RU2359038C2 - Устройство и способы выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах - Google Patents

Устройство и способы выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах Download PDF

Info

Publication number
RU2359038C2
RU2359038C2 RU2006111450/13A RU2006111450A RU2359038C2 RU 2359038 C2 RU2359038 C2 RU 2359038C2 RU 2006111450/13 A RU2006111450/13 A RU 2006111450/13A RU 2006111450 A RU2006111450 A RU 2006111450A RU 2359038 C2 RU2359038 C2 RU 2359038C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dielectric material
layer
specified
electrode
nucleic acid
Prior art date
Application number
RU2006111450/13A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2006111450A (ru
Inventor
Чэун Хой ЮЙ (CN)
Чэун Хой ЮЙ
Лок-Тин ЛАУ (CN)
Лок-Тин ЛАУ
Ка Вай ВОНГ (CN)
Ка Вай ВОНГ
Original Assignee
Хай Кан Лайф Корпорейшн Лимитед
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 Хай Кан Лайф Корпорейшн Лимитед filed Critical Хай Кан Лайф Корпорейшн Лимитед
Publication of RU2006111450A publication Critical patent/RU2006111450A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2359038C2 publication Critical patent/RU2359038C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07H—SUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H21/00—Compounds containing two or more mononucleotide units having separate phosphate or polyphosphate groups linked by saccharide radicals of nucleoside groups, e.g. nucleic acids
    • 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
    • C12Q1/6834—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к области молекулярной биологии. Раскрыто устройство и способы стимулируемого электрическим полем ускорения биологических процессов, в которые вовлечены заряженные объекты, в частности, включая выявление ДНК-мишени в биологическом образце. Также раскрыта реакционная ячейка с диэлектрической поверхностью, и электрическое поле создают посредством индукции разделения зарядов в диэлектрическом материале при подаче потенциала на электрод, находящийся в контакте с диэлектрическим материалом. Изобретение может быть использовано для анализа биологических образцов и выявления ДНК-мишени. 6 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к устройству и способам выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах. В частности, настоящее изобретение относится к новому устройству и способу выявления последовательностей ДНК с использованием гибридизации нуклеиновой кислоты, стимулируемой электрическим полем, и к способам оптимизации рабочих параметров такого устройства, и, кроме того, настоящее изобретение распространяется на применение стимулируемой электрическим полем гибридизации в любом биологическом процессе, в котором участвуют заряженные объекты.
Уровень техники
Появление методики, основанной на высокоплотных матрицах полинуклеотидов (например, ДНК или РНК), изменило основные концепции анализов в геномике и протеомике. Переход от “дот-блот”-анализов к “матрицам на предметных стеклах” и затем к микроматрицам ДНК (также известным как ДНК-чипы) привел к революции в промышленности, сделав реальными для практических применений способы крупномасштабного клинического диагностического тестирования и скрининга. Как хорошо известно, обычная микроматрица с реакционноспособными участками в предварительно определенной конфигурации на субстрате будет иметь определенную картину связывания при воздействии на нее образца, содержащего фрагменты нуклеиновой кислоты-мишени с последовательностью оснований, комплементарной последовательности оснований, улавливающей фрагменты, связанные с реакционноспособными участками. Картину связывания и эффективность связывания можно определить оптическими или электронными способами при использовании подходящего механизма выявления, который может включать, например, флуоресцентное мечение, определение тока или измерение сопротивления.
Применение стимулируемой электрическим током гибридизации нуклеиновых кислот является известным способом анализа биологических образцов, содержащих ДНК, например крови, плазмы, мочи и т.д. Обычно чип для выявления ДНК получают из одного из множества материалов, включая стекло, диоксид кремния и металл. На поверхности чипа создают ряд электрических контактов, используя известные способы. Для выявления конкретной последовательности ДНК в биологическом образце улавливающие зонды, состоящие из фрагментов комплементарной ДНК, связывают с поверхностью чипа с помощью связывающего слоя, который обычно представляет собой агарозный гель. Если биологический образец содержит ДНК-мишень, то ДНК-мишень будет связываться с комплементарными фрагментами ДНК посредством гибридизации, и можно использовать различные способы визуализации, чтобы выявить такую гибридизацию, а следовательно, присутствие в образце ДНК-мишени.
Предшествующий уровень техники
Фрагменты нуклеиновой кислоты электрически заряжены и, следовательно, могут притягиваться к конкретному участку посредством электростатического притяжения при использовании электродов, и соответственно в результате применения подходящего электрического тока процесс гибридизации может быть ускорен и, таким образом, также ускорен процесс выявления. Однако нельзя применять электрод в непосредственном контакте с фрагментами нуклеиновой кислоты из-за опасности электрохимической деградации или электролиза образца. Поэтому обычно электрод покрывают слоем для проникновения/связывания, как показано в US 5605662 и 6306348. Слой для проникновения/связывания обычно делают из пористого материала, например материалов типа золь-гель, пористых гидрогелей, пористых оксидов, и он служит для обеспечения избирательной диффузии небольших ионов, а также в качестве поверхности для связывания улавливающих зондов. Прямой контакт фрагментов нуклеиновой кислоты с электродом уменьшается благодаря размеру пор пористых материалов, которые обычно слишком малы, чтобы позволить пройти более крупным фрагментам нуклеиновой кислоты.
