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CN105517700A - 异质表面官能化 - Google Patents

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CN105517700A
CN105517700A CN201480039742.3A CN201480039742A CN105517700A CN 105517700 A CN105517700 A CN 105517700A CN 201480039742 A CN201480039742 A CN 201480039742A CN 105517700 A CN105517700 A CN 105517700A
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R·托尔瑙伊
P·范德博加德
N·德迈雷
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Mycartis NV
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Abstract

本发明涉及一种微载体，所述微载体至少包括用于执行测试的检测表面，所述检测表面包括利用第一官能团官能化的第一区域，所述检测表面用于检测至少化学和/或生物相互作用，所述第一区域被设计用于提供第一信号。微载体的特征在于，所述检测表面还包括第二区域，所述第二区域被设计成用于提供不同于第一信号的第二信号，所述第二信号在测试期间被发射。从而，通过所述第一信号与所述第二信号的比较提供关于至少化学和/或生物相互作用的存在的信息。

Description

异质表面官能化
本发明涉及一种包括检测至少化学和/或生物相互作用的检测表面的微载体。本发明还涉及用于执行化学和/或生物测试的方法。
化学和/或生物相互作用的检测通常涉及装配有官能化检测表面的微粒。当溶液接触所述检测表面时，包括在溶液中的目标成分与接枝在检测表面上的官能团形成化学和/或生物相互作用。这样的相互作用通常导致发射荧光信号，如果目标成分被荧光标记，则所述荧光信号直接指示在化合物中存在目标成分，或者如果利用三级荧光地标记的成分来揭示相互作用，则所述荧光信号间接地指示在化合物中存在目标成分。
然而，在官能化表面与溶液中存在的成分(其不是目标成分)之间可能发生非特异性和/或特异性化学和/或生物相互作用。为此原因，这样的检测测试通常要求控制实验以提供确保结果的准确度和可靠性的控制信号。实际上，这样的控制实验通常允许确定在该情况下被吸收到控制信号的背景噪声。如在此使用的，术语背景噪声是指限定当官能化表面与包括目标复合物的溶液接触时发生的任何非特异性相互作用。
通过诸如在WO2012/106827中描述的微粒，用于检测目标成分的典型实验程序涉及装配有两个不同检测表面的两个微粒，以提供两个信号：第一微粒被设计用于检测目标成分的特异性和非特异性相互作用以提供荧光信号，而不能区分两种相互作用，然而控制微粒被设计用于专门检测背景噪声以提供控制信号。从而，目标成分与检测表面之间的特异性化学和/或生物相互作用的近似可以通过荧光信号与控制信号的比较来推断。
这样的实验程序能用于分析具有不均匀组成的溶液，意味着每个微粒都与预定且均匀的环境接触。然而，当将被分析的组合物在包括微粒的微通道中流动时，例如，如在WO2010/072011中描述的，上述程序缺乏可再生性。实际上，当比较由位于所述微通道的两个不同部分中的两个微粒发射的信号时，每个微粒看到不同环境，特别是当目标成分的浓度低并且沿着和/或在整个微通道改变时。
本发明的目标在于补救所有或部分上述缺点。
本发明通过提供微载体来实现这些目标，其中，微载体至少包括用于执行测试的检测表面，所述检测表面包括利用第一官能团官能化的第一区域，所述检测表面用于检测至少化学和/或生物相互作用，所述第一区域被设计用于提供第一信号，所述微载体的特征在于：检测表面还包括第二区域，所述第二区域被设计用于提供与第一信号不同的第二信号，所述第二信号在测试期间被发射，使得通过所述第一信号与第二信号的比较提供关于至少化学和/或生物相互作用的存在的信息。
本发明还涉及一种用于检测至少化学和/或生物相互作用的方法，所述方法包括以下连续步骤：
-提供根据本发明的微载体；
-使所述微载体与组合物接触，所述组合物被设计用于提供与第一区域和/或第二区域的至少化学和/或生物相互作用；
-测量由所述第一区域发射的第一信号和由所述第二区域发射的第二信号；
-通过所述第一信号与所述第二信号之间的差异分析，量化所述至少化学和/或生物相互作用在所述第一区域上的存在。
从而，根据本发明的微载体通过提供还包括被设计用于从类似环境发射第二信号的第二区域的检测表面来解决上述问题。第二区域旨在提供关于在第一区域上检测的化学和/或生物相互作用的补充信息。根据本发明的唯一微载体提供直接涉及与微载体接触的溶液的组成的两个不同信号。由于关于浓度从相同环境得到两个不同信号，特别是当所述浓度取决于微通道中的位置时，可以直接比较这两个不同信号。从而，根据本发明的微载体提供对关于在流体流中检测目标复合物的上述问题的解决方案，并且通过考虑背景噪声的源提供增加的可再生性和增加的灵敏度。
