專利名稱：具有高動態(tài)范圍的用于磁性顆粒的傳感器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對樣品中的磁性顆粒進行檢測的方法和傳感器設(shè)備，其中所述顆粒尤其可以結(jié)合到在結(jié)合表面的結(jié)合位點上。此外，本發(fā)明涉及這種設(shè)備的使用。
背景技術(shù)：
在US6991938中，描述了一種用于對結(jié)合到固體的成分進行定量測定的測定分析法。檢測信號被持續(xù)地監(jiān)控并且被用于推斷樣品中的成分數(shù)量。該方法和類似方法遇到的難題在于在實踐中，他們不得不應(yīng)對未知濃度的大動態(tài)范圍，所述范圍一般地覆蓋至少三個量級(decade)。

發(fā)明內(nèi)容
基于該背景技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供可以在寬動態(tài)濃度范圍內(nèi)對樣品中的靶向顆粒進行精確檢測的手段。由根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求2的方法和根據(jù)權(quán)利要求14的使用實現(xiàn)該目的。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選的實施例。根據(jù)其第一方面，本發(fā)明涉及用于對樣品中的磁性顆粒進行檢測的傳感器設(shè)備。 在本文中，術(shù)語“磁性顆?！睉?yīng)當包括永磁顆粒以及可磁化顆粒，尤其是微米顆?；蚣{米顆粒等顆粒。該樣品一般為流體，例如如血液或唾液等體液。傳感器設(shè)備包括以下部件a) “樣品室”，其包括具有結(jié)合位點的表面(在下文中稱為“結(jié)合表面”)，磁性顆?？梢越Y(jié)合在所述結(jié)合位點上。結(jié)合位點例如可以是尤其能夠結(jié)合到抗原的抗體，所述抗原附著到磁性顆粒上。通常，在結(jié)合位點和磁性顆粒之間一般地具有共價結(jié)合。該樣品室一般為空腔或被一些物質(zhì)(如吸收樣品物質(zhì)的膠體)充滿的腔；該樣品室可以是開放的腔、關(guān)閉的腔或由流體連接通道連接到其他腔的腔。b) “磁場發(fā)生器”，其用于將磁性顆粒吸引到結(jié)合表面。磁場發(fā)生器例如可以由永磁體或電磁體來實現(xiàn)，所述永磁體或電磁體在樣品室中產(chǎn)生具有非零梯度的磁場，以使磁性顆粒被磁化且被拉到該梯度的方向。c) “檢測單元”，其用于提供檢測信號，所述檢測信號與結(jié)合到結(jié)合表面的磁性顆粒的數(shù)量有關(guān)。d)控制器，其用于依據(jù)上述的檢測信號來控制磁吸引力(magnetic attraction)， 以便根據(jù)預定標準改變磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)弛豫條件。該控制器一般地將由專用的電子硬件和 /或數(shù)字數(shù)據(jù)處理硬件來實現(xiàn)，并且該控制器通常將控制磁場發(fā)生器來影響該磁吸引力。此外，術(shù)語“旋轉(zhuǎn)弛豫”指的是磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)，該磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)是由于熱運動 (“布朗運動”)而從某個初始取向開始的。如果磁吸引力強，則幾乎沒有旋轉(zhuǎn)弛豫，這是因為磁場迫使磁性顆粒保持占優(yōu)勢的取向。然而，如果磁場弱或甚至為零，則磁性顆粒變得自由地在它們的熱能的影響下旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還涉及用于對樣品中的磁性顆粒進行檢測的相應(yīng)方法，所述方法包括以下步驟(這些步驟一般地被并行執(zhí)行)a)將磁性顆粒磁吸引到結(jié)合表面，磁性顆?？梢越Y(jié)合到在該結(jié)合表面的結(jié)合位點上。b)使用檢測單元對結(jié)合到結(jié)合表面的磁性顆粒進行檢測。c)依據(jù)步驟b)的檢測結(jié)果來控制步驟a)的磁吸引力，以有目的地改變磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)弛豫條件。該方法通常包括由上文描述類型的傳感器設(shè)備執(zhí)行的步驟。