專利名稱：分析物傳感器及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及納米線(nanowire)傳感器，相關(guān)的方法和裝置領(lǐng)域，特別是關(guān)于將分析物受體(receptor)識(shí)別稱合到膜層孔隙率(porosity)增加的間接傳感機(jī)構(gòu)。本公開也涉及分析物傳感裝置的循環(huán)利用。在此描述的一種或多種技術(shù)可能或不可能適于在氣體或水狀液體中特定分子組的檢測(cè)，或使用便攜式電子設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
生物和化學(xué)種類的檢測(cè)是從揭示和診斷疾病到發(fā)現(xiàn)和篩選新藥物的范圍的醫(yī)療保健和生命科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的重點(diǎn)。因此實(shí)現(xiàn)這些種類的可靠并且敏感的檢測(cè)的先進(jìn)設(shè)備的發(fā)展是重要的。檢測(cè)的重點(diǎn)是與所關(guān)注的生物或化學(xué)種類的選擇性識(shí)別相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。平面 測(cè)。例如，平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)可以通過(guò)修改具有分子受體或用于所關(guān)注分析物的選擇性膜的柵極氧化物(沒(méi)有柵電極)來(lái)配置為傳感器。帶電種類的結(jié)合(binding)則導(dǎo)致晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)載體的損耗或累積。這種化學(xué)敏感FET的有吸引力的特征為盡管不同生物分子的特異性有限，但該結(jié)合可以通過(guò)電導(dǎo)或相關(guān)電特性的直接變化來(lái)監(jiān)測(cè)。限制以平面半導(dǎo)體構(gòu)成的傳感器設(shè)備的物理特性可以通過(guò)開發(fā)納米級(jí)FET輕易克服。在這點(diǎn)上，基于納米線和納米管的納米級(jí)傳感器得到相當(dāng)新的關(guān)注。納米線和納米管具有非常高的敏感度(在某些情況下的單分子檢測(cè))的潛力，因?yàn)橛杉{米線/納米管表面的帶電分子的結(jié)合導(dǎo)致的電荷載體的損耗或累積，可能影響這些納米結(jié)構(gòu)的整個(gè)橫截面?zhèn)鲗?dǎo)路徑。此外，與裝配的最近發(fā)展相結(jié)合的納米線和納米管的小尺寸提出可以制備傳感器的密集陣列。在該領(lǐng)域中的研究表明納米線FET設(shè)備可以具有諸如用于在溶液(solution)的特定分子種類檢測(cè)的表面受體的固定探頭分子的功能。證明納米線FET檢測(cè)在溶液中的種類的最初公開的例子追溯到2001年，其中將P型硅納米線設(shè)備用作通過(guò)氧化硅表面的化學(xué)改變的PH傳感器[Y. Cui等，Science, 293，1289 (2001)]。隨后修改這種基于硅納米管的設(shè)備以使它能夠檢測(cè)不同蛋白質(zhì)的存在。使用相同的原理，這種傳感器已經(jīng)作為藥品發(fā)現(xiàn)的工具使用，其中結(jié)合或結(jié)合抑制分別解決為電導(dǎo)的增加或減少[ff. U. Wang等，PNAS, 102，no. 9，3208 (2005)]。此外，已檢測(cè)到單鏈DNA片段作為采用肽核酸(PM)受體修改的納米線表面的增加電導(dǎo)[J. Hahm等，Nano Letters,4，no.I，51(2004)]。進(jìn)一步的研究表明使用抗體受體的病毒檢測(cè)[F. Patolsky等，PNAS, 101，no. 39，14017 (2004)]，其中病毒粒子的結(jié)合和釋放引起納米線設(shè)備的電導(dǎo)變化。同時(shí)基于納米線的傳感器提供關(guān)于其他技術(shù)(直接的，無(wú)標(biāo)記的，實(shí)時(shí)檢測(cè)的，超高靈敏度的，高選擇性的，大規(guī)模陣列集成的可能)關(guān)鍵益處。上述設(shè)備也有其缺點(diǎn)。部分由于所測(cè)量的帶電種類的復(fù)雜性，直接傳感生物分子的存在的FET的使用報(bào)告顯示不一致的結(jié)果。此外，這種設(shè)備在傳感活動(dòng)之后不能重復(fù)使用并且因此必須將其處理。此外，確保高度的特定結(jié)合的受體分子的正確附著有時(shí)需要復(fù)雜的表面作用過(guò)程(functionalization)。將生物分子耦合到表面的表面化學(xué)的發(fā)展是傳感器發(fā)展中的普遍問(wèn)題，并存在眾多的解決方案。一種解決方案采用某種類型的脂類分子的能力形成膜，例如封裝多種類型的生物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)的等離子膜。某些類型的受體分子進(jìn)化到當(dāng)它們被嵌入在脂類膜中時(shí)結(jié)合它們的分析物，并且這種特定的受體分析物(receptor-analyte)的識(shí)別導(dǎo)致膜的某些電化學(xué)性質(zhì)的改變，例如橫跨膜的電導(dǎo)或電容。最近的工作表明脂類膜可以用作在生物分析物和納米電子傳感器之間的功能接口 [N. Misra等，PNAS，106，no. 33,13780 (2009) ] 在這項(xiàng)研究中，硅納米線涂有連續(xù)脂類雙層膜，形成在納米線和溶液中的種類之間的屏蔽。橫跨膜的肽微孔的合并使離子種類穿過(guò)膜輸送并產(chǎn)生離子電子信號(hào)。這項(xiàng)工作提出合并功能化膜蛋白質(zhì)的脂類膜涂層納米線設(shè)備可作為用于開發(fā)基于橫跨膜蛋白質(zhì)微孔功能的生物傳感器的多用途平臺(tái)使用。
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不必將先前公布的文檔的列表或論述或這個(gè)規(guī)范中的任意背景作為該文檔或背景為現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)的一部分或者是普通一般知識(shí)的確認(rèn)。本公開的一個(gè)或多個(gè)方面/實(shí)施例可能或不可能解決一個(gè)或多個(gè)背景問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，提供一種分析物傳感器裝置以及相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件,所述傳感元件的外表面包括防止傳感元件暴露的膜；所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活可激活種類，所激活種類的激活使得內(nèi)部接觸(in-contact)分析物傳感器裝置的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。所述傳感元件的尺寸可以從宏觀尺度(例如，cm或mm)到微觀尺度(例如，μ m)或納米尺度(例如，nm)變化。所述傳感元件可以包括一個(gè)或多個(gè)納米線或平面結(jié)構(gòu)。所述傳感元件可以由膜涂覆。所述膜本身包括可包括任何材料，該材料能夠防止所述傳感元件到液體介質(zhì)的暴露，直到在膜中產(chǎn)生微孔。所述膜可包括形成到某些種類的屏障的脂類或其他分子的膜，這些種類到納米線的鄰近性能夠或不能改變其電導(dǎo)。特別地，膜可包括脂類，磷脂或二者的混合。脂類可以是二油酰磷脂酰膽堿(dioleoylphosphatidylcholine, D0PC)。DOPC 可以慘雜突光脂類探頭，例如 NBD-PE ((1, 2-dioleoyl-sn-glycero_3-phosphoethanolamine-N-(7-nitro-2-l, 3-benzoxadiazol-4-yl)), I, 2- 二油酸-SN-甘油-3-憐酸乙醇胺-N- (7-硝基-2-1，3-苯并惡-4-基))。術(shù)語(yǔ)“相互作用”可暗示受體種類和分析物彼此直接或間接相互作用。