CN1723393A - 具有rf信号传输的生物传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量和/或检测生物分子存在的设备(1)和方法。该设备包括被安排为操作和发射谐振频率(f)的谐振电路。该谐振电路包括或耦合到传感元件(5)，用于检测生物分子(6a)到绑定位置(5a)的绑定。生物分子的绑定改变传感元件(5)的物理特性(R、L、C、质量)，这在传感元件形成谐振电路的一部分时又直接地或者通过传感元件到谐振电路的耦合改变谐振频率。检测谐振频率中的改变。该设备包括远程功率传输单元，例如光电二极管或线圈，用于分别使用光或RF辐射向谐振电路提供功率。

Description

具有RF信号传输的生物传感器

技术领域

本发明涉及包括具有用于生物分子的生物分子绑定位置(bindingsite)的传感元件的设备和使用这样的设备在样本中检测生物分子的方法。这样的设备有时也称作生物传感器检测头(cartridge)，传感元件有时称作生物传感器。生物芯片、生物传感器芯片、生物微芯片、基因芯片或DNA芯片是用于描述这样的设备或传感器的其它词汇。在这样的设备中，因为传感器表面上的绑定位置与流体内的生物化学成分的相互作用而产生信号。典型地，流体成分特别绑定到在传感元件的表面上形成结合位置(bonding site)的生物分子。本发明还涉及用于使用生物传感器设备确定生物分子的存在或用于测量生物分子的数量的方法。

背景技术

已经使用生物传感器来确定在流体中生物分子的存在和/或浓度。生物分子的示例是蛋白质、肽、核酸、碳水化合物和脂类物。流体的示例是简单的缓冲剂和生物流体，例如血液、血清、血浆、唾液、尿、组织匀浆。将要确定的生物分子通常也称作(被)分析物。

在生物传感器检测头中，传感元件包含绑定位置。为了便于检测，通常使用标记或标签，例如带有荧光或磁性的小珠、超微粒子或特殊分子。在分析物绑定到传感器之前和之后，可以粘贴标签。有时使用微观粒子作为固相(solid phase)来捕获分析物。根据具体的应用，固相微观粒子可以由多种材料制成，例如玻璃、塑料或橡胶。一些固相粒子由铁磁材料制成，以便于它们从复杂的悬浮物或混合物中分离出来。例如利用荧光标记，能够检测到绑定反映的出现，即绑定固相微观粒子(或已经捕获分析物的某个其它标记)。

在传感元件内生物分子的检测称作化验。这样的化验可以具有各种形式，例如简单绑定、夹心式化验、竞争化验和位移化验。在常规的固相化验中，固相主要协助分离绑定到固相的生物分子和未绑定到固相的分子。通过重力、离心作用、过滤、磁、流式细胞计(flow-cytometry)和显微流态学技术等能够进行分离。分离可以在化验的单个步骤内或者更平常地在多个步骤中执行。

通常，希望在单个容器内和在大约相同的时间上对同一样本执行两次或多次不同的化验。这样的化验在现有技术中称作多重化验(multiplex assay)。执行多重化验，以同时确定在所分析的样本内一个以上的分子的存在或浓度，或者可选择地，评估单个分子的若干特性，例如在单个蛋白质分子上若干抗原决定部分的存在。

生物传感器表示医生或实验室人员的工具。在生物传感器内特定化学反应的测量将产生将利用某个设备解释的数据。由于在医疗领域中的严格规定，生物传感器将只使用一次。换句话说，它必须是便宜和简单的。而且，如同实际使用的所有事情一样，操作最好是容易的。

从US6,376,187中获知包括能够相对容易操作的生物传感器的设备的例子。该设备包括识别芯片，其利用光提供能量并且感应地读出其存储器。与其独立的检测头包含利用荧光读出的生物传感器，即荧光标记与分析物绑定，所述分析物自身绑定在结合位置上，并利用荧光即荧光信号检测在结合位置上即在传感元件上荧光标记的存在。

