专利名称：生物传感器再生的设备和方法
生物传感器再生的设备和方法本发明涉及生物传感器的再生的设备，该生物传感器在载体的表面上携带被设计来与所要分析的物质相互作用的固定的和生物活性的材料。与本发明相关的生物传感器装有生物学组分。生物传感器的功能原理是基于位于 传感器元件表面上的固定的生物活性材料与电子信号转换器、光学信号转换器或其它信号 转换器，和电子式放大器之间的直接空间偶合。此类生物材料能够是，例如抗体，酶，细胞器 官，微生物或核酸。位于传感器表面上的固定的生物材料与所要分析的物质相互作用。该相互作用可 以是例如在酶和底物之间的相互作用，或在抗体与抗原之间的相互作用，导致物理改变，例 如涂层厚度，折射率，光的吸收率，电荷或在各自表面的区域中特定离子的离子浓度(例如 PH值的变化)的改变。这些变化能够通过诸如光学传感器、测量电流的电极或以电势滴定 法为基础进行操作的场效应晶体管之类的测量装置来测量。然而，在该测量程序之后，系统 的初始状态必须恢复。因此，物质用生物传感器分析的测量过程是在三个步骤中进行的首 先，要被生物传感器的生物体系所分析的物质的生物化学反应。然后，反应转变成电或光信 号。随后，该信号被处理和放大。因此，生物传感器的选择性和敏感性源自于所使用的生物 体系。该生物材料利用载体被排列在该生物传感器上，在该载体上施加该材料，或在载 体上将该材料包埋在两个膜之间。该生物材料也能够在固体载体的化学官能化之后直接固 定在载体上。此外，该生物体系能够被施加到膜上，该膜然后与转换器的表面结合。适合用 于水和污水的分析用的生物传感器中的应用能够被分成用于单个组分的分析、用于毒性和 诱变性的分析的生物传感器，和用于生化需氧量(BOD)的分析的生物传感器。实例包括在 例如手术之后的人体的血液中葡萄糖浓度的测量。该葡萄糖浓度能够随着因为葡萄糖氧化 酶催化的葡萄糖氧化作用所导致的PH值的变化或氧浓度的变化来分析。再一种生物传感器已知用于在生物反应器(发酵罐)中青霉素浓度的测量，在其 中培养细菌菌株，后者表达和分泌青霉素到培养介质中。当浓度是足够高时，该物质能够在 几次沉淀反应之后用有机溶剂从培养介质中萃取。在这一方面使用的传感器的生物学组分 是酰基转移酶。该青霉素-分裂酶被嵌入膜中，将PH-电极放置在膜上。一旦在介质中青 霉素浓度提高，该酶催化增加量的苯基乙酸的形成，并且因此改变在电极邻近的PH值。因 此，可以通过该PH值推算青霉素浓度。生物传感器的再一种应用涉及在浴水或污水中细菌含量的分析。可以将针对某些 类型的细菌的抗体施加到振荡薄膜上。当各自细菌被传感器漂浮时，它们附着于该抗体上， 因此减少该膜的振荡。一旦膜的振荡降到某个值之下就提供相应信号。生物传感器的表面能够由例如氮化镓(GaN)或另一种光学透明半导体(SC)组成。 氮化镓是光学透明的半导体，它可在同样光学透明的蓝宝石基片上外延生长的。这一性能 能够用于利用在该表面的背面的光源，促使已用活动性(mobile)抗体标记的荧光染料的 激发。该活动性抗体结合于抗原上，该抗原同时结合于未标记的固定抗体上。这一类型的 抗原_抗体结合因此遵循夹层结构-ELISA的原理。由活动性抗体发射出的荧光能够在抗原的识别之后被敏感性检测器所捕获。抗体在半导体表面上或在其它材料如ZnO、SnO2或 金刚石上的固定能够通过各种方法来实现，例如，通过用戊二醛或溴氰化物(BrCN)交联来 实现。抗体在传感器表面上的固定也能够通过用G蛋白和A蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用来实现。这里该G蛋白由金黄色葡萄球菌组成。作为G蛋白的替代，能够使用A蛋白。 在G蛋白或A蛋白的使用之间选择来固定的可能性常常取决于抗体的来历，即取决于可获 得抗体的具体生物体。两个方法都能够与可能的交联剂相结合使用。