專利名稱：測量材料的交流磁化量的裝置與檢測生物分子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種測量磁性流體的磁化量(magnetization)的方法與裝置，且 特別是有關(guān)于一種測量材料的交流磁化量的裝置與檢測生物分子的方法。
背景技術(shù)：
磁性流體是含有散布磁性納米粒子于溶劑的膠體溶液。磁性納米粒子的材質(zhì)通常 是鐵磁體。因此每個(gè)磁性納米粒子具有永久磁矩。為了穩(wěn)定地散布磁性納米粒子于溶劑 中，磁性納米粒子被以界面活性劑涂布。舉例來說，采用親水性有機(jī)材質(zhì)的界面活性劑可將 磁性納米粒子散布于水溶液。借助界面活性劑與納米等級(jí)的尺寸，磁性納米粒子可個(gè)別地 分散于溶劑中。基于熱能的原因，獨(dú)立磁性納米粒子具布朗運(yùn)動(dòng)。雖然每個(gè)磁性納米粒子 是鐵磁體，亦即具有永久磁矩，磁性納米粒子在零磁場的液體中，其磁矩方向?yàn)榈认蛐缘姆?布，因此使得在液體中的磁性納米粒子的合成磁矩為零。然而當(dāng)施加磁場于磁性流體時(shí)，每 個(gè)磁性納米粒子的磁矩趨于對(duì)齊于施加磁場的方向。磁性流體在施加磁場H且溫度為T的 情況下，磁性流體的合成磁矩(以下稱磁化量)M理論上可用Langevin公式表之。(1) M ⑴=M。(coth 1-1/I)在公式(1)中，其中M。= Nm為飽和磁化量，N為磁性納米粒子的總數(shù)，m為磁性粒 子的平均磁矩，且I可寫成(2) I = u。mH/kBT，其中H為施加的磁場，kB為波茲曼常數(shù)，P ^為自由空間的導(dǎo)磁系數(shù)，T為測量溫度。根據(jù)公式(1)與公式(2)，在指定溫度T時(shí)，磁性流體的磁化量M隨著施加磁場H 的強(qiáng)度增加而單調(diào)地增加，且于高磁場H’ s時(shí)達(dá)到飽和值。公式(1)中飽和磁化量為M。。 當(dāng)施加的磁場H移除時(shí)，也就是H = 0時(shí)，則磁性流體的磁化量消失。此種在抑制施加磁場 下磁性流體的逆向零磁矩主要是由于獨(dú)立的磁性納米粒子在液體中具布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁性納 米粒子的磁矩方向的隨機(jī)化。此特征稱為超順磁性(superparamagnetism)。在磁場僅有幾個(gè)高斯的弱磁場且溫度于室溫(T約為300K)的情況下，I介于10_3 至10_2之間。因此公式(1)的M可對(duì)于I為零進(jìn)行Taylor展開式的展開。(3)M(l — 0) = M(0)+M(1) (0) I+M⑵(0) 12+M⑶(0) I 3+M⑷(0) 14+M(5) (0) I 5+..,其中M(n)為M針對(duì)€于€ = 0時(shí)的第n階微分。公式(3)右手側(cè)的偶數(shù)階微分 為零，且M(1) = 0. 32，M⑶=-0. 12。公式(3)可表示為(4) M “ 一 0) = 0. 32M。u。mH/kBT_0. 12M0(u。mH/kBT) 3+05 ( u omH/kBT) +.公式(4)右手側(cè)的05表示y。mH/kBT的五次方項(xiàng)次。若是施加的磁場由交流電產(chǎn) 生，且具有頻率f。，則M在頻率a f。的分量不為零，其中a為奇數(shù)正整數(shù)。因此，在頻率f。 的弱交流電磁場下，磁性流體的磁化量除了包含f。的頻率外亦有a f0的頻率。在公式(1)或(4)中，M。與獨(dú)立磁性納米粒子總數(shù)成比例，且受交流磁場影響。因此，在指定磁性流體的容量與具有頻率f。的固定弱交流電磁場的條件下，當(dāng)獨(dú)立磁性納 米粒子的總數(shù)N減少時(shí)，磁化量M的頻譜的af。分量減少。通過液體中的某些反應(yīng)使磁 性納米粒子群聚或使磁性納米粒子變大，可使對(duì)于施加交流磁場有響應(yīng)的獨(dú)立磁性納米粒 子的總數(shù)N減少。舉例來說，某些反應(yīng)可以為于液體中的生物探針(bio-probe)與生物標(biāo) 靶(bio-target)的結(jié)合。在此情況之下，利用結(jié)合到界面活性劑的方法，生物探針被涂布 到個(gè)別的磁性納米粒子。因此，磁性納米粒子成為具生物機(jī)能且可以與復(fù)合的生物標(biāo)靶 (conjugated bio-target)例如作為生物探針的抗體涂布于液體中獨(dú)立的磁性納米粒子。這些生物機(jī)能的磁 性納米粒子可與復(fù)合抗原(conjugated antigen)黏合。因?yàn)楠?dú)立的磁性納米粒子的抗體 與抗原結(jié)合，磁性納米粒子變成群聚或更大。因此，可對(duì)施加某個(gè)固定頻率的交流磁場反應(yīng) 的獨(dú)立磁性納米粒子的總數(shù)將會(huì)減少。據(jù)此，當(dāng)磁性納米粒子與生物標(biāo)靶進(jìn)行黏合時(shí)，可推 論出生物機(jī)能的磁性流體的磁化量M的a f 。分量的振幅將會(huì)降低。更進(jìn)一步而言，當(dāng)更多 獨(dú)立磁性納米粒子與生物標(biāo)靶進(jìn)行黏合時(shí)，振幅降低得更多?；诖?，生物標(biāo)靶的總量可通 過測量生物機(jī)能的磁性流體的磁化量M的a f。分量的降低程度來決定。這就是如免疫磁 性減量(immunomagnetic reduction, IMR)用來做生物檢測技術(shù)的基礎(chǔ)機(jī)制。已知裝置提供測量樣本的交流磁化量的實(shí)施方式。圖1繪示測量磁性流體教 流磁化量的已知架構(gòu)。交流電流產(chǎn)生器100以頻率f。驅(qū)動(dòng)激磁電磁線圈(excitation solenoid) 102，據(jù)以產(chǎn)生交流磁場。檢測電磁線圈(pick-upsolenoid) 104共軸配置于激磁 電磁線圈102內(nèi)。檢測電磁線圈104可參考為磁量計(jì)型式。