CN105431734A - 信号增强的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

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Abstract

通过质量放大和高频率操作来增强薄膜体声学波谐振(TFBAR)传感器的灵敏度。

Description

信号增强的薄膜体声波谐振器
相关申请
本申请要求了2013年3月15日提交的、美国临时专利申请号为61/790,076的专利申请的权益。
技术领域
本发明除其他以外总体涉及通过质量加载介导的放大元件的薄膜体声波谐振器(TFBAR)的信号增强。
背景技术
例如薄膜体声波谐振器(TFBAR)这样的压电装置和例如石英晶体微天平(QCM)的类似技术已经在一段时间以来用作质量检测器。压电谐振器的一种应用是用在检测非常小量的材料中。在这样的应用中作为传感器使用的压电谐振器有时被称作“微天平”。压电谐振器典型地构造为夹在两个电极层之间的晶体或多晶压电材料的薄平层。当用作传感器时,谐振器暴露于被检测的材料,从而容许材料结合在谐振器的表面。
检测结合在传感谐振器的表面上的材料的量的一种传统方式是将谐振器作为振荡器在它的谐振频率操作。由于被检测的材料结合在谐振器的表面,谐振器的振荡频率降低。测量可能由材料在谐振器的表面的结合所引起的谐振器振荡频率的变化并且将该变化用于计算结合在谐振器上的材料的量或材料在谐振器表面的累积率。
在空气中作为材料传感器的压电谐振器的灵敏度理论上与谐振频率的平方成比例。因此,基于普通的石英晶体谐振器的材料传感器的灵敏度被它们相对低的振荡频率所限制,该振荡频率典型地从几MHz变化到约100MHz。薄膜谐振器(TFR)技术的发展可以潜在地产生具有明显增强的灵敏度的传感器。薄膜谐振器通过在基底上沉积例如AlN或ZnO的压电材料的薄膜而形成。由于在薄膜谐振器内压电层的大约几微米的小厚度,薄膜谐振器的谐振频率约为1GHz。高的谐振频率以及相应的高灵敏度使得薄膜谐振器在物质传感应用中变得实用。但即使是薄膜谐振器的质量灵敏度在特定分析物的检测中还是受限的,例如生物分析物。
先前已经描述了压电谐振传感器在免疫测定法中的使用。通常在免疫测定中的质量变化归因于抗原和抗体之间的免疫反应的基于压电的免疫测定法在一些情况下会遭受差的灵敏度和低的检测限制。因此,本该领域中存在对于基于压电的特异性结合的测定的需求,在测定中分子识别组件和它的目标分析物之间的反应能够被放大以提供更灵敏的测定。
这样的示例在美国专利号为4,999,284、由沃德等在1991年3月12日发表的专利中示出,该专利公开了一种石英晶体微天平测定的使用方法,其中测定物在石英晶体微天平(QCM)表面上或其附近的结合通过包括酶的结合物来测定。该酶可以催化底物向产物的转化,产物能够积累在QCM的表面上或与QCM的表面反应从而引起质量变化并且因此改变谐振频率。
发明内容
本发明除其他以外描述了用于增强在高频率操作的TFBAR的灵敏度的信号放大。
在实施例中,用于检测样品中的分析物的方法包括使分析物或分析物和关联了标签的分析物分子、第一识别组件以及关联了信号放大元件的第二识别组件接触,从而产生包含第一识别组件和关联了信号放大元件的第二识别组件的复合物。第一识别组件相对于薄膜体声波谐振器(TFBAR)的表面固定并且配置用于选择性地结合分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或结合到第二识别组件的这些结合分子中的任何一个或多个。关联了信号放大元件的第二识别组件配置用于选择性地结合分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或任何结合到第一识别组件的这些分子、或它们的组合中的一个或多个。该方法进一步包括在将前驱体转化为在TFBAR的表面增加质量的放大分子的状况下将关联后的信号放大元件与一种或多种放大前驱体接触。增加的质量是由放大分子在表面的沉积、放大分子与分析物、关联了标签的分析物分子、第一识别组件或关联了放大元件的第二识别组件中的一种或多种的结合等所引起的。该方法也包括获取在TFBAR的表面增加的质量(例如分析物、关联了信号放大元件的第二识别组件以及放大分子的质量)的测量值。
