片上磁粒子检测的数字控制的制作方法
【专利说明】片上磁粒子检测的数字控制
[0001 ] 有关申请的交叉引用
[0002]本申请要求对均通过完全引用而结合于此、提交于2013年5月20日的第61/825，464号美国临时申请；以及提交于2013年10月15日的第61/891，319号美国临时申请的优先权。
技术领域
[0003]公开了一种用于在化学测试领域中使用的检测系统和方法。更具体地，检测系统可以用于过滤用于在包含数字控制功能的集成电路上测试的全血。
【背景技术】
[0004]护理点(P0C)诊断医疗设备有助于早期检测疾病、实现更个人化定制的疗法和允许医生更容易地跟进患者以查看处方的治疗是否起作用。为了保证广泛采用，这些工具必须准确、易于被未受训练的个人使用并且生产和分发价格低廉。免疫检测(IA)应用特别适合用于P0C，因为可以从可溶蛋白质生物标记符标识从心血管疾病到癌症以至到可传染感染的广泛病症。从原始样品如全血对这些生物标记的检测和定量经常包括使用荧光或磷光分子、酶、量子点、金属粒子或者磁粒子来标记目标蛋白。对于高灵敏度应用，必须区分特异性结合到目标分析物的标签与对背景噪声有贡献的未特异性结合的标签。通过在低成本、易于使用的格式中组合标签分离和检测，免疫-色谱测试(ICT)实现单独操作、即有能力执行检测而无需电子读取器或者外部样品预备系统。单独操作是经常被忽视的属性、但是一个对于尽管有其它缺陷、如低生化灵敏度、用户解释、不准确定量、时序要求和笨拙多路而仍然实现的ICT流行而言关键的属性。
[0005]使用磁粒子标记对于P0C应用而言是理想的；可以个别地检测磁粒子，因此可以实现亚皮摩尔灵敏度而无需如在酶标记的情况下那样花费多达一小时的信号放大步骤。且通过将所述粒子结合到其上的检测区域(sensing area)微阵列化(micro-arraying)，也可以低成本实现多路操作。使用磁粒子可以减少培养时间，因为它们由于它们的高表面积与体积之比率而可以用液相动力学结合到目标分析物。另外，有能力从溶液用磁力和重力拉出磁粒子克服困扰多数高灵敏度方案的缓慢扩散过程。来自磁粒子的信号可以随时间稳定、对温度或者化学物改变不敏感并且在不透明或者半透明溶液如全血或者血浆中被检测到。生物磁背景信号可能低，因此可以用最少样品制剂实现高检测灵敏度。更重要的是，使用磁粒子作为检测标签可以允许单独设备操作，因为可以电磁地既操纵又检测这些粒子。
[0006]“磁粒子”是显示磁性、反磁性、铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、超顺磁性或者反铁磁性行为的纳米或者微米大小的粒子。“磁粒子”可以是指个别粒子或者更大粒子聚合体，如磁珠。
[0007]磁粒子传感器是在集成电路中嵌入的可以检测磁粒子的传感器。例子包括光传感器、磁传感器、电容传感器、电感传感器、压力传感器。
[0008]其中使用磁粒子作为检测标签的ICT是对常规ICT的改进，因为对粒子的检测不限于条带的表面、但是可以遍及条带的体积来执行从而产生更高灵敏度和提高的定量准确度。然而，不能在单独设备中容易地集成对磁粒子的体积检测，因此这些实现方式需要额外设备以测量条带中的体积磁化。
[0009]一种用于集成到单独检测系统中的备选方式是使用在经由重力或者磁力沉淀到其中可以检测特异性结合的粒子的检测区域之前结合到溶液中的目标分析物的磁粒子。生物功能化的1C可以用来检测特异性结合的粒子。然而，迄今报道的多数基于1C的免疫检测实现方式不能单独操作，因为它们需要用于粒子检测的片外部件或者用于粒子操纵和样品预备的微流体致动。其它实现方式完全不能达到有必要在当前市场中竞争的成本结构。
