CN101995420A

CN101995420A - 使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法

Info

Publication number: CN101995420A
Application number: CN2009101709688A
Authority: CN
Inventors: 汉述仁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-30

Abstract

本发明涉及一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，该方法包括：先提供一设有多个检测模块和多个微流道的生物芯片，其每一检测模块包含多个磁性生物检测器；再固定探针分子于磁性生物检测器表面；接着将侦测分子与磁性纳米颗粒结合而完成标定程序；再让侦测分子与待测分子相结合；另将样本溶液通过微流道引入，侦测分子与探针分子结合，侦测分子上的磁性纳米颗粒将改变磁性生物检测器的电阻值；最后，则将实时变化的电阻值经由处理器进行动力学模型处理，以获得分子间结合、解离参数。

Description

使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法

技术领域

本发明涉及一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，特别是应用了“微流道”、以及本发明人相关前案中属于分布式架构、测量模式为积电流式且包含有多个磁性生物检测器(GMR orMTJ biosensor)的”生物芯片”，以同时测得多种生物分子相互作用的实时(real time)曲线。

背景技术

利用实时的分子结合数据(data)以获得生物分子之间动态交互作用的信息是十分必须的，而分子之间交互作用动力学和结构变化等信息，可以帮助科学家们了解特定分子是如何驱动或抑制特定的生化反应，此在临床医学、生物化学、生医工程等领域均为绝对必要的。

以目前最新式的侦测机器：表面等离子共振机器(SPR，surfaceplasmon resonance)而言，能测得至少四种信息，这四种信息包括：(1)特定性(specificity)、(2)分子动力学(kinetics)、(3)亲和力(affinity)、以及(4)待测物浓度(concentration)，以下分别简述之。

(1)特定性(specificity)：直接由是否有讯号变化来获得YES/NO答案，并判断分子间的相互作用是否有特定性。

(2)分子动力学(kinetics)：分子间相互作用的动力学，亦即分子间的结合速率(association rate)和解离速率(dissociation rate)，其可由所量得的实时曲线、再加上运用动力学模型做曲线拟合(curve fitting)来获得。当待测样本流过时，分子间开始结合，讯号开始上升；当达到平衡状态时，讯号变成水平(饱和)；接着流过缓冲溶液(buffer solution)，已结合的分子则会开始解离(dissociation)，讯号开始下降。

(3)亲和力(affinity)：分子间亲和力可以通过达到平衡状态时讯号大小对样本溶液浓度的关系来得到。分子间亲和力也可由动力学测量获得。

(4)待测物浓度(concentration)：通过比较所得的讯号大小与校对(calibrated)过的讯号，即可得知待测物浓度。

然而，所述的目前最新式的表面等离子共振机器，其最大的优点虽在于待测分子不需经过标定(labeling)程序，故可以简化实验程序，但其缺点在于(1)构造复杂、体积庞大且极为昂贵，根本无法普及且只存在于实验单位，甚至于(2)还缺乏同时侦测多种分子相互作用的能力，即便是目前市面上最新式的所述表面等离子共振机器，最多亦仅能同时侦测四种分子相互作用的反应，根本无法符合科学家们在研究、分析上的需求。因此，成本低、具备可携带特性、保有高灵敏度、且还能同时测得多种生物分子相互作用的新方法则有极高的需求性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，通过本发明人相关前案TW申请案第097122624号“生物芯片检测装置及其检测方法”发明专利中属于分布式架构、测量模式为积电流式且包含有多个磁性生物检测器(GMR biosensor，甚或是MTJ biosensor，其中MTJ＝magnetictunnel junction)的“生物芯片”，再加上设于生物芯片上的多个“微流道”，就能测得相同于现有表面等离子共振机器(SPR)所能测得的所有实时曲线、参数，且还能同时侦测远优于现有数量的多种生物分子相互作用的曲线、参数。

为达上述目的，本发明提供一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，包括以下步骤：a.提供一生物芯片：其上设有多个检测模块和多个微流道，各该微流道内具有所述检测模块中的一部分，各该检测模块则包含多个磁性生物检测器；b.固定探针分子：将探针分子固定于各该磁性生物检测器表面；c.标定：将侦测分子与磁性纳米颗粒相结合；d.让侦测分子与待测分子相结合：在外界环境先将已附有磁性纳米颗粒的侦测分子与样本溶液里的待测分子相结合；e.引入样本溶液：将样本溶液通过所述的微流道而引入于该生物芯片上，已附有磁性纳米颗粒的侦测分子与磁性生物检测器表面上的探针分子相结合，且磁性纳米颗粒将改变磁性生物检测器的电阻值；以及，f.获得参数：将实时变化的电阻值经由处理器进行动力学模型处理，即可获得分子间结合、解离参数。

