專利名稱：測(cè)量凝集參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物，化學(xué)或者生化傳感領(lǐng)域。尤其地，本發(fā)明涉及在目標(biāo)物
一誘導(dǎo)的凝集分析(target-induced agglutination assay)中定量測(cè)量磁性標(biāo)記物 (magnetic labels)的一個(gè)或多個(gè),參數(shù)的方法。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的試劑盒禾財(cái)目 應(yīng)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人們?cè)谟糜跍y(cè)量其中存在粒子的大量的混合物或者溶液中目標(biāo)物 的存在與否以及可能的話濃度水平的觀憧技術(shù)方面付出了很多努力。通常希望 能夠觀懂相對(duì)低濃度的特定有機(jī)化合物。在醫(yī)藥領(lǐng)域，例如，確定給定種類的 賴通常在溶液中)的濃度非常有用，這種舒或者天然存在于例如血液或者尿 液的生理流體中，或者被引入生命系統(tǒng)中，如藥物。
一種用來(lái)檢測(cè)感興趣的特定化合物的存在的主要方法是免疫測(cè)定技術(shù) (immunoassay technique),其中對(duì)給定分預(yù)種(通常稱為配體)的檢測(cè)^ffl51利用 特異地結(jié)合到所述感興趣的配體的通常被稱作反配辨antiligand)或者受體的第 二分子物種實(shí)現(xiàn)的。這種感興趣的配體的存在與否是通過例如光學(xué)方法通過直 接地或間接地測(cè)量或者推斷配體與反配體結(jié)合的程度來(lái)檢測(cè)的。配體可以被認(rèn) 為是目標(biāo)物或者分析物。
有很多種免疫測(cè)定的方式。所有都包括結(jié)合但不是所有都包括凝集。在非 凝集的情況中， 一個(gè)標(biāo)記物通常附著到一個(gè)目標(biāo)物。凝集分析快速并且易于檢 觀U，當(dāng)需要方便地測(cè)量和需要立即得到結(jié)果時(shí)，例如 外，通常使用它們。
基于大粒子的光學(xué)檢測(cè)的定量測(cè)定只是中等靈敏的，因?yàn)槠湟蕾囉跐岫鹊?測(cè)量(通過樣品娜光)或者t^寸測(cè)濁銜M31樣品艦光)，而這兩者都要受到來(lái) 自微粒物質(zhì)的背景干擾的影響。因此，光學(xué)方法不適合用于未加工的樣品如含 有細(xì)胞的全血或者可能含有食物粒子的唾液。
相反地，由磁鐵礦和惰性基質(zhì)物質(zhì)制成的磁性粒子長(zhǎng)久以來(lái)已經(jīng)應(yīng)用于生 化領(lǐng)域。它們的尺寸是直徑從幾個(gè)納米至1」幾個(gè) ，并且可含有15%到100%的磁鐵礦。它們經(jīng)常被描述為超頓磁性粒子，或者，在尺寸比較大的情況下， 描述為磁珠。通常的方法是用一些生物活性物質(zhì)覆蓋這些粒子的表面，其將使
它們與感興趣的特定的^a)M誠(chéng)者粒子如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)胞或者DNA碎片 強(qiáng)烈結(jié)合。這些磁性粒子可以被看作是"把手"，通過它們，利用通常由強(qiáng)永磁 體提供的磁力梯度，可移動(dòng)或者固定所述對(duì)象。
以前，這種磁性粒子主要應(yīng)用于固定結(jié)合的對(duì)象，但是在最近的一些工作 中，這種粒子被用來(lái)作為檢測(cè)結(jié)合的絡(luò)合物存在與否的標(biāo)銜tags)。以前，對(duì)結(jié) 合的絡(luò)合物的檢測(cè)以及定量，過結(jié)合到感興趣的絡(luò)合物的放射性的、熒光、 或者磷光分子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，這種現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)簽化技術(shù)存在著很多^^f周 知的缺點(diǎn)。
另一方面，因?yàn)閺拇判粤Ｗ拥奈⑿◇w積中發(fā)出的信號(hào)非常的小，自然，研 究者們已經(jīng)嘗試制造基于超導(dǎo)量子干涉儀(SQUE))的檢測(cè)器，其A^f周知在很多 應(yīng)用中是最靈敏的磁場(chǎng)檢測(cè)器。超導(dǎo)量子干涉儀是很靈敏的檢測(cè)設(shè)備，但是它 尤其受到以下缺點(diǎn)的困擾，那就是該儀器必須y賴卩到大約深冷鵬。
最近，本申請(qǐng)人已經(jīng)公開了改良的磁性粒子傳感器設(shè)備，特別是在國(guó)際專 利申請(qǐng)WO2005/010542和WO2005/010543中，兩者在此作為參考文獻(xiàn)加以整 體弓l述。這些磁性粒子傳感器設(shè)備具有可以在大約室溫下實(shí)施觀懂同時(shí)具有足 夠高的信噪比(SNR)的優(yōu)點(diǎn)。
US6437563(授予Simmonds等人和Quantum Desi諷Inc,)最近公開了一禾中設(shè) 備，用來(lái)定量測(cè)量磁性粒子與分析物的結(jié)合，將要測(cè)量分析物的數(shù)量或其他特 性。所述磁性粒子與所要觀啶的分析物絡(luò)合并在幾百kHz的磁場(chǎng)內(nèi)被激發(fā)。從 而磁性粒子的磁化作用使 激發(fā)頻率下以偶極子的方式震蕩，產(chǎn)生自己的場(chǎng)。 這些場(chǎng)被誘導(dǎo)耦合至至少一個(gè)傳感器，如以磁場(chǎng)梯度儀結(jié)構(gòu)制作的傳感線圈。 傳感線圈輸出的信號(hào)被適當(dāng)放大并處理用于提供關(guān)于磁性粒子的結(jié)合或者凝聚 的有用輸出指示。然而，在千赫茲震蕩范圍工作可能引起不必要的噪聲影響， 并且額外地移動(dòng)的，特別是旋轉(zhuǎn)的樣品架的應(yīng)用使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楫?dāng)利用 旋轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)量和激發(fā)去耦時(shí)，旋轉(zhuǎn)樣品架必須相對(duì)精確。另外，旋轉(zhuǎn)樣品架不能 容易地便于在磁觀懂即將開始之前，期間，鵬磁觀懂結(jié)束之后立刻處理樣品。 此外，Simmonds等所用的線圈技術(shù)不慰艮靈敏，因此檢測(cè)需要相對(duì)大量的磁性 材料，其因此增加對(duì)更大的樣品1禍只的需要。最后，Simmonds等只測(cè)量了簇禾口單個(gè)粒子形式的磁性材料的總數(shù)量，實(shí)際上它們不能區(qū)分這兩種形式，使得其
