Настоящее изобретение в целом относится к обнаружению биологически активных веществ. В частности, настоящее изобретение относится к сенсорному чипу, способному соединяться с сенсорным устройством, и к сенсорному устройству для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Дополнительно настоящее изобретение относится к сенсорной системе, содержащей такие сенсорный чип и сенсорное устройство. Более того, настоящее изобретение относится к применению таких сенсорного чипа, сенсорного устройства или сенсорной системы и к способу обнаружения одного или более биологически активных веществ таким сенсорным чипом, сенсорным устройством или сенсорной системой.
Люди, животные или живые организмы в общем непрерывно взаимодействуют со своей химической внешней средой. Например, живые организмы обычно подвергаются воздействию окружающей среды, такой как окружающий воздух или вода, или находятся в контакте с ней и могут принимать, поглощать, абсорбировать или иным образом впитывать молекулы, вещества или соединения из окружающей среды, тем самым взаимодействуя со своей химической внешней средой. Взаимодействия, относящиеся к определенным молекулам, веществам или соединениям из окружающей среды, могут быть желательными или даже необходимыми для выживания организмов. Примерами таких взаимодействий являются кислород, который вдыхают люди и животные и который связывается с гемоглобином в красных кровяных клетках при прохождении по легочным капиллярам, или молекулы сахара, которые выборочно транспортируются через кишечный эпителий. Однако химические взаимодействия с окружающей средой, связанные с другими молекулами, веществами или соединениями, могут не являться частью нормальных процессов жизнедеятельности и могут иметь нежелательные эффекты, потенциально даже причиняя вред организму. Такие нежелательные эффекты могут быть вызваны молекулами, веществами или соединениями, полученными организмом из окружающей среды, которые неспецифически повреждают молекулярные строительные блоки клеток или клетки в целом. Например, окислители, такие как озон, могут поглощаться организмом и окислять биомолекулы организма, такие как белки, липиды или нуклеиновые кислоты, и могут снижать или даже разрушать их биохимическую и/или структурную функциональность. Альтернативно химические соединения, вещества или молекулы, поглощенные организмом, могут активировать, подавлять или даже устранять конкретный биохимический процесс организма, часто без химического изменения биомолекул организма. Примерами таких процессов или взаимодействий являются подавление ферментов циклооксигеназы ибупрофеном или активация никотинового ацетилхолинового рецептора никотином. Как правило, такие взаимодействия зависят от структурного соответствия между пораженной биомолекулой и воздействующей молекулой, веществом или соединением. Ибупрофен, например, связывается с активным участком циклооксигеназы, тем самым предотвращая связывание арахидоновой кислоты, что при обычных обстоятельствах преобразуется циклооксигеназой в сигнальные молекулы, участвующие в возникновении воспаления и боли.
Живые организмы разработали и развили механизмы для обнаружения вредных химических соединений, веществ или молекул, воздействующих на них, и для инициирования соответствующих физиологических ответных реакций. Химические соединения, вещества и молекулы, инициирующие физиологическую ответную реакцию в живом организме, могут в общем называться в настоящем документе биологически активными веществами. Для людей и других живых организмов были идентифицированы различные рецепторные белки, которые служат для обнаружения биологически активных веществ и инициирования физиологической ответной реакции. Известными примерами рецепторных белков являются рецептор арильных углеводородов (AHR), прегнан-Х-рецептор (PXR) и конститутивный рецептор андростанов (CAR). Эти рецепторные белки демонстрируют определенную специфичность связывания с биологически активными веществами, в частности, с так называемыми ксенобиотиками, которые относятся к биологически активным веществам, соединениям или молекулам, которые являются чужеродными для биологических систем. С другой стороны, существуют различные рецепторные белки, которые развились не для обнаружения и защиты от потенциально вредных биологически активных веществ, таких как ксенобиотики, а как часть основных регуляторных систем. Например, эндокринная или гормональная система управляет различными функциями в состоянии развития и в устойчивом состоянии у животных или людей, включая рост, органогенез, фертильность, размножение и сон. Эти рецепторные белки, в частности, связываются с их родственными лигандами, то есть гормонами, и активируются ими. Однако биологически активные вещества, обладающие одинаковыми определенными структурными признаками с гормонами, могут связывать и также активировать рецепторы. Этот процесс может называться эндокринным нарушением и, учитывая ключевую роль эндокринной системы, может иметь вредные эффекты. Например, воздействие ксеноэстрогенов, которые являются биологически активными веществами или ксенобиотическими соединениями, активирующими рецепторы эстрогенов (ER), связывали с возникновением рака груди, легких, почек, поджелудочной железы и мозга, причем не путем прямого или непрямого повреждения генетического материала, а путем активации клеточных сигнальных каскадов в неподходящее время и/или неподходящей области тела.
За последние годы были разработаны различные устройства, системы и приборы, а также соответствующие датчики для обнаружения составляющих окружающей среды. Обнаружение составляющих в среде или окружающей среде также может называться отслеживанием внешней среды. В общем, отслеживание внешней среды относится к определению характеристик состояния или качества окружающей среды или внешней среды на протяжении некоторого времени и может, например, выполняться для того, чтобы удостовериться в том, что химический состав внешней среды или окружающей среды не представляет угрозы для здоровья людей или животных.
Обнаружение составляющих в окружающей среде или отслеживание внешней среды может быть важным инструментом, используемым для идентификации и количественной оценки воздействий деятельности человека на природную внешнюю среду, обычно на почву, воду, воздух или экосистемы, например, для оценки риска, связанного с такими воздействиями, и для разработки стратегий для их уменьшения или устранения. Отслеживание внешней среды может осуществляться на глобальном уровне, например, путем отслеживания изменения климата или загрязнения морей микропластиком, на региональном уровне, например, путем отслеживания загрязнения конкретной реки, или на локальном уровне, например, путем отслеживания качества воздуха на промышленном производстве или качества воды в рыбоводческом хозяйстве. Локальное отслеживание внешней среды часто может проводиться для обеспечения соответствия промышленного или сельскохозяйственного предприятия нормативным рекомендациям. Его конечная цель заключается в поддержании безопасности работников, местного населения и внешней среды путем обнаружения и устранения выбросов, тем самым уменьшая воздействие и, следовательно, связанный с ним риск. Такое отслеживание может выполняться целенаправленно, так как обычно природа ожидаемых выбросов хорошо известна. Например, в непосредственной близости от рыбоводческих хозяйств можно отслеживать или обнаруживать остатки антибиотиков в воде на основании отслеживания внешней среды. В сельскохозяйственных зонах могут представлять интерес остатки пестицидов в грунтовой и/или речной воде, и возле нефтеперерабатывающих заводов можно отслеживать концентрацию летучих углеводородов в окружающем воздухе и использовать эти данные как признак утечки продуктов на любом этапе процесса переработки.
Однако отслеживание внешней среды или обнаружение составляющих окружающей среды в общем также могут использоваться в индивидуальных или персональных применениях, например, для отслеживания частной или персональной внешней среды человека. Например, концентрация пыли, пыльцы и/или грибных спор, летучего органического углерода (VOC), оксидов азота (NOx) или УФ-излучения может быть измерена в воздухе в непосредственной близости от человека или субъекта, который имеет соответствующее обнаруживающее устройство дома или носит его, например, оно находится в автомобиле или прикреплено к предмету багажа, такому как рюкзак или сумочка. Цель таких применений может заключаться в уменьшении воздействия на субъект, обычно путем избегания воздействия, а не устранения источника, так как последнее может быть тяжело осуществить, например, как в случае с воздействием УФ-излучения, пыльцы или озона. В частности, в таких индивидуальных или персональных применениях отслеживания внешней среды сложность может заключаться в необходимости обнаружения неизвестного или неопределенного источника загрязнения. Получение всесторонней оценки, например, текущего и локального качества внешней среды или окружающей среды может требовать одновременного отслеживания различных параметров внешней среды, например, твердых примесей, VOC, NOx, озона, УФ-излучения, электромагнитного загрязнения и ионизирующего излучения.
Различные устройства и соответствующие датчики были разработаны с этой целью в прошедшие годы. Некоторые из этих устройств и датчиков могут отслеживать множество параметров внешней среды одновременно и могут обеспечивать слежение в режиме реального времени за качеством воздуха, необязательно включая прогноз загрязнения воздуха с учетом местоположения и времени, например, для планирования оптимального маршрута. Однако эти известные или традиционные устройства для отслеживания внешней среды обычно ограничены тем, что используемые режимы обнаружения или датчики либо очень избирательные, либо в большой степени неизбирательные. Например, известные экзогенные токсичные вещества, такие как NOx, моноксид углерода или озон, могут быть выборочно обнаружены с использованием высокочувствительных и высокоизбирательных электрохимических и спектрометрических датчиков. Хотя такие высокоизбирательные датчики могут предоставлять ценную информацию о концентрации конкретной молекулы, вещества или соединения, обнаруживаемых в окружающей среде, другие молекулы, вещества или соединения, которые могут быть потенциально опасными, могут быть не обнаружены, в частности, если соответствующие молекулы, вещества или соединения являются неизвестными. С другой стороны, обычный тип неизбирательных датчиков, применяемых в отслеживании внешней среды, представляет собой датчики VOC, которые полагаются, например, на фотоионизацию и обнаруживают любую органическую молекулу, которая ионизирована светом с заданной частотой или энергией. Однако потенциал ионизации органической молекулы может быть не связан с ее токсичностью или биологической активностью. В качестве примера, пинен, который является терпеном растительного происхождения, ответственным за характерный запах хвойных деревьев, и 1,1-диметилгидразин, который является ракетным топливом, имеют по существу идентичные потенциалы ионизации величиной 8,07 эВ и 8,05 эВ соответственно, и оба ионизируются УФ-светом с достаточно высокой частотой или энергией величиной приблизительно 8 эВ. Однако их кратковременная токсичность или биологическая активность существенно различаются. С другой стороны, ацетальдегид, карбонильное соединение, часто используемое в синтетической химии, имеет потенциал ионизации величиной 10,2 эВ и, следовательно, не будет обнаружен датчиком VOC, работающим при приблизительно 8 эВ, но обладает значительной кратковременной токсичностью или биологической активностью.
Как очевидно из вышеупомянутых примеров, устройства, применяющие высокоизбирательные датчики, могут оказаться неспособными обнаруживать различные соединения, вещества или молекулы, которые не являются обнаруживаемыми датчиками, но могут потенциально оказывать отрицательное воздействие на здоровье человека. Соответственно, количество ложноположительных результатов может быть довольно высоким при использовании высокоизбирательных датчиков. С другой стороны, устройства, применяющие неизбирательные датчики, могут обеспечивать показания, которые ограниченно релевантны здоровью, то есть количество ложноположительных результатов может быть высоким. Кроме того, устройства с неизбирательными датчиками также могут оказаться неспособными обнаруживать другие соединения, молекулы или вещества, которые могут оказывать отрицательные эффекты на здоровье человека, то есть количество ложноположительных результатов также может быть высоким. Другими словами, устройства с неизбирательными датчиками могут обнаруживать большие группы химических соединений, молекул или веществ, имеющих общие некоторые физико-химические свойства, но такие устройства могут быть не способны различать молекулы, соединения или вещества, которые потенциально вредны для здоровья, от тех, которые не вредны.
Следовательно, может быть желательно предоставить усовершенствованные устройство, систему, прибор и способ для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, например, обеспечивающие меньше ложноположительных и/или ложноотрицательных результатов.
Это достигается за счет объекта настоящего изобретения согласно независимым пунктам формулы изобретения. Необязательные признаки предоставлены зависимыми пунктами формулы изобретения и следующим описанием.
Аспекты настоящего изобретения относятся к сенсорному чипу, сенсорному устройству, сенсорной системе, применению одного или более из вышеупомянутого и к способу обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Любое раскрытие, представленное выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе со ссылкой на один аспект настоящего раскрытия, в равной степени применимо к любому другому аспекту настоящего изобретения.
Согласно аспекту настоящего изобретения предоставлен сенсорный чип, выполненный с возможностью функционального соединения с сенсорным устройством, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде и/или среде, окружающей сенсорный чип. Сенсорный чип содержит реакционную ячейку, содержащую множество рецепторных белковых комплексов, и мембрану, отделяющую реакционную ячейку от окружающей среды и проницаемую для одного или более биологически активных веществ. При этом рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами в реакционной ячейке, что таким образом вызывает обнаруживаемое изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Как также будет дополнительно описано ниже в настоящем документе, применение рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, которые могут связываться с биологически активными веществами, поступающими в реакционную ячейку из окружающей среды, может позволить использовать прогрессивную и развитую способность живых организмов обнаруживать биологически активные вещества в среде, окружающей их. Как следствие, количество ложноположительных срабатываний и ложноотрицательных срабатываний, обнаруживаемых или регистрируемых сенсорным чипом, сенсорным устройством и/или сенсорной системой согласно настоящему изобретению может быть существенно уменьшено, тем самым обеспечивая всестороннее, надежное и точное обнаружение биологически активных веществ в окружающей среде.
Реакционная ячейка сенсорного чипа может относиться или обозначать отсек или камеру, вмещающие или содержащие рецепторные белковые комплексы, при этом по меньшей мере часть, участок или область реакционной ячейки могут быть отделены от окружающей среды мембраной. Реакционная ячейка может иметь любой подходящий размер, форму, геометрию, очертание или объем.
Мембрана в общем может быть проницаемой для одного или более биологически активных веществ, которые должны быть обнаружены посредством сенсорного чипа. Например, мембрана может обеспечивать массообмен между реакционной ячейкой и окружающей средой. В частности, мембрана может быть расположена и выполнена таким образом, что одно или более биологически активных веществ могут поступать в реакционную ячейку из окружающей среды через мембрану, например, посредством диффузии.
В контексте настоящего документа биологически активное вещество может относиться к молекуле, веществу или соединению, способным инициировать физиологическую ответную реакцию в живом организме, таком как человек или животное, например, при связывании с рецепторным белком живого организма, эквивалентным или соответствующим рецепторным белковым комплексам сенсорного чипа. При этом инициирование физиологической ответной реакции может включать инициирование клеточного защитного механизма или клеточной ответной реакции в живом организме. Альтернативно или дополнительно инициирование физиологической ответной реакции может включать одно или более из активации, подавления и устранения биохимического процесса в живом организме.
Например, биологически активное вещество, поглощенное живым организмом и связанное с гормон-рецепторным белком живого организма, может активировать клеточные ответные реакции при отсутствии активности эндогенной передачи сигналов, как обсуждено выше в настоящем документе. Так как биологически активные вещества инициируют физиологические ответные реакции в живых организмах, они обычно также связаны или ассоциируются с определенной токсичностью или риском для здоровья живого организма. Соответственно, путем обнаружения одного или более биологически активных веществ сенсорным чипом согласно настоящему изобретению можно надежно определять или оценивать токсичность или загрязнение окружающей среды.
Рецепторные белковые комплексы в контексте настоящего документа в общем могут относиться или обозначать функциональные комплексы, выполненные с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами и изменения их состояния при связывании, что можно обнаружить или измерить посредством сенсорного чипа. При этом каждый рецепторный белковый комплекс может содержать по меньшей мере один лигандсвязывающий домен, выполненный с возможностью связывания с по меньшей мере одним биологически активным веществом, который также может называться лигандом в этом контексте. Например, каждый рецепторный белковый комплекс может содержать по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, который может быть обнаружен в живом организме в подобной, идентичной или эквивалентной структуре, последовательности или форме.
Следовательно, изменение состояния, вызванное связыванием одного из рецепторных белковых комплексов сенсорного чипа с по меньшей мере одним биологически активным веществом, может напоминать или указывать на клеточную или физиологическую ответную реакцию, инициированную при связывании биологически активного вещества с эквивалентным или подобным рецепторным белком в живом организме. Соответственно, когда изменение состояния обнаружено или определено посредством сенсорного чипа, можно предположить, что биологически активное вещество будет инициировать физиологическую ответную реакцию в живом организме. Следовательно, сенсорный чип согласно настоящему изобретению может обеспечить значительное преимущество по сравнению с датчиками, которые неизбирательно реагируют на широкий диапазон химических соединений на основании определенных структурных свойств, которые могут быть не связаны с биологической активностью соединений, например, как в случае с датчиками VOC. Дополнительно следует отметить, что химическая структура биологически активного вещества, которое связывается с одним из рецепторных белковых комплексов, а также его источник могут быть неизвестны. Следовательно, сенсорный чип согласно настоящему изобретению также может обеспечивать значительное преимущество по сравнению с датчиками, которые избирательно и исключительно обнаруживают известные биологически активные вещества, например, токсичные вещества.
Связывание рецепторного белкового комплекса может приводить, ассоциироваться или сопровождаться разными типами изменений состояния рецепторных белковых комплексов, включая изменения конформации, структуры, формы, положения, локализации, состава, химической реакционной способности, химической активности и др. Альтернативно или дополнительно изменение состояния, вызванное в рецепторном белковом комплексе, может приводить к модификации или изменению по меньшей мере части реакционной ячейки и/или мембраны. Такие разные изменения состояния рецепторных белковых комплексов и/или модификации или изменения по меньшей мере компонента сенсорного чипа, связанного с ними, могут быть обнаружены с помощью разных подходов, например, с использованием принципов или режимов обнаружения. Как будет подробно обсуждено ниже в настоящем документе, все эти разные принципы обнаружения предусмотрены в контексте настоящего изобретения.
В примере изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов может быть связано с изменением конформационного состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Например, рецепторные белковые комплексы могут находиться в своем нативном состоянии в реакционной ячейке и могут быть выполнены с возможностью изменения своей конформации при связывании с одним из биологически активных веществ.
Альтернативно или дополнительно изменение состояния рецепторных комплексов может быть связано с изменением локализации и/или положения по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке. Соответственно, рецепторные белковые комплексы могут быть выполнены с возможностью изменения положения и/или локализации в реакционной ячейке при связывании с одним или более биологически активными веществами. Изменение положения может быть связано или может включать перемещение соответствующего белкового комплекса или по меньшей мере его части в реакционной ячейке. Такое изменение положения и/или локализации может быть вызвано, например, изменением конформации рецепторного белкового комплекса или связыванием другого лиганда с рецепторным белковым комплексом.
Альтернативно или дополнительно изменение состояния может быть связано с изменением состава по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Например, состав рецепторного белкового комплекса может изменяться при связывании с биологически активным веществом на основании диссоциации или обмена компонентов или фрагментов рецепторного белкового комплекса или путем связывания рецепторного белкового комплекса с другим компонентом или фрагментом. Соответственно, рецепторные белковые комплексы могут быть выполнены с возможностью диссоциации в один или более компонентов при связывании с одним или более биологически активными веществами, могут быть выполнены с возможностью обмена одного или более компонентов при связывании с одним или более биологически активными веществами и/или могут быть выполнены с возможностью связывания с одним или более фрагментами при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Необязательно изменение состава по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов может быть связано с изменением массы по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, например, если один или более фрагментов высвобождаются при связывании с биологически активным веществом. Альтернативно или дополнительно изменение массы по меньшей мере части реакционной ячейки и/или мембраны может быть связано с вызванным изменением состояния и может быть обнаружено посредством сенсорного чипа.
Дополнительно вызванное изменение состояния может быть связано с одним или более из изменения физического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения физического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки и/или мембраны, изменения оптического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки и/или мембраны, изменения химического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения химического свойства субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, изменения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, и изменения концентрации свободных флуоресцентных или светопоглощающих молекул в по меньшей мере части реакционной ячейки.
Любое одно или более из вышеупомянутых изменений состояния и/или модификаций или изменений по меньшей мере части или компонента сенсорного чипа, связанного с ними, может использоваться для надежного обнаружения наличия одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Соответственно, обнаруживаемое одно или более изменений состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов могут указывать на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
В примере по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может быть ограничена по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвижена на ней, при этом по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может быть выполнена с возможностью диссоциации от по меньшей мере одной функциональной поверхности при связывании с одним или более биологически активными веществами. Другими словами, по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов, ограниченных по меньшей мере одной функциональной поверхностью или обездвиженных на ней, может быть выпущена или высвобождена из по меньшей мере одной функциональной поверхности при связывании с одним или более биологически активными веществами. Диссоциация от по меньшей мере одной функциональной поверхности может приводить или может быть связана, например, с одним или более из изменения массы по меньшей мере одной функциональной поверхности, мембраны или другой внутренней поверхности реакционной ячейки, изменения оптического свойства по меньшей мере одной функциональной поверхности, мембраны или другой внутренней поверхности или субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, и изменения другого свойства или характеристики одного или более из функциональной поверхности, мембраны и реакционной ячейки. Любое одно или более из таких изменений может быть обнаружено посредством сенсорного чипа и обеспечивать точное обнаружение одного или более биологически активных веществ.
В качестве примера, по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может быть ковалентно связана с по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки. Соответственно, по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может быть ограничена по меньшей мере одной функциональной поверхностью или обездвижена на ней на основании ковалентной связи рецепторных белковых комплексов с по меньшей мере одной функциональной поверхностью. Например, по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может быть ограничена по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвижена на ней с помощью лиганда, например, низкоаффинного лиганда или высокоаффинного лиганда, ковалентно связанного с по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки. При этом по меньшей мере часть по меньшей мере одной функциональной поверхности может содержать указанные лиганды или может быть покрыта ими. Хотя могут использоваться как низкоаффинные, так и высокоаффинные лиганды, низкоаффинные лиганды могут обеспечивать более сильный сигнал по сравнению с высокоаффинными лигандами.
Альтернативно или дополнительно рецепторные белковые комплексы могут быть электростатически ограничены по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки. Это может включать, например, ионную связь или связь с помощью слабых взаимодействий, таких как силы Ван-дер-Ваальса. Электростатическое ограничение может быть обеспечено пассивно, например, на основании заряда, переносимого по меньшей мере одной функциональной поверхностью, или активно, например, на основании заряжания одного или более электродов сенсорного чипа на по меньшей мере одной функциональной поверхности или вблизи нее.
По меньшей мере одна функциональная поверхность реакционной ячейки может быть определена внутренней поверхностью мембраны, обращенной к реакционной ячейке. Другими словами, внутренняя поверхность мембраны, которая обращена или направлена внутрь реакционной ячейки, может составлять по меньшей мере одну функциональную поверхность.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере одна функциональная поверхность может содержать внутреннюю поверхность реакционной ячейки, причем эта внутренняя поверхность направлена к мембране. Внутренняя поверхность, направленная к мембране, может означать, что вектор нормали к поверхности внутренней поверхности и вектор нормали к поверхности мембраны направлены поперечно друг другу. Например, по меньшей мере одна функциональная поверхность может содержать внутреннюю поверхность реакционной ячейки, расположенную напротив мембраны или рядом с мембраной.
В примере окружающая среда может включать окружающий воздух, атмосферный воздух или воздух во внешней среде или вокруг сенсорного чипа. Соответственно, сенсорный чип согласно настоящему изобретению может быть выполнен с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающем воздухе. Следовательно, сенсорный чип может применяться, например, для отслеживания внешней среды и/или отслеживания качества окружающего воздуха.
Альтернативно окружающая среда может включать воду. Соответственно, сенсорный чип согласно настоящему изобретению может быть выполнен с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ в воде. Следовательно, сенсорный чип может применяться, например, для отслеживания внешней среды и/или отслеживания качества воды, например, поверхностных вод, грунтовых вод, морской воды, речной воды, воды в рыбоводческом хозяйстве, воды в бассейне или т. п. Следует отметить, что сенсорный чип согласно настоящему изобретению также может преимущественно применяться для обнаружения одного или более биологически активных веществ в других средах или веществах, например, в почве.
Мембрана может содержать наружную поверхность, выполненную с возможностью контакта с окружающей средой, и может содержать внутреннюю поверхность, обращенную к реакционной ячейке. Соответственно, наружная поверхность мембраны может быть направлена к окружающей среде, и внутренняя поверхность мембраны может быть направлена внутрь реакционной ячейки. По меньшей мере во время использования сенсорного чипа наружная поверхность мембраны может быть выполнена с возможностью непрерывного контакта с окружающей средой, что может позволить непрерывно отслеживать окружающую среду на предмет наличия одного или более биологически активных веществ.
В примере реакционная ячейка может содержать одно или более из жидкого, гелеобразного и полутвердого субстрата. При этом реакционная ячейка может быть частично или полностью заполнена субстратом. Например, субстрат может иметь такой состав, что рецепторные белковые комплексы сохраняют нативное состояние, в частности, когда они не связаны с одним или более биологически активными веществами. Предоставление такого жидкого, полутвердого и/или гелеобразного субстрата в реакционной ячейке может существенно увеличить срок службы рецепторных белковых комплексов и, следовательно, срок службы сенсорного чипа.
В качестве примера, субстрат может содержать по меньшей мере одно из водного раствора, изотонического раствора и буферного раствора. Соответственно, реакционная ячейка может содержать водный, изотонический, буферный жидкий, гелеобразный и/или полутвердый субстрат, например, гелеобразную матрицу, в которой рецепторные белковые комплексы и необязательные дополнительные белки, которые могут присутствовать в реакционной ячейке, сохраняют свое нативное состояние.
Необязательно субстрат может содержать стабилизирующий белок для стабилизации рецепторных белковых комплексов, например, в их нативном состоянии. Альтернативно или дополнительно субстрат может содержать поверхностно-активную молекулу или комплекс поверхностно-активных молекул, например, одно или более из полисорбата 20 или тритона Х-100.