Когда подают напряжение на электрод под слоем для проникновения/связывания, устройства согласно предшествующему уровню техники могут обеспечивать эффекты электрофоретического переноса без электрохимического разложения образца и соответственно могут усиливать гибридизацию. Однако такие способы обеспечения электрически индуцируемой гибридизации не лишены своих недостатков. Например, пористые материалы, такие как гидрогели и полимеры, подвергаются износу при контакте с водными растворами, различными химическими средствами и рядом факторов окружающей среды. Получение материалов типа золь-гель является дорогостоящим и сложным, повышая производственную себестоимость. Кроме того, пористые материалы обычно являются хрупкими и чувствительными к адсорбции и улавливанию нежелательных чужеродных веществ, таких как водосодержащие углеводороды в воздухе, приводя к более короткому сроку службы устройств.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается устройство для выявления нуклеиновой кислоты в образце, содержащее подложку, на которой образована по меньшей мере одна реакционная ячейка, при этом указанная реакционная ячейка содержит связывающую поверхность, образованную из диэлектрического материала, для связывания зондов для улавливания нуклеиновой кислоты, и которое снабжено металлическим электродом, находящимся в прямом контакте с указанным диэлектрическим материалом. Образец может содержать биологические вещества, и образец может представлять собой сточные воды, раствор или реагент. Образец также может представлять собой биологический образец, такой как кровь, плазма или моча.
Предпочтительно электрод помещают под связывающей поверхностью, то есть приводят в контакт со стороной диэлектрического материала, обратной связывающей поверхности. Однако, вероятно, его можно приводить в контакт со стороной диэлектрического материала или даже в контакт с самой связывающей поверхностью.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения диэлектрическим материалом предпочтительно является оксид, например, он может быть выбран из группы, состоящей из Al2O3, SiO2 и Ta2O5. Металлический электрод, например, может быть образован из алюминия.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения устройство может содержать многослойную структуру, содержащую первый основной слой, второй изолирующий слой, образованный на указанном основном слое, третий слой, образованный на указанном изолирующем слое и содержащий фигурные проводящие области, определяющие границы по меньшей мере одного металлического электрода, и четвертый слой, содержащий по меньшей мере одну область диэлектрического материала, при этом каждый указанный металлический электрод в указанном третьем слое покрыт областью диэлектрического материала в указанном четвертом слое. Предпочтительно проводящие области третьего слоя разделены областями, образованными диэлектрическим материалом. Еще более предпочтительно области диэлектрического материала в указанном четвертом слое разделены областями пассивирующего материала, и области пассивирующего материала могут расширяться по краям указанных областей диэлектрического материала, определяя границы указанных реакционных ячеек.
При рассмотрении с точки зрения другого широкого аспекта в настоящем изобретении предлагается способ осуществления стимулируемой электрическим полем гибридизации для выявления нуклеиновых кислот-мишеней в биологическим образце, предусматривающий стадии получения реакционной ячейки, имеющей связывающую поверхность, образованную из диэлектрического материала, обеспечения прямого контакта находящегося снизу металлического электрода и указанного диэлектрического материала, связывания зондов для улавливания нуклеиновой кислоты с указанной связывающей поверхностью, добавления образца в указанную реакционную ячейку и подачи электрического потенциала на указанный электрод. Образец может содержать биологические вещества, и образец может представлять собой сточные воды, раствор или реагент. Образец также может представлять собой биологический образец, такой как плазма крови или моча.
Электрический потенциал может подаваться в виде постоянного потенциала или может представлять собой монотонно изменяющийся или импульсный потенциал.
С точки зрения другого широкого аспекта настоящее изобретение также относится к способу притяжения или отталкивания электрически заряженных объектов к поверхности или от поверхности реакционной ячейки при осуществлении биологической реакции, предусматривающему стадии получения диэлектрического материала в виде указанной поверхности и образования электрического поля посредством индукции разделения зарядов в указанном диэлектрическом материале. Электрически заряженными объектами могут быть молекулы нуклеиновой кислоты.
С точки зрения еще одного аспекта изобретение также относится к способу образования матрицы из реакционных ячеек для осуществления биологических анализов, предусматривающему стадии нанесения металлических электродов на изолирующую подложку в виде определенного рисунка, осаждения областей диэлектрического материала на указанные металлические электроды и формирования каймы вокруг границ верхних поверхностей указанных областей диэлектрического материала, для того чтобы определить границы указанных реакционных ячеек.
Предпочтительно способ может предусматривать, например, осаждение слоя металла на изолирующей поверхности, нанесение на указанный слой металла покрытия фоторезиста в виде нужного рисунка и удаление остальной части указанного слоя металла способом травления, осаждение слоя указанного диэлектрического материала на указанный металл, нанесенный в виде рисунка, при этом указанный диэлектрический материал покрывает указанный металл и занимает области между указанными фигурными электродами, осаждение пассивирующего слоя на указанный слой диэлектрического материала, нанесение на указанный пассивирующий слой фоторезиста в виде определенного рисунка и удаление указанного пассивирующего слоя, чтобы открыть указанный диэлектрический материал там, где он покрывает указанные металлические электроды, чтобы определить границы указанных реакционных ячеек.
Краткое описание чертежей
Некоторые варианты изобретения теперь будут описаны с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи, где
на фиг. 1 представлено сечение чипа согласно варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 2 представлен вид, сходный с фиг. 1, но показывающий чип в использовании,
на фиг. 3 приведена схематичная иллюстрация принципа, лежащего в основе предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 4 проиллюстрированы стадии возможного способа производства,
на фиг. 5(a) и (b) показаны результаты первого теста,
на фиг. 6(a) и (b) показаны результаты второго теста, и