不能用于測(cè)量;疑 數(shù)。
同樣A^f周知，磁性粒子可以在高達(dá)一定頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，這個(gè)頻
率就是所謂的臨界滑差頻辨critical slipping frequency)。大于這個(gè)臨界滑差頻率， 磁性粒子的物理旋轉(zhuǎn)不離艮隨所施加的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。
雖然有很多測(cè)量M^參數(shù)的技術(shù)存在，但是仍然需要更有效的和/或更可靠 的和/或更靈敏的方法。例如，在凝集分析中在很多非i^^物種的背景中測(cè)量低 數(shù)量的,物種，禾口/或在很多，物種的背景中測(cè)量低數(shù)量的非 物種，都 是挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于測(cè)量凝集參數(shù)的好的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的優(yōu)點(diǎn)是其單獨(dú)地或以任何組合織軍，減輕或者消除現(xiàn)有技術(shù)中 存在的如上所述的一個(gè)或多錯(cuò)點(diǎn)。戰(zhàn)目的通 發(fā)明所述的方法和設(shè)備來(lái) 實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供了一種在于反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行的目標(biāo)物一誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)量一 種或者多種粒子的凝集的方法，這種方法包括步驟在分析物中^f共磁性粒子， 所述的磁性粒子能夠結(jié)合到目標(biāo)物，實(shí)施凝集過程，產(chǎn)生凝集的粒子，所述凝 集的粒子包括至少一個(gè)所述磁性粒子。該方法進(jìn)一步包括對(duì)反應(yīng)腔中的分析施 加交變磁場(chǎng)(HAC)，并且利用所述至少一個(gè)傳繊元件觀懂該Hac対沒有附著到 反應(yīng)腔的任何表面的一種或者多種粒子的影響，其中所測(cè)量的影響指示一個(gè)或 者多個(gè)凝集參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得高的處理量。 根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以獲得高靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以最小化非特異性的簇形成。所述分析物，或者其 中可以保持所述分析物的反應(yīng)腔可以在傳感^(專SI元件的附近。磁性粒子可 以直接通過傳感方法被測(cè)量，或者所述粒子可以在測(cè)量前被進(jìn)一步處理。進(jìn)一 步處理的一個(gè)例子是加入材料，或者粒子的(生物)化學(xué)或物理性質(zhì)被改變以利于 測(cè)量。
所述方法進(jìn)一步可以包括在傳感器表面附近濃縮磁性粒子的步驟。所述濃 縮可以通過將磁性粒子以鏈的形式吸弓l到傳感器表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以通過施加旋 轉(zhuǎn)場(chǎng)和通過例如光學(xué)成像來(lái)識(shí)別旋轉(zhuǎn)的簇艦其實(shí)施領(lǐng)糧。所述方法進(jìn)一步可以包括根據(jù)凝集的粒子的尺寸來(lái)實(shí)施分離過程的步驟。 根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以針對(duì)不同尺寸分別對(duì)粒子進(jìn)行表 征，從而減輕或者避免簇尺寸對(duì)分析的影響，并因此提供改進(jìn)的準(zhǔn)確度。根據(jù) 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置很多傳感器元件，*元件都具 有在所述分析物附近的傳感器表面，來(lái)提供來(lái)自根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的分離過 程的定量凝集參數(shù)。特別地，關(guān)于所述凝集分析可以設(shè)置很多的傳感器，用以 測(cè)量由分離過程造成的l^的粒子的不同尺寸的級(jí)分。
所述交變磁場(chǎng)HAC可以具有比單個(gè)磁性粒子的臨界滑差頻率高得多的頻率。
該頻率可以是該臨界滑差頻率的至少10倍、100倍或者1000倍。可選擇地，分 析可以在該臨界滑差頻率下或者接近該臨界滑差頻率進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的具體 實(shí)船式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于所施加的磁場(chǎng)該方法可以在寬頻率范圍內(nèi)i頓。
觀懂影響可以包括測(cè)量磁信號(hào)，光信號(hào)，或者電信號(hào)，或者是它們的結(jié)合 中的至少之一。光信號(hào)如發(fā)光信號(hào)的觀糧可以是禾,光學(xué)技術(shù)例如t^t，漸逝 場(chǎng)技術(shù)，寬視野成像顯微技術(shù)，共焦激光掃描顯微技術(shù)等測(cè)量粒子的光學(xué)恃性。 所述觀糧也可以是例如測(cè)量例如磁-光信號(hào)或者電-磁信號(hào)。
