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原文传递单分子成像

专利名称：	单分子成像
摘要：	单分子检测包括将单分子结合到光学透明基板的表面，用具有选定的入射角的光照射基板的表面以实现光的全反射，从而散射来自表面和来自结合到表面的单分子的光；并收集由表面和由结合在表面上的单分子散射的光以形成系列图像。用于检测单分子的系统包括光学透明基板，用于使样品溶液流过基板表面的装置，被配置为照射表面的光源，摄像机，和被配置为收集由表面和由表面上的靶分子散射的光以在摄像机上形成系列图像的光学收集系统。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	亚利桑那州立大学亚利桑那州董事会
发明人：	陶农建;王少鹏;张鹏飞
专利状态：	有效
申请日期：	2021-02-12T00:00:00+0800
发布日期：	2022-12-02T00:00:00+0800
申请号：	CN202180027927.2
公开号：	CN115427809A
代理机构：	上海弼兴律师事务所
代理人：	徐婕超
分类号：	G01N33/543;G;G01;G01N;G01N33;G01N33/543
申请人地址：	美国亚利桑那州
主权项：	1.一种检测单分子的方法，所述方法包括：将所述单分子结合到光学透明基板的表面；用具有选定的入射角的光照射所述基板的表面以实现所述光的全反射，从而散射来自所述表面和来自结合到所述表面的所述单分子的光；和收集由所述表面和由结合到所述表面的所述单分子散射的光以形成系列图像。 2.如权利要求1所述的方法，其中选择所述表面的粗糙度，使得所述表面产生散射光以充分与由所述单分子散射的光相干涉。 3.如权利要求2所述的方法，其中所述表面的粗糙度在1nm和100nm之间。 4.如权利要求1所述的方法，其中还包括处理所述系列图像。 5.如权利要求4所述的方法，其中处理所述系列图像包括：对所述系列图像中的图像进行平均化；从每幅图像中减去前一幅图像，形成差分图像序列；和随着时间的推移对所述差分图像序列进行积分。 6.如权利要求1所述的方法，还包括计数随着时间的推移与所述表面结合的多个单分子并与结合模型拟合以确定动力学常数和亲和力。 7.如权利要求1所述的方法，还包括校正机械漂移。 8.如权利要求7所述的方法，其中校正机械漂移包括：识别所述表面的一个或多个特征；确定每个图像的漂移位移；和从每个图像中减去所述漂移位移。 9.如权利要求1所述的方法，其中所述光学透明基板涂覆有捕获分子，从而可以检测和识别样品溶液中目标分析物的特异性结合。 10.如权利要求1所述的方法，其中所述表面涂覆有金属层，并且选择所述入射角以在所述金属层上产生表面等离子体共振。 11.如权利要求10所述的方法，其中所述金属层为金。 12.如权利要求1所述的方法，其中所述光学透明基板包括附接至具有折射率匹配油的载玻片的光学物镜。 13.如权利要求1所述的方法，其中所述光学透明基板包括附接至具有折射率匹配油的载玻片的光学棱镜。 14.一种系统，包括：光学透明的固体基板；用于使样品溶液流过基板的表面的装置；光源，其被配置为用具有选定的入射角的光照射所述表面以实现所述光的全反射；摄像机；和光学收集系统，其被配置为收集由所述表面和由所述表面上的靶分子散射的光，同时避免收集从所述表面反射的光，以在所述摄像机上形成系列图像。 15.如权利要求14所述的系统，其中选择所述表面的粗糙度，使得所述表面产生散射光以充分与由所述靶分子散射的光相干涉。 16.如权利要求15所述的系统，其中所述表面的粗糙度在1nm和100nm之间。 17.如权利要求14所述的系统，其中用于使样品溶液流过所述基板的表面的装置包括：在所述基板表面上具有入口和出口的流体室；将样品和参考溶液输送到所述基板表面的装置；和调节所述样品和参考溶液流速的装置，以最小化与入射光相关的表面加热。 18.如权利要求14所述的系统，还包括控制器，其中所述控制器被配置为：对所述系列图像中的图像进行平均化；从每幅图像中减去前一幅图像，形成差分图像序列；和随着时间的推移将所述差分图像序列进行积分。 19.如权利要求14所述的系统，其中所述光学收集系统被配置为从入射光和反射光的相对侧收集由所述表面和由所述表面上的所述靶分子散射的光。 