因此，參考上文的描述以得到關(guān)于該方法的更多詳細信息。由于這些顆粒能夠被磁吸引到結(jié)合表面(在結(jié)合表面，這些顆粒被感測)的可能性，所以該傳感器設(shè)備和方法允許對樣品中的磁性顆粒進行快速檢測。此外，該傳感器設(shè)備和方法對磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)弛豫產(chǎn)生影響。這個步驟的動機是出于以下認識，即結(jié)合動力學 (binding kinetics)由此能夠被積極影響。具體地，通過使磁性顆粒相對于結(jié)合表面呈現(xiàn)出適當?shù)娜∠?，可以有意地使用旋轉(zhuǎn)弛豫來增大結(jié)合的機會。因此，該傳感器設(shè)備和方法提供了新的操作參數(shù)，所述操作參數(shù)能夠被控制以改善檢測的結(jié)果，例如關(guān)于精度和/或動態(tài)范圍的結(jié)果。在下文，將對涉及上文描述的傳感器設(shè)備和方法的本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行描述。在很多實際應(yīng)用中，磁性顆粒將僅被用作實際上感興趣的一些靶向顆粒的指示或標記，例如用作如生物分子、復合物、細胞片段或細胞等生物物質(zhì)的指示或標記。磁性顆?？梢岳绫挥迷诟偁帨y定中，在該競爭測定中，磁性顆粒與樣品的靶向顆粒競爭結(jié)合表面上的結(jié)合位點；然后，結(jié)合的磁性顆粒的數(shù)量將與靶向顆粒的未知濃度呈逆向關(guān)聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，磁性顆粒能夠結(jié)合至少一個靶向顆粒。為此，磁性顆粒例如可以承載一個或多個抗體，所述一個或多個抗體對于所述靶向顆粒而言是特定的。因此，可以使用磁性顆粒來標記靶向顆粒，并且所檢測的磁性顆粒的數(shù)量是對樣品中的靶向顆粒的(未知)數(shù)量的指示。在對上述方法的進一步改進中，磁性顆粒和結(jié)合位點的設(shè)計使得僅具有至少一個已結(jié)合靶向顆粒的磁性顆粒能夠結(jié)合到結(jié)合表面。例如，如果靶向顆粒是結(jié)合表面上的結(jié)合位點與磁性顆粒之間的必要連接器，則這是這樣的情況。在該實施例中，結(jié)合到結(jié)合表面的磁性顆粒的數(shù)量直接與樣品中的靶向顆粒的數(shù)量相關(guān)。檢測信號或結(jié)果由檢測單元提供，并且檢測信號或結(jié)果指示控制器使用結(jié)合到結(jié)合表面的磁性顆粒的數(shù)量來以某一預定方式調(diào)整磁吸引力。優(yōu)選地，針對樣品中的與磁性顆粒相互作用的靶向顆粒的濃度，評估單元還對檢測單元的檢測信號或結(jié)果進行監(jiān)控和評估。在上述實施例中給出了在靶向顆粒與磁性顆粒之間的相互作用的重要示例，在上述實施例中磁性顆?？梢越Y(jié)合至少一個靶向顆粒。如已經(jīng)提到地，它通常是大家實際上感興趣的靶向顆粒的濃度。評估單元基于對檢測信號的監(jiān)控，即基于在結(jié)合表面上的結(jié)合動力學來幫助提供該期望的信息。針對用戶選擇的多種不同目標，可以利用對磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)弛豫的影響來改進測量。在一個特別重要的示例中，控制磁吸引力(改變旋轉(zhuǎn)弛豫條件)，以便在給定測量時間內(nèi)使磁性顆粒與結(jié)合表面的結(jié)合最大化。以該方式，可以提高測量的精度，同時仍然遵守由
5應(yīng)用施加的約束條件，例如路邊藥品測試中用于測量的受限時間。另一種具體的方法包括控制磁吸引力，以使得在實際檢測信號指示磁性顆粒與結(jié)合表面的結(jié)合率低的情況下，為旋轉(zhuǎn)弛豫提供更好的條件。為解釋該方法，可以考慮上面的示例，其中磁性顆粒僅可以經(jīng)由靶向顆粒結(jié)合到結(jié)合表面(a)在靶向顆粒的濃度非常低的情況下，結(jié)合表面附近的(極)少量的結(jié)合了靶向顆粒的磁性顆粒將導致磁性顆粒與結(jié)合表面的結(jié)合率低；在該情況下，旋轉(zhuǎn)弛豫的更好條件也會改善橫向弛豫，即擴散的條件，這有助于結(jié)合表面附近的自由磁性顆粒與攜帶靶向顆粒的磁性顆粒的交換。(b)在靶向顆粒的濃度稍高的情況下，在結(jié)合表面附近存在足夠多的結(jié)合了靶向顆粒的磁性顆粒；然而，所述磁性顆?？