检测和识别试样中分子事件的系统和方法

专利名称：检测和识别试样中分子事件的系统和方法
相关申请的交叉引用本申请要求下述美国临时申请的优先权临时申请60/159,175，1999年10月13日提出，题目是“介电界面用于分子相互作用的检测”和临时申请60/191,702，2000年3月23日提出，题目是“在样品中检测分子实体的方法和仪器”。
与本发明相关的背景技术事实上，生物科学的每个领域都需要一种系统来确定感兴趣的分子与其他分子相互作用的能力。同样，也非常希望能小规模地检测生物分子的存在和/或物理性能以及功能性能。这种分子相互作用以及分子的功能和物理性能的检测在本申请书中称为分子事件(molecular events)。从基础科学研究实验室(该研究领域正绘制化学信使路径并把它们的功能与疾病过程联系起来)到临床前研究(该研究领域正在评估候选药物活性效应的潜力)都需要检测分子事件。这些研究领域也需要检测物理性能和功能性能，如新发现蛋白质或已知具有生物重要性的分子的遗传(或合成)变异体的功能分析。基于对分子事件更好的理解对其他领域也有重要意义，包括药物研究、军事应用、兽医、食物和环境应用。在上述情况下，特定分析物与靶分子结合能力的知识是非常有用的，对此方面知识的了解，与对该结合(如，亲和力和开关速率(on-off rate))质量的相关信息以及对新分子的其他功能信息的掌握是同样重要的，尤其在通过少量样品即可获取信息的时候。
为满足这些领域的需要，在过去的几年中已经开发了许多方法。如酶联免疫吸附测定(ELISA)、放射免疫测定(RIA)、许多种荧光测定、核磁共振(NMR)波谱技术和比色测定以及很多更专门的测定。大多数这些测定技术需要专门的准备、纯化、或放大试验样品。例如，为了检测配体和抗配体(antiligand)之间的结合现象，需要能够表明结合的存在或者范围的可检测信号。通常，这种信号是由连接于感兴趣的配体或抗配体上的标记所提供。产生可检测信号并且适合标记存在的物理或化学效应包括放射性、荧光、化学发光、磷光、和酶活性，上述仅举数例。然后可用分光光度、放射检测、或光学跟踪方法对标记进行检测。
然而，在许多情况下，标记一个或所有要专门测定的分子是很困难的，甚至是不可能的。标记的存在也可能使两个分子之间的分子识别在正常方式下不起作用，造成该现象的原因很多，其中包括位阻效应。此外，这些标记方法都不能确定结合现象的准确特性，例如，不能判断出是与受体的活性部位结合还是与受体的非活性部位结合，如对于变构结合，使用目前的检测方法就无法获取功能信息。一般来说，大多数测定系统的特异性和敏感性方面也存在限制。细胞碎片和非特异性结合经常产生噪音，干扰测定，使测定很难甚至不能提取出有用的信号。如上所述，某些系统由于过于复杂，因而不能把标记连接到所有感兴趣的分析物上或不能进行准确的光学测量。所以，一种实用、经济和通用的检测技术将是一个重大突破，该技术无需标记并能实时直接监测分析物，例如，监测在给定系统中正实际发生的结合现象的范围、功能和类型。
在生物医学工业中，尤其需要一种改进的综合平台式技术，该技术能非常广泛地应用于各种水基或其他流体基生理系统，如核酸结合、蛋白质-蛋白质相互作用和小分子结合以及其他感兴趣的化合物。理想情况下，测定不应需要非常特殊的探针，如特殊抗体或精确互补的核酸探针。测定应该能够在自然环境进行，如在整个血液或胞质溶液混合物中，以及能在其他自然发生的系统中进行。测定应该通过测量分子的自然性能而无需额外的标记或示踪化合物来实际监测结合现象。对某些应用来说，测定应该能够提供结合现象性质的信息，如给定化合物是否与活性部位结合(对特定药物受体该化合物作为兴奋剂或作为拮抗剂)，或给定化合物是否与变构部位结合，而不是简单地起标记的作用来表明结合事件是否发生。对许多应用来说，测定应该是高度小型化和高度并行的，因而可以绘制复杂的生化路径，或者在药物筛选程序中使用极少量和大量的组合化合物。在许多应用中，测定应该进一步能够实时监测一系列复杂的反应，从而能够几乎立即获得准确的动力学和亲和性信息。对大多数商业应用来说，也许最重要的是，测定应该低成本、易操作、样品制备步骤少、电子仪器和处理元件易于获得，如用于生物测定的表面芯片在测定完成后可以抛弃。测定还应该高度适用于广泛的测定应用场合。
生物和生化研究的最新趋势之一是测定的小型化，这使得很多测定都是在“芯片”上进行。“芯片”是一种在电子工业中所使用的具有一定尺寸的装置(由此得名)。所谓的芯片装置指的是那些能够在芯片上进行一系列多重的、同时分析(经常称为阵列技术(arraytechnology))的芯片装置；和那些通过流体传递到芯片上一个分析部位(经常称为微量流控技术)从而进行分析的芯片装置。许多公司最近已开始使用这些技术，如在阵列领域中，有Affymetrix公司(加利福尼亚州，Santa Clara)；Incyte Pharmaceuticals公司(加利福尼亚州，Palo Alto)；和人体基因组科学研究所(Human GenomeSciences)(马里兰州，Rockvi lle)；在微量流控领域有Caliper公司(加利福尼亚州，Mountain View)和Aclara BioSciences公司(加利福尼亚州，Mountain View)。在上述两个领域已经公布许多专利，包括美国专利第6,033,546号，题目是“对化学分析和合成进行微量流控操作的仪器和方法”(Apparatus and method for performingmicrofluidic manipulations for chemical analysis and synthesis)；美国专利第5,126,022号，题目是“通过运用复杂电场来移动分子的方法和装置”(Method and device for moving molecules by the applicationof a plurality of electrical fields)；美国专利第6,004,755号，题目是“定量微阵列杂交测定”(Quantitative microarray hybridizationassay)；美国专利第5,874,219号，题目是“同时进行多重生物芯片测定的方法”(Methods for concurrently processing multiple biologicalchip assays)和美国专利第5,593,839号，题目是“用于设计序列阵列和平版印刷蒙片的计算机辅助设计系统”(Computer-aidedengineering system for design of sequence arrays and lithographic)。许多不同阵列构形及其生产方法对本技术领域人员来说是熟知的，它们披露于下述美国专利号中5,445,934；5,532,128；5,556,752；5,242,974；5,384,261；5,405,783；5,412,087；5,424,186；5,429,807；5,436,327；5,472,672；5,527,681；5,529,756；5,545,531；5,554,501；5,561,071；5,571,639；5,593,839；5,599,695；5,624,711；5,658,734和5,700,637；它们披露的内容作为参考文献结合于此。在微量流控领域，典型的美国专利(带有题目)包括第6,012,902号，微型泵(Micropump)；第6,011,252号，检测微光的方法和仪器(Method andapparatus for detecting low light levels)；第6,001,231号，在微量流控系统中监测和控制流体流动速率的方法和系统(Methods andsystems for monitoring and controlling fluid floW rates in microfluidicsystems)；第5,989,402号，用于微量流控系统的控制器/检测器接口(Controller/detector interfaces for microfluidic systems)；第5,976,336号，结合了改善的通道几何形状的微量流控装置(Microfluidicdevices incorporating improved channel geometries)；第5,972,187号，电吸移管管理器和电泳偏压的补偿方法(Electropipettor andcompensation means for electrophretic bias)；第5,965,410号，电流控制微通道中的流体参数(Electrical current for controlling fluidparameters in microchannels)；第5,965,001号，在包含流体结构中用电力对电渗透力和/或电泳力进行变量控制(Variable control ofelectroosmotic and/or electrophoretic forces within a fluid-containingstructure via electrical forces)；第5,964,995号，增强流体转运的方法和系统(Methlds and systems for enhanced fluid transport)；第5,959,291号，测量低功率信号的方法和仪器(Method and apparatusfor measuring low power signals)；第5,958,694号，在微量流控系统中对核酸进行序列测定的仪器和方法(Apparatus and methods forsequencing nuleic acids in microfluidic systems)；第5,958,203号，电吸移管管理器和电泳偏压的补偿方法(Electropipettor andcompensation means for electrophretic bias)；第5,957,579号，结合有各种通道尺寸的微量流控系统(Microfluidic systems incorporatingvaried channel dimensions)；第5,955,028号，分析系统和方法(Analytical system and method)；第5,948,227号，进行电泳分子分离的方法和系统(Methods and systems for performing electrophoreticmolecular separations)；第5,942,443号，在微量流控装置中的高通量筛选测定系统(high throughput screening assay systems inmicroscale fluidic devices)；第5,885,470号，在精密加工的聚合底物中的受控流体转运(Controlled fluid transport in microfabricatedpolymeric substrates)；第5,882,465号，制造微量流控装置的方法(Method of manufacturing microfluidic devices)；第5,880,071号，电吸移管管理器和电泳偏压的补偿方法(Electropipettor andcompensation means for electrophretic bias)；第5,876,675号，微量流控装置和系统(Microfluidic devices and systems)；第5,869,004号，在微量流控系统中对材料进行原位浓缩和/或稀释的方法和仪器(Methods and apparatus for in situ concentration and/or dilution ofmaterials in microfluidic systems)；第5,852,495号，在微通道中物种迁移的傅里叶检测(Fourier detection of species migrating in amicrochannel)；第5,842,787号，结合有各种通道尺寸的微量流控系统(Microfluidic systems incorporating varied channel dimensions)；第5,800,690号，在包含流体结构中用电力对电渗透力和/或电泳力进行变量控制(Variable control of electroosmotic and/orelectrophoretic forces within a fluid-containing structure via electricalforces)；第5,779,868号，电吸移管管理器和电泳偏压的补偿方法和第5,699,157号，在微通道中样品迁移的傅里叶检测，所有上述专利作为参考文献结合于此。许多其他出版物，包括其他专利(它们代表本领域的现有技术)列于前述的专利，或是在其说明书中、或是在所引用参考文献的清单中。
使用单个容器(如试管)或单个穴的阵列(如微量滴定板和其他类型的多重穴板)来盛放样品进行单个分析的测定系统也已得到很好的开发。通常可获得具有96穴的微量滴定板，也可获得具有其他穴数的微量滴定板，如384穴的微量滴定板。现有许多自动化仪器操作和分析单个容器的内含物，不管是单个容器、单个多重穴板、或多重板，都可以同时进行处理。也有其他多重穴系统(除了普通的微量滴定板系统之外)。美国专利的一些例子(这些专利描述了一些系统，这些系统是设计用来在各种类型的容器中对单个样品处理和测定)包括第6,033,911号，自动测定装置(Automated assayingdevice)；第6,024,920号，微板扫描读头(Microplate scanning readhead)；第5,993,746号，板架(plate holder)；第5,988,236号，用于液体处理器的多重注射器泵装置(Multiple syringe pump assemblyfor liquid handler)；第5,985,214号，在液体样品中快速识别有用化学药品的系统和方法(Systems and methods for rapidly identifyinguseful chemicals in liquid samples)；第5,976,470号，样品洗涤处装置(Sample wash station assembly)；第5,972,295号，自动化分析仪器(Automatic analyzing apparatus)；第5,968,731号，自动化试验生物样品的仪器(Apparatus for automated testing of biologicalspecimens)和第5,952,240号，离散基质板定位器(discrete matrixplate positioner)。许多其他出版物，包括其他专利(它们说明了在这些领域的现有技术)列于在此所述的专利中或是在说明书中或是在它们所引用参考文献的清单中。
在历史上用于研究生化系统的方法中有各种类型的介电测量。在二十世纪五十年代，是使用当时已知的测量材料介电性能的技术来测量生物组织介电性能的。从那时起，开始采用各种各样的方法来进行测量，这些方法包括频域测量和时域技术，如时域介电波谱术。在这些方法中，通常利用各种类型的同轴传输线或其他传输线和通常用于材料介电表征的结构，进行试验。这包括考察广大范围的生物系统介电性能的使用和关系。研究兴趣从整个组织样品(取自哺乳动物类的各种器官)到细胞和亚细胞系统，包括细胞膜和细胞器效应。最近，已有人试图对上述技术小型化(参见，如美国专利第5,653,939号；第5,627,322号和第5,846,708号)以改善检测分子系统在阵列环境中介电性能的变化。通常这些技术采用生物样品——组织、细胞系、统或分子系统——作为电路拓扑结构的分路、或串联元件。