Мембрана сенсорного чипа может быть проницаемой для газов. Проницаемость мембраны для газов может быть особенно преимущественной, если окружающая среда включает или содержит воздух, который может проходить сквозь мембрану и поступать в реакционную ячейку через мембрану. Альтернативно или дополнительно мембрана может быть непроницаемой для воды или водосодержащей жидкости. Непроницаемость мембраны для воды или водосодержащей жидкости может предотвратить утечку субстрата или другой жидкости из реакционной ячейки, тем самым обеспечивая функциональность сенсорного чипа и увеличивая его срок службы.
В примере мембрана может содержать множество пор, предпочтительно заполненных газом для исключения воды. Такая конфигурация мембраны может эффективно обеспечивать проницаемость для газов, а также непроницаемость для воды или водосодержащей жидкости на протяжении длительного срока службы сенсорного чипа.
Например, мембрана может содержать по меньшей мере одно из пористого углеродного бумажного материала и перфорированного фторполимера. Хотя следует отметить, что мембрана также может содержать другие материалы или полимеры, включая липиды.
В дополнительном примере сенсорный чип может дополнительно содержать сетку, покрывающую по меньшей мере часть наружной поверхности мембраны. Сетка может быть расположена и выполнена с возможностью защиты мембраны и/или реакционной ячейки от физического повреждения извне. Сетка может представлять собой жесткую решетку. Сетка может быть выполнена в виде единого целого с корпусом сенсорного чипа, или она может быть выполнена в виде отдельной детали или элемента, прикрепленного к корпусу сенсорного чипа.
Альтернативно или дополнительно сенсорный чип может дополнительно содержать уплотнительную крышку, накрывающую по меньшей мере часть наружной поверхности мембраны и выполненную с возможностью предотвращения контакта мембраны с окружающей средой. Уплотнительная крышка может находиться в непосредственном контакте с мембраной или может находиться на расстоянии от мембраны. Например, уплотнительная крышка может быть расположена у наружной поверхности сетки, покрывающей по меньшей мере часть наружной поверхности мембраны. Уплотнительная крышка, в частности, может применяться для закрывания наружной поверхности мембраны и блокирования попадания биологически активных веществ в реакционную ячейку, когда сенсорный чип не используется. Это может увеличить срок службы или продолжительность эксплуатации сенсорного чипа, так как количество рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке может уменьшаться с течением времени, если она не закрыта уплотнительной крышкой.
В общем, уплотнительная крышка может быть предназначена только для однократного применения, или уплотнительная крышка может повторно использоваться для закрывания мембраны. Соответственно, реакционная ячейка может быть выполнена с возможностью уплотнения и/или повторного уплотнения путем накрытия по меньшей мере части наружной поверхности мембраны уплотнительной крышкой.
В примере уплотнительная крышка может содержать клейкую пленку, например, позволяющую разъемным образом прикреплять или присоединять уплотнительную крышку к сенсорному чипу. Например, клейкая пленка может быть расположена на по меньшей мере части поверхности уплотнительной крышки, например, по периметру поверхности, что может обеспечить надежное прикрепление уплотнительной крышки к сенсорному чипу и обеспечить тщательное уплотнение мембраны или реакционной ячейки уплотнительной крышкой от окружающей среды. Однако следует отметить, что также могут применяться другие средства прикрепления уплотнительной крышки к сенсорному чипу, включая соединение на защелках или другое механическое крепление, а также магнитное крепление.
Уплотнительная крышка может быть воздухонепроницаемой и/или может быть выполнена с возможностью блокирования прохождения воздуха сквозь уплотнительную крышку. Воздухонепроницаемая конфигурация и прикрепление уплотнительной крышки к сенсорному чипу могут предотвратить попадание окружающей среды или биологически активных веществ в реакционную ячейку, что может потенциально уменьшить количество рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке с течением времени. Как указано выше, это уплотнение реакционной ячейки может быть особенно преимущественным, когда сенсорный чип не используется, например, во время хранения сенсорного чипа.
Сенсорный чип может быть выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки в сенсорное устройство. Соответственно, сенсорный чип может иметь форму и размер, позволяющие по меньшей мере частично вставлять его в сенсорное устройство. Такая частичная вставка может обеспечивать правильное позиционирование сенсорного чипа в сенсорном устройстве, может обеспечивать надлежащее соединение или крепление между сенсорным чипом и сенсорным устройством и может защищать сенсорный чип от повреждения.
Например, сенсорный чип может быть выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки в гнездо сенсорного устройства. Другими словами, сенсорное устройство может содержать по меньшей мере одно гнездо для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа. Гнездо может быть выполнено, например, в форме посадочного места, и сенсорный чип может быть вставлен в гнездо путем проталкивания сенсорного чипа в гнездо.
Необязательно сенсорный чип может содержать по меньшей мере один элемент поверхности на наружной поверхности корпуса сенсорного чипа, при этом по меньшей мере один элемент поверхности сенсорного чипа образован как дополняющий по меньшей мере один элемент поверхности гнезда для обеспечения правильного позиционирования сенсорного чипа в гнезде. При этом по меньшей мере один элемент поверхности сенсорного чипа необязательно может быть выполнен с возможностью сцепления с по меньшей мере одним элементом поверхности гнезда для закрепления сенсорного чипа в гнезде. Соответственно, элемент поверхности гнезда и элемент поверхности на корпусе сенсорного чипа могут образовывать защелкивающийся или захватный механизм для закрепления сенсорного чипа в гнезде.
Альтернативно или дополнительно сенсорный чип может содержать один или более магнитов или магнитных элементов для магнитного крепления сенсорного чипа к сенсорному устройству. Также могут применяться другие способы крепления сенсорного чипа к сенсорному устройству, такие как винтовое соединение или другое механическое соединение.
Как указано выше, один или более разных принципов или режимов обнаружения могут применяться для обнаружения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, вызванного связыванием с одним или более биологически активными веществами. Например, изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов может являться обнаруживаемым на основании оптического измерения. Такое оптическое измерение может быть выполнено в по меньшей мере части реакционной ячейки, на по меньшей мере части мембраны или снаружи реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может являться обнаруживаемым на основании обнаружения флуоресцентного света и на основании возбуждения флуоресценции одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов. Например, рецепторные белковые комплексы могут содержать по меньшей мере одну флуоресцентную метку и могут быть выполнены с возможностью диссоциации при связывании с одним или более биологически активными веществами, тем самым высвобождая по меньшей мере одну флуоресцентную метку в реакционную ячейку. Флуоресцентный свет, излучаемый флуоресцентными метками, высвобожденными из рецепторных белковых комплексов при связывании, можно обнаруживать для обнаружения изменения состояния. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может являться обнаруживаемым на основании рассеивания света, например, путем пропускания света через по меньшей мере часть реакционной ячейки и путем измерения изменения интенсивности света, проходящего через реакционную ячейку. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может являться обнаруживаемым на основании определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно поглощение электромагнитного излучения в реакционной ячейке или на по меньшей мере одной функциональной поверхности может использоваться для обнаружения изменения состояния рецепторных белковых комплексов. Например, связывание рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами может приводить к диссоциации одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов и/или диссоциации рецепторных белковых комплексов от по меньшей мере одной функциональной поверхности, что может привести к обнаруживаемому изменению оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности и/или субстрата, содержащегося в реакционной ячейке. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может быть обнаружено на основании определения проводимости и/или изменения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке. С этой целью сенсорный чип может содержать один или более электродов, расположенных внутри реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может являться обнаруживаемым на основании обнаружения электрохимического процесса, происходящего в реакционной ячейке при связывании по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами. Альтернативно или дополнительно изменение состояния может являться обнаруживаемым на основании определения массы и/или изменения массы по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, например, на основании определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов, ограниченных по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвиженных на ней. Например, рецепторные белковые комплексы могут быть ограничены по меньшей мере одной функциональной поверхностью и могут диссоциироваться от нее при связывании с одним или более биологически активными веществами, что может привести к измеримому изменению массы по меньшей мере одной функциональной поверхности или мембраны. Альтернативно или дополнительно изменение одного или более физических или оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности может являться обнаруживаемым на основании поверхностного плазмонного резонанса на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки. Подчеркивается, что любой один или более из вышеупомянутых принципов обнаружения или даже другие принципы обнаружения могут применяться для обнаружения изменения состояния, вызванного связыванием рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами.
Следует отметить, что дополнительные технические средства для фактического обнаружения одного или более из вышеупомянутых изменений состояния, такие как соответствующие датчики или чувствительные элементы, могут быть включены в сенсорный чип и/или сенсорное устройство. Соответственно, одно или оба из сенсорного чипа и сенсорного устройства могут быть выполнены с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов на основании оптического измерения, на основании обнаружения флуоресцентного света, на основании возбуждения флуоресценции одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов, на основании рассеяния света, на основании определения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке сенсорного чипа, на основании электрохимического процесса, происходящего в реакционной ячейке, на основании определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения поглощения электромагнитного излучения, на основании определения массы по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения массы рецепторных белковых комплексов, ограниченных по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвиженных на ней, и на основании поверхностного плазмонного резонанса на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Согласно примеру сенсорный чип содержит один или более соединителей для функционального соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством. Такое функциональное соединение может означать, что сенсорный чип может быть соединен с помощью одного или более соединителей с сенсорным устройством, так что изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами является обнаруживаемым.
В примере один или более соединителей могут включать по меньшей мере один оптический соединитель, выполненный с возможностью проведения электромагнитного излучения из сенсорного устройства в реакционную ячейку для оптического обнаружения изменения конформационного состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами. Альтернативно или дополнительно один или более соединителей могут включать по меньшей мере один дополнительный оптический соединитель для проведения электромагнитного излучения из реакционной ячейки. Например, сенсорный чип может содержать первый оптический соединитель для передачи электромагнитного излучения от сенсорного устройства в сенсорный чип и второй оптический соединитель для передачи электромагнитного излучения из сенсорного чипа в сенсорное устройство. Сенсорный чип также может содержать больше двух оптических соединителей для оптического соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
По меньшей мере один оптический соединитель и/или по меньшей мере один дополнительный оптический соединитель, например, первый и второй оптические соединители, могут содержать по меньшей мере одно отверстие, расположенное в корпусе сенсорного чипа. Посредством по меньшей мере одного отверстия соответствующего оптического соединителя электромагнитное излучение можно проводить внутрь и/или наружу сенсорного чипа для оптического обнаружения изменения состояния рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Необязательно по меньшей мере одно отверстие может быть уплотнено слоем материала, прозрачного для электромагнитного излучения с предопределенной длиной волны. Например, изменение состояния может быть обнаружено на основании возбуждения флуоресценции одной или более флуоресцентных меток рецепторных белковых комплексов, которые могут быть высвобождены при связывании с биологически активным веществом. При этом слой материала, уплотняющего отверстие, может быть проницаемым или прозрачным для по меньшей мере света, возбуждающего флуоресценцию, с предопределенной длиной волны или диапазоном длин волн, позволяя проводить свет, возбуждающий флуоресценцию, внутрь реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно слой материала, уплотняющего отверстие, может быть проницаемым или прозрачным для по меньшей мере флуоресцентного света, излучаемого флуоресцентными метками.
По меньшей мере одно отверстие, например, может иметь такие форму, ориентацию или контур, чтобы свет или электромагнитное излучение, поступающие в реакционную ячейку сквозь отверстие, приводили к прохождению пучка света через по меньшей мере часть реакционной ячейки. Например, по меньшей мере одно отверстие может быть ориентировано параллельно продольной оси реакционной ячейки.
В еще одном примере сенсорный чип дополнительно содержит по меньшей мере один оптический волновод для направления электромагнитного излучения через реакционную ячейку для оптического обнаружения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами. При этом по меньшей мере один оптический волновод может проходить через по меньшей мере часть реакционной ячейки. Например, по меньшей мере один оптический волновод может проходить параллельно продольной оси реакционной ячейки сквозь реакционную ячейку. Размещение одного или более оптических волноводов в реакционной ячейке в общем может обеспечивать высокочувствительное оптическое измерение, тем самым позволяя точно и надежно обнаруживать изменения состояния рецепторных белковых комплексов при связывании.
По меньшей мере один оптический волновод может быть выровнен и оптически связан с по меньшей мере одним оптическим соединителем сенсорного чипа. Соответственно, электромагнитное излучение или свет могут быть проведены внутрь и/или наружу по меньшей мере одного оптического волновода посредством по меньшей мере одного оптического соединителя.
В качестве примера, сенсорный чип может содержать по меньшей мере два оптических волновода и по меньшей мере один отражающий элемент, расположенный на конце по меньшей мере двух оптических волноводов, при этом по меньшей мере один отражающий элемент оптически связывает по меньшей мере два оптических волновода. Другими словами, электромагнитное излучение может быть проведено по одному из оптических волноводов, отражено по меньшей мере одним отражающим элементом и проведено в дальнейший оптический волновод. Необязательно каждый из по меньшей мере двух оптических волноводов может быть оптически связан с по меньшей мере одним оптическим соединителем сенсорного устройства, расположенным на конце соответствующего оптического волновода, противоположном по меньшей мере одному отражающему элементу. В такой конфигурации длина траектории электромагнитного излучения, проходящего сквозь реакционную ячейку через по меньшей мере два оптических волновода, может быть максимально увеличена, что может увеличить чувствительность сенсорного чипа.
В еще одном примере один или более соединителей сенсорного чипа могут включать по меньшей мере один электрический соединитель для электрического соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством. Такой электрический соединитель может обеспечивать подачу электрических сигналов, например, сигналов управления или сигналов обнаружения, сенсорным устройством в сенсорный чип, или наоборот. Альтернативно или дополнительно по меньшей мере один электрический соединитель может обеспечивать передачу данных или соединение с возможностью осуществления связи между сенсорным чипом и сенсорным устройством.
В примере сенсорный чип дополнительно содержит один или более электродов, по меньшей мере частично расположенных в реакционной ячейке и выполненных с возможностью определения проводимости или изменения проводимости субстрата или состава в реакционной ячейке. Как упомянуто выше в настоящем документе, изменение состояния, вызванное при связывании по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, может включать диссоциацию рецепторных белковых комплексов в несколько компонентов и/или диссоциацию рецепторных белковых комплексов от по меньшей мере одной функциональной поверхности. Любые из этих изменений состояния могут приводить к изменению проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, которое может быть измерено посредством одного или более электродов с высокой точностью, чувствительностью и прецизионностью.
В еще одном примере сенсорный чип может дополнительно содержать по меньшей мере одно окно для обнаружения, прозрачное для электромагнитного излучения, излучаемого и/или рассеиваемого по меньшей мере одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов. Например, по меньшей мере одно окно для обнаружения может быть прозрачным для флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов, такими как, например, одна или более флуоресцентных меток, высвобожденных при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере одно окно для обнаружения может быть непрозрачным для света, возбуждающего флуоресценцию. Следовательно, посредством окна для обнаружения можно блокировать выход света, возбуждающего флуоресценцию, из реакционной ячейки. Такая конфигурация может позволить увеличивать чувствительность сенсорного чипа, в частности, в случае если интенсивность света, возбуждающего флуоресценцию, намного выше интенсивности фактического флуоресцентного света, излучаемого флуоресцентными метками.
По меньшей мере одно окно для обнаружения может быть, например, расположено напротив мембраны, направлено и/или ориентировано к ней. Такое размещение окна для обнаружения может обеспечить надежное обнаружение изменений оптического свойства мембраны или функциональной поверхности реакционной ячейки через окно для обнаружения сенсорного чипа.
В примере внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, обращенная к реакционной ячейке, может быть по меньшей мере частично покрыта молекулярными улавливающими комплексами, выполненными с возможностью связывания с по меньшей мере компонентом рецепторных белковых комплексов, так что рецепторные белковые комплексы, связанные с одним или более биологически активными веществами, улавливаются на внутренней поверхности. Внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, таким образом, может выполнять функцию стока для рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, которые уже связались с одним или более биологически активными веществами. Посредством оснащенной покрытием внутренней поверхности чувствительность сенсорного чипа можно поддерживать на высоком уровне даже на протяжении длительных периодов работы в окружающей среде, содержащей значительное количество биологически активных веществ. Такая конфигурация может быть особенно преимущественной при оптическом обнаружении изменения состояния, например, на основании возбуждения флуоресценции. Например, после длительной работы или сильного воздействия биологически активных веществ на сенсорный чип большая часть рецепторных белковых комплексов может быть связана с биологически активными веществами, диссоциирована и/или высвобождена из мембраны, что может сделать неточным надлежащее обнаружение дополнительной флуоресценции, вызванной недавно связанными рецепторными белковыми комплексами. Следовательно, посредством оснащенной покрытием внутренней поверхности по меньшей мере одного окна для обнаружения можно обеспечить улавливание уже связанных рецепторных белковых комплексов или их компонентов, таких как одна или более флуоресцентных меток, на оснащенной покрытием внутренней поверхности и предотвратить их воздействие или влияние на оптическое измерение.
Для фактического связывания рецепторных белковых комплексов или одного или более их компонентов с молекулярными улавливающими комплексами рецепторные белковые комплексы могут содержать аффинную метку, предпочтительно связываемую с высокой аффинностью с молекулярными улавливающими комплексами. Аффинная метка может представлять собой, например, биотин, и в этом случае молекулярные улавливающие комплексы могут содержать стрептавидин. Альтернативно или дополнительно аффинная метка может представлять собой гистидиновую метку, и в этом случае молекулярные улавливающие комплексы могут содержать хелатные ионы никеля.
Альтернативно или дополнительно внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, обращенная к реакционной ячейке, может быть по меньшей мере частично покрыта гасящими молекулами для гашения рассеянного света и/или флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере одним компонентом рецепторных белковых комплексов, таким как флуоресцентная метка. Альтернативно или дополнительно внутренняя поверхность мембраны, обращенная к реакционной ячейке, может быть по меньшей мере частично покрыта гасящими молекулами для гашения рассеянного света и/или флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере компонентом рецепторных белковых комплексов. Гашение рассеянного света и/или флуоресцентного света может уменьшать или даже устранять помехи, вызванные рассеиванием света или флуоресцентным излучением, не относящимся к связыванию рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами.
В примере сенсорный чип и/или реакционная ячейка могут иметь продолговатую форму. Такая продолговатая форма может позволить увеличивать поверхность мембраны и/или реакционной ячейки, подверженную воздействию окружающей среды, что может позволить повысить качество и точность фактического обнаружения биологически активных веществ. При этом мембрана необязательно может быть расположена на продольной стороне сенсорного чипа.
В еще одном примере реакционная ячейка может иметь прямоугольное поперечное сечение. Альтернативно или дополнительно реакционная ячейка может быть образована в виде параллелепипеда. Однако следует отметить, что другие геометрии, формы или контуры реакционной ячейки предусмотрены в контексте настоящего изобретения.
Например, реакционная ячейка может иметь круглое, эллиптическое или овальное поперечное сечение и/или может иметь трубчатую форму. При этом мембрана может по меньшей мере частично окружать реакционную ячейку вдоль периметра или наружной окружности реакционной ячейки. Также такая конфигурация может позволить увеличивать или максимизировать поверхность мембраны, через которую биологически активные вещества могут поступать в реакционную ячейку, тем самым позволяя увеличивать точность и прецизионность обнаружения биологически активных веществ.
В дополнительном примере сенсорный чип может дополнительно содержать по меньшей мере один резервуар, выполненный с возможностью соединения по текучей среде с реакционной ячейкой, при этом по меньшей мере один резервуар выполнен с возможностью подачи деионизированной воды в реакционную ячейку. Соответственно, по меньшей мере один резервуар может быть по меньшей мере частично заполнен деионизированной водой. Резервуар также может называться в настоящем документе водным резервуаром. Посредством резервуара субстрат или жидкость, просачивающуюся из реакционной ячейки с течением времени, например, воду, проходящую сквозь мембрану, можно компенсировать путем подачи деионизированной воды в реакционную ячейку.
Альтернативно или дополнительно реакционная ячейка может находиться в сухом состоянии или не содержать жидкого, полутвердого и/или гелеобразного субстрата перед использованием сенсорного чипа в первый раз, и сенсорный чип можно активировать путем подачи деионизированной воды из резервуара в реакционную ячейку.
В примере по меньшей мере часть стенки по меньшей мере одного резервуара может быть выполнена с возможностью перемещения, гибкой или подвижной, так что объем резервуара может быть регулируемым. Такая конфигурация может позволить динамически компенсировать любую потерю или утечку субстрата, жидкости, текучей среды или воды из реакционной ячейки с течением времени.
Например, по меньшей мере часть по меньшей мере одного резервуара может быть образована в виде гибкого мешка или гибкого блистера. При этом объем резервуара можно регулировать в соответствии с количеством или объемом деионизированной воды, подаваемой в реакционную ячейку, в частности, без значительного сопротивления выпусканию, если вода выходит из резервуара к реакционной ячейке.
Необязательно по меньшей мере один резервуар может быть окружен частью корпуса сенсорного чипа, которая содержит по меньшей мере одно отверстие для выравнивания давления. Посредством по меньшей мере одного отверстия окружающая среда, например, воздух, может поступать в корпус, когда воду перемещают из резервуара к реакционной ячейке, например, посредством более высокой осмотической концентрации в реакционной ячейке по сравнению с резервуаром.
Альтернативно или дополнительно сенсорный чип может дополнительно содержать по меньшей мере один подвижный поршень, выполненный с возможностью регулировки объема по меньшей мере одного резервуара. Также эта конфигурация может позволить динамически компенсировать любую потерю или утечку субстрата, жидкости, текучей среды или воды из реакционной ячейки с течением времени.
Необязательно по меньшей мере один резервуар может быть связан или соединен по текучей среде с реакционной ячейкой с помощью полупроницаемой мембраны, блокирующей диффузию солей из реакционной ячейки в резервуар. Благодаря полупроницаемой мембране соли могут оставаться в реакционной ячейке и сохранять перепад осмотической концентрации, который приводит к течению деионизированной воды из резервуара в реакционную ячейку.
В еще одном примере сенсорный чип может дополнительно содержать по меньшей мере один блокирующий элемент, выполненный с возможностью блокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром. Например, сенсорный чип может быть выполнен с возможностью активации на основании разблокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром с использованием по меньшей мере одного блокирующего элемента. Другими словами, сенсорный чип может быть активирован путем разблокирования сообщения по текучей среде и путем подачи деионизированной воды из резервуара в реакционную ячейку.
По меньшей мере один блокирующий элемент может содержать, например, водонепроницаемую мембрану, расположенную между по меньшей мере одним резервуаром и реакционной ячейкой. При этом сенсорный чип может быть выполнен с возможностью активации на основании или путем разрушения по меньшей мере части водонепроницаемой мембраны.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере один блокирующий элемент может содержать подвижный штифт, выполненный с возможностью блокирования или разблокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром. При этом сенсорный чип может быть выполнен с возможностью активации на основании смещения подвижного штифта, так что разблокируется или устанавливается сообщение по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром.
Согласно примеру каждый из рецепторных белковых комплексов может содержать по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, выполненный с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами и выполненный с возможностью изменения конформации при связывании с одним из биологически активных веществ. Необязательно по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать множество лигандсвязывающих доменов одного или более рецепторных белков. Соответственно, множество биологически активных веществ могут быть связаны одним рецепторным белковым комплексом, что может увеличивать общую чувствительность сенсорного чипа.
Также необязательно множество лигандсвязывающих доменов могут относиться к разному типу и могут быть выполнены с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ. Другими словами, рецепторные белковые комплексы могут содержать по меньшей мере часть, например, лигандсвязывающий домен, рецепторных белков разных типов, выполненных с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ. Следовательно, один рецепторный белковый комплекс может обнаруживать множество разных типов биологически активных веществ.
Согласно примеру по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, который представляет собой ксеносенсорный белок или гормон-рецепторный белок. Альтернативно или дополнительно каждый из рецепторных белковых комплексов может содержать по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, выбранный из группы, содержащей рецептор арильных углеводородов, конститутивный рецептор андростанов, прегнан-Х-рецептор и рецептор эстрогенов.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать по меньшей мере один связывающий домен рецептора арильных углеводородов или рецепторного белка арильных углеводородов. Например, по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать по меньшей мере домен PAS (Per-ARNT-Sim) или весь рецепторный белок арильных углеводородов, что может позволить обнаруживать материалы, соединения, молекулы и/или вещества, например, галогенированные ароматические углеводороды, такие как полихлорированные дибензодиоксины, дибензофураны и бифенилы, и/или полициклические ароматические углеводороды, такие как 3-этилхолантрен, бензо[а]пирен, бензантрацены и бензофлавоны.
В общем, по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов может содержать рекомбинантный белок или белок, не являющийся рекомбинантным. Альтернативно или дополнительно каждый из рецепторных белковых комплексов может содержать по меньшей мере часть мономерного рецепторного белка, гомодимерный рецепторный белковый комплекс или гетеродимерный рецепторный белковый комплекс.
Дополнительно по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать органический или неорганический фрагмент, диссоциирующий из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами.
В качестве примера, рецепторные белковые комплексы могут содержать по меньшей мере одну флуоресцентную метку, диссоциирующую или высвобождаемую из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами. При использовании таких рецепторных белковых комплексов можно обнаружить изменения состояния, вызванные связыванием рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, на основании возбуждения флуоресценции по меньшей мере одной флуоресцентной метки, диссоциированной или высвобожденной из остальной части рецепторных белковых комплексов. Необязательно по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать множество флуоресцентных меток одинакового типа или разных типов. В качестве примера, по меньшей мере одна флуоресцентная метка может представлять собой флуоресцентный краситель или зеленый флуоресцентный белок.