赡懿痪哂羞m合于發(fā)生結(jié)合的取向。在該情況下，更好的旋轉(zhuǎn)弛豫條件將使磁性顆粒呈現(xiàn)更寬范圍的不同取向，因此利用適合的結(jié)合取向增加了它們到達結(jié)合表面的機會。優(yōu)選地，基于已存儲的校準數(shù)據(jù)來進行對磁吸引力的控制。于是，實際檢測信號與這種已存儲的校準數(shù)據(jù)的比較將允許控制器決定是否需要改變磁吸引力。在上述示例中， 例如，如果檢測信號類似于對應(yīng)低結(jié)合率的校準數(shù)據(jù)，則將啟動這種改變。通常，施加在磁性顆粒上以將它們拉到結(jié)合表面的磁吸引力可以遵循實現(xiàn)期望目的的任何時間曲線或模式。在優(yōu)選的實施例中，磁吸引力以受控頻率(一般地在IHz到 IOOHz的范圍)進行振蕩。磁吸引力的上述振蕩可以例如具有正弦曲線。在優(yōu)選的實施例中，磁吸引力以受控占空比僅在兩個值(即“高”和“低”幅度)之間重復切換。最優(yōu)選地，低幅度對應(yīng)于零磁吸引力(磁場發(fā)生器關(guān)閉)。通常，術(shù)語“占空比”表示磁吸引力為“高”的時間與一個周期的持續(xù)時間(即一個“高”和“低”循環(huán)的總時間)之間的比值。因為磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)弛豫將與磁吸引力的幅度呈逆向關(guān)聯(lián)，所以通過占空比可以輕易地控制旋轉(zhuǎn)弛豫的條件。根據(jù)可選地結(jié)合上述方案而實現(xiàn)的特別優(yōu)選的控制方案，磁吸引力在受控持續(xù)時間的時間段內(nèi)是關(guān)閉的。一般地，這些時間段將在Ims和1000ms之間的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地在IOms和IOOms之間的范圍內(nèi)。因為旋轉(zhuǎn)弛豫實質(zhì)上僅當磁吸引力被關(guān)閉時才能夠發(fā)生， 所以對這些時間段的持續(xù)時間的控制提供了直接的措施來影響旋轉(zhuǎn)弛豫的條件。檢測單元的測量通常將感測所有靠近結(jié)合表面的磁性顆粒是否已經(jīng)結(jié)合。為了將檢測限定到實際上已經(jīng)結(jié)合的磁性顆粒，因此優(yōu)選的是在檢測步驟之前，將未結(jié)合的磁性顆粒從結(jié)合表面上去除。這種去除可以例如通過完全地交換鄰近的流體而實現(xiàn)。更優(yōu)選地， 可以應(yīng)用“磁清洗”，在該“磁清洗”期間，利用不破壞現(xiàn)有結(jié)合的力將磁性顆粒從結(jié)合表面上磁性地驅(qū)除(或者等效地，將磁性顆粒吸引到結(jié)合表面上方的遠點)。檢測單元優(yōu)選地包括光學傳感器元件、磁傳感器元件、機械傳感器元件、聲學傳感器元件、熱傳感器元件和/或電傳感器元件。磁傳感器元件具體地可以包括線圈、霍爾傳感器、平面霍爾傳感器、磁通門傳感器、SQUID(超導量子干涉儀)、磁共振傳感器、磁限制性傳感器或者在W02005/010543A1或W02005/010542A2中描述的那類磁阻傳感器，尤其是 GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁阻)或AMR(各向異性磁阻)。光學傳感器元件特別適于對由受抑全內(nèi)反射引起的輸出光束中的變化進行檢測，該受抑全內(nèi)反射是由于在感測表面處的磁性顆粒所導致的。其他光學、機械、聲學和熱傳感器概念在W093/22678中已被描述了，將 W093/22678以引用方式合并入本文。
本發(fā)明還涉及上文描述的設(shè)備在分子診斷、生物樣品分析、化學樣品分析、食物分析和/或法醫(yī)分析中的使用。例如，可以在直接或間接地附著到靶向分子上的磁頭或熒光顆粒的幫助下實現(xiàn)分子診斷。


參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而易見的并且變得清楚。將在附圖的幫助下以示例的方式描述這些實施例，在附圖中圖1示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備；圖2-4說明了在開啟磁吸引力之前和在開啟磁吸引力時，在結(jié)合表面上的狀況；圖5示出了磁吸引力的切換模式；圖6說明了針對靶向顆粒的給定濃度和磁吸引力的不同頻率所測量的檢測信號；圖7和圖8說明了針對不同的總弛豫時間，利用靶向顆粒的對應(yīng)濃度進行歸一化所測量的檢測信號。在這些圖中，類似的附圖標記表示同樣或類似的部件。