由此，便能测得相同于现有表面等离子共振机器(SPR)所能测得的所有实时曲线、参数，且还能同时侦测远优于现有数量的多种生物分子相互作用的曲线、参数。

为了能够更进一步了解本发明的特征、特点和技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，只是所附图式仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

附图说明

图1为本发明中的生物芯片的俯视图及其A部分的放大图(还未整合微流道)；

图2为本发明中的生物芯片的俯视图(已整合微流道)；

图3为本发明方法的简单示意图；

图4为本发明方法的流程图；

图5为本发明中的生物芯片的检测电路示意图。

图中符号说明

1 生物芯片 10 基材

11 检测模块 111 磁性生物检测器

113 参考检测器

12 第一微流道 13 第二微流道

2 检测电路 21 第一电压源

22 第二电压源 23 第一放大器

24 第二放大器 25 第三放大器

26 第一电阻 27 第二电阻

31 探针分子 32 待测分子

33 侦测分子 34 磁性纳米颗粒

A 图1中所局部放大的部分

具体实施方式

本发明提供一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，用以测得相同于现有表面等离子共振机器(SPR)所能测得的所有实时曲线，且还能同时侦测多种生物分子相互作用的曲线(本方法所能同时侦测的数量远多于现有表面等离子共振机器)。

请参阅图1所示即为本发明人相关前案中的生物芯片检测装置的俯视图，该生物芯片检测装置包含至少一生物芯片1以及多个检测电路2(见图5)。

生物芯片1上设有多个阵列状排列的检测模块11，每一检测模块11包含有多个磁性生物检测器(GMR biosensor或MTJ biosensor，MTJ＝magnetic tunnel junction)111，以形成分布式的磁性生物检测器架构。每一检测模块11由多个经过微影(photolithography pattern)后的微小磁性生物检测器111所组成；每一磁性生物检测器111可为数微米长(或宽)以及微米至次微米宽(或长)的尺寸，以提供极高的灵敏度。这些磁性生物检测器111均匀地分布于每一检测模块11中，以提供最佳的面积覆盖率。此外，这些磁性生物检测器111整合于生物芯片1，且每一生物检测器为“巨磁阻(giant magnetoresistive)”型式的磁性生物检测器111，因此每一磁性生物检测器111的电阻会随着外在磁场的变化而改变。

请参阅图5所示，检测电路2电性连接于生物芯片1，每一检测电路2包含一第一电压源21、一第二电压源22、多个参考检测器(referencesensor)113、一第一放大器23、一第二放大器24和一第三放大器25。第一电压源21电性连接于每一检测模块11的每一磁性生物检测器111的一端而输入电压，每一磁性生物检测器111的另端则电性连接至第一放大器23，第一放大器23输出检测电流；每一磁性生物检测器111之旁另设有一参考检测器113，每一参考检测器113的一端电性连接至第二电压源22而供输入电压，每一参考检测器113的另端则电性连接至第二放大器24，第二放大器24输出参考电流；第三放大器25接收第一、二放大器23、24的输出，并在经过比较之后再输出一最后检测值。由此，每一磁性生物检测器111的电阻值变化所造成的电流变化即可相加，相加后的变化量将变大而利于判读、比较，其次则能缩短分子扩散至磁性生物检测器111的所需时间并提高其检测灵敏度。换言之，每一检测模块11的所有磁性生物检测器111于相加后的检测电流，与所有参考检测器113于相加后的参考电流进行比较；另外，检测电流和参考电流在分别一一相加后将使电流变化量变大，以利于判读、比较，而此即为“积电流式”的测量模式。

每一生物芯片1以CMOS(互补式金属氧化层半导体)或CMOS兼容制程所制造而成；检测电路2可设置于与生物芯片相连接的电路板(图未示)上，磁性生物检测器111与检测电路2彼此电性相通。检测电路2中的第一、二放大器23、24还可以分别电性跨接一第一、二电阻26、27。

请参阅图3、4所示为本发明方法的简易示意图及流程图，其包括如下步骤：

步骤一、提供一生物芯片：生物芯片上设有多个检测模块和多个微流道(fludic channel)，以图2为例整合有第一、二微流道12、13，且设有16个检测模块，因此，第一、二微流道12、13内各具有8个检测模块，又，每一检测模块则包含多个磁性生物检测器(GMR biosensor或MTJ biosensor)111；生物芯片包含基材10，磁性生物检测器111则电性连接于基材10上。

