专利名称：用于检测环境间接调节的装置和方法
技术领域：
本发明涉及诊断试验，具体地涉及基于亲合性的诊断试验。
背景技术：
在个体护理地点，例如在病人的床边、在护理服务提供者的场所、或在病人的家中可以进行的诊断试验已变得越来越通行。例如，Leroy Hood等在“Systems Biologyand New Technologies Enable Predictive and Preventative Medicine,，，Science306，n0.5696 (October 22，2004): 640-643对这类诊断试验的前景进行了描述。取决于具体的诊断试验,测试的物质可以是人体体液,例如血液、血清、唾液、生物细胞、尿或其它生物分子。然而，诊断试验不限于生物分子，因为可以进一步要求对诸如乳品、婴儿食品、或水的消耗物进行测试。 许多诊断试验装置结合了基于亲合性的传感器，该传感器被认为是检测生物标记物的现有技术的方法。基于亲合性的传感器根据“锁钥(key-lock)”原理产生作用，其中使用与所关注的标记物有很高关联因子的分子用于检测。例如，妊娠试验套件可包括针对hCG(^hCG)的β亚基的特定单克隆抗体。该抗体与用于检测的标记，如金、胶乳或荧光团共轭。如果靶分子与共轭抗体结合，标记的锁钥对就可以被检测到，例如通过可见的试验行(line)。ELISA板和微阵列(例如，核酸、肽、和蛋白质)就包括了类似的原理。图1描绘了ELISA化验(assay) 10，其中抗体12固载在基底14上。基底14可以布置在井(未显示)内。配备阻隔条(blocker) 16，覆盖抗体12周围的基底表面。在典型的ELISA化验中，此时要向其中固载了第一抗体12的井中加入样品18。接着，将样品温育(incubate) —段时间。在温育过程中，阻隔条16可阻止样品中所关注的分子与基底14的表面结合，以免产生误结合。在温育过程中，一些所关注的分子18变为与一些抗体12结合，如图2所描绘的。温育之后，洗涤剩余的样品，除去未结合的第一抗体18。随后，向所述井加入带结合标记22的第二抗体20，温育并洗涤，得到图3的构造。如图3中的描绘，带标记的第二抗体20与所关注的分子18结合，这反过来又与抗体12结合。相应地，通过抗体20与抗原18结合的标记22的数量与靶抗原的浓度成比例。取决于所使用的标记，标记的数量最后可以使用比色方法、电流测定方法、磁力测定方法、伏安测定方法、发光方法、或荧光检测方法检测到。可以可替代地使用其它的无标记抗体方法，例如表面等离子体激元共振。化验中的两个主要优点性能指标包括灵敏度和交叉反应性；两者都影响最小可检测浓度和诊断误差率。这类试验中的灵敏度通常受标记检测准确度、抗体-抗原对的关联因子、和表面上探测抗体的有效密度限制。基于亲合性的传感器的一个问题是传感器与其它生物标记物的交叉反应性。换言之，传感器不是感测到单一的生物标记物或所关注的分子，而是还常常会感测到所关注的生物标记物以外的其它生物标记物。交叉反应性问题在图4中绘出，其中ELISA化验30包括固载在基底34上的抗体32，其包含覆盖了大部分基底表面34的阻隔条36。此夕卜，带标记的第二抗体38与所关注的分子40结合，这反过来又被第一抗体32结合。带标记的第二抗体38还与分子42结合，分子42表现出对第一抗体32的亲合性，并被第二抗体38所标记。对宽范围的生物标记物的灵敏度因此增加了临床水平诊断试验的假阴性/阳性比率，例如，P.A Benn 等在“Estimates for the sensitivity and false-positiverates for second trimester serum screening for Down syndrome and trisomy 18withadjustment for cross identification and double positive results,，’PrenatalDiagnosis，Vol.21，N0.l，pp 46-51，2001中所报告的。