制备生物传感器的方法

本说明书通常涉及形成生物传感器。基因组评价常常用于检测基因 组之中的各种基因或DNA序列、检测特异基因突变例如单核苷酸多态 性(SNP)以及检测生物研究、工业应用和生物医学中的mRNA物质。 通常，这些大规模技术包括在DNA芯片和微阵列上合成或沉积核酸序 列。这些芯片和阵列可用于检测基因组中基因的存在并对其进行鉴定， 以及评价细胞和组织中的基因调控模式。

在有些情况下，在形成所述芯片或阵列中的潜在问题是通过控制合 成并不能形成允许控制反应动力学和/或浓度的小量定位的异常液滴 (drop)的化学性质。目前，用于形成阵列的一些技术包括针脚阵列器 (pin arrayer)、移液管和大量涂装。虽然针脚阵列器可以以良好的空 间分辨率分配相对小的容积，但是它们通常不用来在相同位置分配多种 流体。在有些情况下，移液管通常不能将目的体积准确地定时和定点分 配。大量涂装通常不能用于特定表面的靶向功能化。

另外还有，当前许多技术在制备阵列中使用了湿化学品。使用湿化 学品的可能问题是：通常基本上应当立刻使用这些湿化学品，或在使用 前应当将它们冷冻保存。

传感器阵列也可用于微流体装置中。这些装置通常能分析一种或多 种样品的用于形成阵列的特殊参数。使用所述阵列的一个潜在问题是通 常不能检测单个样品的各种参数。

因而，需要提供基本上用于制备具有独特化学性质的传感器的控制 方法，其中所述的传感器具有可基本上被稳定保存在环境条件中的能 力。另外，需要提供可使用能检测单个样品的各种参数的传感器的系 统。

概要

公开了在基片预定区域上制备传感器的方法。该方法包括将多个层 分配到基片的预定区域上。该多个层中的每个层由具有基本上不同功能 的基本上不同流体而组成。通过液滴生成技术来进行层的分配。

附图简述

通过参考下列详述和附图，可使本发明的目的、特征和优点更清 楚，其中相似的参考数字相当于成分未必相同的类似物。出于简明目 的，不必将具有上述功能的参考数字在它们所出现的下列相关附图中进 行描述。

图1是在基片上具有生物传感器的诊断装置的实施方案示意图；

图2是在基片上具有生物传感器的诊断装置的替代实施方案示意 图；

图3是在基片上的阵列中具有多个生物传感器的诊断装置的透视 图；以及图4是微流体装置的实施方案示意图。

详细说明

本文中所定义的生物传感器的实施方案，可用于基于消费者的诊断 装置或系统，其中传感器能有利地诊断和/或监测多种好参数。

本说明书的传感器可用于检测基因组中基因的存在并对其鉴定，和 /或评价细胞和组织中的基因调控模式。该传感器的实施方案也可有利地 用于免疫标记(如与蛋白质、抗体和免疫测定有关)。本说明书的传感 器也可用于检测小分子抗原、激素、药物和/或类似物。另外，传感器可 用于制备使用了不同的单个传感器点的实验室晶片和/或实验室芯片，以 检测许多不同的目的分析物，例如来自单个生物样品的目的分析物。

可以理解的是，生物传感器的实施方案可有利地具有尺寸小和干燥 稳定的化学性质。不受任何理论的限制，据信如果本文中所公开诊断装 置的实施方案的诊断测试时间快一些是更有利的，这部分由于小的传感 器尺寸能基本上减少化学反应时间、基本上缩短温育期以及基本上加快 物质输送。另外，生物传感器的实施方案具有至少三个层，每一层都能 实施特殊独特的功能。另外，生物传感器的实施方案是脱水干燥的，从 而有利于允许传感器在使用前基本上被稳定地保存在环境条件下。

实施生物传感器的实施方案的方法实施方案，有利于能够在基本上 相同的时间和接近的空间分辨率(如，在基本上相同的位置中)中控制 分配(通过产生液滴的技术)多种流体。不受任何理论的限制，据信这 可允许用户控制在物质分配中所发生的异常化学反应。另外，通过允许 消费者控制干燥率和/或蒸发率，该方法的实施方案可有利地维持表面的 蛋白质构象和取向。另外，产生液滴的技术有利于允许控制构成生物传 感器实施方案的各种微滴的合成、反应动力学以及浓度。

另外，微流体装置含有数千个本说明书的生物传感器，其中每个被 装配成用于检测不同的参数和/或分析物。使用所述的装置，在每个特殊 传感器的前端分配(如果期望，还可制备)单个样品，从而有利于允许 从单个样品检测各种参数。