已有许多技术描述较大规模的场探针，它们用来检测来自物体的辐射和测量局部材料性能，如在下述文献中所说明的Misra等，“在微波频率用开端共轴线对材料进行非干扰电表征试验改善的校准技术”(Noninvasive electrical cheracterization of materals atmicrowave frequencies using an open-ended coaxial line)，电气和电子工程师协会会报-《(微波理论和技术)》(IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques)，388-14(1990)；Chevalier等，“利用开端波导管测量复合材料的高温复电容率”(High temperaturecomplex permittivity measurements of composite materials using anopen-ended waveguide)，电磁波与应用杂志(Journal ofElectromagnetic Waves and Applications)，61259-75(1992))；Osofsky和Schwarz，“用于测量高频平面电路的非接触探针的设计和性能”(Design and Performance of a non-contacting probe formeasurements on high-frequency planar circuits)，电气和电子工程师协会会报-《微波理论和技术》(IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques)，40 1701-8(1992)；Ghannouchi Xu等，“利用开端椭圆同轴探针测量微波电容率的理论和实验研究”(Theoretical and experimental study of measurement of microwavepermittivity using open ended elliptical coaxial probes)，电气和电子工程师协会会报-《微波理论和技术》(IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques)，40 143-50(1992)；Wong Jiang等，“测量低损耗固体和液体的微波介电常数的开端共轴线技术”(Open-ended coaxial-line technique for the measurement of themicrowave dielectric constant for low-loss solids and liquids)，科学仪器评论(Review of Scientific Instrurments)，64 1614-21(1993)；WongJiang等，“利用开端共轴线探针测量有限厚度的低损耗样品的微波介电常数”(Measurement of the microwave dielectric constant forlow-loss samples with finite thickness using open-ended coaxiallineprobes)，科学仪器评论，64 1622-6(1993)。还有出版物描述了在显微镜尖端除了电子流以外还使用射频或微波信号的电子显微镜，如由下述文献所说明的van der Weide Keilmann等，“扫描射频透射显微镜的极端子波长分辨率”(Extreme sub-wavelength resolutionwith a scanning radio-frequency transmission microscope)，光学通讯(Optics Communications)，129 15-18(1996)；Black Vlahacos等，“分辨率为100.mu.m的近场扫描微波显微镜”(Near-field scanningmicrowave microscope with 100.mu.m resolution)，应用物理学通讯(Applied Physics Letters)，69 3272-4(1996)和Xiang Wei等，“扫描尖端微波近场显微镜”(Scanning tip microwave near-fieldmicroscope)，应用物理学通讯(Applied Physics Letters)，68 2506-8(1996)。因而，利用探针(波导管和同轴探针)来试验介电材料的性能是广为人知的，并且普遍应用于其他技术领域，如显微技术中的图像收集和绝缘体以及电子工业中其他材料的介电测量。
一种用来分析和控制化学过程(如发酵)的相对大型仪器，似乎最初产生于石油加工和钻井工业。例如，美国专利第5,025,222号说明了一种监测流体介质条件的系统和方法。流体介质流流过液体容器，该液体容器在电学上被制成一段传输线，该液体容器还在电学上连接于负载和超高频或微波振荡器上。振荡器与负载并非独立分离的，它在一个起始频率下进行自由振荡，选择起始频率，使其在化学反应进行时能够提供流体介质电容率较强的位移。优选地，要监测振荡器的频率和介入损失，从而测量反应的进程。该系列的后两个专利是美国专利第5,748,002号和第5,966,017号，它们说明了利用负载牵引振荡器与试验系统的单端耦合进行电子监测和表征的系统、方法、和探针组件。然而，这些专利都没有特别寻求分子结合或寻求分子的表征，虽然检测发酵(和其他反应)产生的化学物种是这些专利的目的。
因此，需要进一步开发检测分子事件的方法，这类方法不需要标记，如荧光团或放射性同位素；这类方法是定量和定性的；这类方法对感兴趣的分子是特异的；这类方法是高度灵敏的；并且这类方法也比较容易实现。本发明满足许多上述以及其他(如在本说明书中所描述的)需要。
发明简述本发明者所在实验室中的较早专利申请涉及测量技术的改善，该测量技术利用沿信号路径分子结合区域耦合的分子来检测分子结构的介电性能变化。这些专利申请说明了许多在本发明中使用的一般原理。参见如，PCT WO99/39190，公布于1999年8月5日，并与本发明共同转让。本发明与其区别之处在于是一般地涉及在流体容器中分子事件的检测，如存在于微量滴定板中的分子事件；或封闭流体通道中的分子事件，如存在于微量流控装置中的分子事件。在这些情况中，为避免探针被污染，通常的做法是用空气隙和/或介电材料把样品和电磁探针分隔开来，如在液体容器的孔中，对此在下文中将会进一步说明。本发明主要提供单口(single port)测试系统和方法，来测试和表征分子结构。优选在水相中，该分子结构或者以自身，或者作为分子结合事件的参与者，利用分子结构的介电性能和该分子结构与照明信号的相互作用，来测试和表征分子结构。本发明的系统和方法还用来在连续液体流中识别分子结构和/或它们与其他分子的结合，该过程可以实现自动化。因此本方法可以应用于各种筛选过程，如因在生理状态下的水环境中发生的分子的相互结合，使用本方法可以识别具有生物和药用意义的分子。本方法和仪器可以进行这类检测而无需在任何一个结合配对物上存在标记，这使得本方法特别适合于检测所希望的候选药物，因为这样就不必解释标记结合所引起的变化。
在本发明的第一个实施例中，介绍了一种方法来检测在含水样品中的分子结构。介绍的方法包括下述过程(a)把第一个样品引入流体转运系统的流体通道，该流体转运系统有一个流体移动控制器，该流体通道有一个样品入口端、一个检测区域和一个样品出口端；(b)在流体控制器的控制下使样品通过通道从样品入口端流向样品出口端；(c)对流体通道的检测区域施加10MHz到1000GHz之间的测试信号；以及(d)检测由于测试信号与样品的相互作用而引起的测试信号的变化。流体移动控制的例子非限制地包括机械泵和在电场控制下的液体移动，如电泳抽运，以及表面效应(毛细作用)、重力和惯性效应(如，通过倾斜操作或旋转操作)。选择频率(或在某些情况下，一组多重频率，或连续区，如光谱)，从而使包含分子结构的样品产生一个不同于该分子结构不存在时的能够被检测的电磁场。
在另一个实施例中，上文描述的方法还包括(e)在第一个样品后把隔离材料引入通道；(f)在隔离材料后把下一个样品引入通道；(g)在流体控制器的控制下，使该下一个样品流过通道，借此许多由隔离材料分离开来的不同样品流过通道而不会互相混合；以及(h)对该其他样品重复步骤(c)-(d)。通过这种方式，一系列样品可以使用一个单独的检测器来检测，因而大大简化了检测系统的设计，提高了检测的可再现性，更加容易设计易处理的分析芯片。
上述方法可以在一系列的仪器中使用。在本发明的一个实施例中，检测在试样内是否存在分子事件的分子检测系统包括一个流体容器、一个信号源、一个测量探针、和一个信号检测器。流体容器可以是一个离散容器(开放的或者密闭的)或一个通道，它包括一个试样入口端、一个检测区域和一个出口端。可操作信号源来发射入射测试信号。测量探针与信号源耦合，包括一个探针头和一个连接端。在检测区域内，探针头与发射到试样上的入射信号发生电磁耦合。入射测试信号与试样相互作用，产生调制测试信号，探针头能够复原至少一部分调制测试信号。该系统还包括信号检测器，该信号检测器与测量探针的连接端耦合，从而能够复原调制测试信号。
因此，本发明可以被一般地描述为涉及电磁信号(通常在大约1MHz到1000GHz之间)与流体容器中分子事件的相互作用从而确定分子结构性质，如分子自身的结构和功能性能以及一种分子与其他分子结合的能力。
参照下述附图和详细描述，本发明的特点和优点将会得到更好的理解。
附图简要描述

图1A图示说明根据本发明一个实施例的检测组件装置。
图1B图示说明根据本发明一个实施例的流体转运系统。
图2A图示说明根据本发明一个实施例的测量探针。
图2B图示说明根据本发明一个实施例的同轴探针顶端。
图2C是根据本发明第二个实施例的测量探针的截面图。
图2D是示于图2C中的测量探针的顶视图。
图2E图示说明根据本发明一个实施例的非共振同轴测量探针。
图3A图示说明根据本发明一个实施例的分子检测系统。
图3B图示说明根据本发明一个实施例的检测分析物的方法。
图3C图示说明根据本发明一个实施例的典型的分析物信号响应。
图3D图示说明根据本发明的一种检测在试样内发生分子结合事件的方法。
图3E图示说明基线缓冲响应、第一个试样响应、第二个试样响应的实施例，和第三个样品信号响应的两个可能的实施例(相应于束缚条件和非束缚条件)。
图3F图示说明根据本发明的检测在试样内发生分子结合事件的第二种方法。
图3G图示说明利用根据本发明图3F的方法，第一、第二和第三样品的响应表明不存在结合事件的实施例。
图4A图示说明根据本发明的分子检测系统的第二个实施例。
图4B图示说明根据本发明的分子检测系统的第三个实施例。
图5A图示说明可操作执行软件程序的计算机系统的一个实施例，该软件程序设计用来实行根据本发明的每一种方法。
图5B图示说明根据本发明一个实施例的示于图5A的计算机系统的内部构造。
图6A图示说明根据本发明在特定实验中实施的一种分子检测系统。
图6B-6G图示说明根据本发明在检测特定分析物时产生的S11信号响应。
图6H图示说明根据本发明在检测不同浓度的NaCl时产生的S11信号响应。
图6I-6J图示说明利用根据本发明的图3D的方法在检测特异分子结合事件时产生的S11信号响应。
图6K-6L图示说明利用根据本发明的图3F的方法在检测特异分子结合事件时产生的S11信号响应。
图6M图示说明根据本发明绘制成的剂量响应曲线。
具体实施例的描述目录I.术语定义II.一般概述III.检测器组件IV.典型的分子检测系统V.典型的应用VI.软件工具VII.实验I.术语的定义正如在此所使用的，术语“分子结合事件”(经常简称为“结合事件”或“结合”)是指所感兴趣的分子与其他分子的相互作用。术语“分子结构”是指所感兴趣的分子的所有结构性能，包括存在特异性的分子亚结构(如α螺旋区域、β片层、免疫球蛋白区域和其他类型的分子亚结构)，以及分子如何通过与其他分子的相互作用(如通过弯曲或折叠运动)改变其整个物理结构，包括当在溶液中时分子与其自己的溶剂化壳层的相互作用。“分子结构”和“分子结合事件”一起被称为“分子事件”。对所感兴趣的分子简单存在于检测/分析正发生的区域，不认为是“分子事件”，而称为“存在”。
分子结合事件的例子是(1)简单的、非共价结合，如发生在配体和其抗配体之间的结合，和(2)暂时形成的共价键，如当酶与其底物反应时经常发生的。感兴趣的结合事件的更特定的例子包括(但不限于)配体/受体、抗原/抗体、酶/底物、DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA、核酸错配、互补性核酸、和核酸/蛋白质。结合事件可作为初级、二级、或更高级结合事件发生。初级结合事件被定义为第一个分子结合(特定或非特定地)到任何类型的实体上，形成第一个分子相互作用复合物，该实体可以是独立的分子或作为第一表面(通常是在检测区域内的表面)一部分的材料。二级结合事件被定义为第二个分子与第一个分子相互作用复合物的结合(特异性地、或非特异性地)。三级结合事件被定义为第三个分子与第二个分子相互作用复合物的结合(特异性地、或非特异性地)，更高级的结合事件以此类推。
有关分子结构的例子是存在物理亚结构(例如，存在α螺旋结构、β片层、催化活性部位、结合区域，或在分子中存在7-跨膜蛋白质结构(seven-trans-membrance protein structure))或存在与某些功能能力(如，作为抗体的能力、转运特定配体的能力、作为离子通道(或其构件)的能力，或作为信号转导器的能力)有关的结构。
结构性能的检测通常是通过对从未知结构和/或功能的分子获得的信号、和从已知结构和/或功能性质的分子获得的信号进行比较来进行。分子结合事件的检测通常是通过对从含有可能结合配对物之一的样品获得的信号(或来自两个单独样品的信号，每个样品含有潜在结合配对物之一)和从含有潜在结合配对物的样品获得的信号进行比较来进行。“分子结合事件”或“分子结构”的检测经常一起被称为“分子检测”。
在此描述的方法和仪器主要是对检测和预测发生在生理环境下(如在细胞、或亚细胞膜、或在细胞溶质中)具有生物和药用重要性的分子事件有意义。相应地，在与生理条件不相同、或不类似的条件下的分子结构性能、或分子与其他分子的相互作用具有较小的意义。例如，在非生理条件下单个分子之间形成的复合物(如存在于电子显微镜的真空场中)不看作是优选的“分子结合事件”这一术语。在此，优选的分子事件和性能是那些在“生理条件”下存在的分子事件和性能，如在自然细胞、或细胞间环境下，或在设计用来模拟生理条件的人工环境下，如在含水缓冲液中。应该认识到，在细胞和有机体内不同的地方具有不同的局部生理条件，设计用来模拟这类条件的人工条件也有相当的不同。例如，在亚细胞区室内，在能够影响结合的辅助蛋白质和小分子存在下，蛋白质和配体之间可发生结合事件。这种条件与血清中的生理条件可能具有很大的差异，正如由称作“生理磷酸盐缓冲盐水(normal phosphate bufferedsaline)”或磷酸盐缓冲盐水(PBS)的人工介质所说明的。根据本发明的优选条件通常至少是在水溶液中，虽然可能存在一定数量的有机溶剂，如二甲基亚砜(DMSO)，以帮助溶解某些试验组分。“水溶液”至少含有50％重量的水，优选至少80％重量的水，更优选至少90％重量的水，甚至更加优选至少95％重量的水。其他条件，如重量克分子渗透压浓度、pH、温度和压力，可以并将进行比较大的变化以模拟细胞内环境(例如，在该环境中正发生一个结合事件)的局部条件。自然条件，如在细胞的细胞溶质和在该细胞的溶酶体中，是相当不同的，因而应该用不同的人工介质来模拟这些条件。文献中有大量人工条件的例子，这些人工条件是设计用来模拟自然条件从而研究各种生物事件和结构的。许多这类人工介质为市售商品，正如由各种科学用品目录所说明的，如2000/2001版本的Calbiochem综合目录，第81-82页，其中列举了60种商业上可获得的缓冲剂，具有在生物研究中通常使用的pH值范围从3.73到9.24。也可以参看典型介质制备的一般参考文献，如《动物细胞的培养基本技术手册)》(Culture of Annimal cellsA Manual of BasicTechniques)一书的第7章(“培养环境”)，第三版，R.Ian Freshney，Wiley-Liss，纽约(1994)。
正如在此所使用的，术语“分析物”是指一个分子实体，其存在、结构、结合能力等正被检测、或分析。实施本发明的适当的分析物包括(但不限于)抗体、抗原、核酸(如，自然或合成的DNA、RNA、gDNA、cDNA、mRNA、tRNA)、凝集素、糖、糖蛋白、受体和它们的关连配体(如，生长因子和它们的相关受体、细胞因子和它们的相关受体、信号分子和它们的受体)、小分子如现有的药物和候选药物(来自天然产物或来自开发并存储在化合物组合库中的合成类似物)、代谢物、滥用药物和它们的代谢副产物、辅因子如维生素和其他天然生成和合成的化合物、氧气和其他在生理液体中发现的气体、细胞、细胞组分、细胞膜和相关结构、其他在植物和动物中发现的天然产物、其他部分或完全合成的产物等。
虽然在此描述的大部分测量是针对溶液中的单个分子或成对分子，但有时本发明的方法可应用于下述情况结合对的一个成员固定在通道表面接受电磁辐射的位置，而试验化合物可以流过固定的分子。正如在此所使用的，当结合对的一个成员固定时，术语“抗配体”通常用来指固定在表面的分子。抗配体，例如，可以是抗体，而配体可以是专门与该抗体结合的抗原分子。当抗原结合于表面而抗体是被检测分子时，对本文件来说，抗体可以看作是配体，而抗原则看作是抗配体。此外，一旦抗配体与配体结合，对以后的结合来说，形成的抗配体/配体复合物可以看作是抗配体。
正如在此所使用的，术语“分子”是指以化学分子、或多个分子的形式存在的生物或化学实体，这与盐或其他非分子形式的物质相反。许多分子属于有机分子(在其他原子中，存在以化合键相连的碳原子)，尽管一些分子不含有碳(包括简单的分子气体如分子氧，和更复杂的分子如某些硫基聚合物。一般术语“分子”包括许多分子的描述种类或组，如蛋白质、核酸、碳水化合物、类固醇、有机药物、受体、抗体和脂质。在适当的时候，在此将使用一个或更多的这些描述术语(其中有许多，如“蛋白质”，它们自己描述了重叠的化合物组)，因为本方法应用于分子子群并没有偏离这一目的使这类化合物代表一般种类“分子”和所述的子类分子，如蛋白质。当使用其最一般含义时，“分子”还包括单独分子的结合复合物，如下述的结合复合物。在一个主要是共价结合的分子(如羧酸盐或金属离子与其氨基酸残基结合的蛋白质)中可以存在离子键，这类分子仍然被看作是分子结构。当然，也有可能盐(如氯化钠)将存在于含有分子结构的样品中，而这类盐的存在并没有偏离本发明的实施。这类盐将参与整个介电响应，但在它们存在下可以检测分子结合事件或性质。
