CN103119443B - 用于检测环境间接调节的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施方案中间接改变试验位置环境条件的系统和方法包括：在基底上提供试验位置，在试验位置提供第一可激活刺激物，提供构造成能在试验位置激活第一可激活刺激物的执行器，控制执行器以激活第一可激活刺激物，以及用第一已激活刺激物改变试验位置的局部化学环境。

Description

用于检测环境间接调节的装置和方法

技术领域

本发明涉及诊断试验，具体地涉及基于亲合性的诊断试验。

背景技术

在个体护理地点，例如在病人的床边、在护理服务提供者的场所、或在病人的家中可以进行的诊断试验已变得越来越通行。例如，LeroyHood等在“SystemsBiologyandNewTechnologiesEnablePredictiveandPreventativeMedicine,”Science306,no.5696(October22,2004):640-643对这类诊断试验的前景进行了描述。取决于具体的诊断试验，测试的物质可以是人体体液，例如血液、血清、唾液、生物细胞、尿或其它生物分子。然而，诊断试验不限于生物分子，因为可以进一步要求对诸如乳品、婴儿食品、或水的消耗物进行测试。

许多诊断试验装置结合了基于亲合性的传感器，该传感器被认为是检测生物标记物的现有技术的方法。基于亲合性的传感器根据“锁钥(key-lock)”原理产生作用，其中使用与所关注的标记物有很高关联因子的分子用于检测。例如，妊娠试验套件可包括针对hCG(βhCG)的β亚基的特定单克隆抗体。该抗体与用于检测的标记，如金、胶乳或荧光团共轭。如果靶分子与共轭抗体结合，标记的锁钥对就可以被检测到，例如通过可见的试验行(line)。

ELISA板和微阵列(例如，核酸、肽、和蛋白质)就包括了类似的原理。图1描绘了ELISA化验(assay)10，其中抗体12固载在基底14上。基底14可以布置在井(未显示)内。配备阻隔条(blocker)16，覆盖抗体12周围的基底表面。在典型的ELISA化验中，此时要向其中固载了第一抗体12的井中加入包括所关注的分子的样品18。接着，将样品温育(incubate)一段时间。在温育过程中，阻隔条16可阻止样品中所关注的分子与基底14的表面结合，以免产生误结合。在温育过程中，一些所关注的分子18变为与一些抗体12结合，如图2所描绘的。温育之后，洗涤剩余的样品，除去未结合的所关注的分子18。

随后，向所述井加入带结合标记22的第二抗体20，温育并洗涤，得到图3的构造。如图3中的描绘，带标记的第二抗体20与所关注的分子18结合，这反过来又与抗体12结合。相应地，通过抗体20与所关注的分子18结合的标记22的数量与靶抗原的浓度成比例。取决于所使用的标记，标记的数量最后可以使用比色方法、电流测定方法、磁力测定方法、伏安测定方法、发光方法、或荧光检测方法检测到。可以可替代地使用其它的无标记抗体方法，例如表面等离子体激元共振。

化验中的两个主要优点性能指标包括灵敏度和交叉反应性；两者都影响最小可检测浓度和诊断误差率。这类试验中的灵敏度通常受标记检测准确度、抗体-抗原对的关联因子、和表面上探测抗体的有效密度限制。

基于亲合性的传感器的一个问题是传感器与其它生物标记物的交叉反应性。换言之，传感器不是感测到单一的生物标记物或所关注的分子，而是还常常会感测到所关注的生物标记物以外的其它生物标记物。交叉反应性问题在图4中绘出，其中ELISA化验30包括固载在基底34上的抗体32，其包含覆盖了大部分基底表面34的阻隔条36。此外，带标记的第二抗体38与所关注的分子40结合，这反过来又被第一抗体32结合。带标记的第二抗体38还与分子42结合，分子42表现出对第一抗体32的亲合性，并被第二抗体38所标记。对宽范围的生物标记物的灵敏度因此增加了临床水平诊断试验的假阴性/阳性比率，例如，P.ABenn等在“Estimatesforthesensitivityandfalse-positiveratesforsecondtrimesterserumscreeningforDownsyndromeandtrisomy18withadjustmentforcrossidentificationanddoublepositiveresults,”PrenatalDiagnosis,Vol.21,No.1,pp46-51,2001中所报告的。因此，样品中其它分子(第二分子或抗原)的存在与第一抗体结合，影响了最小检测浓度。

化验的准确度会进一步受生理吸收(physiosorption)影响。如图4中所另外描绘的，存在于ELISA化验30中的一些特征44，或者是污染物或者仅仅是不一致(incongruity)，也可以与标记的第二抗体38结合。生理吸收的被标记的第二抗体38因此会造成背景信号的增加。

