使用容性传感器确定生物分子的等电点的方法和系统

摘要

本发明涉及一种使用容性传感器确定生物分子的等电点的方法和系统。提供一种用于确定分子的等电点的机制。测量电容器的第一组电容-电压曲线。所述电容器包括衬底、介电层和导电溶液。在所述分子未与所述电容器的所述介电层上的功能化材料结合的情况下，针对所述溶液的pH值测量所述第一组曲线。当所述分子存在于所述溶液中时，测量所述电容器的第二组电容-电压曲线，其中所述分子与所述电容器的所述介电层的所述功能化材料结合。在每个pH值处，确定所述第二组曲线从所述第一组曲线的移位。当将所述移位与所述pH值相比较时，通过外推与移位电压为零对应的pH值而确定所述分子的所述等电点。

说明书

技术领域

本发明涉及生物分子，更具体地说，涉及使用容性传感器确定生物分 子的等电点。

背景技术

生物分子的等电点被定义为生物分子上的净电荷在该处为零的pH。 它是蛋白质的主要属性，在纯化和溶解度中起着重要作用。等电点还用作 蛋白质的识别标记。图1示出用于根据电泳确定等电点的典型方法和装备。 在图1中，典型的装置需要高压（>50V）并且耗时（～2至16小时），因 此成本高昂。典型的装置约为1平方英尺以便测量等电点。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种确定目标分子的等电点的方法。所述方 法包括测量电容器的第一多个电容-电压曲线。所述电容器包括衬底、介电 层和导电溶液。在所述目标分子未与所述电容器的所述介电层上的功能化 材料结合的情况下，针对所述导电溶液的多个pH值而测量所述第一多个 电容-电压曲线。所述方法包括当所述目标分子存在于所述导电溶液中时， 测量所述电容器的第二多个电容-电压曲线，其中所述目标分子与所述电容 器的所述介电层的功能化材料结合。所述方法包括在所述多个pH值中的 每个pH值处，确定所述第二多个电容-电压曲线从所述第一多个电容-电压 曲线的移位，并且在将多个移位电压处的所述移位与所述多个pH值相比 较时，通过外推与移位电压为零对应的pH值而确定所述目标分子的所述 等电点。

根据一个实施例，提供了一种用于确定目标分子的等电点的系统。所 述系统包括在衬底上布置的介电层、所述介电层上的功能化材料和所述介 电层上的导电溶液。所述衬底、所述介电层和所述导电溶液形成电容器。 所述系统包括所述导电溶液中的第一触点和所述衬底上的第二触点。经由 所述第一触点和所述第二触点测量所述电容器的第一多个电容-电压曲线。 在所述目标分子不存在于所述电容器的所述导电溶液中的情况下，针对所 述导电溶液的多个pH值而测量所述第一多个电容-电压曲线。当所述目标 分子存在于所述导电溶液中时，经由所述第一触点和所述第二触点测量所 述电容器的第二多个电容-电压曲线，其中所述目标分子与所述电容器的所 述介电层的顶面上的所述功能化材料结合。在所述多个pH值中的每个pH 值处，经由测试设备确定所述第二多个电容-电压曲线从所述第一多个电容 -电压曲线的移位。在将多个移位电压处的所述移位与所述多个pH值相比 较时，通过外推与移位电压为零对应的pH值而经由所述测试设备确定所 述目标分子的所述等电点。

根据一个实施例，提供了一种用于确定目标分子的等电点的非瞬时性 计算机程序产品。所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，所述计 算机可读存储介质具有随其包含的程序代码。所述程序代码可由处理电路 执行以便执行一种方法，所述方法包括测量电容器的第一多个电容-电压曲 线，其中所述电容器包括衬底、介电层和导电溶液。在所述目标分子不存 在于所述电容器的所述导电溶液中的情况下，针对所述导电溶液的多个pH 值而测量所述第一多个电容-电压曲线。所述方法包括当所述目标分子存在 于所述导电溶液中时，测量所述电容器的第二多个电容-电压曲线，其中所 述目标分子与所述电容器的所述介电层的顶面结合。所述方法包括在所述 多个pH值中的每个pH值处，确定所述第二多个电容-电压曲线从所述第 一多个电容-电压曲线的移位，并且在将多个移位电压处的所述移位与所述 多个pH值相比较时，通过外推与移位电压为零对应的pH值而确定所述 目标分子的所述等电点。