现在参考图1和图2，描绘了诊断装置10的两个实施方案。诊断装 置10的实施方案包括传感器14，它可用于诊断和/或监测某些参数，例 如各种最佳参数。这些最佳参数的实例包括但不限于慢性病标记、传染 病标记、分子生物学标记、药物和/或类似物。可以理解的是，图1和图 2所示的实施方案也可被引入系统100中，以用于诊断和/或监测所述的 最佳参数。还可理解的是，本文的发明特别适合于诊断装置10，还适合 于系统100的实施方案。

如图1和图2所示，诊断装置10包括基片12，在其上面排列着生 物传感器14的实施方案。可以理解的是，可使用任何合适的基底材料。 可选择用于基片12的物质的非限制性实例，包括玻璃、聚酯薄膜、聚 (甲基丙烯酸甲酯)、含有涂层的玻璃(其中非限制性的实例包括金涂 层的玻璃)、聚苯乙烯、石英、塑性材料、硅晶体、二氧化硅、和/或其 混合物/组合。

在一种实施方案中，生物传感器14包括至少一个层18。在替代的 实施方案中，传感器14包括多个层，在图1和图2中显示了其中的非 限制性实例。如本文中所用的，“多个层”是指两个或更多的层。可以 理解的是，在生物传感器14中，可包括超过两个的层(其中的非限制 性实例包括三层的16、18、20以及5层的16、18、20、22和24等等)。 然而，还可理解的是，可分配任意合适数目的层。在一种实施方案中， 根据制备层数目的实用性和/或需要性，部分地确定所分配层的数目。还 可理解的是，可分配所使用的层16、18、20、22和24中的任意一个， 使得存在特定层16、18、20、22和24中的一个或多个内层(未显示)。

如图1和图2中的两个实施方案所示，层16、18、20、22和/或24 中的每一层由基本上不同的流体形成，所述的流体具有相对于其它层彼 此不同的功能。在实施方案中，这些功能包括但不限于自组装、附着、 检测、保藏、保护、和/或其各种组合。

用于形成层16、18、20、22、24中的多个层的分配流体，可以是 生物的或非生物的流体。然而，可以理解的是层通常不由待分析的样品 组成。在如图1所示的非限制性实例中，所选的用于形成层16、18、20 的流体是能形成自组装的单层16、能形成检测分子/检测分子层18以及 能形成保藏层20的那些流体。在如图2所示的非限制性实例中，所选 的用于形成附加层22、24的流体是能形成共价附着层22和能形成保护 层24的那些流体。在另一个非限制性实例中，所选的用于形成生物传 感器14的流体是能形成共价附着层22、检测分子/检测分子层18、以及 能形成保护层24的那些流体。可以理解的是，只要所选的层/所选的层 中的一个能检测分子，则可选择任意组合的和任意数目的层16、18、20、 22、24。另外，尽管实例的功能/材料和本文中的各种层16、18、20、 22、24相关，可以理解的是层16、18、20、22、24可由具有任何期望 功能的任何合适材料形成。

如图1和图2所示，根据需要，可将任意自组装的单层16直接分 配在一些或全部的基片表面上。在生物传感器14中包含自组装的单层 16，至少部分地由于它能促进基片12和任何其它的沉积层18、20、22、 24之间的粘附性。另外，用于形成自组装的单层16的分配流体，包括 能在基片12的表面13的预定区域上进行自身排列的分子。可以理解的 是，用于形成自组装的单层16的分配流体，还包括不能形成“单层”、 但能基本上修饰基片表面13以基本上提高检测分子层18的粘附性和/ 或性能的分子。用于自组装的单层16的分子的非限制性实例，包括链 霉素、生物素化的抗体、硫醇、硅烷偶联剂(SCA)、高分子量葡聚糖 (其中的非限制性实例介于约70kDa和约100kDa之间)、聚凝胶、溶 胶和/或其混合物。

任选的共价附着层22可以被直接沉积在一些或全部的基片表面13 (未显示)上，或可以被沉积在一些或全部的上述沉积的自组装的单层 16(如图2所示)上。不受任何理论的限制，相信共价附着层可促进生 物传感器14的薄层之间的粘附性。具体地说，共价附着层22有助于将 分子检测层18基本上永久性地粘附在基片12上。不受任何理论的限 制，相信当自组装的单层16存在于生物传感器14中时，或当自组装的 单层不存在于生物传感器14中时，即发生所述的粘附。共价附着层22 的适宜实例，包括但不限于链霉亲和素、生物素、硅烷偶联剂上的活性 端基及其组合。