然而，公知的生物传感器检测头的缺点在于：输出的灵敏度和正确性取决于荧光信号的强度。因而，如果中间媒体使来自生物传感器的信号失真，则最终的测量结果包含错误。并且，反之亦然，如果存在输出，则只能有限度地加以信任，因为它包含由于在从生物传感器到读取器的信号传输期间强度的损失而导致的未知、几乎不可控制或不可控制的错误。

因而，本发明的目的是提供一种生物传感器和一种方法，能够无线地进行操作和提供更可靠的信号。

发明内容

这个目的在开篇段落中描述的设备内实现，其特征在于，它包括：远程功率传输单元；谐振电路，所述谐振电路包括谐振频率确定传感元件或电耦合到谐振频率确定传感元件，其中在结合位置上的绑定影响传感元件的物理特性和因而影响谐振频率；电路，用于根据谐振电路的谐振频率进行RF信号的RF通信。

该目的在所述的方法中实现，其特征在于，使用传感器设备，该传感器设备包括：远程功率传输设备；谐振电路，所述谐振电路包括谐振频率确定传感元件或电耦合到谐振频率确定传感元件，其中在结合位置上的绑定影响传感元件的物理特性和因而影响谐振频率；和电路，用于根据谐振频率进行RF信号的RF通信，该方法包括以下步骤：

将目标绑定到传感元件的绑定位置；

发送光给光电二极管，以便给记录由用于RF通信的电路发射的RF信号的生物传感器设备供电。

在根据本发明的设备中，传感元件的物理特性或输出确定谐振电路内的谐振频率。分析物(或包括分析物的粒子，在此也称作“目标”)到结合位置的绑定反应因而影响谐振频率(通过影响例如传感器的L、C、R或质量)。谐振频率中的改变被用作信号。在本发明的方法中记录这个信号。根据此信号的强度，选择性不低于或至少不比公知设备低很多。此外，检测头上的数据转换可以限制于例如在诸如L、C、R值的改变到频率改变的转换，这降低了设备的复杂性。如果需要的话，通过同时测量校准样本，能够容易地防止谐振电路的谐振频率的系统偏移。其它的优点是：

通过使用在更长的时间帧上阻抗测量的平均，其中所述测量在任何情况下都比荧光测量更敏感，能够容易地实现噪声最小化。

远程功率传输单元是一种远程赋予动力的设备，它例如可以是通过光或者用于RF功率的功率传输的线圈供电的光电二极管。优选光电二极管，因为它允许提供足够的功率(例如每个光电二极管0,5V)。此外，与使用线圈进行功率传输相比，它具有下述优点：

光电二极管的必需尺寸小于电感器的尺寸，因而最小化芯片的表面，因此降低了利用读取器内较大的电源是必需的电感器的功率传输的成本。

还可以使用光电二极管向本发明的设备传输信号。为此目的，可以使用相同的或者一个或多个其它的光电二极管。可以通过光的调制来发射信号。可选择地，可以通过从光电二极管发射的光的辐射来选择性地启动该设备的传感元件。

在将线圈用于功率传输或RF功率的情况下，将远程功率传输设备调谐到与信号RF频率不同的频率上，以避免功率信号和测量信号之间的干扰。注意到，电生物传感器和设备是公知的。这样的传感器测量电流(ΔI)、电压(ΔV)、电阻(ΔR)或阻抗(ΔZ)。

电生物传感器的一些例子是：电流测定设备、电阻(例如磁阻)测定设备、电势测定设备、阻抗(例如磁-阻抗、电容)测定设备、量热设备、场效应设备、氧化还原反应设备和其它设备。