на фиг. 7 (a), (b) и (c) показаны результаты третьего теста.
Подробное описание предпочтительных вариантов
На фиг. 1 показано сечение чипа согласно варианту настоящего изобретения, который содержит три ячейки для приема содержащего образец буферного раствора, но будет понятно, что может быть получено любое количество ячеек, и они, как правило, будут образованы в виде прямоугольной матрицы.
Устройство согласно варианту изобретения изготавливают последовательным осаждением на кремниевую подложку с использованием обычных способов осаждения. Сначала (фиг. 4(a)) получают изолирующий слой, образованный из SiO2, толщиной примерно от 200 нм до 500 нм на подложке Si любым подходящим способом, включая термическое окисление, или любым подходящим способом осаждения, например, таким как напыление, выпаривание электронным лучом и тому подобные. Сверху изолирующего слоя формируют (фиг. 4(b)) слой алюминия толщиной примерно от 500 нм до 1000 нм, снова используя любой подходящий способ осаждения.
После получения слоя алюминия на него наносят рисунок (фиг. 4(c)), используя слой фоторезиста, и незамаскированные области удаляют травлением (фиг. 4(d)), и фоторезист удаляют (фиг. 4(e)). Затем чип покрывают (фиг. 4(f)) Al2O3 до толщины 50-500 нм, при этом области Al2O3 образуются между областями алюминия, которые образованы на подложке из диоксида кремния. Затем осаждают пассивирующий слой Si3N4 (фиг. 4(g)) на Al2O3 с помощью усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы или сходными способами. Затем на пассивирующий слой наносят рисунок, используя фоторезист (фиг. 4(h)), и затем пассивирующий слой подвергают травлению (фиг. 4(i)), чтобы открыть области Al2O3, которые становятся связывающими поверхностями реакционной ячейки. Наконец удаляют фоторезист (фиг. 4(j)).
Результатом указанного способа изготовления является многослойная структура, показанная на фиг. 1. Области алюминия образованы на изолирующем слое диоксида кремния и указанные области алюминия разделены Al2O3. Образованный сверху слоя алюминия и Al2O3 слой является слоем, который содержит области Al2O3, расположенные над областями алюминия и отделенные друг от друга пассивирующим материалом Si3N4, который покрывает области Al2O3, разделяющие области алюминия более низкого слоя. Пассивирующий материал также расширяется, покрывая края верхнего Al2O3, так чтобы определить поверхность для биологического образца, помещаемого для анализа.
Таким образом, будет понятно, что в примере, показанном на фиг. 1, получают чип с тремя ячейками 1-3, каждая из которых образована из Al2O3 с лежащим под ним слоем алюминия. Хотя на фиг. 1 это не показано, при образовании областей алюминия травлением также могут быть образованы электрические соединения, которые позволяют подавать электрический потенциал к областям алюминия.
После изготовления чипа, показанного на фиг. 1, его можно использовать в качестве основы для ряда различных биологических тестов и анализов. В частности, каждая ячейка 1-3, показанная на фиг. 1, может быть снабжена подходящими улавливающими зондами, как показано на фиг. 2. В зависимости от выполняемого теста в каждую ячейку могут быть внесены одни и те же улавливающие зонды или разные улавливающие зонды, при этом улавливающие зонды имеют фрагменты нуклеиновой кислоты, которые комплементарны фрагментам в образце, которые ищут в данном тесте или анализе. В примере, показанном на фиг. 2, все ячейки 1-3 идентичны, и в ячейку добавляют каплю образца, содержащего буферный раствор, так чтобы он покрыл все три ячейки.
Как будет понятно специалистам в данной области, если образец содержит фрагменты нуклеиновой кислоты, которые комплементарны улавливающим зондам, то они будут связываться с улавливающими зондами посредством гибридизации, и это можно выявить известными способами. Так как фрагменты нуклеиновой кислоты электрически заряжены, указанная гибридизация может быть усилена посредством образования электрического поля, которое будет притягивать требуемые фрагменты нуклеиновой кислоты к связывающей поверхности и улавливающим зондам. Механизм, посредством которого это происходит, показан на фиг. 3.
В частности, как показано на фиг. 3, если подают потенциал на алюминиевый электрод, лежащий снизу ячейки, то так как Al2O3 является диэлектрическим материалом, будет происходить разделение зарядов в Al2O3, полярность которого будет зависеть от полярности напряжения, подаваемого на алюминиевый электрод под Al2O3. Как показано слева на фиг. 3, если на алюминиевый электрод подают положительный потенциал, то верхняя поверхность Al2O3 также будет иметь положительный потенциал, который может притягивать отрицательно заряженные фрагменты и отталкивать положительно заряженные фрагменты. Наоборот, если на алюминиевый электрод подают отрицательный потенциал, то верхняя поверхность Al2O3 также будет иметь отрицательный потенциал, который будет притягивать положительно заряженные фрагменты и отталкивать отрицательно заряженные фрагменты, как показано справа на фиг. 3. Таким образом, избирательная подача электрического потенциала на алюминиевые электроды, которые расположены непосредственно под связывающей поверхностью из Al2O3 и в прямом контакте с ней, делает возможным избирательное притягивание/отталкивание фрагментов нуклеиновой кислоты и соответственно делает возможной индуцированную электрическим полем гибридизацию. Следует понимать, что потенциал можно подавать многими разными способами. Например, потенциал может представлять собой постоянный потенциал или может быть монотонно варьирующим, или может быть импульсным потенциалом, либо с регулярными импульсами, либо любого требуемого характера.