根据一个实施方式，第一区域与第二区域至少部分不同，优选地，第一区域不同于第二区域。由于两个信号的发射源至少部分地在物理上分开，这便于第一信号与第二信号的比较。
在一个实施方式中，第一区域和/或第二区域是完全断开的区域。
根据一个实施方式，第一区域和/或第二区域是路径连接的区域。
在一个实施方式中，第一区域表示约50％的检测表面，和/或第二区域表示约50％的检测表面。
根据一个实施方式，第一区域和/或第二区域包括多个路径连接的子部分。
在一个实施方式中，第一区域和第二区域一起形成至少棋盘格(checkerboard)。
根据一个实施方式，所述第一信号和所述第二信号是荧光信号。
在一个实施方式中，所述第一区域和/或所述第二区域包括至少金属。实际上，金属接枝表面的官能化方法在本领域的状态下已被很好地描述。
根据一个实施方式，所述第一区域包括抗体。
在一个实施方式中，所述微载体具有晶圆的形状。
根据一个实施方式，所述第一区域和所述第二区域在所述晶圆的相同侧上。
在本发明的一个实施方式中，第二信号指示所述第一官能团与将被检测的目标分子之间的至少特异性化学和/或生物相互作用。优选地，第二信号指示第二区域与在测试中存在的至少一个分子之间的非特异性化学和/或生物相互作用。
在一个实施方式中，微载体具有圆柱形晶圆的形状。
根据一个实施方式，所述化学和/或生物相互作用包括在具有至少第一官能团的组合物中包括的至少目标分子的相互作用。
在一个实施方式中，利用至少第一官能团官能化第一区域，以用于检测在组合物中包括的至少目标分子。目标分子可以是生物分子，例如，蛋白质或者核酸。
根据一个实施方式，第一信号指示至少目标分子与第一区域的至少化学和/或生物相互作用。
在一个实施方式中，第一信号指示至少目标分子与第一区域的特异性化学和/或生物相互作用、以及所述目标分子与所述第一区域的非特异性化学和/或生物相互作用的检测。
根据一个实施方式，第二区域被官能化，以用于检测在组合物中包括的至少目标分子的非特异性化学和/或生物相互作用。
在一个实施方式中，微载体被设计成允许量化在组合物中包括的至少目标分子与至少第一官能团的特异性化学和/或生物相互作用。
根据一个实施方式，包括在组合物中的至少目标分子与至少第一官能团的特异性化学和/或生物相互作用的量化通过第一信号与第二信号之间的差异分析执行。
在一个实施方式中，微载体被编码。
有利地，本发明的编码后的微载体还包括可读代码。从而，编码后的微载体被编码并且以其官能化可通过读取其代码被确定的方式被官能化。微载体的集合通过利用相同代码编码的一个或更多个微载体限定，所述代码对应于第一区域上的特定第一官能团，微载体的每个集合都承载特定第一官能团。当使用微载体的多个集合时，一个或更多个微载体的每个集合的第一区域的第一官能团都可以通过读取所述微载体的代码来确定。
根据一个实施方式，第一官能团被设计用于识别组合物中包括的至少目标分子。
本发明还涉及一种用于量化至少目标分子与根据本发明的微载体的第一区域的特异性化学和/或生物相互作用的方法，所述第一区域利用至少第一官能团被官能化，所述方法包括以下步骤：
-提供包括至少目标分子的至少组合物；
-使所述组合物与根据本发明的至少微载体接触；
-测量由第一区域发射的第一信号和由第二区域发射的第二信号；
-通过第一信号与第二信号之间的差异分析，量化第一区域上的至少目标分子的特异性相互作用。
该方法还可以用于量化多个目标分子与它们的相应第一官能团的特异性化学和/或生物相互作用。为此，使用编码后的微载体的多个集合，编码后的微载体的每个集合都包括被设计用于识别特定目标分子的至少第一官能团，其中，集合的每个微载体的第一区域的第一官能团都通过读取所述编码后的微载体的代码来确定。
在一个实施方式中，在发光信号或化学发光信号中选择第一信号和第二信号。
在一个实施方式中，第一区域和/或第二区域被设计成允许进行表面增强的荧光过程。
根据本发明的微载体或者根据本发明的方法可以是在本申请中公开的每个实施方式或者所述实施方式的组合。
本发明还通过考虑附图阐述的以下详细说明来解释，附图表示包括用于执行测试的检测表面的微载体的示例性和说明性实施方式。
-图1是根据第一实施方式的包括被划分为两个区域的检测表面的微载体的视图。
-图2是根据第二实施方式的包括被划分为多个子部分的第一区域和路径连接的第二区域的检测表面的微载体的视图。
-图3是根据第三实施方式的包括被设计用于检测抗原的第一区域和第二区域的检测表面的微载体的视图。