具体样品中所关注的分子相对不足使得提供高置信度(fidelity)的诊断试验进一步复杂化。如RobertF.Service在“PROTEOMICS:ProteomicsPondersPrimeTime,”Science321,no.5897(September26,2008):1758-1761中所报告，血液中不同蛋白质的浓度差异会大于10个数量级。因此，为了保证要求的置信度水平，捕集分子对所关注的生物标记物的亲合性必须比捕集分子对样品中任何其它分子的亲合性高几个数量级。

克服交叉反应性和背景问题会明显延缓新的化验试验开发，并且会增加总体试验的成本及复杂性。例如，在努力减轻涉及亲合性测试的各种灵敏度和干扰问题的过程中，通过找到能使所关注分子与抗体的结合最大化的试剂和环境条件的组合，具体的化验通常也可得到优化。因此，优化可以要求结合高选择性的抗体。相应地，典型的ELISA化验的开发要求数个科学家工作一年以上来识别可接受的抗体。蛋白质的交叉反应性是这类研发工作失败的常见原因。

优化所关注特定分子的诊断试验的另一方法要求在平台的不同位置局部控制试验条件，以此提高试验的特异性。一种这类方法描述在2009年10月15日申请的美国专利申请12/580,113，其全部内容在本说明书中通过引用结合在此。据2010年1月15日申请的美国专利申请No.12/688,193描述，在平台的不同位置局部控制试验条件也可以用来提高化验的动态范围，其全部内容通过引用结合在此。

在平台的不同位置局部控制试验条件通常可以通过电影响生物化学反应来进行尝试。对这类电控制所作的各种尝试已在以下中报告：R.G.Sosnowskietal.,“RapiddeterminationofsinglebasemismatchmutationsinDNAhybridsbydirectelectricfieldcontrol,”ProceedingsoftheNational AcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica94,no.4(February18,1997),IanY.WongandNicholasA.Melosh,“DirectedHybridizationandMeltingofDNALinkersusingCounterion-ScreenedElectricFields,”Nano Letters0,no.0(January),IanY.Wong,etal.,“ElectronicallyActivatedActinProteinPolymerizationandAlignment,”JournaloftheAmericanChemical Society130,no.25(June1,2008):7908-7915,以及UlrichRantetal.,“SwitchableDNAinterfacesforthehighlysensitivedetectionoflabel-freeDNAtargets,”ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences104,no.44(October30,2007):17364-17369等。

通过电影响生物化学反应来控制试验条件虽然有前景，却也有问题。例如，大部分电势在电极表面上形成的双电层中耗散。相应地，电影响的效果范围有限。

对能结合低成本抗体进行化验的装置和方法存在需求。进一步对诸如多路化验的试验，例如，蛋白阵列、竞争性化验、基于微珠的阵列及低成本的装置，例如，侧流装置、或其它生物芯片存在需求。它们都可提供精确的结果以及使用这类阵列的方法。能比所谓的优化化验提供更精确结果的方法和装置将会有进一步的优点。

发明内容

根据一个实施方案，在一个实施方案中间接改变试验位置环境条件的系统和方法包括：在基底上提供试验位置，在试验位置提供第一可激活刺激物，提供构造成能在试验位置激活第一可激活刺激物的执行器，控制执行器以激活第一可激活刺激物，以及改变含第一已激活刺激物的试验位置的局部化学环境。

根据另一个实施方案，控制试验位置环境条件的系统包括：包括至少一个试验位置的基底，位于基底上并且构造成能在至少一个试验位置上使用的至少一个可激活刺激物，以及至少一个执行器，其布置成能驱动在至少一个试验位置上的至少一个可激活刺激物的至少一个。

附图说明

图1描绘了ELISA阵列内现有技术试验位置的示意图，所述ELISA阵列含有抗体以及样品添加到试验位置上时在基底上形成的阻隔条；

图2描绘了图1的试验位置，所述试验位置含有在试验位置经温育和洗涤后结合到图1的一些抗体的所关注分子；

图3描绘了标记的第二抗体已经加入并且试验位置已经再次温育及洗涤之后图2的试验位置，这样标记的第二抗体结合到所关注的结合分子；

图4描绘了ELISA阵列内现有技术试验位置的示意图，其中标记的第二抗体由于交叉反应性而与干扰分子结合，并且还被生理吸收到基底的表面，这提高了试验的背景噪声水平；

图5描绘了多位置的生物传感器系统，所述系统构造成能在各种试验位置控制化学环境条件，以调节所关注分子在试验位置的亲合性；

图6描绘了以微阵列形式提供数个不同试验位置的平台。

图7描绘了可用于在平台上各种试验位置间接建立不同的试验化学环境的方法，这样可将样品暴露于多个测试环境；

图8描绘了试验位置的示意图，其中标记的第二抗体与所关注的分子结合，由于交叉反应性与干扰分子结合，并且还被生理吸收到基底的表面，这提高了试验的背景噪声水平；

图9描绘了试验位置的示意图，其与图8的试验位置相同地形成，并且暴露于与图8的试验位置相同的样品，但是在温育过程中保持不同于图8试验位置pH的pH，得到不同信号源(contributor)的不同结合效率；以及