分析物或分析物和关联了标签的分析物分子、第一识别组件和关联了信号放大元件的第二识别组件可以以任何合适的顺序接触。例如,分析物或分析物和关联了标签的分析物分子可以在与第一识别组件接触之前与关联了信号放大元件的第二识别组件接触,第一识别组件相对于TFBAR的表面是固定的。以其他示例的方式,分析物或分析物和关联了标签的分析物分子可以在与关联了信号放大元件的第二识别组件接触之前与第一识别组件接触。以又一示例的形式,分析物或关联了标签的分析物分子、第一识别组件和关联了信号放大元件的第二识别组件可以同时接触。
增加在TFBAR表面的质量可以通过任何合适的程序来测量。在实施例中,该质量通过下述方法测量:(i)将输入电信号耦合至TFBAR,输入电信号具有相和压电谐振器的谐振带内的频率,其中频率约为500MHz或更大(例如约700MHz或更大、约800MHz或更大、约900MHz或更大、约1GHz或更大、约1.2GHz或更大、约1.4GHz或更大、约1.5GHz或更大、约1.8GHz或更大、约2GHz或更大、约2.2GHz或更大、约2.4GHz或更大、约2.5GHz或更大、从约500MHz到约4GHz、从约800MHz到约3GHz、从约800MHz到约10GHz或从约2GHz到约2.5GHz);(ii)使输入电信号传输通过TFBAR以产生具有频率和相的输出电信号;(iii)从TFBAR接收输出电信号;以及(iv)确定由TFBAR表面处增加的质量所引起的输出电信号的频率或相的变化,其中相的频率变化用作TFBAR表面增加的质量的测量。
这里所述的装置、系统或方法的一个或多个实施例提供超越现有的用于检测小量分析物的传感器、装置、系统或方法的一种或多种优势。如这里所述,相比于低频率下,在更高频率下意外地观察到通过放大元件介导质量加载的更大TFBAR信号放大。相应地,当与信号放大协同使用时,高频率的优势表现出甚至更进一步增强。从下面详细的说明中,本领域的技术人员可以容易地理解这些以及其他优势。
附图说明
图1A-图1C是说明薄膜体声波谐振器(TFBAR)传感装置的实施例的操作原理的示意性图示;
图2示出用于检测分析物的TFBAR系统的部件的示意性图示;
图3A-D是说明在薄膜波谐振器(TFR)表面的信号放大的实施例的示意性图示;
图4A是在TFBAR的实施例上的直接分析物结合和酶放大的分析物结合的随时间的响应曲线;
图4B是示出图4A所示的曲线的一部分的细节的曲线。
示意性附图不一定是按比例的。幅图中所用的相同的附图标记指代相同的部件、步骤等。但是,应该理解的是,在给定的附图中以附图标记指代部件的用法并不是要限制在另一附图中标记有相同的附图标记的部件。此外,以不同附图标记指代部件的用法并不是要表示不同的附图标记的部件不能相同或类似。
具体实施方式
下述的具体说明中公开了化合物、混合物、产物和方法的几个特定的实施例。应该理解的是,在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以预期并且可以作出其他实施例。因此,下述具体说明没有采取限制的意思。
本发明除其他以外总体涉及用于检测分析物的方法、装置、传感器和系统。该方法、装置、传感器和系统使用薄膜体声波谐振器(TFBAR),TFBAR测量由谐振器表面的分析物结合所引起的谐振器的频率或相的变化。结合信号通过放大元件介导质的质量加载增强。具有相以及具有在压电谐振器的谐振带内的频率——在本发明的一些实施例的情况下可以是约500MHz或更大(例如约1.5GHz或更大)——的输入电信号耦合到并传输通过谐振器以产生输出电信号,输出电信号是由谐振器表面所检测的材料的结合、沉积等以及由放大元件介导的质量加载的放大而从输入信号的频移或相移。从压电谐振器接收的输出电信号被分析用于确定由于在谐振器表面上的分析物的结合和放大元件介导的质量沉积所引起的频率或相的变化。测量的频率或相变化提供关于结合到谐振器表面的分析物(或关联了标签的分析物分子)的定量信息。
传感器、装置和系统
这里公开的传感器包括至少一个薄膜谐振传感器,例如薄膜体声波谐振(TFBAR)传感器。TFBAR传感器包括压电层或压电基底以及输入和输出换能器。TFBAR传感器是使技术适用于手提式装置的小传感器。相应地,可以预期包含这里所述的传感器的用于检测目标分析物的手提式装置。