此外，術(shù)語(yǔ)“相互作用”可暗示受體種類和分析物彼此結(jié)合。提供一種將分析物和受體的特定相互作用耦合到膜層的增加的孔隙率的傳感器以間接地檢測(cè)分析物的存在。術(shù)語(yǔ)納米線用于包圍納米管等。所述分析物傳感器裝置可配置為使得本身與膜內(nèi)部接觸的分析物不會(huì)引起膜的增加的孔隙率。受體種類可以是抗體，例如哺乳動(dòng)物的抗體，與分析物特定的相互作用，但也可以為另一種能夠特別與分析物相互作用的親和劑。該抗體可包括免疫球蛋白分子，例如IgG分子?？贵w可以為單克隆抗體或多克隆抗體。兩個(gè)或多個(gè)單克隆抗體可配置為與相同的抗原相互作用。分析物傳感器裝置可配置為使得將受體種類結(jié)合到膜而不必是膜。否貝U，分析物傳感器裝置可配置為使得受體種類嵌入到膜中而不必是膜。受體種類的結(jié)合或嵌入可改進(jìn)結(jié)合位置到分析物的暴露并增加形成分析物-受體復(fù)合體的機(jī)會(huì)。分析物可以是足夠尺寸和結(jié)構(gòu)的生物或化學(xué)種類，親和試劑(在此描述為抗體)可以識(shí)別并采用足夠的特異性和親合力結(jié)合。分析物種類可以為抗原。分析物可以為病原體。分析物可以為病毒的，細(xì)菌的，真菌的，真核生物的或朊病毒的病原體?？杉せ畹姆N類可以是當(dāng)通過(guò)特定分析物-受體相互作用激活時(shí)能夠在膜上生成微孔的任何種類?？杉せ畹姆N類可包括一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)體蛋白質(zhì)并可以配置為使得由分析物可激活的種類的激活觸發(fā)補(bǔ)體級(jí)聯(lián)以從補(bǔ)體蛋白質(zhì)產(chǎn)生膜攻擊復(fù)合體?？杉せ畹姆N類可以是與其他補(bǔ)體蛋白質(zhì)聯(lián)合作用的Cl補(bǔ)體蛋白質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“可激活的種類”可指補(bǔ)體蛋白質(zhì)組。膜攻擊復(fù)合體可能會(huì)引起膜的增加的孔隙率。膜攻擊復(fù)合體可以將自身嵌入在膜中。膜攻 擊復(fù)合體到膜中的嵌入可能引起膜的增加的孔隙率。液體介質(zhì)可以或不可以包括配置為提供跨過(guò)膜的離子梯度的帶電種類。液體介質(zhì)可使用離子，PH和化學(xué)的混合以通過(guò)分析物確保可激活種類的激活。液體介質(zhì)可以或不可以包括配置為當(dāng)與傳感元件內(nèi)部接觸時(shí)產(chǎn)生可檢測(cè)電信號(hào)的帶電種類。帶電種類可以為帶電原子種類(例如氫離子)或帶電分子種類。帶電種類可以為諸如質(zhì)子或電子的帶電亞原子粒子。膜可配置為不能透過(guò)這些帶電種類。由可激活種類的激活引起的膜的增加的孔隙率可允許帶電種類從相應(yīng)的液體介質(zhì)通過(guò)在膜中生成的微孔擴(kuò)散以引起在傳感元件的暴露表面處的電荷濃度的變化。在帶電種類包括質(zhì)子處，質(zhì)子從相應(yīng)的液體介質(zhì)通過(guò)膜的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致在傳感元件的外表面的pH的變化。分析物傳感器裝置可以包括源電極和漏電極。源電極和漏電極可電連接到所述傳感元件，使得在源電極和漏電極之間施加電勢(shì)差時(shí)電流可從所述源電極通過(guò)所述傳感元件流向漏電極。分析物傳感器裝置可配置為使得電連接器電連接到源電極和漏電極以施加電勢(shì)差。分析物傳感器裝置可配置為使得電連接器可移動(dòng)地連接到所述源電極和漏電極。分析物傳感器裝置可配置為使得所述源電極和漏電極與相應(yīng)的液體介質(zhì)電絕緣。分析物傳感器裝置可配置為使得所述傳感元件的電導(dǎo)或其他電特性隨著所述傳感元件的外表面的電荷濃度變化。傳感元件可由固有的或摻雜雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。半導(dǎo)體材料可以為P型或η型半導(dǎo)體材料。傳感元件可以為硅傳感元件。分析物傳感器裝置可形成部分場(chǎng)效應(yīng)晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以為納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。納米線可以為空心或?qū)嵭墓?。分析物傳感器裝置可包括基板上的多個(gè)納米線。分析物傳感器裝置可包括一個(gè)或多個(gè)基板上的納米線陣列。有利地，各個(gè)陣列可配置為從基板上彼此分離放置使得傳感器能夠執(zhí)行多路傳感實(shí)驗(yàn)。分析物傳感器裝置可集成到微液體系統(tǒng)內(nèi)。分析物傳感器裝置和液體介質(zhì)可以是成套的。該套裝可包括分析物數(shù)量的控制。根據(jù)進(jìn)一步的方面，提供一種用于與相應(yīng)的分析物傳感器裝置一起使用的液體介質(zhì)(例如，隔離的液體介質(zhì)，其意味著隔離活的或死的人類/動(dòng)物/植物/細(xì)菌體)，該分析物傳感器裝置包括其外表面包括防止傳感元件暴露的膜的傳感元件；所述液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活可激活種類，可激活種類的激活導(dǎo)致內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。分析物可以與液體介質(zhì)隔離。液體介質(zhì)可以包括分析物數(shù)量的控制。液體介質(zhì)可以包括帶電種類。根據(jù)更進(jìn)一步方面，提供一種傳感分析物的方法，所述方法包括使用/提供分析物傳感器裝置以及相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件,該傳感元件的外表面包括防止傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活可激活種類，可激活種類的激活導(dǎo)致內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元·件的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生；和將所述分析物暴露到相應(yīng)的液體介質(zhì)和分析物傳感器裝置以允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。根據(jù)更進(jìn)一步的方面，提供一種用于傳感分析物存在的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括檢測(cè)從分析物傳感器裝置及相應(yīng)液體介質(zhì)產(chǎn)生的電信號(hào)的計(jì)算機(jī)代碼，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活可激活種類，可激活種類的激活導(dǎo)致內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。根據(jù)更進(jìn)一步的方面，提供一種分析物傳感器裝置循環(huán)利用方法，所述方法包括提供分析物傳感器裝置，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括膜；引入表面活性劑(surfacetant)溶液以與膜相互作用并且破壞膜的完整性；清洗所述傳感元件的外表面；和在所述傳感元件的外表面上形成新的膜。表面活性劑可以以大于或等于脂類種類的臨界膠束(critical micellar)濃度的濃度引入。另一方面，表面活性劑可以低于臨界膠束濃度的濃度引入。表面活性劑溶液可以相互作用并破壞膜的完整性，直到發(fā)生膜的完全中斷。該表面活性劑可以是LDAO (十二燒基二甲基氧化物，Lauryldimethylamine-oxide)。傳感元件可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感元件。根據(jù)更進(jìn)一步方面，提供一種用于檢測(cè)分析物存在的分析物傳感器裝置和相應(yīng)液體介質(zhì)的用途，所述用途包括提供裝置和相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活可激活種類，可激活種類的激活導(dǎo)致內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生；和指示所述分析物的暴露到相應(yīng)液體介質(zhì)和分析物傳感器裝置以允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。本公開包括以隔離或以不論是否在組合或隔離中具體聲明(包括要求)的不同組合的一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的方面，實(shí)施例或特征。用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)所述功能的相應(yīng)的部件也在本公開內(nèi)。上述概要僅用于示例而不作為限制。