图10描绘了所关注分子同样浓度的三个样品在不同电压下的检出信号的图表，其显示了当可激活刺激物被电极激活，由此改变试验位置的化学环境时对试验位置捕集分子与所关注分子之间的亲合性的影响。

具体实施方式

为了增进对本发明原理的理解的目的，现参考附图中的举例说明和以下书说明书的文字描述的实施方案对本发明进行说明。应当理解，并无借此对本发明范围进行限制的目的。应进一步理解，本发明包括对图示说明的实施方案的任何改变和修改，并且包括本发明原理的进一步的应用，如本发明所涉及的技术人员通常所能想到的。

参考图5，其描绘了总体标示为100的多位置生物传感器系统的显示图。生物传感器系统100包括I/O装置102、处理电路104和存贮器106。I/O装置102可以包括用户界面、图形用户界面、键盘、指示装置、远程和/或局部通信连接、显示器、以及其它装置，可允许外部产生的信息提供给生物传感器系统100，并且可允许生物传感器系统100的内部信息与外部通信。

处理电路104合适地可以为通用计算机处理电路，例如微处理器及其相关的电路系统。可操作处理电路104执行本说明书中所属的运算。

存贮器106内是各种程序指令108。程序指令108其中有一些在以下更完整说明，且程序指令108可通过处理电路104执行，和/或视情况而定通过生物传感器系统100的任何其它部件执行。亲合性数据库110也位于存贮器106内。

生物传感器系统100进一步包括化学环境执行器设备112和化学环境检测器套件114。化学环境执行器设备112在本实施例中，在图6所绘的微阵列120内构造成能激活影响试验位置化学环境条件的可激活刺激物。各种方法可用来形成微阵列平台120。举例来说，US5,807,522公开了形成微阵列的方法。

微阵列平台120包括一些不同的子阵列122_X。子阵列122_X包括一些试验位置124。每一个子阵列122_X都与各自的电极对126_X有关。子阵列122_X和相关的电极对126_X的数量和布局，以及每一个子阵列122_X内试验位置124的数量都可以在本发明范围内变化。在本实施方案中，可操作化学环境执行器设备112，使用电极对126_X在微阵列平台120内建立电压曲线(profile)。因此化学环境执行器设备112可用来控制每一个试验位置124的pH，如以下更完整说明的。每个试验位置124内的准确pH可以通过检测器套件114检测。可在微阵列平台120上提供传感器，帮助测定每个试验位置124内的准确pH。

系统100还包括标记阅读器116。标记阅读器116可以与系统100的其它部件一起包括在单一的装置中。可替代地，系统100的一个或多个部件可作为独立的装置配备，其位置可以远离系统100的其它部件。

试验位置124用能有效捕获所关注生物分子的捕获剂制备。涉及生物传感器系统100的更多细节参考图7的工序(procedure)130提供。处理器104执行程序指令108，执行图7工序130的至少一些。在不同的实施方案中，可以修改工序130，取决于具体的标准，可包括更多或更少的步骤。

在图7的框132中，识别所关注的分子，然后识别与所关注分子有亲合性的抗体(框134)。然后识别带被识别抗体的所关注分子在各种不同化学环境条件的结合效率系数(αi)(框136)，并且存储在亲合性数据库110之一中(框138)。

然后识别可能存在于被测试样品中的试验信号干扰或噪音的潜在源(框140)。信号干扰的识别可以包括，例如，对样品内对被识别抗体也有亲合性的可能或潜在分子的识别。然后识别带被识别抗体的每个噪声源在每个不同化学环境条件的结合效率系数(αn)(框142)，并且存储在亲合性数据库110之一中(框144)。

在框146，通过在每个试验位置124中沉积要求量的所选择捕获剂，制备微阵列平台120。在替代实施方案中，试验位置124的一个子集可以用第一捕获剂制备，而试验位置124的另一个子集可以用第二捕获剂制备，这样可允给在单个微阵列平台120内进行两个独立的试验。也可以使用单个微阵列平台120内的另外构造。举例来说，一个子阵列122内的每个试验位置可以用相同的捕获剂制备，而每个子阵列122则包括不同的捕获剂。在本实施方案中，用具体的捕获剂制备的试验位置124的数量可以选择至少与以上识别的噪声源加上所关注分子的数量相同。

一旦制备好微阵列平台120，就制备本体溶液(框148)。本体溶液包括要测试的样品与可激活的刺激物。本说明书中使用的术语“可激活的刺激物”是一种物质，其可以以非活性状态存在于本体溶液中，而通过执行器则可以在本体溶液中激活到激活状态，其中本体溶液中的化学条件得到改变。

