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CN112399829A - 用于样品预处理的基于水凝胶和气凝胶的方法和装置 - Google Patents

用于样品预处理的基于水凝胶和气凝胶的方法和装置 Download PDF

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CN112399829A CN201980038793.7A CN201980038793A CN112399829A CN 112399829 A CN112399829 A CN 112399829A CN 201980038793 A CN201980038793 A CN 201980038793A CN 112399829 A CN112399829 A CN 112399829A
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A·贾杰克
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Abstract

用于样品预处理的基于水凝胶或基于气凝胶的装置和方法。所述装置和方法可包括：用于预处理样品的基于气凝胶的装置，其包括至少一个气凝胶；用于预处理样品的基于水凝胶的装置，其包括至少一个水凝胶；或用于预处理样品的基于气凝胶和基于水凝胶的组合装置，其包括至少一个气凝胶与至少一个水凝胶流体连通。

Description

用于样品预处理的基于水凝胶和气凝胶的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月7日提交的题目为“用于基于水凝胶和气凝胶样品预处理的方法和装置”的美国临时专利申请第62/681,895号的优先权和权益，其公开内容以其整体通过引用并入本文。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在由俄亥俄州联邦研究网络(Ohio Federal Research Network)授予的1013160号拨款的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明大体涉及免疫诊断测定领域，更具体地涉及用于解决目前免疫诊断测定的灵敏性限制的装置和方法。
背景技术
本节旨在向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可能与本发明的各个方面有关，下文对此进行了描述和/或要求保护。该讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解的是，这些陈述应根据这一点来理解，而不是承认为现有技术。
免疫诊断测定包括生化测试，其报告或测量样品中大分子或小分子的存在或浓度。许多免疫诊断测定通常使用抗体和金缀合物或荧光标记来指示目标抗原(感兴趣的分子/感兴趣的分析物)的存在。普通类型的免疫诊断测定使用侧向流动测定装置，如妊娠试纸条，以及其他侧向流动测定装置来检测疾病(军团菌、流感、艰难梭状芽胞杆菌(C.Difficile)等)。然而，灵敏性对于免疫诊断以及其他快速诊断测试(基于酶或适配体的传感器)是一个问题，因为样品流体往往被稀释，因此感兴趣的分析物的浓度可能低于这些装置的检测极限。
这些灵敏性限制可以通过预处理样品以增加抗原浓度，同时减少干扰物的量，例如大分子如蛋白质(例如粘蛋白、血清等)、小分子(例如盐等)和其他干扰物(例如pH)。这种样品预处理通常采用常规的实验室过程(例如离心、缓冲、脂质洗涤、pH等)进行，这需要用装置进行多步骤处理，而所述装置不兼容快速和便携式测试形式。用于快速诊断的便携式样品预处理依赖于自动的和以尽可能少的步骤被动驱动的开发过程。
大多数样品预处理可以通过一系列过滤膜进行，这在图1所示的装置10中得到了大体的说明，该装置有效地为一窄范围的分子尺寸创建了带通过滤。图1显示了样本12进入装置10(可以用压力、重力或毛细管作用驱动)。样品中含有待检测的分析物14(钻石形，例如50kDa)，以及干扰物如大分子16(大圆形，例如大于100kDa)和小分子18(小圆形，例如小于10kDa)。第一膜20含有只去除大分子16的100kDa的孔隙。第二膜22(10kDa)利用(作为例子)正向渗透去除水分来浓缩样品。小分子18不被第二膜22排斥，从而被动地通过第二膜22扩散。因此，分析物14在进入传感器之前被浓缩。