現(xiàn)在僅以舉例的方式參考附圖給出描述，在其中圖I示意性地圖示平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 圖2示意性地圖示納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管；圖3示意性地圖示納米線傳感器的典型的電導(dǎo)相對(duì)時(shí)間的曲線圖；圖4示意性地圖示磷脂分子，脂類雙分子層，脂類膠束和脂質(zhì)體；圖5示意性地圖示涂有脂類雙分子層的納米線的橫截面；圖6示意性地圖示典型的補(bǔ)體路徑；圖7示意性地圖示涂在納米線表面的脂質(zhì)雙分子層的形成和隨后的暴露；圖8示意性地圖示包括在此描述的裝置的設(shè)備；圖9示意性地圖示使用表面活性劑溶液的脂質(zhì)雙分子層的移除；圖10示例性地圖示提供程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)；圖11示例性地圖示傳感分析物的方法；以及圖12示例性地圖示分析物傳感器裝置的循環(huán)利用方法。
具體實(shí)施例方式如在背景技術(shù)中討論的，納米線可以用于生成高敏感度和實(shí)時(shí)的基于電的傳感器用于生物和化學(xué)種類的檢測(cè)。納米線傳感器的基礎(chǔ)機(jī)制是使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)效應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)(平面)FET中，如圖I所示，例如P型硅的半導(dǎo)體101支撐在基板102 (涂有電絕緣層110)上并連接到金屬源電極103和漏電極104。通過(guò)在半導(dǎo)體上施加電勢(shì)差105，經(jīng)由源電極和漏電極分別注入和收集電流。在源電極和漏電極之間的半導(dǎo)體電導(dǎo)由第三電極，柵電極106，打開和關(guān)閉，其中柵電極電容通過(guò)薄電介質(zhì)層107耦合。通過(guò)測(cè)量經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體(例如使用電流表108)的電流并除以電勢(shì)差可以確定電導(dǎo)。采用P型硅(或其他P型半導(dǎo)體)，正柵極電壓的應(yīng)用消耗電荷載體(在半導(dǎo)體中生成消耗區(qū)域109)并減少電導(dǎo)，同時(shí)應(yīng)用負(fù)柵極電壓導(dǎo)致電荷載體的累積(生成傳導(dǎo)通道)和電導(dǎo)的增加。由于從帶電種類到柵電介質(zhì)的結(jié)合產(chǎn)生的電場(chǎng)與使用柵電極施加電壓相似，柵極電壓上的電導(dǎo)依賴使FET成為基于電的傳感的自然候選。在納米線FET中，由一個(gè)或多個(gè)納米線201取代平面半導(dǎo)體并且移除柵電極。通常的傳感設(shè)備可以配置為(圖2)通過(guò)鏈接識(shí)別組到納米線表面來(lái)獲得特定的傳感。具有其天然氧化物涂層的硅納米線產(chǎn)生這種受體的正向連接，因?yàn)榇嬖诖罅康挠糜趤?lái)自平面的化學(xué)和生物傳感器知識(shí)的氧化硅或玻璃表面的化學(xué)修改的數(shù)據(jù)。圖示的傳感器設(shè)備進(jìn)一步合并源電極202和漏電極203，所述源電極202和漏電極203通過(guò)電介質(zhì)涂層204與環(huán)境絕緣這樣僅那些發(fā)生在納米線表面的過(guò)程對(duì)電信號(hào)做出貢獻(xiàn)。傳感器設(shè)備也可以與微液體系統(tǒng)合并。微液體是處理具有亞毫升尺度(微升，納米升或甚至可能微微升(picolitre))容量的液體的行為，精確控制和操作的設(shè)計(jì)，制造和配制設(shè)備和過(guò)程的科學(xué)。設(shè)備本身具有從微升下降到毫升范圍的尺寸。在這個(gè)尺度的液體行為可能與例如表面張力，能量損耗和開始支配系統(tǒng)的液體阻抗的那些因素的宏觀液體行為不同。微液體系統(tǒng)包括特別適用于控制這種小容量液體的多個(gè)組件(例如泵，閥，密封和通道等)。微液體系統(tǒng)具有不同并廣泛的潛在應(yīng)用。特別是，微液體生物芯片使用微液體系統(tǒng)來(lái)整合諸如檢測(cè)的化驗(yàn)操作，以及在單個(gè)芯片上的樣品預(yù)處理和樣品制備。在圖2中可以看到用于要檢查的溶液206的傳送的微液體通道205。當(dāng)具有表面受體的傳感器設(shè)備暴露于包含在水溶液中具有凈正電荷的分析物分子207的溶液時(shí)，特別的結(jié)合引起表面正電荷的增加和P型納米線設(shè)備電導(dǎo)的減少。當(dāng)然可以使用η型納米線代替P型納米線構(gòu)成傳感設(shè)備。
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在圖3中給出一個(gè)典型的P型納米線傳感器的電導(dǎo)相對(duì)時(shí)間的曲線圖的例子，其示出當(dāng)具有凈正電荷的分析物分子結(jié)合到納米線表面時(shí)電導(dǎo)301減少。然后分析物種類的隨后分離導(dǎo)致電導(dǎo)302增加到初始值。如之前提到的，現(xiàn)有的納米線FET示出不一致的結(jié)果，不能夠在傳感活動(dòng)之后重新使用并且僅當(dāng)識(shí)別元件用于傳感結(jié)構(gòu)中時(shí)示出高特異性?，F(xiàn)在將要描述一種可以或不可以克服一個(gè)或多個(gè)這些問(wèn)題的裝置和相應(yīng)的方法。在此描述的裝置和方法在納米線傳感元件的表面上合并脂類雙分子層。脂類雙分子層是由兩層脂類分子401構(gòu)成的薄膜。脂類是小的兩性分子，意味著它們包含親水的402和疏水的403基。某些脂類的兩性分子性質(zhì)允許它們?nèi)Q于它們的濃度，在水狀環(huán)境中形成例如雙分子層404，膠束405和脂質(zhì)體(或囊)406的結(jié)構(gòu)。自然的脂類雙分子層通常大多由磷脂構(gòu)成，磷脂具有親水的頭部和兩個(gè)疏水的尾部。除了他們可能具有一個(gè)或多個(gè)磷酸鹽基共價(jià)鍵合(bond)到親水頭部之外，磷脂與脂類相似。由于疏水效應(yīng)脂類自組合到這些結(jié)構(gòu)內(nèi)，這生成在疏水尾部和周圍的水之間的非常不利的相互作用。因此，脂類雙分子層由不涉及在單個(gè)分子間的化學(xué)鍵合構(gòu)成的非共價(jià)力保持在一起。在自然界中，脂類雙分子層形成連續(xù)的圍繞生物細(xì)胞的屏障。與圍繞細(xì)胞核和其他亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的膜一樣，幾乎所有活的有機(jī)生物和許多細(xì)菌的細(xì)胞膜由脂類雙分子層構(gòu)成。細(xì)胞膜是保持需要的離子，蛋白質(zhì)和其他分子并防止它們分散到它們不應(yīng)當(dāng)在的區(qū)域中的屏障。脂類雙分子層理想地適于這種角色，因?yàn)榧词顾鼈儍H有幾納米厚，對(duì)于大部分水溶性分子它們也是不可滲透的。對(duì)于離子雙分子層特別地是不可滲透的，這允許細(xì)胞調(diào)節(jié)鹽的濃度和pH。圖5示出支撐在基板502上并涂有脂類雙分子層膜503的納米線傳感元件501的橫截面視圖。脂類雙分子層通過(guò)脂質(zhì)體的自發(fā)融合在納米線表面上構(gòu)成?