CN115427826A - 基于gmr的生物标志物检测中分析物的传感系统和方法 - Google Patents

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Abstract

特别地，检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物的存在的方法包括提供一个或多个传感器，每个传感器包括布置在一个或多个巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子。操作模式通过与生物分子的相互作用从传感器表面附近移除或添加磁珠。特别地，所述方法的特点是，通过测量一个或多个GMR传感器的磁阻变化来检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过一个或多个传感器之前和之后的磁阻确定。

Description

基于GMR的生物标志物检测中分析物的传感系统和方法
本申请包含一个序列列表，该序列列表已以ASCII格式以电子方式提交，并通过引用将其整体并入本文。所述ASCII副本创建于2019年12月23日，名称为026462-0509389_SL.txt，大小为7786字节。
背景技术
本发明通常涉及用于传感水和生物样品中分析物的系统和方法。具体而言，本发明涉及使用基于巨磁阻(GMR)传感器的检测方法的分析物传感。
GMR传感器能够开发多重分析和多重检测方案，例如，在紧凑的系统中以高灵敏度和低成本执行多重分析，以检测同一查询样品或不同查询样品中的多个分析物，因此有可能提供适合多种应用的平台。可靠的分析物传感仍然是一个挑战。本发明提供了示例性解决方案。
某些分析物，如金属，存在于整个环境中；因此，包括哺乳动物(如人类)在内的所有生物都有接触此类分析物的危险。例如，水和供水、食品和食品供应、空气、建筑物、生活和工作空间等中的金属污染可能对人类健康产生不利影响，尤其是对儿童。本文提供了用于有效检测环境和对象(例如患者样品)中的金属(例如镉、砷、汞和/或铅)的新型装置和方法。本文介绍的装置和方法为当前金属检测技术提供了重大进步和改进。本文所述的这些进步和改进有助于通过低成本和高灵敏度的方法加快样品中金属的筛选。
本发明通常涉及微流控装置及其用于检测样品中金属的用途。在一些实施方案中，本文提出的装置和方法还利用脱氧核酶(DNAzyme)和磁性传感器。在一些实施方案中，本文提出的装置和方法还利用DNA结合蛋白和磁性传感器。在一些实施方案中，本发明涉及包括巨磁阻(GMR)传感器的微流控装置。
发明内容
在一些方面，本公开的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到所述生物分子的可裂解部分以及与生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解是通过查询样品中存在的分析物进行催化的，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；使查询样品通过传感器，从而允许在存在分析物的情况下从生物分子中裂解和移除具有相连受体的可裂解部分；在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面，本公开的实施方案涉及诸如巨磁阻(GMR)传感器的磁阻变化的信号的放大方法，所述方法包括检测查询样品中分析物的存在，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到所述生物分子的可裂解部分以及与所述生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解被查询样品中存在的分析物催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；使所述查询样品通过所述传感器，从而允许在存在分析物的情况下允许从生物分子中裂解和移除具有相连受体的可裂解部分；使配置为与包含结合对第一部分的第一多个磁性颗粒结合的报告蛋白通过传感器后，使包含结合对(binding pair)第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。在一些实施方案中，此类方法还包括使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒穿过传感器后，使包含结合对第一部分多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第一第二部分(first second member)的第二多个磁性颗粒穿过GMR传感器后，使包含结合对第二部分的第二多个磁性颗粒通过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括使一个或多个后续多个磁性颗粒(包括结合对第一部分)和一个或多个后续多个磁性纳米颗粒(包括结合对第二部分)通过GMR传感器。在一些实施方案中，所述结合对包含链霉亲和素和生物素。在一些实施方案中，所述结合对第一部分包含链霉亲和素。在一些实施方案中，所述结合对第二部分包含生物素。
在其他方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括在抗原结合位点结合抗体的抗原部分，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点配置为与磁性纳米颗粒结合；使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点结合查询样品中存在的分析物，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分；在混合物通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在其他方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白还能够结合分析物，其中当检测蛋白结合分析物时，它防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；使检测蛋白通过传感器，使查询样品通过传感器，在查询样品通过传感器后使报告蛋白通过传感器，所述报告蛋白能够结合检测蛋白，所述报告蛋白配置为与磁性颗粒结合；在报告蛋白通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在另一方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括使查询样品通过传感器的相连磁性颗粒，进而在存在分析物的情况下从生物分子中移除相连磁性颗粒，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中存在的分析物，所述磁阻变化基于查询样品通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在其他方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述第一生物分子包括第二生物分子的条件结合位点(conditional binding site)，所述第二生物分子包括磁性颗粒的结合位点；使查询样品通过传感器，使第二生物分子通过传感器；在查询样品通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在进一步的方面中，本文的实施方案涉及检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，当存在分析物时，所述生物分子包括磁性颗粒的结合位点；使查询样品通过传感器，在查询样品通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在一些方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中金属存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到该生物分子的可裂解部分以及与生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解被查询样品中存在的金属催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；使查询样品通过传感器，从而允许在存在金属的情况下从生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在金属，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面，本文的实施方案涉及检测查询样品中金属存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到生物分子的可裂解部分以及与生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解被查询样品中不存在的金属催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；使查询样品通过传感器，从而允许在不存在金属的情况下从生物分子中裂解和移除具有相连受体的可裂解部分；在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在金属，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大检测信号的方法，用于检测查询样品中是否存在分析物，所述方法包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：共价结合到生物分子的可裂解部分以及与生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解被查询样品中存在的分析物催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；(a)使查询样品通过传感器，从而允许在存在分析物的情况下从生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；(b)查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；(c)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大检测信号的方法，用于检测查询样品中是否存在分析物，包括：(a)提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括在抗原结合位点结合抗体的抗原部分，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；(b)使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中在查询样品中存在分析物的情况下，所述抗体的抗原结合位点结合分析物，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分；(c)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及(d)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大检测信号以检测查询样品中分析物的存在的方法，包括：(a)提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白也能够结合分析物；其中，当检测蛋白结合分析物时，其防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；(b)使检测蛋白通过传感器；(c)使查询样品通过传感器；(d)在查询样品通过传感器之后，使报告蛋白通过传感器，所述报告蛋白能够结合检测蛋白并且所述报告蛋白配置为与磁性纳米颗粒结合；(e)在查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及(f)通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大检测信号的方法，用于检测查询样品中分析物的存在，包括：(a)提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述第一生物分子包括第二生物分子的条件结合位点，第二生物分子包括磁性颗粒的结合位点；(b)使查询样品通过传感器；(c)使第二生物分子穿过传感器；(d)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案；从而放大检测信号。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大检测信号的方法，用于检测查询样品中是否存在分析物，包括：(a)提供一个传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，当存在分析物时，所述生物分子包括磁性颗粒的结合位点；(b)使查询样品通过传感器；(c)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案；从而放大检测信号。
在一些方面，结合对第一部分包含链霉亲和素，结合对第二部分包含生物素。
在一些方面，结合对第一部分包括生物素，结合对第二部分包括链霉亲和素。
在一些方面，GMR传感器的磁阻变化的第一部分包括放大的磁阻变化。
在一些方面，本文的实施方案涉及在多重检测方案中检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物存在的方法，所述方法包括：提供空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中，至少两个GMR传感器包含至少两个布置在至少两个(GMR)传感器功能化表面上的不同生物分子，每个不同的生物分子包括：共价结合到至少两个生物分子的可裂解部分以及与生物分子的可裂解部分相连的受体，裂解由一个或多个查询样品中存在的至少一个或多个分析物催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；(a)使一个或多个查询样品通过传感器，从而允许在存在一个或多个分析物中的至少一个的情况下，从至少两个生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；(b)在一个或多个查询样品通过传感器之后，使磁性颗粒通过传感器；以及(c)通过测量至少两个GMR传感器中的至少一个的磁阻变化来检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物中的至少一个的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面，本文的实施方案涉及检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物的存在的方法，包括在多重检测方案中：(a)提供至少两个空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中，至少两个GMR传感器包含布置在至少两个(GMR)传感器的功能化表面上的至少两个不同的生物分子，每个不同的生物分子包括：在抗原结合位点结合抗体的抗原部分，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，其配置为与磁性纳米颗粒结合；(b)使一个或多个查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中在分析物存在于一个或多个查询样品的情况下，所述抗体的抗原结合位点结合一个或多个分析物，从而防止抗体结合到至少两个生物分子中至少一个的抗原部分；(c)混合物通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及(d)通过测量至少两个GMR传感器中的至少一个的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面，本文的实施方案涉及检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物的存在的方法，包括在多重检测方案中，包括：(a)提供至少两个空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中，至少两个GMR传感器包含布置在GMR传感器的功能化表面上的至少两个不同的生物分子，每个不同的生物分子包括：配置为与至少两个不同检测蛋白质中的一个的结合区域结合，所述至少两个不同检测蛋白质也能够结合一个或多个分析物中的一个；其中，当所述至少两种不同检测蛋白质中的一种结合所述分析物中的一种时，其阻止所述至少两种检测蛋白质中的所述一种结合到所述生物分子的结合区域；(b)使至少两种不同的检测蛋白通过传感器；(c)使一个或多个查询样品通过传感器；(d)在一个或多个查询样品通过传感器之后，使至少一个报告蛋白通过传感器，所述至少一个报告蛋白能够结合至少两个检测蛋白并配置为与磁性颗粒的至少一个报告蛋白结合；(e)在至少一种报告蛋白通过传感器之后，使磁性颗粒通过传感器；以及(f)通过测量至少两个GMR传感器的磁阻变化来检测一个或多个分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些方面中，在GMR传感器芯片的通道中布置至少两个专门布置的GMR传感器，其中GMR传感器芯片包括至少一个通道。
在一些方面中，在GMR传感器芯片的通道中布置至少两个专门布置的GMR传感器，其中GMR传感器芯片包括多个通道。
在一些方面中，至少两个空间布置的GMR传感器各自是GMR传感器芯片的不同通道，其中GMR传感器芯片包括多个通道。
在一些方面，使磁性颗粒通过传感器包括在报告蛋白通过传感器后使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，其中，GMR传感器的磁阻变化包括GMR传感器放大的磁阻变化。
在一些方面，本文的实施方案涉及放大诸如GMR传感器磁阻变化信号的方法，包括检测样品中金属的存在，包括(a)提供包含表面和连接到表面的金属依赖性脱氧核酶的传感器，其中所述脱氧核酶包括(i)包含结合对第一部分的底物链，(ii)包含金属依赖催化结构域的酶链，其中底物链的一部分与酶链的一部分互补；(b)使传感器与被怀疑包含金属的液体样品接触；(c)将所述传感器与包含所述结合对第二部分的可检测标签接触；以及(d)检测与传感器表面相连的可检测标签的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，所述金属为铅，并且金属依赖性脱氧核酶由存在的铅激活。在一些实施方案中，所述传感器是磁传感器(例如，巨磁阻(GMR)传感器)，所述可检测标签包括磁性颗粒。在某些实施方案中，结合对第一部分包含生物素，结合对第二部分包含链霉亲和素。此外，在某些实施方案中，(b)的接触在(c)的接触之前或之后执行。因此，在一些方面，本文提供了一种检测液体样品中是否存在铅量的方法，包括(a)提供包含表面的磁性传感器和连接到表面的铅依赖性脱氧核酶，其中脱氧核酶包括(i)包含生物素的底物链(ii)包含金属依赖性催化域的酶链，其中，底物链的一部分与酶链的一部分互补；(b)将磁性传感器与怀疑含有铅的液体样品接触；(c)将磁性传感器与包含链霉亲和素的多个磁性颗粒接触；以及(d)检测与磁传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。
在一些方面，根据在磁性传感器表面、表面上或表面附近检测到的磁性颗粒的存在、不存在或数量来确定样品中铅的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，(d)的检测包括在传感器表面或附近检测磁性颗粒的存在、不存在或数量。因此，在一些实施方案中，根据传感器磁阻的变化来确定与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。
在一些方面，本文所述方法的部分或全部步骤在微流控装置中进行，所述微流控装置包括传感器和多个阀门、腔室、微流控通道和端口，这些阀门、腔室、微流控通道和端口配置为引导样品、磁性颗粒和任选的一个或多个清洗缓冲液在传感器表面上流动。
在一些方面，铅依赖性脱氧核酶的底物链包含SEQ ID NO:1的核苷酸序列(5’-CTCACTAT
Figure BDA0003846645080000081
GGAAGAGATGATGTCTGTAAATT-3’)，酶链包含SEQ ID NO:2的核苷酸序列(5’-ACAGACATCATCTCTGAAGTAGCGCCGCCGTATAGTGAG-3’)。在某些实施方案中，底物链的5’-端连接到传感器的表面，底物链的3’-端连接到生物素，下划线和粗体
Figure BDA0003846645080000091
残基表示目标裂解位点。在某些实施方案中，脱氧核酶与链霉亲和素包被的磁性颗粒接触后，颗粒与底物链3’-端的生物素结合，并检测磁性传感器表面是否存在磁性颗粒，从而在传感器表面提供基线磁阻。在一些实施方案中，当存在铅时，酶链裂解底物链并从表面释放底物链的3’-臂和相连磁性颗粒，这可以检测为传感器的磁阻变化(例如，见图21)。
在一些方面，本文提供了一种微流控装置，包括：(a)包括表面的磁传感器；(b)连接在表面上的金属依赖性脱氧核酶；(c)一个或多个微流控通道；(d)一个或多个腔室；以及(e)一个或多个阀门或泵；其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门和/或泵可操作地连接和/或流体连接。在一些实施方案中，所述一个或多个腔室包括样品室、一个或多个清洗室和包含磁性颗粒悬浮液的试剂室。在某些实施方案中，样品室、清洗室和试剂室位于传感器的近端(即上游)。在一些实施方案中，所述装置包括位于传感器远端(即下游)的废物室。
在一些方面，本文介绍了用于检测样品(例如水样)中汞的存在、不存在或数量的装置和方法。在一些方面，本文提供了一种微流控装置，其包括(a)包括表面的磁性传感器和连接到表面的多个汞结合蛋白，其中每个汞结合蛋白包括或结合到汞离子，(b)一个或多个微流控通道，(d)一个或多个腔室以及(e)一个或多个阀门或泵，其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室和一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。在一些实施方案中，汞结合蛋白为血清白蛋白。在一些实施方案中，微流控装置包括一个包含多个汞结合剂(例如，配置为与汞结合的抗体)的腔室和另一包含多个磁性颗粒的腔室，每个磁性颗粒配置为与装置的汞结合剂结合。在一些实施方案中，每种汞结合剂包含生物素，每种磁性颗粒包含链霉亲和素。在一些实施方案中，微流控装置被配置为与控制器和/或计算机集成。例如，在一些实施方案中，微流控装置是可移动的卡或盒形式。
在一些方面，本文提供了一种检测样品中汞的存在、不存在或数量的方法，所述方法包括(a)提供磁传感器，所述磁传感器包含表面，所述表面包含多个汞结合蛋白(例如，配置为与汞结合的修饰血清白蛋白)，其中每个汞结合蛋白包含至少一个与其结合的汞离子，(b)使磁性传感器与汞结合剂(例如，与汞结合的抗体)接触，汞结合剂包括结合对第一部分(例如，生物素)，(c)将磁性传感器与怀疑包含汞的液体样品接触，(d)将磁性传感器与多个磁性颗粒接触，其中，每个磁性颗粒包括结合对第二部分(例如链霉亲和素)以及(e)检测与磁性传感器表面相连的汞结合剂或磁性颗粒的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，根据与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来确定样品中汞的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，样品中汞的存在、不存在或数量由磁阻量或磁阻变化确定，其中磁阻量或变化是由连接在传感器表面或与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量引起的。
在一些方面，本文提供了一种检测样品中汞的存在、不存在或数量的方法，所述方法包括(a)提供磁传感器，其包含一个包含多个汞结合蛋白的表面，其中每个汞结合蛋白包含至少一个汞离子，(b)使磁性传感器与多个汞结合剂(例如，配置为与汞结合的抗体)接触，每个结合剂包含一个磁性颗粒，(c)使磁性传感器与怀疑包含汞的液体样品接触，以及(d)检测是否存在，或和磁性传感器表面相连的汞结合剂或磁性颗粒的量。在一些实施方案中，根据与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来确定样品中汞的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，根据传感器检测或测量的磁阻或磁阻变化来确定样品中汞的存在、不存在或数量，其中磁阻或磁阻变化与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量相关。
在一些方面，本文提供了一种检测样品中重金属存在或不存在的方法，所述方法包括：(a)提供磁性传感器，所述传感器包括表面和连接在该表面的核酸，以及金属调节阻遏蛋白(MRP)，其中(i)所述核酸包括MRP的阻遏物结合位点，(ii)MRP与阻遏物结合位点结合；(b)将磁性传感器与怀疑包含重金属的液体样品接触；以及(c)检测样品中是否存在重金属。在一些实施方案中，MRP与磁性颗粒(直接或间接)结合，检测包括检测传感器表面上、表面、表面附近或与之相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，检测样品中重金属的存在包括检测样品中重金属的量。
在一些方面，本文提供了一种检测样品中重金属存在的方法，所述方法包括：(a)提供磁性传感器，其包括表面、连接在表面的核酸和金属调节阻遏蛋白(MRP)，其中(i)核酸包括MRP的阻遏物结合位点，(ii)MRP与核酸的阻遏物结合位点结合；(b)将磁性传感器与怀疑包含重金属的液体样品接触；(c)将磁性传感器与多个磁性颗粒接触；以及(d)检测与磁传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。在某些实施方案中，MRP是耐镉操纵子阻遏物(cadC)，重金属是镉。在某些实施方案中，MRP是砷抗性操纵子阻遏物(arsR)，重金属是砷。在一些实施方案中，磁传感器是巨磁阻(GMR)传感器。
在一些实施方案中，MRP包括结合对第一部分，磁性颗粒包括结合对第二部分。在一些实施方案中，结合对第一部分包含生物素，结合对第二部分包含链霉亲和素。
在一些实施方案中，本文公开的方法在微流控装置中执行。
在一些方面中，本文提供了一种微流控装置，其包括(a)磁传感器，其包括表面、连接到表面的核酸和MRP，其中(i)核酸包括MRP的阻遏物结合位点，(ii)MRP结合到核酸的阻遏物结合位点；(b)一个或多个微流控通道；(d)一个或多个腔室；以及(e)一个或多个阀门或泵；其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。在一些实施方案中，磁传感器是巨磁阻(GMR)传感器。
在一些实施方案中，微流控装置配置为与控制器和/或计算机集成。例如，在一些实施方案中，所述微流控装置是可移动的卡或盒形式。
在又一方面，实施方案涉及配置为执行前述方法的系统。
通过以下详细描述、附图和所附权利要求书，本发明的其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
下文将参考附图描述本发明的各种实施方案，其中：
图1是根据本发明实施方案的系统中使用的示例性盒式读取器单元的透视图。
图2A是根据本发明实施方案在系统中使用的示例性盒式组件的透视图。
图2B是根据本文实施方案的图2A的盒式组件的分解图。
图2C是根据本文实施方案图2A的盒式组件的示意图。
图2D示出了图2A盒式组件的横截面，其展示了样品处理卡与其传感和通信基底之间的连接接口。
图3是根据本发明实施方案的系统示意图。
图4示出了根据实施方案，当使用本文公开的图3系统的特征时，用于在样品中执行分析物检测的方法的步骤。
图5A示出了根据实施方案的包含多个GMR传感器的蛇形通道。
图5B示出了根据实施方案的用于GMR传感的基底上多个通道的布置。
图6A示出了根据实施方案的有GMR传感器布置在其中的通道的线性长度的横截面。
图6B示出了根据实施方案的有GMR传感器位于其中的圆形通道扩展的通道的线性长度的横截面。
图6C示出了根据实施方案的有GMR传感器位于其中的正方形通道扩展的通道的线性长度的横截面。
图6D示出了根据实施方案的有GMR传感器位于其中的三角形通道扩展的通道的线性长度的横截面。
图6E示出了根据实施方案的布置有GMR传感器的蛇形通道的剖面图。
图6F示出了根据实施方案的具有布置为圆形通道扩展的GMR传感器的蛇形通道的剖面图。
图6G示出了根据实施方案的具有分岔和布置在其中的GMR传感器的通道剖面图。
图7示出了根据实施方案的具有圆形通道扩展的、有不同GMR传感器位于其中的通道的线性长度的横截面。
图8A示出了根据实施方案的具有多个通道的GMR传感器芯片，其中GMR传感器以圆形扩展方式并入，并且GMR传感器通过布线连接到接触垫。
图8B示出了根据实施方案，在显示布线网络的圆形通道扩展中，GMR传感器周围区域的扩展。
图8C示出了根据实施方案的交换机的结构。
图9示出了根据实施方案的圆形通道扩展和位于其中的GMR并通过导线连接到接触垫的横截面图。
图10A示出了根据实施方案的没有扩展的通道和位于其中的GMR以及布置在GMR传感器上的生物表面层的横截面图。
图10B示出了根据实施方案的GMR传感器的基本结构和工作原理。
图11A示出了根据实施方案的减法GMR感测过程的结构状态图。
图11B示出了图11A的GMR传感过程的工艺流程图。
图12A示出了根据实施方案的加法GMR传感过程的结构状态图。
图12B示出了图12A的GMR传感过程的工艺流程图。
图13A示出了根据实施方案的加法GMR传感过程的另一结构状态图。
图13B示出了图13A的GMR传感过程的工艺流程图。
图13C示出了图13A的GMR传感过程的替代流程图。
图14A示出了根据实施方案的加法GMR传感过程的结构状态图，在该过程中，分析物修饰结合到生物表面的分子。
图14B示出了图14A的GMR传感过程的工艺流程图。
图15A示出了根据实施方案的加法GMR传感过程的替代结构状态图，其中分析物对结合到生物表面的分子进行修饰。
图15B示出了图15A的GMR传感过程的工艺流程图。
图16A示出了采用示例性“三明治”抗体过程的加法GMR传感过程的结构状态图。
图16B示出了图16A的GMR传感过程的工艺流程图。
图17A示出了用GMR传感器生成的用于检测D-二聚体心脏生物标志物的数据图：实线为阳性对照；虚线是一个样品运行；用“+”表示的行是阴性对照。
图17B示出了使用GMR传感器检测D-二聚体心脏生物标志物的D-二聚体校准曲线。
图17C示出了用GMR传感器生成的用于检测肌钙蛋白心脏生物标志物的数据图。
图18示出了根据实施方案的基于GMR的铅离子检测的反应方案。
图19示出了根据实施方案的基于GMR的汞离子检测的反应方案。
图20示出了根据实施方案的基于GMR的镉或砷离子检测的反应方案。
图21示出了根据实施方案的使用表面结合的铅依赖性脱氧核酶的示例性金属检测方法图示。
图22示出了根据本文教导实施方案的微流控装置900的示例，所述微流控装置900包括脱氧核酶和传感器700，以及在铅离子存在的情况下底物链的裂解，或在不存在铅离子的情况下底物链的非裂解。
图23示出了根据实施方案，使用表面结合的铅依赖性脱氧核酶基于GMR检测所示铅离子浓度的结果。Pb＝铅离子；MR＝“磁阻”；ΔMR＝“磁阻变化，即：在没有磁性颗粒的情况下测量的磁阻；以及在存在磁性颗粒的情况下测量的磁阻和指示的铅离子浓度。
图24示出了使用表面结合的铅依赖性脱氧核酶的基于GMR的铅离子指示浓度检测的结果，其中各种浓度的生物素化脱氧核酶底物链包含polyT接头(“polyT底物”)。MR＝“磁阻”；ΔMR＝“磁阻变化，即：在没有磁性颗粒的情况下测量的磁阻；以及在存在磁性颗粒的情况下测量的磁阻和指示的铅离子浓度。
图25示出了根据本文教导的实施方案，使用传感器表面720的示例性检测方法的图示，传感器表面720连接到与汞结合的汞结合蛋白40(例如，与汞结合的改良BSA(Hg-BSA))；或者：在汞离子存在的情况下，生物素化汞结合抗体17结合汞离子，不结合汞结合蛋白40；在没有汞离子的情况下，生物素化汞结合抗体17结合汞结合蛋白40。
图26示出了根据本文教导的实施方案，配置用于检测样品中汞的微流控装置900的示例。
图27示出了使用指示浓度的表面结合汞结合蛋白(“Hg-BSA”)基于GMR的汞离子指示浓度(“Hg”)检测结果。使用非生物素化DNA(DNA-)的检测作为阴性对照，使用生物素化DNA(DNA+)的检测作为阳性对照。HgBSA＝汞结合牛血清白蛋白。MR＝“磁阻”；ΔMR＝“磁阻变化，即：在没有磁性颗粒的情况下测量的磁阻；以及在磁性颗粒和汞离子指示浓度存在下测量的磁阻。
图28示出了根据本文教导实施方案的使用包含金属调节阻遏蛋白40的表面结合核酸双链20的示例性检测方法的图示。
图29示出了根据本文教导实施方案的使用表面结合核酸双链20的检测方法的另一实施方案的图示，该双链20包含金属调节阻遏蛋白40。
图30示出了根据本文教导实施方案，配置用于检测样品中重金属的微流控装置900的示例。
图31示出了根据本文教导实施方案的GMR信号的放大示例。
具体实施方式
从附图和下面的描述中可以看出，本发明涉及一种可用于检测样品中是否存在一种分析物(或多种分析物)的样品处理系统(或本发明中所述的“系统”)。在一个实施方案中，所述系统如图3中的系统300所示，可包括(1)样品处理系统或“盒式组件”，其包括样品制备微流控通道和至少一个用于传感测试样品中生物标志物的传感装置(或传感器)，以及(2)数据处理和显示装置或“盒式读取器单元”，其包括处理器或控制器，用于处理盒式组件的感测装置的任何感测数据，以及用于显示检测事件的显示器。这两个部分共同构成了系统。在一个实施方案中，这些组件可以包括可变特征，包括但不限于一个或多个盒、废物盒和流量控制系统，例如该系统可以是气动流量控制器。
一般来说，在盒式组件中制备样品的过程如下：将原始患者样品加载到卡片上，任选地通过滤膜过滤，以检测组件和通过盒读取器单元输出的分析物、生物标志物等，之后，卡外(off-card)气动系统产生的负压将样品过滤成单独的测试样品(例如血浆)。该分离的测试样品通过通道几何结构在卡上定量。在流经传感器/传感装置之前，通过与混合物质源(例如泡罩包装、储存室、盒、孔等)的混合物质(例如试剂(可能是干的或湿的)、缓冲液和/或清洗缓冲液、珠子和/或珠子溶液等)相互作用，在卡片上制备样品。样品制备通道的设计可以使任意数量的通道可以垂直堆叠在一张卡中，从而允许使用多个患者样品。传感微流控装置也是如此，也可以垂直堆叠。样品制备卡是盒式组件的一部分，包括一个或多个结构，提供选自过滤、加热、冷却、混合、稀释、添加试剂、色谱分离及其组合的功能；以及用于在整个样品制备卡中移动样品的装置。下文将进一步介绍这些功能。
图1示出了根据实施方案在系统300(参见图3)中使用的盒式读取器单元100的示例。盒式读取器单元100可以被配置为紧凑和/或足够小，例如可以是手持式移动仪器。盒式读取器单元100包括主体或壳体110，其具有显示器120和用于接收盒式组件的盒式接收器130。如果将读取器单元100握在操作员手中，则壳体110可以具有人机工程学设计，以允许更大的舒适度。然而，设想壳体110的形状和设计并不受到限制。
盒式读取器单元100可以包括接口140和显示器120，用于提示用户输入和/或将盒式组件200与单元和/或样品连接。根据一个实施方案，结合所公开的盒式组件200，系统300可以使用传感器(GMR)技术处理、检测、分析和生成结果报告，例如关于测试样品中的多个检测到的生物标志物，例如五个心脏生物标志物，并进一步显示生物标志物结果，作为过程的一部分。
显示器120可以被配置为例如向操作员或用户显示信息。显示器120可以以集成显示屏或触摸屏(例如，具有力触觉(haptics)或触觉(tactile)反馈)的形式提供，例如，提供在外壳110上的LCD屏幕或LED屏幕或任何其他平板显示器，并且(任选地)提供输入表面，该输入表面可被设计为充当最终用户界面(UI)140，操作员可使用该界面向单元100输入命令和/或设置，例如，通过将手指触摸显示器120本身。显示器120的大小可以变化。更具体地说，在一个实施方案中，显示器120可以配置为显示控制面板，其上具有键、按钮、菜单和/或键盘功能，用于输入系统300的命令和/或设置，作为最终用户界面的一部分。在一个实施方案中，控制面板包括功能键、启动和停止按钮、返回或输入按钮以及设置按钮。此外，和/或可选地，尽管未在图1中示出，但在实施方案中，盒式读取器100可以包括任意数量的物理输入装置，包括但不限于按钮和键盘。在另一个实施方案中，盒式读取器100可以配置为通过另一个装置接收输入，例如，通过直接的或有线的连接(例如，使用插头和线缆连接到计算机(PC或CPU)或处理器)或通过无线连接。在另一个实施方案中，显示器120可以是集成屏幕，也可以是外部显示系统，或者两者都可以。通过显示控制单元120，测试结果(例如，来自盒式读取器310，参考图3描述)可以显示在集成或外部显示器上。在又一个实施方案中，用户界面140可以与显示器120分开提供。例如，如果触摸屏UI不用于显示器120，则其他输入装置可以用作用户界面140(例如，遥控器、键盘、鼠标、按钮、操纵杆等)，并且可以与盒式读取器100和/或系统300相连。因此，应当理解，用于输入盒式读取器100的装置和/或方法并不旨在是限制性的。在一个实施方案中，盒式读取器100和/或系统300的所有功能可以通过显示器120和/或输入装置进行管理，包括但不限于：启动处理方法(例如，通过启动按钮)，选择和/或更改分析和/或盒式组件200的设置，选择和/或与气动相连的设置，确认任何输入提示，查看处理测试样品的方法中的步骤，和/或查看(例如，通过显示器120和/或用户界面140)GMR传感器和控制单元/盒式读卡器计算的测试结果和值。显示器120可以直观地显示与样品中分析物检测相关的信息。显示器120可以配置为显示来自控制单元/盒式读取器的生成的测试结果。在一个实施方案中，关于已由盒式读取器单元/控制器确定/处理的测试结果的实时反馈(通过接收来自传感装置的测量，测量是根据检测到的分析物或生物标志物确定的)可显示在显示器120上。
任选地，扬声器(未显示)也可以作为盒式读取器单元100的一部分提供，用于提供音频输出。可以输出任意量的声音，包括但不限于语音和/或警报。盒式读取器单元100还可以或任选地包括任意数量的接头，例如LAN接头和USB接头，和/或与之相连的其他输入/输出装置。LAN接头和/或USB接头可用于将输入装置和/或输出装置连接到盒式读取器单元100，包括可移动存储器或驱动器或另一个系统。
根据一个实施方案，盒式接收器130可以是位于壳体110内的开口(如图1所示)，其中可以插入盒式组件(例如，图2的盒式组件200)。在另一个实施方案中，盒式接收器130可以包括托盘，该托盘被配置为在其中接收盒式组件。这种托盘可以相对于壳体110移动，例如从其中的开口移出或移入其中的开口，从而接收盒式组件200并将盒式组件移入(移出)壳体110。在一个实施方案中，托盘可以是弹簧加载托盘，其被配置为相对于壳体110可释放地锁定。稍后参照图3描述与盒式读取器单元100相连的附加细节。
如前所述，盒式组件200可设计为插入盒式读取器单元100中，从而可制备、处理和分析样品(例如，血液、尿液)。图2A-2C说明了根据本文实施方案的盒式组件200的示例性实施方案。参考这些图描述了与所公开的盒式组件200相连的一些一般特征。然而，正如稍后更详细地描述的，几种不同类型的盒式卡和盒式组件可以与盒式读取器单元100一起使用，并因此作为系统300的一部分提供。在实施方案中，取样处理系统或盒式组件200可以采用一次性组件的形式，用于进行单独测试。也就是说，正如本文的描述将被进一步理解的那样，根据正在测试的样品和/或分析物的类型，可以使用不同的盒式卡配置和/或盒式组件。图2A示出了根据本文实施方案的盒式组件200的顶角(top angled)视图。盒式组件200包括样品处理卡210和传感和通信基底202(另请参见图2B)。通常，样品处理卡210被配置为接收样品(例如，通过诸如注入端口的样品端口，也将在下文中描述)，并且在插入盒式读取器单元100后，进行样品处理并对样品流进行引导以产生制备的样品。卡210还可以将用于制备测试样品的样品和/或液体废物存储在内部废物室中(图2A中未显示，但下文将进一步描述)。例如，记忆芯片275可以被读取和/或写入，并用于存储与盒的应用、传感器校准和所需样品处理有关的信息。在一个实施方案中，记忆芯片275被配置为存储气动系统协议，该协议包括用于选择性地向盒式组件200的卡210施加压力的步骤和设置，从而实现用于制备样品以输送到传感器(例如，GMR传感器芯片280)的方法。记忆芯片可用于防止插入单元100的每个盒式组件200出错，因为它包括每个分析的自动化方案。记忆芯片275还包含对每个卡210和/或盒式组件200的制造的可追溯性。传感和通信基底202可以配置为建立和保持与盒式读取器单元100的通信，并接收、处理和感测制备样品的特征。基底202与盒式读取器单元100中的控制器建立通信，以便可以在制备的样品中检测分析物。将样品处理卡210和传感和通信基底202(例如，参见图2B)组装或组合在一起以形成盒式组件200。在一个实施方案中，可以任选地使用粘合材料(例如，参见图2D)将卡210和基底202粘接在一起。在一个实施方案中，基底202可以是应用于样品处理卡210的层压层。在一个实施方案中，基底202可以设计为层压到样品处理卡210的柔性电路。在另一个实施方案中，样品处理卡210可以由陶瓷材料制成，电路、传感器(传感器芯片280)和流体通道集成在其上。或者，卡210和基底202可以机械对齐并连接在一起。在一个实施方案中，基底202的一部分可以从卡210的边缘或端部延伸，如图2A所示。在另一个实施方案中，如图2B所示，基底202可以对齐和/或调整尺寸，使其具有与卡210相似或更小的边缘。
图2C示意性地示出了根据实施方案的盒式组件200的特征。如图所示，一些特征可以提供在样品处理卡210上，而其他特征可以与基底202相连。通常，为了接收测试样品(例如，血液、尿液)(在卡体内)，盒式组件200包括样品注入端口215，该端口可以设置在卡210的顶部。还任选地作为卡210的一部分提供过滤器220(本文中也称为滤膜)、排气口225、阀阵列230(或阀阵列区域230)和气动控制端口235。在卡210内提供通信通道233，以对卡210的此类特征进行流体连接。气动控制端口235是盒式组件200上气动接口的一部分，用于将加压流体(空气)选择性地施加到卡的通信通道233，用于控制其中的流体(空气、液体、试样等)流动和/或阀阵列230。任选地，卡210可以包括连接到指定通信通道233的不同阀控制端口535，用于控制阀阵列230中的阀。卡210还可以具有一个或多个计量室240、透气膜245和混合通道250，它们通过通信通道233流体连接。计量室设计为通过通信通道233在其中至少接收测试样品(直接地或过滤后)。通常，样品可通过端口215注入盒式组件200，并通过使用过滤器(例如，过滤器220)过滤、在计量室240中计量、在混合通道250中混合、加热和/或冷却(任选)并通过通信通道233、气动控制端口235和阀阵列230引导和改变流速进行处理。例如，可以使用内部微流体通道(在本发明中通常也称为通信通道233)和阀门，通过气动系统(例如，盒式读取器单元100中的系统330，如图3所示)和气动接口(例如，在具有气动控制端口235或类似连接部分的卡210上。根据一个实施方案，可以通过加热器259来实现卡210内测试样品和/或混合物质/流体的任选加热，加热器259可以是提供在具有热敏电阻的PCB/基底202顶侧的导线轨迹的形式。根据一个实施方案，可以通过集成在盒式组件200(例如，在基底202上)中的TEC模块，或者在另一个实施方案中，通过集成在盒式读取器单元100中的模块，实现卡210内测试样品和/或混合物质/流体的任选冷却。例如，如果单元100中提供了冷却模块，则如果需要冷却，可以将其压在盒式组件200上。处理还可以任选地包括通过卡210上的任选试剂部分260(和/或泡罩包装)和/或通过盒读取器单元100的外壳110中的盒引入试剂。可根据该样品和正在分析的盒式组件200的工艺要求释放或混合试剂。此外，可在卡210上提供任选泡罩包装265，以在处理期间通过通信通道233将诸如试剂、洗脱液、清洗缓冲液、磁性纳米颗粒、珠溶液或其他缓冲液之类的材料引入样品。还可以在卡210上任选地提供一个或多个内部废物室(在本文中也称为废物贮存器的废物槽)270，以存储来自样品和试剂的废物。如下文所述，提供输出端口255(也称为传感器传输端口或传感器的输入端口)以将制备好的样品从卡210输出到GMR传感器芯片280，以检测测试样品中的分析物。输出端口255可与计量室进行流体连接，用于将试样和一种或多种混合物质输送至传感器。因此，传感器可以配置为通过至少一个输出端口255接收测试样品和一种或多种混合物质。在实施方案中，提供输入端口257(也称为废物输送端口或传感器的输出端口)，以将任何流体或样品从GMR传感器芯片280输出到废物室270。废物室270可以通过通信通道233与卡210的其他特征(例如，包括计量室240、输入端口257或两者)流体连接。
盒式组件200能够在记忆芯片275上存储、读取和/或写入数据，记忆芯片275可能与卡210或基底202相连。如前所述，记忆芯片275可用于存储与盒的应用、传感器校准和所需样品处理(在样品处理卡内)相关(related)和/或相对(relative)的信息，以及基于制备和处理的样品接收附加信息。记忆芯片275可以定位在样品处理卡210上或基底200上。
如前所述，根据本文的实施方案，可以使用磁阻传感器来确定使用本文公开的系统的测试样品内的分析物(例如生物标志物)。虽然描述和附图说明了特定类型磁阻传感器(即巨磁阻(GMR)传感器)的使用，但应理解，本发明不限于GMR传感器平台。根据一些实施方案，例如，传感器可以是各向异性磁阻(AMR)传感器和/或磁性隧道结(MTJ)传感器。在实施方案中，可以利用其他类型的磁阻传感器技术。然而，仅出于解释目的，描述和附图引用了GMR传感器作为磁阻传感器的使用。
盒式组件200的基底202可以是，或包括电子接口和/或电路接口，例如PCB(印刷电路板)，其可以具有与之相连的巨磁阻(GMR)传感器芯片280和电接触垫290(或电接触部分)。也可以在基底202上提供其他组件。根据实施方案，GMR传感器芯片280至少连接到基底202。例如，可以使用粘合剂将GMR传感器芯片280放置在基底202上并连接到基底202。在一个实施方案中，可以在GMR传感器280和PCB基底202之间使用液体粘合剂或胶带粘合剂。例如，这种设计可能需要在底部连接到PCB，在顶部连接到处理卡。或者，用于将GMR传感器芯片280连接到基底202的其他方法包括但不限于：将GMR传感器利用摩擦力配合(frictionfit)到PCB，以及将GMR传感器芯片280的顶部直接连接到样品处理卡210(例如，特别是当基底202以层压(至背面)样品处理卡210的柔性电路的形式提供时)。GMR传感器芯片280可以设计为从样品处理卡210的输出端口255接收准备好的样品。因此，可以基于卡210上的输出端口255的位置来改变(change)或转变(alter)GMR传感器芯片280在基底上的放置(因此，图2B中所示的图示无意进行限制)，反之亦然。在一个实施方案中，GMR传感器芯片280位于基底202的第一侧(例如，面向卡210底面的顶侧，如图2B所示)，以便从卡210底面上输出的输出端口接收制备的样品，接触垫290位于相反的位置，基底的第二侧(例如，在基底202的底侧(bottom side)或底面(underside)，使得当完全组装以插入盒式读取器单元100时，接触垫290暴露在盒式组件200的底侧)。GMR传感器芯片280可包括其自身相连的接触垫(例如，金属条或引脚)，其通过PCB/基底202上的电子连接电连接到其底面上的电接触垫290。因此，当盒式组件200插入盒式读取器100时，电接触垫290被配置为充当电子接口并建立电连接，从而与盒式读取器单元100中的电子装置(例如，盒式读取器310)电连接。因此，传感器芯片280中的任何传感器通过GMR传感器芯片280的电接触垫290和接触垫连接到盒式读取器单元100中的电子装置。
图2D示出了卡210和基底202的配合或连接接口的示例性横截面视图。更具体地说，图2D示出了根据实施方案的卡210上的输出端口255和基底202的GMR传感器芯片280之间的接口。例如，所示为根据本文公开的任何实施方案的位于卡210下方并与卡210相邻的PCB基底202。基底202可以连接到卡210的底表面。卡210在其至少一层中具有通道特征，此处标记为微流控通道433(是卡210内的许多通信通道之一)，其设计用于将在卡210内处理的测试样品引导至指向GMR传感器280的输出端口255。任选地，可以在卡210的层之间提供粘合材料，例如，可以在卡中具有试剂端口434B的层和具有通道433的层之间提供粘合剂434A。基底202包括位于通道433和卡210的输出端口255附近的GMR传感器芯片280。
