[发明专利]在透明微阵列上进行精确pH监控的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

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

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

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。

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。

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US 2011/0091870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，α_ij，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，

其中C_an为目标生物分子分析物浓度，且C_j1、C_j2、C_j3为得到背景信号中的不同项的分子的总浓度。

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