基于受体的生物传感器制造技术

公开了用于检测至少一种挥发性有机化合物(VOC)的存在的生物电子传感器，该传感器包括共价固定任选为哺乳动物或昆虫受体的单个受体的单个碳纳米管(CNT)，其中VOC与所述受体的缔合允许可测量的电场效应。的缔合允许可测量的电场效应。的缔合允许可测量的电场效应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于受体的生物传感器


[0001]本专利技术总体上涉及基于受体的生物传感器及其用途。
[0002]背景
[0003]吲哚因其双环和芳香结构是其化学类别中最简单和最普遍的代表。它由一个六元苯环与一个五元含氮吡咯环稠合而成，并且正是这一核心支架构成了多种天然化合物诸如激素和具有生物医学意义的合成分子的基础。
[0004]由于吲哚(和粪臭素)主要为疏水性芳香系，其微溶于水。它在整个动物界表现出广泛的生物活性，并充当一种主要的种间信号传导分子。它由细菌、真菌、酵母和植物从色氨酸合成，并且根据其浓度，对人类有花香、樟脑丸或粪便气味。吲哚及其甲基化类似物粪臭素广泛存在于人类和动物的日常生活中。它们被葡萄酒、肉类、乳制品、咖啡、海鲜和许多其他食物释放。
[0005]吲哚及其衍生物粪臭素的检测至关重要，并且其诊断价值在农业食物链、环境指标、过程制造部门和临床领域都很明显。
[0006]食物的感官特性部分取决于吲哚的存在及相应的浓度。这些化合物的强烈吸引力促进了它们作为添加剂在个人护理产品和调味剂(例如巧克力、咖啡、冰淇淋、香烟和糖果)中的应用。吲哚是制造香料、药物和除害剂(pesticide)的常用试剂。检测这些化合物对于生产过程中的安全和质量保证目的至关重要。
[0007]确保食品安全和质量分别对公众健康和限制食品腐败至关重要。作为分解和微生物污染的指标，吲哚和粪臭素已被提议作为甲壳类动物、鱼类和牡蛎等海洋食品的质量指标。同样，吲哚和粪臭素也可用作食物粪便污染的标志物。
[0008]猪肉是增长最快的牲畜分部门之一，并且需求急剧上升，特别是在巴西和中国。令人不快的气味(即，猪肉中所谓的公猪异味(boar taint))的存在对猪肉供应链构成了巨大风险，并且消费者的接受程度直接取决于其渗透猪肉的程度。公猪异味被视为一种穿透性的“动物”、“尿液”、“粪便”或“汗液”样令人不快的气味。吲哚、粪臭素和雄甾烯酮是这种恶臭的主要来源。尽管使用了化学分析工具和感官评价小组(sensory panels)来检测其中一些化合物，但目前尚无令人满意的解决方案来检测屠宰线中的公猪异味，以满足行业速度、灵敏度和选择性要求。
[0009]工业牲畜生产是环境异味的来源，可能对动物、工人和附近的人群有害。粪臭素与多种健康状况有关。在高剂量，粪臭素是一种肺毒素，会在反刍动物中引起急性肺水肿和肺气肿，并会损害动物和人类的肺和肝脏。它也被认为是一种神经毒剂，会诱导大鼠嗅觉上皮退化，导致可逆性嗅觉丧失。因此，粪臭素可用作农业、严重依赖该化合物的行业(诸如香料厂)或污水处理厂的环境指标。
[0010]在全球范围内，人类、动物和农业用水正在增加。确保供水对于消费和灌溉目的而言保持安全是一个优先事项，这需要对指示生物，诸如大肠菌群细菌、粪便细菌、沙门氏菌或霍乱弧菌进行监测。因此，可以使用吲哚和粪臭素作为生物标志物对这些产吲哚生物体进行监测。
[0011]吲哚也是食源性致病性大肠杆菌(大肠杆菌O157:H7)的特征性生物标志物，许多报告表明其高产生。致病性食源性大肠杆菌O157:H7可引起出血性结肠炎和溶血性尿毒综合征，并且儿童是高危人群。
[0012]吲哚和粪臭素以及挥发性含硫化合物是呼吸气味和口臭的主要成分，并且可用作诊断口臭和潜在病因(包括代谢疾病和口腔炎症)的临床标志物。肠癌患者比健康个体具有更高粪便粪臭素含量，这表明粪臭素在这方面也可能是一种有价值的生物医学标记物。
[0013]过去二十年见证了昆虫受体的发现，从最初在黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)中描述的那些开始，随后是来自几个蚊物种的那些受体。从那时起，数百个昆虫基因组和数千个气味受体(OR)基因被注释，代表了潜在生物识别元件的无限和未开发的来源。然而，这些受体中的绝大多数仍然是孤儿，在生物感测中没有可预见的用途。来自黑腹果蝇(D.melanogaster)的去孤儿化OR对生物感测中有限关注的高浓度化合物表现出不同程度的混交性(promiscuity)。
[0014]蚊OR的第一次大规模去孤儿化努力导致了命名为OR2的吲哚受体的鉴定。密切相关的种内同源OR10是几个蚊物种中的粪臭素受体。该基因亚组的第三个成员OR9也显示出作为粪臭素受体的作用。有趣的是，根据基于细胞的测定，在可达到较高皮摩尔范围的浓度，OR2和OR9/OR10对两种密切相关的化学类似物吲哚和粪臭素表现出反向选择性。这些药理学特征与信息素受体的药理学特征相当或更好，信息素受体是气味受体敏感性和选择性的典型。与信息素受体相反，吲哚OR的优势在于其对吲哚和粪臭素(两种在许多研究领域和工业中具有重要意义的化合物)的选择性和有时具有特异性的关系。
[0015]WO 2018/116186教导了一种传感器设备，其包括与基底电连通的昆虫ORx，其中所述设备被配置为检测所述基底的电特性的变化。
[0016]出版物
[0017][1]WO 2018/116186
[0018]概述
[0019]高灵敏度和高选择性检测挥发性有机化合物(VOC)的能力提供了广泛的应用。本文公开的技术的专利技术人已经认识到，这种期望的能力可以由肽系统提供，其中哺乳动物或其它受体，如本文公开的，完成任务。
[0020]在本文公开的示例性系统中，将蚊源性吲哚能(indolergic)受体OR9(迄今发现的最敏感的气味受体)与CNT
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FET设备结合以产生吲哚和粪臭素特异性生物电子鼻。通过利用成熟的异源表达方案，OR9与OR共受体(Orco)一起表达，或者作为单个跨膜受体表达。通过共价修饰对含OR9的小膜片段进行纯化并进一步固定到CNT晶体管通道的侧壁上，得到了本专利技术主题的基于OR9的CNT
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FET生物电子鼻。
[0021]与Orco
