[发明专利]使用高消光系数标记物和介电基板的高灵敏度生物传感器芯片、测量系统和测量方法

说明书

本公开涉及一种使用高消光系数标记物和介电基板的高灵敏度生物传感器芯片、测量系统和测量方法。更具体地，本公开涉及一种基于椭圆偏振测量法的高灵敏度生物传感器技术或使用其的测量方法，该技术通过具有高消光系数的标记物和介电基板来放大椭圆偏振信号。本公开中使用的标记物和基板针对超低浓度的生物材料(例如抗体或DNA)测量布鲁斯特角位移和椭圆偏振测量角。

技术领域

本公开涉及一种使用高消光系数标记物和介电基板的高灵敏度生物传感器芯片、测量系统和测量方法。更具体地，本公开涉及一种通过具有高消光系数的标记物和介电基板来放大椭圆偏振信号的技术和使用其的测量方法。本公开中使用的标记物和基板针对超低浓度的生物材料(例如抗体或DNA)测量布鲁斯特角位移和椭圆偏振测量角。

背景技术

椭圆偏振测量法测量从基板表面反射的反射光的偏振状态，并分析测量值以发现基板的厚度或光学性质。在半导体工业的纳米薄膜制造工艺中，这种测量技术用于评估纳米级薄膜的各种厚度和性质。此外，生物工业持续努力将这种技术应用于生物材料(如蛋白质、DNA、病毒和新药)的界面分析中。

通常，椭圆偏振仪可以测量nm程度的薄膜厚度，但是由于测量灵敏度不足以达到低分子或超低浓度生物材料分析所要求的程度(即0.1nm以下)，因此测量值的可靠性不佳。为了改善这一点，使用了一种采用单波长光源测量对基板厚度变化敏感的布鲁斯特角处的椭圆偏振信号的方法。在布鲁斯特角，折射率不会随基板厚度的变化而变化，从而能够利用生物材料来灵敏地测量椭圆偏振信号，而不受周围环境(例如温度)的影响。此外，可以使用大尺寸的标记物来放大生物反应的椭圆偏振信号，从而通过增加生物传感器芯片表面的厚度变化来改进灵敏度测量。

表面等离子体激元共振(以下称为“SPR”)是一种当金属表面上存在的电子被光波激发时吸收光能、然后沿表面的纵向方向(法向)发生集体振荡的现象。利用该现象的SPR传感器能够进行实时监视，并通过使用标记物进行信号放大而用于疾病诊断或新药探索。通常，通过在玻璃基板上沉积数十纳米的金薄膜来制造SPR传感器芯片，并且当生物材料结合到该金薄膜的表面上时，改变共振角和折射率来获得结合动态特征或定量分析。但是，由于缓冲溶液的折射率变化直接影响共振角的偏移，因此难以测量低分子或超低浓度生物材料。为了纠正这一点，需要昂贵的额外设备和高度分析算法。

局部表面等离子体激元共振(LSPR)现象可用于使用标记物的SPR信号放大方法中。这是一种将标记物(例如金纳米颗粒)和光结合以增加测量信号的技术。然而，用于生物反应的信号在距纳米标记物表面超出一定距离范围(200nm以内)时会随距离而减小，因此导致生物材料测量中的局限性。此外，即使将金属颗粒用作标记物，金属颗粒尺寸增加后的效果也是放大信号的主要因素。

如上所述，对传感器表面的质量变化敏感的生物传感器(例如，SPR传感器、椭圆偏振仪)主要使用标记物的尺寸作为信号放大方法。但是，由于空间位阻现象(其中生物材料的结合反应性被标记物的尺寸抑制)，在测量和信号放大方面存在局限。

使用现有酶标记物(例如辣根过氧化物酶HRP)的信号放大的方法可以增加与底物溶液(底物)发生酶反应时生物材料的测量信号。但是，需要额外注入底物溶液(底物)以引起酶反应，并且该反应的半衰期可能因酶的储存条件(例如温度、储存时间)而缩短，从而降低了生物传感器的再现性。

荧光标记物比酶更稳定，允许将大量荧光材料与检测材料(例如检测抗体)结合在一起，从而增加测量信号。然而，当荧光材料之间的距离接近时，会发生由光产生的荧光能量的猝灭效应，从而导致荧光信号减小。

当使用纳米颗粒作为标记物时，在质量传感器(例如表面等离子体激元共振(SPR)和石英晶体微量天平(QCM))中可以利用标记物的尺寸来放大测量信号。然而，随着纳米颗粒的尺寸增加，在生物结合反应过程中引起空间位阻现象，因此反应效率可能降低。