具體實施例方式在分子診斷(MD)領(lǐng)域中的重要課題是開發(fā)用于在定點照護(POC)和在緊急情況下提供快速診斷的儀器。對MD平臺的首要要求是診斷的速度、足夠的靈敏度和易于使用。 除此之外，具有微流體通道的一次性用品是優(yōu)選的，用以增加面向大量制造商的平臺的靈活性。對于很多應(yīng)用，所選擇的診斷方法基于執(zhí)行免疫測定。在本文，可能的檢測方法尤其包括使用磁標記的受抑全內(nèi)反射(FTIR)和使用分子熒光標記的共焦熒光鏡檢查。雖然這兩種方法在檢測標記的微小變化時都是足夠靈敏的，但是必須確保能夠影響測定部件的固有生化屬性的所有物理方面的穩(wěn)定性。通過使用超順磁珠，可以直接影響測定的動力學 (kinetics of assay)，從而可以在受限的時間量之內(nèi)執(zhí)行檢測流程。對于心肌肌鈣蛋白測定，該時間段從樣品被引入藥筒的時刻開始小于5分鐘。此外，對于很多免疫測定來說，系統(tǒng)的動態(tài)范圍必須覆蓋至少三個量級?；谟绕錇榱烁哽`敏度而開發(fā)的協(xié)議，這是難以滿足的。解決該問題的可行方案與終點檢測(EPD) 相關(guān)或者與連續(xù)信號監(jiān)控(CSM)相關(guān)。通常，在EPD中，測定在多個步驟中執(zhí)行，在所述多個步驟中測定被中斷并且信號被假定為主要由具有分析物分子的標記給出。在CSM測定中，執(zhí)行動力學測量。換言之，使用標準樣品，以便針對時間和分析物濃度二者來校準所述測定，通過將測量數(shù)據(jù)與校準曲線進行比較而做出對未知樣品的所檢測的分析物濃度的估計?？紤]到上述背景，本文提出一種可供選擇的方法，所述方法擴展了 MD平臺的動態(tài)范圍，并且所述方法并不基于磁清洗流程。此外，還提出了一種將平臺的精度最大化的方式。該方法的基本思想是使用磁性顆粒(珠)的旋轉(zhuǎn)弛豫現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在磁場梯度不存在的時間段中發(fā)生。在該時間期間并且根據(jù)珠半徑，將發(fā)生重定向過程，從而磁珠相對于表面捕獲抗體具有改變的取向。當磁場梯度再次開啟時，在后續(xù)步驟中將發(fā)生與表面的結(jié)合。 在該最后的步驟中，在場梯度被激活的時間期間，將發(fā)生接合(bonding)。
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圖1示意性地示出了實現(xiàn)上述一般原理的傳感器設(shè)備100。雖然下文的描述涉及特定的設(shè)置(使用受抑全內(nèi)反射作為測量原理)，但是下文的描述并不限于這種方法，并且可以被順利地用在很多不同的應(yīng)用和設(shè)置中。傳感器設(shè)備100包括承載器11，所述承載器11例如可以由玻璃或透明塑料(如聚苯乙烯)制成。承載器11位于樣品室1的旁邊，在所述樣品室1中可以提供具有待檢測靶向成分T(例如，藥品、抗體、DNA等)的樣品流體。樣品還包括磁性顆粒(例如超順磁珠 M)，其中這些顆粒中的每一個都包括(經(jīng)由例如具有抗體的涂層)用于上述靶向成分T的至少一個結(jié)合位點b。在測定開始的培養(yǎng)時間期間，磁性顆粒M和靶向顆粒T將因此結(jié)合， 結(jié)合的程度取決于他們的濃度。承載器11與樣品室1之間的界面是由被稱為“結(jié)合表面” 12的表面形成的。該結(jié)合表面12由結(jié)合位點Z(例如抗體)覆蓋，所述結(jié)合位點Z尤其可以與已經(jīng)結(jié)合到磁性顆粒M的靶向顆粒T結(jié)合。在圖中，示出了針對一個磁性顆粒的這種結(jié)合。傳感器設(shè)備100還包括產(chǎn)生輸入光束Ll的光源13，所述輸入光束Ll被發(fā)射到承載器 11 中。例如，市面上的 CD(λ = 780nm)、DVD(A = 65811111)或80(人=405nm)激光二極管可以被用作光源13。準直透鏡可以被用于使輸入光束Ll平行，并且例如0. 5mm的小孔可以被用于減小光束的直徑。輸入光束Ll以大于全內(nèi)反射(TIR)的臨界角的角度到達結(jié)合表面12，并且因此輸入光束11被全內(nèi)反射為“輸出光束”L2。輸出光束L2離開承載器 11，并且由光檢測器14檢測。光檢測器14確定輸出光束L2的光量(例如，由該光束在全光譜或光譜的某一部分中的光強度表示)。耦合到檢測器14的評估單元16對所測量的檢測信號S進行監(jiān)控和評估。