这些电子生物传感器始终电(galvanically)耦合到读出站。

存在与电连接到读出站相关的若干问题：

电接触点(galvanic contact)是不可靠的。在临床环境中，生物传感器设备被清洗和消毒，这损坏电接触点和生成错误。

电接触点提供ESD灵敏度。

电接触点需要相对大的间距。这限制了可以制成的接触点的数量，并且不必要地增加了硅芯片的大小和成本。

电接口连接可能需要在检测头内集成传导轨道，这使设备技术复杂化。

在根据本发明的设备中，通过RF信号即远程地执行读出，这避免了与电耦合相关的问题。

就两种类型的已知设备来说，(通过消除可能的不可靠性)极大地增加了灵敏度，同时降低了设备的复杂性。

在一种实施例中，传感元件构成谐振电路的一部分。这提供了相对简单的配置。

在这样的实施例中，传感元件可以构成谐振电路内的电容、线圈或电阻。

可选择地，传感元件构成耦合到谐振电路的电压或电流电源电路的一部分，其中电源电路的电压或电流取决于传感元件的物理特性，并且谐振电路的谐振频率取决于所述电压或电流。

本发明还涉及本发明的设备是其一部分的并且其中能够执行本发明的方法的系统。

这是一种用于检测在生物传感器设备上提供的样本内的生物分子的系统，该系统包括生物传感器设备和读出站，所述读出站包括用于向生物传感器设备发送功率的功率发送单元、天线和用于接收利用发射频率从生物传感器设备无线发送给读出站的接收机。其特征在于，存在本发明的设备。此外，该设备包括或连接到用于分析生物传感器设备的信号的发送频率或者其相对于校正频率的改变的分析器。优选地，该系统并且具体而言读出站包括用于处理所述发送频率和/或其改变的任何装置。这样的装置例如是微处理器，通过它能够将信号转换成数字格式。此外，适当的存储器可以存在。在这样的存储器内，最好与测量的生物传感器设备的标识号一起记录测量数据。而且，读出站可以包括用于发送结果数据的装置，具体而言，到标准通信网络的连接，和/或用于以文本或图形的形式显示结果的装置。本发明还涉及包括完成此的装置的读出站。

从下文描述的实施例中，本发明的这些和其它目的将是显而易见的并将结合这些实施例进行阐述。

附图说明

图1是本发明的简单设备的示意图。

图2是本发明的设备的布局的示意图。

图3示意性地图示用于根据本发明的设备的电方案。

图4类似于图3，但用于传感元件是利用电容器32的事实。

图5更详细地图示图4的一部分。

图6图示其中传感元件构成电阻元件的实施例。

图7图示一种实施例，其中传感元件构成用于向谐振电路提供电压信号的惠斯登电桥(Wheatstone bridge)结构内的GMR磁阻元件。

图8示意性地图示根据本发明的方法。

图9图示根据本发明的多阵列设备。

图10图示本发明的一种实施例，其中远程功率传输单元包括用于接收RF功率的线圈，由此远程功率传输单元被安排用于接收与谐振频率不同的RF频率。

在不同的附图中，相同的参考标记指相同或类似的单元，除非另有说明。

具体实施方式

将参考多个实施例和参考附图描述本发明，但是本发明并不限制于此。

图1是根据本发明的设备和方法的示意图。生物传感器检测头1具有光电二极管3作为远程功率传输单元。通过在光电二极管上照射光2，该设备被提供动力。光可以是可见光、UV或IR光，在一个例子中，光的波长是780nm。该设备还包括振荡器电路，在这个例子中至少包括放大器4和传感元件5。谐振频率(本征频率)取决于构成谐振电路的单元的特性，具体而言，例如在振荡器电路内的传感元件的电容、电感或电阻。质量也可以影响振荡频率。设备1包括用于RF通信的电路(这可以是独立的电路、振荡器电路本身或包括振荡器电路的更大实体)。RF信号取决于包括传感元件作为其频率确定单元之一的振荡器电路的振荡器频率。在一个例子中，RF频率例如是720mHz。传感元件5的表面或部分包括分析物6a可以绑定至的结合位置。通常，使用绑定到绑定位置5a的标签或标记(例如，珠6)，如果并且仅当它们包括分析物6a时。珠的绑定导致传感元件的物理特性的改变(R、C、L、质量、表面波特性)，这又改变谐振电路的谐振频率f，在这个示意图中在传感元件自身构成谐振电路一部分的情况下，这可以直接完成，或者在其它的例子中，通过耦合到谐振电路的电压或电流(或者一般地，信号)生成电路来完成，其中电压、电流或信号生成电路的电压或电流(或一般地，信号)取决于传感元件的物理特性，并且这又确定了谐振频率。用于RF频率的电路根据所述改变Δf发射信号(该信号可以是在谐振频率本身上的信号)。这个信号由设备1发射，并由接收机7接收，这因而接收包括与谐振频率f内的改变Δf相关的信息的信号。这个接收机7可以具有分析器，用于分析所述改变Δf，或将所接收的信号发送给用于分析该改变Δf的分析器。未绑定到结合位置的任何材料将不或几乎不影响谐振频率。