[0010]对于P0C应用，希望样品预备迅速，因为检测限于10-15分钟。此外，为了回避需要制冷设备以及有助于存储和分发，希望干样品预备系统。也希望具有从患者接收小的未处理的样品的样品预备系统。来自手指刺入的平均悬滴血产生大约15μ1流体。对于更多流体，复杂化的静脉刺破可能是必需的。另外，样品预备系统必需低成本，因为生物污染顾虑规定丢弃与生物样品接触的所有材料。也希望样品预备系统能适用于多路操作。
【发明内容】
[0011]公开一种可以满足以上描述的对于速度、成本和性能的要求的样品预备系统。
[0012]有孔材料如膜过滤器可以回避对于离心或者复杂化的微流体样品预备的需要。由于膜过滤器紧凑和低廉，所以减少系统成本从而实现单独P0C操作。另外，膜可以无需在附加支持下30秒之内从全血细胞分离血浆。用功能化的磁粒子培养滤液可以实现用于用亚皮摩尔灵敏度的迅速操作的液相动力学。使用1C以执行对磁粒子的检测实现低成本、单独操作。因此，过滤器、毛细管、磁粒子和1C的组合可以产生有拇指驱动的构成因素的单独、准确、多路平台。除了电池和显示器的整个系统的大小可以减少至lcm3以下。
[0013]检测系统可以用于免疫检测。检测系统可以用于核酸、小分子和无机分子测试或者其组合。
[0014]公开一种样品预备系统，该样品预备系统包括膜过滤器和配置为向操纵和检测磁粒子的集成电路(1C)的暴露的表面递送粒子的毛细管通道。可以在膜上面或者膜中俘获样品中的大粒状物，如全血细胞，而包含目标分析物的含水样品跨越膜进入毛细管的入口中，其中磁粒子可被重新悬置并且结合到滤液中的目标分析物。有重新悬置的磁粒子的滤液可以由于毛细管作用而流过毛细管和流到1C的表面上的检测区域上。
[0015]结合到目标分析物的磁粒子可以通过特异性化学相互作用强烈地结合到1C的表面上的功能化的检测区域。特异性结合到1C的表面的磁粒子的数目是代表生物样品中呈现的目标分析物的浓度。
[0016]1C的表面可以包含一个或者多个检测区域。检测区域对应于芯片的表面上的区域，其中粒子传感器可以在这些区域中检测到特异性结合的粒子。可以在1C中嵌入粒子传感器。为了磁粒子的总数的准确计数，粒子传感器可以被放置在检测区域以外以检测从检测区域去除的非特异性结合的粒子。
[0017]1C可以包含一个或者多个磁力生成器以操纵检测区域上的非特异性结合的磁粒子。这些磁力可以用来将磁珠吸引到检测区域并且从检测区域去除非特异性结合的磁粒子。系统可以具有两个或者更多毛细管，例如其中递送毛细管的入口被放置在过滤器正下方并且将滤液递送到沉淀毛细管中，其被放置在检测区域正上方。干燥的磁粒子可以被放置在沉淀毛细管的顶部。从沉淀毛细管的顶部，干燥的磁粒子一旦滤液到达它们就可以沉淀到检测区域。检测的时间长度可以由沉淀毛细管的高度确定。
[0018]检测系统可以被配置为取得全血或者预先过滤的血液、尿液、泪液、唾液、排泄物、口腔、鼻腔样品或者其它生物或者非生物含水样品。
[0019]化学物，例如但不限于:核酸适体、寡核苷酸、蛋白质、用于防止凝结的制剂、用于内部校准曲线的目标分析物、结合催化制剂、磁粒子或者其组合，可以在膜过滤器组件中沿着毛细管的轴或者在1C的表面上被干燥并且可以被血浆重新溶解、但是保持结合到它们在其上被干燥的表面。
[0020]检测系统可以包含用户界面控件以简化用户。全干检测系统可以校准背景信号和原生目标信号。如果未满足某些使用情况条件，则检测系统可以使结果无效。
