DE69918389T2

Method and apparatus for detecting molecular binding events

Abstract

Systems and methods for detecting molecular binding events and other environmental effects using the unique dielectric properties of the bound molecular structure or structures are presented. A molecular binding layer is coupled along the surface of a signal path. A test signal is propagated along the signal path, whereby the test signal couples to the molecular binding layer, and in response, exhibits a signal response.

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32 claims: 32 independent, 0 dependent

  1. 1
    A method for assaying interactions an analyte with its environment using a modulated Signal in order to study the interactions, the method includes:the associated setting a first aqueous Surroundings (157) That the analyte and optionally additional components contains, with a bio-assay device (150), full: (1) a signal path, said signal path includes: (A) a waveguide or (B) a transmission line (120), A basic element (130) And a dielectric material (158) Interposed between the transmission line and the is arranged base element, wherein the signal path is designed so that electromagnetic signals at one or more frequencies, a a range of 10 MHz to 1000 GHz are transmitted, and (2) a molecular binding layer (156), The electromagnetic is coupled to the signal path, whereby after said contacting Analyte to the molecular binding layer interacts;transmitting a first input signal in the range from 10 MHz to 1000 GHz along the signal path, whereby said input signal is electromagnetically is coupled to the molecular binding layer;detecting the modulated signal, while the the interaction of the first input signal with said molecular binding layer after contact of the molecular binding layer with said first aqueous Environment is obtained. Verfahren zum Untersuchen von Wechselwirkungen eines Analyts mit seiner Umgebung unter Verwendung eines modulierten Signals, um die Wechselwirkungen zu untersuchen, wobei das Verfahren umfasst: das in Verbindung Setzen einer ersten wässrigen Umgebung (157), die den Analyt und wahlweise zusätzliche Komponenten enthält, mit einer Bio-Analyse-Vorrichtung (150), umfassend: (1) einen Signalweg, wobei der Signalweg umfasst: (a) einen Wellenleiter oder (b) eine Übertragungsleitung (120), ein Grundelement (130) und ein dielektrisches Material (158), das zwischen der Übertragungsleitung und dem Grundelement angeordnet ist, wobei der Signalweg so gestaltet ist, dass elektromagnetische Signale bei einer oder mehreren Frequenzen ein einem Bereich von 10 MHz bis 1000 GHz übertragen werden, und (2) eine Molekularbindungsschicht (156), die elektromagnetisch an den Signalweg gekoppelt ist, wodurch nach dem Kontaktieren der Analyt mit der Molekularbindungsschicht wechselwirkt;das Übertragen eines ersten Eingangssignals im Bereich von 10 MHz bis 1000 GHz entlang des Signalwegs, wodurch das Eingangssignal elektromagnetisch an die Molekularbindungsschicht gekoppelt wird;das Detektieren des modulierten Signals, das während der Wechselwirkung des ersten Eingangssignals mit der Molekularbindungsschicht nach dem Kontakt der Molekularbindungsschicht mit der ersten wässrigen Umgebung erhalten wird.
  2. 2
    The method of claim 1, wherein the modulated signal is calibrated by reference to one or more comparison signals. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das modulierte Signal unter Bezug auf ein oder mehr Vergleichssignale kalibriert wird.
  3. 3
    The method of claim 1 or claim 2, wherein the interaction of the binding of the analyte to a molecule in the includes molecular binding layer. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Wechselwirkung das Binden des Analyts an ein Molekül in der Molekularbindungsschicht umfasst.
  4. 4
    A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the interaction an interaction between the analyte and water in the aqueous includes environment. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wechselwirkung eine Wechselwirkung zwischen dem Analyt und Wasser in der wässrigen Umgebung umfasst.
  5. 5
    A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the interaction a conformational change in a protein as a result of a change in the aqueous includes environment. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wechselwirkung eine Konformationsänderung in einem Protein als Ergebnis einer Änderung in der wässrigen Umgebung umfasst.
  6. 6
    Method according to one of claims 1 to 5, wherein said molecular binding layer the transmission line directly and physically contacted. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Molekularbindungsschicht die Übertragungsleitung unmittelbar und physikalisch kontaktiert.
