选择性功能化的纳米流体生物传感器中的生物分子的快速定量及其方法技术

本发明专利技术要求保护用于快速定量纳米通道(210)中存在的生物分子(320)的方法和设备。具体地，本发明专利技术涉及纳米通道中的液体驱动和选择性功能化表面的新构思，其形成短暂固定化的生物分子(340)跨所述纳米通道的浓度梯度。此构思使得对目的生物分子相互作用(320)的定量成为可能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用光学系统检测选择性功能化的纳米流体生物传感器中的荧光标记的生物分子的方法和设备。本专利技术可以有利地用于生物医学样品和生物样品的快速定量。
技术介绍
纳米流体生物传感器被定义为具有纳米尺寸限制件(confinement)和/或侧孔的流体系统，其用于定量溶液中生物分子的存在。目前对纳米流体生物传感器的开发大多数意图用于生物工程和生物技术应用。在本专利技术的范围内，生物传感器用于定量溶液中生物分子的存在，以用于体外诊断应用。瑞士专利申请CH 01824/09公开了具有侧孔的生物传感器，其用于检测生物分子相互作用，PCT申请IB2010/050867公开了其与简单光学系统的应用。生物分子在这些构造中的扩散是缓慢的，需要长的等待时间以获得稳定的测量条件，或需要高度浓缩的溶液用于观察生物分子相互作用。生物标志物，也称为生物学标志物，是用作用于检测生物分子的存在的特异性指标的物质。其特征在于作为生物学过程、发病过程或对治疗性干预的药理学反应的指标被客观测量和评估。目前对特异性生物分子的检测的实践可以分为两类:(a)标记技术和(b)无标记技术。在标记技术中，广泛使用的是荧光、比色法、放射性、磷光、生物发光和化学发光。功能化磁珠也可以被认为是标记技术。标记技术的优点是比无标记法灵敏以及归因于特异性标记的分子识别。在无标记技术中，广泛使用的是电化学生物传感器，涉及电流型传感器、电容型传感器、电导型传感器或阻抗型传感器，其优点是快速和廉价。当生物分子陷入或固定化在电极上或附近时，它们测量电极结构的电性能的改变，但所有这些构思缺乏分子特异性对比度、灵敏度和可靠度。酶联免疫吸附测定(ELISA)是一种重要的生物化学技术，其主要用来检测血清中可溶性生物分子的存在，因此被广泛用作医学中的诊断工具和多个行业中的质量控制检验。然而ELISA分析是昂贵的，要求大量的溶液并且是耗时的。用于生物分子诊断学的其他重要技术是Western和Northern印迹、蛋白电泳和聚合酶链式反应(PCR)。然而，这些方法要求高度浓缩的分析物并且不允许高通量样品测试。目的本专利技术的一个目的是提供廉价的和快速的纳米流体生物传感器，其不要求复杂的操作。本专利技术的另一目的是使用纳米流体从几何学上限制光学测量空间，并且选择性地功能化纳米通道表面，以获得生物传感器的高灵敏度。本专利技术的又另一目的是通过迫使形成贯穿纳米尺寸限制件(纳米通道)的对流，以增加生物分子与固定化的生物标志物相互作用的概率，从而增加检测的灵敏度。参照下面的附图以及优选实施方案，本专利技术的这些和其他目的将变得越来越明显。
技术实现思路
本专利技术基于下面的发现:迫使生物分子进入具有选择性功能化表面的纳米尺寸限制件，会强烈地增加生物分子与固定化的生物标志物相互作用的概率。这允许对超低浓度的荧光标记的生物分子的存在进行定量。本专利技术还基于下面的发现:监控与生物分子连接的荧光团的光漂白可以用来区分已经与生物标志物相互作用并且被固定化在纳米通道中的生物分子与只是扩散通过检测空间的那些生物分子。此外，本专利技术强调使用驱动组件来迫使待分析的溶液通过纳米通道对流的概率。在本文中，术语“驱动组件”必须要被理解为能够用于促进溶液流动通过纳米通道的任何元件，例如，吸收元件。在本专利技术的范围内，使用纳米流体，因为其具有高的表面体积比，这意味着包含在检测空间中的表面使得生物分子与表面上固定化的生物标志物之间的相互作用的概率最大化。由于位于检测空间内的小部分基底，其也强烈地减少了溶液的背景信号。本专利技术因此涉及如权利要求中所限定的生物传感器。本专利技术还涉及使用所述生物传感器的组合件和方法。【附图说明】图1a是含有纳米流体生物传感器200的阵列的密封容器系统101的立体图。含有荧光标记的生物分子的溶液300通过移液管系统400被放置在密封容器101内。基于激光束510的光学系统500用于测量。图1b是含有纳米流体生物传感器200的阵列的表面102的立体图。含有荧光标记的生物分子的溶液300通过移液管系统400被放置在表面102上。基于激光束510的光学系统500用于测量。图2a显示由两个基底201和202所限定的纳米流体生物传感器的横截面，这两个基底的局部结构由区域211和另一区域203构成，区域211被生物标志物310功能化，区域203阻止该功能化。含有生物分子的试剂溶液300进入纳米通道210并且由外部驱动组件241驱动。激光束510监测检测空间520中的固定化的生物分子340的光漂白。