所描述的傳感器設(shè)備采用受抑全內(nèi)反射(FTIR)的原理。該原理是基于以下事實 當入射光束Ll被全內(nèi)反射時，衰逝波穿透(在強度上按指數(shù)規(guī)律下降)到樣品1中。如果該衰逝波隨后與如結(jié)合的磁性顆粒M之類的另一種介質(zhì)相互作用，則輸入光的一部分將被耦合到樣品流體中(這被稱為“受抑全內(nèi)反射”)，并且被反射的強度將減小(對清潔界面并且沒有相互作用而言，被反射的強度將是100% )。根據(jù)干擾量，即根據(jù)在TIR表面12上或在非常接近(在大約200nm之內(nèi))TIR表面12處(不在樣品室1的剩余部分中)的磁性顆粒的數(shù)量，被反射的強度將相應(yīng)地下降。該強度降低是對已結(jié)合磁性顆粒M的數(shù)量的直接測量，并且因此是對樣品中的靶向顆粒T的濃度的直接測量。傳感器設(shè)備100還包括磁場發(fā)生器20，例如具有線圈和鐵芯的電磁體，所述磁場發(fā)生器20用于可控制地在結(jié)合表面12處和在樣品室1的鄰近空間中產(chǎn)生磁場B。在該磁場的幫助下，磁性顆粒1可以被操控，即被磁化并且尤其被移動(如果使用了具有梯度的磁場)。因而，例如可以將磁性顆粒1吸引到結(jié)合表面12，以便加速它們與所述表面的結(jié)合， 或者可以在(最終)測量之前將未結(jié)合的靶向顆粒從結(jié)合表面上清洗掉。磁場發(fā)生器20連接到控制器15，該控制器15接收來自光檢測器14的檢測信號 S?；谠撔畔?，控制器15可以以下面的方式控制磁體20，即以所期望的方式影響磁性顆粒 M的旋轉(zhuǎn)弛豫條件。這在圖2-4中被更詳細地說明了。這些圖示出了在三個連續(xù)時間點、位于結(jié)合表面12前面的磁性顆粒M，每個磁性顆粒M具有一個結(jié)合的靶向顆粒T。圖2示出了在時間 t = Os時的情況。一個磁性顆粒已經(jīng)結(jié)合到結(jié)合表面12上的結(jié)合位點Z(如箭頭所指)，并且磁體20被關(guān)閉。如果剩余的磁性顆粒在該時間點被磁性地吸引到結(jié)合表面12，則剩余的磁性顆粒中將沒有一個磁性顆粒的結(jié)合的靶向顆粒具有允許結(jié)合的適合取向。圖3示出了在t = 95ms時的情況。因為還沒有磁吸引力，所以磁性顆粒M根據(jù)它們的熱能自由旋轉(zhuǎn)。在圖4，示出了在t= IOOms時的情況。磁體20已經(jīng)被開啟，并且產(chǎn)生具有梯度的磁場B，所述磁場B將磁性顆粒吸引到結(jié)合表面12。因為中間旋轉(zhuǎn)，最右邊的磁性顆粒M現(xiàn)在被適當?shù)囟ㄏ?，即它的靶向顆粒指向結(jié)合表面12。由此，該磁性顆粒可以附著到結(jié)合位點 Z (如第二箭頭所指)。定量分析示出了球形顆粒擴散的平移速度和角速度的阻尼時間是可比較的，并且球形顆粒擴散的平移速度和角速度的阻尼時間具有3/10的比值。依據(jù)顆粒的體積分率、流體動力和潛在的相互作用，可以引入校正因子。作為示例，可以考慮分布在水中的半徑為 250nm的磁珠M。在近似無限的稀釋中，這種珠的弛豫時間τ r為Tr == 100 愿
KT而平移擴散所覆蓋的距離1僅為I =、YlksJt = 1 QQnm
\3π ψ這在靶向顆粒的濃度小的情況下是尤其重要的，這時未捕獲任何靶向顆粒的珠的數(shù)量變得相當大。因此，在該表面附近的珠需要被新的珠替換。靶向顆粒濃度的第二個重要區(qū)域是在實驗的持續(xù)時間內(nèi)不需要體積混合的地方。 在該情況下，假設(shè)珠-靶向顆粒培養(yǎng)處于控制之下，則位于結(jié)合表面附近的捕獲了靶向顆粒的珠的數(shù)量與樣品體積中的靶向顆粒的濃度是成比例的。為了說明旋轉(zhuǎn)弛豫時間的影響，在不同的靶向顆粒(此處為靶向分子)濃度下執(zhí)行測量，其中僅可用于弛豫的總時間(即磁吸引力為零的總時間)發(fā)生變化，而所有其他參數(shù)保持恒定。換言之，為了將磁珠吸引到結(jié)合位點Ζ，使用驅(qū)動方案，在該驅(qū)動方案中，磁吸引力被重復地開啟和關(guān)閉相同次數(shù)(900次)的驅(qū)動循環(huán)，并且“開啟”時間段的持續(xù)時間 (50ms)是相同的。然而，修改“關(guān)閉”時間段的持續(xù)時間(即占空比)，并因此修改切換頻率f。在所有實驗中，由放置在印制點(printed spot)之下的電磁體帶來的吸引力也是相同的。