一种可用于改变本体溶液pH的这类可激活的刺激物为两性电解质。两性电解质由兼具酸性和碱性化学基团的盐离子组成。两种化学基团的存在可使电解质能够同时质子化和去质子化。质子化和去质子化会影响两性电解质的酸解常数(K_a，或，表示为对数时的pK_a)。具体地，两性电解质的质子给体反应的平衡可以用符号表示为：

而两性电解质的质子受体反应的平衡可以用符号表示为：

其中HA为通用的两性电解质，A-为共轭碱，而H+为水合氢酸分子。当HA、A-和H+的浓度没有变化时，两性电解质处于平衡状态。该常数用以下公式表示：

$K_a=\frac{\left[A^{-}\right]\left[H^{+}\right]}{\left[\mathrm{HA}\right]}$

因此，

${\mathrm{pK}}_a={\log }_{10}\frac{\left[A^{-}\right]\left[H^{+}\right]}{\left[\mathrm{HA}\right]}$

在给定的pH时，两性电解质会实现在最低系统内能下操作的HA、A-和H+组分的平衡浓度。在应用外部能源时，例如通过浸于本体溶液中的电极施加的电压，根据LeChatelier原理会实现新的平衡浓度(pK_a)。

更具体地，当两性电解质分子接受质子(H+)时，两性电解质分子的其余部分就带有正电荷。类似地，当两性电解质分子失去正离子(H+)时，两性电解质分子的其余部分就带有负电荷。因此，当两性电解质处于均衡状态时，就会有带负电荷的两性电解质分子和带正电荷的两性电解质分子的平衡浓度。

通过带负电荷的电极引入负电压，由于电极附近的带正电荷的两性分子的浓度上升到高于液相本体中的浓度，通过熵效应提高了系统的内能。根据以上质子受体的公式，更高的内能可以为带正电荷的两性电解质分子的去质子化提供驱动力，在新的平衡得到更低的带正电荷两性电解质分子的浓度。

在负电极的影响下，带正电荷两性电解质分子的去质子化因此在接近带负电荷电极的区域提高了H+离子的相对浓度。随着H+浓度增加，pH必然地下降。相应地，两性电解质可以以非激活状态存在于本体溶液中，并且可以随后在本体溶液中通过电极激活到激活状态，其中接近电极的本体溶液的pH得到改变。

现回到图7的工序130，一旦制备好本体溶液(框148)，就将本体溶液引入所选组的试验位置124中(框150)。然后控制化学环境执行器设备112，通过电极对126_X施加所要求的电压或多个电压，激活本体溶液中的可激活刺激物，在本实施方案中，这引起试验位置124的pH改变(框152)。

样品然后在建立的测试环境中温育预定的时间(框154)。在温育期间，试验位置124的每个所选组内的实际测试环境通过环境检测器套件114监测，并且向处理电路104提供指示所建立测试环境的数据(框156)。

在一个实施方案中，将在框156得到的数据传递给处理电路104(框158)。在处理电路104的控制下，可以控制电极126_X，进一步调节每个试验位置124的pH。或者，查找表格可以存储在存贮器106中，其中具体的pH值可以关联到两性电解质具体浓度的电极电压。

当样品已经充分温育时，对试验位置124进行洗涤(框160)，将标记的第二抗体引入试验位置124的所选组中(框162)并进行温育(框164)。然后洗涤试验位置124的所选组(框166)，并且用标记阅读器116检测试验位置124中剩余的标记(框168)。基于与试验位置124所选组中剩余的标记数量相关的信号，通过处理电路104计算样品内一个或多个所关注分子的浓度(框170)。

一个或多个所关注分子的浓度的计算是可能的，因为通过标记阅读器116得到的试验位置124所选组的具体某一个信号是信号来源的总和，包括所关注分子和诸如干扰分子的每个噪声源。举例来说，图8描绘了形成在基底184上的包括抗体182的试验位置180₁。抗原186已经与一些抗体182结合。一些干扰抗原188也与一些抗体182结合。标记的第二抗体190与每个结合的抗原186和每个结合的干扰抗原188结合。一些标记的第二抗体190也被生理吸收到基底184的阻隔(blocked)表面。

