CN102762971A - 纳米流体生物传感器及其对于快速测量溶液中的生物分子相互作用的应用及方法 - Google Patents

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Abstract

要求保护一种用于快速检测在纳米限制范围的狭缝(204)中扩散的生物分子(320)的方法和设备。具体地，本发明涉及一种帮助设备填充的流体侧孔(205)、覆盖有生物分子的表面以及测量含水溶液中荧光标记生物分子和在表面上固定的其他生物分子之间的亲和力的新颖构思。

Description

纳米流体生物传感器及其对于快速测量溶液中的生物分子相互作用的应用及方法
技术领域
本发明涉及用于使用光学装置在纳米流体生物传感器中检测荧光标记生物分子的方法和设备。本发明可以有利地用于生物医学和生物学分析。
背景技术
纳米流体被定义为具有纳米范围尺寸通道的流体系统，并且已经应用到了允许DNA操作、蛋白质分离和样品预浓缩的微流体系统中。当前大部分的纳米流体研发是为了生物工程和生物技术应用。
目前用于检测特定生物分子的方法可以分为两类：(a)标记技术，以及(b)无标记技术。
在标记技术中，广泛使用的是荧光法、比色法、放射性法、磷光法、生物发光法和化学发光法。也可以考虑官能化磁珠作为标记技术。它们的优点在于与无标记方法相比的敏感性，以及由特异性标记带来的分子识别。
在无标记技术中，广泛使用的是电化学生物传感器，其涉及电流分析传感器、电容型传感器、电导型传感器或阻抗型传感器，具有快速和廉价的优点。当生物分子被捕获于或者固定到电极上或附近时，它们测量电极结构的电特性的变化，但是所有这些概念都缺少分子特异性对比、敏感性和可靠性。
表面等离子共振(SPR)也是一种无标记光学技术，用于监测发生在非常接近传感器金表面的生物分子相互作用，并且已经带来了在不需要冲洗样品溶液中未反应或过量反应物的情况下实时研究表面限制的亲和作用的很大可能性。
酶联免疫吸附试验(ELISA)是一项重要的生物化学技术，主要用于检测抗体和抗原的存在，因而被广泛用作医学和各种工业中的质量控制检验的分析工具。然而，ELISA分析昂贵，需要大量的溶液和冗长的时间来获得结果。目的
本发明的一个目的在于提供一种基于微米和纳米流体的廉价和快速的生物传感器，其不需要复杂的操作。
本发明的又一目的在于使用纳米流体从几何学上限制光学测量体积，因而获得生物传感器的高敏感性。
本发明的再一目的在于与现有生物传感器相比，简化不同的表面涂层。
参考附图和优选实施方案，本发明的这些和其他目的将会变得逐步明显。
发明内容
本发明基于下述发现：可以将孔设计在微米流体和纳米流体系统的侧面上，从而避免流体系统的容器和外部管道之间的复杂连接。通过在包含待测定的生物分子的溶液内简单浸渍而填充设备。这就给出了一个测量扩散的生物分子和在表面上固定的其他生物分子之间的相互作用的可能性。
本发明还基于下述发现：如果必要，还可以由包含待测定的小浓度荧光生物分子的溶液替换通常与水浸物镜一起使用的浸渍水。
最后，本发明强调使具有不同生物分子的每个单晶片功能化并以阵列结构布置这些晶片以执行快速的多路检测的可能性。
在本发明的范围中，使用纳米流体，原因在于其高的表面-体积比，这意味着表面包括在检测体积中，使扩散的生物分子和表面上其他固定的生物分子之间的相互作用的检测最大化。
附图说明
图1A是由支撑体100组成的系统的示意图，纳米流体生物传感器200的阵列附着在支撑体100上。包含荧光生物分子300的溶液沉积在设备上，并且使用覆盖有污染过滤器400的光学系统500进行测量。
图1B是由支撑体100组成的备选的生物传感系统的示意图，纳米流体设备200的阵列附着在支撑体100上。包含荧光生物分子300的溶液沉积在设备上，并且光学系统500用在EPI检测中。
图2示出了由两个基底201和202限制的纳米狭缝的横截面。光学体积510和纳米狭缝204之间的交叉界定荧光生物分子331的检测区。扩散的荧光生物分子320可以与表面310上固定的生物分子相互作用，并因而在特异性结合存在时产生分子复合物330。
图3是由底部结构202组成的微制造设备的阵列的透视图，限制一个或多个纳米狭缝204的非晶硅层沉积在底部结构202上。基底盖201通过阳极键合贴附。液体从侧面205上的侧孔进入设备。
图4表示支撑体100的顶视图，纳米流体设备200的阵列固定在支撑体100上。(A)图示了矩形阵列，其示出例如2-晶片布置210和3-晶片布置220，以及(B)图示了六边形阵列，其示出例如3-晶片布置230和4-晶片布置240。
具体实施方式
如本文所用，术语“生物分子”旨在是一个通用术语，其包括例如(但不限于)多克隆抗体、单克隆抗体、Fab片段、重组抗体、球状蛋白、氨基酸、核酸、酶、脂质分子、多糖和病毒。
如本文所用，术语“纳米狭缝”旨在是一个通用术语，其表示一种界限分明的微制造结构，具有纳米尺寸的高度，其宽度和长度较大。纳米狭缝的纳米尺寸高度被限定为大于2nm，原因在于检测的最小蛋白质的尺寸，这些蛋白质必须进入狭缝并且具有相同的数量级。本发明限于高度低于微米的纳米狭缝，原因在于光学系统的检测体积的范围通常具有相同的数量级。
如本文所用，术语“纳米通道”旨在是一个通用术语，其表示一种界限分明的微制造结构，具有纳米尺寸的高度和宽度，其长度较大。
本发明旨在简化特定扩散生物分子的存在的测量，以及简化特定扩散生物分子与表面或者在表面上固定的其他生物分子相互作用的测量。如图1中所示，纳米流体设备200的阵列固定在支撑体100上，举例来说，例如标准的显微镜盖玻璃或者塑料封壳。包含荧光标记生物分子的含水溶液被布置在支撑体上，使得纳米流体设备的侧孔205中的至少一个被包含在溶液300中，这导致填充了纳米流体设备的通道。如果必要，如图1A中所强调，可以使之前固定有污染过滤器400的水浸显微镜物镜500与溶液接触。否则，如图1B中所示，将光学系统用于EPI检测。
图2示出了检测的原理，以及图3示出了根据本发明的生物传感器的实施方案的结构。首先，将生物分子310固定在基底201和202的表面上。必须以下述方式将检测体积510集中在纳米狭缝204内：由纳米狭缝204的体积和检测体积510界定的交叉体积最大。接着，通过毛细管作用将包含荧光标记生物分子320的溶液300填充到系统中。生物分子320扩散，与固定在纳米狭缝204内部的生物分子310相互作用，并且可产生分子复合物330、331。固定的荧光发射复合物331和扩散通过光学检测体积的扩散的荧光发射生物分子320均由光学系统检测。
本发明不同于当前用于检测分子相互作用的生物传感器。侧孔的独特设计允许液体溶液直接进入流体系统。这不同于当前基于微米和纳米流体容器的生物传感器，当前的生物传感器必须与柔性管机械连接。那些方案需要注射包含待分析的生物分子的溶液，并且需要驱使它们通过微米或纳米通道，这增加了系统的操作复杂性。
图3示出的生物传感器可以如下制备：首先，通过湿或干蚀刻来蚀刻晶圆202的侧孔。接着，沉积2至1000nm厚度的非晶硅层203，并利用标准的光刻技术进行构型，使得纳米狭缝204的轮廓几何化。将第二晶圆201阳极键合到第一晶圆202上。第二晶圆201的高度必须与显微镜物镜相符。然后，将晶圆201、202切割为单独的晶片。纳米狭缝204链接两个侧孔205并且由两个晶圆201、202之间的间隔界定。非晶硅层203用作间隔物，以限制纳米狭缝204的高度。
图4示出了生物传感器200的阵列，生物传感器200固定在可安装显微镜的支撑体100上。生物传感器200的布置可以是(A)矩形或者(B)六边形，但是也可以考虑任何其他形状。
根据本发明的设备的操作展示了与其他固定的生物分子相互作用或者不与之相互作用的生物分子的检测、列举、识别和表征。本发明的应用可以涵盖生物医学、生物学和食品分析以及分析和生物分析化学中的基本研究。

