JP2018009993A - 交流動電によるバイオマーカーの検出のための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の電圧および周波数の信号を電極アレイに印加することにより生じた電場において分子が移動するまたは運ばれるような、AC動電現象を利用し、導電材料の電極アレイが、シリコンもしくは石英/ガラスを含みうる基板、細菌抗原、病原体に対する抗体、タンパク質に対する抗体または他のバイオマーカーを含む分子プローブをアレイ上に分散してブロッキングする。ヨーネ病、乳腺炎、妊娠、心発作および糖尿病を含む、動物またはヒトにおける疾患または状態の検出のための検査は、生体試料を採取し、試料をチップに滴下し、所定の信号をチップに所定の時間印加し、静電容量およびインピーダンスのうちの1つの変化を経時的に測定するすることによってバイオマーカーを検出することを含む。
【選択図】図2B
Description
(合衆国政府支援の研究または開発に関する陳述)
本発明は、全米科学財団の契約番号ECS0448896のもとに合衆国政府の支援によって行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
(項目1)
平行なフィンガーと、基板の上に置かれた前記フィンガー間の空間とを有する電極アレイを有するシステムであって、
前記電極アレイの複数の電極を被覆するための分子プローブであって、前記電極アレイの前記複数の電極が平行であるとともに組み合わされており、前記平行な電極間に100μm未満の間隔があり、前記複数の電極の組み合わされた平行なフィンガーが100μm未満の厚さを有する分子プローブと、
10分未満の所定期間の持続時間の間に、約10MHz未満の周波数で印加された約10Vrms未満の信号を受けるように適合された前記電極アレイと、
前記印加信号の存在下で交流の動電現象を示すための前記電極アレイの前記被覆された電極、
を特徴とするシステム。
(項目2)
前記分子プローブはインピーダンスバイオセンサを有し、該インピーダンスバイオセンサが、細菌抗原、抗体、核酸および酵素のうちの1つを含み、前記受信信号が2Vrms未満で印加され、前記周波数が200KHz未満であり、
前記電極アレイの前記被覆された電極の静電容量およびインピーダンスのうちの1つの変化を経時的に検出するための検出器をさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記バイオセンサは細菌抗原を含み、前記細菌抗原がヨーネ病の原因物質であるマイオバクテリウム・アビウム亜種パラツベルクロシスの抗原を含むことをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目4)
前記ヨーネ病の細菌抗原が約1:80未満の濃度域を有し、前記検出器によって経時的に測定される前記抗原に対する抗体結合に起因する静電容量の変化率(パーセント/分)がもたらされることをさらなる特徴とする項目3に記載のシステム。
(項目5)
前記バイオセンサは抗体を含み、前記抗体がS.ウベリス細菌に対する抗体を含むことをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目6)
前記S.ウベリス細菌は、乳腺炎を示すことをさらなる特徴とする項目5に記載システム。
(項目7)
前記バイオセンサはバイオマーカーを含み、前記バイオマーカーが妊娠を示すタンパク質を含むことをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目8)
前記印加信号の信号源、インピーダンス解析回路を含む前記検出器、および、マイクロコントローラーをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目9)
前記電極アレイが、洗浄可能であり再使用可能であることをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目10)
前記電極アレイが、交換可能であることをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目11)
単一の集積回路に設けられた複数の電極アレイをさらなる特徴とする項目2に記載のシステム。
(項目12)
前記インピーダンス解析回路に接続されたバッファー、前記バッファーと前記マイクロコントローラーに連結されたマルチプレクサ、前記電極アレイが多試料電極アレイを含むこと、前記マルチプレクサが前記多試料電極アレイの多試料電極アレイホルダーと接続するためのものであること、前記多試料電極アレイが、静電容量とインピーダンスの読み取り信号のうちの1つを前記インピーダンス解析回路に提供することをさらなる特徴とする項目8に記載のシステム。
(項目13)
前記電極フィンガー幅と、前記電極アレイの電極間の空間が、それぞれ約25μm未満であることをさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目14)
前記電極アレイのAPTESによる処理をさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目15)
前記電極アレイが均一な導電性ポリマーコーティングで被覆されていることをさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目16)
前記均一な導電性ポリマーコーティングがポリピロールを含むことをさらなる特徴とする項目15に記載のシステム。
