CN110114678A - 生物传感器 - Google Patents

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黄惠珍
全珍雨
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Abstract

本发明涉及生物传感器。根据本发明的一个实施方案的生物传感器包含：至少一个传感器条(10)，所述传感器条(10)包含具有预定长度的主体(11)、形成为从所述主体(11)的一个表面凹进的多个反应室(13)和设置在每个所述反应室(13)内的反应传感器部件(15)；以及固定板(20)，所述传感器条(10)可拆卸地附接至所述固定板(20)的一个表面。

Description

生物传感器
技术领域
本发明涉及生物传感器。
背景技术
金属纳米结构具有由纳米结构导带中电子的集体振荡(collectiveoscillation)引起的电偶极子特性。因此，纳米结构强烈地吸收或散射从外部入射的特定频率的光。这种现象称为局部表面等离激元共振(Localized Surface PlasmonResonance，LSPR)。在本文中，金属纳米结构对于光的吸收特性取决于金属纳米结构并且对金属纳米结构表面周围介质的复介电常数(复折射率)高度敏感。因此，LSPR可用作生物分子和化学物质的样品分析方法。
已经研究了利用这样的LSPR现象来测定生物或非生物样品的分析方法，以克服基于荧光的现有分析方法的缺点，例如复杂的样品处理和长的分析时间。
用于分析生物样品例如核酸和蛋白质的常用方法可分为如下两个主要领域。第一是通过使用紫外-可见(UV-VIS)光谱法测量光学吸光度来分析样品浓度的方法。在该方法中，通过使一定强度的光通过样品然后比较通过之前和之后的光强度来测量吸光度。这样的光学吸光度测量方法仅测量样品中包含的特定官能团的浓度。因此，存在应用一个或更多个另外的分析方法来定量分析生物反应中特异性结合物质的反应性和活性的不便。此外，该方法提供10-6M的低分析灵敏度，因此不适合分析通常需要10-12M的高分析灵敏度的生物样品。
第二是利用酶免疫测定，如现有技术专利文献(KR2013-0014713)中所公开的。酶免疫测定是常用于以10-12M的高分析灵敏度定量分析特定样品的反应性和活性的方法。酶免疫测定使用定量分析方法，其中使用酶标记抗体分析样品，所述酶标记抗体通过酶(例如过氧化物酶或半乳糖苷酶)与靶特异性抗原-抗体反应中的抗体的化学结合而形成。或者，可以使用荧光免疫测定，其中使用荧光染料(例如荧光素和罗丹明)标记的抗原或抗体和荧光分析仪来分析样品。
这些分析方法被广泛使用，因为它们允许以优异的检测灵敏度分析反应物与样品中的目标分析物之间反应的反应性和活性。然而，由于复杂的样品处理、用荧光染料标记样品或目标分析物或使用昂贵的分析仪，因此它们仍然存在测定时间长和测定成本高的问题。特别地，由于长的测定时间和根据目标分析物使用单独的靶特异性抗体的必要性，在药物开发或生物标志物开发期间，酶免疫测定或荧光免疫测定在快速筛选大量文库方面存在困难。
因此，迫切需要对于常规样品分析方法的问题的解决方法。
发明详述
本发明要解决的问题
本发明旨在解决常规技术的上述问题。本发明的一个方面是，在从传感器条的一个表面凹进的多个反应室中布置与样品反应并引起LSPR现象的检测结构。这提供了可容易地诱导样品反应而无需单独的样品预处理过程的生物传感器。
解决问题的方式
本发明的生物传感器包含至少一个传感器条，所述传感器条包含具有预定长度的传感器主体、从所述传感器主体的一个表面凹进的多个反应室，以及横跨每个反应室的内部空间布置的一个或更多个检测结构。
本发明的生物传感器还包含固定板，所述固定板具有可拆卸地附接所述传感器条的表面。
在本发明的生物传感器中，所述检测结构包含横跨所述反应室的内部空间布置的基底；和通过将引起LSPR现象的导电纳米颗粒或纳米结构分散设置而形成在所述基底的两个表面中的至少一个上并且与样品中的目标分析物反应的薄膜层。
在本发明的生物传感器中，提供多个检测结构，并且在反应室中所述检测结构彼此水平间隔开。
本发明的生物传感器还包含从传感器主体的一个表面凹进以便与反应室连通的样品注入孔。