，F(xiàn)在將在細(xì)節(jié)上描述的本裝置和方法的傳感機(jī)構(gòu)，涉及經(jīng)由經(jīng)典途徑通過(guò)補(bǔ)體級(jí)聯(lián)的激活的脂類雙分子層膜的調(diào)理和隨后的破壞。構(gòu)成人類免疫系統(tǒng)一部分的補(bǔ)體系統(tǒng)，是幫助從生物體清除病原體的生物化學(xué)級(jí)聯(lián)。術(shù)語(yǔ)“補(bǔ)體”指這個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)體抗體行為的事實(shí)。補(bǔ)體系統(tǒng)包括超過(guò)20個(gè)在血液中發(fā)現(xiàn)的特定補(bǔ)體(C)糖蛋白，其通常作為非活性的前體來(lái)循環(huán)。當(dāng)通過(guò)多個(gè)觸發(fā)中的一個(gè)刺激時(shí)，補(bǔ)體蛋白質(zhì)在鏈反應(yīng)或級(jí)聯(lián)中彼此相互作用。這種級(jí)聯(lián)的最終結(jié)果就是響應(yīng)的大量放大和細(xì)胞殺傷膜攻擊復(fù)合體的激活。膜攻擊復(fù)合體將自身嵌入到形成橫跨膜通道(或微孔)的目標(biāo)細(xì)胞中。微孔的形成允許分子進(jìn)入細(xì)胞中和從細(xì)胞中出來(lái)的自由擴(kuò)散。如果形成足夠多的微孔，那么目標(biāo)細(xì)胞就不再能夠生存。補(bǔ)體的激活能夠經(jīng)由三個(gè)主要途徑發(fā)生需要特殊抗原到抗體受體的結(jié)合的經(jīng)典途徑，不需要抗體參與的替代途徑，和凝集素途徑。現(xiàn)有的裝置和方法有利地使用經(jīng)典途徑的抗體-抗原特異性檢測(cè)特定的分析物分子。參考圖6，經(jīng)典途徑由Cl蛋白質(zhì)601的激活觸發(fā)，這當(dāng)Cl將自身附在已經(jīng)結(jié)合在病原體603上的抗體602上時(shí)發(fā)生。Cl蛋白質(zhì)的激活導(dǎo)致C4 (604)到C4a (605)和C4b(606)的分裂，然后C2 (607)到C2a (608)和C2b (609)的分裂。蛋白質(zhì)片段C4b和C2a隨后結(jié)合以形成蛋白酶分子C3轉(zhuǎn)化酶610。蛋白酶是一種通過(guò)將在多肽鏈中的氨基酸連接在一起的水解肽鍵分解蛋白質(zhì)的酶。C3特別轉(zhuǎn)化酶特別催化C3 (611)到其活性片段C3a(612)和C3b (613)的分裂。C3b隨后與C3轉(zhuǎn)化酶結(jié)合以使C5轉(zhuǎn)化酶裂解C5 (614)到C5a (615)和C5b (616)。C5b初始化膜攻擊途徑，并且與C6 (617)，C7 (618)，C8 (619)和聚合的C9 (620)結(jié)合以形成膜攻擊復(fù)合體621。如上所述，然后膜攻擊復(fù)合體在膜中將自身嵌入到生成微孔622的病原體中。假設(shè)膜攻擊復(fù)合體攻擊異物的膜，膜攻擊復(fù)合體的產(chǎn)生可用于在結(jié)合分析物分子到受體種類的納米線膜中生成微孔。實(shí)際上這可以用作特定和間接的傳感機(jī)構(gòu)以檢測(cè)溶液中分析物的存在。圖7中說(shuō)明了這種方法的執(zhí)行。首先，傳感表面暴露到磷脂分子的脂質(zhì)體701。例如硅納米線或類似傳感元件703的硅涂層702的親水表面利用在表面上脂質(zhì)體的自發(fā)融合704生成保形(conformal)脂類雙分子層705。當(dāng)涂有膜的傳感器浸入離子溶液706中(例如水狀緩沖溶液)時(shí)，脂類雙分子層防止帶電種類接觸納米線(傳感器)表面。因此，脂類雙分子層可以用于維持跨過(guò)膜的離子梯度。因?yàn)榱字?duì)于氫離子(或質(zhì)子，H+)是不可滲透的，因此它們能維持跨過(guò)膜的水狀PH梯度至少一段時(shí)間。當(dāng)離子溶液進(jìn)一步包括在先討論的受體種類707和補(bǔ)體蛋白質(zhì)711時(shí)，溶液到分析物708的暴露導(dǎo)致特定的分析物-受體結(jié)合和通過(guò)經(jīng)典途徑的補(bǔ)體系統(tǒng)的激活。隨后將自身嵌入到膜中的膜攻擊復(fù)合體的形成，導(dǎo)致膜中微孔709的生成，允許溶液中的離子710穿過(guò)膜并與納米線表面相互作用。離子穿過(guò)膜的分散通過(guò)離子梯度驅(qū)動(dòng)。然后可檢測(cè)到由納米線表面的帶電種類的存在引起的電導(dǎo)率的變化。水狀緩沖溶液706可以是任意緩沖溶液，該溶液允許通過(guò)暴露的納米線傳感元件的帶電種類的明確檢測(cè)。水狀緩沖溶液706可包括(但不限于)下面中一個(gè)或多個(gè)鈉離子，鎂離子和質(zhì)子。假設(shè)補(bǔ)體系統(tǒng)的激活僅當(dāng)特定的分析物結(jié)合到受體種類時(shí)發(fā)生，那么檢測(cè)到的電導(dǎo)變化指示特殊分析物的存在。此外，由于膜的孔隙率與樣品中存在的分析物的量成比例，納米線的電導(dǎo)同樣提供定量信息。因此這種方法(在圖11中示例性地示出的關(guān)鍵步驟)提供了一種不需要直接結(jié)合分析物或受體種類到納米線表面的高選擇性的傳感機(jī)構(gòu)。圖8示例性地說(shuō)明傳感器設(shè)備801包括如關(guān)于圖7描述的涂有膜的納米線802和溶液803。該設(shè)備進(jìn)一步包括測(cè)量裝置804，處理器805，顯示裝置806和存儲(chǔ)介質(zhì)807，上述裝置(可移除地)通過(guò)數(shù)據(jù)總線808彼此電連接。溶液，在此指包括受體種類809，補(bǔ)體蛋白質(zhì)818 (或當(dāng)通過(guò)特定的分析物-受體結(jié)合活動(dòng)810激活時(shí)可能某些其他在膜中能夠生成微孔的可激活種類)和帶電種類的相關(guān)的液體介質(zhì)。傳感器設(shè)備進(jìn)一步包括源電極811和漏電極812，所述源電極和漏電極通過(guò)電介質(zhì)涂層813與環(huán)境絕緣，微液體通道814絕緣以包含相應(yīng)的液體介質(zhì)和要檢查的樣本，和用于這些液體傳送的微液體設(shè)備(未不出)。微液體是處理具有關(guān)于亞毫升尺度(微升，納米升或甚至可能微微升)的液體的行為，精確控制和操作的設(shè)計(jì)，制造，配制設(shè)備和過(guò)程的科學(xué)。微液體設(shè)備本身具有從毫米降到微米范圍的尺寸。在這個(gè)尺度的液體行為可能與在例如表面張力，能量損耗和開始支配系統(tǒng)的液體阻抗的因素中的宏觀液體行為不同。微液體系統(tǒng)包括特別適用于控制這種小容量液體的多個(gè)組件(例如泵，閥，密封和通道等)。微液體系統(tǒng)具有不同并廣泛的潛在應(yīng)用。特別地，微液體生物芯片使用微液體系統(tǒng)以整合單個(gè)芯片上的化驗(yàn)操作(諸如檢測(cè)，樣品預(yù)處理和樣品制備)。 將納米線支撐在涂有電絕緣層816的基板815上以從所述支撐基板隔離電接觸?？墒褂脷庀?液相-固相(VLS)機(jī)構(gòu)或催化化學(xué)氣相沉積(CVD)程序形成納米線，并使用流體校準(zhǔn)程序沉積在支撐基板的表面。然后可使用平板印刷過(guò)程制造電接觸。測(cè)量裝置804可移除地通過(guò)電連接器連接到源電極和漏電極(盡管在其他實(shí)施例中它可以是不可釋放的連接，例如硬連線的)?？梢瞥倪B接允許納米線斷開并且從用于修改或替代的其他設(shè)備組件物理移除。測(cè)量裝置用于在納米線上施加電勢(shì)差，測(cè)量通過(guò)納米線的電流，并確定納米線的電導(dǎo)或其他電特性。處理器805接收電數(shù)據(jù)并處理在顯示裝置806上顯示的數(shù)據(jù)。這允許在視覺(jué)上觀察到納米線的電響應(yīng)。處理器805同樣處理電數(shù)據(jù)以確定分析物種類817的存在和數(shù)量。處理器805可通過(guò)比較接收的數(shù)據(jù)與先前在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)確定分析物種類817的存在和數(shù)量以確定匹配。另一方面，處理器805可僅僅傳送處理過(guò)的數(shù)據(jù)到顯示裝置806用于手工分析。