所述分析物可以位于所述至少一個(gè)傳自元件的表面附近。 產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)HAC的方向可以是基本上平4亍于所述至少一個(gè)傳 元件 的表面?；酒叫袕亩梢允桥c傳感器元件表面成0°到20°的角，例如與傳 自元件表面成0。至IJIO。的角。
磁傳感器可以是任何基于檢測(cè)粒子的磁性質(zhì)的合適的傳感器，例如線圈， 導(dǎo)線(wire)，磁阻傳感戮magneto-resistive sensor),巨磁阻傳感器，磁致伸縮傳感 器，霍爾傳繊，平面霍爾傳繊，鵬門傳繊，SQUID，磁共振傳繊等。
所述測(cè)量可以在距傳感器元件表面小于10 ， {繼5 ，更雌1微 米的區(qū)域進(jìn)行。所述分離過程可以在所述分析的基本上有限的體積內(nèi)進(jìn)行。有
利地，禾,傳感器元件領(lǐng)懂HAC對(duì)一中或者多中磁性標(biāo)記物的磁性質(zhì)的影響可
在傳感器元件附近的空間區(qū)域進(jìn)行。因此，本發(fā)明可以不同于表面上的測(cè)量 (on-surface measurement),但是也可以應(yīng)用于表面上的測(cè)量。更特別地，測(cè)量可 以在所述傳自元件附近10微米，特別是5微米，更特別是l微米的空間區(qū)域 內(nèi)進(jìn)行。甚至可以使用在傳感器表面附近200微米，特別是100微米，更特別 是50 的范圍?？梢酝ㄟ^作用于所述分析中的磁性粒子的至少一部分上的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)所述 分離過程，所述的磁力來(lái)源于非均勻的磁分離場(chǎng)(HsEP)。
用來(lái)實(shí)施分離作用的磁力(HsEP)可以與所述AC磁場(chǎng)是不同的。根據(jù)本發(fā)明 的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這有利于更特定的分離過程。
凍線加強(qiáng)磁場(chǎng)(HENH)可以用來(lái)加強(qiáng)凝集過程。凝集加強(qiáng)磁場(chǎng)(HENH)可以在磁 分離場(chǎng)(HsEP)之前施加和/或與磁分離場(chǎng)(HsEP)同時(shí)施加。
交變磁場(chǎng)HAC的影響可以隨時(shí)間被測(cè)量。交變磁場(chǎng)HAC對(duì)一種或者多種磁
性粒子的影響可以衍生為終點(diǎn)測(cè)量，以及連續(xù)地或者間斷地通過記錄作為時(shí)間 的函數(shù)的信號(hào)，從而獲得時(shí)間上的測(cè)量。時(shí)間間隔可以從一秒到一個(gè)小時(shí)，一
般是1到10併中，特別是1到5分鐘。當(dāng)隨時(shí)間測(cè)量HAc對(duì)一種或多種粒子的
影響時(shí)，可以例如獲得凝集的粒子的尺寸分布的指示，或者可獲得凝集過程的
動(dòng)力學(xué)的指/，。
該方法可以進(jìn)一步包括測(cè)定凝集的粒子的尺寸分布的步驟。 該方法可以包括使用多個(gè)傳自測(cè)量得自所述分離的凝集的粒子的不同尺
寸的級(jí)分。
所述分析可以是生化分析。
本發(fā)明還涉及試劑盒，用于根據(jù)上述方法在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的 疑集分析中定 量測(cè)量粒子的一個(gè)或多個(gè)凝集參數(shù)，其中該試劑盒包括至少一種肖,與目標(biāo)物 結(jié)合的磁性粒子。
本發(fā)明還涉及在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)量一個(gè)或多個(gè)凝集參數(shù)的設(shè) 備，該設(shè)備包括實(shí)施形成包括至少一個(gè)磁性粒子的凝集的粒子的; 過程的凝 集器裝置，該凝集的粒子不附著于任何表面，至少一個(gè)傳感器元件和對(duì)所述分
析施力卩AC磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置。傳SI元件可以設(shè)置為用來(lái)在未附著的凝集 的粒子上測(cè)量AC磁場(chǎng)對(duì)所述一種或多種磁性粒子的影響，所測(cè)量的影響指示 一個(gè)或多個(gè); 參數(shù)。該AC磁場(chǎng)的影響可以^t一種或者多種磁性粒子的磁 性質(zhì)的影響。該設(shè)備可以具有非功能化的表面或者非分掀寺異性的功能化表面。
該設(shè)備進(jìn)一步可包括濃縮和/或分離裝置，用來(lái)實(shí)施傳S^表面附近的粒子 、MI過程或者根據(jù)M^的粒子的尺寸進(jìn)行的分離^f呈。
該設(shè)備進(jìn)一步可包括控制裝置，用來(lái)控制所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的頻率顯著高 于單個(gè)磁性粒子的臨界滑差頻率。所述頻率最小是該臨界滑差頻率的10倍。所述至少一個(gè)傳感器元件可以是任何光學(xué)傳感器元件、磁性傳感器元件例 如基于霍爾探針或者磁阻傳感器、聲學(xué)傳感l(wèi)l元件、電傳感器元件等。
本發(fā)明特別地，但并不是排它地，有利于得到這樣的方法，該方法用于以 比迄今為止所公開的方法相比更加定量的方式研究包括一種或多種磁性標(biāo)記物 或者磁性粒子的粒子的凝集。特別地，這得以實(shí)現(xiàn)是由于所使用的低噪聲磁性 測(cè)量技術(shù)，和/鵬對(duì)一種或多種磁性粒子的特性的測(cè)量之前和/鵬測(cè)量斑呈中 對(duì)凝集的粒子的改進(jìn)的分離，其提供了所需要的凝集參數(shù)的改進(jìn)的靈敏性。關(guān) 于靈敏性就可測(cè)量粒子的數(shù)量而言，己經(jīng)實(shí)施的試驗(yàn)已經(jīng)證明本發(fā)明與現(xiàn)有技 術(shù)的設(shè)備相比具有最少皿一個(gè)數(shù)量級(jí)的靈敏度。
作為另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，所述方法有利于測(cè)量未結(jié)合到表面但是存在于傳感器元 件附近例如傳感器表面或其中可以容納所述凝集分析的反應(yīng)腔的任何表面附近 的凝集的粒子的性質(zhì)。粒子不結(jié)合到任何表面可以是特別有好處的，因?yàn)閺?fù)雜 的表面結(jié)構(gòu)化(如表面圖案化或者表面改性)可能是多余的，因此其會(huì)使傳感設(shè)備 例如磁性傳感設(shè)備的制造明顯地簡(jiǎn)化。