在本发明的生物传感器中，所述固定板包含沿其厚度方向穿孔的光通过孔，以使得从所述固定板的表面方向辐照的光进入所述检测结构或者使得向所述固定板的表面方向辐照的光穿过所述光通过孔。
在本发明的生物传感器中，形成多个上述光通过孔，以与横跨每个反应室的内部空间布置的检测结构一一对应。
本发明的生物传感器还包含从所述固定板的一个表面突出的***凸起，其中所述传感器主体凹进或穿孔以形成***凹口，所述***凸起***所述***凹口中以使得所述传感器条附接至所述固定板。
本发明的生物传感器还包含固定凸起，固定凸起与***凸起间隔开并从固定板的一个表面突出，其中所述主体一端的角部向内凹进，使得在所述***凸起******孔时，所述角部卡在所述固定凸起与所述***凸起之间。
通过以下参照附图的描述，根据本发明的特征和优点将变得明显。
在详细描述本发明之前，应理解的是，鉴于本发明人能够恰当地定义术语和词语的概念以用最佳方法描述他/她的发明的原理，说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为具有常见和字典含义，而是被解释为具有与根据所公开实施方案的技术精神相对应的含义和概念。
发明效果
根据本发明的生物传感器通过在分散设置在基底的一个表面和另一个表面中的至少一个上的金属纳米颗粒或纳米结构的薄膜层上诱导LSPR现象来定量检测样品，所述基底横跨传感器条的每个反应室的内部空间布置。生物传感器可以容易地诱导生物样品之间或生物样品与非生物样品之间的反应，而无需单独的样品预处理过程。
在根据本发明的生物传感器中，传感器条包含多个反应室。配置成与目标分析物特异性结合的多个检测结构布置成横跨每个反应室的内部空间平行堆叠。考虑到该点，可以同时进行多种蛋白质定量分析或免疫测定，从而减少样品分析所需的时间。
另外，使用本发明的生物传感器的样品分析方法基于LSPR现象，并因此不需要发色团标记，这与需要用发色团标记样品分子的复杂步骤的酶免疫测定不同。因此，该生物传感器允许通过仅用可见光光谱分析仪的简单的检测过程来对样品进行定量分析。
附图简述
图1是根据本发明一个实施方案的生物传感器的透视图。
图2是图1中所示的检测结构的放大视图。
图3是根据本发明另一个实施方案的传感器条的透视图。
图4是根据本发明另一个实施方案的生物传感器的透视图。
实施本发明的最佳方式
通过参照附图的下面的详细描述和一些优选实施方案，本发明的目的、具体优点和新特征将变得更加明显。应当注意的是，在本说明书中相同的附图标记以尽可能相同的数字表示为附图的元件，即使它们显示在其他附图中。此外，术语“第一”、“第二”等用于将一个元件与另一个元件区分开，因此元件并不限于此。在下文中，在本发明的描述中，将省略可能不必要地使本发明的主旨模糊的相关已知技术的详细说明。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的一些优选实施方案。
图1是根据本发明一个实施方案的生物传感器的透视图，图2是图1中所示的检测结构的放大视图。
如图1和图2中所示，根据本发明一个实施方案的生物传感器包含至少一个传感器条(10)，所述传感器条(10)包含具有预定长度的传感器主体(11)、从传感器主体(11)的一个表面凹进的多个反应室(13)和横跨每个反应室(13)的内部空间布置的一个或更多个检测结构(15)。
表面等离激元共振(surface plasmon resonance，SPR)是指通过电子与具有特定波长的光子耦合，在导电材料表面上或附近产生的表面等离激元耦子(surface plasmonpolariton，SPP)的传播的现象。一般来说，SPR是沿着具有负介电常数的金属与具有正介电常数的介质之间的界面传播的导带电子的集体振荡的现象。与入射电磁波相比，SPR使得强度增强，并且显示出隐失波的特征，其随着从界面垂直地远离而呈指数衰减。
SPR可以归类为在介电材料与10至200nm厚的平金属表面之间的界面处观察到的传播性表面等离激元共振(propagating surface plasmon resonance，PSPR)；以及从纳米颗粒或纳米结构观察到的局部表面等离激元共振(LSPR)。基于LSPR的生物传感器检测显示最大吸收或散射的LSPR波长的变化，其取决于纳米颗粒或纳米结构表面上的化学和物理环境的变化(例如，表面附近的介质的折射率的变化)。LSPR波长变化的检测允许区分特定分子或分析介质中特定分子的浓度；LSPR对折射率的变化非常敏感，并且允许无标记检测。制造根据本发明的生物传感器，以使得应用LSPR。
