專利名稱：精密磁性生物傳感器的制作方法
精密磁性生物傳感器
本發(fā)明涉及用于確定流體中至少一種目標(biāo)的濃度的感測設(shè)備和 系統(tǒng)，所述流體中含有可極化或者極化磁性標(biāo)記中的至少一種，所述 系統(tǒng)包括感測設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步涉及使用該感測設(shè)備來確定流體中 至少一種可極化或極化磁性標(biāo)記的濃度的方法。
在診斷領(lǐng)域尤其是生物醫(yī)學(xué)診斷(諸如用于體內(nèi)和體外應(yīng)用兩者 的醫(yī)學(xué)和食物診斷，以及用于動物的診斷、健康和疾病的診斷或者質(zhì) 量控制)領(lǐng)域，生物傳感器或者生物芯片的使用是公知的。這些生物 傳感器或者生物芯片通常以生物芯片的微陣列形式被使用，該生物芯片能夠分析如DNA (脫氧核糖核酸)、RNA (核糖核酸)、蛋白質(zhì)或 者小分子(例如激素或藥物)的生物實(shí)體。當(dāng)前，存在許多種用于分 析少量生物實(shí)體或者生物分子或生物實(shí)體的片段的測定方法，諸如結(jié) 合測定、競爭性測定、位移測定、夾心測定或者擴(kuò)散測定。生物測試 的挑戰(zhàn)在于流體樣品中待測目標(biāo)分子的濃度很低(例如pmol.l"甚至 更低)，而變化的背景物質(zhì)的濃度很高(例如mmol.l-l)。目標(biāo)可以是 生物實(shí)體，例如多肽、代謝產(chǎn)物、激素、蛋白質(zhì)、核酸、類固醇、酶、 抗原、半抗原、藥物、細(xì)胞成分或者組織成分。背景物質(zhì)或基質(zhì)可以 是尿液、血液、血清、唾液或者其他人源或者非人源液體或提取物。 附著在目標(biāo)上的標(biāo)志改善了目標(biāo)的檢測限制。標(biāo)記的例子是光學(xué)標(biāo) 記、彩珠(colouredbead)、熒光化學(xué)基團(tuán)、酶、光學(xué)條形碼或者磁性 標(biāo)記。
生物傳感器通常采用具有裝配了捕獲分子的特異性結(jié)合位點(diǎn)2 的感測表面1。這些捕獲分子可特異性地結(jié)合流體中的其他分子或者 分子復(fù)合物。其他捕獲分子3和標(biāo)記4有助于檢測。這在
圖1中示出，
其顯示了生物傳感器感測表面1，捕獲分子與其偶聯(lián)為其他生物實(shí)體 (例如目標(biāo)分子6或目標(biāo)6)提供結(jié)合位點(diǎn)2。在溶液5中，存在另外的捕獲分子3與其偶聯(lián)的目標(biāo)6和標(biāo)記4。
目標(biāo)6和標(biāo)記4被允許與生物傳感器感測表面1的結(jié)合位點(diǎn)2以 此后稱為"特異性附著"的特定方式結(jié)合。但是，其它結(jié)合配置也是 可能的，此后稱為"非特異性附著"。在圖2a、 2b、 2c、 3.1a、 3.1b、 3.2a、 3.2b、 3.2c、 3.3中，標(biāo)記4與生物傳感器感測表面1的一些可 能的結(jié)合配置的例子被示出。圖2a和2b代表了實(shí)現(xiàn)所需的生物附著 的所謂的1型結(jié)合配置。在圖2a中顯示了所需的生物附著，其中目 標(biāo)分子6被夾在生物傳感器感測表面1上的結(jié)合位點(diǎn)2和標(biāo)記4上存 在的捕獲分子3之間(夾心測定)。在圖2b中，顯示了競爭性測定的 生物傳感器的情況，其中感測表面1上提供的結(jié)合位點(diǎn)2能夠附著到 標(biāo)記4 (通過將結(jié)合位點(diǎn)2與裝配有標(biāo)記4的捕獲分子3附著)和目 標(biāo)6上。目標(biāo)6具有至少部分地與結(jié)合位點(diǎn)2有關(guān)的類似于捕獲分子 3的形式和/或行為，使捕獲分子3 (即標(biāo)記4)和目標(biāo)6之間的結(jié)合 位點(diǎn)2存在競爭。在圖2c中，顯示了抑制測定生物傳感器的情況， 其中結(jié)合位點(diǎn)2在生物學(xué)方面類似于目標(biāo)6，并且標(biāo)記4與既可結(jié)合 目標(biāo)6又可結(jié)合到結(jié)合位點(diǎn)2的捕獲分子3 (或者一般的生物實(shí)體) 結(jié)合。理想地，結(jié)合(經(jīng)捕獲分子3)到標(biāo)記4的目標(biāo)6可不再與結(jié) 合表面2結(jié)合。
在附圖中，生物活性實(shí)體(例如捕獲分子3或者結(jié)合位點(diǎn)2)被 設(shè)計(jì)為直接偶聯(lián)到固相載體(例如傳感器表面1或者標(biāo)記4)。如同 本領(lǐng)域已知的那樣，所述生物活性層一般經(jīng)中間實(shí)體(例如緩沖液層 或者間隔分子)與固相載體連接。所述中間實(shí)體被增加以實(shí)現(xiàn)表面上 分子的高密度和高生物活性。為清楚和簡明起見，中間實(shí)體在附圖中 被省去。
與到這些感測表面1的生物附著不同，標(biāo)記4還可以非特異性或 者非生物方式附著到感測表面1，即不需要特異性目標(biāo)分子6的媒介 而與表面1結(jié)合。圖3.1a、 3.1b、 3.2a、 3.2b、 3.2c、 3.3顯示了這種 非生物附著，其中圖3.1a和3.1b顯示了所謂的2型結(jié)合配置的例子， 其中在與標(biāo)記4偶聯(lián)的捕獲分子3和生物傳感器感測表面1之間，和 /或在與標(biāo)記4偶聯(lián)的捕獲分子3和偶聯(lián)到生物傳感器感測表面1的 結(jié)合位點(diǎn)2之間存在單一非特異性結(jié)合。正常地，這種僅僅通過一個(gè) 單一非特異性結(jié)合的2型結(jié)合僅僅是微弱的，并可通過諸如洗滌或者 磁力的緊迫程序(stringency procedure)被移除。如圖3.2a、 3.2b禾口 3.2c所示，所謂的與感測表面1和/或結(jié)合位點(diǎn)2的3型結(jié)合配置也 可能經(jīng)由穿過在一方面標(biāo)記4 (或者與標(biāo)記4偶聯(lián)的捕獲分子3)和 另一方面生物傳感器感測表面1和/或結(jié)合位點(diǎn)2之間的更大區(qū)域的 眾多非特異性結(jié)合。3型配置通常提供比1型結(jié)合更強(qiáng)的結(jié)合力。圖 3.3顯示了 1型的退化方案，其中標(biāo)記4通過特異性和非特異性結(jié)合 與生物傳感器感測表面1結(jié)合。
在現(xiàn)場測試中，例如唾液中濫用藥物的路旁經(jīng)窗 (through-the-window)測試，例如為了交通安全，必須提供在每日被使 用的情況下足夠強(qiáng)健的測試裝備并提供產(chǎn)生足夠迅速和精確的結(jié)果 的測試方法。所述測試可以各種形式被執(zhí)行，例如競爭或者抑制測定 形式。在圖4中，顯示了用于兩種不同的測試樣品的目標(biāo)依賴性傳感 器信號Sl和S2隨時(shí)間的發(fā)展，其中信號Sl對應(yīng)于高目標(biāo)6濃度， 信號S2對應(yīng)低目標(biāo)6濃度。Sl與S2之間存在差值是由于觀賦樣 品中目標(biāo)分子濃度越低，與捕獲分子3附著的標(biāo)記4與感測表面1的 結(jié)合位點(diǎn)2結(jié)合的可能性越高的事實(shí)。
在國際專利申請WO03/054566A1中，公開了用于確定流體中磁 性粒子濃度的磁致電阻感測設(shè)備。磁致電阻感測設(shè)備或者生物芯片具 有帶支撐流體的層結(jié)構(gòu)的襯底。層結(jié)構(gòu)具有第一水平高度中的第一表 面區(qū)域和第二水平高度中的第二表面區(qū)域以及用于檢測流體中至少 一種磁性粒子的磁場的磁致電阻感測元件。磁致電阻元件被定位在第 一和第二表面區(qū)域之間的過渡區(qū)域附近并朝向至少一個(gè)表面區(qū)域。使 用這種設(shè)備，能夠確定流體中標(biāo)記4的濃度。