[0021]检测系统可以向用于存储和分析的辅助移动设备发送结果。
【附图说明】
[0022]图1是包括样品预备和递送模块(SPDM)8、光源2、集成电路12(IC)、印刷电路板(PCB)9、显示器1和外壳11的检测系统10的变化的横截面侧视图。
[0023]图2是在含水样品5通过递送毛细管14被过滤和经由毛细管作用被毛细传送到至表面毛细管15中和到集成电路12的表面7上时的检测系统10的变化的横截面侧视图。
[0024]图3是示出在由于毛细管作用而吸收向上传送沉淀毛细管13的过程中的含水样品5的检测系统10的变化的横截面侧视图。一旦含水样品5到达沉淀毛细管13的顶部，含水样品5可以与反应物球体3复水从而释放粒子4以向1C 12的表面7上沉淀。
[0025]图4A和4B分别是包含用分离导体实施的磁分离场生成器的IC12的变化的俯视图和横截面侧视图。
[0026]图4C是呈现在向分离导体23吸引非特异性结合的磁粒子25之后的来自图4A和4B的场景的横截面图。
[0027]图5A是存储干球体3的试管30的横截面侧视图。
[0028]图5B是在含水样品5溶解干燥的球体3和释放粒子4之后的试管30的横截面侧视图。
[0029]图6是有锥形侧壁40的试管的横截面侧视图。
[0030]图7是有盖50的试管30以容纳试管中的干燥的球体3的横截面侧视图。
[0031 ]图8是从双面带60构造的表面毛细管15的横截面侧视图。
[0032]图9是集成电路12的在其上装配有双面带60的表面的俯视图。检测区域21可以处于沉淀毛细管之下，而活性区域71可以处于沿着表面毛细管的长度。
[0033]图10示出有通向两个表面毛细管15和62的递送毛细管14的系统的横截面，其分別地导向两个沉淀毛细管13和63，以用于控制或多路操作。
[0034]图11示出装配到PCB9上并且经由引线接合81电连接的集成电路12的横截面。弓丨线接合81可以由密封剂80密闭地密封。
[0035]图12示出装配到PCB9上并且通过一个或者多个贯穿硅通路82电连接的集成电路12的横截面。
[0036]图13示出每个传感器有一个数字地可寻址分离导体90的集成电路表面7的俯视图。
[0037]图14示出每个传感器有一个数字地可寻址分离导体90和一个数字地可寻址聚集导体92的集成电路表面7的俯视图。
[0038]图15示出有槽100的沉淀毛细管13的横截面，其用于保留沉淀毛细管13中的干燥的球体3。
[0039]图16示出递送毛细管14、表面毛细管15、沉淀毛细管13以及防止含水样品从沉淀毛细管向过滤器回吸的被动单向阀的横截面图。
[0040]图17A是在含水样品5已经溶解干燥的球体3之前被放在干球体3之上的止流器120的横截面侧视图。
[0041]图17B是在含水样品5已经溶解干球体3和释放粒子4之后已被密闭地密封沉淀毛细管13的顶部的止流器120的横截面侧视图。
【具体实施方式】
[0042]公开了使用非磁或者磁粒子标记以执行检测的生物传感器。如果粒子附着到与分析物或者分析物类似物或者分析物副产物反应的化学实体，则所述粒子可以在检测目标分析物的存在或者不存在时用作辅助物或者标签。反应可以是免疫、基于核酸、共价、离子、氢键合、范德华力和能够促进或者抑制标记的粒子结合到表面的其它化学反应现象。
