專利名稱：能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)與方法
能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)與方法
技術(shù)鄰壤
本發(fā)明屬于生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域， 一般涉及用于化學(xué)及生物化學(xué)分析、化學(xué)及生物 傳感、合成和檢測的微型儀器，尤其涉及一種生物、化學(xué)及醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)檢測領(lǐng)域的能快速高靈 敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)與方法。
背翠技術(shù)
生物芯片是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的高新技術(shù)，它融微電子學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、 材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、成型加工技術(shù)為一體，可以對細(xì)胞、DNA、蛋白質(zhì)等生物組分進(jìn)行準(zhǔn) 確、快捷和大信息量的檢測分析，在疾病診斷治療、疾病預(yù)測預(yù)防、新藥研究開發(fā)、農(nóng)作物 育種、環(huán)境檢測以及食品安全監(jiān)測等多方面具有廣泛用途，市場潛力巨大，成為國際生命科 學(xué)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)最重要的增長點(diǎn)和競爭焦點(diǎn)之一。
目前常見的生物芯片分為三類第一類為微陣列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞 芯片和組織芯片第二類為微流控芯片(屬于主動(dòng)式芯片)，包括各類樣品制備芯片、聚合酶 鏈反應(yīng)(PCR)芯片、毛細(xì)管電泳芯片和色譜芯片等；第三類為以生物芯片為基礎(chǔ)的集成化 分析系統(tǒng)，即芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-chip)。"芯片實(shí)驗(yàn)室"可以將諸如樣品(試樣)的前處理、 樣品制備、待測物分離、試劑輸送、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測等集成在微小的芯片上來實(shí)現(xiàn)的， 并依靠一些檢測方法如電化學(xué)檢測法和光學(xué)檢測法，將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號或光學(xué)信號， 再經(jīng)計(jì)算機(jī)或其他信號處理裝置進(jìn)行解釋。這些微型集成化分析系統(tǒng)攜帶方便，可用于緊急 場合、野外操作甚至放在航天器上。
然而，在生物芯片大規(guī)模應(yīng)用之前還有不少難題需要解決，包括對于癌癥等疾病的基 礎(chǔ)研究、基因的發(fā)現(xiàn)、生產(chǎn)成本的降低、快速高靈敏地檢測等。尤其是，目前國內(nèi)外對生化 反應(yīng)及其結(jié)果檢測的研究開發(fā)幾乎都集中在用熒光處理進(jìn)行變性以及用十分昂貴的熒光掃描 儀或光學(xué)儀器對生化反應(yīng)即雜交結(jié)果進(jìn)行檢測。因此，基于這類技術(shù)的生物芯片難于得到廣 泛應(yīng)用，尤其在疾病診斷治療、疾病預(yù)測預(yù)防、食品安全監(jiān)測等方面難于進(jìn)入家庭、難于個(gè)
人化。
