СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
DETECTION METHODS AND SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области биосенсоров. Точнее говоря, настоящее изобретение относится к способам и системам для получения устройств для обнаружения наличия аналита, например, для качественного или количественного обнаружения биологических, химических или биохимических структурных единиц.
Уровень техники
Биосенсоры представляют собой устройства, которые позволяют осуществлять количественное или качественное обнаружение целевых молекул, также называемых «аналитами», таких как, например, белки, вирусы, бактерии, компоненты клеток, клеточные мембраны, споры, ДНК, РНК и т.д., в образцовой текучей среде, представляющей собой, например, кровь, сыворотку, плазму, слюну, экстракт ткани, желудочную жидкость, экстракт клеточной культуры, экстракт пищи или питания, питьевую воду и т.д. Часто в биосенсоре используют поверхность сенсора, которая содержит определенные элементы для распознавания для сбора аналита. Поверхность биосенсорного устройства, следовательно, можно модифицировать путем прикрепления к нему определенных молекул, пригодных для связывания целевых молекул, обнаруживаемых в образцовой текучей среде. Хорошо установленный принцип состоит в подсчете помеченных молекул, представляющих интерес, собранных в заданные участки на биосенсоре. Например, такие представляющие интерес молекулы можно помечать с помощью магнитных частиц или гранул, и эти магнитные частицы или гранулы можно детектировать с помощью магнитного сенсора. Одна альтернатива представляет собой детектирование количества аналита с использованием оптического детектирования, такого как флуоресценция. В этом случае, аналит сам по себе может нести на себе флуоресцентную метку, или, в качестве альтернативы, можно осуществлять дополнительную инкубацию с помощью флуоресцентного помеченного элемента для распознавания.
В большинстве биосенсоров сенсорный чип снабжен сухим реагентом, в дополнение к поверхности сенсора. Реагент может содержать, например, метки, связанные с биологически активными частицами, например, противолекарственными антителами. Для ограничения времени анализа, реагент можно осаждать непосредственно на поверхность сенсора. Когда прибывает тестовая текучая среда, сухой реагент растворяется и перемешивается с текучей средой, которая затем будет смачивать поверхность сенсора. Метки, а также поверхность сенсора подвергаются воздействию целевых молекул, (например, лекарства). Это оказывает влияние на связывание меток, которые впоследствии обнаруживаются, с поверхностью сенсора. Неудобство, связанное с необходимостью осаждения реагента непосредственно на поверхность сенсора, состоит в том, что это приводит к возникновению возможной преждевременной реакции или взаимодействию реагента с поверхностью сенсора (т.е., перед тем, как реагент получил возможность реагировать с целевой молекулой), что, следовательно, затрудняет детектирование.
я
Биосенсорная система, в которой реагент физически отделен от поверхности сенсора, раскрыта в работе Фукумото и др. (13 Международная конференция по твердотельным сенсорам, приводам и микросистемам, Сеул, Корея, 5-9 июня, 2005 г.). В данной статье раскрыт тестовый картридж, содержащий камеру обнаружения, снабженную микросхемой сенсора, на которой удерживаются захваченные антитела, и крышкой, в отверстии которой осуществляется загрузка образца. Нетканая ткань, на которую нанесены и высушены путем сублимации магнитные частицы, связанные с детектирующим антителом, прикреплена к крышке таким образом, что она покрывает отверстие. Образец, включая антиген, затем покапельно выливают на картридж.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованных систем и способов детектирования аналита в образцовой текучей среде, а также способов изготовления таких систем. Преимуществами вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть скорость изготовления (например, в течение одной минуты), улучшенная синхронизация измерений, надежность, воспроизводимость и простота изготовления. Вышеуказанную задачу выполняют с помощью способа и устройства согласно настоящему изобретению.
Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к устройству для детектирования аналита в образцовой текучей среде, причем устройство содержит область детектирования, которая по меньшей мере частично ограничена несущей поверхностью, доступной для образцовой текучей среды изнутри области детектирования и содержащей реагент, который присутствует в растворимой матрице, в которой расположены компоненты реагента. Область детектирования дополнительно содержит сенсорную поверхность, доступную для образцовой текучей среды изнутри области детектирования и являющуюся отличной от несущей поверхности, и вход для образцовой текучей среды, причем упомянутый вход для образцовой текучей среды имеет входное отверстие в области детектирования, отличной, т.е. удаленной от реагента на несущей поверхности, т.е. не покрытой упомянутой несущей поверхностью, содержащей реагент. Область детектирования может быть задана набором поверхностей, содержащих несущую поверхность и сенсорную поверхность, не находящихся в закрытой камере. В области между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью могут отсутствовать стенки или каналы, иными словами, в области между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью могут отсутствовать части детектора, например, стенки. Область детектирования может представлять собой полость или камеру детектирования, например, имеющую постоянный объем. Полость или камера ограничена стенками. Объем полости или камеры может быть опционально зафиксирован после регулировки. Последнее является предпочтительным, например, если требуется количественное детектирование. В камере детектирования с фиксированным объемом может быть обеспечен фиксированный объем текучей среды. Камера детектирования является предпочтительной, если осуществляется сравнительное испытание, поскольку объем образца является решающим, а концентрация меток определяет результат. Количество меток может быть задано путем обеспечения, например, дозировки, четко определенного объема меток определенной концентрации, в сочетании с определенным объемом, что приводит к получению правильного количества меток на объем образцовой текучей среды. Преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в том, что получается хорошее перемешивание образцовой текучей среды с реагентом. Также преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что способы и системы можно отрегулировать до достижения желаемого времени перемешивания и/или времени реакции. Кроме того, преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что получаются устройства с длительным сроком службы. Устройство может содержать выход для текучей среды.
В качестве опциональной особенности объем камеры детектирования может содержать 0,1-1 мкл. Это представляет собой преимущество, поскольку это соответствует количеству образца, достаточному для осуществления надлежащего анализа, тогда как в то же время это способствует миниатюаризации устройства и сокращению времени детектирования.
В качестве опциональной особенности вход для образцовой текучей среды может содержать капилляр. Это представляет собой преимущество, поскольку это способствует переносу текучей среды, например, образцовой текучей среды, за счет капиллярных сил, т.е., без необходимости в дополнительном средстве для подачи текучей среды, таком как, например, средство прокачки.
В качестве опциональной особенности устройство может дополнительно содержать средство давления для нагнетания образцовой текучей среды через вход для образцовой текучей среды. Это представляет собой преимущество, поскольку это позволяет справляться с образцовыми текучими средами, обладающими высокой вязкостью.
В качестве опциональной особенности несущая поверхность не является копланарной с сенсорной поверхностью. Является предпочтительным, чтобы несущая поверхность была обращена к сенсорной поверхности. Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является снижение и, предпочтительно, минимизация или полное предотвращение реакции или перемешивания частиц реагента и сенсорной поверхности. Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что можно осуществлять независимую оптимизацию реагента и/или перемешивание реагента, с одной стороны, и частиц сенсорной поверхности и/или реакционноспособность частиц сенсорной поверхности, с другой стороны.
В качестве опциональной особенности несущая поверхность ограничивает одну сторону или часть камеры детектирования, например, в качестве части стенки камеры. Это является преимуществом, поскольку несущая поверхность, таким образом, выполняет две функции в устройстве, которое является экономичным.
В качестве опциональной особенности несущая поверхность является не пористой. Это является преимуществом, поскольку она предотвращает абсорбцию образцовой текучей среды вовнутрь упомянутой несущей поверхности, которая может предотвратить взаимодействие части упомянутой образцовой текучей среды с реагентом. Преимущество таких вариантов осуществления состоит в том, что несущая поверхность, являющаяся не пористой, может предотвратить удаление проб из области детектирования перед тем, как может произойти детектирование.
В качестве опциональной особенности устройство может дополнительно содержать средство удерживания для удерживания реагента или его компонентов на несущей поверхности. Это является преимуществом, поскольку это позволяет эффективно проводить своевременные измерения, в которых момент, в который реагент или его компоненты высвобождаются, точно известен.