Альтернативно или дополнительно рецепторные белковые комплексы могут содержать наночастицу, диссоциирующую или высвобождаемую из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами. При использовании наночастицы, например, наночастицы золота, в качестве фрагмента, высвобождаемого при связывании, можно увеличить изменение массы, вызванное событием связывания, что может повысить чувствительность и прецизионность обнаружения биологически активных веществ.
В еще одном примере сенсорный чип дополнительно содержит идентификатор чипа для идентификации типа сенсорного чипа и/или типа рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе. Подобным образом, идентификатор чипа может позволять идентифицировать тип биологически активных веществ, обнаруживаемых сенсорным чипом. В примере идентификатор чипа может содержать информацию или данные, указывающие на тип сенсорного чипа и/или тип рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе.
Необязательно идентификатор чипа может быть выполнен с возможностью считывания пользовательским устройством и/или выполнен с возможностью считывания сенсорным устройством. В контексте настоящего документа пользовательское устройство может относиться к любому устройству, выполненному с возможностью функционального и/или коммуникационного соединения с сенсорным чипом или сенсорным устройством, такому как, например, смартфон, планшет, персональный компьютер, ноутбук, умное устройство, умные часы или любое другое вычислительное устройство. Считывание идентификатора чипа, в частности, может позволить предоставлять информацию, связанную с типом сенсорного чипа и/или рецепторных белковых комплексов, пользовательскому устройству и/или сенсорному устройству. Это может дополнительно позволить обеспечивать надлежащую работу и управление сенсорным чипом с помощью сенсорного устройства, когда сенсорный чип вставлен в сенсорное устройство.
В примере идентификатор чипа может включать одно или более из штрихкода, QR-кода, метки RFID, этикетки и хранилища данных. Штрихкод, QR-код, этикетка или метка RFID могут быть считаны пользовательским устройством и/или сенсорным устройством на основании оптического обнаружения или с использованием устройства для считывания RFID, применяемого в пользовательском устройстве и/или сенсорном устройстве. Подобным образом, данные, хранящиеся в хранилище данных, могут быть считаны пользовательским устройством и/или сенсорным устройством на основании создания передачи данных, например, посредством одного или более соединителей сенсорного чипа.
В еще одном примере сенсорный чип может дополнительно содержать хранилище данных, выполненное с возможностью хранения исторических данных, указывающих использование или остающийся срок службы сенсорного чипа. Также такие данные могут быть считаны пользовательским устройством и/или сенсорным устройством. Хранение исторических данных в хранилище данных, в частности, может позволить повторно использовать сенсорный чип, например, путем его повторной вставки в сенсорное устройство, в то же время обеспечивая надлежащую функциональность сенсорного чипа, например, так как сенсорное устройство может определить, что срок службы сенсорного чипа еще не истек.
Например, один или более эксплуатационных параметров, связанных с использованием сенсорного чипа, могут быть измерены на протяжении периода эксплуатации или срока службы чипа и сохранены в хранилище данных как исторические данные. Другими словами, хранилище данных может быть выполнено с возможностью хранения одного или более эксплуатационных параметров, указывающих использование или остающийся срок службы сенсорного чипа.
Необязательно сенсорное устройство и/или пользовательское устройство может предоставлять уведомление, если оставшийся срок службы сенсорного чипа достигает или превышает предопределенное пороговое значение, например, из-за исчерпания рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, тем самым указывая на необходимость замены сенсорного чипа. Необязательно сенсорное устройство и/или пользовательское устройство может определять на основании исторических данных исчерпание рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке и определять оставшийся срок службы сенсорного чипа на основании определенного исчерпания.
Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство и/или пользовательское устройство может определять на основании исторических данных совокупное воздействие биологически активных веществ, такое как совокупное загрязнение воздуха. Необязательно такая информация может быть предоставлена пользователю, например, посредством пользовательского интерфейса сенсорного устройства и/или пользовательского устройства.
В примере хранилище данных сенсорного чипа может быть доступно сенсорному устройству при функциональном присоединении сенсорного чипа к сенсорному устройству, например, при по меньшей мере частичной вставке сенсорного чипа в сенсорное устройство. Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может считывать хранилище данных сенсорного чипа при функциональном присоединении сенсорного чипа к сенсорному устройству. Например, хранилище данных и/или идентификатор чипа сенсорного чипа могут быть автоматически обнаружены и/или считаны при функциональном присоединении сенсорного чипа к сенсорному устройству.
В общем, сенсорный чип может содержать множество реакционных ячеек и/или мембран. Необязательно множество реакционных ячеек могут содержать разные типы рецепторных белковых комплексов, выполненных с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ. Эти конфигурации могут позволить увеличивать чувствительность сенсорного чипа и расширять диапазон биологически активных веществ, которые могут быть обнаружены сенсорным чипом. Соответственно, может быть предоставлен компактный сенсорный чип, который может обеспечить обнаружение нескольких разных биологически активных веществ с высокой прецизионностью.
В еще одном примере сенсорный чип дополнительно содержит один или более датчиков, выполненных с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Необязательно сенсорный чип может содержать схему обработки, выполненную с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на определенное изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Соответственно, электроника и чувствительные элементы для фактического обнаружения изменений состояния рецепторных белковых комплексов могут быть по меньшей мере частично или полностью включены в сенсорный чип. Однако альтернативно или дополнительно один или более датчиков и/или по меньшей мере часть схемы обработки могут быть расположены в сенсорном устройстве.
Например, сенсорный чип может содержать один или более оптических датчиков, таких как фотодетекторы, для оптического обнаружения изменения состояния. Альтернативно или дополнительно сенсорный чип может содержать один или более электродов для обнаружения изменения состояния на основании измерения проводимости в реакционной ячейке. Альтернативно или дополнительно сенсорный чип может содержать один или более пьезоэлементов, расположенных и выполненных с возможностью обнаружения изменения состояния на основании определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности сенсорного чипа и/или высвобожденных из нее. Альтернативно один или более пьезоэлементов могут быть расположены и выполнены с возможностью определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности сенсорного чипа и/или высвобожденных из нее, на основании определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов или одного или более их компонентов на одной или более внутренних поверхностях реакционной ячейки, направленных к по меньшей мере одной функциональной поверхности.
Дополнительный аспект настоящего изобретения относится к использованию сенсорного чипа, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, для обнаружения одного или более биологически активных веществ. Любое раскрытие, представленное выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе со ссылкой на сенсорный чип, в равной степени применимо к использованию сенсорного чипа.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения предоставлено сенсорное устройство для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Сенсорное устройство содержит корпус, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, для функционального соединения сенсорного устройства с по меньшей мере одним сенсорным чипом. Сенсорное устройство дополнительно содержит схему обработки, выполненную с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа, причем изменение состояния вызвано путем связывания указанного одного или более рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, поступающими из окружающей среды через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа.
Следует отметить, что сенсорное устройство необязательно может содержать один или более датчиков для определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа. По меньшей мере некоторые или все датчики альтернативно могут быть включены в сенсорный чип. Подобным образом, по меньшей мере часть схемы обработки или вся схема обработки может быть расположена в сенсорном чипе или включена в него.
Схема обработки может содержать, например, один или более процессоров, один или более контроллеров или один или более микроконтроллеров для обработки данных или управления работой сенсорного устройства и/или сенсорного чипа. Необязательно по меньшей мере часть схемы обработки может быть реализована на печатной плате. Альтернативно или дополнительно по меньшей мере часть схемы обработки может быть реализована в виде умного чипа или умного устройства. Альтернативно или дополнительно по меньшей мере часть схемы обработки может быть реализована в виде интегральной схемы специального назначения, ASIC.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предоставлено сенсорное устройство, выполненное с возможностью функционального соединения с по меньшей мере одним сенсорным чипом, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Сенсорное устройство содержит по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа, причем изменение состояния вызвано путем связывания одного или более рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, поступающими из окружающей среды через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа. Сенсорное устройство дополнительно содержит схему обработки, соединенную с по меньшей мере одним датчиком, при этом схема обработки выполнена с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
В примере окружающая среда может включать окружающий воздух. Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может представлять собой или может быть выполнено как устройство отслеживания внешней среды для отслеживания качества окружающего воздуха.
Сенсорное устройство может представлять собой или может быть выполнено как неподвижное устройство и/или настольное устройство. Сенсорное устройство может применяться, например, дома или в офисе для отслеживания качества воздуха в этой внешней среде. Альтернативно сенсорное устройство может быть по меньшей мере временно установлено в других местах, например, в автомобиле или т. п. В общем, сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью отслеживания качества воздуха непрерывно или с предопределенными временными интервалами.
Альтернативно сенсорное устройство может представлять собой или может быть выполнено как портативное устройство, мобильное устройство и/или карманное устройство. В такой конфигурации человек может переносить сенсорное устройство для отслеживания качества воздуха вокруг человека, например, непрерывно или с предопределенными временными интервалами. Сенсорное устройство можно переносить, например, в кармане, сумке, рюкзаке или сумочке человека, или его можно прикрепить к объекту на человеке, такому как предмет одежды, сумка, рюкзак или сумочка.
В контексте настоящего документа сигнал обнаружения может относиться к электрически обрабатываемому сигналу или может обозначать такой сигнал, такой как, например, электронный сигнал или сигнал данных. Необязательно сигнал обнаружения может использоваться схемой обработки для предоставления показаний, указывающих на одно или более обнаруженных биологически активных веществ, например, в пользовательском интерфейсе сенсорного устройства. Альтернативно или дополнительно сигнал обнаружения может быть передан от сенсорного устройства в пользовательское устройство и впоследствии обработан пользовательским устройством для предоставления показаний, указывающих на одно или более обнаруженных биологически активных веществ.
Сигнал обнаружения может указывать на количество одного или более биологически активных веществ в единице объема окружающей среды, массу биологически активного вещества в единице объема окружающей среды, концентрацию биологически активного вещества в окружающей среде, потенциал активации рецепторного белка окружающей среды и биологическую активность окружающей среды. Соответственно, одна или более из вышеупомянутых величин могут быть определены схемой обработки и/или пользовательским устройством на основании обработки сигнала обнаружения.
В примере сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью механического соединения с сенсорным чипом. Механическое соединение может включать, например, защелкивающееся соединение, по меньшей мере частично сцепляющее элементы поверхности сенсорного чипа и сенсорного устройства, механическую фиксацию сенсорного чипа на сенсорном устройстве, например, посредством винтового соединения, или любое другое механическое соединение. Посредством механического соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством можно обеспечить размещение сенсорного чипа в предопределенных положении и/или ориентации для обеспечения функционального соединения между сенсорным устройством и сенсорным чипом. Соответственно, механическое соединение сенсорного чипа и сенсорного устройства необязательно может включать создание функционального соединения между сенсорным чипом и сенсорным устройством, что может включать, например, создание одного или более оптических соединений, одного или более электрических соединений и/или одного или более соединений для передачи данных. Следовательно, путем механического соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством можно обеспечить функциональное и рабочее состояние сенсорного чипа.
Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью магнитного соединения с сенсорным чипом. Например, сенсорное устройство может содержать один или более магнитов, взаимодействующих с одной или более магнитными ответными частями или магнитными элементами сенсорного чипа для магнитного соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством. Также путем магнитного соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством можно обеспечить размещение сенсорного чипа в предопределенных положении и/или ориентации для обеспечения функционального соединения между сенсорным устройством и сенсорным чипом. Соответственно, магнитное соединение сенсорного чипа и сенсорного устройства необязательно может включать создание функционального соединения между сенсорным чипом и сенсорным устройством, что может включать, например, создание одного или более оптических соединений, одного или более электрических соединений и/или одного или более соединений для передачи данных. Следовательно, путем магнитного соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством можно обеспечить функциональное и рабочее состояние сенсорного чипа.
В примере сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа. Например, сенсорное устройство может содержать по меньшей мере одно гнездо, выполненное с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа. Сенсорный чип может быть вставлен съемным образом по меньшей мере частично в сенсорное устройство или по меньшей мере одно гнездо. Альтернативно или дополнительно по меньшей мере одно гнездо может быть выполнено с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа, так что корпус сенсорного устройства по меньшей мере частично окружает по меньшей мере один сенсорный чип. Посредством по меньшей мере частичной вставки сенсорного чипа в сенсорное устройство или гнездо можно защитить сенсорный чип и можно обеспечить создание функционального соединения между сенсорным чипом и сенсорным устройством.
Необязательно по меньшей мере одно гнездо может содержать по меньшей мере один элемент поверхности, образованный как дополняющий по меньшей мере один элемент поверхности сенсорного чипа для обеспечения правильного позиционирования сенсорного чипа в по меньшей мере одном гнезде. Например, по меньшей мере один элемент поверхности по меньшей мере одного гнезда может содержать одну или более направляющих для позиционирования сенсорного чипа внутри гнезда. Альтернативно или дополнительно по меньшей мере один элемент поверхности по меньшей мере одного гнезда может быть выполнен с возможностью по меньшей мере частичного сцепления с по меньшей мере одним элементом поверхности сенсорного чипа, так что сенсорный чип выполнен с возможностью закрепления съемным образом в гнезде. Соответственно, элемент поверхности гнезда и элемент поверхности на корпусе сенсорного чипа необязательно могут образовывать защелкивающийся или захватный механизм для закрепления сенсорного чипа в гнезде.
Следует отметить, что сенсорное устройство может содержать множество гнезд, выполненных с возможностью вмещения множества сенсорных чипов одного типа или разных типов. Например, разные типы сенсорных чипов для обнаружения разных типов биологически активных веществ или одного или более параметров внешней среды, таких как воздействие УФ-излучения или воздействие озона, могут применяться с одним сенсорным устройством. Следовательно, сенсорное устройство может использоваться для всестороннего отслеживания внешней среды.
Схема обработки сенсорного устройства может быть выполнена с возможностью определения присутствия одного или более биологически активных веществ в окружающей среде на основании обнаружения с помощью по меньшей мере одного датчика сенсорного чипа или сенсорного устройства изменения положения одного или более рецепторных белков в реакционной ячейке при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Например, сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью определения одного или более из присутствия, количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа. Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью определения одного или более из присутствия, количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа, на основании определения изменения по меньшей мере одного из оптического и электрического сигнала, передаваемого в сенсорный чип. Соответственно, сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью обнаружения изменения состояния, вызванного связыванием по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, на основании определения изменения по меньшей мере одного из оптического и электрического сигнала, передаваемого в сенсорный чип.
В примере рецепторные белковые комплексы могут быть выполнены с возможностью диссоциации от по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки при связывании с одним из биологически активных веществ, при этом сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью определения одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее.
Необязательно сенсорное устройство может содержать один или более пьезоэлементов, выполненных с возможностью определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. В примере один или более пьезоэлементов сенсорного устройства могут быть расположены смежно, в непосредственной близости или даже в контакте с компонентом сенсорного чипа, содержащим по меньшей мере одну функциональную поверхность, таким как мембрана или часть корпуса сенсорного чипа, направленную к мембране или расположенную напротив мембраны. Масса и/или изменение массы могут быть определены, например, на основании возбуждения механические вибрации компонента сенсорного чипа, содержащего по меньшей мере одну функциональную поверхность, такого как мембрана, и измерения характеристик механических вибраций, таких как затухание колебаний. Это может позволить определять, например, с помощью схемы обработки сенсорного устройства, механические свойства компонента сенсорного чипа, содержащего по меньшей мере одну функциональную поверхность, и, в свою очередь, может позволить определять массу и/или изменение массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее. Однако следует отметить, что один или более пьезоэлементов альтернативно могут быть расположены в сенсорном чипе и могут функционально управляться сенсорным устройством.
Альтернативно или дополнительно один или более пьезоэлементов могут быть выполнены с возможностью определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее, на основании определения массы одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов, связанных с внутренней поверхностью реакционной ячейки, направленной к по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или расположенной напротив нее. Например, рецепторные белковые комплексы могут быть высвобождены от по меньшей мере одной функциональной поверхности при связывании и диффундировать к внутренней поверхности реакционной ячейки, направленной к по меньшей мере одной функциональной поверхности. Рецепторные белковые комплексы или их компоненты могут скапливаться на внутренней поверхности, причем это накопление может быть измерено путем определения массы и/или изменения массы рецепторных белковых комплексов на внутренней поверхности. Также в этой конфигурации один или более пьезоэлементов сенсорного устройства могут быть расположены смежно, в непосредственной близости или даже в контакте с компонентом сенсорного чипа или реакционной ячейки, содержащим внутреннюю поверхность реакционной ячейки. Масса и/или изменение массы могут быть определены, например, на основании возбуждения механических вибраций компонента сенсорного чипа, как описано выше в настоящем документе.
В примере один или более пьезоэлементов могут быть выполнены с возможностью механического соединения с одной или более функциональными поверхностями реакционной ячейки сенсорного чипа. Альтернативно или дополнительно один или более пьезоэлементов могут быть выполнены с возможностью механического соединения с одной или более внутренними поверхностями реакционной ячейки сенсорного чипа, направленными к одной или более функциональным поверхностям реакционной ячейки. Путем механического соединения пьезоэлементов с по меньшей мере одной функциональной поверхностью или одной или более внутренними поверхностями реакционной ячейки можно надежно и с высокой прецизионностью определить массу и/или изменение массы рецепторного белкового комплекса, обездвиженного на по меньшей мере одной функциональной поверхности или высвобожденного из нее. Как указано выше, один или более пьезоэлементов могут быть расположены, например, смежно с компонентом, содержащим или поддерживающим по меньшей мере одну функциональную поверхность или одну или более внутренних поверхностей реакционной ячейки. Например, если по меньшей мере одна функциональная поверхность предоставлена или определена внутренней поверхностью мембраны, один или более пьезоэлементов могут быть расположены на противоположной стороне мембраны или в контакте с ней.
В примере рецепторные белковые комплексы могут содержать по меньшей мере одну флуоресцентную метку, при этом сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ на основании возбуждения одной или более флуоресцентных меток и на основании обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками. Например, рецепторные белковые комплексы могут содержать по меньшей мере одну флуоресцентную метку, диссоциирующую из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами, при этом сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ на основании возбуждения одной или более флуоресцентных меток, диссоциирующих из одного или более рецепторных белковых комплексов, и на основании обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более диссоциированными флуоресцентными метками. Соответственно, сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью обнаружения изменения состояния, вызванного связыванием рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, на основании возбуждения флуоресценции свободных флуоресцентных или светопоглощающих меток в реакционной ячейке, которые высвобождаются из рецепторных белковых комплексов при связывании.
Сенсорное устройство может содержать один или более источников света, например, лазерные диоды или светодиоды (LED), выполненные с возможностью возбуждения одной или более флуоресцентных меток, при этом сенсорное устройство может содержать один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками.
Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может содержать один или более источников света, выполненных с возможностью освещения по меньшей мере части реакционной ячейки, при этом сенсорное устройство может содержать один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения света, рассеиваемого одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке. Соответственно, сенсорное устройство может быть выполнено с возможностью обнаружения изменения состояния на основании обнаружения рассеянного света и/или на основании рассеивания света.
В примере один или более фотодетекторов могут быть расположены смежно с гнездом сенсорного устройства или вблизи него для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа с целью обнаружения электромагнитного излучения, проникающего из реакционной ячейки. Например, один или более источников света могут быть расположены смежно с гнездом сенсорного устройства или вблизи него для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа, так что электромагнитное излучение, излучаемое одним или более источниками света, имеет возможность проводиться в реакционную ячейку.
Альтернативно или дополнительно один или более фотодетекторов могут быть расположены напротив окна для обнаружения сенсорного чипа. Другими словами, один или более фотодетекторов могут быть расположены напротив по меньшей мере одного окна для обнаружения сенсорного чипа, когда сенсорный чип по меньшей мере вмещен в сенсорном устройстве.
В примере один или более источников света могут быть расположены с возможностью проведения электромагнитного излучения или света через один или более оптических соединителей сенсорного чипа в реакционную ячейку.
Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может содержать один или более источников света, расположенных с возможностью проведения электромагнитного излучения в один или более оптических волноводов, проходящих через по меньшей мере часть реакционной ячейки сенсорного чипа, при этом сенсорное устройство может включать один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения электромагнитного излучения, проходящего через один или более оптических волноводов. В примере один или более источников света могут быть расположены так, что они выровнены с концом одного или более оптических волноводов. Альтернативно или дополнительно один или более фотодетекторов могут быть расположены так, что они выровнены с концом одного или более оптических волноводов. Такая конфигурация может обеспечить надежное оптическое измерение или обнаружение изменений состояния рецепторных белковых комплексов с высокой точностью, чувствительностью и прецизионностью.
В примере схема обработки может быть выполнена с возможностью определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной из функциональной поверхности и внутренней поверхности реакционной ячейки, расположенной смежно с одним или более оптическими волноводами. Например, схема обработки может быть выполнена с возможностью определения одного или более оптических свойств на основании определения поглощения проникающего света, проходящего через один или более оптических волноводов в реакционную ячейку. Также измерение оптических свойств функциональной поверхности или внутренней поверхности реакционной ячейки, расположенной смежно с по меньшей мере одним оптическим волноводом, может обеспечивать надежное оптическое измерение или обнаружение изменений состояния рецепторных белковых комплексов с высокой точностью, чувствительностью и прецизионностью.
В еще одном примере сенсорное устройство может дополнительно содержать корпус, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного окружения сенсорного чипа, при этом корпус содержит одно или более отверстий для прохождения через них окружающей среды, так что по меньшей мере часть сенсорного чипа способна вступать в контакт с окружающей средой. Предоставление одного или более отверстий в корпусе может обеспечить надежный контакт мембраны сенсорного чипа с окружающей средой, тем самым обеспечивая возможность попадания биологически активных веществ в реакционную ячейку из окружающей среды и возможность их обнаружения в ней.
Необязательно сенсорное устройство может дополнительно содержать один или более каналов для прохождения окружающей среды через одно или более отверстий в корпусе сенсорного устройства в указанную по меньшей мере часть сенсорного чипа. Другими словами, одно или более отверстий, расположенных в корпусе сенсорного устройства, могут быть соединены по текучей среде посредством одного или более каналов, так что окружающая среда может переноситься по отверстиям и каналам в сенсорный чип или по меньшей мере его часть.
Необязательно сенсорное устройство может дополнительно содержать один или более вентиляционных устройств, расположенных в одном или более каналах и выполненных с возможностью переноса или транспортировки окружающей среды через одно или более отверстий в корпусе сенсорного устройства в указанную по меньшей мере часть сенсорного чипа. Например, один или более микровентиляторов могут быть расположены в одном или более каналах. Такая конфигурация может предотвратить застой окружающей среды и может обеспечить возможность контакта сенсорного чипа или по меньшей мере его части с окружающей средой, присутствующей в настоящий момент вокруг сенсорного устройства.
В еще одном примере сенсорное устройство может содержать один или более нагревательных элементов, выполненных с возможностью нагрева по меньшей мере части сенсорного чипа. Один или более нагревательных элементов могут обеспечить поддержание температуры сенсорного чипа, реакционной ячейки или по меньшей мере ее части на значении, равном или близком к предопределенной рабочей температуре сенсорного чипа, например, на значении, равном или близком к температуре тела или комнатной температуре. Например, некоторые применяемые механизмы и принципы обнаружения могут включать процесс диффузии, такой как диффузия биологически активных веществ в реакционную ячейку и диффузия одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов с реакционной ячейкой. Такие процессы в общем зависят от температуры и могут требовать поддержания минимальной температуры для того, чтобы получить сигнал обнаружения в разумный период времени. Также изменения состояния рецепторных белковых комплексов могут зависеть от температуры и могут лучше наблюдаться при температуре, равной, близкой или превышающей предопределенную рабочую температуру сенсорного чипа. Размещение нагревательных элементов в сенсорном устройстве может быть особенно преимущественным в холодных регионах или в холодное время года, так как надлежащее функционирование сенсорного чипа и сенсорного устройства можно обеспечить путем нагрева сенсорного чипа.
Например, один или более нагревательных элементов могут быть расположены смежно с гнездом сенсорного устройства для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа. Соответственно, сенсорный чип или по меньшей мере его часть можно эффективно нагревать одним или более нагревательными элементами.
Необязательно сенсорное устройство может дополнительно содержать один или более датчиков температуры, выполненных с возможностью определения температуры по меньшей мере части сенсорного чипа. Посредством датчиков температуры можно реализовать всестороннее управление температурой в сенсорном устройстве для поддержания температуры сенсорного чипа, реакционной ячейки или по меньшей мере ее части на значении, равном или близком к предопределенной рабочей температуре сенсорного чипа.
В примере схема обработки может быть выполнена с возможностью управления температурой по меньшей мере части сенсорного чипа на основании определения температуры указанной по меньшей мере части сенсорного чипа с использованием одного или более датчиков температуры. Например, схема обработки может быть выполнена с возможностью управления температурой по меньшей мере части сенсорного чипа, так что температуру реакционной ячейки или по меньшей мере ее части можно поддерживать на значении, равном или близком к предопределенной рабочей температуре сенсорного чипа. Необязательно предопределенная рабочая температура может храниться в хранилище данных сенсорного устройства и/или сенсорного чипа, которое может быть доступно схеме обработки во время работы для управления температурой.
В дополнительном примере сенсорное устройство дополнительно содержит один или более электрических соединителей для соединения с одним или более электрическими соединителями сенсорного чипа при вставке сенсорного чипа в сенсорное устройство. Предпочтительно электрическое соединение между сенсорным чипом и сенсорным устройством может быть автоматически создано при вставке сенсорного чипа в сенсорное устройство.