(項目17)
前記電極アレイが、酸化亜鉛、ナノチューブおよびグラフェンのうちの1つを含むナノ構造材料で被覆されていることをさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目18)
前記電極アレイが、小分子に対する抗体で被覆されており、前記小分子とともに装填されることをさらなる特徴とする項目13に記載のシステム。
(項目19)
前記小分子が、プロゲステロンを含むことをさらなる特徴とする項目18に記載のシステム。
(項目20)
前記電極アレイが、酵素で被覆されており、糖検出のために糖とともに装填されることをさらなる特徴とする項目13に記載のシステム。
(項目21)
検出のための前記糖が、グルコースを含むことをさらなる特徴とする項目20に記載のシステム。
(項目22)
開口部を有するメッシュを有する電極を特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目23)
前記電極メッシュが、開口部を有する第2のメッシュを覆っているとともに開口部を有する第1のメッシュを含み、電気的にコンデンサを形成することをさらなる特徴とする項目22に記載のシステム。
(項目24)
前記電極メッシュが、体細胞の検出のためのものであることをさらなる特徴とする項目22に記載のシステム。
(項目25)
前記第1のメッシュが、前記第2のメッシュの前記開口部のサイズよりも大きいサイズの開口部を有することをさらなる特徴とする項目23に記載のシステム。
(項目26)
前記第1のメッシュが、約50〜150μmの開口部を有し、前記第2のメッシュが、約20〜80μmの開口部を有することをさらなる特徴とする項目23に記載のシステム。
(項目27)
前記分子プローブが、抗Dダイマー抗体を含むことをさらなる特徴とする項目13に記載のシステム。
(項目28)
前記電極アレイが、均一な導電性ポリマーコーティングで被覆されていることをさらなる特徴とする項目27に記載のシステム。
(項目29)
前記均一な導電性ポリマーコーティングが、ポリピロールを含むことをさらなる特徴とする項目28に記載のシステム。
(項目30)
前記複数の電極の組み合わされた平行な前記フィンガーが、約25μm未満の厚さを有することをさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目31)
前記複数の電極の組み合わされた平行な前記フィンガーが、約2μm未満の厚さを有することをさらなる特徴とする項目1に記載のシステム。
(項目32)
細菌性疾患、細菌性疾患の予測因子、およびヒトまたは動物の状態のうちの1つの発生を検査するためのラボラトリをチップ上に構築する方法であって、
電極アレイを基板上に構築する工程であって、前記電極アレイが組み合わされた平行なフィンガーと前記フィンガー間の空間とを有し、前記フィンガーが100μm未満の幅を有し、前記空間の幅が100μm未満である、工程と、
細菌抗原、病原体に対する抗体および酵素のうちの1つを含む分子プローブで前記電極アレイを被覆する工程と、
前記被覆された電極アレイをブロッキングする工程であって、前記被覆された電極アレイが、所定の周波数および電圧レベルの信号を経時的に受信するためのものであり、その被覆された表面が検査濃度を受け取るためのものである、工程と
を特徴とする方法。
(項目33)
対照と比較して静電容量およびインピーダンスのうちの1つの変化に関連する信号をインピーダンス解析回路で経時的に受信し、静電容量および抵抗のうちの1つの経時的な前記変化が、細菌性疾患と妊娠のうちの1つの生理的状態を示すことをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目34)
前記分子プローブがヨーネ病の細菌抗原を含み、前記信号が2Vrms未満で印加され、前記周波数が1KHz〜10MHzであることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目35)
前記細菌抗原が、マイオバクテリウム・アビウム亜種パラツベルクロシスから調製されることをさらなる特徴とする項目32に記載方法。
(項目36)
経時的に測定される静電容量の変化率(パーセント/分)を達成するために、前記ヨーネ病抗原が、1:1〜1:80の濃度域で希釈され適用されることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目37)
前記分子プローブが、結核の細菌抗原であることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目38)
前記分子プローブが、S.ウベリス細菌の検出用病原体に対する抗体であることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目39)
前記分子プローブが、酵素であることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目40)
前記分子プローブが妊娠のバイオマーカーに対する抗体であり、前記バイオマーカーが妊娠を予測することをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目41)
前記分子プローブがDダイマーであり、前記ダイマーが凝固を予測することをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目42)