Особое преимущество настоящего изобретения, по меньшей мере в его предпочтительных формах, в отличие от предшествующего уровня техники, заключается в том, что нежелательные электрохимические реакции и/или электролиз могут быть полностью исключены, так как не происходит переноса электронов между раствором образца и поверхностью диэлектрического слоя. Таким образом, фрагменты нуклеиновой кислоты могут быть электрически притянуты к связывающей поверхности без электрохимического разложения. Следующее важное преимущество способа стимулируемой электрическим полем гибридизации и устройства согласно настоящему изобретению, по меньшей мере в предпочтительных формах, состоит в том, что концентрация соли и значение pH образца не будут меняться. Указанные параметры являются важными факторами, влияющими на эффективность гибридизации и стабильность гибридизованных фрагментов нуклеиновой кислоты. Способ электрически стимулируемой гибридизации предшествующего уровня техники приводил к значительным изменениям в концентрации соли и pH вследствие электрохимических реакций, и требовались другие способы, такие как специальные буферные растворы, чтобы компенсировать указанные эффекты. Следующее преимущество настоящего изобретения состоит в том, что не будет происходить электрохимических реакций, и, в свою очередь, это будет означать, что растворы/реагенты, используемые в способе выявления, не будут нарушены. Не будет образования пузырьков и/или осаждения в ходе процесса выявления, что является важным для улучшения качества регистрируемого сигнала.
Следует понимать, что несмотря на то, что предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в контексте ускоренной гибридизации при выявлении фрагментов нуклеиновой кислоты, изобретение в более общем виде применимо к любому биологическому процессу, в который вовлечены электрически заряженные объекты и при котором требуется возможность регуляции движения таких электрически заряженных объектов посредством притягивания таких объектов к поверхности или отталкивания их от поверхности.
На фиг. 5-7 показан ряд экспериментальных результатов с использованием структуры, изображенной на фиг. 1-3 с подачей или без подачи электрического потенциала на алюминиевые электроды, расположенные под ячейками. Конечно, будет понятно, что во всех приведенных примерах время реакции, подаваемое напряжение и другие параметры являются только иллюстративными и, при желании, их можно варьировать.
На фиг. 5(a) и (b) показан контроль, при котором ни в одном из случаев электрический потенциал на алюминиевые электроды не подается, и поэтому гибридизация происходит без помощи электрического поля. В данном примере олигомеры-мишени в образце представляют собой синтетический β-актин (91 основание, чистый) и время гибридизации составляет 90 минут. Олигомеры-мишени присутствуют в образце, показанном на фиг. 5(a), и не присутствуют в образце, показанном на фиг. 5 (b). Ни на фиг. 5(a), ни на фиг. 5(b) электрический потенциал не подают на алюминиевый электрод, но ячейки очевидно более темные на фиг. 5(a), чем на фиг. 5(b), вследствие присутствия олигомеров-мишеней в образце на фиг. 5(a).
На фиг. 6(a) и (b) условия такие же, как на фиг.5(a) и (b), так как в образце на фиг. 6(a) находятся те же самые олигомеры-мишени, а в образце на фиг. 6(b) олигомеры-мишени не присутствуют. Однако в данном примере на алюминиевые электроды подают потенциал +10 В и время гибридизации уменьшено до 10 минут. Сравнение фиг. 5(a) и 6(a) показывает, что на фиг. 6(a) ячейки намного темнее, что явно видно, даже хотя время гибридизации было существенно снижено, демонстрируя эффективность подаваемого напряжения для ускорения гибридизации. Сходство между фиг. 5(b) и 6(b), где олигомеры-мишени не присутствовали, показывает, что подаваемое напряжение не приводит к каким-либо ложноположительным результатам.
Фиг. 7(a)-(c) иллюстрируют третий пример, в котором олигомеры-мишени в образце представляют собой вирус птичьего гриппа (AIV) подтипа H5 (250 оснований, смешанный с другими неспецифичными олигомерами). Во всех трех случаях (a)-(c) время гибридизации составляет 10 минут. Различия между фиг. 7(a)-(c) заключаются в следующем: на фиг. 7(a) олигомеры-мишени присутствуют в образце, и на алюминиевые электроды, расположенные под ячейками, подают электрический потенциал +10 В; на фиг. 7(b) в образце отсутствуют олигомеры-мишени, и на алюминиевые электроды, расположенные под ячейками, подают электрический потенциал +10 В, и на фиг. 7(c) в образце присутствуют олигомеры-мишени, но электрический потенциал не подают на алюминиевые электроды, расположенные под ячейками. И снова данный пример показывает, что при времени гибридизации, составляющем только 10 минут, подача потенциала +10 В на электрод приводит к ускорению гибридизации и усиленному сигналу (очень темные области в ячейках на фиг. 7(a)). При сравнении сходство, наблюдаемое между фиг. 7(b) (без мишени и с подачей потенциала) и фиг. 7(c) (с мишенью, но без подаваемого потенциала), показывает, что невозможно получить эффективную гибридизацию за такой же период времени (10 минут) без стимулируемой электрическим полем гибридизации.
Настоящее изобретение, по меньшей мере в его применяемых формах, обеспечивает простое недорогое устройство, которое позволяет стимулируемой электрическим полем гибридизации нуклеиновых кислот и/или другим биологическим процессам происходить с намного более высокой скоростью и с высокой эффективностью, которое может быть использовано для большого количества возможных применений. В настоящем изобретении использован принцип разделения зарядов в диэлектрическом материале, который находится в контакте с электродом, на который подают потенциал. В описанных выше вариантах электрод образован из алюминия, а диэлектрическим материалом является Al2O3, но также возможны другие комбинации металлического электрода и диэлектрической связывающей поверхности. Например, можно использовать SiO2, Ta2O5 в качестве основанных на оксидах диэлектрических материалов для связывающей поверхности.
В отличие от устройств согласно предшествующему уровню техники, в которых используют проницаемый слой, основанный на оксидах диэлектрический слой в прямом контакте с электродом обеспечивает структуру, которая является прочной, компактной, химически инертной по отношению к большинству кислот, щелочей и других реагентов, используемых в биологических реакциях. Структура также стабильна по отношению к факторам окружающей среды, таким как температура и влажность, и менее уязвима по отношению к физическому повреждению. Производство менее дорогостоящее, и устройство может быть изготовлено очень легко с использованием стандартных способов осаждения и других способов изготовления микроэлектроники. Несомненно, применение таких способов осаждения и изготовления микроэлектроники в производстве устройств согласно настоящему изобретению также имеет преимущество в том, что устройства можно легко включить в другие устройства, изготовленные с использованием такой же или сходной методики.