磁场(来自不同于磁场发生器360的磁性线圈365，如下参考图3所述)可用于激发位于传感器附近的纳米颗粒。
GMR传感器的灵敏度超过各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在传感器表面的磁性纳米颗粒产生的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。
由于这些原因，根据本文所述的实施方案，在盒式组件200中使用的传感器是GMR传感器芯片280。
现参考图3，示出了系统中提供的特征的概述。具体而言，示意性地示出了盒式读取器单元100的一些附加特征，以进一步描述如何将盒式读取器单元100和盒式组件200配置为一起工作以提供用于检测样品中分析物的系统300。如图所示，盒式组件200可以插入盒式读取器单元100的壳体110中。通常，盒式读取器单元100的壳体110还可以包括或包含处理器或控制单元310(此处也称为“控制器”和/或“盒式读取器”310)、电源320、气动系统330、通信单元340、(任选)诊断单元350、磁场发生器360和存储器370(或数据存储器)，以及其用户界面140和/或显示器120。任选地，试剂开启器(例如，图6中的穿刺系统533)也可以作为盒式读取器单元100的一部分提供，例如，用于打开插入的盒式组件上的试剂源或将试剂引入盒式组件(例如，如果试剂不包含在特定试剂部分的组件中)。盒式组件200插入盒式读取器单元100的壳体110后，电气和气动系统连接，可以从盒式组件200读取盒式记忆芯片275(例如，由单元100中的盒式读取器310/控制单元或PCB组件读取)，以确定气动系统规则(protocol)，所述规则包括用于选择性地向盒式组件200的卡210施加压力的步骤和设置，从而实施制备样品传递给传感器(例如，GMR传感器芯片280)的方法，进而可以制备、处理和分析放置在组件200中的样品。控制单元或盒式读取器310可以控制用于检测样品中分析物的过程自动化所需的输入和输出。盒式读取器310可以是实时控制器，其被配置为控制与外壳110内的盒式组件200和气动系统330相连的巨磁阻(GMR)传感器芯片280和/或记忆芯片275，以及来自用户界面的控制，驱动磁场发生器360，并从向盒式组件200相连的传感器芯片和/或存储器接收和/或发送信号。在一个实施方案中，盒式读取器310以PCB(印刷电路板)的形式提供，PCB(印刷电路板)可以包括其中的附加芯片、存储器、装置。例如，盒式读取器310可以配置为与内部存储器单元、系统操作初始值设定器、信号准备单元、信号准备单元、信号处理单元和/或数据存储器(图中均未示出)通信和/或控制。例如，盒式读取器310还可以被配置为发送和接收关于通信单元340的信号，以便可以建立(例如，与云服务器的)网络连接和遥测，并且可以实现非易失性方案。通常，通信单元340允许盒式读取器单元100使用无线或有线技术发送和接收数据。可以通过电源320以内部电池的形式或接头的形式向盒式读取器单元100供电，该接头通过与之(例如，通过电源线和插头)连接的外部电源接收电源。气动系统330用于(例如，通过气动连接235通过其通道和连接控制弹性阀)通过移动和控制样品处理卡210内部以及沿样品处理卡210的流体来处理和制备放置在盒式组件200中的样品(例如，血、尿)。气动系统330可以是用于移动流体的系统和/或装置，其可以使用例如与流体接触的柱塞和/或活塞(下文将进一步描述)。磁场发生器360可以是安装在单元100中的外部磁性线圈或其他磁场产生装置，或者以某种方式与设置在盒式组件200上或设置在盒式读取器单元100的电路板上的一个或多个芯片(例如，传感器芯片280)集成。磁场发生器360用于在读取信号的同时刺激GMR传感器芯片280附近的磁性纳米颗粒。根据实施方案，第二磁场发生器365可以是线圈或其他磁场产生装置，可以作为盒式读取器单元100的一部分提供在壳体110中。例如，根据实施方案，第二磁场发生器365可以与磁场发生器360分离和不同。该第二磁场发生器365可被配置为产生非均匀磁场，使得其可在样品制备和处理期间，例如，当从混合物质源移动混合物质(例如缓冲器和/或磁珠)和卡片内的测试样品时，将该磁场施加到样品处理卡210的一部分(例如，顶部、底部、侧面)。在一个实施方案中，第二磁场发生器365设置在盒式读取器单元的另一端或另一侧(例如，位于单元100的外壳110的顶部)，即远离用于GMR传感的磁场发生器360。在一个实施方案中，与磁场发生器360相比，第二磁场发生器365设置在盒式读取器单元的另一端(例如，第二磁场发生器位于单元100的壳体110的顶部，磁场发生器360设置在单元100的底端(例如，靠近盒式接收器130))。在一个实施方案中，用于传感生物标志物/分析物的总磁场包括来自磁场发生器360(外部或与传感器芯片集成)的外加磁场以及来自GMR传感器芯片280附近的磁性纳米颗粒的任何干扰。试剂开启器任选地用于在GMR传感器芯片280的样品处理和读取期间引入试剂(例如，如果试剂不包含在特定试剂部分的卡中)。如前所述，用户界面140/显示器120允许操作员输入信息、控制过程、提供系统反馈和(通过输出显示屏，其可以是触摸屏)显示测试结果。
图4示出了使用本文公开的系统300在样品中执行分析物检测的方法400的一般步骤。在步骤410，对系统进行初始化。例如，系统的初始化可以包括：向系统300(包括盒式读取器单元100)通电、确定系统的配置信息、读取计算、确定特征(例如，磁线圈和载波信号)在线并准备就绪等。在步骤415，将整个测试样品添加或加载到盒式组件200中(例如，将样品注入端口215，如图2C所示)。步骤410和415的顺序可以改变；即可以在系统初始化之前或之后将整个测试样品添加到组件200中。在步骤420，将盒式组件200插入盒式读取器单元100中。任选地，作为方法400的一部分，用户指令可以经由用户界面/显示器120输入到盒式读取器单元100和/或系统300。然后，在步骤425，经由控制单元310启动样品处理。该启动可以包括例如通过用户界面/显示器120和/或连接到读取器单元100的系统经由操作员或用户接收输入。在另一个实施方案中，可以通过将盒式组件200插入盒式读取器单元100并检测其中是否存在盒式组件200来自动启动处理(例如，通过组件200上的电接触垫290与控制单元310之间的电气连接，并自动从记忆芯片275读取指令)。在步骤425，使用气动控制指令(例如，从记忆芯片275获得)处理样品，以产生制备的样品。如上所述(以及下文)，样品的处理可能取决于样品的类型和/或插入读取器单元100的盒式组件200的类型。在某些情况下，处理可能包括许多步骤，包括在制备样品之前混合、引入缓冲液或试剂等。制备样品后，将制备好的样品发送至GMR传感器芯片280(例如，通过卡210中的通道，并通过气动系统330和控制单元310的气动控制发送至输出端口255)。在步骤440，在GMR传感器芯片280处检测制备样品中的分析物。然后，在步骤445，例如通过盒式读取器310(控制单元；例如，可以包括一个或多个处理器)接收和处理来自GMR传感器芯片280的信号。信号被处理后，测试结果可以(例如，通过显示器120/用户界面)在450处显示。在455，保存测试结果。例如，测试结果可以保存在磁带盒式组件200上的云服务器和/或记忆芯片275中。在一个实施方案中，任何流体或样品可通过输入端口257从GMR传感器芯片280引导至废物室270。此后，在所有测试都被传感装置/GMR传感器芯片280执行和读取后，可以从盒式读取器单元100弹出盒式组件200。根据一个实施方案，这可以自动执行，例如，盒式读取器单元100的外壳110内的机械装置可以将组件200推出外壳110，或者例如由操作员手动执行(通过按钮或力)。
在一个实施方案中，本文描述的系统300可以使用国际专利申请No.PCT/US2019/043720中披露的气动控制系统，其标题为“SYSTEM AND METHOD FOR GR-BASED DETECTIONOF BIOMARKERS”(代理案号(Attorney Docket No.)026462-0504846)，并在同一天提交，通过引用将其全部并入本文。
在一个实施方案中，本文所述的系统300可以使用盒式组件(例如，用于样品制备和传递给传感器)，如国际专利申请No.PCT/US2019/043753所披露，标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR PROCESSING ANALYTE SIGNALS IN GR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504847)，并于同一天提交，其全部内容通过引用并入本文。
在一个实施方案中，本文所述的系统300可以感应、检测和/或测定GMR传感器处的分析物，如标题为“SYSTEM AND METHOD FOR SENSING ANALYTES IN GMR-BASED DETECTIONOF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504848)并于同一天提交的国际专利申请No.PCT/US2019/043766所披露，其全部内容通过引用并入本文。
在一个实施方案中，本文所述的系统300可以处理诸如标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR PROCESSING ANALYTE SIGNALS IN GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504850)并于同日提交的国际专利申请No.PCT/US2019/043791中公开的GMR传感器处的信号，其全部内容通过引用并入本文。例如，如上所述，在步骤445，通过盒式读取器310接收和处理来自GMR传感器芯片280的信号。在一个实施方案中，盒式读取器310被配置为使用具有存储器读取器单元和样品制备控制单元的样品制备控制部分来执行处理来自GMR传感器芯片280的结果的功能(例如，用于接收指示盒式组件200已插入盒式读取器单元100的信号，读取存储在记忆芯片275中的信息，并生成气动控制信号并将其发送到气动系统330)和信号处理部分，所述信号处理部分适于控制电气元件，制备和收集信号，以及处理、显示、存储，和/或将检测结果传达到外部系统，包括处理测量信号以获得分析物检测的测试结果，如在-0504850号申请中详细描述。本发明稍后将更详细地提供与单元100的盒式读取器310和信号处理器相关的附加特征。
应当理解，关于图1和图2A-2D中，所示特征是盒式读取器单元100和盒式组件200的代表性示意图，它们是本文公开的用于检测样品中分析物的系统300的一部分。因此，这些图示仅为解释性的，并不旨在进行限制。
回到前面参考图2C讨论的样品处理卡210和盒式组件200的特征，例如，盒式组件200中的样品处理卡210上提供特征的排列、布置、包含物和数量可以基于正在分析的测试样品和/或正在执行的测试(例如，生物标志物的检测、金属的检测等)。此外，在一些实施方案中，卡210可以被布置成在卡上有区域，和/或在不同的层中提供特征(然而，这些层不需要是具有主体的不同层；相反，在深度或高度(在Z方向)上彼此分层)。根据本文的实施方案，样品处理卡210可以使用被激光切割以形成入口、通道、阀门区域等并夹在一起并连接/密封在一起的零件形成。在其他实施方案中，样品处理卡的一层或多层可以是被激光切割、层压、模制的等，或者由过程的组合形成。形成样品处理卡210的方法并不旨在进行限制。出于说明目的，本文中的一些图包括层的描述，以显示样品处理卡210的部分相对于彼此的定位(例如，相对于布置在上面和/或下面的其他特征在卡内的定位)。提供此类图示是为了在不受限制的情况下，示出样品处理卡210主体内特征(通道、阀门等)的示例性深度或布置。
通常，当从头顶或顶部观看时，每个卡210具有沿纵向中心线a-a(在Y方向上提供)纵向延伸的主体214。在一个实施方案中，每个卡210的尺寸可以由纵向延伸的长度(即，沿着或相对于中心线a-a)、横向延伸到长度的宽度(例如，在X方向)和Z方向或垂直方向的高度(或深度或厚度)定义。在非限制性实施方案中，卡210的主体214可以是基本上矩形的配置。在一个实施方案中，盒式读取器单元100中的盒式接收器130(和/或任何相连托盘)的尺寸适合样品处理卡210的尺寸，使得卡210可以插入单元100的外壳中。
本发明附图中所示的结构特征并非旨在进行限制。例如，装置、阀门、计量室、膜、混合通道和/或端口的数量不受所示数量的限制。在一些实施方案中，可以提供更多通道。在一些实施方案中，可以提供更少的通道。阀门的数量也不受限制。
尽管本文中描述的盒式组件200和样品处理卡210可用于试剂和患者或医用血液样品，但应注意，本文中公开的盒式组件200不限于用于血液或仅用于医疗实践。可分离的并与试剂或反应材料结合的其他流体可用于本文所公开的盒中进行分析。其他样品可来自唾液、尿液、粪便样品、上皮拭子、眼液、活组织检查(固体和液体)，例如来自口腔、水样，例如来自市政饮用水、自来水、污水、海水、湖水等。
传感微流控装置包括一个或多个微流控通道和布置在一个或多个微流控通道内的多个传感器垫。现参考图5A，示出了根据一些实施方案的示例性通道500。通道500在结构上显示为蛇形，但在几何形状上不需要如此有限。通道500包括布置在通道主体520内的多个GMR传感器510。GMR传感器510可以全部相同地配置为检测单个分析物，这些冗余允许增强检测。GMR传感器510也可以全部以不同方式配置，以检测大量分析物或具有一些冗余的不同配置传感器的组合。通道500还包括通道入口530，其中任何样品、试剂、珠悬浮液等进入通道主体520。流经通道主体520的流量可以在通道入口530处的正压下或在通道出口540处施加的真空下调节。
图5B示出了布置在基座550内的多个通道500。每个通道500具有通道扩展560，通道扩展560是围绕每个GMR传感器510的扩展区域(图5A；为清晰起见，图5B中未示出)。在不受理论约束的情况下，假设通道扩展560提供了一种在材料通过GMR传感器时更好地混合物质的方法。在基座550的外围布置一对接触垫570，其用作位于通道扩展560中的GMR传感器与电路其余部分之间的导管。GMR传感器510通过导线(未示出)电子连接到接触垫570。
图6A示出了通道600的横截面，通道600包括具有直线配置的位于通道主体620中的多个GMR传感器610。在这些实施方案中，材料的流动方向可以是任意方向。在其他实施方案中，如图6B所示，通道600可以包括类似的多个GMR传感器610，这些传感器在形状大致为圆形或椭圆形的通道扩展630处并入通道主体620。在进一步的实施方案中，如图6C所示，通道600可以具有布置在大致为正方形或矩形的通道扩展630中的GMR传感器610。尽管未示出，但也可以布置此类正方形或矩形通道扩展，以使正方形或矩形的边而不是点是通道扩展630的一部分，而不是顶点。通道扩展1030的其他配置是可能的，包括图6D中所示的配置，其中通道600具有布置为三角形(或梯形)形状的GMR传感器610。通道扩展630可以具有任何几何形状，并且可以针对所需的流动和混合特性以及GMR传感器610上的停留时间进行选择。
如图6D所示，通道600可以具有蛇形的通道主体620，GMR传感器610沿着蛇形路径的长度布置。在一些实施方案中，与线性通道600相比，此类蛇形结构可允许将更多传感器封装到小区域中。如图6F所示，通道600可以包括在结构上呈蛇形的主体620以及具有GMR传感器610位于其中的通道扩展630。通道1000的其他任选结构特征如图6G所示，图6G示出了通道600，其中布置有GMR传感器，并且通道主体620包含分叉。在一些此类实施方案中，根据具体应用，可以在任一方向上调整流向。例如，在图形中向左流动时，材料可以分成两条不同的路径。例如，这可以表示沿两个分叉臂使用不同的GMR传感器610。通道主体620的宽度可以在分叉前后变化，并且可以针对特定的流动特性进行选择。
在一些实施方案中，参考图6A、6B、6C、6D、6F和6G作为非限制性示例，提供了多重检测方案，例如，用于执行多重分析，以检测同一查询样品或不同查询样品中的多个分析物，可以通过在通道620内空间布置不同的GMR传感器610来实现，其中，每个不同的GMR传感器610配置有差异标记和/或涂层，使得每个差异标记和/或涂层的GMR传感器610与不同的分子(例如不同的报告蛋白、不同的检测蛋白、结合对的不同部分和/或此处和全文所述的类似物)相互作用，从而允许检测相同样品中的不同分析物，或待检测不同样品中的不同分析物。
现参考图7，其示出了通道700，通道700包含通道主体720、其中布置了不同GMR传感器710a和710b的通道扩展730。尽管图7示出了不同的GMR传感器710a和710b交替，但它不需要遵循此模式。例如，所有一种类型的GMR传感器710a可以彼此相邻地聚集在一起，同样，所有其他类型的GMR传感器710b可以聚集在一起。在一些实施方案中，这种交替的GMR传感器710a和710b参考回图6G，不同的传感器也可以沿着分叉的分离线出现。
在一些实施方案中，作为图7的非限制性示例，提供了多重检测方案，例如，用于执行多重分析以检测相同查询样品或不同查询样品中的多个分析物，可以通过在通道720内空间布置不同的GMR传感器710a和710b来实现，其中，每个不同的GMR传感器710a和710b配置有差异标记和/或涂层，使得每个差异标记和/或涂层的GMR传感器710a和710b与不同的a分子(例如不同的报告蛋白、不同的检测蛋白、不同的结合对部分和/或此处和全文所述的类似分子)相互作用，从而允许检测相同样品中的不同分析物，或待检测不同样品中的不同分析物。
图8A、8B和8C示意性地示出了根据本发明实施方案的可安装在盒式组件200上的GMR传感器芯片280的结构。如图8A所示，GMR传感器芯片280包括：通道810、820和830中的至少一个，大致布置在芯片的中心；布置在通道内的多个GMR传感器880；电接触垫840A、840B，布置在GMR传感器芯片的相对两端；以及耦合到电接触垫840A、840B的金属线850、860、870A、870B、870C、890A、890B、890C。
通道810、820和830各自可以具有蛇形形状，以允许内部封装更多传感器。可以沿通道布置多个通道扩展885以接收多个GMR传感器。待测流体分别通过通道入口815A、825A、835A和通道出口815B、825B、835B流入和流出通道810、820、830。尽管图8A显示GMR传感器880布置在8×6传感器阵列中，在三个通道810、820、830中的每个通道中容纳16个传感器，但可以使用其他组合来满足待感测分析物的特定需求。
在一些实施方案中，参考图8A和8B作为非限制性示例，可以通过在空间上布置一个或多个不同的GMR传感器880或一组或多组不同的GMR传感器880来实现通道810、820和830中的一个或多个内的多重检测方案，例如，用于在同一查询样品或不同查询样品中检测多个分析物的多重检测方案，其中每个不同的GMR传感器880或每个不同的GMR传感器组880配置有差异标记和/或涂层，使得每个差异标记和/或涂层的GMR传感器880或GMR传感器组与不同的分子(例如不同的报告蛋白、不同的检测蛋白，结合对的不同部分和/或此处和全文所述的类似物)相互作用，从而允许检测相同样品中的不同分析物，或待检测不同样品中的不同分析物。在一些实施方案中，从每个通道810、820和/或830检测相同查询样品或不同查询样品的不同分析物。
电接触垫840A、840B包括多个电触针脚。金属线850、860、870A、870B、870C将GMR传感器连接至相应的电触针脚845A、845B、875。电接触垫840A、840B依次连接到设置在盒式组件200上的电接触垫290。当盒式组件200插入盒式读取器310时，在GMR传感器芯片280和盒式读取器310之间形成电连接，以使得能够将测量信号从GMR传感器发送到盒式读取器310。
图8B示出了GMR传感器的更多细节。例如，每个GMR传感器可以由五个并联的GMR条组成。在一端，每个GMR传感器由两条主要金属线之一(即，导线850或860)连接到两个公共引脚之一(即，针脚845A或845B)。GMR传感器的另一端通过单独的金属线870A、870B、870C连接到电接触垫840A或840B上的不同针脚875。
图8A还示出了布置在通道入口和/或出口附近的流体检测金属线890A、890B、890C，每个金属线对应于一个通道。流体检测功能由布置在相应流体检测金属导线中的开关895A、895B、895C执行。图8C详细示出了开关895A的结构。通过对导电流体(例如等离子体)流过的识别进行响应，开关895A可以将一侧的导线896A耦合到另一侧的导线896B，从而生成流体检测信号。
GMR传感器芯片的结构和布线如图所示。8A-C在本质上只是示例性的，对于本领域技术人员来说，其他结构和布线可以实现相同或类似的功能。现参考图9，示出了通道扩展930处通道900的横截面图。在通道扩展930内布置有GMR传感器910，其上固定有一个或多个生物分子925。通过传统的表面化学将生物分子925固定到GMR传感器910上(在图14中进一步详细显示)。生物分子925可以是肽或蛋白质、DNA、RNA、寡糖、激素、抗体、糖蛋白等，这取决于正在进行的特定测定的性质。每个GMR传感器910通过导线995连接到位于通道900外部的接触垫970。在一些实施方案中，导线995连接到传感器底部的GMR传感器910。
现参考图10A，示出了通道1000的更详细横截面图，该通道1000具有在GMR传感器1010的位置缺少通道扩展的通道主体1030。生物分子1025通过连接到生物表面1045相对于传感器固定。这种生物表面固定化化学是本领域已知的。例如，见Cha等人(2004)“Immobilization of oriented protein molecules on poly(ethylene glycol)-coatedSi(111)”Proteomics 4:1965-1976和Zellander等人(2014)“Characterization of PoreStructure in Biologically Functional Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)-Poly(ethylene glycol)Diacrylate(PHEMA-PEGDA),”PLOS ONE 9(5)：e96709，(2014)。
在一些实施方案中，生物表面1045包含聚合物组合物，其包含至少两种与交联试剂交联的亲水性聚合物。所述聚合物组合物包含至少两种亲水性聚合物和交联试剂，所述交联试剂包含所述聚合物组合物，所述聚合物组合物和/或生物表面进一步包含生物分子，例如核酸、蛋白质和抗体等，并且交联和/或制备此类聚合物组合物和/或生物表面的方法在2020年1月8日提交的美国临时专利申请No.62/958510中描述，其标题为“POLYMERCOMPOSITIONS AND BIOSURFACES COMPRISING THEM ON SENSORS”(代理案号026462-0506342)，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方案中，生物表面1045包含聚合物组合物，所述组合物包含与PHEMA交联的PEG聚合物。
在一些实施方案中，交联试剂由式(I)表示：
PA-L-PA (I)，
其中每个PA是光或金属活化或活化基团，L是连接基团。在一些实施方案中，每个PA独立地选自光激活基团或金属激活基团，并且L是连接基团。在一些实施方案中，每个PA是相同的，而在其他实施方案中，每个PA是不同的。在一些实施方案中，每个PA独立地包含叠氮基(-N3)、重氮基(-N2)基团、芳基叠氮基、酰基叠氮基、叠氮甲酸酯、磺酰叠氮基、磷酰叠氮基、重氮基烷、重氮基酮、重氮基乙酸基、重氮基杂环碱、脂肪族偶氮、芳基酮、二苯甲酮、苯乙酮、蒽醌和蒽酮。在一些实施方案中，每个PA独立地包含叠氮基(-N3)或重氮基(-N2)基团。在一些实施方案中，此类聚合物组合物不包含PEG聚合物和PHEMA聚合物的嵌段共聚物。
在一些实施方案中，PA经光活化或金属活化以形成能够插入C-H和/或O-H的硝基烯中间体。例如，见“Photogenerated reactive intermediates and their properties,”Chapter 2in Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology,Elsevier Press,12:8-24(1983)。在一些实施方案中，PA被金属活化以形成能够插入C-H和/或O-H的卡宾或卡宾体(cabenoid)。例如，见Doyle等人，“Catalytic CarbeneInsertion into C-H Bonds,”Chem.Rev.2:704-724(2010).
在一些实施方案中，每个PA是叠氮基(-N3)部分，光活化生成能够插入C-H和/或O-H的硝基烯中间体，从而介导至少与亲水聚合物的交联，例如PEG和PHEMA聚合物。在一些实施方案中，每个PA是重氮基(-N2)，金属催化的分解反应形成能够插入C-H和/或O-H的卡宾或卡宾体，从而介导PEG和PHEMA聚合物的交联。叠氮基和重氮基制剂在本领域中都是众所周知的，并且在叠氮基的情况下，通过叠氮基阴离子N3 -与具有离去基团的适当有机部分的SN2置换反应容易制备叠氮基。
在一些实施方案中，L包含至少一个Y和一个或多个X，其中：(a)每个至少一个Y独立地选自：任选经取代的二价亚烷基；任选经取代的芳基；和任选地经取代的二价杂芳环部分；有1到20个原子；一种亚烷基，-(CR2)p-，其中p是1到10、1到6或1到4的整数，其中R2独立地选自H和低级烷基、C1-C5烷基和C1-C3烷基；和/或二价杂芳环，具有4到20个碳原子，并包含选自O、N和S的至少一个杂原子；并且(b)每个X独立地选自亚烷基、-NR1-、-O-、-S-、-S-S-、-CO-NR1-、-NR1-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-CO-和键，其中R1独立地选自H和低级烷基。
在一些实施方案中，交联试剂由式(II)表示：
PA-Y1-X1-X2-X3-X4-X5-X6-X7-X8-X9-Y2-PA (II)
其中每个PA是光激活基团或金属激活基团，Y1-X1-X2-X3-X4-X5-X6-X7-X8-X9-Y2是连接基团。在一些实施方案中，每个PA独立地包含叠氮基(-N3)、重氮基(-N2)基团、芳基叠氮基、酰基叠氮基、叠氮甲酸酯、磺酰叠氮基、磷酰叠氮基、重氮基烷、重氮基酮、重氮基乙酸基、重氮基甲烷(diazirine)、脂肪族偶氮、芳基酮、二苯甲酮、苯乙酮、蒽醌和蒽酮。在一些实施方案中，每个PA独立地包含叠氮基(-N3)或重氮基(-N2)基团。在一些实施方案中，Y1-X1-X2-X3-X4-X5-X6-X7-X8-X9-Y2是连接基团。在一些实施方案中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8和X9中的每一个独立地选自亚烷基、-NR1-、-O-、-S-、-S-S-、-CO-NR1-、-NR1-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-CO-和键，其中R1独立地选自H和低级烷基。在一些实施方案中，Y1和Y2中的每一个均独立地选自：任选经取代的二价亚烷基；任选经取代的芳基；和任选经取代的二价杂芳环部分；有1到20个原子；一种亚烷基，-(CR2)p-，其中p是1到10、1到6或1到4的整数，其中R2独立地选自H和低级烷基、C1-C5烷基和C1-C3烷基；和/或具有4到20个碳原子且包含至少一个选自O、N和S的杂原子的二价杂芳环。
本文单独或组合使用的术语“烷基”是指含有2到20个碳原子的直链或支链烷基。在一些实施方案中，烷基可包含2到10个碳原子。在另一实施方案中，烷基可包含2到6个碳原子。烷基可任选地被下文所定义的取代。烷基(以自由基形式给出)的示例包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、异戊基、己基、辛基、壬基等。
本文单独或组合使用的术语“烯基”是指具有一个或多个双键并包含2到20个碳原子的直链或支链烃基。在一些实施方案中，烯基可包含2到6个碳原子。
术语“烯”是指连接在两个或多个位置的碳-碳双键系统，例如乙烯[(-CH＝CH-)，(-C：：C-)]。合适的烯基的示例包括丙烯基、2-甲基丙烯基、1,4-丁二烯基等。
本文单独或组合使用的术语“炔基”是指具有一个或多个三键并包含4到20个碳原子的直链或支链烃基。在某些实施方案中，所述炔基包含4到6个碳原子。炔基的示例包括丁正-1-基、丁正-2-基、戊烯-1-基、3-甲基丁正-1-基、己烯-2-基等。
本文中单独或组合使用的术语“芳基”是指包含一个、两个或三个环的碳环芳烃系统，其中这些环可以以悬挂方式连接在一起或熔合在一起。在一些实施方案中，“芳基”包括具有一个或多个5-或6-部分芳香环的基团。芳基在芳环中不含杂原子。芳基任选地被一个或多个非氢取代基取代。
术语“芳基”包括芳香族自由基，例如苄基、苯基、萘基、蒽基、菲基、茚基、茚基、环烯基、薁基(azulenyl)、四氢化萘基和联苯基。
术语“亚芳基”是指由碳和氢元素组成的二价芳基。二价芳香族自由基可以仅包括如二苯基、萘基或蒽基中那样的仅一个苯环，或多个苯环。
本文单独或组合使用的术语“芳烷基”是指通过烷基连接到母体分子部分的芳基。
本文中使用的术语“杂芳基”和“杂芳环”是指并包括具有一个或多个芳环的基团，其中至少一个环包含杂原子(非碳环原子)。杂芳基包括具有一个或两个带有1个、2个或3个杂原子的杂芳环的基团。杂芳基可以包含5-20、5-12或5-10个环原子。杂芳基包括具有一个包含杂原子的芳环和一个包含碳环原子的芳环的基团。杂芳基包括具有一个或多个五元(5-member)或六元芳香杂环和一个或多个六元碳芳香环的杂芳基。杂环可以包括环中的一个或多个N、O或S原子。杂芳环可以包括具有一个、两个或三个N的环，具有一个或两个O的环，以及具有一个或两个S的环，或一个或两个或三个N、O或S的组合。特定的杂芳基包括呋喃基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、喹啉基和嘌呤基。
术语“低级烷基”指例如C1-C9烷基、C1-C8烷基、C1-C7烷基、C1-C6烷基、C1-C6烷基、C1-C5烷基、C1-C4烷基、C1-C3烷基或C1-C2烷基。
术语“任选经取代”是指先行基团可以被取代或未被取代。当被取代时，“任选经取代”基团的取代基可以包括但不限于单独或组合地从以下基团或特定指定基团组中独立选择的一个或多个取代基：低级烷基、低级烯基、低级炔基、低级烷酰基、低级杂烷基、低级杂环烷基、低级卤代烷基、低级卤代烯基、低级卤代炔基、低级卤代烷基、低级卤代烷氧基、低级环烷基、苯基、芳基、芳氧基、低级烷氧基、低级卤代烷氧基、氧基、低级酰氧基、羰基、羧基、低级烷基羰基、低级羧酯、低级羧酰胺基、氰基、氢、卤素、羟基、氨基、低级烷基胺基、酰胺基、硝基、巯基、低级烷基硫基、低级卤代烷基硫基、低级卤代烷基硫基、低级卤代烷基硫基、芳基硫基、磺酸基、磺酸、三取代硅烷基、N3、SH、SCH3、C(O)CH3、CO2CH3、CO2H、吡啶基、噻吩、呋喃基、低级氨基甲酸酯和低级脲。两个取代基可以连接在一起以形成由零到三个杂原子组成的稠合的五元、六元或七元碳环或杂环，例如形成亚甲基二氧基或亚乙基二氧基。任选经取代基团可以是未取代的(例如，-CH2CH3)、完全取代的(例如，-CF2CF3)、单取代的(例如，-CH2CH2F)或在完全取代和单取代之间的任何水平上取代的(例如，-CH2CF3)。如果引用取代基时没有关于取代的限定，则包括取代形式和未取代形式。
当取代基被限定为“取代”时，被取代的形式是特定的。此外，可以根据需要定义特定部分的不同任选经取代基集；在这些情况下，任选取代将如定义所示，通常紧跟在短语“任选被...取代”之后本文中单独或组合使用的术语“低级”是指包含1到6个碳原子并包括6个碳原子。
在一些实施方案中，交联试剂包含双[2-(4-叠氮水杨酰胺基)乙基]二硫化物或二硫醚(苯叠氮基)。
在一些实施方案中，式(I)中的L可以是将支持每个PA部分的存在的任何有机片段。它可以是直链或支链的简单C2-C20烃链。此类碳氢化合物可包括具有任何程度氟取代的氟化变体。在一些实施方案中，LG可包括芳香烃，包括但不限于苯、萘、联苯、联萘或具有C2-C20烃链的芳香结构的组合。因此，在一些实施方案中，LG在结构上可以是烷基、芳基或芳烷基。在一些实施方案中，烷基连接基团可以在其链中具有一个或多个被氧(O)或胺(NR)取代的碳，其中R是H或C1-C6烷基。
根据前述实施方案，交联PEG-PHEMA结构可由式(III)给出：
PEG-A-L-A-PHEMA
其中PEG是聚乙二醇部分，每个A是来自叠氮基或重氮基(即CH2或NH)
催化反应的连接原子，LG是如上所述的连接基团。
在一些实施方案中，式(I)、式(II)和/或式(III)中的每个A表示衍生自叠氮基(-N3)、重氮基(-N2)基团、芳基叠氮基、酰基叠氮基、叠氮甲酸酯、磺酰叠氮基、磷酰叠氮基、重氮基烷、重氮基酮、重氮基乙酸基、重氮基碱、脂肪族偶氮、芳基酮、二苯甲酮、苯乙酮、蒽醌或蒽酮。
在图10A中，磁珠结合实体1015配置为与生物分子1025或相关分析物相互作用，例如在抗体-分析物-磁珠结合抗体的三明治复合物中。在生物表面1045下方是另一绝缘层1055。绝缘层1055可与GMR传感器1010直接接触，并可包括例如金属氧化物层。生物表面层1045与绝缘层1045直接接触。基座1065用作其上方每个组件、GMR传感器1010、绝缘层1055和生物表面层1045的支架。在一些实施方案中，基座1065由硅片制成。
图10B示意性地说明了GMR传感器的基本结构和原理。典型的GMR传感器由金属多层结构组成，非导磁层1090夹在两个磁性层1080A和1080B之间。非导磁中间层1490通常是薄铜膜。磁性层1080A和1080B可以由铁磁合金材料制成。
金属多层结构的电阻取决于磁性层1080A和1080B的相对磁化方向。平行磁化(如图10B的右半部分所示)会产生较低的电阻，而反平行磁化(如图10B的左半部分所示)会产生较高的电阻。磁化方向可以由外部施加的磁场控制。因此，金属多层结构展示其电阻随外部磁场作用的变化。
GMR传感器的灵敏度超过了各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在传感器表面的磁性纳米颗粒产生的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。
现参考图11A和12A，示出了GMR传感器根据本文描述的各种分析应用进行操作的两种示例性基本模式。在第一种模式中，如图11A所示，在分析开始时，通过生物表面1165将磁珠1115加载到GMR传感器附近(见图11A、1010)。在分析过程中，查询分析物的存在导致磁珠1115从生物表面1165移位(从而从GMR传感器移位)；这种模式被称为减法模式，因为磁珠被从传感器表面附近拿走。第二主模式操作(如图12A所示)是加法模式。在此类分析中，当存在查询分析物时，在GMR传感器附近磁珠1215(见图10A、1010)的净添加(net addition)。减法或加法模式取决于靠近传感器表面的磁珠数量(1115、1215)的变化状态，从而改变GMR传感器系统中的磁阻。对磁阻变化进行测定，可定量测定分析物浓度。
回到图11A，示出了传感器结构图，说明了整个示例性减法过程中的传感器结构。在该过程开始时，系统处于状态1100a，其中GMR传感器在其生物表面1165上布置了多个分子(通常是生物分子)1125和相连磁珠1115。生物表面1165以上的体积初始可干燥或存在溶剂。干燥时，检测过程可包括溶剂预处理步骤，例如缓冲溶液。在引入分析物后，系统采取状态1100b的形式，其中一些磁珠1115已按分析物浓度的比例从分子1125中移除。1100a和1100b状态的变化提供了磁阻的可测量变化，允许对相关分析物进行定量。在一些实施方案中，分析物可直接从分子1125置换珠子。在其他实施方案中，分析物可与分子1125发生化学反应，以裂解连接于微珠1115的分子部分，从而释放微珠1115以及分子1125的裂解部分。
在实施方案中，生物表面1165包含聚合物。可选择特定聚合物以促进分子1125共价连接到生物表面1165。在其他实施方案中，分子1125可通过静电相互作用与生物表面1165相连。例如，可以选择聚合物涂层或对其进行修饰以使用传统连接化学反应来共价锚定生物分子。连接化学反应包括任何包含有机官能团手柄(handle)的化学部分，包括但不限于胺、醇、羧酸和巯基基团。共价连接化学反应包括但不限于酯、酰胺、硫酯和亚胺的形成(随后可进行还原，即还原胺化)。生物表面1165可包括表面修饰物，例如表面活性剂，包括但不限于阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性表面活性剂。
分子1125可包括可连接到生物表面1165的任何数量的受体/配体实体。在一些实施方案中，分子1125包括各种生物分子中的任何一种。生物分子包括DNA、RNA和含有游离胺基的蛋白质，可以用功能化NHS基团共价固定在GMR传感器表面。在免疫分析中，对分析物具有特异性的一级抗体(小鼠单克隆IgG)连接在GMR表面。所有一级抗体都有多个游离胺基，大多数蛋白质都有赖氨酸和/或α-氨基。只要存在不含赖氨酸的伯胺，抗体就会被共价固定在GMR传感器上。为了将抗体固定在传感器表面，使用打印系统(sciFLEXARRAYER，Scienion，德国)将1.2nL的一级抗体(PBS缓冲液中1mg/mL)注射到传感器表面。所有打印表面在4℃、相对湿度约为85％的条件下培养过夜。表面将用封闭缓冲液(Tris缓冲液中50毫米乙醇胺)清洗三次，并用相同的缓冲液进一步封闭30min。
在实施方案中，磁珠1115可以是纳米颗粒，包括球状纳米颗粒。在一些实施方案中，此类纳米颗粒的有效直径范围为约1至约1000纳米(nm)、1nm至约500nm、约5nm至约1000nm、约10nm至约1000nm、约5nm至约500nm、约5nm至约400nm、约5nm至约300nm、约5nm至约300nm、约5nm至约200nm、约5nm至约100nm、约2至约50nm，约5至约20nm，或约5至约10nm，和/或介于两者之间的范围。在一些实施方案中，此类纳米颗粒的有效直径范围为约2至约50nm，或约5至约20nm，或约5至约10nm。在实施方案中，可对磁珠1115进行包被以促进其共价连接到分子1125。在其他实施方案中，可对磁珠1115进行包被以促进与分子1125的静电连接。磁珠1115可被差异标记和/或包被以促进多重检测方案，例如，用于执行多重分析以检测相同查询样品或不同查询样品中的多个分析物。在此类实施方案中，差分标记和/或涂层被配置为使得不同的珠子与布置在不同GMR传感器上或单个传感器上的不同分子相互作用，其中不同分子在空间上被组织以创建可寻址信号。
在一些实施方案中，作为非限制性示例，参考图5A多重检测方案，例如，用于执行多重分析以检测相同查询样品或不同查询样品中的多个分析物，可以通过在蛇形通道540内空间布置不同的GMR传感器510来实现，其中，每个不同的GMR传感器510配置为具有差异标记和/或涂层，使得每个差异标记和/或涂层的GMR传感器510与不同的分子(例如不同的报告蛋白、不同的检测蛋白、结合对的不同部分和/或此处和全文所述的类似物)相互作用，从而允许检测相同样品中的不同分析物，或待检测不同样品中的不同分析物。
在一些实施方案中，作为图5B的非限制性示例，例如，用于在同一查询样品或差异查询样品中检测多个分析物的多重检测方案，可以通过在通道500中的一个内空间布置标记和/或涂有一个标签或涂层的GMR传感器来实现，以及将一个或多个标记和/或涂有不同标签或涂层的不同GMR传感器布置在不同的通道500中，一个通道500中的此类GMR传感器与不同的分子(例如不同的报告蛋白、不同的检测蛋白、结合对的不同部分，和/或此处和全文所述的类似物)相互作用，而不是一个或多个不同通道500中的GMR传感器，从而允许不同的样品流过不同的通道500，进而允许从不同样品中测量相同的分析物或从不同样品中测量不同的分析物。
回到图11B，所示为与图11A的传感器结构方案相连的工艺流程1101。该工艺从1120开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1130通过任何必要步骤(例如过滤、稀释和/或化学修饰)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过所述系统的运动可以是气动控制。步骤1140涉及以目标指定流速将处理后的样品发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。步骤1150提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1160检测磁阻的变化。最后，步骤1170基于磁阻的变化计算检测结果。
现参考图12A，示出了传感器结构图，说明了整个示例性添加过程中的传感器结构。在过程开始时，系统处于状态1200a，其中GMR传感器已在其生物表面1265上布置多个分子(通常为生物分子)1225。如第二状态1200b所示，选择多个分子1225以结合查询分析物1290。查询分析物1295配置为与磁珠1215结合。在一些实施方案中，查询分析物1295在通过生物表面1265之前与珠相连。例如，这可能发生在测试样品的预处理过程中。(在其他实施方案中，查询分析物1295可首先通过生物表面，然后在分析物结合到生物表面1265后，可使用磁珠1215对查询分析物1295进行修饰，如下文参考图13A所述)。在一些实施方案中，给定的查询分析物1295可能需要在结合磁性颗粒1215之前进行化学修饰。在一些实施方案中，可对磁珠1215进行修饰以与查询分析物1295相互作用。测量的磁阻从状态1200a(不存在磁珠1215)到状态1200b(磁珠1215与生物表面1265相连)的变化提供了分析物进行定量的能力。
图12B示出了与图12A的传感器结构方案相连的示例性工艺流程1201。该工艺从1220开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1230通过任何必要步骤(例如过滤、稀释和/或化学修饰)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过系统的运动可以是气动控制。步骤1240涉及将处理过的样品发送到反应室，然后在步骤1250中将珠子引入反应室以对查询分析物进行修饰。如上所述，此类修饰可直接在传感器表面上执行，而不是在反应室中执行。在步骤1260中，以目标流速将修饰后的样品发送至GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。步骤1270提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1280检测磁阻的变化。最后，步骤1290根据磁阻的变化计算检测结果。
现参考图13A，示出了传感器结构图，说明了在整个示例性添加过程中传感器结构状态1300a-c。在过程开始时，系统处于状态1300a，其中GMR传感器已在其生物表面1365上布置多个分子(通常为生物分子)1325。如第二状态1300b所示，选择多个分子1325以结合查询分析物1395。查询分析物1395被配置为与磁珠1315结合，如状态1300c中所示。在一些实施方案中，给定的查询分析物1395可能需要在结合磁性颗粒1315之前进行化学修饰。在其他实施方案中，查询分析物1395可在不经化学修饰的情况下结合磁性纳米颗粒1315。在一些实施方案中，磁珠1315被包被或以其他方式修饰以与查询分析物1395相互作用。测量的磁阻从状态1300a(其中不存在磁珠1315)到状态1300c(其中磁珠1315与生物表面1365相连)的变化提供了对查询分析物1395进行定量的能力。
图13B示出了与图13A的传感器结构方案相关的示例性工艺流程1301a。该工艺从1310开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1320通过任何必要步骤(例如过滤、稀释等)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。在1330，工艺样品被送往反应室。通过系统的运动可以是气动控制的。步骤1340涉及用试剂修饰样品室中的分析物，使其与磁性颗粒相互作用。在步骤1350，以目标流速将修饰后的样品发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。接下来，步骤1360将珠子引入GMR传感器，所述珠子此时可与修饰后的分析物相互作用。在一些实施方案中，也可以对微珠进行修饰，例如使用涂层或一些其他连接分子，使其能够与修饰的分析物相互作用。步骤1370提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1380检测磁阻的变化。最后，步骤1390根据磁阻的变化计算检测结果。
图13C示出了与图13A的传感器结构方案相关的替代示例性工艺流程1301b。该工艺从1302开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1304通过任何必要步骤(例如过滤、稀释和/或类似步骤)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过系统的运动可以是气动控制的。在步骤1306，以目标流速将修饰后的样品发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。步骤1308涉及使用试剂修饰样品中存在的分析物，以允许其与磁性颗粒相互作用。接下来，步骤1312将珠子引入GMR传感器，所述珠子此时可以与修饰后的分析物相互作用。在一些实施方案中，也可以对微珠进行修饰，例如使用涂层或一些其他连接分子，使其能够与修饰的分析物相互作用。步骤1314提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1316检测磁阻的变化。最后，步骤1318基于磁阻的变化计算检测结果。
现参考图14A，所示为传感器结构图，说明了传感器结构在整个示例性添加过程中的状态1400a-c。在过程开始时，系统处于状态1400a，其中GMR传感器在其生物表面1465上布置了多个分子(通常是生物分子)1425。选择多个分子1425与查询分析物相互作用(化学反应)。如第二状态1400b所示，这种相互作用修饰分子1425(与分析物浓度成比例)以提供修饰的分子1411。经修饰的分子1411被配置为与磁珠1415结合，如状态1300c中所示。在一些实施方案中，经修饰的分子1411在结合磁性颗粒1415之前可能需要进一步的化学修饰。在其他实施方案中，经修饰的分子1411可在不经化学修饰的情况下结合磁性纳米颗粒1415。在一些实施方案中，磁珠1415被包被或以其他方式修饰以与经修饰的分子1411相互作用。测量的磁阻从状态1400a(其中不存在磁珠1415)到状态1400c(其中磁珠1415通过修饰分子1411与生物表面1465相连)的变化提供了对查询分析物进行定量的能力。注意，在整个过程中，查询分析物仅用作对多个分子1425进行化学修饰的试剂，并且在其执行该功能后不会以其他方式保留为工艺的一部分。
图14B示出了与图14A的传感器结构方案相连的示例性工艺流程1401。该工艺从1420开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1430通过任何必要步骤(例如过滤、稀释等)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过系统的运动可以是气动控制的。在1440，过程样品以指定的流速发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。接下来，步骤1450将珠子引入GMR传感器，所述珠子此时可以与生物表面上的修饰分子相互作用。在一些实施方案中，也可以对珠子进行修饰，例如使用涂层或一些其他连接分子，使其能够与生物表面上的修饰分子相互作用。步骤1460提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1470检测磁阻的变化。最后，步骤1480基于磁阻的变化计算检测结果。
现参考图15A，示出了传感器结构图，说明了在整个示例性添加过程中传感器结构状态1500a-c。在过程开始时，系统处于状态1500a，其中GMR传感器在其生物表面1565上布置了多个分子(通常是生物分子)1525。选择多个分子1525与查询分析物相互作用(化学反应)。如第二状态1500b所示，这种相互作用对分子1525(与分析物浓度成比例)进行修饰以提供修饰的分子1511。修饰分子1511被配置为防止磁珠1515的结合，如状态1500c所示，其中磁珠仅结合到未经分析物修饰的分子1525。在一些实施方案中，磁珠1515被包被或以其他方式修饰以与分子1525相互作用。测量的磁阻从状态1500a(其中不存在磁珠1515)到状态1500c(其中磁珠1515通过分子1525与生物表面1565相连)的变化提供了对查询分析物进行定量的能力。注意，在整个过程中，查询分析物仅用作多个分子1525的化学修饰试剂，并且在其执行该功能后不会以其他方式保留为工艺的一部分。