因此，样品中其它分子(第二分子或抗原)的存在与第一抗体结合，影响了最小检测浓度。化验的准确度会进一步受生理吸收(physiosorption)影响。如图4中所另外描绘的，存在于ELISA化验30中的一些特征44，或者是污染物或者仅仅是不一致(incongruity),也可以与标记的第二抗体38结合。生理吸收的被标记的第二抗体38因此会造成背景信号的增加。具体样品中所关注的分子相对不足使得提供高置信度(fidelity)的诊断试验进一步复杂化。如 Robert F.Service 在 “PR0TE0MICS: Proteomics Ponders PrimeTime, ”Science 321, n0.5897 (September 26，2008): 1758-1761 中所报告，血液中不同蛋白质的浓度差异会大于10个数量级。因此，为了保证要求的置信度水平，捕集分子对所关注的生物标记物的亲合性必须比捕集分子对样品中任何其它分子的亲合性高几个数量级。克服交叉反应性和背景问题会明显延缓新的化验试验开发，并且会增加总体试验的成本及复杂性。例如，在努力减轻涉及亲合性测试的各种灵敏度和干扰问题的过程中，通过找到能使所关注分子与抗体的结合最大化的试剂和环境条件的组合，具体的化验通常也可得到优化。因此，优化可以要求结合高选择性的抗体。相应地，典型的ELISA化验的开发要求数个科学家工作一年以上来识别可接受的抗体。蛋白质的交叉反应性是这类研发工作失败的常见原因。优化所关注特定分子的诊断试验的另一方法要求在平台的不同位置局部控制试验条件，以此提高试验的特异性。一种这类方法描述在2009年10月15日申请的美国专利申请12/580，113，其全部内容在本说明书中通过引用结合在此。据2010年I月15日申请的美国专利申请N0.12/688，193描述，在平台的不同位置局部控制试验条件也可以用来提高化验的动态范围，其全部内容通过引用结合在此。在平台的不同位置局部控制试验条件通常可以通过电影响生物化学反应来进行尝试。对这类电控制所作的各种尝试已在以下中报告:R.G.Sosnowski et al., “Rapiddetermination of single base mismatch mutations in DNA hybrids by directelectric field control,，’Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America 94, n0.4(February 18，1997)，Ian Y.Wong andNicholas A.Meloshj “Directed Hybridization and Melting of DNA Linkers usingCounter ion-Screened Electric Fields，，，Nano Letters 0，n0.0 (January)，IanY.Wong, et al., “Electronically Activated Actin Protein Polymerizationand Alignment，，，Journal of the American Chemical Society 130，n0.25 (June1，2008):7908-7915，以及 Ulrich Rant et al.，uSwitchable DNA interfaces forthe highly sensitive detection of label-freeDNA targets, ” Proceedings of theNational Academy of Sciences 104, n0.44(October 30, 2007):17364-17369 等。通过电影响生物化学反应来控制试验条件虽然有前景，却也有问题。例如，大部分电势在电极表面上形成的双电层中耗散。相应地，电影响的效果范围有限。对能结合低成本抗体进行化验的装置和方法存在需求。进一步对诸如多路化验的试验，例如，蛋白阵列、竞争性化验、基于微珠的阵列及低成本的装置，例如，侧流装置、或其它生物芯片存在需求。它们都可提供精确的结果以及使用这类阵列的方法。能比所谓的优化化验提供更精确结果的方法和装置将会有进一步的优点。