中國專利公開說明書CN02112625.9涉及了一種帶濾光片轉(zhuǎn)盤的生物芯片熒光圖像的 采集，用于生物芯片上熒光圖像的掃描檢測。該系統(tǒng)主要由激光激發(fā)光路、熒光接收光路和 放置生物芯片的X-Y平臺及支架所組成。激光激發(fā)光路中的兩個(gè)激光束通過合光梭鏡到達(dá)同 光路，穿過中空全反鏡中心的通孔后，經(jīng)激光聚焦鏡聚焦于生物芯片上的一個(gè)點(diǎn)，激光激發(fā) 光路和兩個(gè)熒光接收光路共用，通過X-Y平臺的二維運(yùn)動(dòng)，可獲得多個(gè)生物芯片上的二維熒 光圖像。
中國專利公開說明書CN200410009044.7公開了一種具有光強(qiáng)實(shí)時(shí)檢測的生物芯片檢 測方法及其檢測系統(tǒng)，在激發(fā)光光路中加入一個(gè)光密度盤，以調(diào)整光強(qiáng)，在載片臺下方安裝 一個(gè)光探測系統(tǒng)，探測由氙燈光源發(fā)出的到達(dá)被檢測樣片上的光的光強(qiáng)，此光強(qiáng)值真實(shí)的反 映了激發(fā)光源光強(qiáng)的真實(shí)情況，此光強(qiáng)值在計(jì)算機(jī)里有所記錄，當(dāng)此光強(qiáng)值發(fā)生變動(dòng)時(shí)，計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)檢測電路提供的信號進(jìn)行判斷，及時(shí)采取措施，調(diào)整光密度盤或調(diào)整樣片的曝 光量，以保證檢測數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。該發(fā)明既可通過光密度盤來調(diào)整光強(qiáng)，也可調(diào)整生物樣 片的曝光量，這樣就可避免在生物芯片檢測中由于激發(fā)光光源的光強(qiáng)度差異或均勻性變化而 造成的檢測誤差，來保證生物芯片檢測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
然而，上述公開的生物芯片及所涉及的檢測方法及其檢測系統(tǒng)均會十分昂貴。
中國專利ZL01129100.1公開了一種基因芯片的制備方法，其特點(diǎn)是a.將DNA探針點(diǎn) 在噴鍍有金屬薄層的載體的基點(diǎn)上，完成DNA的固定；b.將含有電化學(xué)活性基團(tuán)的溶液點(diǎn)在 已固定的DNA表面，使已固定的DNA樣品5'末端帶上一電化學(xué)活性基團(tuán)；所述DNA探針 的結(jié)構(gòu)是5'-NHHCH2)n-******+++++++++++++++*****MCH2)n-SH-并將上述帶有電化學(xué) 活性基團(tuán)的電子基因芯片的金屬表面進(jìn)一步浸于SH-(CH2VOH溶液中過夜，該發(fā)明所得到的 電子基因芯片是采用電子檢測器來檢測基因芯片的信號。
中國專利ZL01129104.4涉及一種電子基因芯片的檢測方法，其特點(diǎn)是將帶有電化^ 性基團(tuán)的基因芯片與樣品DNA進(jìn)行雜交，然后用電子檢測器取代熒光掃描儀對基因芯片雜 交前后電信號的變化進(jìn)行檢測，判斷被檢測樣品中是否含有待檢測的特異性DNA片段。
但是，該發(fā)明并不能廣泛應(yīng)用于生物芯片進(jìn)行高靈敏度檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高通量、快速、高效、高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢 測的生物芯片系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有生物芯片或其系統(tǒng)的缺陷。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在該生物芯片系統(tǒng)中實(shí)施快速生物分子雜交，可靠、高 效、高靈敏度地迸行生物分子雜交檢測的方法，以克服現(xiàn)有生物分子雜交、檢測方法中存在 的缺陷。
本發(fā)明的一個(gè)顯著特點(diǎn)是本發(fā)明所得到的生物芯片系統(tǒng)可以不用熒光掃描儀或光學(xué)儀
