用于快速检测生物分子的微悬臂生物传感器

摘要

一种用于快速检测生物分子的微悬臂生物传感器，它包含带有电场的液体样品室。位于液体样品室内上部的是固定有生物探针的微悬臂，或者微悬臂阵列。位于液体样品室内底部的是底部电极。微悬臂或微悬臂阵列作为正电极(或负电极)与作为负电极(或正电极)的底部电极之间在液体样品室内构成静电场或交变电场。放入液体样品室内的待测样品大分子在电场的驱动下，迅速泳向正或负电极，使微悬臂上的靶分子浓度增高，进而导致微悬臂的谐振频率快速变化。提高了测量速度，灵敏度和精确度。与在先技术不加电场相比，本发明的生物传感器的检测灵敏度可提高100～1000倍。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微悬臂生物传感器，尤其涉及一种用于快速检测生物分子的微悬臂生物传感器。

背景技术

微悬臂生物传感器是指利用固定有生物探针(与靶分子专一性结合的分子)的微悬臂表面来结合待测生物靶分子后引起微悬臂的绕度或者频率变化的原理来检测环境和体内的生物靶分子的传感器。基于微悬臂生物传感器的工作模式可以分为静态和动态工作模式。静态工作模式是指在测量待测生物靶分子的作用下微悬臂发生的弯曲形变作为测量参数的工作模式。这种模式如瑞士的巴塞尔大学和美国数字仪器(DI)公司申请的专利(专利号为US5807758)中所描述的。动态工作模式是指在测量待测生物靶分子的作用下，造成微悬臂质量、应力的变化，进而导致微悬臂的谐振频率特性发生变化的工作模式。通过检测谐振频率的变化可以对待测生物靶分子进行定性和定量分析。这种模式方便、精确、可靠且便于集成化。在面向临床诊断、环境检测和便携式仪器的生物传感器中有广阔的发展前景。Nanogen(纳米基因，www.nanogen.com/products)公司首次将电场引入到生物芯片中，提高了DNA(脱氧核糖核酸)检测的速度，降低DNA检测的本底，虽增加了检测的速度，但测量的精确度还不够理想，还需要改进。

发明内容

本发明的目的在于解决在先技术中的微悬臂生物传感器在检测生物样品过程中存在的以下缺点：由于微悬臂在无电场的情况下，分子间的反应主要靠分子的热运动与微悬臂表面的生物探针碰撞产生的。生物探针捕捉靶分子的效率除了和结合常数相关外，还同待测生物的溶液中所包含的靶分子的浓度相关。在浓度较低的情况下，微悬臂响应小，甚至没有。同时，还由于不完全匹配的结合反应等的干扰会导致检测结果出现假阳性和假阴性的现象。针对这些缺点，在微悬臂检测靶分子的基础上，本发明提供一种新型的能够在低浓度情况下灵敏、快速和准确地检测生物样品，用电场驱动的微悬臂生物传感器。

为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案是：采用动态工作模式。引入电场驱动待测样品靶分子迅速聚集在微悬臂表面的生物探针上，造成微悬臂质量和应力的变化。通过检测微悬臂的谐振频率的变化，进而对待测样品靶分子的定性和定量分析。

使它包含带有电场的液体样品室，位于液体样品室内上部的固定有生物探针的微悬臂，位于液体样品室内底部的底部电极；所述的微悬臂是作为正电极或负电极的微悬臂电极；所述的底部电极则是作为负电极或正电极；微悬臂电极与底部电极之间构成位于液体样品室内的静电场或交变电场。

所述的固定有生物探针的微悬臂是单个固定有生物探针的微悬臂，或者是固定有生物探针的微悬臂阵列。

如上述的结构，当在微悬臂电极与底部电极加上电压后，微悬臂上的生物探针在电场的作用下，可更快地捕获置放在液体样品室内的待测样品的靶分子。在生物探针与靶分子杂交反应的过程中，首先是以微悬臂电极作为正电极，底部电极作为负电极，带负电荷的靶分子朝正电极方向泳动，快速地碰撞微悬臂上的生物探针，并富集到生物探针上。由此测量其谐振频率发生的变化。然后再施加反向电场，即，使微悬臂电极由正电极变成负电极，底部电极由负电极变成正电极。在反向电场的作用下，使附着在微悬臂生物探针表面上的非特异反应的靶分子由生物探针表面上脱开向底部电极方向泳动。此时由微悬臂测量出的谐振频率就是洗脱了不希望掺入测量数据内的非特异反应的靶分子的谐振频率。因此，本发明的生物传感器在电场的驱动下，不仅提高了测量速度，而且提高了测量的灵敏度和精确度。

本发明的生物传感器效果显著。

如上述的结构，本发明的生物传感器与在先技术相比，本发明的生物传感器使用电场驱动靶分子快速在微悬臂的生物探针上产生生化反应。不仅提高了测量速度，而且使其检测灵敏度可以提高100～1000倍。当待测样品的靶分子为DNA时，本发明的微悬臂生物传感器的检测限可以达到300pg/ml。