现在转向参照附图1A和1B,其示出作为用于检测分析物的传感器而使用的体声波压电谐振器20的实施例的一般操作原理。谐振器20典型地包括被两个相应的金属层结合在相对侧的压电材料的平面层,两个相应的金属层形成谐振器的电极。当谐振器通过谐振器谐振带内的信号驱动时,谐振器的两个表面自由地进行振动。当谐振器用作传感器时,它的至少一个表面适于为被检测的材料提供结合位置。在谐振器表面的材料的结合改变谐振器的谐振特性并且谐振特性的变化被检测和解释用于提供关于被检测的材料的定量信息。
以示例的形式,这样的定量信息可以通过检测由谐振器的表面上所检测的材料的结合所引起的谐振器的插入或反射系数相移的变化而获得。这样的传感器与将谐振器作为振荡器运行并监测振荡频率变化的那些不同。而这样的传感器将谐振器嵌入预选频率的信号路径中并且监测由谐振器表面上检测到的材料的结合所引起的插入或反射系数相移。当然,也可以根据这里所述的信号放大使用监测振荡频率变化的传感器。
更具体地,图1A示出在被检测的材料结合到表面26之前的谐振器20。所述谐振器20电力地连接到信号源22,信号源22提供具有频率f的输入电信号21,频率f在谐振器的谐振带内。输入电信号耦合至谐振器20并且被传输通过谐振器以提供输出电信号23。在所述的实施例中,输出电信号23处于与输入信号21相同的频率,但与输入信号的相相差相移ΔΦ1,相移ΔΦ1取决于谐振器的压电特性以及物理尺寸。输出信号23耦合至提供与插入相移相关的相信号的相检测器24。
图1B示出具有结合到谐振器的表面26上的被检测的材料的传感谐振器20。同样的输入信号被耦合至谐振器20。由于谐振器的谐振特性被作为扰动的材料的结合所改变,因此输出信号25的插入相移变化为ΔΦ2。由材料的结合所引起的插入相移变化通过相检测器24检测。所检测的相移变化与结合在谐振器表面上的材料的量相关。
图1C示出了用于测量谐振器的插入相的可选方式。定向耦合器27增加在信号源22和具有接地的对电极的谐振器20之间。相检测器28配置用于测量由结合到谐振器表面的材料所引起的反射系数的相移。
可以采用这里所述的信号放大方面的其他TFBAR相移传感器,包括例如在美国专利号为8,409,875、名称为“用于相移检测传感器的谐振器操作频率优化”的专利中所描述的那些,在此通过引用其不与这里所呈现的本发明冲突的全部内容将该专利结合于此。例如,传感器装置可以包括(i)包含分析物的结合位点的传感谐振器;(ii)配置用于驱动传感谐振器振动的驱动电路;(iii)测量电路,测量电路设置用于耦接至传感谐振器并且配置用于测量代表传感谐振器的振动的谐振特性的一个或多个谐振器的输出信号;以及(iv)可操作地与驱动电路和测量电路耦接的控制器。控制器能够与包含指令的数据存储器交互,当执行该指令时该指令使控制器调节驱动电路驱动传感谐振器的频率以保持传感谐振器的谐振点。相应地,感测可以通过下面几方面来实现:驱动TFBAR振动;测量代表TFBAR的振动的谐振特性的一个或多个谐振器的输出信号;以及调节感应谐振器的驱动频率以保持TFBAR的谐振点。在实施例中,驱动电路驱动感应谐振器的频率是最大群延迟的频率。
这样的相检测方法能够有利地与不同谐振频率的压电谐振器一起使用。
在各种实施例中,与这里所述的方法、装置和系统一起使用的TFBAR具有约500MHz或更大的谐振频率,例如约700MHz或更大、约900MHz或更大、约1GHz或更大、约1.5GHz或更大、约1.8GHz或更大、约2GHz或更大、2.2GHz或更大、2.5GHz或更大、约3GHz或更大、或约5GHz或更大,当与放大元件介导的质量加载一起使用时其能够提供增加的灵敏度,这将在下面更详细的描述。在实施例中,TFBAR具有从约500MHz到约5GHz的谐振频率,例如从约900MHz到约3GHz、或从约1.5GHz到约2.5GHz。一些这样的频率比先前描述的压电谐振器的频率大体上更高。
这里所述的感应谐振器是薄膜谐振器。薄膜谐振器包含沉积在基底上的压电材料薄层而不是使用例如AT-切(AT-cut)石英石。压电薄膜典型地具有例如小于约2微米这样的小于约5微米的厚度并且可以具有小于约100纳米的厚度。总体上优选薄膜谐振器是由于它们的高谐振频率以及理论上较高的灵敏度。根据应用,可以形成支持纵向或剪切体声波谐振模式的用作感应元件的薄膜谐振器。优选地形成支持剪切体声波谐振模式的感应元件,这是由于它们更适合用在液体样品中。
关于使用TFR的传感器装置和系统的另外的细节例如在德雷斯(Drees)等于1999年8月3日发表的美国专利号为5,932,953的专利中描述,这里通过引用将其不与这里的本发明冲突的全部内容结合于此。