В качестве опциональной особенности устройство может дополнительно содержать средство приведения в действие для приведения в движение реагента или его компонентов в образцовой текучей среде. Преимущество таких вариантов осуществления состоит в том, что обеспечено как перемешивание образцовой текучей среды и реагента, так и перемещение компонентов реагента до заданных местоположений. Средства приведения в действие и/или удерживания могут представлять собой механические устройства, пневматические устройства, гидравлические устройства, электрические устройства, электромагнитные или магнитные средства удерживания или приведения в действие и т.д. Последнее представляет собой преимущество, например, если реагент содержит пробы, помеченные магнитными или намагничивающимися частицами, поскольку магнитные средства приведения в действие могут обеспечивать перемещение этих магнитных или намагничивающихся частиц относительно образцовой текучей среды и/или относительно сенсорной поверхности. Это может способствовать повышению перемешиванию образцовой текучей среды с реагентом и/или направление проб к сенсорной поверхности, повышая, таким образом, скорость детектирования.
Настоящее изобретение также обеспечивает устройство для детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде, причем устройство содержит:
- область детектирования, которая по меньшей мере частично ограничена:
a) несущей поверхностью, доступной для образцовой текучей среды, находящейся внутри области детектирования и содержащей реагент, присутствующий в растворимой матрице, в которой расположены компоненты реагента, и
b) сенсорной поверхностью, доступной для образцовой текучей среды, находящейся внутри области детектирования и являющейся отличной от несущей поверхности, и
- вход для образцовой текучей среды, причем упомянутый вход содержит капилляр.
Настоящее изобретение также обеспечивает устройство для детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде, причем устройство содержит:
- область детектирования, которая ограничена:
a) несущей поверхностью, доступной для образцовой текучей среды, находящейся внутри области детектирования и содержащей реагент, включающий в себя намагничивающиеся или магнитные частицы, и
b) сенсорной поверхностью, доступной для образцовой текучей среды, находящейся внутри области детектирования и являющейся отличной от несущей поверхности, и
c) магнитным средством удерживания для съемного удерживания частиц реагента на несущей поверхности.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что различные компоненты для использования в биодетекции могут быть обеспечены в виде одиночного слоя. Наносимый реагент может содержать одну или несколько проб и/или может содержаться в растворимом веществе. Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что достигается быстрое взаимодействие между образцовой текучей средой и реагентом. Например, при контакте с образцовой текучей средой, растворимое вещество может быть быстро растворено. Наносимый реагент может содержаться в пористом веществе. Это является преимуществом, поскольку пористые вещества растворяются быстрее, чем не пористые вещества.
В качестве опциональной особенности магнитное средство приведения в действие может быть расположено ниже и/или выше сенсорной поверхности. Это является преимуществом, поскольку это облегчает направление проб к сенсорной поверхности, повышая, таким образом, скорость детектирования.
В качестве опциональной особенности реагент может присутствовать в высушенной или лиофилизированной форме. Это является преимуществом, поскольку это повышает срок службы устройства.
В качестве другой опциональной особенности реагент может содержать одну или несколько проб. Это является преимуществом, поскольку пробы чрезвычайно подвержены реакции с сенсорной поверхностью, и поэтому успешно физически отделяются от сенсорной поверхности.
В качестве еще одной опциональной особенности реагент может содержаться в одной или нескольких растворимых лиофилизированных гранулах. Это является преимуществом, поскольку гранулы облегчают определение количества реагента (например, проб), который обеспечен. В качестве опциональной особенности, если присутствует одна или несколько проб, они могут представлять собой синтетические или природные антитела или фрагменты таких антител, имеющие область связывания. Это является преимуществом, поскольку это позволяет анализировать наличие антигенов в образцовой текучей среде.
В качестве другой опциональной особенности одна или несколько проб могут быть помечены магнитными или намагничивающимися частицами. Это является преимуществом, поскольку магнитные метки облегчают как обнаружение проб, так и направление проб в образцовую текучую среду.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечен способ изготовления устройства для детектирования присутствия аналита в образцовой текучей среде, причем способ включает в себя обеспечение несущей поверхности, нанесение реагента на несущую поверхность, причем реагент присутствует в растворимой матрице, обеспечение сенсорной поверхности, отличной от несущей поверхности, формирование области детектирования, ограниченной несущей поверхностью и сенсорной поверхностью, и формирование входа для образцовой текучей среды в другом местоположении, т.е., удаленном от реагента на упомянутой несущей поверхности. Область детектирования может представлять собой камеру или полость детектирования, например, сформированную сборочными частями камеры.
В качестве опциональной особенности нанесение реагента на несущую поверхность может включать в себя любую подходящую технологию микроосаждения, такую как нанесение пятен, пипетирование, печатание, например, бесконтактное печатание, такое как струйное печатание реагента на несущую поверхность. Последнее является предпочтительным, поскольку печатание, предпочтительно, струйное печатание, является прецизионным и гибким способом осаждения реагента, особенно, малых количеств реагентов. Другим преимуществом технологии микроосаждения является использование оборудования для дозировки с использованием клапанов вместо пьезоэлектрических элементов для дозировки примерно 100-500 нл реагента.
В качестве другой опциональной особенности нанесение реагента на несущую поверхность может дополнительно включать в себя высушивание реагента. Это является преимуществом, поскольку это повышает срок службы устройства, которое, таким образом, можно хранить без влияния на его эффективность.
В качестве другой опциональной особенности нанесение реагента на несущую поверхность может дополнительно включать в себя сублимационную сушку реагента. Это является преимуществом, поскольку это является особо эффективной технологией сушки.
В качестве другой опциональной особенности способ изготовления устройства для детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде может дополнительно включать в себя обеспечение магнитного средства приведения в действие ниже и/или выше сенсорной поверхности. Это является преимуществом, поскольку это способствует направлению проб к сенсорной поверхности, повышая, таким образом, скорость детектирования.
В качестве другой опциональной особенности способ изготовления устройства для детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде может дополнительно включать в себя обеспечение магнитного средства удерживания ниже и/или выше несущей поверхности. Это является преимуществом, поскольку это облегчает своевременный контроль удаления реагента или его компонентов.
В качестве другой опциональной особенности расстояние между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью можно регулировать. Это является преимуществом, поскольку это позволяет четко задавать и воспроизводить время анализа.
В качестве другой опциональной особенности формирование области детектирования может включать в себя сборку камеры детектирования с использованием сенсорной поверхности и несущей поверхности, после нанесения реагента. Это является преимуществом, поскольку это облегчает применение реагента вследствие большей доступности несущей поверхности.
В качестве другой опциональной особенности способ может включать в себя нанесение реагента на несущую поверхность после того, как была сформирована область детектирования, например, камера детектирования.
Согласно третьему аспекту изобретения обеспечен способ детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде, причем способ включает в себя:
- подачу образцовой текучей среды через вход для образцовой текучей среды в область детектирования, причем вход для образцовой текучей среды имеет входное отверстие,
- приведение образцовой текучей среды в контакт с реагентом, присутствующим на упомянутой несущей поверхности, ограничивающей область детектирования, причем реагент расположен отлично, т.е., удаленно от входного отверстия и в пределах растворимой матрицы, с формированием, таким образом, смеси текучей среды, причем несущая поверхность является доступной для образцовой текучей среды, находящейся внутри области детектирования,
- приведение образцовой текучей среды в контакт с сенсорной поверхностью, причем сенсорная поверхность отлична от несущей поверхности, и
- детектирование взаимодействия между смесью текучей среды и сенсорной поверхностью. Область детектирования, таким образом, может представлять собой камеру или полость детектирования. Область детектирования может быть ограничена несущей поверхностью.
В образцовой текучей среде может быть обеспечена одна или несколько проб, помеченных магнитными или намагничивающимися частицами. В качестве опциональной особенности реагент, содержащий магнитные или намагничивающиеся частицы, можно точно разместить путем направления его к несущей поверхности с использованием магнитного привода. В качестве другой опциональной особенности способ может дополнительно включать в себя этап магнитного приведения в действие магнитных или намагничивающихся частиц перед их детектированием. Например, этап магнитного приведения в действие магнитных или намагничивающихся частиц можно осуществлять для направления магнитных или намагничивающихся частиц к сенсорной поверхности. Это является преимуществом, поскольку это повышает скорость анализа. В качестве другой опциональной особенности этап магнитного приведения в действие магнитных или намагничивающихся частиц можно осуществлять для смешивания проб с образцовой текучей средой. Это имеет преимущество, состоящее в повышении воспроизводимости анализа.
В качестве другой опциональной особенности может быть осуществлен этап магнитного удерживания магнитных или намагничивающихся частиц для регулирования их времени удаления. Приведение в контакт образцовой текучей среды может быть обеспечено путем погружения комплекта, содержащего несущую поверхность и сенсорную поверхность, в образцовую текучую среду.
