CN1243979C - 通过测量剪切应力来检测生物分子结合的方法和传感器 - Google Patents

通过测量剪切应力来检测生物分子结合的方法和传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN1243979C
CN1243979C CNB021569614A CN02156961A CN1243979C CN 1243979 C CN1243979 C CN 1243979C CN B021569614 A CNB021569614 A CN B021569614A CN 02156961 A CN02156961 A CN 02156961A CN 1243979 C CN1243979 C CN 1243979C
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor base
sensor
probe
dna
biomolecule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB021569614A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1415963A (zh
Inventor
赵允卿
金宣希
吴光昱
林根培
尹大成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of CN1415963A publication Critical patent/CN1415963A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1243979C publication Critical patent/CN1243979C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C12Q1/6816—Hybridisation assays characterised by the detection means
    • C12Q1/6825—Nucleic acid detection involving sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10S436/806—Electrical property or magnetic property

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种通过测量目标生物分子(例如核酸或蛋白质等)在与探针杂交前后结合在传感器表面上的生物分子剪切应力的变化来检测探针与目标生物分子结合的方法和传感器。剪切应力可以作为电信号而被灵敏、方便地测量，无需额外的荧光标记，也无需采用昂贵的附加设备。

Description

通过测量剪切应力来检测生物分子 结合的方法和传感器
技术领域
本发明涉及一种检测生物分子结合的方法，更具体而言，涉及一种通过测量结合在有生物分子的传感器基底上靶分子与探针杂交前后的剪切应力，来检测在生物芯片上靶生物分子与探针之间结合的方法和传感器。
背景技术
生物芯片是通过高密度地在一种基底上粘附大量具有能与感兴趣的靶分子结合的互补序列的DNA或蛋白质探针而构建起来的，它可用于分析靶样品的基因表达图，基因缺陷，蛋白质分布，或反应模式。生物芯片可分成具有固定在一个固体表面上的探针的微阵列芯片和具有依据探针粘附方式固定在微型轨道上的探针的芯片实验室。生物芯片也可按照探针的种类而分成DNA芯片，蛋白质芯片等等。为了鉴定一种感兴趣的靶生物分子是否存在于样品中，那些生物芯片需要一种系统来检测样品中的生物分子与固定在基底上的探针之间的结合。
目前大多数现有的用于基因阵列的DNA芯片采用荧光来检测样品中的靶分子。美国专利US6,141,096公开了这样一种光学生物分子检测方法，它包括用荧光染料标记样品DNAs，使样品DNAs与固定在芯片上的探针反应，然后利用共焦显微镜或CCD照像机检测被荧光标记并结合在芯片表面上的样品DNAs。然而，对于微小尺寸的芯片应用光学检测方法就十分困难了。
美国专利US6,096,273和US6,090,933公开了采用对氧化和还原敏感的金属化合物来检测DNA杂交的电化学方法。金属化合物通过杂交形成金属—DNA复合物，金属—DNA复合物可通过电化学检测(Anal.Chem.，Vol.70，pp.4670-4677，1998；J.Am.Chem.Soc.，Vol.119，pp.9861-9870，1997；Analytca Chimica Acta，Vol.286，pp.219-224，1994；Bioconjugate Chem.，Vol.8，pp.906-913，1997)。然而，电化学方法需要一个额外的标记方法，这很不方便。
此外，不采用诸如荧光染料之类标记物的检测方法已经发展起来了。举例来说，Anal.Chem.，Vol.70，pp.1288-1396，1998中公开了一种通过采用石英玻璃微量天平测量结合前和结合后的质量差来检测生物分子结合的方法。包括基体辅助激光解吸/电离(MALDI)质谱法的检测方法已被Anal.Chem.，vol.69，pp.4540-4546，1997和美国专利US6043031公开了。
能检测到甚至单碱基错配的微机械方法已被Science，Vol.288，pp.316-318，2000和Proc.Natl.Acad.Sci.USA，98，1560，2001公开了，它采用一种微型制造的悬臂作为机械传感器来检测DNA探针与靶分子结合前后的分子结合力。然而，该方法需要昂贵的独立激光设备来精确测量悬臂梁的偏转。