存儲(chǔ)介質(zhì)807用于存儲(chǔ)電數(shù)據(jù)，并同樣可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)介質(zhì)807可以是臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)，例如易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，或者可以是永久的存儲(chǔ)介質(zhì)，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器，閃存或非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。如果測(cè)量設(shè)備804可移除地耦合(盡管不僅限于這種情況)，可提供包括與相應(yīng)的液體介質(zhì)803 (例如包括一個(gè)或多個(gè)受體種類809，可激活種類818和以不同組合的帶電種類)一起的分析物傳感器(例如涂有膜的納米線802)以傳感特定分析物817的套件。受體種類809可包括一個(gè)或多個(gè)相似機(jī)構(gòu)(例如抗體)?？杉せ罘N類818可包括一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)體蛋白質(zhì)(例如Cl),或可能包括補(bǔ)體蛋白質(zhì)的完全基(C蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)片段)。分析物817可包括一個(gè)或多個(gè)病原體(例如病毒，細(xì)菌，真菌，真核或朊病毒的病原體)。帶電種類可包括一個(gè)或多個(gè)帶電原子(例如氫離子)，分子(例如蛋白質(zhì))或亞原子種類(例如質(zhì)子或電子)。供給分析物817的控制量是有效的，這樣一個(gè)人能夠確定傳感器能夠檢測(cè)分析物817。此夕卜，相應(yīng)的液體介質(zhì)803可與分析物傳感器802和測(cè)量設(shè)備804分開提供。傳感器設(shè)備801可包括單獨(dú)的傳感元件802 (例如納米線)或在電路中連接到一起的傳感元件陣列。每一個(gè)傳感元件既可電地又可以經(jīng)由微液體系統(tǒng)的液體樣本交換的方式單獨(dú)電尋址。傳感元件有兩種格式一種在其中多個(gè)納米線用單個(gè)膜覆蓋，另一種在其中單個(gè)納米線用單個(gè)膜覆蓋。在前者的情況下，納米線可采用并行操作電路在電路中單獨(dú)尋址，或多個(gè)納米線可在源電極811和漏812電極之間沉積，這樣電流能夠從一個(gè)納米線流到下一個(gè)納米線。在這些例子中，一個(gè)或多個(gè)納米線連接到一對(duì)金屬源電極811和漏電極812。納米線由品質(zhì)和性能一致的材料制成。典型地納米線是在表面上具有自然氧化物薄層的結(jié)晶。納米線FET可以通過(guò)沉積納米線在親水或疏水表面上，并且使用傳統(tǒng)的光刻法沉積納米線到源電極812和漏電極813來(lái)制造。電極的鈍化(通過(guò)用電絕緣體813涂在它們上獲得)是作為它們將在水狀溶液中操作的這些設(shè)備的關(guān)鍵步驟。如果基板是親水的則膜涂層可以是連續(xù)的(例如覆蓋納米線和支撐基板815)，或如果基板是疏水的則是不連續(xù)的(例如覆蓋納米線但不覆蓋支撐基板815)。參考柵電極可加入到傳感元件(每一標(biāo)準(zhǔn)平面FET)。傳感元件的電路可與微液體系統(tǒng)合并這樣液體可以僅按照規(guī)定的路徑到和來(lái)自傳感元件。微液體系統(tǒng)可包括采樣入口，溶液容器，微通道，廢料容器和泵機(jī)構(gòu)(如果需要)。精確的結(jié)構(gòu)將取決于相關(guān)的特定種類，和采用單個(gè)傳感元件還是傳感元件陣列來(lái)變化。每一個(gè)傳感元件可選擇單獨(dú)可尋址并因此根據(jù)微液體和電控制機(jī)構(gòu)與任何其他傳感元件隔離操作。
傳感元件可連接到包括用于輸送溶液的入口和出口的微通道814。為了簡(jiǎn)化廢料移除，微通道814中的溶液可配置為以一個(gè)方向從入口到出口流動(dòng)。溶液容器將典型地包含(但不限于)樣本稀釋緩沖劑，產(chǎn)生膜的脂類供給，用于膜移除的表面活性劑供給(見(jiàn)后面)，試劑溶液(例如受體809和補(bǔ)體蛋白質(zhì)818)，以及用于傳感機(jī)構(gòu)校正功能的不同pH的反應(yīng)緩沖劑。傳感機(jī)構(gòu)需要在目標(biāo)分析物和受體809之間的高度特定的結(jié)合活動(dòng)。在當(dāng)前情況下，受體需要具有兩個(gè)功能，其必需明確地識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)分析物，以及僅當(dāng)綁定到分析物時(shí)，其必需與補(bǔ)體蛋白質(zhì)818相互作用以初始化導(dǎo)致涂覆傳感元件的膜的孔隙率增加的補(bǔ)體級(jí)聯(lián)。受體實(shí)現(xiàn)這些包括哺乳動(dòng)物的抗體的需求。對(duì)于可由哺乳動(dòng)物的抗體識(shí)別的分析物的性質(zhì)和特征已經(jīng)有廣泛的研究。通常目標(biāo)必須大于某個(gè)尺寸以為了形成足夠數(shù)量的與抗體的分析物接合點(diǎn)的化學(xué)相互作用從而獲得特異性和親和力。因此，抗體非常不可能識(shí)別單原子離子，如氫離子或金屬離子。然而，抗體將識(shí)別和結(jié)合較大的分子，并且將結(jié)合在其中存在多個(gè)潛在接合點(diǎn)的聚合物。存在通過(guò)抗體識(shí)別的無(wú)機(jī)和有機(jī)分子的公知范例?？贵w通常作為生物傳感器中的親合試劑使用。最普通的同型是免疫球蛋白G(IgG)分子，并且盡管該傳感機(jī)構(gòu)將與其他子類型一起工作，只要他們可以激活補(bǔ)體，因?yàn)榇蠖鄶?shù)商業(yè)上可用的具有定義的目標(biāo)特異性的抗體是IgG分子，因此最可能的是大多數(shù)應(yīng)用將使用IgG。具有明確定義的結(jié)合目標(biāo)的單克隆抗體通常是IgG?？贵w由一個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)鏈組成。每一個(gè)哺乳動(dòng)物抗體包括兩個(gè)同樣大的“重”鏈，和兩個(gè)相同的“輕鏈”復(fù)本。盡管所有抗體的通常結(jié)構(gòu)很相似，但在蛋白質(zhì)(抗體決定簇(paratope))尖端的小區(qū)域是非常可變的，允許數(shù)百萬(wàn)具有細(xì)微區(qū)別的尖端結(jié)構(gòu)的抗體，或抗原接合點(diǎn)存在。這個(gè)區(qū)域公知為超變量區(qū)域。這些變體的每一個(gè)可結(jié)合到不同的目標(biāo)(抗原)。該抗體的巨大差異允許免疫系統(tǒng)識(shí)別同樣種類繁多的抗原。工程抗體片段也可以考慮傳感機(jī)構(gòu)，但對(duì)于此應(yīng)用片段將必須能夠結(jié)合并激活補(bǔ)體級(jí)聯(lián)，而最常見(jiàn)類型的抗體片段已經(jīng)失去這種功能。通過(guò)抗體識(shí)別的抗原(分析物)的唯一部分稱為抗原決定基(印itope)。在一個(gè)非常特定的相互作用中抗原決定基與他們的抗體結(jié)合，稱為誘導(dǎo)契合(induced fit)，這允許抗體識(shí)別并僅結(jié)合構(gòu)成有機(jī)體的數(shù)百萬(wàn)的不同分子中它們唯一的抗原。氫鍵，疏水鍵，靜電力，范德華力影響在抗原和抗體之間的結(jié)合。此外，PH，溫度和溶劑在復(fù)合體的穩(wěn)定中扮演重要作用。這些都是弱鍵，非共價(jià)性質(zhì)，然而在抗原和抗體之間的某些關(guān)聯(lián)可以相當(dāng)強(qiáng)大。因此，抗體-抗原結(jié)合的親合常數(shù)可以跨越寬闊的范圍，從低于IO5Hior1到超過(guò)Iol2Hior1延伸。除了抗原對(duì)抗體的親和力，抗體-抗原復(fù)合體的整體穩(wěn)定性也由抗原和抗體的化合價(jià)及其相互作用部分(抗原決定基和抗體決定簇)的結(jié)構(gòu)布置確定。僅可以對(duì)單克隆抗體確定精確的親和常數(shù)。