用于納米流體生物傳感器的氣體排空系統的制作方法
【專利摘要】一種納米流體生物傳感器系統(200)，包括底部基板(120)和頂部基板(110)，在底部基板(120)和頂部基板(110)之間限定輸入側孔(210)、包含至少一個功能化區域(231)的納米狹縫(230)以及輸出側孔(220)或內部儲存器(221)，所述生物傳感器系統(200)適于使包含生物分子(320)的溶液進入輸入側孔(210)并連續穿過所述納米狹縫(230)和所述輸出側孔(220)或內部儲存器(221)；所述生物傳感器系統(200)還包括氣體排空子系統(150?155)，氣體子排空系統(150?155)位于所述納米狹縫(230)和生物傳感器外部環境之間。
【專利說明】
用于納米流體生物傳感器的氣體排空系統
技術領域
[0001]本申請涉及具有至少一個側孔的納米流體生物傳感器。這種生物傳感器可以有利地用于對生物醫學和生物樣本進行精確、快速的量化。
【背景技術】
[0002]納米流體生物傳感器被定義為具有納米尺寸的限制結構(confinement)和/或側孔的流體系統。應用包括定量溶液中生物分子的存在。目前對納米流體生物傳感器的開發大多數意圖用于生物工程和生物技術應用。在本發明的范圍內，生物傳感器用于定量溶液中生物分子的存在，以用于體外診斷應用。
[0003]瑞士專利申請CH 01824/09公開了具有側孔的生物傳感器，其用于檢測生物分子相互作用，PCT申請IB2010/050867公開了其與簡單光學系統的應用并且PCT申請IB2012/050527公開了減少孵育時間并增加描述的生物傳感器的靈敏度的方法。生物分子在這些配置中的擴散是緩慢的，需要長的等待時間以獲得穩定的測量條件，或需要高度濃縮的溶液以觀察生物分子相互作用。
[0004]生物標志物，也稱為生物學標志物，是用作用于檢測生物分子的存在的特異性指標的物質。其特征在于作為生物學過程、發病過程或對治療性干預的藥理學反應的指標被客觀測量和評估。
[0005]目前對特異性生物分子的檢測的實踐可以分為兩類:(a)標記技術和(b)無標記技術。
[0006]在標記技術中，廣泛使用的是熒光、比色法、放射性、磷光、生物發光和化學發光。功能化磁珠也可以被認為是標記技術。標記技術的優點是比無標記法靈敏以及歸因于特異性標記的分子識別。
[0007]在無標記技術中，廣泛使用的是電化學生物傳感器，涉及電流型傳感器、電容型傳感器、電導型傳感器或阻抗型傳感器，其優點是快速和廉價。當生物分子陷入或固定在電極上或附近時，它們測量電極結構的電性能的改變，但所有這些構思缺乏分子特異性對比度、
靈敏度和可靠度。
[0008]酶聯免疫吸附測定(ELISA)是一種重要的生物化學技術，其主要用來檢測血清中可溶性生物分子的存在，因此被廣泛用作醫學中的診斷工具和多個行業中的質量控制檢驗。然而ELISA分析是昂貴的，要求大量的溶液并且是耗時的。
[0009]用于生物分子診斷學的其他重要技術是Western和Northern印跡、蛋白電泳和聚合酶鏈式反應(PCR)。然而，這些方法要求高度濃縮的分析物并且不允許高通量樣品測試。
【發明內容】
[0010]本發明的一個目的是改善快速納米流體生物傳感器的可變性，其不要求復雜的操作。
[0011]本發明的另一目的是產生允許在氣體填充過程中可能被待分析的溶液陷入在生物傳感器內部的氣體排空的貫穿廊道(crossing-through gallery)。
[0012]本發明的再另一目的是通過造成讓溶液流過生物傳感器入口(納米狹縫)的更大體積來增加檢測的靈敏度。
[0013]本發明基于下面的發現:如果填料前部不是完美地同質則在納米流體生物傳感器中可能會出現若干空氣泡。為了排空陷入的空氣，已經發明了允許空氣退出生物傳感器的氣體排空子系統。
[0014]本發明基于下面的發現:去除空氣泡將大大改善生物傳感器間的可變性以及靈敏度。
[0015]根據本發明的氣體排空子系統可以由多孔材料制成。
[0016]另外，本發明強調局部地構造一個或兩個生物傳感器基板以便限定氣體排空子系統的可能性。
[0017]在本文中，術語“氣體排空子系統”必須要被理解為可以被用于期望的目的的任何系統。例如，其可以由孔隙、貫穿孔洞或狹縫組成。