在每個900次吸引循環(huán)結(jié)束時，使用放置在樣品室(微通道)相對側(cè)的另一個電磁體來將所有未結(jié)合的珠以及非特異性結(jié)合的珠從結(jié)合表面去除。應(yīng)當注意的是，在開始每個驅(qū)動流程之前，靶向顆粒和珠被混合并且保持在一起相同的時間量。圖5說明了針對控制命令r所描述的切換模式，該控制命令r是由控制器15向磁體20發(fā)布的，其中值“ 1，，表示磁體被“開啟”，值“0”表示磁體被關(guān)閉。每個周期或循環(huán)具有總長度Tt。t，該總長度Tt。t是切換頻率f (在圖6中出現(xiàn)的值)的倒數(shù)，并且該總長度Tt。t 由磁體“開啟”持續(xù)時間T。n和磁體“關(guān)閉”持續(xù)時間T。ff組成。然后，驅(qū)動占空比被定義為 Ton/Tt。t之匕匕。圖6示出了針對靶向顆粒的一個濃度(300pM)以及針對在4Ηζ_19Ηζ之間的不同切換頻率f的測量結(jié)果?？v軸表示在相關(guān)單元中的檢測信號，而橫軸表示時間t。因為“開啟”時間段的數(shù)量和持續(xù)時間對于所有曲線都是相同的，因此“關(guān)閉”時間段的持續(xù)時間(以及由此可用于旋轉(zhuǎn)弛豫的時間)隨著頻率的降低而增加。可以看到，在每個完整驅(qū)動流程的結(jié)束時測量的終點信號隨著可用于旋轉(zhuǎn)弛豫的總時間而降低。圖7和圖8示出了曲線圖，該曲線圖表示如上文描述的測量得到的、歸一化到靶向顆粒(此處為肌鈣蛋白I)濃度C的(終點)信號與可用于弛豫的總時間 ；之間的關(guān)系。圖 7涉及靶向顆粒的低濃度，其中在培養(yǎng)過程結(jié)束時，每珠的靶向顆粒的最大數(shù)量小于1。對于C = 2. 5pM和C = 7. 5pM的兩條曲線圖至少重疊到 ； = 500s。換言之，在該時間段中， 在表面上捕獲的珠的數(shù)量與靶向顆粒濃度成比例。圖7中的實線表示考慮了根據(jù)以下公式(χ對應(yīng)于 ；)的實驗條件的模擬曲線
^ = C1+c/l-expi--11 + 過程， CI ^ TjJ其中C1說明了由300s的培養(yǎng)時間(對于每次測量)對終點信號的貢獻并且解釋了負值，而C2是第一指數(shù)函數(shù)的幅值，是與分析物濃度成反比的量?！斑^程”包括與具有更長弛豫時間的過程相對應(yīng)的第二指數(shù)函數(shù)。該過程與來自上層的珠的貢獻相關(guān)?？梢灶A計它的影響在T。ff > 500ms時(當具有足夠的時間以行進等于珠直徑的距離時)。獲得 150s
的τ值并且該τ值與表面反應(yīng)機制有關(guān)。對于一階反應(yīng)方案，我們有1 = ^^ + <#，其中，
τ
k。n與表面常數(shù)相關(guān)，c為分析物的濃度并且k。ff是表面解離常數(shù)。K。n的值還取決于每珠的分析物的濃度或者還取決于總的角取向間隔(angular orientation interval)，在該總的角取向間隔內(nèi)，珠有機會結(jié)合到表面。圖8包括針對靶向顆粒的更大濃度(IOOpM和300pM)的數(shù)據(jù)。雖然兩條曲線在第一區(qū)域中是線性的，但它們的斜率是不同的。這是因為在這些濃度下，所有珠將結(jié)合超過1 個靶向顆粒。每珠所捕獲的靶向顆粒的平均數(shù)量取決于靶向顆粒濃度。因此，從曲線圖中斜率為正的區(qū)域所估算的特征時間小于對應(yīng)每珠一個靶向分子的特征時間。這是由于以下事實在與結(jié)合表面的結(jié)合發(fā)生之前，珠需要較少地重定向。為了使測量流程最優(yōu)化，以使動態(tài)范圍和精度都最大化，優(yōu)選的是運行其中能夠調(diào)整每個循環(huán)的時間T。ff (無磁場存在)的驅(qū)動流程。在測量流程開始時，允許給定的培養(yǎng)時間以使得過程的動力學很好地處于控制之下。然后，以高頻率f (以及短的弛豫時間T。ff) 開始磁驅(qū)動流程，并且將所測量的檢測信號S與先前針對在類似條件下得到的校準曲線進行比較。遵循預定標準來執(zhí)行該過程，該預定標準例如是信號包絡(luò)線的時間相關(guān)性。一旦確定信號S在所允許的測量時間結(jié)束之前接近穩(wěn)定狀態(tài)，則對每個循環(huán)的驅(qū)動弛豫時間T。ff 進行校正(延長)。最終報告的靶向顆粒濃度將取決于驅(qū)動的歷史。這由評估單元16來確定?？傊?，本發(fā)明通過對檢測器的輸出信號進行測量并且通過對磁驅(qū)動流程進行調(diào)整來控制磁珠相對于結(jié)合表面的取向，從而獲得對測定分析的動態(tài)范圍的控制。通過使用每個驅(qū)動循環(huán)中的關(guān)閉磁場的時間段的合適值來實現(xiàn)這一控制。因此，磁珠的布朗旋轉(zhuǎn)被延遲了，從而影響測定動力學，并且因此影響了最終檢測的信號。結(jié)合每珠的活躍抗體的數(shù)量來應(yīng)用本原理。本發(fā)明可以例如被應(yīng)用到包括藥品濫用測試和心臟測試的手持式免疫測定
