CN1643128A

CN1643128A - 用于生物检定的新颖集成电路晶片

Info

Publication number: CN1643128A
Application number: CNA03806734XA
Authority: CN
Inventors: 来德行
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2005-07-20
Also published as: PE20040015A1; EP1495483A2; US20040029109A1; AR039102A1; WO2003083905A3; US7338811B2; AU2003218403A1; CA2480434A1; ZA200408597B; NZ536162A; WO2003083905A2; TWI283746B; TW200306419A; IL164150A0

Abstract

本发明针对一种含有特别用于生物检定的物质的新颖IC晶片。此外，本发明针对使用这些晶片的检定方法和套组。

Description

用于生物检定的新颖集成电路晶片

技术领域

本发明针对一种含有特别用于生物检定的物质的新颖IC晶片。本发明针对一种集成电路晶片的新颖用途，该晶片包括一编码有在检定生物分子过程中为回应无线电信号而传输至接收器的信息的应答器。此外，本发明针对使用这些晶片的检定方法和套组。

背景技术

固相检定程序

固相检定程序已用于确定各种生物样本(例如，血液、血清、尿、唾液、组织匀浆)中的诸如蛋白质、肽、碳水化合物、脂类和小分子的物质的存在和/或量。固相用于将结合于该固相的分子与未结合于该固相的那些分子分离开来。通常将小珠粒用作固相来捕获分析物。然而，在常规程序中，难以约同时在单个样本中执行大量的检定(多重检定(multiplex assay))。

已采用的一种用于增加多重检定范围的方法是使用与固相珠粒相关联的应答器来索引构成固相的微粒(例如，参见美国专利第5,641,634号、WO97/20074)。所揭示的用于检测DNA序列的系统的图形代表显示于http：//www.pharmaseq.com/illustration.html。该应答器具有光生伏特电池作为其利用光或激光的电源(图6；第5栏，第50-65行)。激光用于激活光电池并供应功率。随后应答器发射无线电信号。此可为一缺陷。

无线标签(Radiotag)或应答器也已用于组合化学方法(评述于Service中，1995年，Science 270：577)中。在一个方法中，射频(RF)可编码微晶片与衍生化的(derivatized)聚苯乙烯树脂的聚丙烯胶囊相耦接使得无线电扫描仪记录胶囊的身份及其所进入的每个烧杯的内含物(见美国专利第5,777,045及6,051,377号及Moran等人，1995年，J.Amer.Chem.Soc.117：10787-10788)。将数据上载至一跟踪将单体添加至胶囊的顺序的计算机。

在Nova等人的另一方法中，实际上使用一将信息写入晶片的传输器来将所获得的数据存储于微晶片本身上(参见例如，美国专利第5,741,462、5,751,629、5,874,214、5,925,562及6,025,129号)。直到运行完成时方才将资料上载至计算机。因此所揭示的系统包括一记录装置和存储单元。已建议也可将此系统用于免疫检定和杂交反应并用以检测大分子、识别受体结合配位体及细胞分类。

RFID

射频识别系统(RFID)于含有具有信息的标签的合适应答器中携带信息。为回应一无线电信号而通过机器可读构件检索到标签上的信息(查阅RFID，请见www.aimglobal.org)。

一基本RFID系统含有以下三个组件：

(a)一天线或线圈

(b)一编程有唯一信息的应答器

(c)一对该唯一信息解码的接收器

在应答器与接收器之间充当管道的天线发射出无线电信号以激活应答器上的标签并从中读取且写入信息。

应答器含有一标签，该标签为了由应答器所产生的信息而回应一信号。应注意，在本领域中可互换使用术语“应答器”和“标签”。应答器或标签逻辑可为只读或随机存取。

接收器接收由应答器传输的信息并对其解码。该信息可被进一步处理。

已建议RFID可用于运输和后勤、制造和加工安全、动物标签(animal tagging)、废物管理、计时和考勤、邮政追踪飞机行李协调和道路通行费管理。

发明内容

本发明针对一种用于物质检定的集成电路晶片，其包括：

(a)一编码有信息的应答器，该信息可包含(但不限于)回应无线电信号而传输至一接收器的数据或二进制码，和

(b)附着至所述应答器的至少一种物质。

在一特定实施例中，本发明的晶片进一步包括至少一个金属选项(metal option)。如本文所定义的，“金属选项”为一导线，其将电路连接在一起，且在一特定实施例中连接至最高或最低电源。本发明也针对一种用于获得所述集成电路晶片的方法。

本发明进一步针对一种用于检定一种物质的系统，其包括：

(a)包括如下的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器由(ii)的所述天线来激活和(iii)接收并解码所述信息的接收器，和

(b)附着至所述应答器的至少一种物质。

在一特定实施例中，该系统包括(a)一种包括以下各物的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有只读标签的应答器，其中所述标签含有二进制码且所述应答器由(i)的所述天线来激活和(iii)接收并解码所述信息的接收器，和(b)附着至所述应答器的至少一种物质。

在另一特定实施例中，本发明的晶片进一步包括一电极。该物质附着到晶片上从而与该电极相接触。该物质可含有一电化学发光部分。

本发明进一步针对使用所述集成电路来检测第一物质与第二物质的结合的方法，其包括：

(a)培育本发明的集成晶片，所述晶片包括一应答器和一第一物质，该第一物质与一第二物质附着至所述应答器；

(b)分析步骤(a)所培育的混合物以检测所述第一物质与所述第二物质的结合且

(c)识别附着至所述应答器的物质。

附着至所述应答器的物质可含有可检测部分；或者，该第二物质可含有可检测部分。在另一实施例中，可将可检测部分添加至步骤(a)所培育的混合物中。在另一实施例中，附着至应答器的物质为一种生物物质。

在一特定实施例中，本发明针对一种使用本发明的晶片的多重检定，其包括：

(a)提供本发明的多个集成电路晶片；

(b)使所述晶片与一种或多种物质接触以确定所述物质是否结合至每个所述晶片上的物质；

(c)分析步骤(b)所培育的混合物以检测所述物质与所述晶片的结合，且

(d)识别结合至所述标记物质的生物分子

在一个更特定的实施例中，相同物质附着至每个晶片。在另一更特定的实施例中，使一种不同的物质附着至每个晶片。在又一实施例中，该物质为生物样本。在又一实施例中，该物质含有可检测部分。在另一更特定的实施例中，本发明的方法可用于检测细胞上的病原体或诊断疾病病症；创建患者概况，确定草药中的成份和/或用于药物筛选。