[0018]在本發明的范圍內，使用納米流體，因為其具有高的表面體積比，這意味著包含在檢測體積中的表面使得生物分子與表面上固定的生物標志物之間的相互作用的概率最大化。由于位于檢測體積內的小部分基底，其也大大地減少了溶液的背景信號。
[0019]本發明因此涉及如權利要求中所限定的生物傳感器。
[0020]本發明還涉及組件和實用所述生物傳感器的方法。在下面的部分中呈現了本發明的一些非限制示例。圖示了這些示例中的一些。
【附圖說明】
[0021]圖1a是納米流體生物傳感器系統的立體圖，所述納米流體生物傳感器系統由底部基板120、隔離體層130和包括帶有結構或不帶有結構的貫過孔隙的頂部基板110以及側孔210組成。借助移液管系統400，以溶液300將從側孔210進入生物傳感器內部的方式沉積包括熒光標記的生物分子的溶液300。一般使用基于激光束510的光學系統500來進行測量。
[0022]圖1b是納米流體生物傳感器系統的立體圖，所述納米流體生物傳感器系統由底部基板120、隔離體層130和在限定的位置150包括帶有結構或不帶有結構的貫過孔隙的頂部基板110以及側孔210組成。借助移液管系統400，以溶液300將從側孔210進入生物傳感器內部的方式沉積包括熒光標記的生物分子的溶液300。一般使用基于激光束510的光學系統500來進行測量。
[0023]圖2a示出了組成納米流體生物傳感器的基板111的頂視橫截面。輸入側孔210、納米狹縫230和輸出孔220將組成流體系統。測量區域231限定在納米狹縫之內。一旦系統已經達成其平衡，就可以在輸入側孔301、納米狹縫302和輸出側孔303中發現溶液。如果由液體驅動部件140致動的溶液流前部不是完美地均勻則會形成氣泡350。
[0024]圖2b示出了組成納米流體生物傳感器的基板111的頂視橫截面。輸入側孔210、納米狹縫230和輸出孔220將組成流體系統。測量區域231限定在納米狹縫230之內，并且基板貫穿孔隙150被直接限定在輸出側孔220之內。液體驅動部件140也存在于輸出側孔220之內。一旦系統已經達成其平衡，就可以在輸入側孔301、生物傳感器入口(納米狹縫)302和輸出側孔303中發現溶液。由于氣體可以通過孔隙系統150而排出，因此不存在氣泡。
[0025]圖3a示出了由兩個基板110和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔220組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。輸出側孔220可以包括液體驅動系統140。基板110整個都是多孔的，帶有貫穿孔隙。
[0026]圖3b示出了由兩個基板111和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔220組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。輸出側孔220可以包括液體驅動系統140。基板111可以被構造成局部地多孔，帶有貫穿孔隙150。
[0027]圖3c示出了由兩個基板111和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和內部儲存器221組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。內部儲存器221可以包括液體驅動系統140。基板111可以被構造成局部地多孔，帶有貫穿孔隙150。
[0028]圖3d示出了由兩個基板111和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔220組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。輸出側孔220可以包括液體驅動系統140。基板111可以被構造成帶有貫穿孔洞或狹縫151。
[0029]圖3e示出了由兩個基板111和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔220組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。輸出側孔220可以包括液體驅動系統140。基板121可以被構造成局部地多孔，帶有貫穿孔隙150。