在这种情况下，首先 各自A蛋白或G蛋白用戊二醛固定在传感器的表面上。在交联后，抗体的实际施加通过在 抗体的Fc-畴(Domane)上的蛋白质-蛋白质相互作用来进行。这一方法的优点是在传 感器的表面上抗体的最佳利用。大肠杆菌(E.coli)是能够用作抗原的一个例子。此类生物传感器的一个缺点是它们体现特征于短的寿命和低的生物学稳定性。在 这方面人们认为固定化蛋白质组分和核酸组分的变性作用会在传感器表面上发生，这样已 固定的大分子如核酸和蛋白质的降解被认为是此类生物传感器的缺点。因此，需要改进此 类已固定的生物活性材料的寿命和稳定性。因此，本发明的目的是通过提供生物传感器的再生设备和方法来克服现有技术的 上述缺点。这一目的是基于根据属于权利要求1前序部分的设备以及通过根据属于权利要 求7前序部分的方法，以及它们的各自表征用特征来达到的。本发明的附加的有利实施方 案提供于从属权利要求中。本发明包括技术上教导该设备具有至少一个喷嘴(DUse)，至少一种溶液能够利 用泵经由该喷嘴被引导至载体的表面上以漂洗该生物活性材料。本发明因此基于提供用于生物学组分如抗体或酶的自动除去的设备的想法。在这 一方法中，除去所使用的生物材料如抗体、酶、核酸和其它残留物的特殊解决方法能够是利 用自动微流体系统被泵送到传感器表面上。该传感器表面净化后，重复该固定过程。有利地，该设备具有阀门结构，借助于它，不同的溶液能够可选择地经由喷嘴和泵 被施加于载体的表面上。这里生物传感器的生物活性材料包括抗体，酶，细胞器官，微生物， 蛋白质或核酸。此外，该生物传感器具有产生信号的信号转换器，该信号能够被放大器放大 并能够传输到评价系统。有利地，至少一种溶液利用喷嘴在生物活性材料上的施加是以微流体系统的形式 进行的。该微流体系统能够集成到生物传感器中，使得它与传感器一起形成了根据本发明 的设备。该阀门系统能够手工或自动操作，使得根据各自要求，不同的溶液能够被施加在载 体的表面上。为了实现更长的寿命，该试剂能够在存储期间被冷藏。生物传感器的载体能够例如以施加到载体材料上的氮化镓涂层、氧化锌涂层或金 刚石涂层形式的半导体存在。该系统不局限于单个喷嘴，而是能够同时使用几个喷嘴以便 漂洗载体的表面。此外，本发明涉及使用如上所述的设备的生物传感器的再生方法。全部净化步骤， 以及在载体表面上的固定的全部步骤能够利用自动化液体系统来进行。自动化系统的主要 组件包括该阀门，它能够适用于不同的溶液。另外，该系统包括泵，泵通过阀门抽吸不同的 溶液并经由喷嘴将这些溶液引导至传感器的表面。该系统可以包括阀门、泵和喷嘴的各一个，或它们的几个。因此，不仅可以从生物传感器的表面上除去先前使用的生物活性材料， 而且在载体表面上的生物活性材料能够通过漂洗再生和/或甚至被交换。净化和重复固定 的方法可通过温度控制的流体和/或传感器组件，以及通过与超声波之间的结合来支持。自动化生物传感器再生的附加优点是例如酶催性能或核酸的交换。为此目的，例 如该酶利用溶液从传感器的表面上除去并被交换为另一种酶。这一交换是通过阀门结构选 择不同的溶液来进行的。这里，只是信号转换器必须形成以适合于不同的酶。此外，再生的 生物传感器必须根据具体的固定化条件而显示出可再现的、可矫正和尽可能线性的特性。根据本发明的附加实施方案，在载体的表面上的抗体是通过蛋白质-蛋白质相互 作用的解除而被除去的。蛋白A或G的固定可从亲和色谱法获知。通常，该蛋白质偶合于聚 合物基质如琼脂糖凝胶上和然后被用于抗体的提纯。这里，G蛋白与氮化镓、半导体表面或 其它表面的偶合提供了根据本发明的再生的优点。这里，经由抗体的Fc-畴(抗体片段)与固定在半导体的表面上的G蛋白所进行的后续蛋白质-蛋白质相互作用提供了附加优点。