  7. 7
    A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the transmission line a surface has derivatized, and the molecular binding layer covalently to the derivatized surface is bound. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Übertragungsleitung eine Oberfläche hat, die derivatisiert ist, und die Molekularbindungsschicht kovalent an die derivatisierte Oberfläche gebunden ist.
  8. 8
    Method according to one of claims 1 to 5, wherein said molecular binding layer of the transmission line spaced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Molekularbindungsschicht von der Übertragungsleitung beabstandet ist.
  9. 9
    Method according to one of claims 1 to 8, wherein said molecular binding layer comprises an anti-ligand that is specific for the analyte. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Molekularbindungsschicht einen Antiliganden umfasst, der für den Analyt spezifisch ist.
  10. 10
    A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the first aqueous set around the molecular binding layer in connection , while transfer multiple input signals along the transmission line will. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste wässrige Umgebung mit der Molekularbindungsschicht in Verbindung gesetzt wird, während mehrere Eingangssignale entlang der Übertragungsleitung übertragen werden.
  11. 11
    A method according to any one of claims 1 to 10, wherein the first aqueous Around a sample of body fluid includes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste wässrige Umgebung eine Probe einer Körperflüssigkeit umfasst.
  12. 12
    Method according to one of claims 3 to 11, wherein said molecule is a test compound and said analyte is a target receptor. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei das Molekül eine Testverbindung ist und der Analyt ein Zielrezeptor ist.
  13. 13
    Method according to one of claims 3 to 11, wherein the analyte a first nucleic acid molecule having a first sequence and said molecule a second nucleic acid molecule with a Sequence which is exactly complementary to the first sequence or a mismatch has in its sequence. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei der Analyt ein erstes Nukleinsäuremolekül mit einer ersten Sequenz ist und das Molekül ein zweites Nukleinsäuremolekül mit einer Sequenz ist, die genau komplementär zu der ersten Sequenz ist oder eine Fehlpaarung in ihrer Sequenz aufweist.
  14. 14
    Method according to one of claims 3 to 11, wherein the analyte a first protein and said molecule is a second protein. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei der Analyt ein erstes Protein ist und das Molekül ein zweites Protein ist.
  15. 15
    A method according to any one of claims 1 to 14, wherein said base member a ground plane (130) Parallel to the transmission line at the molecular binding layer includes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Grundelement eine Grundebene (130) parallel zur Übertragungsleitung an der Molekularbindungsschicht umfasst.
  16. 16
    The method of claim 15, wherein said molecular binding layer between the transmission line and the ground plane is disposed. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Molekularbindungsschicht zwischen der Übertragungsleitung und der Grundebene angeordnet ist.
  17. 17
    A method according to any one of claims 1 to 16, wherein the input signal at a frequency of 100 MHz to 1000 GHz operates. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Eingangssignal bei einer Frequenz von 100 MHz bis 1000 GHz arbeitet.
  18. 18
    A method according to any one of claims 1 to 17, wherein the input signal at a frequency of 1 GHz to 1000 GHz operates. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Eingangssignal bei einer Frequenz von 1 GHz bis 1000 GHz arbeitet.
  19. 19
    Process according to claims 1 to 18, wherein the input signal greater at a frequency as 10 MHz and less than 100 GHz operates. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18, wobei das Eingangssignal bei einer Frequenz größer als 10 MHz und kleiner als 100 GHz arbeitet.
  20. 20
    A method according to any one of claims 1 to 19, wherein the input signal greater at a frequency as 45 MHz and less than 20 GHz operates. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Eingangssignal bei einer Frequenz größer als 45 MHz und kleiner als 20 GHz arbeitet.
  21. 21
    A method according to any one of claims 1 to 20, wherein the input signal includes a range of frequencies. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Eingangssignal einen Bereich von Frequenzen umfasst.
  22. 22
    Method according to one of claims 1 to 21, wherein the signal comprises a resonant circuit. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Signalweg einen Resonanzkreis umfasst.