Эти и другие особенности изобретения станут ясными и будут объяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанный ниже.
Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения приведены в прилагаемых независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки из зависимых пунктов формулы изобретения могут сочетаться с признаками и независимых пунктов формулы изобретения и с признаками из других зависимых пунктов формулы изобретения, которые подходящим образом и не только однозначно изложены в формуле изобретения.
Идеи настоящего изобретения позволяют разработать усовершенствованные способы и устройства для детектирования аналитов в образцовой текучей среде.
Вышеуказанные и другие характеристики, особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясными из следующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, которые иллюстрируют в качестве примера принципы изобретения. Данное описание приведено лишь ради примера, без ограничения объема изобретения. Ссылки на фигуры, перечисленные ниже, относятся к прилагаемым чертежам.
Краткое описание чертежей
Фиг.1a представляет собой схематическое изображение части устройства для распознавания согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1b представляет собой схематическое изображение устройства для распознавания согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2a и фиг.2b показывают вид сверху передней и нижней стороны крышки, содержащей несущую поверхность с реагентом согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3a и фиг.3b показывают вид сверху передней и нижней стороны сенсорного опорного элемента согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4a и фиг.4b показывают вид сверху передней и нижней стороны сенсорного опорного элемента с соединительным средством согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5a и фиг.5c показывают вид сверху передней и нижней стороны сенсорного устройства согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 показывает ответный сигнал, измеренный с использованием сенсорного устройства согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 показывает кривую зависимости от дозы для магнитных гранул на покрытой поверхности с использованием сенсорного устройства согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
На различных фигурах одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым или к аналогичным элементам.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее изобретение будет описано применительно к конкретным вариантам осуществления и применительно к некоторым чертежам, но изобретение не ограничено ими, а ограничивается только формулой изобретения. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие формулу изобретения. Описанные чертежи являются только схематическими и не являются ограничивающими. На чертежах размер некоторых элементов может быть увеличен и не показан в масштабе в иллюстративных целях. Там, где в настоящем описании и формуле изобретения использован термин «содержит» («включает в себя»), это не исключает наличия других элементов или этапов. Там, где применительно к существительному используется единственное число, это включает в себя и множественное число данного существительного, если специально не указано иное.
Кроме того, термины первый, второй и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения аналогичных элементов и необязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, могут функционировать и в другой последовательности, отличной от описанной или проиллюстрированной в настоящем документе.
Более того, термины верхний, нижний, выше, ниже и т.п. в описании и в формуле изобретения используются в описательных целях и необязательно для описания относительных местоположений. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми в соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, могут функционировать и при других ориентациях, отличных от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.
Ссылка, приводимая на протяжении всего данного описания, на «один вариант осуществления» или на «вариант осуществления», означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная в связи с данным вариантом осуществления, включена по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут сочетаться между собой любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах осуществления, как должно быть ясно специалисту в данной области техники из данного описания. Формула изобретения, следующая за подробным описанием, таким образом, в явном виде включена в данное подробное описание, при этом каждый пункт формулы изобретения является самостоятельным, как отдельный вариант осуществления данного изобретения.
Кроме того, поскольку некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают в себя определенные, а не другие признаки, включенные в другие варианты осуществления, сочетания признаков различных вариантов осуществления означают, что они находятся в пределах объема изобретения и образуют различные варианты осуществления, как может быть понятно специалистам в данной области техники.
Следующие термины или определения предусмотрены единственно с целью понимания изобретения. Эти определения не следует рассматривать, как имеющие объем, меньший, чем понимаемый специалистами в данной области техники.
Термин «пробный», используемый в настоящем документе, относится к составу, который может содержать по меньшей мере один аналит, представляющий интерес. Предпочтительно, образец представляет собой текучую среду, также именуемую «образцовой текучей средой», например, водный состав. Термин «аналит», используемый в настоящем документе, относится к веществу, присутствие, отсутствие или концентрация которого определяется с использованием вариантов осуществления настоящего изобретения. Аналиты могут включать в себя, но не быть ограниченными ими, органические молекулы, метаболиты, такие как глюкоза или этанол, белки, пептиды, сегменты нуклеиновой кислоты, молекулы, такие как лекарственные препараты, антибиотики или медикаменты, препараты, вызывающие периодическую зависимость, молекулы с регулятивным воздействием на энзиматические процессы, такие как стимуляторы, активаторы, ингибиторы, или коферменты, вирусы, бактерии, клетки, компоненты клеток, клеточные мембраны, споры, ДНК, РНК, микроорганизмы и фрагменты и их продукты, или любые вещества, для которых могут быть разработаны области интеграции ДНК умеренных фагов и бактериальных хромосом, связующие элементы или рецепторы (такие как антитела). Термин «метка», используемый в настоящем документе, относится к молекуле или веществу, способному генерировать обнаружимый сигнал, или способному соединяться с другой молекулой, или образовывать комплекс, который генерирует детектируемый сигнал. Метки, пригодные для использования в различных системах детектирования, и способы согласно настоящему изобретению, многочисленны и широко описаны в соответствующей области техники. Они могут представлять собой оптические метки (например, люминесцентные молекулы (например, флуоресцентные агенты, фосфоресцентные агенты, хемилюминесцентные агенты, биолюминесцентные агенты и т.п.), окрашенные молекулы, молекулы, порождающие красители в ходе реакции), радиоактивные метки, магнитные и/или электрические метки, ферменты, лиганды со специфическими связями, микроскопические пузырьки, обнаруживаемые путем акустического резонанса, и т.п. Метки могут представлять собой прямые метки, которые можно детектировать сенсором. В качестве альтернативы, метки могут представлять собой косвенные метки, которые становятся детектируемыми в результате последующего процесса обработки. Метка, используемая в способах согласно настоящему изобретению, может быть меткой, специфичной для аналита, т.е., способной связываться именно с аналитом. Тем не менее, также предусмотрено, что там, где аналит присутствует в очищенной форме, достаточно, чтобы метка соединялась с аналитом.
Термин «аналог аналита», используемый в настоящем документе, относится к веществу, которое может соединяться с пробой или захватывать пробу не так оптимально, как аналит. Аналог аналита используют в сравнительных испытаниях, когда аналит определяют, исходя из сопоставления с аналогом аналита, например, при конкурирующем связывании пробы или при захвате пробы. В частности, аналог аналита связывает пробу или захватывает пробу при пониженной связующей способности, по сравнению со связыванием аналита и пробы или с захватом пробы. Термин «проба» в настоящем изобретении относится к связующей молекуле, которая специфически связывается с аналитом. Пробы, рассматриваемые в контексте настоящего изобретения, включают в себя биологически активные частицы, такие как (но не ограниченные ими) антитела целиком, фрагменты антител, такие как фрагменты Fab, одиночная цепь Fv, одиночные изменяемые области, VHH, антитела с тяжелыми цепями, пептиды, эпитопы, мембранные рецепторы, или рецепторы другого типа, или их части, ферменты-мутанты с захватываемой подложкой, антигенные молекулы (гаптены) целиком, или фрагменты антигенов, олигопептиды, олигонуклеотиды, мимеотопы, нуклеиновые кислоты и/или их смеси, способные к селективному связыванию с потенциальным аналитом. Антитела могут быть выращены до небелковых соединений, а также до белков или пептидов. Пробы могут представлять собой элементы иммунореактивных или элементы, имеющие сродство к реактивным связующим парам. Природа пробы будет определяться природой детектируемого аналита. Чаще всего, проба развивается, исходя из конкретного взаимодействия с аналитом, таким как (но не ограниченным ими) образование связи антиген-антитело, комплементарных нуклеотидных последовательностей, связи карбогидрат-лектин, комплементарных пептидных последовательностей, связи лиганд-рецептор, кофермента, связи фермента и ингибитора фермента и т.д. В настоящем изобретении функция пробы состоит в специфическом взаимодействии с аналитом, допускающем его детектирование. Поэтому, пробы могут быть помечены, или они могут быть обнаружены прямо или косвенно. Проба может представлять собой антианалитное антитело, если, например, аналит представляет собой белок. В качестве альтернативы, проба может представлять собой комплементарную олигонуклеотидную последовательность, если, например, аналит представляет собой нуклеотидную последовательность. Термин «захват пробы», используемый в настоящем документе, относится к пробам, предназначенным для иммобилизации аналитов и/или к аналитам, помеченным на сенсорной поверхности в случаях распознавания или связывания. Термин «сенсор», используемый в настоящем документе, относится к устройству, позволяющему осуществлять качественное и/или количественное детектирование аналита в образцовой текучей среде. Если аналит имеет биологическую природу, или если сенсор рассчитан на детектирование биологических частиц (например, пробы, захватывающие антитела), сенсор иногда будет называться «биосенсором». В «сенсоре», используемом в настоящем документе, его сенсорность обычно действует за счет его сенсорной поверхности, которая будет либо захватывать аналиты, либо обменивать иммобилизованный на ней аналог аналита на аналит, присутствующий в образцовой текучей среде.
Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к устройству для детектирования наличия аналита в образцовой текучей среде, причем устройство содержит область детектирования. Область детектирования по меньшей мере частично ограничена несущей поверхностью, доступной для образцовой текучей среды изнутри области детектирования. Несущая поверхность может представлять собой, например, часть камеры или полости детектирования, например, образуя одну из стенок или находясь на ее покрытии, хотя несущая поверхность также может быть обеспечена в виде дополнительной поверхности в камере детектирования. Область детектирования дополнительно ограничена сенсорной поверхностью, отличной от несущей поверхности. Сенсорная поверхность доступна для образцовой текучей среды изнутри области детектирования. Сенсорная поверхность может, например, являться частью той же камеры детектирования. Область детектирования может быть задана комплектом поверхностей, содержащих несущую поверхность и сенсорную поверхность, не являясь закрытой камерой. В области между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью могут отсутствовать стенки или каналы, иными словами, в области между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью могут отсутствовать детекторные части, например, стенки. Область детектирования может представлять собой камеру детектирования, например, имеющую фиксированный, необязательно фиксированный в результате настройки, объем. Например, последнее является преимуществом, если требуется количественное детектирование. В камере детектирования с фиксированным объемом, может быть обеспечен фиксированный объем текучей среды. Является предпочтительным, чтобы объем камеры детектирования составлял 0,1-1 мкл. Устройство дополнительно содержит вход для образцовой текучей среды. Вход для образцовой текучей среды имеет входное отверстие в области детектирования, отличное, т.е., удаленное от реагента на несущей поверхности, например, не покрытое несущей поверхностью. Вход для образцовой текучей среды может содержать капилляр, например, трубку или полую секцию с такими размерами, что текучую среду, например, образцовую текучую среду, можно направлять в нее за счет капиллярных сил. Типичные размеры для капиллярных секций составляют 0,1-2 мм. Устройство может дополнительно содержать средство давления для продавливания образцовой текучей среды через вход для образцовой текучей среды. Подходящее средство давления содержит (но не ограничено ими), например, насосы, шприц и т.п. Давление, оказываемое упомянутым средством, может быть положительным или отрицательным, например, вакуумом, т.е., отрицательным давлением, которое можно прикладывать на выходе для текучей среды упомянутого устройства. Камера детектирования с четко определенным объемом также является предпочтительной, если осуществляется сравнительное испытание, поскольку объем образца является определяющим, а концентрация меток определяет результат. Количество меток может быть определено путем обеспечения, например, дозировки, четко заданного объема с четко заданной концентрацией меток, в сочетании с четко определенным объемом, что приводит к правильному количеству меток на объем образцовой текучей среды. Подложки несущей поверхности и сенсорной поверхности могут быть идентичными или различными по природе. Природа материала не является ограничивающим признаком настоящего изобретения. Материалы могут быть изготовлены из любого подходящего материала подложки, такого как (но не ограниченного ими) гибкий органический материал, например, полимерный материал, такой как полиэфир, особенно высокотемпературные материалы на основе полиэфира, полиэтиленнафталат (ПЭН) и полиамид, или смеси из двух или нескольких из них. Другой возможный материал представляет собой неорганический материал, например, полупроводниковый материал, такой как, например, кремний, или материал типа стекла, такой как, например, стекло или кварц. Является предпочтительным, чтобы несущая поверхность была не пористой, т.е., не склонной к абсорбции текучей среды в пределах упомянутой поверхности.
Сенсорная поверхность также может образовывать твердую поверхность поверхности детектирования, принадлежащей используемому детектору. Используемый детектор может представлять собой, например, оптический детектор, магнитный детектор, механический детектор и т.д., но изобретение ими не ограничено. Является предпочтительным, чтобы сенсорная поверхность содержала биологически или биохимически активные структуры для захвата частиц, представляющих интерес. Биологически или биохимически активные структуры могут, например, относиться к захватывающим пробам и/или к аналогам аналита, которые прикрепляются к поверхности сенсора и которые способны связываться, или которые вступают в реакцию с аналитом, или помечены пробами, соответственно, при подходящих условиях. Захватывающие пробы и/или аналоги аналита биологически активного слоя могут быть удержаны или иммобилизованы на поверхности любым способом, известным из уровня техники. Эти биологически активные структуры могут быть прикреплены к поверхности обнаружения сайт-специфичным образом, что означает, что определенные участки на этих структурах вовлечены в связывание, например, через резистентный к белку слой на поверхности. Сенсорная поверхность может быть пористой для повышения отношения поверхности к объему.
Поверхность носителя содержит реагент, например, несущая поверхность имеет реагент, нанесенный на его поверхность. Является предпочтительным, чтобы реагент представлял собой растворимый реагент, т.е., реагент, приспособленный для растворения в момент его приведения в контакт с образцовой текучей средой. Реагент может содействовать детектированию аналита, помеченного метками. Он может содержать реагенты, обладающие химической или биохимической природой, для осуществления реакции с аналитом для генерирования детектируемого сигнала, который отображает присутствие аналита в образце. Например, реагент может содержать пробу или помеченную пробу. В конкретном варианте осуществления реагент содержит пробы, помеченные магнитными или намагничивающимися частицами. Реагенты, пригодные для использования в различных системах детектирования и способах, включают в себя разнообразные активные компоненты, выбранные для определения присутствия и/или концентрации различных аналитов. Существуют многочисленные химические составы, пригодные для использования с каждым из различных аналитов. Их выбирают применительно к оцениваемому аналиту. В одном примере проба, содержащаяся в реагенте, является антителом. В других примерах, реагент может содержать, например, фермент, кофермент, ингибитор ферментации, ферментный субстрат, кофермент, такой как АТФ, НАДН и т.д., для облегчения ферментативного превращения, витамин, минерал, но изобретение в явном виде не ограничено ими. Реагент можно наносить в виде слоя, наносимого на несущую поверхность. Например, в одном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один слой реагента может включать в себя один или несколько ферментов, коферментов и коэнзимов, которые можно выбирать для определения присутствия метаболитов или малых молекул в образце. Кроме того, реагент также может содержать метки, буферные соли, моющие средства, сахара и т.д.
В качестве опциональной особенности реагент может присутствовать в высушенной или лиофилизированной форме. Это приводит к большому сроку службы, т.е., к хорошим свойствам при хранении, вследствие чего, например, взаимодействие до добавления образцовой текучей среды ограничено. В одном конкретном варианте осуществления реагент содержится в пористом материале, например, он образует пористый слой. Последний получают путем осаждения слоя реагента, содержащего материал, который сублимируется в ходе высушивания, и путем высушивания слоя реагента, например, происходит сублимация воды и/или соли, такой как карбонат аммония. Слой пористого реагента, полученный таким образом, кроме того, может быть нанопористым или микропористым. Пористость является преимуществом, поскольку она способствует повышению растворения компонентов реагента. В другом конкретном варианте осуществления реагент содержится в одном или нескольких растворимых лиофилизированных гранулах. Эти гранулы могут быть сформированы, например, путем покапельного литья раствора, содержащего составные части реагента в замораживающей среде, с последующей сублимационной сушкой полученных гранул. Реагент можно наносить путем любой подходящей технологии микроосаждения, такой как нанесение пятен, пипетирование, печатание, например, бесконтактное печатание в подходящем местоположении в устройстве для детектирования, как будет описано более подробно ниже. В еще одном варианте осуществления на верхнюю часть каждой другой и/или отличной несущей поверхности в устройстве для детектирования, например, независимо друг от друга, можно нанести более одного слоя.