雖然上文參考了具體實施例描述了本發(fā)明，但是可以進行各種修改和擴展，例如_檢測單元可以包括任何適當?shù)膫鞲衅饕员慊陬w粒的任何屬性來檢測在傳感器表面上或在傳感器表面附近存在的磁性顆粒，例如，它可以借助磁性方法(例如磁阻、霍爾、線圈)、光學方法(例如成像、熒光、化學發(fā)光、吸收、散射、衰逝場技術(shù)、表面等離子共振、拉曼光譜等)、聲波檢測(例如表面聲波、體聲波、懸臂、石英晶體等)、電檢測(例如傳導、阻抗、測量電流、氧化還原循環(huán))以及其組合進行檢測。-磁傳感器可以是基于對在傳感器表面上或在傳感器表面附近的顆粒的磁屬性進行檢測的任何適合的傳感器，例如線圈、磁阻傳感器、磁限制性傳感器、霍爾傳感器、平面霍爾傳感器、磁通門傳感器、SQUID、磁共振傳感器等。-分子靶向通常確定較大部分的濃度和/或存在，所述較大部分例如為細胞、病毒、細胞或病毒的片段、組織提取物等。-除了分子測定之外，還可以利用根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備檢測較大的部分，例如細胞、病毒、細胞或病毒的片段、組織提取物等。_可以在針對傳感器表面掃描或不掃描傳感器元件的情況下進行檢測。-可以由本感測方法直接檢測作為標記的顆粒。同樣，可以在檢測之前進一步處理顆粒。進一步處理的示例為，加入材料或改變標記的生(化)或物理性質(zhì)，以便于檢測。-本設(shè)備和方法可以與多種生物化學測定類型一起使用，該多種生物化學測定類型例如是結(jié)合/非結(jié)合測定、夾心法測定、競爭測定、置換測定、酶測定等。它尤其適用于 DNA檢測，這是因為大規(guī)模復用是容易實現(xiàn)的，并且可以借助噴墨打印來將不同的oligo定位在基板上。-本設(shè)備和方法適合于傳感器復用(即不同傳感器和傳感器表面的并行使用)、標記復用(即不同類型標記的并行使用)以及室復用(即不同反應(yīng)室的并行使用)。_本設(shè)備和方法可以被用作針對小樣品體積的快速、魯棒和容易使用的定點照護的生物傳感器。反應(yīng)室可以是與緊湊型讀取器一起使用的一次性物品，該緊湊型讀取器包含一個或多個場生成模塊和一個或多個檢測模塊。而且，本發(fā)明的設(shè)備、方法和系統(tǒng)可以應(yīng)用在自動化的高產(chǎn)量測試中。在該情況下，反應(yīng)室例如是適合放入自動化儀器的孔板或小容器。-納米顆粒表示具有在3nm和5000nm之間(優(yōu)選在IOnm和3000nm之間，更優(yōu)選在50nm和IOOOnm之間)的至少一種尺寸的顆粒。最后指出，在本申請中，術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟，“一個”或“一種”不排除多個或多種，并且單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)多個模塊的功能。本發(fā)明在于每個新穎性特征和多個特征的每一種組合。此外，權(quán)利要求中的附圖標記不應(yīng)當被認為是對權(quán)利要求范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于對樣品中的磁性顆粒(M)進行檢測的傳感器設(shè)備(100)，包括a)樣品室(1)，所述樣品室(1)具有結(jié)合表面(12)，所述結(jié)合表面(12)具有用于磁性顆粒(M)的結(jié)合位點(Z)；b)磁場發(fā)生器(20)，所述磁場發(fā)生器00)用于將磁性顆粒(M)吸引到所述結(jié)合表面 (12)；c)檢測單元(13、14)，所述檢測單元(13、14)用于提供檢測信號(S)，所述檢測信號 (S)與結(jié)合到所述結(jié)合表面(12)的磁性顆粒(M)的數(shù)量相關(guān)；d)控制器(15)，所述控制器(15)用于控制磁吸引力，以使所述磁性顆粒(M)的旋轉(zhuǎn)弛豫條件依據(jù)所述檢測信號( 而改變。