  23. 23
    A method according to any one of claims 3 to 22, further comprising:the Exposing said molecular binding layer to a second solution, the a second molecule contains or suspected of containing, the to the molecule or the analyte binds;and transmitting a second test signal along the signal path, whereby said second test signal to the molecular binding layer is coupled and a second signal response shows that the Binding of the second molecule points. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 22, weiter umfassend: das Aussetzen der Molekularbindungsschicht einer zweiten Lösung, die ein zweites Molekül enthält oder vermutlich enthält, das an das Molekül oder den Analyt bindet;und das Übertragen eines zweiten Testsignals entlang des Signalwegs, wodurch das zweite Testsignal an die Molekularbindungsschicht gekoppelt wird und eine zweite Signalantwort zeigt, die auf das Binden des zweiten Moleküls hinweist.
  24. 24
    Method according to one of claims 1 to 23, adapted so is that the classification of an unknown ligand determined is comprising:providing a pathway to the a first molecular binding layer is coupled to said molecular binding layer N respective antiligand binding to N respective ligand substructures includes;applying a solution containing one or more contains unknown ligands over the Molecular binding layer;forming, in response to a second molecular binding layer along the signal path, wherein the second molecular binding layer, the N antiligand and every comprises the unknown ligand, attached to one of N antiligands have bound;forwarding a plurality of test signals to said second molecular binding layer, wherein each of the test signals coupled to at least one of said N antiligands that of a Ligand binds substructures and in response to a measured Response shows that in the presence of a binding of the anti-ligands the substructure points;and providing known Signal responses for comparison with the measured response, the known answers a known classification of ligands define, with the unknown ligand known within the Classification is classified when a predetermined number of known signal responses within a predetermined range correlated with the measured responses. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, das so angepasst ist, dass die Klassifikation eines unbekannten Liganden ermittelt wird, umfassend: das Bereitstellen eines Signalwegs, der an eine erste Molekularbindungsschicht gekoppelt ist, wobei die Molekularbindungsschicht N jeweilige Antiliganden zum Binden an N jeweilige Ligand-Unterstrukturen umfasst;das Aufbringen einer Lösung, die einen oder mehrere unbekannte Liganden enthält, über der Molekularbindungsschicht;das Bilden, als Antwort darauf, einer zweiten Molekularbindungsschicht entlang des Signalswegs, wobei die zweite Molekularbindungsschicht die N Antiliganden und jeden der unbekannten Liganden umfasst, die an einen der N Antiliganden gebunden haben;das Weiterleiten einer Vielzahl von Testsignalen an die zweite Molekularbindungsschicht, wobei jedes der Testsignale an mindestens einen der N Antiliganden koppelt, der an einen der Ligand-Unterstrukturen bindet und als Antwort darauf eine gemessene Antwort zeigt, die auf das Vorhandensein einer Bindung des Antiliganden an die Unterstruktur hinweist;und das Bereitstellen von bekannten Signalantworten zum Vergleich mit der gemessenen Antwort, wobei die bekannten Antworten eine bekannte Klassifikation von Liganden definieren, wobei der unbekannte Ligand innerhalb der bekannten Klassifikation klassifiziert wird, wenn eine vorbestimmte Zahl der bekannten Signalantworten innerhalb eines vorher bestimmten Bereichs mit den gemessenen Reaktionen korreliert.
  25. 25
    An apparatus for examining the interaction of a Analyte with its environment, comprising:a signal, wherein the signal path comprises: (a) a waveguide or (b) a transmission line (120) a base member (130) And a dielectric layer (158) Interposed between the transmission line and the base member is arranged, wherein the signal path is designed so that electromagnetic Signals at one or more frequencies in a range of transmitted 10 MHz to 1000 GHz will;a molecular binding layer (156), The electromagnetic is coupled to the signal path;a signal source (110) for transferring a first test signal in the range from 10 MHz to 1000 GHz along the Signal path, whereby said test signal electromagnetically to the molecular binding layer is coupled;and a detector (160) For detecting a first modulated signal, while the interaction of the first The test signal is obtained with the molecular binding layer. Vorrichtung zum Untersuchen der Wechselwirkung eines Analyts mit seiner Umgebung, umfassend: einen Signalweg, wobei der Signalweg umfasst: (a) einen Wellenleiter oder (b) eine Übertragungsleitung (120), ein Grundelement (130) und eine dielektrische Schicht (158), die zwischen der Übertragungsleitung und dem Grundelement angeordnet ist, wobei der Signalweg so gestaltet ist, dass elektromagnetische Signale bei einer oder mehreren Frequenzen in einem Bereich von 10 MHz bis 1000 GHz übertragen werden;eine Molekularbindungsschicht (156), die elektromagnetisch an den Signalweg gekoppelt ist;eine Signalquelle (110) zum Übertragen eines ersten Testsignals im Bereich von 10 MHz bis 1000 GHz entlang des Signalwegs, wodurch das Testsignal elektromagnetisch an die Molekularbindungsschicht gekoppelt wird;und einen Detektor (160) zum Detektieren eines ersten modulierten Signals, das während der Wechselwirkung des ersten Testsignals mit der Molekularbindungsschicht erhalten wird.