归因于每个信号源的信号的相对比例取决于特定信号源的浓度、其它信号源的浓度、和每个信号源对初始沉积捕获剂的相对亲合性。所述关系反映在以下公式中：

S₁＝α_1-1C₁+α_1-2C₂+....α_1-xC_x

其中

S₁是与测试位置124₁中检出标记相关的信号，

α_1-1是与被识别信号源(1到x)在测试位置124₁建立的环境下的亲合性成比例的结合效率，以及

C是被识别信号源(1到x)在样品中的浓度。相应地，因为试验位置124的所选组的数量至少等于干扰信号源加一的数量，所以检出信号的数量会对应于被识别的干扰信号源加所关注分子的数量。各种源对全部信号的贡献以及全部信号的值，在试验位置与试验位置之间会有差异。例如，图9描绘了试验位置180₂，该试验位置180₂与试验位置180₁相同地制备，并且暴露于与试验位置180₁所使用的样品相同的样品。试验位置180_x每个中的试验环境不同。相应地，与所关注分子结合的被标记第二抗体190从图8的2个增加到图9的4个。此外，与干扰抗原结合的被标记第二抗体190从图8的2个增加到图9的3个。

因此，如果在一个样品中识别到三个噪音信号源，例如不具体地与首要抗体位置结合并阻止生物标记物结合的被分析物、形成三明治并产生错误信号的被分析物、和生理吸收到试验位置表面并产生错误信号的被分析物，以及所关注的分子，则四个试验位置，例如试验位置124的四个试验位置，是框144处制备单元(cell)的最小数。因此，将会得到四个信号，如反映在以下公式中的：

S₁＝α_1-1C₁+α_1-2C₂+α_1-3C₃+α_1-4C₄

S₂＝α_2-1C1+α_2-2C₂+α_2-3C₃+α_2-4C₄

S₃＝α_3-1C₁+α_3-2C₂+α_3-3C₃+α_3-4C₄

S₄＝α_4-1C₁+α_4-2C₂+α_4-3C₃+α_4-4C₄

因此每个项与结合效率因子α成比例，而结合效率因子α是分子亲合性和其它化验条件如质量传递的函数。相应地，因为在每个试验位置124中使用相同的样品，并且因为在每个试验位置124中所关注分子和干扰抗原对于具体化学环境的结合效率是已知的，因此工序130可提供四个公式和四个未知数。因此可以以已知的方式确定每个信号源的浓度。相应地，也可以确定样品内多个所关注分子的浓度。实际上信号是有干扰的，可以使用线性估算计算法来估算任何具体信号所用的值。此外，一个或多个传感器位置可以用作控制位置，以改善工序130的准确度。

在前述工序中，利用两性电解质的热力学性能，可以偏差小(例如，<1V)且实验时间长(例如，约2.5小时)地调节蛋白亲合性。该技术路径与基于溶液中充电核酸输送率的其它技术路径形成对比。例如，LeroyHood等在“SystemsBiologyandNewTechnologiesEnablePredictiveandPreventativeMedicine”,Science306,no.5696(October22,2004):640-643对基于溶液中充电核酸输送率的核酸杂化电调节进行了描述。在该传输形态(modality)中，两性离子具有降低溶液导电率的性能，这样更多势能可以转移到双层界面的本体溶液。结果是，前面报告的实验只能以大的偏差(～3v)在短时间(～30s)内进行，如C.F.Edman等在“Electricfielddirectednucleicacidhybridizationonmicrochips”,Nucl.AcidsRes.25,no.24(December15,1997):4907-4914中所报告的。

可用于工序130的两性分子的实例为β-丙氨酸，其分子式为：C₃H₇NO₂。β-丙氨酸是在来自羧酸酯基团的β位上具有氨基的自然产生的氨基酸。其是非必需(non-essential)的氨基酸，极易溶在水中。由于存在胺基和羧酸基团两者，β-丙氨酸能够同时质子化和去质子化，其pK_a值分别为3.6和10.2。这些反应可用下式表示：

$\mathrm{\&beta;}\&LeftRightArrow;{\mathrm{\&beta;}}^{-}+H^{+}(p{K}_a=3.6)$

$\mathrm{\&beta;}\&LeftRightArrow;\mathrm{\&beta;}+H^{+}(p{K}_a=10.2)$

因此，均衡状态的浓度为

$\frac{\left[{\mathrm{\&beta;}}^{-}\right]\left[H^{+}\right]}{\mathrm{\&beta;}}={10}^{-3.6}\&DoubleRightArrow;\left[{\mathrm{\&beta;}}^{-}\right]=0.00025\frac{\left[\mathrm{\&beta;}\right]}{\left[H^{+}\right]}$

$\frac{\left[{\mathrm{\&beta;}}^{-}\right]\left[H^{+}\right]}{{\mathrm{\&beta;}}^{+}}={10}^{-10.2}\&DoubleRightArrow;\left[{\mathrm{\&beta;}}^{+}\right]=1.58\&times;{10}^{10}\left[\mathrm{\&beta;}\right]\left[H^{+}\right]$