В примере схема обработки может быть выполнена с возможностью соединения с одним или более электродами сенсорного чипа, при этом схема обработки может быть выполнена с возможностью определения проводимости субстрата или состава в реакционной ячейке. Соответственно, схема обработки может быть выполнена с возможностью управления одним или более электродами, например, на основании напряжения и/или силы тока, подаваемого на один или более электродов, для выполнения измерения проводимости в реакционной ячейке для обнаружения изменения состояния, вызванного связыванием рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами.
Альтернативно или дополнительно схема обработки может быть выполнена с возможностью определения одного или более эксплуатационных параметров, указывающих на использование или оставшийся срок службы сенсорного чипа. Альтернативно или дополнительно схема обработки может быть выполнена с возможностью определения использования или оставшегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании определения одного или более эксплуатационных параметров сенсорного чипа. Как указано выше, например, из-за исчерпания рецепторных белковых комплексов, срок службы сенсорного чипа может быть ограничен. Путем определения оставшегося срока службы или использования сенсорного чипа, например, пользователя можно уведомить о необходимости замены сенсорного чипа. Также сенсорный чип может использоваться несколько раз и, например, может быть повторно вставлен в сенсорное устройство, одновременно обеспечивая рабочее или функциональное состояние сенсорного чипа.
В примере схема обработки может быть выполнена с возможностью определения использования или оставшегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании извлечения исторических данных, указывающих на использование или оставшийся срок службы сенсорного чипа, из хранилища данных сенсорного чипа. Соответственно, исторические данные могут храниться в сенсорном чипе и могут обрабатываться схемой обработки сенсорного устройства для определения использования или оставшегося срока службы сенсорного чипа. Исторические данные могут включать, например, значения для одного или более эксплуатационных параметров, например, накопленные за предыдущее или прошлое время работы сенсорного чипа.
Например, схема обработки может быть выполнена с возможностью определения использования или оставшегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании сравнения определенного одного или более эксплуатационных параметров сенсорного чипа и/или по меньшей мере части исторических данных, извлеченных из хранилища данных сенсорного чипа, с одним или более пороговыми значениями. Одно или более пороговых значений могут храниться в хранилище данных сенсорного устройства или могут быть извлечены схемой обработки из хранилища данных сенсорного чипа.
Необязательно схема обработки может быть выполнена с возможностью определения использования или оставшегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании определения типа сенсорного чипа и/или типа рецепторных белковых комплексов, используемых в сенсорном чипе. Тип сенсорного чипа и/или рецепторных белковых комплексов, применяемых в нем, может быть определен на основании считывания идентификатора чипа сенсорного чипа, на основании извлечения соответствующих данных из хранилища данных сенсорного чипа и/или на основании пользовательского ввода, например, посредством пользовательского интерфейса сенсорного устройства.
Дополнительно схема обработки необязательно может быть выполнена с возможностью хранения одного или более эксплуатационных параметров в хранилище данных сенсорного устройства и/или хранилище данных сенсорного чипа. Соответственно, один или более эксплуатационных параметров можно хранить, например, в виде исторических данных, что позволяет позднее определять использование и/или оставшийся срок службы сенсорного чипа.
В примере схема обработки может быть выполнена с возможностью определения одного или более эксплуатационных параметров на основании отслеживания температуры по меньшей мере части сенсорного чипа. Другими словами, один или более эксплуатационных параметров могут включать температуру по меньшей мере части сенсорного чипа, например, динамику температуры. Так как определенные процессы или реакции в реакционной ячейке, такие как диффузия, а также исчерпание рецепторных белковых комплексов, могут зависеть от температуры, динамика температуры по меньшей мере части сенсорного чипа может позволить точно определять использование и/или оставшийся срок службы сенсорного чипа.
Альтернативно или дополнительно схема обработки может быть выполнена с возможностью определения динамики исчерпания рецепторных белковых комплексов в сенсорном чипе. Например, схема обработки может быть выполнена с возможностью определения исчерпания рецепторного белкового комплекса на основании динамики одного или более эксплуатационных параметров сенсорного чипа и/или сенсорного устройств, например, на основании динамики температуры по меньшей мере части сенсорного чипа. Необязательно схема обработки может быть выполнена с возможностью определения оставшегося срока службы сенсорного чипа на основании определенной динамики исчерпания рецепторных белковых комплексов в сенсорном чипе.
В дополнительном примере сенсорное устройство может содержать пользовательский интерфейс, при этом схема обработки может быть выполнена с возможностью предоставления пользователю уведомления через пользовательский интерфейс при истечении срока службы сенсорного чипа. Следовательно, пользователь может быть уведомлен при истечении срока службы сенсорного чипа, так что пользователь может вовремя заменить сенсорный чип.
Необязательно схема обработки может быть выполнена с возможностью предоставления пользователю информации в отношении определенного одного или более биологически активных веществ через пользовательский интерфейс. Например, информация о качестве окружающей среды в настоящий момент или текущем качестве окружающей среды, например, качестве воздуха и/или воздействии биологически активных веществ в настоящий момент, может быть предоставлена посредством пользовательского интерфейса. Также другая информация, такая как прошлое воздействие, или другая информация касательно работы сенсорного чипа и/или сенсорного устройства, такая как информация об использовании и/или оставшемся сроке службы сенсорного чипа, может быть предоставлена посредством пользовательского интерфейса.
Также необязательно схема обработки дополнительно может быть выполнена с возможностью уведомления пользователя посредством пользовательского интерфейса при определении достижения или превышения концентрацией биологически активных веществ в окружающей среде предопределенного порогового значения. Соответственно, пользователю может быть предоставлено предупреждение при обнаружении высокой концентрации биологически активных веществ.
В общем, пользовательский интерфейс может представлять собой любой тип пользовательского интерфейса. Например, пользовательский интерфейс может содержать одно или более из вибрирующего элемента, дисплея, одного или более LED и динамика.
В еще одном примере сенсорный чип может содержать идентификатор чипа для идентификации типа сенсорного чипа и/или типа рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе, при этом схема обработки может быть выполнена с возможностью извлечения информации или данных, указывающих на тип сенсорного чипа и/или тип рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе, из идентификатора чипа. С этой целью сенсорное устройство необязательно может содержать одно или более из устройства считывания штрихкода, устройства считывания QR-кода и сканера или устройства считывания RFID.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать один или более накопителей энергии для подачи электрической энергии. Например, сенсорное устройство может содержать одну или более батарей, аккумуляторов и/или конденсаторов для подачи электрической энергии сенсорному устройству и/или сенсорному чипу. Такая конфигурация может быть особенно преимущественной, когда сенсорное устройство спроектировано в виде портативного или мобильного устройства. Однако альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может получать электроэнергию из электросети.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать схему связи для соединения с возможностью связи сенсорного устройства с пользовательским устройством. Например, схема связи может включать схему беспроводной связи, предпочтительно передатчик Bluetooth, инфракрасный передатчик или передатчик беспроводной LAN. Это может обеспечить беспроводное соединение для передачи данных и беспроводную связь между сенсорным устройством и пользовательским устройством. В частности, это может позволить извлекать данные из сенсорного устройства, например, данные, указывающие на воздействие биологически активных веществ и/или указывающие на качество окружающей среды, с помощью пользовательского устройства. Данные тогда могут дополнительно обрабатываться и/или отображаться на пользовательском устройстве и могут быть оценены пользователем.
В другом примере сенсорное устройство может дополнительно содержать один или более датчиков излучения для измерения воздействия ионизирующего излучения на сенсорное устройство. Например, один или более датчиков излучения могут включать по меньшей мере одно из обратимо фотохромного слоя, чувствительного к УФ-излучению, и пленки радиохромного красителя, чувствительной к ионизирующему излучению. Использование одного или более датчиков излучения может позволить определять воздействие излучения параллельно или одновременно с определением биологически активных веществ. Следовательно, можно всесторонне оценить качество окружающей среды и/или воздействие различных параметров внешней среды на пользователя.
Альтернативно или дополнительно сенсорное устройство может дополнительно содержать одно или более из датчика влажности, датчика летучего органического углерода, датчик озона, датчика твердых частиц, датчика азотной кислоты и датчика моноксида углерода. Также использование одного или более из вышеупомянутых датчиков может позволить всесторонне определять или оценивать воздействие других различных параметров внешней среды на пользователя в дополнение к воздействию биологически активных веществ.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предоставлена сенсорная система для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде. Сенсорная система содержит по меньшей мере один сенсорный чип, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, и сенсорное устройство, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе. Любое раскрытие, представленное выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе со ссылкой на любое из сенсорного устройства и сенсорного чипа, в равной степени применимо к сенсорной системе.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения относятся к применению сенсорного устройства, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, и к применению сенсорной системы, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предоставлен способ обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде с помощью или с использованием одного или более из сенсорной системы, сенсорного устройства и сенсорного чипа, как описано выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе. Альтернативно или дополнительно способ может относиться к способу работы одного или более из сенсорной системы, сенсорного устройства и сенсорного чипа. Способ включает следующие этапы:
- обеспечение прохождения одного или более биологически активных веществ через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа, например, на основании диффузии;
- связывание одного или более биологически активных веществ с одним или более рецепторными белковыми комплексами, что тем самым вызывает изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов;
- обнаружение с помощью сенсорного устройства, сенсорного чипа и/или сенсорной системы вызванного изменения состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов; и
- генерирование сенсорным устройством, сенсорным чипом и/или сенсорной системой сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, на основании определенного изменения состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Как и ранее, подчеркивается, что любое раскрытие, представленное выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе со ссылкой на любое из сенсорного устройства, сенсорного чипа и сенсорной системы, в равной степени применимо к способу обнаружения одного или более биологически активных веществ.
В примере обеспечение прохождения одного или более биологически активных веществ через мембрану сенсорного чипа включает введение мембраны сенсорного чипа в контакт с окружающей средой.
Необязательно способ может дополнительно включать активацию сенсорного чипа на основании подачи деионизированной воды из резервуара сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа.
Например, активация сенсорного чипа может включать разблокирование сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром с использованием или на основании приведения в действие по меньшей мере одного блокирующего элемента между резервуаром и реакционной ячейкой сенсорного чипа. Необязательно по меньшей мере один блокирующий элемент может содержать подвижный штифт, расположенный между резервуаром и реакционной ячейкой, при этом активация сенсорного чипа может включать смещение подвижного штифта.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере один блокирующий элемент может содержать водонепроницаемую мембрану, расположенную между резервуаром и реакционной ячейкой, при этом активация сенсорного чипа может включать разрушение по меньшей мере части водонепроницаемой мембраны.
Альтернативно или дополнительно активация сенсорного чипа может включать удаление уплотнительной крышки с наружной поверхности мембраны. Путем удаления уплотнительной крышки может быть создан контакт между мембраной и окружающей средой, так что подлежащие обнаружению биологически активные вещества могут поступать в реакционную ячейку через мембрану.
В еще одном примере обнаружение вызванного изменения состояния может включать определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа. Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного изменения состояния может включать определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее.
Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного состояния может включать определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на по меньшей мере одной внутренней поверхности реакционной ячейки или высвобожденных с нее, направленной к по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного изменения состояния может включать возбуждение одной или более флуоресцентных меток рецепторных белковых комплексов и обнаружение флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками. Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного изменения состояния может включать обнаружение света, рассеиваемого одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке. Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного изменения состояния может включать определение одного или более оптических свойств по меньшей мере одной из функциональной поверхности и внутренней поверхности реакционной ячейки. Альтернативно или дополнительно обнаружение вызванного изменения состояния может включать определение поглощения проникающего света, проходящего через один или более оптических волноводов сенсорного чипа в реакционную ячейку.
Далее подытожены различные аспекты, примеры и иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, причем дальнейшее описание следует расценивать как неограничивающее и предназначенное лишь для иллюстрации.
Сенсорный чип, сенсорное устройство и сенсорная система, описанные в настоящем документе, могут применять рецепторные белковые комплексы, такие как, например, биологические рецепторные белки, в качестве элемента обнаружения или химического распознающего элемента. Рецепторные белковые комплексы могут присутствовать в водосодержащей внешней среде, например, в реакционной ячейке сенсорного чипа, и могут взаимодействовать с окружающей средой через пористую мембрану, например, с низким сопротивлением диффузии. Рецепторные белковые комплексы, например, могут представлять собой или содержать ксеносенсорные белки или рецепторы гормонов, такие как AHR, CAR, PXR и ER. Список потенциальных рецепторных белковых комплексов не является исчерпывающим, и любой другой белок, демонстрирующий специфичность связывания с одной или несколькими молекулами лигандов, может выполнять роль химического распознающего элемента.
Настоящее изобретение может быть не ограничено персонализированным отслеживанием качества воздуха, но также может применяться, например, для обнаружения загрязняющих веществ в воде или почвенных вытяжках. Кроме того, могут использоваться белки, активные в гомеостатических биохимических процессах, и в этом случае сенсорная система может использоваться в диагностических целях.
Более того, последовательность генов, применяемая для клонирования рецепторных белковых комплексов, может иметь человеческое, животное, растительное, грибковое, бактериальное или первичное происхождение. Например, в зависимости от принципа работы сенсорного чипа на молекулярном уровне, они могут использоваться в нерекомбинантной форме или в форме рекомбинантных белков. Кроме этого, сочетания нерекомбинантных и рекомбинантных белков и сочетания других белков, полученных от одинаковых или разных видов, могут использоваться в качестве по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Необязательно рецепторные белковые комплексы могут иметь химические метки согласно своей изоляции, например, выполненные с помощью флуорофоров. В контексте настоящего документа потенциальные белки совместно обозначены термином «рецепторные белковые комплексы», независимо от их биологического происхождения, от того, являются ли они рекомбинантными или нет, и от наличия или отсутствия у них метки. Кроме того, могут быть включены белки, которые в живой клетке могут взаимодействовать каким-либо образом с рецепторными белковыми комплексами, но сами по себе могут не являться рецепторными белками. Такие дополнительные белки могут иметь любое происхождение, быть рекомбинантными или нерекомбинантными, содержащими метки или не содержащими метки.
Как описано выше в настоящем документе, сенсорная система может представлять собой стационарные или портативные устройства, например, для отслеживания внешней среды. Сенсорная система может содержать один или более признаков, описанных далее. Сенсорная система может содержать один или более сменных и/или одноразовых сенсорных чипов, которые могут быть установлены на сенсорном устройстве, например, посредством защелкивающегося механизма или магнитного соединения. Сенсорный чип может содержать рецепторные белки в подходящей жидкой, полутвердой и/или гелеобразной матрице. Сенсорный чип может предоставлять подходящие электрические и/или оптические контакты для его присоединения к сенсорному устройству. Сенсорный чип может предоставлять газопроницаемую поверхность, на которой происходит массоперенос из окружающей среды или атмосферы в реакционную ячейку. Необязательно чип может содержать детали или большую часть преобразователя и/или схемы обработки, которые могут преобразовывать событие изменения состояния или связывание лиганда с рецепторным белковым комплексом в электрически обрабатываемую переменную или сигнал. Сенсорное устройство может дополнительно содержать гнездо, в которое может быть вставлен сенсорный чип. Гнездо может предоставлять подходящие оптические и/или электрические соединения и/или соединения для массового потока, необходимые для работы и технического обслуживания сенсорного чипа, и может позволить газопроницаемой поверхности сенсорного чипа находиться в непосредственном и необязательно непрерывном контакте с атмосферой окружающей среды. Сенсорное устройство необязательно может содержать одно или более из наружного корпуса, кнопки включения-выключения, расположенной на наружном корпусе, соединения для подключения источника питания для зарядки батареи, встроенной в наружный корпус, перфорационных отверстий в наружном корпусе, позволяющих окружающему воздуху поступать в наружный корпус, и небольшого экрана или группы LED, встроенных в наружный корпус, позволяющих устройству выводить световой сигнал с цветовой кодировкой, описывающий уровень загрязнения окружающего воздуха и состояние устройства, такое как статус батареи. Сенсорное устройство необязательно может содержать одно или более из динамика, позволяющего устройству издавать звуковые сигналы при обнаружении сильного загрязнения окружающего воздуха, средства фиксации устройства, например, на предметах одежды, велосипедах или лямках рюкзаков, обратимо фотохромного покрытия или слоя, чувствительного к УФ-излучению, и пленки радиохромного красителя, чувствительной к ионизирующему излучению. Сенсорное устройство необязательно может содержать одно или более из источника физического сигнала, такого как источник света, источника напряжения и источника тока, которые в случае связывания биологически активного вещества с рецепторным белковым комплексом испытывают измеримое изменение своих свойств, таких как интенсивность, амплитуда, длина волны и/или частота. Большая часть или весь преобразователь и/или схема обработки, которые обнаруживают измеримое изменение этого физического сигнала и преобразовывают его в электронно обрабатываемую переменную или сигнал, могут содержаться в сенсорном устройстве. Дополнительно сенсорное устройство необязательно может содержать одно или более из микровентилятора или вентиляционного устройства, которые могут активно брать пробы окружающей среды и подавать ее в сенсорный(сенсорные) чип(чипы). Также сенсорное устройство может содержать средства управления интенсивностями забора проб, генерируемыми микровентилятором, который может быть включен в сенсорное устройство. Дополнительно необязательно передатчик и/или приемник Bluetooth или другие средства связи с внешними устройствами, такими как пользовательское устройство. Более того, сенсорное устройство может содержать одно или более из комплекта перезаряжаемых батарей, микропроцессора, микроэлектроники и микрооптики для работы сенсорных чипов, для отслеживания статуса сенсорного чипа и/или для считывания ответной реакции чипов на загрязнение окружающей среды. Более того, сенсорное устройство может содержать одно или более из датчика температуры, нагревательного блока или элемента, хранилища данных, одного или более датчиков для определения влажности, давления, VOC, озона, оксидов азота, моноксида углерода, твердых частиц или т. п. и необязательных вспомогательных компонентов. Сенсорное устройство может дополнительно содержать одно или более из трекера GPS, часов и средств обмена собранной информацией о качестве окружающей среды, о времени и/или о местоположении в большей сети, например, в облачной сети. Дополнительно программное обеспечение или приложение может быть предоставлено в пользовательском устройстве для управления сенсорной системой, сенсорным устройством и/или сенсорным чипом и получения показаний датчиков, предупреждений и информации о текущем и прогнозируемом качестве внешней среды. Программное обеспечение или приложение может быть выполнено с возможностью доступа к общим данным и использования их, например, для оценки или прогнозирования качества окружающей среды в заданном месте и в заданное время, например, с целью планирования маршрута или разработки стратегий избежания воздействия. Программное обеспечение или приложение может быть выполнено с возможностью, например, отслеживания совокупного персонального воздействия, создания отчетов об успехе стратегий избежания воздействия или соотнесения воздействия и состояния здоровья, например, отслеживаемого любым совместимым устройством для отслеживания состояния здоровья.
Далее в целях иллюстрации подытожена техническая идея, предусмотренная настоящим изобретением, при этом дальнейшее описание следует расценивать как неограничивающее. Молекулы, соединения и/или вещества, присутствующие в среде, окружающей сенсорное устройство, могут диффундировать в реакционную ячейку сенсорного чипа. Если такие молекулы представляют собой лиганды рецепторных белков или рецепторные белковые комплексы, содержащиеся в реакционной ячейке, они могут связывать рецепторные белковые комплексы и вызывать изменения состояния рецепторных белковых комплексов, которые могут быть измерены. Возможное техническое решение может содержать газопроницаемую мембрану для сенсорного чипа, такую как пористые углеродные бумажные материалы, используемые в топливных элементах, или фторполимеры с микроперфорацией, причем оба этих материала обладают низким сопротивлением диффузии и в большой степени непроницаемы для водосодержащих жидкостей. Газопроницаемая мембрана может отделять окружающую среду от реакционной ячейки, которая может содержать, например, жидкий, полутвердый и/или гелеобразный субстрат, содержащий рецепторные белковые комплексы. Например, рецепторные белковые комплексы могут содержать лигандсвязывающий домен ксеносенсорного белка, например, человеческого AHR.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать по меньшей мере один связывающий домен рецептора арильных углеводородов или рецепторного белка арильных углеводородов. Например, по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов могут содержать по меньшей мере домен PAS (Per-ARNT-Sim) или весь рецепторный белок арильных углеводородов, что может позволить обнаруживать материалы, соединения, молекулы и/или вещества, например, галогенированные ароматические углеводороды, такие как полихлорированные дибензодиоксины, дибензофураны и бифенилы, и/или полициклические ароматические углеводороды, такие как 3-этилхолантрен, бензо[а]пирен, бензантрацены и бензофлавоны.
Рецепторный белок дополнительно может быть обездвижен в определенном месте в реакционной ячейке сенсорного чипа путем ковалентного связывания низкоаффинных лигандов рецепторных белковых комплексов с функциональной поверхностью реакционной ячейки, такой как внутренняя поверхность реакционной ячейки или мембрана. Связывание лигандов рецепторными белковыми комплексами может обездвиживать рецепторные белковые комплексы. Дополнительно среднеаффинные или высокоаффинные лиганды, такие как биологически активные вещества, могут диффундировать в реакционную ячейку и могут конкурентно связываться с рецепторными белковыми комплексами и высвобождать их из места обездвиживания.
Явление высвобождения может быть обнаружено различными способами. Например, массовое связывание с функциональной поверхностью или другой внутренней поверхностью реакционной ячейки может отслеживаться пьезоэлементами, такими как микровесы на кристалле кварца. Альтернативно или дополнительно оптические свойства функциональной поверхности или другой внутренней поверхности реакционной ячейки можно отслеживать путем измерения взаимодействия молекул в непосредственной близости от поверхности волновода или оптического волновода с проникающим световым полем, проходящим сквозь поверхность. Альтернативно или дополнительно может быть обнаружено наличие высвобожденных рецепторных белковых комплексов, а не само высвобождение. Например, рецепторные белковые комплексы могут быть связаны с меткой, которая является обнаруживаемой, когда рецепторный белковый комплекс свободно диффундирует в реакционной ячейке. Снабжение меткой, например, может быть выполнено в форме гибридных белков и зеленого флуоресцентного белка (GFP), и в этом случае обнаружение может выполняться на основании возбуждения флуоресценции GFP и обнаружения излучаемого флуоресцентного света одним или более фотодетекторами сенсорного устройства. Ксеносенсорные белки человека, а также их различные рекомбинантные версии, включая гибридные белки, содержащие зеленый флуоресцентный белок GFP, могут быть клонированы и использованы в анализе молекулярного связывания. Может использоваться несколько потенциально подходящих низкоаффинных лигандов, таких как лиганды AHR. Чувствительность сенсорного устройства может зависеть от чувствительности доступных в наши дни детекторов, таких как пьезоэлементы или фотодетекторы, и схемы обработки. Такие элементы имеют достаточную чувствительность для обнаружения высвобождения рецепторных белковых комплексов. Для обнаружения пьезоэлементами, например, рецепторные белковые комплексы могут быть связаны с фрагментами с большой массой, такими как наночастицы или наночастицы золота, что может привести к границам обнаружения в диапазоне концентрации величиной 50 фемтомолей. Для оптического обнаружения сигнал на один рецепторный белковый комплекс может быть увеличен на несколько порядков величины путем использования флуоресцентных механизмов, которые обеспечивают многократное возбуждение и излучение света. Несколько подробных примеров принципов работы на молекулярном уровне изложены выше в настоящем документе и ниже в настоящем документе. Следует отметить, что химическая структура биологически активных молекул или веществ, которые связываются с рецепторными белковыми комплексами и инициируют отправку сигнала обнаружения сенсорным чипом или сенсорным устройством, может быть неизвестной. Следовательно, сенсорный чип и сенсорное устройство согласно настоящему изобретению имеют преимущество по сравнению с датчиками, которые выборочно обнаруживают химическое соединение, которое может быть известным или может обладать предполагаемыми отрицательными эффектами на здоровье человека. С другой стороны, биологически активные молекулы или вещества предпочтительно должны связывать рецепторные белковые комплексы с достаточной аффинностью для того, чтобы вызвать измеримое изменение состояния белковых комплексов. Следовательно, можно предположить, что то же самое будет происходить и в живом организме, что либо будет инициировать клеточные защитные механизмы (при связывании с ксеносенсорным белком), либо будет активировать клеточные ответные реакции при отсутствии активности эндогенной передачи сигналов (при связывании с рецептором гормонов). Следовательно, сенсорный чип и сенсорное устройство также имеют преимущество по сравнению с датчиками, которые неизбирательно реагируют на широкий диапазон химических соединений на основании определенных структурных свойств, которые могут быть не связаны с биологической активностью соединений.
Следует отметить, что, хотя для традиционных датчиков единица измерения может представлять собой концентрацию заданного соединения в окружающей среде или массовую концентрацию составляющих с определенными физическими или химическими свойствами, идея массы в единице объема или частей в единице объема не может быть подходящим образом применена к сенсорному чипу и сенсорному устройству, описанным в настоящем документе. Интенсивность считываемого сигнала или сигнала обнаружения, генерируемая сенсорным устройством, может быть результатом концентрации биологически активных веществ в окружающей среде и их аффинности с рецепторными белковыми комплексами. Следовательно, единица измерения сенсорного чипа и сенсорного устройства, описанных в настоящем документе, лучше всего может быть описана как потенциал активации рецепторного белка окружающей среды, следовательно, как биологическая активность окружающей среды, например, применительно к выбранному типу рецепторного белкового комплекса.