TFR传感器以任何合适的方式和任何合适的材料制成。以示例的方式,谐振器可以包括基底,例如硅晶片或蓝宝石、布拉格反射层或其他合适的声学隔离装置、底电极、压电材料和顶电极。
任何合适的压电材料可以用在TFR中。合适的压电基底的示例包括钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锂(LiNbO3)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(A1N)、锆钛酸铅(PZT)等。
电极可以由任何合适的材料制成,例如铝、钨、金、钛、钼等。电极可以通过气相沉积而沉积或可以通过其他合适的工艺制成。
任何合适的装置或系统可以使用如这里所述的薄膜谐振器和放大。以示例的方式并且参照图2,用于检测分析物的系统包括容器10(或多于一个容器)、薄膜谐振器20、驱动电路22、测量电路29以及控制电子器件30。流体路径将一个或多个容器10连接至谐振器20。控制电子器件30可操作地连接到驱动电路和测量电路。在实施例中,控制电子器件30配置为基于来自测量电路29的输入而改变驱动电路22使谐振器20振荡的频率。
仍然参照图2,容器10(或多于1个容器)可以容纳放大分子、关联了放大元件的第二识别组件以及可选地标签和分析物分子中的一个或多个。这些试剂中的每一种在下面更详细的描述。控制电子器件30可以控制从容器10到谐振器20的这样的试剂的流动,例如,通过泵、真空泵等。
可以使用任何合适的控制电子器件30。例如,控制电子器件可以包括处理器、控制器、存储器等。存储器可以包括计算机可读指令,当由处理器或控制器执行时,该指令使装置和控制电子器件执行归结于这里所述的装置和控制电子器件的各种功能。存储器可以包括任何易失性、非易失性、磁性、光学或电子介质,例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或任何其他数字介质。控制电子器件30可以包括微处理器、控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或等效离散或集成逻辑电路中的任何一个或多个。在一些示例中,控制电子器件30可以包括多个部件,例如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC、或一个或多个FPGA以及其他离散的或集成逻辑电路的任何组合。这里归于控制电子器件的功能可以具体化为软件、固件、硬件或它们的任何组合。
分子识别和信号放大
包含明显的背景信号的样品的分子识别可以通过信号放大来实施。这里所述的传感器、系统和方法使用包含例如关联的酶的放大元件的第二识别组件。处于这里所述的较高频率范围的TFBAR传感器非常有效地响应于通过酶切的底物的沉淀的传感器表面的质量增加。
现在参照图3A-3D,其示出了说明在TFBAR上的酶放大的示意图。如在图3A中所示的,配置用于结合到分析物的分子识别组件100在谐振器20表面26上固定。具有固定的分子识别组件100的谐振器20可以与包含分析物110的混合物接触,分析物110可以结合分子识别组件100(见图3B)。具有结合了分析物110的固定的分子识别组件100的谐振器20可以与包含关联了例如酶这样的放大元件130的第二分子识别组件120的混合物接触。第二分子识别组件120配置为结合到分析物110,以使第二分子识别组件120以及关联的放大元件130相对于表面26固定(见图3C)。在描述的实施例中,可溶性底物140可以通过放大元件130被转换为不可溶的产物150,产物150沉淀并且积累在传感器20的表面26上,由此根据结合的分析物110的量或浓度来放大质量信号(见图3D)。
应该理解的是,在图3A-3D中描述的一系列的事件为了说明的目的而示出并且可以采用其他任何合适的事件顺序。例如,分析物110可以在分析物(连同结合的第二分子识别组件)接触到谐振器20的表面26之前与第二分子识别组件120(以及结合后的放大元件130)接触,分子识别组件100相对于谐振器20的表面26是固定的。底物140可以在第二分子识别组件120-放大元件130添加的同时提供或可以在之后添加。在任何情况下,在放大之前可以进行冲洗。