磁性流體108配置于檢測電磁 線圈104內(nèi)。線圈106由電磁線圈102與104組成。交流電流產(chǎn)生器100施予頻率f。的交 流電流于線圈106的激磁電磁線圈102。基于磁場的變化，線圈106的檢測電磁線圈104可 輸出其所產(chǎn)生的感應(yīng)交流電壓。然而交流電壓的輸出與磁性流體108有關(guān)。當(dāng)施予頻率f。 的交流磁場時(shí)，磁性流體108受到感應(yīng)而產(chǎn)生各種頻率af。的交流磁化量，其中a = 1， 3,5, ...n。線圈106的檢測電磁線圈104檢測交流磁化量，其中檢測電磁線圈104可轉(zhuǎn)換 磁化量為電壓信號(hào)。據(jù)此，頻率a f。的交流電壓從線圈106的檢測電磁線圈104輸出至電 子電路110。電子電路110處理相對(duì)于各種頻率分量的電壓信號(hào)，據(jù)以獲得目標(biāo)頻率aTf。 分量的數(shù)量。圖1繪示的測量架構(gòu)有其缺點(diǎn)。首先，除了磁性流體產(chǎn)生的磁化量外，檢測電磁線 圈亦可檢測出周邊信號(hào)。第二點(diǎn)，激磁電磁線圈102所產(chǎn)生的頻率f。的交流磁場也會(huì)被檢 測到。據(jù)此，檢測電磁線圈104輸出的頻率f。感應(yīng)電壓將遠(yuǎn)大于其它頻率的感應(yīng)電壓。電 子電路110通常具有放大單元藉以放大頻率a Tf。的電壓信號(hào)，據(jù)以達(dá)到高檢測靈敏度。放 大單元為運(yùn)算放大器，且對(duì)于輸入電壓有高電平的限制。當(dāng)輸入電壓過高時(shí)運(yùn)算放大器無 法適當(dāng)?shù)剡\(yùn)作。當(dāng)對(duì)頻率a Tf。的輸入電壓進(jìn)行放大時(shí)，頻率f。的輸入電壓亦進(jìn)行放大。由 于運(yùn)算放大器的高電平限制，頻率aTf。的電壓信號(hào)的放大將受到限制，以保持總輸入電壓 低于運(yùn)算放大器的高電平限制。第三點(diǎn)，當(dāng)檢測電磁線圈104輸出頻率f。的輸入電壓時(shí)，基 于電子電路子諧波效應(yīng)，電子電路的輸出電壓具有頻率2f。、3f。、4f。、5f。等等。這些負(fù)面因 素使得電子電路的周邊信號(hào)、激磁場與子諧波影響電子電路于頻率a Tf。輸出的合成電壓。 據(jù)此，最后頻率a Tf。的電壓將不可靠甚至是錯(cuò)誤的。為了克服圖1的缺失，亦有其它已知設(shè)計(jì)用以測量磁性流體的感應(yīng)交流磁化量。圖2繪示于交流磁場下測量磁性流體磁化量的已知架構(gòu)。請(qǐng)參照?qǐng)D2，檢測電磁線圈120包 括兩部分上部分與下部分。這兩部分的線圈以相反方向繞線并以串聯(lián)方式進(jìn)行連接。磁 性流體108配置于兩部分其一，例如配置于上部分。據(jù)此，這兩部分可同時(shí)檢測周邊信號(hào)。 電壓可從這兩部分的對(duì)外引線感應(yīng)到，并且相互抵消。除此之外，通過適當(dāng)安排激磁電磁線 圈102內(nèi)的檢測電磁線圈120的位置，針對(duì)梯度計(jì)型式的檢測電磁線圈120來說，激磁電磁 線圈120所產(chǎn)生頻率f。交流磁場的感應(yīng)電壓可以被消除。在實(shí)際應(yīng)用上，激磁電磁線圈102 內(nèi)的檢測電磁線圈120的適當(dāng)安排，并無法完全消除頻率f。的感應(yīng)電壓。相較于圖1，圖2 的測量架構(gòu)中，電子電路在頻率f。的輸入電壓將會(huì)大大地降低。這意味著當(dāng)使用梯度計(jì)型 式的檢測電磁線時(shí)，電子電路的放大倍率會(huì)明顯地增加。然而如同前述，頻率f。的輸入電 壓亦產(chǎn)生子諧波信號(hào)至輸出端。據(jù)此，由樣品獲得的在目標(biāo)頻率a Tf。的信號(hào)通常有不須要 的分量。綜合上述，已知設(shè)計(jì)可以測量磁性流體的交流磁化量。然而目標(biāo)頻率限制于a Tf0, 為基頻f。的倍數(shù)，導(dǎo)致在頻率a Tf。輸出電壓不可靠，且其設(shè)計(jì)也受限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用以在樣本中測量生物分子的數(shù)量的方法。此方法包括提供具 有多個(gè)磁性納米粒子的溶液；涂布多個(gè)生物探針分子于所述在溶液中的磁性納米粒子的表 面；測量溶液在混合磁場的混頻Yfi+Pt的第一交流磁化量，其中Y與0為獨(dú)立的正整 數(shù)，f與f2為兩個(gè)變化磁場的不同頻率且用以產(chǎn)生混合磁場；添加含有待檢測的多個(gè)生物 分子的樣本于溶液，據(jù)以使得于樣本中的生物分子與涂布于磁性納米粒子的多個(gè)生物探針 分子復(fù)合；在添加樣品并培育后，測量溶液在混合磁場下的混頻 的第二交流磁化 量，據(jù)以獲得混頻Yfi+34的交流磁化量減量，其中交流磁化量減量為第一交流磁化量與 第二交流磁化量的差異，據(jù)以判斷該生物分子的數(shù)量。本發(fā)明提供一種裝置用以測量混頻交流磁化量。裝置包括交流產(chǎn)生單元用以產(chǎn) 生至少第一交流電流與第二交流電流，其中第一交流電流具有頻率fl，第二交流電流具有 頻率f2 ；共軸電磁線圈單元被第一交流電流與第二交流電流驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生第一磁場與第二磁 場；梯度計(jì)型式的檢測電磁線圈被配置于共軸電磁線圈單元內(nèi)，其中樣本被配置于檢測電 磁線圈內(nèi)用以檢測樣本的交流磁化量。輸出為多個(gè)頻率分量的信號(hào)，其中多個(gè)頻率分量信 號(hào)對(duì)應(yīng)于頻率與頻率f2的各種組合；信號(hào)處理電路用以接收多個(gè)頻率分量信號(hào)，其中信 號(hào)處理電路處理多個(gè)頻率分量信號(hào)，以獲得樣本于目標(biāo)頻率的交流磁化量，其 中￥:與為正整數(shù)，且頻率與頻率f2為不同頻率分別由第一及第二交流電流所產(chǎn)生。