因此，需要发展一种灵敏而有效的检测方法，可以直接将生物分子结合情况作为电信号进行检测，而无需利用昂贵的附加设备(例如激光设备)。
发明内容
因此，本发明提供了一种将探针与靶生物分子的结合作为电信号来进行检测的方法，该方法不需要附加标记。
本发明也提供了一种用于上述的检测探针与靶分子的结合的方法中的剪切应力传感器。
一方面，本发明提供了一种用于检测探针生物分子和靶生物分子结合的方法，它包括：(a)将探针生物分子固定在传感器基底表面；(b)将包含靶生物分子的样品放在一个平行并正对着传感器基底表面的样品板上；(c)调整传感器基底和样品板之间的距离使之与生物分子的大小相对应；(d)使传感器基底上的探针生物分子与样品中的靶生物分子反应；以及(e)测量传感器基底表面上的剪切应力在步骤(d)中的反应前后的变化。
根据本发明的方法，剪切应力的变化是从传感器基底振动中的相变和力变或使用与传感器基底结合的生物分子的弹性剪切模量和粘性剪切模量来测量的。简单来说，一般的剪切应力测量方法(J.Van Alsten，和S.Granick，Rev.Sci.lnst，62，463，1991)包括以正弦方式振动信号输入振动单元并在信号输出振动单元中测量来自输入和输出振动测量值的相变和力变。这样的相变和力变受传感器基底表面上所固定的物质的粘度或分子结构的影响很大。基于此，探针生物分子和靶分子的结合就可以在本发明中得到检测。
在本发明的方法中，在减小传感器基底与样品板之间的距离时，通过测量结合在传感器基底上的生物分子中的法向力来调整传感器基底与样品板之间的距离以使之与假定要结合到传感器基底上的生物分子的已知大小相对应，优选地，使之与实际结合在传感器基底上的生物分子的大小相对应。
根据本发明的方法，可得到的探针和靶生物分子包括DNA寡聚体、核酸(例如C-DNA)、蛋白质(例如抗原和抗体)、辅因子、寡糖酶、以及细胞。探针分子必须能选择性地结合感兴趣的靶分子。
另一方面，本发明提供了一种剪切应力传感器，它包括：产生振动的信号输入单元；使信号输入单元的振动停滞的信号输出单元；跨接信号输入单元和信号输出单元的传感器基底；平行且正对着传感器基底表面排列的样品板；调整传感器基底与样品板之间的距离的单元；以及从信号输入和输出单元的振动中测量相变和力变的信号检测器单元。
根据本发明的传感器，任何能够导致信号输入和输出单元周期性地振动并能测量振动量的装置都可以用于信号输入和输出单元。优选地，信号输入和输出单元的振动是由压电电压、静电容，电磁电流，或热膨胀引起的。
根据本发明的传感器，多个传感器单元排列成阵列，其中每一个都包括信号输入单元，信号输出单元以及传感器基底。这种剪切应力传感器的阵列结构能有效用于包括许多固定在芯片上的探针的生物芯片中。
在根据本发明的传感器中，调整传感器基底和样品板之间距离的单元可以是能够调整其上固定有探针分子的传感器基底与样品板之间距离的任何仪器，优选地，该仪器中包括电容测量仪器。由于结合在传感器基底上的生物分子的剪切应力取决于传感器基底和样品板之间的距离，精确调整传感器基底与样品板之间的距离是十分重要的。距离调节单元调整传感器基底与样品板之间的距离使之与结合在传感器基底上生物分子的大小相对应。
在根据本发明的传感器中，信号检测器单元可以由能够从信号输入和输出单元的振动中测量相变和力变或能够测量传感器基底的弹性剪切模量或粘性剪切模量的任何仪器来实现。例如，信号检测器单元可以由锁定放大器来实现。
附图说明
本发明的上述特点和优点将通过参照附图对典型实施例的详述而变得更为明显，其中：
图1是根据本发明的一个实施例采用压电振动板的剪切应力传感器示意图。
图2A说明了在根据本发明的剪切应力传感器阵列上固定各种探针的方法，图2B说明了将图2A中的探针与感兴趣的靶样品杂交的方法。
图3是根据本发明的包括了多个传感器单元(其中每一个都具有图1传感器结构)的传感器阵列示意图。
图4是根据本发明的另一实施例采用静电振动板的剪切应力传感器阵列示意图。
图5说明了采用按照图1的传感器原理操作的改进的表面力仪器所测量的DNA单分子层的压力(上图)和剪切应力(下图)在杂交前后的对比情况。
图6对比说明了在传感器基底和样品板之间的距离被固定在31±2时通过施加各种频率的剪切应力而测量到的单链和双链DNA单分子层的弹性剪切模量(上图)和粘性剪切模量(下图)；以及
图7对比说明了在传感器基底和样品板之间的距离被固定在31±2时相对于剪切振幅的变化而测量的单链和双链DNA寡聚体的弹性剪切模量和粘性剪切模量。
具体实施方式
下面，将参照附图详述本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例中采用压电振动扳的剪切应力传感器示意图。如图1所示，剪切应力传感器1包括——支持基底2，附着到支持基底上的两个振动板3和3’，以及跨接两个振动板3和3’的传感器基底4。一个振动板3被用作信号输入单元，而另一个振动板3’被用作信号输出单元。振动板3和3’(例如，双压电晶片)，受压电力而振动，振动的检测由测量从两个振动板3和3’传来的正弦信号输出中相变和力变的信号检测器5而进行。与靶样品特异结合的DNA或蛋白质探针被固定在传感器基底4的表面。放置靶样品的样品板6与传感器基底4相互平行。传感器基底4和样品板6之间的距离可以采用机械仪器(未示出)(例如，电容测量仪7)垂直地移动支持基底2或样品板6来调整。
图2A说明了在根据本发明的剪切应力传感器阵列上固定各种探针的方法，图2B说明了将图2A中的探针与感兴趣的靶样品杂交的方法。在图2A中，通过将阵列传感器1放入多孔探针容器9中而将各种探针8固定到具有振动板3和3’的传感器阵列1上。在图2B中，带有固定探针的阵列传感器1被放入带有靶样品的单孔容器10中以使靶样品与固定了的探针杂交。样品板(未示出)位于单孔容器10的底部。杂交之后，阵列传感器1被清洗，杂交生物分子的剪切应力在缓冲液中被测量。