2.一種用于對樣品中的磁性顆粒(M)進行檢測的方法，包括a)將磁性顆粒(M)磁吸引到結(jié)合表面(12)，所述磁性顆粒(M)能夠結(jié)合到在所述結(jié)合表面(12)上的結(jié)合位點(Z)；b)利用檢測單元(13、14)對結(jié)合到所述結(jié)合表面(1 的磁性顆粒(M)進行檢測；c)控制磁吸引力，以使所述磁性顆粒(M)的旋轉(zhuǎn)弛豫條件依據(jù)檢測結(jié)果( 而改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 所述磁性顆粒(M)能夠結(jié)合至少一個靶向顆粒(T)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器設(shè)備或方法，其特征在于僅結(jié)合了至少一個靶向顆粒(T)的磁性顆粒(M)能夠結(jié)合到所述結(jié)合表面(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 針對與所述磁性顆粒(M)相互作用的靶向顆粒(T)的數(shù)量，評估單元(16)監(jiān)控和評估所述檢測單元(13、14)的所述檢測信號(S)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 控制所述磁吸引力，以使在給定的測量時間內(nèi)磁性顆粒(M)與所述結(jié)合表面(12)的結(jié)合最大化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 如果所述檢測信號⑶表示磁性顆粒(M)與所述結(jié)合表面(12)的結(jié)合率低，則控制所述磁吸引力以便為旋轉(zhuǎn)弛豫提供更好的條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 基于存儲的校準數(shù)據(jù)來控制所述磁吸引力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 所述磁吸引力以受控頻率進行振蕩。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 所述磁吸引力以受控占空比在高值和低值之間切換。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 所述磁吸引力被關(guān)閉受控的持續(xù)時間(T。ff)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 在檢測步驟之前，將未結(jié)合的磁性顆粒(M)從所述結(jié)合表面(12)上去除。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于 所述檢測單元包括光學傳感器元件、磁傳感器元件、機械傳感器元件、聲學傳感器元件、熱傳感器元件或電傳感器元件，特別是線圈、霍爾傳感器、平面霍爾傳感器、磁通門傳感器、SQUID、磁共振傳感器、磁限制性傳感器或諸如GMR、TMR或AMR元件之類的磁阻傳感器。
14.將根據(jù)權(quán)利要求1到13中任意一項所述的傳感器設(shè)備用在分子診斷、生物樣品分析、化學樣品分析、食品分析和/或法醫(yī)分析中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對樣品中的磁性顆粒(M)進行檢測的方法和傳感器設(shè)備(100)。磁性顆粒(M)可以結(jié)合到結(jié)合表面(12)上的結(jié)合位點(Z)，其中磁性顆粒(M)可以由檢測單元(13、14)來檢測。提供控制器(15)，用于以改變磁性顆粒(M)的旋轉(zhuǎn)弛豫條件的方式，依據(jù)檢測單元(14)的檢測信號(S)來對使磁性顆粒(M)朝向結(jié)合表面(12)的磁吸引力(B)進行控制。具體地，該改變可被控制以使在給定測量時間內(nèi)磁性顆粒(M)與結(jié)合表面(12)的結(jié)合最大化。該改變例如可以通過使磁吸引力重復地關(guān)閉延長的時間段來實現(xiàn)，以給予磁性顆粒(M)更好的機會來相對于結(jié)合表面(12)適當定向。
文檔編號G01N33/543GK102439448SQ201080021689
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者C·B·克勞斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司