因此，通过选择正确的pH，就可以使羧酸酯基团去质子化多于胺基的质子化，得到的净不平衡的[β+]和[β-]。例如pH7时，[β-]＝2510[β]且[β+]＝1580[β]。因此，[β-]比[β+]大约多60％，这可得到约23％的只有β-形式的β-丙氨酸，其余为包括β+和β-基团两者的两性离子(假定完全电离)。如果初始pH选定为8，那么98％的β-丙氨酸将只有β-形式，其余为两性离子形式。

因此，通过在溶液中的两个电极施加电势，β-离子会被吸引到正极，正极周围会聚集局部高浓度的β-离子。结果是，正极的[β-]与本体溶液的相比可以为两倍以上。因为上述平衡关系，根据LeChatelier原理[β-]增加会将化学反应推向[β]一侧，从而引起局部[H+]浓度减少。

因此，对正极处的局部pH响应外加电势可动态调整，由此就可以间接调整蛋白亲合性。β-丙氨酸只是能改变电极附近局部pH的两性离子的一个例子。为了提供增强的pH调整能力，可以使用pKa值接近pH7的两性离子。这类两性离子有利于平衡时的不带电荷状态。随着单一带电离子的累积，离子更倾向于转换回到不带电荷状态，沿着pH调整的方向释放或消耗H+离子。

利用两性电解质间接调节电极周围区域的pH已用结合氧化铟锡(ITO)电极的系统在实验上得到验证，所述电极通过蚀刻方法在玻璃载片(glassslide)上制造。然后为含蚀刻电极的玻璃载片提供AustinTexas的MicroSurfaces,Inc.的表面官能化处理，形成通过硅烷偶联化学法固定在玻璃载片上的聚乙二醇(PEG)薄膜。在实验中，在官能化表面(NHS2,MicrosurfacesInc,AustinTX)上能看到抗体碎片(ImmunoChromPureMouseIgGFragmentFc，可从JacksonImmunoResearch,WestGrove,PA获得)，所述抗体碎片随后在三个不同的电压(0.0V,0.25V和0.5V)下与抗小鼠抗体(山羊抗小鼠抗体IgGH+LDyLight549-共轭的，可从JacksonImmunoResearch,WestGrove,PA获得)温育，以评价与IgG的亲合性。样品然后洗涤，并用AxonFluorescent荧光扫描机(可从MDSAnalyticalTechnologies,Sunnyvale,CA商业途径得到)读取。

实验中使用了三个样品。第一样品用来提供基准读数。第二样品在温育/洗涤缓冲液中包括PBS/PBSTween20，其可从SigmaAldrich,St.LouisMO获得。第三样品在温育/洗涤缓冲液中包括混合了500mMβ-丙氨酸的PBS/PBSTween20，其可从SigmaAldrich,St.LouisMO获得。

以上所述实验的结果在图10的图表(graph)400中描绘，该图描绘了实验得到的归一化值。在图10中，第一样品在0.0V、0.25V和0.5V时的读数用圆圈指示，第二样品的读数用三角指示，第三样品的读数用菱形指示。图表400表明基准样品在不同的电压下读数没有显著差异，信号为约3000计数，而使用以上所列公式可测得背景噪声水平为约30计数。此外，使用第二样品在三个电压的任何一个下与基准测定没有明显变化。

然而，用第三样品所得有显著的变化。在0.0V时，图表400显示得到3000计数。因此图表400表明，单独加入β-丙氨酸不会明显改变样品的读数，因为如以上所讨论基准样品也产生3000计数的读数。当施加0.25V的电压时，从第三样品得到的读数增加到5000计数。电压增加到0.5V时，读数进一步增加。在0.5V时，得到约13000计数的读数。此外，13000计数中，背景的贡献测得为约150计数。因此，向电极执行器施加电压，得到的pH变化可激活β-丙氨酸，这可使试验位置的亲合性增加超过4倍，而噪音增加3倍。

虽然上述实验显示，两性电解质可以用作可被电极激活的可激活刺激物，可激活刺激物可以采用其它形式。举例来说，R.Ferrari在“Cancernanotechnology:Opportunitiesandchallenges,”Nat.Rev.Cancer,vol.5,pp.161-171,2005中讨论了使用聚合的聚电解质材料包裹反应性生物分子。通过结合“层-层”(LbL)技术，如E.Donath等在“Novelhollowpolymershellsbycolloid-templatedassemblyofpolyelectrolytes,”AngewChem.,Int.Ed.,vol.37,pp.2201-2205,1998所论述，可以精确定制微囊体的壳。在LbL技术中，利用带相反电荷的聚电解质在各种胶态模板上的交替吸附，可以提供例如精确的包裹厚度。

