用于生物化学传感器的流动管道系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无标记光学传感器的领域，无标记光学传感器具有高敏感性、较大测 量范围、高读出速度、简单的设备操纵、低维护要求和在制造公差方面的高稳固性，特别地 包括集成光学波导、流动腔室和读出设备，本发明还涉及当它们用于例如药理学或者诊断 中时它们对于(生物）化学传感器单元的应用。
【背景技术】
[0002] 用于测量分子间相互作用的感测设备（生物化学传感器）可以分成两类，即，无标 记传感器和使用标志物进行操作的传感器。这些传感器是生命科学领域中通常公知的，并 且主要用于表征生物或生物化学分子间的相互作用。这些表征通常涉及使两种或更多种不 同类型的样品分子成彼此物理接触并持续设定的时段并且然后测量例如样品分子是否已 结合以形成分子配合物。这些分子结合的动力学(速度）和亲和力（强度）为在这些表征程 序期间常常测量的两个主要参数。
[0003] 生物化学传感器也用于其它应用，诸如分子检测或浓度测定，通过使用在两个分 子之间的选择性高亲和力结合。生物化学传感器的主要应用在于药物发现领域，例如通过 测量在可能的药物与药物靶标之间的结合亲和力和动力学来选择候选药物。涉及分子检测 或浓度测定的重要应用在于诊断领域，例如血液或尿液测试、搜寻病原体、或者对于变态反 应/过敏反应（allergy)的分析。其它应用例如在诸如过程控制、食品或环境的领域。
[0004] 使用标志物的感测方法通过将标志物，通常为荧光、吸收或放射性分子以化学方 式附连到待检测的靶分子来操作。此处，靶分子的存在和浓度通过测量标志物的存在和浓 度来间接地确定。虽然基于标志物的方法广泛地用于生命科学的领域中，它们具有以下主 要缺点：标志物可能改变靶分子的结合亲和力或动力学，并且标志物的附连可能是耗时的。
[0005] 与基于标志物的方法相比，无标记感测方法在并无任何标志物附连到靶分子上的 情况下操作，但直接测量了靶分子的存在。它们因此具有以下优点：靶分子的结合不受标志 物存在的影响。这例如在药物发现的领域中对于观察小活性分子到相对应药物靶标(诸如 阿司匹林到COX-2酶）的结合而言是重要的，因为小靶分子的结合特征将会易于受到附连 到它的标志物干扰。另一优点在于可能减少测量所需的成本和时间，因为省略了标志物附 连步骤。其中，无标志物的感测方法的要求为：高敏感性，使得也能感测很少量的靶分子、最 小的相互作用或最小的靶分子；高读出速度，使得能以必需的分辨率来跟踪快速(生物）化 学结合或反应；传感器平台的许多测量区或子单元的大量平行读出的可能性，传感器平台 的子单元主要呈微滴定板的格式，其用于高通量筛选（HTS)的制药行业中，允许平行读出多 达数百或甚至数千过程；较大测量范围，使得能同时感测到具有不同信号幅度的不同过程； 每个测量点较低的成本；简单的设备处置和使用者界面；以及，低维护成本。
[0006] 用于无标记感测方法包括(但不限于)基于表面等离子体共振（SPR)或波导的光学 方法，或者基于表面声波（SAW)的方法、热方法、或电化学方法。光学方法是基于以下原理： 生物化学分子表现出不同于水溶液的折射率。在传感器表面上的折射率变化是由于分子与 传感器表面本身或与附连到该表面上的另一分子间相互作用所致的分子添加到表面上或 从表面上减去而造成。使用共振元件一一在SPR的情况下，共振元件即支持着表面等离子体 的金属层；或者在波导传感器的情况下，共振元件即支持着光学波导模式的光学波导一一 然后可以使用适当照明和检测机制来探测局部折射率变化，并且实时记录这些变化以便感 测分子结合事件。在此情形下，这些变化对应于传感器信号。表面声波和电化学方法以类 似方式操作，除了并未物理测量折射率差异，而是质量或介电常数差异。
