[发明专利]在电极表面附近产生pH/离子浓度梯度以调节生物分子相互作用的方法

说明书

本发明涉及在具有检测位点的多位点阵列的生物传感器中调节(生物分子)探针或检测剂与生物学样品中感兴趣的分析物之间的结合相互作用的方法。具体地，所述方法调节所述生物传感器中电极附近的pH或离子浓度梯度。本发明的调节结合相互作用的方法提供了用于更精确地测量生物学样品中的感兴趣的分析物的生物传感器及分析方法。

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年7月6日申请的美国申请系列号13/543,300的权益，通过引用将这个申请的内容并入本文。

发明领域

本发明涉及使用生物传感器对生物分子的诊断方法及改良这种生物传感器的方法。此外，本发明涉及在电极表面附近产生pH浓度梯度以调节这种生物传感器中生物分子相互作用的方法。

发明背景

近年来，越来越感兴趣于预测医疗、预防医疗及特别是个体化医疗，这需要具有更高保真度如灵敏性和特异性的诊断检测。多重测量平台(Multiplexed measurementplatforms)例如目前用于研究中的蛋白质阵列属于不久的将来具有发展前途的诊断技术。这些检测中的样品可以是人类体液如血液、血清、唾液、生物细胞、尿液，或者其它生物分子，也可以是消费品如牛奶、婴儿食物或者水。在这个领域内，越来越需要低成本多重检测以检测生物分子如核酸、蛋白质以及小分子。实现这种检测中的灵敏性和特异性是个有难度的挑战。将这些检测与集成电子产品组合及使用CMOS技术已经提供了解决其中一些挑战的方案。

在检测测定中的两个主要限制包括灵敏性和交叉反应性。这两个因素影响最小可检测浓度并因此影响诊断误差率。这种检测中的灵敏性通常受到标记检测准确度、探针-分析物对(例如抗体-抗原对)的缔合系数及表面上探针分子(例如探针抗体)的有效浓度的限制(如图1所示)。生物学样品中的其它分子通过与探针分子(例如初级抗体)结合或者通过分析物与检测位点表面的物理吸附也可影响最小可检测浓度(如图2所示)。检测剂(例如二级抗体)也可以物理吸附于表面，导致背景信号的增加(如图2所示)。解决交叉反应性和背景问题在新检测的开发中要花费大量时间并增加了整体检测的成本和复杂性。测定典型地通过寻找最佳试剂和条件以及通过产生最特异性的探针分子(例如抗体)而优化。这样导致较长的开发时间、在一些情况中的检测不可行性以及较高的生产成本。例如，典型的ELISA测定的开发需要一些科学家工作一年以上以发现正确的抗体作为所述测定开发的一部分。蛋白质的交叉反应性可能是这种尝试失败的根源。

提供多位点检测平台的生物传感器被认为是提供了解决上述测定开发中的一些限制的方案。公开的美国专利申请US 2011/0091870描述了具有多个位点的这种生物传感器，其可以进行不同的反应条件以调节生物分子分析物(例如蛋白质)与探针分子的结合。例如，在具有四个位点的生物传感器中检测的信号也可具有几种成分，例如四种。这四项(terms)可相应于感兴趣的生物标记的浓度、样品中与初级抗体(探针分子)位点非特异性结合并且阻止所述生物标记结合的干扰分析物的浓度、样品中形成夹心并产生错误信号的干扰分析物的浓度，以及最终样品中与表面物理吸附并产生错误信号的干扰分析物的浓度。各项(term)与结合效率因子α_ij也成比例，所述结合效率因子是分子亲和性及其它测定条件例如质量转运(mass transport)的函数。通过控制在单独每个位点的条件，不同位点具有不同的效率因子。在每个位点的信号的精确测量导致多个方程和多个未知数，例如，

其中C_an相应于靶向的生物分子分析物浓度，C_j1、C_j2、C_j3相应于引起背景信号中不同各项(terms)的那些分子的总浓度。

在这种生物传感器作为感兴趣的生物分子分析物的检测系统的性能中，重要的是在不同位点的测定条件的精确和准确控制以产生结合效率因子的较大改变。因此，需要可以与基于CMOS、电极阵列或者TFT的设置(setup)易于集成的方法，以产生在具有多个检测位点的阵列的生物传感器中的检测位点之间结合效率的较大改变。