本发明进一步针对一种用于检定生物分子的套组，其包括：

(a)一包括一标签的应答器，该标签带有回应无线电信号而传输至一接收器的信息，和

(b)一可检测部分和/或一物质库(例如，噬菌体展示库、DNA库、自然产品库)。

本发明进一步针对一种用于检定生物分子的套组，其包括：

(a)一种包括如下的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器由(i)的所述天线来激活，和(iii)接收并解码所述信息的接收器，和

(b)一可检测部分和/或物质库。

附图说明

图1显示一具有“金属选项”的RFID系统的图表。

图2显示该“金属选项”组件的特定实施例的近视图。每个金属线路具有两个金属选项：0或1。因此，14位意味着十四个金属选项(0或1)。所有14个金属线路级数(metalines series)的组合为2¹⁴ID。

图3显示具有用于ECL的电极的RFID(金属选项)。

图4描绘了ECL标记的物质13与含有一电极的RFID晶片的使用程序。

图5显示了仅具有电极而无金属选项ID的RF系统。

图6描绘了ECL标记的物质13与仅含有一电极的晶片的使用程序。

图7显示荧光团标记物质与RFID晶片的使用。

图8显示用来通过使用本发明的IC晶片以产生和分析信息的程序。

图9显示利用RFID晶片的SPR技术的使用。

图10显示在无电极的RFID晶片上的细胞与荧光团标记抗体的使用。

图11显示一个特定实施例，其中初级抗体是未标记的。

图12显示RFID探针系统。

具体实施方式

本发明的IC晶片含有应答器和附着至所述应答器的物质。可使用此项技术中已知的程序使该物质附着到本发明的晶片上。

在一个实施例中，使用此项技术中已知的一种共轭剂使该物质共价地附着至晶片。此一共轭剂包括(但不限于)氨基-烷基硅烷类[例如，正十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)；正十八烷基三氯硅烷(OTCS)][Kleinfeld等人，(1998年)Neurosci，8，4098-4120；Mooney等人，(1996年)Proc.Natl.Acad.Sci.USA，93，12287-12291]，醛硅烷类(aldehyde silanes)，其中醛与蛋白质上的第一胺发生反应以形成希夫碱键[Macbeath等人，(2000年)Science 289，1760-1757]；清蛋白-烷基吸收[Hart等人，(1994年)Electroanalysis 6，617；Newman等人，(1992年)Anal.Chim.Acta，262，13]；以甲基和胺基为终端的硅烷的光阻技术[Britland等人，(1992年)Biotechnol.Progr，8，155-160；Britland等人，(1992年)Exp.Cell Res.198，124-129]；具有生物素-抗生物素蛋白的硝基芳基叠氮化物光化学[Pritchard等人，(1995年)Anal.Chem.，67，3605-3607；Hiller等人，(1987年)Biochem.J.248，167]；具有正羟基琥珀酰亚胺酯的全氟苯基叠氮化物光化学[Yan等人，(1994年)Bioconjugate Chem.，5，151-157]；重氮甲烷(diazirine)光化学[Gao等人，(1995年) Bioelectron 10，317-328]；具有EDA的硅烷的深紫外线(deep UV)[Dulcey等人(1991年)Science，252，551-554]；具有OTS的硅烷的深UV[Mooney等人，(1996年)Proc.Natl.Acad.Sci，93，12287-12291]；烷基硫代物(alkane thios)[Knoll等人，(1997年)34，231-251]和激光汽相沉积[Morales等人，(1995年)10，847-852]。

可用于非特定、非共价附着的一种试剂为聚L-赖胺酸。目标物质将被添加至首先经聚L-赖胺酸处理或涂覆的晶片表面。将在目标物质与聚L-赖胺酸之间形成非特定、非共价键。此非共价键将该目标物质固定在该晶片上。此方法可用于各种目标物质，例如，DNA、蛋白质和细胞。

在另一实施例中，可将该物质涂覆于晶片上。具体地说，将该晶片直接培育于含有该物质的溶液中。随后将该晶片转移至阻断溶液(例如，BSA或酪蛋白)[Vogt等人，(1987年)J.Immunol.Methods 101，43-50]以填充晶片表面上未覆盖的空间。非共价键将形成于该物质与该晶片表面之间。依溶液中物质的要求和浓度而定，可调整涂层中物质的量。

所有程序较佳仅用于一种单一物质。然而，为了初级筛选目的可将若干种物质的混合物添加至单一晶片上。稍后可接着为每个单一晶片中的此混合物的每个个别物质筛选该初级筛选晶片的阳性反应(positive reaction)。

附着至应答器的物质可为生物样本。在一特殊实施例中，该生物样本为细胞、亚细胞组份、细胞器或组织。该生物样本也可为细胞隔离的核酸和/或蛋白质、组织、尿和唾液。在另一实施例中，附着至应答器的物质为一种含有如下非放射性可检测部分的物质：(诸如)全细胞、亚细胞微粒、病毒、蛋白感染素、类病毒、脂质、脂肪酸、核酸、多糖、蛋白质、脂蛋白、脂多糖、糖蛋白、肽、细胞代谢物、荷尔蒙、药理试剂、镇定剂、巴比妥酸盐、生物碱、类固醇、维生素、氨基酸、糖、非生物聚合物、合成有机分子、有机金属分子、无机分子、生物素、抗生物素蛋白或抗生蛋白链菌素(streptavin)。

在一特定实施例中，DNA或噬菌体展示库(例如，T4噬菌体)的组员可附着至复数个应答器。该物质也可为抗体；在一特定实施例中，该抗体为单克隆抗体。该物质也可以是受体或配位体。配位体为结合至受体的物质。