根据本发明的微载体10、100、200包括具有通过圆柱表面12、102、202描绘的圆柱形晶圆的形状的主体11、101、201和两个主表面13、14、103、104、203、204，如图1、图2和图3中所示，这意味着圆柱形晶圆的高度比主表面13、14、103、104、203、204的半径显著小(至少小因数2)。在图1至图3中描绘的实施方式中，晶圆是覆盖有天然氧化物层的硅晶圆16、116、216。主表面14、104、204中的至少一个包括被官能化以检测至少化学和/或生物相互作用的检测表面15、115、215。在图1至图3中所示的实施方式中，主表面14、104、204被官能化以检测在将被分析的组合物中包括的目标分子，并且在所述实施方式中，目标分子是抗原24、124、224。在图1、图2和图3中描绘的实施方式中，检测表面15、115、215是盘形区域。微载体10、100、200还包括可读代码17、117、217。因此，多个化学和/或生物相互作用可以通过使用多个微载体10、100、200来检测，每个微载体10、100、200都通过对应于其检测表面15、115、215的官能化的唯一可读代码17、117、217编码。可读代码17、117、217包括不同图案的多个通孔18、118、218。在图1、图2和图3中呈现的实施方式中，可读代码17、117、217由四个通孔组成。这样的可读代码17、117、217还优选地包括不对称取向标记19、119、219作为L形孔，如图1至图3中所示。不对称取向标记19、119、219用于相互区分主表面13、14、103、104、203、204。可读代码17、117、217允许执行包括在组合物中的一个或更多个目标分子的检测和/或量化，每个目标分子都通过与相应微载体10、100、200的检测表面15、115、215相互作用被检测和/或量化。
检测表面15、115、215包括两个不同区域，第一区域20、120、220和第二区域21、121、221。第一区域20、120、220和第二区域21、121、221被官能化以分别提供第一信号和第二信号。第一区域20、120、220和/或第二区域21、121、221的官能化可能涉及金属。在图1、图2和图3中呈现的实施方式中，第一区域20、120、220和第二区域21、121、221位于硅晶圆16、116、216的相同侧上。图1和图3中呈现的实施方式和图2的实施方式表示检测表面15、120、220上的第一区域20、120、220和第二区域21、121、221的两种不同布局。在图1中所示的第一实施方式和在图3中所示的第三实施方式中，盘形检测表面15、215被划分为构成两个半盘形区域(分别为第一区域20、220和第二区域21、221)的两个半盘形区域。第一区域20表示约50％的检测表面15、215，并且第二区域21、221表示约50％的检测表面15、215。在这样的实施方式中，第一区域20、220和第二区域21、221都是路径连接的区域。在图2中所示的第二实施方式中，第一区域120包括形成第一区域121的多个路径连接的子部分122。每个路径连接的子部分122例如是盘形区域。
第一区域20、120、220通过间隔物(spacer)22、123、222进行官能化，如图1、图2和图3中所示。这样的间隔物22、123、222可以使用众所周知的化学反应被附接到第一区域20、120、220，例如意味着硅晶圆16、116、216的第一区域20、120、220的表面硅烷醇基团被在各末端包括端硅烷醇基团的硅衍生物硅烷化。然后，由硅烷化得到的端硅烷醇基团进行氧化，以将端硅烷醇基团转换为羧基。所得到的羧基均使用经典肽键化学反应被共价结合到蛋白质免疫球蛋白G抗体(IgG)23、124、223上。从而，在图1至图3中所示的实施方式中，第一官能团包括蛋白质免疫球蛋白G抗体(IgG)23、124、223，所述蛋白质免疫球蛋白G抗体(IgG)23、124、223被设计用于识别抗原24、124、224。
当进行测试时，将微载体10、100、200放在微通道中。包括抗原24、125、224、生物素标记的抗体25、126、225和荧光链霉亲和素26、127、226的溶液在包括微载体10、100、200的微通道中流动。蛋白质免疫球蛋白G抗体(IgG)23、124、223被设计用于与抗原24、125、225相互作用。生物素标记抗体25、126、225被设计成与荧光链酶亲和素26、127、226相互作用。在测试期间，所述抗原24、125、224被生物素标记抗体25、126、225识别，并且与荧光链酶亲和素26、127、226相互作用，以提供至少指示抗原24、125、224与IgG23、124、223的相互作用的第一信号。而且，在图1和图3中所示的实施方式中，抗原24、125还可以经由非特异性相互作用与第一区域20、120以非特异性方式相互作用。在该情况下，第一信号指示：抗原24、125与IgG23、124的特异性相互作用以及可能在所述抗原24、125与第一区域20、120之间发生的非特异性相互作用。
微载体10、100、200的第二区域21、121、221旨在提供第二信号，所述第二信号不同于第一信号。在图1和图2中呈现的实施方式中，当在用于检测抗原24、125的测试中涉及微载体10、100时，第二区域21、121被用作提供背景噪声的内部控制。在这样的测试中，第二区域21、121旨在评估在组合物的目标分子与检测表面15、215之间可能发生的非特异性相互作用。为此目的，利用硫醇化学反应，通过接枝有寡聚-或多聚(乙二醇)单元28、129(PEG单元28、129)的金(Au)衍生物27、128官能化第二区域21、121。可以通过考虑由第二区域21、121上的第二信号测量的背景噪声校正由第一区域20、120提供的第一信号，以评估抗原24、125与检测表面15、115的特异性相互作用。