发明内容
根据一个实施方案，在一个实施方案中间接改变试验位置环境条件的系统和方法包括:在基底上提供试验位置，在试验位置提供第一可激活刺激物，提供构造成能在试验位置激活第一可激活刺激物的执行器，控制执行器以激活第一可激活刺激物，以及改变含第一已激活刺激物的试验位置的局部化学环境。根据另一个实施方案，控制试验位置环境条件的系统包括:包括至少一个试验位置的基底，位于基底上并且构造成能在至少一个试验位置上使用的至少一个可激活刺激物，以及至少一个执行器，其布置成能驱动在至少一个试验位置上的至少一个可激活刺激物的至少一个。


图1描绘了 ELISA阵列内现有技术试验位置的示意图，所述ELISA阵列含有抗体以及样品添加到试验位置上时在基底上形成的阻隔条；图2描绘了图1的试验位置，所述试验位置含有在试验位置经温育和洗涤后结合到图1的一些抗体的所关注分子；图3描绘了标记的第二抗体已经加入并且试验位置已经再次温育及洗涤之后图2的试验位置，这样标记的第二抗体结合到所关注的结合分子；图4描绘了 ELISA阵列内现有技术试验位置的示意图，其中标记的第二抗体由于交叉反应性而与干扰分子结合，并且还被生理吸收到基底的表面，这提高了试验的背景噪声水平；图5描绘了多位置的生物传感器系统，所述系统构造成能在各种试验位置控制化学环境条件，以调节所关注分子在试验位置的亲合性；图6描绘了以微阵列形式提供数个不同试验位置的平台。图7描绘了可用于在平台上各种试验位置间接建立不同的试验化学环境的方法，这样可将样品暴露于多个测试环境；图8描绘了试验位置的示意图，其中标记的第二抗体与所关注的分子结合，由于交叉反应性与干扰分子结合，并且还被生理吸收到基底的表面，这提高了试验的背景噪声水平；图9描绘了试验位置的示意图，其与图8的试验位置相同地形成，并且暴露于与图8的试验位置相同的样品，但是在温育过程中保持不同于图8试验位置pH的pH，得到不同信号源(contributor)的不同结合效率；以及图10描绘了所关注分子同样浓度的三个样品在不同电压下的检出信号的图表，其显示了当可激活刺激物被电极激活，由此改变试验位置的化学环境时对试验位置捕集分子与所关注分子之间的亲合性的影响。
具体实施例方式为了增进对本发明原理的理解的目的，现参考附图中的举例说明和以下书说明书的文字描述的实施方案对本发明进行说明。应当理解，并无借此对本发明范围进行限制的目的。应进一步理解，本发明包括对图示说明的实施方案的任何改变和修改，并且包括本发明原理的进一步的应用，如本发明所涉及的技术人员通常所能想到的。参考图5，其描绘了总体标示为100的多位置生物传感器系统的显示图。生物传感器系统100包括I/O装置102、处理电路104和存贮器106。I/O装置102可以包括用户界面、图形用户界面、键盘、指示装置、远程和/或局部通信连接、显示器、以及其它装置，可允许外部产生的信息提供给生物传感器系统100，并且可允许生物传感器系统100的内部信息与外部通信。处理电路104合适地可以为通用计算机处理电路，例如微处理器及其相关的电路系统。可操作处理电路104执行本说明书中所属的运算。存贮器106内是各种程序指令108。程序指令108其中有一些在以下更完整说明，且程序指令108可通过处理电路104执行，和/或视情况而定通过生物传感器系统100的任何其它部件执行。亲合性数据库110也位于存贮器106内。生物传感器系统100进一步包括化学环境执行器设备112和化学环境检测器套件114。化学环境执行器设备112在本实施例中，在图6所绘的微阵列120内构造成能激活影响试验位置化学环境条件的可激活刺激物。各种方法可用来形成微阵列平台120。举例来说，US 5，807，522公开了形成微阵列的方法。