Далее в целях иллюстрации подытожены детали технической идеи, предусмотренной настоящим изобретением, при этом дальнейшее описание следует расценивать как неограничивающее. Сенсорный чип в основном может иметь любые форму и размер. В частности, для портативных сенсорных устройств можно минимизировать площадь сенсорного чипа. В качестве примера сенсорный чип может иметь длину приблизительно 1-10 см, ширину 1-10 см и толщину 0,5-2 см, что потенциально зависит от дизайна сенсорного устройства. Сенсорный чип содержит реакционную ячейку, отсек, содержащий субстрат, такой как водная, изотоническая, буферная жидкая, полутвердая и/или гелеобразная матрица, в которой рецепторные белковые комплексы и потенциальные дополнительные белки могут сохранять свое нативное состояние. Субстрат может находиться с одной стороны или с нескольких сторон реакционной ячейки, отделенной от окружающей среды мембраной, проницаемой для газов, но не для воды. Толщина и структура материала мембраны могут быть выбраны так, чтобы минимизировать сопротивление диффузии. В частности, мембрана предпочтительно имеет малую толщину и/или высокую пористость. Необязательно поры мембраны могут исключать воду, то есть они могут быть заполнены газом. Газопроницаемая мембрана может быть защищена от физического повреждения снаружи, например, жесткой решеткой, которая может быть частью корпуса чипа и может позволять окружающему газу из среды свободно проходить к мембране. Сетка может быть закрыта клейкой пленкой или воздухонепроницаемой крышкой, когда сенсорный чип находится в своем неиспользуемом состоянии. Это может предотвратить попадание молекул или веществ из окружающей среды в ячейку, когда она не работает. Ячейка может быть выполнена с возможностью повторного уплотнения, что может позволить увеличивать период эксплуатации или срок службы реакционной ячейки.
Кроме этого, так как вода может испаряться из реакционной ячейки путем прохождения сквозь газопроницаемую мембрану, сенсорный чип может предоставлять небольшой резервуар, содержащий деионизированную воду. Резервуар может быть соединен с реакционной ячейкой, при этом наличие полупроницаемой мембраны у соединения может препятствовать диффузии солей из реакционной ячейки. В примере резервуар может представлять собой небольшой гибкий блистер, который не оказывает никакого существенного сопротивления выпусканию, если вода выходит к реакционной ячейке. Резервуар может быть окружен жестким корпусом, который может содержать отверстия, сквозь которые окружающий воздух или среда может попадать в корпус, когда вода перемещается из гибкого блистера к реакционной ячейке посредством более высокой осмотической концентрации в реакционной ячейке. Альтернативно или дополнительно способность изменения объема резервуара для воды может быть обеспечена посредством подвижного поршня.
В примере, в частности, если рецепторные белковые комплексы и потенциальные дополнительные белки сохраняют свою функциональность, когда они лиофилизированы и восстановлены, один и тот же резервуар для воды или другой резервуар может служить для активации сенсорного чипа. Активация может быть выполнена путем разрушения водонепроницаемого барьера или мембраны между резервуаром и реакционной ячейкой, при этом вода будет поступать в реакционную ячейку и восстанавливать рецепторные белковые комплексы. Этот процесс может быть приведен в действие более высокой осмотической концентрацией реакционной ячейки и будет продолжаться до тех пор, пока осмотическое давление в реакционной ячейке не станет уравновешено ее корпусом и необязательно жесткой сеткой, закрывающей газопроницаемую мембрану.
Кроме этого, сенсорный чип может предоставлять электрические и/или оптические контакты или соединение, посредством которых он может быть соединен с сенсорным устройством в смонтированном состоянии.
Рецепторные белковые комплексы могут быть клонированы, выражены и изолированы и/или очищены с использованием стандартных молекулярных биологических способов. В зависимости от молекулярного принципа работы сенсорного чипа вспомогательные белки, которые в живой клетке i) связаны с рецепторными белковыми комплексами и диссоциированы от них при связывании с лигандом, или ii) связаны с рецепторными белковыми комплексами при связывании с лигандом, или iii) химически модифицируют рецепторный белок при связывании с лигандом, или iv) химически модифицированы рецепторными белковыми комплексами при связывании с лигандом, могут быть клонированы, и изолированы, и в дополнение включены в сенсорный чип.
В функциональном устройстве рецепторные белковые комплексы могут присутствовать в реакционной ячейке сенсорного чипа. В зависимости от молекулярного принципа работы сенсорного чипа они могут быть обездвижены, то есть ограничены областью или поверхностью внутри реакционной ячейки или растворены в субстрате, содержащемся внутри нее. Дополнительно в зависимости от принципа работы сенсорного чипа на молекулярном уровне растворенные или обездвиженные рецепторные белковые комплексы могут находиться в своей мономерной форме (не в комплексе с другими белками), в виде гомодимеров (два рецепторных белка, связанных друг с другом) или в форме мультибелковых комплексов.
В примере, где рецепторные белковые комплексы обездвижены в области или на поверхностях реакционной ячейки, рецепторные белки предпочтительно могут быть обездвижены как можно ближе к месту попадания составляющих окружающей среды в ячейку. Например, это может быть собственно газопроницаемая мембрана, в частности, сторона мембраны, обращенная внутрь реакционной ячейки. Такой вариант осуществления может минимизировать задержку между попаданием составляющей окружающей среды, такой как биологически активное вещество, в реакционную ячейку и ее связыванием с рецепторным белковым комплексом и одновременно может максимизировать вероятность связывания, так как точка попадания имеет высокую плотность рецепторных белковых комплексов.
Обездвиживание рецепторных белковых комплексов может быть выполнено путем ковалентного связывания рецепторных белковых комплексов, или одного элемента гомодимеров, или одного или нескольких элементов мультибелковых комплексов с мембраной. При этом ковалентная связь может не изменять структуру лигандсвязывающих доменов и/или мест взаимодействия вида «белок-белок» и может не оказывать стерического влияния на связь белков или лигандов. Альтернативно или дополнительно этого можно достичь путем обездвиживания низкоаффинного лиганда используемых рецепторных белковых комплексов (если присутствует только один тип рецепторных белков) или смеси низкоаффинных лигандов (если присутствуют несколько разных типов рецепторных белков). Альтернативно или дополнительно этого можно достичь путем ковалентного связывания молекул, которые связывают конкретные области или домены рецепторных белковых комплексов или один или несколько дополнительных белков, которые присутствуют в реакционной ячейке и связаны с рецепторными белковыми комплексами. Целевые области или домены связываемых белков тем самым могут не быть идентичны месту связывания лигандов или месту взаимодействия между разными белками, присутствующими в реакционной ячейке. Примеры включают обездвиживание моноклональных антител, специфических для конкретного эпитопа белка, подлежащего обездвиживанию, или обездвиживание связанных с нитрилотриуксусной кислотой ионов никеля 2+, если белковый комплекс, подлежащий обездвиживанию, содержит гистидиновую метку, способную хелатировать ионы никеля.
Могут быть реализованы несколько способов обездвиживания белков с помощью реакционной ячейки. Они могут служить для одной и той же цели, такой как обездвиживание белковых комплексов перед связыванием лигандов, или для разных целей, таких как связывание белковых комплексов, связавших лиганд или биологически активное вещество. Также несколько типов рецепторных белковых комплексов могут присутствовать в одном и том же сенсорном чипе, что может обеспечить расширение химической специфичности датчика. Разные метки могут быть связаны с рецепторными белковыми комплексами и/или дополнительными белками, которые взаимодействуют с рецепторными белковыми комплексами, что позволяет определять, какие из нескольких используемых рецепторных белковых комплексов действительно связаны с лигандом или соответствующим биологически активным веществом, присутствующим в окружающей среде. Альтернативно или дополнительно могут быть доступны различные чипы, содержащие разные рецепторные белковые комплексы, следовательно, предоставляющие разную специфичность, причем необязательно все они соответствуют гнезду, которое присутствует на сенсорном устройстве.
После активации сенсорный чип может иметь ограниченный период эксплуатации или срок службы из-за исчерпания рецепторного белкового комплекса, то есть из-за того, что количество рецепторного белка, доступного для отслеживания внешней среды, может уменьшаться с течением времени. Это уменьшение может приписываться двум механизмам: i) в какой-то момент все доступные рецепторные белки станут связаны с молекулой, которая попала в реакционную ячейку из окружающей среды, и ii) рецепторные белки определили период полураспада даже при отсутствии связывания молекул или веществ и в оптимизированных физико-химических условиях в субстрате сенсорного чипа. Исчерпание рецепторного белкового комплекса первым механизмом может зависеть от совокупного обнаруженного загрязнения и может быть вычислено на основании известного количества рецепторных белковых комплексов, изначально присутствующих в сенсорном чипе. Исчерпание рецепторного белкового комплекса последним механизмом может зависеть от устойчивости рецепторного белка в физико-химических условиях в реакционной ячейке. Это может быть определено параметрами, специфическими для сенсорного чипа, такими как применяемый рецепторный белковый комплекс и состав субстрата, и параметрами, специфическими для использования сенсорного устройства, такими как температуры, которым подвергался сенсорный чип на протяжении его срока службы. Исчерпание рецепторного белкового комплекса можно определять непрерывно или с заданными временными интервалами с помощью сенсорного устройства. В вариантах осуществления, в которых применяются обездвиженные рецепторные белковые комплексы, например, это можно выполнить путем измерения свойств, таких как импеданс поглощающей способности слоя обездвиженных рецепторных белковых комплексов. Альтернативно или дополнительно параметры, специфические для сенсорного чипа, могут быть определены как часть разработки или производства. Дополнительно параметры, связанные с использованием сенсорного устройства или сенсорного чипа, могут быть измерены на протяжении периода эксплуатации чипа.
Сенсорные чипы могут содержать, например, идентификатор чипа, который может позволить программному приложению, используемому для работы сенсорного устройства, например, установленному на пользовательском устройстве или на сенсорном устройстве, считывать историю использования чипа. Идентификатор чипа предпочтительно может быть автоматически обнаружен сенсорным устройством при вставке чипа. Альтернативно или дополнительно чипы могут содержать физические идентификаторы, такие как идентификационный номер чипа, который при вставке чипа в сенсорное устройство может быть введен пользователем. На основании истории использования, типа датчика и совокупного обнаруженного загрязнения или воздействия программное обеспечение может оценивать исчерпание рецепторного белка в сенсорном чипе и уведомить пользователя о необходимости замены чипа.
Из-за ограниченного периода эксплуатации сенсорного чипа и по причинам, связанным с экологичностью и себестоимостью продукции, чипы датчиков предпочтительно могут быть изготовлены из наименьшего возможного количества материала, предпочтительно переработанного и пригодного для переработки материала. Предпочтительно чипы содержат лишь электрические и/или оптические выводы или соединители, но не содержат других электронных сенсорных компонентов, участвующих в генерировании сигналов, захвате или обработке, таких как диоды, фотодетекторы или процессоры. Тем не менее, альтернативно один или более таких компонентов могут содержаться в сенсорном чипе.
Далее в качестве примера оценивают время ответа датчика. Основной принцип работы может включать транспортировку биологически активного вещества из окружающей среды к граничному слою у газопроницаемой мембраны, транспортировку через граничный слой к газопроницаемой мембране, диффузию биологически активного вещества через газопроницаемую мембрану, диффузию биологически активного вещества к рецепторным белковым комплексам, связывание биологически активного вещества с рецепторными белковыми комплексами, необязательно диффузию рецепторного белкового комплекса к месту обнаружения и, наконец, обнаружение изменения состояния, вызванного при связывании.
Транспортировка биологически активного вещества из окружающей среды к граничному слою у газопроницаемой мембраны может приводиться в действие конвекцией, то есть, окружающая среда может активно или пассивно перемещаться к граничному слою у газопроницаемой мембраны. При указанных размерах устройства и интенсивности забора проб от 0,5 до 10 мл/с, что может зависеть от размера устройства, можно ожидать, что и пассивная, и активная транспортировка массы вызовут задержку, составляющую приблизительно от одной до пяти секунд относительно появления биологически активного вещества вокруг сенсорного чипа.
Транспортировка через граничный слой к газопроницаемой мембране и транспортировка через этот слой может зависеть от броуновского движения и от коэффициента диффузии D молекулы или рассматриваемого биологически активного вещества согласно уравнению 
где msd(x) представляет собой среднеквадратичное смещение в направлении x (например, к газопроницаемой мембране), и Δt обозначает время. Коэффициенты диффузии для релевантных органических молекул и биологически активных веществ могут находиться в диапазоне 0,05 см2/с (в воздухе, в условиях окружающей среды). Предположим, что решетка толщиной 2 мм образует граничный слой, при этом можно ожидать, что перенос через структуру сетки к газопроницаемой мембране произойдет приблизительно в течение 2 секунд.
Дополнительно перенос сквозь газопроницаемую мембрану может следовать таким же физическим принципам, в зависимости от размера пор мембраны, коэффициент диффузии D необходимо заменить коэффициентом диффузии Кнудсена, т. е. эффективный коэффициент диффузии уменьшается, так как столкновения молекулы со стенкой поры становится более вероятным, чем столкновения между молекулами в текучей среде. Кроме того, в зависимости от типа мембраны поры мембраны могут быть заполнены жидкостью или газом, и необходимо использовать соответствующий коэффициент диффузии (коэффициенты диффузии в воде ниже на несколько порядков величины). Предположим, что размеры пор в мембране составляют приблизительно 0,2 мкм, что приблизительно равно половине среднего свободного пробега молекулы в воздухе при 25 °C, и поры заполнены воздухом, и коэффициенты диффузии Кнудсена находятся в диапазоне приблизительно 0,025 см2/с. Таким образом, мембрана толщиной 200 мкм может привести к дополнительной задержке величиной приблизительно 0,2 секунды.
Динамика диффузии биологически активных веществ к рецепторным белковым комплексам может приводить к дополнительной задержке. Она может быть незначительной в вариантах осуществления, где рецепторные белковые комплексы обездвижены в газопроницаемой мембране. Для вариантов осуществления, в которых рецепторные белковые комплексы растворены в реакционной камере, ее можно оценить, как описано выше, используя коэффициенты диффузии в воде и среднее расстояние между газопроницаемой мембраной и местоположением растворенных рецепторных белковых комплексов. Коэффициенты диффузии соответствующих органических молекул в воде могут находиться в диапазоне 10-5 см2/с, среднее расстояние между растворенным рецепторным белковым комплексом и газопроницаемой мембраной согласно оценке составляет половину диаметра реакционной ячейки. Следовательно, размеры реакционной ячейки могут быть в диапазоне 0,1 мм или ниже. В случае больших размеров (среднее расстояние величиной 1 мм, например, приводит к задержке величиной несколько тысяч секунд) субстрат, присутствующий в реакционной ячейке, можно активно перемешивать, например, путем генерирования конвективного потока в реакционной ячейке, или путем неравномерной подачи тепла, или путем внедрения микрофлюидной циркуляции.
Фактическое связывание между биологически активным веществом и рецепторным белковым комплексом может представлять собой быстрый процесс, и им можно пренебречь при оценке времени ответной реакции. Дополнительно для диффузии рецепторного белкового комплекса к месту обнаружения применяются те же соображения, которые были описаны выше применительно к диффузии биологически активного вещества к рецепторному белковому комплексу, но коэффициенты диффузии белковых комплексов обычно могут находиться в диапазоне 10-6 см2/с, что приблизительно в десять раз меньше, чем коэффициенты диффузии органических молекул или биологически активных веществ. Дополнительно обнаружение обычно происходит незамедлительно и не способствует задержке между появлением биологически активного вещества и генерированием сигнала датчика.
Ниже приведен неисчерпывающий перечень неограничивающих примеров. Любые один или более из признаков этих примеров можно комбинировать с любыми одним или более признаками другого примера, варианта осуществления или аспекта, описанных в настоящем документе.
Пример 1. Сенсорный чип, выполненный с возможностью функционального соединения с сенсорным устройством, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, причем сенсорный чип содержит:
реакционную ячейку, содержащую множество рецепторных белковых комплексов; и
мембрану, отделяющую реакционную ячейку от окружающей среды и являющуюся проницаемой для одного или более биологически активных веществ;
при этом рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами в реакционной ячейке, что таким образом вызывает обнаруживаемое изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Пример 2. Сенсорный чип согласно примеру 1, в котором обнаруживаемое изменение состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов указывает на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Пример 3. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов связано с одним или более из изменения конформационного состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения локализации по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, изменения положения по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, изменения состава по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения массы по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения массы по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения физического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения физического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения оптического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения химического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения химического свойства субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, изменения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, и изменения концентрации свободных флуоресцентных или светопоглощающих молекул в по меньшей мере части реакционной ячейки.
Пример 4. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью изменения положения в реакционной ячейке при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 5. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью диссоциации на один или более компонентов при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 6. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов ограничена по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвижена на ней; и
при этом рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью диссоциации с по меньшей мере одной функциональной поверхности при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 7. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов ковалентно связана с по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки.
Пример 8. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов ограничена на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или обездвижена на ней посредством низкоаффинного лиганда, ковалентно связанного с по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки.
Пример 9. Сенсорный чип согласно любому из примеров 6-8, в котором рецепторные белковые комплексы электростатически ограничены по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки.
Пример 10. Сенсорный чип согласно любому из примеров 6-9, в котором по меньшей мере одна функциональная поверхность реакционной ячейки образована внутренней поверхностью мембраны, обращенной к реакционной ячейке.
Пример 11. Сенсорный чип согласно любому из примеров 6-10, в котором по меньшей мере одна функциональная поверхность включает внутреннюю поверхность реакционной ячейки, направленную к мембране.
Пример 12. Сенсорный чип согласно любому из примеров 6-11, в котором по меньшей мере одна функциональная поверхность включает внутреннюю поверхность реакционной ячейки, расположенную противоположно мембране.
Пример 13. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором окружающая среда включает окружающий воздух.
Пример 14. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором окружающая среда включает воду.
Пример 15. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором мембрана содержит наружную поверхность, выполненную с возможностью контакта с окружающей средой; и
при этом мембрана содержит внутреннюю поверхность, обращенную к реакционной ячейке.
Пример 16. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором одно или более биологически активных веществ включают экзогенное вещество.
Пример 17. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором реакционная ячейка содержит одно или более из жидкости, гелеобразного вещества и полутвердого субстрата.
Пример 18. Сенсорный чип согласно примеру 17, в котором субстрат составлен так, что рецепторные белковые комплексы сохраняют нативное состояние.
Пример 19. Сенсорный чип согласно любому из примеров 17 и 18, в котором субстрат содержит по меньшей мере одно из водного раствора, изотонического раствора и буферного раствора.
Пример 20. Сенсорный чип согласно любому из примеров 17-19, в котором субстрат содержит стабилизирующий белок для стабилизации рецепторных белковых комплексов.
Пример 21. Сенсорный чип согласно любому из примеров 17-20, в котором субстрат содержит поверхностно-активные молекулы или молекулярный комплекс.
Пример 21. Сенсорный чип согласно любому из примеров 17-21, в котором субстрат содержит по меньшей мере одно из полисорбата 20 или тритона Х-100.
Пример 23. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором мембрана является проницаемой для газов; и/или
при этом мембрана является непроницаемой для воды или водосодержащей жидкости.
Пример 24. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором мембрана содержит множество пор, предпочтительно заполненных газом, для исключения воды.
Пример 25. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором мембрана содержит по меньшей мере одно из пористого углеродного бумажного материала и перфорированного фторполимера.
Пример 26. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
сетку, покрывающую по меньшей мере часть наружной поверхности мембраны.
Пример 27. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
уплотнительную крышку, покрывающую по меньшей мере часть наружной поверхности мембраны и выполненную с возможностью предотвращения контакта мембраны с окружающей средой.
Пример 28. Сенсорный чип согласно примеру 26, в котором уплотнительная крышка содержит клейкую пленку.
Пример 29. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором реакционная ячейка выполнена с возможностью уплотнения и/или повторного уплотнения путем покрытия по меньшей мере части наружной поверхности мембраны уплотнительной крышкой.
Пример 30. Сенсорный чип согласно любому из примеров 27-29, в котором уплотнительная крышка является воздухонепроницаемой.
Пример 31. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки в сенсорное устройство.
Пример 32. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки в гнездо сенсорного устройства.
Пример 33. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип содержит по меньшей мере один элемент поверхности на наружной поверхности корпуса сенсорного чипа, при этом по меньшей мере один элемент поверхности сенсорного чипа образован как дополняющий к по меньшей мере одному элементу поверхности гнезда для обеспечения правильного позиционирования сенсорного чипа в гнезде.
Пример 34. Сенсорный чип согласно примеру 33, в котором по меньшей мере один элемент поверхности сенсорного чипа выполнен с возможностью вхождения в зацепление с по меньшей мере одним элементом поверхности гнезда для закрепления сенсорного чипа в гнезде.
Пример 35. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип содержит один или более магнитов для магнитного соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
Пример 36. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов является обнаруживаемым на основании оптического измерения, на основании обнаружения флуоресцентного света, на основании возбуждения флуоресценции одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов, на основании рассеяния света, на основании определения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, на основании электрохимического процесса, происходящего в реакционной ячейке, на основании определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании поглощения электромагнитного излучения, на основании определения массы по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения массы рецепторных белковых комплексов, ограниченных на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки или обездвиженных на ней, и на основании поверхностного плазмонного резонанса на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 37. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
один или более соединителей для функционального соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
Пример 38. Сенсорный чип согласно примеру 36, в котором сенсорный чип выполнен с возможностью соединения с помощью одного или более соединителей с сенсорным устройством, так что изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами является обнаруживаемым сенсорным устройством.
Пример 39. Сенсорный чип согласно любому из примеров 37-38, в котором один или более соединителей содержат по меньшей мере один оптический соединитель, выполненный с возможностью проведения электромагнитного излучения из сенсорного устройства в реакционную ячейку для оптического обнаружения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 40. Сенсорный чип согласно примеру 38, в котором один или более соединителей включают по меньшей мере один дополнительный оптический соединитель для вывода электромагнитного излучения из реакционной ячейки.
Пример 41. Сенсорный чип согласно любому из примеров 38-40, в котором по меньшей мере один оптический соединитель содержит по меньшей мере одно отверстие, расположенное в корпусе сенсорного чипа.
Пример 42. Сенсорный чип согласно примеру 41, в котором по меньшей мере одно отверстие уплотнено слоем материала, прозрачного для электромагнитного излучения предопределенной длины волны.
Пример 43. Сенсорный чип согласно любому из примеров 41-42, в котором по меньшей мере одно отверстие ориентировано параллельно продольной оси реакционной ячейки.
Пример 44. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
по меньшей мере один оптический волновод для проведения электромагнитного излучения через реакционную ячейку для оптического обнаружения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 45. Сенсорный чип согласно примеру 44, в котором по меньшей мере один оптический волновод выровнен и оптически связан с по меньшей мере одним оптическим соединителем сенсорного чипа.
Пример 46. Сенсорный чип согласно любому из примеров 44-45, в котором по меньшей мере один оптический волновод проходит через реакционную ячейку параллельно продольной оси реакционной ячейки.
Пример 47. Сенсорный чип согласно любому из примеров 44-46, в котором сенсорный чип содержит по меньшей мере два оптических волновода и по меньшей мере один отражающий элемент, расположенный на конце по меньшей мере двух оптических волноводов, причем по меньшей мере один отражающий элемент оптически связывает по меньшей мере два оптических волновода.
Пример 48. Сенсорный чип согласно примеру 47, в котором каждый из по меньшей мере двух оптических волноводов оптически связан с по меньшей мере одним оптическим соединителем сенсорного устройства, расположенным на конце соответствующего оптического волновода, противоположном по меньшей мере одному отражающему элементу.
Пример 49. Сенсорный чип согласно любому из примеров 37-48, в котором один или более соединителей включают по меньшей мере один электрический соединитель для электрического соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
Пример 50. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
один или более электродов, по меньшей мере частично расположенных в реакционной ячейке и выполненных с возможностью определения проводимости субстрата или состава в реакционной ячейке.
Пример 51. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
по меньшей мере одно окно для обнаружения, прозрачное для электромагнитного излучения, излучаемого и/или рассеиваемого по меньшей мере одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов.
Пример 52. Сенсорный чип согласно примеру 51, в котором по меньшей мере одно окно для обнаружения является прозрачным для флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов; и/или
в котором по меньшей мере одно окно для обнаружения является непрозрачным для света, возбуждающего флуоресценцию.
Пример 53. Сенсорный чип согласно любому из примеров 51-52, в котором по меньшей мере одно окно для обнаружения расположено противоположно и/или направлено к мембране.
Пример 54. Сенсорный чип согласно любому из примеров 51-53, в котором внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, обращенная к реакционной ячейке, по меньшей мере частично покрыта молекулярными улавливающими комплексами, выполненными с возможностью связывания с по меньшей мере компонентом рецепторных белковых комплексов, так что рецепторные белковые комплексы, связанные с одним или более биологически активными веществами, улавливаются на внутренней поверхности.
Пример 55. Сенсорный чип согласно примеру 54, в котором молекулярные улавливающие комплексы содержат стрептавидин.
Пример 56. Сенсорный чип согласно любому из примеров 51-55, в котором внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, обращенная к реакционной ячейке, по меньшей мере частично покрыта хелатными ионами никеля.
