用于快速生物传感的设备和方法

背景技术：

技术实现思路

1、在一方面，本发明涉及测量体积中的目标分析物的浓度的方法，其包括：提供生物传感器；将生物传感器暴露于体积；周期性测量传感器响应；当分析物结合至表面上的捕获探针时，计算测量的传感器响应的斜率；和基于测量的传感器响应的斜率计算体积中的目标分析物的浓度。在一个实施方案中，生物传感器包含传感器表面和至少一个表面捕获探针。在一个实施方案中，计算测量的传感器响应的斜率的步骤包括多次计算在结合阶段期间测量的传感器响应的斜率，并将计算的斜率求平均。在一个实施方案中，生物传感器包含配置为提高传感器的时间分辨率的脉冲整形电路。在一个实施方案中，生物传感器包含配置为在结合阶段期间减少传感器响应中的噪声的脉冲整形电路。在一个实施方案中，脉冲整形电路包含(cr)n-(rc)m电路。在一个实施方案中，(cr)n-(rc)m电路被配置用于在信号的脉冲整形中使用，其中时间常数为1至1000sec-1。在一个实施方案中，(cr)n-(rc)m电路包含(cr)2-(rc)2电路。在一个实施方案中，计算测量的传感器响应的斜率的步骤包括基于脉冲整形检测电路的输出来校准。在一个实施方案中，方法还包括校准生物传感器用于量化缔合和解离速率常数的步骤。

2、在一方面，本发明涉及用于测量体积中的目标分析物的浓度的系统，其包含：具有传感表面和输出端的生物传感器，该输出端被配置为基于来自传感表面的响应来改变电信号；和脉冲整形检测电路，其被配置为提高传感的时间分辨率和在结合阶段期间减少传感器响应中的噪声。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路包含两个串联连接的具有输入和输出的一阶高通滤波器，使串联的输入电连接至输出端。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路包含具有输入和输出的二阶低通滤波器，二阶低通滤波器的输入连接至串联的输出。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路包含具有输入和输出的增益级，增益级的输入连接至二阶低通滤波器的输出。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路包含(cr)n-(rc)m电路。在一个实施方案中，(cr)n-(rc)m电路被配置用于在信号的脉冲整形中使用，其中时间常数为1至1000sec-1。在一个实施方案中，(cr)n-(rc)m电路包含(cr)2-(rc)2电路。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路包含沿信号链的多个放大级。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路的电信号输出是分析物浓度的预测值(predictor)。在一个实施方案中，脉冲整形检测电路的输出的幅度与前端生物传感级的电输出信号的斜率成比例。

3、在一个实施方案中，脉冲整形检测电路的前端传感级包含生物传感器的差示放大器对。在一个实施方案中，前端传感级的输出信号供给脉冲整形检测电路的信号链。在一个实施方案中，差示放大器对的一个生物传感器在其表面上具有捕获探针。在一个实施方案中，差示放大器对的一个生物传感器在其表面上没有捕获探针。在一个实施方案中，生物传感器的差示放大器对抵消由于非特异性结合所致的电信号。在一个实施方案中，生物传感器的差示放大器对抵消环境噪声。在一个实施方案中，前端生物传感级是单级放大器。在一个实施方案中，前端生物传感级的输出供给脉冲整形电路的信号链。在一个实施方案中，前端放大器的生物传感器在其表面上具有捕获探针。

4、在一方面，本发明涉及包含官能化生物传感器的设备，所述官能化生物传感器用于检测分析物的存在，包含：涂覆有外部刺激-响应聚合物层的场效应晶体管(fet)，其中外部刺激-响应聚合物层被配置为经由局部外部刺激来被局部改性以在期望的传感区中暴露化学官能团，所述化学官能团被配置为附着至捕获分子。在一个实施方案中，热-响应聚合物包含第一官能团和第二官能团，其中外部刺激从聚合物去除第一官能团，使得第二活化官能团被暴露。在一个实施方案中，第一官能团包含四氢吡喃基氨基甲酸酯、胺n-氧化物、四氢吡喃基醚、三苯甲基醚、四氢吡喃基碳酸酯、s-四氢吡喃基羰基、二乙化二硫、环丙烯酮、和叔丁基酯基团中的至少一种，并且其中第二活化官能团包含胺、醇、酚、或硫醇中的至少一种。在一个实施方案中，第二官能团是胺。在一个实施方案中，聚合物由可逆加成断裂(raft)聚合、原子转移自由基聚合(atrp)或氮氧化物介导自由基聚合产生。

5、在一个实施方案中，聚合物由式am-bn表示；其中m和n独立地为正整数；a是包含交联官能团的单体残基；b包含具有被保护的官能团的单体残基，所述被保护的官能团可通过外部刺激去保护；和a和b每个连接至聚合物主链。在一个实施方案中，聚合物由式am-bn-co表示；其中m、n和o独立地为正整数；a是包含交联官能团的单体残基；b包含具有被保护的官能团的单体残基，所述被保护的官能团可通过外部刺激去保护；和c是包含增溶基团的单体残基；其中a、b和c每个连接至聚合物主链。在一个实施方案中，a包含肉桂酸甲酯。在一个实施方案中，b包含四氢吡喃基氨基甲酸酯、胺n-氧化物、四氢吡喃基醚、三苯甲基醚、四氢吡喃基碳酸酯、s-四氢吡喃基羰基、二乙化二硫、环丙烯酮、和叔丁基酯基团中的至少一种。在一个实施方案中，c包含烷基、烷氧基或芳基链。在一个实施方案中，聚合物主链包含一种或多种聚合物，所述聚合物选自由以下组成的组：聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸酯)、聚(酯)、聚(苯乙烯)、聚(酰胺)、聚(烯烃)和它们的组合、共聚物、统计共聚物、梯度共聚物或嵌段共聚物。