[0007] 在此情况下，许多无标记感测技术或无标记测量或无标记化验涉及将一个或多个 "配体"（诸如抗体或药物靶标）附连到感测表面上的固体支承件（即，在传感器芯片上的敏 化表面，其适于由输出所述传感器信号的检测机制读出）。包含感测表面的流体管道通常被 称作流动池或流体腔室并且允许使包含待研宄的（多种）其它分子（分析物）的流体与配 体接触。由此，待研宄的(多种）分子(分析物）具有与在感测表面上的固体支承件处的固定 的配体相互作用的机会并且测量并表征了最终结合。通常，作为动力学亲合力测量来执行 表征，其中监视在配体与待研宄的（多种）分子（分析物）之间分子相互作用的结合(缔合 (association))和分离(解离）以便提取动力学缔合和解离速率，这与表征该结合的浓度相 依性时间常数有关。典型动力学测量程序在于首先使表面结合的配体与中性缓冲溶液接 触，以便形成无结合的基本传感器信号("基线")，之后使表面结合的配体与包含实际分析 物或样品（诸如抗原）的流体接触从而使得表面结合的配体与分析物或样品结合，并且能 监视结合反应的缔合阶段，并且可选地之后使表面结合的配体再次与中性缓冲溶液接触以 便通过从流动池移除分析物来监视分析物或样品的解离阶段。换言之，分析物的浓度以逐 步方式增加以用于表征缔合阶段，并且以逐步方式再次降低以用于表征解离阶段。
[0008] 通常，在整个测量时间期间，记录了传感器信号，得到传感器信号曲线或传感图 (sensorsgrams)，其可以被进一步分析，通常通过将模型拟合为传感器信号曲线。
[0009] 直观地了解到如果分析物浓度的增加比结合反应本身的时间常数更慢，则不能监 视在配体与分析物之间的快速反应。因此，对于动力学亲合力测量的无标记设备的重要要 求是在传感器处（即，在流动池内）的快速流体转变或流体交换，诸如缓冲溶液和分析物样 品，使得浓度增加和减小比待观察的结合反应的时间常数更快得多地发生。这对于在不受 流体系统的时间常数限制的情况下测量在样品与表面结合分子之间的快速动力学反应而 言是重要的。换言之，在传感器处包含分析物的流体的浓度应在给定时刻以最小时间量从 0%增加到100% (常常被称作转变时间）。也需要在缓冲溶液与包含分析物或样品的流体之 间并不存在显著混合，换言之，分析物或样品不被稀释，因为那样一来，在流动池内的样品 或分析物浓度将不对应于初始样品或分析物浓度。因为这种浓度一般而言是分析中的重要 参数，将会通过这种稀释使得分析结果不真实。而且，包含分析物或样品的流体在测量之前 不应接触传感器的感测表面，因为感测表面的部分可能预先加载分析物或样品，并且这种 预加载通常更改确定的动力学速率(通过提供不同的初始条件，因为这种结合反应的一部 分在实际测量之前发生）和在实际测量期间的总分子沉积量。
[0010] W00236485描述了一种基于表面等离子体共振（SPR)的生物传感器的阀系统。这 种系统运用了靠近于传感器表面集成到固定液体处置块中的微阀以使实现流体之间的快 速切换时间。该系统的主要缺点在于微流体系统是复杂的和因此昂贵的，主要是由于集成 了微流体阀。而且，在流体块内侧的管道和阀可能出现堵塞并且不能易于交换。而且，精密 /精巧的传感器表面在芯片插入之前被暴露并且未被受到防护避免灰尘沉积或意外触及。 [0011] W00057192描述了一种用于生物传感器的可逆流动系统，其中，无需在流动池附近 的集成阀。然而，在此系统中，在阀与流动池之间的闭死体积变成对于清洁和对于在第一流 体诸如缓冲溶液与第二流体诸如样品溶液之间快速流体转变的重要障碍物。而且，两个流 动的流动方向并不相同，这是对于分析实验结果的障碍，因为用于缓冲和样品溶液的流动 参数应尽可能密切地匹配高敏感性测量，其中感测表面和参考表面串联地连接。而且，带有 小截面管道的流体系统不能易于被交换，因为这是仪器的一体式部分，并且精致芯片感测 表面并未受到保护。