器而采用電助雜交、電子檢測按照本發(fā)明，可以大幅度提高現(xiàn)有生物芯片或其系統(tǒng)的雜交 速度、檢測靈敏度和精確度，大幅度擴(kuò)大現(xiàn)有生物芯片或其系統(tǒng)的應(yīng)用范圍以及擴(kuò)大其檢測 樣品種類。
本發(fā)明的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是本發(fā)明的整個(gè)技術(shù)方案由生物分子雜交、檢測的生物芯片
系統(tǒng)與方法兩部分組成，適用于高通量的、任何種類的生物分子雜交和檢測。
本發(fā)明的再一個(gè)顯著特點(diǎn)是本發(fā)明的生物芯片系統(tǒng)易于進(jìn)入家庭、易于個(gè)人化、易于 微小型化，便于攜帶，可用于緊急場合、野外操作。
本發(fā)明涉及的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)與方法基于了經(jīng)典 的電泳原理，既在電解質(zhì)溶液中，帶電粒子在電場作用下，以不同的速度向其所帶電荷相反
方向遷移的現(xiàn)象；還基于了一些經(jīng)典研究結(jié)果，例如溶質(zhì)的遷移速度由其所帶電荷數(shù)和分子 量大小決定，另外還受緩沖液的組成、性質(zhì)、P H值等多種因素影響，又例如蛋白質(zhì)分子 是既有酸性基團(tuán)("COOH)，又有堿性基團(tuán)(-NH2)的兩性電解質(zhì)，在某一溶液中所帶正負(fù)電 荷相等，即分子的凈電荷等于零，此時(shí)，蛋白質(zhì)在電場中不再移動(dòng)，溶液的這一pH值為該蛋 白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelctric point, pl)。若溶液pH處于等電點(diǎn)酸側(cè)，即pH<pl，則蛋白質(zhì) 帶正電荷，在電場中向負(fù)極移動(dòng)。若溶液pH處于等電點(diǎn)堿側(cè)，即pH〉pl，則蛋白質(zhì)帶負(fù)電 荷，向正極移動(dòng)。溶液的pH離pl越遠(yuǎn)，質(zhì)點(diǎn)所帶凈電荷越多，電泳遷移率越大。
本發(fā)明人還考慮到了電流是通過橫跨DNA雙鏈之間的堿基流動(dòng)，而非人們想象的那樣沿 雙螺旋鏈流動(dòng)，如果DNA中4種堿基排列的順序被改變，電流的速度也有所變化的新近研 究成果。
本發(fā)明涉及的生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板， 一個(gè)具有至少兩個(gè)設(shè)置在襯板表面或內(nèi)里的
電極的電極列陣，至少一種設(shè)置在電極上、電極間、它們上面/上方的多孔膜和/或蓋板上的、 與將接觸的溶液中的待測物質(zhì)或分子可能雜交的生物分子， 一個(gè)控制系統(tǒng)，至少一個(gè)與電極 相連接的、能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方向和/或電壓變化的元件系統(tǒng)和/ 或至少一個(gè)與電極相連接的、能檢測電極或電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或 電壓變化的檢測元件系統(tǒng)；其中，襯板選自高分子材料、玻璃、陶瓷、硅、云母或它們中的 一種或多種的混合物，蓋板選自高分子材料、生物降解、無機(jī)材料、金屬微粒中的一種或多 種。
蓋板可以是一層能復(fù)蓋整個(gè)或部分電極列陣的膜，也可以是一層具有透孔的膜，以使電 極可以處于透孔之中。
所涉及的多孔膜是一層或多層復(fù)合的、含有抗生蛋白鏈菌素、核酸、氨基酸、金屬微粒 和/或酶分子的多孔生物或有機(jī)高分子薄膜；其總厚度大于1納米小于300微米，平均孔徑小 于20微米、孔隙率大于30%。
所涉及的生物分子包括經(jīng)擴(kuò)增、未經(jīng)擴(kuò)增、經(jīng)修飾或未被修飾的DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、 肽類、多糖、酶類、核酸、低核苷酸、抗原/抗體、細(xì)胞、病毒、有機(jī)分子、合成分子、天然 生物分子、藥物分子、化合物中的一種或多種。