另外，还可以通过用G蛋白解除蛋白质-蛋白质相互作用来自动除去该抗体。有 利的是通过在抗体的Fc-畴和该G蛋白之间的蛋白质相互作用来解除该结合的抗体。为此 目的，作为抗体的一部分的表达和提纯的Fc-畴过量施加于生物传感器。提纯的Fc-畴从 表面上除去该抗体并结合于G蛋白而不是该抗体。当新抗体以高的浓度添加到蛋白质复合 物，G蛋白和Fc-畴中时，该新抗体进而替换在G蛋白上的Fc-畴，这样生物传感器能够再 次可用于测量。这一再生同样能够在自动化的液体系统中进行，其中生物传感器的再生得 到实质性地促进。有利地，需要被除去和需要再次固定到载体表面上的生物活性材料是由溶液提供 的，并且漂洗过程是自动化的。通过使用合适的化学试剂，生物传感器的表面能够完全地被清洗掉分子，结果G 蛋白也能够除去。随后，这些分子同样再次被固定。一种另外的应用是核酸的固定。这里，单链的核酸被施加于传感器表面例如在半 导体上，且需要检测的互补核酸能够通过杂化来键接。互补的核酸通过在核酸碱基对之间 的氢键来键接。该核酸再偶合于(即标记有)生物、化学或物理物质上。以该标记的核酸 为基础，能够在生物传感器中检测实际的信号。对于生物传感器的再生，互补核酸能够以化 学途径或热途径被另一个互补核酸替代。另外，可以通过与所偶合的镍-次氮基三乙酸(Ni-NTA)或与另一种金属螯合物之 间的相互作用来固定组氨酸标记的酶。这里，酶能够用组氨酸标记(HIS-标记)来重组生 产。这些所谓的HIS-标记酶与附加的组氨酸一起有选择地结合于镍离子(Ni2+)或结合于 其它金属离子上。在生物化学中，这一性能用于酶提纯。为此目的，HIS-标记酶经由镍-次 氮基三乙酸(Ni-NTA)或经由另一种金属螯合物被键接，并且在使用咪唑或EDTA的几个洗 涤步骤之后再次被除去。另外，通Ni-NTA或另一种金属螯合物_配体在半导体上的固定，一方面可以有效 地结合酶，另一方面，该酶能够容易地被除去且能够被另一种酶所交换。在酶之间的除去和 交换是通过使用自动化的液体系统来进行的。本发明的附加的其它实施方案与优选实施方案的一个实施例的叙述一起被描绘 在附图中。
在附图中图1是描述用于再生生物传感器的设备的示意图，利用该设备，不同的溶液(A-G) 能够通过阀门系统被施加于生物传感器载体的表面上；图2是描绘经由镍-次氮基三乙酸(NiNTA)所实现的酶与在传感器表面上的 His-标记之间的结合的示意图；和图3是描绘经由在传感器表面上底物的偶合所实现的GST-融合酶的结合的示意 图。在图1中，显示了用于生物传感器2的再生中的设备1的结构。生物传感器包括 载体3，在载体表面上已经施加了固定的生物活性材料4。该生物传感器2显示了它的主要 构件，其中包括载体3，信号转换器8，放大器9和评价系统10。在载体3的表面上的生物活 性材料4是以扩大的格式显示的，以便更好地说明。设备1具有喷嘴5，经由泵6，可选择地通过该喷嘴5将溶液A-G施加到该载体3 的表面上。不同溶液A-G的选择是通过阀门结构7的选择来进行的，该阀门结构能够自动 地或手工地操作。溶液A-G被贮存在它们的各自容器中，其中溶液各自包括不同的生物活 性材料。在载体3表面之上的用于生物材料4的漂洗的喷嘴5的示例仅仅以示意图方式提 供的，该系统还能够以微流体系统形成，使得它可以集成在载体3中或至少在生物传感器2 的壳中。图2显示了经由镍-次氮基三乙酸(Ni-NTA)所实现的酶与传感器表面上的 His-标记的示意性结合。这里，His-标记酶经由固定的镍-次氮基三乙酸(Ni-NTA)或经 由另一种金属螯合物被键接的，并且在使用咪唑或EDTA的几个洗涤步骤之后再次被脱离。 该酶11是在镍离子(Ni2+)之上用参考编号12以示意方式显示，其中G-组氨酸-标记的结 合是由多个的H-符号表示。这里，在载体3的表面上的酶11和生物活性材料4以及镍离 子12形成分子复合物的结合用组分。在图3中，显示了 GST (谷胱甘肽-S-转移酶)_融合酶经由在传感器表面上的底 物(还原的谷胱甘肽)的偶合所实现的结合。该生物活性材料4是由酶11，以肽键结合的 方式共价键结合于酶11上的GST-标记15和游离底物13以及作为GST-底物被固定的已 结合底物14所组成。这里，游离底物13用于使GST-标记从载体3的表面上脱离。本发明不限于以上描述的优选实施例。事实上，许多变型是可能的，它们在另外不同的实施方案中使用本发明的溶液。