具体地，根据本发明一个实施方案的生物传感器包含传感器条(10)，每个传感器条(10)包含传感器主体(11)、反应室(13)和检测结构(15)。每个传感器条(10)具有预定长度和宽度的板形的结构，其中反应室(13)形成在传感器主体(11)中，并且检测结构(15)横跨每个反应室(13)的内部空间布置。
反应室(13)从传感器主体(11)的一个外表面凹进，并且多个反应室(13)沿传感器主体(11)的纵向方向排列。将样品溶液注入反应室(13)内，并通过布置在其中的检测结构(15)检测样品溶液中的目标分析物。
检测结构(15)横跨多个反应室(13)中的每一个的内部空间布置，使得其浸没在容纳在反应室(13)中的样品溶液中。因此，检测结构(15)与样品溶液中的目标分析物反应，并通过外部辐照的光产生LSPR来对样品溶液进行分析。
在此，检测结构(15)可以包含基底(16)和薄膜层(19)(参照图2)。基底(16)是横跨反应室(13)的内部空间布置的组件。基底(16)可以是光学透明或不透明基底(16)，但光学透明基底(16)是优选的。光学透明基底(16)可以由例如玻璃或具有一定程度光学透明度的聚合物材料制成。聚合物材料可包含聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、三乙酰纤维素(TAC)、环烯烃、聚芳酯、聚丙烯酸酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯或聚酰胺。然而，聚合物材料不必限于此。光学不透明基底(16)可以由蓝宝石、单晶硅制成。然而，基底(16)的材料不限于上述材料，并且考虑到目标分析物的条件、制造工艺等，可以使用多种其他材料。薄膜层(19)是形成在基底(16)的两个表面中的至少一个上的层。
薄膜层(19)是形成在基底(16)的两个表面中的至少一个上的层，并且通过分散设置引起LSPR的导电纳米颗粒或纳米结构而形成。薄膜层(19)可以形成在基底(16)的仅一个表面上或基底(16)的两个表面上。此时，导电纳米颗粒或纳米结构可具有选自纳米球、纳米管、纳米柱、纳米棒、纳米孔、纳米线、或其组合的任何形状。根据形状，纳米颗粒或纳米结构可以是完全填充的、多孔的或中空的。导电纳米颗粒或纳米结构可以是碳、石墨、半金属、金属、半金属合金、金属合金、导电金属氧化物、导电金属氮化物的导电颗粒；或芯-壳结构颗粒，其中导电层例如金属薄膜涂覆在绝缘芯上。然而，导电纳米颗粒或纳米结构不必限于上述形状和材料。
另一方面，导电纳米颗粒或纳米结构通过黏合剂固定在基底(16)上，其中黏合剂可以是离子聚合物，例如聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚烯丙基胺盐酸盐、聚4-乙烯基苄基三甲基氯化铵、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚4-苯乙烯磺酸钠、聚乙烯基磺酸、聚钠盐、聚氨基酸、或其混合物。然而，黏合剂不限于上述聚合物，只要其是能够将纳米颗粒或纳米结构固定在基底(16)上的材料即可。
检测结构(15)横跨反应室(13)的内部空间布置。因此，当将样品溶液注入反应室(13)时，检测结构(15)的薄膜层(19)与样品溶液中的目标分析物反应。此时，为了使薄膜层(19)与目标分析物结合，可以将与样品溶液中的目标分析物特异性结合的检测物质固定在薄膜层(19)上。检测物质可以是，例如，低分子量化合物、抗原、抗体、蛋白质、肽、DNA、RNA、PNA、酶、酶底物、激素受体和具有官能团的合成试剂。然而，上述检测物质仅是示例性的，因此检测物质不必限于此。检测物质可包含与目标分析物结合的任何已知物质，包括这样的物质的组合。将检测物质固定在薄膜层(19)，即导电纳米颗粒或纳米结构上，或固定在黏合剂上；并且使其与目标分析物特异性地结合，从而将目标分析物与薄膜层(19)结合。然而，检测物质不一定固定在薄膜层(19)上。
