感測(cè)裝置及應(yīng)用其的感測(cè)系統(tǒng)及感測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明關(guān)于一種結(jié)合熒光顯微鏡的生物功能化納米狹縫的感測(cè)裝置及應(yīng)用其的 感測(cè)系統(tǒng)及感測(cè)方法，以在簡(jiǎn)單且低成本的設(shè)置條件下，進(jìn)行無(wú)須洗滌、實(shí)時(shí)且可用于標(biāo)記 分子的高速感測(cè)動(dòng)力學(xué)（同時(shí)包含結(jié)合動(dòng)力學(xué)及解離動(dòng)力學(xué)）研究。
【背景技術(shù)】
[0002] 蛋白質(zhì)相互作用（protein interaction)的動(dòng)力學(xué)監(jiān)控能夠洞察這些蛋白質(zhì)的 細(xì)胞功能，對(duì)于開(kāi)發(fā)潛在的診斷測(cè)試以及生物治療等項(xiàng)目，也是重要的關(guān)鍵。表面等離 子體共振效應(yīng)（Surface Plasmon Resonance, SPR)及石英晶體微天平（Quartz Crystal Micr〇balanCe，QCM)為兩種現(xiàn)有用于制藥和生命科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化技術(shù)，以提供分子 相互作用且無(wú)須標(biāo)記（label)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。然而，這些檢測(cè)技術(shù)需要高成本的專用傳感器 表面，以及光學(xué)及機(jī)械組件的整合，反而增加了整體的檢測(cè)成本和復(fù)雜的儀器設(shè)置。
[0003] 更詳細(xì)而言，表面等離子體共振需要較高成本的傳感器表面以及復(fù)雜的設(shè)置，表 面等離子體共振缺乏空間解析率且昂貴/復(fù)雜來(lái)實(shí)施、又具低靈敏度（約nM)、較大的試劑 消耗量（約1000倍）、低連鎖反應(yīng)能力以及高感測(cè)芯片成本（約美金$300/個(gè)）。而石英 晶體微天平無(wú)空間解析率且靈敏度低，石英晶體微天平甚至不具有連鎖反應(yīng)能力并且需要 較大的試劑用量以及高感測(cè)芯片成本。
[0004] 全內(nèi)反射焚光顯微鏡（total internal reflection fluorescence microscopy, TIRFM)需要復(fù)雜的設(shè)備以及較大的試劑消耗量。整合的生物電子傳感器則涉 及復(fù)雜的制造工藝和電子技術(shù)。
[0005] 上述的典型平臺(tái)的靈敏度較低（納摩爾等級(jí)），且不適合用于較小量的樣本消 耗。
[0006] 檢測(cè)樣本中的特定生物分子所需的時(shí)間，會(huì)受到檢測(cè)器的靈敏度，以及能夠被檢 測(cè)到的最低量分子接觸傳感器所需的時(shí)間所影響。雖然目前已有多種具備高靈敏度的檢 測(cè)裝置（例如電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器…），然而當(dāng)檢測(cè)的目標(biāo)是小區(qū)域或低濃度的樣 本時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間是大多數(shù)微流體感測(cè)平臺(tái)的主要限制因素。因此，克服擴(kuò)散的問(wèn)題已經(jīng) 成為高速檢測(cè)不可或缺的必要條件之一。應(yīng)用于微全分析系統(tǒng)（micro-total analysis systems, microTAS)以及微數(shù)組技術(shù)的技術(shù)手段包括了利用于微流道或納米流道內(nèi)產(chǎn)生對(duì) 流和往復(fù)流，以混合溶液，并且局部地增加生物分子的濃度，例如通過(guò)介電泳的方式。然而， 即使檢測(cè)時(shí)間能夠藉由上述的方式由原本的數(shù)小時(shí)減少為數(shù)分鐘，所述這些方法的主要缺 點(diǎn)為較難執(zhí)行，且其制造過(guò)程亦較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了促進(jìn)此技術(shù)的發(fā)展，微米或納米級(jí)的流體設(shè)備的研究及開(kāi)發(fā)，其可應(yīng)用于單 分子分析（single molecule analysis)、細(xì)胞分選、DNA分離以及快速的多重蛋白質(zhì)檢測(cè) (fast multiplexed protein detection)。納米流流道與先進(jìn)的生物傳感技術(shù)的結(jié)合為定 點(diǎn)照護(hù)臨床診斷開(kāi)啟新頁(yè)，起因?yàn)槠淇蓪⒋思夹g(shù)整合入實(shí)驗(yàn)室芯片（lab-on-a-chip)并將 尺寸予以縮小。納米流流道的生物傳感器主要能夠藉由縮短固定探針?lè)肿优c在狹窄的流道 流向分析物之間的擴(kuò)散距離，進(jìn)而提升分析速度以減少昂貴的生物檢測(cè)試劑的消耗。