本發(fā)明提供一種方法用以建立交流磁化量減量與生物分子濃度的關(guān)系，其中交流 磁化量減量為待測樣本在添加已知濃度的生物分子且經(jīng)培育之前與之后所測量的交流磁 化率的差值。此方法包括預(yù)備多個(gè)樣本，其中每個(gè)樣本包括具有涂布多個(gè)生物探針分子的 多個(gè)磁性納米粒子的溶液與已知生物分子濃度的溶液，其中每個(gè)樣本具有不同生物分子 濃度；針對(duì)每個(gè)樣本測量交流磁化量減量；交流磁化量減量的數(shù)據(jù)以s形公式(Sigmoid function)進(jìn)行配適(fitting)。S形公式例如是<formula>formula see original document page 8</formula>其中IMR為交流磁化量減量的百分比， 為每個(gè)樣本中生物分子濃度，且A、B、小。 與P為多個(gè)配適參數(shù)用以配適S形公式據(jù)以獲得已配適曲線；以及根據(jù)S形公式的已配適 曲線，針對(duì)待測樣本所測量的交流磁化量減量(IMR)以獲得目標(biāo)生物分子濃度。本發(fā)明提供一種方法用以觀察在樣本中生物探針與生物分子之間的反應(yīng)。方法包 括提供具有多個(gè)磁性納米粒子的溶液；涂布多個(gè)生物探針分子于在溶液中的多個(gè)磁性納米 粒子的表面；添加包括待測的生物分子的樣本至溶液并給予培育期；以及測量溶液在混頻 Yfi+Pt的交流磁化量隨時(shí)間的變化，其中Y與3為獨(dú)立且大于0的整數(shù)，與f2為兩 個(gè)不同頻率，其中交流磁化量于初始狀態(tài)與完全反應(yīng)狀態(tài)時(shí)為穩(wěn)定，且于初始狀態(tài)與完全 反應(yīng)狀態(tài)之間具有差值。前述的總體說明與后述的詳細(xì)說明為示范性說明，并提供本發(fā)明更進(jìn)一步解釋。本說明書所包括的伴隨圖式用以讓本發(fā)明更明顯易懂，且集成與作成本說明書。 圖式解釋本發(fā)明多個(gè)示范實(shí)施例，并配合說明書據(jù)以解釋本發(fā)明的原理。


圖1是于交流磁場下測量磁性流體磁化量的已知架構(gòu)。圖2是于交流磁場下測量磁性流體磁化量的另一已知架構(gòu)。圖3是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的于交流磁場下測量磁性流體的磁化量的架構(gòu)。圖4是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的用以測量磁性流體的磁化量的電路方塊圖。圖5是待測樣本中磁化量與濃度的關(guān)系。圖6是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的介于涂布生物探針的磁性納米粒子與待測量 的生物分子的反應(yīng)機(jī)制。圖7是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的涂布生物探針的磁性納米粒子的結(jié)構(gòu)。圖8是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的依時(shí)間變化的磁化量所表示的反應(yīng)。圖9是依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的IMR(% )相對(duì)于病毒濃度的行為。圖10繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的正規(guī)化IMRn )相針對(duì)正規(guī)化生物分子 濃度的行為。[主要元件標(biāo)號(hào)說明]100,200,202 交流電流產(chǎn)生器102、104、120、204、206、208 電磁線圈108、212 磁性流體110、214:電子電路106、210 線圈254 功率放大器250 數(shù)字信號(hào)處理器單元260 電路266、276、284 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
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252、268、278 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器262,270,280 放大器264,272,274,282 濾波器
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出在混頻的情況中測量交流磁化量的方法與裝置，且提出各種實(shí)施例。 一些示范實(shí)施例用以解釋本發(fā)明，然而本發(fā)明不以此為限?？紤]測量交流磁化量的已知設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步減少激磁場與電子電路子諧波對(duì)頻 率a Tf。輸出電壓的影響，本發(fā)明提出使用混頻激發(fā)(mixed-frequencyexcitation)技術(shù)及 電子電路的補(bǔ)償機(jī)制。為了實(shí)施混頻激發(fā)，采用超過一個(gè)以上的頻率的施加磁場，而實(shí)際上至少同時(shí)采 用具不同頻率的兩個(gè)磁場。舉例來說，圖3繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的在施加交流磁 場下測量磁性流體的磁化量的架構(gòu)。圖3示范說明從兩個(gè)頻率產(chǎn)生混頻激發(fā)的方式。在此 情況下，兩個(gè)激磁電磁線圈204與206采用共軸配置。