本发明采用电场驱动的微悬臂生物传感器，不仅能够提高检测的灵敏度、速度和准确度，而且结构比较简单，使用方便，能进一步集成化。

附图说明

图1为本发明微悬臂生物传感器的结构示意图。

图2为本发明微悬臂生物传感器的一个实施例加入电场驱动时，DNA靶分子的泳动状态示意图。

图3是图2的实施例所测量的谐振频率谱图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明微悬臂生物传感器的结构特征。

图1是本发明生物传感器的结构。如图1所示，本发明生物传感器包含底板7，位于底板7上的加液口1和出液口5。置于底板7上密封槽(图中未示出)内的，包含加液口1和出液口5在内的密封圈6。位于密封圈6内的带加液口1和出液口5的液体样品室3。位于液体样品室3内的固定底座弹簧9，置于固定底座弹簧9上面的微悬臂底座8，置于微悬臂底座8上的带有生物探针的微悬臂(或者是微悬臂阵列)2。位于液体样品室3内底部的底部电极4。

上述所包含的构件均集成化地构成一体。也就说，本发明的微悬臂生物传感器是集成化的微悬臂生物传感器。

图2是应用图1结构的本发明生物传感器的实施例。

实施例1

在液体样品室内加入静电场(如图2所示)。首先将待测生物大分子(DNA靶分子)的溶液通过加液口1注入到液体样品室3内，微悬臂上固定的是与待测生物大分子(DNA靶分子)专一结合的大分子(与DNA靶分子互补的DNA探针)生物探针。将液体样品室3内的微悬臂电极5和底部电极4之间接入直流电源10。微悬臂电极5为正电极，底部电极4为负电极。在两电极之间加入直流电压0.5伏。当两电极上加入电压后，在液体样品室3内的两电极之间形成了电场，在电场的驱动下，待测样品中的带负电荷的DNA靶分子迅速地泳动到作为正电极的微悬臂电极上。为时5分钟，微悬臂上的生物探针上已捕获了一定量的DNA靶分子。测量其微悬臂的谐振频率.如表1中所示。在加电场与不加电场的情况下，杂交反应前后，从微悬臂的谐振频率主峰的位移变化上看到了本发明生物传感器加入电场与在先技术不加电场相比，本发明的生物传感器反应的灵敏度能提高2-3个数量级，可以测量的DNA靶分子浓度达到300pg/ml(皮克每毫升)。

表1微悬臂生物传感器在不同DNA靶分子浓度溶液中，有电场驱动及无电场驱动情况下杂交反应前后谐振频率主峰的变化。

实施例2

在液体样品室内加入交变电场。如图2所示，在微悬臂(或微悬臂阵列)表面上固定了DNA探针的情况下，在电场的作用下，微悬臂上固定的DNA探针捕获溶液中的DNA靶分子，即DNA杂交反应过程中，以微悬臂电极作电场的正电极，在液体样品室底部的底部电极作为负电极，施加0.5V的电压。在电场的作用下，DNA分子(DNA外周带负电荷的分子)朝正电极方向泳动，使带负电荷的DNA靶分子富集到微悬臂(或微悬臂阵列)表面，快速地碰撞微悬臂表面DNA探针。微悬臂(或微悬臂阵列)的谐振频率迅速地变化。因此提高了检测的灵敏度和速度。再改变直流电压的方向，使微悬臂电极的正电极变成负电极，而底部电极的负电极变为正电极。在液体样品室5内形成交变电场。此时，通过施加反向电场洗脱掉泳动到微悬臂生物探针上的非特异反应的生物分子，降低非特异性物质被微悬臂上生物探针的吸附，进而提高了分析的准确度。在本实施例中，使用振动模式原子力显微镜对微悬臂的谐振频率进行扫描，得到微悬臂的频率谱(图3所示)。

当取在200～400kHz区间内的谐振频率进行分析时，在电场驱动的情况下，DNA靶分子浓度在30ng/ml时，杂交反应后谐振频率主峰位移达1.2kHz；DNA靶分子浓度低至300pg/ml情况下，谐振频率主峰位移为0.3kHz(表1)。相比不加电场的情况下，DNA靶分子浓度在3μg/ml时，谐振频率位移为1.2kHz，而DNA靶分子浓度在300ng/ml时，谐振频率位移仅0.2kHz(见表1)。由于振动模式原子力显微镜对谐振频率检测本底波动为0.1kHz，按3倍谐振频率的本底波动作为检测限来计算，在加电场的情况下，微悬臂生物传感器对DNA的检测限可以达到300pg/ml。因此认为，在加电场驱动的情况下，检测灵敏度可以提高100～1000倍。

图3是用振动模式原子力显微镜对实施例2中微悬臂测得的频率谱。曲线01是次峰为179.65kHz；曲线02是主峰为270.77kHz，(频率扫描范围是0至600KHz)。在上述的实施例中是以主峰频率的位移为准。