可以用非放射性可检测部分(诸如，发色团、荧光团或发光剂)来标记该物质。色原基质的实例为5-溴-4-氯-3-吲哚基磷酸酯。

当在电激发状态的分子通过光子的发射而衰减至低能态时出现发光的情况。在一个实施例中的发光剂可为化学发光剂。在化学发光中，该激发状态是由于诸如光敏灵(lumisol)和异光敏灵(isolumisol)的化学反应而产生。在诸如荧光和磷光的光致发光中，电激发状态是由于用外部光源对分子进行照明而产生。生物发光的一实例为酶、荧光素酶。在电化学发光(ECL)中，电激发状态是由于在合适周围化学环境中将分子(或前体分子)暴露至电化学能量而产生。ECL的一般原理描述于Yang等人，1994年，Bio/Technology 12；193-194中。电化学发光剂的实例提供于(例如)美国专利第5,147,806、5,641,623号和美国申请案第2001/0018187号中，且包含(但不限于)金属阳离子-液体复合物、经取代或未经取代的聚芳族分子、诸如异苯并呋喃和吲哚的芳基衍生物的混合系统。在一特定实施例中，电化学发光化学部分可包括含金属的有机化合物，其中该金属是选自由以下各物组成的群组：钌、锇、铼、铱、铑、铂、钯、钼、锝和钨。

在另一实施例中，BIA技术可用于检测样本与本发明的晶片的结合。此技术使用表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)技术[BIACORE AB，Sweden]。SPR的原理已经由Karlsson等人描述于(2000年)278，1-3和BIACOREAB[http：//www.biacore.com/biomol/principle.shtml]中。

IC晶片

在一个实施例中，本发明的IC晶片为RFID系统的组件。每个应答器或标签都分别编码有一个索引号以识别附着至IC晶片的物质。该晶片的形状可为珠粒或矩形。尺寸可在约200-1500(μm)的范围内且较佳为约1500μm。在一特定实施例中，一天线附着至所述应答器且该天线可为线性的或平面的。

本发明包括(但不限于)以下三种IC晶片：

(1)具有ID“金属选项”但无ECL应用的RF(见图1和2)。如本文所定义的，“金属选项”为连接至最高电源(VDD)或最低电源(GND：接地)的金属导线。因此，不需要ROM、RAM和Flash。金属选项ID逻辑1通过金属光掩模工艺而创建出一索引ID。光掩模是用于半导体工艺中的特殊膜。调制器2将ID二进制数转变成RF频带。信号将通过模拟前端(Analog Front End)而传输出去到空气中。电容器和振荡器将位于那些区块中。模拟前端3为一上变频器电路，主要用以将二进制ID增频为高频。天线和能量聚集电路4用于将射频能量接收和发送至晶片内和外。内区块5和插脚6用于测试或其它保留功能。晶片可视情况含有层7。SiO₂保护IC的大部分区域而仅插脚区域6被暴露于空气。其可通过IC制造商来添加，但此并非必要。

(2)具有ID“金属选项”也具有ECL应用的RF(见图3和4)。如图3所示，1-7与以上相同。此实施例也包括一电极8。金属选项ID和电极位于相同电流上且使用相同电源。物质与晶片上的电极8相接触以让ECL标记的物质结合。电流将穿过ECL标记的物质并为ECL Ru基板发射出(例如)600-620nm的波长。可同时检测RF ID和ECL信号。或者，可分开检测该等信号，即，先检测ECL信号，然后检测具有两个射频输入的RF ID。当共轭目标13结合到所述晶片上的电极上的物质9时，本发明的IC晶片将使用由RF所产生的电流(-3V)来为共轭目标13提供功率(见图4)。此技术涉及两个组份：ECL标签，诸如耦合到检测探针(化学品、DNA、蛋白质和药物)的三(2，2′-二吡啶)钌(Ru)，和存在于反应缓冲器中经氧化的物质，如三丙胺(TPA)。当将RF电压施加于电极时，两种组份均由氧化来激活。经氧化的物质转移至高还原剂中，其与经激活的ECL标签反应以产生激发状态形式。此形式于室温下伴随着波长为620nm的光子发射和长激发状态寿命(-600ns)返回至其接地状态。所产生的光的量直接与结合于本发明的IC晶片上的ECL标签的量成比例且可被光检测系统11(例如，光检测器、照相机、显微镜等)捕获。光的产生表明了ECL共轭目标结合至由RF提供功率的晶片上。可购得若干商业ECL读取系统(例如，来自IGEN的Organon Teknika公司的NucleiSens读取器)。

(3)无金属ID功能而仅具有ECL应用的RF(图5和6)。图5描绘无金属选项ID的Vincogen晶片。调制器2使ID二进制数转变至RF频带。电容器和振荡器也可位于该调制器内。模拟前端3为一上变频器电路，主要用于将二进制ID增频至高频。天线和能量聚集电路4用于将射频能量接收和发送至晶片内和外。内区块5和插脚6是用于测试或其它保留功能。晶片可视情况含有一层。SiO₂保护了IC的大部分区域且I/O插脚6和8区域将被暴露于空气中。其可通过IC制造商来添加。电极8也为插脚装置。该插脚装置可为外部材料提供很短时间的电流。如图6所示，当ECL共轭目标13结合至存在于晶片上的电极上的物质9时本发明的晶片将使用由RF产生的电流(-3V)来为ECL共轭目标13提供功率。在ECL与电的电化学反应过程中将产生光，且通过光检测系统(例如，光检测器、照相机、显微镜等)来捕获所产生的光。光反应表明了ECL共轭目标结合至由RF提供功率的晶片上的物质上。

在一特定实施例中，本发明的晶片是一包括射频识别系统的系统的一部分，该射频识别系统包括：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器是由(i)的所述天线来激活，和(iii)接收并解码所述信息的接收器。在一特定实施例中，该信息含有二进制码。

方法和套组

本发明的IC晶片可用于检测物质与样本的结合。在一个实施例中，本发明的IC晶片9与一种物质相接触以确定此物质是否结合至存在于该IC晶片上的物质。在一个实施例中，存在于IC晶片上的物质含有一可检测部分。

在另一实施例中，与IC晶片接触的物质含有可检测部分(见图7)。在一特定实施例中，该物质为荧光团标记的物质12。一激光和扫描装置检测该荧光团标记的物质且一RF ID读取器11识别所附着的物质9。