兩個(gè)激磁電磁線圈204與206分別 由驅(qū)動(dòng)單元的交流電流產(chǎn)生器200與202驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)交流電流產(chǎn)生器200與202分別提 供不同頻率的電流至兩個(gè)激磁電磁線圈204與206。據(jù)此，公式(4)中H可以改為 氏+吐，其中，氏=H10cos(2 f\t)、H2 = H2ocos (2 n f2t)且興f2。于是公式⑷則為<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula>公式(6)顯示M為具有頻率0&、04與Yfi+34的分量的結(jié)合，其中a為奇數(shù) 正整數(shù)，而0與Y為非零整數(shù)。檢測電磁線圈208與磁性流體212可以是如圖1的檢測 電磁線圈104與磁性流體108。線圈210可以由電磁線圈204、206與208組成。除了頻率 f與f2的奇數(shù)子諧波之外，具有與f2線性組合的分量與混頻激發(fā)下的磁性流體磁化量 有關(guān)。若是基頻與f2為線性獨(dú)立，則從線圈210輸出信號(hào)的混頻分量通過電子電路214 放大時(shí)，這些分量在電子電路214中并不受子諧波的影響。更進(jìn)一步而言，利用適當(dāng)選擇& 與f2，目標(biāo)頻率Yji+i^f^可遠(yuǎn)離如通訊中熱門的頻道或都市電力系統(tǒng)的頻道等等。據(jù)此， 當(dāng)磁性流體于混頻激發(fā)下的磁化量，其YTf\+0Tf2的分量可避免來自于環(huán)境的干擾。<formula>formula see original document page 9</formula>分量的振幅通常遠(yuǎn)比a % a f2還要弱，其中a =l，2，3，...n。因 此電子電路214須設(shè)計(jì)以放大Yfi+04分量的信號(hào)。然而根據(jù)上述，基于電子電路214里 運(yùn)算放大器對(duì)于輸入信號(hào)有高電平的限制，子諧波分量(如0&與af2)在電子電路放大 時(shí)造成放大效果不佳。因此，電子電路214包含補(bǔ)償機(jī)制以消除0&與分量。圖4繪示所設(shè)計(jì)的電子電路的方塊圖。圖4的電子電路實(shí)際上亦包括觸發(fā)交流 電流產(chǎn)生器。數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing, DSP)單元250產(chǎn)生具有頻 率與f2的觸發(fā)信號(hào)。這些信號(hào)為數(shù)字形式經(jīng)通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter, DAC) 252轉(zhuǎn)換成模擬形式。模擬觸發(fā)信號(hào)與f2通過功率放大器254，藉以使 得交流電流產(chǎn)生器200與202提供頻率的交流電流至激磁電磁線圈204，而頻率f2的交 流電流至激磁電磁線圈206。梯度計(jì)型式檢測電磁線圈208的輸出信號(hào)由頻率a f\、a f2 與Yfi+04組合而成。這些分量在電子電路214中進(jìn)行濾波/放大/補(bǔ)償處理，據(jù)以產(chǎn)生 在混頻的目標(biāo)分量，其中[與為正整數(shù)。一般來說，選擇不同的[與以獲得混頻可以獲得不同信號(hào)的強(qiáng)度?；祛l？^片^^是一般條件，而[與量為設(shè) 計(jì)上的選擇。圖4繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的用以測量磁性流體的磁化量的電路方塊圖 的架構(gòu)。在圖4亦繪示圖3的裝置。圖3的電子電路214包括電路260，其中電路260包括 數(shù)字信號(hào)處理器單元250，放大器262、270、280，濾波器264、272、274、282，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (analog-to-digital converter，ADC) 266、276、284，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 268 與 278，形成至少 一個(gè)階層用以進(jìn)行濾波、放大與補(bǔ)償?shù)墓δ?。在本示范例中進(jìn)行n階層的信號(hào)處理。實(shí)際 上n可以從2至500。每個(gè)濾波/放大/補(bǔ)償部分具有從1至1000的放大倍率，其中放大 倍率為1代表不使用放大器。對(duì)于每個(gè)單元來說，包含一個(gè)放大器與一個(gè)中心頻率在目標(biāo) 頻率的帶通濾波器。數(shù)字信號(hào)處理器單元250提供諧波頻率^與^，而此二基頻為每次設(shè)計(jì)時(shí)的選擇。 頻率與f2通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器252轉(zhuǎn)換至模擬信號(hào)，據(jù)以通知功率放大器254控制交流 電流產(chǎn)生器200與202以產(chǎn)生交流電流。據(jù)此，兩個(gè)激磁電磁線圈204與206分別由被不 同基頻f\與f2的交流電流驅(qū)動(dòng)。具有磁性流體的檢測電磁線圈208感應(yīng)信號(hào)頻譜，其中信 號(hào)頻譜在頻率a。、0&與Yfi+04具有各種共振分量，a、Y與0為正整數(shù)，其中之一 的分量、Tf\+ 3 Tf2將作為目標(biāo)頻率被濾取出及放大。檢測電磁線圈208輸出具有afp a f2與Y 0 f2分量的信號(hào)至第1階層的放 大器AMP1 262。所有的分量將被放大。然而具有中心頻率的濾波器1264過濾其它信號(hào)分 量，其中這中心頻率位于目標(biāo)頻率Yji+^f^附近。