所涉及的待測物質(zhì)或分子包括經(jīng)擴(kuò)增、未經(jīng)擴(kuò)增、經(jīng)微粒修飾或未被微粒修飾的DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、肽類、多糖、酶類、核酸、低核苷酸、抗原/抗體、細(xì)胞、病毒、有機(jī)分子、 合成分子、天然生物分子、藥物分子、化合物中的一種或多種。也包括一些小的化學(xué)物品， 如抗生素、農(nóng)藥等。
本發(fā)明涉及的溶液中包括待測物質(zhì)或分子，帶電荷物質(zhì)，鋰硼酸，磷酸鹽，硼酸鹽，含 堿溶劑，含酸溶劑，水，去離子水和/或有機(jī)溶劑。
帶電荷物質(zhì)包括具有與溶液不同電性能的被微粒修飾的低核苷酸、氨基酸、DNA、 RNA、 蛋白質(zhì)、肽類、多糖、核酸或它們的片段中的一種或多種。
微粒包括直徑大于1納米小于1000納米的非金屬微粒、金屬微粒、絕緣體、磁性物、放 射物。
本發(fā)明涉及的電極或其連線材料選自固態(tài)或液態(tài)的金屬、金屬化合物、金屬混合物和域 導(dǎo)電高聚物。電極的表面形狀為包括叉指在內(nèi)的任意幾何形狀；其中，電極間距和/或叉指間
距小于250微米，電極直徑或叉指寬度小于500微米。
本發(fā)明涉及的電極進(jìn)而也包括碳納米管電極。
本發(fā)明所涉及的電極列陣可具有上萬個(gè)電極，電極的分布可以是有規(guī)的，也可以是無規(guī) 無序的。電極列陣可以是由多組電極，單組電極和/或單個(gè)電極組成，而每組電極具有至少兩 個(gè)電極和/或匯集成一 個(gè)電極。
在本發(fā)明涉文中，"電極間"意指電極列陣中任意兩個(gè)電極之間、任意電極與其它電極之 間、 一些電極與其它一些電極之間或電極列陣中某電極/某些電極與特定的通用電極之間，且
該通用電極上面/上方可能沒有設(shè)置生物分子。
在本發(fā)明涉文中，"電極或其連線材料"原則上可以選自任何導(dǎo)電金屬，但優(yōu)選為銅、 鋁、金、銀、鉑、錫。
本發(fā)明涉及的控制系統(tǒng)可用于設(shè)定系統(tǒng)操作參數(shù)或分配這些操作參數(shù)，連接備選、擴(kuò)充 元件或系統(tǒng)，報(bào)告、分析檢測過程或結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)可以是一個(gè)EPROM或一個(gè)簡單的計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。
本發(fā)明涉及的生物分子雜交、檢測的方法包括下列步驟
1) 在設(shè)有生物分子的多孔膜和/或蓋板上放入溶液或?qū)⒃O(shè)有生物分子的多孔膜和/或蓋板 及電極浸入溶液；
2) 檢測生物分子與溶液接觸前或接觸后但在進(jìn)行雜交前的電極Jt/間的阻抗、電容、電阻、 電流和/或電壓；
3) 選擇
步驟(a):使電極陣列中其中一個(gè)或多個(gè)上面/上方有某種生物分子的電極為正極，其它 電極為負(fù)極通電不小于1秒鐘(以使帶負(fù)電荷的待測物質(zhì)或分子在電場間的電場力線作用下 迅速移向正極，并與正極上面/上方固定的生物分子進(jìn)行反應(yīng)，若兩者發(fā)生反應(yīng)，則產(chǎn)生雜化 現(xiàn)象，該電極上的電流或阻抗等則有異于為雜化前的電流電流或阻抗等)，斷電后再使另一個(gè) 或另一些上面/上方設(shè)有另類生物分子的電極為正極，其它電極、通用電極和/或除去作為過正 極的電極為負(fù)極通電不少于1秒鐘，類此，將所有上面/上方有不同種類生物分子或設(shè)定的電 極逐次作為正極，其它電極、通用電極和/或除去已作為過正極的電極為負(fù)極通電，每次通電 時(shí)間均不少于1秒鐘且其間可使電流或阻抗根據(jù)生物分子和/或微粒種類或大小進(jìn)行變化，來 幫助完成雜交反應(yīng)；
步驟(b):使電極陣列中其中一個(gè)或多個(gè)上面/上方有某種生物分子的電極為負(fù)極，其它