在图3中所示的另一个实施方式中，利用耦合至第二抗体228的金衍生物227官能化第二区域221，第二抗体228也被设计用于检测抗原224。在测试期间，所述抗原224被生物素标记抗体225识别，所述生物素标记抗体225被设计用于与荧光链酶亲和素226相互作用。因此，第一信号与第二信号之间的比较使得可以测量抗原224与两种不同抗体(接枝在相同微载体200的检测表面215上的免疫球蛋白G抗体(IgG)和第二抗体228)的亲和力。
本发明还涉及一种用于检测至少化学和/或生物相互作用的方法。在图1和图2中描绘的实施方式中，该方法用于检测抗原24、125。该方法包括以下连续步骤：
-提供根据本发明的微载体10、100。
-使所述微载体10、100与组合物接触，所述组合物被设计用于提供与第一区域20、120和/或第二区域21、121的至少化学和/或生物相互作用。
-测量由第一区域20、120发射的第一信号和由第二区域21、121发射的第二信号。在此情况下，第一信号和第二信号是荧光信号。
-通过第一信号与第二信号之间的差异分析，量化至少化学和/或生物相互作用在第一区域121、120上的存在。在该情况下，该方法允许量化抗原24、125与蛋白质免疫球蛋白G抗体(IgG)23、124的特异性相互作用。
本发明的其它实施方式将通过考虑在此公开的本发明的说明和实践对于本领域技术人员将变得明显。说明和示例旨在被认为仅是示例性的，本发明的真实范围和精神通过以下权利要求指示。

Claims (13)

1.一种微载体(10、100、200)，所述微载体至少包括用于执行测试的检测表面(15、115、215)，所述检测表面(15、115、215)包括利用第一官能团官能化的第一区域(20、120、220)，所述检测表面用于检测至少化学和/或生物相互作用，所述第一区域(20、120、220)被设计用于提供第一信号，所述微载体(10、100、200)的特征在于，所述检测表面(15、115、215)还包括第二区域(21、121、221)，所述第二区域(21、121、221)被设计用于提供不同于所述第一信号的第二信号，所述第二信号在所述测试期间被发射，使得通过所述第一信号与所述第二信号的比较提供关于所述至少化学和/或生物相互作用的存在的信息。
2.根据权利要求1所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)至少部分地不同于所述第二区域(21、121、221)，优选地，其中，所述第一区域(20、120、220)不同于所述第二区域(21、121、221)。
3.根据权利要求1或2所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)和/或所述第二区域(21、121、221)是完全断开的区域。
4.根据权利要求1或2所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)和/或所述第二区域(21、121、221)是路径连接的区域。
5.根据权利要求4所述的微载体(10、200)，其中，所述第一区域(20、220)表示约50％的所述检测表面(15、215)，和/或所述第二区域(21、221)表示约50％的所述检测表面(15、215)。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的微载体(100)，其中，所述第一区域(120)和/或所述第二区域(121)包括多个路径连接的子部分(122)。
7.根据权利要求6所述的微载体(100)，其中，所述第一区域(120)和所述第二区域(121)一起形成至少棋盘格。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一信号和所述第二信号是荧光信号。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)和/或所述第二区域(21、121、221)包括至少金属。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)包括抗体。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的微载体(10、100、200)，其中，所述微载体(10、100、200)具有晶圆的形状。
12.根据权利要求11所述的微载体(10、100、200)，其中，所述第一区域(20、120、220)和所述第二区域(21、121、221)在所述晶圆的相同侧上。
13.一种用于检测至少化学和/或生物相互作用的方法，所述方法包括以下连续步骤：
a、提供根据权利要求1至12中的任一项所述的微载体(10、100)；
b、使所述微载体(10、100)与组合物接触，所述组合物被设计成用于提供与所述第一区域(20、120)和/或所述第二区域(21、121)的至少化学和/或生物相互作用；
c、测量由所述第一区域(20、120)发射的所述第一信号和由所述第二区域(21、121)发射的所述第二信号；
d、通过所述第一信号与所述第二信号之间的差异分析，量化至少化学和/或生物相互作用在所述第二区域(20、121)上的存在。
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