微阵列平台120包括一些不同的子阵列122x。子阵列122x包括一些试验位置124。每一个子阵列122x都与各自的电极对126x有关。子阵列122dP相关的电极对126x的数量和布局，以及每一个子阵列122x内试验位置124的数量都可以在本发明范围内变化。在本实施方案中，可操作化学环境执行器设备112，使用电极对126x在微阵列平台120内建立电压曲线(profile)。因此化学环境执行器设备112可用来控制每一个试验位置124的pH，如以下更完整说明的。每个试验位置124内的准确pH可以通过检测器套件114检测。可在微阵列平台120上提供传感器，帮助测定每个试验位置124内的准确pH。系统100还包括标记阅读器116。标记阅读器116可以与系统100的其它部件一起包括在单一的装置中。可替代地，系统100的一个或多个部件可作为独立的装置配备，其位置可以远离系统100的其它部件。试验位置124用能有效捕获所关注生物分子的捕获剂制备。涉及生物传感器系统100的更多细节参考图7的工序(procedure) 130提供。处理器104执行程序指令108，执行图7工序130的至少一些。在不同的实施方案中，可以修改工序130，取决于具体的标准，可包括更多或更少的步骤。在图7的框132中，识别所关注的分子，然后识别与所关注分子有亲合性的抗体(框134)。然后识别带被识别抗体的所关注分子在各种不同化学环境条件的结合效率系数(a i)(框136)，并且存储在亲合性数据库110之一中(框138)。然后识别可能存在于被测试样品中的试验信号干扰或噪音的潜在源(框140)。信号干扰的识别可以包括，例如，对样品内对被识别抗体也有亲合性的可能或潜在分子的识另|J。然后识别带被识别抗体的每个噪声源在每个不同化学环境条件的结合效率系数(an)(框142)，并且存储在亲合性数据库110之一中(框144)。在框146，通过在每个试验位置124中沉积要求量的所选择捕获剂，制备微阵列平台120。在替代实施方案中，试验位置124的一个子集可以用第一捕获剂制备，而试验位置124的另一个子集可以用第二捕获剂制备，这样可允给在单个微阵列平台120内进行两个独立的试验。也可以使用单个微阵列平台120内的另外构造。举例来说，一个子阵列122内的每个试验位置可以用相同的捕获剂制备，而每个子阵列122则包括不同的捕获剂。在本实施方案中，用具体的捕获剂制备的试验位置124的数量可以选择至少与以上识别的噪声源加上所关注分子的数量相同。一旦制备好微阵列平台120，就制备本体溶液(框148)。本体溶液包括要测试的样品与可激活的刺激物。本说明书中使用的术语“可激活的刺激物”是一种物质，其可以以非活性状态存在于本体溶液中，而通过执行器则可以在本体溶液中激活到激活状态，其中本体溶液中的化学条件得到改变。一种可用于改变本体溶液pH的这类可激活的刺激物为两性电解质。两性电解质由兼具酸性和碱性化学基团的盐离子组成。两种化学基团的存在可使电解质能够同时质子化和去质子化。质子化和去质子化会影响两性电解质的酸解常数(Ka，或，表示为对数时的PKa)。具体地，两性电解质的质子给体反应的平衡可以用符号表示为:
权利要求
1.一种控制试验位置环境的方法，所述方法包括: 在基底上提供试验位置； 在所述试验位置提供第一可激活刺激物； 提供执行器，所述执行器构造成能激活位于试验位置的第一可激活刺激物； 控制所述执行器，激活第一可激活刺激物；以及 用第一被激活刺激物改变位于所述试验位置的局部化学环境。
2.权利要求1的方法，其中在试验位置提供第一可激活刺激物包括提供两性电解质。
3.权利要求2的方法，其中所述在试验位置提供可激活刺激物包括: 制备包含两性电解质的本体溶液；以及 将本体溶液弓I入试验位置。
4.权利要求1的方法，其中所述在试验位置提供第一可激活刺激物包括提供第一类微囊体珠粒。
5.权利要求4的方法，其中所述在试验位置提供第一可激活刺激物包括: 制备包括第一类微囊体珠粒的本体溶液；以及 将本体溶液弓I入试验位置。