[0012] WO 03/069317和EP 1 214 580描述了干涉测量传感器系统，其通常对于未对准 而言是极度地敏感的，因此需要做出大量工作来用于使得光学波导相对于入射光和输出检 测器而对准。而且，需要在准确的温度控制和精确定位微流体腔室方面的大量工作以便不 损坏或削弱传感器信号。而且，在此系统中，在阀与流动池之间的闭死体积变成对于清洁和 对于在诸如缓冲溶液的第一流体与诸如样品溶液的第二流体之间快速流体转变的重要障 碍。
[0013] WO 2008110026描述了一种具有高敏感性、大测量范围、高读出速度、和关于制造 公差而言的高稳固性的传感器。与基于SPR和波导换能器的常规生物化学传感器形成对照 的是，传感器对于位置和角度方面的未对准很宽容。
【发明内容】
[0014] 因此，本发明的目的在于形成一种传感器设备，其能特别地用于开始提到的类型 的(生物）化学测量，其提供快速流体转变、高敏感性、大测量范围、高读出速度、每个测量点 较低的成本、简单设备处置、低维护要求和在制造公差方面的高稳固性。
[0015] 这个任务由使用相对应独立专利权利要求的性质的流动管道系统和相关联的生 物化学传感器设备、以及相关联的盒、和操作所述传感器设备的方法来执行。
[0016] 传统地，如在W00057192中所提到的那样，仅能通过最小化在流动池与控制流动 池(传感器）中流体交换的主动（active)切换阀之间的体积来实现快速流体转变。在此上 下文中，这个体积常常被称作"闭死体积"。在从中性缓冲溶液切换到待测量的样品或分析 物时，这种样品流体首先需要行进穿过闭死体积，闭死体积被填充中性缓冲体积。在这段时 间期间，发生了在样品流体与中性缓冲流体之间的混合，在流动池处造成浓度梯度直到闭 死体积完全被样品流体"洗涤"。因此，流体转变或切换时间与闭死体积相关。根据经验并 且对于具有1〇μπι至数毫米的宽度、深度或直径的典型通道几何形状而言，转变时间等于 闭死体积除以体积流率的结果的三到五倍。然而，将切换阀靠近流动池(传感器）放置是成 本较高的并且可能造成传感器信号中的伪差/伪迹（artefact)，源于从阀传递到流动池的 感测区的机械移动和振动。通常，这些伪差包括传感器信号读出中的突然尖峰或波动。令 人意外的是，利用本发明可以实现快速流体转变，即使在主动阀与流动池之间存在显著体 积的情况下，因此排除了不希望的更高的成本和寄生效果。
[0017] 在此上下文中，流动管道可以是(但不限于）微流体通道或管。
[0018] 根据本发明，流动管道系统包括第一流动池管道，第一流动池管道在第一端处具 有第一入口/出口管道和在第二端处具有第二入口/出口管道。第一流动池管道包括将要 由通常至少两种不同流体所接触的感测区。因此，根据本发明，提供一种流动管道系统，其 适用于生物化学感测，该流动管道系统包括：第一流动池管道，其包括用于生物化学感测的 一个或多个感测区；第一选择阀；第一入口 /出口管道，其将第一流动池管道流体地连接到 第一选择阀；第一注射管道，其具有第一端和第二端；第二注射管道，其具有第一端和第二 端；流体注射装置，其流体地连接到第一注射管道和第二注射管道中每一个的第二端使得 流体注射装置能选择性地将流体注射到第一注射管道和/或第二注射管道内；其中第一注 射管道在其第一端处由无阀接合部流体地连接到第一入口 /出口管道，并且第二注射管道 在其第一端处由无阀接合部流体地连接到第一入口/出口管道。
[0019] 由于第一注射管道和第二注射管道各自通过无阀接合部而流体地连接到第一入