可使用LbL技术而得到的控制可进一步对包裹壳的物理性能进行精确的工程设计。例如，G.Ibarz等在“Resealingofpolyelectrolytecapsuleaftercoreremoval”,MacromolRapidCommun,vol.23,pp.474-478,2002论述了通过改变壳中层的数量来调整包裹壳的机械强度。此外，可以改变包裹壳的化学特性，如B.DeGeest在“Intracellularlydegradablepolyelectrolytemicrocapsules,”AdvMater,vol.18,pp.1005-1009,2006中所论述的。

相应地，刺激物可以包裹并包括在含样品的本体溶液中。如果有要求，可以然后控制执行器，在形成在刺激物周围的层中形成裂口，由此释放刺激物到本体溶液中，这样可改变试验位置的化学环境。

执行器的形式可以根据微囊体的具体实施方案而变化。在一个实施方案中，超声共振器(resonator)可以用来破裂开微囊体。超声共振器的使用在B.DeGeest等“Ultrasound-triggeredreleasefrommultilayeredcapsules,”Small,vol.3,pp.804-808,2007中有论述。

使用超声共振器时，可以将壳机械性能不同的微囊体结合到本体溶液中。使用不同的壳机械性能可使微囊体的壳选择性破裂，并可选择性增加释放到本体溶液中的刺激物的量或类型。包裹材料的选择性释放在B.DeGeest等“Ultrasound-triggeredreleasefrommultilayeredcapsules”,Small,vol.3,pp.804-808,2007中有论述。

因此，刺激物可以嵌入到CaCO₃微粒中，并且涂敷上聚合电解质和金纳米粒子的交替层，以提供刺激物的选择性释放。用这种方式制造的微粒显示，根据共振器的功率输出(20-100W)以及作用的时间(1-10秒)，在20kHz的超声波下其具有各种释放效率。

如果需要，包裹的刺激物可以为各种类型，每种类型都有激活特性不同的壳。例如，增加酸度的pH缓冲液可以包裹在壳厚度增加的微囊体中。因此，通过增加超声共振器的功率输出，可以向系统引入更大、更剧烈的pH缓冲液的释放。类似地，微囊体壳也可以调节成能通过不同的共振频率激活，而后面接着的本体调节则依赖于频率输出，而不只是共振器的功率。

可以与微囊体类可激活刺激物一起使用的其它执行器包括LASER激光装置。LASER可用于加热微囊体壳内的金属纳米粒子。嵌入的纳米粒子吸收能量并且破坏局部环境，导致外壳渗透性的破坏性改变，如S.Skirtach等在“Theroleofmetalnanoparticlesinremotereleaseofencapsulatedmaterials,”NanoLetters,vol.5,pp.1371-1377,2005中所论述的。

多位置生物传感器因此能在印刷电路板、玻璃、塑料基底上，或在含金、玻璃、环氧树脂、聚合物或凝胶涂层的CMOS芯片上，或者甚至在诸如96孔板(wellplate)的孔板中。如果需要，可以在印刷电路板或CMOS芯片中提供控制、读出、以及对控制的感测。CMOS技术允许在很附近处制作多个感测位置。这有助于保持试验位置中间不可控环境因素的均匀性。芯片可以是使用独立的微流体技术或毛细管原理的系统的一部分，或者可以与单独提供的装置一起使用。如果需要，信号估计和化验数据可以在CMOS芯片上硬编码。

此外，可激活刺激物可以在相同的基底上提供，如试验位置，并且可在样品输送到试验位置时与样品混合。例如，基底可以包括通过流体路径与试验位置相连的样品接收区。可激活刺激物可以预先放置在所述流体路径上的位置，这样可激活刺激物可在样品朝向试验位置输送时与样品混合。

因此，生物传感器系统100可以结合各种可激活刺激物，可激活的刺激物被激活时，可改变试验位置的化学环境。具体的所关注分子会根据具体实施方案而变化。类似地，传感器的类型或结合到标记阅读器116中的传感器会根据所使用的具体标记而变化。因此各种实施方案可以使用发光、荧光、比色、电化学、阻抗、和磁传感器。传感器可以构造成能使所选的一个或多个试验位置产生的信号隔离。同样，结合到环境检测器套件114中的传感器可以包括红外传感器、和霍尔传感器。可以配备AMR传感器或GMR传感器，监测试验位置表面上磁珠的密度。基于ISFET或CMOS的电荷探测电路可以用于电化学实施方案。

工序130因此可以用于各种试验位置平台，包括96-孔板、孔更少或增多的板、微阵列平台、印刷电路板平台、CMOS芯片平台、多路传输化验、蛋白阵列、侧流装置、三明治式化验、竞争性化验、微珠阵列或者其它合适的平台。工序130可以进一步用于检测各种所关注的分子以及抗体以外的不同类型分子。举例来说，工序130也可以用于检测核酸、蛋白、或小分子。所述工序不限于结合方法，因此可以延伸至酶反应研究，包括磷酰化研究、蛋白-蛋白相互作用、蛋白核酸相互作用、和竞争性化验。