第一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器1A 266轉(zhuǎn)換模 擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)，并傳輸至數(shù)字信號(hào)處理器單元250，用以找出0&與a f2的振幅與相 位，特別是鄰近于中心頻率m+貼的af^ af2。為了補(bǔ)償af^ a f2分量，數(shù)字信 號(hào)處理器單元250產(chǎn)生a 與a f2相位外的信號(hào)，并通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器1B 268據(jù)以消 除放大信號(hào)中的a &與a f2分量。第1階層的輸出信號(hào)，以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器1B 268所 輸出0&與a f2相位外的信號(hào)，將輸出至第2階層中的放大器270，其中相位外的信號(hào)可 例如為反相信號(hào)，據(jù)以抑制目標(biāo)頻率YA+PA分量外的其它信號(hào)分量。據(jù)此，YTf\+3Tf2 的振幅相較于其它分量則會(huì)增加。據(jù)此a 與a f2的振幅并不會(huì)明顯地放大，且可因?yàn)檠a(bǔ) 償過程進(jìn)而被減少。更進(jìn)一步而言，電子電路的子諧波效應(yīng)亦會(huì)被抑制。因此第一階層的 輸出信號(hào)可以保持輸出信號(hào)的總強(qiáng)度低于運(yùn)算放大器的高電平限制，其中這運(yùn)算放大器為 第2階層的放大器270。利用串聯(lián)的濾波/放大/補(bǔ)償單元，目標(biāo)頻率分量可 以大大地放大。全部af” 0&與Yfi+04分量的最后輸出信號(hào)通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器nA 284導(dǎo)通至數(shù)字信號(hào)處理器單元250。在目標(biāo)頻率Yji+f^f^的分量的振幅通過數(shù)字信號(hào) 處理器單元250被解析且輸出。于此提出混頻激發(fā)以及濾波/放大/補(bǔ)償電路的可實(shí)施示范例。此示范實(shí)施例將 檢測涂布聚葡萄醣的Fe304磁性流體的水性樣本，并將以圖7描述。除了 Fe304以外，磁性納 米粒子亦可采用其它例如MnFe204、CoFe204、Fe203等等的材質(zhì)。其它親水性材質(zhì)，例如蛋白 質(zhì)A、蛋白質(zhì)G等等可以替代涂布于磁性納米粒子表面的聚葡萄醣。本示范實(shí)施例中，磁性 流體的磁性納米粒子的平均直徑為56納米，但不以此為限。一般來說，磁性納米粒子的平 均直徑范圍可從5納米至500納米。頻率與f2例如可從10赫茲(Hz)至106HZ。對(duì)于具 有各種濃度的磁性流體，圖4的電子電路中的濾波/放大/補(bǔ)償，測量目標(biāo)頻率Y Tf彳3 Tf2的分量的振幅，其中濃度可從0至0. 3每克電磁單位(emu/g)或是更高濃度。圖5繪示待測樣本中磁化量與濃度的關(guān)系。從0至0.3emu/g的各種濃度的磁性 流體利用圖3所示的裝置進(jìn)行測量。受測量的磁性流體的濃度并不以最高0. 3emu/g為限。 當(dāng)濃度越高時(shí)，磁性流體存在越多的獨(dú)立磁性納米粒子?？深A(yù)期地，當(dāng)磁性流體的濃度增加 時(shí)，在YA+日石目標(biāo)分量的磁化量MT也以線性方式增加。具有圖4的電路架構(gòu)的圖3的裝置可以有各種應(yīng)用，例如利用IMR進(jìn)行生物分子 的檢測。根據(jù)圖5所示的結(jié)果，當(dāng)磁性流體的濃度，也就是液體中獨(dú)立磁性納米粒子的數(shù)目 減少，則Mt會(huì)跟著越小。本發(fā)明的裝置可精確地測量磁性流體的磁化量，且觀察其變化量。 通過這樣的特性可研發(fā)檢測液體中生物分子的方法。在這樣方法中，例如抗體的生物探針 被涂布于磁性納米粒子上。圖6繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的介于涂布生物探針的磁性納米粒子與待測 量的生物分子的反應(yīng)機(jī)制。據(jù)此，磁性納米粒子具有生物機(jī)能且可以與目標(biāo)生物分子結(jié)合。 由于結(jié)合，部分獨(dú)立生物機(jī)能磁性納米粒子變得群聚或更大。在圖6(a)中，當(dāng)涂布抗體的 磁性納米粒子并未與待測的生物分子進(jìn)行反應(yīng)，據(jù)以檢測出的初始狀態(tài)磁化量為Mt,。。此 磁性納米粒子尺寸小且易于轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖6(b)中，然而若是納米粒子與目標(biāo)生物分子進(jìn)行反 應(yīng)，則某些磁性納米粒子則變得更大或群聚于一個(gè)群集。在此情況下，當(dāng)在磁性流體中的生 物機(jī)能磁性納米粒子與目標(biāo)生物分子結(jié)合，則樣本的磁化量^ ,應(yīng)當(dāng)小于初始狀態(tài)Mt,。。這 機(jī)制即是免疫磁減量(immunomagnetic reduction, IMR)的檢測方式。將以示范實(shí)施例顯示根據(jù)生物機(jī)能磁性納米粒子與目標(biāo)生物的結(jié)合以降低Mt的 效應(yīng)。圖7繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的涂布生物探針的磁性納米粒子的結(jié)構(gòu)。圖7中， 單一的磁性納米粒子例如為Fe304。磁性納米粒子涂布有聚葡萄醣與生物探針(或抗體)， 本示范實(shí)施例采用如多株抗體H1N2。除了多株抗體(polyclonal antibody)之外，生物探 針亦可以使用單株抗體(monoclonal antibody)。H1N2是豬流感(swine-influenza)其中 之一的病毒作為本范例欲測量含量的待測生物分子。