[0043]粒子可以是直径从几个纳米到数十微米的任何球形或者任意地成形的定位的物体，其调制传入光(例如反射光、衍射光、阻止或者吸收光、增加或者减少光的强度、改变光的波长或者谱组成)。粒子也可以是磁性的。磁粒子显示反磁性、铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、超顺磁性或者反铁磁性行为。磁粒子可以包括磁材料的个别纳米大小的粒子(常称为磁纳米粒子或者可磁化纳米粒子)或者这样的磁纳米粒子的更大聚合体以形成实质上球形珠(常称为磁珠、可磁化珠)。磁粒子可以被如聚合物、玻璃、陶瓷或者任何其它非磁材料的非磁材料覆盖或者封装，该非磁材料可以用特异性反应成目标分析物的生物或者化学分子涂覆。非磁材料是指显示无磁性质或者显示量值比磁粒子中的磁材料的对应性质小得多(例如小于0.001%)的任何材料。磁粒子的直径可以从若干纳米到数十微米。
[0044]图1示出包括样品预备和递送模块(SPDM)8、光源2、集成电路(IC)12、印刷电路板(PCB)9、显示器1和外壳11的检测系统10。检测系统10可以被配置为通过引入、检测和/或量化特异性结合到1C 12的表面7上的粒子来对含水样品5执行生物和/或化学检测。检测可以是用来检测含水样品5中的目标分析物的存在或者量化目标分析物的浓度或者数量的任何程序。目标分析物可以是酶、蛋白质、小分子、核酸以及其它生物、化学和无机实体或者其组合。含水样品5可以是全血、血浆、血清、稀释的血液衍生物、脊髓液、痰液、肺部灌洗、排泄物样品、口腔样品、鼻腔样品、泪液、其它体液、实验室样品、环境样品、潜在地包含一个或者多个目标分析物的任何其它液体或者其组合。
[0045]另外，图1示出可以在SPDM8的顶部放置的过滤器6。过滤器6可以是能够阻止或者俘获粒状物(例如红血细胞、白血细胞、其它细胞和微米到毫米大小的粒子)的任何类型的过滤器(例如膜过滤器、微过滤器、注射器过滤器)，因此从含水样品5去除粒状物。过滤器6也可以适于从含水样品5去除某些生物或者化学分子(例如过滤器6上的化学涂层可以去除与目标分析物竞争或者以任何方式干扰检测的分子)。另外，过滤器6可以包括化学物、分子和可以辅助检测方案的其它可溶解物质。例如过滤器6可以包含防止血液样品凝结的干抗凝结因子或者干检测添加物以减轻样品中的干扰物的影响。进而另外，过滤器6可以用亲水性材料涂覆以辅助含水样品5的吸收。过滤器可以使用双面粘合带、转移粘合剂、热熔粘合剂、沿着边缘的环氧树脂密封物或者通过热密封或者相似结合工艺来附着到SPDM的顶表面上。为了尽量减少在过滤器之下的死体积，双面带、转移粘合剂或者环氧树脂密封物的高度可以小于lwn或者小于5μηι或者小于ΙΟμπι或者小于20μηι或者小于50μηι或者小于ΙΟΟμπι或者小于250ymo
[0046]另外，图1示出表面毛细管15、递送毛细管14和沉淀毛细管13。递送毛细管14可以将膜过滤器6流体地连接到表面毛细管15从而允许含水样品5从过滤器流向IC 12的表面7。表面毛细管15可以将递送毛细管14流体地连接到沉淀毛细管13、因此允许含水样品5从递送毛细管14流入沉淀毛细管13中并且向上沿着沉淀毛细管13流向干球体3。在检测系统10的一个变化中，过滤器6可以被放置在递送毛细管14或者表面毛细管15以内。沉淀毛细管13可以被垂直地放置在1C 12之上并且与包含粒子4的反应物接触。反应物可以被配置在球体内(即反应物球体3)或者任何其它形状中。反应物球体3或者其它形状可以停留在沉淀毛细管13的顶部上并且可以优选地是干的或者冻干的。1C 12可以通过任何已知方法(例如引线接合、倒装芯片组装、导电环氧树脂及其组合)装配到PCB 9。检测系统10可以由具有用于数字显示器1的开口和用于过滤器6的开口的外壳11封装。显示器1可以通过集成在1C 1