在另一实施例中，在晶片接触物质之后添加该可检测部分。例如，IC晶片可含有结合至一应答器的抗体。将该抗体与抗原培育于(例如)一器皿中以获得反应混合物。将结合至抗原的第二荧光团或ECL标记的抗体添加至该混合物中。随后洗涤该IC晶片以移除任何未结合的组份和试剂。使用一荧光团或ECL读取器来检测已标记的抗体，以识别那些具有抗原结合的晶片。已结合的未标记抗体也可用无BIA标签的表面等离子共振(SPR)技术[Karlsson等人，(2000年)278，1-3；BIACORE AB，Sweden]检测出来。使用一接收器来对这些晶片解码。

本发明的一个实施例的图表显示于图8中。接收器11为一收发器，其可通过射频来向本发明的RFID IC晶片传输功率并从天线接收ID且解调制来自RF无线信号的ID。随后该ID可发送信息至PC或其它后处理单元19。

本发明的检定可(例如)用于创建患者样本(血液、尿、唾液、汗液……等等)中的疾病病症蛋白质概况，且将其用于对病症进行诊断。患者的样本可通过(例如)来自任意肽或抗体噬菌体展示晶片库的标志面板(panel of marker)加以筛选。

可将任意肽或抗体展示库[Marks等人，(1991年)J.Mol.Biol.222，581-597；Hoogenboom等人，(1992年)，J.Mol.Biol.，227，381-388；Griffiths等人，(1993年)EMBO J，12，725-734；Haard等人，(1999年)J.Biol.Chem.274，18218-18230]创建于T4[Ren等人，(1996年)Gene 195，303-311；Ren等人，(1996年)ProteinScience 5，833-1843]、M13噬菌体展示系统[Winter等人，(1994年)Annu.Rev.Immunol，12，433-455；Clackson等人，(1994年)Trends Biotechnol.12，173-184]或入噬菌体[Santini等人，(1998年)282，125-135]上。

如图9所示，抗体或任意肽(12-15mer)噬菌体展示库可创造出不止10⁷-10⁹个个别克隆，足以含盖所有可能的抗原决定部位。该任意肽或抗体IC晶片展示库9将筛选出患者和正常人的血清10。患者将在血清中表达出若干唯一的“与疾病相关的蛋白质(抗原)”。由于该展示库可含盖10⁷-10⁹个个别抗原决定部位，因此其应该检测血清中的这些唯一的“与疾病相关的蛋白质(抗原)”，以通过9与10的结合来创建真实概况和代替标志。

初级筛选程序可通过一个其中每个个别晶片上都含有不同的1000个噬菌体克隆的混合IC晶片库9来加以应用。一个含有用于该第一筛选的10⁴-10⁵个晶片的晶片库可从10⁷-10⁹个个别克隆获得。筛选程序涉及利用样本培育晶片库(例如)1小时。用洗涤缓冲剂彻底清洗掉未结合的样本并使用无BIA标签的表面等离子共振(SPR)技术[Karlsson等人，(2000年)278，1-13；BIACORE AB，Sweden]来识别已结合的晶片。晶片的结合状况可直接由SPR来检测并加以确定。读取器11可识别RF ID。在其中每个个别晶片上仅有一个克隆的混合IC晶片库中重复此处理，以确定仅可与患者的血清反应的真正克隆或晶片。所有阳性克隆的ID将形成用于此疾病的“代替标志的表达概况”且可经PC或其它后处理单元加以分析。此概况可用作疾病进展、新药物目标，或疫苗的诊断。

以类似方式进行多重检定。将本发明的两个或更多IC晶片放置于每个检定器皿中，以同时检测两种或更多物质。该等IC晶片分成两类或两类以上，其中每一类具有一个明显的索引号。

本发明的多重检定可用于：1)从晶片上的噬菌体展示库中识别出未知的拮抗剂或促效剂；2)从晶片上的单克隆展示库中识别出未知的拮抗剂或促效剂；3)从基因表达IC晶片库中识别出未知的拮抗剂或促效剂；4)使用物质的混合物(例如，草药的提取物)从基因表达IC晶片库中识别出未知的拮抗剂或促效剂。基因表达库的检定将主要集中在促进剂区域。

可将用于本发明的方法中的应答器与非发射性标记物质一起封装成一个套组。此一物质的实例为经标记的抗体。或者，本发明的套组可包括该应答器和一可检测部分、此一发光部分、酶如碱性磷酸酶和基板。该套组还可包括一标准。本发明的套组也可包括标准化合物。

特定实施例

IC晶片较小且设计有无线电反射(RF)ID，其可在晶片上具有不同材料(DNA、蛋白质、化学品和细胞)的情况下用于高产量药物筛选、实时活细胞监测处理和基因表达概况。此小的IC晶片在其本身上不需要功率，因为其从无线电信号获得功率且反射来自其金属选项ID的编码。可通过分类器将其分离和恢复。举例而言，在14位的情况下其可产生2¹⁴＝16384数字来识别每个个别晶片。需要使用这些数字来识别每个个别晶片，以在使用无线电反射信号的最终恢复和解码处理过程中揭露出在该晶片上的材料(DNA、蛋白质、化学品、细胞)。可将该晶片嵌入到由SiO2制得的不同形状(例如，珠粒、正方形)中。

通过IC晶片的实时活细胞监测处理

A.单细胞型

1.单试剂处理：

将目标细胞(单细胞型)培养或附着至应答器/晶片(珠粒形)的表面上，且随后用试剂将其处理指定的时间段。晶片的表面用聚L赖胺酸进行处理。该等试剂包括(但不限于)药物、化学品、生物物质(例如，荧光蛋白质、细胞激素、内分泌物)、病原体(例如病毒)和毒素。在不同的时间点期间，分离和恢复晶片。用晶片培育特定荧光试剂(例如，荧光探针、荧光蛋白质)且清洗掉未结合的荧光试剂。细胞分类器、读取器和多模式显微镜法用于测量用于发生在活细胞中的各种生物过程的荧光试剂的强度和定位，诸如细胞表面抗原的存在(例如，MHC抗原、HIV gp120……等等)、新陈代谢过程(例如，线粒体电位的变化)[Waggoner A.S.(1985年)“Dye probes of cell，organelle，and vesicle membrane potentials”The Enzymes of Biological Membranes中，第2版，由Martonosi A.Plenum编；第313-331页]或H⁺和Ca²⁺自由金属离子浓度[Baazov等人(1999年)Biochemistry 38，1435-1445；Grynkiweicz等人，(1985年)J.Biol.Chem.260，3440-3450]、膜受体(例如，细胞激素受体、内分泌物受体数目变化)、基因活性(例如，转录因子、转译因子、蛋白质表达)、细胞周期鉴定(例如，G0、GI、M、S阶段时间曲线)；或用于表征诸如细胞器、细胞骨架[Dailey等人，(1999年)Methods 18，222-230；Dai等人，(2000年)J.Cell Biol.150，1321-1334]的此等细胞组份。

