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CN105874320A - 用于纳米流体生物传感器的气体排空系统 - Google Patents

用于纳米流体生物传感器的气体排空系统 Download PDF

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CN105874320A CN201480068320.9A CN201480068320A CN105874320A CN 105874320 A CN105874320 A CN 105874320A CN 201480068320 A CN201480068320 A CN 201480068320A CN 105874320 A CN105874320 A CN 105874320A
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Abstract

一种纳米流体生物传感器系统(200)，包括底部基板(120)和顶部基板(110)，在底部基板(120)和顶部基板(110)之间限定输入侧孔(210)、包含至少一个功能化区域(231)的纳米狭缝(230)以及输出侧孔(220)或内部储存器(221)，所述生物传感器系统(200)适于使包含生物分子(320)的溶液进入输入侧孔(210)并连续穿过所述纳米狭缝(230)和所述输出侧孔(220)或内部储存器(221)；所述生物传感器系统(200)还包括气体排空子系统(150‑155)，气体子排空系统(150‑155)位于所述纳米狭缝(230)和生物传感器外部环境之间。

Description

用于纳米流体生物传感器的气体排空系统
技术领域
本申请涉及具有至少一个侧孔的纳米流体生物传感器。这种生物传感器可以有利地用于对生物医学和生物样本进行精确、快速的量化。
背景技术
纳米流体生物传感器被定义为具有纳米尺寸的限制结构(confinement)和/或侧孔的流体系统。应用包括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。在本发明的范围内，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并且PCT申请IB2012/050527公开了减少孵育时间并增加描述的生物传感器的灵敏度的方法。生物分子在这些配置中的扩散是缓慢的，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以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。
发明内容
本发明的一个目的是改善快速纳米流体生物传感器的可变性，其不要求复杂的操作。
本发明的另一目的是产生允许在气体填充过程中可能被待分析的溶液陷入在生物传感器内部的气体排空的贯穿廊道(crossing-throughgallery)。
本发明的再另一目的是通过造成让溶液流过生物传感器入口(纳米狭缝)的更大体积来增加检测的灵敏度。
本发明基于下面的发现：如果填料前部不是完美地同质则在纳米流体生物传感器中可能会出现若干空气泡。为了排空陷入的空气，已经发明了允许空气退出生物传感器的气体排空子系统。
本发明基于下面的发现：去除空气泡将大大改善生物传感器间的可变性以及灵敏度。
根据本发明的气体排空子系统可以由多孔材料制成。
另外，本发明强调局部地构造一个或两个生物传感器基板以便限定气体排空子系统的可能性。
在本文中，术语“气体排空子系统”必须要被理解为可以被用于期望的目的的任何系统。例如，其可以由孔隙、贯穿孔洞或狭缝组成。
在本发明的范围内，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体积中的表面使得生物分子与表面上固定的生物标志物之间的相互作用的概率最大化。由于位于检测体积内的小部分基底，其也大大地减少了溶液的背景信号。
本发明因此涉及如权利要求中所限定的生物传感器。
本发明还涉及组件和实用所述生物传感器的方法。在下面的部分中呈现了本发明的一些非限制示例。图示了这些示例中的一些。
附图说明
图1a是纳米流体生物传感器系统的立体图，所述纳米流体生物传感器系统由底部基板120、隔离体层130和包括带有结构或不带有结构的贯过孔隙的顶部基板110以及侧孔210组成。借助移液管系统400，以溶液300将从侧孔210进入生物传感器内部的方式沉积包括荧光标记的生物分子的溶液300。一般使用基于激光束510的光学系统500来进行测量。
图1b是纳米流体生物传感器系统的立体图，所述纳米流体生物传感器系统由底部基板120、隔离体层130和在限定的位置150包括带有结构或不带有结构的贯过孔隙的顶部基板110以及侧孔210组成。借助移液管系统400，以溶液300将从侧孔210进入生物传感器内部的方式沉积包括荧光标记的生物分子的溶液300。一般使用基于激光束510的光学系统500来进行测量。
图2a示出了组成纳米流体生物传感器的基板111的顶视横截面。输入侧孔210、纳米狭缝230和输出孔220将组成流体系统。测量区域231限定在纳米狭缝之内。一旦系统已经达成其平衡，就可以在输入侧孔301、纳米狭缝302和输出侧孔303中发现溶液。如果由液体驱动部件140致动的溶液流前部不是完美地均匀则会形成气泡350。
图2b示出了组成纳米流体生物传感器的基板111的顶视横截面。输入侧孔210、纳米狭缝230和输出孔220将组成流体系统。测量区域231限定在纳米狭缝230之内，并且基板贯穿孔隙150被直接限定在输出侧孔220之内。液体驱动部件140也存在于输出侧孔220之内。一旦系统已经达成其平衡，就可以在输入侧孔301、生物传感器入口(纳米狭缝)302和输出侧孔303中发现溶液。由于气体可以通过孔隙系统150而排出，因此不存在气泡。
图3a示出了由两个基板110和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔220组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。输出侧孔220可以包括液体驱动系统140。基板110整个都是多孔的，带有贯穿孔隙。
图3b示出了由两个基板111和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔220组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。输出侧孔220可以包括液体驱动系统140。基板111可以被构造成局部地多孔，带有贯穿孔隙150。
图3c示出了由两个基板111和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和内部储存器221组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。内部储存器221可以包括液体驱动系统140。基板111可以被构造成局部地多孔，带有贯穿孔隙150。
