生物测定系统以及检测体液内分析物的方法技术方案

一种生物传感器平台，其被配置为在具有增强灵敏度的共振光栅结构的表面上具有上转换纳米颗粒。在其共振模式之一下利用光束照射该光栅结构，从而在表面形成强的消散场，并用于高的灵敏度测定。该强的消散场触发上转换纳米颗粒在光栅表面产生增强的局部发射，其具有来自光栅衬底的低的背景和低的自体荧光。因此获得在生物测定中，分析物检测方面的改进性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种生物测定系统以及一种用于检测体液内分析物的方法。更具体而言，本专利技术涉及一种包括共振光栅结构的生物测定装置(例如免疫测定装置)，以及一种利用上转换纳米颗粒(upconvertingnanoparticle)和该共振光栅结构来检测体液中的分析物的方法。
技术介绍
传统上，在生物测定装置中将荧光团用作标记。然而，荧光团随着时间流逝而发生光漂白(photobieaching)。已经进行了各种尝试以使用上转换纳米颗粒(即，直径在1纳米至100纳米之间并且发射光波长短于激发光波长的颗粒)作为生物测定装置中的标记，因为上转换纳米颗粒不会发生光漂白。然而，上转换纳米颗粒的应用引发了其他问题。例如，由于上转换纳米颗粒的量子效率低，并且它们的激发需要相对高的光水平(例如，100mW的980nm聚焦光)，所以上转换纳米颗粒的发光相当弱。因为上转换纳米颗粒的量子效率(QE)通常小于0.3％，所以上转换发光弱。相比之下，常规荧光标记明显更亮，因为它们的QE可以大于20％。用于改善上转换发光的一种方法是化学改性纳米颗粒表面，但是该方法的成功具有限制性。
技术实现思路
上转换纳米颗粒是生物测定中有前景的荧光团和/或标记，因为它们提供了几乎无背景的检测系统，基本上没有光漂白作用。本文所使用的“上转换”是指在比激发光短的波长下发射光。例如，纳米颗粒可以吸收多个近红外(NTR)光子(例如，在约980nm处的两个或三个光子)，然后在可见区域发射绿光(约510nm)或红光(约650nm)。在生物样品中很少发生“上转换”过程(即，在比激发光波长短的波长下发光)。利用常规连续波(CW)光源(例如，不需要具有高峰值功率，导致高自体荧光的飞秒脉冲NIR激光器)能够观察到该过程。因此，探测光束将仅触发来自上转换纳米颗粒的发光，并且几乎从不触发来自生物样品的发光。因此，当将NIRCW光用于激发并且对蓝色偏移的发射进行检测时，使用上转换纳米颗粒可以获得几乎无背景的检测。在生物测定应用中，这样的无背景检测可以使得感测能力得到改进。通常，背景水平决定测定中的检测下限，当背景水平太高时，测量精度受损。特别地，UV光源通常用于生物测定中，其导致来自样品的自体荧光和散射的高背景，并且在体液样品(例如全血)的分析中无法获得分析结果。因此，需要开发一种新型生物测定装置，其可以解决光漂白的问题、减少背景和光散射(这是常规光源(例如UV光)的特征)，并增强来自目标分析物的发光。下面将对上转换纳米颗粒如何用作为标记，以克服发光弱、荧光团漂白和来自样品的背景自体荧光的问题进行更详细地描述。本专利技术的一个目的在于增强来自上转换纳米颗粒的发光，联合共振光栅结构以实现用于检测分析物(例如但不限于体液中的蛋白质，病原体和电解质)的高灵敏度生物传感平台。上转换纳米颗粒的增强的发光是重要的，因为相对于传统荧光染料、量子点或其他荧光标记而言，上转换纳米颗粒的背景信号更低且灵敏度更高，从而在生物测定中具有测量精度优异的性能，所述生物测定例如但不限于免疫测定应用。在一个方面中，本专利技术提供了一种用于检测体液(例如血液、血清、血浆、滑液、脑脊液和尿液)中的目标分析物的生物测定系统。一般而言，生物测定系统包括两个部分：(i)生物传感器，包括：例如包括共振光栅结构的波导，所述共振光栅结构限定增强区域，该增强区域从表面开始并且沿着垂直于所述表面的方向延伸预定距离；以及第二抗体，该第二抗体针对通过连接化学物质结合到所述共振光栅结构表面的所述目标分析物；和(ii)与第一抗体缀合的上转换纳米颗粒，该第一抗体针对所述目标分析物的表位，该表位与第二抗体所针对的表位不同。上转换纳米颗粒包括吸收红外光并响应于红外光的吸收而发射可见光的光学性质。在本文所述系统的一个实施方案中，目标分析物结合到抗目标分析物抗体上，该抗目标分析物抗体与上转换颗粒缀合，所述上转换颗粒例如为NaYF4:(Yb,Er,Tm)、NaYbF4:(Yb,Er,Tm)、CaF2:(Yb,Er)、La2O3:(Yb,Er)。该目标分析物还结合到第二抗目标分析物抗体(不同于第一抗目标分析物抗体)上，该第二抗目标分析物抗体通过连接化学物质(例如通过链霉亲和素)偶联到共振光栅结构的表面上。因此，目标分析物被纳米颗粒通过第一抗体被“标记”，并被第二抗体“捕获”到共振光栅结构的表面。在共振光栅结构的表面处，光学检测目标分析物。在一个实施方案中，生物测定传感器还包括设置在共振光栅结构的表面上的高折射层(例如，TiO2和Ta2O5)，该高折射层的折射率至少为1.5。共振光栅结构包括光子晶体，其被调谐到预定的共振条件；以及抗体，其通过连接化学物质偶联到所述共振光栅结构。在可替代的实施方案中，本专利技术提供了一种生物测定传感器，包括：包括共振光栅结构的波导；以及通过连接化学物质偶联到所述共振光栅结构的表面的抗体。在另一方面中，本专利技术涉及一种物质组合物，其包含抗体和结合至所述抗体的上转换纳米颗粒。在一个实施方案中，所述物质组合物还包含结合至抗体结合位点的目标分析物。