本發(fā)明的目的在于提供一種感測設(shè)備、系統(tǒng)和方法，其能夠以足 夠迅速和精確的方式確定流體中至少一種目標(biāo)的濃度，該流體含有至 少一種可極化或極化磁性標(biāo)記，特別是通過使用流體中至少一種可極 化或者極化磁性標(biāo)記的濃度，以及特別是通過精確測量感測表面對磁 性標(biāo)記的暴露率(exposure mte)以及特異性地結(jié)合在感測表面上的磁 性標(biāo)記的濃度。
上述目的通過根據(jù)本發(fā)明的感測設(shè)備、系統(tǒng)和方法來實(shí)現(xiàn)。 在本發(fā)明的第一方面，提供了用于確定含有至少一種可極化或者 極化磁性標(biāo)記的流體中至少一種目標(biāo)的濃度的感測設(shè)備。感測設(shè)備包 括至少一個(gè)感測表面，感測表面包括至少一種能夠特異性附著到至少 一種與磁性標(biāo)記連接的生物實(shí)體的結(jié)合位點(diǎn)。感測設(shè)備進(jìn)一步包括至 少一個(gè)磁性傳感器元件，該感測設(shè)備進(jìn)一歩包括用于以時(shí)間解析方式 區(qū)分特異性附著到結(jié)合位點(diǎn)的磁性標(biāo)記和非特異性附著的標(biāo)記的分 辨裝置。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于其允許比現(xiàn)有技術(shù)更精確更快速 地確定測定中磁性傳感器上目標(biāo)分子的濃度。使用根據(jù)本發(fā)明的感測 設(shè)備，通過精確確定直接位于傳感器表面之上的標(biāo)記濃度和在感測表 面上發(fā)生結(jié)合過程的時(shí)間段，總地來說令人驚異并且使本領(lǐng)域技術(shù)人 員預(yù)料不到的是其能夠改善檢測限制和特異性。
我們將討論本發(fā)明用于不同測定范圍。在第一個(gè)例子中，本發(fā)明
被討論用于抑制測定的情形。具有目標(biāo)6的樣品被暴露給具有標(biāo)記4 的反應(yīng)物。標(biāo)記4被提供有捕獲分子3。在這種情況下，這些捕獲分 子3可被認(rèn)為是生物捕獲分子3 ，諸如可特異性結(jié)合到目標(biāo)6的抗目 標(biāo)抗體(anti-target antibody)。由于它們的快速動力學(xué)，目標(biāo)6經(jīng)捕 獲分子3結(jié)合到標(biāo)記4?；谀繕?biāo)濃度和捕獲分子3的結(jié)合特性(例 如締合和解離常數(shù))，標(biāo)記4表面上的捕獲分子3更大范圍或者更小 范圍地與目標(biāo)6結(jié)合。捕獲分子3的覆蓋分?jǐn)?shù)由參數(shù)e表示。在這種 測定中，我們稱這種參數(shù)為抑制分?jǐn)?shù)，其范圍在0°/。到100%之間。 萬一測定被調(diào)整成目標(biāo)受限的，即當(dāng)測定處于靈敏狀態(tài)，參數(shù)e可與 樣品中目標(biāo)的濃度成比例?，F(xiàn)在傳感器表面1包覆有結(jié)合位點(diǎn)2，在 這種情況下為目標(biāo)狀分子，例如藥物結(jié)合物。具有標(biāo)記4的流體與傳 感器表面1接觸?？稍谌芤褐凶杂蛇\(yùn)動的磁性標(biāo)記4具有到達(dá)傳感器 表面的第一機(jī)會，與傳感器表面生物接觸的第二機(jī)會和與傳感器表面 1上的結(jié)合位點(diǎn)2結(jié)合的第三機(jī)會。標(biāo)記4到達(dá)并接觸傳感器表面的 比率被成為暴露率。暴露率不依賴或者幾乎不依賴流體中目標(biāo)的濃
度。這與結(jié)合率形成強(qiáng)烈對照，后者強(qiáng)烈依賴流體中目標(biāo)的濃度，例
如經(jīng)參數(shù)e。暴露率總是高于結(jié)合率，而且一般遠(yuǎn)高于結(jié)合率。
標(biāo)記4與傳感器表面的暴露率和結(jié)合率取決于許多參數(shù)。 一些參 數(shù)在測試時(shí)間之前可以很容易控制或者校準(zhǔn)，而另一些參數(shù)強(qiáng)烈依賴 于測試條件和樣品流體的特性而變化。例如，傳感器的面積A在制 造過程中被非常精確地設(shè)定，例如，由于芯片的掩模和光刻加工。而 且，在設(shè)備的生物制造工藝之前或之后，結(jié)合位點(diǎn)2和捕獲分子3的 生物特性(例如表面密度以及諸如締合和解離特性的生物活性)可被 預(yù)先控制和/或校準(zhǔn)。但是，傳感器表面1對標(biāo)記4的暴露率難以控 制或者校準(zhǔn)，因?yàn)樗Q于許多參數(shù)諸如與樣品接觸帶來的反應(yīng)物中 標(biāo)記的數(shù)量，反應(yīng)物在樣品中的溶解率(注意反應(yīng)物可以流體或者干 燥形式供應(yīng))，樣品的粘度，樣品溫度，流體中標(biāo)記混合和/或致動的 有效性(例如通過熱擴(kuò)散、沉淀、磁力、聲學(xué)力、機(jī)械致動器、剪切 力、旋轉(zhuǎn)激發(fā))。
在上述抑制形式中，目標(biāo)6與標(biāo)記4的結(jié)合部分或者全部抑制標(biāo) 記4與目標(biāo)狀結(jié)合位點(diǎn)2的結(jié)合。標(biāo)記4與傳感器表面1上的結(jié)合位 點(diǎn)2的特異性結(jié)合率dN/dt大約由下式給出(單位s'1)-
<formula>complex formula see original document page 10</formula>
其中A為傳感器表面的面積(單位m2)， k。n為分子結(jié)合過程的 締合常數(shù)(單位mVs)， [Cap]為傳感器表面上的結(jié)合位點(diǎn)濃度(單位 m—2)， [L]為在傳感器附近的流體中，特別是溶液中標(biāo)記4的濃度(單 位!11-3)，并且e為抑制分?jǐn)?shù)，其取決于樣品中的目標(biāo)濃度。締合常數(shù) 、 取決于生物物質(zhì)和其他動力學(xué)條件(例如溫度，或者在結(jié)合過程 中施加到標(biāo)記上的力，例如磁力)，其在設(shè)備的生物制造過程中或其 后可被控制和/或校準(zhǔn)，甚至僅僅在檢測之前使用校準(zhǔn)流體控制和/或
校準(zhǔn)(為了簡明和清楚的目的，我們在方程中忽略了解離過程koff)。
測試的目的是精確測量原始樣品中的目標(biāo)濃度，其具有與參數(shù)e 的良好定義的關(guān)系。于是我們需要高度精確(即以低A e/e )地確 定參數(shù)e 。考慮到上述方程，重要地是高度精確地確定所有的參數(shù)，
即dN/dt， A， k。n， [Cap]和[L]。在小目標(biāo)濃度的情況下這尤其是一種 挑戰(zhàn)在這種情況下，e很小并且不確定，所有其他參數(shù)強(qiáng)烈降低了 e的精確性。
因此需要在流體中，傳感器表面對標(biāo)記4的暴露率精確已知。在 本發(fā)明中，計(jì)劃經(jīng)由對起磁標(biāo)記作用的磁性離子的體積密度的測量高 度精確地測定暴露率。根據(jù)本發(fā)明，磁性標(biāo)記或者磁珠的體積密度理 想地在測試發(fā)生的同時(shí)直接在傳感器上確定并被測量。但是，體積密 度還可在一些稍微不同的位置或時(shí)間被測量，只要測量能代表高于結(jié) 合位點(diǎn)附近的實(shí)際體積密度。因此，感測表面l在本發(fā)明的上下文中 被理解為特異性附著的標(biāo)記4的測量，即結(jié)合位點(diǎn)2的測量被定位和 用于暴露率確定的磁性標(biāo)記4 (即非特異性附著的標(biāo)記4)的體積密 度測量發(fā)生的地方。此外，關(guān)于暴露率的測量，即非特異性附著的磁 性標(biāo)記4的體積密度的測量，術(shù)語"時(shí)間解辨"測量被理解為不需要 在傳感器信號(即指示特異性附著到感測表面的磁性標(biāo)記的信號)采 樣的時(shí)間間隔期間重復(fù)測量標(biāo)記的體積密度。