此信息通过特定生物标志来提供此生物过程的时间曲线。所回收的细胞样本也可由最终使用者用于进一步的分子分析(例如，PCR)或蛋白质分析(例如，HPLC，GC/MS)。

2.多重处理：

将目标细胞(单细胞型)培养于IC晶片的表面上，随后用不同试剂或不同处理品来处理经培养的细胞的不同RF ID。例如，经HIV感染的细胞在一个ID晶片上，且HIV未实验细胞(naive cell)是在不同的ID晶片上。或者，可将不同浓度的HIV感染细胞培养于不同晶片上；每个晶片具有其自身的ID。所有晶片培养在具有或不具有试剂(例如，药物)的介质中，且监测细胞蛋白质的基因表达(例如，趋化因子受体)和病毒蛋白质(例如，HIV gp120)。

在一特定实例中，研究在HIV二级感染未实验细胞中的HIV动态循环。每小时均取细胞样本以测量细胞表面上的HIV gp160，进行24小时。每小时，RF接收器都选择晶片以通过细胞的唯一RF ID包括所有经不同浓度或张力感染的细胞和未实验细胞。随后通过共轭的抗HIV gp160(或其它所研究的目标蛋白质)抗体或利用荧光探针来分析所选择的晶片。用晶片培育该抗体一段时间并彻底加以清洗以移除未结合的抗体。荧光读取器用于测定24小时时期内的荧光强度。整个试验提供了相同条件下在不同张力间细胞响应以及病毒表达的相互作用的动态时间曲线的整个图像。

B.混合细胞型

晶片也可用于执行混合细胞型共同培养。这对于评估不同细胞类型或处理之间的细胞激素、促进剂和细胞生物相互作用是非常重要的。将不同细胞类型的细胞培养于具有不同RF ID的应答器的表面上，随后用试剂进行处理。在不同时间点期间，通过细胞分类器来恢复并分离应答器以量测待检定的来自活性细胞的荧光的功能、特性和/或标志。随后可解码经培养的细胞的不同RF ID。分析得出在共同培养条件下生物过程的时间曲线。

1.HIV感染的细胞

不同种类的经HIV感染的细胞(例如，巨噬细胞向性或淋巴细胞向性)可以用不同浓度的抗HIV药物或抗HIV药物的不同组合(鸡尾酒式处理)来进行处理。在每个处理中，不同种类的经HIV感染的细胞将在晶片上具有唯一ID。经感染的细胞可由上述抗gp160或与荧光探针共轭的其它相关抗体进行筛选。

有暗示表明，在抗HIV“鸡尾酒式”药物处理之后HIV患者体内存在储存(经感染的细胞)。这些HIV储存的细胞类型尚未明了，尽管已经有暗示是神经细胞。识别这些储存并找出新的治疗手段来根除HIV是非常重要的。通过使用混合细胞IC晶片培养，可通过细胞表面上的HIV抗原来识别HIV易感细胞。随后用抗HIV鸡尾酒式药物或候选药物处理晶片上的混合细胞以识别HIV治疗的功效和模型系统。

此外，HIV生物晶片库可在一个检定中检测出多HIV蛋白质(抗原)和其它条件性病原体的抗原。HIV蛋白质为Gag(p17、p24、p7)、蛋白酶(p15)、逆转录酶(p66、p51)、整合酶、Env(gp160、gp120、gp41)、Tat(p16/p14)、Rev(p19)、Vif(p23)、Vpr、Vpu、Nef、Tev。基本上，正将HIV野生型蛋白质和突变体的蛋白质组合于噬菌体表达展示库中或根据活体外合成(例如，大肠杆菌、酵母、其它真核细胞)。其也可在此展示库中包括所有可能的HIV蛋白质突变体。将所有蛋白质附着至RF晶片的表面以形成前述的晶片库。用晶片库将来自患者的样本培育一段时间以使人类抗HIV抗体结合至晶片上的病毒蛋白质。用洗涤缓冲剂彻底清洗未结合的样本并将其从晶片中移除出来。添加与荧光共轭的第二抗人抗体以用晶片培育一段时间。再次用洗涤缓冲剂移除掉未结合的与荧光共轭的抗人抗体。激光和扫描装置检测荧光标记的抗体和RFID读取器。为了不使用与荧光共轭的第二抗人抗体，此处也可应用SPR技术。

将每一蛋白质附着至个别IC晶片的表面以创建出用于筛选目的的展示IC晶片HIV库。可每星期一次地用此展示晶片库来筛选HIV患者的样本以监测HIV总数的变化。此将有助于患者、医师和医疗系统节约HIV健康护理的成本，且也有益于患者尽早的改变抗HIV药物疗法的新组合。首先，通过药物治疗的HIV突变体动态概况的信息将导致甚至在这些HIV药物治疗之前就可预测HIV突变体。随后我们可以将此信息用于疫苗和新药物的开发。

2.促效剂功能

利用在不同细胞系上的荧光呈报基因(fluorescent reporter gene)通过将基因转染至细胞来研究促效剂功能是很普遍的。可获得的几个转染技术包括DEAE-右旋糖苷、磷酸钙、电穿孔、阳离子脂质体、逆转录酶病毒介导的、基因枪(biolistic particle)、经激发的树状分子(dendrimer)、非脂质体脂质和微量注射[The Qiagen TransfectionResource Book，1999年]。使用常规程序，将不同细胞培养于分离井中且用转染混合物进行处理。此为劳动密集型过程且在转染混合物上存在由于人为误差而得到的试验数据偏差。由于在不同晶片上有不同细胞，可在相同条件下利用相同转染混合物执行该试验。以便于高处理量之见，接着对该等结果执行分析。