图15B示出了与图15A的传感器结构方案相连的示例性工艺流程1501。该工艺从1510开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1520通过任何必要步骤(例如过滤、稀释等)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过系统的运动可以是气动控制的。在步骤1530，处理后的样品以指定的流速发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映GMR传感器表面上的化学动力学。接下来，步骤1540将微珠引入GMR传感器，所述微珠此时可以与生物表面上的未修饰分子相互作用。在一些实施方案中，可以对微珠进行修饰，例如使用涂层或将能够与未修饰分子相互作用的一些其他连接分子。步骤1550提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1560检测磁阻的变化。最后，步骤1570基于磁阻的变化计算检测结果。
现参考图16A，示出了传感器结构图，说明了在整个示例性添加过程中传感器结构状态1600a-d，该过程采用三明治抗体策略检测分析物1695(状态1600b)。在过程开始时，系统处于状态1600a，其中GMR传感器在其生物表面1665上布置了多个抗体1625。然后将分析物1695通过生物表面1665，使分析物1695与抗体1625结合，如状态1600b所示。然后通过结合第二抗体1635对分析物1695进行修饰，如状态1600c所示，向其提供共价连接的生物素部分(B)。然后添加用链霉亲和素修饰的磁珠1615，从而允许强生物素-链霉亲和素结合提供状态1600d。在一些实施方案中，链霉亲和素作为磁珠1615上的涂层提供。
图16B示出了与图16A的传感器结构方案相关的示例性工艺流程1601。该工艺从1610开始，将样品注入盒式组件。然后，可在步骤1620通过任何必要步骤(例如过滤、稀释等)对样品进行处理。这些预处理步骤的顺序将取决于待检测样品和查询分析物的性质。通过系统的运动可以是气动控制的。在步骤1630，以指定的流速将处理后的样品发送到GMR传感器。该流速可被选择用以反映生物表面结合抗体和分析物之间GMR传感器表面上的化学动力学。接下来，步骤1640将生物素化抗体(Ab)引入GMR传感器。这在两种抗体之间形成了分析物的“三明治”结构。在步骤1650，将链霉亲和素包被的珠子引入GMR传感器，所述传感器现在可以与生物素结合抗体相互作用。步骤1660提供了从GMR传感器获得的读数，这些读数反映了GMR传感器表面磁珠浓度的变化。这些读数允许在步骤1670检测磁阻的变化。最后，步骤1680基于磁阻的变化计算检测结果。
图16A和16B的方案已在心脏生物标志物中付诸实施，概念验证结果如图17A-C所示。图17A示出了设计用于检测心脏生物标志物D-二聚体的测试运行中GMR信号(ppm)随时间(秒)的曲线图。为了生成该数据，通过在含有0.05％叠氮化钠的PBS缓冲液中使用2nL1mg/mL D-二聚体抗体打印D-二聚体捕获抗体来制备生物表面。为了测试潜在的交叉反应，还通过在含有0.05％叠氮化钠的PBS缓冲液中使用2nL 1mg/mL肌钙蛋白I抗体的溶液打印两种组合捕获抗体，用肌钙蛋白I捕获抗体对生物表面进行功能化。此外，在生物表面上打印了另外两个对照。第一种是阴性对照，其通过对在含有0.05％叠氮化钠的PBS缓冲液中的2nL 0.5％BSA溶液进行打印来制备，第二种是阳性对照，其通过对在含有0.05％叠氮化钠的PBS缓冲液中的2nL 1mg/mL与小鼠IgG结合的生物素进行打印来制备。经打印的传感器被合并到心脏测试盒中，并配置为使用上述图16A和16B中所述的“三明治”分析。
在样品测试中，将120微升血浆或全血装入筒中的样品孔中。当样品从样品孔被引入流道时，膜过滤器用于去除血细胞。使40微升血浆(或全血的血浆部分)流入计量通道，并将包括溶解到样品溶液中的抗体/生物素结合物、阻滞剂和小鼠IgG在内的粉末沉积在通道中。当流经传感器区域时，分析物、抗体/生物素结合物和固定在传感器表面的抗体形成抗体分析物生物素化抗体的三明治。流量根据测试进行调节。对于肌钙蛋白I，样品在传感器上以1微升/分钟的流速流动20分钟。对于D-二聚体，样品以4微升/分钟的流速流动5分钟。随后引入了包被链霉亲和素的磁珠样品流，该磁珠允许结合到传感器表面的生物素化抗体结合处。GMR传感器对结合的磁珠进行测定，结合的磁珠与样品中分析物的浓度成比例。珠溶液以4至10微升/分钟的流速在传感器上流动5分钟。在珠子开始结合后300秒内，从峰值读取信号。
如图17A的曲线图所示，刚刚打印的BSA阴性对照没有结合D-二聚体，因此，信号保持在预期的基线附近。如预期的那样，生物素化小鼠IgG阳性对照显示出良好的珠结合。666.6ng/mL人D-二聚体的实际样品图出现了约750ppm的峰值检测信号，表明在实际样品中成功检测到D-二聚体。与两种结合肌钙蛋白I捕捉抗体几乎没有交叉反应(未示出，因为这些线与阴性对照线非常接近)。
图17B示出了通过运行具有不同固定浓度D-二聚体的样品，D-二聚体的校准曲线(以ppm为单位的GMR信号与D-二聚体浓度)。校准曲线允许计算含有D-二聚体作为查询分析物的未来未知样品的浓度。图17C中提供了心脏生物标志物肌钙蛋白I的类似图。这些结果共同确立了检测受试者血液或血浆样品中D-二聚体和肌钙蛋白I的可行性。
金属检测应用
图18示出了根据上述实施方案，使用GMR传感器平台的铅检测方案的应用。双链DNA印在传感器的生物表面，其中一条被生物素化(B)。如果不存在铅，链霉亲和素标记(或包被)的磁性纳米颗粒(MNP)可以与生物素(B)结合，生物素(B)是DNA底物链的一部分。当存在铅时，铅激活的脱氧核酶会裂解含生物素的底物链。当裂解时，链霉亲和素标记的MNP不能结合到DNA链，因为链的生物素化部分不再存在。因此，如果样品中不存在铅，MNP仅结合到GMR表面。铅含量越高，与生物表面DNA结合的MNP就越少。这种方案可用于检测水、血液或其他感兴趣液体中的铅。
图19示出了根据上述实施方案，使用GMR传感器平台的汞检测方案的应用。将Hg-BSA底物固定在生物表面上。在没有汞(Hg)离子(I或II或两者)的情况下，生物素化(B)Hg抗体可以结合到生物表面结合的Hg-BSA。在汞离子存在的情况下，该离子阻断生物素化的汞抗体与汞-牛血清白蛋白的结合位点，阻止汞抗体与汞-牛血清白蛋白结合。如上所述，链霉亲和素标记(或包被)的磁性纳米颗粒可以与生物素结合。因此，溶液中存在的汞离子越多，由于汞与生物素化汞抗体的干扰结合，最终与生物表面传感器结合的磁珠就越少。
图20示出了根据上述实施方案，使用GMR传感器平台的镉或砷检测方案的应用。双链DNA印在传感器的生物表面，可以结合检测蛋白。检测蛋白arsR(用于砷酸盐III检测)或Pcad(用于镉检测)添加在可能包含查询金属分析物的样品中。检测蛋白在其各自重金属离子存在的情况下无法与DNA双链结合，因此DNA蛋白结合与样品中重金属离子的不存在成比例。这是一个类似的竞争性结合事件，与上述汞测定非常相似。然后添加生物素化(B)报告蛋白。该蛋白可以与检测蛋白结合。如果检测蛋白质与DNA双链结合，则生物素化报告物固定在DNA蛋白质复合物上。再一次，链霉亲和素标记的磁性纳米颗粒将结合到生物表面的生物素化报告蛋白。因此，镉或砷的浓度越小，连接在生物表面的珠子就越多。
以下是根据本文详述的原则可以实现的分析物传感应用的非限制性列表。
(1)血液样品可以包括分析物，例如蛋白质或其他物质，例如DNA，可以通过使用GMR装置的免疫分析进行测定。下表1总结了与可能检测到的分析物相关的示例性疾病状态。
表1
Figure BDA0003846645080000421
Figure BDA0003846645080000431
(2)本文所述的GMR系统可用于尿液分析物检测。尿液中的任何蛋白质、DNA、金属或其他物质都可以通过本文所述的GMR装置进行测量和/或检测。尿相关蛋白生物标志物包括但不限于子痫前期、人绒毛膜促性腺激素(hCG)、肾损伤分子-1(KIM-1)、中性粒细胞明胶酶相关脂蛋白(NGAL)、白细胞介素(IL)-18和脂肪酸结合蛋白(FABP)、核基底蛋白22(NMP22)、BLCA-4和表皮生长因子受体(EGFR)等。药物和/或其主要尿代谢产物包括对乙酰氨基酚/扑热息痛(APAP)、苯丙胺(AMP)、甲基苯丙胺(mAMP)、巴比妥类(BAR)、苯二氮卓类(BZO)、可卡因(COC)、美沙酮(MTD)、阿片剂(OPI)、苯环利定(PCP)、四氢大麻酚(THC)和三环抗抑郁剂(TCA)等。
(3)本文所述的GMR系统可用于唾液分析物检测。唾液或口腔上皮中的任何蛋白质、DNA、金属或其他物质均可通过本文所述的GMR装置进行测量和/或检测。示例性生物标志物包括但不限于基底金属蛋白酶(即MMP1、MMP3、MMP9)、细胞因子(即白细胞介素-6、白细胞介素-8、血管内皮生长因子A(VEGF-A)、肿瘤坏死因子(TNF)、转铁蛋白和成纤维细胞生长因子、髓样相关蛋白14(MRP14)、前纤维蛋白(profilin)、分化簇59(CD59)、过氧化氢酶和Mac-2结合蛋白(M2BP)，等。药物包括苯丙胺(AMP)、巴比妥类(BAR)、苯二氮卓类(BZO)、丁丙诺啡(BUP)、可卡因(COC)、可替宁(COT)、芬太尼(FYL)、K2/香料(K2)、氯胺酮(KET)、甲基苯丙胺(MET)、美沙酮(MTD)、阿片类(OPI)、羟考酮(OXY)、苯环利定(PCP)、大麻(THC)和曲马多(TML)。
(4)本文所述的GMR系统可用于眼液分析物检测。眼液中的任何蛋白质、DNA、金属或其他物质都可以通过本文所述的GMR装置进行测量和/或检测。眼液蛋白生物标志物包括但不限于α-烯醇化酶、α-1酸性糖蛋白1、S100 A8/钙粒蛋白A、S100 A9/钙粒蛋白B、S100 A4和S100 A11(钙砂仁)、催乳素诱导蛋白(PIP)、脂钙蛋白-1(LCN-1)、乳铁蛋白和溶菌酶、B-淀粉样蛋白1-40、中性粒细胞防御素NP-1和NP-2等，可通过系统中的三明治分析进行测量。
(5)本文所公开的实施方案可以使用液体活检作为查询分析物(例如生物标志物)的样品。在一些此类实施方案中，可以提供用于识别患者血液中癌症的方法。下述方法可用于检测血液中发现的DNA“罕见”突变。来自癌细胞的DNA经常进入血流，然而大多数血液传播的DNA(>99％)将来自健康细胞。本文公开的方法用于检测这些“罕见”突变并验证结果。本文公开的方法提供了使用GMR检测平台在单个分析中捕获的多步骤过程。
本文公开的方法包括从血液中提取DNA，根据本文的实施方案，所述方法可在能够对来自血液的DNA进行必要提取和纯化的盒中自动进行。在一些实施方案中，使用二氧化硅膜作为萃取过程的一部分，但本文中的方法不限于此。在提取和纯化后，所述方法提供对关注的查询生物标志物的选择性扩增。在一些实施方案中，仅扩增癌症DNA的方法涉及使用锁定的核酸作为阻断剂来阻止正常DNA被扩增。本领域已知其他选择性扩增方法。所述方法的下一步是检测患者样品中是否存在关注的癌症DNA生物标志物。在一些实施方案中，这是使用核酸外切酶将双链DNA(dsDNA)转化为单链DNA(ssDNA)实现的。本领域已知将双链DNA转化为单链DNA的其他方法。所述方法继续使用打印在生物表面的互补DNA片段捕获单链DNA。在一些实施方案中，单链DNA末端连接有生物素，该生物素捕获链霉亲和素标记的磁珠。在一些实施方案中，所述方法包括验证(来自患者的)单链DNA是否与打印探针(DNA的合成片段)完全互补。验证可以通过加热使两段DNA之间的结合变性来完成。与完美结合相比，不完美结合会在较低的温度下变性(或分离)。这允许对信号进行验证，确定信号是由真阳性还是假阳性引起的。通过使用该验证步骤，可以实现更高水平的患者诊断准确性。除了加热使DNA变性外，还有本领域已知的其他方法。
本文提供了用于分析核酸的方法和组合物。在一些实施方案中，分析核酸片段混合物中的核酸片段。核酸可以从任何类型的合适生物样品或样品(例如，测试样品)中分离出来。在一些实施方案中，样品包含核酸。样品或测试样品可以是从受试者(例如哺乳动物、人类)分离或获得的任何样品。样品的非限制性示例包括来自受试者的液体或组织，包括但不限于血液、羊水、脑脊液、脊髓液、灌洗液(例如支气管肺泡、胃、腹膜、导管、耳、关节镜)、活组织检查样品、尿液、粪便、痰、唾液、鼻粘膜、前列腺液、灌洗液、精液、淋巴液、胆汁、眼泪、汗液、母乳等，或其组合。在一些实施方案中，生物样品是血液或血液制品(例如血浆或血清)。核酸可以来自一个或多个样品或来源。
在一些实施方案中，样品与一种或多种合适的细胞裂解试剂接触。裂解试剂通常配置为裂解整个细胞，和/或将核酸与污染物(例如蛋白质、碳水化合物和脂肪酸)分离。细胞裂解试剂的非限制性示例包括清洗剂、低渗溶液、高盐溶液、碱性溶液、有机溶剂(例如苯酚、氯仿)、离液盐(chaotropic salt)、酶等或其组合。任何合适的裂解程序均可用于本文所述的方法。
术语“核酸”是指脱氧核糖核酸(DNA，例如互补DNA(cDNA)、基因组DNA(gDNA)等)和/或核糖核酸(RNA，例如mRNA、短抑制性RNA(siRNA))、DNA或RNA类似物(例如，含碱基类似物、糖类似物和/或非天然骨架等)、RNA/DNA杂交和聚酰胺核酸(PNA)等及其组合。核酸可以是单链或双链。在一些实施方案中，核酸是引物。在一些实施方案中，核酸是靶核酸。靶核酸通常是关注的核酸。
在某些实施方案中，可提供核酸用于在不处理含有核酸的样品的情况下执行本文所述方法。在一些实施方案中，提供核酸用于在处理含有核酸的样品后执行本文所述方法。例如，可以在本文所述方法之前、期间或之后从样品中提取、分离、纯化、部分纯化或扩增核酸。
在一些实施方案中，通过包含核酸扩增的过程扩增核酸，其中核酸的一条或两条链被酶复制，从而生成核酸链的拷贝或互补拷贝。由扩增过程产生的核酸拷贝通常被称为扩增子。核酸扩增过程可以线性或指数生成与模板或靶核酸或其片段具有相同或基本相同核苷酸序列的扩增子。可通过合适的核酸扩增过程扩增核酸，其非限制性示例包括聚合酶链反应(PCR)、巢式(n)PCR、定量(q)PCR、实时PCR、逆转录(RT)PCR、等温扩增(例如环介导等温扩增(LAMP))、定量核酸序列扩增(QT-NASBA)等，其变体及其组合。在一些实施方案中，扩增过程包括聚合酶链反应。在一些实施方案中，扩增过程包括等温扩增过程。
在一些实施方案中，核酸扩增过程包括使用一个或多个引物(例如，可与核酸模板或靶点特异性杂交的短寡核苷酸)。杂交引物通常可以在核酸扩增过程中由聚合酶延伸)。在一些实施方案中，将包含核酸的样品与一个或多个引物接触。在一些实施方案中，核酸与一个或多个引物接触。引物可以连接在固体基底上，也可以在溶液中游离。
在一些实施方案中，核酸或引物包含一个或多个可区分标识符。任何合适的可区分标识符和/或可检测标识符可用于本文所述的组合物或方法。在某些实施方案中，可区分标识符可直接或间接与核酸相连(例如，结合)。例如，可区分标识符可以共价或非共价结合到核酸。在一些实施方案中，可区分标识符连接到共价或非共价结合到核酸的结合对的部分。在一些实施方案中，可区分标识符与核酸可逆地相连。在某些实施方案中，可以使用合适的方法(例如，通过增加盐浓度、变性、清洗、添加合适的溶剂和/或加热)从核酸中去除与核酸可逆相连的可区分标识符。
在一些实施方案中，可区分标识符是标签。在一些实施方案中，核酸包含可检测的标签，其非限制性示例包括放射性标签(例如同位素)、金属标签、荧光标签、发色团、化学发光标签、电化学发光标签(例如OregenTM)、磷光标签、猝灭剂(例如荧光团猝灭剂)、荧光共振能量转移(FRET)对(例如供体和受体)、染料、蛋白质(例如酶(例如碱性磷酸酶和辣根过氧化物酶)、酶底物、小分子、质量标签、量子点等或其组合。任何合适的荧光团都可以用作标签。发光标签可以通过多种合适的方法来检测和/或定量，例如通过光电池、数码相机、流式细胞术、凝胶电泳、胶片曝光、质谱、细胞荧光分析、荧光显微镜、共焦激光扫描显微镜、激光扫描细胞术等及其组合。
在一些实施方案中，可区分标识符是条形码(barcode)。在一些实施方案中，核酸包含核酸条形码(例如，索引核苷酸、序列标签或“条形码”核苷酸)。在某些实施方案中，核酸条形码包括可用作标识符的可区分核苷酸序列，以允许在样品、方法或分析中明确识别一个或多个核酸(例如，核酸子集)。在某些实施方案中，例如，核酸条形码对特定样品、样品源、特定核酸属或核酸种类、染色体或基因具有特异性和/或唯一性。
在一些实施方案中，核酸或引物包含一个或多个结合对。在一些实施方案中，核酸或引物包含结合对的一个或多个部分。在一些实施方案中，结合对包括至少两个彼此非共价且特异性结合的部分(例如分子)。结合对的部分通常会可逆地相互结合，例如，结合对的两个部分的关联可以通过适当的方法分离。任何合适的结合对或其部分可用于本文所述的组合物或方法。结合对的非限制性示例包括抗体/抗原、抗体/抗体受体、抗体/蛋白质A或蛋白质G、半抗原/抗半抗原、巯基/马来酰亚胺、巯基/卤代乙酰基衍生物、胺/异硫氰酸酯、胺/琥珀酰亚胺酯、胺/磺酰卤化物、生物素/亲和素、生物素/链霉亲和素、叶酸/叶酸结合蛋白、受体/配体、维生素B12/内源性因子，其类似物、其衍生物、其结合部分等或其组合。结合对的部分的非限制性示例包括抗体或抗体片段、抗体受体、抗原、半抗原、肽、蛋白质、脂肪酸、甘油基部分(例如脂质)、磷酰基部分、糖基部分、泛素部分、凝集素、适体、受体、配体、金属离子、抗生物素、中性抗生物素、生物素、B12、内因子，其类似物、其衍生物、其结合部分等或其组合。在一些实施方案中，核酸或引物包含生物素。在一些实施方案中，核酸或引物共价连接到生物素。
在一些实施方案中，核酸或引物以非共价或共价方式连接到合适的固体基底。在一些实施方案中，捕获寡核苷酸和/或结合对的部分连接到固体基底。捕获寡核苷酸通常是配置为与靶核酸特异性杂交的核酸。在一些实施方案中，捕获核酸是连接到固体基底的引物。固体基底的非限制性示例包括由微阵列和颗粒(例如，顺磁珠、磁珠、微球、纳米粒)、微粒和纳米颗粒提供的表面。固体基底还可以包括，例如，芯片、柱、光纤、湿巾、过滤器(例如，平面过滤器)、一个或多个毛细管、玻璃和改性或功能化玻璃(例如，受控孔玻璃(CPG))、石英、云母、重氮基化膜(纸或尼龙)、聚甲醛、纤维素、醋酸纤维素、纸、陶瓷、金属、类金属、半导体材料、量子点、涂珠或颗粒、其他色谱材料、磁性颗粒；塑料(包括丙烯酸、聚苯乙烯、苯乙烯或其他材料的共聚物、聚丁烯、聚氨酯、特氟龙(TEFLONTM)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)等)、多糖、尼龙或硝化纤维素、树脂、二氧化硅或二氧化硅基材料，包括硅、硅胶和改性硅、
Figure BDA0003846645080000472
Figure BDA0003846645080000471
碳、金属(例如钢、金、银、铝、硅和铜)、无机玻璃、导电聚合物(包括聚吡咯和聚吲哚等聚合物)；微米或纳米结构表面，例如核酸瓦片阵列(tilling array)、纳米管、纳米线或纳米颗粒修饰表面；或多孔表面或凝胶，如甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、糖聚合物、纤维素、硅酸盐或其他纤维或链状(stranded)聚合物。在一些实施方案中，使用具有任何数量的材料(包括聚合物，例如右旋糖酐、丙烯酰胺、明胶或琼脂糖)的被动或化学衍生涂层包被固体基底。珠子和/或颗粒可能是游离的或相互连接(例如烧结的)。在一些实施方案中，固体基底是指颗粒的集合。在一些实施方案中，颗粒包含将顺磁性赋予颗粒的试剂。在一些实施方案中，第一固体基底(例如，多个磁性颗粒)非共价和/或可逆地连接到第二固体基底(例如，表面)。在一些实施方案中，可以对第二基底或表面进行电子磁化，使得当表面被磁化时，磁性颗粒可逆地连接到第二基底上，并且当第二基底退磁或第二基底的磁极性改变时，磁性颗粒可以被释放。
在一些实施方案中，核酸是捕获寡核苷酸。在一些实施方案中，捕获寡核苷酸是共价或非共价连接到固体基底的核酸。捕获寡核苷酸通常包括能够与关注的核酸(例如靶核酸)或其一部分特异性杂交或退火的核苷酸序列。在一些实施方案中，捕获核酸包含基本上与靶核酸或其部分互补的核酸序列。在一些实施方案中，捕获寡核苷酸是连接到固体基底的引物。捕获寡核苷酸可以是自然产生的或合成的，并且可以基于DNA或RNA的。捕获寡核苷酸可以允许从样品中的其他核酸或污染物中具体分离靶核酸。
在一些实施方案中，本文所述的方法包括将多个核酸(例如，样品中的核酸)与包含结合对部分的至少一个引物接触。在一些实施方案中，结合对的部分包含生物素。在一些实施方案中，多个核酸与第一引物和第二引物接触，其中第一或第二引物之一包含生物素。在一些实施方案中，多个核酸包含靶核酸(例如，目标RNA或DNA分子)。靶核酸通常是关注的核酸(例如，基因、转录本或其部分)。在一些实施方案中，靶核酸包含RNA。在一些实施方案中，通过核酸扩增过程扩增靶核酸。在一些实施方案中，核酸扩增过程包括在促进核酸扩增的适当条件下(例如，有利于PCR或等温扩增的条件)将样品、样品的核酸和/或靶核酸与第一引物、生物素化的第二引物和聚合酶接触。在一些实施方案中，核酸扩增过程产生扩增子。在一些实施方案中，扩增子包括DNA扩增子、RNA扩增子或其组合。在一些实施方案中，扩增子包括生物素化DNA扩增子、RNA扩增子或其组合。在一些实施方案中，包含RNA和生物素化DNA(例如，RNA/DNA双链体)的扩增子与核酸酶(例如，RNA核酸外切酶)接触。在一些实施方案中，DNA扩增子非共价连接到包含捕获寡核苷酸的固体基底，其中DNA扩增子或其一部分专门与捕获寡核苷酸杂交。在一些实施方案中，生物素化扩增子与包含链霉亲和素或其变体的磁珠接触和/或连接到磁珠上。
因此，在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到生物分子的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的分析物以及与生物分子的可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒，使查询样品通过传感器，从而允许在存在分析物的情况下从生物分子中裂解和移除具有相连受体的可裂解部分，在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些实施方案中，提供了放大信号的方法，例如检测查询样品中是否存在分析物的GMR传感器的磁阻变化，包括提供包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子的传感器，所述生物分子包括共价结合到所述生物分子的可裂解部分，裂解被所述查询样品中的分析物以及与所述生物分子的可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒，使所述查询样品通过所述传感器，因此，在存在分析物的情况下允许将含有相连受体的可裂解部分从生物分子中裂解和移除，在查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后，使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第一第二部分的第二多个磁性颗粒穿过GMR传感器后，使包含结合对第二部分的第二多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括使一个或多个后续多个磁性颗粒(包括结合对第一部分)和一个或多个后续多个磁性颗粒(包括结合对第二部分)通过GMR传感器。在一些实施方案中，结合对包含链霉亲和素和生物素。在一些实施方案中，结合对第一部分包含链霉亲和素。在一些实施方案中，结合对第二部分包含生物素。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法包括在查询样品通过传感器之前对传感器执行缓冲区清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法包括在查询样品通过传感器之后，但在磁性颗粒通过传感器之前，在传感器上执行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述分析物是金属离子。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在前面的一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述受体共价结合到双链DNA的两条链之一。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由金属离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，包括确定GMR传感器磁阻变化的方法包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，对分析物的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
在上述一个或多个实施方案中，使查询样品通过检测器包括以约1微升/分钟至约20微升/分钟的速率的查询样品流速通过传感器。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括抗原部分，所述抗原部分在抗原结合位点与抗体结合，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，该抗原结合位点配置为与磁性纳米颗粒结合，使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点结合查询样品中存在的分析物，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分，在混合物通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些实施方案中，提供了放大信号的方法，例如巨磁阻(GMR)传感器的磁阻变化，包括通过方法检测查询样品中分析物的存在，所述方法包括提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括在抗原结合位点结合抗体的抗原部分，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点配置为与磁性纳米颗粒结合，使所述查询样品和所述抗体的混合物通过所述传感器，其中所述抗体的抗原结合位点结合所述查询样品中存在的分析物，从而防止抗体与生物分子的抗原部分结合，在查询样品和抗体的混合物通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第二部分的多个磁性颗粒穿过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第一第二部分的第二多个磁性颗粒穿过GMR传感器后，使包含结合对第二部分的第二多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括使包括结合对第一部分的一个或多个后续多个磁性颗粒和包括结合对第二部分的一个或多个后续多个磁性颗粒通过GMR传感器。在一些实施方案中，结合对包含链霉亲和素和生物素。在一些实施方案中，结合对第一部分包含链霉亲和素。在一些实施方案中，结合对第二部分包含生物素。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可进一步包括在混合物通过传感器之前对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可进一步包括在混合物通过传感器之后但在磁性颗粒通过传感器之前在传感器上执行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述分析物是金属离子。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子是蛋白质。
在上述一个或多个实施方案中，所述蛋白质为牛血清白蛋白。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，对金属离子的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
在上述一个或多个实施方案中，使混合物通过检测器包括使混合物以约1微升/分钟至约20微升/分钟的流速通过传感器。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，该检测蛋白还能够结合分析物，其中，当检测蛋白结合分析物时，其防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域，使检测蛋白通过传感器，使查询样品通过传感器，在查询样品通过传感器后使报告蛋白通过传感器，能够结合检测蛋白和配置为与磁性颗粒的报告蛋白的报告蛋白结合，在报告蛋白通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
在一些实施方案中，提供了放大GMR传感器的信号(例如磁阻变化)的方法，包括检测查询样品中分析物的存在，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白还能够结合所述分析物，其中当所述检测蛋白结合所述分析物时，其防止所述检测蛋白结合到所述生物分子的结合区域，使所述检测蛋白通过所述传感器，使所述查询样品通过所述传感器，在查询样品通过传感器后，使报告蛋白通过传感器，所述报告蛋白能够结合检测蛋白并且所述报告蛋白配置为与磁性颗粒结合，使配置为与包含结合对第一部分的第一多个磁性颗粒结合的报告蛋白通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第二部分的多个磁性颗粒穿过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括在包含结合对第一第二部分的第二多个磁性颗粒穿过GMR传感器后，使包含结合对第二部分的第二多个磁性颗粒穿过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括使包括结合对第一部分的一个或多个后续多个磁性颗粒和一个或多个后续多个磁性颗粒(包括结合对第二部分)通过GMR传感器。在一些实施方案中，结合对包含链霉亲和素和生物素。在一些实施方案中，结合对第一部分包含链霉亲和素。在一些实施方案中，结合对第二部分包含生物素。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括基于磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法可以进一步包括执行一个或多个缓冲区清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述检测蛋白和查询样品在通过传感器之前混合。
在上述一个或多个实施方案中，在检测蛋白通过传感器后，使查询样品通过传感器。
在上述一个或多个实施方案中，所述分析物为金属离子。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述检测蛋白是包含标签的砷结合调节蛋白。
在上述一个或多个实施方案中，所述检测蛋白是包含标签的镉结合调节蛋白。
在上述一个或多个实施方案中，所述标签为谷胱甘肽S-转移酶。
在上述一个或多个实施方案中，所述标签为聚组氨酸。
在上述一个或多个实施方案中，所述报告蛋白是生物素化抗体。
在上述一个或多个实施方案中，所述磁性颗粒包括链霉亲和素连接的颗粒。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，对金属离子的检测灵敏度极限的范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
在前面的一个或多个实施方案中，使查询样品通过检测器包括以约1微升/分钟到约20微升/分钟的速率的查询样品流速通过传感器。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括相连磁性颗粒，使查询样品通过传感器，进而在存在分析物的情况下从生物分子中移除相连磁性颗粒，通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中存在的分析物，所述磁阻变化基于在查询样品通过传感器前后确定磁阻，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述第一生物分子包括第二生物分子的条件结合位点，所述第二生物分子包括磁性颗粒的结合位点，使查询样品通过传感器，使第二生物分子通过传感器，使查询样品通过传感器后使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中分析物存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，第一生物分子包括第二生物分子的条件结合位点，第二生物分子包括磁性颗粒的结合位点，使查询样品通过传感器，使第二生物分子通过传感器，在第二生物分子通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性纳米颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性纳米颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测分析物的存在，所述磁阻变化基于在磁性颗粒通过GMR传感器之前和之后确定磁阻。在一些实施方案中，所述方法还包括在包含结合对第二部分的多个磁性纳米颗粒通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性纳米颗粒通过传感器。在一些实施方案中，所述方法还包括在包含结合对第一第二部分的第二多个磁性纳米颗粒通过GMR传感器后，使包含结合对第二部分的第二多个磁性纳米颗粒通过传感器。在一些实施方案中，此类方法还包括使包括结合对第一部分的一个或多个后续多个磁性纳米颗粒和包括结合对第二部分的一个或多个后续多个磁性纳米颗粒通过GMR传感器。在一些实施方案中，结合对包含链霉亲和素和生物素。在一些实施方案中，结合对第一部分包含链霉亲和素。在一些实施方案中，结合对第二部分包含生物素。
在上述一个或多个实施方案中，分析物的存在阻止了第二生物分子的结合。
在上述一个或多个实施方案中，分析物的存在使第二分子能够结合到第一生物分子。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述生物分子包括当存在分析物时磁性颗粒的结合位点，使查询样品通过传感器，在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在分析物，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可进一步包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子包括DNA。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子包括蛋白质。
在一些实施方案中，提供了配置为执行本文所述方法的系统，包括：包括样品处理子系统的系统，包括微流体网络的传感器子系统(所述微流体网络包括有生物分子布置在传感器功能化表面上的GMR传感器)、使信号传输到处理器的连接到多个接触垫的多条导线、处理器、以及用于在整个样品处理子系统和传感器子系统中移动样品、试剂和溶剂的气动控制子系统。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中金属离子存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到生物分子的可裂解部分，裂解被查询样品中金属离子的存在以及与生物分子的可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒，使查询样品通过传感器，从而允许在存在金属离子的情况下从生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分，在查询样品通过传感器之后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中金属离子的存在，所述磁阻变化基于在磁性颗粒传递到GMR传感器上之前和之后确定磁阻。
在一些实施方案中，此类方法可进一步包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中的金属离子浓度。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在查询样品通过传感器之前在传感器上执行缓冲区清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在查询样品通过传感器之后，但在磁性颗粒通过传感器之前，在传感器上执行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子为铅。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述受体共价结合到双链DNA的两条链之一。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由金属离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，对金属离子的检测灵敏度极限范围为约10纳摩尔到约1微摩尔。
在上述一个或多个实施方案中，使查询样品通过检测器包括使查询样品以约0.5μl/min至约5μl/min的速率通过传感器。样品以恒定供应的新鲜样品的形式流过传感器。这确保了双链DNA最大限度地暴露于样品溶液中存在的金属离子。例如，对于铅离子，样品在传感器上流动30分钟。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中是否存在铅离子的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的双链DNA(dsDNA)，该dsDNA包含dsDNA一条链的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的铅离子以及与可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒，使查询样品通过传感器，从而允许在存在铅离子的情况下从dsDNA中裂解和移除可裂解部分和相连受体，在查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器，并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中是否存在铅离子，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。
在一些此类实施方案中，所述方法还可以包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中铅离子的浓度。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在查询样品通过传感器之前在传感器上执行缓冲区清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在查询样品通过传感器之后，但在磁性颗粒通过传感器之前，在传感器上执行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述还可以包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述受体共价结合。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由铅离子激活。
在一个或多个前述实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器
在一个或多个前述实施方案中磁阻变化的相敏解决方案，多个双链DNA以约1×109至约5×1010个生物分子/平方毫米的密度连接在传感器表面。
在前面的一个或多个实施方案中，对铅离子的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔到约10纳摩尔。
在前面的一个或多个实施方案中，通过检测器的查询样品包括以约0.5μl/min至约5μl/min的速率的查询样品流速通过传感器。
在一些实施方案中，提供了包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子的传感器，所述生物分子包括共价结合到生物分子的可裂解部分，裂解被金属离子以及与可裂解部分相连的受体的存在催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；其中，当可裂解部分被裂解时，具有受体的可裂解部分不再共价结合到所述生物分子。
在一些此类实施方案中，所述生物分子是双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述受体共价结合到双链DNA的两条链之一。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由金属离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，所述聚合物包被有表面活性剂。
在上述一个或多个实施方案中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，传感器还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，这些接触垫配置为使电子信号从传感器传输到处理器。
在一些实施方案中，提供的传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的双链DNA(dsDNA)，dsDNA包括可裂解部分，通过铅离子以及与可裂解部分相连的受体的存在催化裂解，所述受体能够结合磁性纳米颗粒，其中，当裂解可裂解部分时，具有受体的可裂解部分不再共价结合到双链DNA。
在一些此类实施方案中，所述受体共价结合到双链DNA的两条链之一。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由铅离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，多个双链DNA以约1×109至约5×1010个生物分子/mm2的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，所述聚合物包被有表面活性剂。
在上述一个或多个实施方案中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，传感器还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，这些接触垫配置为将电子信号从传感器传输到处理器。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中金属离子的盒，所述盒包括(a)传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括共价结合到所述生物分子的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的金属离子以及与可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；其中，当可裂解部分被裂解时，具有受体的可裂解部分不再共价结合到生物分子；(b)一个或多个端口，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液引入盒；以及(c)微流体系统，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液从一个或多个端口移动到传感器。
在一些此类实施方案中，此类盒还可以包括废物收集区。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述受体共价结合到双链DNA的两条链之一。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由金属离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，所述聚合物包被有表面活性剂。
在上述一个或多个实施方案中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在前面的一个或多个实施方案中，所述盒还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，这些接触垫配置为将电子信号从传感器传输到处理器。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还可以包括一个或多个过滤器，用于过滤查询样品。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子为铅离子。
在上述一个或多个实施方案中，所述微流体系统是气动控制的。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还包括一个或多个硬件芯片，用于控制整个微流体系统的流量。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中铅离子的盒，所述盒包括(a)传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的双链DNA(dsDNA)，该dsDNA包含dsDNA一条链上的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的铅离子以及与可裂解部分相连的受体催化，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；其中，当裂解可裂解部分时，具有受体的可裂解部分不再共价结合到双链DNA；(b)一个或多个端口，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液引入盒；以及(c)微流体系统，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液从一个或多个端口移动到传感器。
在一些此类实施方案中，所述盒还可以包括废物收集区。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶，该脱氧核酶由金属离子激活。
在上述一个或多个实施方案中，多个双链DNA以约1×109至约5×1010个生物分子/mm2的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，所述聚合物包被有表面活性剂。
在上述一个或多个实施方案中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在前面的一个或多个实施方案中，所述盒还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，所述接触垫配置为将电子信号从传感器传输到处理器。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还可以包括一个或多个过滤器，用于过滤查询样品。
在上述一个或多个实施方案中，所述微流体系统是气动控制的。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还包括一个或多个硬件芯片，用于控制整个微流体系统的流量。
在一些实施方案中，提供了制作用于检测查询样品中铅离子的传感器的方法，包括(a)在巨磁阻(GMR)传感器的表面上打印双链DNA(dsDNA)；所述双链DNA包括所述双链DNA的一条链上的可裂解部分以及与所述可裂解部分相连的受体，裂解被查询样品中存在的铅离子催化；，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；其中，当裂解可裂解部分时，具有受体的可裂解部分不再共价结合到双链DNA；GMR传感器包括聚合物涂层，在其上打印双链DNA；以及(b)在打印步骤后通过向聚合物涂层添加一种或多种阻断剂来修饰聚合物涂层的表面；在添加一种或多种阻断剂后向聚合物涂层添加表面活性剂。
在一些此类实施方案中，所述双链DNA包括脱氧核酶。
在上述一个或多个实施方案中，聚合物涂层包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法可以进一步包括一个或多个具有缓冲清洗的清洗步骤。
在上述一个或多个实施方案中，所述缓冲液清洗是HEPES缓冲液。
在上述一个或多个实施方案中，所述HEPES缓冲液的浓度为25mM。
在上述一个或多个实施方案中，所述表面活性剂为乙酰基三甲基溴化铵(CTAB)。