正如在此所使用的，术语“结合配对物”、“配体/抗配体”或“配体/抗配体复合物”是指成对(或更大的基团；见下文)的分子，这些分子特异性地相互接触(如结合)从而形成结合复合物。这样的一对或其他组通常由两个或更多相互作用的分子所组成，通常是通过形成非共价键(如，偶极-偶极相互作用、氢键或范德华相互作用)。正如在本技术领域所熟知的，相互作用时间(有时称为开关时间(on-off time))可以有相当大的变化，即使具有类似结合亲和力的分子也是如此。例子包括抗体-抗原、外源凝集素-碳水化合物、核酸-核酸和生物素-抗生物素蛋白对。生物结合配对物并不局限于单个分子对。因此，例如，单个的配体可以通过配位作用被两个或更多抗配体所结合，或第一个抗原/抗体对可被第二个抗体所结合，第二个抗体对第一个抗体是特异的。结合可以发生在液相(也称作溶液)或固相(也称作表面)，并且可以包括复合结合，这种复合结合涉及三个或更多孤立的分子实体的一系列或同时结合。可能的例子包括GPCR-配体结合，接着是GPCR/G-蛋白质结合；核受体/辅因子/配体/DNA结合；或与一个小分子配体一起，复合陪伴蛋白质与一个靶点的结合。对本领域技术人员来说，其他例子将是显而易见的。
术语“配体”在此通常用来指任何分子，对该分子存在另一个与配体结合的分子(即，一个“抗配体”)，原因在于当配体和抗配体接触时自由能会发生有利的(即，负的)变化。相互作用的物质在大小上并没有限制，因而一个配体(或一个抗配体)在此广义上可以由单个分子或较大的有组织的分子基团所组成，如由细胞、细胞膜、细胞器所提供的配体，或其合成类似物。正如在此所使用的，“配体”和“抗配体”都具有这种广泛的意义，并可以互换地使用。然而，应当认识到在生物学领域存在一个一般趋势，即使用术语“配体”来指相互作用的两个结合配对物中的较小的一个，在可能时将遵循这一传统。
正如在此所使用的，术语“配体/抗配体复合物”是指与抗配体结合的配体。结合可以是特异性的或非特异性的，相互作用的配体/抗配体复合物通常通过非共价力相互结合，如氢键、范德华相互作用或其他类型的分子相互作用。
正如在此所使用的，当涉及在此所述的蛋白质、核酸或其他结合配对物时，术语“特异性结合”是指在不同类的潜在配体中对感兴趣的配体具有选择性的结合反应。因而，在指定条件下(如，关于抗体的免疫测定条件)，特定的抗配体与其特定的“靶点”结合，而不会以不能辨别的数量与存在于样品中的其他潜在配体结合。例如，激素信号的细胞表面受体(如，雌激素受体)将选择性地与特异性激素(如雌二醇)结合，即使存在其他类似结构的分子(如，其他类固醇激素，甚至类似的类固醇如雌三醇)。相似地，完全互补的核酸序列在预选条件下将会相互杂交，而其他核酸、甚至在单个核苷酸位置上序列不同的核酸则不会杂交。
正如在此所使用的，术语“分离”、“纯化”和“生物纯”是指从天然状态下通常伴随的组分中充分或必要地分离出来的的材料。
正如在此所使用的，术语“核酸”是指单链或双链形式的脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸多聚体，因而除非另有限制，核酸包括含有一个或更多天然核苷酸类似物的多聚体，它们能以与天然存在的核苷酸类似的方式进行杂交。
正如在此所使用的，术语“多肽”、“肽”、和“蛋白质”一般可互换使用，它们是指氨基酸残基的多聚体。就分子大小来说，在本技术领域，这些术语并没有一致使用，虽然给出的次序一般是随大小和复杂性增加的。所有这些术语应用于氨基酸多聚体，其中一个或多个氨基酸残基或肽键是相应天然存在的氨基酸或键的人造化学类似物；以及应用于天然存在的氨基酸多聚体。
正如在此所使用的，术语“抗体”是指由一个或更多基本上由免疫球蛋白基因、或免疫球蛋白基因片断编码的多肽链所组成的蛋白质。已知的免疫球蛋白基因包括k、λ、α、γ、δ、ε和μ恒定区基因，以及无数免疫球蛋白可变区基因。轻链被分类为K链或λ链。重链被分类为γ链、μ链、α链、δ链或ε链，它们依次分别定义免疫球蛋白种类IgG、IgM、IgA、IgD和IgE。
术语“抗原-结合部位”或“结合部分”是指免疫球蛋白分子参与抗原结合的部分。抗原结合部位是由重(“H”)链和轻(“N”)链的氨基末端可变(“V”)区的氨基酸残基所形成。在重链和轻链可变区内的三个高度趋异性伸长(divergent stretches)区被称为“高变区”，高变区是在更加保守旁侧伸长(flanking stretches)区之间，旁侧伸长区被称为“构架区”或“FR”。因此，术语“FR”是指免疫球蛋白中天然发现的在高变区之间并邻近高变区的氨基酸序列。在一个抗体分子中，轻链的三个高变区和重链的三个高变区在三维空间上互相相对排列，从而形成一个抗原结合“表面”。该表面是引起靶抗原识别和结合的媒介。重链和轻链各自的三个高变区被称为“互补性决定区”或“CDR”，并被表征，参见如Kabat等《(具有免疫意义的蛋白质的序列)》(Sequences of proteins of immunologicalinterest)一书(第四版，U.S.Dept.Health and Human Services，PublicHealth Services，Bethesda，MD，1987)。
正如在此所使用的，术语“免疫结合”和“免疫结合性能”是指发生在免疫球蛋白分子和抗原之间的非共价相互作用，其中免疫球蛋白对抗原是特异性的。
正如在此所使用的，术语“酶”是指作为催化剂和降低化学反应活化能的蛋白质，其中化学反应是发生在其他化合物之间，或在化学反应中一个化合物被分解为较小的化合物的反应。在酶影响下发生反应的化合物被称为“底物”。在反应中酶不是起始材料也不是最终产物，反应完成后酶没有变化。
正如在此所使用的，术语“试样”是指被研究材料(分析物)和分析物所在的介质/缓冲液。介质或缓冲液可以包括固相、液相、或气相材料；大多数生理介质/缓冲液的主要组分是水。固相介质可以由天然存在的或合成的分子所组成，包括碳水化合物、蛋白质、寡核苷酸、SiO2、GaAs、Au，还可选择任何有机聚合物材料，如尼龙(Nylon)、人造丝(Rayon)、Dacryon、聚丙烯、聚四氟乙烯、氯丁橡胶、均聚乙缩醛树脂(delrin)等。液相介质包括那些含有水、有机或其他主要组分、凝胶、气体和乳状液的介质。典型的介质包括纤维素、葡聚糖衍生物、Dulbecco磷酸盐转运介质盐水(d-磷酸盐缓冲盐水)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)、去离子水、血液、脑脊液、尿、唾液、水和有机溶剂。
正如在此所使用的，术语“生物样品”是指生物组织或液体样品，在健康状态和/或病态，该样品被测定以研究感兴趣的结构或事件。这类生物样品包括但不限于痰、羊水、血液、血细胞(如白血球)、组织或细针状体活组织检查样品(fine needle biopsy sample)、尿、腹膜液、胸膜液和任何来源于这些样品的细胞。生物样品还包括在培养物中生长的细胞，哺乳动物的或其他生物的细胞。生物样品进一步包括组织切片，如用于组织学研究目的的冰冻切片。虽然生物样品经常取自病人，但其意义并不限于人类。相同的测定可用来检测来自任何哺乳动物的样品中的感兴趣的分子事件，如来自狗、猫、羊、牛和猪，以及来自其他动物种类(如鸟类，诸如鸡或火鸡)和植物(如观赏植物和作为食物的植物，诸如玉米或小麦)的样品。必要时可对生物样品进行预处理，即用适当的转运介质溶液进行稀释或浓缩(如果需要)，并且仍然被称为“生物样品”。标准转运介质水溶液，包括多种转运媒介，如磷酸盐、三羟甲基氨基甲烷或类似物。在大量的标准转运介质水溶液中，优选在生理pH条件下可以使用的任何一种。与生物样品一样，更一般的样品从原材料中获得后，对其进行预处理(稀释、提取等)并不妨碍该材料被称作样品。
正如在此所使用的，术语“流体容器”是指不考虑其实体大小和形状的任何场所，在该场所内流体被保持在一个与信号路径相耦合的位置，因而可以检测到测试信号与“流体容器”检测区域内的样品相互作用所产生的信号。“流体容器”更多是指流体本身而不是指流体所在的容器。因而，可以认为“流体容器”最简单的形式是在平面上形成并保持在所在位置(通过惯性和/或表面张力)的液滴或液层。这种做法往往用于各种“芯片”设计，通常在染色体组研究的“芯片”设计中，使样品流体冲洗在已知位置连接特定分子探针(通常是已知序列的DNA片断)的芯片的表面。然而，“流体容器”可以并且经常是包含在限制液体流动的物理壁内，如限制重力扩散(如在试管或微量滴定板的侧壁)的垂直壁、完全包围的壁(如在密封的容器中)、或引导和/或允许在有限的方向移动的部分包围的壁(如试管或其他通道的壁)。上述最后一种物理壁在此经常称作“流体通道”，并通常用于下述情况流体从一个位置移到另一个位置(如在微量流控芯片中)，从而允许与其他样品和/或含有试剂的溶液相互作用，或允许多重样品转运通过单个检测区。
正如在此所使用的，术语“信号路径”是指传输媒质，该传输媒质支持所希望的测试信号的传播。在一个实施例中，传播路径是一个双导体结构，如能够支持横向电磁(TEM)信号的同轴线。其他多导体、横向电磁结构，如微波传输带、带线、悬浮基质(suspendedsubstrate)、槽线(slot line)、共面波导管，也包括在本定义内。其他传输媒质，如导线、印刷电路板迹线、导电或介电波导管结构、多极(如，四极、八极)结构，也包括在本定义内。
正如在此所使用的，术语“检测区域”是指流体容器(如，在微量流控芯片中的流体转运通道，或多穴板的一个穴)的区域(所有或部分)，该区域接受以所用仪器能够检测到的方式、信号路径发射的电磁信号，并与其相互作用。因此，虽然某些信号有可能在其他位置与样品相互作用(如，微量滴定板的一个邻近穴，它受到来自探针头的杂散电磁辐射的冲击)，但这种外部的相互作用，如果没有被所用仪器检测到，就不会使临近区域成为″检测区域″的一部分。在另一方面，如果信号与块状样品的一部分相互作用，那么与信号相互作用从而产生一个改变信号(该信号可被仪器所检测)的块状样品的所有体积将被认为是“检测区域”的一部分。用于本发明主要目的的仪器检测区域通常比较小。当目的是从试验化合物库中试验潜在候选药物与靶受体相互作用的能力时，情况更是如此，因为可用于特异性测定的每个化合物的数量经常较少。因此，优选检测区域的体积小于1ml(1×10-6m3)。更优选甚至更小的检测区域，如1μl(1×10-9m3)、1nl(1×10-12m3)或1pl(1×10-15m3)，以及在所有所述这些的独立单位的体积之间的范围内。可以使用更小的体积，但不是优选的，因为在通常用于生物样品的温度、压力和浓度条件下，更小的体积不可能含有具有统计学意义的感兴趣的分子数目。
正如在此所使用的，术语“耦合”是指电磁能通过直接或间接物理连接，或通过任何形式的信号耦合在两个结构之间的传递。该通用术语“耦合”包括两种类型的信号耦合一个分子事件与信号路径的导电部分直接物理接触时发生的信号耦合(如，感兴趣的分子结合于信号路径的表面)；当感兴趣的分子事件是物理上与信号路径的任何表面分离时发生的信号耦合(如，在此描述的利用探针所进行的操作，它通过流体容器的壁与样品耦合)。当需要区别时，这两种类型的耦合通常称为“直接耦合”和“间接耦合”。
正如在此所使用的，术语“测试信号”是指交流时变信号。在特定实施例中，优选地，测试信号是10MHz(10×106Hz)或高于此频率，和1000GHz(1×1012Hz)或低于此频率，如10MHz、20MHz、45MHz、100MHz、500MHz、1GHz(1×109Hz)、2GHz、5GHz、7.5GHz、10GHz、12GHz、15GHz、18GHz、20GHz、25GHz、30GHz、44GHz、60GHz、110GHz、200GHz、500GHz或1000GHz以及上述任何两个频率之间。优选区域是从10MHz至40GHz，更特别优选区域是从45MHz至20GHz。II.一般概述本发明利用了下述观察结果基于分子在一定电磁光谱区域的独特介电性能，可以区别巨大数目的分子和测量它们的结构性能和结合能力，而这以前并没有用来检测分子事件。这些介电性能的观察是通过首先把测试信号耦合到包含感兴趣的分析物的试样。分析物的介电性能调制测试信号并产生一个可区别的信号响应。这种响应可以被复原、存储并用来检测和识别在其他试样中的分子。此外，也可以检测其他分子与第一个分子(如分子结合事件)的相互作用，因为第二个分子与第一个分子的相互作用进一步改变了测试信号。可以在液相、气相、或固相检测和识别分子性能和结合事件，但优选在含水生理环境中进行，以便识别与其在生物环境中的功能相关的分子性能。
本发明的检测器组件提供了一种可操作的测量探针，因而能够把测试信号和其中正在发生分子事件的试样耦合起来。试样放置在流体容器中，流体容器通常是一个流体通道或多穴板的一个穴。用测试信号照射流体容器的一部分(即所述的检测区域)。包含分子事件的分子的介电性能，将调制测试信号，提供一个反射信号，该反射信号具有不同于当同样的测试信号施加到其他完全相同但不包含分子事件的样品的信号响应。然后复原该信号响应，从而提供关于在分子事件中所涉及一个分子或多个分子的一个或更多性能的信息。III.检测器组件图1A说明了根据本发明的检测器组件装置100的一个实施例。检测器组件100包括一个与测量探针230组件结合的流体转运系统150。样品转运系统150包括一个流体通道151，流体通道151有一个入口端152和出口端154。流体控制器156控制试样经过通道151的流动，流体控制器156的作用是在使用者选择的时间和条件下使试样流过通道。可选择地，容器158可以包括第二个分析物或试样，当它们被引入流体通道151时，容器158中的第二个分析物或试样可与存储在容器157中的试样混合。混合两个距检测器位置非常近的试样的能力使得结合事件的动力学利用这类数据很容易确定。流体控制器156可以使试样在一个方向(正向和反向)流动，或使试样暂停一段预定的持续时间，例如，在检测区域暂停，以便提高敏感性。
探针组件230包括一个探针头230a和一个连接端230b。探针头230a贴近流体通道150的检测区域155放置，并可操作从而把入射测试信号电磁耦合于流过检测区域155的试样。试样调制测试信号，其中一部分被反射到探针头230a。检测器组件接着复原反射的调制信号，下面会进一步说明和描述。在一个实施例中，探针头可以是同轴线的开端部分，它可以进行操作从而把测试信号传递到在检测区域155内流动的试样和复原来自在检测区域155内流动的试样的调制反射信号。在微波工程领域的技术人员将知道其他终端(如短路终端(shorted termination)或负载终端)和电路构造(如带线、微波传输带、共面波导管、槽线、悬浮基质或波导管)可用于根据本发明的其他可能的实施例。
连接端230b电连接(直接或通过干涉电路系统于分子检测系统的测量端口，下面会进一步描述。在示范性实施例中(其中测量探针是一种同轴型结构)，连接端230b可以是从分子检测系统伸出来的同轴线，可以是兼容的同轴型接头，如形状记忆合金(SMA)型接头或高频测量领域的技术人员所熟悉的其他接头类型。在本发明的其他可能的实施例中(其中使用了不同类型的探针构造，如微波传输带等)，接口可以包括一个兼容连接，从而对分子检测系统提供信号通讯。流体转运系统正如图1A所说明的，流体转运系统150包括一个流体通道151，试样在流体通道151中流动。依据应用场合，流体通道151可以具有很多种形式。例如，在一个实施例中，流体通道151是聚四氟乙烯(PTFE)或其他硬塑料或聚合物管(如乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFETM)管)，它们可以把试样转运到检测区域151和把试样从其中转运出来。在另一个实施例中，在微量流控转运系统中通道151由一个或多个(开口的或封闭的)蚀刻通道所组成，下面会进一步描述。可以使用两个或更多的通道从而提供更大的检测区域155以改善检测敏感性。在另一个实施例中，流体通道151是通过人所共知的半导体加工技术制成。本领域技术人员会理解，流体通道151的其他结构和构造可适应于根据本发明的操作。
转运介质可以包括各种溶液、气体、或其他介质，这依赖于其中的特定分析物。例如，当本发明的检测系统是用来检测生物分析物的存在和/或结合时，可采用Dulbecco磷酸盐转运介质盐水(d-PBS)或一种能够作为转运溶液的类似介质来提供一种类似生物分子天然环境的环境。在根据本发明的其他实施例中，可以采用其他本领域技术人员熟知的转运介质，如二甲基亚砜(DMSO)、磷酸钠(Na3PO4)、吗啉代丙烷磺酸(MOPS)、磷酸盐、柠檬酸、甘氨酸、三羟甲基氨基甲烷、autate、硼酸盐以及根据本发明其他实施例中使用的介质。
流体通道151包括一个检测区域155，在其上探针230辐射样品。几种因素影响了检测区域155的面积，包括流体通道151的构造和材料组成、分析物浓度、所需检测时间、试样流过通道的速率和其他本领域技术人员来说是显而易见的因素。那些在检测区域155内使用了固定检测的实施例中，在检测区域155内形成了一个结合表面，其面积受到下述因素的影响结合表面化学、结合表面的材料和形态以及其他对本领域技术人员来说是显而易见的因素。结合表面的典型尺寸是在下述数量级10-1m2、10-2m2、10-3m2、10-4m2、10-5m2、10-6m2、10-7m2、10-8m2、10-9m2、10-10m2、10-11m2、10-12m2、10-13m2、10-14m2、10-15m2或在这些限度的任何范围内。优选采用盘旋表面或多孔表面从而在较小体积中获得在这种范围内的较大面积。对用半导体加工技术制成的微量流控装置和系统来说，更典型的是那些所列数量级中较小的数值。检测区域155还可以被调节以适应其他诊断应用场合，如在本技术领域中所知的蛋白质组(proteomics)芯片。对检测区域大小和形状的要求，只需在本文描述的其他限制条件下，信号能传播到检测区域和分析物能通过检测区域即可。
在说明的检测器组件150的实施例中，流体控制器156与容器157相连。流体控制器156使用来自容器157的流体移动试样通过通道151，这比从通道中简单地抽运单独样品需要较少的试样。