通过本发明的技术实现其它特性和优点。在此详细描述了本发明的其 它实施例和方面，并且这些实施例和方面被视为要求保护的本发明的一部 分。为了更好地理解本发明以及优点和特性，参考说明书和附图。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中具体指出并明确要求保护了被视为本发 明的主题。从下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其它特性和优点 将变得显而易见，这些附图是：

图1示出用于根据电泳确定等电点的典型方法和装备；

图2是根据一个实施例的电容器设备的截面图；

图3A和3B共同描述根据一个实施例的本发明的过程流；

图4是根据一个实施例的在设备中存在和不存在分子的情况下，在不 同pH值处的电容-电压曲线的图；

图5是根据一个实施例的依据导电溶液的不同pH值而绘制的电容-电 压曲线的图；

图6是根据一个实施例的确定分子的等电点的方法。

具体实施方式

本发明的一个实施例提供一种容性技术，该技术使用在硅上沉积的覆 盖介电薄膜作为传感器电容器设备以便测量目标分子的等电点。容性传感 器技术快速、成本低廉并且小型化（例如，仅几个平方毫米（mm²）的面 积）。此外，传感器设备使用低压（<1.5V）并且需要较小的蛋白质样本 体积（<30μL）。该传感器可以轻松与CMOS（互补金属氧化物半导体） 技术集成以形成用于测量等电点的便携低功率的设备。

所述实施例示出一种备选方法，以便使用在硅上生长的覆盖 SiO₂/HfO₂薄膜作为介电层来测量蛋白质的等电点。还可以使用其它介电 层。通过在目标分子与介电表面结合之前和之后进行测量来测量等电点。 所述方法灵敏、廉价并且小型化。

现在转到附图，图2是根据一个实施例的电容器设备200的截面图。 设备200是电容器并且作为电容器工作。当分子在设备200中时，设备200 可以作为传感器工作以便确定该分子的等电点，如在此讨论的那样。

设备200包括衬底205。用于衬底205的材料可以包括硅（Si）。可 以在衬底205上沉积介电层210。在一种情况下，可以在硅衬底205上生 长介电层210，并且介电层210可以包括二氧化硅（SiO₂）。在一种情况 下，可以在介电层210上沉积另一个介电层215。介电层215可以是氧化 铪（HfO₂）。此外，介电层230示出可以使用相同的介电材料（例如，单 一介电薄膜）或者不同的材料（例如，多个介电薄膜）。例如，介电层230 可以是SiO₂、HfO₂、Al₂O₃和/或双层的两个不同介电薄膜。在此处讨论的 实验中，使用SiO₂（2nm）和HfO₂（4nm）的叠层作为介电层230，并且 HfO₂层与导电溶液225接触。

此外，可以使用材料235功能化介电层215，材料235被配置并设计 为在测试期间与目标分子255结合。在此进一步讨论实例功能化材料235 和目标分子255。

设备200包括储存器（holder）220，其在操作上附接到介电层215。 储存器220可以是密封到介电层215的塑料容器，并且储存器220具有面 向介电层215的顶面的开口（在其底部处）。储存器220包含导电溶液225， 并且介电层215作为储存器220的底部。导电溶液225可以是电解质溶液 （即，缓冲溶液）。在测试期间，导电溶液225包含被测试的分子255。 触点/电极240在导电溶液225中。触点/电极240和衬底背面触点245连 接到电子设备250以便测量电容-电压曲线。

衬底205上的介电层230形成MOS（金属氧化物半导体）电容器设 备200，并且溶液225作为顶栅。在设备200中，电极240电容（在触点 240和245之间）显著大于介电薄膜电容。

提供一个实例以示出如何使用设备200作为传感器以便确定目标分子 255的等电点。出于解释目的而并非限制，目标分子255是中性亲和素 （neutravidin）蛋白质并且功能化材料235是生物素（biotin），因为中性 亲和素蛋白质（分子255）以高特异性结合到生物素。转到图3A和3B， 提供流程图300以便在设备200中确定分子255（其为中性亲和素蛋白质） 的等电点。