图3d示出了由两个基板111和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔220组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。输出侧孔220可以包括液体驱动系统140。基板111可以被构造成带有贯穿孔洞或狭缝151。
图3e示出了由两个基板111和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔220组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。输出侧孔220可以包括液体驱动系统140。基板121可以被构造成局部地多孔，带有贯穿孔隙150。
图4示出了由两个基板111和120限定并且由被纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔220组成的纳米流体生物传感器的侧横截面。基板中仅有一个由于被生物标志物310功能化的区域231和防止该功能化的其他区域203而被局部地构造。包含生物分子的试剂溶液300从输入侧孔210进入纳米狭缝230至输出侧孔220并且由内部驱动部件140致动。当到达输出侧孔220时，包含待被检测的分子320和其他分子330的溶液300将填充构造的贯穿孔隙152。图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监测在检测体积520中被固定的生物分子340的浓度。
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“纳米狭缝”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。纳米狭缝的纳米尺寸维度被限定为大于2nm，因为待被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。本发明限于高度小于几微米的纳米狭缝，因为光学系统的检测体积的范围通常处于相同数量级。
当在本文中使用时，术语“侧孔”意指是通称，其包括例如(但不限于)输入和输出通道。
当在本文中使用时，术语“内部储存器”意指是通称，其包括例如(但不限于)不具有到侧孔的直接通路的空间，但是与气体排空系统接触。
本发明归因于气体排空的系统而旨在增强输出侧孔220或内部储存器221的填充，所述气体排空的系统保证生物分子浓度测量的低生物传感器间可变性。如图1a和图1b所示，在光学单元500上方固定纳米流体生物传感器，所述纳米流体生物传感器由借助隔离体130而夹置在一起的基板110或111和基板120组成，并且具有输入侧孔210。基板110可以是多孔的，并且基板111可以具有局部构造的贯穿孔隙，以便在纳米流体生物传感器的填充过程中允许气体排空。借助移液管系统400将包含感兴趣的生物分子的混合溶液300布置在输入侧孔210处。最后，光学单元500用于通过将激光束510聚焦在生物传感器纳米狭缝之内而测量生物传感器200内部的生物分子相互作用。
图2a和图2b示意了半个纳米流体生物传感器的顶视图，所述半个纳米流体生物传感器由包含通过纳米狭缝230联接在一起的输入侧孔210和输出侧孔230的基板111组成。在图2a中，输出侧孔220不被设计带有气体排空系统，而在图2b中，输出侧孔220被构造带有气体排空系统150，可以借助便于获得贯穿孔隙或孔洞的局部的干或湿化学蚀刻过程来获得气体排空系统150。当包括生物分子的溶液沉积在输入侧孔210处时，溶液将首先填充输入侧孔310、填充纳米狭缝302并且然后最后填充输出侧孔303。不管多么优秀的液体驱动系统140，输出侧孔220的填充很少是均匀的。一般，溶液可以均匀地到达孔220的边界并且在由于表面张力平衡而停止之后，其可能阻挡在输出侧孔220内部的气体。归因于侧孔210或220不能排出气体的事实，这可导致气泡350的出现。如在图2b中描绘的，气体可以通过贯穿孔隙150而排出系统，避免气泡的出现并且保证输出侧孔的完全填充，并且从而确保低生物传感器间可变性。
图3a、3b、3c、3d和3e示意了根据本发明的具有侧孔和气体排空系统的纳米流体生物传感器的不同配置。作为侧横截视图呈现的系统由纳米狭缝230联接输入侧孔210和输出侧孔210或是联接输入侧孔210和内部储存器221而组成。挨着输出侧孔220或者在输出侧孔220内部构造驱动部件140。在图3a中，生物传感器由带有贯穿廊道的整个地多孔的基板110组成。图3b呈现了替换方案，其中基板111局部地被构造具有多孔贯穿廊道150。图3c示意了在溶液填充系统时由于气体可以通过在基板111中局部地构造的多孔区域150而排出所以没有输出侧孔的情形。图3d呈现了基板111局部地被构造带有纳米、微米或毫米尺寸的贯穿孔洞151的情形。最后，图3e示意了可以被构造在另一基板121或在两个基板112和121上的气体排空系统150。
图4示意了根据本发明的带有侧孔和气体排空系统的生物传感器的横截面和检测的原理。被呈现为侧横截视图的系统由纳米狭缝230将输入侧孔210与输出侧输出孔220联接而组成。液体驱动部件140的位置挨着输出侧孔220或者在输出侧孔220内部。气体排空系统152也存在于输出侧孔220中。首先，将生物标志物310固定在基板111和120中的一个或者两个中的选择性地被功能化的纳米狭缝表面上。可以通过沉积非功能化层203来保护其他纳米狭缝表面和侧孔表面以便防止非特异性。一旦包括荧光标记的特异性生物分子320和非特异性生物分子330的溶液300被沉积在输入侧孔处，其即从输入侧孔210通过纳米狭缝230至输出侧孔220填充系统。在填充纳米狭缝230之后并且在到达液体驱动部件140时，溶液300填充输出侧孔220。当流动通过纳米狭缝230时，并且归因于布朗运动，特异性生物分子320与固定在纳米狭缝230内部的生物标志物310进行相互作用并且形成分子配合物340。非特异性生物分子330也将流动通过纳米狭缝230，但是将不与固定的生物标志物310形成分子配合物，而是将继续进入输出侧孔220中。当溶液300与气体排空系统152接触时，液体将进入到贯穿孔隙155中，伴随着短暂的填充状态154，直到其已经完全地填充孔隙153。最后，在已经达成平衡后，通过激光束510激发被固定的发射荧光的配合物340和在光学检测体积四处扩散的扩散的发射荧光的生物分子330并且通过光学系统对二者进行检测。
根据本发明，所述装置对与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检测、计数、鉴定和表征提供了在可变性和灵敏度上极大的改进。本发明的应用可以涵盖生物医药分析、生物学分析或食品分析，以及分析化学和生物分析化学中的基础研究。