可使用第二个容器158来存储第二个分析物或试样，以与容器157的试样混合。在这样的实施例中，可进一步将流体控制器156设计成能够快速混合两个试样并把形成的混合物供给检测区域155。这种技术(在流控移动系统技术中称为截流动力学)，使得当在两个试样的分析物之间发生结合事件时，操作者可以观察和记录信号响应的变化。这种数据也可用来确定发生在两个试样的分析物之间的结合事件的动力学。传统截流动力系统的流控技术，如序号为Cary50的模型(可从澳大利亚，维多利亚，Varian Australia Pty有限公司获得)，可适应于与本发明进行操作或内置在检测器组件150内。关于截流流体系统的进一步信息参见www.hi-techsci.co.uk/scientific/index.html。
可以使用其他元件来调节试样流过通道151。流体控制器156、流体容器157和158，以及其他与流体移动有关的部件可以包含流体转运系统150的个别部件，或部分或全部与之集成。
图1B说明流体转运系统的另一个实施例。正如所显示的，流体转运系统170包括驱动电路172、传动构件174、注射器装置176和流体通道178。优选在测量探针组件230(未示出)的外部安装和操作流体转运系统170，虽然在根据本发明的其他实施例中，流体转运系统170的部分或所有部件可以集成到测量探针组件230中。
在操作期间，驱动电路174接受操作者的指令从而把试样175提供给测量探针230。指令可以是程序，即提供特定数量的样品和/或以特定速率提供样品。作为响应，驱动电路174推动传动构件176(在一个实施例中是螺杆)，传动构件174接着推动注射器装置176的活塞。活塞把所需数量(或速率)的样品供给流体通道178(在一个实施例中是聚四氟乙烯)，通过流体通道178把样品送到检测区域155，在此位置测量探针发射的测试信号辐射样品。
当本发明用来检测或识别液相中的分子时，可以使用几种技术来分离不同的样品。在一种技术中，一个或多个较小体积(如，5μl)的样品塞可以先于和/或跟随一个主要的较大体积(如，15μl)的样品塞。样品塞操作更短的时间从而使主要的样品塞避免样品浓度的变化。在样品塞以前和/或以后，也可引入气塞作为隔离材料，从而进一步使流体混合或其浓度的变化降到最低限度。也可使用气塞作为指示物来告知试验系统(或操作者)试样在流体通道内的位置。
在另一种技术中，转运介质(可以是空气)可用来作为隔离材料从而把不同试样互相分离开来，其作用方式是在其他检测系统的装置中所普遍采用的方式，如在美国专利第6,033,546号、第5,858,187号和第5,126,022号中所披露的微量流控仪器和技术。当以这种方式操作时，在第一个试样后把隔离材料引入通道，在隔离材料后把另一个试样(或样品)引入通道，在流体控制器的控制下试样流过通道，因而一系列由隔离材料分离开的不同试样被转运通过通道。可以进行这类转运而不混合不同的试样，因而当试样通过(或暂时停留在)检测区域155时，可以在检测区域155分别对每个试样进行测量。
在根据本发明的流体移动控制器系统中可以使用任何适当尺寸的抽运装置。这类泵可以包括微型机电系统(MEMS)，如由下述文献所报道的，Shoji等，“用于集成化学分析系统的泵的制造”(Fabrication of a Pump for Integrated Chemical Analyzing systems)《日本电子学和通讯》(“Electronics and Communications inJapan”)，Part 2，7052-59(1989))；Esashi等，“在硅片上制造的常闭的微型阀和泵”(Normally closed microvalve and pump fabricatedon a Silicon Wafer)《(传感器和执行器)》(“Sensors and Actuators”)，20163-169(1989))；这类泵还包括压电泵，如Moroney等，“超声波引起的微量转运”(“Ultrasonically Induced Microtransport”)，Proc.MEMS，91277-282(1991)一文中所描述的。然而，在许多微量流控装置中，泵(流体移动控制器)没有任何移动部分，而是利用电极和静电力来移动液体。至少已披露两种类型的这类基于电极(electrode-based pump)的泵，通常其名称为“电流体力学泵”(EHD)和“电渗泵”(EO)。电流体力学泵已由下述文献所描述Bart等，“精密加工的电流体力学泵”(MicrofanbricatedElectrohydrodynamic Pumps)，《(传感器和执行器》(“Sensors andActuators”)，A21-A23193-197(1990))和Richter等“精密加工的电流体力学泵”，《(传感器和执行器)》(“Sensors and Actuators”)，A29159-168(1991)。电渗泵已由Dasgupta等在“电渗一种可靠的用于流动注射分析的流体推进系统”(ElectroosmosisA ReliableFluid Propulsion System for Flow Injection A nalysis)(Anal.Chem.，661792-1798(1994))一文中加以描述。在PCT申请第WO95/14590号中，讨论了泵操作(在液体分配系统中利用电极移动流体)的实际问题，如电渗抽运和电流体力学抽运。相同的WO95/14590申请描述了适合的电极、制备这类电极的方法，并介绍了认为对如何操作这类泵提供进一步指导的理论根据。对关于在微量流控仪器中流体移动的其他指导，参见在该领域已发布的许多专利中的任何专利。当流体移动控制器利用流体的电泳移动时，正如在微量流控仪器和技术(见美国专利第6,033,546、5,858，187和5，126,022号)中所描述的，可以容易地处理非常少的样品(0.001μl或更少)。
微量流控仪器(含有通道从而允许各种类型的流体移动的分析芯片本身，如引入试样、与额外的试验化合物或试剂混合和分离混合的组分；以及相关的设备，如取样装置、温度控制、检测器和分析电子仪器)已得到很好的开发。因为本发明是涉及一种新的检测系统(该系统可用于现有的(和改进的)流体移动系统)，微量流控技术和较早的大规模仪器(利用机械泵和气泡隔离材料转运毫升量的样品)并不是本发明的内容，而是根据本发明的检测技术可以容易应用的装置和方法。关于已经确立起来的该领域的基础，可以参考关于流体管理的现有技术文献，如以上引述的专利(和本专利背景技术和其中引用的其他参考文献)。本说明书主要涉及这些已知系统与在此描述的检测器和分析系统的结合，这种结合提供了在此描述的并在下文的例子中证实了的新结果。然而，为说明本方法如何应用于较早的流体转运系统，本说明书中将作出一些解释。
例如，当在电泳微量流控装置中使用基本不带电的样品时，经常使用相对于样品具有较高离子强度的隔离材料，以使当管塞注射到隔离流体流中时，微量流控装置的电场容易移动试样。在某些情况下，使用基本上与试样不混溶的隔离流体是有利的。然而，当流体比较快速移动时(以致扩散效应来不及混合相邻试样从而有害影响所需测量的程度)，混合一般不会成为问题，因为微量流控装置的通道(通道通常具有直径从0.1至500μm(优选5至50μm)的截面)内的所有物质倾向于作为连续流向前移动而没有湍流混合。不混溶的隔离材料更普遍用于较大的操作，较大的操作具有足够的规模因而会发生湍流混合。在这类系统中最普遍的隔离材料是气体气泡，其中流体移动控制器提供流体的物理抽运，经常是以蠕动泵的形式。这类较大规模的系统在医用分析系统中曾普遍采用(例如，称为SMA1260的商用临床分析系统)，但在较大程度上已被微量流控技术所取代。然而，微量流控系统也使用气泡作为隔离材料，正如在美国专利第5,992,820号中所描述的，该专利的题目是“在微量流控装置中通过控制气泡形成来进行流量控制”(“Flow control inmicorfluidics devices by controlled bubble formation”)。
这些流体系统用于分析一系列多重试样时(虽然在单个物理装置中可以进行一个系列以上的测量)，一般提供一个或更多通道，这些更多的通道在流体转运系统中与第一个通道相贯通。第二个流体通道含有一个试验化合物或由隔离材料分离开的一系列试验化合物，该系统独立控制在第二个流体通道中流体的移动。来自第二个流体通道的试验化合物(一个或多个)被引入到第一个流体通道中的试样中，第一个流体通道在检测区域155的上游足够远，从而在试样达到检测区域155之前，试验化合物有时间与第一个流体通道中的试样的一个分子结构相互作用。然后借助于测试信号的进一步变化来确定相互作用是否已经发生。如果相互作用是一个已知的发生在两个分子种类之间的相互作用(如当它们是已知结合对的两个成员)，那么测试信号则可以用来检测在第二个通道中试验化合物的存在或在第一个通道中分子分析物的存在。此外，未知是否为结合对成员的分子的结合(或其他相互作用，如与底物发生的酶的反应)也可以测试，这在药物筛选中是普遍的。
在一个优选的仪器中，流体转运系统进一步包括一个自动取样装置，该自动取样装置把一系列试样引入检测通道并用隔离材料分离开，隔离材料可以是溶液(如洗涤转运介质)或气体(如气泡)。在许多专利和其他与上述所列微量流控技术有关的出版物中描述了多重试样的处理，并且许多自动化系统是熟知的。例如，在芯片上可以提供多重试样穴，并且自动吸移系统可以把不同的试样加到每个试样穴中。在这类检测器组件中，单个穴经由单个通道通往一个共同的在检测通道起点的位置(或某个更靠前的位置，如果希望与进一步的试剂或试验化合物混合时)，并且通过流体控制系统将试样顺序地移到该共同的位置。然后流体控制器可以按顺序把试样从该共同的位置移到该仪器的其他部分。已经披露了为与其他类型的检测仪器一起使用的其他类型的少量试样自动处理方法，这些方法还很容易应用到为根据本发明的装置供给试样；参见，如美国专利第4,468,331号，题目是“液相色谱分离的方法和系统”(Method andsystem for liquid chromatography separation)。测量探针测量探针对位于检测区域155的试样发射测试信号。试样的介电性能调制测试信号，至少一部分测试信号被反射到测量探针230。测量探针复原反射的调制信号并发送到检测系统，下面会进一步描述和说明。然后检测系统比较入射测试信号和反射调制信号，并产生一个在微波工程领域通常称为回波损耗，或“S11”响应。由于大部分分子事件的介电性能不同，所以每个分析物的回波损耗响应也将是可区别的，并可用来检测和识别在未知试样中的分子事件。
测量探针230可具有各种不同的形式，这些形式适合于支持测试信号在希望的频率或多个频率进行传播。在一个具体实施例中，测量探针230是同轴线，尽管根据本发明可以选择使用其他配线，如微波传输带、带线、悬浮基质、共面波导管、槽线、波导管，以及其他配线。关于各种形式的一些示范性实施例，参见R.E.Collins的《(微波工程基础》(“Foundations for Microwave Engineering”)，McGraw-Hill Publishing公司，1966年；和S.March的《(微波传播线路及其物理实现》(“Microwave Transmission Lines and Their PhysicalRealizations”)，Les Besser and Associates公司，1986年。
测量探针进行操作所使用的一个或多个频率取决于探针230的构造，但通常是在10MHz至110GHz的范围内。在一个具体实施例中(其中测量探针具有同轴构形)，操作频率的通常范围是从45MHz至20GHz。本领域熟练的技术人员容易理解根据本发明制造的探针可用于本发明其他实施例的其他频率范围。
图2A说明了测量探针230的第一个实施例，根据本发明的一个实施例，该测量探针具有共振同轴形式。正如所说明的，探针230有两个部分探针头230a和连接端230b。在一个具体实施例中，探针头230a是一个开端同轴截面，而连接端230b是一个同轴型接头，连接端230b的一个实施例是一个形状记忆合金接头。本领域技术人员能够理解其他终端(如短路终端、或负载终端)以及其他电路结构(如微波传输带带、带线、共面波导管、槽线、波导管等)可用于根据本发明的其他可能的实施例。
探针230进一步包括两个同轴部分232和234，每个同轴部分具有一个中心导体235、一个介电绝缘体236和一个外导体237(通常用于提供地电位参照)。第一部分232由前述探针头230a和第一个间隙端232a所组成，它们相对放置，每个都作为同轴线的一个开端截面。一个架子(优选导电的)231同高度连接于(优选通过焊料、导电性环氧树脂、或其他导电连接方式)探针头230a的外部导体237。
第二部分234与第一部分232具有类似的结构，有一个介电绝缘体236位于中心导体235和外导体237之间。第二部分234进一步包括第二个间隙端234a和一个连接端230b(它们相对放置)。第二个间隙端是作为同轴线的开端截面。连接端230b作为接头(在一个具体实施例中是形状记忆合金型)，可用来连接到分子检测系统，下文会进一步说明和描述。在这示范性实施例中，第一和第二部分都包括RG401型半刚性同轴线，虽然也可以使用较大或较小直径的同轴线。经过计算，第一部分232的长度，在所希望的共振频率下，大约是半个波长的长度，正如下面会进一步描述的。在本说明中，第一部分232大约长4英寸，在1GHz试验频率下，它相应于大约半个波长。
在根据本发明的一个具体实施例中，探针230包括一个调谐元件233，它可调地连接在第一个间隙端232a和第二个间隙端234a之间，从而在其间提供可变的间隙距离。间隙在第一部分232和第二部分234之间提供电容效应，间隙(与第一部分232的导电长度一起)被设计来在探针230照射(无分析物)转运介质时，提供共振信号响应。调谐元件233可进行旋转从而扩大和缩小第一部分232和第二部分234之间的间隙(相应地，降低或增加电容效应的值)，借此把测量探针230的共振频率调节到所希望的频率。
在该示范性实施例中，间隙距离是可变的(从0英寸至0.050英寸)，尽管根据本发明的其他可能的实施例中可采用其他间隙尺寸以便把共振响应调节到所希望的频率点。寻找的共振响应是测试信号的反射部分基本为零的响应，即当回波损耗或S11的数值最小时的响应。正如下面将说明的，分析物的存在将显著改变共振信号响应，借此可以检测和识别分析物结合和/或亚结构。
调谐元件233优选用具有相对较高导电率的材料(在一个实施例中是不锈钢)制成的空心管，以便保持在第一和第二部分之间的地电位是在操作的试验频率。进一步，调谐元件可以包括内螺纹233a，它与外螺纹238配合，外螺纹位于第一和第二部分的外导体上，并靠近第一间隙端232a和第二间隙端234a。在本发明的其他可能的实施例中，调谐元件233可以省去，在这种情况下，第一部分232和第二部分234可以包括一个连续的同轴传输线结构。
本领域熟练技术人员将理解，探针230可以包括其他电路元件，以便在根据本发明的其他可能的实施例中提供其他信号响应。进一步，探针230可以包括其他电路(集总元件形式、分布形式、或两种形式的结合)。例如，阻抗匹配电路和/或转运介质放大器电路可以用于连接端、调谐元件内、第一部分232和/或部分部分234沿线、或在探针头230a上。可选择替换或者增加阻抗匹配电路和一个或多个输出放大器，以进一步增强输出信号。
在图1所示的根据本发明的一个实施例中，探针头230a紧靠试样放置，但通过介质材料物理上与试样分离开。在这个例子中，入射信号发射到试样，通过电磁耦合从试样复原反射信号。物理上把探针头230a与试样分开的介质材料可以包括固相材料，如聚四氟乙烯、氧化铝、玻璃、蓝宝石、金刚石、热塑聚碳酸酯、聚酰亚胺或其他在高频电路设计领域使用的介电材料；用于制造微量流控装置或半导体加工的材料；或其他已知的在所希望的操作频率具有相对较高程度的信号透明度的材料。在一个具体实施例中，介质材料可以是电绝缘材料，上面已描述其中的一些例子。替换地或额外地，具有相对较高程度的测试信号透明度的液相和/或气相材料也可构成介质材料。
介质材料的厚度和介电性能可以随实施的流体系统和使用的测量探针的类型而变化。例如，在分离距离大的系统中，优选低损耗、高介电材料，从而在试样和探针230之间提供最大的耦合。在分离距离相对较小的系统中，则可允许使用较高损耗和较低介电常数的材料。在一个具体实施例中(其中通道151是聚四氟乙烯管，尺寸为内径0.031英寸、外径0.063英寸、壁厚0.016英寸，介电常数大约是2)，分离距离大约是管的壁厚，即大约0.016英寸。在其他检测器组件中，分离距离是下述数量级10-1m、10-2m、10-3m、10-4m、10-5m或10-6m，并且可以更小，如在某些情况下是10-9m的数量级(如在基质表面的蚀刻槽中，该槽具有一个金属信号通道元件，和作为通道第四侧面的在试样侧面的一个聚合物薄层)。减少分离距离或增大检测范围155、样品体积或分析物浓度将增加检测敏感性。如上述，分离材料可以是固相材料，或选择(或增加)由液相、或气相材料、或其组合所组成。
图2B图示说明盖240，盖240可与探针230相对放置，以使试样位于盖和探针之间。在一个实施例中，盖240由导电材料所制成(如黄铜、铜、铝等)，在操作频率范围内该盖设置在地电位，从而提供一个接地面，发射自中心导体235的电磁场终止于接地面。盖240还提供屏蔽从而避免可能干扰测量的外部辐射源。
在另一个实施例中，探针头230a或测量探针230的中心导体235延伸进通道151，从而中心导体235与沿通道151流动的试样直接接触。在该实施例中，中心导体235可用能支持测试信号传播并且不会对分析物产生不利影响的材料制成。这类材料包括但不限于金、氧化铟锡(indium tin oxide)、铜、银、锌、锡、锑、镓、镉、铬、锰、钴、铱、铂、汞、钛、铝、铅、铁、钨、镍、钽、铼、锇、铊或其合金。这些相同材料以及其他对本领域技术人员来说显而易见的材料可用来制造外部探针。