在上述一个或多个实施方案中，CTAB在25mM HEPE中的浓度为1％(按重量计)。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中金属离子存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括抗原部分，所述抗原部分在抗原结合位点与抗体结合，抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点结合查询样品中存在的金属离子，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分；使混合物通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。
在一些此类实施方案中，所述方法还可以包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中的金属离子浓度。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可进一步包括在混合物通过传感器之前对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可进一步包括在混合物通过传感器之后但在磁性颗粒通过传感器之前在传感器上执行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，方法还可以包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子为汞。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子是蛋白质。
在上述一个或多个实施方案中，所述蛋白质是经修饰的牛血清白蛋白。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonal antibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，对金属离子的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
在上述一个或多个实施方案中，样品在回路中流过传感器。在上述一个或多个实施方案中，样品流过传感器，提供恒定的新鲜样品供应。在上述一个或多个实施方案中，以约0.1μg/mL的工作浓度将B-HgAb(检测抗体)添加到含汞离子的查询样品中。溶液中的汞离子(II)与HgBSA底物竞争HgAb的结合位点。在高浓度汞的溶液中，很少有HgAb能与HgBSA结合。当GMR传感器以1μl/min和5μl/min之间的流速流动时，会发生这种孵化。可以在传感器上连续引入新鲜的样品，以确保任何非汞结合的HgAb有足够的结合时间。在上述一个或多个实施方案中，查询样品可反应约30分钟。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中汞离子存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的蛋白质，所述蛋白质包含能够在抗原结合位点与抗体结合的抗原部分，所述抗体还包括与抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；以及使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点与查询样品中存在的汞离子结合，从而防止抗体与蛋白的抗原部分结合；使混合物通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中汞离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。在一些此类实施方案中，使用此类方法来检测Hg2+离子。
在一些此类实施方案中，所述方法还可以包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中汞离子的浓度。
在上述一个或多个实施方案中，所述方法可以包括在混合物通过传感器之前对传感器进行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在混合物通过传感器之后，但在磁性颗粒通过传感器之前，对传感器进行缓冲清洗。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述蛋白质是经修饰的牛血清白蛋白。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonal antibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，样品在回路中流过传感器。在上述一个或多个实施方案中，样品流过传感器，提供恒定的新鲜样品供应。在上述一个或多个实施方案中，以约0.1μg/mL的工作浓度将B-HgAb(检测抗体)添加到含汞离子的查询样品中。溶液中的汞离子(II)与HgBSA底物竞争HgAb的结合位点。在高浓度汞的溶液中，很少有HgAb能与HgBSA结合。当GMR传感器以1μl/min和5μl/min之间的流速流动时，会发生这种孵育。可以在传感器上连续引入新鲜的样品，以确保任何非汞结合的HgAb有足够的结合时间。在上述一个或多个实施方案中，查询样品可反应约30分钟。
在前面的一个或多个实施方案中，对汞离子的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔到约10纳摩尔。
在一些实施方案中，提供了包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的蛋白质的传感器，所述蛋白质包含抗原部分。在一些此类实施方案中，所述蛋白质是经修饰的牛血清白蛋白。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonalantibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，表面活性剂可布置在GMR传感器的功能化表面上。在一些此类实施方案中，表面活性剂为阳离子。在一些此类实施方案中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，蛋白质通过打印来在空间上安排在GMR传感器上。
在一些实施方案中，提供了包含布置在巨磁阻(GMR)传感器功能化表面上修饰牛血清白蛋白(BSA)的传感器，所述修饰牛血清白蛋白包括抗原部分，所述抗原部分在抗原结合位点与抗体结合。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonalantibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，传感器可进一步包括布置在GMR传感器的功能化表面上的表面活性剂。在一些此类实施方案中，表面活性剂为阳离子。在一些此类实施方案中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，经修饰的BSA通过打印在GMR传感器上空间组织。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中金属离子的盒，所述盒包括(a)传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的蛋白质，所述蛋白质包含抗原部分；(b)用于引入查询样品的端口；(c)磁性纳米颗粒的存储源；(d)抗体的存储源，所述抗体包括能够结合所述抗原部分的抗原结合位点以及与所述抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点配置为与所述磁性纳米颗粒结合；以及(e)用于移动查询样品、磁性纳米颗粒和抗体的气动控制微流体系统。
在一些此类实施方案中，所述盒还包括废物收集区。
在上述一个或多个实施方案中，所述蛋白质是经修饰的牛血清白蛋白。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonal antibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，表面活性剂布置在功能化GMR传感器上。在一些此类实施方案中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，传感器被配置为与多个接触针脚进行电子通信，以将电子信号从传感器传输到处理器。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒可以包括一个或多个过滤器，用于过滤查询样品。
在前面的一个或多个实施方案中，所述盒还可以包括一个或多个硬件芯片，用于控制气动控制的微流体系统。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中汞离子的盒，所述盒包括(a)传感器，所述传感器包含布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的修饰牛血清白蛋白(BSA)，所述修饰牛血清白蛋白包含抗原部分；(b)用于引入查询样品的端口；(c)磁性纳米颗粒的存储源；(d)抗体的存储源，所述抗体包括能够结合所述抗原部分的抗原结合位点以及与所述抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点配置为与所述磁性纳米颗粒结合；以及(e)用于移动查询样品、磁性纳米颗粒和抗体的气动控制微流体系统。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)CreativeDiagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonal antibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在一些此类实施方案中，所述盒还可以包括废物收集区。
在上述一个或多个实施方案中，表面活性剂可布置在功能化GMR传感器上。在一些此类实施方案中，表面活性剂可以是十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，传感器配置为与多个接触针脚进行电子通信，以将电子信号从传感器传输到处理器。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒可以包括一个或多个过滤器，用于过滤查询样品。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还包括一个或多个硬件芯片，用于控制气动控制的微流体系统。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中汞离子的传感器的制造方法，包括在功能化GMR传感器上打印包含的抗原部分的蛋白质。在实施方案中，蛋白质是经修饰的牛血清白蛋白。在实施方案中，经修饰的牛血清白蛋白为HgBSA，产品名称为：Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)Creative Diagnostics，地址：Ramsey Road Shirley，NY 11967，美国。在实施方案中，与HgBSA配对的抗体为HgAb，产品名称为：RHA anti-Hg2+monoclonalantibody，Clone Hg2(目录号：HMABPY007)，也可从Creative Diagnostics获得。
在上述一个或多个实施方案中，聚合物涂层是交联PEG-PHEMA聚合物。
在一些实施方案中，提供了检测查询样品中金属离子存在的方法，包括：提供传感器，所述传感器包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，检测蛋白还能够结合金属离子；其中，当检测蛋白结合金属离子时，防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；使检测蛋白通过传感器；使查询样品通过传感器；在查询样品通过传感器之后，使报告蛋白通过传感器，报告蛋白能够结合检测蛋白并且报告蛋白配置为与磁性纳米颗粒结合；使报告蛋白通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；并通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过GMR传感器前后的磁阻确定。
在一些此类实施方案中，所述方法还可以包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中的金属离子浓度。
在前面的一个或多个实施方案中，所述方法还可以包括执行一个或多个缓冲区清洗。
在上述一个或多个实施方案中，检测蛋白和查询样品在通过传感器之前混合。
在上述一个或多个实施方案中，在检测蛋白通过传感器后，查询样品通过传感器。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子为砷。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子为镉。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品为水。
在上述一个或多个实施方案中，所述查询样品来自受试者的血液。
在上述一个或多个实施方案中，所述检测蛋白是包含标签的砷结合调节蛋白。
在上述一个或多个实施方案中，所述检测蛋白是包含标签的镉结合调节蛋白。
在一个或多个前述实施方案中，其中所述标签为谷胱甘肽S-转移酶。
在上述一个或多个实施方案中，所述标签为聚组氨酸。
在前面的一个或多个实施方案中，所述生物分子是双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’-CTT ACA CAT TCGTTA AGT CAT ATA TGT TTTATGA CTT ATC CGC TTC GAA GA/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.1。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’-TCT TCG AAG CGGATA AGT CAA AAA CAT ATA TG ACTT AAC GAA TGT GTA AG-3’SEQ ID NO.2。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’–TGA GTC GAA AATGGT TAT AAT ACA CTC AAATAA ATATTT GAA TGA AGA TG/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.3。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’–CAT CTT CAT TCAAAT ATT TAT TTG AGT GTA TTA TAA CCA TTT TCG ACT CA –3’SEQ ID NO.4。
在上述一个或多个实施方案中，所述报告蛋白是生物素化抗体。
在上述一个或多个实施方案中，所述磁性颗粒包含链霉亲和素连接的纳米颗粒。
在上述一个或多个实施方案中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，Pcad-Ocad-F-胺链以10μM至25μM的浓度印在表面上。
在上述一个或多个实施方案中，对金属离子检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
在前面的一个或多个实施方案中，使查询样品通过检测器包括使查询样品以约1μl/min和5μl/min的速率通过传感器。在一些此类实施方案中，反应持续时间可能约为30分钟。在一些实施方案中，通过测试生物素化Pcad-Ocad-R在打印的Pcad-Ocad-F上的流动来确定该反应时间足够。当引入链霉亲和素标记的磁性纳米颗粒时获得了信号，证实了两条Pcad-Ocad链正在发生杂交。在一些实施方案中，R链杂交始终在至少等于最高可用F链浓度的浓度下进行。
在一些实施方案中，提供了用于检测金属离子的传感器，所述金属离子包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白也能够结合所述金属离子；其中，当检测蛋白结合金属离子时，它阻止检测蛋白结合到生物分子的结合区域。
在一些此类实施方案中，所述生物分子是双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，所述双链DNA的正链具有序列5’-CTT ACA CATTCG TTA AGT CAT ATA TGT TTTATGA CTT ATC CGC TTC GAA GA/3AmMC6T/-3’SEQ IDNO.1。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’-TCT TCG AAG CGGATA AGT CAA AAA CAT ATA TG ACTT AAC GAA TGT GTA AG-3’SEQ ID NO.2。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’–TGA GTC GAA AATGGT TAT AAT ACA CTC AAA TAA ATA TTT GAA TGA AGA TG/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.3。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’–CAT CTT CAT TCAAAT ATT TAT TTG AGT GTA TTA TAA CCA TTT TCG ACT CA–3’SEQ ID NO.4。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含包含交联PEG-PHEMA的聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，功能化表面的聚合物被表面活性剂过度包被(overcoated)。表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
在一个或多个实施方案中，传感器还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，这些接触垫配置为将电子信号从传感器传输到处理器。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子包含砷或镉。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中金属离子的盒，所述盒包括(a)一个传感器，所述传感器包括一个布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括一个配置为与检测蛋白的结合区结合，检测蛋白还能够结合金属离子；其中，当检测蛋白结合金属离子时，防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；(b)一个或多个端口，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液引入盒；以及(c)微流体系统，用于将查询样品、磁性纳米颗粒和任选清洗缓冲液从一个或多个端口移动到传感器。
在一些此类实施方案中，所述盒还可以包括废物收集区。
在上述一个或多个实施方案中，所述生物分子是双链DNA(dsDNA)。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’-CTT ACA CAT TCGTTA AGT CAT ATA TGT TTTATGA CTT ATC CGC TTC GAA GA/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.1。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’-TCT TCG AAG CGGATA AGT CAA AAA CAT ATA TG ACTT AAC GAA TGT GTA AG-3’SEQ ID NO.2。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’–TGA GTC GAA AATGGT TAT AAT ACA CTC AAA TAA ATA TTT GAA TGA AGA TG/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.3。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’–CAT CTT CAT TCAAAT ATT TAT TTG AGT GTA TTA TAA CCA TTT TCG ACT CA–3’SEQ ID NO.4。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，GMR传感器的表面包含交联PEG-PHEMA聚合物。
在上述一个或多个实施方案中，聚合物包被有表面活性剂。在一些此类实施方案中，表面活性剂可以是十六烷基三甲基溴化铵。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒中的传感器还可以包括连接到多个接触垫的多条导线，这些接触垫配置为将电子信号从传感器传输到处理器。
在前面的一个或多个实施方案中，所述盒可以包括一个或多个过滤器，用于过滤查询样品。
在上述一个或多个实施方案中，所述金属离子包含砷或镉。
在前面的一个或多个实施方案中，所述微流体系统是气动控制的。
在上述一个或多个实施方案中，所述盒还包括一个或多个硬件芯片，用于控制整个微流体系统的流量。
在一些实施方案中，提供了用于检测查询样品中砷或镉离子的传感器的制作方法，包括(a)在巨磁阻(GMR)传感器的表面上打印双链DNA(dsDNA)；所述双链DNA包括被配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白还能够结合砷或镉离子；其中，当检测蛋白结合金属离子时，防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；GMR传感器包括聚合物涂层，在其上打印双链DNA；以及(b)通过以下方式修饰聚合物涂层的表面：在打印步骤后向聚合物涂层添加一种或多种阻断剂；以及在添加一种或多种阻断剂后任选地向聚合物涂层添加表面活性剂。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’-CTT ACA CAT TCGTTA AGT CAT ATA TGT TTTATGA CTT ATC CGC TTC GAA GA/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.1。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’-TCT TCG AAG CGGATA AGT CAA AAA CAT ATA TG ACTT AAC GAA TGT GTA AG-3’SEQ ID NO.2。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的正链具有序列5’–TGA GTC GAA AATGGT TAT AAT ACA CTC AAA TAA ATA TTT GAA TGA AGA TG/3AmMC6T/-3’SEQ ID NO.3。
在上述一个或多个实施方案中，双链DNA的负链具有序列5’–CAT CTT CAT TCAAAT ATT TAT TTG AGT GTA TTA TAA CCA TTT TCG ACT CA–3'SEQ ID NO.4。
在上述一个或多个实施方案中，多个生物分子以每平方毫米约1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
在上述一个或多个实施方案中，Pcad-Ocad-F-胺链以10μM至25μM的浓度印在表面上。
在上述一个或多个实施方案中，聚合物涂层包含交联PEG-PHEMA聚合物。
受试者
在一些实施方案中，受试者可以是任何活的或不是活的生物体，包括但不限于人类、非人的动物、植物、细菌、真菌、病毒或原生生物。受试者可以是任何年龄(例如胚胎、胎儿、婴儿、儿童、成人)。受试者可以是任何性别(例如，男性、女性或其组合)。受试者可以是怀孕的。在一些实施方案中，受试者是哺乳动物。在一些实施方案中，受试者是人类受试者。受试者可以是患者(例如，人类患者)。在一些实施方案中，受试者是被怀疑摄入了金属的哺乳动物。在某些实施方案中，受试者被怀疑暴露于金属。在一些实施方案中，受试者被怀疑患有与金属相关的疾病或状况。
本文提供了用于分析样品的方法和组合物。在一些实施方案中，样品是液体样品。在一些实施方案中，液体样品是水样品。在一些实施方案中，液体样品可包括悬浮在液体中的细颗粒物质。固体样品(例如土壤或组织)可以用液体清洗或提取，以获得适合于进行本文所述方法的液体样品。
样品可以从任何合适的环境源或合适的受试者处获得。从环境源分离的样品有时称为环境样品，其非限制性示例包括从湖泊、溪流、河流、海洋、水井、径流、自来水、瓶装水、净化水或经处理的水、废水、灌溉水、冰、雪、污垢、土壤、废物等及其组合中获得的液体样品。在一些实施方案中，从制造产品中分离、获得或提取样品，其非限制性示例包括回收材料、聚合物、塑料、农药、木材、纺织品、织物、合成纤维、衣服、食品、饮料、橡胶、清洗剂、油、燃料等或其组合。
在一些实施方案中，所述样品是生物样品，例如从活生物体或受试者获得的样品。样品可直接或间接从受试者或其部分中分离或获得。在一些实施方案中，从个人或医疗专业人员处间接获得样品，然后提供样品用于分析。样品可以是从受试者或其部分分离或获得的任何样品。样品可以是从多个受试者分离或获得的任何样品。生物样品的非限制性示例包括血液或血液制品(例如，血清、血浆、血小板、血沉棕黄层等)、脐血、绒毛、羊水、脑脊液、脊髓液、灌洗液(例如，肺、胃、腹膜、导管、耳、关节镜)、活检样品、腹腔穿刺样品、细胞(血细胞、淋巴细胞、胎盘细胞、干细胞、骨髓衍生细胞、胚胎或胎儿细胞)或其部分(例如线粒体、细胞核、提取物等)、尿液、粪便、痰、唾液、鼻粘液、前列腺液、灌洗液、精液、淋巴液、胆汁、眼泪、汗液、母乳、乳液(breast fluid)等或其组合。在一些实施方案中，样品是无细胞样品。在一些实施方案中，使用合适的方法从细胞或组织中获得液体样品。组织的非限制性示例包括器官组织(例如，肝、肾、肺、胸腺、肾上腺、皮肤、膀胱、生殖器官、肠、结肠、脾脏、大脑等或其部分)、上皮组织、头发、毛囊、导管、管(canal)、骨、眼、鼻、口、喉、耳、指甲等，其部分或其组合。在一些实施方案中，过滤样品以去除不溶物或碎屑，以获得适合通过本文所述方法进行分析的液体样品。
在某些实施方案中，所述样品包含金属。在某些实施方案中，样品不包含金属。在一些实施方案中，样品被怀疑包含金属。在一些实施方案中，样品的pH值范围为4至10、6至10、7至10或约6至8.5。在一些实施方案中，将样品的pH值调整为4至10、6至10、7至10或约6至8.5的范围，或调整为样品与传感器接触之前的范围。
核酸
术语“核酸”是指一种或多种核酸(例如，核酸的一组或子集)，其非限制性示例包括DNA、RNA及其组合，以及包含核糖核苷酸(例如，核糖核苷酸单体)、脱氧核糖核苷酸(例如，脱氧核糖核苷酸单体，例如，dA、dT、dG、dC)及其混合物的核酸，核糖核苷酸和/或脱氧核糖核苷酸类似物(例如，碱基类似物、糖类似物和/或非天然骨架等)、聚酰胺核酸(PNA)、锁核酸(LNA)等或其组合。在一些实施方案中，核酸是单链(single strand)或单链的(singlestranded)核酸。在一些实施方案中，核酸是双链核酸，有时称为核酸双链。核酸可以是任意长度的，例如，2或更多、3或更多、4或更多、5或更多、10或更多、50或更多、100或更多个连续核苷酸。在某些实施方案中，核酸包含4至200、4至100、4至50、4至30、4至20或4至10个核苷酸的长度。核酸通常包含本领域中已知的序列(例如核酸序列，例如序列)的特定5′到3′顺序的核苷酸。因此，单链核酸通常具有分别根据核酸的3’-羟基和5’-羟基的位置确定的3’-端和5’-端。类似地，术语“3’的”、“3’到”、“5’的”、或“5’到”是指单链核酸上相对于链的另一端的位置。例如，对于包含靶裂解位点和生物素的单链核酸，短语“生物素连接在靶裂解位点的3'上”意味着生物素可以连接到在靶裂解位点和核酸的3'端之间的任何合适位置，包括连接到核酸的3'羟基。
寡核苷酸是相对较短的核酸。在一些实施方案中，核酸是寡核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸是长度约为4至150、4至100、5至50或5至约15个核酸或其中间长度的单链核酸。在某些实施方案中，寡核苷酸包含DNA(例如，基本上由脱氧核糖核苷酸组成的寡核苷酸)。基本上由脱氧核糖核苷酸组成的寡核苷酸可包含一个或多个靶裂解位点，或一个、两个或三个核苷酸。
在一些实施方案中，核酸包含一个或多个靶裂解位点。靶裂解位点是核酸中的特定位置、核苷酸或序列，当存在合适的金属时，可被金属依赖性脱氧核酶裂解。在一些实施方案中，靶裂解位点包含位于DNA链内的一个或两个核糖核苷酸(例如，包含或基本由脱氧核糖核苷酸组成的核酸)。在一些实施方案中，靶裂解位点包含位于DNA链内的腺苷核糖核苷酸(例如，包含或基本由脱氧核糖核苷酸组成的核酸)。包含靶裂解位点的寡核苷酸有时称为底物链。
在一些实施方案中，核酸包含一个或多个阻遏物结合位点。阻遏物结合位点是由金属调节阻遏蛋白识别的核酸或双链内的特定序列。在某些实施方案中，金属调节阻遏蛋白在不存在重金属的情况下特异性结合到其同源阻遏物结合位点。
在某些实施方案中，核酸包含双链核酸或DNA双链。在一些实施方案中，核酸双链包含第一核酸和第二核酸，其中第一核酸的一部分或全部与第二核酸的一部分或全部互补。在一些实施方案中，核酸双链的一条或两条包含阻遏物结合位点。在一些实施方案中，双链核酸包含1至10、1至5或1至3个未配对核苷酸。在一些实施方案中，双链核酸包含1、2、3、4或5个未配对核苷酸。术语“未配对”是指所示核苷酸不与另一核酸链(例如酶链)中的相应核苷酸互补或配对。在某些实施方案中，双链核酸包含5’或3’伸出物(overhang)，其包含未与相反链杂交的核酸序列。
在某些实施方案中，核酸连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，核酸以非共价或共价方式连接到适当的固体基底(例如，表面，例如，磁性传感器的表面)。在一些实施方案中，将双链核酸的第一支架连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，双链核酸的第二链连接到磁性传感器的表面。核酸的任何适当部分都可以连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，核酸的5′端或3′端连接到磁性传感器的表面。可以使用合适的化学方法将核酸连接到磁性传感器的表面。
在一些实施方案中，核酸包含适当的3’或5’修饰物，其促进核酸连接到表面(例如，磁性传感器的聚合物表面)。在一些实施方案中，修饰物是氨基修饰物。在一些实施方案中，修饰物包含3'氨基修饰物C6-dT。
金属
在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中金属的存在、不存在或数量进行检测。可通过本文方法检测的金属的非限制性示例包括铅、镁、锰、汞、砷、镉、镍、钴和锌。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中镉、砷、汞和/或铅的存在、不存在或数量检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中砷或镉的存在、不存在或数量进行检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中铅的存在、不存在或含量进行检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中铅的存在、不存在或含量进行检测。
在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中金属的存在、不存在或含量进行检测，所述样品包括使用连接在磁传感器(例如GMR)表面的金属结合蛋白，并与待分析或检测样品中的金属结合。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中金属的存在、不存在或数量检测，包括使用连接到磁性传感器(例如GMR)表面的脱氧核酶，其裂解活性由样品中待测定或检测的金属离子的结合或螯合来介导。
在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中铅的存在、不存在或含量进行检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置使用连接到磁性传感器(例如GMR)的脱氧核酶对样品中铅的存在、不存在或含量进行检测。
在一些实施方案中，本文所述的方法或装置对样品中汞的存在、不存在或数量进行检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置使用金属结合蛋白(例如汞结合牛血清白蛋白(Hg-BSA))对样品中汞的存在、不存在或数量进行检测。在一些实施方案中，本文所述的方法或装置使用金属结合蛋白(例如汞结合牛血清白蛋白(Hg-BSA)和汞结合抗体)对样品中汞的存在、不存在或数量进行检测。
脱氧核酶以及使用脱氧核酶的金属检测
在一些实施方案中，方法包括使用金属依赖性脱氧核酶。在一些实施方案中，微流控装置包括金属依赖性脱氧核酶。在一些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶是铅依赖性脱氧核酶(例如，通过铅的存在激活的脱氧核酶)。在一些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶被配置为与选自铅、镁、锰和锌的金属结合。在一些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶结合到铅或铅离子。在某些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶包含内切酶活性，所述内切酶活性当金属依赖性脱氧核酶结合到金属(例如铅)时被激活。
在一些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶包含第一核酸和第二核酸，其中第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补。在某些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶包含双链核酸或DNA双链。在某些实施方案中，金属依赖性脱氧核酶包含主要包含DNA的双链核酸，其中当金属与DNA双链结合或结合到DNA双链时，DNA双链的一条链(例如，酶链)可以在特定位置(例如，底物链)裂解DNA双链的另一条链(例如，底物链)。在一些实施方案中，脱氧核酶包含包含一个或多个靶裂解位点的第一核酸(例如，有时称为“底物链”)和包含催化域的第二核酸(例如，有时称为“酶链”)。
在一些实施方案中，底物链和/或靶裂解位点包含至少一个成对或未配对的嘌呤核苷酸单磷酸，其用作脱氧核酶酶链的靶裂解位点。术语“未配对”是指所示核苷酸不与另一核酸链(例如酶链)中的相应核苷酸互补或配对。在一些实施方案中，底物链和/或靶裂解位点包含至少一个配对或未配对的嘌呤核苷酸单磷酸，后接3'未配对脱氧鸟苷单磷酸(dG)。在一些实施方案中，底物链和/或靶裂解位点包含至少一个配对或未配对的腺苷一磷酸，后接3'未配对的dG。在一些实施方案中，底物链和/或靶裂解位点包含序列AdGdG，其中A是成对或未配对的腺苷一磷酸，并且两个dG核苷酸均未配对。在一些实施方案中，底物链和/或靶裂解位点包含序列dTAdGdG，其中A是成对或未配对的腺苷一磷酸，两个dG核苷酸均未配对，脱氧胸苷一磷酸(dT)与酶链中相应的dA(脱氧腺苷一磷酸)配对。在一些实施方案中，底物链包含与5’-CTCACTAT
Figure BDA0003846645080000751
GGAAGAGATGATGTCTGTAAATT-3’(SEQ ID NO:1)至少50％、至少70％或至少80％相同的序列，其中下划线A残基为腺苷。在一些实施方案中，底物链包含SEQ ID NO:1的核苷酸序列。在一些实施方案中，底物链包含与5’-ACTCACTAT
Figure BDA0003846645080000752
GGAAGAGATG-3’(SEQ ID NO:6)至少50％、至少70％或至少80％相同的序列，其中下划线的A残基为腺苷。在一些实施方案中，底物链包含SEQ ID NO.6的核苷酸序列。在一些实施方案中，底物链包括与酶链的一部分基本互补的靶裂解位点的核酸序列5’以及与酶链的一部分基本互补的靶裂解位点的核酸序列3’。在一些实施方案中，与酶链的一部分基本互补的靶裂解位点的核酸序列5’的长度为至少4个核苷酸，或长度在4到50或4到20个核苷酸或其中间范围内。在一些实施方案中，与酶链的一部分基本互补的靶裂解位点的核酸序列3’的长度为至少4个核苷酸，或长度范围为4到50或4到20个核苷酸，或其之间的范围。
在某些实施方案中，脱氧核酶的酶链包含催化结构域。在一些实施方案中，催化结构域包含与底物链不互补的序列。在一些实施方案中，催化域的两侧是与底物链的一部分互补的5’序列(即5’臂)以及与底物链的另一部分互补的3’序列(即3’臂)。在一些实施方案中，催化结构域序列包含5-25、8-23、10-23或8-17个连续的脱氧核糖核苷酸，或其之间的范围。在一些实施方案中，催化结构域序列包含8-17个连续的脱氧核糖核苷酸。在一些实施方案中，催化结构域序列包含15个连续的脱氧核糖核苷酸。在一些实施方案中，催化结构域序列包含5’-GAAGTAGCGCCGCCG-3’(SEQ ID NO:3)的核苷酸序列。在一些实施方案中，催化结构域序列包含5’-TCCGAGCCGGTCGAA-3’(SEQ ID NO：4)的核苷酸序列。在一些实施方案中，酶链包含与5’-ACAGACATCATCTCTGAAGTAGCGCCGCCGTATAGTGAG-3’(SEQ ID NO:2)至少50％、至少70％或至少80％相同的序列。在一些实施方案中，酶链包含SEQ ID NO:2的核苷酸序列。在一些实施方案中，酶链包含与5’-CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT-3’(SEQ IDNO:5)至少50％、至少70％或至少80％相同的序列。在一些实施方案中，酶链包含SEQ IDNO:5的核苷酸序列。
在一些实施方案中，脱氧核酶包含：包含SEQ ID NO.3的核苷酸序列的底物链和包含与SEQ ID NO.2至少50％、至少70％、至少80％或至少90％相同的核苷酸序列的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含包含SEQ ID NO:3核苷酸序列的底物链和包含SEQ ID NO:2核苷酸序列的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含一条底物链，该底物链包含与SEQ IDNO:1至少50％、至少70％、至少80％或至少90％相同的核苷酸序列，以及一条包含与SEQ IDNO:2至少50％、至少70％、至少80％或至少90％相同的核苷酸序列的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含包含SEQ ID NO:1核苷酸序列的底物链和包含SEQ ID NO:2核苷酸序列的酶链。
在一些实施方案中，脱氧核酶包含：包含SEQ ID NO:4核苷酸序列的底物链和包含与SEQ ID NO:5至少50％、至少70％、至少80％或至少90％核苷酸序列相同的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含包含SEQ ID NO:4核苷酸序列的底物链和包含SEQ ID NO:5核苷酸序列的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含一条底物链，该底物链包含与SEQ IDNO.6至少50％、至少70％、至少80％或至少90％相同的核苷酸序列，以及一条包含与SEQ IDNO.5至少50％、至少70％、至少80％或至少90％相同的核苷酸序列的酶链。在一些实施方案中，脱氧核酶包含包含SEQ ID NO:6核苷酸序列的底物链和包含SEQ ID NO:5核苷酸序列的酶链。
在一些实施方案中，脱氧核酶包含：包含“17E”铅脱氧核酶的核苷酸序列的底物链(例如，5’–ACTCACTATAGGAAGAGATG–3’；参见，例如，Brown等人，Biochemistry，42(23)，pp.7152-7161(2003))和包含与“17E”脱氧核酶的酶链至少50％、至少70％、至少80％、或至少90％相同核苷酸序列的酶链(例如，5’-CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT–3’)。
在一些实施方案中，脱氧核酶包含：包含“8-17”铅脱氧核酶的核苷酸序列的底物链(例如，5’-AAGUAACUAGAGAUGGA-3’；例如，参见Lan等人，Chemical Communication，46(22)，pp.3896-3898(2010))和包含与“8-17”脱氧核酶的酶链至少50％、至少70％、至少80％、或至少90％相同核苷酸序列的酶链(即，5’-CGCACCCTCCGAGCCGGAACGAAGTTACTT–3’)。
在一些实施方案中，脱氧核酶包含：包含“Ce13d”脱氧核酶的核苷酸序列的底物链(例如，5’–rAGGAAG–3’；例如，参见Zhou，Wenhu等人)和包含与“Ce13d”脱氧核酶的酶链至少50％、至少70％、至少80％、或至少90％相同核苷酸序列的酶链(例如，5’-AGGTCAAAGGTGGGTGCGAGTTTTTACTCGTT–3’)。
在一些实施方案中，底物链包含可检测的标签。在一些实施方案中，底物链包含磁性颗粒或磁性纳米颗粒。可将可检测标签连接到底物链的适当位置，只要可检测标签在底物链被酶链裂解时能与脱氧核酶分离。在一些实施方案中，将可检测标签连接(例如，共价或非共价)到底物链的5’-端或3’-端。在一些实施方案中，将底物链的5′端连接到传感器的表面，并将可检测标签连接在位于目标裂解位点3′的适当位置。在一些实施方案中，底物链的5’-端连接到传感器的表面，可检测标签连接到底物链的3’-端。在一些实施方案中，将底物链的3’-端连接到传感器的表面，并将可检测标签连接在位于目标裂解位点5’的适当位置。在一些实施方案中，底物链的3’-端连接到传感器的表面，可检测标签连接到底物链的5’-端。
在一些实施方案中，底物链包含结合对的部分。在一些实施方案中，底物链包含生物素。可以将结合对的部分连接到底物链的适当位置，只要结合对的部分在底物链被酶链裂解时可以与脱氧核酶分离。在一些实施方案中，将结合对的部分连接(例如，共价或非共价)到底物链的5’-端或3’-端。在一些实施方案中，脱氧核酶底物链的5’-端或3’-端连接到传感器的表面。在一些实施方案中，将底物链的5′端连接到传感器的表面，并且将结合对的部分连接在位于目标裂解位点3′的适当位置。在一些实施方案中，将底物链的5′端连接到传感器的表面，并且将结合对的部分连接到底物链的3′端。在一些实施方案中，将底物链的3’-端连接到传感器的表面，并且将结合对的部分连接在位于目标裂解位点5’的适当位置。在一些实施方案中，将底物链的3’-端连接到传感器的表面，并且将结合对的部分连接到底物链的5’-端。
在一些实施方案中，核酸以非共价或共价方式连接到合适的固体基底(例如，表面，例如传感器的表面)。在某些实施方案中，脱氧核酶连接到传感器的表面。在一些实施方案中，脱氧核酶的酶链连接到传感器的表面。在一些实施方案中，脱氧核酶的底物链连接到传感器的表面。酶链和/或底物链的任何适当部分都可以连接到传感器的表面。在一些实施方案中，脱氧核酶酶链的5’-端或3’-端连接到传感器的表面。脱氧核酶的底物链和/或酶链可以使用合适的化学物质连接到传感器的表面。
可检测标签/颗粒/结合对
在一些实施方案中，本文所述的方法或过程包括使用一个或多个可检测标签。在一些实施方案中，本文所述的组合物或装置包括一个或多个可检测标签。在一些实施方案中，核酸、引物、颗粒、纳米颗粒、磁性颗粒、磁性纳米颗粒或磁珠包含一个或多个可检测的标签。在一些实施方案中，结合对的部分包括可检测的标签。在一些实施方案中，可检测标签连接到结合对的部分。任何合适的可检测标签可用于本文所述的组合物、装置或方法。在一些实施方案中，可检测标签可由适当的传感器检测。任何合适的荧光团或发光材料都可以用作标签。可检测标签的非限制性示例包括放射性标签(例如同位素、放射性同位素或放射性核素(例如3H、14C、15N、35S、90Y、99Tc、125I、131I)、金属标签、磁性标签、荧光标签、发色团、化学发光标签、电化学发光标签、磷光标签、猝灭剂(例如荧光团猝灭剂)，荧光共振能量转移(FRET)对(例如供体和受体)、染料、酶(例如辣根过氧化物酶、β-半乳糖苷酶、荧光素酶、碱性磷酸酶等)、酶底物、质量标签、量子点等或其组合。
可检测标签可通过适当的传感器进行检测和/或定量，所述传感器包括一个或多个摄像机(例如，数码摄像机、耦合电荷器件(CCD)摄像机)、光敏二极管或光电池、质谱仪、荧光显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、激光扫描细胞仪、磁性传感器(例如，巨磁阻(GMR)传感器)等及其组合。在一些实施方案中，传感器包括一个或多个摄像机(例如，数字摄像机、耦合电荷器件(CCD)摄像机)、光敏二极管、光电池、质谱仪、荧光显微镜、共焦激光扫描显微镜、激光扫描细胞计、磁传感器(例如，巨磁阻(GMR)传感器)等及其组合。在一些实施方案中，传感器包括表面。
在某些实施方案中，可检测标签直接或间接连接(例如，以共价或非共价方式结合)核酸(例如，引物)、蛋白质、结合对部分、基底(例如，珠、颗粒)等。
在一些实施方案中，可检测标签包括磁性颗粒，其非限制性示例包括顺磁珠、磁珠、金属微球、纳米粒)、金属微粒和金属纳米颗粒。任何合适的磁性颗粒均可用于本文中的方法或装置。在某些实施方案中，磁性颗粒包括结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒包含链霉亲和素或其变体。在一些实施方案中，磁性颗粒包括约1至约1000纳米(nm)、1nm至约500nm、约5nm至约1000nm、约10nm至约1000nm、约5nm至约500nm、约5nm至约400nm、约5nm至约300nm、约5nm至约300nm、约5nm至约200nm、约5nm至约100nm、约2至约50nm的平均或绝对直径，约5至约20nm，或约5至约10nm，和/或介于两者之间的范围。在一些实施方案中，包被磁性颗粒以促进共价连接到结合对的部分或核酸。在其他实施方案中，包被磁性颗粒以促进与分子的静电连接。在一些实施方案中，磁性颗粒包括不同的形状、尺寸和/或直径，以促进不同的磁性量。在一些实施方案中，磁性颗粒基本均匀(例如，所有磁性颗粒基本相同；例如，相同的尺寸、相同的直径、相同的形状和/或相同的磁性)，以便于在磁传感器表面进行更准确的检测和/或定量。在一些实施方案中，磁珠包含结合对的相同或不同部分，以允许对多个基因变体进行多重检测。在一些实施方案中，包含结合对的不同部分的磁性颗粒被配置为与布置在不同GMR传感器上或单个传感器上的不同金属依赖性脱氧核酶相互作用，其中不同金属依赖性脱氧核酶在空间上被组织以创建可寻址位置和信号。
在一些实施方案中，核酸或寡核苷酸包含结合对的一个或多个部分。在一些实施方案中，结合对包括至少两个彼此非共价且特异性结合的部分(例如分子)。结合对的部分通常会可逆地相互结合，例如，结合对的两个部分的关联可以通过适当的方法分离。任何合适的结合对或其部分可用于本文所述的组合物或方法。结合对的非限制性示例包括抗体/抗原、抗体/抗体受体、抗体/蛋白质A或蛋白质G、半抗原/抗半抗原、巯基/马来酰亚胺、巯基/卤代乙酰基衍生物、胺/异硫氰酸酯、胺/琥珀酰亚胺酯、胺/磺酰卤化物、生物素/亲和素、生物素/链霉亲和素、叶酸/叶酸结合蛋白、受体/配体、维生素B12/内源性因子，其类似物、其衍生物、其结合部分等或其组合。结合对部分的非限制性示例包括抗体或抗体片段、抗体受体、抗原、半抗原、肽、蛋白质、脂肪酸、甘油基部分(例如脂质)、磷酰基部分、糖基部分、泛素部分、凝集素、适体、受体、配体、金属离子、抗生物素、中性抗生物素、链霉亲和素、生物素、B12、内因子及其类似物，其衍生物、其结合部分等物或其组合。在一些实施方案中，核酸共价连接到结合对的部分。在一些实施方案中，核酸包含生物素。在一些实施方案中，核酸共价连接到生物素。
基于脱氧核酶的装置
在一些实施方案中，本文提出的是一种微流控脱氧核酶，包括配置为对样品中存在的靶核酸中的金属进行检测的装置。在一些实施方案中，该装置包括图22所示的一个或多个组件。在一些实施方案中，所述装置包括图22所示的配置或其变体。在一些实施方案中，脱氧核酶装置包括一个或多个微流体通道，所述通道可操作地和/或流体连接到装置的每个组件。