Claims (10)

1.一种用于检测和测量荧光生物分子(320)的扩散和生物分子相互作用(310，320)的生物传感器(200)；所述生物传感器(200)基本上由基底组成，所述基底具有被设计成位于光学系统(500)前面的上部(201)、下部(202)和侧面；所述生物传感器(200)还包括适用于包含生物分子(320)的溶液(300)的间隔；
其特征在于，所述间隔是纳米狭缝(204)，所述纳米狭缝被限定在所述上部和下部(201，202)之间并且与位于所述侧面上的侧孔(205)连通。
2.根据权利要求1所述的生物传感器(200)，其中纳米狭缝(204)的内壁预先覆盖有诸如生物分子(310)的物质，该物质可以与所述溶液(300)的生物分子(320)生物或化学相互作用。
3.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中所述基底由从下列组成的组中选择的材料制成：硅、玻璃、塑料和氧化物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)，其中所述侧孔(205)具有100nm2至20nm2的面积，以及所述纳米狭缝(204)具有2nm和1000nm之间的高度、2nm和20mm之间的宽度以及2nm和20mm之间的长度。
5.一种包含多个如前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)的阵列，所述生物传感器(200)固定在共同支撑体(100)上。
6.一种由一个或多个如前述权利要求中任一项所述的生物传感器(200)组成的组件，所述组件包含用于激发和检测的光学装置。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述光学装置是荧光测量单元，所述荧光测量单元包含检测器，所述检测器是诸如检测器阵列(CMOS或CCD)的单光子检测器、雪崩光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)。
8.一种用于检测和测量荧光生物分子(320)的扩散和生物分子相互作用(310，320)的方法，所述方法包括：
a)提供至少一个如权利要求1至4中任一项所述的生物传感器(200)；
b)通过在生物传感器(200)上沉积包含荧光生物分子(320)的含水溶液(300)，从侧孔(205)填充所述生物传感器(200)；
c)放置光学系统(500)，如果与所述含水溶液(300)接触，则所述光学系统(500)受污染过滤器(400)保护；
d)确定荧光生物分子(320)和通过光学检测体积的那些荧光生物分子的存在和扩散动力学，所述光学检测体积能够部分地或者完全限制在所述纳米狭缝(204)内部。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述生物分子(320)是蛋白质、DNA、RNA、抗体、氨基酸、核酸、酶、脂质分子、多糖或病毒。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述含水溶液(300)还可以用作通常与液体浸渍物镜一起使用的液体。
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