Пример 57. Сенсорный чип согласно любому из примеров 51-56, в котором внутренняя поверхность по меньшей мере одного окна для обнаружения, обращенная к реакционной ячейке, по меньшей мере частично покрыта тушащими молекулами для тушения флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере одним компонентом рецепторных белковых комплексов.
Пример 58. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором внутренняя поверхность мембраны, обращенная к реакционной ячейке, по меньшей мере частично покрыта тушащими молекулами для тушения флуоресцентного света, излучаемого по меньшей мере компонентом рецепторных белковых комплексов.
Пример 59. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип и/или реакционная ячейка имеет продолговатую форму.
Пример 60. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип и/или реакционная ячейка имеет продолговатую форму; и
в котором мембрана расположена на продольной стороне сенсорного чипа.
Пример 61. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором реакционная ячейка имеет прямоугольное поперечное сечение; и/или
в котором реакционная ячейка образована в виде параллелепипеда.
Пример 62. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором реакционная ячейка имеет круглое, эллиптическое или овальное поперечное сечение; и/или
в котором реакционная ячейка имеет трубчатую форму.
Пример 63. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором мембрана по меньшей мере частично окружает реакционную ячейку вдоль периметра реакционной ячейки.
Пример 64. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
по меньшей мере один резервуар, выполненный с возможностью соединения по текучей среде с реакционной ячейкой, при этом по меньшей мере один резервуар выполнен с возможностью подачи деионизированной воды в реакционную ячейку.
Пример 65. Сенсорный чип согласно примеру 64, в котором по меньшей мере один резервуар по меньшей мере частично заполнен деионизированной водой.
Пример 66. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-65, в котором по меньшей мере часть стенки по меньшей мере одного резервуара выполнена с возможностью смещения, изгибания или перемещения, так что объем резервуара является регулируемым.
Пример 67. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-66, в котором по меньшей мере часть по меньшей мере одного резервуара образована в виде эластичного мешка или эластичного блистера.
Пример 68. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-67, дополнительно содержащий:
по меньшей мере один подвижный поршень, выполненный с возможностью регулировки объема по меньшей мере одного резервуара.
Пример 69. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-68, в котором по меньшей мере один резервуар окружен частью корпуса сенсорного чипа; и
в котором часть корпуса содержит по меньшей мере одно отверстие для выравнивания давления.
Пример 70. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-69, в котором по меньшей мере один резервуар соединен по текучей среде с реакционной ячейкой посредством полупроницаемой мембраны, блокирующей диффузию солей из реакционной ячейки в резервуар.
Пример 71. Сенсорный чип согласно любому из примеров 64-70, дополнительно содержащий:
по меньшей мере один блокирующий элемент, выполненный с возможностью блокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром.
Пример 72. Сенсорный чип согласно примеру 71, в котором сенсорный чип выполнен с возможностью активации на основании разблокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром с использованием по меньшей мере одного блокирующего элемента.
Пример 73. Сенсорный чип согласно любому из примеров 71-72, в котором по меньшей мере один блокирующий элемент содержит водонепроницаемую мембрану, расположенную между по меньшей мере одним резервуаром и реакционной ячейкой.
Пример 74. Сенсорный чип согласно примеру 73, в котором сенсорный чип выполнен с возможностью активации на основании разрыва по меньшей мере части водонепроницаемой мембраны.
Пример 75. Сенсорный чип согласно любому из примеров 71-74, в котором по меньшей мере один блокирующий элемент содержит подвижный штифт, применяемый для блокирования или разблокирования сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром.
Пример 76. Сенсорный чип согласно примеру 75, в котором сенсорный чип выполнен с возможностью активации на основании смещения подвижного штифта, так что сообщение по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром разблокируется.
Пример 77. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором каждый из рецепторных белковых комплексов содержит по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, выполненный с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами и изменения состояния и/или конформации при связывании с одним из биологически активных веществ.
Пример 78. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов содержат множество лигандсвязывающих доменов одного или более рецепторных белков.
Пример 79. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов содержат множество лигандсвязывающих доменов разных типов, выполненных с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ.
Пример 80. Сенсорный чип согласно любому из примеров 76-78, в котором рецепторный белок представляет собой ксеносенсорный белок или гормон-рецепторный белок.
Пример 81. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором каждый из рецепторных белковых комплексов содержит по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, выбранного из группы, состоящей из рецептора арильных углеводородов, конститутивного рецептора андростанов, прегнан-Х-рецептора, эстрогенового рецептора и рецептора арильных углеводородов.
Пример 82. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере часть рецепторных белковых комплексов содержит рекомбинантный белок или белок, не являющийся рекомбинантным.
Пример 83. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором каждый из рецепторных белковых комплексов содержит по меньшей мере часть мономерного рецепторного белка, гомодимерного рецепторного белкового комплекса или гетеродимерного рецепторного белкового комплекса.
Пример 84. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы содержат по меньшей мере часть рецепторных белков разных типов, выполненных с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ.
Пример 85. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов содержат органический или неорганический фрагмент, диссоциирующий из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 86. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы содержат по меньшей мере одну флуоресцентную метку, диссоциирующую из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 87. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором по меньшей мере некоторые из рецепторных белковых комплексов содержат множество флуоресцентных меток одного или разных типов.
Пример 88. Сенсорный чип согласно любому из примеров 85-86, в котором по меньшей мере одна флуоресцентная метка представляет собой флуоресцентный краситель или зеленый флуоресцентный белок.
Пример 89. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы содержат наночастицы, диссоциирующие из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 90. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором рецепторные белковые комплексы содержат аффинную метку, выполненную с возможностью связывания с молекулярным улавливающим комплексом, расположенным в реакционной ячейке.
Пример 91. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
идентификатор чипа для идентификации типа сенсорного чипа и/или типа рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе.
Пример 92. Сенсорный чип согласно примеру 91, в котором идентификатор чипа выполнен с возможностью считывания пользовательским устройством и/или считывания сенсорным устройством.
Пример 93. Сенсорный чип согласно любому из примеров 91-92, в котором идентификатор чипа содержит информацию или данные, указывающие тип сенсорного чипа и/или тип рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе.
Пример 94. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором идентификатор чипа содержит одно или более из штрихкода, QR-кода, метки RFID, этикетки и хранилища данных.
Пример 95. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
хранилище данных, выполненное с возможностью хранения ретроспективных данных, указывающих на использование или остающийся срок службы сенсорного чипа.
Пример 96. Сенсорный чип согласно примеру 95, в котором хранилище данных выполнено с возможностью хранения одного или более эксплуатационных параметров, указывающих на использование или остающийся срок службы сенсорного чипа.
Пример 97. Сенсорный чип согласно любому из примеров 95-96, в котором хранилище данных выполнено с возможностью осуществления к нему доступа сенсорным устройством при функциональном соединении сенсорного чипа с сенсорным устройством.
Пример 98. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором сенсорный чип содержит множество реакционных ячеек.
Пример 99. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, в котором множество реакционных ячеек содержат разные типы рецепторных белковых комплексов, выполненных с возможностью связывания с разными типами биологически активных веществ.
Пример 100. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
один или более датчиков, выполненных с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Пример 101. Сенсорный чип согласно любому из предыдущих примеров, дополнительно содержащий:
схему обработки, соединенную с одним или более датчиками и выполненную с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на определенное изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Пример 102. Применение сенсорного чипа согласно любому из предыдущих примеров для обнаружения одного или более биологически активных веществ.
Пример 103. Сенсорное устройство, выполненное с возможностью функционального соединения с по меньшей мере одним сенсорным чипом согласно любому из примеров 1-101, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, причем сенсорное устройство содержит:
по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа, причем изменение состояния вызвано связыванием одного или более рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, поступающими из окружающей среды через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа; и
схему обработки, соединенную с по меньшей мере одним датчиком, при этом схема обработки выполнена с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Пример 104. Сенсорное устройство для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, причем сенсорное устройство содержит:
корпус, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа согласно любому из примеров 1-101 для функционального соединения сенсорного устройства с по меньшей мере одним сенсорным чипом; и
схему обработки, выполненную с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа, причем изменение состояния вызвано путем связывания указанного одного или более рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, поступающими из окружающей среды через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа.
Пример 105. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103 и 104, в котором окружающая среда включает окружающий воздух; и/или
в котором сенсорное устройство представляет собой устройство контроля состояния окружающей среды для отслеживания качества окружающего воздуха.
Пример 106. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-105, в котором сенсорное устройство представляет собой стационарное устройство и/или настольное устройство.
Пример 107. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-105, в котором сенсорное устройство представляет собой переносное устройство, мобильное устройство и/или карманное устройство.
Пример 108. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-107, в котором сигнал обнаружения представляет собой электрически обрабатываемый сигнал.
Пример 109. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-108, в котором сигнал обнаружения указывает на количество одного или более биологически активных веществ в единице объема окружающей среды, массу биологически активного вещества в единице объема окружающей среды, концентрацию биологически активного вещества в окружающей среде, потенциал активации рецепторного белка окружающей среды и биологическую активность окружающей среды.
Пример 110. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-109, в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа.
Пример 111. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-110, в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью механического соединения с сенсорным чипом.
Пример 112. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-111, в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью магнитного соединения с сенсорным чипом.
Пример 113. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-112, в котором сенсорное устройство содержит по меньшей мере одно гнездо, выполненное с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа.
Пример 114. Сенсорное устройство согласно примеру 113, в котором по меньшей мере одно гнездо выполнено с возможностью по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа, так что корпус сенсорного устройства по меньшей мере частично окружает по меньшей мере один сенсорный чип.
Пример 115. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 113-114, в котором по меньшей мере одно гнездо содержит по меньшей мере один элемент поверхности, образованный как дополняющий к по меньшей мере одному элементу поверхности сенсорного чипа, для обеспечения правильного позиционирования сенсорного чипа в по меньшей мере одном гнезде.
Пример 116. Сенсорное устройство согласно примеру 115, в котором по меньшей мере один элемент поверхности по меньшей мере одного гнезда содержит одну или более направляющих для позиционирования сенсорного чипа в гнезде.
Пример 117. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 115-116, в котором по меньшей мере один элемент поверхности по меньшей мере одного гнезда выполнен с возможностью по меньшей мере частичного вхождения в зацепление с по меньшей мере одним элементом поверхности сенсорного чипа, так что сенсорный чип имеет возможность съемного закрепления в гнезде.
Пример 118. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-117, в котором сенсорное устройство содержит множество гнезд, выполненных с возможностью вмещения множества сенсорных чипов одного или разных типов.
Пример 119. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-118, в котором сенсорное устройство содержит один или более магнитов для магнитного соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
Пример 120. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-119, в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов на основании оптического измерения, на основании обнаружения флуоресцентного света, на основании возбуждения флуоресценции одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов, на основании рассеяния света, на основании определения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке сенсорного чипа, на основании электрохимического процесса, происходящего в реакционной ячейке, на основании определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения поглощения электромагнитного излучения, на основании определения массы по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения массы рецепторных белковых комплексов, ограниченных по меньшей мере одной функциональной поверхностью реакционной ячейки или обездвиженных на ней, и на основании поверхностного плазмонного резонанса на по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 121. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-120, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения наличия одного или более биологически активных веществ в окружающей среде на основании обнаружения, с помощью по меньшей мере одного датчика сенсорного чипа или сенсорного устройства, изменения положения одного или более рецепторных белков в реакционной ячейке при связывании с одним или более биологически активными веществами.
Пример 122. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-121, в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью определения одного или более из наличия, количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа; и/или
в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью определения одного или более из наличия, количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа, на основании определения изменения по меньшей мере одного из оптического и электрического сигнала, передаваемого на сенсорный чип.
Пример 123. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-122, в котором рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью диссоциации с по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки при связывании с одним из биологически активных веществ; и
в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью определения одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на или высвобожденных с по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 124. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-123, в котором сенсорное устройство содержит один или более пьезоэлементов, выполненных с возможностью определения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на или высвобожденных с по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Пример 125. Сенсорное устройство согласно примеру 124, в котором один или более пьезоэлементов выполнены с возможностью определения массы рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на или высвобожденных с по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки, на основании определения массы одного или более компонентов рецепторных белковых комплексов, связанных с внутренней поверхностью реакционной ячейки, направленной к по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 126. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 124-125, в котором один или более пьезоэлементов выполнены с возможностью механического соединения с одной или более функциональными поверхностями реакционной ячейки сенсорного чипа; и/или
в котором один или более пьезоэлементов выполнены с возможностью механического соединения с одной или более внутренними поверхностями реакционной ячейки сенсорного чипа, направленными к одной или более функциональным поверхностям реакционной ячейки.
Пример 127. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-124, в котором рецепторные белковые комплексы содержат по меньшей мере одну флуоресцентную метку; и
в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ на основании возбуждения одной или более флуоресцентных меток и на основании обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками.
Пример 128. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-127, в котором рецепторные белковые комплексы содержат по меньшей мере одну флуоресцентную метку, диссоциирующую из остальной части соответствующего рецепторного белкового комплекса при связывании с одним или более биологически активными веществами; и
в котором сенсорное устройство выполнено с возможностью обнаружения одного или более биологически активных веществ на основании возбуждения одной или более флуоресцентных меток, диссоциирующих из одного или более рецепторных белковых комплексов, и на основании обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более диссоциированными флуоресцентными метками.
Пример 129. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 127-128, в котором сенсорное устройство содержит один или более источников света, выполненных с возможностью возбуждения одной или более флуоресцентных меток; и
в котором сенсорное устройство содержит один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками.
Пример 130. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-129, в котором сенсорное устройство содержит один или более источников света, выполненных с возможностью освещения по меньшей мере части реакционной ячейки; и
в котором сенсорное устройство содержит один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения света, рассеиваемого одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке.
Пример 131. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 129-130, в котором один или более фотодетекторов расположены смежно с гнездом сенсорного устройства для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа с целью обнаружения электромагнитного излучения, проникающего из реакционной ячейки.
Пример 132. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 129-131, в котором один или более фотодетекторов расположены противоположно окну для обнаружения сенсорного чипа.
Пример 133. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 129-132, в котором один или более источников света расположены смежно с гнездом сенсорного устройства для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа, так что электромагнитное излучение, испускаемое одним или более источниками света, имеет возможность прохождения в реакционную ячейку.
Пример 134. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 129-133, в котором один или более источников света расположены с возможностью проведения электромагнитного излучения через один или более оптических соединителей сенсорного чипа в реакционную ячейку.
Пример 135. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-134, в котором сенсорное устройство содержит один или более источников света, расположенных с возможностью проведения электромагнитного излучения в один или более оптических волноводов, проходящих в по меньшей мере части реакционной ячейки сенсорного чипа; и
в котором сенсорное устройство содержит один или более фотодетекторов, выполненных с возможностью обнаружения электромагнитного излучения, проходящего по одному или более оптическим волноводам.
Пример 136. Сенсорное устройство согласно примеру 135, в котором один или более источников света расположены так, что они выровнены с концом одного или более оптических волноводов; и/или
в котором один или более фотодетекторов расположены так, что они выровнены с концом одного или более оптических волноводов.
Пример 137. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-136, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения одного или более оптических свойств по меньшей мере одной из функциональной поверхности и внутренней поверхности реакционной ячейки, расположенной смежно с одним или более оптическими волноводами.
Пример 138. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 135-137, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения одного или более оптических свойств на основании определения поглощения проникающего света, проходящего через один или более оптических волноводов в реакционную ячейку.
Пример 137. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103 и 105-136, дополнительно содержащее:
корпус, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного окружения сенсорного чипа;
при этом корпус содержит одно или более отверстий для прохождения через них окружающей среды, так что по меньшей мере часть сенсорного чипа имеет возможность вступать в контакт с окружающей средой.
Пример 140. Сенсорное устройство согласно примеру 139, дополнительно содержащее один или более каналов для прохождения окружающей среды через одно или более отверстий в корпусе сенсорного устройства в указанную по меньшей мере часть сенсорного чипа.
Пример 141. Сенсорное устройство согласно примеру 140, дополнительно содержащее одно или более вентиляционных устройств, расположенных в одном или более каналах и выполненных с возможностью переноса окружающей среды через одно или более отверстий в корпусе сенсорного устройства в указанную по меньшей мере часть сенсорного чипа.
Пример 142. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-141, дополнительно содержащее один или более нагревательных элементов, выполненных с возможностью нагревания по меньшей мере части сенсорного чипа.
Пример 143. Сенсорное устройство согласно примеру 142, в котором один или более нагревательных элементов расположены смежно с гнездом сенсорного устройства для по меньшей мере частичного вмещения сенсорного чипа.
Пример 144. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-143, дополнительно содержащее один или более датчиков температуры, выполненных с возможностью определения температуры по меньшей мере части сенсорного чипа.
Пример 145. Сенсорное устройство согласно примеру 144, в котором схема обработки выполнена с возможностью управления температурой по меньшей мере части сенсорного чипа на основании определения температуры указанной по меньшей мере части сенсорного чипа с использованием одного или более датчиков температуры.
Пример 146. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-145, дополнительно содержащее:
один или более электрических соединителей для соединения с одним или более электрическими соединителями сенсорного чипа при вставке сенсорного чипа в сенсорное устройство.
Пример 147. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-146, в котором схема обработки выполнена с возможностью соединения с одним или более электродами сенсорного чипа; и
в котором схема обработки выполнена с возможностью определения проводимости субстрата или состава в реакционной ячейке.
Пример 148. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-147, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения одного или более эксплуатационных параметров, указывающих на использование или остающийся срок службы сенсорного чипа; и/или
в котором схема обработки выполнена с возможностью определения использования или остающегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании определения одного или более эксплуатационных параметров сенсорного чипа.
Пример 149. Сенсорное устройство согласно примеру 148, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения использования или остающегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании извлечения ретроспективных данных, указывающих на использование или остающийся срок службы сенсорного чипа, из хранилища данных сенсорного чипа.
Пример 150. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 148-149, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения использования или остающегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании сравнения определенных одного или более эксплуатационных параметров сенсорного чипа с одним или более пороговыми значениями.
Пример 151. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 144-150, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения использования или остающегося срока службы по меньшей мере одного сенсорного чипа на основании определения типа сенсорного чипа и/или типа рецепторных белковых комплексов, применяемых в сенсорном чипе.
Пример 152. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 148-151, в котором схема обработки выполнена с возможностью хранения одного или более эксплуатационных параметров в хранилище данных сенсорного устройства и/или хранилище данных сенсорного чипа.
Пример 153. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 148-152, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения одного или более эксплуатационных параметров на основании отслеживания температуры по меньшей мере части сенсорного чипа.
Пример 154. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-153, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения исчерпания рецепторных белковых комплексов в сенсорном чипе с течением времени.
Пример 155. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-154, в котором схема обработки выполнена с возможностью определения остающегося срока службы сенсорного чипа на основании определения исчерпания рецепторных белковых комплексов в сенсорном чипе с течением времени.
Пример 156. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-155, в котором сенсорное устройство содержит пользовательский интерфейс; и
в котором схема обработки выполнена с возможностью предоставления пользователю уведомления через пользовательский интерфейс при истечении срока службы сенсорного чипа.
Пример 157. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-156, в котором сенсорное устройство содержит пользовательский интерфейс; и
в котором схема обработки выполнена с возможностью предоставления пользователю информации в отношении определенных одного или более биологически активных веществ через пользовательский интерфейс.
Пример 158. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-157, в котором сенсорное устройство содержит пользовательский интерфейс; и
в котором схема обработки выполнена с возможностью уведомления пользователя через пользовательский интерфейс при определении в окружающей среде достижения или превышения концентрацией биологически активных веществ предопределенного порогового значения.
Пример 159. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 156-158, в котором пользовательский интерфейс содержит одно или более из вибрирующего элемента, дисплея, одного или более LED и динамика.
Пример 160. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-159, в котором сенсорный чип содержит идентификатор чипа для идентификации типа сенсорного чипа и/или типа рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе; и
в котором схема обработки выполнена с возможностью извлечения из идентификатора чипа информации или данных, указывающих тип сенсорного чипа и/или тип рецепторного белкового комплекса, содержащегося в сенсорном чипе.
Пример 161. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-160, в котором сенсорное устройство содержит одно или более из устройства считывания штрихкода, устройства считывания QR-кода и сканера RFID.
Пример 162. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-161, дополнительно содержащее один или более накопителей энергии для подачи электрической энергии.
Пример 163. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-162, дополнительно содержащее схему связи для соединения с возможностью связи сенсорного устройства с пользовательским устройством.
Пример 164. Сенсорное устройство согласно примеру 163, в котором схема связи содержит схему беспроводной связи, предпочтительно передатчик Bluetooth.
Пример 165. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-164, дополнительно содержащее один или более датчиков излучения для измерения воздействия на сенсорное устройство ионизирующего излучения.
Пример 166. Сенсорное устройство согласно примеру 165, в котором один или более датчиков излучения включают по меньшей мере одно из обратимо фотохромного слоя, чувствительного к УФ-излучению, и пленки радиохромного красителя, чувствительной к ионизирующему излучению.
Пример 167. Сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-166, дополнительно содержащее одно или более из датчика влажности, датчика летучего органического углерода, датчика озона, датчика твердых частиц, датчика азотной кислоты и датчика моноксида углерода.
Пример 168. Применение сенсорного устройства согласно любому из примеров 103-167 для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Пример 169. Сенсорная система для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, причем система содержит:
по меньшей мере один сенсорный чип согласно любому из примеров 1-101; и
сенсорное устройство согласно любому из примеров 103-167.
Пример 170. Способ обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде с помощью сенсорной системы согласно примеру 169, причем способ включает:
прохождение одного или более биологически активных веществ через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа;
связывание одного или более биологически активных веществ с одним или более рецепторными белковыми комплексами, что тем самым вызывает изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов;
обнаружение с помощью сенсорного устройства вызванного изменения состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов; и
генерирование сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, на основании определенного изменения состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
Пример 172. Способ согласно примеру 170, в котором прохождение одного или более биологически активных веществ через мембрану сенсорного чипа включает введение мембраны сенсорного чипа в контакт с окружающей средой.
Пример 172. Способ согласно любому из примеров 170-171, дополнительно включающий:
активирование сенсорного чипа на основании подачи деионизированной воды из резервуара сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа.
Пример 173. Способ согласно примеру 172, в котором активирование сенсорного чипа включает разблокирование сообщения по текучей среде между реакционной ячейкой и по меньшей мере одним резервуаром с использованием по меньшей мере одного блокирующего элемента между резервуаром и реакционной ячейкой сенсорного чипа.
Пример 174. Способ согласно примеру 173, в котором по меньшей мере один блокирующий элемент содержит водонепроницаемую мембрану, расположенную между резервуаром и реакционной ячейкой; и
в котором активирование сенсорного чипа включает разрыв по меньшей мере части водонепроницаемой мембраны.
Пример 175. Способ согласно любому из примеров 173-174, в котором по меньшей мере один блокирующий элемент содержит подвижный штифт, расположенный между резервуаром и реакционной ячейкой; и
в котором активирование сенсорного чипа включает смещение подвижного штифта.
Пример 176. Способ согласно любому из примеров 173-175, в котором активирование сенсорного чипа включает удаление уплотнительной крышки с наружной поверхности мембраны.
Пример 177. Способ согласно любому из примеров 170-176, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, растворенных в субстрате реакционной ячейки по меньшей мере одного сенсорного чипа.
Пример 178. Способ согласно любому из примеров 170-177, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на или высвобожденных с по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 179. Способ согласно любому из примеров 170-178, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает определение одного или более из количества, массы, плотности и массовой плотности рецепторных белковых комплексов, обездвиженных на или высвобожденных с по меньшей мере одной внутренней поверхности реакционной ячейки, направленной к по меньшей мере одной функциональной поверхности реакционной ячейки.
Пример 180. Способ согласно любому из примеров 170-179, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает возбуждение одной или более флуоресцентных меток рецепторных белковых комплексов и обнаружение флуоресцентного света, излучаемого одной или более флуоресцентными метками.
Пример 181. Способ согласно любому из примеров 170-180, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает обнаружение света, рассеиваемого одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке.
Пример 182. Способ согласно любому из примеров 170-181, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает определение одного или более оптических свойств по меньшей мере одной из функциональной поверхности и внутренней поверхности реакционной ячейки.
Пример 183. Способ согласно любому из примеров 170-182, в котором обнаружение вызванного изменения состояния включает определение поглощения проникающего света, проходящего через один или более оптических волноводов сенсорного чипа в реакционную ячейку.
Далее примеры будут описаны дополнительно со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1A - вид в перспективе сенсорного чипа для обнаружения одного или более биологически активных веществ;
Фиг. 1B, 1C и 1D - виды в разрезе сенсорного чипа с фиг. 1A;
Фиг. 2A - вид в перспективе сенсорной системы для обнаружения одного или более биологически активных веществ;
Фиг. 2B - вид в разрезе сенсорной системы с фиг. 2A;
Фиг. 2C - другой вид в разрезе сенсорной системы с фиг. 2A;
Фиг. 3A-3C - виды в разрезе реакционной ячейки сенсорного чипа;
Фиг. 4A - вид в перспективе сенсорного чипа для обнаружения одного или более биологически активных веществ;
Фиг. 4B и 4C - виды в разрезе сенсорного чипа с фиг. 4A;
Фиг. 5 - вид в разрезе сенсорной системы для обнаружения одного или более биологически активных веществ;
Фиг. 6 - вид в разрезе реакционной ячейки сенсорного чипа; и
Фиг. 7 - блок-схема, иллюстрирующая способ обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Чертежи являются лишь схематическими и выполнены не в масштабе. В принципе, идентичные или подобные детали, элементы и/или этапы обозначены идентичными или подобными ссылочными номерами на чертежах.