Claims (8)

1.一种纳米流体生物传感器系统(200)，包括底部基板(120)和顶部基板(110)，在底部基板(120)和顶部基板(110)之间限定了输入侧孔(210)、包含至少一个功能化区域(231)的纳米狭缝(230)以及输出侧孔(220)或内部储存器(221)，所述生物传感器系统(200)适于使包含生物分子(320)的溶液进入输入侧孔(210)并连续穿过所述纳米狭缝(230)和所述输出侧孔(220)或内部储存器(221)；所述生物传感器系统(200)还包括气体排空子系统(150-155)，气体排空子系统(150-155)位于所述纳米狭缝(230)和生物传感器外部环境之间。
2.根据权利要求1所述的生物传感器系统，还包括位于所述纳米狭缝(230)和所述气体排空子系统(150-155)之间的液体驱动子系统(140)。
3.根据权利要求1或2所述的生物传感器系统，其中所述气体排空子系统(150-155)包含在所述基板(110，120)中的一个或者两个内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器，其中所述气体排空子系统由多孔材料(150)制成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的生物传感器，其中所述气体排空子系统包括若干贯穿孔洞(151，153，154，155)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中基板(110，120)由选自由硅、玻璃、塑料和氧化物组成的群组的材料制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中侧孔(210，220)具有100nm2到100mm2的面积，并且纳米狭缝(230)具有2nm到1000nm之间的高度、2nm到20mm之间的宽度和2nm到20mm之间的长度。
8.一种用于从纳米流体系统排空气体的方法，所述纳米流体系统包括：
a)至少一个如权利要求1-7中任一项中限定的生物传感器(200)；
b)光学系统(500)；
c)通过量化依附到特异性生物分子(320)的荧光团来检测固定在所述纳米狭槽(230)内部的生物标志物(310)上的特异性生物分子(320)。
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