電極為正極通電不小于1秒鐘(以使帶正電荷的待測物質(zhì)或分子在電場間的電場力線作用下 迅速移向負(fù)極，并與負(fù)極上面/上方固定的生物分子進(jìn)行反應(yīng)，若兩者發(fā)生反應(yīng)，則產(chǎn)生雜化 現(xiàn)象，該電極上的電流或阻抗等則有異于為雜化前的電流電流或阻抗等)，斷電后再使另一個(gè) 或另一些上面/上方設(shè)有另類生物分子的電極為負(fù)極，其它電極、通用電極和/或除去作為過正 極的電極為正極通電不少于l秒鐘，類此，將所有上面/上方有不同種類生物分子或設(shè)定的電 極逐次作為負(fù)極，其它電極、通用電極和/或除去已作為過正極的電極為正極通電，每次通電 時(shí)間均不少于1秒鐘且其間可使電流或阻抗根據(jù)生物分子和/或微粒種類或大小進(jìn)行變化，來 幫助完成雜交反應(yīng)；或
步驟(c):重復(fù)步驟(a)或步驟(b)，或交叉進(jìn)行步驟(a)和步驟(b)來幫助完成雜 交反應(yīng)；
4) 比較由步驟2)與步驟3)或其后塘除未反應(yīng)物質(zhì)后檢測到的上面/上方置有生物分子 的電極上/間的電流、阻抗、電容、信噪比、電阻和/或電壓，其中，清除過程包括采用溶劑、 溶液或反電泳法；和/或
5) 由上面/上方置有生物分子的電極±/間的電流、阻抗、電容、信噪比、電P且和域電壓 變化或變化數(shù)值來確定與生物分子相同的溶液中的物質(zhì)或分子種類和/或數(shù)量。
本發(fā)明涉及的生物芯片系統(tǒng)在雜交過程中能形成兩電極間的架橋現(xiàn)象以增強(qiáng)檢測信號， 提高檢測靈敏度。在電極之間間距很小，例如小于1000納米的情況下，在電極之間不設(shè)置生 物分子，也能獲得較好的電極間的架橋現(xiàn)象。
本發(fā)明涉及的生物芯片系統(tǒng)中可設(shè)置微型熱和/或冷裝置、溫度控制裝置，以可以控制某 些雜交反應(yīng)的雜化溫度。


附圖1是本發(fā)明所涉及的一種在電極上的多孔膜上設(shè)置了生物分子的生物芯片系統(tǒng)的剖
面示意圖o
附圖2是本發(fā)明所涉及的在電極上的多孔膜上設(shè)置了生物分子的另一種生物芯片系統(tǒng)的 剖面示意圖。
附圖3是本發(fā)明所涉及的一種電極設(shè)置襯板內(nèi)的生物芯片系統(tǒng)的剖面示意圖。 附圖4是本發(fā)明所涉及的一種生物分子設(shè)置在多孔膜和蓋板上的生物芯片系統(tǒng)的剖面示 意圖。
附圖5是本發(fā)明所涉及的生物芯片系統(tǒng)上產(chǎn)生雜交現(xiàn)象的示意圖。
附圖6是本發(fā)明所涉及的生物芯片系統(tǒng)在雜交過程中形成兩電極間的架橋現(xiàn)象的示意圖。
具體實(shí)施例方式
附圖1至附圖6是根據(jù)本發(fā)明精神構(gòu)成的幾種形式的生物芯片系統(tǒng)的示意圖。但本發(fā)明 涉及的生物芯片系統(tǒng)并不僅限于這些圖例。
如附圖1至附圖6所示，本發(fā)明實(shí)施例包括襯板(l),電極(2, 2a),多孔膜(3)，生物 分子(4)，能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方向和/或電壓變化的元件系統(tǒng)(5), 控制系統(tǒng)(6)，能檢測電極或電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢 測元件系統(tǒng)(7)，連線(8),蓋板(9)，待測物質(zhì)或分子(IO)，微粒(ll)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于在實(shí)施方式說明范圍內(nèi)。
實(shí)施方式l
