在透明微阵列上进行精确pH监控的装置和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本发明要求申请日为2013年3月15日的第13/834, 126号美国专利申请的权益。 该专利申请的内容全文作为参考加入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于生物传感器中的微阵列的装置和使用这样的包括所述装置 的生物传感器对生物分子进行诊断的方法。并且，本发明涉及一种准确和可靠地控制电极 表面附近的pH梯度的方法，以调整这样的生物传感器内的生物分子相互作用。
【背景技术】
[0004] 需要更高的保真度例如灵敏度和特异性的诊断实验的预测、预防和特定的个人医 药最近越来越引起兴趣。例如当前在研究中使用的多元平台，例如蛋白质阵列，在不久的将 来其位于很有希望的诊断技术中。这些实验中的样品为人体体液，例如血液、血清、唾液、生 物细胞、尿液、或其他生物分子，也可以为消费品，如牛奶、婴儿食品、或水。在该领域中对生 物分子如核酸、蛋白质还有小分子的低成本、多元化的实验呈现增长的需求。在这样的实验 中需要获得灵敏度和特异性并非没有艰难的挑战。采用集成的电子元件和使用CMOS技术 将这些实验合并已经提供了解决一些挑战的方案。
[0005] 在检测化验中的两个主要局限包括灵敏度和交叉反应性。这两个因素均影响最小 可检测浓度和诊断错误率。这样的实验中的灵敏度通常受到标记物检测准确度、探针-分 析物对的关联因子（例如抗体-抗原对）、和表面上的探针分子的有效密度（例如探针抗 体）的限制。生物样品中的其他分子也可以影响最小可检测浓度，通过与探针分子的结合 (例如原发性抗体），或通过实验位点的表面对分析物的物理吸附。检测试剂（例如二次抗 体）可以物理附着在表面上，引起背景信号的增加。解决交叉反应性和背景问题会在新的 实验的分析开发中耗费大量的时间，并且增加全部实验的成本和复杂性。该化验通常通过 寻找最佳时机和条件以及构造最特异性探针分子（例如抗体）得到优化。这导致了长的开 发时间、一些情况下的实验的不可行性、和较高的构造费用。例如典型的ELISA化验的开发 需要数个科学家工作一年以上时间来寻找正确的抗体，这为分析开发中的一部分。蛋白质 的交叉反应性是这类研发工作失败的常见原因。
[0006] 提供了多元位点实验平台的生物传感器被认为提供了化验开发中的上述限制的 一些解决方案。美国公开专利申请US2011/0091870描述了这样的具有多元位点的生物传 感器，其可以进行不同的反应条件以调整生物分子分析物（例如蛋白质）和探针分子之间 的结合。例如生物传感器中检测到的具有四个位点的信号也可以具有几个要素，例如4个。 这四项可以关联于感兴趣的生物标记物的浓度，样品中与原发性抗体（探针分子）位点非 特异性结合并且阻止生物标记物的结合的干扰分析物的浓度，样品中的形成夹心结构并产 生错误信号的干扰分析物的浓度，和最终地样品中的物理吸附到表面并产生错误信号的干 扰分析物的浓度。每一项也正比于结合率因子，其为分子亲和性和其他分析条件如传 质的函数。通过分别控制各位点的条件，不同位点将具有不同的有效因子。每个位点的信 号的准确测量会得到多元方程和多元未知数，例如，
[0007]
[0008] 其中Can为目标生物分子分析物浓度，且Cn、C]2、C]3为得到背景信号中的不同项的 分子的总浓度。