图3是根据本发明的包括了多个传感器单元的(其中每一个都具有图1的传感器结构)的传感器阵列示意图。在图3中，一对杆对应于一个传感器单元，该单元如图1所示包括信号输入单元3，信号输出单元3’和跨接信号输入和输出单元3和3’的传感器基底。
图4是根据本发明的另一实施例采用静电振动板的剪切应力传感器阵列示意图。在图4中，剪切应力传感器11包括两个振动板13和13’，被固定在靠近各自的振动板13和13’处的板12和12’以及，跨接振动板13和13’的传感器基底14。剪切应力传感器11的振动板13和13’受与图1的剪切应力传感器中的压电力不同的静电力作用而振动。检测振动板13和13’的振动是通过测量振动板13和13’与各自的板12和12’之间电容的不同而进行的。
根据本发明的传感器阵列中剪切应力测量的原理将被简要描述(J.VanAlsten，和S.Granick，Rev.Sci.Inst，62，463，1991)。当使一个作为信号输入单元的振动板以正弦方式振动时，作为信号输出单元的另一个振动板的振动被电测量，输入和输出测量中的强度偏差或相变被读取。强度偏差或相变受传感器阵列表面上固定的物质的分子结构或粘性的影响很大。根据Hook定律，弹性固体的剪切应力与张力成正比，而根据Newton定律，液体的剪切应力与剪切速率成正比。粘弹性液体的剪切应力则由作为弹性组分的弹性剪切模量(或储存模量)和作为粘性组分或消散组分的粘性剪切模量(或散失模量)来表示。弹性组分和形变位于相中，而粘性组分则与剪切速率，即形变速率成正比。
局部粘度作为位于表面上的分子流动距离的函数是不能被准确测量的。然而，作为流动阻力的有效粘度可以从剪切应力的粘性组分中测量并被定义为粘性应力/有效剪切速率。有效剪切速率与最大剪切振幅或分子层厚度相对应。
本发明将通过以下实施例更详细地进行描述。下面的实施例仅用于说明本发明的目的而并非是对本发明范围的限制。
实施例1、巯基取代的DNA寡聚体探针的固定
为了测量杂交前后剪切应力的不同，采用了经改进的可测量侧向(剪切)力的表面力仪器(Granick，S.Science，1991，253，1374)。根据普通的表面力测量方法，用自动方式将白云母劈成平坦(step-free)，光滑的基底。每一片云母基底的一个劈开面上通过溅射沉积了厚度为660的银(Ag)，用胶水将曲率半径为2cm左右的透镜粘在内表面镀银的云母基底的外表面上。
巯基取代的DNA寡聚体探针被固定在一个云母基底的含Ag内表面上。两个云母基底之间的裂隙利用多光束干涉法来测量(Journal of Colloid andInterface Scjence，1993，44(2)，259，和J.Phys.Chem.B.，2000，104，7652)。在普通的测量表面力的实验中，两个云母基底的设置使得它们的Ag表面朝外，而液体样品施加在云母基底的内表面之间。然而，根据本发明，云母基底是这样装配的：即一个云母基底的Ag表面正对另一个云母基底的非Ag表面(或裸露云母表面)，因此与靶分子结合的DNA探针的自装配单分子层将被固定在一个云母基底含Ag内表面上。
当两个云母基底之间的距离为300时，基底受强烈的范德华相互作用力的影响而进入平面接触，这显示云母基底的含Ag表面和非Ag表面非常清洁。在Ag表面与非Ag表面之间的几个接触点测量构成的干涉波长基本上维持在2-4的范围内。虽然Ag表面Ag层的粗糙度估计有15-20，但这两个表面之间的距离能被精确测量。计算自装配单分子层厚度所需要的DNA探针溶液的折射率被假定为146(Jordan，C.E.；Frutos，A.G..；Thiel，A.T.；Corn，R.M.Anal.Chem.1997，69，4939)。
能导致亨特综合征的艾杜糖醛酸-2-硫酸盐(IDS)外显子基因的寡聚核苷酸区被用来作为寡聚体探针；寡聚核苷酸区的序列为SH-C6-5’-GTT CTTCTC ATC ATC-3’。寡聚体探针从Research Genetics(Huntsville，AL)公司购买，它们的5′-端被硫羟烷基(alkane thiol)间隔区所取代，每个间隔区的分子重量为4651g/mol。云母基底的Ag内表面被放入含1M NaH2PO4(pH4.0)的1mM巯基取代的单链DNA(ss-DNA)探针溶液中浸润3小时，以使ss-DNA探针吸附在Ag内表面上。接下来，用缓冲液清洗Ag内表面，然后用去离子水清洗，用氮气使之干燥。物理吸附的DNA探针被从含Ag内表面除去，含Ag内表面被浸润在1mM的巯基己醇和HS-(CH2)6OH中10分钟以便使ss-DNA探针伸向对面云母基底的裸露云母表面，然后用去离水清洗，用氮气干燥。
实施例2、探针与互补序列杂交
为了杂交，将ss-DNA探针放在1.5mM的具有互补探针序列(即3′-CAAGAA GAG TAG TAG-5′)的ss-DNA寡聚体和TE-1M NaCl缓冲液(10mMTris-HCl，1mM EDTA，1M NaCl)中，在38℃和pH7.6的条件下反应2小时，然后用38℃的TE-1M NaCl缓冲液洗涤，再用去离子水清洗，用氮气干燥。
实施例3、法向力测量
使用按照图1中的传感器原理操作的改进的表面力仪器(S.Granick，Science，253，1374，1991，J.Peachey，J.Van Alsten，和S.Granick，Rev Sci.Inst，62，463，1991)测量法向力。在巯基取代的寡聚体探针吸附在云母基底的Ag内表面上并形成自装配单分子层后，测量自装配探针单分子层在与靶样品杂交前后的压缩力。
在ss-DNA探针被固定在一个云母基底的Ag表面或与靶样品杂交时，将1滴1M的NaCl溶液滴入云母基底的两个相对内表面之间。这时，其上固定有巯基取代的DNA探针或包含与靶样品杂交的巯基取代的DNA探针的一个云母基底的Ag表面被置于上方并面对裸露的云母表面。