前記分子プローブがグルコースオキシダーゼであり、前記グルコースオキシダーゼが糖濃度を予測することをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目43)
前記分子プローブが小分子に対する抗体を含み、前記小分子が妊娠を予測するプロゲステロンであることをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
(項目44)
前記分子プローブが病原体に特異的な核酸に対する核酸を含み、前記病原体が汚染を示すことをさらなる特徴とする項目32に記載の方法。
Claims (44)
- 平行なフィンガーと、基板の上に置かれた前記フィンガー間の空間とを有する電極アレイを有するシステムであって、
前記電極アレイの複数の電極を被覆するための分子プローブであって、前記電極アレイの前記複数の電極が平行であるとともに組み合わされており、前記平行な電極間に100μm未満の間隔があり、前記複数の電極の組み合わされた平行なフィンガーが100μm未満の厚さを有する分子プローブと、
10分未満の所定期間の持続時間の間に、約10MHz未満の周波数で印加された約10Vrms未満の信号を受けるように適合された前記電極アレイと、
前記印加信号の存在下で交流の動電現象を示すための前記電極アレイの前記被覆された電極、
を特徴とするシステム。 - 前記分子プローブはインピーダンスバイオセンサを有し、該インピーダンスバイオセンサが、細菌抗原、抗体、核酸および酵素のうちの1つを含み、前記受信信号が2Vrms未満で印加され、前記周波数が200KHz未満であり、
前記電極アレイの前記被覆された電極の静電容量およびインピーダンスのうちの1つの変化を経時的に検出するための検出器をさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記バイオセンサは細菌抗原を含み、前記細菌抗原がヨーネ病の原因物質であるマイオバクテリウム・アビウム亜種パラツベルクロシスの抗原を含むことをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記ヨーネ病の細菌抗原が約1:80未満の濃度域を有し、前記検出器によって経時的に測定される前記抗原に対する抗体結合に起因する静電容量の変化率(パーセント/分)がもたらされることをさらなる特徴とする請求項3に記載のシステム。
- 前記バイオセンサは抗体を含み、前記抗体がS.ウベリス細菌に対する抗体を含むことをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記S.ウベリス細菌は、乳腺炎を示すことをさらなる特徴とする請求項5に記載システム。
- 前記バイオセンサはバイオマーカーを含み、前記バイオマーカーが妊娠を示すタンパク質を含むことをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記印加信号の信号源、インピーダンス解析回路を含む前記検出器、および、マイクロコントローラーをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、洗浄可能であり再使用可能であることをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、交換可能であることをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 単一の集積回路に設けられた複数の電極アレイをさらなる特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記インピーダンス解析回路に接続されたバッファー、前記バッファーと前記マイクロコントローラーに連結されたマルチプレクサ、前記電極アレイが多試料電極アレイを含むこと、前記マルチプレクサが前記多試料電極アレイの多試料電極アレイホルダーと接続するためのものであること、前記多試料電極アレイが、静電容量とインピーダンスの読み取り信号のうちの1つを前記インピーダンス解析回路に提供することをさらなる特徴とする請求項8に記載のシステム。
- 前記電極フィンガー幅と、前記電極アレイの電極間の空間が、それぞれ約25μm未満であることをさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記電極アレイのAPTESによる処理をさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記電極アレイが均一な導電性ポリマーコーティングで被覆されていることをさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記均一な導電性ポリマーコーティングがポリピロールを含むことをさらなる特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、酸化亜鉛、ナノチューブおよびグラフェンのうちの1つを含むナノ構造材料で被覆されていることをさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、小分子に対する抗体で被覆されており、前記小分子とともに装填されることをさらなる特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 前記小分子が、プロゲステロンを含むことをさらなる特徴とする請求項18に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、酵素で被覆されており、糖検出のために糖とともに装填されることをさらなる特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 検出のための前記糖が、グルコースを含むことをさらなる特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 開口部を有するメッシュを有する電極を特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記電極メッシュが、開口部を有する第2のメッシュを覆っているとともに開口部を有する第1のメッシュを含み、電気的にコンデンサを形成することをさらなる特徴とする請求項22に記載のシステム。
