CN117242347A - 用于检测样品分析物的结构和方法 - Google Patents

Abstract

本文提供了用于检测样品中存在的一个或多个分析物分子的结构和方法。在一些实施例中，使用一个或多个超分子结构来检测该一个或多个分析物分子。在一些实施例中，这些超分子结构利于单个检测器分子的结合。在一些实施例中，稳定状态超分子结构被配置为提供用于分析物分子检测和定量的信号。在一些实施例中，该信号与DNA信号相关，使得分析物分子的检测和定量包括将该分析物分子的存在转换为DNA信号。

Description

用于检测样品分析物的结构和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年2月23日提交的并且题为“用于检测样品分析物的结构和方法(STRUCTURE AND METHODS FOR DETECTION OF SAMPLE ANALYTES)”的美国临时申请号63/152,607的优先权和权益，该美国临时申请的公开内容特此通过引用以其全文并入。

背景技术

目前的个性化医疗绝大多数是以基因组为中心的，主要侧重于定量个体体内存在的基因。虽然这种方法已被证明非常有效，但它并不能为临床医生提供个人健康状况的完整图景。这是因为基因是个体的“蓝图”，它仅仅告知形成疾病的可能性。在个体中，这些“蓝图”首先需要被转录成RNA，然后翻译成各种蛋白质分子，即细胞中真正的“起作用的东西”，才能对个体的健康产生影响。

蛋白质的浓度、蛋白质之间的相互作用(蛋白质-蛋白质相互作用或PPI)以及蛋白质与其他分子之间的相互作用与不同器官的健康、稳态调节机制以及这些系统与外部环境的相互作用存在错综复杂的关系。因此，有关蛋白质和蛋白质相互作用(例如PPI)的定量信息对于全面了解给定时间点的个人健康状况以及预测任何新出现的健康问题至关重要。例如，可以通过测量周围血液中肌钙蛋白I/II和肌球蛋白轻链的浓度来推断心肌承受的压力大小(例如心脏病发作期间)。类似的蛋白质生物标志物也已被鉴定、验证并用于广泛多种器官功能障碍(例如肝脏疾病和甲状腺疾病)、特定癌症(例如结直肠癌或前列腺癌)和传染病(例如HIV和寨卡病毒)。这些蛋白质之间的相互作用对于药物开发也至关重要，并且越来越成为备受追捧的数据集。检测和定量给定体液样品中的蛋白质以及蛋白质与其他分子的相互作用的能力是此类医疗保健发展的组成部分。

发明内容

本公开总体上涉及用于检测和定量样品中的分析物分子的系统、结构和方法。

在一些实施例中，本文提供了一种用于检测样品中存在的分析物分子的方法，该方法包括：a)提供超分子结构，其包含：核心结构，其包含多个核心分子和在第一位置处联系至该核心结构的捕获分子，b)使该样品与该超分子结构接触，以及c)提供检测器分子组合物；以及d)基于由该检测器分子组合物提供的信号和由该超分子结构提供的相关信号来检测该分析物分子。

在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括定量样品中分析物分子的浓度。在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括识别检测到的分析物分子。在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括当分析物分子以单个分子的计数或更高的计数存在于样品中时基于信号检测分析物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构是纳米结构。

在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构是纳米结构。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(DNA)折纸结构、支架式核糖核酸(RNA)折纸结构、支架式杂合DNA:RNA折纸结构、单链DNA平铺结构、多链DNA平铺结构、单链RNA折纸结构、多链RNA平铺结构、具有多个支架的阶级组成的DNA或RNA折纸结构、肽结构或其组合。

在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，相应分析物分子1)通过化学键结合至相应超分子结构的捕获分子和/或2)通过化学键结合至检测器分子组合物的检测器分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，捕获分子和检测器分子独立地包含蛋白质、肽、抗体、适体(RNA和DNA)、荧光团、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物例如PEG或其组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，其中对于每个超分子结构：a)捕获分子通过捕获条形码联系至核心结构，其中捕获条形码包含第一捕获接头、第二捕获接头以及设置在第一捕获接头和第二捕获接头之间的捕获桥，其中第一捕获接头结合至第一核心接头，该第一核心接头结合至核心结构上的第一位置，其中捕获分子和第二捕获接头通过结合至第三捕获接头而联系在一起，以及b)检测器分子组合物包括检测器条形码，其中检测器条形码包含一个或多个接头。在一些实施例中，捕获桥和检测器分子组合物独立地包含聚合物核心。在一些实施例中，捕获桥的聚合物核心和检测器分子组合物的聚合物核心独立地包含特定序列的核酸(DNA或RNA)或聚合物如PEG。

在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构进一步包含连接至核心结构的锚分子。在一些实施例中，锚分子经由锚条形码联系至核心结构，其中锚条形码包含第一锚接头、第二锚接头以及设置在第一锚接头和第二锚接头之间的锚桥，其中第一锚接头与第三核心接头结合，该第三核心接头与核心结构上的第三位置结合，其中锚分子与第二锚接头连接。在一些实施例中，锚分子包含胺、硫醇、DBCO、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺(acrydite)、NHS-酯、特定序列的单链核酸(RNA或DNA)、一种或多种聚合物如PEG或聚合引发剂或其组合。在一些实施例中，锚桥包含聚合物核心。在一些实施例中，锚桥的聚合物核心包含特定序列的核酸(DNA或RNA)或聚合物如PEG。在一些实施例中，第三核心接头、第一锚接头、第二锚接头和锚分子独立地包含锚反应性分子或DNA序列结构域。在一些实施例中，每个锚反应性分子独立地包含胺、硫醇、DBCO、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、NHS-酯、特定序列的单链核酸(RNA或DNA)、一种或多种聚合物如PEG或聚合引发剂或其组合。在一些实施例中，锚分子通过化学键联系至第二锚接头。在一些实施例中，锚分子与第二锚接头共价键合。

在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，信号包括检测器条形码、捕获条形码或其组合，对应于结合至分析物的超分子结构，该分析物又结合至检测器分子组合物。在一些实施例中，每个检测器条形码提供对应于检测器分子的DNA信号并提供指示其对于与相应检测器分子结合的分析物分子的特异性的信息。在一些实施例中，使用基因分型、qPCR、测序或其组合来分析检测器条形码。在一些实施例中，通过多重复用同时检测样品中的多个分析物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构的捕获分子和检测器分子被配置为结合一种或多种特定类型的分析物分子。

在一些实施例中，对于包括使用本文公开的多个超分子结构的任何方法，多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。在一些实施例中，每个超分子结构包含规定的形状、尺寸、分子量或其组合，以减少或消除多个超分子结构之间的交叉反应。在一些实施例中，每个超分子结构包含多个捕获分子。在一些实施例中，每个超分子结构包含规定化学计量的捕获分子和检测器分子，以便减少或消除多个超分子结构之间的交叉反应。

在一些实施例中，一个或多个超分子结构附接至水凝胶多孔基质。在一些实施例中，每个超分子结构通过联系至相应超分子结构的相应核心结构的相应锚分子与水凝胶共聚。在一些实施例中，一个或多个超分子结构嵌入水凝胶内。在一些实施例中，多个超分子结构设置在基底上，例如具有形状的基底或平面基底上，其中基底包含多个结合位点，其中每个结合位点被配置为与相应的超分子结构联系。在一些实施例中，多个超分子结构被配置为检测相同的分析物分子。在一些实施例中，对于包括使用基底的任何方法，该方法进一步包括提供与检测器分子联系的多个信号传导元件。在一些实施例中，每个信号传导元件包含荧光分子或微珠、荧光聚合物、高电荷纳米颗粒或聚合物。在一些实施例中，多个超分子结构中的至少一个超分子结构被配置为检测与其他超分子结构不同的分析物分子。

在一些实施例中，对于包括使用平面基底的任何方法，进一步包括对每个超分子结构进行条形码化，以便识别每个超分子结构在平面基底上的位置。在一些实施例中，对于包括使用平面基底的任何方法，该方法包括提供本文所提供的多个信号传导元件，其被配置为与检测器分子联系。