現(xiàn)在我們給出生物測定的第二個(gè)例子，即競爭性測定。競爭性測 定的成分在圖2b中描述。標(biāo)記4與傳感器表面1上的結(jié)合位點(diǎn)2的 特異性結(jié)合率dN/dt由方程(1)近似給出，但現(xiàn)在e是結(jié)合位點(diǎn)2 由目標(biāo)6占據(jù)的分?jǐn)?shù)。如同在第一個(gè)例子中那樣，目標(biāo)6在流體中的 濃度的精確和迅速的數(shù)據(jù)可通過測量感測表面對磁性標(biāo)記的暴露率 以及感測表面上的特異性結(jié)合磁性標(biāo)記的濃度而提取。
在第三個(gè)例子中，我們提供了夾心測定。如圖1中所示，帶有捕 獲分子3的標(biāo)記4與含有目標(biāo)6的樣品接觸，并且這些物質(zhì)與結(jié)合位 點(diǎn)2接觸。特異性結(jié)合的所需類型在圖2a中顯示。注意，捕獲分子 3和結(jié)合位點(diǎn)2—般是抗體；通常它們不是相同的分子，因?yàn)樗鼈兣c 目標(biāo)6的不同部分結(jié)合。圖2a的結(jié)合類型可以不同順序發(fā)生，例如， 目標(biāo)6可首先結(jié)合標(biāo)記4然后結(jié)合結(jié)合位點(diǎn)2，或者反過來。為了本 發(fā)明的描述清楚起見，我們在這里假定目標(biāo)6首先與標(biāo)記4結(jié)合。基 于目標(biāo)濃度和捕獲分子3的結(jié)合特性(例如締合和解離常數(shù))，標(biāo)記 4表面上的捕獲分子3更大或者更小程度地與目標(biāo)6結(jié)合。捕獲分子3由目標(biāo)6的覆蓋分?jǐn)?shù)由參數(shù)e表示。在這種測定中，我們稱該參數(shù)為包覆分?jǐn)?shù)(coating fraction)。標(biāo)記4與傳感器表面1上的結(jié)合位點(diǎn)2的結(jié)合率dN/dt由方程(2)近似給出(單位s"):
<formula>complex formula see original document page 12</formula>
其中A為傳感器表面的面積(單位m2)， kon為分子結(jié)合過程的 締合常數(shù)(單位mVs)， [Cap]為傳感器表面上的結(jié)合位點(diǎn)的濃度(單 位m—2)， [L]為傳感器附近流體(尤其是溶液)中標(biāo)記4的濃度(單 位111-3)， e為包覆分?jǐn)?shù)，其取決于樣品中的目標(biāo)濃度[注意與方程(l) 的不同，方程l具有項(xiàng)(l-e )]。在測試過程中締合常數(shù)k。n取決于 生物物質(zhì)和其它動力學(xué)條件(例如溫度、磁力)，在生物制造工藝過 程中或者僅僅在測試之前其可被控制和/或校準(zhǔn)。
在上述例子中，參數(shù)e是標(biāo)記4上的包覆分?jǐn)?shù)。在進(jìn)行順序測定 的情況下，即首先將目標(biāo)6與結(jié)合位點(diǎn)2接觸，然后將傳感器表面1 與標(biāo)記4接觸，參數(shù)e對應(yīng)于由目標(biāo)6占據(jù)的結(jié)合位點(diǎn)2的分?jǐn)?shù)。
可被使用的測定的第四個(gè)例子是抗-復(fù)合物(anti-complex)測定。 這種測定使用圖1的成分，并且利用結(jié)合位點(diǎn)2被選擇以結(jié)合在目標(biāo) 6中存在的捕獲分子3但不單獨(dú)結(jié)合捕獲分子3的空間特性。這種形 式適于小分子檢測，其特征在于結(jié)合的標(biāo)記4的量隨著目標(biāo)6的數(shù)量 增加。在該測定的靈敏狀態(tài)下，方程(2)可被應(yīng)用。
解釋本發(fā)明在測定中的使用的第五個(gè)例子是使用選擇性阻斷劑 的測定。該測定形式此后也被成為阻斷劑測定。在該測定中，除圖l 中的成分以外，還使用了阻斷劑。阻斷劑例如可以是與更大的實(shí)體偶 聯(lián)的目標(biāo)狀分子。在目標(biāo)6不存在的情況下，阻斷劑將附著到捕獲分 子3，從而阻斷標(biāo)記4與結(jié)合位點(diǎn)2的結(jié)合。當(dāng)目標(biāo)存在時(shí)，它們將 部分或者全部包覆捕獲分子3?，F(xiàn)在標(biāo)記4可與結(jié)合位點(diǎn)2結(jié)合。該 結(jié)合可以包括與目標(biāo)6的結(jié)合(如圖2a所示)，但是這不是必需的。 假定當(dāng)阻斷劑與捕獲分子3結(jié)合時(shí)這種結(jié)合不會發(fā)生，這種結(jié)合也可 以對于部分捕獲分子3發(fā)生。。
結(jié)合標(biāo)記4的量隨著目標(biāo)6在流體樣品中的濃度而增加。在測定的靈敏狀態(tài)下，方程(2)可被應(yīng)用。這種形式適于大分子以及小分 子。小分子例如可以是濫用的藥物。
在生物測定中，反應(yīng)物可立即被放置在一起(例如在微滴定板的 孔(well)中)或者及時(shí)順序接觸(例如在孔中使用順序移液步驟，或 者在側(cè)流設(shè)備中)。例如，人們可首先將目標(biāo)6與捕獲分子3接觸， 然后將物質(zhì)與阻斷劑接觸。為了加快速度，物質(zhì)可立即接觸。后者的 缺點(diǎn)可能是在目標(biāo)6可與捕獲分子3結(jié)合之前阻斷劑就與捕獲分子3 結(jié)合，從而降低了包覆分?jǐn)?shù)e 。這將降低標(biāo)記4與結(jié)合位點(diǎn)2的結(jié)合 率。但是，在快速分子動力學(xué)中，目標(biāo)6可代替與捕獲分子3結(jié)合的 阻斷劑，使包覆分?jǐn)?shù)幾乎不受影響。
上述測定的例子證明，測得的標(biāo)記4與感測表面1的結(jié)合率取決 于流體中目標(biāo)6的濃度。本發(fā)明要求保護(hù)通過另外測量標(biāo)記4與結(jié)合 位點(diǎn)2的暴露率，至少一種目標(biāo)6的濃度可以被更精確、因而也更快 速地由測得的標(biāo)記4與結(jié)合位點(diǎn)2的特異性結(jié)合率推導(dǎo)得出d
這由涉及分?jǐn)?shù)參數(shù)e的動力學(xué)方程來說明，該參數(shù)e涉及目標(biāo)6 的濃度。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，暴露率通過測量表面1附近的標(biāo)記4的濃度 來確定。
在優(yōu)選方法中，目標(biāo)6的濃度通過計(jì)算結(jié)合率對暴露率之比來確 定。更優(yōu)選地，目標(biāo)6的濃度通過計(jì)算所測量的特異性結(jié)合率對所測 量的結(jié)合位點(diǎn)2附近的標(biāo)記4的濃度之比來確定。
一般說來，感測設(shè)備將對特異性附著到感測表面(對比上述1型 結(jié)合)的標(biāo)記和非特異性附著但仍在感測表面附近的標(biāo)記敏感。該第 二種備選方案可通過以2型的方式結(jié)合到感測表面的標(biāo)記或者通過 不附著到感測表面但定位在表面附近的標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，這些不同磁性標(biāo)記濃度被獨(dú)立測定。根據(jù)本發(fā)明的 一種實(shí)施方式，例如，通過特異性附著的標(biāo)記對非特異性附著的標(biāo)記 對沒有附著的標(biāo)記的旋轉(zhuǎn)和/或平移遷移率(mobility)的不同，能夠?qū)?特異性附著的磁性標(biāo)記與其它標(biāo)記區(qū)分開。例如，能夠施加磁場并確 定遷移率相關(guān)信號。所述磁場還可被調(diào)制，例如通過電流導(dǎo)線或者磁體，將磁性標(biāo)記吸引到感測表面上，或者將磁性標(biāo)記排斥離開感測表 面，或者在感測表面上方移動磁性標(biāo)記。對于不同位置的磁性標(biāo)記來 說，磁性傳感器元件的信號比較允許確定存在于待測溶液中的感測表 面附近的運(yùn)動磁性標(biāo)記的數(shù)目。