В качестве опциональной особенности несущая поверхность может быть расположена выше сенсорной поверхности. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, несущая поверхность содержит покрытие области детектирования, например, камеры детектирования, или находится на ее покрытии. Например, несущая поверхность может ограничивать верхнюю сторону области детектирования, например, камеры детектирования. В конкретном варианте осуществления область детектирования, например, камера детектирования может быть сформирована из набора, содержащего опорный элемент, с одной стороны, и крышку, содержащую несущую поверхность, с другой стороны, что будет более подробно описано применительно к фиг.2a-5b. В качестве альтернативы, несущая поверхность может быть расположена между сенсорной поверхностью и поверхностью, ограничивающей противоположную сторону этой области, например, камеры (т.е., покрытием камеры). В таком случае, обеспечивается опора для несущей поверхности, с целью иммобилизации несущей поверхности в данном положении. Также можно сформировать область детектирования, например, камеру детектирования, имеющую две или более несущих поверхности, каждая из которых является носителем для реагента.
Расстояние между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью можно выбрать таким образом, чтобы по меньшей мере минимальное время взаимодействия или перемешивания проходило до того, как компоненты образца, вступившего во взаимодействие с реагентом, достигнут сенсорной поверхности. Таким образом, можно выбрать или отрегулировать время взаимодействия или перемешивания между образцовой текучей средой и реагентом. Особенность настоящего изобретения состоит в обеспечении расстояния между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью таким образом, чтобы время взаимодействия составляло по меньшей мере 1 секунду, и является предпочтительным, чтобы было обеспечено время взаимодействия в диапазоне 5-60 секунд. Это время можно отрегулировать, например, путем изменения расстояния между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью или изменения напряженности магнитного поля на данном расстоянии. Другая особенность настоящего изобретения состоит в обеспечении настраиваемого расстояния, например, механически или электромеханически настраиваемого расстояния между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью. Такие регулируемые детали можно получать, например, с использованием микроэлектромеханических систем (МЕМС), но изобретение ими не ограничено. В качестве примера, стандартные и опциональные компоненты примерной детали устройства для детектирования показаны на фиг.1a, но варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены ими. Фиг.1a показывает схематический поперечный разрез устройства 1 для детектирования, при этом устройство 1 содержит область 2 детектирования, в качестве иллюстрации приведена камера 2 детектирования, которая в настоящем примере показана в середине устройства 1. Область 2 детектирования ограничена на ее верхней стороне несущей поверхностью 3, а на нижней стороне - сенсорной поверхностью 5, закрепленной на первой стороне 11 необязательного сенсорного опорного элемента 10. Несущая поверхность 3 согласно настоящему варианту осуществления содержит нанесенный на нее реагент 4. Область 2 детектирования в настоящем варианте осуществления показана условно ограниченной с ее левой стороны и с ее правой стороны пунктирными линиями. В настоящем примере на левой и на правой стороне камеры 2 детектирования показаны необязательные наклонные стенки 13 сенсорного опорного элемента 10. Левая сторона и правая сторона области 2 детектирования не полностью ограничены наклонными стенками 13 сенсорного опорного элемента 10, с целью обеспечения соединения по текучей среде между областью 2 детектирования и каналом 18 для текучей среды, сформированным между второй стороной 12 сенсорного опорного элемента и несущей поверхностью 3. Канал 18 для текучей среды отображен соединенным с входом 6 для образцовой текучей среды 20 и выходом 7 для удаления полученной текучей среды.
Схематическое отображение устройства для детектирования показано на фиг.1b, на котором показаны стандартные и необязательные детали устройства. Устройство 1 содержит область 2 детектирования с несущей поверхностью 3, содержащей реагент 4 и сенсорную поверхность 5, отличную от несущей поверхности. Эти компоненты могут быть, например, такими, как показанные на фиг.1a, хотя изобретение не ограничено ими. Кроме того, устройство 1 для детектирования согласно настоящему изобретению может содержать средство 22 детектирования для детектирования сигнала, отвечающего за присутствие и/или количество аналитов, присутствующих в образцовой текучей среде 20. Средство 22 детектирования может быть расположено внутри камеры детектирования, или же оно может быть расположено за ее пределами. Доступ для средства детектирования может быть обеспечен посредством прозрачного окна в камере детектирования.
Кроме того, может быть обеспечено средство 24 возбуждения, например, для возбуждения меток, присутствующих в области детектирования. Средство 22 детектирования может включать в себя любой подходящий детектор, например, магнитный или оптический детектор, хотя изобретение этим не ограничено. Магнитный детектор может представлять собой, например, детектор Холла, или может включать в себя магниторезистивный элемент, такой как GMR (супер-магниторезистивность), сенсор TMR или AMR. Устройство 1 для детектирования, кроме того, может содержать средство 26 обработки для обработки результатов детектора, позволяя, таким образом, обеспечивать подходящий выход. Такое средство 26 обработки может представлять собой любое подходящее средство, такое как, например, вычислительное средство. Устройство 1 также может содержать вход 6 для текучей среды и/или выход 7 для текучей среды. В некоторых вариантах осуществления использование входа 6 для текучей среды предназначено для функционирования в качестве впускного отверстия для образцовой текучей среды 20. В качестве опциональной особенности устройство может дополнительно содержать средство 28 удерживания для удерживания реагента 4 или его компонентов на несущей поверхности 3. Такое средство удерживания должно быть пригодным как для удерживания реагента 4, так и его компонентов на несущей поверхности 3, и для удаления реагента 4 или его компонентов с несущей поверхности 3. Неограничивающий пример средства удерживания может представлять собой магнитное средство удерживания, содержащее (но не ограниченное ими) постоянные магниты, электромагниты, катушки и т.д., в случае реагента, содержащего магнитные или намагничивающиеся частицы. Является предпочтительным, чтобы такое средство удерживания было размещено выше несущей поверхности. Такое средство удерживания можно использовать для удаления реагента или его компонентов при выбранном времени, для осуществления измерений, регулируемых по времени. Магнитное средство удерживания может быть переключаемым или постоянным. Магнитное средство удерживания также может быть, например, механическим средством удерживания. Средство удерживания также может быть расположено за пределами области обнаружения.
В качестве опциональной особенности, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, устройство 1 дополнительно может содержать средство 28 приведения в действие. Средство 28 для приведения в действие может представлять собой средство перемешивания и/или средство для размещения или позиционирования компонентов смеси текучей среды, например, при приведении между собой в контакт образцовой текучей среды 20 и реагента 4. Средство приведения в действие можно использовать для приведения в действие магнитным образом помеченных проб, опционально присутствующих в реагенте 4. Поэтому, средство 28 приведения в действие может представлять собой магнитное средство приведения в действие, содержащее (но не ограниченное ими) постоянные магниты, электромагниты, катушки и т.д. Является предпочтительным, чтобы средство 28 приведения в действие было расположено ниже и/или выше сенсорной поверхности 5. Является предпочтительным, чтобы магнитное средство приведения в действие находилось ниже сенсорной поверхности, а также опционально выше сенсорной поверхности. Магнитное средство приведения в действие может быть переключаемым или постоянным. Средство приведения в действие также может представлять собой электрическое средство приведения в действие или механическое или акустическое средство приведения в действие. Средство приведения в действие также может быть расположено за пределами области детектирования.
На фиг.2a-5b представлен предпочтительный вариант осуществления устройства 1 для детектирования, в котором несущая поверхность 3 с реагентом 4 обеспечена на крышке 8, образуя верхнюю сторону или стенку, например, покрытие области 2 детектирования. Последнее допускает отдельное изготовление компонента для устройства 1, содержащего несущую поверхность 3, и компонента для устройства 1, содержащего сенсорную поверхность 5. Поэтому, это позволяет осуществлять независимое изготовление, что, таким образом, приводит к образованию независимых степеней свободы для изготовления этих компонентов. В качестве иллюстрации настоящего изобретения и предпочтительного варианта осуществления, не будучи ограниченным этим, пример такого варианта осуществления показан на фиг.2a-фиг.5b.