如附圖1和附圖2所示的生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板(l)， 一個(gè)具有兩個(gè)設(shè)置在襯板(l) 表面的電極(2， 2a)的電極列陣(未圖示)，一種設(shè)置在電極(2， 2a)上的多孔膜(3)上的、與 將接觸的溶液(未圖示)中的待測物質(zhì)或分子(10)可能雜交的生物分子(4)， 一個(gè)控制系統(tǒng)(6), 一個(gè)通過連線(8)與電極(2， 2a)相連接的、能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方 向和/或電壓變化的元件系統(tǒng)(5)， 一個(gè)通過連線(8)與電極(2， 2a)相連接的、能檢測電極或 電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢測元件系統(tǒng)(7)。這兩種生物 芯片系統(tǒng)的不同之處在于附圖1所示的生物芯片系統(tǒng)的電極連線(8)穿過襯板(1)，而附圖2
所示的生物芯片系統(tǒng)的電極連線(8)設(shè)置在襯板(1)上。這兩種連線(8)的設(shè)置方式均適合于本
發(fā)明涉及的生物芯片系統(tǒng)。
如附圖3所示的生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板(l)， 一個(gè)具有兩個(gè)設(shè)置在襯板(l)內(nèi)里的電 極(2， 2a)的電極列陣(未圖示)，一種設(shè)置在電極(2， 2a)和襯板(l)上的多孔膜(3)上的、與 將接觸的溶液(未圖示)中的待測物質(zhì)或分子(10)可能雜交的生物分子(4), 一個(gè)控制系統(tǒng)(6)， 一個(gè)通過連線(8)與電極(2， 2a)相連接的、能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方 向和域電壓變化的元件系統(tǒng)(5)，一個(gè)通過連線(8)與電極(2， 2a)相連接的、能檢測電極或 電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢測元件系統(tǒng)(7)。
如附圖4所示的生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板(l)， 一個(gè)具有兩個(gè)設(shè)置在襯板(l)表面的電 極(2)的電極列陣(未圖示)，一種設(shè)置在電極(2， 2a)上的多孔膜(3)上和襯板(l)上蓋板(9) 的、與將接觸的溶液(未圖示)中的待測物質(zhì)或分子(10)可能雜交的生物分子(4),—個(gè)控制 系統(tǒng)(6)，一個(gè)通過連線(8)與電極(2, 2a)相連接的、能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、 電流方向和域電壓變化的元件系統(tǒng)(5), —個(gè)通過連線(8)與電極(2， 2a)相連接的、能檢測 電極或電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢測元件系統(tǒng)(7)。
如附圖5所示的生物芯片系統(tǒng)是如附圖4所示的、已進(jìn)行生物分子(4)雜交的、但未產(chǎn)生 電極(2， 2a)間的架橋^L象的生物芯片系統(tǒng)。
如附圖6所示的生物芯片系統(tǒng)是如附圖4所示的、已進(jìn)行生物分子(4)雜交并產(chǎn)生了電極 (2， 2a)間的架橋現(xiàn)象的生物芯片系統(tǒng)。
實(shí)施方式2
1) 在設(shè)有生物分子(4)的多孔膜(3)和/或蓋板(9)上放入溶液(未圖示)或?qū)⒃O(shè)有生物分 子(4)的多孔膜(3)和域蓋板(9)及電極(2, 2a)浸入溶液(未圖示)；
2) 檢測生物分子(4)與溶液(未圖示)接觸前或接觸后但在進(jìn)行雜交前的電極(2， 2a)上 /間的阻抗、電容、電阻、電流和/或電壓；
3) 使電極陣列(未圖示)中其中一個(gè)或多個(gè)上面/上方有某種生物分子(4)的電極(2)為正 極，其它電極(2a)為負(fù)極通電不小于l秒鐘(以使帶負(fù)電荷的待測物質(zhì)或分子(10)在電場間 的電場力線(未圖示)作用下迅速移向正極，并與正極上面/上方固定的生物分子(4)進(jìn)行反
應(yīng)，若兩者發(fā)生反應(yīng)，則產(chǎn)生雜交現(xiàn)象，該電極(2)上的電流或阻抗等則有異于為雜化前的電