凝集參數(shù)可包括，但是不局限于，形成的凝集物的大小，包括超過一個(gè)單 個(gè)磁粒子的凝集物形式的磁性材料的總量，凝集物的尺寸分布，形成凝集物的
單個(gè)粒子的磁粒子數(shù)量分布，未凝集單個(gè)磁性粒子與凝集的單個(gè)粒子的比率，
笛楚 守寸。
本發(fā)明所述的方法可用于多種類型的生化分析，例如結(jié)合/未結(jié)合分析，夾
心分析，競(jìng)*析，取代分析，齢析，擴(kuò)增分析(amplificationassay)等等。
本發(fā)明所述方法可適于傳感器多路技^(即不同的傳^和傳感器表面的平 行使用)，標(biāo)記物多路技農(nóng)即不同種類的標(biāo)記物的平行使用)和腔多路技*(即不 同反應(yīng)腔的平行使用)。本發(fā)明所述的方法可用作用于小樣品體積的快速，可靠， 并且易于使用的現(xiàn)場(chǎng)(point-of-care)生化傳感器，但是也可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。 根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)中盛裝樣品的反應(yīng)腔可以是 將用于緊湊型讀取戮compact reader)的一次性用品，該讀取器包括一個(gè)或者多個(gè) 磁場(chǎng)發(fā)生裝置和一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)或者測(cè)量裝置。此外，本發(fā)明所述方法可用于 中央實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化高處理量試驗(yàn)。在這種情況下，反應(yīng)腔可以是例如孔板或 者小池(cuvette)等，適于自動(dòng)化設(shè)備使用。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)大小所做的分離過程，如果有這^S1程的話，不需要在另外的樣品容器或者不同的處理場(chǎng)所進(jìn)行，而是可 以在實(shí)施測(cè)量的場(chǎng)所進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在給定環(huán)境情況下所施加的交變 磁場(chǎng)可以具有比給定種類的磁性粒子的臨界滑差頻率高的頻率，如這里進(jìn)一步
說(shuō)明的那樣。臨界滑差頻率的值可以》5 領(lǐng)域人員眾所周知的方法或者通過 例如本文記載的方法獲得。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施謝 分析所用的試劑包括 磁性標(biāo)記物可以在設(shè)備中以干燥形式存在。這些干燥的試劑任何可以通過添加 流體樣品來(lái)溶解和分散。這有利于設(shè)備的容易使用和儲(chǔ)存。
隨附的獨(dú)立權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求記載了本發(fā)明的特定的和優(yōu)選的方 面。從屬權(quán)禾腰求的特征可以合適地和獨(dú)立權(quán)利要求的特征或者其他從屬權(quán)利 要求的特征組合，而不僅僅如權(quán)利要求中明確示出的那樣。
與附圖結(jié)合，本發(fā)明的上述的以及其他的特征，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過如下的具 體描述將變得顯而易見，附圖作為例子示出了本發(fā)明的基本原理。這些描述只 是為了舉例而給出，并不限制本發(fā)明的范圍。下文中所引用的附圖標(biāo)記請(qǐng)參閱 本文的附圖。
附說(shuō)明
圖l， 2，禾口3是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中可以4OT的M^分析的示意性反
應(yīng)，
圖4是使用磁性傳感器的傳S^設(shè)備的截面圖，其中沒有磁性粒子存在，
是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖示，
圖5是4頓磁性傳感器的傳繊設(shè)備的截面圖，其中有磁性粒子存在，是
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖示，
圖6， 7和8是本發(fā)明的傳感器設(shè)備的三個(gè)實(shí)1 案的截面圖，使用在與磁
性傳感器平面基本垂直的方向具有改進(jìn)的分辨率的磁性傳感器， 圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的分離過程的示意圖示，

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的分離過程的第一特定實(shí)施方式， 圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的分離過程的第二特定實(shí)施方式， 圖12是在可以應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施方式中的凝集動(dòng)力學(xué)研究中測(cè)得的
GMR信號(hào)，圖13是可以應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施方式中的在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中取決
于時(shí)間使用的不同的磁場(chǎng)的示意圖示，
圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的方法的流程圖，
圖15也是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的分離過程的一個(gè)例子，其中HJ口 H^樣體在凍襍分析的相對(duì)側(cè)的兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生體，