20.如权利要求14所述的系统，其中所述光学收集系统被配置为从入射光和反射光的同一侧收集由所述表面和由所述表面上的所述靶分子散射的光，但避免收集所述反射光。 21.如权利要求14所述的系统，其中所述表面包括被配置为与所述靶分子结合的受体，并且通过随时间计数所述靶分子并与结合模型拟合以确定动力学常数和亲和力来检测所述靶分子的结合和解离。 22.如权利要求14所述的系统，还包括控制器，其中所述控制器被配置为校正机械漂移。 23.如权利要求22所述的系统，其中校正机械漂移包括：识别所述表面的一个或多个特征；确定每个图像的漂移位移；和从每个图像中减去所述漂移位移。 24.如权利要求14所述的系统，其中所述固体基板涂覆有捕获分子，从而可以检测和识别样品溶液中目标分析物的特异性结合。 25.如权利要求14所述的系统，其中所述表面涂有金属层，并且选择所述入射角以在所述金属层上产生表面等离子体共振。 26.如权利要求25所述的系统，其中所述金属层为金。 27.如权利要求14所述的系统，其中所述光学透明的固体基板包括附接至具有折射率匹配油的载玻片的光学物镜。 28.如权利要求14所述的系统，其中所述光学透明的固体基底包括附接至具有折射率匹配油的载玻片的光学棱镜。 29.一种对液体样品中的多种组分进行成像的方法，所述方法包括：使所述液体样品流过光学透明基板的金属涂覆表面，从而将所述组分耦合到所述金属涂覆表面；通过光学棱镜以选定的入射角将光引导到所述金属涂覆表面，以在所述金属涂覆表面实现表面等离子体共振；在一段时间内获得系列图像，所述系列图像包括与耦合到所述金属涂覆表面的每种组分散射的光相对应的区域；和根据所述系列图像，评估由耦合到所述金属涂覆表面的每种组分散射的光的强度作为时间的函数。 30.如权利要求29所述的方法，其中从每个组分散射的光的峰值强度随着所述组分的质量增加而增加。 31.如权利要求29所述的方法，还包括根据所述系列图像评估每种组分耦合到所述金属涂覆表面的时间长度。 32.如权利要求31所述的方法，其中所述每种组分耦合到所述金属涂覆表面的时间长度表示所述组分耦合到所述金属涂覆表面的机制。 33.如权利要求29所述的方法，其中所述多种组分包括多种靶分子。 34.如权利要求33所述的方法，其中所述金属涂覆表面包含受体，并且每个受体被配置为与所述多种靶分子之一特异性结合。 35.如权利要求34所述的方法，其中所述多种组分包括多种非靶分子。 36.如权利要求35所述的方法，其中所述非靶分子不与所述受体特异性结合。 37.如权利要求36所述的方法，还包括基于由耦合到所述金属涂覆表面的每种组分散射的光的峰值强度来区分所述靶分子和所述非靶分子。 38.如权利要求36所述的方法，还包括基于每种组分耦合到所述金属涂覆表面的时间长度来区分所述靶分子和所述非靶分子。 39.如权利要求34所述的方法，还包括基于每种靶分子耦合到所述金属涂覆表面的时间长度，区分与所述受体结合的靶分子和其他耦合至所述金属涂覆表面的靶分子。 40.如权利要求34所述的方法，还包括评估在预选时间间隔内与所述受体结合的多个靶分子。 41.如权利要求40所述的方法，还包括评估在预选时间间隔内与所述受体解离的多个靶分子。 42.如权利要求41所述的方法，还包括评估所述靶分子和所述受体之间的结合动力学的级数。 43.如权利要求34所述的方法，还包括基于由耦合到所述金属涂覆表面的每种组分散射的光的峰值强度区分结合的靶分子和靶分子的结合聚集体。 44.如权利要求43所述的方法，还包括基于由靶分子的聚集体散射的光的峰值强度在所述靶分子的聚集体中的多个靶分子。 45.如权利要求33所述的方法，其中所述靶分子为蛋白质。 46.如权利要求29所述的方法，其中所述液体样品包含缓冲溶液和至少10wt％的血清。 47.如权利要求46所述的方法，其中使所述液体样品流过所述金属涂覆表面包括将所述液体样品与载液混合，并且所述载液包括所述缓冲溶液或不同的缓冲溶液。 48.如权利要求29所述的方法，其中由耦合到所述金属涂覆表面的所述每种组分散射的光对应于由所述金属涂覆表面的粗糙度和所述靶分子散射的表面等离子体波之间的干涉。 49.如权利要求29所述的方法，其中所述金属涂覆表面为金涂覆表面、银涂覆表面或铝涂覆表面。