步骤二、表面机能化：对各该磁性生物检测器111进行表面机能化(functionalization)动作。

步骤三、固定探针分子(probe molecule)：将探针分子31固定(immobilization)于每一磁性生物检测器111表面。步骤一、二、三请参阅图3中的第一小图。

步骤四、标定(labeling)：将侦测分子(detecting molecule)33与磁性纳米颗粒34相结合(binding)，而达到标定目的。请参阅图3中的第二小图。

步骤五、让侦测分子33与待测分子(target molecule)32相结合：在外界环境先将已附有磁性纳米颗粒34的侦测分子33与样本溶液里的待测分子32相结合，所述探针分子31相对于待测分子32。请参阅图3中的第二、三小图。

步骤六、引入(introduce)样本溶液：将样本溶液通过所述的微流道(12、13)而引入于生物芯片上，已附有磁性纳米颗粒34的侦测分子33与磁性生物检测器111表面上的探针分子31相结合(请参阅图3中的第三小图)，且磁性纳米颗粒34将改变磁性生物检测器111的电阻值。

步骤七、获得参数：将实时变化的电阻值经由处理器(例如微处理器、电子计算器或计算机)进行动力学模型处理，即可获得分子间结合(association)、解离(dissociation)参数，并进而产生所要的曲线，其中，结合参数能得出如图3中的第四小图的上波曲线，而解离参数则能得出下波曲线，上、下波曲线之间的部分则为饱和状态，该第四小图中的横轴(t)为时间(time)，纵轴(s)则为讯号(signal)。当然，此一步骤还可以进一步使用检测电路2(如上述)来测得每一磁性生物检测器111的电阻值变化所造成的电流变化，并在经过比较之后输出一最后检测值，该最后检测值则再交由所述处理器进行动力学模型处理。而在量测输出每一磁性生物检测器111的检测值之后，还须经过检测电路2的检测，每一检测模块的所有磁性生物检测器111于相加后的检测电流，与所有参考检测器113于相加后的参考电流进行比较；检测电流和参考电流在分别一一相加后将使电流变化量变大，而利于判读、比较。

由于本发明方法是运用本发明人相关前案TW 097122624号“生物芯片检测装置及其检测方法”中属于分布式架构、测量模式为积电流式且包含有多个磁性生物检测器(GMR biosensor，甚或是MTJbiosensor)的生物芯片1，并于本发明人相关前案的生物芯片1上另外增设有多个微流道，以测得相同于现有表面等离子共振机器(SPR)所能测得的所有实时曲线、参数，且还能同时侦测多种生物分子相互作用的曲线、参数，而本发明方法同时侦测的数量远多于现有表面等离子共振机器所能同时侦测的数量，因为本发明生物芯片1中的磁性纳米颗粒34的磁场能够改变磁性生物检测器111的电阻值并进而检测到电流的变化，而且还有：缩短分子扩散至磁性生物检测器111的所需时间、提高检测灵敏度、可让每一磁性生物检测器111的电流变化相加而利于判读和比较、用以读取讯号的设备非常简单而利于携行、以及所有磁性生物检测器111均匀分布而提供最佳的面积覆盖率等功效，据此，本发明方法能测得相同于现有表面等离子共振机器所能测得的所有实时曲线、参数，且还能同时侦测多种生物分子相互作用的曲线、参数(同时侦测的数量远多于现有技术)。

本发明方法如前述般能测得相同于现有表面等离子共振机器所能测得的所有实时曲线、参数，亦即至少四种信息：(1)特定性(specificity)、(2)分子动力学(kinetics)、(3)亲和力(affinity)、以及(4)待测物浓度(concentration)。以其中的特定性而言，本发明第一、二、三...微流道下的所有磁性生物检测器111的表面皆固定(immobilize)同一种分子A，并让第一微流道12流过具有分子B的样本溶液、第二微流道13流过具有分子C的样本溶液、以及第三微流道(图未示)流过具有分子D的样本溶液，并观察磁性生物检测器111的讯号变化以判断A和各种分子的特定性。