На фиг. 1A показан вид в перспективе сенсорного чипа 100 для обнаружения одного или более биологически активных веществ. На каждой из фиг. 1B, 1C и 1D показаны виды в разрезе сенсорного чипа 100 согласно фиг. 1A.
Сенсорный чип 100, показанный на фиг. 1A-1D, показан на примере или спроектирован в виде продолговатой конструкции с прямоугольным поперечным сечением, например, в проекции, параллельной продольной оси 180 сенсорного чипа 100.
Сенсорный чип 100 содержит корпус 181, или наружный корпус 181, в который заключена реакционная ячейка 101. Сенсорный чип 100 дополнительно содержит решетку 113, под которой расположена мембрана 114, отделяющая реакционную ячейку 101 от окружающей среды, такой как воздух или вода. Реакционная ячейка 101 содержит рецепторные белковые комплексы 115, выполненные с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами в реакционной ячейке 101, что таким образом вызывает обнаруживаемое изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов 115, как описано выше и как более подробно будет описано ниже в настоящем документе.
Необязательно сенсорный чип 100 содержит резервуар 102, или водный резервуар 102, который может быть выполнен за одно целое с корпусом 181. Соответственно, часть корпуса 181, образующая водный резервуар 102, может быть выполнена только из одного единственного материала, тогда как часть корпуса 181, в которой расположена реакционная ячейка 101, может быть разделена на несколько частей или участков. В частности, сенсорный чип 100 или его корпус 181 содержит светопроницаемую нижнюю часть 103, или окно 103 для обнаружения, две части 104, обрамляющие светопроницаемую часть 103, прямоугольную часть 105, обращенную к резервуару 102, еще одну прямоугольную стенку 106, расположенную на противоположной стороне, и плоскую прямоугольную часть 107 на верхней стороне. Прямоугольная часть 107 на верхней стороне содержит решетку 113.
Светопроницаемая часть 103, или окно 103 для обнаружения, сенсорного чипа 100 может быть выполнено из материала, проницаемого для света заданной длины волны λem, например, длины волны флуоресцентного излучения, но необязательно непроницаемого для света другой заданной длины волны λex, например, длины волны возбуждения флуоресценции.
Части 104, 105 и 106 корпуса являются непроницаемыми для света и необязательно могут быть покрыты на стороне, обращенной к внутреннему объему реакционной ячейки 101, материалом с низкой способностью к адсорбции белков, например, фторполимерами.
В части 105 корпуса 181 предусмотрено отверстие 108, которое может содержать канал 109, например, эластичный микроканал 109.
Часть 106 корпуса 181 содержит оптический соединитель, или отверстие 110, которое может быть уплотнено материалом, проницаемым для света заданной длины волны λex, такой как длина волны возбуждения флуоресценции.
Отверстие 110, или оптический соединитель 110, предпочтительно имеет такую форму, что прохождение света через него приводит к пространственному пучку света 111, охватывающему ширину реакционной ячейки 101. Оптический соединитель 110, или отверстие 110, предпочтительно расположен в таком положении, что в результате пространственный пучок 111 света расположен в непосредственной близости к газопроницаемой мембране 114, предпочтительно на расстоянии 0,1 мм или менее.
В обрамляющих частях 104 корпуса 181 предусмотрены один или более элементов 112 поверхности, таких как направляющие 112, обеспечивающие возможность установки сенсорного чипа 100 в сенсорном устройстве и гарантирующие надлежащую ориентацию и позиционирование.
Плоская прямоугольная часть 107 корпуса 181 содержит решетку 113, например, с размером ячеек в диапазоне приблизительно 0,2-2 мм. Непосредственно под сеткой 113 и предпочтительно в соединении с сеткой 113 расположена газопроницаемая мембрана 114, так что мембрана 114 является защищенной.
Мембрана 114 имеет небольшую толщину, низкое сопротивление диффузии и низкую способность к адсорбции белков. Внутренняя сторона проницаемой мембраны 114 непосредственно обращена к внутреннему объему реакционной ячейки 101.
Когда сенсорный чип 100 не установлен в сенсорном устройстве, решетка 113 может быть покрыта и уплотнена от воздуха съемной герметичной крышкой (не показана), такой как фольга. При следующем удалении сенсорного чипа 100 из сенсорного устройства, например, по причине того, что сенсорный чип 100 временно не используется, или вследствие намерения пользователя изменить тип сенсорного чипа 100, например, для сосредоточения на другом аспекте качества окружающей среды, эту герметичную крышку можно снова поместить на сетку 113, и она будет удерживать воду от испарения из реакционной ячейки 101 и рецепторные белковые комплексы 115 от расходования.
В реакционной ячейке 101 рецепторные белковые комплексы 115 обездвижены на газопроницаемой мембране 114. Рецепторные белковые комплексы 115, в частности, могут быть обездвижены на функциональной поверхности 182 реакционной ячейки 101, которая в примере согласно фиг. 1A-1D образована внутренней поверхностью мембраны 114, обращенной внутрь реакционной ячейки 101.
Обездвиживание рецепторных белковых комплексов на функциональной поверхности 182 или внутренней поверхности мембраны 114 может быть достигнуто с помощью ковалентно связанных молекул, известных как низкоаффинные лиганды рецепторных белковых комплексов 115.
Реакционная ячейка 101 может содержать, предпочтительно лиофилизированный субстрат 116, например, смесь 116 солей, буфера и необязательно белков, которые стабилизируют рецепторные белковые комплексы 115, и/или небольшие количества поверхностно-активных молекул, таких как полисорбат 20 или тритон Х-100.
Светопроницаемая стенка 103, или окно 103 для обнаружения, необязательно может быть покрыта ковалентно связанными молекулами, или молекулярными улавливающими комплексами 117, которые известны как высокоаффинные лиганды рецепторных белковых комплексов 115, или как связывающие часть рецепторных белковых комплексов 115 с высокой аффинностью. Эти молекулярные улавливающие комплексы 117 могут действовать в качестве стока для высвобождающихся рецепторных белковых комплексов 115 или их частей и уменьшать инцидентность множества сигналов, генерируемых одинаковыми высвобожденными рецепторными белковыми комплексами 115. Молекулярные улавливающие комплексы 117 могут быть ковалентно связаны с внутренней поверхностью 183 реакционной ячейки 101, причем внутренняя поверхность 183 расположена по направлению к функциональной поверхности 182 или мембране 114. В примере согласно фиг. 1A-1D внутренняя поверхность 183 реакционной ячейки 101 расположена противоположно функциональной поверхности 182 и/или мембране 114.
Молекулы или сшивающее средство, которое связывает молекулярные улавливающие комплексы 117 с внутренней поверхностью окна 103 для обнаружения, может не поглощать свет заданной или предопределенной длины волны λem, например, длины волны излучения флуоресценции. Дополнительно, с внутренней поверхностью окна 103 для обнаружения (не показана) могут быть ковалентно связаны молекулы, известные как тушащие флуоресценцию предопределенной длины волны λem.
Водный резервуар 102 может иметь регулируемый объем. Например, резервуар 102 может содержать или определяться эластичным блистером 118, содержащим деионизированную воду. Эластичный блистер 118 соединен с реакционной ячейкой 101 через канал 109, такой как эластичный микроканал 109, диаметром, например, 0,1-0,5 мм. Канал 109 по существу является продолжением блистера 118, проходящим сквозь отверстие 108. Часть корпуса 181, в которой содержится эластичный блистер 118, содержит одно или несколько небольших отверстий 119, или проемов 119, через которые воздух или окружающая среда может поступать в камеру или резервуар 102, делая возможным истечение воды из блистера 118 без создания отрицательного давления в камере или резервуаре 102.
Канал 109 может преграждаться блокирующим элементом 120, например, подвижным или съемным штифтом 120. Дополнительно реакционная ячейка 101 и деионизированная вода разделены полупроницаемой мембраной 121, присутствующей на конце канала 109, например, обращенной непосредственно к реакционной ячейке 101, которая, в отсутствие съемного штифта 120, препятствует смешиванию воды в блистере 118 с буферным изотоническим раствором в реакционной ячейке 101.
В неиспользованном сенсорном чипе 100 деионизированная вода, содержащаяся в эластичном блистере 118, предпочтительно хранится под избыточным давлением относительно окружающей среды. В частности, в неиспользованном состоянии чипа 100 эластичный блистер 118 может быть немного растянут, и при открытии канала 109 в реакционную ячейку 101 он активно выталкивает исходное количество деионизированной воды в реакционную ячейку 101.
На стороне, обращенной к реакционной ячейке 101, часть 105 корпуса 180 сенсорного чипа 100 содержит электроды 122, обеспечивающие возможность измерения проводимости деионизированной воды, в которой растворен субстрат 116, или матрица 116, внутри реакционной ячейки 101. Измерения проводимости могут обеспечивать эффективное средство отслеживания осмотической концентрации раствора, присутствующего в реакционной ячейке 101, которая может являться показателем нахождения белковых комплексов 115 в их нативном, функциональном состоянии.
На фиг. 2A показан вид в перспективе сенсорной системы 500 для обнаружения одного или более биологически активных веществ. На каждой из фиг. 2B и 2C показан вид в разрезе сенсорной системы 500 согласно фиг. 2A. В частности, на фиг. 2A-2C показана сенсорная система 500 с сенсорным устройством 200 и сенсорным чипом 100, вставленным в сенсорное устройство 200. Если иное не указано, сенсорный чип 100 согласно фиг. 2A-2C имеет те же признаки, что и сенсорный чип 100, описанный со ссылкой на фиг. 1A-1D.
В частности, на фиг. 2A-2C показано сенсорное устройство 200 с установленным, соединенным или смонтированным с ним сенсорным чипом 100. Устройство 200 содержит гнездо 202, в которое в осевом направлении может быть вставлен сенсорный чип 100. Гнездо 202 содержит элементы 203 поверхности, такие как направляющие 203, которые обеспечивают надлежащую ориентацию и позиционирование сенсорного чипа 100, и необязательно датчик (не показан), обнаруживающий вставку сенсорного чипа 100 и его надлежащую ориентацию. Датчик может деактивировать сенсорное устройство 200, если чип не вставлен или вставлен неправильно.
После вставки сенсорный чип 100 удерживается на месте механизмом 204 в виде защелки, например, крючком, приталкиваемым к сенсорному чипу 100 пружиной. Вместо или в дополнение могут использоваться такие механизмы, как магнитные соединения.
В сенсорном устройстве 200 дополнительно предусмотрен источник 205 света, например, лазерный диод, который, когда устройство 200 активно, излучает свет заданной длины волны λex или более широкий диапазон длин волн, охватывающий λex, такой как диапазон длин волн возбуждения флуоресценции. Источник 205 света установлен в корпусе 206 сенсорного устройства 200 и расположен так, что он излучает свет через оптический соединитель 110, или отверстие 110, сенсорного чипа 100 в реакционную ячейку 101 сенсорного чипа 100.
В сенсорном устройстве 200 дополнительно предусмотрены один или более датчиков 207 для обнаружения изменения состояния, вызванного связыванием рецепторного белкового комплекса 115 с одним или более биологически активными веществами в реакционной ячейке 101.
В примере, показанном на фиг. 2A-2C, сенсорное устройство 200 содержит один или более фотодатчиков 207, например, матрицу фотодатчиков 207. Они расположены ниже светопроницаемой части 103, или окна 103 для обнаружения, сенсорного чипа 100 и необязательно защищены слоем 208 материала, проницаемого для света заданной длины волны λem или диапазона длин волн, такого как диапазон длин волн излучения флуоресценции.
Сенсорное устройство 200 дополнительно содержит схему 209 обработки, соединенную с по меньшей мере одним датчиком 207, при этом схема 209 обработки выполнена с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на присутствие в окружающей среде одного или более биологически активных веществ, на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов 115 в реакционной ячейке 101.
Схема 209 обработки и/или сенсорное устройство 200 может содержать процессор, запоминающее устройство, хранилище данных, схему связи, приемник и/или передатчик Bluetooth, или другие электронные компоненты.
Сенсорное устройство 200 дополнительно содержит нагревательный элемент 210 для нагрева по меньшей мере части сенсорного чипа 100. Нагревательный элемент 210 может быть расположен ниже сенсорного чипа 100, например, ниже одного или более датчиков 207, или в каком-либо другом положении, в котором можно управлять температурой реакционной ячейки. Сенсорное устройство 200 может также содержать один или более датчиков температуры для управления температурой.
Канал 211 образован в корпусе сенсорного устройства 200 и проходит вдоль поверхности сенсорного чипа 100, где расположена решетка 113. Этот канал 211 соединен с окружающей средой вентиляционными отверстиями 212, или проемами 212. Поток воздуха через этот канал 211 может необязательно приводиться в движение вентиляционным устройством 213, таким как микровентилятор 213.
Кроме того, в сенсорном устройстве 200 предусмотрено одно или более из кнопки 214 включения/выключения, динамика 215, соединения для зарядки 216 батарей, одной или более батарей, средства закрепления устройства, например, на лямке 217 рюкзака, матрицы диодов 218, которые указывают состояние устройства 200 и/или сенсорного чипа 100. Уведомления о состоянии устройства 200 и/или сенсорного чипа 100 включают, но без ограничения, состояние батареи устройства 200, проводимость водного раствора или субстрата 116, присутствующего в реакционной камере сенсорного чипа 100, использование устройства 200 или сенсорного чипа 100, остающийся срок службы сенсорного чипа 100, прогнозируемое исчерпание рецепторных белковых комплексов 115 или другие.
Кроме того, сенсорное устройство 200 содержит пользовательский интерфейс 219, например, небольшой экран 219, предоставляющий информацию о качестве воздуха в настоящий текущий момент. Дополнительно может отображаться и другая информация.
Ниже обобщены принцип работы и эксплуатации сенсорной системы 500, сенсорного устройства 200 и/или сенсорного чипа 100 согласно фиг. 1A-2C.
Сенсорный чип 100 можно извлечь из его упаковки (не показана), и, для приведения сенсорного чипа 100 в действие, можно удалить блокирующий элемент 120, или штифт 120, и уплотнительную крышку (не показана). При удалении штифта 120 канал 109, проходящий сквозь отверстие 108, открывается, и вода из резервуара 102 будет достигать полупроницаемой мембраны 121 и, в конечном итоге, реакционной ячейки 101, содержащей предпочтительно лиофилизированный субстрат 116, содержащий соли, буфер и необязательно белки, которые стабилизируют рецепторные белковые комплексы 115, и необязательно небольшие количества поверхностно-активных молекул. Осмотическая концентрация образующегося раствора будет вызывать втягивание воды из резервуара 102 или блистера 118 в реакционную ячейку до полного заполнения реакционной ячейки 101 и уравновешивания осмотического давления жестким корпусом реакционной ячейки 101 или сенсорного чипа 100.
Затем сенсорный чип 100 можно вставить в сенсорное устройство 200, закрепленное с помощью механизма 204 в виде защелки, присутствующего на устройстве 200, и устройство 200 можно привести в действие. При закреплении в сенсорном устройстве 200 устанавливается контакт между электродами 122, присутствующими в чипе 100, и соответствующими соединениями, расположенными в сенсорном устройстве 200, и оптический соединитель 110, или отверстие 110, присутствующее в стенке чипа 100, позиционируется перед источником 205 света сенсорного устройства 200. Необязательно может быть приведен в действие нагревательный элемент 210. При достижении сенсорным чипом 100 его функционального состояния, например, целевой осмотической концентрации в реакционной ячейке 101 и целевой минимальной температуры, вентиляционное устройство 213 и источник света 205 могут приводиться в действие или автоматически или пользователем, например, с помощью приложения, установленного на пользовательском устройстве, которое может быть беспроводным образом соединено с сенсорным устройством 200.
Вентиляционное устройство 213 собирает окружающий воздух и проталкивает его через канал 211, в котором расположены решетка 113 и газопроницаемая мембрана 114 сенсорного чипа 100. Молекулы и биологически активные вещества, присутствующие в окружающем воздухе, будут диффундировать через мембрану 114 и запускать сенсорные отклики, как описано выше в настоящем документе, а также со ссылкой на фиг. 3A-3C.
На каждой из фиг. 3A-3C показан вид в разрезе реакционной ячейки 101 сенсорного чипа 100 для иллюстрации возможного принципа работы сенсорного чипа 100.
Рецепторные белковые комплексы 115 обездвижены на функциональной поверхности 182 реакционной ячейки, например, на внутренней поверхности газопроницаемой мембраны 114, с помощью низкоаффинного лиганда 301, ковалентно связанного с газопроницаемой мембраной 114. Рецепторные белковые комплексы 115 содержат по меньшей мере один лигандсвязывающий домен 302 рецепторного белка, выполненный с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами, поступающими в реакционную ячейку 101. Рецепторные белковые комплексы 115 дополнительно содержат по меньшей мере одну флуоресцентную метку 303, которая далее также называется флуорофором, и аффинную метку 304.
Рецепторные белковые комплексы 115 или лигандсвязывающие домены 302 рецепторных белков могут представлять собой полноразмерные рецепторные белки или только один или несколько доменов рецепторных белков, например, только лигандсвязывающий домен 302. Рецепторные белковые комплексы 115 или лигандсвязывающие домены 302 могут включать, например, ксеносенсор человека, гормон-рецепторный белок или рецептор арильных углеводородов.
Флуорофор 303 может, например, представлять собой зеленый флуоресцентный белок, и в этом случае рецепторные белковые комплексы 115 представляют собой слитый белок, или ковалентно связанный флуоресцентный краситель, подобный, например, DAPI (4′,6-диамидин-2-фенилиндол).
Аффинная метка 304 обладает высокой аффинностью к компоненту 305 покрытия, присутствующего на светопроницаемой стенке 103, или окне 103 для обнаружения. Компонент 305 относится к или обозначает молекулярные улавливающие комплексы 117, описанные со ссылкой на фиг. 1A-1D. Аффинная метка 304 может, например, представлять собой биотин, и в этом случае покрытие на светопроницаемой стенке 103, или окне 103 для обнаружения, реакционной ячейки 101 будет содержать стрептавидин. Альтернативно аффинная метка 304 может представлять собой гистидиновую метку, и в этом случае покрытие на светопроницаемой стенке 103 реакционной ячейки 101 будет содержать хелатные ионы никеля.
Состав рецепторных белковых комплексов 115 может быть приспособлен к требованиям для определенного спектра обнаруживаемых биологически активных веществ окружающей среды и целевой чувствительности. Например, в одном рецепторном белковом комплексе 115 может присутствовать более одного флуорофора 303, то есть с одним рецепторным белковым комплексом 115 могут быть связаны разные флуорофоры и/или несколько единиц одного флуорофора. Дополнительно в заданном сенсорном чипе 100 может присутствовать более одного типа рецепторных белковых комплексов 115. Например, могут использоваться разные рецепторные белки и/или разные домены одного рецепторного белка, и/или рецепторные белки разной рекомбинантной природы, и/или рецепторные белковые комплексы разного состава, например, несущие разные флуорофоры.
Биологически активные вещества 307, или молекулы 307, которые являются лигандами рецепторных белковых комплексов 115, будут диффундировать через газопроницаемую мембрану 114 и, при нахождении в растворе в реакционной ячейке 101, будут конкурировать с низкоаффинным лигандом 301, ковалентно связанным с газопроницаемой мембраной 114. В зависимости от относительных аффинностей низкоаффинного лиганда 301 и биологически активного вещества 307, это конкурентное связывание с определенной вероятностью будет высвобождать рецепторный белковый комплекс 115 с мембраны 114. Высвобождающийся рецепторный белковый комплекс 308 согласно фиг. 3B свободно диффундирует в реакционной ячейке 101.
Источник 205 света, присутствующий в сенсорном устройстве 200, излучает луч или предпочтительно пространственный пучок света 309 длины волны λex в реакционную камеру, где λex - длина волны возбуждения флуорофоров 303, присутствующих в рецепторных белковых комплексах 115. При диффузии высвобождающегося рецепторного белкового комплекса 308 в траекторию света флуорофор 303 возбуждается и излучает флуоресцентный свет длины волны λem, как показано на фиг. 3B.
Светопроницаемая стенка 103, или окно 103 для обнаружения, сенсорного чипа 100 и необязательно стенка 208, отделяющая фотодетекторы 207 от сенсорного чипа 100, являются проницаемыми для света длины волны λem. Из-за геометрии реакционной ячейки 101 и положения светового пространственного пучка 309 приблизительно половина света, излучаемого флуорофорами 303, достигает оболочки фотодатчика 207, окружающей реакционную ячейку (вторая половина проходит к непроницаемым стенкам реакционной ячейки или к газопроницаемой мембране, и она не будет обнаружена).
В зависимости от полосы пропускания фотодатчиков 207, свет длины волны λex, который может рассеиваться белками или частицами примесей в жидкой матрице или субстрате 116 в реакционной ячейке 101, тоже может запускать сигнал обнаружения. Во избежание этого окно 103 для обнаружения реакционной ячейки 101 предпочтительно является непроницаемым для света длины волны λex.
Поскольку диффузионное движение является случайным, рецепторные белковые комплексы 115 могут оставаться на траектории света или покидать ее и снова входить в нее, со временем давая несколько сигналов. После длительной работы или воздействия на сенсорный чип 100, с газопроницаемой мембраны 114 высвобождается большая часть рецепторных белковых комплексов 115, что может сделать надлежащее обнаружение дополнительной флуоресценции неточным. Поэтому светопроницаемая стенка 103, или окно 103 для обнаружения, реакционной ячейки 101 действует в качестве стока для рецепторных белковых комплексов 115, так как она покрыта молекулярными улавливающими комплексами 117, 305, которые связывают аффинную метку 304 на рецепторных белковых комплексах 115 с высокой аффинностью.
За исключением светопроницаемой стенки 103, или окна 103 для обнаружения, реакционной ячейки 101 все внутренние поверхности реакционной ячейки могут быть покрыты покрытием с низкой способностью к адсорбции белков, и, из-за внутренней геометрии реакционной ячейки 101, большая часть высвобождающихся рецепторных белковых комплексов 115 в конечном итоге будет проходить через траекторию света и достигать светопроницаемой части 103, или окна 103 для обнаружения, ячейки 101, где они будут удаляться из раствора.
На основании массы и размера рецепторных белковых комплексов 115, вязкости раствора в реакционной ячейке и температуры в ячейке 101 можно вычислить такие рабочие параметры, как среднее время пребывания рецепторного белкового комплекса 115 в растворе или его период полужизни. Указанное среднее время пребывания можно использовать для коррекции сигнала обнаружения, сообщаемого сенсорным устройством 200 для множества событий возбуждения и излучения, и, таким образом, повысить чувствительность и точность сенсорного устройства 200.
При рассеянии, например, на белках или малых частицах примесей, присутствующих в растворе внутри ячейки, свет длины волны λex может достигать обездвиженных рецепторных белковых комплексов 115, присутствующих на газопроницаемой мембране 114 или на окне 103 для обнаружения реакционной ячейки, которые представляют собой рецепторные белковые комплексы 115, уже высвободившиеся посредством биологически активных веществ 307, поступающих в реакционную ячейку 101 и продиффундировавших через ячейку 101. Этот рассеянный свет может возбуждать флуорофоры 303 рецепторных белковых комплексов 115 и вызывать излучение фотонов длины волны λem, которые могут достигать фотодетектора 207 и, таким образом, генерировать сигналы, не связанные с наличием загрязнения воздуха в настоящий момент. Поэтому покрытие на светопроницаемой стенке 103, или окне 103 для обнаружения, реакционной ячейки 101 и/или на газопроницаемой мембране 114 может содержать молекулы, известные как тушащие флуоресценцию флуорофора 303 за счет электронного переноса (не показаны). Гашение рассеянного света будет уменьшать и/или исключать такие события стороннего возбуждения и, таким образом, понижать и/или исключать шум, порождаемый вследствие рассеяния света. Альтернативно интенсивность флуоресценции, обнаруживаемой фотодатчиками 207, можно скорректировать с учетом эффектов рассеяния. Например, интенсивность флуоресценции, исходящей от рецепторных белков, улавливаемых на светопроницаемой стенке 103 или на газопроницаемой мембране 114, можно спрогнозировать на основании экспериментально определяемой величины достигающего их рассеянного света, стабильности флуорофоров 303 и количества рецепторных белковых комплексов 115, которые, как ожидается, будут присутствовать здесь, что можно определить, например, на основании кумулятивных сигналов флуоресценции, обнаруженных фотодатчиками 207.
На фиг. 4A показан вид в перспективе сенсорного чипа 400 для обнаружения одного или более биологически активных веществ. На каждой из фиг. 4B и 4C показан вид в разрезе сенсорного чипа 400 согласно фиг. 4A. Если не указано иное, сенсорный чип 100 согласно фиг. 4A и 4B имеет те же признаки, что и сенсорный чип 100, описанный со ссылкой на любую из фиг. 1A-3C.
Сенсорный чип 400 согласно фиг. 4A-4C представляет собой двухслойную конструкцию с цилиндрическим поперечным сечением. Возможны и другие поперечные сечения, такие как прямоугольное поперечное сечение. Наружный слой конструкции, или сенсорного чипа 400, содержит жесткую решетку 401, через которую окружающий воздух может проходить, поступая в воздушную камеру 402. Воздушная камера 402 функционально аналогична вышеописанному воздушному каналу 211.