流電流或阻抗等)，完成雜交反應(yīng)；
4) 比較由步驟2)與步驟3)檢測到的上面/上方置有生物分子(4)的電極(2)上的電流、 阻抗、電容、信噪比、電阻和/或電壓；
5) 由電極(2)上的電流、阻抗、電容、信噪比、電阻和/或電壓變化或變化數(shù)值來確定與 生物分子(4)相同的溶液(未圖示)中的物質(zhì)或分子(10)種類和/或數(shù)量。
實(shí)施方式3 (實(shí)施例)
在PMMA襯板上，點(diǎn)涂2個(gè)鉑電極，其直徑約為150微米，間距約為120微米；在兩個(gè) 電極表面噴涂一層含金微粒和生物酶的PS發(fā)泡膜，其厚度約為100微米;在PS膜上固定 DNA探針；將其及電極部分浸入帶銀微粒及經(jīng)擴(kuò)增的相同DNA的溶液，以固有DNA探針 的電極為工作電極，通電0.5分鐘進(jìn)行雜交，雜交后于溫室下，測定500mV電壓下雜交前后 的電流值變化，該變化值為11%。
權(quán)利要求
1、一種能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其特征在于該生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板，一個(gè)具有至少兩個(gè)設(shè)置在襯板表面或內(nèi)里的電極的電極列陣，至少一種設(shè)置在電極上、電極間、它們上面/上方的多孔膜和/或蓋板上的、與將接觸的溶液中的待測物質(zhì)或分子可能雜交的生物分子，一個(gè)控制系統(tǒng)，至少一個(gè)與電極相連接的、能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方向和/或電壓變化的元件系統(tǒng)和/或至少一個(gè)與電極相連接的、能檢測電極或電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢測元件系統(tǒng)；其中，襯板選自高分子材料、玻璃、陶瓷、硅、云母或它們中的一種或多種的混合物，蓋板選自高分子材料、生物降解、無機(jī)材料、金屬微粒中的一種或多種。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的多孔膜是一層或多層復(fù)合的、含有抗生蛋白鏈菌素、核酸、氨基酸、金屬 微粒和/或酶分子的多孔生物或有機(jī)高分子薄膜；其總厚度大于1納米小于300微米，平均孔 徑小于20微米、孔隙率大于30%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的生物分子包括經(jīng)擴(kuò)增、未經(jīng)擴(kuò)增、經(jīng)修飾或未被修飾的DNA、 RNA、蛋 白質(zhì)、肽類、多糖、酶類、核酸、低核苷酸、抗原/抗體、細(xì)胞、病毒、有機(jī)分子、合成分子、 天然生物分子、藥物分子、化合物中的一種或多種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的待測物貭或分子包括經(jīng)擴(kuò)增、未經(jīng)擴(kuò)增、經(jīng)微粒修飾或未被微粒修飾的 DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、肽類、多糖、酶類、核酸、低核苷酸、抗原/抗體、細(xì)胞、病毒、有機(jī) 分子、合成分子、天然生物分子、藥物分子、化合物中的一種或多種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的溶液中包括待測物質(zhì)或分子，帶電荷物質(zhì)，鋰硼酸，磷酸鹽，硼酸鹽，含 堿溶劑，含酸溶劑，水，去離子水和/或有機(jī)溶劑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的帶電荷物質(zhì)包括具有與溶液不同電性能的被微粒修飾的低核苷酸、氨基酸、 DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、肽類、多糖、核酸或它們的片段中的一種或多種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的能快速高靈敏迸行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其特征在于所述的微粒包括直徑大于1納米小于1000納米的非金屬微粒、金屬微粒、絕緣 體、磁性物、放射物。