期望的是：样品预处理的装置和方法可以按照类似于图1中所示的原理操作，同时允许快速和便携的测试形式。
发明内容
以下解释本发明的某些示例性方面。应该理解的是，这些方面的提出仅仅是为了向读者简要概述本发明可能采取的某些形式，并且这些方面并不是为了限制本发明的范围。事实上，本发明可能包括以下可能没有明确阐明的各个方面。
本发明的各个方面克服了本发明背景技术部分中上面描述的缺点。这些方面是通过提供基于水凝胶或基于气凝胶的装置和方法来对样品进行预处理来实现的。该装置可包括用于预处理样品的基于气凝胶的装置，其包括至少一个气凝胶；用于预处理样品的基于水凝胶的装置，其包括至少一个水凝胶；或用于预处理样品的基于气凝胶和基于水凝胶的组合装置，其包括至少一个气凝胶与至少一个水凝胶流体连通。预处理样品的方法可以包括将流体样品与气凝胶或水凝胶接触，其中所述气凝胶或所述水凝胶包括(i)过滤层和(ii)流体储存层。
本发明的其他方面可以包括制造用于预处理样品的装置的方法。这些方法可以包括将第一水凝胶和第二水凝胶彼此相邻定位，其中第一水凝胶的密度与第二水凝胶的密度不同；以及从第一水凝胶和第二水凝胶中去除水分以形成气凝胶，所述气凝胶包括第一层和第二层。
附图说明
这些被纳入并构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并连同上面给出的发明的总体描述和下面给出的实施例的详细描述，有助于解释本发明的原理。
图1是提供分析物尺寸的带通过滤的两级膜的示意图。
图2A和图2B是显示水凝胶冷冻干燥形成气凝胶用作膜和芯子的示意图。
图3A和图3B是显示冷冻干燥水凝胶(气凝胶)珠的示意图，其去除水分并拒绝分析物。
图4A和图4B是显示水凝胶致动器的示意图，水凝胶致动器收缩以预处理样品。
图5是显示带通膜与水凝胶相互作用的示意图。
定义
本文所用的“气凝胶”是指从凝胶(例如水凝胶)中衍生出来的多孔聚合物或合成基质，其中液体已被气体取代。
本文所用的“样品预处理”是指对流体样品进行浓缩(例如浓缩感兴趣的分析物)、添加试剂、缓冲剂或去除干扰物的处理。
本文所用的“免疫诊断测定”，是指报告或测量溶液中大分子或小分子的存在或浓度的生化测试，如可以通过使用抗体或抗原完成。
本文所用的“快速诊断测试”是指一种快速、容易实施的医学诊断测试(也称为即时检验)。它可能包括免疫诊断和其他酶传感器(例如葡萄糖)。
本文所用的“膜”是指作为分子、离子、蛋白质或其他小颗粒的边界的选择性屏障。膜可以是尺寸选择性的或电荷选择性的。
具体实施方式
本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了提供对这些实施例的简明描述，可以在说明书中不描述实际实现的所有特征。应该理解的是，在开发任何此类实际实施的过程中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多具体实施的决定，以实现开发人员的具体目标，例如遵守与系统相关的和与业务相关的限制，这些限制可能因实施而异。此外，应当理解的是，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但对于从本公开受益的普通技术人员仍将是设计、制造和生产的常规工作。
本发明的各个方面克服了本发明背景技术部分中上面描述的缺点。正如背景技术中所描述的，目前的样品预处理(如过滤以浓缩感兴趣的分析物)通常是采用传统的实验室过程进行的，这需要用装置进行多步骤处理，而装置不兼容快速和便携式测试形式。例如，膜过滤的驱动机制通常需要泵，而泵不适合快速诊断。然而，本发明的实施例是基于使用水凝胶，或去除水分的水凝胶(也称为气凝胶)，作为芯子，膜和/或装置，其含有感兴趣的分析物的抗体。
水凝胶包括聚合物或合成材料网络，这些聚合物或合成材料具有高的吸收能力，并且含有大量的水分(例如90％以上的水分)。水凝胶的一些例子是琼脂糖、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇等，但它们也可以是合成材料(例如二氧化硅，碳，金属氧化物)。水凝胶的密度可以通过增加材料的浓度(在琼脂糖的情况下)或通过增加产生网络的交联剂来控制。水凝胶的密度在分子生物学中经常被用于分子的分离，包括DNA电泳和蛋白质纯化。