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，分辨裝置包括用于產(chǎn)生磁場的磁場 產(chǎn)生裝置。磁場產(chǎn)生裝置可被定位在傳感器設(shè)備上，并且例如可以是 電流導(dǎo)線或者二維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。磁場產(chǎn)生裝置可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在另一 種實(shí)施方式中，磁場產(chǎn)生裝置可產(chǎn)生單向或者一維磁場，例如脈沖單 向磁場或者正弦調(diào)制磁場。在這種情況下，不同結(jié)合到感測表面的磁 性標(biāo)記的不同運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)自由可與沿著某一方向通過流體(例如液 體或者氣體)的磁性標(biāo)記的第一組的不同平移速度有關(guān)，或者可與這 樣的一組磁性標(biāo)記的不同旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。在該方式中，不同組磁性標(biāo) 記可通過本發(fā)明的感測設(shè)備區(qū)別或區(qū)分。
在本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，感測設(shè)備的分辨裝置包括定 位在一個(gè)磁性傳感器元件的每側(cè)，即左側(cè)和右側(cè)或者上和下的兩個(gè)磁 場產(chǎn)生裝置?；蛘撸瑐鞲衅髟ㄎ辉趦筛娏骶€之間，例如平行電 流片之間。本發(fā)明的這種實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，假定在傳感器元件的 位置處兩個(gè)磁場彼此補(bǔ)償?shù)揭欢ǔ潭?，磁性傳感器元件對兩個(gè)磁場產(chǎn) 生裝置的磁場部分或者完全不敏感。因此，磁性傳感器元件實(shí)質(zhì)上由 于感測表面上或者感測表面附近磁性標(biāo)記的存在而感受到磁場。通過 將磁性傳感器元件放置在凈磁場被兩個(gè)磁場產(chǎn)生裝置補(bǔ)償?shù)娜莘e中， 避免了傳感器元件的可能飽和，傳感器元件對所述凈磁場敏感。在傳 感器的敏感方向上這尤其重要，即對于磁場的平面中部件來說尤其重 要。
在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施方式中，磁場產(chǎn)生裝置是定位在感測 設(shè)備上的二維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
如前所述，感測設(shè)備將對特異性附著到感測表面的標(biāo)記(l型結(jié)
合)以及沒有特異性附著但仍在表面附近的標(biāo)記(例如2型標(biāo)記結(jié)合)
或者沒有附著到感測表面但在感測表面附近的標(biāo)記敏感。根據(jù)本發(fā) 明，這些不同磁性標(biāo)記的濃度被獨(dú)立測量。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式，感測設(shè)備包括具有處于第一水平高度的第一表面區(qū)域和處于第 二水平高度的第二表面區(qū)域的分辨裝置，其中磁性傳感器元件被定位 在第一和第二表面區(qū)域之間的過渡區(qū)域附近并面對至少一個(gè)表面區(qū) 域。在感測設(shè)備的該實(shí)施方式中，優(yōu)選地，從基本垂直的投影觀察， 磁性傳感器元件以第一和第二水平高度之間的過渡區(qū)域?yàn)橹行摹?br>
根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的感測設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是感測表面附 近的磁性標(biāo)記的濃度僅僅通過改變感測表面的幾何形狀就可獲得，因 而不需要使用永久或者被調(diào)制的磁場。通過這樣，結(jié)合到感測表面的 標(biāo)記的進(jìn)一步參數(shù)更容易獲得或者所述測量的時(shí)間分辨率被增強(qiáng)。
在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施方式中，感測設(shè)備的分辨裝置包括電
容傳感器裝置。根據(jù)本發(fā)明測量[L]的一種優(yōu)選方式是通過電容檢測
(即測量阻抗譜)和通過獲取對溶液中標(biāo)記的濃度敏感的信號進(jìn)行。 對于這種目的，分辨裝置包括電容感測部裝置。電容感測裝置可通過 兩個(gè)電極來提供，例如感測表面上或上方或者感測表面附近的電容器 板或者導(dǎo)線。電容器板可作為感測表面上或附近的金屬化區(qū)域來提 供。電容器板可被布置成大體上平行于感測設(shè)備的基板?；蛘?，電容 器板可以以諸如硅、多晶硅或任何其他合適的材料的半導(dǎo)體材料的區(qū) 域的形式來提供。電容器板可以被布置為大體上平行于感測設(shè)備的襯 底的平面。電容器板可被定位在大體上沿著垂直于襯底平面的方向彼
此相對。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，對于[L]的電容測量而言重要樣品體積被 覆蓋或者被考慮在內(nèi)?；蛘撸娙萜靼蹇杀欢ㄎ辉诖篌w上沿著平行于 襯底平面的方向彼此相對。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，電容器板可被制造成大 體上在與感測表面1相同的平面中，降低了感測設(shè)備的制造工藝的復(fù) 雜程度。
在本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明的前述實(shí)施方式還可被組 合，其中分辨裝置包括用于產(chǎn)生磁場的磁場產(chǎn)生裝置以及處于第一水
平高度的第一表面區(qū)域和處于第二水平高度的第二表面區(qū)域，其中磁 性傳感器元件被定位在第一和第二表面區(qū)域之間的過渡區(qū)域附近并 面向第一和第二表面區(qū)域中的至少一個(gè)。
根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，感測表面附近的磁性
標(biāo)記的濃度甚至更好獲得，因?yàn)樗軌驅(qū)⒈景l(fā)明的第一和第二種實(shí)施 方式的不同測定原理組合在一起，以便增加感測設(shè)備的時(shí)間分辨率和 /或精確性。
對于感測設(shè)備的所有實(shí)施方式來說，磁性傳感器元件可以是AMR、 GMR或者TMR傳感器元件的一種。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明，基 于其它原理的諸如霍爾傳感器元件或者SQUID的磁性傳感器元件也 是可能的。
下面，將主要參照磁性標(biāo)記(也被成為磁珠或者小珠)對本發(fā)明 進(jìn)行描述。磁性標(biāo)記不需要是球形形狀，而是可以是任何合適的形狀， 例如球體，圓柱體或者桿，立方體，卵形等等形式，或者可以不具有 確定或者恒定形狀。通過術(shù)語"磁性標(biāo)記"可以理解的是，標(biāo)記包括 任何合適形式的一種磁性粒子或者多種磁性粒子，例如磁性、反磁性、 順磁性、超順磁性、鐵磁性等，其可以是在磁場中永久或暫時(shí)產(chǎn)生磁 偶極子的任何形式的磁體。為了執(zhí)行本發(fā)明，在磁性標(biāo)記的形狀方面 沒有限制，但球形標(biāo)記是現(xiàn)有最容易以可靠方式生產(chǎn)并且最便宜的。 磁性標(biāo)記的尺寸本身不是本發(fā)明的限制因素。但是，為了檢測生物傳 感器上的相互作用，小尺寸磁性標(biāo)記是有利的。當(dāng)微米級尺寸的磁珠 被用于磁性標(biāo)記時(shí)，它們限制了降尺度(downscaling)，因?yàn)槊總€(gè)標(biāo) 記占據(jù)了至少lun^的面積。此外，小的磁性標(biāo)記具有更好的擴(kuò)散特 性并且一般顯示了比大磁珠更低的沉淀趨勢。根據(jù)本發(fā)明，所使用的 磁性標(biāo)記的尺寸在1到3000nm之間，更優(yōu)選在5到500nm之間。