Claims (25)

1. Устройство для выявления нуклеиновой кислоты-мишени в образце, содержащее
(i) подложку, на которой сформирована по меньшей мере одна реакционная ячейка, где указанная реакционная ячейка имеет связывающую поверхность, образованную из слоя диэлектрического материала;
(ii) соединения, способные специфически связываться с нуклеиновой кислотой-мишенью, где указанные соединения присоединены к указанному слою диэлектрического материала, и
(iii) металлический электрод, находящийся в контакте со стороной указанного диэлектрического материала, противоположной указанной связывающей поверхности.
2. Устройство по п.1, где указанным диэлектрическим материалом является оксид.
3. Устройство по п.2, где указанный диэлектрический материал выбран из группы, состоящей из Al2О3, SiO2 и Та2O5.
4. Устройство по п.1, где указанный электрод образован из алюминия.
5. Устройство по п.1, где указанный диэлектрический материал содержит Al2O3, и указанный электрод образован из алюминия.
6. Устройство по п.1, содержащее многослойную структуру, содержащую первый основной слой, второй изолирующий слой, образованный на указанном основном слое, третий слой, образованный на указанном изолирующем слое и содержащий фигурные проводящие области, определяющие границы по меньшей мере одного металлического электрода, и четвертый слой, содержащий по меньшей мере одну область диэлектрического материала, при этом каждый указанный металлический электрод в указанном третьем слое покрыт областью диэлектрического материала в указанном четвертом слое.
7. Устройство по п.6, где фигурные проводящие области указанного третьего слоя разделены областями, образованными из диэлектрического материала.
8. Устройство по п.6, где указанные области диэлектрического материала в указанном четвертом слое разделены областями пассивирующего материала.
9. Устройство по п.8, где указанные области пассивирующего материала расширяются по краям указанной области диэлектрического материала, определяя границы указанных реакционных ячеек.
10. Устройство по п.1, где указанный образец содержит биологические вещества.
11. Устройство для выявления биологических заряженных молекул-мишеней в образце, содержащее
(i) подложку, на которой образована по меньшей мере одна реакционная ячейка, где указанная реакционная ячейка имеет связывающую поверхность, образованную слоем диэлектрического материала,
(ii) металлический электрод, который находится в контакте с противоположной стороной диэлектрического материала, относительно связывающей стороны; и
(iii) соединения, способные специфически связываться с заряженными молекулами-мишенями, где указанные соединения присоединены к указанному слою диэлектрического материала.
12. Способ осуществления стимулируемой электрическим полем гибридизации для выявления нуклеиновых кислот-мишеней в образце, предусматривающий стадии (i) получения реакционной ячейки со связывающей поверхностью, образованной из слоя диэлектрического материала, (ii) обеспечения прямого контакта находящегося снизу заряженного металлического электрода с указанным диэлектрическим материалом, (iii) связывания зондов для улавливания нуклеиновой кислоты с указанной связывающей поверхностью с указанным фиксированным зондом, комплементарным фрагменту(ам) или части(ям) нуклеиновой кислоты-мишени, (iv) добавления образца в указанную реакционную ячейку, (v) подачи электрического потенциала на указанный электрод, и (vi) детекцию образования гибридизационного комплекса.
13. Способ по п.12, где указанный электрод находится в контакте с поверхностью указанного диэлектрика, противоположной указанной связывающей поверхности.
14. Способ по п.12, где указанный электрический потенциал представляет собой постоянно подаваемый потенциал.
15. Способ по п.12, где указанный электрический потенциал подают в виде серии импульсов.
16. Способ по п.12, где указанный образец содержит биологические вещества.
17. Способ притяжения или отталкивания электрически заряженных объектов к поверхности или от связывающей поверхности реакционной ячейки для детекции нуклеиновой кислоты-мишени в образце или мишеневых заряженных молекул в биологическом образце, включающий стадии (i) нанесения слоя диэлектрического материала в виде указанной связывающей поверхности для притяжения или отталкивания указанной нуклеиновой кислоты-мишени или мишеневых заряженных молекул; и (ii) генерирования электрического поля на указанном слое диэлектрического материала посредством индукции разделения зарядов в указанном диэлектрическом материале.
18. Способ п.17, где разделение зарядов в указанном диэлектрическом материале индуцируют посредством приведения электрода в прямой контакт с указанным диэлектрическим материалом и подачи потенциала на указанный электрод.
19. Способ по п.18, где на указанный электрод подают постоянный потенциал.
20. Способ по п.18, где на указанный электрод подают импульсный потенциал.
21. Способ по п.18, где указанный электрод приводят в контакт с поверхностью диэлектрического материала, противоположной поверхности, к которой притягиваются или от которой отталкиваются заряженные объекты.
22. Способ ускорения процесса выявления биологических молекул, осуществляемого в реакционной ячейке, предусматривающий стадии (i) нанесения слоя диэлектрического материала, определяющего поверхность указанной реакционной ячейки с указанной поверхностью диэлектрического материла, адаптированного для гибридизации с биологическими молекулами, и (ii) образования электрического поля посредством индукции разделения зарядов в указанном диэлектрическом материале.
23. Способ по п.22, где молекулы представляют собой молекулы нуклеиновой кислоты.
24. Способ формирования матрицы реакционных ячеек для детекции нуклеиновой кислоты-мишени или мишеневых заряженных молекул в образце в биологическом анализе, включающий стадии (i) нанесения металлических электродов на изолирующую подложку в виде определенного рисунка, (ii) осаждения областей диэлектрического материала на указанные металлические электроды и формирования слоя указанного диэлектрического материла, и (iii) формирования каймы вокруг края верхних поверхностей указанных областей диэлектрического материала, для того чтобы определить границы указанных реакционных ячеек.
25. Способ по п.24, предусматривающий (i) осаждение слоя металла на изолирующую поверхность, (ii) нанесение на указанный слой металла покрытия фоторезиста в виде нужного рисунка и удаление остальной части указанного слоя металла способом травления, (iii) осаждение слоя указанного диэлектрического материала на указанный нанесенный в виде рисунка металл, при этом указанный диэлектрический материал покрывает указанный нанесенный в виде рисунка металл и занимает области между указанными фигурными электродами, (iv) осаждение пассивирующего слоя на указанный слой диэлектрического материала, (v) нанесение на указанный пассивирующий слой фоторезиста в виде определенного рисунка, (vi) удаление указанного пассивирующего слоя, чтобы открыть указанный диэлектрический материал там, где он покрывает указанные металлические электроды, чтобы определить границы указанных реакционных ячеек, и (vii) удаление указанного фоторезиста.
RU2006111450/13A 2003-10-16 2004-10-18 Устройство и способы выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах RU2359038C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/686,252 US7390622B2 (en) 2003-10-16 2003-10-16 Apparatus and methods for detecting nucleic acid in biological samples
US10/686,252 2003-10-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006111450A RU2006111450A (ru) 2007-10-20
RU2359038C2 true RU2359038C2 (ru) 2009-06-20