使用IC晶片的药物筛选

候选药物的毒性和功效的测试对制药工业来说是十分重要的问题。现在，活体外细胞培养检定系统具有若干缺陷。最严重的一个缺陷是是每个细胞都需要个别地培养。在人类或其它高级有机体中，所有细胞都是通过细胞激素和内分泌系统而彼此相互作用。为了实现接近于自然生理条件的条件，可用本发明的与IC晶片执行混合细胞培养。

不同目标细胞(原生细胞或细胞系)可附着至不同IC晶片上。随后可用候选药物来处理或培育所有细胞，以观察在模仿真正的人类生理条件的生物相互作用条件下每个细胞中的细胞毒性。

各个具有不同目标蛋白质的IC晶片含有由所嵌入的IC而产生的唯一信号或数字。例如，以14位金属选项ID，可产生2¹⁴＝16,384种IC晶片用以标记不同蛋白质或基因。此唯一信号或ID可用来识别哪个基因或蛋白质是在IC晶片上。来自人类、细菌、病毒和用作潜在的药物目标的其它微生物的所有蛋白质可表达在活体外或噬菌体展示系统中并可共轭至晶片上以创建药物筛选库。该药物筛选库可构成其中具有IC晶片的不同识别的15,000种不同种类的蛋白质。人类基因组的序列[Venter等人，(2001年)Science 291，1304-1351]已经使得基因信息是可获得的。

来自不同生物体(包含人类、小鼠、大鼠、病原体、细菌、病毒)的基因表达IC晶片库是通过蛋白质表达技术或噬菌体展示系统来构成的，且每个蛋白质附着至单个IC晶片9上。

用药物筛选库将无标记的或直接由荧光、由荧光共轭抗体、或由不同RF ID 17(图12)而标记的物质(蛋白质、抗体、核糖酶、毒素)在4℃下培育2小时。随后用3倍的洗涤缓冲剂(例如，BSA清洁剂)洗涤该库以移除自由物质。在RF ID探针系统中，可用市售的蛋白质交联试剂处理样本，以在物质9与17间创建出共价链接。随后两个ID都可由读取器11来测定。

通过分类器来分类和恢复与荧光标记物质相结合的药物筛选库。若使用无标记物质，则SPR技术将用于筛选并恢复化学结合晶片。经恢复的晶片可通过其特定嵌入的IC数字来解码且可识别出特定的蛋白质。也可分析出该结合物质的身份(例如，GC/MS，HPLC)。可结合到药物的晶片上的经识别的蛋白质将是作为进一步分析的候选物。

筛选灵芝(Ganoderma Lucidum)

医学蘑菇已用于医药界且已用作免疫调节剂、抗HIV和抗肿瘤剂。最有用的医学蘑菇之一为灵芝，在亚洲将其用作延年益寿的良药已达数千年。已识别出以下几种隔离的活性化合物：诸如多糖(β-葡聚糖、杂-β-葡聚糖、酸性杂葡聚糖、几丁质木葡聚糖)、微矿物质以及小肽的[Tanaka等人(1989年)J.Biol.Chem.264，16372-16377；Willard，(1990年)Reishi Mushroom.Issaquah，SylvanPress，Vancouver，BC，Canada；Wasser和Weis，(1999年)Critical Reviews in Immunology 19：65-96]。灵芝的纯菌丝体和培养代谢物的动物治疗导致增加了噬菌作用活性和肝脏枯否细胞(Kupffer Cell)的数目以移除废物与坏死组织[Liu等人(1988年)The Chinese Pharm.J.40，21-29]。巨噬细胞和T淋巴细胞的活体外研究的结果显示细胞激素(IL-1，IL-6，TNF-α，和IFN-γ)的分泌通过灵芝得到增强[Wang等人，(1997年)Int.J.Cancer 70，699-705]。在临床研究中，具有乙型慢性肝炎和急性恶化的患者的肝功能可因通过灵芝的肝细胞再生而加以恢复[Phounsavan，Say Fone，(1991年)The 5th International Conferenceon Immunopharmacology，Tampa，Florida，USA.『摘要』第52页]。

来自人类的基因表达IC晶片库被用来筛选灵芝提取物。筛选程序与以上给出的程序相似。简要说来，用人类基因表达RF IC晶片库将灵芝提取物培育一段时间以让灵芝成份结合至人类基因表达RF IC晶片库。结合晶片可因未标记探针而通过SPR技术检测出来。特定基因可通过其唯一RF ID而立即被识别出。稍后可分析并提纯来自灵芝的结合成份，将其作为一种新的候选药物。

确定草药中的成份

现在没有用来确定草药中有效成份的方法或标准。这是由于成份(包含多糖、微矿物质和蛋白质)的极端复杂性而造成的。噬菌体展示晶片库被用来建立目标草药的成份概况。此草药成份概况充当了证明草药功效的索引。有了此索引概况，政府、消费者、商家将会有一个判断草药的成份的标准。

简要说来，抗体或任意肽(12-15mer)噬菌体展示库可创建出不止10⁷-10⁹个个别克隆，足以含盖与草药中所有成份结合的所有可能的结合可能性。将初级筛选程序应用至其中每个个别晶片上具有1000不同噬菌体克隆的IC晶片库。可自10⁷-10⁹个个别克隆中获得一个含有用于该第一筛选的10⁴-10⁵个晶片的晶片库。该筛选程序是用样本将晶片库培育一段时间(1小时)。用洗涤缓冲剂彻底清洗掉未结合的样本，并使用无BIA标签的表面等离子共振(SPR)技术[BIACORE AB，Sweden]来识别出已结合的晶片。晶片的结合状况可直接由SPR来检测并确认。在其中每个个别晶片上仅有一个克隆的混合IC晶片库中将重复此过程，以确定仅可与患者的血清相互作用的真正的克隆或晶片。已结合的晶片的阳性ID的组合将作为此情况下的草药的索引概况。