在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包含生物颗粒或生物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包含水溶液，该水溶液包含蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、病毒颗粒、外来体、细胞器、或其任何复合物。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包括组织活检、血液、血浆、尿液、唾液、泪液、脑脊液、胞外液、培养细胞、培养基、废弃组织、植物物质、合成蛋白质、朊病毒、细菌和/或病毒样品或真菌组织、或其组合。在使样品与本文提供的超分子结构接触之前，可以对样品进行处理以从细胞中释放分析物或以其他方式制备用于分析的样品。样品可以是环境样品，例如废水或土壤样品。样品还可以是非生物样品。在实施例中，样品可以是来自化学处理步骤的样品、食品或营养组分的样品、或包装组分的样品。

在一些实施例中，本文提供了用于检测样品中的一个或多个分析物分子的基底，该基底包含多个超分子结构，每个超分子结构包含：a)包含多个核心分子的核心结构，和b)联系至超分子核心的捕获分子。

在一些实施例中，多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。在一些实施例中，基底包括固体支持物、固体基底、聚合物基底或分子缩合物。在一些实施例中，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，一个或多个分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，每个超分子结构是纳米结构。在一些实施例中，每个核心结构是纳米结构。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，每个核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(DNA)折纸结构、支架式核糖核酸(RNA)折纸结构、支架式杂合DNA:RNA折纸结构、单链DNA平铺结构、多链DNA平铺结构、单链RNA折纸结构、多链RNA平铺结构、具有多个支架的阶级组成的DNA或RNA折纸结构、肽结构或其组合。在一些实施例中，相应的分析物分子1)通过化学键结合至捕获分子和/或2)通过化学键结合至检测器分子。在一些实施例中，捕获分子和检测分子独立地包含蛋白质、肽、抗体、适体(RNA和DNA)、荧光团、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物例如PEG或其组合。

在一些实施例中，其中对于基底的每个超分子结构：a)捕获分子通过捕获条形码联系至核心结构，其中捕获条形码包含第一捕获接头、第二捕获接头以及设置在第一捕获接头和第二捕获接头之间的捕获桥，其中第一捕获接头结合至第一核心接头，该第一核心接头结合至核心结构上的第一位置，其中捕获分子和第二捕获接头通过结合至第三捕获接头而联系在一起。捕获分子与分析物结合，该分析物又与检测器分子组合物的检测器分子结合。在实施例中，检测器分子组合物包括不与捕获分子联系并且在基底上不固定的单独的超分子结构。

在一些实施例中，包括捕获分子的超分子结构直接与基底材料相互作用以将超分子结构固定在基底上。在一些实施例中，包括捕获分子的超分子结构进一步包含联系至核心结构的如本文提供的锚分子，并且锚分子联系至基底以将超分子结构固定在基底上。

在一些实施例中，从基底读取或检测到的信号包括可以使用光学传感器、磁传感器和/或电传感器进行分析的检测器条形码、捕获条形码或其组合。检测技术包括电化学感测、基因分型、qPCR、测序或其组合。在一些实施例中，一个或多个超分子结构被配置为多重处理样品，其中同时检测样品中的多个分析物分子。在一些实施例中，每个超分子结构的捕获分子被配置为结合一种或多种特定类型的分析物分子。

在一些实施例中，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，超分子结构是纳米结构。在一些实施例中，核心结构是纳米结构。在一些实施例中，超分子结构包含规定的形状、尺寸、分子量或其组合，以减少或消除与另一超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，超分子结构包含多个捕获分子。

在一些实施例中，核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(DNA)折纸结构、支架式核糖核酸(RNA)折纸结构、支架式杂合DNA:RNA折纸结构、单链DNA平铺结构、多链DNA平铺结构、单链RNA折纸结构、多链RNA平铺结构、具有多个支架的阶级组成的DNA或RNA折纸结构、肽结构或其组合。

附图说明

现在将参考附图描述所公开的装置、递送系统或方法的具体实施例。该详细描述中的任何内容均无意暗示任何特定组分、特征或步骤对于本发明是必不可少的。

图1示出了根据本公开实施例的超分子结构和相关子组分。

图2示出了根据本公开的实施例的具有相关联的分析物和检测器分子组合物的超分子结构。

图3示出了根据本公开的实施例的图1的超分子结构，其具有相关联的分析物和检测器分子组合物以及相关的子组分。

图4示出了根据本公开的实施例的具有相关联的分析物和检测器分子组合物的超分子结构，该检测器分子组合物包括检测核心结构。

图5示出了根据本公开的实施例，超分子结构和检测器分子组合物与分析物的特异性结合。

图6示出了根据本公开实施例的不与超分子结构特异性结合的分析物。

图7示出了根据本公开的实施例，分析物和检测器结合至超分子结构阵列的工作流程。

图8示出了根据本公开的实施例，与分析物检测结合使用的示例捕获分子识别。

图9示出了根据本公开的实施例的分析物检测的实例。

图10示出了根据本公开的实施例的分析物检测的实例。

图11示出了根据本公开的实施例的可用于分析物检测的超分子结构阵列的实例。

图12示出了根据本公开的实施例的可用于分析物检测的超分子结构阵列的实例。

图13示出了根据本公开的实施例的可用于分析物检测的超分子结构阵列的实例。

图14示出了根据本公开的实施例的可用于抗原检测的超分子结构阵列的实例。

图15示出了根据本公开的实施例的可用于分析物检测的多孔基质超分子结构阵列的实例。

图16示出了根据本公开的实施例的示例分析物检测系统的框图。

具体实施方式

本文公开了用于检测样品中存在的一个或多个分析物分子的结构和方法。在一些实施例中，基于通过一个或多个超分子结构的捕获来检测一个或多个分析物分子。在一些实施例中，一个或多个超分子结构包括或联系至捕获分子，该捕获分子特异性结合至样品中存在的分析物。结合的分析物进而与检测器分子组合物的检测器分子相互作用，该检测器分子组合物具有可检测部分，诸如独特标识(例如，核酸序列、肽、多糖、丙烯酸亚磷酰胺)和/或包括可检测的其他分子、与可检测的其他分子相互作用或可用于对接(例如，以光学、电学、磁性方式)可检测的其他分子的分子。在一些实施例中，检测器分子组合物生成DNA信号，使得对分析物分子与捕获分子的结合的检测和定量包括通过扩增超分子结构的独特标识将分析物分子的存在转换为DNA信号。在一些实施例中，检测器分子组合物联系至将基底转化为光学可检测信号的酶。在实施例中，超分子结构是联系至或固定在基底上的核酸折纸结构。在实施例中，超分子结构通过条形码携带捕获分子，该条形码包括捕获分子的独特标识并且将捕获分子联系至超分子结构的支架。

在一些实施例中，所公开的技术提供了一种单分子酶联免疫吸附测定(ELISA)，其中超分子结构和相关联的捕获分子作为捕获实体工作，并且检测器分子组合物作为用于生成检测信号(例如，当与使用检测系统的传感器感测到的适当的检测试剂反应时)的检测实体工作。使用超分子结构作为捕获实体允许固定在基底上的每个单独捕获分子的特异性识别，并且在一些实施例中绘图允许固定在基底上的每个单独捕获分子的位置图形化。此外，超分子结构被配置为组织在基底上或多孔材料内以允许单分子结合。

因此，如本文所提供的，可以将可检测的分析物结合与基底上的许多不同捕获分子中的单独捕获分子相关联，以生成测定结果，其中对多种不同分析物的分析物池的结合特性进行特征归纳。这又允许分析具有未表征的分析物组成的样品的目的分析物的存在和/或浓度。例如，可以对人样品进行特征归纳，以确定抗原捕获分子的组中对特定抗原具有结合特异性的抗体的存在和/或浓度，使得捕获分子代表已知的传染病抗原组。测定结果可以显示与特定抗原相关的阳性结合结果，这表明提供样品的受试者中存在抗体。在另一个实施例中，样品中分析物的身份可以是至少部分已知的，但是它们的结合亲和力可能无法针对特定的捕获分子池进行特征归纳。例如，捕获分子可以是一组候选药物，分析物可以是人血液中的分子。候选药物与此类蛋白质的结合可用于评估生物利用度或潜在的脱靶结合。测定结果可以展示与特定候选药物相关的阳性结合结果，其进而可以被映射到特定的分析物，这基于对特定检测器结合的识别(例如，通过包括分析物特异性抗体的检测器分子组合物中的条形码识别来识别结合)。