“流体连接”的组件或零件是与装置内处理的液体或流体接触和/或可以接触(例如，通过打开或关闭阀门)的装置的组件和零件。96孔板的一个孔不被视为与96孔板中的另一个孔流体连接。类似地，即使流体可以从一根管转移到另一根管，Eppendorf管也不会与另一根Eppendorf管进行流体连接。术语“可操作连接”是指装置的特定组件或部件可以通信、附接或连接，以使其相互合作以实现其预期功能。可操作的“连接”可以是直接、间接、物理或远程。
在一些实施方案中，微流控装置(例如900)包括从微流控通道(例如201-208)、腔室(例如102、400、501、502和800)、一个或多个阀门(例如301-304)、传感器(例如700，例如磁性传感器)、冻干试剂、溶解试剂、热源(例如600)、泵、和端口(例如，流量控制端口850、样品加载端口100)。在一些实施方案中，装置的一些或所有组件可操作和/或流体连接(例如，通过相连的微流体通道和阀门)。在一些实施方案中，装置包括选择样品室(例如102)、清洗室(例如501和502)、试剂室(例如400)、废物室(例如800)或其组合的一个或多个室。在一些实施方案中，微流体装置包括摄像机(例如630)和任选的辐射源(例如光源、紫外线光源)。
在一些实施方案中，微流体装置包括一个或多个微流体通道(例如201-208)。微流控通道可以包括横截面上的适当几何形状，非限制性示例包括圆形、椭圆形、矩形、三角形等或其组合。微流控通道可以包括合适的结构，非限制性示例包括直的、弯曲的、蛇形的和/或高架的，并且可以包括一个或多个连接点，这些连接点以流体方式连接一个或多个微流控通道和本文所述微流控装置的相关组件。在一些实施方案中，微流控通道的平均(average)、算术平均(mean)或绝对内径约为10纳米至1000微米、50纳米至500微米、100纳米至500微米或100纳米至100微米。在一些实施方案中，阀门(例如301-304)、腔室和/或传感器700中的一个或多个布置在微流体通道的通道主体内。在一些实施方案中，传感器700布置在可操作和/或流体连接到一个或多个微流控通道的腔室内。在一些实施方案中，微流控通道包括用于将样品或一种或多种试剂引入微流控装置的样品端口100。在一些实施方案中，样品端口通过微流体通道(例如201)可操作和/或流体连接到样品室(例如102)。
在一些实施方案中，微流控装置包括样品室和传感器，样品室和传感器通过一个或多个微流控通道和阀门进行操作和/或流体连接，使得装置内处理的流体的流动方向通常是从样品室流向传感器和/或流向废物室(例如800)。因此，作为参考，靠近第二组件的第一组件是相对于流向传感器的流动方向位于第二组件上游的组件。类似地，在一些实施方案中，远离第二组件的第一组件是相对于流向传感器或废物室(例如800)的流动方向位于第二组件下游的组件，通过微流控装置的流动方向部分由可操作地连接到端口(例如，流量控制端口850)的真空泵或注射泵控制。在一些实施方案中，泵布置在微流体装置900上。在一些实施方案中，一个或多个泵可以通过端口(例如850)可操作地连接到装置900，例如，当微流控装置是可移动盒的形式时。在一些实施方案中，流量控制端口可操作地连接到腔室(例如，废物室800)，使得当向端口850施加负压时，流体从一个或多个腔室(例如，102、501、502和/或400)引导(例如，通过一个或多个阀)到废物室800，从而可以调节和/或保持流体流过传感器表面(例如，700)。在一些实施方案中，流量控制端口通过微流体通道(例如820)可操作地连接到腔室。
任何合适的阀门都可以用于微流控装置。在一些实施方案中，阀门是可以卡外控制的微型先导电磁阀(例如Lee阀)。因此，装置可以包括多个阀门，每个阀门可以独立控制。在一些实施方案中，一个或多个阀门可操作地连接到一个或多个电垫连接，以便微流控装置可以与控制器或计算机集成，所述控制器或计算机引导流体流过该装置。
在一些实施方案中，腔室是样品室(例如102)。在一些实施方案中，样品室包括样品或配置为容纳样品。在一些实施方案中，样品室包括一种或多种试剂(例如脱水盐或缓冲液)。在一些实施方案中，微流控装置包括配置用于将样品引入装置的样品端口。在某些实施方案中，样品端口可操作地连接和/或流体连接到一个或多个腔室。在一些实施方案中，装置包括样品端口100和样品室102，其中样品端口靠近样品室。在一些实施方案中，样品端口100配置为将样品引入样品室102。在一些实施方案中，样品端口位于样品室附近。在一些实施方案中，样品端口是样品注入端口。
在一些实施方案中，腔室是清洗室(例如，510、502)。清洗室配置为容纳合适的清洗溶液。在一些实施方案中，清洗溶液被放置在清洗室内。清洗溶液通常用于水合或清洗传感器表面(例如700)。在一些实施方案中，清洗溶液包括缓冲液(例如Tris)、酒精、清洗剂或盐。在一些实施方案中，清洗室提供溶液(例如缓冲液)，有助于保持流体在传感器表面上的流动，例如在检测期间。清洗溶液可包含任何合适的缓冲液。在一些实施方案中，缓冲液包含HEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸)。例如，阀301可以将布置在腔室501内的溶液转移到微流体通道203和207，使得流体流过传感器700并流入废物室800。
在一些实施方案中，样品室(例如102)、试剂室(例如400)和/或一个或多个清洗室(例如501、502)位于传感器(例如700)附近。在一些实施方案中，样品室(例如102)和/或一个或多个清洗室(例如501、502)可操作和/或流体连接，平行于微流体通道(例如202、203、207)，其中微流体通道包括一个或多个可操作地连接到一个或多个清洗室的阀门(例如301、302、303)。
在某些实施方案中，试剂被布置在试剂室内(例如400)。布置在试剂室内的试剂可以被干燥和/或冻干。在一些实施方案中，将放置在试剂室内的试剂溶解或分散在液体(例如清洗溶液)中。在某些实施方案中，当流体进入试剂室内时，位于试剂室内的干燥或冻干试剂与流体接触时基本溶解。在一些实施方案中，试剂室(例如400)位于传感器附近。在某些实施方案中，试剂室包括磁性颗粒(MNP)，其中每个磁性颗粒连接到结合对的部分(例如链霉亲和素)。在一些实施方案中，试剂室可操作和/或流体连接到阀门(例如302)，当阀门打开时，将试剂或颗粒分散到微流体通道(例如207)中，使得颗粒继续接触和/或流过传感器。
在某些实施方案中，微流控装置包括热源(例如600)。任何合适的热源均可用于本文所述的装置中。在一些实施方案中，传感器包括热源。在一些实施方案中，热源位于传感器附近，从而可以加热流过传感器的流体温度。
在一些实施方案中，微流控装置包括传感器(例如，300，例如，磁性传感器)。在一些实施方案中，微流控装置包括多个传感器(例如，磁性传感器)。在一些实施方案中，微流控装置包括与样品接触的第一传感器和不与样品接触的第二控制传感器。在一些实施方案中，微流控装置包括具有可寻址位置的传感器阵列。任何合适的传感器均可用于本文所述的装置或方法，其非限制性示例包括摄像机(例如，数码摄像机、耦合电荷器件(CCD)摄像机)、光传感二极管、光电池、质谱仪、荧光显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、激光扫描细胞仪、磁性传感器(例如，巨磁阻(GMR)传感器)等及其组合。在一些实施方案中，传感器包括摄像机(例如630，例如数码摄像机、耦合电荷器件(CCD)摄像机)、光敏二极管、光电池、质谱仪、荧光显微镜、共焦激光扫描显微镜、激光扫描细胞仪、磁传感器(例如巨磁阻(GMR)传感器)等及其组合。在一些实施方案中，传感器是磁性传感器。在一些实施方案中，磁传感器是磁阻传感器。在一些实施方案中，磁传感器是巨磁阻(GMR)传感器。在一些实施方案中，磁传感器是各向异性磁阻(AMR)传感器和/或磁隧道结(MTJ)传感器。
在一些实施方案中，磁传感器检测磁阻、电流和/或电压电势或其变化。在一些实施方案中，磁传感器检测传感器表面上的磁阻、电流和/或电压电势或其变化。在一些实施方案中，磁传感器检测磁阻、电流和/或电压电势或其在一段时间内的变化，非限制性示例包括1纳秒到1小时、1秒到60分钟、1秒到10分钟、1秒到1000秒或其之间的时间。在一些实施方案中，磁性传感器根据磁性传感器检测到的磁阻、电流和/或电压电势或其变化，检测结合(例如，间接结合)到磁性传感器表面或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，磁性传感器根据结合到(例如，间接结合到)或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来对样品中存在的金属的存在、不存在或数量进行检测。因此，在一些实施方案中，磁性传感器根据在磁性传感器表面检测或测量的磁阻、电流和/或电压电势或其变化来检测样品中存在、不存在或数量的金属。
GMR传感器的灵敏度可以超过各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在传感器表面的磁性纳米颗粒的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。因此，在一些实施方案中，磁传感器包括GMR传感器。
在一些实施方案中，传感器包括表面。传感器的表面可包括合适的材料，其非限制性示例包括玻璃、改性或功能化玻璃(例如，控孔玻璃(CPG))、石英、云母、聚甲醛、纤维素、醋酸纤维素、陶瓷、金属、类金属、半导体材料，塑料(包括丙烯酸、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物或其他材料、聚丁烯、聚氨酯、聚四氟乙烯TM、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)等)、树脂、二氧化硅或硅基材料，包括硅、硅胶和改性硅、
Figure BDA0003846645080000841
Figure BDA0003846645080000842
碳、金属(例如钢、金、银、铝、硅和铜)、导电聚合物(包括聚吡咯和聚吲哚等聚合物)；微米或纳米结构表面、纳米管、纳米线或纳米颗粒修饰表面；或多孔表面或凝胶，如甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、糖聚合物、纤维素、硅酸盐或其他纤维或链状聚合物。在一些实施方案中，使用具有任何数量的材料(包括聚合物，例如右旋糖酐、丙烯酰胺、明胶或琼脂糖)的被动或化学衍生涂层包被表面。在一些实施方案中，传感器的表面非共价和/或可逆地连接到寡核苷酸。
在一些实施方案中，传感器的表面包含和/或包被有交联PEG-PHEMA聚合物。PEG-PHEMA聚合物表面可以通过混合PEG溶液来制备，PEG溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)-PEG-NHS(MW 600)，PHEMA溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的甲基丙烯酸聚羟乙基酯(MW20000)，和任选交联剂。所得溶液可以使用合适的包被工艺(例如微打印、浸渍涂层、旋涂或气溶胶涂层)包被在传感器表面上。在用PEG-PHEMA溶液包被表面后，可以使用紫外光固化表面，然后用合适的溶剂(例如异丙醇和/或水)清洗。在一些实施方案中，传感器的表面共价连接到一个或多个核酸。在一些实施方案中，涂层表面可用于与伯胺结合(例如，连接蛋白质)。PEG-PHEMA涂层可以保护传感器表面免受腐蚀。在一些实施方案中，传感器的表面包括国际专利申请No.PCT/US2019/043766中所述的表面。
在一些实施方案中，传感器的表面包括涂层。在一些实施方案中，涂层包含合适的表面活性剂。在一些实施方案中，表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。在一些实施方案中，在传感器与样品接触之前，用适当的表面活性剂包被传感器表面或与之接触。
在一些实施方案中，传感器包括金属依赖性脱氧核酶。在一些实施方案中，使用合适的化学将金属依赖性脱氧核酶、脱氧核酶的底物链或脱氧核酶的酶链连接(例如，共价)到传感器的表面，非限制性示例包括Cha等人(2004)“Immobilization of orientedprotein molecules on poly(ethylene glycol)-coated Si(111)”Proteomics 4:1965-1976和Zellander等人(2014)“Characterization of Pore Structure in BiologicallyFunctional Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)-Poly(ethylene glycol)Diacrylate(PHEMA-PEGDA),”PLOS ONE 9(5)：e96709。在一些实施方案中，传感器的表面包含密度约为1×109至约5×1010个脱氧核酶分子/mm2的多个脱氧核酶。
在一些实施方案中，装置包括两个或多个传感器，每个传感器包括包含不同脱氧核酶的表面。在一些实施方案中，传感器的表面包括可寻址位置，每个位置包括配置为结合到不同金属的不同脱氧核酶。在一些实施方案中，微流控装置包括阴性对照传感器。在某些实施方案中，阴性对照传感器是磁性传感器(例如，GMR)。在本文所述方法的一些实施方案中，阴性对照传感器不与样品接触。在本文所述方法的一些实施方案中，将阴性对照传感器与适当的对照溶液、清洗缓冲液或对照缓冲液接触。
在某些实施方案中，微流控装置900布置在卡或盒上。因此，在一些实施方案中，微流控装置或包含本文所述微流控装置的卡或盒为3到10cm长、1到10cm宽和0.1到1cm厚。
在一些实施方案中，微流控装置包括印刷电路板(PSB)。在一些实施方案中，微流控装置或PSB包括一个或多个记忆芯片。在一些实施方案中，微流体装置或PSB包括一个或多个电焊盘连接。在一些实施方案中，一个或多个电垫连接可操作地(例如，电子地)连接到记忆芯片、一个或多个阀门、传感器和/或微流体装置的一个或多个泵。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在PSB上。
在一些实施方案中，微流控装置布置在包含PSB的盒或卡上。在一些实施方案中，盒被配置为插入或连接到控制器、计算机或与微流控装置集成的更大装置。在一些实施方案中，控制器包括可操作地连接到位于盒上的一个或多个流量控制端口850的泵(例如隔膜泵或注射泵)。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基底上。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
在一些实施方案中，本文所述的微流控装置、PSB或盒包括2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504846)的国际专利申请No.PCT/US2019/043720，2019年7月26日提交的标题为“SYSTEMAND METHOD FOR SAMPLE PREPARATION IN GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504847)的国际专利申请No.PCT/US2019/043753，2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR SENSING ANALYTES IN GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504848)的国际专利申请No.PCT/US2019/043766，或2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING ANALYTE SIGNALS IN GMR-BASEDDETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504850)的国际专利申请No.PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或零件，所有这些通过引用全部并入本文。在一些实施方案中，本文所述的方法利用国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或部件。在一些实施方案中，本文所述的微流控装置包括在国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的磁性传感器和/或磁性传感器组件。
在一些实施方案中，任何一个腔室(例如，102、501、502、400、800)和/或容纳传感器的腔室包括独立地选自1μl到20ml、1μl到15ml、1μl到5ml、1μl到1ml、1μl到500μl、1μl到100μl及其之间体积的体积。
GMR传感器的灵敏度超过了各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在传感器表面的磁性纳米颗粒产生的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻响应的变化中。
基于脱氧核酶的方法
在某些实施方案中，本文介绍了一种检测样品中金属的存在、不存在或数量的方法。图21示出了本文所述的示例性方法的图示，其中脱氧核酶连接到传感器720(例如，磁性传感器)的表面。在该示例中，脱氧核酶包含第一核酸链20(即底物链)和第二核酸链10(即酶链)，将其杂交在一起以形成核酸双链。底物链20连接到结合对40的第一部分(例如，生物素(B))。然后将脱氧核酶与样品和可检测标签30(例如，磁性颗粒；MNP)接触，其包括结合对第二部分(例如，链霉亲和素)。在没有铅的情况下，可检测标签30结合到底物链20，并且在传感器720的表面检测可检测标签30的存在或数量(如图21，上部面板所示)。在存在铅的情况下(图21，下部面板)，由于铅(Pb)结合到脱氧核酶，底物链20被裂解。当裂解底物链20时，包含生物素的底物链部分从表面结合的脱氧核酶中解离，并且可检测标签30从传感器表面冲洗掉。然后，可以通过检测与传感器表面相连的可检测标签的存在、不存在或数量来确定样品中铅的存在、不存在或数量。
在一些实施方案中，方法包括将包含表面的传感器和连接在表面的金属依赖性脱氧核酶与怀疑包含金属的样品接触。在一些实施方案中，在传感器与样品接触之前，将传感器的表面与清洗剂或表面活性剂(例如，CTAB)接触。在一些实施方案中，脱氧核酶的底物链包含可检测的标签或结合对第一部分(例如，生物素)。在一些实施方案中，可检测标签包含一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，当脱氧核酶包含结合对第一部分(例如，生物素)时，方法还包括将传感器与包含结合对第二部分(例如，链霉亲和素)的可检测标签接触，使得结合对第一部分与结合对第二部分结合。在一些实施方案中，对在传感器处、附近或与传感器相连(例如，通过非共价相互作用间接)的可检测标签的存在、不存在或数量进行检测。有时在样品与传感器接触后进行检测。在某些实施方案中，所述检测在传感器与样品或可检测标签接触之前、期间和/或之后执行。在一些实施方案中，检测过程是动态检测过程，使得可以在传感器与样品接触之前、期间和/或之后检测可检测标签，同时改变传感器表面的一个或多个条件。
在一些实施方案中，将传感器与样品和/或可检测标签接触的过程包括流体流过传感器表面。流体的非限制性示例包括液体样品、封闭溶液、杂交溶液、清洗溶液、缓冲溶液、水、包含磁性颗粒的溶液、包含封闭试剂的溶液、包含合适试剂的溶液、包含可检测标签的溶液等，其组合或其混合物。在一些实施方案中，当进行本文中的方法时，传感器或其表面连续和/或连续与流体(例如，样品、清洗液、缓冲液、可检测标签等)接触。在某些实施方案中，在接触、阻断、杂交、清洗或检测过程中，传感器表面上的流速约为0.1μl/min至500μl/min、1μl/min至500μl/min、1μl/min至100μl/min、1μl/min至10μl/min，或其之间的范围。在某些实施方案中，阻断过程以约1μl/min至50μl/min、约1μl/min至40μl/min、约1μl/min至30μl/min、约1μl/min至20μl/min、1μl/min至10μl/min或其之间的范围发生。在某些实施方案中，杂交过程以约1μl/min至50μl/min、约1μl/min至40μl/min、约1μl/min至30μl/min、约1μl/min至20μl/min、1μl/min至10μl/min或其之间的范围发生。在某些实施方案中，在接触、清洗或检测过程中传感器表面上的流速约为100Hz至800Hz，或约为100Hz至300Hz。
在一些实施方案中，与传感器接触的样品体积为1μl至500μl、20μl至300μl范围内的体积，或其之间的范围或体积。
在一些实施方案中，通过本文方法检测金属的灵敏度范围为样品中的铅约0.00001纳摩尔至约100纳摩尔、0.01纳摩尔至约10纳摩尔、0.1纳摩尔至约10纳摩尔或约1纳摩尔至约10纳摩尔。在一些实施方案中，通过本文方法检测金属的灵敏度下限为样品中铅约0.01皮摩尔、约0.1皮摩尔、约1.0皮摩尔、约10皮摩尔、约100皮摩尔、约1.0纳摩尔、约5.0纳摩尔、约10.0纳摩尔、约50纳摩尔或约100纳摩尔。
在一些实施方案中，用清洗液清洗传感器，使清洗液流过传感器表面。清洗溶液可包含任何合适的组合物。在一些实施方案中，清洗溶液增加杂交条件的严格性，以确保裂解的底物链与表面结合的脱氧核酶分离。因此，在一些实施方案中，清洗溶液包括一种或多种合适的缓冲液(例如HEPES)、螯合剂(例如EDTA)、盐、清洗剂或表面活性剂、离液剂、甲酰胺、其组合等。在一些实施方案中，清洗溶液不包括盐。可以使用任何合适的清洗溶液来增加传感器表面杂交条件的严格性。例如，在一些实施方案中，降低清洗溶液中二价阳离子或盐的浓度以增加严格性。在一些实施方案中，在清洗步骤期间，流过传感器表面的清洗溶液的温度升高。
在一些实施方案中，清洗溶液配置为保持传感器上的流体流动。在此类实施方案中，清洗溶液可包含与样品或可检测标签(例如，磁性颗粒悬浮液)相同或类似的成分(例如，缓冲液和盐)。
在一些实施方案中，在(i)将传感器与样品接触，(ii)将传感器与可检测标签接触，和/或(iii)检测与传感器表面结合或相连的可检测标签的存在、不存在或数量之前、期间和/或之后，流过传感器表面的流体温度升高。
在一些实施方案中，与传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟、1秒到10分钟、1秒到10分钟、1秒到5分钟、1秒到1分钟的时间段内增加至少10℃、至少15℃、至少20℃、至少25℃、至少30℃、至少40℃、至少60℃或至少80℃，或其中间范围。在一些实施方案中，与传感器表面接触的流体的温度从约10℃增加到约120℃，从约10℃增加到约80℃，从约10℃增加到约70℃，从约10℃增加到约65℃，从约10℃增加到约60℃，从约20℃增加到约120℃，从约20℃增加到约80℃，从约20℃增加到约70℃，从约20℃到约65℃，从约20℃到约60℃，从约25℃到约80℃，从约25℃到约70℃，从约25℃到约65℃，从约25℃到约60℃，或其中间范围。在一些实施方案中，与传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟的时间，1秒到10分钟，1秒到5分钟，1秒到1分钟，或其中间范围内升高。
在一些实施方案中，方法或检测过程包括对可检测标签的存在、不存在、数量或其变化进行检测。在某些实施方案中，传感器对可检测标签的存在、不存在、数量或其变化进行检测。在某些实施方案中，在传感器表面或其附近对可检测标签的存在、不存在、数量或其变化进行检测。在一些实施方案中，对结合到传感器表面的可检测标签的存在、不存在、数量或其变化进行检测。在某些实施方案中，检测过程或检测步骤包括检测传感器表面、附近或表面上的可检测标签量随时间的变化。
在一些实施方案中，检测过程包括动态检测过程。在某些实施方案中，动态检测过程包括对传感器表面、附近或表面上可检测标签的存在、不存在、数量或数量随时间的变化进行检测，同时传感器表面、附近或表面上的条件发生变化。在动态检测过程中，可变条件的非限制性示例包括温度、盐浓度、阳离子浓度、离子浓度、pH值、清洗剂浓度、离液剂浓度、离子亲液剂(kosmotrope)浓度等或其组合。通常，在动态检测过程中会改变条件，以增加传感器表面、表面或表面附近的杂交条件的严格性。
在一些实施方案中，动态检测过程包括检测传感器表面、附近或表面上可检测标签量随时间的变化，同时温度随时间升高。在一些实施方案中，动态检测过程包括检测在一段时间内传感器表面、附近或表面上的可检测标签量的变化，同时阳离子浓度(例如Na、Ca、Mg、Zn等)降低。在一些实施方案中，动态检测过程包括在温度升高和/或阳离子(例如Na、Ca、Mg、Zn等)浓度降低的情况下，检测传感器表面、附近或表面上可检测标签量在一段时间内的变化。
在一些实施方案中，方法包括检测或确定磁传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，方法包括检测或确定磁性传感器(例如GMR传感器)表面上、附近或处的局部磁场的变化。在一些实施方案中，如本文所述，在脱氧核酶与磁性颗粒接触之前、期间和/或之后，一次性、连续(例如，在预定时间段内)或周期性(例如，两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，当磁性传感器表面的温度升高时，连续地(例如，在预定的时间段内)或周期性地(两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。
在一些实施方案中，根据磁阻、电流、电压电势或其变化来确定样品中金属的存在、不存在或数量，在执行本文所述方法时，在磁传感器表面、附近或表面检测或测量磁阻、电流、电压电势或其变化。
在一些实施方案中，参考阳性对照。在一些实施方案中，阳性对照包括打印在阳性对照DNA传感器上的阳性对照DNA链。在一些实施方案中，阳性对照DNA不包含脱氧核酶裂解DNA所需的RNA碱基，但阳性对照DNA链具有与功能化底物链相同的碱基组成，并且在其5’端也生物素化。在一些实施方案中，将功能底物链中的信号变化与阳性对照的信号进行比较，以确定样品中金属(例如铅)的浓度。
在一些实施方案中，铅离子介导的功能化底物链的信号减少产生标准曲线，其中X是样品中铅离子的浓度，Y是磁性传感器，例如GMR信号。随着铅离子浓度的增加，磁传感器信号降低。
在一些实施方案中，当使用受控底物浓度时，基于GMR信号确定铅离子浓度。
在一些实施方案中，底物链和/或阳性对照链可以对DNA进行3’修饰。这种修饰允许脱氧核酶的不同功能水平，并增加或减少整体传感器信号，例如GMR信号。在一些实施方案中，例如通过向3’端添加额外的碱基，例如poly-T尾、poly-A尾、poly-A/T尾等，来调节底物、底物链和/或阳性对照链的长度。
在一些实施方案中，阳性对照链核酸序列如下：5’-CTC ACT ATA GGA AGA GATGAT GTC TG(功能胺)–3’。在一些实施方案中，链的5’端被生物素化。
在一些实施方案中，聚-T-尾底物链组成如下：5’-CTC ACT AT
Figure BDA0003846645080000902
GGA AGA GAT GATGTC TGT TTT TTT TTT(功能胺)–3’，其中a(下划线和粗体)表示目标裂解位点。
在一些实施方案中，聚-T-尾底物链组成如下：5’-CTC ACT AT
Figure BDA0003846645080000901
GGA AGA GAT GATGTC TGT AAA TT(功能胺)–3’，其中A(下划线和粗体)表示目标裂解位点。在一些实施方案中，链的5’端被生物素化。
在一些实施方案中，将样品传感器与未引入含铅离子样品的其他功能化底物链传感器进行比较。这可以通过使磁性传感器盒(如GMR盒)上具有多个流道，并仅将其中一个引入测试样品来实现。因具有相同打印的磁性传感器，例如GMR传感器(即具有相同的功能化底物浓度)，但仅将其中的一部分引入测试样品，可以直接将测试样品传感器与对照非患者样品传感器进行比较。这允许开发第二条曲线，并进行第二种Pb定量方法。
汞的检测
汞结合蛋白
在一些实施方案中，磁传感器包含一个或多个或多个汞结合蛋白，每个蛋白质被配置为与一个或多个汞离子结合。在一些实施方案中，将汞结合蛋白连接到磁性传感器的表面。汞结合蛋白可以共价或非共价连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，汞结合蛋白共价连接到包被在磁传感器表面上的聚合物。在某些实施方案中，将汞结合蛋白的伯胺交联到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，磁传感器的表面包含多个密度为至少约5×103、至少约5×104、至少约5×105、至少约5×106、至少约5×107、至少约5×108、至少约5×109、至少约5×1010、至少约5×1011、至少约5×1012、至少约5×1013、或至少约5×1014个分子/平方毫米的汞结合蛋白。在一些实施方案中，磁传感器的表面包含多个汞结合蛋白，其密度范围为约1×108至约5×1012、约1×109至约5×1012、约1×109至约1×1011或约1×109至约1×1010分子/mm2。
在一些实施方案中，汞结合蛋白是以至少约1×10-6、至少约1×10-7、至少约1×10-8、至少约1×10-9或至少约1×10-10的亲和力(kD)结合汞离子的蛋白质。在一些实施方案中，汞结合蛋白包含以至少约1×10-8至约1×10-12的亲和力(kD)结合汞离子的蛋白质。
在一些实施方案中，汞结合蛋白包含一个或多个汞离子。在一些实施方案中，汞结合蛋白结合到一个或多个汞离子。在一些实施方案中，汞结合蛋白以至少约1×10-6、至少约1×10-7、至少约1×10-8、至少约1×10-9或至少约1×10-10的亲和力(kD)结合到一个或多个汞离子。在一些实施方案中，汞结合蛋白以至少约1×10-8至约1×10-12的亲和力(kD)结合到一个或多个汞离子。在一些实施方案中，在实施本文中的方法之前，将汞结合蛋白结合到一个或多个汞离子。在一些实施方案中，在将传感器、传感器表面或汞结合蛋白与样品接触之前，将汞结合蛋白结合到一个或多个汞离子。
合适的天然存在或重组汞结合蛋白可用于本文所述的方法或装置。汞结合蛋白质可以是天然存在的蛋白质、转基因蛋白质、合成蛋白质或其汞结合部分。在一些实施方案中，汞结合蛋白包含结合剂(例如抗体)或其抗原结合部分。汞结合蛋白的其他非限制性示例包括HgBP20和HgBP10(例如，如Roesijadi(1986)Environ Health Perspect 65:45-48中所述；合适的MerP蛋白质(例如蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)的MerP(例如UniProtKB–Q7DHE4)；假单胞菌(Pseudomonas)的merP(例如UniProtKB–P04131或Q51770)、或寡养单胞菌(Stenotrophmonas)的merP(例如UniProtKB–Q7BRH6))、合适的MerTP蛋白质、合适的MerF蛋白质、合适的MerC蛋白质、合适的MerC蛋白质、合适的纯蛋白质、合适的血清白蛋白等，其汞结合部分、其变体、及其组合。在某些实施方案中，汞结合蛋白是合适的白蛋白(例如，血清白蛋白或卵清蛋白)。在一些实施方案中，白蛋白是哺乳动物血清白蛋白。在一些实施方案中，白蛋白是卵清蛋白。在某些实施方案中，汞结合蛋白是牛血清白蛋白。在一些实施方案中，汞结合蛋白包含经遗传修饰和/或配置为与汞结合或经修饰以与其相应的未经修饰的天然蛋白质相比更紧密地与汞结合的修饰蛋白质。在一些实施方案中，汞结合蛋白包含经修饰以结合汞的血清白蛋白蛋白。在一些实施方案中，汞结合蛋白包含经修饰以结合汞的牛血清白蛋白蛋白。在某些实施方案中，汞结合蛋白包含HgBSA(目录号：DAGA-007B–从美国纽约州(11967)，Ramsey Road Shirley的Creative Diagnostics获得)。
汞结合剂
在一些实施方案中，汞结合剂包含抗体、抗体样分子或其抗原结合部分，其特异性结合到一个或多个汞离子。合适的汞结合剂可用于本文所述的方法。在一些实施方案中，汞结合剂以至少约1×10-6、至少约1×10-7、至少约1×10-8、至少约1×10-9或至少约1×10-10的亲和力(kD)与汞离子结合。在一些实施方案中，汞结合剂以至少约1×10-8至约1×10-12的亲和力(kD)与汞离子结合。在一些实施方案中，汞结合剂以比汞的表面结合汞结合蛋白的kD高10倍的kD与汞结合。在一些实施方案中，汞结合剂以比汞的表面结合汞结合蛋白的kD低10倍的kD与汞结合。
在一些实施方案中，汞结合剂是特异性结合到一个或多个汞离子的抗体或其抗原结合部分。抗体可以是单克隆抗体或多克隆抗体。可以从任何合适的物种中获得抗体。在一些实施方案中，汞结合剂包含或由抗体的一个或多个可变区域或其一部分组成。在一些实施方案中，汞结合剂包括Fab、Fab’，F(ab’)2、Fv片段、单链Fv(scFv)、双抗体(Dab)、合成体等和/或其组合或部分。在一些实施方案中，汞结合剂是Fab、Fab’，F(ab')2、Fv片段、单链Fv(scFv)、双抗体(Dab)、合成体等和/或其组合或抗原结合部分(例如，参见美国专利No.6099842和5990296)。在一些实施方案中，汞结合剂包含抗体样分子，其非限制性示例包括适体、纳米抗体、BiTE、SMIP、DARPin、DNL、亲合体(affibody)、Duocalin、adnectin、菲诺体(fynomer)、Kunitz结构域AlbudAb、DART、DVD-IG、Covxbody、肽体、单链抗体Ig、SVD Ig、dAb Ig、杵臼结构抗体(knob-in-hole)、三功能抗体(triomAb)等及其组合。在某些实施方案中，汞结合剂包含单克隆抗体Hg2(目录号：HMABPY007-从美国纽约州(11967)，RamseyRoad Shirley的Creative Diagnostics获得)
在一些实施方案中，汞结合剂包含结合对的适当部分。在一些实施方案中，将汞结合剂连接(例如，共价)到结合对的部分。在一些实施方案中，汞结合剂包含生物素。在一些实施方案中，将汞结合剂(共价或非共价)连接到磁性颗粒上。
术语“特异性结合”是指优先于结合其他分子或其他肽而结合到目标肽的抗体结合剂，如通过例如合适的体外测定(例如，Elisa、免疫印迹、流式细胞术等)确定的。特异性结合相互作用与非特异性结合相互作用的区别约为2倍或更多，通常约为10倍或更多，有时约为100倍或更多，1000倍或更多，10000倍或更多，100000倍或更多，或1000000倍或更多。
磁性颗粒/结合对
在一些实施方案中，本文所述的方法或过程包括使用一个或多个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，本文所述的组合物或装置包含一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，汞结合蛋白、汞结合剂、基底、蛋白质、抗体、二级试剂、珠和/或表面包含一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，结合对的部分包括一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，磁性颗粒连接到结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒包括结合对第一部分。在一些实施方案中，磁性颗粒包括结合对第二部分。在一些实施方案中，第一磁性颗粒包括结合对第一部分。在一些实施方案中，第二磁性颗粒包括结合对第二部分。在一些实施方案中，第一多个磁性颗粒包括磁性颗粒，其中第一多个磁性颗粒的每个部分包括结合对第一部分。在一些实施方案中，第二多个磁性颗粒包括磁性颗粒，其中第二多个的每个部分包括结合对第二部分。
在一些实施方案中，磁性颗粒或第一或第二多个磁性颗粒的每个部分包括包含链霉亲和素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第一或第二多个磁性颗粒的每个部分包括包含生物素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第一或第二多个磁性颗粒的每个部分包括包含生物素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第一多个磁性颗粒的每个部分包括包含生物素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第一多个磁性颗粒的每个部分包括包含链霉亲和素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第二多个磁性颗粒的每个部分包括包含生物素的结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒或第二多个磁性颗粒的每个部分包括包含链霉亲和素的结合对的部分。
在一些实施方案中，磁性颗粒包含链霉亲和素或其变体。在某些实施方案中，磁性颗粒直接或间接连接到(例如，共价或非共价结合到)汞结合蛋白、汞结合剂、基底、抗体、二级试剂、珠、表面、结合对的部分等。
合适的磁性颗粒可用于本文所述的组合物、装置或方法。磁性颗粒的非限制性示例包括顺磁珠、磁珠、磁性纳米颗粒、重金属微球、金属纳米颗粒、重金属微粒、重金属纳米颗粒等或其组合。在一些实施方案中，磁性颗粒包括约1至约1000纳米(nm)、1nm至约500nm、约5nm至约1000nm、约10nm至约1000nm、约5nm至约500nm、约5nm至约400nm、约5nm至约300nm、约5nm至约300nm、约5nm至约200nm、约5nm至约100nm、约2至约50nm，约5至约20nm、或约5至约10nm，和/或介于其之间范围的平均或绝对直径。在一些实施方案中，对磁性颗粒进行包被以促进共价连接到结合对的部分或汞结合剂。在其他实施方案中，对磁性颗粒进行包被以促进与分子的静电连接。在一些实施方案中，磁性颗粒包括不同的形状、尺寸和/或直径，以促进不同的磁性量。在一些实施方案中，磁性颗粒基本均匀(例如，所有磁性颗粒基本相同；例如，相同的尺寸、相同的直径、相同的形状和/或相同的磁性)，以便于在磁传感器表面进行更准确的检测和/或定量。在一些实施方案中，磁珠包含结合对的相同或不同部分，以允许在同一查询样品或不同查询样品中多重检测多个不同分析物。在一些实施方案中，相同样品或不同样品中的此类分析物包含一种或多种重金属。在一些实施方案中，可以通过适当的磁传感器检测和/或定量磁性颗粒的存在、不存在和/或数量。在一些实施方案中，磁传感器包括表面。
在一些实施方案中，基底、粒子(例如磁性颗粒)、珠子、蛋白质、抗体、表面或汞结合剂包含结合对的一个或多个部分。在某些实施方案中，结合对的第一部分可以结合和/或结合到结合对的第二部分。在某些实施例中，结合对的第一部分被配置为专门结合到结合对的第二部分。在一些实施例中，结合对包括至少两个彼此非共价且特异性结合的部分(例如分子)。结合对的部分通常会可逆地相互结合，例如，结合对的两个部分的相连可以通过适当的方法分离。任何合适的结合对或其部分可用于本文所述的组合物或方法。结合对(例如，第一部分/第二部分)的非限制性示例包括抗体/抗原、抗体/抗体受体、抗体/蛋白质A或蛋白质G、抗体/GST、半抗原/抗半抗原、巯基/马来酰亚胺、巯基/卤代烷衍生物、胺/异硫氰酸酯、胺/琥珀酰亚胺酯、胺/磺酰卤化物、生物素/亲和素、生物素/链霉亲和素、叶酸/叶酸结合蛋白，受体/配体、GST/GT、维生素B12/内因子、其类似物、其衍生物、其结合部分等或其组合。结合对部分的非限制性示例包括抗体或抗体片段、抗体受体、抗原、半抗原、肽、蛋白质、脂肪酸、甘油基部分(例如脂质)、磷酰基部分、糖基部分、泛素部分、凝集素、适体、受体、配体、重金属离子、抗生物素、中和蛋白、链霉亲和素、生物素、B12、内因子及其类似物，其衍生物、其结合部分、类似物或其组合。在一些实施例中，汞结合剂或磁性颗粒共价连接到结合对的部分。
汞检测装置
在一些实施方案中，本文介绍了一种微流控装置，用于检测样品中的汞。在一些实施方案中，该装置包括图26所示的一个或多个组件。在一些实施方案中，装置包括配置或其变体，如图26所示。在一些实施方案中，装置包括一个或多个微流控通道，其可操作地和/或流体连接到装置的每个组件。
“流体连接”的组件或零件是与装置内处理的液体或流体接触和/或可以接触(例如，通过打开或关闭阀门)的装置的组件和零件。96孔板的一个孔不被视为与96孔板中的另一个孔流体连接。类似地，即使流体可以从一根管转移到另一根管，Eppendorf管也不会与另一根Eppendorf管进行流体连接。术语“可操作连接”是指装置的特定组件或部件可以通信、附接或连接，以使其相互合作以实现其预期功能。可操作的“连接”可以是直接、间接、物理或远程。
在一些实施方案中，微流控装置(例如900)包括从微流控通道(例如200-208和209)、腔室(例如102、400、410、501、502和800)、一个或多个阀门(例如301-304)、磁传感器(例如700)、冻干试剂、溶解试剂、热源(例如600)、泵和端口(例如，流量控制端口850、样品加载端口100)。在一些实施方案中，装置的一些或所有组件可操作和/或流体连接(例如，通过相连的微流体通道和阀门)。在一些实施方案中，装置包括选自样品室(例如102)、清洗室(例如501和502)、试剂室(例如400410)、废物室(例如800)或其组合的一个或多个室。
在一些实施方案中，微流体装置包括一个或多个微流体通道(例如201-208和209)。微流控通道可以包括横截面上的适当几何形状，非限制性示例包括圆形、椭圆形、矩形、三角形等或其组合。微流控通道可以包括合适的结构，非限制性示例包括直的、弯曲的、蛇形的和/或高架的，并且可以包括一个或多个连接点，这些连接点以流体方式连接一个或多个微流控通道和本文所述微流控装置的相连组件。在一些实施方案中，微流控通道的平均、算数平均或绝对内径约为10纳米至1000微米、50纳米至500微米、100纳米至500微米或100纳米至100微米。在一些实施方案中，阀门(例如301-304)、腔室和/或传感器700中的一个或多个布置在微流体通道的通道主体内。在一些实施方案中，磁性传感器700布置在可操作和/或流体连接到一个或多个微流控通道的腔室内。在一些实施方案中，微流控通道包括用于将样品或一种或多种试剂引入微流控装置的样品端口100。在一些实施方案中，样品端口通过微流体通道(例如201)可操作和/或流体连接到样品室(例如102)。
在一些实施方案中，微流控装置包括样品室和磁性传感器，二者通过一个或多个微流控通道和阀门可操作和/或流体连接，使得装置内处理的流体的流动方向通常是从样品室流向传感器和/或流向废物室(例如800)。因此，作为参考，靠近第二组件的第一组件是相对于流向传感器的流动方向位于第二组件上游的组件。类似地，在一些实施方案中，远离第二组件的第一组件是相对于流向传感器或废物室(例如800)的流动方向位于第二组件下游的组件，通过微流控装置的流动方向部分由可操作地连接到端口(例如，流量控制端口850)的一个或多个真空泵或注射泵控制。在一些实施方案中，通过微流控装置的流动方向部分由一个或多个中继泵(例如650)控制，中继泵可操作地连接到微流控装置的微流控通道)。在一些实施方案中，泵650布置在微流控装置900上。在一些实施方案中，一个或多个泵可以通过端口(例如850)可操作地连接到装置900，例如，当微流控装置是可移动盒的形式时。在一些实施方案中，流量控制端口可操作地连接到腔室(例如，废物室800)，使得当向端口850施加负压时，流体从一个或多个腔室(例如，102、501、502和/或400/410)引导(例如，通过一个或多个阀)到传感器700和/或废物室800，从而可以调节和/或维持穿过传感器表面(例如700)的流体流动。在一些实施方案中，流量控制端口通过微流体通道(例如820)可操作地连接到腔室。在某些实施方案中，传感器可操作地和/或流体连接到一个或多个微流体通道(例如207、209和208)、阀304和泵650，使得流体可以通过传感器700和/或在传感器表面上循环。
任何合适的阀门都可以用于微流控装置。在一些实施方案中，阀门是可以在卡上或卡下控制的微型先导电磁阀(例如Lee阀)。因此，装置可以包括多个阀门，每个阀门可以独立控制。在一些实施方案中，一个或多个阀门可操作地连接到一个或多个电垫连接，以便微流控装置可以与控制器或计算机集成，该控制器或计算机引导流体流过该装置。
在一些实施方案中，腔室是样品室(例如102)。在一些实施方案中，样品室包括样品或配置为容纳样品。在一些实施方案中，样品室包括一种或多种试剂(例如脱水盐或缓冲液)。在一些实施方案中，微流控装置包括配置用于将样品引入装置的样品端口。在某些实施方案中，样品端口可操作地连接和/或流体连接到一个或多个腔室。在一些实施方案中，装置包括样品端口100和样品室102，其中样品端口靠近样品室。在一些实施方案中，样品端口100配置为将样品引入样品室102。在一些实施方案中，样品端口位于样品室附近。在一些实施方案中，样品端口是样品注入端口。
在一些实施方案中，室是清洗室(例如，510、502)。清洗室配置为容纳合适的清洗溶液。在一些实施方案中，清洗溶液被放置在清洗室内。清洗溶液通常用于水合或清洗磁性传感器(例如700)的表面。在一些实施方案中，清洗溶液包括缓冲液(例如Tris)、酒精、清洗剂或盐。在一些实施方案中，例如在检测期间，清洗室提供了溶液(例如缓冲液)，有助于保持流体在传感器表面上的流动。清洗溶液可包含任何合适的缓冲液。在一些实施方案中，缓冲液包含HEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸)。例如，阀301可以将布置在腔室501内的溶液转移到微流体通道203和207，使得流体流过传感器700进入废物室800。
在一些实施方案中，样品室(例如102)、试剂室(例如400/410)和/或一个或多个清洗室(例如501502)位于磁性传感器(例如700)附近。在一些实施方案中，样品室(例如102)和/或一个或多个清洗室(例如501、502)可操作和/或流动连接，平行于微流体通道(例如202、203、207)，其中微流体通道包括一个或多个可操作连接到一个或多个清洗室的阀门(例如301、302、303)。
在某些实施方案中，试剂被布置在试剂室内(例如400或410)。布置在试剂室内的试剂可以干燥和/或冻干。在一些实施方案中，将布置在试剂室内的试剂溶解或分散在液体(例如清洗溶液)中。在某些实施方案中，当流体进入试剂室内时，位于试剂室内的干燥或冻干试剂与流体接触时基本溶解。在一些实施方案中，试剂室(例如400/410)位于磁传感器附近。在某些实施方案中，试剂室(例如400)包括磁性颗粒(MNP)，其中每个磁性颗粒连接到结合对(例如链霉亲和素)的部分。在某些实施方案中，试剂室(例如410)包括汞结合剂。在一些实施方案中，试剂室可操作和/或流体连接到阀门(例如301或302)，当阀门打开时，将试剂或颗粒分散到微流体通道(例如207)中，使得颗粒继续接触和/或流过磁传感器700。在某些实施方案中，阀304可以将离开传感器700的流体转移到微流体通道209，在微流体通道209中可以驱动泵650，从而在传感器700的表面上循环试剂、样品和/或清洗溶液。
在某些实施方案中，微流控装置包括热源(例如600)。任何合适的热源均可用于本文所述的装置中。在一些实施方案中，磁传感器包括热源。在一些实施方案中，加热源位于磁性传感器附近，从而可以加热流过磁性传感器的流体温度。
在一些实施方案中，微流控装置包括磁性传感器(例如700)。在一些实施方案中，微流控装置包括多个磁性传感器(例如，GMR)。在一些实施方案中，微流控装置包括用于与样品接触的第一磁性传感器和不与样品接触的第二“对照”磁性传感器。对照传感器通常用于为未与样品或汞接触的磁性传感器建立磁阻基线。例如，装置可以包括重复传感器，其中一个传感器与怀疑含有汞的样品接触，而另一个传感器不与样品接触。可以比较两个传感器表面的磁阻，以确定样品中是否存在汞或汞的含量。在一些实施方案中，微流控装置包括具有可寻址位置的传感器阵列。在一些实施方案中，磁传感器是磁阻传感器。在一些实施方案中，磁传感器是巨磁阻(GMR)传感器。在一些实施方案中，磁传感器是各向异性磁阻(AMR)传感器和/或磁隧道结(MTJ)传感器。
在一些实施方案中，磁传感器检测传感器表面的磁阻、电流和/或电压电势或其变化。在一些实施方案中，磁传感器检测传感器表面上的磁阻、电流和/或电压电势或其变化。在一些实施方案中，磁传感器检测磁阻、电流和/或电压电势或其在一段时间内的变化，非限制性示例包括1纳秒到1小时、1秒到60分钟、1秒到10分钟、1秒到1000秒或其之间的时间。在一些实施方案中，磁性传感器根据磁性传感器检测到的磁阻、电流和/或电压电势或其变化，检测结合(例如，间接结合)到磁性传感器表面或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，磁性传感器根据结合到(例如，间接结合到)或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来检测样品中存在的汞的存在、不存在或数量。因此，在一些实施方案中，磁性传感器根据在磁性传感器表面检测或测量的磁阻、电流和/或电压电势或其变化来检测样品中存在、不存在或数量的汞。