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OR9相比，OR9的固定化直接影响信号转导机制，并最终影响最终的读出。包括Orco作为本文公开的CNT
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FET设备的一个组成部分导致整体性能提高。Orco是一种专用阳离子通道，并且会有效转导配体结合。当使用小带隙半导体CNT时，配体诱导的阳离子电流增加正栅极电压下的CNT电导(当电子是主要电荷载流子时)。阳离子电荷通常通过为电子创造较低的电阻路径来降低CNT电阻。类似地，在电流
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栅极电压扫描(I
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V)期间观察到导通的阈值栅极电压偏移。这种偏移反映了由于CNT侧壁附近的电荷引起的局部选通效应。
[0022]然而，对于生物电子感测来说，并不严格要求存在Orco。配体结合诱导的OR9构象
变化足以影响CNT侧壁附近的局部电场，从而导致电导改变。这种敏感性归因于CNT 1D通道传输动力学。
[0023]尽管生物电子感测有许多优点，但迄今为止开发的大多数方法和设备都有固有的噪声，并且由于有机分子在各种换能器表面的非特异性吸附而具有相对较差的选择性。单分子方法可能会缓解这一限制。
[0024]因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于检测至少一种挥发性有机化合物(VOC)的存在的生物电子传感器，所述传感器包括共价固定任选为哺乳动物或昆虫受体的单个受体的单个碳纳米管(CNT)，其中所述VOC与所述受体的缔合允许可测量的电场效应。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述受体选自动物受体、细菌受体、真菌受体和植物受体。3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述受体是哺乳动物受体。4.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述受体是昆虫受体。5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述昆虫源自有翅昆虫或无翅昆虫。6.根据权利要求4所述的传感器，其中所述昆虫受体源自蚊或蝇。7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中所述至少一种VOC是吲哚。8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中所述受体是蚊源性吲哚能气味受体(OR)。9.一种用于检测至少一种吲哚的存在的生物电子传感器，所述传感器包括共价固定单个受体的单个碳纳米管(CNT)，其中所述至少一种吲哚与所述受体的缔合允许可测量的电场效应。10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述受体是蚊源性吲哚能气味受体(OR)。11.一种用于检测至少一种吲哚的存在的生物电子传感器，所述传感器包括共价固定单个蚊源性吲哚能气味受体(OR)的单个碳纳米管(CNT)，其中所述至少一种吲哚与所述受体的缔合允许可测量的电场效应。12.根据权利要求10或11所述的传感器，其中所述OR选自OR2、OR9、OR10、OR共受体(Orco)或其组合。13.根据权利要求10或11所述的传感器，其中所述OR是OR8。14.根据权利要求12所述的传感器，其中所述OR是OR9或OR9共受体。15.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中共价固定能够通过连接原子或连接体部分实现。16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述连接体部分选择为基本上不改变所述受体的结构和功能。17.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器组装到与印刷电路板(PCB)对接的生物芯片中。18.根据权利要求17所述的传感器，所述传感器被配置为组装到与印刷电路板(PCB)对接的生物芯片中的传感器阵列。19.根据权利要求18所述的传感器，其中所述阵列被分割成能够实时询问多个配体结合的特定生物感测区域。20.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器，所述传感器包括被配置用于同时实时询问的一个或更多个测量通道。21.根据权利要求20所述的传感器，其中每个测量通道附加有漏电极和源电极。22.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器，其中所述PCB还包括选自多路复用器、解码器和模数转换器的至少一个元件。23.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述CNT选自单壁碳纳米管
(swCNT)、双壁碳纳米管(dwCNT)和多壁碳纳米管(dwCNT)。24.根据权利要求23所述的传感器，其中所述CNT是swCNT。25.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述受体是与单个swCNT分子共价缔合的单个OR9受体或Orco。26.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其对吲哚具有选择性和敏感性。27.根据权利要求26所述的传感器，其中所述吲哚选自取代的吲哚、环稠合吲哚、吲哚生物碱和吲哚类似物。28.根据权利要求26所述的传感器，其中所述吲哚选自吲哚(1H
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吲哚)、粪臭素、吲哚

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森，
申请(专利权)人：以色列农业和农村发展部农业研究组织范卡尼中心，
类型：发明
国别省市：