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的電極或其連線材料選自固態(tài)或液態(tài)的金屬、金屬化合物、金屬混合物和/或 導(dǎo)電高聚物。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)，其 特征在于所述的電極的表面形狀為包括叉指在內(nèi)的任意幾何形狀；其中，電極間距和/或叉 指間距小于250微米，電極直徑或叉指寬度小于500微米。
10、 如權(quán)利要求1所述的生物芯片系統(tǒng)進(jìn)行生物分子雜交、檢測的方法，其特征在于 其方法包括下列步驟1) 在設(shè)有生物分子的多孔膜和/或蓋板上放入溶液或?qū)⒃O(shè)有生物分子的多孔膜 和/或蓋板及電極浸入溶液2) 檢測生物分子與溶液接觸前或接觸后但在進(jìn)行雜交前的電極上/間的阻抗、電 容、電阻、電流和/或電壓；3) 選擇步驟(a):使電極陣列中其中一個(gè)或多個(gè)上面/上方有某種生物分子的電極為正極， 其它電極為負(fù)極通電不小于1秒鐘，斷電后再使另一個(gè)或另一些上面/上方設(shè)有另類生物 分子的電極為正極，其它電極、通用電極和/或除去作為過正極的電極為負(fù)極通電不少于 1秒鐘，類此，將所有上面/上方有不同種類生物分子或設(shè)定的電極逐次作為正極，其它 電極、通用電極和/或除去已作為過正極的電極為負(fù)極通電，每次通電時(shí)間均不少于1 秒鐘，來幫助完成雜交反應(yīng)；步驟(b):使電極陣列中其中一個(gè)或多個(gè)上面/上方有某種生物分子的電極為負(fù)極， 其它電極為正極通電不小于1秒鐘，斷電后再使另一個(gè)或另一些上面/上方設(shè)有另類生 物分子的電極為負(fù)極，其它電極、通用電極和/或除去作為過正極的電極為正極通電不 少于1秒鐘，類此，將所有上面/上方有不同種類生物分子或設(shè)定的電極逐次作為負(fù)極， 其它電極、通用電極和/或除去已作為過正極的電極為正極通電，每次通電時(shí)間均不少 于1秒鐘，來幫助完成雜交反應(yīng)；或步驟(c):重復(fù)步驟(a)或步驟(b)，或交叉迸行步驟(a)和步驟(b)來幫助完成雜交反應(yīng)；4) 比較由步驟2)與步驟3)或其后/清除未反應(yīng)物質(zhì)后檢測到的上面/上方置 有生物分子的電極±/間的電流、阻抗、電容、信噪比、電阻和/或電壓，其中，清除過 程包括采用溶劑、溶液或反電泳法和/或5) 由上面/上方置有生物分子的電極上/間的電流、阻抗、電容、信噪比、電阻 和/或電壓變化或變化數(shù)值來確定與生物分子相同的溶液中的物質(zhì)或分子種類和/或數(shù) 量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能快速高靈敏進(jìn)行生物分子雜交、檢測的生物芯片系統(tǒng)與方法，涉及的生物芯片系統(tǒng)包括一塊襯板，一個(gè)電極列陣，至少一種設(shè)置在電極上、電極間、它們上面/上方的多孔膜和/或蓋板上的、與將接觸的溶液中的待測物質(zhì)或分子可能雜交的生物分子，一個(gè)控制系統(tǒng)，至少一個(gè)能使電極或電極間的阻抗、電容、電流、電流方向和/或電壓變化的元件系統(tǒng)和/或至少一個(gè)能檢測電極或電極間的阻抗、電容、信噪比、電阻、電流和/或電壓變化的檢測元件系統(tǒng)；涉及的方法為電助雜交、電子檢測。
文檔編號G01N33/50GK101201350SQ20071005934
公開日2008年6月18日 申請日期2007年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者劉文韜, 劉津平, 霞 高 申請人:劉文韜