Фиг.2a показывает вид сверху компонента устройства 1, содержащего несущую поверхность 3, т.е., расположенную на или в крышке 8, находящуюся на первой стороне 9. В настоящем примере, крышка 8 снабжена каналом 18, ограниченным несущей поверхностью 3 на ее нижней стороне и открытым на ее верхней стороне. Несущая поверхность 3 содержит реагент 4, нанесенный на ее центральную часть. Крышка 8 может быть обеспечена входом 6 для текучих сред и выходом 7 для текучих сред. Фиг.2b показывает вид сверху той же крышки 8 с противоположной стороны 17. Фиг.3a показывает вид сверху устройства 1, содержащего сенсорную поверхность 4 на первой стороне 11, к которой прикреплен сенсор 15, т.е., сенсорный опорный элемент 10. Сенсорный опорный элемент 10, таким образом, имеет первую сторону 11, на которой могут присутствовать, например, дорожки, и вторую сторону 12. Фиг.3b показывает вид сверху второй стороны 12 сенсорного опорного элемента 10. Показано отверстие, обеспечивающее соединение между второй стороной 12 сенсорного опорного элемента и сенсорной поверхностью 5. Показанное отверстие имеет наклонные стенки 13. Фиг.4a и фиг.4b показывают вид сверху сенсорного опорного элемента 10 после обеспечения соединительного средства 16 для обеспечения внешнего контакта, например, гибкой фольги 16 для внешнего контакта. Фиг.5a и фиг.5b показывают вид сверху устройства 1 после монтажа крышки 8 и сенсорного опорного элемента 10, с первой стороны 11 опорного элемента 10 относительно второй стороны 17 крышки 8. Для обеспечения использования крышки 8 на второй стороне 12 сенсорного опорного элемента, ее изготавливают, например, из адгезива.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к способу изготовления устройства 1 для детектирования присутствия аналита в образцовой текучей среде 20. Устройство может представлять собой устройство, описанное согласно первому аспекту настоящего изобретения, включающее в себя те же признаки и преимущества. Способ включает в себя нанесение реагента 4 на несущую поверхность 3. Реагент 4 можно осаждать любым подходящим способом, таким как (но не ограниченным ими), например, технологии микроосаждения. Одним примером осаждения является дозирование, при котором для регулирования нанесения небольших объемов на несущую поверхность используют клапаны. Другие технологии могут включать в себя технологии неконтактной печати, такие как технология струйной печати или впрыскивание, или контактной печати, такой как тампопечать, микроконтактная печать, трафаретная печать, тиснение и т.д. Реагент 4 можно осаждать, например, в один или несколько слоев.
В качестве опциональной особенности реагент 4 можно высушивать на несущей поверхности 3. Высушивание реагента на несущей поверхности 3 можно осуществлять путем применения давления пара при низкой температуре окружающей среды, хотя последнее необязательно. Высушивание может включать в себя как высушивание реагента 4 из его текучей фазы, а также высушивание реагента 4 из его твердой фазы. Оно может включать в себя восстановление количества водных компонентов, присутствующих в реагенте 4. В ходе высушивания можно использовать тепло для повышения его эффективности. Например, можно нагревать несущую поверхность 3. Хорошее высушивание повышает срок службы, т.е., стойкость при хранении. В примерном варианте осуществления окружающая среда, обеспеченная в ходе осаждения и/или высушивания реагента 4, обладает очень низкой влажностью. Последнее имеет преимущество, состоящее в том, что высушивание протекает быстро. Инертный газ можно использовать в условиях окружающей среды. Под очень низкой влажностью понимают относительную влажность менее 30%, более предпочтительно, относительную влажность менее 10% и, даже более предпочтительно, относительную влажность менее 3%. В качестве опциональной особенности реагент 4 может присутствовать в лиофилизированной форме, т.е., может быть подвергнутым сублимационной сушке, когда его сперва замораживают, а затем сублимируют образовавшуюся в нем замороженную воду. Иными словами, также можно применять этап лиофилизации.
Способ согласно этому второму аспекту дополнительно включает в себя обеспечение сенсорной поверхности 5, отличной от несущей поверхности 3. Сенсорная поверхность 5 может быть получена предварительно путем обеспечения на ней уже приготовленных биологически или биохимически активных структур, или она может быть получена путем нанесения покрытия в виде сенсора или сенсорной поверхности биологически или биохимически активными структурами. Способ согласно этому второму аспекту дополнительно включает в себя формирование области обнаружения, ограниченной несущей поверхностью 3 и сенсорной поверхностью 5, например, путем создания камеры детектирования, содержащей несущую поверхность 3 и сенсорную поверхность 5. Такой монтаж камеры детектирования можно осуществлять путем размещения различных компонентов в их соответствующих позициях и прикрепления компонентов друг к другу. Последнее можно осуществлять любым подходящим способом, например, путем приклеивания, зажатия, защелкивания, приваривания и т.д. Также можно осуществить и дополнительный монтаж устройства для детектирования, т.е., например, путем обеспечения средства детектирования, обеспечения средства соединения, предназначенного для подсоединения средства детектирования, для получения возможности считывания информации с используемого средства детектирования. Монтаж, т.е., формирование области детектирования, можно осуществлять после того, как реагент был нанесен на несущую поверхность, или перед нанесением реагента на несущую поверхность. Например, реагент можно вводить через отверстия, созданные в устройстве. Преимущество изготовления сенсорной поверхности отдельно от нанесения реагента на сенсорную поверхность и последующей сборки состоит в том, что можно осуществлять независимую оптимизацию приготовления и, таким образом, получать меньше нежелательных кроссвзаимодействий между обоими компонентами. Способ согласно этому второму аспекту настоящего изобретения дополнительно включает в себя обеспечение входа и/или выхода для образцовой текучей среды в местоположении, отличном, т.е., удаленном от несущей поверхности. Этот вход и выход можно сформировать любым способом, известным специалистам в данной области техники, таким как сверление, растачивание, перфорирование, вырезание, вставление объекта, например, полой трубы и т.п.
В качестве опциональной особенности расстояние между несущей поверхностью и сенсорной поверхностью в ходе изготовления можно регулировать. Это расстояние должно быть таковым, чтобы оно обеспечивало достаточное время для надлежащего растворения реагента в образцовой текучей среде и для надлежащей гомогенизации полученной смеси текучей среды и для обеспечения быстрого обнаружения. Поэтому, должен быть найден компромисс.