虽然常规的ELISA方案可以包括由联系至检测抗体的酶生成的可检测荧光信号作为结合的指示，但是所公开的技术可以附加地或可替代地提供来自检测器分子组合物的独特标识的放大的核酸信号，并且可以从中确定序列信息，或从中释放对应于扩增的光学可检测信号(例如，使用对独特标识具有特异性的引物/探针组进行qPCR)。因此，在某些实施例中，检测器分子组合物的独特身份信息允许特异性识别经由结合的分析物联系至捕获分子的特定检测器分子。然而，在一些实施例中，检测器分子组合物可以不携带独特标识。其他检测技术可以包括光学、磁力和/或电学检测技术。

样品

所公开的实施例涉及分析物检测，其中分析物存在于样品(例如生物样品)中。在一些实施例中，样品包含水溶液，该水溶液包含蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，样品中的分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，分析物分子包含完整蛋白质、变性蛋白质、部分或完全降解的蛋白质、肽片段、变性核酸、降解的核酸片段、其复合物或其组合。在一些实施例中，样品获自组织、细胞、组织和/或细胞的环境、或其组合。在一些实施例中，样品包含组织活检、血液、血浆、尿液、唾液、泪液、脑脊液、胞外液、培养细胞、培养基、废弃组织、植物物质、合成蛋白质、细菌、病毒样品、真菌组织、或其组合。在一些实施例中，样品从例如经纯化或未经纯化的细胞、组织、体液(例如血液)、环境样品或其组合等主要来源分离。在一些实施例中，使用机械过程或其他细胞裂解方法(例如，裂解缓冲液)来裂解细胞。在一些实施例中，使用机械过程(例如，离心)、微米过滤、色谱柱、其他过滤方法或其组合来过滤样品。在一些实施例中，用一种或多种酶处理样品以去除一种或多种核酸或一种或多种蛋白质。在一些实施例中，样品包含完整蛋白质、变性蛋白质、部分或完全降解的蛋白质、肽片段、变性核酸或降解的核酸片段。在一些实施例中，样品收集自一个或多个个人、一个或多个动物、一个或多个植物或其组合。在一些实施例中，样品收集自患有疾病或障碍的个人、动物和/或植物，该疾病或障碍包括传染病、免疫障碍、癌症、遗传病、退行性疾病、生活方式疾病、损伤、罕见疾病、年龄相关疾病或其组合。

超分子结构

在一些实施例中，超分子结构是可以在空间上组织分子的可编程结构。在一些实施例中，超分子结构包含联系在一起的多个分子。在一些实施例中，超分子结构的多个分子与至少一些其它分子相互作用。在一些实施例中，超分子结构包含特定形状。在一些实施例中，超分子纳米结构包含基于超分子结构的多个分子的指定分子量。在一些实施例中，超分子结构是纳米结构。在一些实施例中，多个分子通过键、化学键、物理连接或其组合联系在一起。在一些实施例中，超分子结构包含具有特定形状和分子量的大分子实体，其由彼此特异性相互作用的明确定义数量的较小分子形成。在一些实施例中，超分子结构的结构、化学和物理特性被明确设计。在一些实施例中，超分子结构包含根据指定距离间隔开的多个子组分。在一些实施例中，超分子结构的至少一部分是刚性的。在一些实施例中，超分子结构的至少一部分是半刚性的。在一些实施例中，超分子结构的至少一部分是柔性的。

图1提供了超分子结构40的示例性实施例，其包含核心结构13、捕获分子2和锚分子18。在一些实施例中，超分子结构包含一个或多个捕获分子2和可选的一个或多个锚分子18。在一些实施例中，超分子结构不包含锚分子。在一些实施例中，超分子结构是多核苷酸结构。

在一些实施例中，核心结构13包含联系在一起的一个或多个核心分子。在一些实施例中，一个或多个核心分子包含2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、50、100、200或500个联系在一起的独特分子。在一些实施例中，一个或多个核心分子包含约2个独特分子至约1000个独特分子。在一些实施例中，一个或多个核心分子彼此相互作用并限定超分子结构的特定形状。在一些实施例中，多个核心分子通过可逆的非共价相互作用彼此相互作用。

在一些实施例中，核心结构的特定形状是三维(3D)构造。在一些实施例中，一个或多个核心分子提供特定的分子量。在一些实施例中，核心结构13是纳米结构。在一些情况下，一个或多个核心分子包含一个或多个核酸链(例如，DNA、RNA、非天然核酸)、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子、或其组合。在一些实施例中，核心结构包含多核苷酸结构。在一些实施例中，核心结构的至少一部分是刚性的。在一些实施例中，核心结构的至少一部分是半刚性的。在一些实施例中，核心结构的至少一部分是柔性的。在一些实施例中，核心结构包含支架式脱氧核糖核酸(DNA)折纸结构、支架式核糖核酸(RNA)折纸结构、支架式杂合DNA/RNA折纸结构、单链DNA平铺结构、多链DNA平铺结构、单链DNA折纸结构、单链RNA折纸结构、单链RNA平铺结构、多链RNA平铺结构、具有多个支架的阶级组成的DNA和/或RNA折纸结构、肽结构或其组合。在一些实施例中，DNA折纸结构是支架式的。在一些实施例中，RNA折纸结构是支架式的。在一些实施例中，杂合DNA/RNA折纸结构是支架式的。在一些实施例中，核心结构包含DNA折纸结构、RNA折纸结构或杂合DNA/RNA折纸结构，其包含规定的二维(2D)或3D形状。

在实施例中，核酸折纸结构具有至少一个在约50nm至约1μ之间的横向尺寸。在实施例中，核酸折纸结构例如具有约50nm至约200nm之间、约50nm至约400nm之间、约50nm至约600nm之间、约50nm至约800nm之间、约100nm至约200nm之间、约100nm至约300nm之间、约100nm至约400nm之间、约100nm至约500nm之间、约200nm至约400nm之间的至少一个横向尺寸。在实施例中，核酸折纸结构至少具有约50nm至约1μ之间的第一横向尺寸和与第一横向尺寸正交的、约50nm至约1μ之间的第二横向尺寸。在实施例中，核酸折纸结构具有面积为约200nm²至约1μ²的平面覆盖区。

如图1所示，在一些实施例中，核心结构13被配置为联系至捕获分子2、锚分子18或其组合。在一些实施例中，捕获分子2和/或锚分子18当连接至核心纳米结构13时相对于核心纳米结构13固定。在一些实施例中，任何数量的一个或多个核心分子包含被配置为与捕获分子2和/或锚分子18形成联系的一个或多个核心接头12、14。在一些实施例中，任何数量的一个或多个核心分子被配置为与一个或多个核心接头12、14联系，核心接头12、14被配置为与捕获分子2和/或锚分子18形成联系。在一些实施例中，一个或多个核心接头通过化学键联系至一个或多个核心分子。在一些实施例中，一个或多个核心接头中的至少一个包含核心反应性分子。在一些实施例中，每个核心反应分子独立地包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，一个或多个核心接头中的至少一个包含DNA序列结构域。

在一些实施例中，核心结构13联系至1)核心结构上指定位置处的捕获分子2，和可选地2)核心结构上指定的不同位置处的锚分子18。

在一些实施例中，特定的第一核心接头12设置在核心结构上的第一位置处。在一些实施例中，第一位置处的一个或多个核心分子被修改以与第一核心接头12形成联系。在一些实施例中，第一核心接头12是核心结构13的延伸。

在一些实施例中，特定的第三核心接头14设置在核心结构13上的第三位置处。在一些实施例中，第三位置处的一个或多个核心分子被修改以与第三核心接头14形成联系。在一些实施例中，第三核心接头14是核心结构13的延伸。在一些实施例中，第一位置和第二位置设置在核心结构13的第一侧上，并且可选的第三位置设置在核心结构13的第二侧上。