在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語"生物實(shí)體"應(yīng)當(dāng)被廣 義解釋。它包括生物活性分子，諸如蛋白質(zhì)、多肽、RNA、 DNA、 脂類、磷脂、例如糖的碳水化合物，或者類似物質(zhì)。術(shù)語"生物實(shí)體" 還包括細(xì)胞碎片，諸如一部分細(xì)胞膜，特別是可包含受體的細(xì)胞膜部 分。術(shù)語生物實(shí)體還涉及可能結(jié)合到生物實(shí)體的小化合物。例子包括 激素、藥物、配體、拮抗劑、抑制劑和調(diào)節(jié)劑(modulator)。生物實(shí) 體可以是被分離的或者被合成的分子。合成分子可包括非天然產(chǎn)生的 化合物，諸如改性氨基酸或者核苷酸。生物實(shí)體還可在培養(yǎng)基或者流 體中產(chǎn)生，所述流體諸如血液或血清或者唾液或者其它體液或分泌物、或提取物、或者組織樣品或者來自細(xì)胞培養(yǎng)物的樣品，或者任何 其它包括生物實(shí)體(諸如食物、飼料、水樣品或者其它)的樣品。
本發(fā)明還包括用于確定含有至少一種可極化或者極化磁性標(biāo)記 的流體中至少一種目標(biāo)的濃度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)前述任何一 種實(shí)施方式的磁致電阻感測設(shè)備。該系統(tǒng)包括感測設(shè)備以及合適的機(jī) 械環(huán)境，例如用于樣品獲取、樣品預(yù)處理、感測表面的濕潤等的封裝、 小室、通道、管和類似物。該系統(tǒng)還包括感測設(shè)備和合適的電和/或 電子環(huán)境，例如電源、數(shù)據(jù)采集和分析裝置、輸出裝置。
本發(fā)明還包括使用根據(jù)感測設(shè)備的前述任一種實(shí)施方式的感測 設(shè)備確定含有至少一種可極化和極化磁性標(biāo)記的流體中的至少一種 目標(biāo)的濃度的方法，所述方法包括下列步驟
將包含磁性標(biāo)記的流體提供到感測表面上。
施加磁場，
在特異性附著到結(jié)合位點(diǎn)上的磁性標(biāo)記對沒有附著和/或非特異 性附著的標(biāo)記之間進(jìn)行時(shí)間解析區(qū)分。
根據(jù)本發(fā)明，特別優(yōu)選通過計(jì)算特異性附著的標(biāo)記的濃度對沒有 附著的標(biāo)記的濃度的比值，即結(jié)合率(由傳感器表面上的磁性標(biāo)記濃 度來表示)對暴露率(由液體體積中磁性標(biāo)記的濃度來表示)的比值 來確定目標(biāo)的濃度。根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)濃度與參數(shù)e成比例，該參數(shù)表示根據(jù)測定的類型而變化的、存在于標(biāo)記4上或者傳感器表面1上 的結(jié)合部分(bindingmoieties)的占有分?jǐn)?shù)。該參數(shù)以取決于測定的 方式與流體中目標(biāo)濃度相關(guān)。
本發(fā)明的中心思想是通過如下的兩個(gè)測量值來測量目標(biāo)的濃度， 即(i)標(biāo)記對結(jié)合位點(diǎn)的特異性結(jié)合率和(ii)標(biāo)記對結(jié)合位點(diǎn)的暴 露率。暴露率優(yōu)選經(jīng)傳感器表面附近的未結(jié)合標(biāo)記濃度(即[L])來 測量。[L]的測量存在不同的方式。[L]的一種測量方式是通過測量專 用于具有高遷移率的標(biāo)記的信號。[L]的另一種測量方式是通過比較 用于兩種不同情況的傳感器信號來進(jìn)行，即當(dāng)未結(jié)合標(biāo)記處于傳感器 的敏感區(qū)域時(shí)的情況和當(dāng)標(biāo)記被從傳感器的敏感區(qū)域除去，例如通過 磁力除去，通過熱擴(kuò)散除去，通過流體流動或者通過其它運(yùn)輸機(jī)制除
去時(shí)的情況。
通過結(jié)合僅僅作為例子示出本發(fā)明原理的附圖的下列詳細(xì)描述， 本發(fā)明的這些和其它特征、特性和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。描述僅僅作 為示例的原因而給出，而不是限制本發(fā)明的范圍。下面引用的參考標(biāo) 號指的是附圖。
圖1示出了第一捕獲分子在包括目標(biāo)和標(biāo)記的溶液中被偶聯(lián)到 其上的生物傳感器，第二捕獲分子與所述標(biāo)記偶聯(lián)；
圖2a、 2b、 2c、 3.1a、 3.1b、 3.2a、 3.2b、 3.2c、 3.3示出了標(biāo)記4
對生物傳感器表面的可能結(jié)合配置的一些例子；
圖4示出了用于高目標(biāo)濃度和低目標(biāo)濃度的兩種不同測試樣品 的傳感器信號隨時(shí)間的發(fā)展；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和感測設(shè)備的示意性圖示；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的設(shè)備的示意性圖示；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的設(shè)備的示意性圖示；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的設(shè)備的示意性圖示。
將參照特定實(shí)施方式并參照一些附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，但本發(fā) 明并不限于它們，而是僅僅由權(quán)利要求限定。所描述的附圖僅僅是示 意性的而非限制性的。在附圖中，出于解釋的目的， 一些元件的尺寸 可被夸大而不是按比例繪出。
當(dāng)涉及單數(shù)名詞例如"一"、"一個(gè)"、"該"時(shí)其中不定冠詞和定 冠詞被使用，除非特別指明的一些情況，這包括該名詞的復(fù)數(shù)。
此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語第一、第二、第三等被用于 區(qū)別類似的元件并且不用于描述順序或者時(shí)間順序。應(yīng)當(dāng)理解的是， 如此使用的術(shù)語在合適情況下可互換并且在本文中描述的本發(fā)明的 實(shí)施方式能夠以與這里示出的描述不同的順序操作。
此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語頂部、底部、上方、下方等 用于描述的目的，而對于描述相對位置來說并不是必須的。應(yīng)當(dāng)理解 的是，如此使用的術(shù)語在合適情況下可互換并且在本文中描述的本發(fā) 明的實(shí)施方式能夠以與這里描述的或說明的不同的定向操作。
應(yīng)當(dāng)注意的是，在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語"包括"不
應(yīng)當(dāng)被解釋為限制其后所列舉的裝置；它不排除其它元件或步驟。因 此，"包括裝置A和B的設(shè)備"表達(dá)的范圍不應(yīng)當(dāng)被限制成僅僅由部 件A和B構(gòu)成的設(shè)備。它意味著關(guān)于本發(fā)明，僅僅設(shè)備的相關(guān)部件 是A和B。