在公知的设备内，测量来自荧光标记的荧光信号，即珠6是荧光的。为此，光照射到假定在绑定位置上的荧光标记。然而，如果在绑定位置上未出现荧光标记，但是依然在光路径内(例如，如果没有仔细地清洗掉)，或者如果样本内的其它物质在光路径内产生干扰(例如光散射或吸收)，具有产生错误信号的机会。这导致测量的不准确性。如果在一个设备中将要测量许多不同的分析物，则这具体成为一个问题。荧光标记的荧光谱通常相对宽，并因此在使用若干分析物的化验中，必需特别小心：不出现串扰，即在一个分析物的荧光信号的噪声信号存在于用于另一种分析物的荧光标记的信号中。即使非常小心，这也将以牺牲测量速度为代价。在本发明中，因为在谐振电路内生成信号Δf，并且在谐振电路之外或未绑定在表面上的任何其余标记将不影响结果，所以大大减少了这些问题中的一个或多个。给谐振电路提供明显可区分的谐振频率是相对容易的，这使得更容易区分信号。这增加了测量的准确度以及可以用于测量信号并因而可以获得测试结果的速度。

图2示意性地图示图1所示设备的一个更加逼真的例子。该设备包括光电二极管3、片上导体21和电容22。

图3示意性地图示根据本发明的设备的电示意图。该设备包括光电二极管3，在此图示为与二极管D₀平行的光电流源I_ph。

示意性地，表示出谐振电路可以包括电感L(31)、电容C(32)和电阻元件R(33)。这些元件的L、C和/或R的值影响振荡器电路的谐振频率。在根据本发明的设备的不同实施例中，传感元件可以构成谐振电路内的电容、线圈或电阻。在这个例子中，示意性地图示传感元件构成谐振电路内的电感L。使用磁珠34，有可能改变线圈的L值。在这个实施例中，传感元件例如将是箔线圈，即表面上的扁平线圈。结合位置将出现在线圈表面上或附近。在结合位置上和因而靠近线圈的磁珠34的存在改变线圈的L值，并因而改变谐振电路的谐振频率。在图4至图8中示意性地图示一些可能的其它安排。

图4类似于图3。然而，在这个实施例中，传感元件不是由线圈而是由电容32构成。在这个例子中，珠35例如是具有相对高的介电常数的珠。在绑定位置上的绑定将改变传感元件的C值，并因而改变振荡器的谐振频率。

图5示意性地图示图4的细节。谐振电路用虚线框内的LC电路和放大器A示意性地表示。在电容C内珠35的存在改变电容器的电容，并因而改变谐振频率。在该图中，与在其它图中相同，示意性地图示放大器A，因为谐振电路通常具有放大部件。

图6类似于图3。然而，在这个实施例中，在电阻R上导电珠的存在改变所述电阻的电阻值，并因而改变谐振电路的谐振频率。电阻值R的改变将改变进入谐振电路的电流，并因而改变谐振电路的谐振频率。