在一些实施例中，捕获分子2包含蛋白质、肽、抗体、适体(RNA和DNA)、荧光团、纳米抗体、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物如PEG、有机分子、或其组合。在一些实施例中，锚分子包含反应性分子。在一些实施例中，锚分子18包含反应性分子。在一些实施例中，锚分子18包含含有反应性分子的DNA链。在一些实施例中，锚分子18包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，锚分子18包含蛋白质、肽、抗体、适体(RNA和DNA)、荧光团、纳米抗体、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物如PEG、有机分子、或其组合。在一些实施例中，单个捕获分子2联系至核心结构13。在一些实施例中，多个捕获分子2联系至核心结构13。在一些实施例中，多个捕获分子2对彼此间隔开以使串扰最小化。例如，同一核心结构13上的不同捕获分子2可以代表同一分析物分子的不同结合位点，或者可以结合不同的分析物分子。在另一个实例中，多个相同的捕获分子2可以存在于核心结构13上。

在一些实施例中，超分子结构的每个组分可以独立地被修改或调整。在一些实施例中，修改超分子结构的这些组分中的一个或多个组分可以改变超分子结构本身的2D和3D几何形状。在一些实施例中，修改超分子结构的这些组分中的一个或多个组分可以改变核心结构的2D和3D几何形状。在一些实施例中，这种独立地修改超分子纳米结构的组分的能力使得能够精确控制固体表面(例如，平面表面或微粒)和3D体积(例如，在水凝胶基质内)上的一个或多个超分子结构的组织。

捕获条形码

如图1所示，在一些实施例中，捕获分子2通过捕获条形码20联系至核心结构13。在一些实施例中，捕获条形码20与捕获分子2形成联系，并且捕获条形码20与核心结构13形成联系。在一些实施例中，捕获条形码20包含第一捕获接头11、第二捕获接头6和捕获桥7。在一些实施例中，第一捕获接头11包含反应性分子。在一些实施例中，第一捕获接头11包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第一捕获接头11包含DNA序列结构域。在一些实施例中，第二捕获接头6包含反应性分子。在一些实施例中，第二捕获接头6包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、生物素、马来酰亚胺、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第二捕获接头包含DNA序列结构域。在一些实施例中，捕获桥7包含聚合物。在一些实施例中，捕获桥7包含聚合物，该聚合物包含特定序列的核酸(例如，DNA或RNA)。在一些实施例中，捕获桥7包含聚合物，例如PEG。在一些实施例中，第一捕获接头11在捕获桥7的第一末端附接至捕获桥7，并且第二捕获接头6在捕获桥7的第二末端附接至捕获桥7。在一些实施例中，第一捕获接头11经由化学键附接至捕获桥7。在一些实施例中，第二捕获接头6经由化学键附接至捕获桥7。在一些实施例中，第一捕获接头11经由物理附接而附接至捕获桥7。在一些实施例中，第二捕获接头6经由物理附接而附接至捕获桥7。

在一些实施例中，捕获条形码20通过第一捕获接头11和第一核心接头12之间的联系而联系至核心结构13。在一些实施例中，如本文所述，第一核心接头12设置在核心结构13上的第一位置处。在一些实施例中，第一捕获接头11和第一核心接头12通过化学键联系在一起。在一些实施例中，第一捕获接头11和第一核心接头12通过共价键联系在一起。

在一些实施例中，捕获条形码20通过第二捕获接头6和结合到捕获分子2的第三捕获接头5之间的联系而联系至捕获分子2。在一些实施例中，第三捕获接头5包含反应性分子。在一些实施例中，第三捕获接头5包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第三捕获接头5包含DNA序列结构域。在一些实施例中，捕获分子2通过化学键结合至第三捕获接头5。在一些实施例中，捕获分子2通过共价键结合至第三捕获接头5。在一些实施例中，第二捕获接头6和第三捕获接头5通过化学键联系在一起。在一些实施例中，第二接头6和第三捕获接头5通过共价键联系在一起。

锚条形码

如图1所示，在一些实施例中，锚分子18通过锚条形码联系至核心结构13。在一些实施例中，锚条形码与锚分子18形成联系，并且锚条形码与核心结构13形成连接。在一些实施例中，锚条形码包含第一锚接头15、第二锚接头17和锚桥16。在一些实施例中，第一锚接头15包含反应性分子。在一些实施例中，第一锚接头15包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第一锚接头15包含DNA序列结构域。在一些实施例中，第二锚接头17包含反应性分子。在一些实施例中，第二锚接头17包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第二锚接头17包含DNA序列结构域。在一些实施例中，锚桥16包含聚合物。在一些实施例中，锚桥16包含聚合物，该聚合物包含特定序列的核酸(DNA或RNA)。在一些实施例中，锚桥16包含聚合物，例如PEG。在一些实施例中，第一锚接头15在锚桥16的第一末端附接至锚桥16，并且第二锚接头17在锚桥16的第二末端附接至锚桥16。在一些实施例中，第一锚接头15经由化学键附接至锚桥16。在一些实施例中，第二锚接头17经由物理附接而附接至锚桥16。在一些实施例中，第一锚接头15经由化学键附接至锚桥16。在一些实施例中，第二锚接头17经由物理附接而附接至锚桥16。

在一些实施例中，锚条形码通过第一锚接头15和第三核心接头14之间的联系而联系至核心结构13。在一些实施例中，如本文所述，第三核心接头14设置在核心结构13上的第三位置处。在一些实施例中，第一锚接头15和第三核心接头14通过化学键联系在一起。在一些实施例中，第一锚接头15和第三核心接头14通过共价键联系在一起。

在一些实施例中，锚条形码通过第二锚接头17和锚分子18之间的联系而联系至锚分子18。如本文所公开，在一些实施例中，锚分子包含反应性分子、反应性分子、DNA序列结构域、含有反应性分子的DNA序列结构域、或其组合。在一些实施例中，锚分子18通过化学键结合至第二锚接头17。在一些实施例中，锚分子18通过共价键结合至第二锚接头17。

图2是与对捕获分子2具有结合特异性的相应分析物分子44结合的超分子结构40的示意图。超分子结构40能够根据与超分子结构40相关联的特定捕获分子2变化而结合一个或多个分析物分子44。分析物分子44还能够结合至检测器分子组合物46。检测器分子组合物46包括特异性结合分析物分子44的检测器分子1。图2示出了夹心型结合排列，其中捕获分子2和检测器分子1结合至分析物分子44上的不同位点。在一些实施例中，检测器分子1包含蛋白质、肽、抗体、适体(RNA和DNA)、荧光团、纳米抗体、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物如PEG、有机分子、或其组合。如图2所示，在一些实施例中，检测器分子1联系至检测器条形码21。在一些实施例中，检测器条形码21与检测器分子1形成联系，并且可以包括一个或多个居间成分。在其他实施例中，检测器分子1连接至可检测尾部或接头，但不携带独特条形码信息。

图3示出了检测器条形码21的示例排列。在一些实施例中，检测器条形码包含一个或多个检测器接头，其中包括第一检测器接头4。检测器条形码21可以包括用作附接或延伸/扩增位点以利于检测的对接部8。在一些实施例中，接头4包含反应性分子。在一些实施例中，接头4包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，接头4包含DNA序列结构域。在一些实施例中，对接部8包含聚合物。在一些实施例中，对接部8包含聚合物，该聚合物包含特定序列的核酸(DNA或RNA)，例如单链或双链核酸。在一些实施例中，对接部8包含聚合物，例如PEG。在一些实施例中，接头4在对接部8的末端处附接至对接部8，并且另一个检测器接头4在对接部8的第二末端处附接至对接部8。附接可以通过化学键或物理附接来实现。

在一些实施例中，检测器条形码21通过多个接头之间的联系而联系至检测器分子1，该多个接头在此被展示为检测器接头4和结合至检测器分子1的第二检测器接头3。在一些实施例中，第二检测器接头3包含反应性分子。在一些实施例中，第二检测器接头3包含反应性分子，该反应性分子包含胺、硫醇、DBCO、NHS酯、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、特定序列的单链核酸(例如RNA或DNA)、或聚合物(例如，聚乙二醇(PEG)或一种或多种聚合引发剂)。在一些实施例中，第二检测器接头3包含DNA序列结构域。在一些实施例中，检测器分子1通过化学键结合至第二检测器接头3。在一些实施例中，检测器分子1通过共价键结合至第二检测器接头3。在一些实施例中，第二检测器接头4和第二检测器接头3通过化学键联系在一起。在一些实施例中，第二检测器接头4和第二检测器接头3通过共价键联系在一起。