- 前記電極メッシュが、体細胞の検出のためのものであることをさらなる特徴とする請求項22に記載のシステム。
- 前記第1のメッシュが、前記第2のメッシュの前記開口部のサイズよりも大きいサイズの開口部を有することをさらなる特徴とする請求項23に記載のシステム。
- 前記第1のメッシュが、約50〜150μmの開口部を有し、前記第2のメッシュが、約20〜80μmの開口部を有することをさらなる特徴とする請求項23に記載のシステム。
- 前記分子プローブが、抗Dダイマー抗体を含むことをさらなる特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 前記電極アレイが、均一な導電性ポリマーコーティングで被覆されていることをさらなる特徴とする請求項27に記載のシステム。
- 前記均一な導電性ポリマーコーティングが、ポリピロールを含むことをさらなる特徴とする請求項28に記載のシステム。
- 前記複数の電極の組み合わされた平行な前記フィンガーが、約25μm未満の厚さを有することをさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の電極の組み合わされた平行な前記フィンガーが、約2μm未満の厚さを有することをさらなる特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 細菌性疾患、細菌性疾患の予測因子、およびヒトまたは動物の状態のうちの1つの発生を検査するためのラボラトリをチップ上に構築する方法であって、
電極アレイを基板上に構築する工程であって、前記電極アレイが組み合わされた平行なフィンガーと前記フィンガー間の空間とを有し、前記フィンガーが100μm未満の幅を有し、前記空間の幅が100μm未満である、工程と、
細菌抗原、病原体に対する抗体および酵素のうちの1つを含む分子プローブで前記電極アレイを被覆する工程と、
前記被覆された電極アレイをブロッキングする工程であって、前記被覆された電極アレイが、所定の周波数および電圧レベルの信号を経時的に受信するためのものであり、その被覆された表面が検査濃度を受け取るためのものである、工程と
を特徴とする方法。 - 対照と比較して静電容量およびインピーダンスのうちの1つの変化に関連する信号をインピーダンス解析回路で経時的に受信し、静電容量および抵抗のうちの1つの経時的な前記変化が、細菌性疾患と妊娠のうちの1つの生理的状態を示すことをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブがヨーネ病の細菌抗原を含み、前記信号が2Vrms未満で印加され、前記周波数が1KHz〜10MHzであることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記細菌抗原が、マイオバクテリウム・アビウム亜種パラツベルクロシスから調製されることをさらなる特徴とする請求項32に記載方法。
- 経時的に測定される静電容量の変化率(パーセント/分)を達成するために、前記ヨーネ病抗原が、1:1〜1:80の濃度域で希釈され適用されることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが、結核の細菌抗原であることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが、S.ウベリス細菌の検出用病原体に対する抗体であることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが、酵素であることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが妊娠のバイオマーカーに対する抗体であり、前記バイオマーカーが妊娠を予測することをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブがDダイマーであり、前記ダイマーが凝固を予測することをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブがグルコースオキシダーゼであり、前記グルコースオキシダーゼが糖濃度を予測することをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが小分子に対する抗体を含み、前記小分子が妊娠を予測するプロゲステロンであることをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記分子プローブが病原体に特異的な核酸に対する核酸を含み、前記病原体が汚染を示すことをさらなる特徴とする請求項32に記載の方法。
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