图2b显示由两个基底201和202所限定的纳米流体生物传感器的横截面。仅一个基底的局部结构由区域211和另一区域203构成，区域211被生物标志物310功能化，区域203阻止该功能化。含有生物分子的试剂溶液300进入纳米通道210并且由内部驱动组件242驱动。激光束510监测检测空间520中的固定化的生物分子340的光漂白。图3图示在纳米通道长度上特异性生物分子的浓度随时间的变化。图4显示在纳米通道长度上特异性生物分子在给定时间L的浓度分布曲线。标记的区域代表特异性生物分子的检测部分。图5图示在纳米通道长度上非特异性生物分子(背景)的浓度随时间的变化。图6显示在纳米通道长度上非特异性生物分子在给定时间h的浓度分布曲线。标记的区域代表特异性生物分子的检测部分，对应于背景噪声。图7图示与固定化的特异性生物分子连接的荧光团的标准光漂白曲线。图8图示纳米通道内部非特异性生物分子随时间变化的荧光强度曲线，显示仅检测到背景噪声。图9显示纳米通道内随时间变化的溶液流速。【具体实施方式】当在本文中使用时，术语“生物分子”意指是通称，其包括例如(但不限于)蛋白诸如抗体或细胞因子、肽、核酸、脂质分子、多糖和病毒。当在本文中使用时，术语“纳米通道”意指是通称，其意思是具有至少一个纳米尺寸维度的清楚界定的微制结构。纳米通道的纳米尺寸维度被限定为大于2nm，因为待检测的最小生物分子的尺寸必须进入狭缝并处于相同数量级。本专利技术限于高度小于I微米的纳米通道，因为光学系统的检测空间的范围通常处于相同数量级。本专利技术旨在通过归因于对功能化表面的限制而增加与特异性生物标志物的相互作用的概率来增强对生物分子的检测。如在图1a和图1b中所示，纳米流体生物传感器200的阵列被固定化在密封容器系统101中或表面102上。含有荧光标记的目的生物分子的混合溶液300通过移液管系统400被放置在密封容器101内或表面102上。密封容器101可以被气密性密封以避免污染。最后，将光学装置500用来通过将激光束510聚焦在生物传感器纳米通道内部来测量生物传感器200内部的生物分子相互作用。图2a和图2b图示出本专利技术生物传感器的检测原理和横截面。该系统包含将输入侧口 220与输出侧口 230连接在一起的纳米通道210。可以是外部的(241)或内部的(242)驱动组件位于输出侧口 230附近。首先，生物标志物310被固定化在基底201和202的一个或两个的选择性功能化的纳米通道表面上。其他纳米通道表面和侧口表面可以通过放置非功能化层203而被保护。检测空间520必须集中在纳米通道210内，诸如由纳米通道210的空间所限定的相交空间，并且检测空间520是最大的，并且紧靠输入侧口 220。下一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.09 IB PCT/IB2011/0509791.一种用于检测和定量荧光标记的生物分子(320)的生物传感器(200)，所述生物传感器(200)包含纳米通道(210)，所述纳米通道在两个基底(201，202)之间限定并且含有一个或数个选择性功能化的区域(211)，所述选择性功能化的区域(211)上有固定化的生物标志物(310)，所述纳米通道还由输入侧口(220)和输出侧口(230)限定，所述输入侧口(220)适于使含有生物分子(320)的溶液进入所述纳米通道(210)中，并且所述输出侧口(230)适于通过毛细管作用驱动所述溶液通过所述纳米通道(210)。2.根据权利要求1所述的生物传感器(200)，其中所述生物标志物(310)适于与特异性生物分子(320)以生物学或化学方式相互作用，和/或不与所述溶液(300)中包含的非特异性生物分子(330)相互作用。3.根据权利要求1或2所述的生物传感器(200)，其中所述基底(201，202)由选自由硅、玻璃、塑料和氧化物化合物构成的组中的材料制成。4.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中所述输出侧口(230)容纳驱动组件(241或242)或与驱动组件(241或242)接触，所述驱动组件(241或242)适于驱动所述溶液通过所述纳米通道(210)。5.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中所述纳米通道(210)和所述侧口(220，230)内的非功能化表面含有厚度为1nm至1000nm的薄层材料，所述材料选自由金属、塑料和氧化物化合物构成的组。6.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中所述侧口(22...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·杜兰德，I·梅尔基，S·布罗伊莱特，A·梅尔，T·拉瑟，
申请(专利权)人：阿比奥尼克公司，
类型：
国别省市：