在图1和图2中，描绘了检测分子层18。生物传感器14的实施方 案包括检测分子18，它可部分地有利于参与诊断和/或监测加样孔参 数。检测分子可从测试溶液或流体中基本上捕获期望的分析物。可以理 解的是，选择检测分子层18使得它可部分地结合期望的被分析物。例 如，抗体可用于结合它们的抗原分子，DNA/RNA链可用于结合它们的 互补链，而小分子可用于结合抗体。在非限制性实例中，皮质醇是期望 的被分析物，抗皮质醇抗体可用作检测分子18。检测分子层18的其它 非限制性实例包括酶、抗体、结合酶、偶联抗体、糖蛋白、脱氧核糖核 酸分子、脱氧核糖核酸片段(寡聚体)、聚合物分子、核糖核酸、核糖 核酸片段、药物、适体、激素和/或其组合。

生物传感器14的实施方案任选地包括保藏层20(如图1和图2所 示)。保藏层20有助于延长生物传感器14的保存期限。不受任何理论 的限制，相信保藏层20可有利地帮助保护检测分子层18的功能。在实 施方案中，当传感器14基本上是脱水的时，保藏层20可在检测分子18 的周围基本上维持适量水分。相信，由保藏层20所提供的水分可基本 上维持检测分子18的3D构象，并可基本上防止检测分子18的变性。 在实施方案中，保藏层20包括但不限于，碳水化合物、伴侣蛋白质、 保温剂(其中的非限制性实例，包括具有分子量约300kDa的聚乙二 醇)、果胶、支链淀粉、明胶、溶胶、水凝胶、盐和/或其混合物。

如图2所示，另一个任选的层(可用于生物传感器14)的实例，是 保护层/钝化层24。保护层24可由碳水化合物、保湿剂、果胶、支链淀 粉、明胶、溶胶、水凝胶和/或其混合物组成。可以理解的是，通过基本 上限制传感器14的水分流失和基本上限制其暴露于紫外线和/或空气 中，保护层24通常还部分地保护和维持检测分子18的功能。进一步地， 保护层24可使得传感器14刚一暴露于期望样品就可基本上快速地再水 合。

通常，生物传感器14的实施方案包括自组装的单层16和/或共价附 着层22，它们可基本上增强检测分子层18对基片12的粘附力。另外， 可以理解的是，加入保藏层20和/或保护层24，有利于使得传感器14 在周围保存条件下基本上保持稳定。进一步地，通过基本上保持检测层 18的分子的功能和构象，保藏层20和/或保护层24可用来基本上保护 检测分子层18的功能。

现在参考图3，描绘了诊断装置10或系统100的实施方案。具体地 说，可将多个生物传感器中的每一个分配到位于基片12的单个槽、行 或列26中。

通常，适于形成装置10/系统100的方法的实施方案，包括在基片 12上的分配层，例如，在基片12上的多个层16、18、20、22、24。适 于形成图3所示装置10的方法的实施方案包括在基片12上的5个分配 层16、18、20、22和24。可以理解的是，可装配各个槽26中的各个传 感器，以检测一种或多种不同于由其它的各个传感器14所检测的参数 的参数。因此，每个传感器14可以含有层16、18、20、22、24的不同 的层材料和/或不同的结构。

使用液滴生成技术来分配每个层16、18、20、22和24。液滴生成 技术可允许将液滴基本上精确地定位于基片12上。然而，可以理解的 是，液滴位置的精确度取决于(至少部分取决于)用于维持和移动所分 配的流体的系统。在使用液滴生成技术的非限制性实例中，液滴位置的 精确度小于约1μm。

液滴生成技术的合适的非限制性实例包括具有一个或多个液滴生 成器(它包含与一个或多个容器流体连通的液滴喷射器)的喷射器顶端 和至少一个最终喷出不连续微滴的孔。可电子触发液滴生成器的部件以 释放液滴。可以理解的是，根据要求，以线性的或基本上非线性的阵列 或以具有任何二维形状的阵列，来确定液滴生成器的位置。

在喷射器顶端中，包含电子器件或电子线路，如限定液滴喷射部件 轮廓的薄膜线路或薄膜装置，例如电阻器或压力转换器。进一步地，电 子器件可包含驱动电路，例如晶体管、逻辑电路图和输入暴露于垫。在 一个实施方案中，薄膜装置包括电阻器，其中装配电阻器以接收电流脉 冲和在应答中产生热而形成气泡。在另一个实施方案中，薄膜装置包括 压电装置，其中装配压电装置以接收电流脉冲和改变对电流脉冲应答时 的规模。