本发明的一个方面涉及使用冷冻干燥或溶剂交换技术从水凝胶中去除水分，同时保持聚合物结构的完整性以形成气凝胶。然后，当暴露在样品中时，气凝胶可以同时作为芯子和尺寸排阻膜。例如，琼脂糖(2重量％)通常含有从100nm至200nm范围的孔径。如果琼脂糖被冷冻干燥并保留结构，它将很容易吸收水，同时过滤出大于200nm的颗粒。因此，气凝胶既起到膜作用，又起到驱动芯子的作用。图2A和图2B示出根据本发明这一方面的实施例，其中样品24与包含第一层28和第二层30的气凝胶26接触。第一层28和第二层30可以通过将不同密度的水凝胶定位在彼此的顶部并冷冻干燥这些层来制造。第一层28是一个致密的聚合物网络，它拒绝感兴趣的分析物。第二层30为流体储存层。流体储存层30可以具有设定的体积容量。当流体样品24与气凝胶接触时，气凝胶将会把流体34(例如，样品24中的水分)拉入流体储存层，直到体积达到流体容量。流体芯吸进入储液区，导致感兴趣的分析物32集中在气凝胶结构的外部(因为第一层28拒绝分析物32)。一旦以这种方式对样品进行预处理，气凝胶结构外部的样品(包括感兴趣的目前浓缩的分析物)可以被进一步处理，例如将其分配到传感器上。
现在参考图3A和图3B，本发明的另一个实施例涉及气凝胶珠36，其功能类似于图2A和图2B中所示的实施例。气凝胶珠可以放置在一个小瓶38中。气凝胶包括膜40，其由气凝胶的孔提供，或通过连接到一个拒绝分析物44的单独的膜上提供。样品42被添加到小瓶中，气凝胶吸收流体(例如水)。然后可以从小瓶中取出珠子，浓缩的分析物保留在小瓶中的本体溶液中。
现在参考图4A和图4B，示出本发明的另一个实施例，其使用水凝胶作为装置的组成成分，用于预处理样品。如已知的，水凝胶在外界刺激下可以改变性能；这种水凝胶通常被称为“智能凝胶”。改变pH、温度、离子浓度或施加电场会导致一些水凝胶改变形状或释放配体，并已被用于药物传递系统。
为了利用这种“智能”水凝胶的特性，如图4A和图4B所示的实施例使用具有与聚合物基质48相关的传感探针或其他传感方式(酶、适配体等)的水凝胶46，例如通过共价结合或截留在基质本身中。这种方式可能包括一个或多个对抗原52感兴趣的抗体50。水凝胶然后转化为气凝胶。在本实施例中选择水凝胶的密度，使产生的气凝胶的外层允许感兴趣的抗原通过。当样品流体随后与气凝胶接触时，样品流体将气凝胶基质再次水化为水凝胶，感兴趣的抗原进入基质并与抗体结合。图4A和图4B显示了水凝胶的一个实施例，该水凝胶含有与其聚合物基质结合的抗体。
一旦流体样品接触和再次水化气凝胶，就会施加外界刺激(例如pH变化或离子浓度)，其导致水凝胶收缩54。当这种情况发生时，水凝胶孔隙在动态移动过程中减小尺寸，导致分析物被拒绝并保持在基质内部。水凝胶中的溶液因此变得浓缩。水凝胶珠可以直接使用报告器读取或用于进一步处理。
现在参考图5，显示了本发明的另一个实施例。本实施例结合水凝胶/气凝胶结构的不同层，形成分子带通过滤器56(如图5所示)，其与图1所示的原理相对应。本实施例中的装置是通过制备不同密度的水凝胶，将水凝胶相对定位，以及冷冻干燥水凝胶以产生气凝胶来创建的。在将流体样品添加到装置中时，样品芯吸到后续的层中。在图5中，前两层58和60去除大分子66并防止污垢。然后，分析物64进入内部通道62，其中所述分析物被10kDa的层68拒绝。水分芯吸储液区70拉动水分72和其他小分子(小于10kDa)通过10kDa层，直到储液区体积充满。内部通道可以是开放通道，也可以是另一种芯吸材料，其将其中的流体(即内部通道中收集和浓缩的分析物)输送到下一阶段。
在此叙述的本发明的实施例仅旨是示例性的，本领域技术人员将能够对其进行许多变化和修改，而不偏离本发明的精神。尽管如此，某些变化和修改，虽然不能产生最优的结果，但仍然可能产生令人满意的结果。所有这些变化和修改均应落入由本发明所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种用于浓缩感兴趣的分析物的装置，所述装置包括：