图2C和图2D分别是根据本发明的探针的第二个实施例的截面图和顶视图。正如在图2C的截面图中所说明的，测量探针250包括第一个同轴部分251、一个托架252、一个连接平台253、接触环255、一个调谐间隙(tuning gap)256、第二个同轴部分257、一个导电接地管258和一个流控装置架259。
第一个同轴部分251耦合于信号源和信号检测器(未示出)，将在下文进一步说明和描述。在一个实施例中，第一个同轴部分是RG401型半刚性同轴线。本领域技术人员将明白，在根据本发明的其他可能的实施例中可以采用其他类型的半刚性同轴线以及其他传输结构。
第一个同轴部分251牢固地固定在托架252内并延伸到间隙范围254，间隙区域靠近流体装置架259的底部。接触环255a和255b可以选择连接到第一个同轴部分251的外表面，从而在第一个同轴部分251和接地管258的内表面之间提供接地导电性(groundconductivity)。在一个实施例中，接触环是高度导电的弹簧，尽管可采用其他结构。在其他可能的实施例中，第一个同轴部分251的外表面与接地管258(在一个实施例中是铜)的内表面充分接触，因此无需使用接触环255。
第一个同轴部分251和第二个同轴部分257是由调谐间隙256(电操作调谐间隙可以提供上述的共振响应)分开的。在说明的实施例中，第二个同轴部分257是固定在流体装置架259内的接地管258内。第一个同轴部分251插入间隙区域254，第一个同轴部分251的外表面与接地管258的内表面进行电接触，因而在其间提供一个连续的地电位。可分别通过向上或向下移动托架252来使在第一个同轴部分251和第二个同轴部分257之间形成的调谐间隙256变小或变大。读者将理解，第二个同轴部分257在导电接地管258内的位置是可调的，无论替换还是附加于第一个同轴部分251上。连接平台253连接于流体装置架259并保持其稳定，这使托架从此处可以插入或移走第一个同轴部分251。在一个实施例中，托架252是电机驱动的并在一个精确的电机移动平台组件内，该组件可从Irvine的Newport Corporation公司(加利福尼亚州)获得。
图2E说明测量探针的一个实施例，测量探针具有根据本发明的非共振同轴形式。在该实施例中，探针280包括开端共轴线281的一部分、一个相互作用夹具底座283、一个相互作用基质285、一个流体界面287，从流体界面伸出的一个或更多的流体管289。在一个具体实施例中，探针280与一个矢量网络分析器或能够测量入射和反射信号性能的类似试验设备耦合。
流体管289允许将样品引入流体界面287。一个相互作用基质285可非必选地用来把供给的样品和同轴部分281分开。该相互作用基质285可由各种材料组成，例如，玻璃、石英、聚酰亚胺、聚四氟乙烯，二氧化硅、砷化镓或半导体加工中使用的材料。在其他可能的实施例中，相互作用基质285被移去，因而样品与同轴部分281直接接触。底座夹具283用来稳固连接，并使流体界面287(和相互作用基质，如果使用的话)与同轴部分281的开端部分对齐。在一个具体实施例中，底座夹具是铝制的，尽管在本发明的其他可能的实施例中可以使用其他材料。
在操作期间，一定体积的样品(也可能是不含分析物的缓冲液，用来产生基线响应)通过流体管289被引入流体界面287。接着，从试验装置290对同轴部分281施加一个测试信号。如上所述，供给样品的介电性能将调制入射信号。同轴部分281的开端结构将至少把一部分调制信号反射到将调制信号复原处的试验装置。该调制(通常表现为入射信号的振幅和相位的变化或没有变化)表明存在(或不存在)分子事件。
具备了上述流体转运系统后，本领域技术人员可以广泛地熟悉生物和化学文献，以便选择要进行研究的分子样品。对于生物系统的一般介绍，参见《分子生物学中的通用协议》(“Current Protocolsin Molecular Biolgy”)，F.M.Ausubel等编辑，Current Protocols，Greene Publishing Association公司和John Wiley&Sons公司的合资公司(经由1997补编)(Ausubel)；Watson等(1987)《(基因的分子生物学》(“Molecular Biology of the Gene”)，第四版，TheBenjamin/Cummings Publishing公司，加利福尼亚，Menlo Park；Alberts等(1989)《(细胞的分子生物学》(“Molecular Biology of theCell”)，第二版，Garland Publishing公司，纽约；《(诊断和治疗莫克手册》(“The Merck Manual of Diagnosis and THerapy”)，新泽西，Rathway，Merck公司。来自生物试剂和试验设备制造商的产品信息也提供测定生物系统方面的有用信息。这类制造商包括，如TheSIGMA chemical company公司(密苏里州，Saint Louis)、R&Dsystems公司(蒙大拿州，Minne apolis)、Pharmacia LKBBiotechnology公司 (新泽西州，Piscataway)、CLONTECHLaboratories公司(加利福尼亚州Palo Alto，)、Aldrich ChemicalCompany公司(威斯康星州，Milwaukee)、GIBCO BRL LifeTechnologies公司(马里兰州，Gaithersberg)、FlukaChemica-Biochemika Analytika公司 (瑞士Fluka Chemie AG，Buchs)、Applied Biosystems(加利福尼亚州，Foster City)，以及本领域技术人员所知的许多其他商业来源。
生物样品可以来自病人(利用众所周知的技术，如静脉穿刺术、腰椎穿刺术)、液体样品如唾液或尿、或组织活体切片等。当生物材料来自非人类时，如商业上相关的家畜，其血液和组织样品则可以方便地从家畜加工厂获得。相似地，本发明中使用的植物材料可方便地从农业或园艺来源处和其他天然产品来源处获得。作为选择，生物样品可来自细胞或存储组织和/或血液的库中，或来自体外来源，如细胞培养。对本领域技术人员来说，培养细胞作为生物材料来源的技术是众所周知的。Freshney的《(动物细胞的培养基础技术手册》(“Culture of Animal Cells，a Manual of Basic Technique”)，第三版，Wiley-Liss，纽约(1994)，对细胞培养作出了一般介绍。检测区域的化学性质在对分析物结合或亚结构进行检测，其中分析物没有与检测区域155表面结合的实施例中，一般选择检测区域155的化学性质，使其通道壁(在所说明的实施例之一是聚四氟乙烯管)对试样的通过是惰性的。在其他可能的检测中存在与检测区域表面结合的实施例中，可使检测区域表面功能化与抗分析物(anti-analyte)结合，从而流体转运系统可转运一个或更多试样，以检测在抗分析物和分析物之间的可能的结合相互作用。在这种情况下，要用具有良好分子结合性质的材料制备检测区域表面155。配体可直接、间接地通过其他分子结构，或同时通过两种结构与通道壁结合。正被识别的可能类型的结合相互作用包括但不限于蛋白质/蛋白质相互作用、DNA/蛋白质相互作用、RNA/蛋白质相互作用、核酸杂交作用(包括碱基对错配分析)、RNA/RNA相互作用、tRNA相互作用、酶/底物系统、抗原/抗体相互作用、小分子/蛋白质相互作用、药物/受体相互作用、膜/受体相互作用、在固相配体中的构象变化、蛋白质/糖化物相互作用和脂质/蛋白质相互作用。结合的化学性质可涉及仅单个种类的分子结合到表面、一批不同种类的分子结合到表面、或在直接结合于表面的分子种类和溶液中感兴趣的配体之间的多重结合事件。IV.示范性分子检测系统图3A图示说明根据本发明的分子检测系统300的一个实施例。系统300包括一个信号源302、一个信号检测器304、和检测器组件100。通过信号路径，如电缆、传输线、或其他媒质(它们能在所希望的试验频率支持信号传播)，检测器组件100与信号源302及检测器304耦合。源302可对检测器组件100发射一个入射测试信号312。试样的介电性能调制入射测试信号，至少一部分调制测试信号被反射到共振探针230。反射信号与探针耦合并与入射信号比较，从而产生一个信号响应。微波工程的技术人员会知道这种测量是单口S11反射测量。
在一个具体实施例中，信号源302和信号检测器304是包括在一种矢量网络分析器试验装置中，如型号8510和8714，它们可从Palo Alto的Agilent Technologies公司(加利福尼亚州)获得。根据本发明的其他可能的实施例中可采用其他高频测量系统如标量网络分析器或其他系统，这些系统根据发射的和反射的信号提供信号信息。示范性检测系统300被描述为单口反射测量系统，但在根据本发明的其他可能的实施例中可使用其他信号源(和/或检测器)来复原反射的调制信号或传播通过试样的调制信号(在本领域称为S21或“通过”(thru)测量)。
在本发明的一个实施例中，共振探针230和分子检测系统300一起用来检测在试样中分子事件是否存在。该方法包括首先为共振探针230确定一个基线响应(用空气、缓冲液或另外一种无分析物的介质)，然后，在一个分子事件被引入检测区域155时，测量基线响应的变化。下面将进一步描述这种方法并在图3B中加以说明。
首先在步骤320，设计探针230使其在预定频率或其附近有一个共振S11响应。在一个具体实施例中，这种过程按下述方法来完成规定第一个同轴部分332的长度是所希望的共振频率波长的一半，利用下述计算(为本领域熟练技术人员应知的)λ/2＝c/[2×fdes×εr1/2]，其中λ/2＝第一部分332的长度(单位是米)c＝光速3×108m/sfdes＝所希望的共振频率(单位是Hz)εr＝绝缘材料336的相对介电常数在此处说明的实施例中(其中所希望的共振频率是1GHz，同轴绝缘材料(聚四氟乙烯)336的相对介电常数大约是2.1)，第一个同轴部分232的长度选为4英寸。在高频电路设计领域的技术人员会理解所说明的设计技术和形成的共振信号响应仅是许多可能之一。在其他实施例中，其他所知的电路设计(如短路的四分之一波长线等)也可用来获得共振信号响应。
接着在步骤321中，将探针头230a放置在检测区域155附近，从而使其能够在那里发生电磁耦合。通常在该操作中探针头230a应尽可能靠近检测区域155放置。如上述，把探针头230a和检测区域155分开的隔离材料可以是固相材料，如，聚四氟乙烯、氧化铝、玻璃、蓝宝石、金刚石、热塑聚碳酸酯(Lexan)、聚酰亚胺；或其他在高频电路设计领域使用的介电材料；用于制造微量流控装置的材料；用于半导体加工的材料；或其他已知的在所希望的测试信号频率具有较高信号透明度的材料。在一个具体实施例中，隔离材料可以是电绝缘材料，其中的一些例子是玻璃、聚四氟乙烯或其变异体、石英、二氧化硅、砷化镓以及上述材料。可选择地或额外地，也可以使用具有相对较高程度的测试信号透明度的液相和/或气相材料。
接着在步骤322，流体转运系统150把无分析物的转运介质供给到检测区域155。接着在步骤323，一个测试信号耦合到检测区域155，并获得形成的基线响应。在此所述的示范性实施例中，基线响应是一个S11响应，它是当无分析物缓冲液占据检测区域155时通过比较入射信号312和反射信号314的振幅和相位而获得。在根据本发明的其他可能实施例中，利用熟知的数据比较技术可以获得其他信号响应。在试验期间，流体移动可以是连续的(如，如果测量时间较短；例如，当在单个频率或一小组频率下测量信号时或当检测敏感度较高时)，或暂停流体流动。此外，可进行多重扫描并平均以提高敏感度。
接着在步骤324，调节调谐元件(顺时针或逆时针旋转，或利用图2D所描述的动力装置进行推进)直到基线响应的振幅达到最低点，其中的一个例子在图3C中被说明为轨迹334。基线S11响应达到其最低点的频率点在此称为fX。该点表示最少量的信号功率被反射到检测系统330时的频率。通常，由于仪器和位于探针头230a开端部分的试样的介电效应，共振频率fres将偏移预定的频率fdes。频率点fdes被选在某一频率或某一频率范围，在该频率点或者频率范围，能够预期到样品分子事件的介电性能将产生明显变化。为说明检测过程，在示范性实施例中选择了1GHz的频率，但利用本发明，许多分子事件的介电性能使它们能在下述频率被检测到10MHz、20MHz、45MHz、100MHz、250MHz、500MHz、1GHz、2.5GHz、5GHz、7.5GHz、10GHz、12GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz、40GHz、50GHz、60GHz、80GHz、100GHz、110GHz以及其他在以上频率范围内的，其他可能的实施例中可以采用一些其他的频率和频率范围。
在共振频率点fres附近的回波损耗或S11响应会相当快速地变化。为了在共振频率点附近获得更加平缓的响应，可以解调探针(通过旋转调谐元件)，使其偏移共振点fres。在其他显示调谐S11响应的实施例中(例如，制造的集成电路芯片)，可以省去该步骤(和调谐元件333本身)。
接着在步骤325，利用上述的任何方法把试样引入检测区域155。在步骤326，测试信号被耦合到检测区域155耦合，并获得形成的试样响应。
在此描述的示范性实施例中，基线响应是在流体通道和无分析物缓冲液形成的S11响应。本领域技术人员会知道其他测量(如二端对(two-port)S21测量)也可用作基线响应。此外，可采用不同条件来测量基线响应，例如，缓冲液可能含有一个已知分析物，或者响应可以是在不存在任何缓冲液和/或流体通道时产生的。读者会了解能够形成的基线响应是有许多可能性的。如上所述，在测量过程中试样可保持静止或在检测区域155中移动。
图3C说明的是在检测区域155内发生分子事件时的试样响应335。正如该图所显示的，试样响应335显示出较浅的零位。电学上，试样内分析物的介电性能改变了共振信号响应，并且降低了试样响应335的振幅(与基线响应334相比)。在其他实施例中，试样响应335表现出频移，即发生最小S11响应的频率移到高于或低于fres，在某些实施例中，基线响应的振幅和频率都将发生变化。当结合事件发生在检测区域内时，响应可以被实时监测(即，在反应正发生时)。本领域技术人员会理解，图示的试样响应335仅是可能响应的一例，根据本发明也可以观察到其他响应。例如在某些实施例中，试样可以产生一个比缓冲液共振点深的零位。如当起始基线响应334被调谐偏移最小共振点时，情况就可能是这样。
接着在步骤327，确定基线响应334和试样响应335的差异是否超过预定数量。该过程可用下述方法来完成比较基线响应334和试样响应335的振幅、频率和/或相位数据，当差异超过预定的或预编程序的数量时，则表示变化已经发生。在1GHz的fres处典型数量范围如下对振幅而言是0.1dB、0.5dB、1dB、3dB、5dB和10dB(或其间的任何数值)；对相位来说是1度、10度、25度、45度、90度、180度(或其间的范围)；对频率来说是1KHz、3KHz、5KHz、10KHz、100KHz、1MHz、10MHz、100MHz(或其间的范围)；或两个或更多这些数量的结合。根据fres频率的高或低，上述频率可按比例改变。例如，对10MHz的fres来说，预编程序的/预定的频率范围可从10Hz至1MHz(或其间的任何范围)。
如果在步骤327，基线响应和试样响应之间的差异没有超过预定的数量，检测系统300则会指示出，在fstart至fstop的特定频率范围内，没有检测到分子事件(过程328)。这种指示可以通过许多不同的方式令使用者获悉，例如把前述信息告知使用者、图表表示说明响应334和响应335之间在振幅、频率和/或相位上测量到的差异、提供测量数据或其他输出方法。应该注意到所说明的fstart至fstop频率范围可包括两个或更多较小的频率范围，可以预期到在这些频率范围，能够检测到结合事件或亚结构。
如果在步骤327，基线响应和试样响应之间的差异超过预定的数量，检测系统300则会指示出，在检测区域155内已检测到分子事件(过程329)。这种指示可用类似于上述的方式令使用者获悉。在一个优选实施例中，试样响应335接下来被存储用于以后的检索和与其他试样响应进行比较(过程330)。
有关被检测的分析物特性的信息可以通过各种不同的方式获得。如果通过检测区域155功能化来特异性地结合一种特别的分析物，那么从那里就可以确定结合的分析物的特性。
在另一个实施例中，其中在检测区域155内发生非特异性结合或没有发生任何分子结合，识别被检测的结合事件则是一个多步骤过程。首先，把已知分析物加入缓冲液中并提供到流体通道的检测区域。然后，利用前述测量探针和方法获得已知试样的信号响应335并存储。分析物互相区别的信息(分析物的名称、字母数字代号或序列、或其他能够区分的信息)接着与试样响应335相对应并被存储在数据库中，从数据库可检索该试样响应并将其与其他试样响应比较。当另一个试样响应与该存储的响应335紧密相关时，则可以确定在另一个试样中分子事件的同一性。
该处理过程在步骤331继续进行，在该步骤要决定是否进行另一个测量。该过程可用于，例如，高通过量自动分子检测系统。如果仍然要进行一个或更多测量，该过程返回到步骤324，在步骤324，利用在此描述的前述过程之一把另一个试样引入检测区域155。如果不需要再进行任何其他测量，测量过程则结束于步骤332。