GMR传感器的灵敏度可以超过各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在磁性传感器表面的磁性纳米颗粒产生的杂散场将改变磁性传感器层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。在一些实施方案中，磁传感器包括GMR传感器。
在一些实施方案中，磁性传感器包括表面。磁传感器的表面可包括合适的材料，其非限制性示例包括玻璃、改性或功能化玻璃(例如，可控孔玻璃(CPG))、石英、云母、聚甲醛、纤维素、醋酸纤维素、陶瓷、重金属、类重金属、半导体材料，塑料(包括丙烯酸、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物或其他材料、聚丁烯、聚氨酯、特氟龙(TEFLONTM)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)等)、树脂、二氧化硅或硅基材料，包括硅、硅胶和改性硅、
Figure BDA0003846645080000991
碳、重金属(例如钢、金、银、铝、硅和铜)、导电聚合物(包括聚吡咯和聚吲哚等聚合物)；微米或纳米结构表面、纳米管、纳米线或纳米颗粒修饰表面；或多孔表面或凝胶，如甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、糖聚合物、纤维素、硅酸盐或其他纤维或链状聚合物。在一些实施方案中，使用具有任何数量的材料(包括聚合物，例如右旋糖酐、丙烯酰胺、明胶或琼脂糖)的被动或化学衍生涂层包被表面。在一些实施方案中，磁性传感器的表面非共价和/或可逆地连接到寡核苷酸。
在一些实施方案中，磁性传感器的表面包含和/或包被有交联PEG-PHEMA聚合物。PEG-PHEMA聚合物表面可以通过混合PEG溶液来制备，PEG溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)-PEG-NHS(MW 600)，PHEMA溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的甲基丙烯酸聚羟乙基酯(MW20000)，和任选交联剂。所得溶液可以使用合适的涂层工艺(例如微打印、浸渍涂层、旋涂或气溶胶涂层)包被在磁性传感器表面上。在用PEG-PHEMA溶液包被表面后，可以使用紫外光固化表面，然后用合适的溶剂(例如异丙醇和/或水)清洗。在一些实施方案中，磁性传感器的表面共价连接到一个或多个汞结合蛋白。在一些实施方案中，磁性传感器的表面共价连接到一个或多个BSA分子(例如，Hg-BSA)。在一些实施方案中，涂层表面可用于与伯胺结合(例如，连接蛋白质)。PEG-PHEMA涂层可以保护磁性传感器表面免受腐蚀。在一些实施方案中，磁传感器的表面包括国际专利申请No.PCT/US2019/043766中所述的表面。
在一些实施方案中，磁性传感器的表面包括涂层。在一些实施方案中，涂层包含合适的表面活性剂。在一些实施方案中，表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。在一些实施方案中，在磁性传感器与样品接触之前，磁性传感器的表面包被有适当的表面活性剂或与之接触。
在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含汞结合蛋白。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个汞结合蛋白。在一些实施方案中，将汞结合蛋白非共价连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，使用合适的化学方法将汞结合蛋白共价连接到磁性传感器的表面，非限制性示例包括Cha等人(2004)Immobilization of oriented protein molecules on poly(ethylene glycol)-coatedSi(111)”Proteomics 4:1965-1976和Zellander等人(2014)“Characterization of PoreStructure in Biologically Functional Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)-Poly(ethylene glycol)Diacrylate(PHEMA-PEGDA),”PLOS ONE 9(5):e96709。在一些实施方案中，磁传感器的表面包含密度约为1×109至约5×1010分子/mm2的多个汞结合蛋白。
在一些实施方案中，装置包括两个或多个磁性传感器，每个传感器包括一个表面，该表面包含相同的核酸，所述核酸包含相同的MRP结合位点和/或相同的MRP。例如，在一些实施方案中，装置包括配置为与样品接触的第一磁性传感器和不接触样品的第二控制磁性传感器，其中第一和第二传感器包括包含相同MRP结合位点和/或相同MRP的相同核酸。在一些实施方案中，装置包括两个或多个磁性传感器，每个传感器包括一个表面，该表面包含一个不同的核酸，所述核酸包含一个不同的MRP结合位点和/或一个不同的MRP。在一些实施方案中，磁传感器的表面包括多个可寻址位置，每个位置包括不同的包含不同MRP结合位点和/或不同MRP的核酸。
在一些实施方案中，微流控装置包括阴性对照传感器。在某些实施方案中，负极对照传感器是磁性传感器(例如，GMR)。在本文所述方法的一些实施方案中，阴性对照传感器不与样品接触。在本文所述方法的一些实施方案中，将阴性对照传感器与适当的对照溶液、清洗缓冲液或对照缓冲液接触。
在某些实施方案中，微流控装置900布置在卡或盒上。因此，在一些实施方案中，微流控装置或包含本文所述微流控装置的卡或盒具有3到10cm的长度、1到10cm的宽度和0.1到1cm的厚度。
在一些实施方案中，微流控装置包括印刷电路板(PSB)。在一些实施方案中，微流控装置或PSB包括一个或多个记忆芯片。在一些实施方案中，微流控装置或PSB包括一个或多个电焊盘连接。在一些实施方案中，一个或多个电垫连接可操作地(例如，电子地)连接到记忆芯片、一个或多个阀门、磁传感器和/或微流控装置的一个或多个泵。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在PSB上。
在一些实施方案中，微流控装置布置在包含PSB的盒或卡上。在一些实施方案中，盒被配置为插入或连接到控制器、计算机或与微流控装置集成的更大装置。在一些实施方案中，控制器包括可操作地连接到位于盒上的一个或多个流量控制端口850的泵(例如隔膜泵或注射泵)。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基底上。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
在一些实施方案中，本文所述的微流控装置、PSB或盒包括2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号为026462-05048446)的国际专利申请No.PCT/US2019/043720，2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR SAMPLE PREPARATION IN GMR-BASED DETECTION OFBIOMARKERS”(代理案号026462-0504847)的国际专利申请No.PCT/US2019/043753，2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR SENSING ANALYTES IN GMR-BASEDDETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504848)的国际专利申请No.PCT/US2019/043766，或2019年7月26日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING ANALYTESIGNALS IN GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504850)的国际专利申请No.PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或零件，所有这些通过引用全部并入本文。在一些实施方案中，本文所述的方法利用国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或部件。在一些实施方案中，本文所述的微流控装置包括在国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的磁性传感器和/或磁性传感器组件。
在一些实施方案中，任何一个腔室(例如102、501、502、400、410、800)和/或容纳磁传感器的腔室包括独立选自从1μl到20ml、1μl到15ml、1μl到5ml、1μl到1ml、1μl到500μl、1μl到100μl及其之间体积的体积。
方法
在某些实施方案中，本文介绍了一种检测样品(例如，液体样品)中汞的存在、不存在或数量的方法。在一些实施方案中，方法包括将包含表面720的磁性传感器和连接到表面的汞结合蛋白40与怀疑包含汞(Hg)的样品接触。在将传感器与样品接触之前，汞结合蛋白(例如40)通常与一个或多个汞离子结合。在一些实施方案中，传感器包含多个汞结合蛋白质，其中每个蛋白质包含一个或多个汞离子。在一些实施方案中，每个汞结合蛋白结合到或连接到一个或多个汞离子。在一些实施方案中，在将传感器与样品接触之前，将磁性传感器的表面与清洗剂或表面活性剂(例如，CTAB)接触。在一些实施方案中，在将传感器与样品接触之前，用合适的封闭溶液封闭磁性传感器的表面。封闭溶液可以包括一种或多种清洗剂或表面活性剂(例如，CTAB、聚山梨酯、Triton X-100)、合适的缓冲液和/或封闭剂(例如，BSA、酵母提取物、明胶和/或氨基酸)。
在一些实施方案中，传感器700或传感器720的表面与汞结合剂(例如17)接触。在一些实施方案中，汞结合剂包括结合对第一部分(例如，10，例如，生物素)。在一些实施方案中，汞结合剂包括磁性颗粒(例如60)。在一些实施方案中，在将样品与传感器接触之前，将传感器与汞结合剂接触。在此类实施方案中，允许汞结合剂与由表面连接的汞结合蛋白结合的汞离子结合，从而形成表面结合复合物(例如，见图25，底部小图)。在一些实施方案中，样品与汞结合剂接触以形成混合物，并且样品混合物与磁传感器接触。在一些实施方案中，包含汞的样品在汞结合剂存在下与传感器接触。在这样的实施方案中，汞结合剂17与样品中的游离汞30结合，而不与传感器表面720结合，并且将汞结合的汞结合剂从传感器表面冲洗掉(例如，图25，上方小图)。在某些实施方案中，首先将包含汞结合蛋白的传感器与样品接触，然后将传感器与汞结合剂接触。
在一些实施方案中，汞结合剂包括磁性颗粒或结合对第一部分(例如，生物素)。在一些实施方案中，当汞结合剂包含结合对第一部分(例如，生物素)时，方法包括将传感器或汞结合剂与包含结合对第二部分(例如，链霉亲和素)的磁性颗粒接触，使得结合对第一部分与结合对第二部分结合。在一些实施方案中，通过本文中的方法检测在磁传感器处、上、附近或与之相连(例如，通过非共价相互作用间接)的磁性颗粒的存在、不存在或数量。有时在磁性传感器与样品接触后进行检测。在某些实施方案中，检测在磁性传感器与样品或磁性颗粒接触之前、期间和/或之后执行。在一些实施方案中，检测过程是动态检测过程，使得在改变传感器表面的一个或多个条件的同时，可以在磁性传感器与样品接触之前、期间和/或之后检测一个或多个磁性颗粒。
在一些实施方案中，将磁性传感器与样品、汞结合剂和/或磁性颗粒接触的过程包括使流体流过传感器表面。流体的非限制性示例包括液体样品、清洗溶液、缓冲溶液、水、包含磁性颗粒的溶液、包含合适试剂的溶液、包含汞结合剂的溶液等、其组合或其混合物。在一些实施方案中，当进行本文中的方法时，磁性传感器或其表面连续和/或连续与流体(例如，样品、清洗液、缓冲液、磁性颗粒等)接触。在某些实施方案中，在接触、清洗或检测过程中，磁性传感器表面上的流速约为0至约500μl/min、0.1μl/min至500μl/min、1μl/min至500μl/min、1μl/min至100μl/min、1μl/min至10μl/min，或其之间的范围。在某些实施方案中，在接触、清洗或检测过程中，磁性传感器表面上的流速约为100Hz至800Hz，或约为100Hz至300Hz。
在一些实施方案中，与磁传感器接触的样品体积为1μl至500μl、20μl至300μl范围内的体积，或其中间范围或体积。
在一些实施方案中，通过本文方法检测汞的灵敏度范围在样品中汞(Hg)的约0.00001纳摩尔(nM)至约100nM、0.01nM至约100nM、0.1nM至约100nM、约1nM至约100nM或约1nM至约50nM的范围内。在一些实施方案中，通过本文方法检测汞的灵敏度下限为样品中汞约0.01皮摩尔、约0.1皮摩尔、约1.0皮摩尔、约10皮摩尔、约0.1nM、约1.0nM、约5.0nM或约7.5nM。
在一些实施方案中，用清洗液清洗磁性传感器，使清洗液流过传感器表面。清洗溶液可包含任何合适的组合物。在一些实施方案中，清洗溶液使阻遏蛋白与其同源阻遏物结合位点之间的相互作用稳定。在一些实施方案中，清洗溶液使汞结合剂与传感器的结合稳定。在一些实施方案中，清洗溶液增加了结合对第一部分与结合对第二部分的亲和力。在一些实施方案中，清洗溶液被配置为对结合对的一个部分和另一个分子之间的非特异性结合相互作用进行解离。在一些实施方案中，清洗溶液被配置为对表面结合的汞结合蛋白和样品中存在的其他分子或蛋白质之间的非特异性结合相互作用进行解离。在一些实施方案中，清洗溶液被配置成解离汞结合剂和样品中存在的其他分子或蛋白质之间的非特异性结合相互作用。因此，在一些实施方案中，清洗溶液包括一种或多种合适的缓冲液(例如HEPES或Tris)、螯合剂(例如EDTA)、盐、清洗剂或表面活性剂、离液剂、甲酰胺、阻滞剂、其组合等。在一些实施方案中，清洗溶液不包括盐。可以使用任何合适的清洗溶液来增加磁性传感器表面蛋白质结合条件的严格性。在一些实施方案中，在清洗步骤或检测步骤期间，流过磁性传感器表面的清洗溶液的温度升高。
在一些实施方案中，清洗溶液被配置为保持磁性传感器上的流体流动。在此类实施方案中，清洗溶液可包含与样品或试剂(例如磁性颗粒悬浮液或汞结合剂)相同或类似的组合物(例如，缓冲液和盐)。
在一些实施方案中，样品、一种或多种试剂或清洗液在回路中流过传感器(例如，参见微流体通道209，图26)。在一些实施方案中，样品、一种或多种试剂或清洗液流过传感器，提供恒定的新鲜样品、新鲜试剂或清洗液供应。在一些实施方案中，在将样品流过传感器之前，将生物素化抗汞抗体添加到样品中。在一些实施方案中，将生物素化抗汞抗体添加到样品中，同时将样品流过传感器。在一些实施方案中，在将样品流过传感器之前，将生物素化抗汞抗体与传感器接触。在一些实施方案中，样品与传感器接触1到60分钟，或在一些实施方案中，接触约30分钟。
在一些实施方案中，在(i)将磁性传感器与样品接触，(ii)将磁性传感器与汞结合剂接触，(iii)将传感器与磁性颗粒接触，和/或(iv)检测结合到或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量之前、期间和/或之后，流过磁性传感器表面的流体温度升高。
在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟、1秒到10分钟、1秒到10分钟、1秒到5分钟、1秒到1分钟的时间段内增加至少10℃、至少15℃、至少20℃、至少25℃、至少30℃、至少40℃、至少60℃或至少80℃，或其中间范围。在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度从约10℃增加到约120℃，从约10℃增加到约80℃，从约10℃增加到约70℃，从约10℃增加到约65℃，从约10℃增加到约60℃，从约20℃增加到约120℃，从约20℃增加到约80℃，从约20℃增加到约70℃，从约20℃到约65℃，从约20℃到约60℃，从约25℃到约80℃，从约25℃到约70℃，从约25℃到约65℃，从约25℃到约60℃，或其中间范围。在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟的时间内，1秒到10分钟，1秒到5分钟，1秒到1分钟，或其之间的范围升高。
在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度增加到约30℃至90℃、约30℃至80℃、约30℃至75℃、约30℃至70℃、约30℃至65℃、约30℃至60℃、约30℃至55℃或约30℃至50℃的范围内。在一些实施方案中，在1秒到30分钟、1秒到10分钟、1秒到5分钟、1秒到30分钟、或其中间范围的时间内，与磁传感器表面接触的流体温度升高到约30℃到90℃、约30℃到80℃、约30℃到75℃、约30℃到70℃、约30℃到65℃、约30℃到60℃、约30℃到55℃或约30℃到50℃的范围。
在一些实施方案中，方法或检测过程包括检测磁性传感器表面、表面上、表面附近或与之相连的磁性颗粒的存在、不存在、数量或其变化。在一些实施方案中，对结合到磁传感器表面的磁性颗粒的存在、不存在、数量或其变化进行检测。在某些实施方案中，检测过程或检测步骤包括检测磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒量在一段时间内的变化。
在一些实施方案中，检测过程包括动态检测过程。在某些实施方案中，动态检测过程包括检测磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间的存在、不存在、数量或变化，同时改变磁性传感器表面、附近或表面上的条件。在动态检测过程中可以改变的条件的非限制性示例包括温度、盐浓度、阳离子浓度、离子浓度、pH值、清洗剂浓度、离液剂浓度、离子亲液剂浓度等或其组合。通常，在动态检测过程中，条件会发生变化，以增加磁性传感器表面、表面或表面附近蛋白质-蛋白质相互作用或蛋白质-DNA相互作用的强度。
在一些实施方案中，动态检测过程包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间的变化进行检测，同时温度随时间升高。在一些实施方案中，动态检测过程包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间在一段时间内的变化进行检测，同时阳离子(例如Na、Ca、Mg、Zn等)的浓度增加或减少。在一些实施方案中，动态检测过程包括在温度升高和/或盐浓度升高或降低的情况下，对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间在一段时间内的变化进行检测。
在一些实施方案中，方法包括检测或确定磁传感器表面、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，如本文所述，在磁性传感器与磁性颗粒接触之前、期间和/或之后，一次性、连续(例如，在预定时间段内)或周期性(例如，两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，当磁性传感器表面的温度升高时，连续地(例如，在预定的时间段内)或周期性地(两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压势或其变化。
在一些实施方案中，在本文所述的微流控装置中执行本文所述方法的一些或所有方面和/或本文所述方法的一些或所有步骤。
应理解，本文所公开的所有实施方案可以以任何方式组合以执行检测分析物的方法，并且可以使用本文所公开的描述各种系统组件的实施方案的任何组合来执行此类方法。
砷、镉和其他金属的检测
金属调节阻遏蛋白
在一些实施方案中，方法包括使用金属调节阻遏蛋白(MPR)。在一些实施方案中，微流控装置包括MPR。在某些实施方案中，MRP特异性结合到阻遏物结合位点。MPR可与单链或双链核酸结合。在某些实施方案中，MPR包含合适的砷抗性操纵子阻遏物(arsR)，其非限制性示例包括大肠杆菌(E.coli)的arsR、菌株K12(UniProtKB登录号P37309)、枯草杆菌(B.subtilis)的arsR(UniProtKB登录号P45949)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)的arsR(UniProtKB登录号P30338)、恶臭假单胞菌(Pseudomona putida)的arsR(UniProtKB登录号Q88LK1)等，其同系物及其功能变体。在一些实施方案中，arsR包含Busennelhner等人(2003)FEMS Microbiology Reviews，27(2-3)：p.131–143中所述的arsR蛋白质或其功能变体。在一些实施方案中，arsR包含氨基酸序列MSFLLPIQLFKILADETRLGIVLLLSELGELCVCDLCTALDQSQPKISRHLALLRESGLLLDRKQGKWVHYRLSPHIPAWAAKIIDEAWRCEQEKVQAIVRNLARQNCSGDSKNICS(SEQ ID NO:1)或其功能变体。在一些实施方案中，当arsR蛋白未结合到砷时，arsR结合到包含特定识别序列的特定阻遏物结合位点。在某些实施方案中，当arsR蛋白与砷结合时，arsR蛋白从其同源阻遏物结合位点解离。因此，在某些实施方案中，当arsR与砷结合时，arsR蛋白质不与核酸结合。
在某些实施方案中，MPR包含合适的抗镉转录调节蛋白(cadC)，其非限制性示例包括金黄色葡萄球菌(S.aureus)的cadC(UniProtKB登录号P20047)、大肠杆菌(E.coli)的cadC(UniProtKB登录号P23890)、专性嗜碱芽孢杆菌(Bacillus pseudofirmus)的cadC(UniProtKB登录号P30339)、单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)的cadC(UniProtKB登录号Q56405)，肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)的cadC(UniProtKB登录号W9BEV1)及其类似物、同系物和功能变体。在一些实施方案中，cadC包含Busennelhner等人(2003)FEMS Microbiology Reviews，27(2-3)：p.131–143中所述的cadC蛋白质或其功能变体。在一些实施方案中，cadC包含MKKKDTCEIFCYDEEKVNRIQGDLQTVDISGVSQILKAIADENRAKITYALCQDEELCVCDIANILGVTIANASHHLRTLYKQGVVNFRKEGKLALYSLGDEHIRQIMMIALAHKKEVKVNV(SEQ ID NO:2)的氨基酸序列或其功能变体。在一些实施方案中，当cadC蛋白未结合到镉时，cadC结合到包含特定识别序列的特定阻遏物结合位点。在某些实施方案中，当cadC蛋白结合到镉时，cadC蛋白从其同源阻遏物结合位点解离。因此，在某些实施方案中，当cadC与镉结合时，cadC蛋白质不与核酸结合。
阻遏物结合位点
在某些实施方案中，核酸包含由特定MRP识别的适当阻遏物结合位点。在某些实施方案中，核酸包含由合适的MRP识别的阻遏物结合位点。阻遏物结合位点通常是MRP识别并结合的特定核苷酸序列和/或其互补序列。不同的MRP通常识别不同的阻遏物结合位点。许多MRP已知，其同源阻遏物结合位点已知。因此，特定的砷或镉反应性MRP可与其同源阻遏物结合位点配对，以用于本文所述的方法或装置中。
在某些实施方案中，核酸包含arsR的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，本文所公开的arsR识别并可以结合到选自5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:3)、5’-CTTACA CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:4)、5’-TCTGCACTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:5)、5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGACTT-3’(SEQ ID NO:6)、5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGACTTATCCGCTTCGA AGA-3’(SEQ IDNO:7)、5’-CTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGACTTATCCGCTTCGAA GA-3’(SEQ ID NO:8)、和5’-TCTGCACTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGACTTATCCGCTTCGAAGA-3’(SEQ ID NO:9)，和/或其反向互补的一个或多个核酸序列的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，arsR的阻遏物结合位点包含选自SEQ ID NO.3、SEQ ID NO.4、SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQID NO.7、SEQ ID NO.8和SEQ ID NO.9的核酸序列。在一些实施方案中，arsR的阻遏物结合位点包含选自SEQ ID NO.3、SEQID NO.4、SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7、SEQ IDNO.8和SEQ ID NO.9的核酸序列反向互补的核酸序列。在一些实施方案中，arsR的阻遏物结合位点包含双链核酸序列，所述双链核酸序列包含第一链，所述第一链包含选自SEQ IDNO.3、SEQ ID NO.4、SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7、SEQ ID NO.8和SEQ ID NO.9的核酸序列，以及第二链，包含选自与SEQ ID NO.3、SEQ ID NO.4、SEQ ID NO.5、SEQ IDNO.6、SEQ ID NO.7、SEQ ID NO.8和SEQ ID NO.9的核酸序列反向互补的核酸序列。
在某些实施方案中，核酸包含cadC的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，本文所公开的cadC识别并可结合核酸序列5’-ATAATACACTCAAATAAATATTTGAATGAAGATG-3’(SEQ IDNO:10)、核酸5’-TGAGTCGAAAATGGTTATAATACACTCAAATAAATATTTGAATGAAGATG-3’(SEQ IDNO:13)、其子序列和/或其反向补序列。在一些实施方案中，本文公开的cadC识别并可结合与SEQ ID NO.10、SEQ ID NO.13和/或其子序列或其反向补的核酸序列至少80％、至少90％、至少95％或至少98％相同的核酸序列。在一些实施方案中，cadC的阻遏物结合位点包含SEQ ID NO.10或SEQ ID NO.13的核酸序列。在一些实施方案中，cadC的阻遏物结合位点包含与SEQ ID NO.10或SEQ ID NO.13的反向互补的核酸序列。在一些实施方案中，cadC的阻遏物结合位点包含双链核酸序列，该双链核酸序列包含第一链，所述第一链包含选自SEQID NO.10和SEQ ID NO.13的核酸序列，以及第二链，所述第二链包含与选自SEQ ID NO.10和SEQ ID NO.13的核酸序列的反向互补核酸序列。
磁性颗粒/结合对
在一些实施方案中，本文所述的方法或过程包括使用一个或多个，或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，本文所述的组合物或装置包含一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，核酸、基底、蛋白质、抗体、二级试剂、珠、表面和/或MPR包含一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，结合对的部分包括一个或多个磁性颗粒。在一些实施方案中，磁性颗粒连接到结合对的部分。在一些实施方案中，磁性颗粒包含链霉亲和素或其变体。在某些实施方案中，磁性颗粒直接或间接连接到(例如，共价或非共价结合到)核酸、基底、抗体、二级试剂、珠、表面、结合对的部分和/或MPR等。
任何合适的磁性颗粒均可用于本文所述的组合物、装置或方法。磁性颗粒的非限制性示例包括顺磁珠、磁珠、磁性纳米颗粒、重金属微球、金属纳米颗粒、重金属微粒、重金属纳米颗粒等或其组合。
在一些实施方案中，磁性颗粒包括氧化铁颗粒。在一些实施方案中，磁性颗粒包括氧化铁磁性颗粒和链霉亲和素。在一些实施方案中，磁性颗粒包括氧化铁磁性颗粒和生物素。
在一些实施方案中，磁性颗粒包括约1至约1000纳米(nm)、1nm至约500nm、约5nm至约1000nm、约10nm至约1000nm、约5nm至约500nm、约5nm至约400nm、约5nm至约300nm、约5nm至约300nm、约5nm至约200nm、约5nm至约100nm、约2至约50nm的平均或绝对直径，约5至约20nm，或约5至约10nm，和/或介于两者之间的范围。在一些实施方案中，磁性颗粒包括约2至约50nm、约5至约20nm或约5至约10nm的平均或绝对直径。在一些实施方案中，对磁性颗粒进行包被以促进共价连接到结合对的部分或核酸。在其他实施方案中，对磁性颗粒进行包被以促进与分子的静电连接。在一些实施方案中，磁性颗粒包括不同的形状、尺寸和/或直径，以促进不同量的磁性。在一些实施方案中，磁性颗粒基本均匀(例如，所有磁性颗粒基本相同；例如，相同的尺寸、相同的直径、相同的形状和/或相同的磁性)，以便于在磁传感器表面进行更准确的检测和/或定量。在一些实施方案中，磁珠包含结合对的相同或不同部分，以允许在同一查询样品或不同查询样品中多重检测多个分析物，例如一种或多种重金属。在一些实施方案中，包含结合对的不同部分的磁性颗粒被配置为与布置在不同GMR传感器上或单个传感器上的不同MRP相互作用，其中不同MRP在空间上被组织以创建可寻址位置和信号。在一些实施方案中，可以通过适当的磁传感器检测和/或定量磁性颗粒的存在、不存在和/或数量。在一些实施方案中，磁传感器包括表面。
在一些实施方案中，核酸、基底、颗粒(例如磁性颗粒)、二级试剂、珠、蛋白质、抗体、表面和/或MPR包含结合对的一个或多个部分。在某些实施方案中，结合对第一部分可以结合和/或结合到结合对第二部分。在某些实施方案中，结合对第一部分被配置为专门结合到结合对第二部分。在一些实施方案中，结合对包括至少两个彼此非共价且特异性结合的部分(例如分子)。结合对的部分通常会可逆地相互结合，例如，结合对的两个部分的关联可以通过适当的方法分离。任何合适的结合对或其部分可用于本文所述的组合物或方法。结合对(例如，第一部分/第二部分)的非限制性示例包括抗体/抗原、抗体/抗体受体、抗体/蛋白质A或蛋白质G、抗体/GST、半抗原/抗半抗原、巯基/马来酰亚胺、巯基/卤代乙酰衍生物、胺/异硫氰酸酯、胺/琥珀酰亚胺酯、胺/磺酰卤化物、生物素/亲和素、生物素/链霉亲和素、叶酸/叶酸结合蛋白，受体/配体、GST/GT、维生素B12/内因子、其类似物、其衍生物、其结合部分等或其组合。结合对部分的非限制性示例包括抗体或抗体片段、抗体受体、抗原、半抗原、肽、蛋白质、脂肪酸、甘油基部分(例如脂质)、磷酰基部分、糖基部分、泛素部分、凝集素、适体、受体、配体、重金属离子、抗生物素、中性抗生物素、链霉亲和素、生物素、B12、内因子及其类似物，其衍生物、其结合部分等或其组合。在一些实施方案中，MRP共价连接到结合对的部分。
在一些实施方案中，方法包括使用二级试剂。在一些实施方案中，装置包括一个或多个二级试剂。在某些实施方案中，二级试剂用于结合第一分子和第二分子，从而将第一分子间接连接到第二分子。因此，二级试剂通常包括结合对的至少两个部分。在一些实施方案中，二级试剂包括结合对的两个部分，每个部分不同，其中结合对的两个部分中的每个部分不相互结合。例如，二级试剂可包括珠或颗粒，其包括第一结合对的部分(例如，谷胱甘肽，其被配置为与GST结合)和第二结合对的部分(例如，生物素，其被配置为与链霉亲和素结合)。在又一示例中，二级试剂可包括抗体(即，第一结合对的部分。例如，配置为与GST的抗体结合)和第二结合对的部分(例如，配置为与链霉亲和素结合的生物素)。二级试剂可包括结合对中的任何合适部分。在一些实施方案中，二级试剂包括合适的基底(例如，珠或颗粒)。在一些实施方案中，二级试剂包括合适的基底(例如，珠或颗粒)、第一结合对的部分和第二结合对的部分。
基于金属调节蛋白的装置
在一些实施方案中，本文介绍了一种微流控装置，其配置为用利用金属调节蛋白结合位点(例如阻遏蛋白结合位点)的装置来检测样品中的重金属。在一些实施方案中，该装置包括图30中所示的一个或多个组件。在一些实施方案中，装置包括配置或其变体，如图30所示。在一些实施方案中，装置包括一个或多个微流控通道，其可操作地和/或流体连接到装置的每个组件。
“流体连接”的组件或零件是与装置内处理的液体或流体接触和/或可以接触(例如，通过打开或关闭阀门)的装置的组件和零件。96孔板的一个孔不被视为与96孔板中的另一个孔流体连接。类似地，即使流体可以从一根管转移到另一根管，Eppendorf管也不会与另一根Eppendorf管进行流体连接。术语“可操作连接”是指装置的特定组件或部件可以通信、连接或连接，以使其相互合作以实现其预期功能。可操作的“连接”可以是直接、间接、物理或远程。
在一些实施方案中，微流控装置(例如900)包括从微流控通道(例如200-208)、腔室(例如102、400、410、501、502和800)、一个或多个阀门(例如301-304)、磁传感器(例如700)、冻干试剂、可溶性试剂、热源(例如600)、泵和端口(例如，流量控制端口850、样品装载端口100)。在一些实施方案中，装置的一些或所有组件可操作和/或流体连接(例如，通过相连的微流体通道和阀门)。在一些实施方案中，装置包括从样品室(例如102)、清洗室(例如501和502)、试剂室(例如400410)、废物室(例如800)或其组合中选择的一个或多个室。
在一些实施方案中，微流体装置包括一个或多个微流体通道(例如201-208)。微流控通道可以包括横截面上的适当几何形状，非限制性示例包括圆形、椭圆形、矩形、三角形等或其组合。微流控通道可以包括合适的结构，非限制性示例包括直的、弯曲的、蛇形的和/或高架的，并且可以包括一个或多个连接点，这些连接点以流体方式连接一个或多个微流控通道和本文所述微流控装置的相连组件。在一些实施方案中，微流控通道的平均、算数平均或绝对内径约为10纳米至1000微米、50纳米至500微米、100纳米至500微米或100纳米至100微米。在一些实施方案中，阀门(例如301-304)、腔室和/或传感器700中的一个或多个布置在微流体通道的通道主体内。在一些实施方案中，磁性传感器700布置在可操作和/或流体连接到一个或多个微流控通道的腔室内。在一些实施方案中，微流控通道包括用于将样品或一种或多种试剂引入微流控装置的样品端口100。在一些实施方案中，样品端口通过微流体通道(例如201)可操作和/或流体连接到样品室(例如102)。
在一些实施方案中，微流控装置包括样品室和磁性传感器，其通过一个或多个微流控通道和阀门可操作和/或流体连接，使得装置内处理的流体的流动方向通常是从样品室流向传感器和/或流向废物室(例如800)。因此，作为参考，靠近第二组件的第一组件是相对于流向传感器的流动方向位于第二组件上游的组件。类似地，在一些实施方案中，远离第二组件的第一组件是相对于流向传感器或废物室(例如800)的流动方向位于第二组件下游的组件，通过微流控装置的流动方向部分由可操作地连接到端口(例如，流量控制端口850)的一个或多个真空泵或注射泵控制。在一些实施方案中，泵布置在微流控装置900上。在一些实施方案中，一个或多个泵可以通过端口(例如850)可操作地连接到装置900，例如，当微流控装置是可移动盒的形式时。在一些实施方案中，流量控制端口可操作地连接到腔室(例如，废物室800)，使得当向端口850施加负压时，流体从一个或多个腔室(例如，102、501、502和/或400/410)引导(例如，通过一个或多个阀)到传感器700和/或废物室800，从而可以调节和/或维持穿过传感器表面(例如700)的流体流动。在一些实施方案中，流量控制端口通过微流体通道(例如820)可操作地连接到腔室。
任何合适的阀门都可以用于微流控装置。在一些实施方案中，阀门是可以在卡外控制的微型先导电磁阀(例如Lee阀)。因此，装置可以包括多个阀门，每个阀门可以独立控制。在一些实施方案中，一个或多个阀门可操作地连接到一个或多个电垫连接，以便微流控装置可以与控制器或计算机集成，该控制器或计算机引导流体流过该装置。
在一些实施方案中，腔室是样品室(例如102)。在一些实施方案中，样品室包括样品或配置为容纳样品。在一些实施方案中，样品室包括一种或多种试剂(例如脱水盐或缓冲液)。在一些实施方案中，微流控装置包括配置用于将样品引入装置的样品端口。在某些实施方案中，样品端口可操作地连接和/或流体连接到一个或多个腔室。在一些实施方案中，装置包括样品端口100和样品室102，其中样品端口靠近样品室。在一些实施方案中，样品端口100配置为将样品引入样品室102。在一些实施方案中，样品端口位于样品室附近。在一些实施方案中，所述样品端口是样品注入端口。
在一些实施方案中，腔室是清洗室(例如，510、502)。清洗室配置为容纳合适的清洗溶液。在一些实施方案中，清洗溶液被放置在清洗室内。清洗溶液通常用于水合或清洗磁性传感器(例如700)的表面。在一些实施方案中，清洗溶液包括缓冲液(例如Tris)、酒精、清洗剂或盐。在一些实施方案中，清洗室提供溶液(例如缓冲液)，有助于保持流体在传感器表面上的流动，例如在检测期间。清洗溶液可包含任何合适的缓冲液。在一些实施方案中，缓冲液包含HEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸)。例如，阀301可以将布置在腔室501内的溶液转移到微流体通道203和207，使得流体流过传感器700进入废物室800。
在一些实施方案中，样品室(例如102)、试剂室(例如400/410)和/或一个或多个清洗室(例如501502)位于磁性传感器(例如700)附近。在一些实施方案中，样品室(例如102)和/或一个或多个清洗室(例如501、502)可操作和/或流动连接，平行于微流体通道(例如202、203、207)，其中微流体通道包括一个或多个可操作连接到一个或多个清洗室的阀门(例如301、302、303)。
在某些实施方案中，试剂被布置在试剂室内(例如400或410)。布置在试剂室内的试剂可以干燥和/或冻干。在一些实施方案中，将放置在试剂室内的试剂溶解或分散在液体(例如清洗溶液)中。在某些实施方案中，当流体进入试剂室内时，位于试剂室内的干燥或冻干试剂与流体接触时基本溶解。在一些实施方案中，试剂室(例如400/410)位于磁传感器附近。在某些实施方案中，试剂室(例如400)包括磁性颗粒(MNP)，其中每个磁性颗粒连接到结合对(例如链霉亲和素)的部分。在某些实施方案中，试剂室(例如410)包括二级试剂，其中每个二级试剂连接到结合对的一个或多个部分(例如抗体和/或生物素或链霉亲和素)。在一些实施方案中，试剂室可操作和/或流体连接到阀门(例如301或302)，当阀门打开时，将试剂或颗粒分散到微流体通道(例如207)中，使得颗粒继续接触和/或流过磁传感器700。
在某些实施方案中，微流控装置包括热源(例如600)。任何合适的热源均可用于本文所述的装置中。在一些实施方案中，磁传感器包括热源。在一些实施方案中，加热源位于磁性传感器附近，从而可以加热流过磁性传感器的流体温度。
在一些实施方案中，微流控装置包括磁性传感器(例如700)。在一些实施方案中，微流控装置包括多个磁性传感器(例如，GMR)。在一些实施方案中，微流控装置包括用于与样品接触的第一磁性传感器和不与样品接触的第二“对照”磁性传感器。对照传感器通常用于为未接触样品或重金属的磁性传感器建立磁阻基线。例如，一个装置可以包括重复传感器，其中一个传感器与怀疑含有重金属的样品接触，而另一个传感器不与样品接触。可以比较两个传感器表面的磁阻，以确定样品中重金属的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，微流控装置包括具有可寻址位置的传感器阵列。在一些实施方案中，磁传感器是磁阻传感器。在一些实施方案中，磁传感器是巨磁阻(GMR)传感器。在一些实施方案中，磁传感器是各向异性磁阻(AMR)传感器和/或磁隧道结(MTJ)传感器。
在一些实施方案中，磁传感器检测传感器表面的磁阻、电流和/或电压电势或其变化。在一些实施方案中，电路检测电流和/或电压，或由于传感器的磁阻变化而引起的电流和/或电压变化。在一些实施方案中，电路检测电流和/或电压，或其在一段时间内的变化，非限制性示例包括1纳秒到1小时、1秒到60分钟、1秒到10分钟、1秒到1000秒或其中间时段。在一些实施方案中，磁性传感器根据磁性传感器检测到的电流和/或电压或其变化，检测结合(例如，间接结合)或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。在一些实施方案中，磁性传感器根据结合到(例如，间接结合到)或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来检测样品中重金属的存在、不存在或数量。因此，在一些实施方案中，磁性传感器根据由于磁性传感器表面上的磁性颗粒而检测或测量的电流和/或电压或其变化来检测样品中重金属的存在、不存在或数量。
GMR传感器的灵敏度可以超过各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在磁性表面的磁性纳米颗粒的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。因此，在一些实施方案中，磁传感器包括GMR传感器。
在一些实施方案中，磁性传感器包括表面。磁传感器的表面可包括合适的材料，其非限制性示例包括玻璃、改性或功能化玻璃(例如，可控孔玻璃(CPG))、石英、云母、聚甲醛、纤维素、醋酸纤维素、陶瓷、重金属、类重金属、半导体材料，塑料(包括丙烯酸、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物或其他材料、聚丁烯、聚氨酯、TEFLONTM、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)等)、树脂、二氧化硅或硅基材料，包括硅、硅胶和改性硅、
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碳、重金属(例如钢、金、银、铝、硅和铜)、导电聚合物(包括聚吡咯和聚吲哚等聚合物)；微米或纳米结构表面、纳米管、纳米线或纳米颗粒修饰表面；或多孔表面或凝胶，如甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、糖聚合物、纤维素、硅酸盐或其他纤维或链状聚合物。在一些实施方案中，使用具有任何数量的材料(包括聚合物，例如右旋糖酐、丙烯酰胺、明胶或琼脂糖)的被动或化学衍生涂层包被表面。在一些实施方案中，磁性传感器的表面非共价和/或可逆地连接到寡核苷酸。
在一些实施方案中，磁性传感器的表面包含和/或包被有交联PEG-PHEMA聚合物。PEG-PHEMA聚合物表面可以通过混合PEG溶液来制备，PEG溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)-PEG-NHS(MW 600)，PHEMA溶液包括溶解在适当溶剂(例如异丙醇、丙酮或甲醇和/或水)中的甲基丙烯酸聚羟乙基酯(MW20000)，和任选交联剂。所得溶液可以使用合适的涂层工艺(例如微打印、浸渍涂层、旋涂或气溶胶涂层)包被在磁性表面上。在用PEG-PHEMA溶液包被表面后，可以使用紫外光固化表面，然后用合适的溶剂(例如异丙醇和/或水)清洗。在一些实施方案中，磁性传感器的表面共价连接到一个或多个核酸。在一些实施方案中，涂层表面可用于与伯胺结合(例如，连接蛋白质)。PEG-PHEMA涂层可以保护磁性传感器表面免受腐蚀。在一些实施方案中，磁传感器的表面包括国际专利申请No.PCT/US2019/043766中所述的表面。
在一些实施方案中，磁性传感器的表面包括涂层。在一些实施方案中，涂层包含合适的表面活性剂。在一些实施方案中，表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。在一些实施方案中，在磁性传感器与样品接触之前，磁性传感器的表面包被有适当的表面活性剂或与之接触。
在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含核酸。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含双链核酸(例如DNA双链)。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含包含MRP的一个或多个阻遏物结合位点的核酸。在一些实施方案中，核酸非共价地连接到磁性传感器的表面。在一些实施方案中，使用合适的化学方法将核酸共价连接到磁性传感器的表面，非限制性示例包括Cha等人(2004)“Immobilization of oriented protein molecules on poly(ethylene glycol)-coatedSi(111)”Proteomics 4:1965-1976和Zellander等人(2014)“Characterization of PoreStructure in Biologically Functional Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)-Poly(ethylene glycol)Diacrylate(PHEMA-PEGDA),”PLOS ONE 9(5)：e96709。在一些实施方案中，磁传感器的表面包含密度为每平方毫米约1×109至约5×1010个核酸分子的多个核酸(例如，包含阻遏物结合位点的核酸)。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含包含阻遏物结合位点和MRP的核酸。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含阻遏物结合位点，每个核酸连接到MRP。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含阻遏物结合位点和多个MRP，其中MRP与核酸结合。
在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含砷抗性操纵子阻遏物(arsR)的结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含arsR的结合位点和多个arsR蛋白质。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含arsR的结合位点，以及多个arsR蛋白质，每个蛋白质结合到核酸的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的核酸和arsR，其中(i)核酸包括arsR的阻遏物结合位点，(ii)arsR结合到核酸的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的双链核酸双链和arsR，其中(i)双链包括arsR的阻遏物结合位点，(ii)arsR结合到阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的核酸和arsR，其中(i)核酸包括arsR的阻遏物结合位点，(ii)arsR结合到阻遏物结合位点，(iii)arsR包括结合对或磁性颗粒的部分。
在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含镉抗性操纵子阻遏物(cadC)的结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含cadC的结合位点和多个cadC蛋白质。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包含多个核酸，每个核酸包含cadC的结合位点，以及多个cadC蛋白质，每个蛋白质结合到核酸的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的核酸和cadC，其中(i)核酸包括cadC的阻遏物结合位点，(ii)cadC结合到核酸的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的双链核酸双链和cadC，其中(i)双链包括cadC的阻遏物结合位点，(ii)cadC结合到阻遏物结合位点。在一些实施方案中，磁性传感器或磁性传感器的表面包括连接到传感器或传感器表面的核酸和cadC，其中(i)核酸包括cadC的阻遏物结合位点，(ii)cadC结合到阻遏物结合位点，(iii)cadC包括结合对或磁性颗粒的部分。