任何合适的分子识别组件(例如图3中的100)可以结合到谐振器的表面。分子识别组件优选地选择性结合到关注的分析物。以示例的方式,分子识别组件可以选自由核酸、核苷酸、核苷、如PNA和LNA分子的核酸类似物、蛋白质、多肽、包括IgA、IgG、IgM和IgE的抗体、凝集素、酶、酶的辅助因子、酶底物、酶抑制剂、受体、配体、激酶、蛋白A、聚尿苷酸、聚腺苷酸、聚赖氨酸、三嗪染料、硼酸、硫醇、肝素、多糖、考马斯蓝、天青A、金属结合肽、糖、碳水化合物、螯合剂、原核细胞和以及真核细胞构成的组。
可以使用用于将分子识别组件固定在TFBAR表面上的任何合适的方法。以示例的方式,环氧硅烷的均匀涂层可以使用气相沉积工艺沉积在传感器的表面上。之后可以将例如抗体这样的测试和参考分子识别组件使用例如基于压电的纳米分散技术沉积在测试和参考谐振器上。抗体上的一级胺与环氧基团反应,以将抗体共价结合到传感器表面。以进一步示例的方式,如果存在,分子识别组件的硫醇基结合到TFBAR的表面。TFBAR的表面可以适当地或必要地改变以容许分子识别组件的结合。
例如上面描述的那些,任何合适的分子识别组件可以用作第二分子识别组件(例如图3中的120)。第二分子识别组件可以与任何合适的放大元件关联,例如酶。优选地,第二分子识别组件是抗体并且放大元件是酶。
任何合适的放大元件可以关联到第二分子识别组件。在实施例中,放大元件是活化的聚合引发剂,例如光引发剂、化学引发剂或热引发剂。聚合引发剂可以在一种或多种单体存在下被活化以使聚合物从第二分子识别组件接枝。在实施例中,放大元件是酶。在实施例中,酶能够将检测环境中可溶的底物转化为沉淀在传感器的表面上的不可溶的产物。合适的酶的示例包括碱性磷酸酶(ALP)、辣根过氧化物酶(HRP)、β-半乳糖苷酶以及葡萄糖氧化酶。
可以产生能够在TFBAR的表面上积累的不可溶产物的酶/底物系统的示例包括碱性磷酸酶和5-溴-4-氯-3-吲哚基-磷酸盐/氯化硝基四氮唑蓝(BCIP/NBT)。BCIP的酶催化水解产生不可溶二聚体,该二聚体沉淀在传感器的表面上。其他具有磷酸基团的类似底物能够和它们的互补酶一起使用,该磷酸基团可以被例如半乳糖、葡萄糖、脂肪酸、脂肪酸脂和氨基酸这样的可水解官能团取代。其他酶/底物系统包括例如辣根过氧化物酶(HRP)或髓过氧化物酶这样的过氧化物酶以及下面中的一种:联苯胺、联苯胺二盐酸盐、二氨基联苯胺、邻联甲苯胺、邻联茴香胺和四甲基联苯胺、咔唑(特别是3-氨基-9-乙基咔唑)以及所有已经报道用于在与过氧化物酶反应中形成沉淀的各种酚类化合物。同样地,如α-羟基酸氧化酶、醛氧化酶、葡萄糖氧化酶、L-氨基酸氧化酶和黄嘌呤氧化酶的氧化酶可以与例如吩嗪硫酸二甲酯—硝基蓝四唑混合物这样的可氧化的底物系统一起使用。
应该理解的是,可以采用任何类型的竞争测定法。应该进一步理解的是,分析物可以改变为包括通过第一或第二识别复合物可识别的标签,例如链霉亲和素标签、生物素标签、几丁质结合蛋白标签、麦芽糖结合蛋白标签、谷胱甘肽-S-转移酶标签、聚组氨酸(poly(His))标签、如Myc标签、HA标签或V5标签这样的表位标签等。进一步应该理解的是,关联了标签的分析物可以包括分析物的变体或衍生物。变体或衍生物是通过配置用于识别分析物的第一或第二分子识别组件选择性可识别的变体或衍生物。在一些情况下,可以预期的是,变体或衍生分析物具有针对第一或第二分子识别组件的亲和性,该亲和性与未关联标签的分析物的亲和性不同。分析物的变体或衍生物可以是容许关联了标签的分析物便于制造的变体或衍生物。例如,关联了标签的分析物可以包含重组多肽等。
当实施使用关联了标签的分析物分子的竞争测定法时,关联了标签的分析物分子——而不是分析物或除了分析物之外——可以与固定在谐振器表面上的第一分子识别组件结合
通过TFBAR的放大元件介导的质量加载/信号放大
已经注意到的是,随着谐振频率增加,质量检测的灵敏度也应增加。但是,在实践中并非总能观察到。理论上,具有约2.2GHz谐振频率的TFBAR应该在不使用这里所述的信号放大/质量加载的情况下提供用于检测分析物的低浓度的足够的灵敏度。但是,发明人发现即使通过如此高的谐振频率,TFBAR传感器也不足以灵敏地检测低水平的分析物。但是,通过使用这里所述的放大/质量加载,能够实现通过在较高的频率操作提供的更多的灵敏度理论增幅。