[0008] 為達(dá)上述目的，依據(jù)本發(fā)明的一種供微感測(cè)的裝置，用于液體樣本的分析物及緩 沖液，包括：至少一第一入口、至少一第二入口、微流道以及至少一感測(cè)分子固定組件。第一 入口供輸入液體樣本。第二入口供輸入緩沖液。微流道連通第一入口及第二入口。感測(cè)分 子固定組件用以固定供分析物及緩沖液的感測(cè)分子于微流道內(nèi)。
[0009] 在一實(shí)施例中，感測(cè)分子能夠?qū)σ后w樣本及緩沖液分別產(chǎn)生結(jié)合反應(yīng)及反向的解 離反應(yīng)。
[0010] 在一實(shí)施例中，流道具有足夠長(zhǎng)度使得分析物與感測(cè)分子的結(jié)合反應(yīng)可被觀察 到。
[0011] 在一實(shí)施例中，分析物與感測(cè)分子的結(jié)合反應(yīng)呈現(xiàn)熒光。
[0012] 在一實(shí)施例中，當(dāng)液體樣本流入微流道后，感測(cè)分子與液體樣本的分析物產(chǎn)生結(jié) 合反應(yīng)。當(dāng)緩沖液流入微流道后，感測(cè)分子與分析物產(chǎn)生分離反應(yīng)。
[0013] 在一實(shí)施例中，裝置還包括：基板以及蓋部?；寰哂袑?duì)應(yīng)于第一入口、第二入口 及微流道的多個(gè)槽道。蓋部面向槽道并與基板結(jié)合。其中蓋部與槽道形成第一入口、第二 入口及微流道。感測(cè)分子固定組件設(shè)置在與微流道所對(duì)應(yīng)的槽道上。
[0014] 在一實(shí)施例中，基板的材料包括硅、二氧化硅、玻璃、和/或塑料，蓋部的材料包括 聚二甲基硅氧烷、硬質(zhì)聚二甲基硅氧烷、聚倍半硅氧烷、塑料材料和/或涂布于玻璃上的塑 料材料，感測(cè)分子固定組件以金、玻璃或塑料對(duì)所述基板進(jìn)行表面處理而形成。
[0015] 在一實(shí)施例中，液體樣本沿著自第一入口往第二入口延伸的第一方向流動(dòng)。微流 道于介于第一入口及第二入口之間的長(zhǎng)度的范圍介于100 μm~5cm?；迮c蓋部之間的平 均距離介于50nm~10 μ m。感測(cè)分子固定組件于第一方向上的長(zhǎng)度的范圍介于1 μ m至整 個(gè)流道的長(zhǎng)度。
[0016] 在一實(shí)施例中，裝置還包括容槽。容槽與第二入口連通，供存放所述緩沖液。
[0017] 在一實(shí)施例中，微流道包括多個(gè)納米狹縫。
[0018] 為達(dá)上述目的，依據(jù)本發(fā)明的一種感測(cè)系統(tǒng)包括感測(cè)裝置、流體發(fā)生器、流體控制 單元、取像單元以及計(jì)算單元。流體發(fā)生器連接感測(cè)裝置的第一入口及第二入口。流體控 制單元控制流體發(fā)生器產(chǎn)生流體并自第一入口流動(dòng)至第二入口，藉以驅(qū)使液體樣本或緩沖 液流入微流道。取像單元對(duì)微流道取得至少一影像。計(jì)算單元根據(jù)影像產(chǎn)生感測(cè)結(jié)果。
[0019] 在一實(shí)施例中，流體發(fā)生器包括產(chǎn)生壓力驅(qū)動(dòng)流的加壓栗或毛細(xì)栗，或者是用于 產(chǎn)生電滲流的電動(dòng)栗。
[0020] 在一實(shí)施例中，取像單元從微流道截取針對(duì)結(jié)合反應(yīng)的第一曠時(shí)影像，并且從微 流道截取針對(duì)解離反應(yīng)的第二曠時(shí)影像。計(jì)算單元使用結(jié)合動(dòng)力學(xué)及解離動(dòng)力學(xué)根據(jù)第一 曠時(shí)影像及第二曠時(shí)影像產(chǎn)生感測(cè)結(jié)果。
[0021] 為達(dá)上述目的，依據(jù)本發(fā)明的一種感測(cè)方法包括以下步驟：驅(qū)動(dòng)液體樣本由第一 入口流入微流道，使得分析物與感測(cè)分子結(jié)合；驅(qū)動(dòng)緩沖液由第二入口流入微流道，使得分 析物與感測(cè)分子解離；以及根據(jù)結(jié)合結(jié)果與解離結(jié)果以產(chǎn)生感測(cè)圖的感測(cè)結(jié)果。
[0022] 在一實(shí)施例中，產(chǎn)生步驟包括：根據(jù)結(jié)合結(jié)果取得結(jié)合動(dòng)力學(xué)信息；根據(jù)解離結(jié) 果取得解離動(dòng)力學(xué)信息；以及根據(jù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)信息以及解離動(dòng)力學(xué)信息結(jié)果以產(chǎn)生感測(cè)結(jié) 果。
[0023] 在一實(shí)施例中，產(chǎn)生步驟包括：從結(jié)合結(jié)果分析熒光強(qiáng)度以取得結(jié)合動(dòng)力學(xué)信息； 從解離結(jié)果分析另一熒光強(qiáng)度以取得解離動(dòng)力學(xué)信息；以及根據(jù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)信息以及解離 動(dòng)力學(xué)信息結(jié)果以產(chǎn)生感測(cè)結(jié)果。