[0030]圖4示出了由兩個基板111和120限定并且由被納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔220組成的納米流體生物傳感器的側橫截面。基板中僅有一個由于被生物標志物310功能化的區域231和防止該功能化的其他區域203而被局部地構造。包含生物分子的試劑溶液300從輸入側孔210進入納米狹縫230至輸出側孔220并且由內部驅動部件140致動。當到達輸出側孔220時，包含待被檢測的分子320和其他分子330的溶液300將填充構造的貫穿孔隙152。圖示出了被完全填充的孔隙153、正在被填充的孔隙154以及待被填充的孔隙155。激光束510監測在檢測體積520中被固定的生物分子340的濃度。
【具體實施方式】
[0031]當在本文中使用時，術語“生物分子”意指是通稱，其包括例如(但不限于)蛋白諸如抗體或細胞因子、肽、核酸、脂質分子、多糖和病毒。
[0032]當在本文中使用時，術語“納米狹縫”意指是通稱，其意思是具有至少一個納米尺寸維度的清楚界定的微制結構。納米狹縫的納米尺寸維度被限定為大于2nm，因為待被檢測的最小生物分子的尺寸必須進入狹縫并處于相同數量級。本發明限于高度小于幾微米的納米狹縫，因為光學系統的檢測體積的范圍通常處于相同數量級。
[0033]當在本文中使用時，術語“側孔”意指是通稱，其包括例如(但不限于)輸入和輸出通道。
[0034]當在本文中使用時，術語“內部儲存器”意指是通稱，其包括例如(但不限于)不具有到側孔的直接通路的空間，但是與氣體排空系統接觸。
[0035]本發明歸因于氣體排空的系統而旨在增強輸出側孔220或內部儲存器221的填充，所述氣體排空的系統保證生物分子濃度測量的低生物傳感器間可變性。如圖1a和圖1b所示，在光學單元500上方固定納米流體生物傳感器，所述納米流體生物傳感器由借助隔離體130而夾置在一起的基板110或111和基板120組成，并且具有輸入側孔210。基板110可以是多孔的，并且基板111可以具有局部構造的貫穿孔隙，以便在納米流體生物傳感器的填充過程中允許氣體排空。借助移液管系統400將包含感興趣的生物分子的混合溶液300布置在輸入側孔210處。最后，光學單元500用于通過將激光束510聚焦在生物傳感器納米狹縫之內而測量生物傳感器200內部的生物分子相互作用。
[0036]圖2a和圖2b示意了半個納米流體生物傳感器的頂視圖，所述半個納米流體生物傳感器由包含通過納米狹縫230聯接在一起的輸入側孔210和輸出側孔230的基板111組成。在圖2a中，輸出側孔220不被設計帶有氣體排空系統，而在圖2b中，輸出側孔220被構造帶有氣體排空系統150，可以借助便于獲得貫穿孔隙或孔洞的局部的干或濕化學蝕刻過程來獲得氣體排空系統150。當包括生物分子的溶液沉積在輸入側孔210處時，溶液將首先填充輸入側孔310、填充納米狹縫302并且然后最后填充輸出側孔303。不管多么優秀的液體驅動系統140，輸出側孔220的填充很少是均勻的。一般，溶液可以均勻地到達孔220的邊界并且在由于表面張力平衡而停止之后，其可能阻擋在輸出側孔220內部的氣體。歸因于側孔210或220不能排出氣體的事實，這可導致氣泡350的出現。如在圖2b中描繪的，氣體可以通過貫穿孔隙150而排出系統，避免氣泡的出現并且保證輸出側孔的完全填充，并且從而確保低生物傳感器間可變性。
[0037]圖3a、3b、3c、3d和3e示意了根據本發明的具有側孔和氣體排空系統的納米流體生物傳感器的不同配置。作為側橫截視圖呈現的系統由納米狹縫230聯接輸入側孔210和輸出側孔210或是聯接輸入側孔210和內部儲存器221而組成。挨著輸出側孔220或者在輸出側孔220內部構造驅動部件140。在圖3a中，生物傳感器由帶有貫穿廊道的整個地多孔的基板110組成。圖3b呈現了替換方案，其中基板111局部地被構造具有多孔貫穿廊道150。圖3c示意了在溶液填充系統時由于氣體可以通過在基板111中局部地構造的多孔區域150而排出所以沒有輸出側孔的情形。圖3d呈現了基板111局部地被構造帶有納米、微米或毫米尺寸的貫穿孔洞151的情形。最后，圖36不意了可以被構造在另一基板121或在兩個基板112和121上的氣體排空系統150。