圖16a和圖16b示出可用于根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的HAC的頻率和振 幅對(duì)永磁粒子的旋,度所產(chǎn)生的影響，
圖17a和圖16b示出可用于根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的HAC的頻率和振 幅對(duì)非永磁粒子的旋轉(zhuǎn) 所產(chǎn)生的影響，
圖18示出可用于根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的HAc的頻率對(duì)磁性粒子的雙 珠簇的旋^^所產(chǎn)生的影響，
圖19是可以用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中的l^分析的一個(gè)例子的示意圖 示，其中在單個(gè)珠存在的情況下對(duì)凝集進(jìn)行觀啶。
在不同的附圖中，相同的附圖^i己是指相同的或者類似的要素。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將關(guān)于特定具體實(shí)施方式
以及參考特定的附圖進(jìn)行描述，但是本發(fā) 明并不局限于此，而是只由權(quán)利要求決定。權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記都不 得解釋為對(duì)保護(hù)范圍柳艮制。所描述的附圖只是示意性的并不是限制性的。在 附圖中，為了目的目的，有些元件的尺寸可以被夸大而沒有按比例纟賴ij。
當(dāng)在本申請(qǐng)的說(shuō)明書和權(quán)利要求書中4頓術(shù)語(yǔ)"包括(包含，含荀"時(shí)，不 排除其它的要素或者步驟。當(dāng)指代單數(shù)名詞而使用定冠詞或者不定冠詞例如 "a"， "an"或者"the"時(shí)，在沒有特殊說(shuō)明的情況下這也包括多個(gè)該名詞。
進(jìn)一步地，本申請(qǐng)中說(shuō)明書和權(quán)禾腰求書中的術(shù)語(yǔ)第一，第二第三等等，
是用來(lái)區(qū)分類似的要素，而并不一定是用來(lái)描述時(shí)間，空間，排序或其他任何
方式的順序?？梢岳斫?，如此使用的術(shù)語(yǔ)在合適的環(huán)境下是可以互換的，本文
描述的本發(fā)明中的實(shí)施方式可以以不同于本文描述的或者說(shuō)明的順序之外的其 他頓序?qū)嵤?br> 另外，在說(shuō)明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語(yǔ)"底部"，"頂部"等是用于描述的 目的，并不一定是用于描述相對(duì)位置?？梢岳斫?，如此使用的術(shù)語(yǔ)在合適的環(huán) 境下是可以互換的，本文描述的本發(fā)明中的實(shí)施方式能夠以不同于本文描述的或說(shuō)明的其他取向操作。
在整個(gè)說(shuō)明書中提及"一個(gè)實(shí)施方式"或者"實(shí)施方式"是指關(guān)于所述實(shí) 施方式描述的特定的特征，結(jié)構(gòu)或者特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式 中。因此說(shuō)明書中各個(gè)位置出現(xiàn)短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施方式中"或者"在實(shí)施方式 中"并不一定都是指同一個(gè)實(shí)施方式，但是也有可能是同一個(gè)實(shí)施方式。此外， 所述特定特征，結(jié)構(gòu)或者特性可以在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方式中以任意合適的方 式結(jié)合，如從本公開的內(nèi)容本領(lǐng)^員將會(huì)顯而易見認(rèn)識(shí)到的那樣。
同樣地，應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的描述中，本發(fā)明中 不同的特征有時(shí)一起組合在單一實(shí)施方式，附圖，或者其描述中，目的是精簡(jiǎn) 本公開并且有助于理解不同的發(fā)明方面中的一個(gè)或者多個(gè)。然而，這種公開方 法，不能被解釋為反應(yīng)這樣的意圖要求保護(hù)的發(fā)明需要比在每個(gè)權(quán)利要求中 清楚記載的特征更多的特征。相反，如后面的權(quán)利要求中反映出的那樣，倉(cāng)隨 性方面在于比單個(gè)前述公開的實(shí)施方式的全部特征更少的特征。因此，具體描 述之后的禾又利要求被特意弓l入該詳細(xì)描述中，每一個(gè)禾又利要求都依賴于其自己 而作為本發(fā)明的斜蟲的實(shí)施方式。
進(jìn)一步地，雖然本說(shuō)明書中的一些實(shí)施方式包括另外的實(shí)施方式中的一些 特征而沒有包括其它的特征，但是不同實(shí)施方式的特征的結(jié)合也意味著在本發(fā) 明的范圍之內(nèi)，并形成不同的實(shí)施方式，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣。例 如，在隨后的權(quán)利要求中，任何要求保護(hù)的實(shí)施方式都可以以任意結(jié)合使用。
進(jìn)一步地， 一些實(shí)施方式在本文中被描述成可以M31計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理器 或者ffiil實(shí)施此功能的其他體實(shí)施的方法或者方法要素的結(jié)合。因此，具有 用于實(shí)現(xiàn)這種方法或者方法要素的必要指導(dǎo)的處理器形成用于實(shí)現(xiàn)該方法或者 方法要素的裝置。進(jìn)一步地，本文描述的設(shè)備實(shí)施方式中的要素是為了實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明目的而用于實(shí)施由該要素實(shí)現(xiàn)的功能的裝置的例子。