如本文所提供的，捕获分子组合物包括具有捕获分子1和核心结构13的超分子结构40。在某些实施例中，检测器分子组合物46联系或耦接至核心结构13，使得检测器分子组合物也是本文所提供的超分子结构。因此，如图4所示，检测器分子结合至与捕获分子组合物超分子结构40相关联的捕获的分析物分子44形成超分子结构夹心。一般而言，捕获分子组合物的超分子结构40或检测器分子组合物46中仅一者被固定以允许捕获实体或检测实体的流动。在实施例中，捕获分子组合物固定在表面上或多孔材料中。

超分子结构40和/或检测器分子组合物46可以包括DNA折纸结构。在一些实施例中，超分子结构40的核心结构13的子组分和/或检测器分子组合物46包含DNA折纸结构以及一个或多个延伸的核酸链。在一些实施例中，超分子结构40的核心结构13和/或检测器分子组合物46包括支架式DNA折纸结构，其中被称为“支架”链的环状ssDNA分子通过与2个或更多个短ssDNA(被称为“钉(staple)”链)相互作用而折叠成预定义的2D或3D形状，这些短ssDNA与ssDNA“支架”链的特定子部分相互作用。

如本文所述，在一些实施例中，一个或多个超分子结构能够实现样品中的一个或多个分析物分子的检测。如图5的示意图所示，具有相关联捕获分子的超分子结构40暴露于分析物分子44和检测器分子组合物46。当单独的分析物分子44和单独的捕获分子2彼此具有结合特异性时，分析物分子44与捕获分子2相关联。进而，对分析物分子44具有结合特异性的检测器分子组合物46与分析物分子44相关联以形成结合的检测结构50。

如图6所示，对捕获分子2没有结合特异性的分析物分子44不与超分子结构40相关联。进而，检测器分子组合物46也不与超分子结构40相关联，并且不形成结合的检测结构50。对于包括超分子结构40的固定阵列的基底，当样品包括对捕获分子2具有结合特异性的适当的分析物分子44时，每个单独的位点可以具有结合反应以形成结合的检测结构50。

虽然所描绘的实施例示出了检测器分子组合物46和分析物分子44在一个步骤中与超分子结构40接触，但是应当理解，分析物分子44和检测器分子组合物46可以在本文所给出的单独步骤中添加，并且使得在添加检测器分子组合物46之前去除任何未结合的分析物分子44。图7示出了示例方法工作流程，其中分析物分子44的池被添加到作为超分子结构40实施的捕获分子组合物的组或阵列中。分析物分子44可以代表样品中存在的不同分析物，使得池中的不同分析物分子44对可得的捕获分子2的阵列具有不同程度的结合特异性。

反应条件允许分析物分子44与特定捕获分子2结合。如本文所提供的，结合特异性可以指分析物分子44和捕获分子2(其在反应条件下以及在未结合试剂的洗涤或去除步骤之后保持完整)之间的相互作用。结合特异性可以包括形成共价或非共价键、离子键、偶极相互作用、亲水性或疏水性相互作用、互补核酸结合等。特异性结合可以指与仅结合至特定捕获分子2而不结合至其他捕获分子2的分析物分子44的结合。因此，阵列的某些捕获分子2结合至分析物分子44(例如，捕获分子2a)，而其他捕获分子在给定样品中没有可用的结合配偶体(例如，捕获分子2b)，并且因此不会特异性结合至任何分析物分子44。任何未结合的分析物可以从如本文所提供的那样被固定的捕获分子组合物去除。

检测器分子1和分析物分子44还可以对彼此具有结合特异性。阵列随后与检测器分子组合物46接触，检测器分子组合物46可以全部相同或不同，如在各种实施例中所公开的。任何未结合的检测器分子组合物46例如通过洗涤被去除。在这些工作流程步骤之后，各种结合的检测器结构50保留在阵列上，它们各自结合至相应的分析物和检测器分子组合物46，并且可以经受各种检测方案以将分析物与特定超分子结构身份相关联，该特定超分子结构身份进而与已知的捕获分子2相关联。因此，检测允许分析物-捕获分子结合的特征归纳。

图8示出了示例检测步骤，其中评估结合的检测器结构50的不同的独特捕获条形码(示出为捕获条形码20a、20b、20c和20d)以将特定捕获条形码与结合事件相关联。在一些实施例中，超分子结构将关于样品中给定分析物分子的存在的信息转换成DNA信号。在一些实施例中，DNA信号对应于捕获条形码和/或检测器条形码的序列数据，其中捕获分子和检测器分子同时联系至(例如，结合至)分析物分子(例如，夹心构造)。

在一些实施例中，如本文所述，检测分析物分子的存在包括可控地将单个或多个独特核酸分子释放到溶液中以用于鉴定以及定量来自样品的分析物分子的特性。在一些实施例中，所述独特核酸分子由各个超分子结构的捕获条形码20提供。在一些实施例中，如本文所述，检测分析物分子的存在包括产生与状态变化相关的光或电信号，可以对该光或电信号进行计数以定量溶液中分析物分子的浓度。

在一些实施例中，通过多重处理同时检测样品中的多个分析物分子，其中多个超分子结构提供多个信号(例如，检测器条形码、捕获条形码)用于测序和分析物鉴定。在一些实施例中，本文描述的用于检测样品中的分析物的方法通过使用多个超分子结构提供高吞吐量和高多重处理的能力。在一些实施例中，高吞吐量和高多重处理的能力为分析物分子检测和定量提供高精度。在一些实施例中，本文描述的用于检测样品中的分析物的方法被配置为快速且以高灵敏度和再现性地对生物聚合物进行特征归纳和/或识别，包括蛋白质分子。在一些实施例中，多个超分子结构被配置为限制交叉反应性相关错误。在一些实施例中，此类交叉反应性相关错误包括超分子结构的捕获和/或检测器分子与另一超分子结构的捕获和/或检测器分子相互作用(例如，分子间相互作用)。在一些实施例中，多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。在一些实施例中，每个超分子结构的结构、化学和物理特性被明确设计。在一些实施例中，相同的核心结构具有规定的形状、尺寸、分子量、规定的捕获分子和检测器分子数量、对应的捕获分子与检测器分子(如本文所述)之间的预定距离、对应的捕获分子与检测器分子之间的规定的化学计量、或其组合，从而限制超分子结构之间的交叉反应性。在一些实施例中，每个核心结构的分子量是相同的并且精确到核心分子的纯度。在一些实施例中，每个核心结构具有至少一个捕获分子。

在一些实施例中，多个超分子结构可能由于某些子组分相同而具有结构相似性，然而来自样品的分析物分子与超分子结构之间的相互作用由相应的捕获分子和检测器分子定义。在一些实施例中，给定的结合的检测结构50上的每个结合的检测器分子和捕获分子可以与样品中的特定分析物分子特异性地相互作用。在一些实施例中，每个超分子结构包含对应于相关联的捕获分子的独特DNA条形码。在一些实施例中，捕获分子被设计为与样品中的多于一个分析物分子相互作用。

如本文所提供的，捕获条形码20可用于唯一地识别单独超分子结构40。进而，将每个超分子结构40组合在一起，使得捕获分子2可以与捕获条形码20相关联，例如存储在分析物检测系统的查找表中(参见图16)。因此，当捕获条形码20被识别时，捕获分子2的身份也是可得的。

在一些实施例中，每个超分子结构针对单分子灵敏度被配置为确保定量捕获典型复杂生物样品内的宽范围分子浓度所需的最高可能动态范围。在一些实施例中，多个超分子结构限制或消除了减少非特异性相互作用以及任何用户引起的错误所需的样品操作。

