可靠的数据。而所需要的正是一种易于生产、造价低廉，并且能够灵敏可靠地检测待测分析物的生物传感装置。一旦可使光散射的目标分析物与带有模式化蛋白及抗体的聚合物膜的特定区域结合，即可通过该分析物的确定尺寸和特定精确位置产生透射光衍射和/或反射光衍射。产生的衍射图像可用眼睛方便地观察，也可选择性地使用一种传感装置。本专利技术采用模式化抗体结合蛋白的晒图方法。这些蛋白能够与抗体结合，并将抗体模式化附着于表面，同时维持受体抗体的最佳取向。这些受体抗体可对特定的一种或一类分析物具有特异性，这将取决于所使用的蛋白。适用于产生在本专利技术所述系统中使用的传感装置的晒图方法完全公开于美国专利申请号08/707,456和08/769,594,在此均全面引入作为参考。但由于这些方法涉及单层膜的自我组装，而抗体结合蛋白原料不能自我组装，因此需要如下文所述将这些方法稍加修改来印制抗体结合蛋白原料。带有抗体的模式化抗体结合蛋白层可使分析物在其表面模式化排布或模式化结合。由此产生的本专利技术所述生物传感装置可根据这两种方式中的一种来加以使用，这将取决于分析物的大小。当诸如微生物等分析物本身可造成衍射时，该系统的使用方法是，首先将生物传感装置暴露于含有选定分析物的介质中，然后在保温适当时间后用一种光，如激光，照射并穿透该薄膜或使其由薄膜反射。如果分析物存在于介质中并且与模式化抗体结合蛋白层上的抗体结合，那么光就被衍射并产生可见图像。对诸如蛋白等极小的分析物而言，该系统可选择性地使用能够与目标分析物和生物传感器结合并使振幅和/或折射率发生极大变化的“衍射增强元件”，以此来提高生物传感器的衍射效率并使较小分析物的检测得以进行。在使用时，目标分析物可直接与印有蛋白和抗体的聚合物膜的特定区域结合，也可与衍射增强元件结合，然后该部件与生物传感器结合。然后通过分析物的确定尺寸和特定精确位置产生透射光衍射和/或反射光衍射。产生的衍射图像可用眼睛方便地观察，也可选择性地使用一种传感装置。该传感器的另一可选用途涉及对抗体分析物进行检测。该传感装置可只含有模式化抗体结合蛋白，然后将其暴露于加有衍射增强元件的介质中，该衍射增强颗粒需含有待测抗体的特异性抗体。颗粒上的优选抗体应不与模式化抗体结合蛋白发生非特异性结合，而是只有在结合了分析物抗体后才发生结合。这样，衍射增强元件可在分析物抗体存在的情况下使振幅和/或折射率发生实质性变化，从而形成衍射图像。也可预见将这种方式与其它免疫测定方式一同使用，如横流测定(lateral folw)或微孔板方法等。换句话说，结合了分析物的抗体结合蛋白与抗体层可产生光学衍射图像来表明分析物的存在。使用的光可以是可见光，也可以是薄膜的反射光或是透射光，分析物可以是能够与抗体结合蛋白层反应的任何化合物或颗粒。使用的光可以是白光，也可以是位于可见区内的单色电磁辐射。本专利技术还提供一种柔性支持物，用于在金或其它适当金属或合金上支持抗体结合蛋白层。本专利技术提供一种可批量生产的一次性廉价生物传感器。该生物传感器包括印有模式化抗体结合蛋白的表面。这些蛋白一般可通过抗体的恒定区(Fc)与抗体结合，这样就使抗体的抗原结合区(Fab)处于游离状态，从而获得最佳的结合活性。模式化蛋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物传感器，包括： 一种聚合物膜；以及 在该聚合物膜上模式印制的一种抗体结合蛋白层，其中该抗体结合蛋白层上带有一种对分析物具有特异性的抗体。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：K麦格拉斯，RM凯洛，DS埃维尔哈特，
申请(专利权)人：金伯利克拉克环球有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]