[发明专利]确定细胞表型的方法

说明书

相关申请

本申请要求2015年3月9日提交的美国临时专利申请号62/130,259的优先权权益，所述美国临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文。

发明领域和背景

生物传感在工业中和尤其在食品工业中是重要的领域，其中对生物污染物的水平诸如食品中的细菌水平进行检测和监测在维持现代健康标准中是至关重要的。在食品工业中，对离开生产线的产品进行持续监测的需要是特别重要和成问题的，因为导致产品生物污染的任何生产故障必须在产品被运送销售之前检测到。这目前往往借助测试从来自每个生产线和批次的样本生长的培养物来进行。然而，由于生长和测试这类培养物所花费的时间，甚至使用现代加速的培养物生长和测量技术，在检测到污染之前大量的产品可能已被生产和包装好准备运送，因此导致可观的损失。存在诸如表面等离子体共振(SPR)的技术使得能够持续监测产品中的生物污染物水平，但这类技术是价格高昂——典型装置花费好几万美元。由于在不同生产线上生产大量不同产品，这类生物传感技术对于食品工业中的一般用途而言往往过于昂贵，并且似乎不存在可对食品进行有成本效益的普遍在线监测的低成本生物传感设备。

近年来，多孔Si (在下文中PSi)已作为有前途的纳米材料出现，用于生物传感应用和用于传感具有纳米级尺寸的其他靶标。常见PSi基光学传感器和生物传感器由纳米孔(通常具有小于20 nm的尺寸)或中孔(通常在20-100 nm范围内)的薄膜组成，因此具有远小于所用光波长的截面尺寸。在产生薄膜装置期间孔一般随机产生。这些传感器的操作是基于用靶标分析物替换孔中的介质和/或用靶标分析物渗入，并且观测所得光反射率的变化。PSi膜的有效折射率变化表现为反射光谱中的波长偏移。仅渗透入这些纳米结构的靶分子可被检测到。实际上，已成功证实了对诸如荧光分子、有机磷酸酯、挥发性有机化合物、DNA和蛋白质的各种化学和生物分析物的传感和生物传感。许多这些研究采用反射干涉测量傅立叶变换光谱学(RIFTS)的方法来监测中孔Si薄膜内的生物相互作用。

这类填充或部分填充的随机定位的孔可被简单地视为具有与未填充孔不同的有效折射率，因为孔远小于光波长。因此，孔的随机性质不导致光的散射，而是导致来自硅基板和孔(填充和未填充)的组合的总反射光最终达到平衡。然而，这种检测方案不适用于靶向大的生物或其他物质，诸如大小为大约几百纳米直至几微米和更大的那些，包括细胞、细菌和病毒。如果生产具有这类较大的孔的多孔硅，则基板变成被称为“黑硅”的材料，其因从大尺寸孔的随机分布强力散射光而看起来如此。基本上所有入射光被孔随机散射并且吸收于介质中，使得所述入射光不能用于传感。因此，常规多孔硅技术不能用于对大小为传感所用光的波长的绝大部分的较大靶标进行传感或生物传感。

存在替代方法，所述方法在生物传感器表面的顶部上、而非在其孔中直接捕获较大细胞靶标后监测反射光谱的强度变化。然而，这些类型的传感器是受限的，因为反射光谱的强度变化可能起因于不可预测的来源，诸如环境效应和非特异性结合事件。另外，灵敏度可能是低的，因为这类表面结合传感器不利用大孔体积。

近年来已作出尝试来开发用于对大体而言细菌和具体而言病原菌进行快速检测的新生物测定法和生物传感器。然而，尽管在领域内取得显著进展，但当前技术缺乏“实时”或在实验室环境外检测微生物的能力。

WO 2014/155381教导了用于细菌监测的方法和装置。

发明内容

根据本发明的一些实施方案的方面，提供确定生物样本中细胞的表型的方法，所述方法包括：

(a)在包含有序阵列的隔室的衍射光栅上对包括细胞的生物样本培养预定时间，所述隔室具有横向尺寸以使得细胞可适合其中；

(b)在利用经一系列波长的照明对表面进行照射后，在预定时间内连续检测从包括细胞的衍射光栅衍射的照明，并且从其中产生输出光谱信号；

(c)从输出光谱信号确定培养有生物样本的隔室的有效光学厚度(EOT)的时间依赖性变化，时间依赖性指示生物样本中细胞的表型。

根据本发明的一些实施方案的方面，提供确定细胞的表型的方法，所述方法包括：

(a)将细胞置于衍射光栅的多个隔室中；

(b)通过衍射光栅衍射多色光束；

(c)基于从衍射光栅接收的衍射图案计算指示细胞的折射率的参数；以及

(d)确定参数的变化的时间依赖性，时间依赖性指示生物样本中细胞的表型。