Family

ID=34465492

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006111450/13A RU2359038C2 (ru) 2003-10-16 2004-10-18 Устройство и способы выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах

Country Status (14)

Country Link
US (3) US7390622B2 (ru)
EP (2) EP2554683A1 (ru)
JP (2) JP5248017B2 (ru)
CN (1) CN1867681B (ru)
AU (1) AU2004282235B2 (ru)
BR (1) BRPI0415342A (ru)
CA (1) CA2542518C (ru)
HK (1) HK1098177A1 (ru)
MX (1) MXPA06004205A (ru)
MY (2) MY144038A (ru)
RU (1) RU2359038C2 (ru)
SG (1) SG147452A1 (ru)
TW (1) TWI360655B (ru)
WO (1) WO2005038048A1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661784C2 (ru) * 2013-02-07 2018-07-19 Конинклейке Филипс Н.В. Обработка нуклеотидных последовательностей
US10330630B2 (en) 2012-06-28 2019-06-25 Siemens Healthcare Diagnostics Inc. Reader device and method of signal amplification
RU2765308C2 (ru) * 2016-02-29 2022-01-28 Айридия, Инк. Способы, композиции и устройства для хранения информации
US11505825B2 (en) 2016-02-29 2022-11-22 Iridia, Inc. Methods of synthesizing DNA
US11837302B1 (en) 2020-08-07 2023-12-05 Iridia, Inc. Systems and methods for writing and reading data stored in a polymer using nano-channels