為了檢測目標(biāo)生物分子H1N2，40微公 升(Pi)的濃度0. 02emu/g的磁性試劑(亦即具有H1N2抗體生物機(jī)能磁性納米粒子的磁 性流體)與60-iU的H1N2液體樣品混合，其中本示范實(shí)施例的樣品濃度為0. 032HAU(血 凝單位)/50- u 1。在混合之后，使用圖3與4所示的裝置來檢測磁性試劑與H1N2混合溶 液在時(shí)變下的MT值。圖8繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施例的以時(shí)間函數(shù)的磁化量表示的反 應(yīng)。在圖8中，圓點(diǎn)代表在培育之前混合磁性試劑與H1N2溶液的磁化量Mt。圓點(diǎn)分布在實(shí) 時(shí)穩(wěn)態(tài)。在培育之前的Mt標(biāo)記為Mt,。。取時(shí)間平均值為收集數(shù)據(jù)，收集時(shí)間可例如為2小 時(shí)。在目標(biāo)混頻Yji+f^f^之下，MT,。測量為66. 18。十字點(diǎn)對(duì)應(yīng)于生物機(jī)能磁性納米粒子 黏合于目標(biāo)生物分子H1N2的過程。在室溫如22°C中黏合與培育之后，Mt,,代表平均^的 數(shù)據(jù)，其中這數(shù)據(jù)以方點(diǎn)為代表，且數(shù)據(jù)是當(dāng)混合磁性試劑與H1N2溶液已經(jīng)培育且達(dá)到另 一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行檢測而得。十字點(diǎn)代表瞬時(shí)。如同圖6所示，磁化量仏,，于足夠培育期間 后變小。培育時(shí)間通常與生物探針的質(zhì)量與培育溫度有關(guān)。培育溫度例如從18°C至45°C， 而培育時(shí)間例如從1分鐘至5小時(shí)。若是培育溫度增加，則培育時(shí)間預(yù)期可以減少。對(duì)于 Mt,,來說，方點(diǎn)的時(shí)間平均值約為64. 54。Mt大量減低顯示生物機(jī)能磁性納米粒子與生物分 子H1N2進(jìn)行復(fù)合。更進(jìn)一步而言，IMR信號(hào)可利用以下公式達(dá)到2. 48%(7) IMR(% ) = (Mt,0_Mt, J/Mt.oXIOO^。
11
經(jīng)過幾次的測試，平均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為2. 48%與0. 09%。這結(jié)果確認(rèn)本發(fā)明的 推論。更進(jìn)一步的研究來說，各種生物分子濃度可用IMR(% )測量。圖9繪示依照本發(fā) 明一示范實(shí)施例的IMR(% )行為對(duì)于病毒濃度的反應(yīng)。在圖9中顯示IMR與目標(biāo)生物分 子濃度的關(guān)系，其中病毒于本示范例中可為H1N2。當(dāng)濃度小于3xl0-4HAU/50-ii 1時(shí)，IMR信 號(hào)接近檢測裝置的噪聲電平。當(dāng)H1N2的濃度高過3xl0-4HAU/50-ii 1時(shí)，IMR信號(hào)隨著H1N2 濃度增加而呈現(xiàn)指數(shù)增加，接著在高濃度時(shí)達(dá)到飽和值。從本發(fā)明的圖9可得知IMR與目 標(biāo)生物分子H1N2的濃度 的關(guān)系，其關(guān)系表現(xiàn)將依照S形公式如公式(8)<formula>formula see original document page 12</formula>其中公式(8)的參數(shù)A對(duì)應(yīng)于檢測的噪聲電平，而B代表在高濃度目標(biāo)生物分子 的飽和IMR信號(hào)。利用圖9的數(shù)據(jù)代入公式(8)，則A、B、小。與P分別為1.06、3.65、0.024 與0. 64。圖9的相關(guān)系數(shù)R2為0. 997。據(jù)此以待測生物分子濃度 的函數(shù)表示IMR的測 量數(shù)量，相當(dāng)高且可由公式(8)而界定。公式(8)所展現(xiàn)IMR-cK曲線不僅可以于H1N2時(shí)顯現(xiàn)，亦可于其它種類的生物分 子時(shí)顯現(xiàn)。生物分子可包括例如蛋白質(zhì)、病毒、核酸(nuclei acid)，甚至是化學(xué)品。當(dāng)然， 參數(shù)A、B、(t。與P可隨不同目標(biāo)生物分子而改變。然而根據(jù)本發(fā)明研究，對(duì)于不同生物分 子或化學(xué)品通過改變比例IMR至(IMR-A)/(B-A)，小至小/>o，一通用曲線可將不同樣品 的IMR-小。關(guān)系表示于公式(8)的相同曲線上，且更進(jìn)一步以公式(9)表示<formula>formula see original document page 12</formula>在公式(9)中正規(guī)化IMR標(biāo)記為IMRn。,，為正規(guī)化濃度①的函數(shù)且不包含參數(shù)A、 B與 。。唯一需要在通用型式下被配適的參數(shù)為P。圖10繪示依照本發(fā)明一示范實(shí)施 例的針對(duì)生物分子正規(guī)化濃度的正規(guī)化IMRn 的行為。在圖10中，一些樣本進(jìn)行檢測以獲 得類似圖9的曲線。結(jié)果顯示針對(duì)檢測各種生物分子的通用曲線。標(biāo)記于圖10的y軸的 IMRnor(% )是(IMR-A)/(B-A)以百分比為單位。列表1羅列圖10中檢測各種生物分子的 參數(shù)A、B、小。與P。表 1生物分子抗體種類參■r
AB小0P
H1N2多株1.063.650.0240.64
H3N1多株0.965.340.0600.50
Chloramphenicol0.656.262.240.94
單株
(CAP)
Leuco-malachite0.758.861.781.01
單株
