用于检测生物分析物的电导式传感器及其检测方法

本发明涉及传感器，特别地涉及用于检测液体中的生物分析物的电导式传感器以及用这种传感器检测生物分析物的方法。本发明主要被开发用于检测体液中的一系列生物分析物，并且将在下文中参考本示例性申请进行描述。以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应理解的是，所述讨论并不是确认或承认所提及的任何材料在本说明书的任何一项权利要求的优先权日已在澳大利亚或任何其他国家公布、已知或属于公知常识的一部分。

背景技术：

1、早已将传感器用于在组织和/或生物流体中监测/测量目标生物标记物(在下文为生物分析物)的水平。一种方法使用侵入式传感器，其中传感器组件直接与组织或体液接触，可能导致感染、组织损伤和不适。另一种方法依赖于使用非侵入式传感器，所述非侵入式传感器确定含有体液样品的样品溶液中生物分析物的水平。

2、用于此类应用的传感器依赖于各种传感技术，包括光学吸收和电化学方法。基于光学吸收的传感器不是特别精确，这是因为可能存在于体液中的各种生物分析物的弱吸收带紧密重叠以及这种测定的温度敏感性。

3、另一方面，电化学传感器更精确，因此目前在生物传感领域占据主导地位。这种传感器通过测量所关注的生物分析物与传感器所关联的传感元件相互作用之后生成的电信号来工作，其中生成的电信号与生物分析物的浓度成比例。生物分析物与传感器的相互作用引发可测量的在以下方面的变化：电流(安培式传感器)、电荷积累或电位(电位式传感器)、传感元件的导电特性(电导式传感器)或者传感元件的阻抗(阻抗式传感器)。

4、利用电化学转导的安培式传感器和电位式传感器通常需要工作电极、反(或辅助)电极和参比电极。参比电极与生物识别元件和分析物相互作用的位置保持一定距离，以建立已知且稳定的电位。当发生相互作用时，工作电极充当转导组件，而反电极测量电流并促进电解溶液的输送以允许电流传输至工作电极。

5、在电导式传感器的情况下，通过以下方式测量传感元件对分析物的敏感电阻：在两个电极之间施加电压并测量通过电极之间的对分析物敏感的传感元件的电流响应。有利地，这种设备因此不需要参比电极。此外，电导式传感器可以在低振幅交流电压下工作，从而防止电极上的法拉第过程，并且由于工作原理简单，可以小型化并集成到各种电子设备中。尽管电导式传感器因此与安培式传感器和电位式传感器相比提供了某些益处，但许多电导式传感器的灵敏度由于使用聚合物作为传感元件而受到阻碍，这可能导致传感器表现出不良的耐用性和不良的长期稳定性。

6、在共同未决的专利申请pct/au2020/051396中，公开了包括基于薄膜金属氧化物的传感元件的电导式传感器。虽然这些设备在检测体液中的一系列生物分析物时提供了优异的灵敏度和选择性，但设备结构复杂，并且期望的是避免使用通常由制备金属氧化物传感层所需的薄膜制造技术。

7、作为直接电导式传感器的替代方案，还开发了基于场效应晶体管的传感器。场效应晶体管是具有三个端子即源极、栅极和漏极的设备。生物分析物与传感元件(栅极)的相互作用导致场效应，所述场效应改变源极与漏极之间的电导率。

8、例如，us2010/2016256描述了一种生物传感器，其包括基底、在基底上的源电极、在基底上的漏电极以及在源电极与漏电极之间的基底表面上的至少一个官能化金属氧化物纳米带，其中所述官能化纳米带具有连接至一种或多种检测器分子的化学官能化表面，所述检测器分子用于与待检测的生物分析物结合，从而通过分析物与连接至纳米带表面的一种或多种检测器分子结合而生成电场门控效应。分析物的结合改变了纳米带(栅极)的场效应，从而改变了源极与漏极之间的路径的电导率，并且可以监测电导率的变化。

9、这种类型的设备通常具有许多缺点。第一，场效应晶体管通常是这样的设备，其开启和关闭，具有非线性的响应。在这些设备中，电阻不会以直线变化，因为它们通常具有小的线性响应区域，然后趋于平稳，这意味着所述设备难以在宽泛的条件下使用。第二，如技术人员将理解的，为了使这样的设备如所描述的那样工作，在传导路径(在源极与漏极之间)与栅极偏置(在us2010/2016256中是纳米带)的源极之间存在绝缘(介电)层是必要的。因此，这种类型的设备具有以下缺点：由于不同结构的元件的数量，它们制造起来相对复杂，因此在工业规模上的生产具有挑战性。第三，许多场效应传感器使用薄膜或其他微结构化构造的官能化金属氧化物作为传感元件。同样，期望的是避免生产这种设备结构所需的微制造技术的复杂性。

10、本发明寻求提供一种用于检测生物分析物的传感器以及用于检测生物分析物的方法，其将克服或基本改进现有技术的至少一些缺陷，或至少提供一种有用的替代方案。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测生物分析物的传感器，所述传感器包括：基底；一对端电极，其以相互间隔开且相对的关系布置在所述基底上；以及传感元件，其位于所述一对端电极之间并且与所述一对端电极电接触，其中所述传感元件包括：(i)所述基底的半导体部分，其中所述半导体部分包含高电阻率的非氧化物半导体，并且端电极之间的传导路径穿过所述半导体部分；以及(ii)在所述半导体部分的表面上的生物分析物结合位点，其中生物分析物与生物分析物结合位点的结合引起传感器的电阻变化。

2、在一些实施方案中，非氧化物半导体具有大于100ohm.cm的电阻率。在一些实施方案中，非氧化物半导体具有在约500ohm.cm至约50000ohm.cm的范围内或在约1000ohm.cm至约10000ohm.cm的范围内的电阻率。