В качестве опциональной особенности способ согласно данному второму варианту осуществления дополнительно включает в себя обеспечение магнитного средства приведения в действие, расположенного ниже и/или выше сенсорной поверхности. Такое средство приведения в действие может быть внедрено в компонент или может быть установлено в виде отдельного компонента. Оно может быть выполнено в виде части комплекта камеры, или обеспечено после осуществления монтажа камеры детектирования.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение относится к способу детектирования присутствия аналита в образцовой текучей среде 20. Способ, предпочтительно, можно осуществлять, используя устройство 1 для детектирования, как описано в соответствии с первым аспектом, хотя изобретение не ограничено этим. Способ детектирования включает в себя приведение в контакт образцовой текучей среды 20 и реагента 4, присутствующего на несущей поверхности 3, с образованием, таким образом, смеси текучей среды, причем несущая поверхность ограничивает область 2 детектирования. Таким образом, аналиты, присутствующие в образцовой текучей среде 20, могут взаимодействовать с реагентом 4, способствуя, таким образом, детектируемости частиц, представляющих интерес. Этот этап приведения в контакт может включать в себя растворение растворимого маточного раствора, в котором имеются компоненты реагента, например, растворение слоя реагента, нанесенного на несущую поверхность 3. Сразу после приведения реагента 4 в контакт с образцовой текучей средой 20, например, лиофилизированных гранул реагента, они при использовании растворяются и высвобождают свое содержимое. Затем, сформированную таким образом смесь текучей среды приводят в контакт с сенсором и смачивают его поверхность. Способ, таким образом, дополнительно включает в себя приведение в контакт смеси текучей среды и сенсорной поверхности, причем сенсорная поверхность 5 отлична от несущей поверхности 3 и ограничивает область 2 детектирования. Таким способом можно получить взаимодействие между частицами, представляющими интерес, и сенсорной поверхностью 5. Такое взаимодействие можно осуществлять быстро, поскольку на сенсорной поверхности 5 практически отсутствует реагент 4, что, таким образом, приводит к образованию свободных зон, пригодных для взаимодействия частиц, представляющих интерес. Область 2 детектирования может представлять собой камеру 2 детектирования, содержащую несущую поверхность 3 и сенсорную поверхность 5. Кроме того, поскольку в области 2 детектирования предусмотрен реагент 4, обеспечение реагента 4 достаточно близко к сенсорной поверхности 5 способствует быстрому взаимодействию. Способ дополнительно включает в себя детектирование взаимодействия между смесью текучей среды и сенсорной поверхностью. Последнее позволяет получать количественный или качественный анализ образцовой текучей среды, например, для получения информации о наличии и количестве некоторых компонентов в образцовой текучей среде. Детектирование взаимодействия смеси текучей среды и сенсорной поверхности может включать в себя детектирование аналита через детектирование зондов. Зонды (например, помеченных антител) и сенсор, оба подвергаются воздействию аналита, а аналит влияет на связывание зондов с сенсорной поверхностью. В зависимости от типа проводимого испытания, аналит, помеченный, например, магнитными или намагничивающимися частицами (через пробу), либо связываются для иммобилизации захваченных проб (сэндвичевое испытание), или конкурируют с аналогами аналита в отношении связывания захваченных проб (сравнительное испытание). После удаления избытка помеченных проб (несвязанных) (которое в некоторых вариантах осуществления эквивалентно удалению магнитных или намагничивающихся частиц), можно измерить количество связанных помеченных проб (например, помеченных магнитными частицами). Таким образом, анализ связывания может включать в себя приклеивание магнитно помеченных молекул к сенсору в количествах, которые отражают концентрацию или присутствие молекул аналита. Такие тесты можно использовать, например, для детектирования наркотиков, хотя изобретение не ограничено этим. Было описано большое число вариантов методологий анализа связывания, и они находятся в пределах объема настоящего изобретения. Детектирование магнитных или намагничивающихся частиц при использовании в качестве метки в основном осуществляют путем применения электрического, или магнитного, или электромагнитного поля и использования магнитного или немагнитного, например, оптического или акустического сенсора. Примеры вариантов детектирования магнитных или намагничивающихся частиц приведены в патентной заявке WO 2005/116661 и приведены здесь в виде ссылок. Также можно использовать акустическое и/или звуковое детектирование меток. В некоторых вариантах осуществления магнитные частицы присутствуют только в лиофилизированных гранулах для обеспечения манипулирования ими с помощью магнитных средств, т.е., магнитного средства приведения в действие, и не служат в качестве меток. В этих вариантах осуществления детектирование проб на сенсоре или в нем будет адаптировано к типу метки, связанной с пробами. Также, в различных типах испытаний на связывание и высвобождение можно использовать магнитные частицы, которые включают в себя оптические свойства, такие как, например, флуоресцентные, хромогенные, рассеивающие, абсорбирующие, преломляющие, отражающие, SERRS-активные или (био)хемилюминесцентные метки, молекулярные радиомаяки, радиоактивные метки или ферментативные метки. Оптически активные метки могут испускать излучение, обнаруживаемое детектором, например, в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой области длин волн. Тем не менее, изобретение не ограничено этим, а оптические метки в настоящей заявке могут относиться к меткам, излучающим в любой подходящей и детектируемой области длин волн электромагнитного спектра.
В некоторых вариантах осуществления приведение в контакт несущей поверхности и образцовой текучей среды можно достигать путем погружения комплекта несущей поверхности и поверхности детектирования в образцовую текучую среду. Время, требуемое для осуществления анализа, начиная с закачивания образцовой текучей среды и до обнаружения аналита, можно регулировать. Например, это время можно выбирать или регулировать, варьируя высоту области детектирования, например, камеры детектирования. Является предпочтительным, чтобы высоту камеры можно было выбирать или регулировать в диапазоне 30-500 мкм. Эту операцию можно выполнять в ходе изготовления или после изготовления. Для настройки расстояния между несущей поверхностью и сенсором после изготовления, может быть обеспечено средство перемещения, такое как, например, механическое, электромеханическое или электромагнитное средство перемещения, регулирующее расстояния между несущей поверхностью и сенсором, позволяя, таким образом, настраивать расстояние между несущей поверхностью и сенсором. Такие настраиваемые детали можно получать, например, за счет использования микроэлектромеханических систем (МЭМС), но изобретение ими не ограничено. Это время также может изменяться в зависимости от природы и состояния реагента. Эти детали можно настраивать, например, выбирая подходящий сушильный буферный раствор, если реагент осаждают из буферного раствора.
Время, требуемое для выполнения анализа, т.е., время перемешивания реагента и образцовой текучей среды и время между перемешиванием и детектированием, также можно регулировать путем приведения в действие компонентов реагента, как только они были перемешаны с образцовой текучей средой. Приведение в действиеможет включать в себя перемешивание компонентов реагента в образцовой текучей среде или перемещение компонентов, или связывание компонентов с сенсорной поверхностью. Такое приведение в действие может представлять собой приведение в действие с использованием магнитной силы, с использованием электрической силы, с использованием механической или акустической силы и т.д. Магнитное приведение в действие можно использовать, если, для примера, для мечения проб, присутствующих в реагенте, используют магнитные частицы или гранулы. Можно, таким образом, осуществлять этап магнитного приведения в действие магнитных или намагничивающихся частиц, чтобы направлять магнитные или намагничивающиеся частицы к сенсорной поверхности. В качестве альтернативы или в дополнение к этому этап магнитного приведения в действие магнитных или намагничивающихся частиц можно осуществлять для перемешивания проб с образцовой текучей средой. В качестве альтернативы или в дополнение к этому этап магнитного удерживания магнитных или намагничивающихся частиц можно осуществлять для контроля времени их высвобождения. Магнитные свойства магнитных гранул или частиц, а также напряженность используемого магнитного поля можно использовать для влияния на время предварительной инкубации. Магнитные силы можно регулировать, например, регулируя напряженности магнитного поля переменных магнитов или их расстояния от измерительной камеры, или, в случае электромагнитов, их можно регулировать путем регулировки тока, проходящего через катушки. Подходящие напряженности магнитного поля находятся в диапазоне от 0,05 Тл и выше, предпочтительно, 0,05-1 Тесла. Размер магнитных гранул является другим параметром, который влияет на это время. Предпочтительные размеры для магнитных гранул или частиц находятся в диапазоне от 200 нм до 1 мкм.
Путем регулировки магнитных сил и высоты измерительной камеры можно добиться требуемого четко определенного и воспроизводимого периода инкубации, что приводит к созданию хороших систем детектирования и соответствующих способов детектирования.
В одном конкретном примере способ, таким образом, включает в себя магнитное приведение в действие магнитных или намагничивающихся частиц перед детектированием. Магнитное приведение в действие, например, можно осуществлять, используя средство магнитного приведения в действие, расположенное ниже сенсорной поверхности. Использование средства магнитного приведения в действие ниже сенсорной поверхности способствует направлению магнитных меток к сенсорной поверхности при относительно высокой скорости. В качестве примера, присутствие средства магнитного приведения в действие как ниже, так и выше сенсорной поверхности, если по меньшей мере одно из этих средств приведения в действие является переключаемым, способствует повышению контактирования магнитно помеченных проб с аналитом, т.е., перемешиванию, либо путем попеременного переключения средства для магнитного приведения в действие, расположенного выше и ниже сенсорной поверхности, либо путем периодического переключения или понижения/повышения мощности средства магнитного приведения в действие, расположенного выше или ниже сенсорной поверхности.
Магнитная сила, оказываемая на магнитную метку, задана следующей формулой:
0
-7
где H является напряженностью магнитного поля, µ ~4p·10 - магнитная проницаемость в вакууме, а χ - магнитная восприимчивость (~2,5 для сверхпарамагнитных гранул), а M - полная намагниченность для метки. Сила трения для гранулы представлена уравнением 2:
-3
где η - это динамическая вязкость жидкости (=10 Па·с для воды), r - радиус гранулы, а ν - скорость.
Скорость гранулы (в равновесии) в направлении x затем задается уравнением 3:
Для средней скорости 5 мкм/с и высоты камеры 50 мкм требуется 10 с для достижения поверхности сенсора, и, таким образом, процесс предварительной инкубации будет занимать 10 с. Время предварительной инкубации можно регулировать, изменяя высоту камеры, размер гранул и напряженность магнитного поля.
В качестве иллюстрации в настоящем изобретении приведен пример, которым изобретение не ограничено, состоящий в детектировании согласно настоящему изобретению, и обсуждаются различные стадии процесса изготовления.