上述检测结构(15)允许传感器条(10)用于蛋白质定量、免疫测定和其他测定。生物传感器可包含一个或更多个传感器条(10)，并且每个传感器条(10)可包含多个反应室(13)和检测结构(15)。每个传感器条(10)中多个反应室(13)和检测结构(15)的存在使得能够同时分析多个样品。也就是说，可以对同一样品进行不同的分析；或者当不同的检测物质固定在每个反应室(13)的薄膜层(19)上时，可以分析不同的样品。形成反应室(13)的开口的传感器条(10)的表面的相对表面可以布置在固定板(20)上。
固定板(20)具有预定宽度和厚度的板的形状。传感器条(10)可拆卸地附接至固定板(20)的一个表面。传感器条(10)可以通过***凸起(40)和***孔(12)附接至固定板(20)和从固定板(20)拆卸。***凸起(40)***并固定至***孔(12)。***孔(12)可以凹进或穿孔以具有与***凸起(40)的外形相对应的形状。由于其相应的形状，***凸起(40)可释放地从***孔(12)抽出。***凸起(40)可以从固定板(20)的一个表面突出，并且***孔(12)可以形成在传感器条(10)的传感器主体(11)的相对表面上，使得传感器条(10)可以附接至固定板(20)上或从固定板(20)拆下。或者，***凸起(40)可以形成在传感器条(10)上，并且***孔(12)可以形成在固定板(20)中。
需要用外部光辐照检测结构(15)以引起LSPR。因此，固定板(20)可以沿其厚度方向穿孔以形成光通过孔(21)。反应室(13)布置在形成于固定板(20)中的光通过孔(21)上。
在此，引起LSPR的光可以辐照到固定板(20)的一个表面或相对表面上。辐照到固定板(20)的一个表面上的光穿过检测结构(15)，并随后通过光通过孔(21)穿过固定板(20)。在另一方面，辐照到固定板(20)的相对表面上的光通过光通过孔(21)穿过固定板(20)，并随后进入检测结构(15)以引起LSPR。同时，在一个传感器条(10)中，形成多个反应室(13)，并且在每个反应室(13)中布置多个检测结构(15)。因此，在固定板(20)中形成多个光通过孔(21)以与每组检测结构(15)一一对应。
总之，根据本发明的生物传感器通过在分散设置在基底(16)的一个表面和另一个表面中的至少一个上的金属纳米颗粒或纳米结构的薄膜层(19)上诱导LSPR现象来定量检测目标分析物，所述基底(16)横跨传感器条(10)的反应室(13)的内部空间布置。生物传感器可以容易地诱导生物样品之间或生物样品与非生物样品之间的反应，而无需单独的样品预处理过程。
另外，在根据本发明的生物传感器中，传感器条(10)包含多个反应室(13)。多个检测结构(15)横跨每个反应室(13)的内部空间布置。在这点上，可以同时进行多种的蛋白质定量分析或免疫测定，从而减少样品分析所需的时间。
此外，样品分析方法基于LSPR现象，并因此不需要发色团标记，这与需要用发色团标记样品分子的复杂步骤的酶免疫测定不同。因此，根据本发明的生物传感器允许通过仅用可见光光谱分析仪的简单的检测过程来对样品进行定量分析。
实施本发明的方式
图3是根据本发明另一个实施方案的传感器条的透视图，并且图4是根据本发明另一个实施方案的生物传感器的透视图。
如图3和图4中所示，根据本发明一个实施方案的传感器条(10)可包含多个检测结构(15)。在此，多个检测结构(15a，15b，15c)可以沿反应室(13)的深度方向彼此间隔开。因此，基底(16)布置成面向另一基底(16)。多个基底(16)的布置可以彼此平行，但不一定是平行的。
另外，根据本发明一个实施方案的生物传感器还可包含样品注入孔(30)。在此，样品注入孔(30)可以从传感器主体(11)的一个表面凹进以便与反应室(13)的内部空间连通。通过样品注入孔(30)将样品溶液注入反应室(13)中，并使检测结构(15)浸入样品溶液中。
另外，根据本发明一个实施方案的生物传感器还可包含固定凸起(50)，以将传感器条(10)更牢固地固定至固定板(20)。固定凸起(50)从固定板(20)的一个表面突出并与固定板(20)上的***凸起(40)以预定间隔隔开。此处，传感器条(10)的主体(11)一端的角部形成为向内凹进，使得在所述***凸起(40)******孔(12)时，所述角部卡在所述固定凸起(50)与所述***凸起(40)之间，并且结果，传感器条(10)牢固地固定至固定板(20)。