green (LMG)GST-TRIM33 多株 0.63 323 69.46 0.86GM-CSF單株 0. 81 14. 53 0. 819 0. 77換句話說，公式(9)可以為描繪各種生物分子的一般曲線。在特殊應(yīng)用上，圖3與 4所示的裝置可以用來針對(duì)特殊生物分子檢測樣品的IMR。接著，根據(jù)公式(8)或公式(9) 以及預(yù)先完成的列表可以獲得待測生物分子的濃度 。生物探針提供者可根據(jù)公式(8)或 公式(9)預(yù)備參數(shù)列表。使得使用者可以簡單地利用測量IMR數(shù)量據(jù)以檢測生物分子的濃 度。檢測裝置可例如為具有線圈的圖3和圖4所示裝置，據(jù)以產(chǎn)生混頻交流磁場。然而IMR 數(shù)量亦可采用其它方式進(jìn)行測量，并不限于以線圈為基礎(chǔ)。本發(fā)明測量IMR并不以圖3和 圖4所示裝置為限。雖然本發(fā)明已以示范實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù) 域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可根據(jù)上述的示范實(shí)施例所教 導(dǎo)、揭露或暗示的內(nèi)容作些許的更動(dòng)與潤飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求范 圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，該方法包括提供具有多個(gè)磁性納米粒子的一溶液；在涂布多個(gè)生物探針分子到溶液中該多個(gè)磁性納米粒子的表面；在具有一混頻γf1+βf2的一混合磁場中，測量該溶液的一第一交流磁化量，其中γ與β為正整數(shù)，f1與f2為兩個(gè)變化磁場的不同頻率用以產(chǎn)生該混合磁場；添加一樣本于該溶液，該樣本包括該溶液中待檢測的該多個(gè)生物分子，據(jù)以使得于該樣本中的該生物分子與涂布于該些磁性納米粒子的該多個(gè)生物探針分子復(fù)合；在一培育時(shí)間與一培育溫度中，進(jìn)行該溶液的培育；以及在添加與培育該樣本后，在該混合磁場的該混頻γf1+βf2，測量該溶液的一第二交流磁化量，據(jù)以在該混頻γf1+βf2下獲得一交流磁化量減量，其中該交流磁化量減量為該第一交流磁化量與該第二交流磁化量的差，據(jù)以判斷該些生物分子的數(shù)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，其中該多個(gè)磁 性納米粒子的一成分為Fe304、MnFe204、CoFe204或Fe203。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，其中該多個(gè)磁 性納米粒子的一直徑介于約5納米至500納米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，其中該培育時(shí) 間介于1分鐘至5小時(shí)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，其中該培育溫 度于該培育時(shí)間內(nèi)為介于18°C與45°C之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以在樣本中測量生物分子的一數(shù)量的方法，其中該多個(gè)生 物探針分子包括多株或單株種類。
7.一種用以測量混頻交流磁化量的裝置，包括一交流產(chǎn)生單元，用以產(chǎn)生至少一第一交流電流與一第二交流電流，其中該第一交流 電流具有一頻率f\，該第二交流電流具有一頻率f2 ；一共軸電磁線圈單元，該第一交流電流與該第二交流電流驅(qū)動(dòng)該共軸電磁線圈單元以 產(chǎn)生一第一磁場與一第二磁場；一檢測電磁線圈，配置于該共軸電磁線圈單元內(nèi)，其中一樣本被配置于該檢測電磁線 圈用以檢測該樣本的一交流磁化量與多個(gè)頻率分量信號(hào)，以及輸出多個(gè)頻率分量信號(hào)，其 對(duì)應(yīng)于該頻率與該頻率f2的多種組合；以及一信號(hào)處理電路，用以接收該多個(gè)頻率分量信號(hào)，其中該信號(hào)處理電路處理該多個(gè)頻 率分量信號(hào)，且于r1f1+B1f2 的一目標(biāo)頻率獲得該樣本的該交流磁化量，其中r1與B1為 正整數(shù)，且該頻率vf1 與該頻率f2為不同頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用以測量混頻交流磁化量的裝置，其中該頻率與該頻率f2 于一范圍從10赫茲至106赫茲。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用以測量混頻交流磁化量的裝置，其中該檢測電磁線圈包括 一磁量計(jì)或一梯度計(jì)型式。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用以測量混頻交流磁化量的裝置，其中該檢測電磁線圈共 軸配置于該共軸電磁線圈單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用以測量混頻交流磁化量的裝置，其中該信號(hào)處理電路包括一數(shù)字信號(hào)處理器；多個(gè)放大器與多個(gè)濾波器串聯(lián)的n階層，其中n至少為2，一第一放大器耦接至檢測電 磁線圈以接收該多個(gè)頻率分量信號(hào)且該多個(gè)濾波器過濾出具有該目標(biāo)頻率的一分量；多個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，分別耦接于該多個(gè)濾波器與該數(shù)字信號(hào)處理器之間，該多個(gè)模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器針對(duì)該數(shù)字信號(hào)處理器據(jù)以轉(zhuǎn)換該多個(gè)濾波器的多個(gè)輸出信號(hào)為數(shù)字形式； 