[0038]圖4示意了根據本發明的帶有側孔和氣體排空系統的生物傳感器的橫截面和檢測的原理。被呈現為側橫截視圖的系統由納米狹縫230將輸入側孔210與輸出側輸出孔220聯接而組成。液體驅動部件140的位置挨著輸出側孔220或者在輸出側孔220內部。氣體排空系統152也存在于輸出側孔220中。首先，將生物標志物310固定在基板111和120中的一個或者兩個中的選擇性地被功能化的納米狹縫表面上。可以通過沉積非功能化層203來保護其他納米狹縫表面和側孔表面以便防止非特異性。一旦包括熒光標記的特異性生物分子320和非特異性生物分子330的溶液300被沉積在輸入側孔處，其即從輸入側孔210通過納米狹縫230至輸出側孔220填充系統。在填充納米狹縫230之后并且在到達液體驅動部件140時，溶液300填充輸出側孔220。當流動通過納米狹縫230時，并且歸因于布朗運動，特異性生物分子320與固定在納米狹縫230內部的生物標志物310進行相互作用并且形成分子配合物340。非特異性生物分子330也將流動通過納米狹縫230，但是將不與固定的生物標志物310形成分子配合物，而是將繼續進入輸出側孔220中。當溶液300與氣體排空系統152接觸時，液體將進入到貫穿孔隙155中，伴隨著短暫的填充狀態154，直到其已經完全地填充孔隙153。最后，在已經達成平衡后，通過激光束510激發被固定的發射熒光的配合物340和在光學檢測體積四處擴散的擴散的發射熒光的生物分子330并且通過光學系統對二者進行檢測。
[0039]根據本發明，所述裝置對與其他固定的生物分子相互作用或不相互作用的生物分子的檢測、計數、鑒定和表征提供了在可變性和靈敏度上極大的改進。本發明的應用可以涵蓋生物醫藥分析、生物學分析或食品分析，以及分析化學和生物分析化學中的基礎研究。
【主權項】
1.一種納米流體生物傳感器系統(200)，包括底部基板(I20)和頂部基板(110)，在底部基板(120)和頂部基板(110)之間限定了輸入側孔(210)、包含至少一個功能化區域(231)的納米狹縫(230)以及輸出側孔(220)或內部儲存器(221)，所述生物傳感器系統(200)適于使包含生物分子(320)的溶液進入輸入側孔(210)并連續穿過所述納米狹縫(230)和所述輸出側孔(220)或內部儲存器(221);所述生物傳感器系統(200)還包括氣體排空子系統(150-155)，氣體排空子系統(150-155)位于所述納米狹縫(230)和生物傳感器外部環境之間。2.根據權利要求1所述的生物傳感器系統，還包括位于所述納米狹縫(230)和所述氣體排空子系統(150-155)之間的液體驅動子系統(140)。3.根據權利要求1或2所述的生物傳感器系統，其中所述氣體排空子系統(150-155)包含在所述基板(110，120)中的一個或者兩個內。4.根據前述權利要求中任一項所述的生物傳感器，其中所述氣體排空子系統由多孔材料(150)制成。5.根據權利要求1-3中任一項所述的生物傳感器，其中所述氣體排空子系統包括若干貫穿孔洞(151，153，154，155)。6.根據前述權利要求中任一項所述的生物傳感器(200)，其中基板(110，120)由選自由硅、玻璃、塑料和氧化物組成的群組的材料制成。7.根據前述權利要求中任一項所述的生物傳感器(200)，其中側孔(210，220)具有10nm2到10mm2的面積，并且納米狹縫(230)具有2nm到100nm之間的高度、2nm到20mm之間的寬度和2nm到20mm之間的長度。8.—種用于從納米流體系統排空氣體的方法，所述納米流體系統包括: a)至少一個如權利要求1-7中任一項中限定的生物傳感器(200); b)光學系統(500); c)通過量化依附到特異性生物分子(320)的熒光團來檢測固定在所述納米狹槽(230)內部的生物標志物(310)上的特異性生物分子(320)。
【文檔編號】G01N21/64GK105874320SQ201480068320
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月17日
【發明人】N·杜蘭德, I·梅爾基, M·蓋斯布勒
【申請人】阿比奧尼克公司