1 设备2生物传感器3 载体4生物活性材料5 喷嘴6 泵7阀门结构8信号转换器
9放大器10评价系统11 酶12Ni2+13游离底物14固定的GST底物15GST 标记A-G 溶液
权利要求
用于生物传感器(2)的再生的设备(1)，该生物传感器具有施加于载体(3)表面上的、适合与所要分析的物质相互作用的固定的生物活性材料，特征在于设备(1)具有至少一个喷嘴(5)，通过该喷嘴，利用泵(6)，至少一种溶液(A-G)可被导入到载体(3)的表面上以漂洗该生物活性材料(4)。
2.根据权利要求1的设备(1)，特征在于设备⑴具有阀门结构(7)，通过该阀门结构，可选择的不同溶液(A-G)由喷 嘴(5)和泵(6)可导入到载体(3)的表面上。
3.根据权利要求1或2的设备(1)，特征在于生物传感器(2)的生物活性材料(4)具有抗体，酶，细胞器官，微生物，蛋白质 或核酸。
4.根据权利要求1到3中任何一项的设备(1)，特征在于该生物传感器(2)具有释放信号的信号转换器(8)，该信号可被放大器(9)放 大并输送到评价系统(10)。
5.根据以上权利要求中任何一项的设备(1)，特征在于至少一种溶液(A-G)通过该喷嘴(5)施加到生物活性材料(4)上的过程是通 过使用微流体系统来进行的。
6.根据以上权利要求中任何一项的设备(1)，特征在于该载体(3)是氮化镓涂层，氧化锌涂层或金刚石涂层形式的半导体或是在载 体物质上基于这些材料(Al2Gai_xN ;ZnxMgl_yO)的化合物。
7.用于方法中的根据上述权利要求中任何一项的设备(1)，特征在于试剂和/或载体(3)是可温度控制的，和/或具有载体(3)的腔可进行超声 波处理的。
8.使用根据权利要求1到7中任何一项的设备(1)来再生生物传感器(2)的方法，特征在于在载体(3)的表面上的生物活性材料(4)通过漂洗被再生和/或被交换。
9.根据权利要求8的方法，特征在于生物活性材料(4)的特定的结合性能被交换，其中所存在的该生物活性材料 从载体(3)的表面上除去和施加不同的生物活性材料。
10.根据权利要求8的方法，特征在于在载体(3)的表面上的抗体或酶以手工方式或以自动化的方式通过蛋白 质_蛋白质相互作用的解除而被除去。
11.根据权利要求8的方法，特征在于在载体(3)的表面上的例如核酸、辅酶、底物或其它大分子的生物活性材料 以手工方式或以自动化的方式通过物理或化学键的解除而被除去。
12.根据权利要求8到10中任何一项的方法，特征在于在载体(3)的表面上的该要除去的和又要固定的生物活性材料(4)通过溶液 (A-G)来进行，和该漂洗步骤是自动化的。
全文摘要
本发明涉及用于生物传感器(2)的再生的设备(1)，其中固定的生物活性材料(4)被施加于适合与所要分析的物质相互作用的载体(3)的表面上，其中设备(1)包括至少一个喷嘴(5)，通过该喷嘴，借助于泵(6)，至少一种溶液(A-G)能够被施加于载体(3)的表面上以漂洗该生物活性材料(4)。
文档编号G01N33/543GK101821625SQ200880107415
公开日2010年9月1日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年9月18日
发明者A·弗里德伯格, B·鲍尔, G·米勒, M·埃克霍夫, T·卢德斯, U·雷特 申请人:伊德斯德国股份有限公司