在所述实施例的扩展中，检测系统300可以包括N个测量探针230i，如96个探针，每个探针与96穴微量滴定板的一个穴耦合。每个探针将与N个数目中的每个检测区域155i耦合，例如微量滴定板的每个穴的穴底部分。在该实施例中，检测系统优选包括一个1×N开关矩阵以便把测试信号送到N个检测区域之一155i，和一个N×1开关矩阵，以便把调制信号从可能的N个检测区域之一送到信号检测器。在其他可能的实施例中，可以把每个探针230i和检测区域155i设计成具有不同的共振频率，在这种情况下，则可以在连续频谱内询问所有检测区域155i。对本领域技术人员来说，检测系统300的其他可能的设计是显而易见的。
图3D说明根据本发明的一种检测发生在试样内的分子结合事件的方法。该过程以类似于上面图3B的方式开始设计在/靠近预定频率具有共振响应的测量探针，靠近通道的检测区域放置探针头，把无分析物的缓冲液供给到检测区域，把探针调谐到/接近缓冲液的共振点(步骤340-343)。
接着在步骤344，把含有第一个分析物的第一个试样供给到检测区域。在优选实施例中，以1x浓度，如6mg/ml，提供分析物。在步骤345获得响应(353，说明于图3E)并存储。接着在步骤346，把含有第二个分析物的第二个试样供给到检测区域，优选地，以与第一个分析物相同的浓度(在所说明的实施例中是6mg/ml)。优选地，用清洁剂冲洗检测区域以除去第一个分析物的任何残留部分。可用在此所述的隔离材料进行该过程。然后获得并存储第二个试样的响应(355，说明于图3E)(步骤347)。
接着在步骤348，在第三个样品中混合第一个和第二个分析物。优选地，第一个和第二个分析物以0.5x浓度(在所说明的实施例中每个是3mg/ml)进行混合，以保持相同的分析物总浓度(相对于测量的第一个和第二个样品)。然后把第三个样品提供到检测区域，获得响应并存储(步骤349)。可选择地，可在/接近检测区域引入和混合两个分析物(例如利用上述的停流系统)，以便实时监测信号响应的变化。
通过比较缓冲液基线响应、第一个试样响应353、第二个试样响应355和第三个试样响应(357或359)，来检测在第一个和第二个分析物之间发生的结合事件。
图3E说明基线缓冲液响应351、第一个试样响应353、第二个试样响应355的实施例，和第三个样品信号响应的两个可能的实施例357(相应于第一个和第二个分析物之间的非束缚条件)和359(相应于第一个和第二个分析物之间的束缚条件)。正如从轨迹353、355和357可以看到的，当在第三个试样中两个分析物未结合时，第三个试样响应357基本上是在第一个试样响应353和第二个试样响应355之间的平均值。当在第三个试样中第一个和第二个分析物结合时，响应359在振幅和频率(以及相位)上可与两个试样的平均值区别开来。
可对试验系统预编程序从而计算平均响应(假定已知第一和第二试样响应)，计算在计算响应和测量试样响应之间的差异，并根据这种差异确定结合是否已经发生(计算的响应和测量的响应越是紧密相关，结合越是可能没有发生)。在一个特定实施例中，围绕两个响应的计算平均值计算了预定的振幅和频率窗口。测量的响应发生在预定振幅/频率窗口之外表示结合，而测量的响应发生在窗口内则是结合的征兆。在1GHz时的振幅/频率窗口范围，振幅是0.1dB、0.3dB、0.5dB、1dB、3dB、5dB、10dB，频率是0.1KHz、0.5KHz、1KHz、3KHz、5KHz、10KHz、30KHz、50KHz、100KHz、1MHz、3MHz、10MHz和100MHz(或其间的任何范围)。前述频率可依据更高或更低的fres频率进行相应改变。例如，对10MHz下的fres来说，预定/预编程序的频率范围可从10Hz至1MHz(或其间的任何范围)。
在图3D所述过程的可选择的另一个实施例中，步骤345的测量步骤包括重新调节调谐元件233，以使探针在存在第一个试样时调谐到共振响应。接着可存储该响应，并从第二个试样测量结果347和/或组合的试样测量结果349中算术上减去该响应。
图3F说明另一种在包含两个分析物的样品中检测分子结合事件的方法。该方法非常类似于图3D说明的方法，不同的是在步骤367第一个和第二个分析物是以1x浓度(即，每个是6mg/ml)在第三个样品中进行混合。
在该实施例中，通过分析共振频率的位移可检测结合不存在。特别是，在第三个样品中第一个和第二个分析物之间没有发生结合时，第三个样品的信号响应将呈现一个共振频率，该共振频率基本上是fres加上第一个和第二个样品响应的共振频率点变化的总和。第一、第二和第三样品响应的实施例如图3G所示。当结合发生时，第三个样品的共振频率响应将明显不同于图3G中的共振频率总和。从测量的第一个和第二个样品响应可以计算如上述的振幅/频率窗口。发生在预定窗口内的信号响应将表明在两个分析物之间没有发生结合。
上面已经描述了分析物的检测和识别，即利用共振探针监测探针的共振信号响应的变化。在高频电路和系统领域的技术人员了解可利用非共振探针(其中的一个实施例示于图2E)来检测和识别分析物。该过程非常类似于图3B和3D中说明的步骤，不同点在于该过程将在一个很广的频率范围内获得基线响应和试样响应，通常的数量级是几百MHz或GHz。较宽的频带响应具有下述优点可在广泛的频率范围内询问样品的介电性能，这引起信号响应在广泛的频率范围内具有明显的变化。测量响应的明显变化可用来指示在试样内一个分子事件正在发生。此外，一旦信号响应与分子事件有关，在其后试验的未知样品中，该响应可用来识别特定的分子事件。图4A说明分子检测系统的另一个实施例，该系统包括一个时域测量系统400。系统400包括一个脉冲信号源410和一个检测器412，检测器412通过信号路径如同轴线、传输线或其他传输媒质420与检测器组件耦合。可利用额外的脉冲源和检测器来提供完整的两口测量能力。在一个具体的实施例中，脉冲信号源410和检测器412是结合在时域反射计系统内，如型号11801，由Beaverton的TektronixCorporation公司制造(俄勒冈州)。可选择使用其他高频测量系统，如具有时域测量方式的网络分析器。
在时域测量过程中，一个由脉冲组成的入射信号422被制造出来，并沿传输线420发射到检测器组件100。在一个实施例中，脉冲由方形波器组成，虽然在根据本发明的其他可能的实施例中可使用其他脉冲形式。溶液中分子的(一个或多个分子)介电性能将使一部分入射脉冲反射到检测器412。反射信号424将具有独特的形状和/或时间延迟，这正是是分子介电性能的特征。因而，反射信号424的脉冲形状和延迟可用来表征和识别溶液中的分子。时域试验系统400可独自地或与标量或矢量网络分析器一起用来识别溶液中一个或多个未知的分子。
正如在本领域所熟知的，分子的介电驰豫频率是当电场施加到分子上时，分子水平上介电性能变化的速率。与分子介电性能的情况一样，介电驰豫频率主要是由每个分子独有的结构和结合几何形状所决定的。因而一旦测定，分子的介电驰豫频率即可用来识别分子。
可通过测量分析物在频率范围内吸收功率的速率来确定介电驰豫频率。图4B说明系统450'进行这种类型测量的一个实施例。系统450类似于在图2A中说明的时域测量系统450，它包括一个脉冲信号源460和一个检测器462，检测器462与检测器组件100耦合。可利用额外的脉冲源和检测器来提供完整的二端对测量能力。在一个具体实施例中，测量系统450包括一个如上述的时域反射计，在此的输入信号由可调脉冲间隔的脉冲列组成。本领域技术人员会理解，在根据本发明的其他可能的实施例中可使用其他仪器，这些仪器能够产生类似的脉冲列并能够检测它们相应的合成信号。
入射信号480由独立的脉冲组482和484组成，每个组具有两个或更多的入射脉冲和不同的脉冲间隔。脉冲组482和484沿传输线发射到检测区域155。如果脉冲组482的脉冲间隔基本等于分析物的介电驰豫周期(驰豫频率的倒数)，则在后继的脉冲中分析物将连续吸收较少的能量。反射响应490中的信号吸收降低可通过检测器462测得。作为一种可选择的测量量，剩余的信号功率也可以在检测器462测量。
然后对信号吸收的变化速率和变化发生的脉冲间隔作图，并用它们表征和识别未知的分析物和/或涉及到该分析物的结合事件。这种系统表征可独立使用或与上述时域和/或频域试验系统一道使用。
在所有上述系统中，本领域技术人员将容易了解到，利用如微波单片集成电路(MMIC)和类似技术，这类系统可按比例缩小到芯片水平。这类小型化系统可容易扩展到高度平行的系统，这些系统可同时检测和测量成百上千或上万的化合物。这些系统可被设计产生“逻辑门”，这些逻辑门由结合事件本身进行开关，如通过改变特性阻抗来改变透射系数和/或反射系数，或通过变化这种电路的带通性能，并利用它作为开/关门。V.示范性应用利用上述系统和方法，本发明可用于各种应用场合。在其中的一个方面，本发明可用于识别亚结构或在初级结合阶段涉及分析物(如蛋白质)的结合事件。在校准相位，可以确定和存储大量已知蛋白质的响应。把未知蛋白质引入到检测区域后，可以测量系统的介电性能，并且用信号的介电性能来识别蛋白质的性能。因为存储了每个蛋白质的指纹响应，未知响应可与存储的响应比较，模式识别则可用来识别未知的蛋白质。
在另一个实施例中，本发明可以以平行测试形式来实施。该装置有多个可寻址通道，其中每个可独立地被询问。把一个样品或多个样品传送到装置后，测量和表征在每个位置的响应。例如，这种类型的装置可用来测量和/或识别在试样中特定核酸序列的存在，方法是把一个独特的核酸序列(作为抗配体)连接到检测区域或其一部分。一旦暴露于试样，互补序列将结合到适当的部位。在每个位置的响应将表明一个序列是否已经结合。这类测量也将表明结合序列是与抗配体序列的理想匹配还是有一个或更多的错配。该实施例也可用来识别蛋白质和蛋白质的种类。
在另一个实施例中，本发明可用来产生标准曲线或滴定曲线，接下来它们可用于确定特定分析物的未知浓度或配体结合曲线。例如，一种抗体可被连接到检测区域。该装置可用于几种不同浓度的分析物并测量每个浓度的响应。对本领域技术人员而言，这类曲线也称作剂量响应曲线。一种未知试样可应用于该装置并测量响应。其响应可与标准曲线比较以确定在未知试样中分析物的浓度。类似地，可比较不同配体的结合曲线，以确定对特定蛋白质或其他分子的结合而言，几种不同配体中的哪一种配体具有最高的(或最低的)亲合常数。
在另一个实施例中，本发明可用于内部自校准由于老化和其他稳定性问题所引起的损耗。例如，对于抗体-抗原系统，本发明使人们能够测量试样中活性抗体的数量，方法是在暴露于未知活性的试样前测量初级响应。比较这些响应从而确定残余的活性抗体的数量。
检测器组件可用来提供试样许多性能的信息，如分子结合事件的检测和识别、分析物浓度、块状试样的介电性能变化和检测的结合事件的分类等。此外，检测器组件包括自校准能力，该能力在使用点(point-of-use)质量控制和保证方面是有用的。下面将进一步描述这些方法和能力。基于所述方法和结构，改装和增加使用对本领域技术人员来说是显而易见的。检测分子结构本发明可在检测系统的检测区域155检测分子结构或分子结合事件的存在。可检测的结合事件包括初级、二级和更高级的结合事件。例如，混合两个试验溶液可导致检测在配体/抗配体对之间的结合。例如，提供一种溶液，该溶液含有目标分子(subiect molecule)或分子结构。一个测试信号沿信号路径传播。可选择地，可在混合操作期间或混合操作以后的短时间内发射测试信号，以便实时观察由于结合事件而发生的信号响应。测试信号被复原，其响应表明分析物、亚结构或结合事件的检测。
试样的介电性能可促使引起任何数目的信号响应，其中的每一个信号响应可以是分子结合的征兆。例如，试样的色散性质随频率剧烈变化。在这种情况下，当分子事件在检测区域发生时，测试信号响应将随频率在振幅和/或相位响应上呈现出较大的变化，由此提供了一种在混合试样后检测分子结合事件或其他与时间有关的事件的方法。
在另一个实施例中，在检测区域试样的介电驰豫性能将随输入信号的脉冲周期而变化。在这种情况下，测试信号响应表示出，在一个特定脉冲周期或其附近功率吸收数量的变化，或者某些其他测试信号参数的变化，如相位或振幅。通过观察吸收功率或其他参数的变化，则可以检测结合事件。其他参数，如特性阻抗、传播速度、振幅、相位、色散、损耗、电容率、灵敏度、频率和介电常数也是分子存在或结合事件的可能的指示参数。在变化被检测分子结构的环境的过程中(如pH或离子强度的变化)，通过测量信号(如上述参数的信号)也可以获得关于分子性能的重要信息。
上述方法可用来检测抗配体和配体的初级结合。相似地，该过程也可用来检测配体和抗配体的二级结合。该方法并不限于检测沿信号路径发生的初级或二级结合事件。事实上，利用这种方法也可以检测在信号路径上或悬浮在溶液中发生的三级和更高级结合事件。
例如，如本文所述，首先检测初级结合事件并测量信号响应。其次存储初级结合事件信号响应并用来作为基线响应。接下来把第二个分子溶液加到测定装置。重复检测步骤以获得第二个信号响应。然后比较第二个信号响应和基线响应。如果很少或没有任何变化表示两个信号响应非常接近，则表明在新溶液内加入分子并没有改变试样的结构和介电性能。在这种情况下，二级结合并没有显著发生。如果该比较超过预定范围的变化，那么试样的结构和/或介电性能已经改变，由此表明发生了二级结合事件。可用来指示二级结合事件的参数相应于前述参数，例如，振幅、相位、频率、色散、损耗、电容率、灵敏度、阻抗、传播速度、介电常数以及其他因素。用这种方法可检测三级或更高级结合事件。
一种可选择的检测二级或更高级结合事件的方法不需要具备关于特定初级结合事件的先前知识。在这个实施例中，测定装置被设计用在测定发展阶段对已知参数进行运算，所以，当检测到这些参数之一的预定变化时，例如在使用点，就知道某个或多个结合事件已经发生。在这个实施例中，无需对初级结合事件进行预测量，因为在制造或设计时已经完成初始表征。
通过检测初级分子结构的结构变化也可以获知二级结合事件。分子结合时，会经受构象变化或其他分子结构变化(与其非结合状态相比较)。这些变化会影响初级结合分子的介电性能并引起周围溶液的变化，这些变化可以通过前述方法检测到。用于监测并表示初级结合分子介电性能变化的参数包括前述参数，例如，振幅、相位、频率、色散、损耗、电容率、灵敏度、阻抗、传播速度和介电常数以及其他因素。检测试样介电性能的变化在此描述的检测系统也可以用来测量由于温度、pH、离子强度等的变化而引起的试样介电性能的变化。该过程非常类似于披露的识别结合事件的方法，不同之处在于该方法便于检测和量化试样介电性能的变化而与结合事件无关。
把该过程(当溶液具有一个初始介电性能)加到检测器组件中。如先前所述，测量和记录信号响应。在预定时间或操作后，进行第二个测量并记录第二个信号响应。然后比较第一个和第二个信号以确定两个信号是否在预定范围内相关。如果是如此，则认为溶液的性能没有发生任何介电性能变化。
如果在预定范围内信号响应不相关，那么至少溶液的介电性能已经发生变化。非必选地，可以量化介电性能的变化。例如，存储第二个信号并将其与一个已知的信号响应相关联。最紧密相关的响应将识别溶液的介电性能，第一个信号响应可与介电性能的初始值相关，其差异则可用来确定识别的介电性能已经改变的量。识别分子结构利用所描述的检测器组件，可表征一个已知的分析物，并且接下来可以在含有一个未知分析物成分的溶液中识别它。例如，大量的分子结构和/或亚结构可以通过利用一个或更多的检测系统(将在下文说明)来检测，其响应也会被存储。每个存储的响应将对应存在于溶液中的单个结构/亚结构或存在于相同溶液中的多重结构/亚结构。接下来，对一个未知溶液进行测量。然后，将溶液的信号响应与存储的信号响应进行比较，从而据此确定相关的程度。未知分子结构的识别可以通过选择与未知响应最紧密相关的存储响应来实现。可利用一个或更多数据点来进行比较从而确定一个或更多存储的响应之间的相关性，并且可涉及到使用模式识别软件或类似的方法来确定这种相关性。该过程可用来识别单个结构/亚结构，以及初级、二级或更高级的结合分子结构。识别分子结构的种类可以表征已知分子亚结构，如区域结构或其他结构同源性(类似种类的蛋白质所共有的)或核酸中的序列同源性。在一个实施例中，除了测量许多分子亚结构和存储它们的响应之外，该过程的进行如D部分的最上面所示。每个存储的信号响应将对应于一个或更多亚结构。该过程继续进行直到已经检测和表征足够数量的结构来识别未知的化合物。一旦具有了足够数量的相关性，接下来就可能对未知分子结构进行分类了。
还有其他一些可对未知分析物进行分类的过程。一种过程是通过检测与未知化合物的结构主体(structural motifs)的结合来识别未知分析物。首先，需要提供一个检测器组件，该装置具有多重可寻址平行通道，其中每个通道具有一种与特定的配体亚结构相对应的抗配体，该抗配体被限制在检测区域中。其次，通过每个特定亚结构与其相应的抗配体的结合和其后的表征来检测特定亚结构的存在。在一个实施例中，该步骤是如上述进行的，但也可以有其他改变。接着，通过特性识别如亲合力、动力学和谱响应，来表征每个结合事件。然后，在已知和未知响应之间进行相关性比较。如果每个未知响应与已知响应相关，那么该配体被确认为是对应于已知响应的配体。如果亚结构呈现出相关的和不相关的响应，那么相关的响应可用来实现对未知配体的更普遍的分类。该过程可用来识别任何分子结构(如蛋白质)，这些结构存在于相同种类中或者这些结构具有重复出现的结构同源性。
