[发明专利]用于改善信号检测的化合物和系统

说明书

用于通过向反应混合物中加入一种或多种信号检测测定(SDA)增强剂来增加光照分析反应中的信噪比(SNR)和/或增强光保护的组合物、装置、系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月19日提交的标题为“用于改善信号检测的化合物和系统(Compounds and Systems for Improving Signal Detection)”的美国临时专利申请62/257,581的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

发明背景

在分析化学、生物化学和生物学领域中，广泛使用光学可检测的标记基团，尤其是那些具有高量子产率的标记基团，例如荧光、磷光、发光或化学发光基团。特别是通过提供高度可见的与特定反应有关的信号，人们能够更好地监测反应和任何该反应的可能效应物。这样的分析是基因组学、诊断学、药物研究和相关领域中生命科学研究的基础工具。

例如，利用荧光染料标记的基于荧光的光学测定经常用于科学分析。在基于荧光的光学测定中检测到的荧光是存在于反应混合物中的荧光团或荧光染料中发生的三阶段过程的结果。第一阶段是激发，其中提供来自特定波长的外部光源(例如来自激光器)的具有量化能量的光子，并被荧光团吸收，产生激发的电子单重态(S₁')。第二阶段是激发的荧光团经历几种不同变化以释放其能量至最低单重态(S₁)的激发态寿命。在第三阶段从S₁态可以发生几种可能的机理，荧光(其中发射能量光子(S₁-S₀))使荧光团返回到其基态。通常会发生成千上万的这些激发和发射的三阶段过程，以产生可通过标准光学传感器检测到的信号。

耗散激发电子单重态的能量的许多途径之一是系间窜越(ISC)，涉及自旋多重性的变化，将电子从S1过渡到激发三重态(T1)。在许多荧光染料分子中，寿命明显更长的三重态物质的形成大大降低了荧光发射的亮度。此外，它在这种状态下表现出高度的化学反应性，这经常导致光漂白和产生有害的自由基。

通常在反应物量相对于所研究的反应所需量远远过量的情况下进行使用光学可检测的标记基团的分析。这种过量的结果是提供了高度可检测性，以及补偿由于检测系统导致的任何损失，并且能够进行信号检测而对反应物的冲击最小。例如，基于荧光标记基团的分析通常需要使用针对反应混合物的激发辐射源以激发荧光标记基团，然后可对其进行单独检测。然而，使用光学可检测标记基团的一个缺点是化学和生物化学反应物单独或存在其它成分(例如荧光基团)时长时间接触这样的光源，会损伤这些反应物，例如蛋白质，酶等。这种缺陷的传统解决方案是存在的反应物远远过量，使得未损伤的反应物分子数远超损伤的反应物分子，从而使得光致损伤的效果最小或消除。

目前使用的各种分析技术已偏离了传统技术。特别是，许多反应基于越来越小量的试剂，例如在微流体或纳米流体反应容器中或通道中，或在“单分子”分析中。这些分析系统一次只能观察一个或几个“事件”。例如，这样的事件可以是抗原与抗体的结合，针对受体的配体结合，聚合物(例如，核酸，蛋白质或糖聚合物)的裂解，单元掺入聚合物(例如，氨基酸掺入蛋白质，核苷酸掺入核酸等)。这种低反应物体积在许多高通量应用中越来越重要，因此它们可以提供当在更传统的整体方法中观察多个分子时无法获得的数据。

在进行包含标记反应物的单分子(或少数分子)反应时，一个挑战是能够区分参与观察事件的标记反应物与反应混合物中游离的其他标记反应物。这对于需要高浓度反应物的分子间事件尤其重要，例如确保与催化反应的酶的充分结合。这样，反应混合物中的标记反应物可以发出“背景”噪声，其模糊了反应混合物中感兴趣事件的信号的检测。在这样的分析中，术语“信噪比”是指将期望信号(“信号”)的水平与背景信号或“噪声”的水平进行比较的测量。

基于越来越小量的试剂进行反应的另一挑战是这种反应受光致损伤(例如光漂白和自由基形成)的影响更严重。例如，单分子反应中酶组分的光致损害可以完全停止反应并阻止进一步的数据采集。