图9示出了示例性分析物检测技术，其中具有相应不同捕获分子2的超分子结构40的不同位置与独特捕获条形码信息一起可用于对分析物结合进行特征归纳。包括不同分析物分子44的池的样品与具有相应不同捕获分子2的固定的超分子结构40接触。彼此具有结合特异性的分析物分子44和捕获分子2在允许发生相互作用的条件下接触。允许检测器分子组合物46结合至与超分子结构相关联的分析物分子44。结合的检测器结构可以基于以下来表征：1)捕获条形码20和2)由结合的检测器分子组合物产生的信号，该信号对应于特定捕获条形码20的位置图。在实施例中，可以在分析物结合之前确定超分子结构40的位置以及捕获条形码信息。即，可以提供预先绘图的阵列，或者绘图可以是单独的步骤。绘图可以包括如本文大体提供的检测捕获条形码的步骤，例如检测独特的光学、电学和/或磁性图案。在实施例中，检测包括对捕获条形码的核苷酸序列进行测序。在实施例中，检测包括扩增扩增的产物的放大和定量，例如，通过qPCR检测与探针相关的信号。

血清学测试寻找患者血液中的抗体，以识别过去的病原体感染。在一个实例中，COVID-19血清学测定可检测针对刺突蛋白或核衣壳的IgG或IgM抗体的存在。捕获分子2拉下患者样品中的抗体分析物44，抗体分析物44也被检测器分子组合物46结合。在实施例中，检测器分子组合物46可以全部是相同类型和/或全部具有相同的检测器分子1。检测器分子1可以是与任何人类抗体结合的抗人类(anti-human)抗体，无论抗体-抗原特异性如何。因此，检测器分子1能够结合与相应抗原捕获分子2相关联的一系列不同分析物44。经由来自检测器分子组合物46的可检测信号表示阳性结合事件的分析物44可以基于特定条形码20联系至特定超分子结构40以识别阳性抗体结果。

所公开的技术可用于产生针对一种或多种传染病(例如COVID-19、流感、RSV和肺炎)的测定。在实施例中，捕获分子2包括不同传染病的并且分别与不同的超分子结构40相关联的不同抗原的池。附加地或可替代地，测定可以包括传染病的多种同种型和多种潜在抗原以及来自其他呼吸道病原体的抗原，包括但不限于流感、RSV和肺炎。在实施例中，测定可以允许区分天然免疫和通过特异性添加疫苗蛋白靶标而从疫苗获得的免疫。该测定还可以包括区分IgG、IgM和IgA特异性。该测定可以随着新感染的出现进行季节性更新或修改，以适当地询问当前的病原体情况。该测定对当前工作流程的改进将使人们更深入地了解患者的体液免疫系统，并有助于为疫苗开发提供信息。例如，可以评估患者的抗体回应或循环的抗体人群以与各种候选抗原结合。

检测器分子组合物46可以全部是相同类型或者可以使用相同的检测形式来检测。检测的信号可以不包括任何独特条形码信息。在一个实例中，检测器尾部可以包括产生信号的反应性分子。在实施例中，基于底物到光学可检测产物的酶转化来检测检测器分子组合物46。光学检测与超分子结构40的阵列上的点相关。在实施例中，每个检测器分子组合物46的检测器分子1可以全部是相同类型和/或具有相同的结合特异性。在一个实例中，检测的分析物分子44都是人类抗体，并且检测器分子是对广泛范围的人类抗体具有一般结合特异性的抗人类抗体，而不管抗原特异性如何。也可以设想其他实施例。例如，分析物分子44可以经历标记或处理步骤以添加允许与链霉亲和素检测器分子1结合的标签(例如，生物素)。在所描绘的实施例中，提供检测器分子组合物46的步骤可能不太复杂，因为检测器分子组合物46的池不是多样化的，并且检测器分子1和相关联的尾部或接头也可能全部是相同类型。此外，检测步骤也可以不太复杂，因为没有获得来自检测器侧的序列或条形码信息。因此，在实施例中，独特识别信息是捕获条形码20，其与每个捕获条形码的位置信息和检测器生成的信号位置的位置信息一起使用。检测器信号与特定条形码的位置的相关性用于对分析物结合进行特征归纳。应当理解的是，图9的分析物检测的方法也可以使用具有独特条形码以及产生检测器信号的反应性分子的检测器分子组合物的多样化池来执行。

图10示出了与图9的分析物检测方法类似的实施例，但是其中检测器分子组合物46的池是多样的。检测器分子组合物46的多样化池携带不同的相应检测器分子1和检测器条形码21(示出为检测器条形码21a、21b、21c和21d)。结合的检测器结构50包括与特定分析物分子44特异性捕获分子2相关联的独特捕获条形码20以及专门针对分析物分子44的独特检测器条形码21。可以评估独特捕获条形码20或独特检测器条形码21之一或两者以对分析物结合进行特征归纳。可以使用参考独特捕获条形码20讨论的技术(包括光学、电学和/或磁性检测)来执行独特检测器条形码21的检测。检测可以包括生成独特检测器条形码21的序列数据或扩增数据。

在一些实施例中，包含一个或多个分析物的样品与一个或多个超分子结构40接触。在一些实施例中，如本文所述，多个超分子结构被提供为附接至一个或多个固体基底。图11-14提供了附接至图案化固体基底的超分子结构的实例。图15示出了掺入多孔水凝胶基质中的超分子结构的实例。所公开的技术可以与图案化基底联合地执行，该图案化基底包括分布在结合位点上或结合位点中的多个结合位点。在实施例中，每个结合位点容纳具有不同化学性质的单个超分子结构40。图案化基底可以通过光刻工艺来制造。此外，所公开技术的实施例可包括一个或多个再生步骤，其从基底去除结合的或“用过的”结合的检测器结构50以纳入新的超分子结构40。

图11提供了用于使用基于表面的测定来检测样品中的分析物分子的方法的示例性图示，该测定使用如本文所述的超分子结构40，该方法用于对样品中的分析物进行单分子计数(即，以单分子分辨率检测样品中的分析物分子)。在一些实施例中，超分子结构包含含有DNA折纸结构核心的核心结构。在一些实施例中，提供平面基底60，其包括(a)基准标志物62，其用作基底60上的所有特征的参考坐标；(b)限定的一组微图案化结合位点66，其中可以固定各个核心结构(例如，DNA折纸结构)；(c)背景钝化64，其最小化或防止基底60的表面与超分子结构(包括捕获分子、核心结构分子)之间的相互作用。在一些实施例中，基准标志物包括在表面上限定的几何特征，以用作基底上的其他特征的参考特征。在一些实施例中，基准标志物62涂有聚合物或自组合单层，其不与超分子结构(例如，DNA折纸结构)的核心结构或其他分子相互作用。在一些实施例中，背景钝化64最小化或防止基底60的表面与样品的分析物分子之间的相互作用。在一些实施例中，平面基底60包括有待在结合位点66形成之前定义的光学或电学器件，如FET、环形谐振器、光子晶体或微电极。在一些实施例中，结合位点66在平面基底60上微图案化。在一些实施例中，表面上的结合位点66呈周期性图案。在一些实施例中，表面上的结合位点66呈非周期性图案(例如，随机的)。在一些实施例中，指定任意两个结合位点66之间的最小距离。在一些实施例中，任意两个结合位点66之间的最小距离为至少约200nm。在一些实施例中，任意两个结合位点66之间的最小距离为至少约40nm至约5000nm。在一些实施例中，结合位点66的几何形状包括圆形、正方形、三角形或其他多边形形状。在一些实施例中，用于钝化64的化学基团包括带中性电荷的分子如三甲基甲硅烷基(TMS)、不带电荷的聚合物如PEG、两性离子聚合物等或其组合。在一些实施例中，用于限定结合位点66的化学基团包括硅烷醇基团、羧基基团、硫醇、其他基团或其组合。