本发明方法可控制具有某分子的样本溶液在不同的微流道内流动，且不同的微流道各具不同的流速，以比较其实时反应的变化，进而则可确定分子结合是由反应速率决定而得到正确参数。再者，本发明方法还可搭配所述的微流道来进行不同的侦测，例如，(1).所述微流道分别供流速相异的同一样本溶液通过；(2).在所述微流道中的第一微流道12内，以检测模块11为单位而在每一检测模块11中的所有磁性生物检测器111上固定有彼此相异的探针分子31，所述微流道中的其余微流道则使用相同于该第一微流道12的检测模块11的分子组合，且供流速相异的相同样本溶液来分别通过所述微流道；(3).所述微流道的其中之一还可以当作对照组使用，其余的微流道则分别供流速相异的相同样本溶液通过；(4).所述的固定探针分子步骤是固定单一种探针分子31，而引入样本溶液步骤则是在各该微流道内引入各具相异待测分子的样本溶液。

此外，磁性生物检测器111的磁性层会对磁性纳米颗粒产生推斥力，因此，为了得到正确的参数，动力学模型所使用的公式里必须包含到此一推斥力。

本发明方法的特点：本发明方法通过多个磁性生物检测器111整合于单一生物芯片来进行生物分子相互作用、分析，而此一新式的本发明生物分子相互作用分析的方法，虽然需要一个标定待测分子的程序(即上述步骤四)，然而其生物芯片是以CMOS(互补式金属氧化层半导体)或CMOS兼容制程所制成而适合大量生产、并可降低成本；再者，由于其电性讯号直接从磁性生物检测器(GMR biosensor或MTJbiosensor)产生，相对而言，使其讯号读取设备可以非常简单且低成本；更何况本发明方法还能测得相同于现有表面等离子共振机器(SPR)所能测得的所有实时曲线、参数；另外则是本发明方法还可以通过高密度的该些磁性生物检测器，来达到可轻易地同时量测(侦测)多组反应的目的，且其同时侦测的数量远多于现有表面等离子共振机器所能同时侦测的数量。

以上所述，仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围，举凡运用本发明说明书及附图内容所为之等效结构变化，均理同包含于本发明的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其特征在于，包括步骤：

a.提供一生物芯片：其上设有多个检测模块和多个微流道，各该微流道内具有所述检测模块中的一部分，各该检测模块则包含多个磁性生物检测器；

b.固定探针分子：将探针分子固定于各该磁性生物检测器表面；

c.标定：将侦测分子与磁性纳米颗粒相结合；

d.让侦测分子与待测分子相结合：在外界环境先将已附有磁性纳米颗粒的侦测分子与样本溶液里的待测分子相结合；

e.引入样本溶液：将样本溶液通过所述的微流道而引入于该生物芯片上，已附有磁性纳米颗粒的侦测分子与磁性生物检测器表面上的探针分子相结合，且磁性纳米颗粒将改变磁性生物检测器的电阻值；以及

f.获得参数：将实时变化的电阻值经由处理器进行动力学模型处理，即可获得分子间结合、解离参数。

2.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，在提供一生物芯片步骤与固定探针分子步骤之间，进一步增加一表面机能化步骤：

对各该磁性生物检测器进行表面机能化动作。

3.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，该处理器为：微处理器、电子计算器和计算机的其中之一。

4.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，所述的微流道分别供流速相异的同一样本溶液通过。

5.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，所述的微流道中的第一微流道内，以检测模块为单位而在每一检测模块中的所有磁性生物检测器上固定有彼此相异的探针分子，所述的微流道中的其余微流道则使用相同于该第一微流道的检测模块的分子组合，且供流速相异的相同样本溶液来分别通过该些微流道。

6.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，所述的微流道的其中之一当作对照组使用，其余的微流道则分别供流速相异的相同样本溶液通过。

7.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，所述的固定探针分子步骤是固定单一种探针分子，而引入样本溶液步骤则是在各该微流道内引入各具相异待测分子的样本溶液。

8.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，该生物芯片是以互补式金属氧化层半导体和互补式金属氧化层半导体兼容制程的其中之一所制造而成。

9.如权利要求1所述的使用生物芯片同时侦测多种生物分子相互作用的方法，其中，该获得参数步骤是进一步使用一检测电路来测得每一磁性生物检测器的电阻值变化所造成的电流变化；该检测电路包含一第一电压源、一第二电压源、多个参考检测器、一第一放大器、一第二放大器和一第三放大器，该第一电压源连接于该检测模块的每一磁性生物检测器的一端而输入电压，每一磁性生物检测器的另端则连接至该第一放大器，该第一放大器输出检测电流，每一磁性生物检测器之旁另设有一参考检测器，每一参考检测器的一端连接至该第二电压源而供输入电压，每一参考检测器的另端则连接至该第二放大器，该第二放大器输出参考电流，该第三放大器接收该第一、二放大器的输出，并在经过比较之后再输出一最后检测值，该最后检测值则再交由处理器进行动力学模型处理。