浸在液体中的动态BIONEMS传感器和BIONEMS传感器阵列制造技术

一种ｂｉｏＮＥＭＳ装置，包括具有挠曲管脚和末端具有生物功能化部分的压阻悬臂，挠曲管脚将悬臂固定到支架。施加给管脚的偏流受生物化末端所能接受的最大温度增加限制。选择悬臂的长度的幅值，使背景约翰逊噪声最小。装置上经过催化的受体与配合基结合，增强结合率系数。催化剂降低了受体－配合基结合活性能，并且设计成通过强制进化优先与配合基结合。设置在悬臂上的磁膜注入载波信号，而磁膜与载波信号源电磁耦合。多个ＮＥＭＳ流体耦合的传感器产生多个输出信号，由此通过求平均或阈值化产生集合输出信号。ＮＥＭＳ装置设置于微流体液流通道中，并且在薄膜中制造而成。结合分子附着于传感器的末端，绒球附着于结合分子上，以增大阻尼。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及液体bioNEMS装置以及其操作方法的领域。
技术介绍
近年来，在NEMS和化学力显微镜(CFM，Chemical ForceMicroscopy)领域取得了许多进展。NEMS方法产生出一系列小长度和厚度、能高Q高频谐振的悬臂(cantilever)。当工作于理想条件下(低T，真空)时，这些NEMS装置表现出空前的灵敏度。在更大尺寸级(AFM，CFM)时，多种工作涉及到分析单个分子之间的相互作用施加的力，从氢键和抗体-抗原相互作用到共价键。装饰有生物分子并与衍生表面或衍生磁珠相互作用的AFM悬臂，证明抗原-抗体相互作用表现出100pN量级的力，共价键表现出大约1-10nN的力。这些流域试验表明，可测量随机极限的化学活动，不过也表现出难以在小型、便携式和坚固的装置中实现这种潜力。根据本专利技术，需要某种方法来减小悬臂相对于NEMS尺寸的大小，提供所需的瞬时响应，小体积，以及对单个分子的灵敏度，这是将装置构建成单单元性能所需要的。当然，将NEMS悬臂放置于溶液中，并且置于室温下，将需要对CFM或NEMS通常采用的检测策略进行修正。液体会使NEMS旋臂受潮，从而不可能进行谐振检测，并且溶液的热能将会冲击悬臂。对于这些潜在的困难，需要开发出某种方法作为试验的主要部分。与传统的CFM不同，根据本专利技术需要一种不通过记录悬臂偏转来测量单个(或少量)化学键的力的方法。需要某种类型的NEMS悬臂设计，其通过使用整体传感器限制悬臂产生大的热驱动运动而检测化学键的存在。根据本专利技术还需要一种使用具有系统上不同的化学装饰的BioNEMS悬臂阵列的装置，同时提供高可靠性和对浓度的敏感性。另外，根据本专利技术需要某种方法将起伏“噪声”翻译成信号，和组装和采用有用和强健试验的可能的生物学。微阵列技术在分析蛋白质受体及其配合基，以及分析基因表达分布时具有显著的优点。例如，数千对象的微阵列已经成为药品开发业采用的一种主要技术。通过光刻，通过微冲压或者通过微打点产生这些微阵列，在基板上产生点阵列(20-100面)。通常，通过在阵列上浇盖被荧光标记的被分析物，并通过用微荧光计扫描该阵列来确定结合量读出该阵列。尽管这些方法越来越普遍，不过大尺寸的读出仪器以及所采用的荧光分析的固有限制，使其完全不适用于同时要求便携性和强健性能的应用。此外，它们是单用装置，从而不易于适于需要连续监测的应用。最后，这些装置依赖于大量被分析物，使其对于通过组合化学进行的药品发现中近来最强大的进步，或者对于最敏感的基因表达试验是不适宜的。所研究的另一个目的是开发一种纳米级的新的生物芯片技术(BioNEMS)，其能检测单个生物分子与其受体的结合。众多化学力显微镜(CFM)的文献表明，改良的AFM适于测量从单氢键和单受体配合基相互作用到单共价键范围的相互作用的结合力。这些力的范围正好处于AFM仪器的检测能力之内；不过，处于溶液中的AFM悬臂不具有允许生物配合基与其受体结合和失结合可靠进行所需的瞬时响应性。也许最为重要的是执行AFM/CFM所需的装置的大尺寸，和众所周知的AFM对空气传播和表面振动的灵敏性。需要某种在检测单分子相互作用力时与CFM同样成功的技术，不过尺寸下降到NEMS级别，允许其足够快速地对随后的结合和未结合活动作出响应。给定化学力的大小，BioNEMS最强健的工作模式是不直接测量结合力。根据本专利技术需要某种装置，其使用NEMS悬臂位置的当前波动，随后使用整体传感器，无需AFM中所使用的支撑装置。