圖1到3已經(jīng)在說明書的介紹性部分描述。
在圖4中，顯示了用于兩種不同測試樣品的目標(biāo)相關(guān)傳感器信號 S,和S2的隨時(shí)間的發(fā)展。信號強(qiáng)度以取決于測定類型的方式依賴于 目標(biāo)濃度。例如在夾心測定中，信號S,對應(yīng)于低目標(biāo)濃度并且信號 S2對應(yīng)于高目標(biāo)濃度。在抑制和競爭性測定的例子中相反應(yīng)用(即信 號S,對應(yīng)于比S2高的目標(biāo)濃度)。經(jīng)過與測量時(shí)間對應(yīng)的時(shí)間間隔tm能夠以足夠的精確性測定目標(biāo)濃度。圖4中若干小圓圈表示感測設(shè)備 實(shí)際進(jìn)行的測量。時(shí)間間隔tm對應(yīng)于感測設(shè)備得出結(jié)果 (time-to-result)的時(shí)間。在測量開始時(shí)，時(shí)間間隔是流體尤其是液 體到達(dá)感測表面上方的時(shí)間W。注意，該圖給出了信號對時(shí)間或多或 少的線性行為的例子。在一些情況下信號可以更復(fù)雜，例如像更高次 的多項(xiàng)式，由于例如生物層的激活時(shí)間或者小珠向著傳感器表面的擴(kuò) 散時(shí)間或漂移時(shí)間。
磁性生物傳感器一般被制成對特異性結(jié)合到傳感器表面的小珠 盡可能敏感。但是，特異性結(jié)合到表面的小珠(標(biāo)記)的濃度測量可 受到未結(jié)合或者非特異性結(jié)合的小珠(或標(biāo)記)的存在的干擾。因此， 通過標(biāo)記濃度測定目標(biāo)濃度的可靠數(shù)據(jù)點(diǎn)優(yōu)選當(dāng)未結(jié)合和/或非特異 性結(jié)合的小珠被從表面除去時(shí)獲取。
因此，可以以一次或者重復(fù)的方式應(yīng)用下列順序或者循環(huán)
-向著表面拉動小珠；從而可發(fā)生結(jié)合
-然后小珠可遠(yuǎn)離傳感器表面運(yùn)動或者運(yùn)動到其旁邊，從而區(qū)分 對表面的特異性結(jié)合和非特異性結(jié)合或者未結(jié)合小珠；
-在該位移步驟之后人們可測量特異性結(jié)合的小珠的實(shí)際信號。
圖9圖示了對結(jié)合到表面的標(biāo)記敏感并且還對傳感器表面附近 的未結(jié)合小珠在一定程度上敏感的傳感器信號。信號被圖示為時(shí)間的 函數(shù)，并且描述了表面結(jié)合曲線的斜率如何被導(dǎo)出。在本發(fā)明的上下文中，表面敏感信號也被稱為目標(biāo)相關(guān)傳感器信號S (或者圖4中示 出的Sl、 S2)的原始信號。上述順序或者循環(huán)被用于確定由虛線表 示的表面敏感信號的斜率。由虛線表示的信號與目標(biāo)相關(guān)性傳感器信 號S相同。因此，所測量的該信號的斜率導(dǎo)致流體樣品中目標(biāo)濃度的 確定。上述順序或者循環(huán)也在圖9中被表示，其中參考標(biāo)號210表示 允許標(biāo)記在表面附近或者將標(biāo)記拉到表面的步驟，并且其中參考標(biāo)號 220表示移除標(biāo)記或者從表面拉標(biāo)記的步驟。參考標(biāo)號230以圖4中 的小圓圈方式表示單個(gè)采樣間隔或者"一元測量"事件。在測量時(shí)間 tm期間(參見圖4)， 一定量的所述采樣間隔對收集是必需的。
在由參考標(biāo)號210表示的步驟過程中信號由結(jié)合到傳感器表面 的小珠以及傳感器表面附近未結(jié)合的小珠引起。在由參考標(biāo)號210和 220表示的步驟過程中使用信號，該表面結(jié)合信號以及由于未結(jié)合小 珠導(dǎo)致的信號可被導(dǎo)出。結(jié)果，溶液中標(biāo)記的濃度以及結(jié)合到傳感器 表面的標(biāo)記的濃度可被導(dǎo)出。根據(jù)本發(fā)明，這兩種測量導(dǎo)致可以非常 精確地確定流體中目標(biāo)的濃度。
曲線的斜率與標(biāo)記對傳感器表面的結(jié)合率成比例。測量時(shí)間tm 期間信號的平均斜率dS/dt由信號S (在tm結(jié)束時(shí))除以測量時(shí)間tm 給出。目標(biāo)濃度以取決于測定的方式與結(jié)合率有關(guān)。當(dāng)信號以高信噪 比被記錄時(shí)，目標(biāo)濃度可以非常精確地被確定。在由磁致電阻傳感器 檢測的情況下，高信噪比可通過使用高電流來實(shí)現(xiàn)。高電流可引起加 熱或者生物物質(zhì)的不可逆變化。但是，當(dāng)信號在測定的終點(diǎn)被測量時(shí)， 生物物質(zhì)的加熱和變化是不重要的。換言之，終點(diǎn)信號(即溶液中結(jié) 合位點(diǎn)附近的特異性結(jié)合標(biāo)記和/或未結(jié)合標(biāo)記)可以以非常高的信 噪比被測量，這增加了目標(biāo)濃度確定的精確性。
在圖5中，顯示了系統(tǒng)35和感測設(shè)備10。本發(fā)明提供了特別適 用于生物傳感器陣列的感測設(shè)備10，諸如例如生物傳感器或者生物 芯片，即設(shè)置在單個(gè)襯底材料上的多個(gè)生物傳感器。感測設(shè)備10是 根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)35的一部分。在本發(fā)明的感測設(shè)備10的優(yōu)選應(yīng)用 中，感測設(shè)備10在用于交通安全的唾液中濫用藥物的路旁經(jīng)窗測試 的檢測試劑盒中使用。作為例子，該設(shè)備被裝備用于競爭性測定(參見圖2b)。感測設(shè)備10包括結(jié)合位點(diǎn)2被定位于其上的感測表面1。 結(jié)合位點(diǎn)2被提供為特異性結(jié)合到捕獲分子3和目標(biāo)6。目標(biāo)6是生 物實(shí)體(例如濫用的藥物)，而捕獲分子3是已經(jīng)偶聯(lián)到標(biāo)記4的目 標(biāo)狀分子。實(shí)體3和6都可結(jié)合到位點(diǎn)2，因此這被稱為競爭性測定 形式。設(shè)備還可被裝備用于抑制測定(參見圖2c)，但出于簡化的原 因，在本段中僅僅解釋了競爭性測定的情況。感測設(shè)備10包括襯底 20。優(yōu)選但非強(qiáng)制的是，感測設(shè)備10包括磁場產(chǎn)生裝置13。至少如 果沒有磁場產(chǎn)生裝置13在感測設(shè)備10的襯底20中設(shè)置，感測設(shè)備 10外部的磁場產(chǎn)生設(shè)備40常常與本發(fā)明的系統(tǒng)35 —起存在。系統(tǒng) 35還包括至少形成通道或者小室22等的外殼21，以便提供足夠的用 于流體5、特別是用于含有附著到標(biāo)記4的目標(biāo)狀捕獲分子3的液體 的空間。此外，流體5包含目標(biāo)6。
在另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，圖5的設(shè)備被裝備用于抑制測定形式 (參見圖2c)。在該情況下，結(jié)合位點(diǎn)2是與傳感器表面1偶聯(lián)的目 標(biāo)狀分子。目標(biāo)6是生物實(shí)體，諸如濫用的藥物等，并且捕獲分子3 是可特異性結(jié)合目標(biāo)6和目標(biāo)狀結(jié)合位點(diǎn)2的生物實(shí)體(例如抗目標(biāo) 抗體)。這被稱為抑制測定形式，因?yàn)槟繕?biāo)6與標(biāo)記4的結(jié)合部分或 者全部抑制了標(biāo)記4對目標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)2的結(jié)合。