应当理解的是，喷射器顶端的电子装置或电路可接收电信号，并在 应答中可触发一个或多个液滴生成器阵列。每个液滴生成器被脉冲活 化，使其在对接收脉冲电流或电压的应答中喷射不连续微滴。可分别定 位各个液滴生成器，或可基本上同时定位液滴生成器组。液滴生成技术 的一些非限制性的实例包括连续喷墨打印技术或按需滴落的喷墨打印 技术。连续喷墨打印技术的合适实例包括但不限于热力、机械和/或静电 激发方法以及静电、热力和/或声偏转方法及其组合。按需滴落的喷墨打 印技术的合适实例包括但不限于热喷墨打印、声喷墨打印、压电喷墨打 印及其组合。

为了形成图3中所示的传感器14，通过液滴生成技术，在基片表面 13上的各个预定区域(其中的非限制性实例包括基本上单独的槽26) 处分配自组装的单层16。在各个自组装的单层16上分配共价附着层 22。将检测分子层18分配在每个共价附着层22上，将保藏层20分配 在每个检测分子层18上，以及将保护层24分配在每个保藏层20上。 应当理解的是，对每个附加层18、20、22、24进行分配，使得它覆盖 全部或部分上述的已形成的层16、18、20、22、24。

在一种实施方案中，以液滴/小液滴的方式将层16、18、20、22、 24分配到基片表面13和/或另一面的层上。在一种实施方案中，液滴尺 寸可以是微微升以下(sub-pico liter)的流体的体积，其中所述的流体体 积是采用根据、至少部分地根据所用仪器的精度而变化的空间分辨率而 确立的。在一种实施方案中，空间分辨率至多为约3000dpi。在一个非 限制性实例中，空间分辨率大约是2400dpi。通常，液滴具有介于约10 毫微微升和约200微微升之间的尺寸。在一个层中，流体液滴是为了达 到期望密度和/或表面覆盖度的流体集合体。在具有多个层的传感器14 的实施方案中，各个层16、18、20、22、24具有不同体积的不同流体， 其中所述的体积部分地取决于分配液滴的数量和每个液滴的体积。

在每个层16、18、20、22、24中所含有的少量体积的液滴有利于 基本上降低常规分析的化学反应和典型的温育期，这部分因为分子扩散 所穿过的距离很小(如通过微微升尺寸的液滴转移的物质基本上快于通 过微升尺寸的液滴转移的物质)。

应当理解的是，将每个层16、18、20、22、24分配到基片表面13 上的预定区域。在一种实施方案中，确定预定区域，以将层16、18、20、 22、24分配到基片12上，使得它们以附图所示进行暴露于和/或重叠。 液滴生成技术的数字图像对照(其中的非限制性实例是喷墨打印)有利 于容许将各个槽26中的多种流体以所期望的在单个或特定区域中或基 本上穿过全部表面13的模式被分配到基片表面13上。在表面13上形 成生物传感器14的合适模式的非限制性实例包括条纹、纺织物花纹、 图解影像和/或其组合。一个阵列的实例在信用卡大小的装置上具有数百 个生物传感器14。

喷墨打印允许将多种相同或不同的流体层在控制时间内分配到基 片12的物理定位(预定区域)上。例如，在有或者没有处于分配过程 之间的干燥时间下，基本上同时分配选定的层16、18、20、22和/或24。 在替代的实施方案中，可连续地分配选择的层16、18、20、22和/或24。 可以将液滴分配之间的时间调节到处于基本上与在分配中之间流逝的 时间段同时的状况下(其中的非限制性实例包括秒、分、小时、天，等 等)。分配的时间取决于、至少部分地取决于用途和所用的设备装置。

另外，对液滴生成器分配的控制定时允许以控制方式在基片12上， 也发生化学反应动力学和合成反应，这部分因为通过基本上次要的物质 传输限制来控制反应物的一级浓度和产物。

通过控制干燥和/或蒸发速率，可有利地部分地控制表面13上的传 感器14的构象和取向。在一种实施方案中，通过在有利的时间时分配 不同的薄层，可部分地控制液滴干燥。有利于将层16、18、20、22、24 的分配定时的非限制性实例包括首先将自组装的单层16和共价附着层 22分配到基片12上，并使得它们静置期望的时间。可以理解的是，当 表面分配了检测分子层时，自组装的单层16和共价附着层22基本上是 湿的或基本上是干燥的。在分配检测分子层18和照原样干燥后，可以 在表面上分配保护层20。然后在期望的时间后，可以沉积保护层24。 应当理解的是，当加入保护层24时，传感器14基本上是湿的或基本上 是干燥的。