作为对照实验的结果，发现DNA探针不吸附在裸露云母表面，该表面在水中呈负性。因此，巯基取代的DNA寡聚体探针有一端束缚在Ag表面，而几乎不会非特异性地吸附在相对的裸露云母表面上。
在Ag表面和裸露云母表面的间隔长度超过1mm的状态下，将1滴1MNaCl溶液滴入云母基底的两个相对表面之间，当通过向支持具有裸露云母表面的云母基底的弹簧施加力来缩小两个表面之间的间隙时，测量两个相对表面之间的DNA单分子层的厚度。利用施加的力和弹簧的弹性常数，比较两个云母基底实际移动的距离与两个云母板名义上假定要移动的距离。结果得到了图5中上图所示的力-距离曲线关系图。
图5显示了按照图1中的传感器原理操作的改进的表面力仪器测量所得到的数据(S.Granjck，Science，253，1374，1991，J.Peachey，J.Van Alsten，和S.Granick，Rev Sci.Inst，62，463，1991)。尤其是，测量了固定在Ag表面上的巯基取代的寡聚体探针自装配单分层在与互补序列杂交前后的压缩力(上图)和剪切应力(下图)。在图5中，矩形符号(■)代表在0.1M NaCl中的ss-DNA探针，三角形符号(△)代表加入过量巯基己醇之后在1.0M NaCl中的ss-DNA探针，圆形符号(●)代表杂交后在1.0M NaCl中双链DNA(ds-DNA)探针。在图5的上图中，Y轴代表考虑到透镜曲率半径而归一化的压缩力(F/R)，X轴代表Ag表面与裸露云母表面之间单层分子的厚度，在图5的下图中，左边的Y轴代表考虑到有效接触面积而归一化的剪切应力，即，有效弹性剪切模量(G’)，右边的Y轴代表没有考虑到有效接触面积而归一化的弹性剪切常数(g’)，X-轴代表Ag表面和裸露云母表面之间单分子层的厚度。剪切应力被绘制在半对数刻度上。在图5的插图中，显示了法向力与剪切应力G’的比例。剪切应力通过施加1.3Hz的频率而测量，而有效接触面积采用Langbein近似(Aeff～2πRD)计算。
作为参考，实验中所用的ss-DNA 15-mer和ds-DNA各自的伸直长度(contour length)被估计为77和63。正如图5上图中用矩形符号(■)所显示的那样，当只有巯基取代的ss-DNA探针在0.1M NaCl中被固定在Ag表面并且没有用巯基己醇进行后处理时，才会在探针单分子层达到43±2左右时产生排斥力，而不再有压缩产生的探针单分子层刚性壁厚度为26±2。
当具有固定了的ss-DNA探针的云母片的Ag表面用巯基己醇处理时，正如三角形符号(△)所表示的，由于ss-DNA探针伸向相对的裸露云母表面，在探针中产生排斥力的探针单分层的厚度上升为大约80±2，而刚性壁厚度上升为大约26±2，两者均高于ss-DNA探针单分子层经巯基己醇处理前的数值。
在通过杂交形成双链DNA(ds-DNA)探针之后，正如圆形符号(●)所显示的那样，排斥力在ds-DNA单分子层厚度为大约72±2时产生，并在ds-DNA探针单分子层被压缩至41±2厚度时单调增加。而在ds-DNA单分子层的厚度从41±2降至30±2时会急剧下降。这认为是由于施加在刚性ds-DNA单分子层上的过量的法向压力引起单个ds-DNA寡聚体以一定角度倾斜。因此，ds-DNA单分子层的实际厚度被估计在41±2到30±2的范围之间。
如上所述，云母基底银表面上是否发生杂交可以通过当银表面与相对的另一云母基底的裸露云母表面接近时测量固定在银表面上的DNA探针排斥力的变化而得到确定。换句话说，ss-DNA和ds-DNA寡聚体的厚度或单分子层力的变化可以通过精确测量施加到单分子层中的法向力而确定。然而，要精确测量这样的法向力是十分困难的，而且单链和双链寡聚体之间的法向力差异与剪切应力相比是非常小的。
实施例4、剪切应力测量
在本实施例中，用剪切应力的测量来取代实施例3中的法向力以检测DNA杂交，为了检测DNA杂交，利用剪切应力测量仪器(例如图1所示的锁定放大器)来测量DNA分子的侧劲度(lateral stiffness)。剪切振幅小于2以确保实验在线性范围内进行而不破坏系统操作。
作为信号输入单元的振动板3被以正弦方式施加的各种频率所激发，另一个作为信号输出单元的振动板3’被测量以便从输出和输出测量中读取同相模量(弹性力)或非同相模量(粘性力)。测量的弹性力如图5中的下图所示。从图5中可明显看到，弹性力在杂交后极大地提高了。这其中的原因被认为是由于杂交后的ds-DNA寡聚体的劲度要比ss-DNA探针的劲度大。
参照图5的插图，可以明显地从考虑到法向压力PN而归一化的剪切应力G′的曲线中发现剪切应力G′大于法向压力PN。相应地，对于杂交检测来说认为剪切力的测量比法向力的测量更灵敏。
图5下图中的弹性力是通过在减少两个云母基底之间距离时施加恒定的切应振幅和剪切频率而被测量的。图6对比性地说明了ss和ds-DNA单分子层的弹性剪切模量(上图)和粘性剪切模量(下图)，其测量是在传感器基底4和样品板6之间的距离被固定在31±2时通过对DNA分子所结合的云母基底施加各种频率的剪切应力而进行的，传感器基底4和样品板6之间的距离与DNA分子的大小相对应而且是在图5所示实验结果的基础之上被确定的。在图6中，采用与图5中相同的参考符号来代表与图5中相同的DNA寡聚体。在图6中，上图和下图中左边的Y轴分别代表有效弹性剪切模量G′和有效粘性剪切模量G″，这些值考虑到采用Langbein近似的有效接触面积而被归一化。上图和下图中右边的Y轴分别代表弹性剪切常数g′和粘性剪切常数g″，这些值没有考虑有效接触面积而被归一化。上图和下图中的X-轴代表剪切频率弧度。如图6所示，杂交后ds-DNA寡聚体的弹性模量和粘性模量比杂交前ss-DNA探针的数值要大一个数量级。因此，DNA杂交可以通过测量那些剪切应力而被有效检测，这是本发明的基本特征。