在方框302，作为功能化材料235的生物素使用自组装方法，在介电 层215的HfO₂表面上进行自组装。分子自组装是分子据以采用定义的布 置而无需来自外部源的指导或管理的过程。

电子设备250的电压源向连接到设备200的电极240和衬底背面触点 245施加偏置电压，并且针对施加的每个电压测量电容。例如，在方框304， 在导电溶液225的不同pH值（例如，pH值6.9、6.3、4.7）处跨越衬底 205、介电层210、介电层215、功能化材料235和溶液225（Si/SiO₂/HfO₂/ 生物素/溶液结构）测量（经由电极240和245）电容-电压曲线（C-V曲线）。 换言之，溶液225连续改变为每个标识的pH值，并且在每个pH值处针 对施加的电压范围测量电容。此时，目标分子255未在溶液225中。

在方框306，将中性亲和素蛋白质（目标分子255）添加到溶液225 中，并且允许中性亲和素蛋白质被培养几分钟。在该时间内，中性亲和素 蛋白质（目标分子255）扩散并且依附到与溶液225接触的功能化（生物 素）表面235。

在方框308，在目标分子255依附到功能化表面235之后，再次在标 识的相同pH值处分别测量电容-电压曲线（C-V曲线）（如上面在方框304 测量的那样）。如上所述，在中性亲和素蛋白质与生物素结合期间，导电 溶液225改变为相应的pH值并在溶液225的不同pH值（例如，pH值6.9、 6.3、4.7）处测量电容-电压曲线（C-V曲线）。

图4是由计算机250测量的每个pH值处的电容-电压曲线（C-V曲线） 的图400。y轴示出测量的电容（C），以毫微法拉（nF）为单位。x轴示 出施加的电压，以伏特（V）为单位。

当溶液225的pH值为4.7时针对进行的电容测量绘制曲线405。对于 两个曲线405，实线404对应于生物素（功能化材料235）覆盖介电层215 而目标分子255未与生物素结合的电容。虚线402对应于在中性亲和素结 合（即，中性亲和素蛋白质分子与生物素覆盖的表面（即，功能化材料235） 结合）之后的电容测量。

当溶液225的pH值为6.3时针对进行的电容测量绘制曲线410。对于 两个曲线410，实线408对应于生物素（功能化材料235）覆盖介电层215 而不存在目标分子255的电容。虚线406对应于在中性亲和素结合（即， 中性亲和素蛋白质与生物素结合）之后的电容测量。

当溶液225的pH值为6.9时针对进行的电容测量绘制曲线415。对于 两个曲线415，实线414对应于生物素（功能化材料235）覆盖介电层215 的电容。虚线412对应于在中性亲和素结合（即，中性亲和素蛋白质与生 物素结合）之后的电容测量。

在图4中，当中性亲和素蛋白质（目标分子255）与生物素（材料235） 结合时，C-V曲线405、410和415（由计算机250在每个相应的pH值处 测量）的图移位。

当中性亲和素蛋白质（目标分子255）上的电荷为负时，虚曲线（例 如，虚曲线406和412）分别移位到实曲线408和414的右侧。

但是，当中性亲和素蛋白质（目标分子255）上的电荷为正时，虚曲 线（例如，虚曲线402）移位到实曲线404的左侧。

继续图3B中的流程图300，在方框310，在添加中性亲和素蛋白质之 后，测量处于或接近平带电容时的电容-电压曲线（C-V曲线）的移位（例 如，作为每个个体pH值处，在实线和相应曲线的C-V曲线之间沿着电压 轴的移位），并且该移位称为平带电压变化（δV_fb）。所属技术领域的技 术人员将理解在此讨论的平带电容和平带电压。

在方框312，相对于在x轴上（被测试的）溶液225的pH值，在y 轴上绘制测量的δV_fb电压值，并且使用下面图5中所示的线性拟合对数据 进行拟合。

在方框314，（例如，由计算机250）使用与数据的线性拟合来外推对 应于δV_fb=0（即，对于目标分子255，图4中的虚线和实线之间的移位/ 差异为0）的pH值。此外推的pH值是中性亲和素蛋白质的等电点的度量。