对给定未知化合物进行深入的光谱分析也可能实现对其结构和功能的理解，因为通过与已知结构进行比较，并使用归纳方法将会实现一定程度的分类。特异性对非特异性结合借助于结合事件的光谱指纹可把特异性结合与非特异性结合区别开来。事实上，任何两个结合事件，如一个分子结构在独立的环境下与两个相似但不同的分子配对物的结合，通常都可以借助于它们的光谱指纹来区分。例如，可在纯净的溶液中(只含有感兴趣的配体和对该配体具有特异性的抗配体)首先表征一个给定的感兴趣的结合事件，如抗体与抗原的结合。然后进行广谱研究以了解在光谱中何时出现最强的响应。接下来该测定在专门应用时通常使用的溶液(如全血)中重复进行，由此来确定非特异性结合对响应有何影响。随之会发现不同的点(这些点是特异性结合确定的)，和发现与之分开的另一组点(这些点是非特异性结合确定的)，选择这些频率点的子集以供实际测定之用。通过比较特异性结合引起的响应和非特异性结合引起的响应，则可以确定特异性结合的程度。给定分析物的表征经常需要确定给定分子的某些特性。例子包括确定一种蛋白质所属的种类、或者给定基因、或其他核酸序列是哪一种类型的多态现象。这可以用许多方法来完成。蛋白质的分类经常是借助于结构同源性、或特定亚结构的数目和类型，其中特定亚结构存在于相同或类似种类的蛋白质中。例如，G蛋白总有一个通过细胞膜7次的结构，G蛋白通常存在于细胞膜中，其作用是调节细胞外环境和细胞内环境之间的信号转导路径。这样的结构实质上是由G蛋白决定的。其他种类的蛋白质具有相似的结构同源性，因此，任何基于这些同源性能把一类蛋白质与另一类蛋白质区别开来的方法在许多生物医学研究领域具有重要用途。假定给定分子的介电性能是由分子电荷分布的几何构型决定的，还假定大多数蛋白质具有独特的结构或几何构型，那么每种蛋白质可唯一地通过测量蛋白质的介电性能来确定。因而一种简单的介电特性，如本发明产生的一些特性，可用来唯一地识别给定的蛋白质，而且可以使蛋白质的分类扩展到一些先前已知种类的蛋白质。对分类方法可以进一步改进，方法是在检测装置上利用一组抗配体，这些抗配体对给定蛋白质的特定亚结构是特异性的。例如，一组对特定亚结构是特异性的抗体，如区域结构，可用来确定亚结构是否存在。因而，通过确定某些亚结构是否存在以及蛋白质本身的介电性能，可表征任何给定的蛋白质。对这种分类方法的进一步改进可以包括考察温度、pH、离子强度以及对上述性质具有影响的的其他环境效应。
通过效仿一个类似的范例也可以对核酸进行表征。例如，可以知道一给定基因具有一定的碱基对序列。事实上，在这种序列中时常有较小的变化。例如，在为许多细胞膜中的氯离子转运通道编码的基因中有常见的单碱基对突变、或发生变化。这类变化导致的人体疾病被称作囊肿性纤维化。因此表征关于具有较小变化的给定核酸序列具有非常大的重要性。这类变化经常称为多态性，目前对这种多态性的检测是通过对每个已知的多态性形成互补链。因为任何给定基因可以是几百种或甚至上千种多态性的任何一种形式，因而为每个多态性产生互补链经常是一项艰巨的任务。利用在此描述的发明，通过测量许多类似前段述及的物理性能，则可以检测和区别非互补结合或杂交。可以表征杂交事件的介电性能并与已知数据相连系，由此确定已经发生的杂交类型完全的或不完全的。因而用一种抗配体(由一给定核酸序列组成)，通过表征结合事件，可以检测几百种不同的多态性(作为配体)。本领域技术人员能够理解进一步的改进是可能的，如改善严格条件从而改变杂交过程，或变化温度和确定熔点，熔点是另一个可以显示杂交过程特性的指示特征。
以一种相似的方式，可以表征药物-受体相互作用，从而确定是否一给定结合事件导致受体被打开或关闭，或某个其他形式的变构效应。例如，一给定受体可用来作为一种抗配体，一已知兴奋剂可用来作为第一个配体。然后根据介电响应表征其相互作用，并保存介电响应。接着，观察正被筛选作为候选药物的化合物与受体的结合性能。然后发现一种结合并产生类似介电响应的分子，该分子对受体具有与已知兴奋剂类似的效应，因而它更有可能是一种兴奋剂。该范例可用来表征实际上任何类型的感兴趣的靶-受体结合事件，并且是对现行检测方法(它们仅确定一种结合事件是否发生)的巨大改进。本领域技术人员容易理解本发明可应用于许多其他种类的结合事件。
在上述方法中可以采用的亚结构的例子包括蛋白质二级和三级结构如α螺旋、β片层、三股螺旋、结构区域、桶状结构(barrelstructures)、β转角，和在四级结构中发现的各种对称群如C2对称、C3对称、C4对称、D2对称、立方对称和二十面体对称。[G.Rose(1979)，在球状蛋白质中结构区域的等级组织(“HeirarchicOrganization of Domains in Globular Proteins”)，J.Mol.Biol.134447-470]可以分析的核酸的亚结构包括序列同源性和序列多态、DNA的A、B和Z形式、单链形式和双链形式、超螺旋形式、反密码环、D环和tRNA中TΨC环，以及不同种类的tRNA分子。[W.Saenger(1984) 《(核酸结构原理)》(“Principles of Nucleic AcidStructure”)，纽约，Springer-Verlag；P.Schimmel，D.Soil和J.Abelson(编辑)(1979)《(转移RNA》》(“Transfer RNA”)，纽约，Cold SpringHarbor Laboratory Press，Cold Spring Harbor]定量测定浓度在此描述的检测器组件也可用来测定分析物的浓度。在这种过程的一个实施例中(其中装置没有预校准)，首先选择对测量的分析物具有适当结合性能的抗配体，如结合亲合力或动力学。选择这些性质，使得抗配体的平衡常数是靠近其线性操作范围的中心。当对使用单个抗配体而言浓度范围太宽时，可以使用具有不同亲合力和/或线性操作范围的几种抗配体，由此在更广泛的范围内获得浓度值。
接着，把抗配体加到检测器组件或加到检测器组件芯片，并且该装置与测量系统连接。然后就响应是否需要表征最大特异性作出决定。如果需要表征，则进行光谱分析，光谱分析要确定分析物结合对信号具有最大效应的频率或多个频率；非特异性结合具有最大效应的区域和分析物结合引起的响应。如果无需表征，或上述步骤之后，对装置进行校准。在一个实施例中，该过程是这样进行的把已知浓度的配体供给到检测器组件并测量产生的响应。此外，如果校准需要更多的数据点，那么可选择不同浓度的一个试样，并可针对该浓度测量响应。接下来，将记录的前面响应的校准点外推。然后测量未知分析物浓度的试样。在一个实施例中，该步骤是这样完成的把未知试样供给到检测器组件，把响应和滴定算法联系起来，并由此确定分析物浓度。
如果给定检测器组件是预校准或设计校准，那么仅需要的步骤是混合结合对和测量响应。这样的一种检测器组件可用许多不同的方法来实现。例如，某个电路参数(如，一个共振电路的阻抗或特征频率)可设计成当结合事件发生时以预定的方式进行变化，并且参数变化的数量可进一步设计成具有剂量响应。因而，当通过适当的算法进行分析时，电路参数的测量将立即产生给定分析物或配体的定量的浓度值。检测器组件的自校准检测器组件具有自诊断能力，因而具有使用点质量控制和保证的能力。对一给定专门应用而言，特定抗配体(初级结合产物)将作为溶液中某个感兴趣的配体(二级结合产物)的抗配体。初级结合产物可连接在制备点，而二级结合产物则可连接在使用点。因而，制备上的变化(特别是初级产物的连接)将引起装置与其特定性配体结合能力的变化。然而，结合配体的数量将与结合抗配体的数量成正比，因而两者的比率测定(ratiometic measurement)是可能的。
在该过程的一个实施例中，通过结合各种浓度的适当抗体、表征每种浓度形成的响应并为每种浓度产生某个值“x”，沿信号路径形成一个分子结合表面。接下来，通过测量几种不同浓度配体的抗体/配体结合响应，配体产生一个相似的滴定曲线，即一个预定的配体滴定曲线。然后，通过计算抗体结合响应和配体结合响应的比率，获得一个比例因数A。在使用点，首先探查未校准测定以确定结合抗体“x”的数量和由此产生的比例因数“y”。然后配体被用于测定并测量响应，该响应和预先确定的滴定曲线用比例因数“y”进行换算，从而确定未知浓度。
该过程也可进行改进以便于测定在溶液中结合的数量。在这种改进中，检测器组件的结合表面包括具有预定亲合力和配体特异性的抗配体。接着把溶液加到装置中并测量响应。信号响应将与结合的配体数量成正比。因而，通过选择具有适当线性操作范围的抗配体就可以进行任何给定配体的滴定，适当线性操作范围是指平衡常数存在于所需要的待检测浓度范围的两个对数单位之内的范围。与上述相同的比率分析可用来进行可靠的和精确的定量测定，这种测定具有必要的内部控制和校准从而确保可靠性。VI.软件工具在此描述的每种测量和检测方法可用许多不同的方法(即，软件、硬件或二者结合)和在各种系统中实施。在一个实施例中，所述方法可以通过软件程序进行实施。
图5A是计算机系统510的简化方框图，该计算机系统可执行设计用来实施每一种所述方法的软件程序。该计算机系统500包括显示器514、屏幕512、机箱518和键盘534。也可以包括鼠标(未示出)、光笔或其他输入/输出接口，如虚拟现实接口(virtual realityinterface)，从而提供输入/输出指令。机箱518装有CD-ROM驱动器516、硬盘驱动器(未示出)或其他数据存储介质(可用来存储和检索数字数据以及结合本发明的软件程序)等。虽然CD-ROM驱动器516是当作可移动介质示出的，但也可以使用其他可移动有形介质，包括软盘、磁带和闪存。机箱518也装有常见的计算机部件(未示出)，如处理器、存储器等。
图5B说明计算机系统510的内部构造。计算机系统510包括显示器514，显示器514非必选地与输入/输出控制器524互相作用。计算机系统510进一步包括子系统，如系统存储器526、中央处理器528、扬声器530、可移动磁盘532、键盘534、固定磁盘536和网络接口538。其他适用于所述方法的计算机系统可包括额外的或更少的子系统。例如，另一种计算机系统可包括一个以上的处理器528(即，多处理器系统)来处理数字数据。箭头(如540)代表计算机系统510的系统总线结构。但是，这些箭头540说明的是连接子系统的任何内连线路。例如，可使用局部总线把中央处理器528和主存储器526连接起来。图6所示的计算机系统510仅是适用于本发明的计算机系统的一个例子。其他适用于本发明的子系统的设计对本领域技术人员来说是显而易见的。VII.实验利用本发明的系统和方法，进行了一些实验以检测和识别在转运介质中的分析物。图6A说明使用的分子检测系统，图6B至6F则说明测量结果。
图6A说明在下述实验中使用的分子检测系统，它包括矢量网络分析器，型号为HP 8714，可从Agilent Technologies公司获得(以前为Hewlett Packard Corporation公司)；计算机；测量探针(包括一个有槽的覆盖片，通过有槽覆盖片则形成检测区域)；和一定长度的聚四氟乙烯管(伊利诺斯州Vernon Hills的Cole-ParmerInstrument Company公司)，它作为把转运介质和试样输送到测量探针的检测区域的流体通道。实验中使用了在图2A中说明的共振探针230。设计共振探针的fdes是1GHz，而在装配到流体通道(聚四氟乙烯管)，并在流体通道中有缓冲溶液的情况下所表现的fres是大约1.163GHz。
计算机执行Labview软件来控制网络分析器的操作并显示和存储由此形成的数据。使用了在上面图2A中描述和说明的同轴型测量探针。聚四氟乙烯管(内径0.031″、外径0.063″、壁厚0.016″)是通过测量探针的检测区域进行放置并用有槽的顶盖固定，有槽的顶盖被拧进测量探针架。管道从测量探针在两个方向延伸。管道的一端与注射器泵(未示出)相连，而另一端则浸泡在待分析的流体试样中。注射器泵提供负压力，该负压力被用来吸引试样通过管子和流过检测区域。在下述实验中，在试样流过检测区域155的同时，测量了各种试样的频谱。用大约0.05mL/min的速率吸入流体的注射器泵，把不同的流体试样引入管道中的方法如下从第一个试样移开管道的末端，等待约1秒钟后引入约1厘米长的空气隙，最后把管子的末端放入第二个试样中。空气隙是用来阻止两个试样在管子中混合。当流体在检测区域保持静止(即，注射器泵被关闭)时或当上述管道用更小内径的管道代替时(如聚四氟乙烯管，内径0.020″、外径0.063″、壁厚0.021″)进行测量，获得了类似的结果。
在图6B至6H所示的实验中使用的分析物是碳酸酐酶II(CA，牛)、血纤蛋白原(I-S型，牛)、溶菌酶(蛋清)、胃蛋白酶(猪胃粘膜)、铁蛋白(I型，马脾)、牛血清白蛋白(BSA)、水(18兆欧)、十二烷基硫酸钠(SDS)。转运介质为磷酸转运介质盐溶液(PBS，pH值为7.4)，购自Sigma公司(密苏里州St.Louis)。磷酸钠一价碱和磷酸钠二价碱购自EM Science公司(Gibbstown，NJ)。磷酸盐缓冲盐水转运介质购买后直接使用，25mM磷酸钠转运介质(pH值为7.8)是在使用前用水(优选18兆欧)制备而成。1.0％(w/w)的碳酸酐酶、血纤蛋白原、溶菌酶、牛血清白蛋白和胃蛋白酶溶液使用前在25mM磷酸钠转运介质(pH值为7.8)中制备而成。1.0％(w/w)的铁蛋白和5％(w/w)的十二烷基硫酸钠溶液是在使用前在磷酸盐缓冲盐水中制备而成。
在第一个实验中，磷酸盐缓冲盐水转运介质被引入管中并输送到检测区域，在检测区域进行S11(回波损耗)测量。接着，铁蛋白试样(1％w/w，在磷酸盐缓冲盐水中)被输送到检测区域并进行第二个S11测量。铁蛋白测量进行四次以表明测量可重复性。磷酸盐缓冲盐水溶液的S11响应和四次铁蛋白响应在图6B(幅度，单位是dB)和图6C(相位，单位是度)中说明。
如图6B所说明的，与磷酸盐缓冲盐水溶液有关的S11响应的数值在1.163GHz处有一个深零位(-60dB)。从图6B还可以观察到磷酸盐缓冲盐水和铁蛋白S11响应之间的差异。特别是，与磷酸盐缓冲盐水响应相比，铁蛋白S11响应说明发生频移和较少明显的零位。如上述过程所述，两种差异之一或全部都可以作为参数来检测分析物的存在。此外，如上述过程所述，可存储铁蛋白S11响应(幅度和/或相位)并作为识别特征来识别在另一个试样中的未知分析物。
图6C进一步说明在频率范围内磷酸盐缓冲盐水和铁蛋白S11响应之间在数值上的差异。在其最大点，差异接近20dB，该数值足够大，能够表明在试样中分析物的存在。进一步可观察到在铁蛋白测量结果之间较小的测量结果变化，它表明了测量具有高度可重复性和稳急定性。
图6D说明磷酸盐缓冲盐水和铁蛋白样品的S11响应的相位，而图6E则说明其间的差异。与铁蛋白样品测量结果可重复性是明显一样，在磷酸盐缓冲盐水和铁蛋白测量结果之间的相位差异也是明显的。因此，根据上述过程，相位信息也可作为参数来检测溶液中的分析物。
其次，上述分子检测系统用来说明不同分析物的检测。图6F和图6G说明6种分析物的S11测量结果(幅度和相位)碳酸酐酶、血纤蛋白原、溶菌酶、牛血清白蛋白、胃蛋白酶和转运介质(25mM磷酸钠转运介质，pH为7.8)。正如可以看到的，每种分析物提供了一种不同的和可识别的信号响应，因而，如本文所述，可检测和识别试样中的每一个分析物。
图6H说明利用上述系统获得的5种氯化钠溶液的S11响应(振幅)。溶液的制备是通过对1.0M储备溶液的连续稀释；所有溶液都用去离子水制备而成。通过前述的管道装置，把流体样品引入到同轴共振装置的检测区域。首先，把去离子水引入到共振探针的顶部，共振探针的fdes为1.2GHz。接着把探针调谐到所说明的fres以达到数值为-65dB的反射测量。然后引入每一种氯化钠溶液并记录信号响应。正如图6H所说明的，试验系统能够把0.10mM氯化钠溶液和去离子水区别开来。
图6I和6J说明在检测特异性分子结合事件时形成的S11信号响应，检测是利用根据本发明的图3D所示的方法(采用在1/2x处的等重量浓度)。图6I说明变性人血清白蛋白、羟甲叔丁肾上腺素和非结合混合物的信号响应，而图6J说明天然人血清白蛋白、羟甲叔丁肾上腺素和天然人血清白蛋白与羟甲叔丁肾上腺素的结合混合物的信号响应。每个测量的响应具有一个振幅共振(最小振幅点)和一个频率共振(一个频率，在该频率测得最小振幅)，描述如下。
人血清白蛋白(HSA)和羟甲叔丁肾上腺素(SAL)是从AldrichChemical Company公司(威斯康星州，Milwaukee)获得。磷酸盐缓冲盐水(PBS)是从Life Technologies公司(纽约Grand Island)获得。羟甲叔丁肾上腺素的储备溶液是在1x磷酸盐缓冲盐水(PH值7.2)(浓度为50μM)中制备而成。人血清白蛋白的储备溶液是在1x磷酸盐缓冲盐水(PH值7.2)(浓度为50μM)中制备而成。50μM的人血清白蛋白在60℃下的1x磷酸盐缓冲盐水缓冲液中变性15分钟。在实验前，用等体积的50μM羟甲叔丁肾上腺素，预培养新制备的50μM人血清白蛋白(天然的和变性的)10分钟。获得了50μM人血清白蛋白(天然的和变性的)1x磷酸盐缓冲盐水(PH值7.2)溶液、含有50μM羟甲叔丁肾上腺素1x磷酸盐缓冲盐水(PH值7.2)溶液和等体积混合物溶液(最终形成浓度为25μM人血清白蛋白和25μM羟甲叔丁肾上腺素1x磷酸盐缓冲盐水(PH值7.2)溶液)的信号响应。信号响应是在室温下利用型号8714矢量网络分析器获得，该分析器来自Agilent Technologies公司(加利福尼亚州PaloAlto)。采用fdes为1.2GHz的共振同轴探针作为测量探针。
参看图6I，缓冲液响应的fdes大约是在1232.86MHz，大约在-62dB达到振幅共振。羟甲叔丁肾上腺素溶液的共振振幅稍微增加(到-60dB)，而共振频率的变化则可忽略。变性人血清白蛋白溶液的振幅降低到-73dB，而频率则从缓冲液的fres偏移大约+3.5KHz。混合物的频率共振从缓冲液的fres偏移大约+1.9KHz，振幅为大约-67dB。正如可以看到的，非结合信号响应的振幅和频率共振大约是在变性人血清白蛋白和羟甲叔丁肾上腺素响应之间的平均值。