6、在一个实施方案中，外部刺激是热且聚合物是热响应的。在一个实施方案中，官能团在热响应聚合物的局部加热时产生或活化。在一个实施方案中，局部外部刺激包含电磁辐射。在一个实施方案中，暴露的官能团包含选自由以下组成的组的官能团：硫醇、醇、羧酸及其衍生物、胺、炔烃、醛和酮。在一个实施方案中，暴露的官能团进一步转化为炔烃、叠氮化物、环炔烃、环丙烯酮基团。在一个实施方案中，暴露的官能团被配置为使用点击化学反应来附着期望的捕获分子，所述点击化学反应选自由以下组成的组：硫醇-烯、硫醇-炔、铜催化的炔烃-叠氮化物环加成、张力促进的炔烃-叠氮化物环加成、硫-氟化物交换和狄尔斯-阿尔德反应。在一个实施方案中，暴露的官能团被配置为经由二叠氮化物和二炔的1,3-环加成以形成聚(亚芳基亚三唑基)(poly(arylenetriazolylene))来附着期望的捕获分子。在一个实施方案中，暴露的官能团被配置为经由叠氮化物和炔烃的点击反应以形成具有1,2,3-三唑官能团的聚合物来附着期望的捕获分子。在一个实施方案中，捕获分子选自由以下组成的组：适配体、抗体、抗体片段、寡核苷酸、肽、酶、纳米抗体和小分子。

7、在一个实施方案中，设备还包含第二fet，所述第二fet不包含捕获分子；其中第二fet被配置用于差示检测。在一个实施方案中，使用在阵列中配置的多个不同捕获分子来官能化设备；其中所述设备被配置用于多种分析物的并行检测。在一个实施方案中，扫描探针、扫描电子束或局部光源用于向聚合物层施加局部电磁场。在一个实施方案中，通过印刷方法使官能团或捕获分子固定在聚合物或fet传感区域上。在一个实施方案中，第二聚合物沉积在外部刺激-响应聚合物层的顶部上，其中第二聚合物被配置为防污涂层以减小传感区域外的捕获分子的非特异性结合。在一个实施方案中，通过局部外部刺激去除第二聚合物以暴露外部刺激-响应聚合物层。在一个实施方案中，传感电极与fet集成在同一芯片上。在一个实施方案中，传感电极与fet位于不同的芯片上；其中传感电极被配置为扩展栅极(extended gate)。在一个实施方案中，检测电路与fet集成。在一个实施方案中，检测电路是分离的并与fet分开制造。在一个实施方案中，设备还包含在fet的阵列内集成的检测电路。

8、在另一方面，本发明涉及制备生物官能化的生物传感器的方法，其包括：提供包含半导体层的晶体管；用外部刺激-响应聚合物层涂覆晶体管；向外部刺激-响应聚合物层的区域施加局部外部刺激，由此在聚合物层的表面的区域上产生活化官能团；和将聚合物层暴露于捕获分子，其中捕获分子附着至聚合物层的活化官能团。在一个实施方案中，局部外部刺激包含热。在一个实施方案中，使用热扫描探针光刻(tspl)来施加热。在一个实施方案中，使用聚焦光或激光来施加热。在一个实施方案中，局部外部刺激包含局部电磁辐射。在一个实施方案中，使用扫描探针、扫描电子束或局部光源来施加局部电磁辐射。

9、在一个实施方案中，活化官能团包含胺基团。在一个实施方案中，所述方法还包括将胺官能化以产生官能团的图案的步骤，所述官能团选自以下的组：胺、酰胺、铵、马来酰亚胺、醛、硫醇、生物素、炔烃、环炔烃、环丙烯酮、烯烃和叠氮化物。在一个实施方案中，捕获分子选自由以下组成的组：适配体、抗体、抗体片段、寡核苷酸、肽、酶、纳米抗体和小分子。在一个实施方案中，聚合物由自由基聚合产生。

10、在一方面，本发明涉及检测感兴趣的分析物的存在的方法，其包括：提供本文公开的设备；获得样品；向设备给予样品；和检测fet电信号的改变，由此表明样品中目标分析物的存在。在一个实施方案中，目标分析物在流体样品中。在一个实施方案中，目标分析物在空气样品中。在一个实施方案中，目标分析物选自由以下组成的组：蛋白质、核酸、蛋白质片段、抗原、抗体、表面受体、激素、生长因子、细胞、病毒颗粒、细菌、分泌型化合物、重金属、毒素、有毒分子、爆炸物、污染物和代谢物。在一个实施方案中，样品是从受试者获得的样品。在一个实施方案中，样品是环境样品。