图7图示图6所示方案的一种变型。生物传感器包括惠斯登电桥配置70内的磁阻检测器71和72。例如，在D.R.Baselt的“A biosensorbased on magnetoresistance technology(基于磁阻技术的生物传感器)”，Biosensors&Bioelectronics(生物传感器和生物电子)13，731-739(1998)；在R.L.Edelstein等人的“The BARC biosensorapplied to the detection of biological warfare agents(应用于生物竞争代理检测的BARC生物传感器)”，Biosensors&Bioelectronics 14，805(2000)；在M.M.Miller等人的“A DNA array sensor utilizing magnetic microbeads andmagnetoelectronic detection(使用磁微珠和磁电子检测的DNA阵列传感器)”，Journal of Magnetism and Magnetic Material(磁性和磁材料杂志)225(2001)，138-144页中描述了磁阻检测的原理。在尚未预先公开的申请EP 01205092.8(PHNL011000)和EP01205152.0(PHNL010994)中描述了合适的实施方式。一个或多个电阻的电阻值R取决于是否发生绑定。图7图示一种优选实施例，其中当绑定发生时，元件71的电阻增加，在该图中用符号+表示，而当绑定发生时，对于元件72，电阻降低(用符号-表示)。惠斯登电桥结构是优选的，因为这允许例如自动补偿R值的温度依赖性，至少在该桥式结构中使用相同类型的电阻元件时。最好与外部磁场的调制组合使用该磁阻检测。这样的调制允许分离对所测量信号的磁和非磁的贡献。

由于生物化学相互作用，磁标签被绑定到传感器。这些标签利用外部磁场来磁化。来自惠斯登电桥的电压取决于位于芯片上的磁阻传感器上的磁标签的数量。片上LC振荡器的振荡频率利用这个电压进行调制。GMR传感器的设置朝着放大器73的输出上的最大信号进行优化。片上电感器(参见图2)可以用作它生成的RF信号的天线。电压V由放大器73放大，并发送给谐振电路内的变容二极管75。在有关这个方案的变型中，来自生物传感器的输出I调制LC振荡器的频率。

在本发明的又一个实施例中，生物传感器位于片上SAW/BAW(Surface Acoustic Wave/Bulk Acoustic Wave表面声波/大型声波)谐振器的表面上，其是RF振荡器结构的一部分。被结合的生物分子将改变谐振器表面的质量，并改变其谐振频率。因为SAW/BAW谐振器并不自发地发射RF，所以可能需要其它的片上天线来进行RF传输。

在又一个实施例中，生物传感器信号被数字化，并作为例如GFSK调制应用于RF振荡器。在这种方案中，RF振荡器的相位噪声将仅影响传输质量，而不影响生物传感器信号的质量。

图8示意地图示根据本发明的一种方法，以及可以如何使用根据本发明的设备。在容器80中，提供具有生物分子的流体。向该流体提供具有绑定生物分子的标记。此后，提供具有专用于生物分子的绑定位置的传感元件的设备(例如以芯片的形式)。生物分子绑定在传感元件上的绑定位置上。光照射在芯片上，其在响应中发射由设备7记录的RF信号。在这个例子中，为了简化，容器仅提供有一个芯片。然而，根据本发明的设备和方法的极强大方面之一在于：可以同时提供和同时记录许多不同的芯片(具有用于各种生物分子的传感元件)，只要谐振频率是能够区分的。这允许同时和准确地测量许多生物分子的存在和/或浓度，这是很大的优点，它还允许监视这样的生物分子的浓度，即作为时间函数同时和准确地测量。

图9示意性地图示根据本发明的一个更复杂的设备。在该设备中，提供均根据本发明的大量的子设备91，它们中的至少一些用于不同的生物分子，并发射不同的RF频率给接收机7。每个子设备具有填充开口(fillo pening)92。这个多阵列能够同时、准确和快速地检测许多不同的生物分子。

本领域的技术人员将理解，本发明并不限制于在上文具体图示和描述的。本发明在于，每个新颖的特征和这些特征的每种组合。在权利要求书中的参考标号并不限制它们的保护范围。动词“包括”及其变型形式的使用并不排除除了在权利要求书中所陈述之外的单元的存在。在单元之前的冠词“一或一个”的使用并不排除多个这样的单元的存在。

例如，在图1至图9所示的示例性实施例中，远程功率传输单元包括或由光电二极管构成。图10图示根据本发明的设备和方法的例子，其中远程功率传输单元包括构成RF功率接收单元一部分的线圈101，所述RF功率接收单元被安排为在频率f1上通过RF功率信号接收功率。这个频率不同于振荡器的RF频率f2。通过使用不同的频率，功率信号并不干扰测量信号。

