專利名稱：用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)與磁珠結(jié)合使用，所述磁珠通常溶解于 待分析的生物材料中。
生物傳感器中磁性標(biāo)簽的這種使用有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
一是能通過施加磁
場梯度激勵(lì)》茲珠。這允許控制測定(assay)、加速過程并且使得測定更 特定且更可靠。
此外，生物流體中不存在磁性背景信號，這在用磁性手段檢測標(biāo)簽 時(shí)是有利的。
磁性標(biāo)簽可用各種方式檢測，例如傳感器或生物傳感器可以是任意 合適的傳感器，基于顆粒的任何特性來檢測在傳感器表面上或其附近的 磁性顆粒的存在，例如它可通過磁性方法(例如磁阻式方法、霍爾(hall) 傳感器、線圈)、光學(xué)方法(成像、熒光、化學(xué)發(fā)光、吸收、散射、表 面等離子共振術(shù)、拉曼)、聲波檢測(例如聲表面波、體聲波、懸臂梁、 石英晶體等)、電檢測(例如傳導(dǎo)、阻抗，安培計(jì))、氧化還原循環(huán)等。
挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)具有如下特性的磁性系統(tǒng)
-高可切換梯度
畫僅在套筒(cartridge) —側(cè)的磁體 -無需機(jī)械運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)磁場切換
-讀取器內(nèi)套筒的自對準(zhǔn)，即傳感器表面相于磁體最大作用力區(qū)域 的對準(zhǔn)。
磁性標(biāo)簽的激勵(lì)要求可切換的場梯度，以得到朝向或遠(yuǎn)離傳感器表 面的作用力。例如，這些作用力需要用于提高傳感器表面附近的標(biāo)簽濃 度和用于磁性短缺(stringency)。 一種已知的解決方案是在套筒任一側(cè) 采用兩個(gè)不茲體[例如Luxton, Anal. Chem. 76, 1715(2004)]。該解決方案的 缺陷是套筒和傳感器讀取頭存在幾何限制，并且包含大量部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能 夠在高磁性梯度之間迅速切換，而不需機(jī)械元件的運(yùn)動。
對于用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)，由專利權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)了 所述目的。
公開了具有被間隙分離的兩個(gè)磁性子單元的生物傳感器磁體，其特 征在于，傳感器表面的；茲場梯度可通過兩個(gè)對應(yīng)的子單元的相對》茲化方 向的電控制進(jìn)行切換。
本發(fā)明的另外的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求2-9中進(jìn)行了描述。
本發(fā)明的基本思想和功能是兩個(gè)獨(dú)立的電磁單元在 一 定間隙上的 極靴區(qū)域中被分離，其中樣本體積通過套筒設(shè)置，其中傳感器表面位于 套筒的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面上。
這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于
-無需機(jī)械運(yùn)動的高可切換梯度
-磁體僅置于套筒的一側(cè)，使得系統(tǒng)適用于多種檢測技術(shù)(例如光 學(xué)的，磁性的檢測技術(shù))
-簡單滑動給予傳感器表面相對于磁體的良好對準(zhǔn)。
一個(gè)實(shí)施例的特征在于電磁單元被平行地設(shè)置，使得磁芯至少延伸 到超出磁性單元的上端的套筒高度上，并且套筒被設(shè)置在縫隙內(nèi)這些平 行設(shè)置的延伸的磁芯部分之間。因此，套筒和與之一起的流體處于磁力 線的最近的可能影響內(nèi)。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，電磁單元被電裝置驅(qū)動或操縱，使得磁芯 部分之間的；茲性極化可在N-N、 N-S、 S-N和S-S之間切換。通過這樣的 方式，對流體的磁力可以容易且迅速地在有效的排斥和吸引之間切換。
本發(fā)明的另 一實(shí)施例是套筒的開口側(cè)被光學(xué)窗覆蓋。