图7说明了考虑剪切振幅变化时的弹性剪切模量和粘性剪切模量在ss-和ds-DNA寡聚体之间的对比，这些值是在传感器基底4和样品板6之间的距离为31±2时测量的。在图7中，矩形符号(■和□)分别代表在1.0M NaCl中的ss-DNA探针的弹性剪切模量和粘性剪切模量，圆形符号(●和○)分别代表加入过量巯基己醇之后在1.0M NaCl中的ss-DNA探针的弹性剪切变模量和粘性剪切模量，三角形符号(▲和△)分别代表杂交后的在1.0M NaCl中的ds-DNA寡聚体的弹性剪切模量和粘性剪切模量。采用与图6所得结果同样的方法考虑到有效接触面积而归一化弹性剪切模量和粘性剪切模量。当剪切振幅被提高到超过极限时，那些剪切模量下降。然而，即使当样品的剪切应力通过提高剪切振幅至数十纳米的水平而在非线性范围内测量时，杂交前ss-DNA探针与杂交后ds-DNA寡聚体之间的剪切模量的差异仍然大大超过一个数量级。
尽管在上述实施例中采用具有完全匹配的序列的靶样品，但是突变体样品(例如具有单点突变)与ss-DNA探针的杂交，也能被有效检测。
如上所述，根据本发明，检测生物分子例如DNAs或蛋白质结合的方法中，靶分子与传感器表面上探针的结合情况可以通过测量杂交前后结合在传感器表面的生物分子剪切应力的变化来进行检测。与传统的荧光分子检测方法不同，生物分子的结合可化作电信号直接进行检测而无需附加的标记。根据本发明的方法比传统的测量悬臂梁偏转的方法灵敏而且无需昂贵的独立设备，例如激光设备。
虽然本发明通过优选实施例加以介绍和描述，但应该理解本领域普通技术人员在不超出由权利要求书限定的本发明的范围内可以作出多种形式和细节上的变化。

Claims (6)

1、一种检测探针生物分子与目标生物分子结合的方法，它包括：
(a)将探针生物分子固定在传感器基底表面；
(b)将包含目标生物分子的样品放在平行并正对着传感器基底表面排列的样品板上；
(c)调整传感器基底与样品板之间的距离使之与生物分子的大小相对应，传感器基底与样品板之间的距离是通过测量在减小传感器基底与样品板之间的距离时结合在传感器基底的生物分子中的法向力来进行调节，以使该距离与生物分子的大小相对应；
(d)使传感器基底上的探针生物分子与样品的目标生物分子反应；和
(e)在步骤(d)中的反应之前和之后，测量传感器基底表面上的剪切应力的变化。
2、根据权利要求1的方法，其中剪切应力的变化从传感器基底振动中的相移和力的变化或使用传感器基底的弹性剪切模量和粘性剪切模量来测量。
3、根据权利要求1的方法，其中探针和目标生物分子包括核酸，蛋白质和寡糖。
4、一种剪切应力传感器，包括：
产生振动的信号输入单元；
阻滞信号输入单元振动的信号输出单元；
跨接信号输入和输出单元的传感器基底；
平行且正对着传感器基底表面排列的样品板；
调整传感器基底与样品板之间距离的单元；及
从信号输入和输出单元的振动中测量相移和力的变化的信号检测单元。
5、权利要求4的传感器，其中信号输入和输出单元的振动是由压电电压、静电容、电磁电流或热膨胀引起的。
6、权利要求4的传感器，其中调节传感器基底和样品板之间距离的单元是电容测量仪器。
CNB021569614A 2001-10-23 2002-10-23 通过测量剪切应力来检测生物分子结合的方法和传感器 Expired - Fee Related CN1243979C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0065484A KR100442822B1 (ko) 2001-10-23 2001-10-23 전단응력 측정을 이용한 생분자들간의 결합 여부 검출 방법
KR65484/2001 2001-10-23
KR65484/01 2001-10-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1415963A CN1415963A (zh) 2003-05-07
CN1243979C true CN1243979C (zh) 2006-03-01

Family

ID=19715339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB021569614A Expired - Fee Related CN1243979C (zh) 2001-10-23 2002-10-23 通过测量剪切应力来检测生物分子结合的方法和传感器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7112452B2 (zh)
EP (1) EP1306449B1 (zh)
JP (1) JP3790737B2 (zh)
KR (1) KR100442822B1 (zh)
CN (1) CN1243979C (zh)

Families Citing this family (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5914613A (en) 1996-08-08 1999-06-22 Cascade Microtech, Inc. Membrane probing system with local contact scrub
US6256882B1 (en) 1998-07-14 2001-07-10 Cascade Microtech, Inc. Membrane probing system
US6914423B2 (en) 2000-09-05 2005-07-05 Cascade Microtech, Inc. Probe station
US6965226B2 (en) 2000-09-05 2005-11-15 Cascade Microtech, Inc. Chuck for holding a device under test
DE10143173A1 (de) 2000-12-04 2002-06-06 Cascade Microtech Inc Wafersonde