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7390622B2 (en) * 2003-10-16 2008-06-24 Hai Kang Life Corporation Limited Apparatus and methods for detecting nucleic acid in biological samples
US8906609B1 (en) 2005-09-26 2014-12-09 Arrowhead Center, Inc. Label-free biomolecule sensor based on surface charge modulated ionic conductance
KR100723427B1 (ko) * 2006-05-12 2007-05-30 삼성전자주식회사 기판상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치 및 방법
WO2008112635A1 (en) * 2007-03-09 2008-09-18 Dxtech, Llc Multi-channel lock-in amplifier system and method
ES2307430B1 (es) * 2007-05-09 2009-10-20 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas Biosensor y sus aplicaciones.
JP2010533840A (ja) 2007-07-13 2010-10-28 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リランド スタンフォード ジュニア ユニヴァーシティ 改善された生物学的アッセイのための電場を用いる方法および器具
KR100969671B1 (ko) * 2008-03-28 2010-07-14 디지탈 지노믹스(주) 고감도 바이오 센서 및 이를 포함하는 바이오 칩 그리고이를 제조하는 방법
US9194838B2 (en) 2010-03-03 2015-11-24 Osaka University Method and device for identifying nucleotide, and method and device for determining nucleotide sequence of polynucleotide
US9151759B2 (en) * 2013-05-06 2015-10-06 Research Foundation Of The City University Of New York Method for detecting cells with elastic cell membranes
CN106104274B (zh) 2013-09-18 2018-05-22 量子生物有限公司 生物分子测序装置、系统和方法
JP2015077652A (ja) 2013-10-16 2015-04-23 クオンタムバイオシステムズ株式会社 ナノギャップ電極およびその製造方法
US10438811B1 (en) 2014-04-15 2019-10-08 Quantum Biosystems Inc. Methods for forming nano-gap electrodes for use in nanosensors
WO2015170782A1 (en) 2014-05-08 2015-11-12 Osaka University Devices, systems and methods for linearization of polymers
EP3177707B1 (en) * 2014-08-08 2020-04-15 Applied Materials, Inc. Patterned deposition of liquid films for biomedical devices
US10379101B2 (en) * 2015-11-23 2019-08-13 Hai Kang Life Corporation Limited Apparatus for detection of biomolecules and its fabrication
CN108130273B (zh) * 2016-12-01 2021-10-12 京东方科技集团股份有限公司 检测基板及其制作方法、检测核酸的方法
KR20200105486A (ko) * 2017-12-28 2020-09-07 아도르 디아그노스틱스 에스.알.엘. 핵산 표적 분자의 존재를 신속하게 검출하는 방법

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1337173C (en) * 1989-04-28 1995-10-03 Westaim Biomedical Corp. Thin film diagnostic device
US6017696A (en) 1993-11-01 2000-01-25 Nanogen, Inc. Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics
US5605662A (en) * 1993-11-01 1997-02-25 Nanogen, Inc. Active programmable electronic devices for molecular biological analysis and diagnostics
US5632957A (en) * 1993-11-01 1997-05-27 Nanogen Molecular biological diagnostic systems including electrodes
US6306348B1 (en) * 1993-11-01 2001-10-23 Nanogen, Inc. Inorganic permeation layer for micro-electric device
JPH08154656A (ja) * 1994-12-05 1996-06-18 Nikon Corp 核酸ハイブリダイゼーション試験の方法、核酸ハイブリダイゼーション試験用基材および核酸ハイブリダイゼーション試験用装置
US5605622A (en) * 1995-07-18 1997-02-25 Ferraro; Michael J. Swimming pool vacuum system
EP1003908B1 (en) * 1997-04-16 2006-12-06 Applera Corporation Nucleic acid archiving
US20020177135A1 (en) * 1999-07-27 2002-11-28 Doung Hau H. Devices and methods for biochip multiplexing
US20040053290A1 (en) * 2000-01-11 2004-03-18 Terbrueggen Robert Henry Devices and methods for biochip multiplexing
US20020090649A1 (en) * 1999-12-15 2002-07-11 Tony Chan High density column and row addressable electrode arrays
JP2003517149A (ja) * 1999-12-15 2003-05-20 モトローラ・インコーポレイテッド 行及び列アドレス指定可能な高密度のバイオチップアレイ
US6458000B2 (en) * 1999-12-30 2002-10-01 Thomas & Betts International, Inc. Power connector ground polarization insert and connector used therewith
US7306924B2 (en) * 2000-04-17 2007-12-11 Purdue Research Foundation Biosensor and related method
AU2001252973A1 (en) * 2000-04-17 2001-10-30 Purdue Research Foundation Biosensor and related method
WO2002031463A2 (en) * 2000-08-31 2002-04-18 Motorola, Inc. High density column and row addressable electrode arrays
JP4193345B2 (ja) * 2000-09-07 2008-12-10 横河電機株式会社 生体高分子の遺伝子配列を計測するための測定装置
JP2004515231A (ja) * 2000-11-03 2004-05-27 クリニカル・マイクロ・センサーズ・インコーポレイテッド バイオチップを多重化するための装置および方法
JP3758183B2 (ja) * 2001-11-08 2006-03-22 横河電機株式会社 バイオチップおよびそれを用いた遺伝子配列測定装置
US7153687B2 (en) * 2002-08-13 2006-12-26 Hong Kong Dna Chips Limited Apparatus and methods for detecting DNA in biological samples
CN1186627C (zh) 2003-02-28 2005-01-26 北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司 低功耗化学气体传感器芯片及其制备方法
JP4482856B2 (ja) * 2003-08-29 2010-06-16 セイコーエプソン株式会社 試料中の標的物質の検出方法、センサ基体、及び検出キット
JP4281479B2 (ja) * 2003-09-05 2009-06-17 ソニー株式会社 電極ユニットと該電極ユニットを用いる物質間の相互作用検出のためのバイオアッセイ用基板
JP4403376B2 (ja) * 2003-10-09 2010-01-27 ソニー株式会社 物質間の相互作用検出部と該検出部を備えるバイオアッセイ用基板及び該検出部への水溶液供給方法
US7390622B2 (en) * 2003-10-16 2008-06-24 Hai Kang Life Corporation Limited Apparatus and methods for detecting nucleic acid in biological samples