对噪音的敏感性与上面理论上所述的信号传播相关。在更高的频率,信号传播更短的距离,由此产生接近过滤。也就是,你只能测量接近表面的那些。但是,构成接近的那些会改变频率并且可以具有关于背景噪音的敏感性的重要的实际衍生品。利用质量加载在较高的频率操作不仅产生增强的信号灵敏度,它也产生较低的噪音敏感性。这在功能性上可以转化为例如不太严格的洗涤要求,这是由于没有结合到谐振器的表面(例如通过结合到第一分子识别组件的分析物)的关联了放大器的第二分子识别组件在谐振器的表面附近不会明显增加质量。而且,发现用于获得在阴性样品中的稳定的基线读数的洗涤要求在更高频率的TFBAR的情况下不太严格,这也是由于在较高频率的信号传播的距离较短。
出乎意料的是,已经发现在较高频率观察到比在较低频率更大的信号放大。例如参见下面示例中的表2,与900MHz的谐振器相比,在2250MHz的谐振器在酶介导质量加载(相对于直接结合)的情况下能观察到更大的信号放大。由于不同的谐振器(900MHz和2250MHz)被构造为包含相同浓度或量的第一识别组件、使用相同浓度和量的分析物的测定法以及相同浓度和量的关联了酶的第二分子识别组件以及所用的底物,因此能够在更高的频率获得信号放大的更大的水平是出乎意料的。由此,在理论上,实际产生的放大量预期是相同的(沉淀在表面上的产物的量预期是相同的)。但是,在较高频率观察到更大量的信号放大。
应用
这里所述的传感器、装置和系统可以用于检测样品中的分析物。传感器在许多化学、环境、食品安全或医疗应用中存在应用。以示例的方式,被检测的样品可以是血液、血清、血浆、脑脊液、唾液、尿液等或源自血液、血清、血浆、脑脊液、唾液、尿液等。其他非液体混合物的测试混合物可以溶解或悬浮在用于分析的合适的溶液或溶剂中。
限定
这里所用的所有的学术以及技术术语具有本领域中所使用的普通的意思,除非另有规定。这里提供的限定是为了便于这里频繁使用的特定术语的理解并且没有限制本发明的范围的意思。
如在该说明书以及所附权利要求中所用的,单数形式“一”以及“该”包含具有复数指示物的实施例,除非该内容另有其他明确的规定。
如在该说明书以及所附权利要求中所用的,术语“或”总体上使用其包括“和/或”的意思,除非该内容另有明确规定。术语“和/或”意思是一个或所有的所列元件或任何两个或多个所列元件的组合。
如这里所使用的,术语“具有”、“包括”、“包含”等使用它们开放式的意思,并且总体上意思是“包括、但不限于”。应该理解的是“实质上由……组成”、“由……组成”等归于“包含”等。如这里所使用的,当与混合物、产物、方法等相关时,“实质上由……组成”意思是混合物、产物、方法等的组成限于列举的组成以及实质上不会影响该混合物、产物、方法等的基本和创新特性的任何其他组成。
词语“优选”和“优选地”指的是可以在一些的情况下提供一些效益的本发明的实施例。但是,在相同的或其他情况下,也可以优选其他实施例。而且,一个或多个优选实施例的详述并非意味着其他实施例不可用,而且并非意味着在本发明(包括权利要求)的范围内将其他实施例排除。
在这里同样的,通过端点的数字范围的详述包括归于该范围之内的所有数字(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等,或10或小于10包括10、9.4、7.6、5、4.3、2.9、1.62、0.3等)。在数值范围是“达到”特定值的情况下,该数值被包括在该范围内。
为了清楚,在这里参照附图描述了这里所称的任何方向,例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”以及其他方向和取向,并且这些方向并非是限制实际的装置或系统或装置或系统的使用。这里所述的装置或系统可以以多个方向和取向使用。
如这里所用的“结合事件”意思是目标分析物与固定在传感器表面的分子识别组件的结合。
目标分析物的非限制性示例包括核酸、蛋白质、肽、抗体、酶、碳水化合物、化合物、或如细菌、真菌、原虫、病毒等的感染物种。在一些应用中,目标分析物能够结合多于一个分子识别组件。
示例
下面的非限制性实施例用于更全面地描述上述传感器、方法、装置和系统的使用方式。应该理解的是,这些示例没有限制本发明以及下面的权利要求的范围,而是为了说明的目的而呈现。