此外，通過這樣的方式，在另一實(shí)施例中，聚焦光學(xué)讀出裝置可以 設(shè)置在光學(xué)窗之上。此外，分析物(其表示要由生物傳感器檢測的物質(zhì)) 可通過電子信號估計(jì)自動實(shí)現(xiàn)。
在另一實(shí)施例中，套筒具有U型輪廓并且由至少幾乎不易受影響的 材料制成。這種套筒形式可直接設(shè)計(jì)在磁芯元件之間的給定結(jié)構(gòu)間隙 中，并且能夠容易地被上述窗口覆蓋。這導(dǎo)致封閉的管狀套筒，通過該管狀套筒流體介質(zhì)能有效地穿過。
為了有效地使用表面以便定位活性傳感器或傳感器表面， 一個(gè)傳感 器或傳感器表面位于套筒的底部，而另一個(gè)位于其附近，并且讀出系統(tǒng) 是磁性讀出系統(tǒng)。
總之，套筒是樣本流動通道，其中待分析流體被泵浦或抽吸通過。


本發(fā)明的不同實(shí)施例在圖1-圖4中示出。 圖1為兩種不同的磁性取向的示意圖。
圖2為依賴于距離z的B"的梯度的計(jì)算。 圖3為具有光學(xué)讀取器的實(shí)施例。 圖4為具有套筒的實(shí)施例。
圖1示出了磁性系統(tǒng)詳細(xì)部分的第一個(gè)示意圖。由此，給出了兩個(gè) 可分開控制的磁性子單元，從而可彼此獨(dú)立地選擇這兩個(gè)單元的磁化取 向，其示于圖1。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，所述系統(tǒng)可以具有兩種不同的配置， 即北-北和北-南(南-南得到與北-北相同的配置)。圖2中示意性地示出 了這兩種配置的石茲力。這兩種配置的；茲場圖樣以一定方式改變，使得最 高磁通密度由縫隙上的某處移動到縫隙內(nèi)的某處。這表示在感興趣區(qū)域 (縫隙之間或正好在縫隙之上)內(nèi)梯度( 作用力)符號被改變。換言 之通過改變兩個(gè)磁性子單元之一的極性，作用力的方向^皮翻轉(zhuǎn)。
<叉<義子單元的上部以及感興趣區(qū)域內(nèi)的一些石茲力線一同凈皮畫出。 (a)兩個(gè)子單元具有相同的極化取向(N-N) 。
(b)子單元相互之間 有相反的取向(N-S)。兩種配置的磁場圖樣以一定方式發(fā)生改變，使 得磁場的梯度(~作用力)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其用箭頭表示。
圖2中示出了本實(shí)施例中所描述的兩種配置的磁場梯度計(jì)算。施加 于磁性顆粒的磁力與BZ的梯度成比例，這意味著圖2中示出的曲線與系 統(tǒng)針對這兩種不同配置施加的作用力成比例。符號的改變表示作用力方 向的改變。這證明了所述磁性系統(tǒng)能通過簡單地電改變兩個(gè)子單元之一 的不茲化作用而切換 磁力方向。
因此，圖2示出了 BZ的梯度的計(jì)算，其由所述兩種不同的磁極配 置得到。這些計(jì)算在所述兩個(gè)磁性子單元的中間完成。在磁極表面，距離Z被定義為零。進(jìn)一步往下(在子單元之間/縫隙內(nèi))，Z值變負(fù)，而
在磁極表面之上，z被定義為正。正梯度表示作用力如圖lb所示朝下。 負(fù)梯度表示作用力如圖la所示朝上。應(yīng)當(dāng)注意的是，兩條曲線在y軸 具有不同的值。
圖3示出了有利的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，繪出了與光學(xué)檢測系統(tǒng) 結(jié)合的磁性系統(tǒng)的 一種可能的使用。 光學(xué)標(biāo)簽提供了一些希望的特性
-許多檢測可能性，如成像、熒光、吸收、散射、濁度測定法 (turbidometry) 、 SPR、 SERRS、發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、電子化學(xué)發(fā)光、FRET等。
-成像可能性提供了高的多路復(fù)用性。 -光學(xué)標(biāo)簽通常小且不會過多影響測定
一種好的結(jié)合是采用磁性標(biāo)簽，所述磁性標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^施加磁場梯 度來激勵(lì)并且能夠光學(xué)地檢測。在這種情況下，光學(xué)檢測能夠由光學(xué)-傳感器裝置自動完成。
有利的是，光學(xué)和磁學(xué)在以下意義上是正交的在大多數(shù)情況下， 光束不表現(xiàn)出與磁場發(fā)生干擾，反之亦然。這意味著磁性激勵(lì)可理想地 適合于與光學(xué)檢測的結(jié)合。諸如由激勵(lì)場引起的傳感器干擾之類的問題 -故消除。