以及多個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，分別從該數(shù)字信號(hào)處理器耦接至該多個(gè)放大器，其中該數(shù)字信 號(hào)處理器產(chǎn)生一抑制信號(hào)且該抑制信號(hào)反饋至耦接的該些放大器，據(jù)以抑制前一階層濾波 器的輸出信號(hào)在該目標(biāo)頻率以外的部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該多個(gè)濾波器的一中央頻率位于一混頻中的該 目標(biāo)頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中從該數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的該抑制信號(hào)是用以 消除多個(gè)信號(hào)與多個(gè)子諧波頻率，其中該多個(gè)信號(hào)是由該共軸電磁線圈單元產(chǎn)生的多個(gè)諧 振頻率，該多個(gè)子諧波頻率是由電子電路所感應(yīng)出的。
14.一種用以建立一交流磁化量減量與一生物分子濃度的一關(guān)系的方法，其中該交流 磁化量減量為一待測樣本添加一已知濃度的生物分子且經(jīng)培育之前與之后所測量的多個(gè) 交流磁化率的一差值，該方法包括預(yù)備多個(gè)樣本，其中每個(gè)樣本包括具有多個(gè)磁性納米粒子與一生物分子濃度的一溶 液，其中多個(gè)生物探針分子涂布于該些磁性納米粒子，每個(gè)樣本具有不同的該生物分子濃 度；針對(duì)每個(gè)樣本測量一交流磁化量；以一 S形公式配適該多個(gè)交流磁化量的數(shù)據(jù)，該S形公式是 <formula>formula see original document page 3</formula> 其中IMR為該交流磁化量減量的 札 ，百分比， 為每個(gè)樣本中該生物分子濃度，且A、B、(t。與P為多個(gè)配適參數(shù)用以配適 該S形公式據(jù)以獲得一已配適曲線；以及根據(jù)該S形公式的該已配適曲線，針對(duì)一待測樣本測量一交流磁化量減量IMR以獲得 一目標(biāo)生物分子濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用以建立一交流磁化量減量與一生物分子濃度的一關(guān)系 的方法，其中測量該交流磁化量減量IMR的步驟包括依時(shí)間函數(shù)，施加具有一混頻Yfi+04的一交流磁場，其中Y與0為各自獨(dú)立且大 于0的整數(shù)，與f2為該交流磁場中的兩個(gè)基頻；針對(duì)該交流磁化量于一時(shí)間軸上的一分布決定一初始區(qū)域與一完全反應(yīng)區(qū)域；以及估算該些交流磁化率的該差值，其中該些交流磁化率位于該初始區(qū)域與該完全反應(yīng)區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用以建立一交流磁化量減量與一生物分子濃度的一關(guān)系 的方法，其中具有該混頻Yfi+Pt的該交流磁場為利用驅(qū)動(dòng)共軸配置的一第一與一第二電磁線圈而得，其中該第一電磁線圈具有基頻而該第二電磁線圈具有基頻f2。
17.一種用以于樣本中觀察生物探針與一生物分子之間的反應(yīng)的方法，該方法包括 提供具有多個(gè)磁性納米粒子的一溶液；涂布多個(gè)生物探針分子于該溶液中的該多個(gè)磁性納米粒子的表面； 添加包括待測的該生物分子的一樣本至該溶液給予一培育時(shí)間；以及 測量該溶液的一在一混頻Yfi+04的交流磁化量隨時(shí)間變化的函數(shù)，其中Y與3為 獨(dú)立的整數(shù)且大于0，與f2為兩個(gè)不同頻率，其中該交流磁化量于一初始狀態(tài)與一完全反應(yīng)狀態(tài)為穩(wěn)定，且于該初始狀態(tài)與該完全 反應(yīng)狀態(tài)之間具有一差值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用以于樣本中觀察生物探針與一生物分子之間的反應(yīng)的 方法，其中該多個(gè)磁性納米粒子的一成分為Fe304、MnFe204、CoFe204或Fe203。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用以于樣本中觀察生物探針與一生物分子之間的反應(yīng)的 方法，其中該多個(gè)磁性納米粒子的一直徑介于約5納米至500納米之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用以于樣本中觀察生物探針與一生物分子之間的反應(yīng)的 方法，其中該培育期間介于1分鐘至5小時(shí)之間。
全文摘要
一種用以在樣本中定測量量生物分子數(shù)量的方法，包括提供具有磁性納米粒子的溶液；在溶液中的磁性納米粒子的表面涂布生物探針分子；在混頻γf1+βf2的混合磁場下，測量溶液的第一交流磁化量，其中γ及β為大于零的獨(dú)立整數(shù)；添加包含待檢測的生物分子的樣本于溶液中，據(jù)以使得樣本中的生物分子與涂布于磁性納米粒子的生物探針分子復(fù)合；以及在添加并培育樣本后，測量溶液在混合磁場下的第二交流磁化量，據(jù)以獲得第一交流磁化量與第二交流磁化量差異的混頻γf1+βf2的交流磁化量減量，并據(jù)以判斷該生物分子的數(shù)量。
文檔編號(hào)G01N27/74GK101819180SQ201010126218
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者楊謝樂, 楊鴻昌, 洪姮娥, 洪振義 申請(qǐng)人:洪振義;洪姮娥;楊鴻昌;楊謝樂