所构思研究的初步证明使用抗牛IgG测定和碱性磷酸酶(ALP)作为结合酶、BCIP/NBT作为沉淀底物来实施。简单地说,羊抗牛和羊抗鼠抗体通过使用压电分配器将350μm的点分配在具有2.2GHz的谐振频率的涂覆有环氧硅烷的传感器上而被固定在测试和参考谐振器上。传感器在4℃高湿度环境中过夜培养。在测试之前将传感器使用鱼皮明胶封闭。之后从测试信号中去掉参考信号并且该三角形信号用作结合响应。利用传感器实施的所有测试浸在微孔板中。通过搅拌棒实现样品搅拌。测试顺序如下:传感器暴露于1μg/ml的牛IgG中60秒,之后进行30秒的冲洗并且暴露于兔抗牛IgG-碱性磷酸酶结合物中60秒。之后对传感器进行2次30秒的冲洗并且暴露于BCIP/NBT底物中60秒。将传感器连接到用于监测装置频移的网络分析仪。在这种情况中,跟踪导致最大组延迟的相并且确定用于保持相的输入频率随质量变化的变化。测试和参考谐振器二者都以每秒2个样品的采样速率收集在谐振频率附近的50MHz窗口。该数据后期处理用于确定测试和参考谐振器随时间变化的频移。之后将从直接抗原结合所观察到的频移与酶底物中观察到的信号比较。
该初始研究的结果在图4A中示出,图4B是图4A所示的曲线的一部分的详细视图。如所示的,ALP-酶放大相对于没有添加底物的直接结合而言产生了灵敏度的明显增强。如下面表1所示的,作为酶放大的结果,观察到超过100倍的响应及斜率放大。
表1ALP-放大的结果
直接结合 酶放大
响应(整体) -9,024 -1,094,473
放大(X) 121
斜率 -3.24 -374.77
斜率放大 115.71
类似的研究使用抗牛IgG测定和辣根过氧化物酶(HRP)作为结合酶来实施。在该反应中沉淀底物是过氧化氢和对羟基肉桂酸(数据中未示出)。同样实施了使用抗鼠IgG测定进一步分析利用BCIP/NBT的ALP增强(数据中未示出)。关于ALP和BCIP/NBT系统后续开展的工作包括其他各种评估。
沉淀放大的有益之处表现为频率制约。将羊抗鼠F(ab')片段涂覆在具有2250MHz和850MHz的操作频率的装置上。在还原片段F(ab')上原有的巯基被用于关联到金谐振器表面形成配位硫金键。之后利用鱼皮明胶将这些传感器封闭并且在阴性缓冲样品或1μg/ml鼠IgG中测试,之后利用羊抗鼠碱性磷酸酶结合抗体孵育。之后对传感器进行两次冲洗并且暴露于BCIP/NBT底物中。如前所述,直接结合情况和底物放大中的数据都进行归一化。2250MHz与900MHz的TFBAR相比,具有较高频率的(2250MHz)比850MHz的装置示出信号放大上的2.5倍的增加。此外,在阴性样品中观察的背景水平在850MHz的装置中是相当高的。当以kHz/s的响应分析该数据时,这是真实的,但当通过将频移响应除以操作频率而将该结果转换为ppm/s时,该差异变得更加惊人。在底物暴露之前两个另外的冲洗步骤的增加将850MHz的装置中的背景信号的量降低至与2250MHz装置中见到的那些可比较的水平(数据未示出)。
表2850MHz和2250MHzTFBAR放大的比较
频率(MHz) 2250850
阴性样品的背景信号(ppm/sec) -0.86 -23.11
直接结合(kHz/sec) -3.26 -0.70
放大的信号(kHz/sec) -233.7 -22.3
放大(X) 71.7 31.9
由此公开了信号增强的薄膜体声波谐振器的实施例。本领域的技术人员可以明白的是,例如这里所述的信号发生器、系统以及方法的思路、设备可以以所公开的那些实施例以外的实施例来实施。所公开的实施例为了说明的目的示出而并非是限制。本领域技术人员也应该理解的是,这里关于附图和实施例所说明和所述的思路的组件可以互换。

Claims (15)

1.一种用于检测样品中的分析物的方法,包含:
使分析物或分析物和关联了标签的分析物分子、第一识别组件以及关联了放大元件的第二识别组件接触,从而产生包含所述第一识别组件和所述关联了放大元件的第二识别组件的复合物,
其中所述第一识别组件相对于薄膜体声波谐振器(TFBAR)的表面被固定并且配置用于选择性地结合以下的一个或多个:所述分析物、所述关联了标签的分析物分子、或所述标签、或结合到所述第二识别组件的这些分子中的任何一个或多个,并且
其中所述关联了放大元件的第二识别组件配置用于选择性地结合所述分析物、所述关联了标签的分析物分子、或所述标签、或结合到所述第一识别组件的这些分子中的任何一个或多个;
在关联的放大元件使放大前驱体转换为在所述TFBAR的表面增加质量的分子的条件下将所述关联的放大元件与所述放大前驱体接触;