結(jié)合磁性激勵(lì)和光學(xué)檢測的問題在于幾何限制。為了發(fā)展兼容于磁 性激勵(lì)裝置的套筒技術(shù)，典型地，電磁體需要工作在磁體和傳感器表面 之間的小距離上。光學(xué)系統(tǒng)需要掃描同一表面，可能具有高NA(數(shù)值 孔徑)的光學(xué)器件。
因此，當(dāng)綜合磁性激勵(lì)和光學(xué)檢測的構(gòu)思時(shí)，光學(xué)-機(jī)械裝置和電磁 體相互阻礙。優(yōu)選地，需要磁體僅在一側(cè)的配置。該磁體應(yīng)當(dāng)能夠產(chǎn)生 可切換的石茲場。在一個(gè)實(shí)施例中，該配置中》茲場梯度的切換無需任何機(jī) 械運(yùn)動來完成。
因此，該實(shí)施例描述了用于緊湊光學(xué)生物傳感器系統(tǒng)的有利構(gòu)造， 其包括與光學(xué)檢測/讀出系統(tǒng)5結(jié)合的磁性縫隙系統(tǒng)1、 2、 1，、 2，。
兩個(gè)磁性子單元包括第一線圏i與第一芯r，和第二線圏2與第二 芯2，。這些子單元平行地設(shè)置。芯r和2，具有矩形截面。向外伸出的芯 r和2，結(jié)構(gòu)上形成縫隙。所述磁性系統(tǒng)的雙作用力特點(diǎn)使得在另 一側(cè)使用光學(xué)檢測系統(tǒng)5成 為可能。該配置具有流動通道或套筒3,其包含置于該縫隙中的樣本體 積，其中活性表面與兩個(gè)磁性子單元的磁極表面對準(zhǔn)?，F(xiàn)在，樣本體積 被置于感興趣區(qū)域內(nèi)，其中磁力方向能夠被切換并且活性/傳感器表面位 于最大作用力區(qū)域(z=0，參見圖2)。通過光學(xué)窗4，可以掃描傳感器 表面而不掃描有噪聲的樣本體積。
圖4示出實(shí)現(xiàn)了某些具體功能的最后一個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施例中， 示出了磁性系統(tǒng)的另 一種可能的使用，即結(jié)合磁性檢測芯片。
該實(shí)施例描述了磁性生物傳感器系統(tǒng)，其包括與磁性檢測和讀出系 統(tǒng)6結(jié)合的磁性縫隙系統(tǒng)。由此，利用縫隙系統(tǒng)的益處，所述益處為傳 感器表面處最大磁力與套筒的容易且良好的對準(zhǔn)，而無需機(jī)械運(yùn)動。
在該實(shí)施例中，包含樣本體積的流動通道或套筒3置于縫隙中，其 中活性表面與兩個(gè)磁性子單元的磁極表面對準(zhǔn)。在無需光學(xué)窗的情況 下，在選擇傳感器活性表面6的位置方面具有更多的自由度，所述表面 是磁性讀出器。該縫隙系統(tǒng)的另一個(gè)益處是，磁場的方向在縫隙上相比 于軸向?qū)ΨQ系統(tǒng)更均勻。獨(dú)立于傳感器(例如GMR (巨磁阻傳感器) 相對于縫隙的對準(zhǔn)，相對于縫隙的磁場方向始終是相同的。
待分析的流體由泵浦或抽吸裝置抽吸或泵浦通過套筒3,所述裝置 必須應(yīng)用在套筒3的一端。
若干優(yōu)勢可通過此方式實(shí)現(xiàn)
-無機(jī)械運(yùn)動部分從排斥力切換到吸引力
-簡單的滑動給出良好的對準(zhǔn)
-適用于光學(xué)感測、i茲感測等。
另外的效果
國除了分子測定之外，也能檢測較大的成分，例如細(xì)胞、病毒或者 細(xì)胞或病毒的部分、組織提取物等
-檢測可以在相對于生物傳感器表面掃描或不掃描傳感器元件的情 況下發(fā)生。
-測量數(shù)據(jù)能夠作為端點(diǎn)測量而得到，也能通過動態(tài)地或間歇地記 錄信號而得到。
-標(biāo)簽?zāi)苡酶袦y方法直接檢測。此外，可以在4全測之前對顆粒進(jìn)行 進(jìn)一步的處理。進(jìn)一步處理的例子是添加材料，或者為便于檢測對標(biāo)簽的(生物)化學(xué)或物理特性進(jìn)行修改。
-所述設(shè)備能與若干生物化學(xué)測定類型一起使用，所述測定類型例 如結(jié)合/去結(jié)合測定、夾心式測定、竟?fàn)帨y定、置換測定、酶測定等。
-本發(fā)明的設(shè)備和系統(tǒng)適合于傳感器復(fù)用(即不同傳感器和傳感器 表面的并行使用)、標(biāo)簽復(fù)用(即不同類型的標(biāo)簽的并行使用)和室復(fù) 用(即不同反應(yīng)室的并行使用)。
-本發(fā)明所描述的設(shè)備和系統(tǒng)可以用作快速、魯棒和易于使用的小