在还一方面中，本专利技术涉及一种免疫测定试剂盒，其包括具有共振光栅结构的装置和通过连接化学物质偶联到共振光栅结构的表面的第二抗体；和具有与第一抗体缀合的上转换纳米颗粒的物质组合物，其中所述第一抗体和所述第二抗体针对相同的目标分析物。在还一方面中，本专利技术涉及一种用于检测体液中的目标分析物的方法。提供具有多个捕获位点的共振光栅结构。向共振光栅结构提供光学照射，所述共振光栅结构具有一个或多个目标分析物，该一个或多个目标分析物经由捕获位点的抗体偶联到捕获的上转换纳米颗粒上。检测来自捕获位点的光学反应，并且将其作为在相应的捕获位点是否存在目标分析物的指示。如本文所使用的术语偶联是指将至少两种要素直接或间接连接在一起。附图说明图1A示意性地示出了根据本专利技术的一个实施方案的具有光栅结构的共振波导的剖视图，图1B示出了其透视图。图2示意性地示出了根据本专利技术的一个实施方案，在共振条件下衬底表面上的电场。图3示意性地示出了根据本专利技术的一个实施方案，使用生物测定系统(例如免疫测定)感测分析物的方法。图4示意性地示出了根据本专利技术的另一个实施方案，使用生物测定系统(例如免疫测定)感测分析物的方法，具体实施方式提高生物测定灵敏度的一种方法是通过使用基于聚合物的光栅衬底来增强发光，从而增加照射的光水平，但是这可能导致某些问题，例如高背景和样品温度升高以及样品损伤。例如，在这样的生物测定系统中，由于自体荧光，基于聚合物的光栅衬底开始呈现过量的背景。来自背景的这种干扰不适合用于高灵敏度的生物传感应用，例如免疫测定。虽然已经使用高质量和高纯度的石英衬底来解决这个问题，但是这些材料导致材料成本过高且制造工艺更加复杂。因此，本专利技术采用吸收近红外激发的上转换纳米颗粒联合共振光栅结构，以在用于检测分析物的生物传感平台中实现高灵敏度。参见图1A和1B，图1A示出了传感器300的剖视图，图1B示出了传感器300的透视图，该传感器300包括根据本专利技术的一个实施方案的共振波导100和针对目标分析物的第二抗体320，该第二抗体通过化学连接315结合到共振波导100的表面。在一个实施方案中，化学连接315包括结合蛋白，例如链霉亲和素。继续参见图1A和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测目标分析物的生物测定系统，包括：波导，其包括具有光栅表面的共振光栅结构，所述共振光栅结构限定增强区域；第一抗体，其偶联到针对所述目标分析物的所述增强区域；上转换纳米颗粒；以及第二抗体，其偶联到针对所述目标分析物的所述上转换纳米颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.24 US 61/969,3711.一种用于检测目标分析物的生物测定系统，包括：波导，其包括具有光栅表面的共振光栅结构，所述共振光栅结构限定增强区域；第一抗体，其偶联到针对所述目标分析物的所述增强区域；上转换纳米颗粒；以及第二抗体，其偶联到针对所述目标分析物的所述上转换纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述增强区域从所述光栅表面开始并沿着与所述光栅表面垂直的方向延伸预定距离。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述上转换纳米颗粒包括吸收红外光并响应于红外光的吸收而发射可见光的光学性质。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述上转换纳米颗粒通过待检测的目标分析物偶联到所述光栅表面。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述上转换纳米颗粒通过所述第二抗体偶联到所述目标分析物，并且所述目标分析物通过所述第一抗体偶联到所述光栅表面。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一抗体通过化学键连接偶联到所述共振光栅结构的表面。7.根据权利要求1所述的系统，还包括在所述光栅表面上的折射率为至少1.5的折射层。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述共振光栅结构包括调谐到预定共振条件的光子晶体。9.一种用于检测体液中的目标分析物的方法，包括：提供包括多个捕获位点的共振光栅结构；向所述共振光栅结构施加光学照射，所述共振光栅结构具有通过针对所述目标分析物的第一抗体而在所述捕获位点捕获的一个或多个目标分析物，每个目标分析物与上转换纳米颗粒偶联；以及检测来自所述捕获位点的光学响应，来自捕获位点之一的光学响应指示该捕获位点处是否存在所述目标分析物。10.根据权利要求9所述的方法，还包括：在施加光学照射之前，洗涤所述共振光栅结构以去除未捕获的目标分析物。11.根据权利要求9所述的方法，还包括：将第一溶液与第二溶液混合，以形成第三溶液，该第一溶液含有所述上转换纳米颗粒，其偶联到针对所述目标分析物的第二抗体，该第二溶液包含疑似含有所述目标分析物的体液；等待预定时间段以允许第三溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·克里莫，曾寒松，罗恩·沙尔拉克，格特·布兰肯施泰因，
申请(专利权)人：仪器实验室公司，
类型：发明
国别省市：美国;US