  26. 26
    The apparatus of claim 25, further comprising means for comparing said first modulated signal with a comparison signal. Vorrichtung nach Anspruch 25, weiter umfassend Mittel zum Vergleichen des ersten modulierten Signals mit einem Vergleichssignal.
  27. 27
    The apparatus of claim 26, further comprising Retention structure for retaining a solution along the molecular binding layer. Vorrichtung nach Anspruch 26, weiter umfassend eine Rückhaltestruktur zum Zurückhalten einer Lösung entlang der Molekularbindungsschicht.
  28. 28
    Device according to one of claims 25 to 27 with an input signal terminal and an output port, the same physical include connection. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27 mit einem Eingangssignalanschluss und einem Ausgangssignalanschluss, die denselben physikalischen Anschluss umfassen.
  29. 29
    Device according to one of claims 25 to 27 with an input signal terminal and an output signal terminal, the two physically separate connections include. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27 mit einem Eingangssignalanschluss und einem Ausgangssignalanschluss, die zwei physikalisch getrennte Anschlüsse umfassen.
  30. 30
    Device according to one of claims 25 to 29, wherein the test signal comprising:either (A) a variable frequency signal, said Signal response a transmission loss S2l-frequency response the test signal comprises;or (B) a frequency-varying signal, wherein the signal response a return loss S11 frequency response the test signal comprises;or (C) a frequency-varying signal, which is a resonant response;or (D) a variable frequency Signal, which is a non-resonant response;or (E) pure frequency or a variable frequency signal, wherein the signal response a shift in one or more of frequencies comprises;or (F) a time domain waveform and said signal response a transmitted Time domain response comprises;or (G) a time domain waveform and the signal response comprises a reflected time domain waveform;or (H) a time domain waveform of varying pulse intervals and the signal response comprises a reflected time domain waveform. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, wobei das Testsignal umfasst: entweder (a) ein frequenzvariables Signal, wobei die Signalantwort eine Übertragungsverlust-S2l-Frequenzantwort des Testsignals umfasst;oder (b) ein frequenzvariables Signal, wobei die Signalantwort eine Rückführungsverlust-S11-Frequenzantwort des Testsignals umfasst;oder (c) ein frequenzvariables Signal, das eine Resonanzantwort ist;oder (d) ein frequenzvariables Signal, das eine nicht-resonante Antwort ist;oder (e) eine reine Frequenz oder ein frequenzvariables Signal, wobei die Signalantwort eine Verschiebung in einer oder mehreren der Frequenzen umfasst;oder (f) eine Zeitbereichswellenform und die Signalantwort eine übertragene Zeitbereichsantwort umfasst;oder (g) eine Zeitbereichswellenform und die Signalantwort eine reflektierte Zeitbereichswellenform umfasst;oder (h) eine Zeitbereichswellenform mit variierenden Pulsintervallen und die Signalantwort eine reflektierte Zeitbereichswellenform umfasst.
  31. 31
    A computer program element comprising computer program code, for a computer, the steps of the method according to any one of claims 1 to 24 performs. Computerprogrammelement umfassend Computerprogrammcode, damit ein Computer die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24 durchführt.
  32. 32
    A computer program element according to claim 31, on is a computer readable medium embodies. Computerprogrammelement nach Anspruch 31, das auf einem computerlesbaren Medium verkörpert ist.
Independent claims32