首先，可将来自阳性晶片的抗体展示库用于制造抗体亲和层析柱以提纯特定成份。

病原体的检测

可检定来自怀孕的黑虎虾(black tiger shrimp)(Penaeus monodori)的淋巴样(血细胞)、鳃细胞以检测病原体[Vargas等人，(1998年)Advances in Shrimpbiotechnology，5^th Asian Fisheries Forum，第161-167页]的存在。有不止14种病原体感染了黑虎虾。最严重的病毒病原体为白斑综合病毒(White Spot Syndrome Virus，WSSV)(Gene Bank#NC_003225)。使用病原体的特定抗原的抗体来检测细胞表面上的病原体抗原的存在。所用一般程序的图表描绘于图10和图11中。细胞14被附着并培养于本发明的方法中所使用的IC晶片上。具有唯一ID的每个晶片仅附着一个虾细胞14。使用固定剂(fixing solution)(如，四甲醛、乙醇)培育晶片上的这些细胞以首先将所有蛋白质固定在细胞膜上。随后使其与对抗病原体的特定抗原的抗体相接触。该抗体以15来标记，或者，用结合至初级抗体16的二级标记抗体18来培育该混合物。用洗涤缓冲剂来洗涤该等晶片以移除未结合的抗体并为荧光阳性晶片扫描该等晶片以识别虾中病毒的感染。晶片技术的优点在于，可以以低于任何常规方法的成本在2天内检查超过20,000的虾样本。

本文揭示了该等特定实施例，但是欲将这些实施例用作本发明的若干方面的示例性说明。任何等价实施例都应属于本发明的范畴之内。当然，所属技术领域的技术人员从前述描述中将不难发现本发明除本文所显示和描述的该等内容以外的各种修改。该等修正应同样属于随附权利要求的范畴之内。

本文引用了各种参考文献，其全部揭示内容以引用的方式并入本文中。

Claims

1.一种用于物质检定中的集成电路晶片，其包括：

a.一编码有信息的应答器，该信息为回应无线电信号而被传输至一接收器，和

b.附着至所述应答器的至少一种物质。

2.如权利要求1所述的晶片，其中该物质是共价地附着至所述应答器。

3.如权利要求1所述的晶片，其中该物质是非共价地附着至所述应答器。

4.如权利要求1所述的晶片，其中该物质为生物分子。

5.如权利要求4所述的晶片，其中该生物分子是选自由以下各物组成的群组：核酸、蛋白质、抗体及其至少一个细胞或亚细胞组份。

6.如权利要求4所述的晶片，其中所述生物分子是噬菌体展示库的组员。

7.如权利要求4所述的晶片，其中所述生物分子是一包括病原体的细胞。

8.如权利要求1所述的晶片，其中所述物质包括一可检测部分。

9.如权利要求1所述的晶片，其中所述应答器包括二进制码。

10.如权利要求1所述的晶片，其中所述应答器进一步包括一电极。

11.如权利要求1所述的晶片，其中所述物质与所述电极相接触。

12.如权利要求1所述的晶片，其中所述物质是选自由以下各物组成的群组：全细胞、亚细胞微粒、病毒、蛋白感染素、类病毒、脂质、脂肪酸、核酸、多糖、蛋白质、脂蛋白、脂多糖、糖蛋白、肽、细胞代谢物、荷尔蒙、药理试剂、镇定剂、巴比妥酸盐、生物碱、类固醇、维生素、氨基酸、糖、非生物聚合物、合成有机分子、有机金属分子、无机分子、生物素、抗生物素蛋白或抗生蛋白链菌素。

13.如权利要求1所述的晶片，其中所述晶片包括至少一个金属选项。

14.一种用于检定生物分子的系统，其包括：

(a)一包括如下各物的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有一只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器是由(i)的所述天线来激活，和(iii)接收并解码所述信息的接收器，和

(b)附着至所述应答器的至少一种物质。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述天线是附着至所述应答器。

16.一种用于检测第一物质与一第二物质的结合的方法，其包括：

a.培育如权利要求1所述的该集成晶片，所述晶片包括一应答器和一第一物质，该第一物质与一第二物质在用来使该等第一和第二物质结合的条件下附着至所述应答器一段时间；

b.分析步骤a所培育的混合物以检测所述第一物质与所述第二物质的结合，且

c.识别附着至所述应答器的该物质。

17.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的该物质是通过对所述应答器上的该信息解码来加以识别。

18.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的所述物质为生物样本。

19.如权利要求18所述的方法，其中附着至所述生物样本的所述物质是选自由以下各物组成的群组：细胞、亚细胞组份、病毒和组织。

20.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的所述物质为包括一可检测部分的物质。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述物质是选自由以下各物组成的群组：DNA、RNA、蛋白质、自然产品和药理试剂。

22.如权利要求16所述的方法，其中所述物质为抗体。

23.如权利要求16所述的方法，其中所述抗体为单克隆抗体。

24.如权利要求16所述的方法，其中所述物质为熔融蛋白质。

25.如权利要求16所述的方法，其中所述物质为展示库的一个组员。

26.如权利要求16所述的方法，其中所述物质为噬菌体展示库的一个组员。

27.如权利要求16所述的方法，其中所述库是选自由以下各库组成的群组：基因表达库、蛋白质库和抗体库。

28.如权利要求16所述的方法，其中所述物质为配位体。

29.如权利要求16所述的方法，其中所述可检测部分是选自由以下各物组成的群组：发色团、荧光团和发光剂。

30.如权利要求16所述的方法，其中所述可检测部分是选自由以下各物组成的群组的发光剂：化学发光、光致发光、生物发光和电化学发光剂。

31.如权利要求16所述的方法，其中所述应答器进一步包括一电极。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述物质附着至所述电极。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述物质与具有一电化学发光部分的物质相接触。