單克隆抗體是識(shí)別在抗原上的一個(gè)抗原決定基的基因相同分子。另一方面，與多克隆抗體，親和力的廣泛分布可有利于表觀的(apparent)親和常數(shù)。表觀的親和常數(shù)也可以由多克隆抗體可以識(shí)別在相同抗原上的多于一個(gè)的抗原決定基的事實(shí)引起。由于抗體通常每個(gè)分子通常容納有多于一個(gè)的結(jié)合區(qū)域，在多克隆抗體和他們的抗原之間可以發(fā)生多協(xié)作結(jié)合。這種效應(yīng)的術(shù)語(yǔ)為親和力(avidity)。作為只與在抗原上的單個(gè)抗體決定基反應(yīng)的單克隆抗體,它們比多克隆抗體更容易受通過(guò)抗原的化學(xué)處理的抗原決定基損失的攻擊。這可以通過(guò)將兩個(gè)或多個(gè)單克隆抗體匯總到相同抗原來(lái)抵消。 合并脂類膜的傳感器設(shè)備在制造成本和時(shí)間方面是昂貴的。因此，多次使用相同納米線的能力是有利的。然而，不幸的是，在傳感活動(dòng)后脂類膜不能再次使用，或因?yàn)槟の⒖椎膿p壞，或因?yàn)榉肿臃N類嵌入到膜中(如在背景技術(shù)部分中描述的)。在后者的情況下，可以發(fā)生在新傳感器種類和預(yù)先存在的傳感器種類之間的相互作用，這些相互作用影響裝置的操作和靈敏度?，F(xiàn)在將描述使用克服這個(gè)問(wèn)題的表面活性劑的分析物傳感器裝置的循環(huán)利用方法。表面活性劑(表面活性劑)，類似脂類，為兩性分子，例如表面活性劑分子的一端(頭部)是親水的而另一端(尾部)是疏水的。疏水的端部也被稱為作為親脂性的，意味著它被吸引到脂肪分子。如果將表面活性劑溶液和水添加到脂肪，表面活性劑分子的親脂端結(jié)合到脂肪分子而親水端結(jié)合到附近的水分子。以這種方式，脂肪開始在水中懸浮，這個(gè)過(guò)程公知為乳化。表面活性劑分子的雙重性質(zhì)減少在脂肪和水之間的界面張力，因此提高了水的“變濕”的能力。該特征使得表面活性劑成為有效的清潔劑，因?yàn)樗麄兛梢匀榛m當(dāng)帶有污垢的油和油脂。作為他們兩性分子性質(zhì)的結(jié)果，表面活性劑位于油和水之間的相界直到相界變得飽和。除了飽和點(diǎn)，表面活性劑分子聚集在一起形成膠束。表面活性劑開始形成膠束的濃度公知為臨界膠束濃度(CMC)。當(dāng)在水中形成膠束時(shí)，它們親脂性尾部形成可以封裝油滴的核，而它們的親水頭部形成維持與水良好接觸的外殼。另一方面，當(dāng)表面活性劑聚集在油中時(shí)，聚集體稱為反向膠束。在反向膠束中，親水的頭部形成核而它們的親脂性的尾部保持與油的有利接觸。表面活性劑系統(tǒng)的熱力學(xué)在理論上和實(shí)踐上都是很重要的，因?yàn)樗鼈兇碓谖镔|(zhì)的有序和無(wú)序狀態(tài)之間的系統(tǒng)。表面活性劑溶液可以包含有序相(膠束)和無(wú)序相(自由表面活性劑分子)。關(guān)于分析物傳感器裝置的循環(huán)利用，表面活性劑與脂類雙分子層膜相互作用以形成混合膠束。如圖9所示，這個(gè)過(guò)程公知為“雙層的增溶(solubilisation)”并包括不同的階段。首先，在CMC處或在CMC之上引入表面活性劑分子905以形成表面活性劑膠束901。然后表面活性劑分子插入到產(chǎn)生混合的脂類-表面活性劑雙分子層903的脂類雙分子層902，混合的脂類-表面活性劑膠束904和自由表面活性劑分子(單體)905。該過(guò)程破壞脂類雙分子層(示為膜中的洞906)的完整性。作為插入過(guò)程，混合脂類-表面活性劑雙分子層與混合的脂類-表面活性劑膠束共存直到發(fā)生膜的完全中斷。在此階段，混合膠束是與表面活性劑的膠束和自由表面活性劑分子平衡的。形成(自發(fā)融合)和溶解(增溶)膜的能力應(yīng)允許在傳感器設(shè)備內(nèi)在原位制作和移除膜涂層。因此，在傳感活動(dòng)后，應(yīng)當(dāng)可以溶解多孔或嵌入的膜并形成新的膜涂層，從而該傳感器設(shè)備可以重復(fù)使用。圖12中示意性地圖示了其中的關(guān)鍵步驟的該過(guò)程，節(jié)省花費(fèi)在制作中的時(shí)間和金錢。為了清楚起見(jiàn)，融合-傳感-增溶周期如下首先在傳感元件的表面引入脂類的脂質(zhì)體并自發(fā)融合以創(chuàng)建脂類雙分子層。然后清洗表面以移除任何過(guò)剩的脂類分子。隨后，涂有膜的傳感元件暴露到傳感反應(yīng)的多個(gè)組件以檢測(cè)分析物的存在(例如參考附圖7描述的)。傳感過(guò)程通過(guò)在膜中創(chuàng)建微孔或嵌入分子種類來(lái)導(dǎo)致膜的損壞以產(chǎn)生信號(hào)。然后從系統(tǒng)移除(沖洗掉)傳感反應(yīng)的部件并引入表面活性劑溶液。盡管當(dāng)表面活性劑的濃度大于或等于CMC時(shí)增溶更快發(fā)生并更有效，但表·面活性劑的濃度可能或不可能足以形成表面活性劑膠束。表面活性劑破壞膜(或殘余損壞的膜)的完整性，直到與脂類-表面活性劑膠束的形成一起實(shí)現(xiàn)膜的完全中斷。然后在重新引入膠束或脂類的脂質(zhì)體以形成新的脂類雙分子層之前，清洗傳感元件以留下干凈的表面。新的雙分子層是完整無(wú)缺的并為下面的傳感活動(dòng)做好了準(zhǔn)備?，F(xiàn)在將描述如何操作設(shè)備的實(shí)際范例。然而，應(yīng)當(dāng)注意到存在多種不同的構(gòu)造和使用傳感設(shè)備的方法，而下列示例僅是這些可能性之一。此描述被分成四個(gè)部分，即(i)脂質(zhì)體的制備，(ii)形成膜的脂質(zhì)體的沉積，(iii)具有抗體和補(bǔ)體的目標(biāo)分析物的培育，及(iv)損壞的雙分子層的移除。(i)脂質(zhì)體的制備用于制備小的單層(unilamellar)脂質(zhì)體的脂類可以是(但不限于)二油酰磷脂酰膽堿(D0PC)。要求是脂類是中性的，否則帶電脂類(或正或負(fù))可能導(dǎo)致補(bǔ)體系統(tǒng)的沒(méi)有特定抗原-抗體識(shí)別的不適當(dāng)激活。在某些情況下該過(guò)程可能在光學(xué)上如下所示，在這種情況下，DOPC將摻雜少量(通常2% )的熒光脂類探頭如NBD-PE( 1，2- 二油酰-SN-甘油-3-磷酸乙醇胺-N- (7-硝基-2-1, 3-苯并惡-4-基))。下面是確定的方法。簡(jiǎn)要地說(shuō)，制備每個(gè)脂類種類的氯仿溶液。在燒瓶中所需量的脂類和熒光脂類相混合。由氮蒸發(fā)的有機(jī)溶劑和干燥的脂類薄膜通過(guò)在所需緩沖溶液中有力混合來(lái)再次懸浮。然后脂類懸浮液通過(guò)兩個(gè)200nm的核孔聚碳酸酯膜使用商業(yè)上可用的脂類擠壓機(jī)(例如Avanti Lipids的迷你擠壓機(jī))擠壓11次。(ii)形成膜的脂質(zhì)體的沉積存在兩種可能的機(jī)構(gòu)第一機(jī)構(gòu)(a)涉及形成膜并稍后添加抗體，分析物和補(bǔ)體，同時(shí)第二機(jī)構(gòu)(b)涉及在膜沉積之前用脂類囊預(yù)培育抗體。后者依賴于在脂類和蛋白質(zhì)之間的非特定相互作用以驅(qū)動(dòng)具有膜的抗體的結(jié)合。需要進(jìn)一步的測(cè)試以確定最佳的方法，可能方法的選擇將取決于分析物和抗體的特性。這兩種方法展示如下a)膜的形成在Si02納米線上的純凈小薄層脂質(zhì)體的融合