在一些实施方案中，装置包括两个或多个磁性传感器，每个传感器包括一个表面，该表面包含相同的核酸，该核酸包含相同的MRP结合位点和/或相同的MRP。例如，在一些实施方案中，装置包括配置为接触样品的第一磁性传感器和不接触样品的第二控制磁性传感器，其中第一和第二传感器包括包含相同MRP结合位点和/或相同MRP的相同核酸。在一些实施方案中，装置包括两个或多个磁性传感器，每个传感器包括一个表面，该表面包含一个不同的核酸，该核酸包含一个不同的MRP结合位点和/或一个不同的MRP。在一些实施方案中，磁传感器的表面包括多个可寻址位置，每个位置包括不同的核酸，包括不同的MRP结合位点和/或不同的MRP。
在一些实施方案中，微流控装置包括阴性对照传感器。在某些实施方案中，阴性对照传感器是磁性传感器(例如，GMR)。在本文所述方法的一些实施方案中，阴性对照传感器不与样品接触。在本文所述方法的一些实施方案中，将阴性对照传感器与适当的对照溶液、清洗缓冲液或对照缓冲液接触。
在某些实施方案中，微流控装置900布置在卡或盒上。因此，在一些实施方案中，微流控装置或包含本文所述微流控装置的卡或盒具有3到10cm的长度、1到10cm的宽度和0.1到1cm的厚度。
在一些实施方案中，微流控装置包括印刷电路板(PSB)。在一些实施方案中，微流控装置或PSB包括一个或多个记忆芯片。在一些实施方案中，微流控装置或PSB包括一个或多个电焊盘连接。在一些实施方案中，一个或多个电垫连接可操作地(例如，电子地)连接到记忆芯片、一个或多个阀门、磁传感器和/或微流控装置的一个或多个泵。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在PSB上。
在一些实施方案中，微流控装置布置在包含PSB的盒或卡上。在一些实施方案中，盒被配置为插入或连接到控制器、计算机或与微流控装置集成的更大装置。在一些实施方案中，控制器包括可操作地连接到位于筒上的一个或多个流量控制端口850的泵(例如隔膜泵或注射泵)。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基底上。在一些实施方案中，微流控装置的一个或多个组件布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
在一些实施方案中，本文所述的微流控装置、PSB或盒包括2019年7月26日提交的国际专利申请No.PCT/US2019/043720的题为“SYSTEM AND METHOD FOR GMR-BASEDDETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504846)，2019年7月26日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR SAMPLE PREPARATION IN GMR-BASED DETECTION OFBIOMARKERS”(代理案号026462-0504847)的国际专利申请No.PCT/US2019/043753，2019年7月26日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR SENSING ANALYTES IN GMR-BASEDDETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504848)国际专利申请No.PCT/US2019/043766，或2019年7月26日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING ANALYTESIGNALS IN GMR-BASED DETECTION OF BIOMARKERS”(代理案号026462-0504850)的国际专利申请No.PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或零件，所有这些通过引用全部并入本文。在一些实施方案中，本文所述的方法利用国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的一个或多个组件、子组件或零件。在一些实施方案中，本文所述的微流控装置包括在国际专利申请No.PCT/US2019/043720、PCT/US2019/043753、PCT/US2019/043766或PCT/US2019/043791中所述的磁性传感器和/或磁性传感器组件。
在一些实施方案中，任何一个腔室(例如，102、501、502、400、410、800)和/或容纳磁传感器的腔室包括独立地选自1μl到20ml、1μl到15ml、1μl到5ml、1μl到1ml、1μl到500μl、1μl到100μl及其中间体积的体积。
GMR传感器的灵敏度超过了各向异性磁阻(AMR)或霍尔传感器。该特性可以在纳米尺度上检测磁性材料的杂散场。例如，束缚在传感器表面的磁性纳米颗粒产生的杂散场将改变磁性层中的磁化强度，从而改变GMR传感器的磁阻。因此，每单位面积结合到GMR传感器的磁性纳米颗粒数量的变化可以反映在GMR传感器的磁阻值的变化中。
方法
在某些实施方案中，本文介绍了检测样品(例如液体样品)中重金属(例如砷和/或镉)的存在、不存在或数量的方法。在一些实施方案中，方法包括将包含表面的磁性传感器、连接到表面的核酸和/或MPR与怀疑包含重金属的样品接触。在一些实施方案中，在将传感器与样品接触之前，将磁性传感器的表面与清洗剂或表面活性剂(例如，CTAB)接触。在一些实施方案中，MPR包含磁性颗粒或结合对第一部分(例如，生物素)。在一些实施方案中，当MRP包含结合对第一部分(例如，生物素)时，方法包括将传感器或MRP与包含结合对第二部分(例如，链霉亲和素)的磁性颗粒接触，使得结合对第一部分与结合对第二部分结合。在一些实施方案中，通过本文中的方法检测在磁传感器处、上、附近或与之相连(例如，通过非共价相互作用间接)的磁性颗粒的存在、不存在或数量。有时在样品与磁性传感器接触后进行检测。在某些实施方案中，检测在磁性传感器与样品或磁性颗粒接触之前、期间和/或之后执行。在一些实施方案中，检测过程是动态检测过程，使得在改变传感器表面的一个或多个条件的同时，可以在磁性传感器与样品接触之前、期间和/或之后检测一个或多个磁性颗粒。
图28示出了使用包含金属调节阻遏蛋白40的表面结合核酸双链20的示例性检测方法的实施方案。核酸双链连接到磁性传感器720的表面。在该示例中，核酸双链包含第一核酸链和第二核酸链，将其杂交在一起以形成核酸双链。核酸双链还包括阻遏物结合位点。在没有重金属30的情况下，金属调节阻遏蛋白40结合到核酸双链的阻遏物结合位点。在一些实施方案中，金属调节阻遏蛋白40包含结合对10的第一部分，该结合对在本例中为生物素(B)。在右上的场景中，传感器与包含重金属30的样品接触。当结合到重金属30时，金属调节阻遏蛋白40从核酸双链20解离，并从传感器720的表面洗去。在右下角场景中，传感器与不含重金属的样品接触。在这种情况下，金属调节阻遏蛋白仍然与核酸双链结合。在将传感器与样品接触后，将传感器与包含结合对70的第二部分的磁性颗粒60接触，该结合对70在本例中为链霉亲和素。当存在时，磁性颗粒的链霉亲和素与金属调节阻遏蛋白的生物素紧密结合。然后，可以通过测量磁阻或其变化来检测与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量，这是由于磁性传感器表面上的磁性颗粒引起的。因此，可以通过检测与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来确定样品中砷或镉的存在、不存在或数量。
图29示出了使用包含金属调节阻遏蛋白40的表面结合核酸双链20的示例性检测方法的另一实施方案。核酸双链连接到磁性传感器720的表面。在该示例中，核酸双链包含第一核酸链和第二核酸链，将其杂交在一起以形成核酸双链。核酸双链还包括阻遏物结合位点。在没有重金属30的情况下，金属调节阻遏蛋白40结合到核酸双链的阻遏物结合位点。在本实施方案中，金属调节阻遏蛋白40包含结合对15的第一部分，在本例中，该结合对15为谷胱甘肽S-转移酶(GST)。在图28的右上场景中，传感器与包含重金属30的样品接触。当结合到重金属30时，金属调节阻遏蛋白40从核酸双链20解离，并从传感器720的表面洗去。在图28的右下场景中，传感器与不含重金属的样品接触。在这种情况下，金属调节阻遏蛋白仍然与核酸双链结合。在将传感器与样品接触后，将传感器与二级试剂22接触，在本实施方案中，二级试剂22是包含结合对17(例如谷胱甘肽(GT))的第二部分的珠，当存在时，二级试剂与GST紧密结合。第二试剂还包括第二结合对10的第一部分(例如，生物素(B))。在将传感器与样品和二级试剂接触后，将传感器与磁性颗粒60接触，磁性颗粒60包括第二结合对70的第二部分，在本例中为链霉亲和素。当存在时，磁性颗粒的链霉亲和素与二级试剂的生物素紧密结合。然后，可以通过测量磁传感器表面的磁阻或其变化来检测与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。因此，可以通过检测与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量来确定样品中砷或镉的存在、不存在或数量。
在一些实施方案中，MRP包括第一结合对(例如GST)的第一部分，并且方法包括将MRP(例如，包括MRP的磁性传感器的表面)与二级试剂和磁性颗粒接触，其中二级试剂包括第一结合对第二部分(例如，结合GST的抗体)和第二结合对第一部分(例如，生物素)，所述磁性颗粒包括第二结合对第二部分(例如链霉亲和素)。
在一些实施方案中，将磁性传感器与样品和/或磁性颗粒接触的过程包括流体流过传感器表面。流体的非限制性示例包括液体样品、清洗溶液、缓冲溶液、水、包含磁性颗粒的溶液、包含合适试剂的溶液、包含MRP的溶液等、其组合或其混合物。在一些实施方案中，当进行本文中的方法时，磁性传感器或其表面连续和/或连续与流体(例如，样品、清洗液、缓冲液、磁性颗粒等)接触。在某些实施方案中，在接触、清洗或检测过程中，磁性传感器表面上的流速约为0.1μl/min至500μl/min、1μl/min至500μl/min、1μl/min至100μl/min、1μl/min至10μl/min，或其之间的范围。在某些实施方案中，在接触、清洗或检测过程中，磁性传感器表面上的流速约为100Hz至800Hz，或约为100Hz至300Hz。
在一些实施方案中，与磁传感器接触的样品体积为1μl至500μl、20μl至300μl范围内的体积，或其之间的范围或体积。
在一些实施方案中，通过本文方法检测重金属的灵敏度范围为样品中砷或镉约0.00001纳摩尔至约100纳摩尔、0.01纳摩尔至约10纳摩尔、0.1纳摩尔至约10纳摩尔或约1纳摩尔至约10纳摩尔。在一些实施方案中，通过本文方法检测重金属的灵敏度下限为样品中砷或镉约0.01皮摩尔、约0.1皮摩尔、约1.0皮摩尔、约10皮摩尔、约100皮摩尔、约1.0纳摩尔、约5.0纳摩尔、约10.0纳摩尔、约50纳摩尔或约100纳摩尔。
在一些实施方案中，用清洗液清洗磁性传感器，使清洗液流过传感器表面。清洗溶液可包含任何合适的组合物。在一些实施方案中，清洗溶液使阻遏蛋白与其同源阻遏物结合位点之间的相互作用稳定。在一些实施方案中，清洗溶液使重金属与MRP的结合稳定。在一些实施方案中，清洗溶液增加了结合对第一部分与结合对第二部分的亲和力。在一些实施方案中，清洗溶液被配置成解离结合对的一个部分和另一个分子之间的非特异性结合相互作用。在一些实施方案中，清洗溶液被配置成解离表面结合核酸和样品中存在的其他分子或蛋白质之间的非特异性结合相互作用。在一些实施方案中，清洗溶液被配置成解离抗体和样品中存在的其他分子或蛋白质之间的非特异性结合相互作用。因此，在一些实施方案中，清洗溶液包括一种或多种合适的缓冲液(例如HEPES)、螯合剂(例如EDTA)、盐、清洗剂或表面活性剂、离液剂、甲酰胺、其组合等。在一些实施方案中，清洗溶液不包括盐。可以使用任何合适的清洗溶液来增加磁性传感器表面杂交条件的严格性。在一些实施方案中，在清洗步骤或检测步骤期间，流过磁性传感器表面的清洗溶液的温度升高。
在一些实施方案中，清洗溶液被配置为保持磁性传感器上的流体流动。在此类实施方案中，清洗溶液可包含与样品或试剂(例如，磁性颗粒悬浮液或二级试剂)相同或类似的组合物(例如，缓冲液和盐)。
在一些实施方案中，在(i)将磁性传感器与样品接触，(ii)将磁性传感器与磁性颗粒接触，和/或(iii)检测结合到磁性传感器表面或与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量之前、期间和/或之后，流过磁性传感器表面的流体温度升高。
在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟、1秒到10分钟、1秒到10分钟、1秒到5分钟、1秒到1分钟的时间段内增加至少10℃、至少15℃、至少20℃、至少25℃、至少30℃、至少40℃、至少60℃或至少80℃，或其中间范围。在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度从约10℃增加到约120℃，从约10℃增加到约80℃，从约10℃增加到约70℃，从约10℃增加到约65℃，从约10℃增加到约60℃，从约20℃增加到约120℃，从约20℃增加到约80℃，从约20℃增加到约70℃，从约20℃到约65℃，从约20℃到约60℃，从约25℃到约80℃，从约25℃到约70℃，从约25℃到约65℃，从约25℃到约60℃，或其中间范围，在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度在1秒到30分钟，1秒到10分钟，1秒到5分钟，1秒到1分钟，或其中间范围的时间内升高。
在一些实施方案中，与磁传感器表面接触的流体的温度增加到约30℃至90℃、约30℃至80℃、约30℃至75℃、约30℃至70℃、约30℃至65℃、约30℃至60℃、约30℃至55℃或约30℃至50℃的范围内。在一些实施方案中，在1秒到30分钟、1秒到10分钟、1秒到5分钟、1秒到30分钟或其中间范围的时间内，将与磁传感器表面接触的流体温度升高到约30℃到90℃、约30℃到80℃、约30℃到75℃、约30℃到70℃、约30℃到65℃、约30℃到60℃、约30℃到55℃或约30℃到50℃的范围内。
在一些实施方案中，方法或检测过程包括对磁性传感器表面、表面上、表面附近或与之相连的磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化进行检测。在一些实施方案中，检测结合到磁传感器表面的磁性颗粒的存在、不存在、数量或其变化。在某些实施方案中，检测过程或检测步骤包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒量在一段时间内的变化进行检测。
在一些实施方案中，检测过程包括动态检测过程。在某些实施方案中，动态检测过程包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间的存在、不存在、数量或变化进行检测，同时改变磁性传感器表面、附近或表面上的条件。在动态检测过程中可以改变的条件的非限制性示例包括温度、盐浓度、阳离子浓度、离子浓度、pH值、清洗剂浓度、离液剂浓度、离子亲液剂浓度等或其组合。通常，在动态检测过程中，条件会发生变化，以增加磁性传感器表面、表面或表面附近蛋白质-蛋白质相互作用或蛋白质-DNA相互作用的强度。
在一些实施方案中，动态检测过程包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间的变化进行检测，同时温度随时间升高。在一些实施方案中，动态检测过程包括对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间在一段时间内的变化进行检测，同时阳离子(例如Na、Ca、Mg、Zn等)的浓度增加或减少。在一些实施方案中，动态检测过程包括在温度升高和/或盐浓度升高或降低的情况下，对磁性传感器表面、附近或表面上的磁性颗粒数量随时间在一段时间内的变化进行检测。
在一些实施方案中，方法包括检测或确定磁传感器表面、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，如本文所述，在磁性传感器与磁性颗粒接触之前、期间和/或之后，一次性、连续(例如，在预定时间段内)或周期性(例如，两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压电势或其变化。在一些实施方案中，当磁性传感器表面的温度升高时，连续地(例如，在预定的时间段内)或周期性地(两次或多次)确定或检测磁性传感器表面上、附近或处的磁阻、电流、电压势或其变化。
在一些实施方案中，根据磁阻、电流、电压电势或其变化来确定样品中重金属的存在、不存在或数量，当执行本文所述的方法时，在磁传感器表面、附近或表面检测或测量磁阻、电流、电压电势或其变化。
实施例
实施例1-脱氧核酶磁性传感器的制备和铅的检测
合成了具有5'接合生物素部分(Biosg)和3'氨基修饰物C6 dT(3AmMC6T，美国爱荷华州Integrated DNA Technologies)的底物链，以促进底物链连接到传感器表面。底物链还包含代表靶裂解位点的单个腺苷(A，下划线和粗体)残基。其余的核苷酸是脱氧核糖核苷酸。本例中使用的底物链序列如下所示。
5’-CTCACTAT
Figure BDA0003846645080001221
GGAAGAGATGATGTCTGTAAATT-3’(SEQ ID NO:1)
将SEQ ID NO.1的底物链与酶链杂交以形成脱氧核酶。本例中使用的酶链如下所示。
5’-ACAGACATCATCTCTGAAGTAGCGCCGCCGTATAGTGAG-3’(SEQ ID NO:2)
为了进行杂交，在25mM Na3PO4、0.1％聚乙烯醇(PVA，40K MW)中，以10μl/min的流速将底物链和酶链以1:2的比例在杂交缓冲液中混合30分钟，加热至80℃10分钟，然后冷却至室温。使用Scienion printer(Scienion US，Inc.)将所得脱氧核酶连接到GMR传感器的表面。
连接后，通过使用第一封闭溶液清洗传感器表面，该溶液包含PBS(磷酸盐缓冲盐)、50mM乙醇胺和0.05％吐温20，pH 8.4，以10μl/min的流速流动30分钟。在第一封闭步骤后，用第二封闭溶液(25mM HEPES，1％十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，pH 7.25)处理传感器表面，该溶液以10μl/min的流速流动30分钟。该步骤中和传感器聚合物涂层表面的净负电荷。在第二封闭步骤后，用25mM HEPES清洗传感器。
结果如图23所示，通过使用连接在磁传感器表面的脱氧核酶，观察到随着铅离子浓度的增加，磁阻变化除以对照磁阻的剂量依赖性降低。
实施例2-磁传感器的制备和汞的检测
使用Scienion打印机将浓度为250μg/ml的0.1％聚乙烯醇(PVA，90000MW)中的HgBSA(Hg2+[BSA](目录号：DAGA-007B)，Creative Diagnostics)连接(即打印)到GMR传感器的表面。使用包含两种亲水性聚合物和交联剂的聚合物组合物将HgBSA连接到GMR传感器表面，如上文所述，如美国临时申请No.62/958510所述，其公开内容通过引用并入本文。然后用包含PBS(磷酸盐缓冲盐水)、50mM乙醇胺和0.05％吐温20(pH 8.4)的溶液封闭传感器表面，该溶液以10μl/min的流速流动30分钟。阻断后，用200μl MOPST(10mM MOPS，100mMNaNO3，0.05％吐温20，pH 7.2)清洗传感器。
使用的抗体是小鼠抗Hg2+单克隆抗体(RHATM抗Hg2+monoclonal antibody，CloneHg2(目录号：HMABPY007)，来自Creative Diagnostics)。将生物素化汞抗体添加到样品中，并将汞抗体/样品组合物以10微升/分钟的速率在GMR传感器上流动30分钟。使用微蠕动泵(RPTX)将含有不同浓度、中性pH值、体积为200μl的汞的样品与传感器接触。然后选择单GMR模式并允许运行60秒，然后选择阴性对照传感器作为零Mux2传感器。选择双GMR模式，磁珠溶液以5微升/分钟的流速与GMR传感器接触。
所述传感器分析和格式设计用于检测查询样品中的汞，如下所示。汞抗体与打印的汞BSA基底或溶液中的游离汞离子结合。当溶液中不存在汞时，Hg-BSA对结合Hg抗体没有竞争，所有可用的Hg抗体都与Hg-BSA结合。然而，当汞存在时，一些汞抗体在溶液中与汞结合，而不与汞BSA结合。随着溶液中汞浓度的增加，汞抗体更容易与溶液汞结合，而汞抗体与汞BSA结合的可能性较小。因此，溶液中汞含量越高，与汞BSA覆盖的GMR表面结合的汞抗体就越少。
Hg抗体是生物素化的，这使它们能够与链霉亲和素结合的磁性纳米颗粒(MNP)结合。如图27所示，汞浓度随着样品的增加而增加，观察到生物素化程度较低的汞抗体与汞BSA表面结合，每个给定的测试样品中汞含量增加；因此，与GMR传感器结合和相互作用的MNP更少。这使得可以绘制与溶液中汞浓度相对应的梯度/标准曲线。该标准在不同样品之间进行了比较，以定量汞浓度。结果表明，随着汞离子浓度的增加，磁阻变化除以控制磁阻，呈剂量依赖性下降。
实施例3-镉和砷的磁性传感器制备和检测
Pars-Oars-F链(正向链)与Pars-Oars-R链(负链)混合，方法是将每条链以1:1的比例添加到25mM Na3PO4，0.1％聚乙烯醇(PVA，40000MW)中。Pars-Oars-F链具有序列5’-CCTACACATTCGTTAAGTCATATATGTT TTTGACTT ATCCGCTTCGAAGA-3’(SEQ ID NO:11)。SEQ IDNO.11的3'羟基包含3'氨基修饰物C6 dT(即3AmMC6t)，有助于连接到GMR传感器表面。
Pars-Oars-R链具有序列5’-TCTTCGAAGCGGATAAGTCAAAAACATATATGACTTAACGAATGTGTAAG-3’(SEQ ID NO:12)。将DNA混合物加热至80℃10分钟，然后冷却至室温，使两条链以5-25微升/分钟的速度在连接有Pars-Oars-F STAR的GMR传感器上减慢Pars-Oars-R链持续30分钟，使其杂交成双股双链体(double-stranded duplex)。然后使用Scienion打印机将双面打印连接(例如打印)到GMR传感器的表面。准备了几个重复的GMR传感器。
将DNA双链连接到GMR传感器表面后，在含有0.05％吐温20、pH 8.4的PBS中，200μl乙醇胺以5-25微升/分钟的速度在传感器表面流动30分钟。然后用100μl 50mM磷酸钾缓冲液和0.05％吐温20(KPBT缓冲液)清洗传感器。
在大肠杆菌中表达重组谷胱甘肽S-转移酶(GST)-arsR蛋白，并制备细胞裂解物。然后将在KPBT中稀释至200μl的GST arsR裂解物(2μl)流过传感器。
如上所述制备的传感器阵列，以及阳性对照传感器(不参与分析的蛋白质结合步骤并结合独立于砷检测分析的SA MNP的生物素化DNA链)和阴性对照传感器(非生物素化的通用DNA链(长约20bp)的DNA链，因此不能结合链霉亲和素MNP)，通过将清洗缓冲液流入阵列(KPBT)进行清洗，使其流过传感器。然后将含有砷的患者样品引入阵列，从而流过传感器。特异性结合GST的生物素化抗体也以5-25微升/分钟的速度流入阵列，从而在传感器上流动30分钟。开始检测传感器表面的磁阻，然后将与链霉亲和素结合的磁性颗粒流入阵列，从而流过传感器。
实施例4-GMR传感器信号放大
如图16A所示，以三明治免疫分析形式放大GMR信号。生物素化肌钙蛋白I捕获抗体流经独立的GMR传感器，以创建一系列肌钙蛋白I生物表面连接传感器(通过将生物素部分交联到传感器上的聚合物组合物)，以测试不同浓度的肌钙蛋白I。每个查询样品包含不同浓度的肌钙蛋白I，如下面的表2所示，在肌钙蛋白I捕捉抗体打印传感器上流动。其他生物素化抗肌钙蛋白I抗体随后流过传感器。随后，链霉亲和素包裹的磁性纳米颗粒流过每个传感器表面，并与通过生物素-链霉亲和素相互作用结合到表面的生物素化抗肌钙蛋白I抗体结合。如表2所示记录传感器信号读数(磁阻变化)(“主信号”)。
随后，生物素包裹的磁性纳米颗粒流过传感器；然后，这些生物素包裹的磁性纳米颗粒与链霉亲和素包裹的磁性纳米颗粒上的游离链霉亲和素基团结合。如表2所示记录传感器信号读数(磁阻变化)(“第一增强信号”)。
随后，另一个链霉亲和素包裹的磁性纳米颗粒样品流过传感器；然后，这些经他汀类药物包衣的磁性纳米颗粒与生物素包被的磁性纳米颗粒上的游离生物素基团结合。如表2所示记录传感器信号读数(磁阻变化)(“第二增强信号”)。
表2：无信号增强和有信号增强的人体肌钙蛋白I测试数据
Figure BDA0003846645080001251
Figure BDA0003846645080001261
表2和图31所示的结果表明，对于低水平(0-125纳克/升)的肌钙蛋白I试验，在第一次和第二次信号增强过程后，所有信号都显著增加。对于空白样品(0纳克/升肌钙蛋白I)，每次增强后信号适度增加(从0.8ppm增加到2.4和4.4)，表明测定“噪声”略有增加。然而，对于7.8纳克/升，在每次后续增强后，SNR(信噪比)从6增加到25和21.5。在31.5和125nh/mL肌钙蛋白I浓度下也实现了显著的信号增强。
磁性(GMR)传感器测量与样品中分析物浓度成比例的与磁珠结合。在结合珠子数量非常低的情况下，GMR传感器的信噪比可能低于预期。本文所述的结果表明，通过包被了生物素(MB-biotin)的磁珠流动，可以显著提高这种情况下的信噪比，生物素(MB-biotin)是包被有链霉亲和素(MB-SA)的初始磁珠捕获的，该磁珠是在先前暴露于表面含有肌钙蛋白I的样品的传感器表面上捕获的。然后MB-SA再次流过传感器表面，由于MB-SA随后被MB生物素结合在传感器上，产生了额外的信号增强。MB生物素和MB-SA的改变可以重复多次增强，以进一步增加GMR信号。
在一些实施方案中，本文所述方法的所有方面和/或方法的所有步骤在本文所述微流控装置中执行。
应当理解，本文所披露的所有实施方案可以以任何方式组合以实现检测分析物的方法，并且可以使用本文所披露的描述各种系统组件的实施方案的任何组合来实现所述方法。
虽然本发明的原理已在上述说明性实施方案中阐明，但对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可以对本发明实践中使用的结构、布置、比例、元件、材料和组件进行各种修改。
由此可以看出，本发明的特征已经完全有效地实现。然而，应认识到，为了说明本发明的功能和结构原理，已经示出和描述了前述优选具体实施方案，并且可以在不偏离这些原理的情况下进行修改。因此，本发明包括在以下权利要求的精神和范围内包含的所有修改。
序列表
<110> 泽普托生命技术有限责任公司
<120> 基于GMR的生物标志物检测中分析物的传感系统和方法
<130> 026462-0509389
<160> 24
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 117
<212> PRT
<213> 未知
<220>
<223> 未知的描述：arsR序列
<400> 1
Met Ser Phe Leu Leu Pro Ile Gln Leu Phe Lys Ile Leu Ala Asp Glu
1 5 10 15
Thr Arg Leu Gly Ile Val Leu Leu Leu Ser Glu Leu Gly Glu Leu Cys
20 25 30
Val Cys Asp Leu Cys Thr Ala Leu Asp Gln Ser Gln Pro Lys Ile Ser
35 40 45
Arg His Leu Ala Leu Leu Arg Glu Ser Gly Leu Leu Leu Asp Arg Lys
50 55 60
Gln Gly Lys Trp Val His Tyr Arg Leu Ser Pro His Ile Pro Ala Trp
65 70 75 80
Ala Ala Lys Ile Ile Asp Glu Ala Trp Arg Cys Glu Gln Glu Lys Val
85 90 95
Gln Ala Ile Val Arg Asn Leu Ala Arg Gln Asn Cys Ser Gly Asp Ser
100 105 110
Lys Asn Ile Cys Ser
115
<210> 2
<211> 122
<212> PRT
<213> 未知
<220>
<223> 未知的描述：cadC序列
<400> 2
Met Lys Lys Lys Asp Thr Cys Glu Ile Phe Cys Tyr Asp Glu Glu Lys
1 5 10 15
Val Asn Arg Ile Gln Gly Asp Leu Gln Thr Val Asp Ile Ser Gly Val
20 25 30
Ser Gln Ile Leu Lys Ala Ile Ala Asp Glu Asn Arg Ala Lys Ile Thr
35 40 45
Tyr Ala Leu Cys Gln Asp Glu Glu Leu Cys Val Cys Asp Ile Ala Asn
50 55 60
Ile Leu Gly Val Thr Ile Ala Asn Ala Ser His His Leu Arg Thr Leu
65 70 75 80
Tyr Lys Gln Gly Val Val Asn Phe Arg Lys Glu Gly Lys Leu Ala Leu
85 90 95
Tyr Ser Leu Gly Asp Glu His Ile Arg Gln Ile Met Met Ile Ala Leu
100 105 110
Ala His Lys Lys Glu Val Lys Val Asn Val
115 120
<210> 3
<211> 28
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 3
cattcgttaa gtcatatatg tttttgac 28
<210> 4
<211> 34
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 4
cttacacatt cgttaagtca tatatgtttt tgac 34
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<212> DNA
<213> 人工序列
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tctgcactta cacattcgtt aagtcatata tgtttttgac 40
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<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 6
cattcgttaa gtcatatatg tttttgactt 30
<210> 7
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<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 7
cattcgttaa gtcatatatg tttttgactt atccgcttcg aaga 44
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<220>
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<400> 8
cttacacatt cgttaagtca tatatgtttt tgacttatcc gcttcgaaga 50
<210> 9
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<212> DNA
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 9
tctgcactta cacattcgtt aagtcatata tgtttttgac ttatccgctt cgaaga 56
<210> 10
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 10
ataatacact caaataaata tttgaatgaa gatg 34
<210> 11
<211> 50
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<220>
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cctacacatt cgttaagtca tatatgtttt tgacttatcc gcttcgaaga 50
<210> 12
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 12
tcttcgaagc ggataagtca aaaacatata tgacttaacg aatgtgtaag 50
<210> 13
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<212> DNA
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
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tgagtcgaaa atggttataa tacactcaaa taaatatttg aatgaagatg 50
<210> 14
<211> 32
<212> DNA
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 14
ctcactatag gaagagatga tgtctgtaaa tt 32
<210> 15
<211> 39
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 15
acagacatca tctctgaagt agcgccgccg tatagtgag 39
<210> 16
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 16
actcactata ggaagagatg 20
<210> 17
<211> 15
<212> DNA
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 17
gaagtagcgc cgccg 15
<210> 18
<211> 15
<212> DNA
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<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
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tccgagccgg tcgaa 15
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<211> 33
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 19
catctcttct ccgagccggt cgaaatagtg agt 33
<210> 20
<211> 51
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 20
cttacacatt cgttaagtca tatatgtttt atgacttatc cgcttcgaag a 51
<210> 21
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<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 21
tgagtcgaaa atggttataa tacactcaaa taaatatttg aatgaagatg 50
<210> 22
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 22
catcttcatt caaatattta tttgagtgta ttataaccat tttcgactca 50
<210> 23
<211> 26
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 23
ctcactatag gaagagatga tgtctg 26
<210> 24
<211> 36
<212> DNA
<213> 人工序列
<220>
<223> 人工序列的描述：合成寡核苷酸
<400> 24
ctcactatag gaagagatga tgtctgtttt tttttt 36

Claims (303)

1.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：
共价结合到生物分子的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的分析物催化；和
与生物分子的可裂解部分相连的受体，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；
(a)使查询样品通过传感器，从而允许在存在分析物的情况下从生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；
(b)使查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及
(c)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，还包括在查询样品通过传感器之前对传感器执行缓冲清洗。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，还包括在查询样品通过传感器之后但在磁性颗粒通过传感器之前在传感器上执行缓冲清洗。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述分析物为金属离子。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述查询样品为水。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述查询样品来自受试者的血液。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述受体共价结合到所述双链DNA的两条链之一。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述双链DNA包括脱氧核酶，所述脱氧核酶由所述金属离子激活。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其中测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中多个生物分子以约1×109至约5×1010个生物分子/mm2的密度连接在传感器表面。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中对分析物的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中使查询样品通过检测器包括以约1微升/分钟至约20微升/分钟的速率的查询样品流速通过传感器。
16.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：
抗原部分，所述抗原部分在抗原结合位点处结合抗体，所述抗体进一步包括与所述抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；
(b)使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点与查询样品中存在的分析物结合，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分；
(c)使混合物通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及(d)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括在混合物通过传感器之前对传感器进行缓冲清洗。
19.根据权利要求16至18中任一权利要求所述的方法，还包括在混合物通过传感器之后但在磁性颗粒通过传感器之前对传感器进行缓冲清洗。
20.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的方法，还包括在磁性颗粒通过传感器后对传感器进行缓冲清洗。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中所述分析物为金属离子。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述查询样品为水。
23.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述查询样品来自受试者的血液。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其中所述生物分子为蛋白质。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述蛋白质为牛血清白蛋白。
26.根据权利要求16至25中任一权利要求所述的方法，其中测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的方法，其中多个生物分子以约1×109至约5×1010个生物分子/mm2的密度连接在传感器表面。
28.根据权利要求16至27中任一权利要求所述的方法，其中对金属离子的检测灵敏度极限范围为约1纳摩尔至约10纳摩尔。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的方法，其中使混合物通过检测器包括混合物以约1微升/分钟至约20微升/分钟的速率通过传感器。
30.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：
配置为与检测蛋白结合的结合区域，所述检测蛋白也能够结合分析物；
其中，当检测蛋白结合分析物时，其防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；
(b)使检测蛋白通过传感器；
(c)使查询样品通过传感器；
(d)在查询样品通过传感器之后，使报告蛋白通过传感器，报告蛋白能够结合检测蛋白并且配置为与磁性纳米颗粒的报告蛋白结合；
(e)使报告蛋白通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及
(f)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括基于磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其进一步包括执行一次或多次缓冲清洗。
33.根据权利要求30至32中任一权利要求所述的方法，其中检测蛋白质和查询样品在通过传感器之前混合。
34.根据权利要求30至33中任一权利要求所述的方法，其中在检测蛋白通过传感器后，使查询样品通过传感器。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其中所述分析物为金属离子。
36.根据权利要求30至35中任一项所述的方法，其中所述查询样品为水。
37.根据权利要求30至35中任一项所述的方法，其中所述查询样品来自受试者的血液。
38.根据权利要求30至37中任一项所述的方法，其中所述生物分子为双链DNA(dsDNA)。
39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，其中所述检测蛋白质为包含标签的砷结合调节蛋白质。
40.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，其中所述检测蛋白质为包含标签的镉结合调节蛋白质。
41.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述标签为谷胱甘肽S-转移酶。
42.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述标签为聚组氨酸。
43.根据权利要求30至42中任一项所述的方法，其中所述报告蛋白为生物素化抗体。
44.根据权利要求30至43中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒包含链霉亲和素连接的纳米颗粒。
45.根据权利要求30至44中任一权利要求所述的方法，其中测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
46.根据权利要求30至45中任一项所述的方法，其中多个生物分子以每平方毫米1×109至约5×1010个生物分子的密度连接在传感器表面。
47.根据权利要求30至46中任一权利要求所述的方法，其中检测灵敏度极限在金属离子中约1纳摩尔至约10纳摩尔的范围内。
48.根据权利要求30至47中任一项所述的方法，其中使查询样品通过检测器包括以约1微升/分钟至约20微升/分钟的速率在传感器上的查询样品流速。
49.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括相连的磁性颗粒；
(b)使查询样品通过传感器，从而在存在分析物的情况下从生物分子中去除相连磁性颗粒；以及
(c)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于在查询样品通过传感器之前和之后确定磁阻，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
50.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述第一生物分子包括用于第二生物分子的条件结合位点，所述第二生物分子包括用于磁性颗粒的结合位点；
(b)使查询样品通过传感器；
(c)使第二生物分子穿过传感器；
(d)使查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及
(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述分析物的存在阻止第二生物分子的结合。
52.根据权利要求50所述的方法，其中所述分析物的存在使得所述第二分子能够结合到所述第一生物分子。
53.一种检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，当存在分析物时，所述生物分子包括磁性颗粒的结合位点；
(b)使查询样品通过传感器；
(c)使查询样品通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及
(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案。
54.根据权利要求49-53中任一权利要求所述的方法，还包括基于GMR传感器的磁阻变化计算查询样品中分析物的浓度。
55.根据权利要求49-54中任一项所述的方法，其中所述生物分子包括DNA。
56.根据权利要求49-54中任一项所述的方法，其中所述生物分子包括蛋白质。
57.一种配置为执行权利要求1至56中任何一项所述方法的系统，包括：
样品处理子系统；
传感器子系统，所述传感器子系统包括微流体网络，所述微流体网络包括GMR传感器，所述GMR传感器在传感器的功能化表面上布置有生物分子；
连接到多个接触垫的多条导线，所述导线用于将信号传输到处理器；
处理器；和
气动控制子系统，所述气动控制子系统用于在整个样品处理系统和传感器子系统中移动样品、试剂和溶剂。
58.一种检测样品中金属的存在、不存在或数量的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括表面和连接到所述表面的依赖于金属的脱氧核酶，其中所述脱氧核酶包括：
(i)包含多个脱氧核糖核苷酸、至少一个腺苷以及结合对第一部分的第一核酸，以及
(ii)包含多个脱氧核糖核酸和金属依赖催化结构域的第二核酸，其中第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补；
(b)使传感器与怀疑包含金属的液体样品接触；
(c)使所述传感器与包含所述结合对第二部分的可检测标签接触；以及
(d)检测与传感器表面相连的可检测标签的存在、不存在或数量。