AU2002327490A1 (en) 2001-08-21 2003-06-30 Cascade Microtech, Inc. Membrane probing system
US7492172B2 (en) 2003-05-23 2009-02-17 Cascade Microtech, Inc. Chuck for holding a device under test
US7057404B2 (en) 2003-05-23 2006-06-06 Sharp Laboratories Of America, Inc. Shielded probe for testing a device under test
JP4247554B2 (ja) 2003-07-30 2009-04-02 独立行政法人理化学研究所 メカノケミカル式センサー
EP2365324A3 (en) * 2003-08-06 2011-11-16 Bridger Technologies, Inc. Bridged element for detection of a target substance
US7250626B2 (en) 2003-10-22 2007-07-31 Cascade Microtech, Inc. Probe testing structure
US7187188B2 (en) 2003-12-24 2007-03-06 Cascade Microtech, Inc. Chuck with integrated wafer support
GB2425844B (en) 2003-12-24 2007-07-11 Cascade Microtech Inc Active wafer probe
US7517695B2 (en) * 2004-01-20 2009-04-14 The Curators Of The University Of Missouri Local flow and shear stress sensor based on molecular rotors
US7402425B2 (en) * 2004-03-02 2008-07-22 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Stress-based electrostatic monitoring of chemical reactions and binding
DE102004022263A1 (de) * 2004-05-06 2005-12-15 Clondiag Chip Technologies Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis von molekularen Wechselwirkungen
US7497133B2 (en) 2004-05-24 2009-03-03 Drexel University All electric piezoelectric finger sensor (PEFS) for soft material stiffness measurement
US7420381B2 (en) 2004-09-13 2008-09-02 Cascade Microtech, Inc. Double sided probing structures
JP2006133164A (ja) * 2004-11-09 2006-05-25 Fyuuensu:Kk カルモデュリンの構造変化を検出する方法、カルモデュリンの構造変化に影響を与える活性を有する物質を探索する方法
KR100667314B1 (ko) * 2005-01-06 2007-01-12 삼성전자주식회사 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법
US7535247B2 (en) 2005-01-31 2009-05-19 Cascade Microtech, Inc. Interface for testing semiconductors
US7656172B2 (en) 2005-01-31 2010-02-02 Cascade Microtech, Inc. System for testing semiconductors
JP4517921B2 (ja) * 2005-03-31 2010-08-04 ソニー株式会社 生体反応実行装置および生体反応実行方法、情報処理装置および情報処理方法、プログラム、並びに、記録媒体
JP4705504B2 (ja) * 2006-04-05 2011-06-22 アイダエンジニアリング株式会社 マイクロ流体チップ
US7723999B2 (en) 2006-06-12 2010-05-25 Cascade Microtech, Inc. Calibration structures for differential signal probing
US7764072B2 (en) 2006-06-12 2010-07-27 Cascade Microtech, Inc. Differential signal probing system
US7403028B2 (en) 2006-06-12 2008-07-22 Cascade Microtech, Inc. Test structure and probe for differential signals
US20080012578A1 (en) * 2006-07-14 2008-01-17 Cascade Microtech, Inc. System for detecting molecular structure and events