在本文^供的說(shuō)明中，大量的具體細(xì)節(jié)被記載。然而，應(yīng)該理解本發(fā)明中 的實(shí)施方式可不需要這些具體的細(xì)節(jié)就能實(shí)施。在其他的情況中，眾所周知的
方法，結(jié)構(gòu)和技術(shù)并沒有仔細(xì)ite出，以防增加對(duì)所述說(shuō)明理解的困難。
術(shù)語(yǔ)"發(fā)生裝置"以及"發(fā)生器"是可以互換的。同樣，術(shù)語(yǔ)"控制設(shè)備" 和"控制器"也可以互換。同樣，術(shù)語(yǔ)"傳感器"和"傳感器元件"也可以互 換。本文中i頓的"時(shí)間的函數(shù)(in fiinction of time)"和"隨時(shí)間(over time)"是指 以連續(xù)的和不連續(xù)的方式。在不連續(xù)的方式中，可以是預(yù)訂的間隔，規(guī)律的隔 開或者不規(guī)律的隔開。
為本發(fā)明目的，本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)"凝集"或者"成續(xù)"，指的是iKil 少兩個(gè)分離的元素的結(jié)合形成塊，群或者簇。術(shù)語(yǔ)"凝集"和"成續(xù)"，以及還 有術(shù)語(yǔ)"凝集的"和"成簇的"，在這種意義上是可以互換的。特別地，"凝集" 涉及元素間由于特定的相互作用形成這樣的塊或者群。
基于本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)"磁性粒子"將要被廣范地進(jìn)行解釋，從而包括 任何種類的磁性粒子，如鐵磁性的，順磁性的，趟頓磁性的等等，以及包括任 何形式的粒子，如磁球，磁棒，磁性粒子串，或者復(fù)合粒子，如包含磁性物質(zhì) 和光學(xué)活性物質(zhì)的粒子，或者在一隨基質(zhì)中的磁性物質(zhì)。任選地，磁性的或者 可磁化的對(duì)象可以是鐵磁粒子，其含有具有快磁馳豫時(shí)間的小鐵磁顆粒，并且 其因?yàn)榱Ｗ颖旧淼拇盘匦远哂械途奂L(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明將通過是磁性粒子的磁性 或者可磁艦象來(lái)描述。
為了本發(fā)明的目的而在本文中使用的術(shù)語(yǔ)"目標(biāo)物"用來(lái)指在根據(jù)本發(fā)明 的方法中要1^測(cè)和/或定量的元素，即根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在聚集過程中在樣 品中起到誘導(dǎo)作用的元素。說(shuō)明書中提供了本申請(qǐng)?jiān)O(shè)想的目標(biāo)物分子例子的非 限制性列表。
這里使用的術(shù)語(yǔ)"反應(yīng)腔"用來(lái)指可以作為容納所述反應(yīng)或者凝集分析的 容器的任何產(chǎn)品。所述容器任選可以從用于實(shí)施本發(fā)明方法的儀器或者設(shè)備分 離，即反應(yīng)腔可以是儀器或者設(shè)備的整體部分，以及可以是可以放在儀器上面、 里邊或者Pf做并且再被移除的獨(dú)立物品。
這里使用的術(shù)語(yǔ)"未附著"指的是這樣的情況，其中物品與規(guī)定的其它物 品或者表面沒有任何形式的附著，連接或者相互作用，特別是其中物品沒有任 何形式的物品特異性的附著或者相互作用，例如沒有被特定的化學(xué)或者生化鍵 合或者相互作用附著。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)量包括一 種或者多種磁性粒子的 疑集的方法。這樣的分析可以在反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行。該方法 包括在分析物中提供磁性粒子，其中磁性粒子能夠與目標(biāo)物結(jié)合。這種提供可 以包括使分析物與磁性粒子互相接觸。磁性粒子可以從貨架得到或者可以已經(jīng)置于設(shè)備中。它們?cè)谠O(shè)備中可以以任何合適的形式存在。樣品可以通過任何合 適的方法得到，并以任何合適的方法引入反應(yīng)腔，例如通過注射器，通過填充 空腔，等等。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法可以應(yīng)用于多種分析鄉(xiāng)，例如結(jié) 合/未結(jié)合分析，夾心分析，競(jìng)#^析，取代分析，酶分析等等。該過程可涉及
多種元素，包括不同種類的M和生物實(shí)^(biological entities),例如DNA， RNA， 蛋白質(zhì)，小分子。除了分子分析，也可以檢觀蜮探査更大的部分，如細(xì)胞，病 毒或者細(xì)胞或者病毒的碎片，組織或者組織提取物等等。分子目標(biāo)物經(jīng)常決定 如細(xì)胞，病毒，細(xì)胞或者病毒或者細(xì)菌的碎片，組織提取物等更大的部分的濃 度和/或存在。磁性粒子可以具有小的尺寸，例如，米粒子。納米粒子意g 粒子最少一個(gè)尺寸在O.lnm到10000nm， 在3nm到3000nm，更ifci^ 10nm 到1000nm。磁性粒子可以由于施加的磁場(chǎng)而獲ff^矩(如它們可以是順磁性的) 或者它們可以具有7乂久磁矩。磁性粒子可以是復(fù)合物，例如由一個(gè)或者多個(gè)小 磁性粒子在非磁材料中或者與一^材料結(jié)合構(gòu)成。只要粒子響應(yīng)于交變磁場(chǎng)的 頻率產(chǎn)生非零的響應(yīng)，即當(dāng)它們產(chǎn)生磁化率或者導(dǎo)磁率，它們就能被使用。可
以4柳不同形狀的磁性粒子，例如球狀，棒狀，雙珠簇。磁性粒子可以顯示其 它的特性，如光學(xué)特性，如熒光性。磁性粒子的這些不同的特性可以用于分析 中的多路化?？僧a(chǎn)生iH己物多路化，M在同一^j專感器對(duì)不同粒子使用可區(qū) 分的特性，例如不同的磁性材料產(chǎn)生磁性傳感器元件可區(qū)分的信號(hào)，或者通過 使用選自不同傳感器種類的特性，例如使用磁和光標(biāo)記物的結(jié)合，其將各自分 別被磁性傳繊元件和光學(xué)傳繊元件選擇性觀糧。