59.根据权利要求58所述的方法，其中(b)的接触在(c)的接触之前或之后进行。
60.根据权利要求58或59所述的方法，其中所述传感器包含磁传感器且所述可检测标签包含磁性颗粒。
61.根据权利要求58至60中任一项所述的方法，其中所述传感器包含巨磁阻(GMR)传感器。
62.根据权利要求58至61中任一项所述的方法，其中(b)以及(c)的接触包括使流体流过传感器表面，其中所述流体包括液体样品或可检测标签。
63.根据权利要求58至62中任一项所述的方法，其中(d)的检测包括使流体流过传感器表面，其中所述流体包括可检测的标签、水、缓冲液或清洗液。
64.根据权利要求62或63所述的方法，其中所述流体以1微升/分钟至1000微升/秒的流速流过所述传感器。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述流速为约1微升/分钟至500微升/分钟。
66.根据权利要求62至65中任一项所述的方法，其中所述流体以100Hz至800Hz的流速流过所述传感器。
67.根据权利要求58至66中任一权利要求所述的方法，其中(d)的检测包括检测传感器表面或附近磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化。
68.根据权利要求58至67中任一项所述的方法，其中所述金属选自铅、锌、镁、钴和锰。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述金属为铅。
70.根据权利要求69所述的方法，其中所述第一核酸包含SEQ ID NO.1的核苷酸序列(5’-CTCACTATAGGAAGAGATGATGTCTGTAAATT-3’)，并且所述第二核酸包含SEQ ID NO.2的核苷酸序列(5’-ACAGACATCATCTCTGAAGTAGCGCCGCCGTATAGTGAG-3’)。
71.根据权利要求58至70中任一项所述的方法，其中所述结合对的第一部分包含生物素且所述结合对的第二部分包含链霉亲和素。
72.根据权利要求58至71中任一权利要求所述的方法，其中根据(d)的检测来确定样品中金属的存在、不存在或含量。
73.根据权利要求58至72中任一项所述的方法，其中所述样品的pH值在7至10范围内。
74.根据权利要求58至73中任一项所述的方法，其中所述样品的体积在1微升至500微升的范围内。
75.根据权利要求74所述的方法，其中所述样品的体积在100μl至300μl的范围内。
76.根据权利要求58至74中任一项所述的方法，其中所述样品包含水或水样品。
77.根据权利要求58至74中任一项所述的方法，其中所述样品包含无细胞血液制品。
78.根据权利要求58至77中任一项所述的方法，其中所述第一核酸共价结合至所述表面。
79.根据权利要求58至78中任一项所述的方法，其中所述第二核酸共价结合至所述表面。
80.根据权利要求58至79中任一项所述的方法，其中所述表面包含聚合物。
81.根据权利要求80所述的方法，其中所述聚合物包含交联PEG-PHEMA聚合物。
82.根据权利要求58至81中任一项所述的方法，其进一步包括在(b)之前，使传感器表面与表面活性剂接触。
83.根据权利要求82所述的方法，其中所述表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵。
84.根据权利要求58至83中任一项所述的方法，其中所述第一核酸包含包含所述腺苷残基的靶标裂解位点。
85.根据权利要求58至84中任一权利要求所述的方法，其中所述第一核酸的3’-端共价连接到所述表面，并且所述结合对第一部分连接到所述第一核酸的5’-端。
86.根据权利要求58至85中任一项所述的方法，其中多个脱氧核酶以约1×109至约5×1010脱氧核酶分子/mm2的密度连接在传感器表面。
87.根据权利要求1至86中任一项所述的方法，其中(d)对铅离子检测灵敏度极限在约1纳摩尔至约10纳摩尔的范围内。
88.根据权利要求1至87中任一项所述的方法，进一步包括在(b)之后，使传感器与清洗液接触，其中清洗液流过传感器表面。
89.根据权利要求88所述的方法，其中在检测(d)之前和期间，清洗溶液继续流过传感器。
90.根据权利要求88或89所述的方法，其中所述清洗溶液包含缓冲液。
91.根据权利要求90所述的方法，其中所述缓冲液包含HEPES。
92.根据权利要求1至91中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒包含磁性纳米颗粒。
93.根据权利要求1至92中任一项所述的方法，其中所述方法在微流控装置中执行。
94.根据权利要求93所述的方法，其中所述微流控装置包括阴性对照传感器。
95.根据权利要求93所述的方法，其中阴性对照传感器未与样品接触。
96.根据权利要求93至95中任一项所述的方法，其中所述微流控装置包括一个或多个阀门、样品室、清洗室、废物室、摄像机、辐射源、热源、隔膜泵、真空泵、记忆芯片、泵连接端口、样品加载端口和一个或多个电垫连接。
97.一种微流控装置，包括：
(a)磁传感器，包括表面；
(b)连接于表面的金属依赖性脱氧核酶；
(c)微流控通道；
(d)一个或多个腔室；以及
(e)一个或多个阀门或泵；
其中，微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。
98.根据权利要求97所述的微流控装置，其中所述脱氧核酶包括：
(i)包含多个脱氧核糖核酸、至少一个腺苷和结合对第一部分的第一核酸，以及
(ii)包含多个脱氧核糖核酸和金属依赖催化域的第二核酸，其中，第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补。
99.根据权利要求97所述的微流控装置，其中所述脱氧核酶包含：
(i)包含多个脱氧核糖核苷酸、至少一个腺苷和可检测标签的第一核酸，以及
(ii)包含多个脱氧核糖核酸和金属依赖催化结构域的第二核酸，其中第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补。
100.根据权利要求97至99中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括样品端口和样品室，其中样品端口和样品室可操作和/或流体连接至微流体通道和磁性传感器，样品端口靠近样品室，样品室靠近传感器。
101.根据权利要求97至100中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括包含磁性颗粒的第一腔室，其中所述第一腔室可操作地和/或流体连接到所述微流体通道和所述磁传感器，并且所述第一腔室靠近所述传感器。
102.根据权利要求97至101中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述磁传感器封装在第二腔室中。
103.根据权利要求97至102中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括可操作地连接到微流体通道和传感器的热源。
104.根据权利要求103所述的微流体装置，其中所述传感器包含所述热源。
105.根据权利要求103所述的微流体装置，其中热源靠近传感器。
106.根据权利要求97至105中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括第一废物室，其中所述第一废物室可操作地和/或流体连接到所述微流体通道和所述传感器，并且所述第一废物室位于所述传感器的远端。
107.根据权利要求97至106中任一权利要求所述的微流体装置，所述一个或多个泵包括隔膜泵或真空泵。
108.根据权利要求97至107中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置包含一个或多个可操作地连接至一个或多个阀门或一个或多个泵的电垫连接。
109.根据权利要求97至108中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述微流体装置包括记忆芯片。
110.根据权利要求97至109中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置具有3至10厘米的长度、1至5厘米的宽度及0.1至0.5厘米的厚度。
111.根据权利要求97至110中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述微流体装置布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
112.根据权利要求97至111中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述一个或多个阀门和/或一个或多个泵被配置为引导来自样品室、清洗室和/或磁性颗粒室的液体流过微流体通道，使得液体流过传感器表面并流入第一废物室。
113.根据权利要求97至112中任一权利要求所述的微流体装置，其配置为执行权利要求58至96中任一权利要求所述的方法。
114.一种检测样品中是否存在金属的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括表面和连接到所述表面的金属依赖性脱氧核酶，其中所述脱氧核酶包括：
(i)第一核酸，所述第一核酸包括多个脱氧核糖核酸、至少一个腺苷和可检测的标签，以及
(ii)包含多个脱氧核糖核酸和金属依赖催化结构域的第二核酸，其中第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补；
(b)将传感器与怀疑包含金属的液体样品接触；以及
(c)检测与传感器表面相连的可检测标签的存在、不存在或数量。
115.根据权利要求114所述的方法，其中所述可检测标签包含磁性颗粒。
116.一种检测样品中是否存在铅的方法，包括：
(a)提供一种微流控装置，其包括巨磁阻(GMR)传感器，所述巨磁阻传感器包括表面、连接到所述表面的铅依赖性脱氧核酶和可操作或流体连接到所述传感器的微流体通道，其中所述脱氧核酶包括：
(i)包含多个脱氧核糖核苷酸、至少一个腺苷和结合对第一部分的第一核酸，以及
(ii)包含多个脱氧核糖核酸和铅依赖催化结构域的第二核酸，其中第一核酸的一部分与第二核酸的一部分互补；
(b)将怀疑含有铅的液体样品引入微流体通道，其中样品流过传感器表面；
(c)将第一多个磁性颗粒引入微流体通道，其中颗粒悬浮在液体中，每个颗粒包括结合对第二部分，并且颗粒流过传感器的表面；以及
(d)检测与传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。
117.根据权利要求116所述的方法，其中步骤(b)在步骤(c)之前或之后执行。
118.根据权利要求116或117所述的方法，其中(d)的检测包括检测传感器表面或附近磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化。
119.根据权利要求116至118中任一项所述的方法，其中所述结合对的第一部分包含生物素且所述结合对的第二部分包含链霉亲和素。
120.一种检测样品中汞的存在、不存在或数量的方法，所述方法包括：
(a)提供磁传感器，其包括包含多个汞结合蛋白的表面，其中每个汞结合蛋白包含至少一个汞离子；
(b)将所述磁传感器与包含结合对第一部分的汞结合剂接触；
(c)将磁性传感器与怀疑包含汞的液体样品接触；
(d)将所述磁传感器与第一多个磁性颗粒接触，其中每个磁性颗粒包括所述结合对第二部分；和
(e)检测和磁性传感器表面相连的汞结合剂或磁性颗粒的存在、不存在或数量。
121.根据权利要求120所述的方法，还包括根据(e)的检测确定样品中汞的存在、不存在或数量。
122.根据权利要求120或121所述的方法，其中样品中汞的存在、不存在或数量根据在传感器表面检测到的磁性颗粒数量确定。
123.根据权利要求120至122所述的方法，其中每种汞结合蛋白质包含血清白蛋白或卵清蛋白。
124.根据权利要求123所述的方法，其中所述血清白蛋白为牛血清白蛋白。
125.根据权利要求120至124中任一权利要求所述的方法，其中每种汞结合蛋白共价连接到传感器表面。
126.根据权利要求120至125中任一项所述的方法，其中所述汞结合剂包含抗体或其抗原结合部分。
127.根据权利要求126所述的方法，其中所述抗体配置为特异性结合至汞离子。
128.根据权利要求120至127中任一项所述的方法，其中所述结合对第一部分包含生物素且所述结合对第二部分包含链霉亲和素。
129.根据权利要求120至128中任一项所述的方法，其中(b)的接触在(c)的接触之前、期间或之后进行。
130.根据权利要求120至129中任一项所述的方法，其中(c)的接触在(d)的接触之前、期间或之后进行。
131.根据权利要求120至130中任一权利要求所述的方法，其中(d)的接触在(c)的接触之前、期间或之后进行。
132.根据权利要求120至131中任一项所述的方法，其中(i)所述磁传感器布置在包含一个或多个微流体通道的微流体装置内，(ii)所述磁性颗粒布置在所述微流体装置的第一腔室中，(iii)(d)的接触包括通过第一微流体通道将磁性颗粒从第一腔室传输到传感器。
133.根据权利要求120至132中任一项所述的方法，其中(b)、(c)和/或(d)的接触包括使流体流过磁性传感器的表面，其中所述流体包括汞结合剂、液体样品或磁性颗粒。
134.根据权利要求133所述的方法，其中所述流动包含1微升/分钟至1000微升/秒的流速。
135.根据权利要求133所述的方法，其中所述流动包含1微升/分钟至500微升/分钟的流速。
136.根据权利要求133所述的方法，其中所述流动包含100Hz至800Hz的流速。
137.根据权利要求120至136中任一项所述的方法，其中所述磁传感器包括巨磁阻(GMR)传感器。
138.根据权利要求120至137中任一权利要求所述的方法，其中所述检测包括检测传感器表面或附近的磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化。
139.根据权利要求120至138中任一项所述的方法，其中所述样品的pH值在7至10范围内。
140.根据权利要求120至139中任一项所述的方法，其中所述样品的体积在1μl至500μl的范围内。
141.根据权利要求140所述的方法，其中所述样品的体积在100μl至300μl范围内。
142.根据权利要求120至141中任一项所述的方法，其中所述样品包含水或水样品。
143.根据权利要求120至141中任一项所述的方法，其中所述样品包含无细胞血液制品。
144.根据权利要求120至143中任一项所述的方法，其中所述表面包含聚合物。
145.根据权利要求144所述的方法，其中所述聚合物包含交联PEG-PHEMA聚合物。
146.根据权利要求140至145中任一项所述的方法，其进一步包括在(b)之前，将传感器表面与表面活性剂接触。
147.根据权利要求146所述的方法，其中所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、聚山梨酯20和Triton X-100。
148.根据权利要求147所述的方法，其中所述表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵。
149.根据权利要求120至148中任一项所述的方法，其中所述汞结合蛋白以约1×109至约5×1010分子/平方毫米的密度连接到传感器表面。
150.根据权利要求120至149中任一项所述的方法，其中(e)对汞离子的检测灵敏度极限在约1纳摩尔至约10纳摩尔的范围内。
151.根据权利要求120至150中任一项所述的方法，进一步包括在(b)、(c)和/或(d)之后，将传感器与清洗液接触，其中清洗液流过传感器表面。
152.根据权利要求151所述的方法，其中清洗溶液在检测(e)之前和/或期间继续流过传感器。
153.根据权利要求151或152所述的方法，其中传感器与清洗液的接触包括将清洗液从第二腔室通过第二微流体通道输送到传感器。
154.根据权利要求153所述的方法，其中所述第二腔室和所述第二微流体通道布置在所述微流体装置内。
155.根据权利要求120至154中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒包含磁性纳米颗粒。
156.根据权利要求132至155中任一项所述的方法，其中所述方法在微流控装置中执行。
157.根据权利要求132至156中任一项所述的方法，其中所述微流控装置包含第二磁性传感器。
158.根据权利要求157所述的方法，其中第二磁性传感器未与样品接触。
159.根据权利要求132至158中任一权利要求所述的方法，其中所述微流控装置还包括一个或多个组件，所述组件选自阀门、样品室、清洗室、废物室、热源、隔膜泵、真空泵、记忆芯片、泵连接端口、样品加载端口和电垫连接。
160.一种微流控装置，包括：
(a)磁性传感器，包括表面和连接到所述表面的多个汞结合蛋白，其中每个汞结合蛋白包含汞离子；
(b)一个或多个微流控通道；
(d)一个或多个腔室；以及
(e)一个或多个阀门或泵；
其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。
161.根据权利要求160所述的微流控装置，其进一步包括样品端口和样品室，其中(i)样品端口和样品室可操作和/或流体连接至一个或多个微流控通道和磁性传感器，(ii)样品端口靠近样品室，(iii)样品室靠近传感器。
162.根据权利要求160或161所述的微流控装置，其进一步包括包含磁性颗粒的第一腔室，其中所述第一腔室可操作地和/或流体连接到所述一个或多个微流控通道和所述磁传感器，所述第一腔室靠近所述传感器。
163.根据权利要求160至162中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述磁传感器封装在第二腔室中。
164.根据权利要求161至163中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括可操作地连接到一个或多个微流体通道和传感器的热源。
165.根据权利要求164所述的微流体装置，其中热源靠近传感器。
166.根据权利要求160或165中任一权利要求所述的微流控装置，其进一步包括第一废物室，其中所述第一废物室可操作地和/或流体连接到所述一个或多个微流控通道和所述磁传感器，所述第一废物室位于所述传感器的远端。
167.根据权利要求160至166中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述一个或多个泵包括隔膜泵或真空泵。
168.根据权利要求160至167中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置包含一个或多个可操作地连接至一个或多个阀门或一个或多个泵的电垫连接。
169.根据权利要求160至168中任一权利要求所述的微流控装置，其中所述微流控装置包括记忆芯片。
170.根据权利要求160至169中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置具有3至10厘米的长度、1至5厘米的宽度及0.1至0.5厘米的厚度。
171.根据权利要求160至170中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述微流体装置布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
172.根据权利要求160至171中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述一个或多个阀门和/或一个或多个泵被配置为引导液体从所述一个或多个腔室流过所述一个或多个微流体通道，使得液体流过所述传感器的表面并流入所述第一废物室。
173.根据权利要求160至172中任一项所述的微流控装置，其进一步包括包含多个汞结合剂的第二腔室。
174.根据权利要求173所述的微流体装置，其中第二腔室可操作和/或流体连接到一个或多个微流体通道和磁性传感器，并且第二腔室靠近传感器。
175.根据权利要求160至174中任一权利要求所述的微流体装置，其配置为执行权利要求120至159中任一权利要求所述的方法。
176.一种检测样品中汞的存在、不存在或数量的方法，所述方法包括：
(a)提供磁传感器，其包括包含多个汞结合蛋白的表面，其中每个汞结合蛋白包含至少一个汞离子；
(b)将磁性传感器与包含磁性颗粒的多个汞结合剂接触；
(c)将磁性传感器与怀疑包含汞的液体样品接触；和
(d)检测和磁性传感器表面相连的汞结合剂或磁性颗粒的存在、不存在或数量。
177.一种检测样品中是否存在砷的方法，所述方法包括：
(a)提供磁传感器，其包括表面和连接到所述表面的双链核酸双链，以及砷电阻操纵子阻遏物(arsR)，其中(i)所述双链包括arsR的阻遏物结合位点，(ii)所述arsR结合到阻遏物结合位点，(iii)所述arsR包括磁性颗粒；
(b)将磁性传感器与怀疑包含砷的液体样品接触；和
(c)检测是否存在与磁性传感器表面相连的磁性颗粒。
178.一种检测样品中是否存在砷的方法，所述方法包括：
(a)提供磁性传感器，其包括表面、连接于所述表面的核酸和砷抗性操纵子阻遏物(arsR)，其中(i)所述核酸包括用于所述arsR的阻遏物结合位点，并且(ii)所述arsR结合到所述核酸的阻遏物结合位点；
(b)将磁性传感器与怀疑包含砷的液体样品接触；
(c)使磁性传感器与多个磁性颗粒接触；和
(d)检测是否存在与磁性传感器表面相连的磁性颗粒。
179.根据权利要求177或178所述的方法，其中检测样品中砷的存在包括检测样品中的砷量。
180.根据权利要求179所述的方法，其中所述arsR包含所述结合对的第一部分，且所述磁性颗粒包含所述结合对的第二部分。
181.根据权利要求180所述的方法，其中所述结合对的第一部分包含生物素且所述结合对的第二部分包含链霉亲和素。
182.根据权利要求178至181中任一项所述的方法，其中(b)的接触在(c)的接触之前或之后进行。
183.根据权利要求178至182中任一项所述的方法，其中(i)所述磁传感器布置在包含一个或多个微流体通道的微流体装置内，(ii)所述磁性颗粒布置在所述微流体装置的第一腔室中，(iii)(c)的接触包括通过第一微流体通道将磁性颗粒从第一腔室传输到传感器。
184.根据权利要求178至183中任一项所述的方法，其中(b)或(c)的接触或(d)的检测包括使流体流过磁性传感器的表面，其中流体包括液体样品、磁性颗粒、清洗液、水或缓冲液。
185.根据权利要求184所述的方法，其中所述流动包括1微升/分钟到1000微升/秒的流速。
186.根据权利要求184所述的方法，其中所述流动包括1微升/分钟到500微升/分钟的流速。
187.根据权利要求184所述的方法，其中所述流动包含100Hz至800Hz的流速。
188.根据权利要求178至187中任一项所述的方法，其中所述磁传感器包括巨磁阻(GMR)传感器。
189.根据权利要求178至188中任一权利要求所述的方法，其中所述检测包括检测传感器表面或附近的磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化。
190.根据权利要求178至189中任一项所述的方法，其中所述arsR包括SEQ ID NO.为1的arsR。
191.根据权利要求178至190中任一权利要求所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:3)的核酸序列。
192.根据权利要求191所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-CTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:4)的核酸序列。
193.根据权利要求192所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-TCTGCA CTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC-3’(SEQ ID NO:5)的核酸序列。
194.根据权利要求191所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC TT-3’(SEQ ID NO:6)的核酸序列。
195.根据权利要求194所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-CATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC TT ATCCGCTTCGAAGA-3’(SEQ ID NO:7)的核酸序列。
196.根据权利要求195所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-CTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC TTATCCGCTTCGAAGA-3’(SEQ ID NO:8)的核酸序列。
197.根据权利要求196所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-TCTGCA CTTACACATTCGTTAAGTCATATATGTTTTTGAC TTATCCGCTTCGAAGA-3’(SEQ ID NO:9)的核酸序列。
198.根据权利要求177至197中任一项所述的方法，其中(d)的检测包括检测样品中砷的存在、不存在或含量。
199.根据权利要求178至198中任一项所述的方法，其中所述样品的pH值在7至10范围内。
200.根据权利要求178至199中任一项所述的方法，其中所述样品的体积在1微升至500微升的范围内。
201.根据权利要求200所述的方法，其中所述样品的体积在100μl到300μl的范围内。
202.根据权利要求178至201中任一项所述的方法，其中所述样品包含水或水样品。
203.根据权利要求178至201中任一项所述的方法，其中所述样品包含无细胞血液制品。
204.根据权利要求178至203中任一项所述的方法，其中所述核酸共价连接到所述表面。
205.根据权利要求178至204中任一项所述的方法，其中所述核酸包含双链核酸。
206.根据权利要求177至205中任一项所述的方法，其中所述表面包含聚合物。
207.根据权利要求206所述的方法，其中所述聚合物包含交联PEG-PHEMA聚合物。
208.根据权利要求178至207中任一项所述的方法，其进一步包括在(b)之前，将传感器表面与表面活性剂接触。
209.根据权利要求208所述的方法，其中所述表面活性剂包含十六烷基三甲基溴化铵。
210.根据权利要求178至209中任一项所述的方法，其中所述表面活性剂包含Triton。
211.根据权利要求178至210中任一项所述的方法，其中核酸以约1×109至约5×1010核酸分子/mm2的密度附着于传感器表面。
212.根据权利要求178至211中任一项所述的方法，其中(d)的检测灵敏度极限在砷离子约1纳摩尔至约10纳摩尔的范围内。
213.根据权利要求178至212中任一项所述的方法，进一步包括在(b)之后，将传感器与清洗液接触，其中清洗液流过传感器表面。
214.根据权利要求213所述的方法，其中在检测(d)之前和期间，清洗溶液继续流过传感器。
215.根据权利要求213或214所述的方法，其中，传感器与清洗液的接触包括将清洗液从第二腔室通过第二微流体通道输送至传感器。
216.根据权利要求215所述的方法，其中所述第二腔室和所述第二微流体通道布置在所述微流体装置内。
217.根据权利要求178至216中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒包含磁性纳米颗粒。
218.根据权利要求178至217中任一项所述的方法，其中所述方法在微流控装置中执行。
219.根据权利要求178至218中任一项所述的方法，其中所述微流控装置包含第二磁性传感器。
220.根据权利要求219所述的方法，其中第二磁性传感器未与样品接触。
221.根据权利要求178至220中任一权利要求所述的方法，其中所述微流控装置还包括一个或多个组件，所述组件选自阀门、样品室、清洗室、废物室、热源、隔膜泵、真空泵、记忆芯片、泵连接端口、样品加载端口和电垫连接。
222.一种检测样品中镉的存在、不存在或含量的方法，所述方法包括：
(a)提供磁性传感器，其包括表面和连接到所述表面的双链核酸双链，以及抗镉操纵子阻遏物(cadC)，其中(i)所述双链包含cadC的阻遏物结合位点，(ii)所述cadC结合到阻遏物结合位点，(iii)所述cadC包含磁性颗粒；
(b)将磁性传感器与怀疑含有镉的液体样品接触；和
(c)检测与磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。
223.一种检测样品中镉的存在、不存在或含量的方法，所述方法包括：
(a)提供磁性传感器，其包括表面、连接于所述表面的核酸和抗镉转录调节蛋白(cadC)，其中(i)所述核酸包含所述cadC的阻遏物结合位点，并且(ii)所述cadC结合到所述核酸的阻遏物结合位点；
(b)将磁性传感器与怀疑含有镉的液体样品接触；
(c)使磁性传感器与多个磁性颗粒接触；和
(d)检测和磁性传感器表面相连的磁性颗粒的存在、不存在或数量。
224.根据权利要求223所述的方法，其中所述cadC包括结合对第一部分，所述磁性颗粒包括结合对第二部分。
225.根据权利要求224所述的方法，其中所述结合对第一部分包含生物素且所述结合对第二部分包含链霉亲和素。
226.根据权利要求223至225中任一项所述的方法，其中(b)的接触在(c)的接触之前或之后进行。
227.根据权利要求223至226中任一项所述的方法，其中(i)所述磁传感器布置在包含一个或多个微流体通道的微流体装置内，(ii)所述磁性颗粒布置在所述微流体装置的第一腔室中，(iii)(c)的接触包括通过第一微流体通道将磁性颗粒从第一腔室传输到传感器。
228.根据权利要求223至227中任一项所述的方法，其中(b)或(c)的接触或(d)的检测包括使流体流过磁性传感器的表面，其中流体包括液体样品、磁性颗粒、清洗液、水或缓冲液。
229.根据权利要求228所述的方法，其中所述流动包含1微升/分钟至1000微升/秒的流速。
230.根据权利要求184所述的方法，其中所述流动包含1微升/分钟至500微升/分钟的流速。
231.根据权利要求184所述的方法，其中所述流动包含100Hz至800Hz的流速。
232.根据权利要求223至231中任一项所述的方法，其中所述磁传感器包括巨磁阻(GMR)传感器。
233.根据权利要求223至232中任一项所述的方法，其中所述检测包括检测传感器表面或附近的磁性颗粒的存在、不存在、数量或变化。
234.根据权利要求223至233中任一项所述的方法，其中所述cadC包含SEQ ID NO.2的cadC。
235.根据权利要求223至234中任一权利要求所述的方法，其中所述阻遏物结合位点包含5’-ATAATACACTCAAATAAATATTTGAATGAAGATG-3’(SEQ ID NO:10)的核酸序列。
236.根据权利要求177至235中任一项所述的方法，其中(d)的检测包括检测样品中镉的存在、不存在或含量。
237.根据权利要求223至236中任一项所述的方法，其中所述样品的pH值在7至10范围内。
238.根据权利要求223至237中任一项所述的方法，其中所述样品的体积在1μl至500μl的范围内。
239.根据权利要求238所述的方法，其中所述样品的体积在100μl到300μl的范围内。
240.根据权利要求223至239中任一项所述的方法，其中所述样品包含水或水样品。
241.根据权利要求223至239中任一项所述的方法，其中所述样品包含无细胞血液制品。
242.根据权利要求223至241中任一项所述的方法，其中所述核酸共价连接到所述表面。
243.根据权利要求223至242中任一项所述的方法，其中所述核酸包含双链核酸。
244.根据权利要求177至243中任一项所述的方法，其中所述表面包含聚合物。
245.根据权利要求244所述的方法，其中所述聚合物包含交联PEG-PHEMA聚合物。
246.根据权利要求223至245中任一项所述的方法，其进一步包括在(b)之前，将传感器表面与表面活性剂接触。
247.根据权利要求246所述的方法，其中所述表面活性剂包含溴化十六烷基三甲基铵。
248.根据权利要求223至247中任一项所述的方法，其中核酸以约1×109至约5×1010个核酸分子/mm3的密度连接在传感器表面。
249.根据权利要求223至248中任一项所述的方法，其中(d)的检测灵敏度极限在镉离子约1纳摩尔至约10纳摩尔的范围内。
250.根据权利要求223至249中任一项所述的方法，进一步包括在(b)之后，将传感器与清洗液接触，其中清洗液流过传感器表面。
251.根据权利要求250所述的方法，其中在检测(d)之前和期间，清洗溶液继续流过传感器。
252.根据权利要求250或251所述的方法，其中传感器与清洗液的接触包括将清洗液从第二腔室通过第二微流体通道输送到传感器。
253.根据权利要求252所述的方法，其中所述第二腔室和所述第二微流体通道布置在所述微流体装置内。
254.根据权利要求223至253中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒包含磁性纳米颗粒。
255.根据权利要求227至254中任一项所述的方法，其中所述方法在所述微流控装置中执行。
256.根据权利要求227至255中任一项所述的方法，其中所述微流控装置包含第二磁性传感器。
257.根据权利要求256所述的方法，其中第二磁性传感器未与样品接触。
258.根据权利要求227至257中任一项所述的方法，其中所述微流控装置还包括一个或多个组件，所述组件选自阀门、样品室、清洗室、废物室、热源、隔膜泵、真空泵、记忆芯片、泵连接端口、样品加载端口和电垫连接。
259.一种微流控装置，包括：
(a)磁性传感器，其包括表面、连接于所述表面的核酸和砷抗性操纵子阻遏物(arsR)，其中(i)所述核酸包含arsR的阻遏物结合位点，并且(ii)所述arsR结合到所述核酸的阻遏物结合位点；
(b)一个或多个微流控通道；
(d)一个或多个腔室；以及
(e)一个或多个阀门或泵；
其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。
260.一种微流控装置，包括：
(a)磁性传感器，其包括表面、连接于所述表面的核酸和抗镉操纵子阻遏物(cadC)，其中(i)所述核酸包含cadC的阻遏物结合位点，并且(ii)所述cadC结合到所述核酸的阻遏物结合位点；
(b)一个或多个微流控通道；
(d)一个或多个腔室；以及(e)一个或多个阀门或泵；
其中，一个或多个微流控通道与传感器、一个或多个腔室以及一个或多个阀门或泵可操作地连接和/或流体连接。
261.根据权利要求259或260所述的微流控装置，其进一步包括样品端口及样品室，其中(i)样品端口及样品室以可操作及/或流体方式连接至一个或多个微流控通道及磁性传感器，(ii)样品端口接近样品室，及(iii)样品室接近传感器。
262.根据权利要求259至261中任一项所述的微流体装置，其进一步包括包含磁性颗粒的第一腔室，其中所述第一腔室可操作地和/或流体连接到所述一个或多个微流体通道和所述磁传感器，并且所述第一腔室靠近所述传感器。
263.根据权利要求259至262中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述磁传感器封装在第二腔室中。
264.根据权利要求259至262中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括可操作地连接到一个或多个微流体通道和传感器的热源。
265.根据权利要求264所述的微流体装置，其中热源靠近传感器。
266.根据权利要求259至265中任一权利要求所述的微流体装置，其进一步包括第一废物室，其中所述第一废物室可操作地和/或流体连接到所述一个或多个微流体通道和所述磁传感器，所述第一废物室位于所述传感器的远端。
267.根据权利要求259至266中任一权利要求所述的微流体装置，所述一个或多个泵包括隔膜泵或真空泵。
268.根据权利要求259至267中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置包含一个或多个可操作地连接至一个或多个阀门或一个或多个泵的电垫连接。
269.根据权利要求259至268中任一权利要求所述的微流控装置，其中所述微流控装置包括记忆芯片。
270.根据权利要求259至269中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体装置具有3至10厘米的长度、1至5厘米的宽度及0.1至0.5厘米的厚度。
271.根据权利要求259至270中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述微流体装置布置在包含聚合物塑料的基本平坦的基底上。
272.根据权利要求259至271中任一权利要求所述的微流体装置，其中所述一个或多个阀门和/或一个或多个泵被配置为引导液体从所述一个或多个腔室流过所述一个或多个微流体通道，使得所述液体流过所述传感器的表面并流入所述第一废物室。
273.根据权利要求259至272中任一权利要求所述的微流体装置，其配置为执行权利要求177至258中任一权利要求所述的方法。
274.一种检测样品中是否存在金属的方法，所述方法包括：
(a)提供磁性传感器，其包括一个表面、多个连接到所述表面的双链核酸双链体和多个金属调节阻遏蛋白(MRP)，其中(i)每个双链体包括阻遏物结合位点，(ii)每个阻遏物结合位点结合到至少一个MRP，(iii)每个磁流变液包括磁性颗粒；
(b)将磁性传感器与怀疑包含金属的液体样品接触；和
(c)检测是否存在与磁性传感器表面相连的磁性颗粒。
275.一种检测样品中是否存在金属的方法，所述方法包括：
(a)提供磁性传感器，其包括表面、连接于所述表面的核酸和金属调节阻遏蛋白(MRP)，其中(i)所述核酸包含MRP的阻遏物结合位点，(ii)阻遏物结合位点结合到MRP，(iii)所述MRP包含结合对第一部分；
(b)将磁性传感器与怀疑包含金属的液体样品接触；
(c)使磁性传感器与多个磁性颗粒接触，其中每个磁性颗粒包括结合对第二部分；和
(d)检测是否存在与磁性传感器表面相连的磁性颗粒。
276.根据权利要求274或275所述的方法，其中检测样品中金属的存在包括检测样品中金属的量。
277.根据权利要求274至276中任一项所述的方法，其中检测与所述表面相连的磁性颗粒的存在包括检测与所述表面相连的磁性颗粒的量。
278.根据权利要求274至277中任一权利要求所述的方法，其中(d)的检测包括检测传感器表面的磁性颗粒数量和数量变化。
279.根据权利要求274至278中任一项所述的方法，其中根据(d)的检测来确定样品中金属的存在、不存在或数量。
280.根据权利要求274至279中任一项所述的方法，其中(i)所述金属为砷且所述MRP为砷抗性操纵子阻遏物(arsR)或(ii)所述金属为镉且所述MRP为镉抗性操纵子阻遏物(cadC)。
281.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括在查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器。
282.根据权利要求16所述的方法，其中步骤(c)包括在混合物通过传感器后使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器。
283.根据权利要求30所述的方法，其中步骤(e)包括在报告蛋白通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器。
284.根据权利要求50所述的方法，其中步骤(d)包括在查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器。
285.根据权利要求53所述的方法，其中步骤(c)包括在查询样品通过传感器后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器。
286.根据权利要求281至285中任一项所述的方法，其中所述结合对的第一部分包含链霉亲和素且所述结合对第二部分包含生物素。
287.根据权利要求281至285中任一项所述的方法，其中所述结合对第一部分包含生物素且所述结合对第二部分包含链霉亲和素。
288.根据权利要求281至287中任一项所述的方法，其中GMR传感器的磁阻变化包括放大的磁阻变化。
289.一种放大检测信号的方法，用于检测查询样品中是否存在分析物，所述方法包括：
提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：
共价结合到生物分子的可裂解部分，裂解被查询样品中存在的分析物催化；和
与生物分子的可裂解部分相连的受体，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；
(a)使查询样品通过传感器，从而允许在存在分析物的情况下从生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；
(b)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及
(c)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
290.一种放大检测信号以检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括：
抗原部分，其在抗原结合位点处结合抗体，所述抗体进一步包括与所述抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；
(b)使查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点结合查询样品中存在的分析物，从而防止抗体结合到生物分子的抗原部分；
(c)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；和
(d)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
291.一种放大检测信号以检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的生物分子，所述生物分子包括
配置为与检测蛋白结合的结合区域，检测蛋白也能够结合分析物；
其中，当检测蛋白结合分析物时，其防止检测蛋白结合到生物分子的结合区域；
(b)使检测蛋白通过传感器；
(c)使查询样品通过传感器；
(d)在查询样品通过传感器之后，使报告蛋白通过传感器，报告蛋白能够结合检测蛋白和配置为与磁性纳米颗粒的报告蛋白结合；
(e)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及
(f)通过测定GMR传感器的放大磁阻变化来检测金属离子的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定；从而放大检测信号。
292.一种放大检测信号以检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，所述第一生物分子包括用于第二生物分子的条件结合位点，所述第二生物分子包括用于磁性颗粒的结合位点；
(b)使查询样品通过传感器；
(c)使第二生物分子穿过传感器；
(d)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及
(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案；从而放大检测信号。
293.一种放大检测信号以检测查询样品中是否存在分析物的方法，包括：
(a)提供传感器，其包括布置在巨磁阻(GMR)传感器的功能化表面上的第一生物分子，当存在分析物时，所述生物分子包括磁性颗粒的结合位点；
(b)使查询样品通过传感器；
(c)在查询样品通过传感器之后，使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器；以及
(e)通过测定GMR传感器的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定，其中，测定GMR传感器的磁阻变化包括使用至少一个参考电阻器来执行GMR传感器磁阻变化的相敏解决方案；从而放大检测信号。
294.根据权利要求289至293中任一项所述的方法，其中所述结合对第一部分包含链霉亲和素且所述结合对第二部分包含生物素。
295.根据权利要求289至293中任一项所述的方法，其中所述结合对第一部分包含生物素且所述结合对第二部分包含链霉亲和素。
296.根据权利要求289至295中任一项所述的方法，其中，GMR传感器的磁阻变化包括放大的磁阻变化。
297.一种在多重检测方案中检测一个或多个查询样品中是否存在一个或多个分析物的方法，所述方法包括：
提供空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中至少两个GMR传感器包括布置在至少两个(GMR)传感器的功能化表面上的至少两个不同的生物分子，每个不同的生物分子包括：
共价结合到至少两个生物分子的可裂解部分，裂解被一个或多个查询样品中的一个或多个分析物中的至少一个催化；和
与生物分子的可裂解部分相连的受体，所述受体能够结合磁性纳米颗粒；
(a)使一个或多个查询样品通过传感器，从而允许在存在一个或多个分析物中的至少一个的情况下，从至少两个生物分子中裂解和移除带有相连受体的可裂解部分；
(b)在一个或多个查询样品通过传感器之后，使磁性颗粒通过传感器；以及(c)通过测量至少两个GMR传感器中的至少一个的磁阻变化来检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物中的至少一个的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
298.一种检测一个或多个查询样品中是否存在一个或多个分析物的方法，包括在多重检测方案中：
(a)提供至少两个空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中至少两个GMR传感器包括至少两个不同的生物分子，布置在至少两个(GMR)传感器的功能化表面上，每个不同的生物分子包括：
抗原部分，其在抗原结合位点处结合抗体，所述抗体进一步包括与所述抗原结合位点分离的部分，所述抗原结合位点被配置为与磁性纳米颗粒结合；
(b)使一个或多个查询样品和抗体的混合物通过传感器，其中抗体的抗原结合位点结合一个或多个分析物(如果存在于一个或多个查询样品中)，从而防止抗体结合到至少两个生物分子中至少一个的抗原部分；
(c)使混合物通过传感器后，使磁性颗粒通过传感器；以及
(d)通过测量至少两个GMR传感器中的至少一个的磁阻变化来检测查询样品中分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
299.一种检测一个或多个查询样品中一个或多个分析物存在的方法，包括在多重检测方案中，包括：
(a)提供至少两个空间布置的巨磁阻(GMR)传感器，其中至少两个GMR传感器包括布置在GMR传感器的功能化表面上的至少两个不同的生物分子，每个不同的生物分子包括：
结合区域，其被配置为与至少两种不同检测蛋白质中的一种结合，所述至少两种不同检测蛋白质也能够结合所述一种或多种分析物中的一种；
其中，当所述至少两种不同检测蛋白质中的一种结合所述分析物中的一种时，其阻止所述至少两种检测蛋白质中的所述一种结合到所述生物分子的结合区域；
(b)使至少两种不同的检测蛋白通过传感器；
(c)使一个或多个查询样品通过传感器；
(d)在一个或多个查询样品通过传感器之后，使至少一个报告蛋白通过传感器，所述至少一个报告蛋白能够结合至少两个检测蛋白并配置为与磁性颗粒的至少一个报告蛋白结合；
(e)在至少一种报告蛋白通过传感器之后，使磁性颗粒通过传感器；和
(f)通过测量至少两个GMR传感器的磁阻变化来检测一个或多个分析物的存在，所述磁阻变化基于磁性颗粒通过传感器前后的磁阻确定。
300.根据权利要求297至299中任一项所述的方法，其中所述至少两个专门布置的GMR传感器布置在GMR传感器芯片的通道中，其中所述GMR传感器芯片包括至少一个通道。
301.根据权利要求297至300中任何一项所述的方法，其中至少两个空间布置的GMR传感器布置在GMR传感器芯片的通道中，其中GMR传感器芯片包括多个通道。
302.根据权利要求297至299中任何一项所述的方法，其中至少两个专门布置的GMR传感器各自是GMR传感器芯片的不同通道，其中GMR传感器芯片包括多个通道。
303.根据权利要求297至302中任一项所述的方法，其中使磁性颗粒通过传感器包括在报告蛋白通过传感器后使包含结合对第一部分的多个磁性颗粒通过传感器，然后使包含结合对第二部分的多个磁性颗粒通过传感器，其中，GMR传感器的磁阻变化包括GMR传感器的放大磁阻变化。
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