BRPI0714393A2 (pt) * 2006-07-17 2013-03-26 Universal Biosensors Pty Ltd detecÇço eletroquimica da mobilidade das partÍculas magnÉticas
KR100741160B1 (ko) * 2006-10-11 2007-07-20 충북대학교 산학협력단 단백질 나노어레이 상에서 단백질-단백질 상호작용의고성능 분석법
KR100798361B1 (ko) * 2007-02-01 2008-01-28 포항공과대학교 산학협력단 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서
US7876114B2 (en) 2007-08-08 2011-01-25 Cascade Microtech, Inc. Differential waveguide probe
KR100937825B1 (ko) * 2007-12-14 2010-01-20 전북대학교산학협력단 연료 검사장치
US8181531B2 (en) 2008-06-27 2012-05-22 Edwin Carlen Accessible stress-based electrostatic monitoring of chemical reactions and binding
US9011670B2 (en) 2008-08-14 2015-04-21 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Three-dimensional metal ion sensor arrays on printed circuit boards
US8319503B2 (en) 2008-11-24 2012-11-27 Cascade Microtech, Inc. Test apparatus for measuring a characteristic of a device under test
WO2011113878A1 (en) * 2010-03-16 2011-09-22 Abbott Gmbh & Co. Kg Method and device for determining mechanical stress load and interface effects on particles dispersed in a fluid
WO2012068392A2 (en) * 2010-11-17 2012-05-24 California Institute Of Technology Low cost, portable sensor for molecular assays
CN105490507A (zh) * 2016-01-13 2016-04-13 蔡权 一种带有高重复性湿度检测装置的电源操作门板
CN105675560B (zh) * 2016-01-18 2018-06-01 中国科学院化学研究所 一种获取剪切场下单个聚合物分子荧光发射光谱信息的方法
CN106092380A (zh) * 2016-06-13 2016-11-09 常州大学 一种测量基因片段作用力的微简支梁装置
CN109655379B (zh) * 2018-12-29 2022-02-01 潍坊医学院 用于研究流体剪切应力对细胞影响的溜槽板装置和测定方法
JP7260058B2 (ja) * 2020-03-26 2023-04-18 日本電気株式会社 ターゲットの分析キットおよびそれを用いた分析方法
TWI818596B (zh) * 2022-06-22 2023-10-11 嘉碩生醫電子股份有限公司 具有槽結構的剪切模式液相感測器、其製造方法及其使用方法
CN116593356B (zh) * 2023-06-05 2023-11-17 南京工业大学 一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5372930A (en) * 1992-09-16 1994-12-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Sensor for ultra-low concentration molecular recognition
US5605798A (en) 1993-01-07 1997-02-25 Sequenom, Inc. DNA diagnostic based on mass spectrometry
US5631734A (en) 1994-02-10 1997-05-20 Affymetrix, Inc. Method and apparatus for detection of fluorescently labeled materials
US6033913A (en) * 1996-06-20 2000-03-07 New York University Detection of ligand Interaction with polymeric material
US6096273A (en) 1996-11-05 2000-08-01 Clinical Micro Sensors Electrodes linked via conductive oligomers to nucleic acids
US7014992B1 (en) 1996-11-05 2006-03-21 Clinical Micro Sensors, Inc. Conductive oligomers attached to electrodes and nucleoside analogs