虽然本发明已经在附图和前述说明中详细地揭示和描述，上述内容在性质上应认为是举例说明的，而非限制性的。应当理解，公开的只是优选方案，在本发明精神范围内的全部改变、修改和进一步应用都要求得到保护。

Claims (19)

1.一种控制基于亲合性的试验位置环境的方法，所述方法包括：

在基底上提供试验位置；

在所述试验位置提供第一可激活刺激物；

提供执行器，所述执行器构造成能激活位于试验位置的第一可激活刺激物；

控制所述执行器，激活第一可激活刺激物；以及

用第一被激活刺激物改变位于所述试验位置的局部化学环境，以使试验位置的化学条件得到改变，由此改变试验位置的捕集分子和所关注的分子之间的亲合性。

2.权利要求1的方法，其中在试验位置提供第一可激活刺激物包括提供两性电解质。

3.权利要求1的方法，其中在试验位置提供第一可激活刺激物包括提供第一类微囊体珠粒。

4.权利要求3的方法，其中所述在试验位置提供第一可激活刺激物包括：

制备包括第一类微囊体珠粒的本体溶液；以及

将本体溶液引入试验位置。

5.权利要求4的方法，其还包括：

在试验位置提供第二可激活刺激物，所述第二可激活刺激物包括第二类微囊体珠粒，其中第二类微囊体珠粒的激活特性不同于第一类微囊体珠粒的激活特性。

6.权利要求5的方法，其还包括：

确定位于试验位置的化学环境条件的要求值；

在控制执行器激活第一可激活刺激物之后，感测所述试验位置的化学环境条件；

比较感测的化学环境条件与所述化学环境条件的要求值；以及

基于对比结果，控制执行器激活第二可激活刺激物。

7.权利要求1的方法，其还包括：

在所述试验位置提供第二可激活刺激物，所述第二可激活刺激物的激活特性不同于第一可激活刺激物的激活特性。

8.权利要求7的方法，其还包括：

确定所述试验位置的化学环境条件的要求值；

在控制执行器激活第一可激活刺激物之后，感测试验位置的化学环境条件；

比较感测的化学环境条件与所述化学环境条件的要求值；以及

基于对比结果，控制执行器激活第二可激活刺激物。

9.权利要求1的方法，其中所述基底为玻璃基底，所述方法还包括：

在所述玻璃基底上蚀刻至少一个电极；并且

通过硅烷偶联化学法将聚乙二醇(PEG)薄膜结合到玻璃载片上。

10.用于控制基于亲合性的试验位置的化学环境条件的系统，其包括：

包括至少一个试验位置的基底；

至少一种位于基底上、并且构造成在至少一个试验位置使用的可激活刺激物；以及

至少一个执行器，其布置成能激活在至少一个试验位置的至少一种可激活刺激物的一种或多种，以使试验位置的化学条件得到改变，由此改变试验位置的捕集分子和所关注的分子之间的亲合性。

11.权利要求10的系统，其还包括：

存储器；

存储在所述存储器内的多个命令指令；以及

可操作地连接到存储器及至少一个执行器、并且构造成能执行所述多个命令指令的控制器，以控制至少一个执行器激活至少一种可激活刺激物的一种或多种。

12.权利要求11的系统，其还包括：

可操作地连接到控制器、并且构造成能感测至少一个试验位置的化学环境条件的传感器，其中控制器进一步构造成能根据感测到的至少一个试验位置的化学环境条件来执行所述多个命令指令，以控制至少一个执行器激活至少一种可激活刺激物的一种或多种。

13.权利要求12的系统，其中：

所述至少一种可激活刺激物包括第一可激活刺激物和第二可激活刺激物；

所述第一可激活刺激物构造成能响应第一激活输入而不是第二激活输入而激活；并且

所述第二可激活刺激物构造成能响应第二激活输入而激活。

14.权利要求13的系统，其中至少一个执行器包括至少一个共振器。

15.权利要求12的系统，其中至少一个执行器包括至少一个电极。

16.权利要求11的系统，其中所述基底包括CMOS基底。

17.权利要求11的系统，其中所述基底包括：

与至少一个试验位置间隔开的试验样品接收区；以及

包括试验样品接收区并且延伸到试验位置的流体路径，其中至少一种可激活刺激物布置在基底上，以使由试验样品接收区接收、并沿着流体路径传输的流体夹带至少一种可激活刺激物，并且将所述至少一种可激活刺激物输送到试验位置。

18.权利要求17的系统，其还包括：

构造成能接收包括至少一个试验位置的至少部分基底的阅读器，所述阅读器包括存储器和控制器。

19.权利要求10的系统，其中所述基底为包括以下部分的玻璃基底：

在玻璃基底上蚀刻的至少一个电极；以及

聚乙二醇(PEG)薄膜。