所述方法進(jìn)一步包括使用導(dǎo)致凝集的粒子的磁性粒子來(lái)對(duì)分析實(shí)施凝集過 程。； 的粒子包括至少一個(gè)磁性粒子。簇形成或者凝集可以作為樣品中目標(biāo) 物存在的度量，其中目標(biāo)物誘導(dǎo) 疑集。在本發(fā)明的實(shí)施方式中實(shí)施磁性粒子和 分析粒子的凝集。為了易于關(guān)聯(lián)傳感器信號(hào)與目標(biāo)物存在，二粒子成簇可能比 多粒子簇更加有利。為了有利于二粒子簇而不是多粒子簇，例如可以^ffi遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過最終的目標(biāo)物濃度的粒子濃縮或者粒子上的捕獲分子的濃縮。而且，可以 使用以原理上不允許形成超過兩個(gè)單元的簇的生物化學(xué)。例如，使用夾心式分 析模式，在一側(cè)是具有特定抗體的磁性粒子，在另一側(cè)是每個(gè)標(biāo)記物只具有一 個(gè)抗體的熒光標(biāo)記物。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，！^本鵬液(bulksolution)中發(fā)生，不需要與表面結(jié)合。艦于分析的簡(jiǎn)化，分析速度，加工的簡(jiǎn)化以及降低成本都可能 是有利的。
特別是在快速分析中以及在低目標(biāo)物濃度的分析中，需要檢測(cè)很低數(shù)量的
事ft(events)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在很多非纖物禾中的背景中快速而且準(zhǔn) 確地測(cè)量低數(shù)量的簇，禾口/或在高數(shù)量的簇的背景中測(cè)量低數(shù)量的非成簇物種變 得可能。
所述方法可任選包括，在實(shí)施所述凝集過程之后和在測(cè)量之前，施加濃縮 禾口/或分離^f呈。
分離過程可以根據(jù)凝集的粒子的尺寸來(lái)實(shí)施。可以通過施加用于分離粒子 的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)施分離過程，例如非均勻的磁場(chǎng)。分離過程的其它例子將在下文中 詳述?？蛇x擇地，也可以不實(shí)施分離過程。
特別地，濃縮過程可以具有在傳感器表面附近濃縮待測(cè)量的粒子的作用。 這個(gè)特定實(shí)施方式可具有提高檢測(cè)所述粒子的方法的靈敏性的優(yōu)點(diǎn)。
所述方法還包括對(duì)分析施加交變(AC)磁場(chǎng)(HAc)o所述分析因此可在用來(lái)測(cè) 量影響的至少一個(gè)傳 元件附近。這樣的交變磁場(chǎng)可以通過任意合適的方式 產(chǎn)生，如使用導(dǎo)線，線圈，磁性物質(zhì)，電磁鐵等等。其可以是集賄on-chip)產(chǎn)生 的或非集爽off-chip)產(chǎn)生的。集成指的是發(fā)生器集成在設(shè)備中，而非集成指的是 發(fā)生器在設(shè)備外面或者獨(dú)立于設(shè)備。在根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面的實(shí)施方式中， 測(cè)量目標(biāo)物一誘導(dǎo)的 ,的方法利用了磁性粒子可以在交變測(cè)場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)這一發(fā) 現(xiàn)。對(duì)于所施加的磁場(chǎng)的頻率，磁性粒子在這樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)直到處于特 定頻率的最大值，所謂的臨界滑差頻率。在臨界滑差頻率之上，磁性粒子的物 理旋轉(zhuǎn)不能跟隨所施加的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。如將進(jìn)一步說(shuō)明的那樣，己經(jīng)出人意料 地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于明顯高于臨界滑差頻率的頻率，磁性粒子的物理旋轉(zhuǎn)再次增加。 換句話說(shuō)，驚訝地發(fā)現(xiàn)明顯高于臨界滑差頻率的頻率也可以用來(lái)測(cè)定灌操參數(shù)。 施加的交變磁場(chǎng)HAC的頻率例如可以是臨界滑差頻率的10倍。Hac頻率可以最 小是臨界滑差頻率的10倍，或者最少100倍，或者最少1000倍。臨界滑差頻 率典型地為幾個(gè)Hz，而高于幾KHz直至幾MHz,由尼爾馳豫(neel relaxation) 弓胞的旋轉(zhuǎn)，也就是在顯著更高的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率的旋轉(zhuǎn)，開始占主導(dǎo)地位。為 該實(shí)施方案的目的，施加的HAc頻率在大約10Hz到大約10MHz，更特別地在 大約100Hz到大約lMHz。實(shí)際需要的頻率取決于所用的磁性粒子的大小/類型。為了獲得最大的信號(hào)，關(guān)于施加的交變場(chǎng)的測(cè)量的效果，使用與第二最大值接
近的頻率是有利的(如圖18所示)。對(duì)于在圖18所示的試驗(yàn)中所用的珠來(lái)說(shuō)，理 想的頻率在600kHz左右。取決于所述分析以及所用粒子的^M，因?yàn)槟釥栺Y豫 時(shí)間強(qiáng)烈地j繊于例如所用磁性粒子的顆粒尺寸，所以該值可能會(huì)明顯地更做 更高。臨界滑差速度可以通過研究作為所施加磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率的函數(shù)的粒子旋 轉(zhuǎn)，利用光學(xué)方式或者磁方式進(jìn)行測(cè)量。在本發(fā)明的框架中，對(duì)于臨界滑差頻 率的測(cè)量有兩種可選擇的方法。第一i^擇是在凝集分析之前表征一批粒子，這 樣在珠被應(yīng)用到實(shí)施分析的實(shí)際設(shè)備中之前或者在珠被應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的方 法之前就已經(jīng)知道臨界滑差頻率?？蛇x擇地，在其中也實(shí)施凝集分析的設(shè)備中 測(cè)定臨界滑差頻率?？梢訫在從0Hz直至U遠(yuǎn)高于臨界滑差頻率的頻率掃描場(chǎng) 頻率的同時(shí)，通過光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察旋轉(zhuǎn)珠，而測(cè)定臨界滑差頻率。也可以通