技术实现思路
根据本专利技术，将使用NEMS悬臂的运动跟随结合和未结合活动。基本思想在于末端没有耦合受体配合基对的悬臂在其位置将比受配合基-受体对约束的悬臂更显著地波动。强配合基-受体键能在相当长的时间内(对于配合基-受体对为～ton)部分地阻止悬臂运动；更弱的相互作用将改变悬臂运动的统计结果。减小到小尺寸的NEMS装置，产生多个显著优点。本说明中使用“NEMS”表示至少一个尺寸等于或小于一微米的装置。其不排除“NEMS”装置可以具有比一微米更大的一个或多个其他尺寸的可能。此外，正如可以理解的，通常尺寸处于或者低于一微米的装置与大于一微米的装置的性能之间没有明显的区别。对术语“NEMS”更加有意义的重要性在于，怀疑该装置与缩小到亚微米尺寸的装置共享某些性质，或者共享对于亚微米装置或操作独特的性质。正如已经提出的，小尺寸NEMS装置使其能对于结合和未结合动力学作出更显著的响应。这种高频响应对于跟随受体配合基相互作用的随机性而言非常关键，大多数受体-配合基对动态地相互作用，结合，保持结合从微秒到秒级的时间(取决于实际的受体-配合基对)，然后释放。如果试验将要跟踪生物分子相互作用，则高频响应(～MHz)非常重要。在补丁-阻尼(patch-clamp)(千兆欧姆密封)技术中解决各个薄膜通道打开和关闭的能力，彻底地改变了我们对作为神经功能基础的物理生物化学的理解；在补丁阻尼之前，试验仅仅尝试着通过记录大量薄膜通道来解码分子机制。我们相信对生物分子的分析目前实际处于相同的状态，同时受到所需的大量材料和即便最敏感的试验中也会固有的时间上的拖尾的限制。从而本专利技术仔细考虑了BioNEMS，真正地将我们的生物分子分析处于随机限度。这种方法的一个作用是采用悬臂的热运动作为驱动力(在AFM中通常是主要的局限性)。此外，当悬臂尺寸减小时，悬臂运动的噪声变小。另外，小尺寸的NEMS装置允许在小有效体积(≤100pL)中构造探测器阵列(≥500悬臂)。后一种优点极其重要，因为其使感测RNA级别，蛋白质和单个单元内存在的第二信使成为可能。本专利技术的BioNEMS方法大幅地减小了尺寸和仪器工作所需的性质(与AFM/CFM相比)。用于悬臂运动的传感器将与NEMS悬臂集成，这样就消除了AFM中所使用的悬臂运动光学检测产生的尺寸和密度限制。这就将允许BioNEMS悬臂更加小，并且与AFM中实际情况相比更加紧凑地组装。正如下面描述NEMS传感的部分中所描述的，集成压阻式传感器将提供比记录液态水中NEMS悬臂运动所需大得多的灵敏度。结果，通过适当集成，传感器、跟随悬臂运动所需的探测器，翻译运动所需的逻辑以及传达结果所需的电路可以封装成一个装置。与其名称给出的暗示不同，当前的“DNA芯片”或“Proteomics芯片”技术需要庞大和笨重的读出器，以便将化学物质的结合翻译成长度和宽度为数厘米的传感器包。此处概括指出的BioNEMS方法承诺封装尺寸与术语“芯片”(～DIP尺寸)一致，从而产生出对于其他方法不可能或不实际的多种应用。所提出的工作的目的是采用悬臂的热驱动运动，以及通过受体-配合基相互作用对其的调制。将使用溶液中NEMS悬臂的物理和随机生物化学知识解释悬臂的运动。从而，这类正在使用的BioNEMS的构造要求致力于NEMS制造的研究者，致力于装置表面生物化学改良的生物学家，对NEMS装置的流体动力学感兴趣的物理学家以及从试验完成提取和分析的信息科学家紧密协作。此处描述的BioNEMS研究努力具有从应用科学的基本原理到新纳米级流体技术的发展的多个推动作用。我们的目的是研究，理解，从而改善构造BioNEMS的技术，然后说明其新颖用途。示例包括●对NEMS在溶液中的性质的基础研究●对单分子化学的基础研究本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚微米ｂｉｏＮＥＭＳ装置，包括：支架；和与支架耦合并从该处延伸的压阻悬臂，其具有长度ｌ和宽度ｗ以及一末端，其中所述悬臂具有一宽度减小为ｂ且长度为ｌ↓［１］的限制部分，以及处于所述末端或末端附近的生物功能化部分。