3、在一些实施方案中，传感器具有在约10千欧姆至约10000千欧姆的范围内的电阻。

4、在一些实施方案中，非氧化物半导体选自单质半导体和化合物半导体。在一些实施方案中，非氧化物半导体为单质半导体。

5、在一些实施方案中，非氧化物半导体为硅半导体。硅半导体可以为本征硅半导体。硅半导体可以为浮区硅半导体。

6、在一些实施方案中，基底包括半导体部分作为其必要组成部分。基底可以为非氧化物半导体的晶片。

7、在一些实施方案中，生物分析物结合位点通过例如有机接头化学结合至半导体部分，所述有机接头可以为硅烷化剂的残基。生物分析物结合位点可以通过包括以下的方法来化学结合至半导体层：(i)用具有末端官能团的硅烷化剂对非氧化物半导体进行硅烷化，所述末端官能团选自环氧基、硫醇基、氨基、羧基和羟基；以及(ii)使包含生物分析物结合位点的前体与末端官能团反应。硅烷化剂选自(3-缩水甘油基氧基丙基)三甲氧基硅烷(gps)、(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(mts)、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(aptes)和n-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(aeapts)。

8、在一些实施方案中，生物分析物结合位点存在于生物分子或分子印迹聚合物上。

9、在一些实施方案中，生物分析物结合位点存在于选自蛋白、肽、脂肽、蛋白结合碳水化合物和蛋白结合配体中的生物分子上。

10、在一些实施方案中，生物分子为捕获蛋白。捕获蛋白可以选自蛋白结合支架、t细胞受体、tcr的结合片段、可变淋巴细胞受体、抗体和/或抗体的结合片段。

11、合适的蛋白结合支架可以选自：adnectin、affilin、亲合体、affimer分子、affitin、alphabody、适体、anticalin、基于犰狳重复序列蛋白的支架、atrimer、avimer、设计锚蛋白重复序列蛋白(darpin)、fynomer、抑制剂胱氨酸结(ick)支架、kunitz结构域肽、monobody和/或nanofitin。

12、抗体的结合片段可以包括fab、(fab')2、fab'、单链可变片段(scfv)、二-scfv和三-scfv、单域抗体(sdab)、双抗体或包含抗体结合结构域的融合蛋白。

13、在一些实施方案中，生物分析物结合位点结合白细胞介素-6(il-6)或c反应蛋白(crp)。

14、在一些实施方案中，生物分析物结合位点结合病毒蛋白。

15、传感器适当地为电导式传感器。因此，传感器可以包括用于在端电极之间施加电压并测量通过传感器中传导路径的电流的装置。所述装置可以适当地为恒电位仪。因此，在实施方案中，传感器不是场效应晶体管。

16、根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测生物分析物的方法，所述方法包括以下步骤：a)使根据第一方面的任意实施方案的传感器的传感元件与可能含有生物分析物的物质接触；b)测量与传感器的电阻相对应的传感器的电化学参数；以及c)基于在步骤b)中测量的电化学参数来检测传感元件上是否存在生物分析物。

17、在一些实施方案中，测量传感器的电化学参数包括：(i)在传感器上施加电压；以及(ii)测量通过传感器的电流。

18、在一些实施方案中，检测是否存在生物分析物包括将在步骤b)中测量的电化学参数与传感器的该参数的参考值进行比较。

19、在一些实施方案中，生物分析物为白细胞介素-6(il-6)或c反应蛋白(crp)。

20、在一些实施方案中，生物分析物为病毒蛋白。

21、在一些实施方案中，物质为样品溶液，任选地，其中所述样品溶液包含体液。

22、根据本发明的第三方面，提供了一种制造用于检测生物分析物的传感器的方法，所述方法包括以下步骤：提供包括半导体部分的基底，其中所述半导体部分包含高电阻率的非氧化物半导体；在所述基底上以相互间隔开且相对的关系制备一对端电极，其中所述基底的半导体部分位于端电极之间并且与端电极电接触，端电极之间的传导路径穿过所述半导体部分；以及将生物分析物结合位点固定在所述半导体部分的表面上，从而制得包括(i)半导体部分和(ii)生物分析物结合位点的传感元件。

23、在一些实施方案中，非氧化物半导体具有大于100ohm.cm的电阻率。在一些实施方案中，非氧化物半导体具有在约500ohm.cm至约50000ohm.cm的范围内或在约1000ohm.cm至约10000ohm.cm的范围内的电阻率。

24、在一些实施方案中，传感器具有在约10千欧姆至约10000千欧姆的范围内的电阻。

25、在一些实施方案中，非氧化物半导体选自单质半导体和化合物半导体。在一些实施方案中，非氧化物半导体为单质半导体。

26、在一些实施方案中，非氧化物半导体为硅半导体。硅半导体可以为本征硅半导体。硅半导体可以为浮区硅半导体。

27、在一些实施方案中，基底包括半导体层作为其必要组成部分。基底可以为非氧化物半导体的晶片。

28、在一些实施方案中，固定生物分析物结合位点包括将生物分析物结合位点化学结合至半导体部分。将生物分析物结合位点化学结合至半导体层可以包括：(i)用具有末端官能团的硅烷化剂对非氧化物半导体进行硅烷化，所述末端官能团选自环氧基、硫醇基、氨基、羧基和羟基；以及(ii)使包含结合位点的前体与末端官能团反应。硅烷化剂可以选自(3-缩水甘油基氧基丙基)三甲氧基硅烷(gps)、(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(mts)、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(aptes)和n-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(aeapts)。

29、在一些实施方案中，包含结合位点的前体为生物分子或分子印迹聚合物。

30、还公开了本发明的其他方面。