Нанесение реагента
Магнитные частицы (частицы Masterbeads (Ademtech) размером 500 нм, покрытые COOH), покрытые анти-опиантителами, содержащиеся в накопительном буферном растворе (Ademtech), были промыты три раза, а также подвергнуты повторному суспендированию в сушильном буферном растворе (10 мг/мл BSA, 10% сахарозы, 0,1% тритона x-405, 10 мМ трис-HCl, pH 7,1), с использованием этапа магнитной промывки, известного специалистам в данной области техники. Конечная концентрация магнитных гранул была отрегулирована до 1 мас.%. Маленькая капля этого реагента 4 была помещена на несущую поверхность 3, содержащуюся в канале 18 крышки 8, как описано на фиг.2a. Реагент был высушен на воздухе в течение 1 ч и хранился в запечатанном боксе с мешочками кремнезема.
Создание устройства
Крышка 8 была скомпонована с сенсорным опорным элементом 10, как было описано на фиг.4a и 4b, с образованием устройства 1, как было описано на фиг.5a и 5b. Сенсор представлял собой сенсор магнитного типа, т.е., сенсор супер-магниторезистивности (giant magnetic resistance sensor, GMR). Сенсорная поверхность была покрыта раствором BSA-OPI концентрацией 1 г/мл (аналог опиатов) в покрывающем буферном растворе (10 мМ бората натрия, 50 мМ NaCl, 0,05% Tween 20, pH 9,0). BSA-морфин является аналогом опиатов. Выше и ниже устройства была обеспечена катушка, пригодная для магнитного приведения в действие.
Устройство 1 было соединено со считывающим устройством через гибкую фольгу 16, а магнитное притяжение запускалось поворотом катушки ниже устройства 1. Фиг.6 показывает сигнал GMR как функцию времени. Исходное значение приблизительно равно 25 мкВ. Образцовая текучая среда, состоящая из буферного раствора (0,08M фосфата натрия/калия, pH 8,1-8,2, содержащего 0,4M хлорида натрия, 0,05%(мас.) азида натрия и 0,1%(мас.) тритона-X-405) (не содержащего антитела), была введена в устройство через вход 6, а реагент был подвергнут дисперсии под действием магнитного поля. Магнитные гранулы, переносящие антиопиатные антитела, которые стали присутствовать в виде свободной суспензии в образцовой текучей среде, в течение 65 секунд были притянуты к сенсорной поверхности 5. В ходе этого промежутка времени испускался сигнал GMR, отображающий считывание магнитных гранул сенсором. Впоследствии, верхнюю подушку включили, а нижнюю катушку выключили и отсоединили, а неспецифически связанные магнитные гранулы были оттолкнуты от поверхности. Все несвязанные гранулы были удалены с сенсорной поверхности и собраны в верхней части камеры, вблизи несущей поверхности. Сигнал, отображающий связывание магнитных меток, вызван снижением сигнала GMR. Снижение сигнала GMR составляет 30,2 В. Фиг.6 показывает сигнал сенсора GMR как функции времени.
Этот эксперимент указывает на то, что реагент 4 нанесен на несущую поверхность 3, в настоящем примере это крышка камеры 2 детектирования, т.е., поверхность, обращенная к сенсорной поверхности 5 и ограничивающая одну сторону камеры 2 детектирования, отличную от сенсорной поверхности 5, можно эффективно освобождать и наносить на нее образцовую текучую среду, а магнитные метки можно соединять с поверхностью.
В качестве иллюстрации обеспечен дополнительный пример, иллюстрирующий признаки и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения. Кривая доза-эффект была измерена для сравнительного испытания морфина, с использованием магнитных частиц, высушенных в устройстве на струйных элементах, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В настоящем примере изобретение этим не ограничено, причем сенсор был приготовлен следующим образом.
Для обеспечения реагентов, содержащих магнитные гранулы, верхняя часть устройства для текучих сред, например, как проиллюстрировано верхней частью 4 устройства для текучих сред, показанного на фиг.1a, в настоящем примере была сначала очищена путем ее пропитки в изопропиловом спирте в течение 5 минут, а затем сушки этой части в потоке азота. Затем был приготовлен сушильный буферный раствор, содержащий 10 мМ Tris-HCl, pH 7,5, 10% сахарозы, 10 мг/мл BSA и 0,1% твина 20. Сверхпарамагнитные частицы (частицы Ademtech размером 500 нм, покрытые COOH) были покрыты антиопиатными антителами. Частицы были диспергированы при 4 мас.% сушильном буферном растворе путем добавления 40 мкл буферного раствора к иммобилизованным магнитным гранулам размером 40 мкл, при поддержании смеси под действием магнитного поля, удалении жидкости и повторном растворении полученной смеси в 10 мкл сушильного буферного раствора. Впоследствии 150 нл этого раствора магнитных гранул были нанесены на верхнюю часть устройства для текучих сред. Верхняя часть впоследствии поддерживалась сухой, в запечатанном боксе рядом с материалом, абсорбирующим воду, таким как кремнезем.
Нижняя часть, например, проиллюстрированная в виде нижней части 5 устройства для текучих сред, была покрыта BSA-морфином согласно следующей процедуре. Нижняя часть была сначала очищена путем подачи на нее потока азота. Затем был приготовлен раствор BSA-морфина концентрацией 10 мкг/мл путем перемешивания 196 мкл покрывающего буферного раствора с 4 мкл BSA-морфина (100 мкг/мл). Покрывающий буферный раствор, таким образом, был изготовлен путем смешивания 15 мМ карбоната натрия, обладающего плотностью 1,59 г/л и молекулярной массой 106 г/моль, с 35 мМ карбоната натрия, обладающего плотностью 3,94 г/л и молекулярной массой 84 г/моль, и с 0,05% азида натрия, обладающего плотностью 0,5 г/л, при доведении его pH до 9,6 и хранении его при 4°C. Капля 2 мкл раствора BSA-морфина была нанесена на нижнюю часть устройства для текучих сред, затем выдержана во влажной кислородно-азотной среде при комнатной температуре, и после этого часть была смыта очищающей жидкостью, в настоящем примере это milliQ. Часть была затем смочена в течение 30 минут в растворе 1×PBS (Phosphate Buffered Saline, забуференный фосфатом физиологический раствор) и 0,05% твина 20, высушена в потоке азота и помещена в герметизированный бокс вблизи материала, абсорбирующего воду, такого как мешочки с кремнеземом.
2
4
2
4
Верхняя и нижняя часть биосенсора была скомпонована с использованием ленты, причем сенсоры хранились в сухом состоянии при комнатной температуре. По истечении 24 ч качество повторного диспергирования и активность антитела было протестировано путем выполнения сравнительного испытания в системе оптического биосенсора. Испытание включало в себя добавление буферного раствора, пропитанного морфином в устройстве для текучих сред за счет автономного наполнения через капиллярный канал, повторного диспергирования гранул и последующего притягивания магнитных гранул к сенсорной поверхности (с помощью средства приведения в действие, такого как, например, нижний магнит). Добавленный буферный раствор представлял собой AJ с удвоенной концентрацией, забуференный 10,76 г/л NaHPO, 0,577 г/л KHPO, 23,38 г/л NaCl и 0,01% азида натрия, который хранился при комнатной температуре и к которому перед использованием было добавлено 0,1% тритона X-405, в сочетании с контролируемым количеством морфина. При использовании нескольких сенсоров, приготовленных, как указывалось выше, реакция на различные концентрации морфина была протестирована путем добавления различных концентраций морфина, т.е., таким образом, к различным приготовленным сенсорным устройствам было добавлено 17 мкл буфера AJ, буфер AJ с 1 нг/мкл морфина, с 2 нг/мкл морфина, с 3 нг/мкл морфина, с 4 нг/мкл морфина, с 5 нг/мкл морфина, с 7,5 нг/мкл морфина и с 10 нг/мкл морфина. Последний этап представлял собой этап магнитной промывки, например, с использованием дополнительного магнита в верхней части устройства. Общее время испытания (наполнения, повторной дисперсии и магнитного приведения в действие) составляло 50 с.
Кривая доза-эффект для вышеописанных испытаний показана на фиг.7 для различных концентраций морфина. Экспериментальные точки для концентраций морфина 5 нг/мкл или ниже были измерены пятикратно, тогда как остальные две экспериментальные точки для более высоких концентраций морфина были измерены дважды. График иллюстрирует реакцию сенсора на морфин, указывая изменение сигнала в процентах в зависимости от количества добавленного морфина. Вышеуказанный пример иллюстрирует одно из многочисленных возможных применений детектирования, для которых можно использовать сенсор.