DE69817329T2 (de) 1998-06-02 2004-06-09 International Business Machines Corp. Vorrichtung und Verfahren zur Identifikation einer Substanz durch Oberflächenwechselwirkungen
EP1221049A1 (en) 1999-09-30 2002-07-10 Sensorchem International Corporation Transverse shear mode piezoelectric chemical sensor

Also Published As

Publication number Publication date
US7112452B2 (en) 2006-09-26
EP1306449A3 (en) 2004-11-24
EP1306449A2 (en) 2003-05-02
KR100442822B1 (ko) 2004-08-02
EP1306449B1 (en) 2014-12-10
CN1415963A (zh) 2003-05-07
JP2003185665A (ja) 2003-07-03
US20030077649A1 (en) 2003-04-24
KR20030033486A (ko) 2003-05-01
JP3790737B2 (ja) 2006-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1243979C (zh) 通过测量剪切应力来检测生物分子结合的方法和传感器
Calleja et al. Challenges for nanomechanical sensors in biological detection
US7655269B2 (en) Integrated nanomechanical sensor array chips
EP0906562B1 (en) Detection of ligand interaction with polymeric material
US8349611B2 (en) Resonant sensors and methods of use thereof for the determination of analytes
EP2215476B1 (en) Method and system for detection of a selected type of molecules in a sample.
Norman et al. Redox actuation of a microcantilever driven by a self-assembled ferrocenylundecanethiolate monolayer: an investigation of the origin of the micromechanical motion and surface stress
Pinto et al. Label-free biosensing of DNA in microfluidics using amorphous silicon capacitive micro-cantilevers
Adami et al. Label free NAPPA via nanogravimetry
Bonet et al. Quartz crystal microbalance and atomic force microscopy to characterize mimetic systems based on supported lipids bilayer
CN1101474C (zh) 微型石英谐振阵列基因传感器芯片
Cooper et al. Functional Microarray Platform with Self-Assembled Monolayers on 3C-Silicon Carbide
JP4247554B2 (ja) メカノケミカル式センサー
Sapra Atomic force microscopy and spectroscopy to probe single membrane proteins in lipid bilayers
CN1372135A (zh) 生物机－电芯片及应用
Dąbrowski et al. Macroporous Polymer Cantilever Resonators for Chemical Sensing Applications
EP2348132B1 (en) Method for the bioanalysis of nucleic acid molecules in a sample and biosensor for its implementation
Xu et al. A high sensitivity carbon nanotubes enhanced PZT diaphram-based immunosensor array
Nishioka et al. Exploiting Femtoliter Microwells for the Sensitive Measurement of Protein Adsorption
Reichert White Papers

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20060301

Termination date: 20181023