[发明专利]通过交流动电学检测生物标志物的方法

说明书

本文描述当将生物样品施加到芯片上实验室上时，通过定量阻抗随着时间推移的变化用于检测病原体、感染性疾病和生理状况的方法。芯片上实验室采用交流动电学(ACEK)现象，使得分子在通过向芯片上实验室的电极阵列施加预定幅度和频率的电信号产生的电场中移动或被携带。

相关申请的交叉参考

这是2014年7月24日递交的美国国家阶段申请第14/374312号(基于2013年1月22日递交的国际申请第PCT/US2013/022447号)的部分继续，并且要求2012年1月27日递交的美国临时专利申请第61/591713号的优先权权益，其整个公开内容通过参照结合到本文中。

政府资助的声明

本发明由美国政府在国家科学基金会(National Science Foundation)合同号ECS0448896下资助进行。美国政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本发明主要涉及采用用于实地(即现场、床边、无实验室)检测许多病原体、疾病和生理状况或其指标的交流动电学(ACEK)，用于检测例如生物样品中的生物标志物的方法和相关装置，并且更具体地涉及通过这样的方法和装置现场检测用于诊断动物的细菌性疾病比如约内氏病(Johne's disease)和乳腺炎的抗体、用于诊断动物和人的结核病的抗体、用于诊断动物和人的肺栓塞的D-二聚体、用于诊断妊娠的小分子(例如孕酮)、用于诊断糖尿病的糖(例如葡萄糖)和酶(例如葡萄糖氧化酶)以及作为心脏病发作指标的其他酶。

背景技术

介电电泳、交流(alternating current, AC)电热效应和AC电渗现象统称为交流(AC)动电学(ACEK)，现被用于在细胞尺度上操纵和分离颗粒。介电电泳(DEP)涉及在非均匀电场中悬浮介电颗粒。如同将在本文进一步讨论的那样，可自例如包被待测物质的分子探针(比如细菌抗原)的两个(或更多个)电极阵列认识到电容和阻抗的变化。如果极化颗粒悬浮在这样的场中，诱导偶极子将跨颗粒形成，并与场同步旋转或移动。此外，如本文将描绘和讨论的那样，AC电热和AC电渗现象或效应会诱导电极周围的微尺度流动，使颗粒/胶体/大分子向电极对流用于检测。

叉指型微电极或两个紧密间隔的平行板为已知的，并且见述于例如CapacitiveMicrosystems for Biological Sensing (用于生物传感的电容微系统), V. Tsouti 等,Biosensors and Biolelectronics, 27, (2011), 第1-11页。在简化的形式中，电容式传感器的电极可包含两个具有特定间隔和厚度的紧密间隔的平行板。可形成具有两个电极的并联电容器。众所周知，并联的单个电容器之和包括并联电容器的电容。尽管被描述为电容器，但是没有电容器在没有产生阻抗的电阻和电感组件情况下呈现出完美的电容。然而，这种电容微系统的电阻和电感组件与电容组件相比较少指示表面结合。这种生物传感器已被特别开发和用于例如检测大肠杆菌(Escherichia coli)和沙门氏菌属(salmonella)。已知另一种电极阵列用于前列腺癌的前列腺特异性抗原(PSA)测试。又一种原型测试集成电路已被开发用于某些蛋白质检测。

约内氏病由称为鸟分枝杆菌副结核型亚种(Mycobacteriumavium subspeciesparatuberculosis)的细菌引起。约内氏病影响野生动物和家畜。在家畜比如牛或奶牛中，疾病导致奶产量下降(奶牛)、重量减轻和过早扑杀临床受影响的动物。仅在美国，已在68%的奶牛群中发现了约内氏病，并且仅对美国乳制品行业便造成每年估计2.2亿美元的损失。约内氏病目前在诊断实验室中采用免疫测定或酶联免疫吸附测定(ELISA)或病原体检测方法(指示感染或污染的细菌培养或PCR)诊断。