6.权利要求5的方法,其还`包括: 在试验位置提供第二可激活刺激物，所述第二可激活刺激物包括第二类微囊体珠粒，其中第二类微囊体珠粒的激活特性不同于第一类微囊体珠粒的激活特性。
7.权利要求6的方法，其还包括: 确定位于试验位置的化学环境条件的要求值； 在控制执行器激活第一可激活刺激物之后，感测所述试验位置的化学环境条件； 比较感测的化学环境条件与所述化学环境条件的要求值；以及 基于对比结果，控制执行器激活第二可激活刺激物。
8.权利要求1的方法,其还包括: 在所述试验位置提供第二可激活刺激物，所述第二可激活刺激物的激活特性不同于第一可激活刺激物的激活特性。
9.权利要求8的方法，其还包括: 确定所述试验位置的化学环境条件的要求值； 在控制执行器激活第一可激活刺激物之后，感测试验位置的化学环境条件； 比较感测的化学环境条件与所述化学环境条件的要求值；以及 基于对比结果，控制执行器激活第二可激活刺激物。
10.权利要求9的方法，其中所述控制执行器激活第二可激活刺激物包括向基底上的电极施加电力。
11.权利要求9的方法，其中在基底上提供试验位置包括在CMOS基底上提供试验位置。
12.权利要求1的方法，其中所述基底为玻璃基底，所述方法还包括: 在所述玻璃基底上蚀刻至少一个电极；并且 通过硅烷偶联化学法将聚乙二醇(PEG)薄膜结合到玻璃载片上。
13.用于控制试验位置的化学环境条件的系统，其包括: 包括至少一个试验位置的基底；至少一种位于基底上、并且构造成在至少一个试验位置使用的可激活刺激物；以及 至少一个执行器，其布置成能激活在至少一个试验位置的至少一种可激活刺激物的至少之一。
14.权利要求13的系统，其还包括: 存储器； 存储在所述存储器内的多个命令指令；以及 可操作地连接到存储器及至少一个执行器、并且构造成能执行命令指令的控制器，以控制至少一个执行器激活至少一种可激活刺激物的至少之一。
15.权利要求14的系统，其还包括: 可操作地连接到控制器、并且构造成能感测试验位置的化学环境条件的传感器，其中控制器进一步构造成能根据感测到的试验位置化学环境条件来执行命令指令，以控制至少一个执行器激活至少一种可激活刺激物的至少之一。
16.权利要求15的系统，其中: 所述至少一种可激活刺激物包括第一可激活刺激物和第二可激活刺激物； 所述第一可激活刺激物构造成能响应第一激活输入而不是第二激活输入而激活；并且 所述第二可激活刺激物构造成能响应第二激活输入而激活。
17.权利要求16的系统，其中至少一个执行器包括至少一个共振器。
18.权利要求15的系统，其中至少一个执行器包括至少一个电极。
19.权利要求14的系统，其中所述基底包括CMOS基底。
20.权利要求14的系统，其中所述基底包括: 与至少一个试验位置间隔开的试验样品接收区；以及 包括试验样品接收区并且延伸到试验位置的流体路径，其中至少一种可激活刺激物布置在基底上，以使由试验样品接收区接收、并沿着流体路径传输的流体夹带至少一种可激活刺激物，并且将所述至少一种可激活刺激物输送到试验位置。
21.权利要求20的系统，其还包括: 构造成能接收包括至少一个试验位置的至少部分基底的阅读器，所述阅读器包括存储器和控制器。
22.权利要求13的系统，其中所述基底为包括以下部分的玻璃基底: 在玻璃基底上蚀刻的至少一个电极；以及 聚乙二醇(PEG)薄膜。
全文摘要
在一个实施方案中间接改变试验位置环境条件的系统和方法包括在基底上提供试验位置，在试验位置提供第一可激活刺激物，提供构造成能在试验位置激活第一可激活刺激物的执行器，控制执行器以激活第一可激活刺激物，以及用第一已激活刺激物改变试验位置的局部化学环境。
文档编号G01N33/543GK103119443SQ201180029207
公开日2013年5月22日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月13日
发明者S·卡伍斯, Y·W·陈, M·陈, C·朗 申请人:罗伯特·博世有限公司