34.如权利要求32所述的方法，其中附着至所述电极的所述物质与含有一电化学发光部分的物质相接触。

35.如权利要求16所述的方法，其中含有一可检测部分的所述物质是选自由以下各物组成的群组：抗体、蛋白质和药物。

36.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的所述物质为受体。

37.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的所述物质为配位体。

38.如权利要求16所述的方法，其中与附着至所述应答器的所述物质结合的所述物质为生物样本。

39.如权利要求38所述的方法，其中所述生物样本是选自由以下各物组成的群组：血液、血清、唾液、尿、组织和细胞样本。

40.如权利要求16所述的方法，其中附着至所述应答器的所述物质是用SPR技术来加以识别。

41.如权利要求16所述的方法，其中在分析所述混合物之前将所述一可检测部分添加至步骤(a)的该混合物。

42.一种用于检测生物分子与物质的结合的方法，其包括：

a.培育如权利要求1所述的该集成晶片，所述晶片包括一应答器和附着至所述应答器的物质，该应答器具有以一可检测部分来标记的物质；

b.分析步骤a所培育出的混合物以检测所述生物分子与所述标记物质的结合，且

c.识别附着至所述应答器的该生物分子。

43.一种用于检测生物分子与物质的结合的方法，其包括：

a.培育如权利要求1所述的该集成晶片，所述晶片包括一应答器和具有一可检测部分的物质，该物质与生物分子附着至所述应答器；

b.分析步骤a所培育的混合物以检测附着至所述应答器的所述生物分子与所述物质的结合，且

c.识别附着至所述应答器的该生物分子。

44.一种用于检测生物样本与物质的结合的方法，其包括：

a.将所述样本附着至一应答器，该应答器含有一对所述应答器而言特定的标签，所述标签含有识别所述应答器并通过(i)用无线电波激活所述标签和(ii)对所述标签上的所述信息解码而加以识别的信息；

b.使步骤a的所述附着样本与一物质接触以获得混合物；

c.分析步骤b的该混合物以确定所述样本与所述物质的结合；

d.对所述应答器上的该标签解码以识别结合至所述物质的该生物样本。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述生物样本是选自由以下各物组成的群组：组织、一个或多个细胞、病毒微粒和亚细胞结构。

46.如权利要求44所述的方法，其中该标记的物质为药理试剂。

47.如权利要求44所述的方法，其中在分析所述混合物之前将所述一可检测部分添加至步骤a的该混合物。

48.一种用于检测生物样本与一物质的结合的方法，其包括：

a.将所述物质附着至一应答器，该应答器含有一对所述应答器而言特定的标签，所述标签含有识别所述应答器并通过(i)用无线电波激活所述标签和(ii)对所述标签上的所述信息解码而加以识别的信息，其中附着至所述应答器的所述物质具有一可检测部分；

b.使步骤a的所述附着物质与一生物样本接触以获得混合物；

c.分析步骤b的该混合物以确定所述样本与所述物质的结合；

49.如权利要求48所述的方法，其中在分析所述混合物之前将一可检测部分添加至步骤a的该混合物。

50.一种用于获得如权利要求1所述的集成电路的方法，其包括使一种物质附着至一应答器，该应答器含有一对所述应答器而言特定的标签，所述标签含有识别所述应答器并通过(i)用无线电波激活所述标签和(ii)对所述标签上的所述信息解码而加以识别的信息。

51.如权利要求50所述的方法，其中以共轭剂使所述生物分子便利地附着至所述应答器。

52.如权利要求50所述的方法，其中所述方法进一步包括使所述物质与一可检测部分相接触。

53.一种多重检定方法，其包括：

a.提供如权利要求1所述的多个集成电路晶片，其包括一附着至所述晶片的物质；

b.使所述晶片与一种或多种物质接触，以确定所述物质是否结合至所述晶片的每个晶片上的物质；

c.分析步骤b所培育出的混合物，以检测所述物质与所述晶片的结合，且

d.识别结合至所述晶片上的所述物质的该等物质。

54.如权利要求53所述的方法，其中每个集成电路晶片包括相同物质。

55.如权利要求53所述的方法，其中在所述晶片上的所述物质为生物样本。

56.如权利要求53所述的方法，其中在所述晶片上的所述物质含有一可检测部分。

57.如权利要求53所述的方法，其中使每个晶片与含有一可检测部分的一种以上的物质相接触。

58.如权利要求53所述的方法，其中每个晶片包括相同生物分子且每个晶片与一种以上的物质相接触。

59.如权利要求53所述的方法，其中每个晶片包括相同物质且每个晶片与一种或多种生物样本相接触。

60.如权利要求53所述的方法，其进一步包括将一可检测部分添加至步骤a的该混合物。

61.一种用于对一样本中的生物分子执行多重检定的方法，其包括：

a.提供一包括如下物质的集成电路晶片：(i)一发射无线电信号的天线和(ii)一具有只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器是由(i)的所述天线来激活；

b.使一物质附着至步骤a中的所述应答器；

c.使步骤b中的所述物质与一种或多种物质相接触，以确定所述物质是否结合至所述晶片上的每个生物分子；

d.分析步骤c的该混合物，以确定与所述晶片上的所述物质接触的所述物质的结合；

e.解码所述应答器上的该标签，以识别结合至所述物质的该生物样本。

62.如权利要求61所述的方法，其进一步包括在步骤(c)之后及在步骤(d)之前将该等晶片彼此分离开来。

63.如权利要求61所述的方法，其中用一接收器来解码所述标签。

64.一种用于检定生物分子的套组，其包括一包含一标签的应答器，该标签具有为回应无线电信号而被传输至一接收器的信息。

65.如权利要求64所述的套组，其进一步包括一物质库。

66.如权利要求65所述的套组，其中该库为一噬菌体展示库。

67.如权利要求64所述的套组，其进一步包括一可检测部分。

68.一种用于检定生物分子的套组，其包括：

a.一种包括如下物质的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有一只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息且所述应答器是由(i)的所述天线来激活，和(iii)接收并解码所述信息的接收器，和

b.一可检测部分。

69.一种用于物质检定中的集成电路晶片，其包括：

a.一编码有为回应无线电信号而被传输至一接收器的二进制码的应答器，和

b.附着至所述应答器的至少一种物质。

70.一种用于检定物质的系统，其包括：

a.一包括如下物质的射频识别系统：(i)一发射无线电信号的天线；(ii)一具有一只读标签的应答器，其中所述标签含有唯一信息码且所述应答器由(ii)的所述天线来激活，和(iii)接收并解码所述二进制码的接收器，和

b.附着至所述应答器的至少一种物质。