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
UMEK R.M. et al. "Electronic detection of nucleic acids: a versatile platform for molecular diagnostics", J Mol Diagn. 2001 May; 3 (2): 74-84. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10330630B2 (en) 2012-06-28 2019-06-25 Siemens Healthcare Diagnostics Inc. Reader device and method of signal amplification
US10921280B2 (en) 2012-06-28 2021-02-16 Siemens Healthcare Diagnostics Inc. Reader device and method of signal amplification
RU2661784C2 (ru) * 2013-02-07 2018-07-19 Конинклейке Филипс Н.В. Обработка нуклеотидных последовательностей
RU2765308C2 (ru) * 2016-02-29 2022-01-28 Айридия, Инк. Способы, композиции и устройства для хранения информации
US11505825B2 (en) 2016-02-29 2022-11-22 Iridia, Inc. Methods of synthesizing DNA
US11549140B2 (en) 2016-02-29 2023-01-10 Iridia, Inc. Systems and methods for writing, reading, and controlling data stored in a polymer
US11837302B1 (en) 2020-08-07 2023-12-05 Iridia, Inc. Systems and methods for writing and reading data stored in a polymer using nano-channels

Also Published As

Publication number Publication date
CN1867681B (zh) 2010-12-08
EP2554683A1 (en) 2013-02-06
EP1673476A1 (en) 2006-06-28
MXPA06004205A (es) 2007-02-16
AU2004282235B2 (en) 2011-09-08
MY139466A (en) 2009-10-30
JP2013140168A (ja) 2013-07-18
EP1673476A4 (en) 2010-01-06
JP5248017B2 (ja) 2013-07-31
TWI360655B (en) 2012-03-21
MY144038A (en) 2011-07-29
JP2007508554A (ja) 2007-04-05
US20050084865A1 (en) 2005-04-21
US7390622B2 (en) 2008-06-24
EP1673476B1 (en) 2013-06-12
US7888109B2 (en) 2011-02-15
TW200517656A (en) 2005-06-01
HK1098177A1 (en) 2007-07-13
AU2004282235A1 (en) 2005-04-28
SG147452A1 (en) 2008-11-28
US20080242562A1 (en) 2008-10-02
CN1867681A (zh) 2006-11-22
BRPI0415342A (pt) 2006-12-05
RU2006111450A (ru) 2007-10-20
CA2542518A1 (en) 2005-04-28
CA2542518C (en) 2012-05-29
WO2005038048A1 (en) 2005-04-28
US20120010093A1 (en) 2012-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2359038C2 (ru) Устройство и способы выявления нуклеиновой кислоты в биологических образцах
JP2007508554A5 (ru)
CN104583420B (zh) 核酸样品制备
US11731132B2 (en) Methods and devices for detection of multiple analytes from a biological sample
US20060105449A1 (en) Biochip having an electode array on a substrate
US20030194709A1 (en) Hydrophobic zone device
CN1417574A (zh) 芯片上的微电子检测器
CN108368466B (zh) 生物体分子测定装置
KR20050053614A (ko) 생물학적 샘플에서 디엔에이를 검출하기 위한 장치 및 방법
KR101165860B1 (ko) 생물학적 샘플에서 핵산을 검출하는 장치 및 방법
US20040219547A1 (en) Biochip arrangement
US7615343B2 (en) Electrical readout of the binding of analyte molecules to probe molecules
JP4281479B2 (ja) 電極ユニットと該電極ユニットを用いる物質間の相互作用検出のためのバイオアッセイ用基板
CN100476436C (zh) 用于迁移或分离带电分子的方法和装置
EP1520628A1 (en) Detecting interaction between substances
US20050014291A1 (en) Assay method using biochemical analysis units and cleaning apparatus for the same
JP2002174624A (ja) 誘電泳動装置用電極、その製法及び誘電泳動装置並びに該電極を使用する物質の分離方法及び検出方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121019