脂質(zhì)體懸浮液直接注入測(cè)量腔室，在其中存在一個(gè)或多個(gè)納米線。將混合物放置平衡30分鐘。在納米線親水表面上的脂質(zhì)體的自發(fā)融合是一個(gè)有限擴(kuò)散過(guò)程。在充分的培育以創(chuàng)建連續(xù)的脂類層后，用緩沖液清洗設(shè)備以移除未結(jié)合的脂質(zhì)體。在平面膜和抗體溶液間的相互作用加入適量的抗血清到緩沖懸浮液并混合好。加入溶液到傳感元件腔室并在37°C培育15分鐘。培育后，用緩沖液清洗傳感元件三次以移除任何未結(jié)合的抗體。然后測(cè)量納米線FET的電導(dǎo)以確認(rèn)所形成的膜不能滲透離子。b)膜-抗體混合體的形成標(biāo)準(zhǔn)脂質(zhì)體-抗體混合體溶液的制備加入適量的抗血清(抗體溶液)到緩沖懸浮液并混合好。將脂質(zhì)體溶液倒入抗體緩 沖液混合液并混合好。脂質(zhì)體的懸浮液以恒定的攪拌慢慢地與等體積的抗血清混合。脂類，抗體和緩沖液體積的精確濃度將憑經(jīng)驗(yàn)確定。將懸浮液轉(zhuǎn)移到37°C的浴鍋中并以恒定的晃動(dòng)培育15分鐘。培育后，脂質(zhì)體通過(guò)離心法濃縮然后用緩沖液清洗三次，通過(guò)在8500rpm的離心過(guò)濾15分鐘來(lái)移除未合并的抗體。在SiO2納米線上的小薄層脂質(zhì)體-抗體的融合將脂質(zhì)體-抗體溶液直接注入測(cè)量腔室，在其中存在一個(gè)或多個(gè)納米線。該溶液放置平衡30分鐘。納米線的親水表面上的脂質(zhì)體-抗體的自發(fā)融合是有限擴(kuò)散過(guò)程。在足夠的培育后創(chuàng)建連續(xù)的脂類層，用緩沖液清洗設(shè)備以移除未結(jié)合的脂質(zhì)體。然后測(cè)量納米線FET的電導(dǎo)以確認(rèn)所形成的膜不能滲透離子。(iii)具有抗體和補(bǔ)體的目標(biāo)分析物的培育將抗原和補(bǔ)體蛋白質(zhì)溶液添加到腔室中并在37°培育。無(wú)論何時(shí)使用新類型的抗體，抗原和補(bǔ)體，都需要確定結(jié)合抗體和激活補(bǔ)體級(jí)聯(lián)的抗原所需的時(shí)間。在這段時(shí)間期間通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)來(lái)監(jiān)測(cè)圍繞納米線FET的溶液的pH。如果抗原存在，如通過(guò)納米線電導(dǎo)的變化所檢測(cè)到的，微孔形成并穿過(guò)膜發(fā)生離子擴(kuò)散。補(bǔ)體溶解(Iysis)通常作為溶解50%的5*108個(gè)細(xì)胞的血清體積能力來(lái)確定。這個(gè)體積定義為CH5tlt5確定正常血清CH5tl的范圍需要每次測(cè)試新的抗體都進(jìn)行。在制備期間這可遠(yuǎn)離傳感器設(shè)備進(jìn)行。(iv)損壞的雙分子層的移除使用的表面活性劑可以為L(zhǎng)DAO (十二烷基二甲基氧化物)，盡管表面活性劑的選擇取決于用于創(chuàng)建膜的脂類。增溶過(guò)程與表面活性劑和脂類濃度耦合。表面活性劑的增溶濃度(Cs)取決于雙分子層上的脂類濃度。在濃度c>cs的表面活性劑溶液注入到在其中存在涂有當(dāng)前多孔脂類膜的納米線的測(cè)量腔室中。表面活性劑溶液放置平衡I小時(shí)。在表面活性劑移除在納米線上的脂類層(創(chuàng)建混合膠束)后，將緩沖溶液注入以清洗測(cè)量腔室。使用電導(dǎo)測(cè)量以確保已經(jīng)從腔室移除任何離子不可滲透的屏蔽。開發(fā)以使用補(bǔ)體活性的協(xié)議經(jīng)常使用具有復(fù)合體成分混合液的緩沖液，以保持補(bǔ)體級(jí)聯(lián)的不同成分的活性。緩沖液的選擇主要取決于使用的補(bǔ)體，抗原和抗體。合適的緩沖液可包括-曼奇尼(Mancini)修改的緩沖液IOOml O. 3M K2HPO4 ；<7ml O. 3M KH2PO4 直到 pH 為 8. O ± O. 05 ;
在I升量瓶中放入IOOml這種混合液并添加5. 84g NaCl (O. 15M)；IOOml 的 O. IM EDTA (3. 58g 鹽)；30. Og 聚乙二醇(PEG) 6000 ;I. Oml Tween-20 ；2. Oml 10% (w/v) NaN3 ；I 升 DI 水
-TA-CHB (三乙醇胺(TriethanolAmine)-補(bǔ)體溶血緩沖液)緩沖液制備溶液A 900ml 的 DI 水中 42. 66g NaCl (O. 73M)和 4. 134gTA · HCl ；制備溶液B 1. OM MgCl2 和 O. 3M CaCl2 ；向溶液A中加入2. 5ml的溶液B ；在DI水中引入緩沖液使最后的各量為I. O升圖10示例性地圖示提供根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)/處理器可讀介質(zhì)1001。計(jì)算機(jī)程序可包括用于傳感分析物存在的代碼。在這個(gè)例子中，計(jì)算機(jī)/處理器可讀介質(zhì)是例如數(shù)字多功能光盤(DVD)或光盤(CD)的盤片。在另一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是已經(jīng)以這種方式編程的以執(zhí)行創(chuàng)造性功能的任意介質(zhì)?？勺x介質(zhì)可以是可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，例如記憶棒或記憶卡(SD，迷你SD或微型SD)。計(jì)算機(jī)程序可包括檢測(cè)從分析物傳感器裝置及相應(yīng)液體介質(zhì)產(chǎn)生的電信號(hào)的代碼，分析物傳感器裝置包括納米線，該納米線的外表面由膜涂覆以防止納米線的暴露，相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于結(jié)合分析物以激活可激活種類，可激活種類的激活導(dǎo)致內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的膜增加的孔隙率以相應(yīng)地增加納米線的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。因此申請(qǐng)人分別公開在此描述的每個(gè)單獨(dú)的特征和兩個(gè)或多個(gè)該特征的任何組合，到能夠基于當(dāng)前說(shuō)明作為一個(gè)整體實(shí)現(xiàn)的這些特征或組合的程度，在本領(lǐng)域技術(shù)人員的普通知識(shí)的角度上，不考慮這樣的特征或特征的組合是否解決在此公開的任何問(wèn)題，并且不限制權(quán)利要求的范圍。申請(qǐng)人表示所公開的方面/實(shí)施例可包括任何這樣的單獨(dú)特征或特征組合。鑒于前面的描述，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在本公開的范圍內(nèi)可以作出各種修改是顯而易見(jiàn)的。雖然已經(jīng)示出和描述并指出應(yīng)用于不同實(shí)施例的基本的新穎性特征，應(yīng)理解形式的各種省略和替換和變化和設(shè)備的細(xì)節(jié)和所描述的方法可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神的情況下做出。例如，明確地指那些以基本上相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能以實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果的元件和/或方法步驟的所有的組合都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)和/或元件和/或示出的方法步驟和/或與任何公開形式或?qū)嵤├嘘P(guān)描述的可作為一般設(shè)計(jì)選擇的事項(xiàng)合并入任何其他公開或描述或建議的形式或?qū)嵤├４讼Σ?，在?quán)利要求中功能限定裝置(means plus function)的語(yǔ)句旨在覆蓋在此描述的執(zhí)行所述功能并且不僅結(jié)構(gòu)上等同而且等同結(jié)構(gòu)。因此，盡管釘子和螺釘可能不是結(jié)構(gòu)等價(jià)物，在其中釘子采用了圓柱形表面以將木制部件固定在一起，而螺釘采用螺旋表面，在緊固木質(zhì)部件的環(huán)境中，釘子和螺釘可以是等同結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種分析物傳感器裝置以及相應(yīng)的液體介質(zhì)， 所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件暴露的膜； 所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活所述可激活種類，已激活的種類的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的所述膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