樣本體積現(xiàn)場護(hù)理(point-of-care )生物傳感器。所述反應(yīng)室可以是要與 緊湊讀取器一起使用的一次性物品，包含所述一個(gè)或多個(gè)磁場發(fā)生裝置 和一個(gè)或多個(gè)檢測裝置。
此外，本發(fā)明的設(shè)備和系統(tǒng)也能用在自動化高通量測試中。在這種 情況下，所述反應(yīng)室是例如安裝到自動化儀器中的孔板(well plate)或 小容器(cuvette)。
附圖標(biāo)記 1第一線圈 2第二線圈 1，第一芯 2，第二芯 3套筒 4光學(xué)窗
5光學(xué)系統(tǒng)讀取器，光學(xué)讀出系統(tǒng) 6傳感器表面，石茲性讀出系統(tǒng)
權(quán)利要求
1.一種用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)，其中兩個(gè)獨(dú)立電磁單元(1，1’，2，2’)在一定間隙上的電磁單元(1，1’，2，2’)極靴區(qū)域中被分離，其中樣本體積通過套筒(3)設(shè)置，并且其中生物傳感器的傳感器表面位于套筒(3)的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面處。
2. 根據(jù)權(quán)利要求i的電磁系統(tǒng)，其特征在于，電磁單元(i， r, 2， 2，)平行地設(shè)置，使得磁芯(r, 2，)至少延伸到超出磁性單元上端的套筒(3)高度上，并且套筒(3)被設(shè)置在縫隙內(nèi)這些平行設(shè)置的延伸 的磁芯部分之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i的電磁系統(tǒng)，其特征在于，電磁單元(i， r, 2,2，)被電裝置驅(qū)動或操縱，使得磁芯部分之間的磁性極化可在N-N、 N-S、 S-N和S-S之間切換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的電磁系統(tǒng)，其特征在于，套筒(3)的開口側(cè) 被光學(xué)窗(4)覆蓋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的電磁系統(tǒng)，其特征在于，聚焦光學(xué)讀出裝置(5)被設(shè)置在光學(xué)窗(4)之上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5的電磁系統(tǒng)，其特征在于，套筒(3)為U形輪廓并且由至少幾乎不易受影響的材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的電磁系統(tǒng)，其特征在于， 一個(gè)傳感器或傳感器 表面位于套筒(3)的底部并且另一個(gè)位于第一個(gè)被提及的傳感器表面 附近，并且所述讀出系統(tǒng)是^茲性讀出系統(tǒng)(6)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的電磁系統(tǒng)，其特征在于，套筒(3)為樣本流 動通道，其中待分析流體^皮泵浦或抽吸通過。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的電磁系統(tǒng)，其特征在于，光電傳感器裝置被設(shè) 置在光學(xué)裝置(5)的焦點(diǎn)處。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于生物傳感器的電磁系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在高磁場梯度之間迅速切換，而不需要機(jī)械元件的運(yùn)動。這通過在一定間隙上的極靴區(qū)域中被分離的兩個(gè)獨(dú)立電磁單元(1，1’，2，2’)實(shí)現(xiàn)，其中樣本體積通過套筒(3)設(shè)置，并且其中生物傳感器的傳感器表面位于套筒(3)的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面處。
文檔編號G01N27/72GK101622533SQ200880007125
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月6日
發(fā)明者A·H·J·英明克, M·W·J·普林斯, P·J·W·范蘭克維爾特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司