[0009] 对不同位点处的分析条件进行准确和精密控制以产生亲和率因子的巨大改变，这 对这样的生物传感器作为感兴趣的生物分子分析物的检测系统的实施来说是重要的。在共 同未决的第13/543, 300号美国专利申请（其内容通过参考全文引入本文）中描述了这样 的生物传感器和这样的方法，其可以容易的与CMOS、电极阵列或基于TFT的设置集成，以在 具有多个实验位点的阵列的生物传感器的实验位点之间产生亲和率的巨大变化。由于生物 传感器重复使用造成的局部pH的调整的变化和连续的检测之间的变化会降低用这样的生 物传感器对感兴趣的生物分子分析物的检测准确度。因为生物传感器的多位点阵列的每个 位点的所述pH的调整需要被准确的控制并且所述pH的调整需要被修正。因此，对于生物 传感器来说，需要其中的多位点阵列的每个实验位点的pH可以被准确的、可靠的、和可再 现的控制。
【发明内容】
[0010] 本文提供了准确的、可靠的和可再现的控制pH的装置和方法，其可以与例如 CMOS、电极阵列、或具有多元实验位点的阵列的TFT基生物传感器集成。特别地，电流施加 提供了可靠和可再现地调整这样的生物传感器的电极附近的pH或离子浓度，以调整探针 生物分子和感兴趣的生物分子分析物之间的生物分子相互作用。本文描述的装置可以用于 如共同未决的第13/543, 300号申请中所述的生物传感器中，为了重复测定样品中感兴趣 的生物分子分析物，同时保持生物传感器的高度的准确性。
[0011] 在一个实施例中提供了一种用于具有实验位点的多位点阵列的生物传感器中的 装置，所述装置包括：
[0012] (a)透明的支撑基底，其支撑一个或多个电极；及
[0013] (b)生物分子界面层，其在其上具有固定的pH敏感荧光蛋白和一个或多个固定的 探针。
[0014] 在另一个实施例中提供了一种生物传感器，其包括的装置包括：
[0015] (a)透明的支撑基底，其支撑一个或多个电极；及
[0016] (b)生物分子界面层，其在其上具有固定的pH敏感荧光蛋白和一个或多个固定的 探针。
[0017] 在另一个实施例中提供了一种调整生物传感器中的pH或离子浓度的方法，所述 方法包括：
[0018]a)提供了包括实验位点的多位点阵列的生物传感器，其中与生物分子分析物相互 作用的条件可以独立地变化，所述生物传感器具有装置，该装置包括支撑一个或多个电极 的透明支撑基底，和在其上具有固定的pH敏感荧光蛋白和一个或多个固定的探针的生物 分子界面层；及
[0019] b)在水溶液中在所述一个或多个电极上电化学活性试剂发生反应产生H+离子或 0H离子。
[0020] 在另一个实施例中提供了一种检测生物样品中的生物分子分析物的方法，所述方 法包括：
[0021] a)提供了包括实验位点的多位点阵列的生物传感器，其中与生物分子分析物相 互作用的条件可以独立地变化，所述生物传感器具有装置，该装置包括支撑一个或多个电 极的透明支撑基底，和在其上具有固定的pH敏感荧光蛋白和一个或多个固定的探针的生 物分子界面层，并且在每个实验位点具有包括稀释的磷酸缓冲液和电化学活性试剂的水溶 液；
[0022] b)在水溶液中在每个实验位点处电化学活性试剂发生电化学反应产生H+离子或 0H离子，借此调整和控制每个实验位点的pH;
[0023]c)将生物样品施加到每个实验位点；及
[0024] d)检测每个实验位点的生物分子分析物，
[0025] 其中电化学活性试剂的量和电化学反应在实验位点的子集阵列内的实验位点之 间变化，为了获得实验位点的集合，其中实验位点的电极表面附近的pH或离子浓度变化， 并且其中每个实验位点的pH通过pH敏感荧光蛋白的荧光强度来测定。
【附图说明】
[0026]图1:带有电极阵列⑵的基底（玻璃或塑料）（1)的示意图，其上施加了生物分子 界面层（10)，界面层包括荧光蛋白质（例如绿荧光蛋白（GFP))点（5)，和固定的探针（4)， 使用聚乙二醇（PEG)固定剂（3)进行固定。
[0027]