简而言之，可以将本发明描述如下：

一种用于测量和/或检测生物分子存在的设备和方法。该设备包括被安排为操作和发射谐振频率的谐振电路。该谐振电路包括或耦合到用于检测生物分子到绑定位置的绑定的传感器。生物分子的绑定改变传感元件的物理特性，这在传感元件构成谐振电路的一部分时直接或者通过传感元件到谐振电路的耦合改变谐振频率。检测谐振频率中的改变。该设备包括远程功率传输单元，例如光电二极管或线圈，用于分别使用光或RF辐射向谐振电路提供功率。

Claims (13)

1.一种设备(1)，包括传感元件(5，31，32，33，71)，具有用于生物分子(6a)的生物分子绑定位置(5a)，其特征在于，该设备(1)包括：远程功率传输单元(3，101)；谐振电路，所述谐振电路包括谐振频率确定传感元件(5，31，32)或电耦合到谐振频率确定传感元件(33，71)，其中在绑定位置(5a)上的绑定影响传感元件(5，31，32，33，71)的物理特性(R，L，C，质量)并因而影响谐振频率(f)；和电路，用于根据谐振电路的谐振频率进行RF信号(RF)的RF通信。

2.如权利要求1的设备，其特征在于，远程功率传输单元包括光电二极管(3)。

3.如权利要求1的设备，其特征在于，远程功率传输单元包括线圈(101)，用于接收RF功率，由此远程功率传输单元被安排用于接收与谐振频率不同的RF频率。

4.如权利要求1的设备，其特征在于，传感元件(5，31，32)形成谐振频率电路的一部分。

5.如权利要求4的设备，其特征在于，传感元件(33，71)形成耦合到谐振器电路的电压或电流电源电路的一部分，其中电源电路的电压(V)或电流(I)取决于传感元件的物理特性(R)，并且谐振电路的谐振频率(f)取决于所述电压(V)或电流(I)。

6.如权利要求1或4的设备，其特征在于，传感元件(71)是GMR磁阻元件。

7.如权利要求3或4的设备，其特征在于，传感元件是在桥式结构中提供的电阻元件。

8.如权利要求2的设备，其特征在于，传感元件位于作为振荡器电路一部分的片上SAW/BAW(表面声波/大型声波)谐振器的表面上。

9.一种用于使用设备(1)检测样本中的生物分子的方法，所述设备包括：传感元件(5，31，32，33，71)，具有用于生物分子的生物分子绑定位置(5a)，其特征在于，使用传感器设备，该传感器设备包括：远程功率传输单元(3)；谐振电路，包括谐振频率确定传感元件(5，31，32)或电耦合到谐振频率确定传感元件(33，71)，其中在结合位置(5a)上的绑定影响传感元件(5，31，32，33，71)的物理特性并因而影响谐振频率；和电路，用于根据谐振频率进行RF信号的RF通信，该方法包括以下步骤：

a)将目标绑定到传感元件的绑定位置；

b)远程发送功率给远程功率传输单元，用于给生物传感器设备供电；

c)记录由电路发射的RF信号，用于RF通信。

10.如权利要求9的方法，其特征在于，远程功率传输单元包括光电二极管(b)，和在步骤b中，光(2)照射在光电二极管上。

11.如权利要求9的方法，其特征在于，远程传输单元包括线圈(101)，用于接收RF功率，由此远程功率传输单元被安排用于接收与谐振频率不同的RF频率，和在步骤b中，发射与远程功率传输单元的RF频率相对应的RF频率。

12.一种用于检测在生物传感器设备上提供的样本内的生物分子的系统，该系统包括生物传感器设备和读出站，所述读出站包括用于向生物传感器设备发送功率的功率发送单元与天线和接收机，用于接收利用发射频率从生物传感器设备无线发送给读出站的信号，其特征在于：

存在如权利要求1至8中任一权利要求的设备；

该设备包括或连接到分析器，用于分析生物传感器设备的信号的发送频率或者其相对于校正频率的改变。

13.一种读出站，包括：

功率发送单元，用于向生物传感器设备发送功率；

天线和接收机，用于接收利用发射频率从生物传感器设备向读出站无线发射的信号；和

分析器，用于分析生物传感器设备的信号的发送频率或者其相对于校正频率的改变。

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