Внутренний слой конструкции сенсорного чипа 400 содержит решетку 403, через которую составляющие, присутствующие в воздухе воздушной камеры 402, могут получать доступ к газопроницаемой мембране 404. Внутренняя решетка 403 и газопроницаемая мембрана 404 функционально аналогичны описанным выше решетке 113 и газопроницаемой мембране 114.
Реакционную ячейку 405 сенсорного чипа 400 определяет объем, который ограничен цилиндром, образованным газопроницаемой мембраной 404. Она функционально аналогична вышеописанной реакционной ячейке 101.
По аналогии с вышеописанным иллюстративным вариантом осуществления сенсорного чипа 100, внутренняя поверхность газопроницаемой мембраны 404 покрыта обездвиженными рецепторными белковыми комплексами (не показаны на фиг. 4A-4C).
В реакционной ячейке 405 расположены один, два или множество оптических волноводов 406. Они могут присутствовать в форме волокон или в форме плоского оптического волновода, или в любой другой подходящей форме.
Оптические волноводы 406 могут быть покрыты ковалентно связанными молекулярными улавливающими комплексами, которые известны тем, что связывают один или несколько компонентов рецепторных белковых комплексов 115 с высокой аффинностью (не показаны на фиг. 4). Расстояние между газопроницаемой мембраной 404 и поверхностью оптических волноводов 406 предпочтительно находится в диапазоне 0,1 мм или менее.
Химическая природа, биологическое происхождение молекул или молекулярных комплексов, а также средства обездвиживания на оптических волноводах 406 аналогичны тем, которые описаны для молекул или молекулярных комплексов 117, ковалентно связанных со светопроницаемой стенкой 103 реакционной ячейки 101, описанной со ссылкой на предыдущие фигуры.
Альтернативно расположение обездвиженных рецепторных белков и высокоаффинных комплексов можно заменить на обратное, то есть рецепторные белки могут быть обездвижены на оптических волноводах 406, а высокоаффинные комплексы могут быть обездвижены на газопроницаемой мембране 404.
Предпочтительно спектры поглощения и другие оптические свойства обездвиженных молекул или молекулярных комплексов, а также спектры поглощения ковалентной связи не перекрываются или лишь в ограниченной степени перекрываются со спектрами поглощения или другими оптическими свойствами рецепторных белковых комплексов 115.
Один конец сенсорного чипа 407 содержит водный резервуар 408, функционально аналогичный вышеописанному водному резервуару 102. Соединение водного резервуара 408 с реакционной ячейкой 405 и принцип работы водного резервуара 408 могут быть идентичны вышеописанным. Блокирующий элемент 409, или съемный штифт 409, может уплотнять эластичный блистер 410, расположенный в резервуаре 408 или образующий его, от лиофилизированного содержимого (не показано) реакционной ячейки 405. Полупроницаемая мембрана 411 отделяет субстрат, присутствующий в реакционной ячейке 405, от свободного смешивания с водой в блистере 410, когда штифт 409 удален.
Кроме того, на указанном конце сенсорного чипа 400 может быть предусмотрен отражающий элемент, например, оптическое зеркало, или оптический волновод 412, который способен отражать свет, проходящий через один оптический волновод 406, и/или соединяет пары из двух оптических волноводов 406.
Другой конец сенсорного чипа 400 содержит конструкцию 413, или часть 413, с одним, двумя или множеством оптических соединителей 414, или отверстий 414, выровненных с оптическими волноводами 406, расположенными в реакционной ячейке 405 чипа 400, и образующих их продолжения.
Кроме того, участок конструкции 413, или часть 413, сенсорного чипа 400 содержит электрические контакты или соединители 415, электрически соединяющие чип 400 с сенсорным устройством при вставке в него. Эти контакты 415 функционально аналогичны вышеописанным электрическим контактам 122.
В эксплуатации, то есть при установке в активированном сенсорном устройстве, свет 416, излучаемый оптической системой сенсорного устройства, например, одним или более источниками света, проходит продольно через оптические волноводы 406, проложенные в реакционной ячейке 405 от одного конца чипа 400 к другому концу чипа 400 вдоль продольной оси чипа 400. Свет отражается или отклоняется отражающим элементом 412, или оптической конструкцией 412, проходит обратно через оптический волновод 406 к концу, или части 413, сенсорного чипа 400 и в конечном итоге покидает чип 400 в направлении оптической системы сенсорного устройства, как показано номером ссылки 417 на фиг. 4B.
На фиг. 5 показан вид в разрезе сенсорной системы 500 для обнаружения одного или более биологически активных веществ. В частности, на фиг. 5 показана сенсорная система 500 с сенсорным устройством 550 и сенсорным чипом 400, вставленным в сенсорное устройство 550. Если не указано иное, сенсорный чип 400 согласно фиг. 5 имеет те же признаки, что и сенсорные чипы 100, 400, описанные со ссылкой на фиг. 1A-4C. Аналогично, сенсорное устройство 550 согласно фиг. 5 имеет те же признаки, что и сенсорное устройство 200, описанное со ссылкой на фиг. 2A-4C.
На фиг. 5 показан сенсорный чип 400, вставленный в сенсорное устройство 550. Конструкция 413, образующая один конец сенсорного чипа 400, вставлена в сенсорное устройство 550 и устанавливает контакт с электронными и оптическими соединениями, расположенными в устройстве 550. В частности, оптические волноводы 406, присутствующие в сенсорном чипе 400, соединяются посредством оптических соединителей 414, или отверстий 414, с оптической системой 503, расположенной в сенсорном устройстве 550. Оптическая система 503 содержит один или несколько источников 504 света и один или несколько детекторов 505 света, таких как фотодатчики 505.
В гнезде, присутствующем на устройстве 550, и оконечной конструкции чипа 400 предусмотрены дополнительные направляющие (не показаны), которые обеспечивают надлежащую ориентацию чипа 400 в устройстве 550, как описано выше. Крепление чипа 400 в гнезде можно выполнить с помощью, например, механизма в виде защелки, магнитного соединения или свинчивания.
Кроме того, устройство 550 содержит батарею, микропроцессор и потенциально другие электронные компоненты, как описано со ссылкой на предыдущие фигуры.
Окружающий воздух пассивно поступает в воздушную камеру 402 через жесткую решетку 401 сенсорного чипа 400. Движущей силой может быть движение окружающего воздуха относительно сенсорного чипа 400 и/или броуновское движение.
Альтернативно гнездо на устройстве 550 может иметь такую же длину, как весь сенсорный чип 400, или длину больше, чем у сенсорного чипа. В этом случае чип 400 полностью вставляется в устройство 550, и устройство 550 может содержать дополнительные признаки, такие как вентиляционное устройство, для отбора окружающего воздуха и его подачи в воздушную камеру 402 сенсорного чипа 500.
Признаки, присутствующие на поверхности устройства 550, такие как диоды, экран или средства прикрепления устройства к одежде, велосипедам или лямкам рюкзаков, аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 2A-2C.
На фиг. 6 показан вид в разрезе реакционной ячейки 405 сенсорного чипа 400 для иллюстрации возможного принципа работы сенсорного чипа 400 согласно фиг. 4A-5.
Аналогично примеру, описанному со ссылкой на фиг. 1A-3C, рецепторные белковые комплексы 115 обездвижены на газопроницаемой мембране 404 путем связывания с ковалентно связанными молекулами 301, известными в качестве низкоаффинных лигандов лигандсвязывающего домена 302 используемых рецепторных белковых комплексов 115.
Рецепторные белковые комплексы 115 состоят из по меньшей мере лигандсвязывающего домена 302 рецепторного белка. Необязательно присутствуют дополнительные компоненты, такие как аффинная метка 304. Признаки компонентов рецепторных белковых комплексов 115, такие как биологическое происхождение или рекомбинантная природа, являются такими же, как описано выше со ссылкой на предыдущие фигуры.
Молекулы или биологически активные вещества 307 окружающей среды, присутствующие в воздушной камере 402, диффундируют через решетку 403 и газопроницаемую мембрану 404 и поступают в реакционную ячейку 405.
Попадая в реакционную ячейку 405, биологически активные вещества 307 конкурируют за связывание на лигандсвязывающем домене 302 рецепторных белковых комплексов 115 и, в конечном счете, высвобождают рецепторные белковые комплексы 115 из мембраны 404.
Высвобождающиеся рецепторные белковые комплексы 308 свободно перемещаются в реакционной ячейке 405 и в конечном итоге достигают оптических волноводов 406, присутствующих в ее центре, и связываются с молекулами или молекулярными улавливающими комплексами 117, присутствующими на поверхности оптических волноводов 406. Это связывание будет изменять свойства граничного слоя между субстратом или жидкой матрицей, присутствующей в реакционной ячейке 405, и поверхностью оптических волноводов 406.
Свет 611, проходящий через оптический волновод 406, не полностью ограничен оптическим волноводом 406, но будет в некоторой степени проникать в субстрат или жидкую матрицу, присутствующую в реакционной ячейке 405, образуя проникающее поле, которое взаимодействует с непосредственным окружением оптического волновода 406.
Например, сенсорное устройство 550 или один или более датчиков 505 могут измерять поглощение этого проникающего поля. Источник света, присутствующий в сенсорном устройстве, излучает свет с конкретным спектром, например, с узким окном длины волны λem. Спектр поглощения одного или нескольких компонентов рецепторных белковых комплексов 115 проявляет максимум на длине волны λabs. Если λabs ≈ λem, результатом присутствия рецепторных белковых комплексов 115 в непосредственной близости к поверхности оптического волновода 406 является снижение интенсивности света, достигающего фотодатчика 505 в сенсорном устройстве 550. Это снижение интенсивности света можно оценить количественно. Снижение в единицу времени дает прямое измерение количества рецепторных белковых комплексов 115, связывающихся с оптическим волноводом 406 в единицу времени, что, в свою очередь, коррелирует с количеством биологически активных веществ 307, поступающих в реакционную ячейку 405 и, таким образом, с их концентрацией в окружающем воздухе. В альтернативных вариантах осуществления можно использовать, например, волноводное соединение, поверхностный плазмонный резонанс или возбуждение флуоресценции компонентов рецепторных белковых комплексов 115 проникающим полем.
Альтернативно принцип обнаружения может являться обратным. Рецепторные белковые комплексы 115 могут быть обездвижены на оптических волноводах 406, и при связывании биологически активных веществ, поступивших в реакционную ячейку 405 из окружающей среды, они высвобождаются с оптических волноводов. Присутствие лигандов рецепторных белковых комплексов 115 в данном варианте осуществления ослабляет взаимодействие между комплексами 115 и проникающим полем. Например, присутствие лигандов рецепторных белковых комплексов 115 в окружающей среде будет уменьшать поглощение проникающегося света и, таким образом, повышать интенсивность света, достигающего фотодетекторов 505 в сенсорном устройстве 550.
Еще один принцип обнаружения, потенциально используемый в сенсорном чипе 400, основывается на пьезоэлектрическом обнаружении осаждения и/или высвобождения рецепторных белковых комплексов. Этот принцип работы может быть идентичным описанному со ссылкой на фиг. 6, но обнаружение связывания высвобожденных рецепторных белковых комплексов 115 с высокоаффинными лигандами на принимающей поверхности достигается путем определения массы материала, связывающегося с поверхностью, а не изменений оптических свойств поверхности.
В таких вариантах осуществления оптические волноводы 406 можно заменить одним или более пьезоэлементами, способными с высокой чувствительностью обнаруживать изменения массы, адсорбированной на их поверхности. Таким образом, по меньшей мере один пьезоэлемент может присутствовать в центре реакционной ячейки 405 или включать одну или несколько стенок реакционной ячейки.
Альтернативно сенсорные чипы на основе пьезоэффекта могут основываться на обратном принципе. Рецепторные белковые комплексы 115 могут быть обездвижены на пьезоэлементах и высвобождаться с них при связывании с биологически активными веществами, поступившими в реакционную ячейку 405. Результатом будет обнаружение уменьшения массы, связанной с пьезоэлементами.
Хотя были описаны датчики для обнаружения веществ окружающей среды с помощью пьезоэлементов, решение, предложенное здесь, предлагает значительно более высокую чувствительность. Датчики на основе пьезоэффекта, описанные в известном уровне техники, основываются на измерении увеличения массы, привносимой за счет связывания вещества из окружающей среды, например, с рецепторными белками, обездвиженными на поверхности пьезоэлемента. Напротив, непрямой способ обнаружения, описанный в настоящем документе, основывается на связывании рецепторных белковых комплексов 115 в целом. Обычно они имеют массу на порядки больше и могут быть более эффективно обнаружены пьезоэлементами.
Далее описаны иллюстративные материалы для сенсорного чипа, не составляющие ограничение. Внутренняя поверхность реакционной ячейки, содержащая газопроницаемую мембрану, может быть покрыта материалами или изготовлена из материалов, не поглощающих (растворимые в воде) белки. Примеры включают фторполимеры, такие как тефлон, или покрытия с высокой гидрофобностью. Альтернативно может быть предусмотрено предварительное покрытие поверхностей белками, такими как овальбумин или альбумин сыворотки крупного рогатого скота. Отверстие, через которое свет, излучаемый источником света, поступает в реакционную ячейку, может быть проницаемым для света с по меньшей мере длиной волны λex.
Подходящие материалы для газопроницаемой мембраны могут включать, но без ограничения, гидрофобные мембраны с перфорационными отверстиями микронного размера, изготовленные, например, из фторполимеров, пористые мембраны из PET, углеродную бумагу, предпочтительно с гидрофобным покрытием, и пористые мембраны из силикон-PDMS.
Материал окна для обнаружения, или светопроницаемой стенки, реакционной ячейки может быть проницаемым для света с длиной волны λem и предпочтительно непроницаемым для света с длиной волны λex. Соответствующие материалы известны из применений в фотоспектрометрических приборах и являются специфичными для флуорофоров, используемых в реакционной ячейке. Материал окна для обнаружения, или светопроницаемой стенки, реакционной ячейки может дополнительно быть стойким к действию водных растворов солей с нейтральным pH. Если такие материалы с дополнительными спектроскопическими свойствами недоступны, можно использовать стенку с покрытием или двухслойную. Покрытие или защитный слой может быть проницаемым по меньшей мере для света с длиной волны λem. Для повышения робастности окна для обнаружения можно использовать слоистую конструкцию: материал, проницаемый для света с длиной волны λem, но непроницаемый для длины волны λex, например, может быть расположен между двумя слоями робастного материала, проницаемого по меньшей мере для света с длиной волны λem. Альтернативно робастный материал, проницаемый по меньшей мере для света с длиной волны λem, может быть покрыт подходящим покрытием, проницаемым для света с длиной волны λem, но не для света с длиной волны λex.
Оптическая система сенсорного устройства может содержать источник света, предпочтительно излучающий свет в узкой полосе частот с длиной волны в диапазоне λex или λabs, как описано выше, и отверстие в стенке реакционной ячейки может быть проницаемым для света по меньшей мере в этом диапазоне длин волн. Альтернативно источник света может излучать свет в широком диапазоне длин волн, и в этом случае отверстие в стенке реакционной ячейки предпочтительно является проницаемым для света в узкой полосе частот только в диапазоне λex или λabs.
Для оптических волноводов, материал должен иметь показатель преломления относительно субстрата или жидкой матрицы внутри реакционной ячейки, подходящий для оптимизации интенсивности проникающего поля. Точные значения будут зависеть от используемой длины волны, которая, в свою очередь, зависит от спектра поглощения рецепторных белковых комплексов.
Для сенсорного устройства можно использовать один или более слоев, покрывающих и защищающих датчики, такие как фотодатчики. Требования и технические решения идентичны описанным выше в настоящем документе для светопроницаемой стенки, или окна для обнаружения.
Далее обобщены иллюстративные и неограничивающие размеры сенсорного устройства и сенсорного чипа.
Для стационарного устройства, сенсорное устройство может иметь объем до приблизительно 1000 см3. Сенсорный чип может иметь длину приблизительно 1-10 см, ширину 5-10 см и толщину 2-3 см, и реакционная ячейка может иметь диффузионное расстояние предпочтительно менее 0,5 мм.
Для переносного сенсорного устройства, сенсорное устройство может иметь объем до приблизительно 200 см3. Сенсорный чип может иметь длину приблизительно 1-5 см, ширину 0,5-1 см и толщину 0,5-1 см, и реакционная ячейка может иметь диффузионное расстояние предпочтительно менее 0,5 мм.
На фиг. 7 показана блок-схема, иллюстрирующая способ обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, например, с использованием сенсорной системы, сенсорного устройства и/или сенсорного чипа, описанных со ссылкой на предыдущие фигуры.
На этапе S1 одно или более биологически активных веществ проходят через мембрану 114 сенсорного чипа 100 в реакционную ячейку 101 сенсорного чипа 100.
На этапе S2 одно или более биологически активных веществ связываются с одним или более рецепторными белковыми комплексами 115, что тем самым вызывает изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов 115.
На этапе S3 вызванное изменение состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов 115 обнаруживают.
На этапе S4, на основании определенного изменения состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов 115, генерируют сигнал обнаружения, указывающий наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
Для целей настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, за исключением случаев, в которых указано иное, все числа, выражающие величины, количества, процентные доли и т. д., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «приблизительно». Также все диапазоны включают раскрытые точки максимума и минимума и включают любые промежуточные диапазоны между ними, которые могут быть или не быть конкретно перечислены в настоящем документе. Поэтому в данном контексте число A понимают как A ± 20% от A. В данном контексте число A можно считать включающим числовые значения, которые находятся в пределах общей стандартной ошибки для измерения свойства, которое модифицирует число A. Число A в некоторых случаях при использовании в прилагаемой формуле изобретения может отклоняться на перечисленные выше процентные доли при условии, что величина, на которую отклоняется A, существенно не влияет на основные и новые характеристику(-и) заявленного изобретения. Также все диапазоны включают раскрытые точки максимума и минимума и включают любые промежуточные диапазоны между ними, которые могут быть или не быть конкретно перечислены в настоящем документе.
Хотя настоящее изобретение подробно изображено и описано на графических материалах и в приведенном выше описании, такое изображение и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приводимые в качестве примера и неограничивающие; настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. После изучения графических материалов, раскрытия изобретения и прилагаемой формулы изобретения специалисты в данной области техники, реализующие на практике заявленное изобретение, могут понять и применять другие варианты раскрытых вариантов осуществления.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и формы единственного числа не исключают множественного. Тот факт, что определенные меры упоминаются в отличающихся друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована как преимущество. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПУХОЛЕВОГО МАРКЕРА RSP В ЖИДКОСТЯХ ТЕЛА, СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗЛОКАЧЕСТВЕННОСТИ, ЗОНД ДЛЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ С ОПУХОЛЕВЫМ МАРКЕРОМ RSP | 1990 |
|
RU2025734C1 |
| БЫСТРЫЙ БИОСЕНСОР СО СЛОЕМ РЕАГЕНТА | 2007 |
|
RU2482495C2 |
| МИКРОФЛЮИДНЫЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ИХ ПОДГОТОВКИ И ПРИМЕНЕНИЯ | 2006 |
|
RU2423073C2 |
| Биологический микрочип для обнаружения опухолевых экзосом в сыворотке крови человека для диагностики колоректального рака | 2016 |
|
RU2682721C2 |
| ПЛАНАРНЫЙ ТВЕРДОФАЗНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЛКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ГИГАНТСКОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ БЕЛКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ | 2016 |
|
RU2659987C2 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА (ВАРИАНТЫ) И СОЕДИНЕНИЕ БЛАГОРОДНОГО МЕТАЛЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ДЛЯ ДАННОГО СПОСОБА | 2004 |
|
RU2356033C2 |
| СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТОКСИНОВ | 2004 |
|
RU2320994C1 |
| АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОЙ ЕМКОСТИ | 2016 |
|
RU2701751C2 |
| УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦОВ И ПРИМЕНЕНИЕ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ АНАЛИЗА | 2010 |
|
RU2559541C2 |
| СПОСОБЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АНАЛИТОВ | 2017 |
|
RU2772116C2 |
Группа изобретений относится к сенсорному чипу, устройству и системе для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, включающей окружающий воздух. Сенсорный чип содержит реакционную ячейку, содержащую множество рецепторных белковых комплексов; и мембрану, отделяющую реакционную ячейку от окружающей среды и проницаемую для одного или более биологически активных веществ. Рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью связывания с одним или более биологически активным веществом в реакционной ячейке, вызывая обнаруживаемое изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов. Сенсорный чип выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки съемным образом в гнездо сенсорного устройства для обнаружения одного или более биологически активных веществ. Сенсорное устройство содержит: по меньшей мере одно гнездо для по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа; по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа; и схему обработки, соединенную с по меньшей мере одним датчиком. Сенсорная система содержит по меньшей мере один сенсорный чип и сенсорное устройство. Группа изобретений обеспечивает существенное уменьшение количества ложноположительных и ложноотрицательных срабатываний, обнаруживаемых или регистрируемых сенсорным чипом, сенсорным устройством и/или сенсорной системой согласно настоящему изобретению. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 16 ил., 183 пр.
1. Сенсорный чип для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, при этом окружающая среда включает окружающий воздух, причем сенсорный чип выполнен с возможностью функционального соединения с сенсорным устройством и содержит:
реакционную ячейку, содержащую множество рецепторных белковых комплексов; и
мембрану, отделяющую реакционную ячейку от окружающей среды и проницаемую для одного или более биологически активных веществ;
при этом рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами в реакционной ячейке, что таким образом вызывает обнаруживаемое изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов;
причем сенсорный чип выполнен с формой и размером для по меньшей мере частичной вставки съемным образом в гнездо сенсорного устройства для обнаружения одного или более биологически активных веществ.
2. Сенсорный чип по п. 1, в котором обнаруживаемое изменение состояния указанной по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов указывает на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде.
3. Сенсорный чип по п. 1 или 2, в котором изменение состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов связано с одним или более из изменения конформационного состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения локализации по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, изменения положения по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке, изменения состава по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения массы по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения массы по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения физического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения физического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения оптического свойства по меньшей мере части реакционной ячейки, изменения химического свойства по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов, изменения химического свойства субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, изменения проводимости субстрата, содержащегося в реакционной ячейке, и изменения концентрации свободных флуоресцентных или светопоглощающих молекул в по меньшей мере части реакционной ячейки.
4. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, в котором рецепторные белковые комплексы выполнены с возможностью изменения положения в реакционной ячейке при связывании с одним или более биологически активными веществами.
5. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, в котором окружающая среда включает воду.
6. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, в котором мембрана является проницаемой для газов и/или мембрана является непроницаемой для воды или водосодержащей жидкости.
7. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий один или более соединителей для функционального соединения сенсорного чипа с сенсорным устройством.
8. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий один или более электродов, по меньшей мере частично расположенных в реакционной ячейке и выполненных с возможностью определения проводимости субстрата или состава в реакционной ячейке.
9. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий по меньшей мере одно окно для обнаружения, прозрачное для электромагнитного излучения, излучаемого и/или рассеиваемого по меньшей мере одним или более компонентами рецепторных белковых комплексов.
10. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий по меньшей мере один резервуар, выполненный с возможностью соединения по текучей среде с реакционной ячейкой, при этом по меньшей мере один резервуар выполнен с возможностью подачи деионизированной воды в реакционную ячейку.
11. Сенсорный чип по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый из рецепторных белковых комплексов содержит по меньшей мере один лигандсвязывающий домен рецепторного белка, выполненный с возможностью связывания с одним или более биологически активными веществами и выполненный с возможностью изменения конформации при связывании с одним из биологически активных веществ.
12. Сенсорный чип по п. 11, в котором рецепторный белок представляет собой ксеносенсорный белок или гормон-рецепторный белок.
13. Сенсорное устройство для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, при этом окружающая среда включает окружающий воздух, причем сенсорное устройство выполнено с возможностью функционального соединения с по меньшей мере одним сенсорным чипом по любому из пп. 1-12 и содержит:
по меньшей мере одно гнездо для по меньшей мере частичного вмещения по меньшей мере одного сенсорного чипа;
по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов в реакционной ячейке по меньшей мере одного сенсорного чипа, причем изменение состояния вызвано связыванием одного или более рецепторных белковых комплексов с одним или более биологически активными веществами, поступающими из окружающей среды через мембрану сенсорного чипа в реакционную ячейку сенсорного чипа; и
схему обработки, соединенную с по меньшей мере одним датчиком, при этом схема обработки выполнена с возможностью предоставления сигнала обнаружения, указывающего на наличие одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, на основании определения изменения состояния по меньшей мере части рецепторных белковых комплексов.
14. Сенсорное устройство по п. 13, в котором сигнал обнаружения указывает на количество одного или более биологически активных веществ в единице объема окружающей среды, массу биологически активного вещества в единице объема окружающей среды, концентрацию биологически активного вещества в окружающей среде, потенциал активации рецепторного белка окружающей среды и биологическую активность окружающей среды.
15. Сенсорная система для обнаружения одного или более биологически активных веществ в окружающей среде, содержащая:
по меньшей мере один сенсорный чип по любому из пп. 1-12; и
сенсорное устройство по п. 13 или 14.
| WO 2004016727 A1, 26.02.2004 | |||
| WO 2009073625 A1, 11.06.2009 | |||
| ЧЕРНИКОВ М.В | |||
| Клеточные рецепторы: Современный взгляд на классификацию и архитектуру (обзор литературы) // Волгоградский научно-медицинский журнал, 2009. |