气凝胶，所述气凝胶包括(i)过滤层和(ii)流体储存层。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述气凝胶为珠子的形式。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括多个珠子，各个所述珠子包括所述气凝胶。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述珠子与容器相关，并被布置在所述容器的内部空间中。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述气凝胶包括聚合物或合成基质。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括与所述聚合物或合成基质结合的一个或多个抗体。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述一个或多个抗体具有与所述感兴趣的分析物结合的能力。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述气凝胶还包括第二过滤层。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一过滤层允许比所述第二过滤层更大的分子通过。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一过滤层允许高达100kDa的分子通过，并且其中所述第二过滤层允许高达10kDa的分子通过。
11.一种用于浓缩感兴趣的分析物的装置，所述装置包括：
水凝胶，所述水凝胶包括(i)过滤层、(ii)流体储存层和(iii)在所述流体储存层的聚合物或合成基质中的一个或多个传感方式。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述一个或多个传感方式包括所述感兴趣的分析物的一个或多个抗体。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述水凝胶在施加外界刺激时适应收缩。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述外界刺激选自pH改变、温度、离子浓度和施加电场。
15.一种用于预处理样品的装置，所述装置包括：
至少一个气凝胶，所述至少一个气凝胶包括(i)过滤层和(ii)流体储存层。
16.根据权利要求15所述的装置，其中预处理样品选自浓缩所述样品中的组成成分、向所述样品添加试剂、缓冲所述样品、从所述样品中去除干扰物及其组合。
17.根据权利要求15所述的装置，还包括至少一个水凝胶，其中所述至少一个气凝胶与所述至少一个水凝胶流体连通。
18.一种制造用于浓缩感兴趣的分析物的装置的方法，所述方法包括：
将第一水凝胶和第二水凝胶彼此相邻定位，其中所述第一水凝胶的密度与所述第二水凝胶的密度不同；以及
从所述第一水凝胶和所述第二水凝胶中去除水分以形成气凝胶，所述气凝胶包括第一层和第二层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中经由从冷冻干燥和溶剂交换中选择的过程从所述第一水凝胶和所述第二水凝胶中去除水分。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在从所述第一水凝胶和所述第二水凝胶中去除水分之前，将一个或多个抗体引入所述第一水凝胶的、所述第二水凝胶的或者所述第一水凝胶和第二水凝胶的聚合物基质中。
21.一种预处理样品的方法，所述方法包括：
使流体样品接触气凝胶或水凝胶，其中所述气凝胶或所述水凝胶包括(i)过滤层和(ii)流体储存层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述流体样本与水凝胶接触，并且所述方法还包括对所述水凝胶施加外界刺激，以导致所述水凝胶收缩。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述外界刺激选自pH改变、温度、离子浓度和施加电场。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述样品与气凝胶接触，并且所述方法还包括在所述流体样品与所述气凝胶接触后，将传感器与所述流体样品接触。
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