2.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置 配置為使得與所述膜內(nèi)部接觸的所述分析物自身不引起所述膜的增加的孔隙率。
3.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述可激活種類包括補(bǔ)體蛋白質(zhì)，并且其中所述可激活種類配置為使得通過(guò)所述分析物的所述可激活種類的激活觸發(fā)補(bǔ)體級(jí)聯(lián)以從所述補(bǔ)體蛋白質(zhì)產(chǎn)生引起所述膜的增加的孔隙率的膜攻擊復(fù)合體。
4.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述液體介質(zhì)包括配置為提供跨過(guò)所述膜的離子梯度的帶電種類。
5.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述液體介質(zhì)包括配置為當(dāng)與所述傳感元件內(nèi)部接觸時(shí)產(chǎn)生可檢測(cè)電信號(hào)的帶電種類。
6.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述膜配置為不能透過(guò)包括在所述液體介質(zhì)中的帶電種類，所述帶電種類配置為提供跨過(guò)所述膜的離子梯度，并且其中由所述可激活種類的激活引起的所述膜的增加的孔隙率允許所述帶電種類從所述相應(yīng)的液體介質(zhì)通過(guò)在所述膜中的生成的微孔擴(kuò)散以引起在所述傳感元件的暴露表面的電荷濃度的變化。
7.如權(quán)利要求6所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述帶電種類包括質(zhì)子使得從所述相應(yīng)的液體介質(zhì)通過(guò)所述膜的所述質(zhì)子的擴(kuò)散引起在所述傳感元件的外表面的pH的改變或表面密度電荷的改變。
8.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置進(jìn)一步包括源電極和漏電極，所述源電極和漏電極電連接到所述傳感元件，使得當(dāng)在源電極和漏電極之間施加電勢(shì)差時(shí)電流可從所述源電極通過(guò)所述傳感元件流到所述漏電極。
9.如權(quán)利要求8所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置配置為使得電連接器電連接到所述源電極和漏電極以施加所述電勢(shì)差。
10.如權(quán)利要求9所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置配置為使得所述電連接器可移動(dòng)地連接到所述源電極和漏電極。
11.如權(quán)利要求8所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置配置為使得所述源電極和漏電極與所述相應(yīng)的液體介質(zhì)電絕緣。
12.如權(quán)利要求8所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置配置為使得所述傳感元件的電導(dǎo)隨著在所述傳感元件的所述外表面的電荷濃度變化。
13.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置以及液體介質(zhì)，其中所述分析物傳感器裝置形成部分場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
14.如權(quán)利要求I所述的分析物傳感器裝置及液體介質(zhì)，其中所述受體種類能夠與所述分析物明確地相互作用。
15.一種與相應(yīng)的分析物傳感器裝置一起使用的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件暴露的膜； 所述液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活所述可激活種類，已激活的種類的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的所述膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
16.一種傳感分析物的方法，所述方法包括 使用/提供分析物傳感器裝置以及相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活所述可激活種類，已激活的種類的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的所述膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生；以及 暴露所述分析物到所述相應(yīng)的液體介質(zhì)和分析物傳感器裝置以允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
17.一種用于傳感分析物的存在的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括檢測(cè)從分析物傳感器裝置及相應(yīng)液體介質(zhì)產(chǎn)生的電信號(hào)的計(jì)算機(jī)代碼，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活所述可激活種類，已激活的種類的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的所述膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
18.一種分析物傳感器裝置的循環(huán)利用方法，所述方法包括 提供分析物傳感器裝置，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括膜； 弓I入表面活性劑以相互作用并破壞所述膜的完整性； 清洗所述傳感元件的所述外表面；以及 在所述傳感元件的所述外表面形成新膜。
19.用于檢測(cè)分析物存在的分析物傳感器裝置和相應(yīng)液體介質(zhì)的用途，所述用途包括 提供裝置和相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件暴露的膜，所述相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體種類和可激活種類，所述受體種類用于與分析物相互作用以激活所述可激活種類，已激活的種類的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置的所述膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加所述傳感元件的暴露來(lái)允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生；以及 指示所述分析物的暴露到所述相應(yīng)的液體介質(zhì)和分析物傳感器裝置以允許可用于傳感所述分析物的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
全文摘要
一種分析物傳感器裝置(801)以及相應(yīng)的液體介質(zhì)，所述分析物傳感器裝置包括傳感元件(802)，所述傳感元件的外表面包括防止所述傳感元件(802)暴露的膜；相應(yīng)的液體介質(zhì)包括受體類型(809)和可激活類型(818)，所述受體類型用于與分析物(817)相互作用以激活所述可激活類型(818)，已激活的類型的激活引起內(nèi)部接觸分析物傳感器裝置(801)的膜的增加的孔隙率以相應(yīng)地增加傳感元件(802)的暴露來(lái)允許可用于傳感分析物(817)的存在的可檢測(cè)電信號(hào)的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)G01N33/53GK102884430SQ201180023079
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者M·拜利, E·斯皮戈內(nèi) 申請(qǐng)人:諾基亞公司