在一些实施例中，单个超分子结构40附接至相应的结合位点66(步骤1)。附图标记70提供了超分子结构40的组分的图示，这些组分是单独地以及作为组合物并布置在平面基底上(组分如本文所述，例如图1-4)。在一些实施例中，超分子结构40包括含有DNA折纸结构的核心结构13，其中使用DNA折纸结构布置技术将超分子结构40附接至这些结合位点中的每个结合位点上(步骤1)。在一些实施例中，超分子结构40在附接至相应的结合位点66之前被组合。在一些实施例中，DNA折纸结构包含独特的形状和尺寸，以便于利用DNA折纸结构布置技术与结合位点结合。在一些实施例中，DNA折纸结构布置包括用于在表面(例如，微图案化表面)上组织单独的DNA折纸结构(例如，核心结构)的定向自组合技术。在一些实施例中，作为DNA折纸结构布置的替代，超分子纳米结构40的反应性基团结合至已预先组织在结合位点上的DNA折纸结构。在一些实施例中，将超分子纳米结构结合至相应结合位点的这两种方法都依赖于使用DNA折纸结构布置技术在微图案化结合位点上组织一个或多个分子的能力。在一些实施例中，平面基底可以在该步骤之后在干净的环境中储存相当长的一段时间。

继续参考图11，在一些实施例中，包含分析物分子的样品(如本文所述)在分析物捕获步骤中与平面基底接触(步骤2)。在一些实施例中，使用流动池使样品与平面基底接触。在一些实施例中，样品在具有附接至结合位点66的超分子结构的平面基底上培养。在一些实施例中，培养期可以为约30秒至约24小时。在一些实施例中，培养期可以为约30秒至约1分钟、约1分钟至约5分钟、约5分钟至约30分钟、约30分钟至约1小时、约1小时至约5小时、约5小时至约12小时、约12小时至约24小时、约24小时至约48小时。

在一些实施例中，样品中的分析物分子44与平面表面60上的超分子结构40相互作用。在一些实施例中，特定分析物分子44的单个副本结合至捕获分子。继续参考图11，在步骤3，检测器分子组合物46与捕获的分析物接触。在步骤4中，检测器分子组合物被检测以产生可检测信号。例如，检测器条形码21用作信号传导元件76的结合位点，信号传导元件76与结合的检测器分子组合物46接触。在一些实施例中，信号传导元件76包含荧光分子或微珠、荧光聚合物、高电荷纳米颗粒或聚合物。在一些实施例中，允许一个或多个信号传导元件76与平面结构上的超分子结构相互作用。在一些实施例中，信号传导元件76被引入到包含平面基底的流动池中。在一些实施例中，检测器条形码被扩增，如所描绘的实施例中所示。例如，检测器条形码在滚环扩增或杂交链式反应等过程中用作高荧光聚合物生长的聚合引发剂。在一些实施例中，如步骤4所述的可检测信号导致一个表面，其中每个单独分析物捕获事件导致信号传导元件76出现在(作为与捕获分子和检测器分子相联系的)相应分析物的位置处。

在一些实施例中，信号传导元件76是光活化的并且可以使用显微镜或集成在平面基底60内的光学传感器来测量。在一些实施例中，信号传导元件是电活化的并且可以使用集成电传感器来测量。在一些实施例中，信号传导元件76是磁活化的并且可以使用集成磁传感器来测量。在一些实施例中，每个信号事件与相同类型的分析物分子(相同类型的分析物分子的单个副本)的捕获相关联，如由对应的检测器分子和捕获分子确定，因此，对信号传导元件76存在的位置的数量进行计数给出了样品中分析物分子的定量。

图12示出了具有与图11中类似的带有结合位点66的平面基底60的布置。平面基底60具有固定在相应结合位点66(步骤1)处的组合的超分子结构40。在分析物捕获(步骤2)之后，检测器分子组合物与捕获的分析物分子44接触。这里，每个检测器分子组合物46包括结合的核心结构(例如，核心结构13，参见图1)，例如DNA折纸结构，其用作整合的信号传导元件76。图13示出了一种布置，其中平面基底60(其可以如关于图11所描述地那样形成)具有固定在相应结合位点66(步骤1)处的组合超分子结构40。单独的过程将分析物44与相应的检测器分子组合物46相关联。在实施例中，每个检测器分子组合物46携带信号传导元件76，例如超分子核心结构。相关联的分析物和检测器分子组合物46与平面基底60和固定的超分子结构40一起培养。相关联的分析物和检测器分子组合物46结合至超分子结构，该超分子结构具有对分析物具有结合特异性的捕获分子，并且可以例如通过检测由信号传导元件(其可以是检测器分子组合物46的一部分或者可以在将分析物和检测器分子组合物46与捕获分子相关联之后添加)生成的信号来表征结合的分析物。

在图14中，具有多个结合位点66的图案化基底60可以用单独的超分子结构40官能化或联系至单独的超分子结构40。在所描绘的实施例中，超分子结构40在步骤80组合，然后在联系抗原捕获分子2之前布置在基底60上。例如，包含特定条形码和对特定抗原特异性的捕获链的DNA折纸结构流过基底60并布置在单分子阵列中，例如布置在DNA结合特征上。在步骤82，抗原被缀合以包括互补链，如捕获分子2所示，其可以被退火至超分子结构的DNA折纸结构条形码20。可替代地，捕获分子在组合过程中与超分子结构40相关联(步骤80)，并与超分子结构40一起施加到基底60上。每个超分子结构的条形码20通过测序、扩增或通过杂交测定来读出。可以在进行测定之前获得抗原捕获分子2与基底60上的空间位置的图，并将其作为基底60的质量控制来进行。该图可以存储在本文提供的分析物检测系统中(参见图16)并用于生成阳性结合事件的报告以提供诊断信息。

在步骤84中，添加适当的阻断条件并且将包括患者抗体(例如血清)的样品施加到基底60上并允许培养以允许样品中的抗体分析物44形成抗体-抗原复合物。然后，在步骤86，洗掉样品并添加包括作为次级抗人类抗体的检测器分子1和用于检测的标记的检测器分子组合物46。结合的检测器结构50的检测(步骤88)可以基于抗体标记的检测，该抗体标记可以是基于DNA的，用于通过滚环扩增或杂交链式反应进行扩增；可替代地，标记可以是DNA纳米颗粒或荧光聚合物。

在实施例中，测定包括以下中的一种或多种的抗原：腺病毒、冠状病毒229E、冠状病毒HKU1、冠状病毒B.1.1.7、冠状病毒B.1.351、冠状病毒P.1冠状病毒NL63、冠状病毒OC43、人偏肺病毒、人鼻病毒/肠病毒、甲型流感、2009H1N1、H1、H3亚型、乙型流感、副流感病毒1、2、3和4型、呼吸道合胞病毒、肺炎衣原体、肺炎支原体和百日咳鲍特菌。此外，测定可能包括季节性流感的疫苗靶标，以及一种或多种商业疫苗(莫德纳公司(Moderna)、辉瑞公司(Pfizer)、阿斯利康公司(Astra Zeneca)、诺瓦瓦克斯(Novavax)和强生公司(Johnson andJohnson))的covid疫苗靶标。添加这些疫苗靶标允许对免疫力进行分类，以确定患者是否具有对自然感染的免疫力和/或通过疫苗获得了免疫力。针对每种病原体可能存在多种抗原来定义免疫的特异性。

检测可包括用于测定IgG、IgM和/或IgA的特异性抗体的抗物种抗体。亚型的特异性检测有助于进一步了解免疫的成熟度。

图15提供了用于形成水凝胶基质100的示例性实施例，其中除了将一个或多个单体122和一个或多个交联分子124组合以形成水凝胶之外，还引入一个或多个超分子结构40。在一些实施例中，一个或多个超分子结构40与水凝胶基质共聚，形成基质120。在一些实施例中，一个或多个超分子结构40的每个相应锚分子18与水凝胶基质120共聚。在一些实施例中，一个或多个单体122包含丙烯酰胺。在一些实施例中，一个或多个交联剂包含双丙烯酰胺。

本公开的实施例包括被配置为执行所公开的实施例的某些方法的一个或多个计算机实现的检测系统。图16示出了包括控制器1001的分析物检测系统1000。控制器1001包括处理器1002和存储被配置为由处理器1002执行的指令的存储器1004。控制器1001包括用户接口1006和通信电路，例如以利于通过互联网1010和/或通过无线或有线网络的通信。用户界面1006利于用户与本文所提供的表征分析物检测结果的交互。