比较参看图6J，缓冲液和羟甲叔丁肾上腺素的响应和图6I中响应一样。天然人血清白蛋白的频率共振从缓冲液的fres偏移大约+2.3KHz，测得的振幅共振为-55dB。结合混合物从缓冲液的fres频移大约+0.7KHz，而振幅共振为-53dB，这些数量明显地可与羟甲叔丁肾上腺素和天然人血清白蛋白响应的平均值区别开来。
图6K和6L说明在检测特异性分子结合事件时获得的S11信号响应，检测是利用根据本发明的图3F的方法(在结合混合物中采用等体积1x浓度)。图6K说明变性人血清白蛋白、羟甲叔丁肾上腺素和非结合混合物的信号响应，而图6L说明天然人血清白蛋白、羟甲叔丁肾上腺素和天然人血清白蛋白与羟甲叔丁肾上腺素的结合混合物的信号响应。每个测量的响应呈现出一个振幅共振(最小振幅点)和一个频率共振(一种频率，在该频率测得最小振幅)，描述如下。
羟甲叔丁肾上腺素和人血清白蛋白的储备溶液是在1x磷酸盐缓冲盐水(PH7.2)(浓度为200μM)中制备而成。最终浓度为200μM的人血清白蛋白在1x磷酸盐缓冲盐水缓冲液中变性过夜，其中PH值调节到2.73。在结合实验前，通过膜过滤，把磷酸盐缓冲盐水缓冲液迅速改变到PH7.2。用最终浓度为100μM的羟甲叔丁肾上腺素，预保温新制备成的最终浓度为100μM的人血清白蛋白10分钟。获得了100μM人血清白蛋白(天然的或变性的)1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)溶液、l00μM羟甲叔丁肾上腺素1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)溶液以及含有100μM人血清白蛋白和100μM羟甲叔丁肾上腺素的1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)溶液的信号响应。信号响应是在室温下利用型号8714矢量网络分析器获得，该分析器来自Agilent Technologies公司(Palo Alto，加利福尼亚)。采用fdes为1.2GHz的共振同轴探针作为测量探针。
参看图6K，缓冲液响应的fres大约是在1232.82MHz，大约在-62dB达到振幅共振。羟甲叔丁肾上腺素溶液的共振振幅稍微增加(到-60dB)，而共振频率的变化则可忽略。变性人血清白蛋白溶液的振幅降低到-87dB，而频率则从缓冲液的fres偏移大约+7.2KHz。非结合混合物的频率共振从缓冲液的fres偏移大约+7.2KHz，振幅为大约-63dB。正如可以看到的，非结合信号响应的频率共振(fres+7.2KHz)约等于fres加上由于羟甲叔丁肾上腺素(约0Hz)和人血清白蛋白(7.2KHz)的非结合分量所引起的频移之和。
比较参看图6L，缓冲液和羟甲叔丁肾上腺素的响应基本上和图6K中响应一样。天然人血清白蛋白的频率共振从缓冲液的fres偏移大约+6.3KHz，测得的振幅共振为-61dB。结合混合物从缓冲液的fres频移10.8KHz，这明显地是在人血清白蛋白(6.3KHz)和羟甲叔丁肾上腺素(0Hz)共同作用的范围之外。
图6M是根据本发明绘制成的剂量响应曲线。人血清白蛋白是从Aldrich Chemical Company公司(威斯康星州Milwaukee)获得，磷酸盐缓冲盐水是从Life Technologies公司(Grand Island，纽约)获得，16-巯基十六烷酸(C16)(16-mercaptohexadecanoic acid)购自Gateway Chemical Technology公司(密苏里州，St.Louis)。16-巯基十六烷酸的储备溶液是在二甲基亚砜中制备而成，浓度为1mM。人血清白蛋白的储备溶液是在1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)中制备而成，浓度为200μM。人血清白蛋白的最终浓度为10μM，并用最终浓度范围为0.1至1000μM的16-巯基十六烷酸保温10分钟。所有的最终溶液含有5％的二甲基亚砜。获得了含有5％二甲基亚砜的1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)溶液的基线响应。针对各种16-巯基十六烷酸浓度的含有5％二甲基亚砜的1x磷酸盐缓冲盐水(pH7.2)溶液，获得了测得的响应。信号响应是在室温下利用型号8714矢量网络分析器获得，该分析器来自Agilent Technologies公司(Palo Alto，加利福尼亚)。采用fdes为1.2GHz的共振同轴探针作为测量探针。
测量了由人血清白蛋白、16-巯基十六烷酸和人血清白蛋白与各种数量的16-巯基十六烷酸混合物所引起的共振频率的变化，相对于磷酸盐缓冲盐水/5％二甲基亚砜溶液基线响应的fres进行归一化，并对16-巯基十六烷酸的浓度作图。响应(图6M)清楚表明了一条饱和曲线，该饱和曲线对16-巯基十六烷酸而言，具有一个大约50μM的饱和点。
虽然上述是本发明的可能实施例的完整描述，但可以采用各种变换、改进和等同置换。例如，可替换使用其他传输媒质如导电或介电波导管，以及其他流体转运系统。此外，在本申请中包括了引用的所有出版物和专利文件，作为用于任何目的整体参考，其范围与每个独立出版物和专利文件被独立引用的范围一致。特别是，本申请书与下述共有的、正在进行中的申请有关，汇集于此提供整体的参考编号09/243,193，题目是“检测分子结合事件的方法和仪器，，(“Method and Apparatus for Detecting Molecular Binding Events”)，1999年2月1日提出(Atty Dkt号19501-000200US)；编号09/243,196，题目是“检测分子结合事件的方法和仪器，，(“Method and Apparatus for Detecting Molecular Binding Events”)，1999年2月1日提出(Atty Dkt号19501-000300US)；编号09/365,578，题目是“检测分子结合事件的方法和仪器，，(“Method and Apparatus for Detecting Molecular Binding Events”)，1999年8月2日提出(Atty Dkt号19501-000210)；
编号09/365,978，题目是“检测分子结合事件的试验系统和传感器”(“Test Systems and Sensors for Detecting Molecular BindingEvents”)，1999年8月2目提出(Atty Dkt号19501-000500)；编号09/365,581，题目是“核酸分析的方法”(“Methods of NucleicAcid Analysis”)，1999年8月2日提出(Atty Dkt号19501-000600)；编号09/265,580，题目是“分析蛋白质结合事件的方法”(“Methods for Analyzing Protein Binding Events”)，1999年8月2日提出(Atty Dkt号19501-000700)；编号09/480,846，题目是“检测分子结合事件的方法和仪器”(“Method and Apparatus for Derecting Molecular Binding Eyents”)，2000年1月10日提出(Atty Dkt号19501-000310)；编号09/480,315，题目是“检测分子结合事件的方法和仪器”(“Method and Apparatus for Detecting Molecular Binding Events”)，2000年1月10日提出(Atty Dkt号19501-000320)。
权利要求
1.一种用于检测试样中分子事件的分子检测系统，所述系统包括(1)一个流体容器，该流体容器包括一个体积小于1.0mL的检测区域；(2)一个可在高于10MHz和低于1000GHz的频率发射电磁入射测试信号的信号源；(3)一种测量探针，包括(a)一个探针头，具有(i)一个与所述信号源耦合的波导管，或(ii)一根传输线、一个接地面和一个放入所述传输线和所述接地面之间的介质层，其中所述传输线与所述信号源耦合；其中所述探针头被设计成能够把所述入射测试信号电磁耦合于在所述检测区域内的所述试样，所述入射测试信号与所述试样的相互作用产生一个调制测试信号，所述探针头还被设计成能够复原一部分所述调制测试信号；以及(b)一个连接端；以及(4)一个信号检测器，所述信号检测器与所述测量探针的所述连接端耦合并被设计成能够复原所述调制测试信号。
2.根据权利要求1所述的分子检测系统，其中所述信号检测器被设计成能够以足够高的敏感度来检测第一调制测试信号不同于第二调制测试信号，其中所述第一个调制测试信号是当含有0.3μg或更少血纤蛋白原的含水试样存在于所述检测区域所获得，所述第二调制测试信号是当第二个含水试样存在于所述检测区域所获得，除了不含任何血纤蛋白原之外，所述第二个含水试样与所述第一个含水试样相同。
3.根据权利要求1所述的分子检测系统，其中所述探针头与所述检测区域内的所述试样物理分离但电磁耦合。
4.根据权利要求3所述的分子检测系统，其中所述探针头包括同轴传输线的一个开端截面。
5.根据权利要求3所述的分子检测系统，其中所述测量探针包括第一个同轴部分，包括所述探针头和第一个间隙端；第二个同轴部分，包括第二个间隙端和所述连接端；以及一个调谐元件，所述调谐元件可调地连接在所述第一个和第二个间隙端之间并设置成能够在其间提供可变的间隙距离。
6.根据权利要求5所述的分子检测系统，其中所述调谐元件包括一个围绕所述间隙端的空心导电管。
7.根据权利要求1所述的分子检测系统，其中所述信号源和所述信号检测器包括在一个矢量网络分析器系统、一个标量网络分析器系统、或一个时域反射计内。
8.根据权利要求1所述的分子检测系统，其中所述流体容器包括微量滴定板的一个穴。
9.根据权利要求1所述的分子检测系统，其中所述流体容器包括一个通道，所述通道被设计成能够将流体从一个位置输送到另一个位置。
10.根据权利要求9所述的分子检测系统，其中所述流体通道包括一个聚四氟乙烯管的内侧通道。
11.根据权利要求9所述的分子检测系统，其中所述流体容器包括至少一个通道，所述通道在一个微量流控转运系统中。
12.根据权利要求9所述的分子检测系统，还包括一个流体转运系统，所述流体转运系统被设计成能够使流体流过所述通道，其中所述流体转运系统还包括一个流体容器，所述流体容器被设计成能够存储转运流体；以及一个流体控制器，所述流体控制器与所述流体容器和所述流体通道相连，所述流体控制器被设计成能够控制所述转运流体从所述流体容器通过所述流体通道的流速。
13.一种检测含水试样中分子事件的方法，所述方法包括(1)把第一个样品引入流体容器，所述流体容器有一个体积小于1.0mL的检测区域；(2)把大于10MHz和小于1000GHz的测试信号施加到所述检测区域，通过利用(a)一个测量探针，包括(A)一个探针头，具有(i)一个与所述信号源耦合的波导管，或(ii)一根传输线、一个接地面、和一个放入所述传输线和所述接地面之间的介质层，其中所述传输线与所述信号源耦合；其中所述探针头被设计成能够把所述入射测试信号电磁耦合于在所述检测区域内的所述试样，所述入射测试信号与所述试样的相互作用产生一个调制测试信号，所述探针头进一步被设计成能够复原一部分所述调制测试信号；以及(B)一个连接端；以及(b)一个信号检测器，所述信号检测器与所述测量探针的所述连接端耦合并被设计成能够复原所述调制测试信号；以及(3)确定作为所述测试信号与所述样品相互作用结果的所述测试信号是否发生变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述分子事件是第一分子物质与参比分子物质的结构或功能相似性，其中所述相似性是通过比较当所述样品含有所述第一分子物质时检测到的测试信号和当所述样品含有所述参比分子物质时检测到的测试信号来确定的。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述分子事件是第一分子物质与第二分子物质的结合。
16.一种检测含水试样中分子事件的方法，所述方法包括(a)把第一个样品引入流体转运系统的流体通道，所述流体转运系统有一个流体移动控制器，所述流体通道有一个样品入口端、一个检测区域、和一个样品出口端，所述检测区域有小于1mL的体积；(b)在所述流体控制器的控制下，使所述样品通过所述通道从所述样品入口端流向所述样品出口端；(c)把大于10MHz和小于1000GHz的测试信号施加到所述流体通道的所述检测区域；以及(d)检测由于所述测试信号与所述样品的相互作用导致的所述测试信号的变化。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括(e)在所述第一个试样后把隔离材料引入所述通道；(f)在所述隔离材料后把另外的试样引入所述通道；(g)在所述流体控制器的控制下，使所述的另外试样通过所述通道移动，由此许多用隔离材料分隔开的不同试样通过所述通道输送而没有混合不同的试样，以及(h)对所述另外的试样可以选择重复步骤(c)至(d)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述隔离材料包括一种离子强度足够高的溶液从而通过电渗抽运进行输送，并且所述流体移动控制器利用所述流体的电渗抽运。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述隔离材料包括一种流体，所述流体基本上与所述试样不混溶。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述隔离材料包括一种气泡，而所述流体移动控制器利用所述流体的物理抽运。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括提供另外的流体通道，所述流体通道在所述的流体转运系统中贯穿所述的第一个通道，所述流体转运系统对在所述第二个流体通道中的流体移动提供单独的控制，所述第二个流体通道含有一种试验化合物或一系列的试验化合物；从所述第二个流体通道把一种试验化合物引入在所述第一个流体通道中的试样中，所述试样是处于距离所述测试信号足够远的上游位置，因而在所述试样达到所述测试信号前，所述试验化合物有时间与所述第一个流体通道内试样中的一种分子结构结合；通过在所述测试信号中的变化检测结合。
22.一种在流体容器的检测区域检测试样中分子事件的方法，所述方法包括把测量探针贴近所述检测区域放置从而与那里的信号电磁耦合，所述测量探针在10MHz至1000GHz范围内的一个预定频率呈现出共振信号响应；把参比介质供给到所述检测区域；把测试信号耦合到所述检测区域并记录基线信号响应；把含有或怀疑含有所述分子事件的试样供给到所述检测区域；把测试信号耦合到所述检测区域并获得一个试样响应；如果存在的话，确定所述试样响应和所述基线响应之间的差异；以及把所述差异和所述分子事件联系起来。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述测量探针具有S11共振响应。
24.根据权利要求22所述的方法，其中把测试信号耦合到所述检测区域并获得一个基线信号响应，包括产生一个入射信号；把所述入射信号耦合到所述检测区域；从所述检测区域复原反射信号；以及对所述入射信号的振幅或相位和所述反射信号的振幅或相位进行比较。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括存储第一个试样响应；以及把一个后来的试样响应与所述存储的第一个试样响应进行比较。
26.一种测量探针，所述测量探针被设计成能够检测试样中的分子事件，包括第一个同轴部分，包括一个纵向伸展的中心导体、一个置于所述中心导体的纵轴周围的介电绝缘体、和一个置于所述介电绝缘体的纵轴周围的外侧屏蔽面，所述第一个同轴部分有一个探针头和第一个间隙端，所述探针头包括一个开端同轴截面；第二个同轴部分，包括一个纵向伸展的中心导体、一个置于所述中心导体的纵轴周围的介电绝缘体、和一个置于所述介电绝缘体的纵轴周围的外侧屏蔽面，所述第二个同轴部分有第二个间隙端和一个连接端，所述间隙端包括一个开端同轴截面而所述连接端则包括一个同轴接头；以及一个调谐元件，所述调谐元件可调地连接在所述第一个和第二个间隙端之间并设计成能够在其间提供可变的间隙距离。
27.根据权利要求26所述的测量探针，其中所述第一个部分进一步包括一个架子，所述架子与所述外侧导体电连接并基本上与所述探针头的所述开端同高度。
28.一种计算机可读存储介质，包含通过根据权利要求13所述的方法所获得的信息。
全文摘要
一种用于检测在试样中是否存在分子事件的分子检测系统，该系统包括流体容器、信号源、测量探针和信号检测器。测量探针包括探针头和连接端。在流体容器的检测范围内，探针头被设计成能够与入射到试样上的信号发生电磁耦合。入射测试信号和试样的相互作用产生调制测试信号，探针头被制成能够复原至少一部分调制测试信号。该系统还包括信号检测器，信号检测器与测量探针的连接端耦合，制成能够复原调制测试信号。
文档编号G01N35/08GK1425133SQ00817005
公开日2003年6月18日 申请日期2000年10月13日 优先权日1999年10月13日
发明者罗伯特·G·查普曼, 约翰·J·赫夫蒂, 巴雷特·J·巴特尔, 马克·A·罗兹, 赵民 申请人:西格雷特生物科学有限公司