[0024] 在一實(shí)施例中，感測(cè)方法還包括：驅(qū)動(dòng)再生溶液至流道；以再生溶液浸潤(rùn)流道；以 及自流道移除再生溶液。
[0025] 本發(fā)明提供一種感測(cè)裝置及應(yīng)用其的感測(cè)系統(tǒng)及感測(cè)方法，其實(shí)際應(yīng)用為一種 生物功能性納米流道狹縫，并搭配傳統(tǒng)的熒光顯微鏡技術(shù)使用，以提供一種應(yīng)用于動(dòng)力學(xué) 研究中，簡(jiǎn)單、低成本但仍有效的生物感測(cè)平臺(tái)。感測(cè)裝置具有一個(gè)深度減少至亞微米 (sub-micrometer)等級(jí)的流道，并具有以下的優(yōu)勢(shì)：（1)大幅減少的擴(kuò)散長(zhǎng)度，使得在受限 制的區(qū)域仍可以達(dá)成優(yōu)化的目標(biāo)捕捉效率，因此，輸入至感測(cè)裝置內(nèi)的所有分析物皆可進(jìn) 行分析，且解離反應(yīng)可簡(jiǎn)單地在結(jié)合反應(yīng)完成后，于同一流道中通過(guò)反轉(zhuǎn)流的方式進(jìn)行，而 無(wú)須經(jīng)清洗后另外添加新的緩沖液進(jìn)入流道中，從而可簡(jiǎn)化操作流程并節(jié)省操作時(shí)間；（2) 減量的樣本需求，可利用傳統(tǒng)的熒光顯微鏡進(jìn)行感測(cè)分子固定組件（感測(cè)區(qū)）的分析，從而 無(wú)須使用復(fù)雜或昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，例如表面等離子體共振效應(yīng)、全內(nèi)反射熒光顯微鏡或石 英晶體微天平等技術(shù)；（3)信噪比（signal to noise ratio)與流道高度成反比。
[0026] 此外，本發(fā)明所提供的感測(cè)裝置及應(yīng)用其的感測(cè)系統(tǒng)及感測(cè)方法，使大采樣面積 覆蓋于一定數(shù)目的像素?cái)?shù)之上，相較于傳統(tǒng)不具有空間解析率的檢測(cè)平臺(tái)，本申請(qǐng)的檢測(cè) 裝置、檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法可減少統(tǒng)計(jì)誤差（以具有更高的精確度）。
[0027] 本申請(qǐng)藉由提供以下的功效，解決了已知技術(shù)的問(wèn)題：⑴在提供更高的檢測(cè)靈 敏度以及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)置的前提下，藉由反轉(zhuǎn)流操作減少動(dòng)力學(xué)分析時(shí)間；（2)在微量的 樣品分析中進(jìn)行有效率的分析物捕捉；（3)具有時(shí)空解析率的生物反應(yīng)/結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析， 以降低統(tǒng)計(jì)上的誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖IA顯示一種應(yīng)用于蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究的生物功能化納米狹縫裝置的示意圖。 受體探針?lè)肿樱╮eceptor probe molecules)被固定于位于納米流道（nanochannel)底部 的感測(cè)分子固定組件表面。熒光標(biāo)記的目標(biāo)分子藉由任何一種驅(qū)動(dòng)流體輸入，與探針固定 傳感器相互作用，蛋白質(zhì)-受體的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)以熒光顯微鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。
[0029] 圖IB顯示利用圖IA所示的納米流控設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的感測(cè)圖表。于結(jié)合 階段（Association)，流動(dòng)分析物會(huì)結(jié)合到位于傳感器表面的固定受體分子，使焚光強(qiáng)度增 加。達(dá)到平衡后，結(jié)合速率會(huì)等于解離速率，此時(shí)，緩沖溶液則以反轉(zhuǎn)流的方式（方向）輸 入滯流道中，而受體-分析物復(fù)合物則會(huì)開(kāi)始解離。于再生（regeneration)步驟中，再生 溶液短暫地被用于破壞上述的結(jié)合，并產(chǎn)生自由的受體以應(yīng)用于下一次的量測(cè)中。
[0030] 圖2顯示用于納米流流道內(nèi)的異質(zhì)免疫（heterogeneous immunoreaction)的有 限元素仿真的二維模型，所述納米流流道的長(zhǎng)度（L)為500微米，而流道高度（H)為450納 米，其中于流道的底部包含了長(zhǎng)度為50微米的感測(cè)區(qū)域。濃度C。的分析物由左側(cè)的入口以 流速（V)被引入，并于流道內(nèi)沿著X方向的對(duì)流流動(dòng)。它們被允許在各個(gè)方向自由地?cái)U(kuò)散， 并且被固定于反應(yīng)區(qū)，表面探針密