例如，通过配制分配液体(如加入保湿剂)和通过控制周围环境(如 温度、湿度)，可以控制层16、18、20、22、24的干燥速率。

液滴的脱水有利于形成层18(和任选的层16、20、22、24)，后 者有利地在周围条件下是稳定的并被保存。这是包含了需要立即使用或 冷冻保存的湿化学品的不同分析/装置。另外，保藏层和/或保护层20、 24可允许传感器14刚一暴露于期望的流体/溶液/样品就对其进行快速 再水化。

通常，液滴生成技术是非暴露于技术。非暴露于技术，如喷墨打印， 有利于确保表面形状和材料的独立性，还能确保基本上无污染的分配。

现在参考图4，描绘了微流体系统1000的实施方案。微流体系统 1000包括限定流体通道30的外壳28。外壳28还包括可向其中导入样 品的进口29。

在实施方案中，流体通道30被分成一个或多个流体导管32、34、 36。应当理解的是，图4中所示的三个导管32、34、36是非限制性的 实例，并且微流体系统1000可以含有适于特定最终用途的许多导管。 在非限制性实例中，微流体系统1000含有数千个导管32、34、36。

每个导管32、34、36具有区域33、35、37，在那里安置了生物传 感器14的实施方案。应当理解的是，区域33、35、37可位于导管32、 34、36中或与其相邻的任何所需位置。还应当理解的是，可使用本文中 公开的生物传感器14的任何实施方案。位于区域33、35、37的每个生 物传感器适合于检测暴露于其的样品的参数。应当理解的是，生个传感 器14可以被构造成用来检测一个或多个参数，这些参数与可以由每个 其它的传感器14所检测的一个或多个的参数不同。在非限制性实例中， 第一传感器14适合于检测互补的DNA链；而第二传感器14适合于检 测期望的抗体。

应当理解的是，可将导入外壳的样品分配到外壳28中，使得样品 的每个部分流过不同的导管32、34、36。另外，如果需要，可以将每个 导管32、34、36构造成用来分别制备样品的各部分。在每个导管32、 34、36中的样品制备(如果实施的话)通常发生在传感器14的上游。 这可能会允许样品的每个部分具有相应于每个传感器14的特定制备方 法，使得所述的样品部分可能会与特定的传感器14起化学反应，以检 测期望的参数。在一种实施方案中，在每个导管32、34、36中的样品 制备不同于在其它的每个导管32、34、36中发生的制备，这部分归因 于不同的传感器14。

应当理解的是，每个生物传感器14基本上独立于/相邻于管32、34、 36，使得样品的不同部分可以暴露于每个传感器14。当暴露于前面制备 的样品部分时，每个生物传感器14检测所述生物传感器被构造用来检 测的特定参数。

在非限制性实例中，微流体装置1000含有数千个不同的传感器 14，这些传感器位于数千个对应的导管中。这有利于允许导入、分配、 制备和测试单个样品的各种(如加样孔)被分析物/参数。

该生物传感器14的实施方案具有许多优点，包括但不限于下列。 该生物传感器14的实施方案具有多个层16、18、20等等，其中每个能 实施特定唯一的功能。另外，分配生物传感器14的实施方案以允许脱 水，从而有利地允许传感器14在环境中的稳定保存，直至使用。生物 传感器14有利于在基于消费者的诊断装置10或系统100中使用，其中 每个传感器14在槽26中基本上是分离的，并能检测不同于其它各个传 感器14的参数。这有利于诊断和/或监测各个加样孔的参数。另外，制 备生物传感器14的方法的实施方案，允许在期望时间内，以期望量的 方式来控制多个流体分配到期望的区域上。另外还有，生物传感器14 的实施方案可用于微流体装置1000。微流体装置1000有利地含有数千 个(其中的非限制性实例是一千或更多)生物传感器14，其中每个被装 配成用于检测不同的参数。使用所述的装置1000，在每个特定传感器的 上游分配并制备单个样品，从而有利于允许从单个样品检测各种参数。

当详细描述一些实施方案时，对本领域技术人员显而易见的是，可 改变所公开的实施方案。因此，上述说明被认为是用于举例证明而不是 用于限制。

背景