图5是C-V曲线的图500，其绘制为x轴上的导电溶液225的pH值 （可以由计算机250执行）相对于y轴上的平带电压变化（即，分别为曲 线402和404、曲线406和408以及曲线412和414之间的移位）的函数。 每个符号/点505、510和515是从C-V曲线405、410和415测量的数据。

在图5中，在接近于平带电容（C_fb）值的固定电容处估计数据点505、 510和515的平带电压（δV_fb）。在实例测试测量中，C_fb=12nF（毫微法 拉）。对于数据点505，δV_fb的大小（被示出为大小约为8mV）是从图4 获得的沿着x轴的电容-电压曲线移位。当虚曲线相对于实曲线向左移位 时，则为δV_fb指定负值。因此，在图5中数据点505的平带电压约为-8mV。

对于数据点515，δV_fb的大小（被示出为大小约为7.2V）是从图4 获得的沿着x轴的C-V曲线移位。当虚曲线相对于实曲线向右移位时，则 为δV_fb指定正值。因此，数据点515的平带电压约为+7.2mV。

在图500中绘制符号/点之后，应用作为到符号/点505、510和515的 线性拟合的直线520。从直线520示出的线性拟合，当pH为值6.22时， 平带电压移位为零。因此，估计的中性亲和素蛋白质等电点是pH值6.22， 该值好于常规方法测量的为6.3的pH值。

应该注意，用于确定分子255的等电点的过程可以是经由电容器设备 200和电子设备250执行的手动、半自动和/或自动过程。可以添加泵和贮 存器并且由电子设备250（和/或操作人员）控制它们以便自动针对pH值 测量电容，冲刷溶液225，添加分子255，并且在存在分子255的情况下测 量电容。电子设备250可以被配置为在溶液225中具有分子255（即，与 介电层215的功能化材料235结合）和没有分子255的情况下持续执行测 量，直到已测试每一个所需的pH值。

如在此讨论的，所述实施例示出一种用于测量蛋白质（或任何分子 255）的等电点的更好方法。目标蛋白质必须与介电表面结合，并且这可以 通过使表面功能化来实现。在其中样本溶液包含许多不同类型的蛋白质的 情况下，必须使介电表面功能化以便它与目标蛋白质特异地结合。在其中 样本溶液仅包含目标蛋白质的情况下，则应针对非特异结合而使表面功能 化。

图6是根据一个实施例的确定分子255的等电点的方法600。可以参 考图1-5。

在方框602，电子设备250（例如，测试设置设备）测量电容器设备 200的第一多个电容-电压曲线（例如，实曲线404、408、414），并且电 容器设备200包括衬底205、介电层230和导电溶液225。

在方框604，在电容器设备200的导电溶液225中不存在分子255的 情况下，针对导电溶液225的多个pH值（例如，pH值6.9、6.3、4.7）测 量（经由计算机250）第一多个电容-电压曲线。

在方框606，当导电溶液225中存在分子255时，由计算机250测量 电容器设备200的第二多个电容-电压曲线（例如，虚曲线402、406、412）， 并且分子255与电容器设备200的介电层230的顶面结合（例如，与功能 化材料235结合）。

在方框608，在每个相应pH值（pH值6.9、6.3、4.7）处，由计算机 250确定/测量第二多个电容-电压曲线从第一多个电容-电压曲线的移位。

当将多个移位电压（例如，y轴上的电压）处的移位与多个pH值（例 如，x轴上的pH值）相比较时，通过外推与移位电压为零（例如，平带 电压变化δV_fb为0）对应的pH值（例如，图5中的6.22），（由计算机 250）确定分子的等电点。

在所述方法中，通过电连接到导电溶液225的第一触点240和电连接 到电容器设备200的衬底205的第二触点245，测量电容器设备200的第 一多个电容-电压曲线。

在所述方法中，通过电连接到导电溶液225的第一触点240和电连接 到电容器设备200的衬底205的第二触点245，测量电容器设备200的第 二多个电容-电压曲线。