通過上面兩個(gè)例子顯而易見的是，該設(shè)備可被裝備用于不同測定 形式的范圍，例如競爭性、抑制、位移、夾心測定。如同本領(lǐng)域公知 的那樣，生物化學(xué)和化學(xué)物種(例如目標(biāo)、目標(biāo)狀分子，標(biāo)記、結(jié)合 位點(diǎn))可立即或者順序混合在一起。為了提高速度，有利地是將反應(yīng) 物立即混合在一起。在后一種情況下，該過程的動力學(xué)和結(jié)合過程的 實(shí)際順序例如取決于擴(kuò)散和結(jié)合速度。
注意，傳感器或者芯片襯底可以是任何合適的有機(jī)或無機(jī)材料的 機(jī)械載體，例如玻璃、塑料、硅或者這些的組合。在感測設(shè)備10的 優(yōu)選實(shí)施方式中，電子電路30被設(shè)置在襯底20上。電子電路30被 設(shè)置以采集由定位在襯底20中的磁性傳感器元件11采集或測定的信 號或者數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的替代實(shí)施方式中，電子電路30還可被定位 在襯底20之外。
在圖6中，顯示了感測元件10的第一種實(shí)施方式的示意性表示。 在襯底20中定位感測表面1和磁性傳感器元件11。此外，磁場產(chǎn)生 裝置13定位在感測元件10的襯底20中。磁場產(chǎn)生裝置13生成磁場 130。如果存在外部磁場產(chǎn)生裝置40 (參見圖5)，前述磁場130將成 為由磁場產(chǎn)生裝置30與外部磁場產(chǎn)生裝置40 —起生成的磁場分量。
磁場產(chǎn)生裝置13例如可以是磁性物質(zhì)(旋轉(zhuǎn)或者非旋轉(zhuǎn))和域 導(dǎo)體，例如諸如電流導(dǎo)線13。在所描述的實(shí)施方式中，磁場產(chǎn)生裝 置13優(yōu)選由電流導(dǎo)線產(chǎn)生。標(biāo)記4的旋轉(zhuǎn)和/或平移運(yùn)動的檢測可優(yōu) 選磁性地進(jìn)行。在本發(fā)明的第一以及下列實(shí)施方式中，磁性檢測可優(yōu) 選通過使用集成磁性傳感器元件11來進(jìn)行。各種類型的傳感器元件 11可被使用，例如諸如霍爾傳感器、磁阻抗、SQUID，或者任何一 種合適的磁性傳感器。磁性傳感器元件11優(yōu)選作為磁致電阻元件被 提供，例如GMR或者TMR或者AMR傳感器元件11 。旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn) 生裝置可通過電流導(dǎo)線以及集成在感測設(shè)備10的襯底20中的電流產(chǎn) 生裝置來提供。磁性傳感器元件11可具有例如細(xì)長(長而且窄)的 條帶幾何形狀。因此，旋轉(zhuǎn)磁場通過在集成電流導(dǎo)線中流動的電流而 施加到磁性標(biāo)記4。優(yōu)選地，電流導(dǎo)線可以以這種方式定位它們在 磁性標(biāo)記4存在于其中的體積中產(chǎn)生磁場。
在圖7中，顯示了傳感元件10的第二種實(shí)施方式的示意性圖示。 在襯底20中被定位了傳感器表面1和磁性傳感器元件11。感測表面 1包括由參考標(biāo)號14共同表示的第一和第二表面區(qū)域作為分辨裝置。 獨(dú)立地，第一和第二表面區(qū)域分別由參考標(biāo)號141和142表示。
在圖8中，顯示了感測元件10的第三種實(shí)施方式的示意性表示。 在襯底20中定位感測表面1和磁性傳感器元件11。此外，第一磁場 產(chǎn)生裝置131和第二磁場產(chǎn)生裝置132被定位在感測元件10的襯底 20中，從而一起生成磁場130。另外，感測表面1包括由參考標(biāo)記 14共同表示的作為分辨裝置的另一部分的第一和第二表面區(qū)域。在 圖8中可以看出，在磁性傳感器元件11的位置處，由第一和第二磁 場產(chǎn)生裝置131、 132形成的磁場的分量至少關(guān)于得到的磁場分量而 補(bǔ)償，磁性傳感器元件ll對該分量敏感。
施加的磁場130使其在標(biāo)記4上產(chǎn)生扭矩。在這種方式中，標(biāo)記 4使用磁場130相對于另一主體(例如另一標(biāo)記4，感測表面l等) 旋轉(zhuǎn)。如前所述，標(biāo)記4含有本領(lǐng)域公知的磁性物質(zhì)。標(biāo)記4例如可 以是磁珠、磁性粒子、磁桿、非磁性矩陣(non-magneticmatrix)內(nèi)部的 磁性粒子或者磁性物質(zhì)串。有關(guān)標(biāo)記4的旋轉(zhuǎn)或者運(yùn)動自由的參數(shù)可 通過感測設(shè)備IO檢測。根據(jù)本發(fā)明的方法允許高頻運(yùn)動自由或者旋 轉(zhuǎn)自由(motionalfreedom)測量。通過這種類型的測量，特異性附著與 非特異性附著的生物實(shí)體3之間的區(qū)分是可能的，并且由此可以檢測 以不同方式結(jié)合到感測表面1的標(biāo)記4的不同濃度。
確定特異性附著與非特異性附著的生物實(shí)體3的不同濃度的另 一種可能性是提供與至少第一和第二表面區(qū)域協(xié)同的感測表面1的 梯度計(jì)狀配置。通過在感測表面1中提供這種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)С雠c磁性 標(biāo)記4的表面濃度有關(guān)的附加信息。這在國際專利申請WO 03/054566 中更詳細(xì)地被解釋，其有關(guān)下列事項(xiàng)的內(nèi)容通過引用而包含在本申請 中
-根據(jù)第一、第二和第三實(shí)施方式， 一種具有至少第一表面區(qū)域 和第二表面區(qū)域的感測表面1的結(jié)構(gòu)，為了確定磁性標(biāo)記4的體積密 度和/或磁性標(biāo)記4的面密度。
-測量磁性標(biāo)記4的體積密度和面密度的方法。
在本發(fā)明中，重點(diǎn)放在本發(fā)明在免疫測定中的應(yīng)用上。對本領(lǐng)域 技術(shù)人員來說顯而易見的是，還有具有其他目標(biāo)和其它結(jié)合實(shí)體的測 定可被使用，例如核酸和雜交實(shí)體的測定。
我們注意到，上述發(fā)明可與傳感器多路技術(shù)(multiplexing)和/ 或標(biāo)記多路技術(shù)結(jié)合。在傳感器多路技術(shù)中，傳感器被用于不同類型 的結(jié)合位點(diǎn)2。同樣，標(biāo)記4上的捕獲分子3可以是不同類型的。在 標(biāo)記多路技術(shù)中，使用不同類型的標(biāo)記4，例如具有不同尺寸或者不 同磁性特征的標(biāo)記。
權(quán)利要求
1.一種用于確定流體(5)中的至少一種目標(biāo)(6)的濃度的感測設(shè)備(10)，所述流體(5)含有至少一種可極化或者極化磁性標(biāo)記(4)，所述感測設(shè)備(10)包括至少一個(gè)感測表面(1)，所述感測表面(1)至少部分包括至少一種結(jié)合位點(diǎn)(2)，其能夠特異性附著到與所述磁性標(biāo)記(4)連接的至少一種生物實(shí)體(3)，所述感測設(shè)備(10)還包括至少一種磁性傳感器元件(11)，所述感測設(shè)備(10)還包括分辨裝置(12)，用于時(shí)間解析地區(qū)分特異性附著到所述結(jié)合位點(diǎn)(2)的磁性標(biāo)記(4)對未附著到所述結(jié)合位點(diǎn)(2)的標(biāo)記(4)的暴露率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，未結(jié)合到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的標(biāo)記的所述暴露率由所述結(jié)合位點(diǎn)(2)附近的流體 中的未結(jié)合標(biāo)記(4)的濃度來確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述分辨裝置 (12)包括用于產(chǎn)生磁場(130)的磁場產(chǎn)生裝置(13)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述分辨裝置 (12)包括定位在一個(gè)磁場傳感器元件(11)每側(cè)的兩個(gè)磁場產(chǎn)生裝置(131、 132)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述磁場產(chǎn)生 裝置是定位在所述感測設(shè)備(10)上的二維導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述磁場產(chǎn)生 裝置(13)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(130)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述磁場產(chǎn)生 裝置(13)產(chǎn)生單向磁場(130)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述分辨裝置 (12)包括在第一水平高度的第一表面區(qū)域(141)和在第二水平高度的第二表面區(qū)域(142)，其中，所述磁性傳感器元件(11)被定位 在所述第一和第二表面區(qū)域(141、 142)之間的過渡區(qū)域(143)并 面向所述表面區(qū)域(141、 142)中的至少一個(gè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的感測設(shè)備(10)，其中，從基本垂直的 投影觀察，所述磁性傳感器元件(11)以所述過渡區(qū)域(143)為中 心。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述分辨裝 置(12)包括電容傳感器裝置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述磁性傳 感器元件(11)是磁致電阻傳感器元件，優(yōu)選為AMR、 GMR、或者 TMR傳感器元件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)，其中，所述磁性標(biāo) 記(4)作為磁珠被提供。
13. —種用于確定含有至少一種可極化或者極化磁性標(biāo)記(4) 的流體(5)中的至少一種目標(biāo)(6)的濃度的系統(tǒng)(35)，該系統(tǒng)(35) 包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻感測設(shè)備(10)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)(35)，還包括用于檢測磁性傳 感器元件(11)的磁致電阻變化的電子電路(30)，所述電子電路(30) 存在于襯底(20)中或者襯底(20)之外。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)(35)，還包括用于產(chǎn)生磁場的 外部磁場產(chǎn)生裝置(40)。
16. —種使用權(quán)利要求1所述的感測設(shè)備(10)確定流體(5) 中的至少一種目標(biāo)(6)的濃度的方法，所述流體含有至少一種可極 化或者極化磁性標(biāo)記(4)，所述方法包括下列步驟-將包含至少一種磁性標(biāo)記(4)的流體(5)提供到所述感測表 面(1)的上方，-施加磁場(130)，-時(shí)間解析地區(qū)分特異性附著到結(jié)合位點(diǎn)(2)的磁性標(biāo)記和非特 異性附著的標(biāo)記(4)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(6)的濃度 通過計(jì)算特異性附著的標(biāo)記(4)的濃度對未附著的標(biāo)記(4)的濃度 的比值來確定。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(6)的濃度 通過計(jì)算所測量的至少一種標(biāo)記(4)到所述結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性 結(jié)合率對所測量的標(biāo)記(4)對所述結(jié)合位點(diǎn)(2)的暴露率的比值來 確定，從而優(yōu)選通過測量所述結(jié)合位點(diǎn)(2)附近的流體中的未結(jié)合 標(biāo)記(4)的濃度來確定所述暴露率。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在特異性附著到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的磁性標(biāo)記(4)對非特異性附著的標(biāo)記(4)之間的 時(shí)間解析區(qū)分，利用特異性附著的標(biāo)記(4)對非特異性附著的標(biāo)記(4)的旋轉(zhuǎn)和/或平移遷移率的差異來進(jìn)行。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在特異性附著到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的磁性標(biāo)記(4)對非特異性附著的標(biāo)記(4)之間的時(shí)間解析區(qū)分，使用至少一種調(diào)制磁場(130)來進(jìn)行。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(4)到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性附著通過抑制形式的測定來得到。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(4)到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性附著通過競爭形式的測定來得到。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(4)到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性附著通過夾心形式的測定來得到。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(4)到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性附著通過抗-復(fù)合物形式的測定來得到。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述目標(biāo)(4)到所述 結(jié)合位點(diǎn)(2)的特異性附著通過阻斷劑形式的測定來得到。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于確定含有至少一種可極化或者極化磁性標(biāo)記的流體中的至少一種目標(biāo)的濃度的方法、設(shè)備和系統(tǒng)，感測表面包括能夠特異性附著到與磁性標(biāo)記連接的至少一種生物實(shí)體的至少一種結(jié)合位點(diǎn)，感測設(shè)備還包括至少一種磁性傳感元件，感測設(shè)備還包括用于時(shí)間解析地區(qū)分特異性附著到結(jié)合位點(diǎn)的磁性標(biāo)記和非特異性附著的標(biāo)記的分辨裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備可被用于生物分子診斷。
文檔編號G01N33/543GK101198870SQ200680021312
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者A·H·J·伊明克, M·W·J·普林斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司