在下文中，将描述使用根据本发明的生物传感器分析样品的方法(参照图1至图4)。
首先，对于根据本发明的生物传感器，将含有与样品溶液中的目标分析物特异性反应的检测物质的检测样品通过样品注入孔(30)注入反应室(13)中。此时，横跨反应室(13)的内部空间布置的检测结构(15)浸入检测样品中，并且检测物质固定在检测结构(15)的薄膜层(19)上。在检测物质固定在检测结构(15)上之后，将生物传感器布置在光谱分析仪中，并随后在向固定板(20)的相对表面辐照光时测量吸光度。然而，不一定必须进行上述吸光度的测量。
如前所述，当检测物质固定在检测结构(15)上时，将样品溶液通过样品注入孔注入反应室的内部空间中，使得检测结构(15)浸入样品溶液中。此时，检测结构(15)中的检测物质与样品溶液中的目标分析物反应。例如，当检测物质是抗体并且目标分析物是抗原时，引起抗体-抗原反应。
可以通过在将生物传感器的检测结构(15)浸入容纳在反应室(13)中的样品溶液中时将所述生物传感器布置在光谱分析仪中来分析样品。此时，优选在布置生物传感器之前预热光谱分析仪，并且一旦将检测结构(15)浸入样品溶液中就将生物传感器布置在光谱分析仪中。然而，不一定要预先预热光谱分析仪。
尽管本文中已经参照一些具体实施方案描述了本发明，但是这些实施方案并不用来限制本发明，而是出于说明性目的而陈述。对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和改进。
本文中所公开的多种实施方案的这样的简单修改和改进都在本发明的范围内，并且本发明的具体范围将由所附权利要求书另外限定。
[附图标记的解释]
10：传感器条；
11：传感器主体；
12：***孔；
13：反应室；
15、15a、15b、15c：检测结构；
16：基底；
19：薄膜层；
20：固定板；
21：光通过孔；
30：***孔；
40：***凸起；
50：固定凸起
工业实用性
根据本发明的生物传感器允许通过产生LSPR现象来定量检测样品，并且可以容易地引起生物样品之间或生物样品与非生物样品之间的反应，而无需单独的样品预处理过程。因此，认识到该生物传感器的工业实用性。

Claims (9)

1.生物传感器，其包含至少一个传感器条，所述传感器条包含具有预定长度的传感器主体、从所述传感器主体的一个表面凹进的多个反应室以及布置在每个所述反应室中的一个或更多个检测结构。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其还包含固定板，所述固定板具有可拆卸地附接所述传感器条的表面。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述检测结构包含横跨所述反应室的内部空间布置的基底；和通过将引起LSPR现象的导电纳米颗粒或纳米结构分散设置而形成在所述基底的两个表面中的至少一个上并且与样品中的目标分析物反应的薄膜层。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其中提供多个所述检测结构，并且在所述反应室中所述检测结构彼此水平间隔开。
5.根据权利要求1所述的生物传感器，其还包含从所述传感器主体的一个表面凹进以便与所述反应室连通的样品注入孔。
6.根据权利要求2所述的生物传感器，其中所述固定板包含沿其厚度方向穿孔的光通过孔，以使得从所述固定板的表面方向辐照的光进入所述检测结构或者使得向所述固定板的表面方向辐照的光穿过所述光通过孔。
7.根据权利要求6所述的生物传感器，其中形成多个所述光通过孔，以与布置在每个反应室中的检测结构的组一一对应。
8.根据权利要求2所述的生物传感器，其还包含从所述固定板的一个表面突出的***凸起，其中所述传感器主体凹进或穿孔以形成***凹口，所述***凸起***所述***凹口中以使得所述传感器条附接至所述固定板。
9.根据权利要求8所述的生物传感器，其还包含固定凸起，所述固定凸起与所述***凸起间隔开并从所述固定板的一个表面突出，其中所述传感器主体一端的角部向内凹进，使得在所述凸起******孔时，所述角部卡在所述固定凸起与所述凸起之间。
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