处理器1002被编程为接收分析物检测数据并对检测到的分析物进行特征归纳。在一个实施例中，在与超分子结构的阵列一起培养并对检测器分子组合物进行检测之后，处理器生成样品中检测到的分析物的报告。该报告可以包括在各个结合位点处产生的光学信号的数据，该数据对应于检测到的分析物结合事件。该报告可以包括处理后的数据，例如检测到的分析物或阳性/阴性结合结果的列表。该报告可以包括指示分析物检测能力的阵列的可用捕获分子的列表。

系统1000还包括分析物检测器1020，其操作以通过检测超分子结构的一个或多个组分来检测分析物结合。分析物检测器1020包括具有一个或多个传感器1022的检测系统。分析物检测器1020还可以包括反应控制器1024，其控制样品培养以及反应试剂和检测器分子组合物在适当时间点的适当释放。传感器1022可以是光学传感器(例如，荧光传感器、红外传感器)、图像传感器、电传感器或磁传感器中的一种或多种。在实施例中，传感器102是金属氧化物半导体图像传感器装置。

虽然已经示出和在本文所述了本发明的优选实施例，对本领域技术人员将是显而易见的是，仅通过举例的方式来提供这样的实施例。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将清楚许多变型、改变和替代。应当理解，在实践本发明时可以采用本文所述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并且由此覆盖这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。

Claims (42)

1.一种用于检测样品中存在的分析物分子的方法，所述方法包括：

提供固定在基底上或多孔基质中的超分子结构的阵列，所述阵列的超分子结构包含：

包含多个核心分子的核心结构；以及

通过捕获条形码联系至所述核心结构的捕获分子

将所述样品与所述阵列接触，使得所述分析物分子与所述捕获分子结合；

将与所述捕获分子结合的所述分析物分子与检测器分子组合物接触，使得单独检测器分子组合物的检测器分子与所述分析物分子结合以形成结合的检测结构；

基于由所述结合的检测结构的单独检测器分子组合物产生的信号来检测所述分析物分子；以及

基于所述捕获条形码的身份将所检测的分析物分子与所述超分子结构相关联。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在使所述样品与所述阵列接触之后，去除所述样品中未与所述阵列的超分子结构结合的额外分析物分子。

3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在形成所述结合的检测结构之后，去除未与所述阵列的超分子结构结合的检测器分子组合物。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、DNA、RNA、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述阵列的超分子结构是纳米结构。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述核心结构是纳米结构。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述核心结构包含支架式脱氧核糖核酸(DNA)折纸结构、支架式核糖核酸(RNA)折纸结构、支架式杂合DNA:RNA折纸结构、单链DNA平铺结构、多链DNA平铺结构、单链RNA折纸结构、多链RNA平铺结构、具有多个支架的阶级组成的DNA或RNA折纸结构、肽结构或其组合。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述捕获条形码包含第一捕获接头、第二捕获接头以及设置在所述第一捕获接头和所述第二捕获接头之间的捕获桥，其中所述第一捕获接头结合至第一核心接头，所述第一核心接头结合至所述核心结构上的第一位置，其中所述捕获分子和所述第二捕获接头通过结合至第三捕获接头而联系在一起。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述单独超分子结构的捕获分子对所述分析物分子具有结合特异性，并且其中所述阵列的至少一个其他超分子结构的第二捕获分子对所述分析物分子不具有结合特异性。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述阵列的超分子结构的相应捕获分子对于相应不同分析物分子具有不同的结合特异性。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述检测器分子组合物的检测器分子对所述分析物分子具有结合特异性，并且其中所述检测器分子组合物的其他检测器分子对所述分析物分子不具有结合特异性。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述检测器分子组合物的检测器分子对相应不同分析物分子具有不同的结合特异性。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述检测器分子组合物的检测器分子对于与所述超分子结构的捕获分子结合的任何分析物分子具有结合特异性。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述检测器分子组合物的检测器分子对所述超分子结构没有结合特异性。

17.如权利要求1所述的方法，其包括确定所述捕获条形码的核酸序列以确定所述超分子结构的身份。

18.如权利要求17所述的方法，其包括将所述超分子结构的确定的核酸序列与所述阵列上的位置相关联。

19.如权利要求18所述的方法，其中基于所述捕获条形码的身份将所检测的分析物分子与所述超分子结构相关联包括将所述信号的位置与所述核酸序列的阵列上的位置相关联。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述信号是由所述检测器分子组合物的反应性分子产生的光、磁和/或电可检测信号。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述信号是所述检测器分子组合物的检测器条形码的序列。

22.一种用于检测样品中的一个或多个分析物分子的阵列，所述阵列包含：

基底；

固定在所述基底上的多个超分子结构，其中所述多个超分子结构中的单独超分子结构包含：

(a)包含多个核心分子的核心结构，其中所述核心结构耦接至基底或通过锚分子联系至所述基底，

(b)捕获条形码，所述捕获条形码在其第一末端处直接或间接耦接至所述核心结构，所述捕获条形码大体远离所述基底延伸；以及

(c)捕获分子，所述捕获分子在捕获条形码的第二末端处耦接至所述捕获条形码，所述捕获分子被配置为结合至分析物分子。

23.如权利要求22所述的基底，其中所述多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。

24.如权利要求22所述的基底，其中每个超分子结构具有独特捕获条形码。

25.如权利要求22所述的基底，其中所述基底包含固体支持物或多孔基质。

26.如权利要求22所述的基底，其中每个超分子结构是纳米结构。

27.如权利要求22所述的基底，其中每个核心结构是纳米结构。

28.如权利要求22所述的基底，其中每个核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。

29.如权利要求22所述的基底，其中所述核心结构直接耦接至所述基底。

30.如权利要求22所述的基底，其包含与所述多个超分子结构中的相应超分子结构结合的多个分析物分子。

31.如权利要求30所述的基底，其包含与所述多个分析物分子中的相应分析物分子结合的多个检测器分子组合物。

32.如权利要求31所述的基底，其中每个检测器分子组合物包含检测器分子，所述检测器分子与包含一个或多个接头的检测器条形码耦接。

33.如权利要求33所述的基底，其中每个检测器分子组合物包含通过所述检测器条形码与所述检测器分子耦接的核心结构。

34.如权利要求22所述的基底，其中所述基底包含多孔基质。

35.如权利要求34所述的基底，其中所述多孔基质包含水凝胶。

36.如权利要求22所述的基底，其中所述基底包含平面基底。

37.如权利要求22所述的基底，其中所述单独超分子结构仅包含一个捕获分子。

38.一种用于检测样品中的一个或多个分析物分子的基底，所述基底包含：

图案化基底，所述图案化基底包含彼此间隔开的多个结合位点；以及

与所述多个结合位点中的每个结合位点相关联的单个超分子结构，所述超分子结构包含：

包含多个核心分子的核心结构，其中所述核心结构耦接至基底或通过锚分子联系至所述基底，

捕获条形码，所述捕获条形码在其第一末端处直接或间接耦接至所述核心结构，所述捕获条形码大体远离所述基底延伸；以及

捕获分子，所述捕获分子在所述捕获条形码的第二末端处耦接至所述捕获条形码，所述捕获分子被配置为结合至分析物分子。

39.如权利要求38所述的基底，其包含设置在所述图案化基底上或所述图案化基底中的一个或多个基准标志物，其中所述一个或多个基准标志物可由检测系统检测以提供所述超分子结构的位置信息。

40.如权利要求38所述的基底，其包含所述图案化基底上的钝化区域，所述钝化区域将所述多个结合位点隔开。

41.如权利要求38所述的基底，其中所述多个结合位点中的每个结合位点的尺寸适合于容纳所述单个超分子结构。

42.一种用于检测样品中的一个或多个分析物分子的阵列，所述阵列包含：

包含多个结合位点的图案化基底；以及

与所述多个结合位点中的每个结合位点相关联的超分子结构，所述超分子结构包含：

包含多个核心分子的核心结构，其中所述核心结构耦接至基底或通过锚分子联系至所述基底，

捕获条形码，所述捕获条形码在其第一末端处直接或间接耦接至所述核心结构，所述捕获条形码大体远离所述基底延伸；以及

捕获分子，所述捕获分子在捕获条形码的第二末端处耦接至所述捕获条形码，所述捕获分子被配置为结合至分析物分子。