测量所述TFBAR的所述表面处所增加的质量。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述分析物或所述分析物和关联了标签的分析物在与相对于所述TFBAR的所述表面固定的所述第一识别组件接触之前与所述关联了放大元件的第二识别组件接触。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述分析物或所述分析物和关联了标签的分析物在与所述关联了放大元件的第二识别组件接触之前与所述第一识别组件接触。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述分析物或关联了标签的分析物、所述第一识别组件和所述关联了放大元件的第二识别组件同时接触。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其中测量增加或结合到所述TFBAR的所述表面上的质量包含:
将输入电信号耦合至所述TFBAR,所述输入电信号具有处于压电谐振器的谐振带内的频率,其中所述频率约为900MHz或更大;
将输入电信号传输通过所述TFBAR以产生具有一频率的输出电信号;
接收来自所述TFBAR的所述输出电信号;以及
确定由沉淀物在所述TFBAR表面的沉积所引起的所述输出电信号的相移变化。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述相移变化是插入或反射系数相移的变化。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其中测量增加或结合到所述TFBAR的所述表面上的质量包含:
驱动所述TFBAR在约900MHz或更大的频率振动;
测量代表所述TFBAR的所述振动的谐振特性的一个或多个谐振器输出信号;以及
调节感应谐振器的驱动频率以保持所述TFBAR的谐振点。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述TFBAR的谐振点是最大群延迟点。
9.根据权利要求5-8任一项所述的方法,其中所述频率是约1.8GHz或更大。
10.根据权利要求5-8任一项所述的方法,其中所述频率是约2GHz或更大。
11.根据权利要求5-8任一项所述的方法,其中所述频率是从约800MHz到约10GHz。
12.根据权利要求5-8任一项所述的方法,其中所述频率是从约2GHz到约2.5GHz。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法,其中所述放大元件是酶并且所述放大前驱体是底物,并且其中所述酶配置用于将所述底物转换为沉淀物。
14.一种用于检测样品中的分析物的系统,包含:
薄膜体声波谐振器(TFBAR),所述薄膜体声波谐振器包含固定有第一识别组件的表面,
第一识别组件,所述第一识别组件配置用于选择性地结合到所述分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或关联了放大元件的第二识别组件所结合的这些分子中的任何一个,
TFBAR具有900MHz或更大的谐振频率;
一个或多个容器,所述容器容纳放大分子、所述关联了放大元件的第二识别组件、以及可选地所述标签和所述分析物分子中的一个或多个;
流体路径,所述流体路径从所述一个或多个容器到所述第一识别组件所结合的所述TFBAR的所述表面处;
驱动电路,所述驱动电路配置用于驱动所述TFBAR进行振动;
测量电路,所述测量电路设置为耦接到所述TFBAR并且配置用于测量代表感应谐振器振动的谐振特性的一个或多个谐振器输出信号;以及
可操作地耦接到所述驱动电路和所述测量电路的控制器。
15.一种与用于检测样品中的分析物的装置一起使用的试剂盒,包含:
薄膜体声波谐振器(TFBAR),所述薄膜体声波谐振器包含固定有第一识别组件的表面,
第一识别组件,所述第一识别组件配置用于选择性地结合到分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或关联了放大元件的第二识别组件所结合的这些分子中的任何一个,
TFBAR具有900MHz或更大的谐振频率;
一个或多个容器,所述容器容纳放大分子、所述关联了放大元件的第二识别组件、以及可选地所述标签和所述分析物分子中的一个或多个。
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