在所述方法中，通过在多个pH值中的每个pH值处，（例如，由计 算机250）确定第一多个电容-电压曲线和第二多个电容-电压曲线中的每一 个之间的平带电压变化，实现在多个pH值中的每个pH值处，确定第二 多个电容-电压曲线从第一多个电容-电压曲线的移位。

在所述方法中，通过（由计算机250）针对多个移位电压与多个pH 值绘制点（例如，点505、510、515），实现通过外推与移位电压为零对 应的pH值来确定分子的等电点。所述方法包括应用线性拟合作为与针对 多个移位电压与多个pH值绘制的点拟合的直线（例如，直线520）。所 述方法包括（例如，由计算机250）将分子255的等电点确定为直线520 与等于零的移位电压交叉时的pH值。

在所述方法中，多个移位电压对应于针对电容器设备200测试的多个 pH值中的每个pH值处的平带电压变化。在介电层230的顶部表面上施加 功能化材料235（例如，生物素），并且功能化材料235被配置为与分子 255结合。

介电层230可以具有双层介电材料（例如，介电层210和215），或 者介电层230可以是单一介电材料。在所述方法中，导电溶液225是电容 器设备200的端子240的顶栅，并且衬底205是电容器设备200的本体端 子245。

在所述方法中，当分子255上的电荷相对于被测试的pH值而言为负 时，第二多个电容-电压曲线向第一多个电容-电压曲线的右侧（例如，虚 曲线406和412）移位。此外，当分子255上的电荷相对于被测试的pH 值而言为正时，第二多个电容-电压曲线向第一多个电容-电压曲线的左侧 （例如，虚曲线402）移位。

此外，关于电子设备250（例如，作为用于测试和分析的计算机测试 设置设备），电子设备250可以实现一个或多个电压源，并且可以实现、 控制和/或调节连接到设备200的电压源施加的电压。电子设备250可以实 现测试设备，以便控制和/或调节电容测量和当前（电流）测量（针对各种 施加的电压），如所属技术领域的技术人员理解的那样。

在此讨论的各种方法、过程、模块、流程图、工具、应用、电路、元 件和技术还可以引入和/或使用电子设备250的能力。可以使用电子设备 250的一个或多个能力来实现、连接到和/或支持在此处图1-6中讨论的任 何元件（如所属技术领域的技术人员理解的那样）。例如，电子设备250 可以是包括电压源、安培计、电容计等的任何类型的测试设备，以进行在 此讨论的测试和分析。电子设备250可以包括和/或耦合到电缆、插座、电 线、电极、膜片钳等。电子设备250可以包括处理电路以便执行根据在此 讨论的方法的指令。

在此使用的术语只是为了描述特定的实施例并且并非旨在作为本发明 的限制。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包 括复数形式，除非上下文明确地另有所指。还将理解，当在此说明书中使 用时，术语“包括”和/或“包含”指定了声明的特性、整数、步骤、操作、 元素和/或组件的存在，但是并不排除一个或多个其它特性、整数、步骤、 操作、元素、组件和/或其组的存在或增加。

下面权利要求中的对应结构、材料、操作以及所有功能性限定的装置 或步骤的等同替换，旨在包括任何用于与在权利要求中具体指出的其它元 件相组合地执行该功能的结构、材料或操作。出于示例和说明目的给出了 对本发明的描述，但所述描述并非旨在是穷举的或是将本发明限于所公开 的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对于所属技术领域的普 通技术人员来说许多修改和变化都将是显而易见的。实施例的选择和描述 是为了最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且当适合于所构想的特定 使用时，使得所属技术领域的其它普通技术人员能够理解本发明的具有各 种修改的各种实施例。

在此示出的流程图只是一个实例。在此描述的这些图或步骤（或操作） 可以存在许多变化而不偏离本发明的精神。例如，可以按不同的顺序执行 步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被视为要求保护 的本发明的一部分。

尽管描述了本发明的优选实施例，但所属技术领域的技术人员将理解 的是，可以在现在和将来进行各种落入下面权利要求范围的改进和增强。 这些权利要求应该被解释为维护对首先描述的本发明的正确保护。