[发明专利]用于检测扩增事件的装置和方法

说明书

本申请公开了一种使用离子传感器阵列检测包含生物样品的溶液中的扩增反应的方法。所述扩增反应指示核酸的存在。该方法包括：监控来自离子传感器阵列的每个相应传感器的信号；检测来自离子传感器阵列的第一传感器的信号的变化；以及将来自第一传感器的信号与来自至少一个附近传感器的信号进行比较，所述至少一个附近传感器靠近所述阵列中的第一传感器。该方法还包括，基于该比较，确定在第一传感器附近的溶液中已经发生扩增事件。

技术领域

本公开涉及检测扩增事件，尤其涉及使用ISFET传感器阵列检测生物样品中的扩增反应。

背景技术

快速、廉价、可靠和定量的病原体即需检测的重要性至关重要。但是，使用现有技术时，如果不使用高端、昂贵且庞大的仪器，就无法进行分子水平上的空间-时间化学相互作用的实时检测，包括在核酸扩增反应和测序或引物-核酸相互作用过程中的核苷酸结合。

促成这些功能，将在分子水平上提供对化学相互作用以及生物学和化学反应(例如DNA复制、DNA转录、RNA翻译或抗体-抗原结合事件)动力学的基础洞见，并会带来对更有效的检测化学和诊断方法的开发。

用于检测和识别病原体的诊断方法主要有三类：经典的微生物学技术(例如显微镜检查和培养)、基于蛋白质的方法(例如抗原-抗体相互作用)和基于核酸的(例如测序，聚合酶链反应和微阵列)方法。典型地，经典的微生物学方法具有难以接受的长循环时间并且依赖于视觉观察。基于蛋白质的方法便宜、快速且体积小；但是，输出结果是定性的而不是定量的，因此要求给定样品中有高浓度的病原体。相反，现有的基于核酸的方法产生定量输出结果，即返回存在或不存在的判定结果，并且可以检测给定样品中相对低浓度的病原体。然而，现有技术昂贵、缓慢并且需要大型光学设备来执行。

DNA扩增是从原始DNA分子复制DNA的过程，用于扩增单个或几个拷贝的DNA片段，从而生成数千个到数百万个拷贝的特定DNA序列，并可用于确定人体液体或组织样品中是否含有病原体(例如病毒、细菌、真菌或原生动物)的DNA或RNA。基本前提是，当且仅当靶病原体存在时才允许DNA扩增。此后，监控DNA扩增。例如，在传统方法(例如实时聚合酶链反应(PCR))中，每次产生新的扩增子，都会释放荧光分子。因此，该荧光分子的释放是样品中存在病原体的指示。

也可以监控化学溶液的pH，因为在DNA扩增过程中，每次将核苷酸结合到新的DNA链中，都会释放出氢离子，这会引起pH的变化(pH＝-log10[H⁺]，其中H+是氢离子或质子的浓度)。化学反应总结在下面的等式中，其中α是整数常数。

DNA+反应物--2·DNA+α·质子(H+)+产物

如果触发了DNA扩增(即样品中存在病原体)，则将反应定义为阳性，否则将反应描述为阴性。

图1a中说明了通常如何进行基于pH的DNA检测的高度概括，并总结为以下步骤：

1.制备由样品和其他必要化学物质组成的化学溶液。

2.将与特定病原体相关联的扩增试剂添加到溶液中。它由与靶DNA互补的引物(碱基序列)组成。

3.根据DNA检测方法，可以加热化学溶液。

4.如果引物与样品中的DNA互补，则会触发扩增。

5.监控DNA扩增；例如，通过荧光或pH。

图1b所示为假设系统中没有噪音时的DNA检测典型输出曲线。该图包括阳性和阴性反应的典型曲线。该图表的x轴表示时间，y轴表示pH(或荧光)。该图分为代表DNA扩增的预期曲线的三个“阶段”。在阶段I)，反应物尚未彼此接触。在阶段II)，扩增正在发生。在阶段III)，反应已经饱和。“阳性检出时间”(t_p)定义为从反应开始到确定DNA扩增的阳性时间。由于阈值是任意的，因此在本申请中使用的示例中，t_p可被视为完成一半扩增的时间。