【技术特征摘要】
US 2002-5-7 60/379,552;US 2002-5-7 60/379,643;US 21.一种亚微米bioNEMS装置，包括支架；和与支架耦合并从该处延伸的压阻悬臂，其具有长度l和宽度w以及一末端，其中所述悬臂具有一宽度减小为b且长度为l1的限制部分，以及处于所述末端或末端附近的生物功能化部分。2.如权利要求1所述的bioNEMS装置，其中所述限制部分由多个宽度减小为b、附着到支架的管脚组成。3.如权利要求2所述的bioNEMS装置，其中所述多个管脚的数量为2，并且彼此分隔w-2b的距离。4.如权利要求1所述的bioNEMS装置，还包括施加给悬臂的限制部分的偏流源，并且所述偏流的幅值受生物功能化末端的最大可接受温度升高的限制。5.如权利要求4所述的bioNEMS装置，其中生物功能化末端的最大可接受温度升高近似为1度K。6.一种浸入液体中的压阻bioNEMS装置的改进，包括至少一个长度为l的振动悬臂，将幅值选择成使得相对于压阻bioNEMS装置产生的信号强度，背景约翰逊噪声最小。7.如权利要求6所述的改进，其中信号强度是基于压阻bioNEMS装置在液体中的热机械噪声大小。8.如权利要求6所述的改进，其中压阻悬臂具有宽度w，和宽度减小为b的限制部分，其中选择所述减小的宽度b，以便相对于压阻bioNEMS装置产生的信号强度，减小约翰逊噪声。9.如权利要求8所述的改进，其中所述信号强度是基于压阻bioNEMS装置在液体中的热机械噪声大小。10.一种浸入液体中的生物功能化bioNEMS装置的改进，包括设置于bioNEMS装置上、用于与感兴趣的配合基结合的受体，和设置于具有受体的bioNEMS装置上、用于增强受体与感兴趣配合基结合率系数的催化剂。11.如权利要求10所述的改进，其中所述催化剂降低受体-配合基结合活化能。12.如权利要求10所述的改进，其中借助于强制进化设计所述受体以便优选地和感兴趣的配合基结合。13.一种亚微米装置，包括载波信号源；支架；与支架耦合并从该处延伸的压阻悬臂；以及设置在悬臂上并且与所述源电磁耦合的元件，从而由来自于所述源的载波信号驱动所述悬臂。14.如权利要求13所述的装置，其中所述元件包括设置于所述悬臂上的磁膜，并且所述源产生与磁膜耦合的电磁信号。15.一种设备，包括多个NEMS传感器，每个NEMS传感器产生一输出信号；和对多个NEMS传感器产生的多个相应输出信号进行处理以便获得集合输出信号的装置。16.如权利要求15所述的设备，其中所述装置将所述多个输出信号求平均，从而所述集合输出信号是平均值。17.如权利要求15所述的设备，其中所述装置确定在预定时间窗口内所述多个输出信号的预定部分是否处于阈值之上。18.如权利要求15所述的设备，其中多个NEMS传感器中的每一个被生物功能化，并且所述装置通过仅产生集合输出信号而有效增大配合基捕获率，其中集合输出信号表示与单个NEMS传感器相比，增大配合基捕获率。19.一种浸入液体中的装置，包括浸入液体中以构成相邻传感器阵列的多个NEMS传感器，每个NEMS传感器产生一输出信号，两个相邻NEMS传感器的运动通过相邻NEMS传感器所浸入的液体彼此耦合。20.如权利要求19所述的装置，其中由下式定义包括两相邻NEMS传感器的第一和第二NEMS传感器的运动的互相关，C12＝<x1(0)x2(t)&...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔L洛克斯，斯科特E弗雷泽，杰利E所罗门，迈克尔C克罗斯，杰西卡L阿勒特，
申请(专利权)人：加利福尼亚技术学院，
类型：发明
国别省市：US[美国]