過在掃描施加的場(chǎng)的頻率的同時(shí)，aa使用測(cè)量旋轉(zhuǎn)珠的偶極場(chǎng)的磁場(chǎng)傳感器
來(lái)測(cè)定臨界滑差頻率。在所施加的場(chǎng)頻率下，輸出信號(hào)的同步檢測(cè)給出傳感器 輸出。 一旦所述珠的永久磁矩不鄉(xiāng)艮隨所施加的場(chǎng)(臨界滑差頻率)，在該驅(qū)動(dòng)頻 率的信號(hào)顯示下降。
所施加的交變磁場(chǎng)HAC進(jìn)行操作的頻率因此可比臨界滑差頻率高。在較高 的頻率下工作可能比在臨界滑差頻率工作更加有利。在比臨界滑差頻率高得多 的頻率操作HAC會(huì)帶來(lái)數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。高頻率、,將磁性粒子之間的偶極一偶極相 互作用最小化，這提高了傳感器再現(xiàn)性。由于使用調(diào)制技信噪比和檢測(cè)靈敏度 很高。所產(chǎn)生的施加到分析例如在傳感器11P(傲的交變磁場(chǎng)，使得會(huì),對(duì)誘導(dǎo) 所述一種或者多種磁性粒子15的磁特性的影響進(jìn)行測(cè)定。這樣的磁特性可以是 被交變磁場(chǎng)影響的特性。
所述方法也包括〗頓至少一個(gè)傳麟元件來(lái)觀糧HAC對(duì)一種或者多種未附 著到反應(yīng)腔的任何表面的磁性粒子的影響，其中測(cè)量的影響指示一個(gè)或者多個(gè) ;疑集參數(shù)。交變磁場(chǎng)可以作用于一種或者多種磁性粒子的磁特性。指示;疑集的 HAC影響的觀懂關(guān)于樣品中是否有目標(biāo)物存在提供信息。這種信息可以是定性的 和定量的。對(duì)凝集的定性測(cè)量指示了樣品中存在的一種或者多種目標(biāo)物的本性 或者身份。對(duì)凝集的定量觀懂指示了樣品中一種或者多種目標(biāo)物存在的數(shù)量。 對(duì)HAC影響的測(cè)量可以是光學(xué)測(cè)量，聲學(xué)測(cè)量，磁測(cè)量，電測(cè)量等等來(lái)測(cè)量這 種影響，取決于這種影響的物理特性。例如，光學(xué)測(cè)量可以基于X^tM輻射的檢測(cè)，熒光輻射的檢測(cè)，磷光的檢測(cè)，翻寸光的檢測(cè)等等。所測(cè)量的影響可以 與磁性粒子的數(shù)量關(guān)聯(lián)，并且如果實(shí)施了分離過程的話，粒子的數(shù)量可以轉(zhuǎn)化 成尺寸分布。
通過圖示，根據(jù)本發(fā)明的在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)量粒子的一個(gè)或
者多個(gè)凝集參數(shù)的方法的流程圖示于圖14中，示出了該方法的標(biāo)準(zhǔn)的和可選擇 的步驟，但本發(fā)明不受該圖的限制。因此，該方》跑括步驟S1， S2， S4和S5， 任i^t也包括步驟S3。步驟S1相當(dāng)于提供磁性標(biāo)己物3， 15至lJ分析中，所述的 磁性標(biāo)記物育的多結(jié)合到目標(biāo)物5。步驟2相當(dāng)于實(shí)施產(chǎn)生包括一種或者多種磁性 粒子的凝集的粒子100的; 過程。任選的步驟S3相當(dāng)于實(shí)施M和/或分離過 程。分離媳呈可以依賴于 驗(yàn)的粒子的大小，例如ffiil施加分離力Fsep。步驟 S4包括對(duì)分析物施加交變磁場(chǎng)HAc，其中分析物，并因而在觀懂過程中保持分 析物的反應(yīng)腔，在至少一個(gè)傳 元件11附近，這樣誘導(dǎo)的影響將可以被該至 少一個(gè)傳S^元件11測(cè)量。步驟S5包括使用傳感器元件測(cè)量Hac対沒有結(jié)合 到反應(yīng)腔的任何表面的一種或者多種磁性標(biāo)記物或者粒子3， 15的影響，其中 該測(cè)量的HAC的影響指示一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。
通過圖示，本發(fā)明并不限制于此，更詳細(xì)地描述了一些粒子以及本發(fā)明方 法的一些標(biāo)準(zhǔn)的或者任選的步驟，本發(fā)明并不限制與此。
在第一例子中，示出了凝集分析的一些示意性反應(yīng)，其可以用于本發(fā)明的 實(shí)施方式中。圖1描繪了凝集分析，其中磁性粒子或者標(biāo)記物15 M31由被分別 結(jié)合到粒子15和15b的結(jié)合部分2和2b結(jié)合的目標(biāo)物5組成的夾心結(jié)構(gòu)，變 得結(jié)合到磁性粒子15b。當(dāng)目標(biāo)物有至少兩個(gè)結(jié)合位置時(shí)可以4柳這種模式，典 型地如具有多個(gè)抗體結(jié)合部位的蛋白質(zhì)或者肽抗原,核酸(DNA， RNA)和具有多 個(gè)表位的抗體等，但是潛在地，所述目標(biāo)物可以相對(duì)很小，例如半抗原，小分 子藥物，荷爾蒙，代謝物等。磁性粒子15通過由被分別結(jié)合到粒子15和15b 的部分2和2b結(jié)合的目標(biāo)物5組成的夾心結(jié)構(gòu)，變得結(jié)合到磁性粒子15b，導(dǎo) 致形成凝集的粒子100。兩個(gè)結(jié)合部位可以是可區(qū)分的，在這種情況下結(jié)合部分 2和2b是不同的?？蛇x擇地，兩個(gè)結(jié)合部位是相同的，這時(shí)2和2b是相同的。 結(jié)合部分2和2b可以直接附著到磁性粒子或者M(jìn)31—些中間結(jié)合基團(tuán)，如蛋白 質(zhì)G，抗生蛋白鏈菌素，生物素，蛋白質(zhì)A， IgG抗體等連接，本發(fā)明并不局限 于此。 一結(jié)合部分2和2b中之一或者兩者可以己經(jīng)附著于粒子而存在，或者獨(dú)立于粒子，這種情況下所述結(jié)合部分和粒子兩者在它們上必須具有允許粒子結(jié)
合到結(jié)合部分2和2b的中間結(jié)合部分。因此，本發(fā)明中磁性粒子15與目標(biāo)物5 的結(jié)合可以是間接的。對(duì)于很小而且只有一個(gè)結(jié)合位置的目標(biāo)物5(如小分子， 半抗原，藥物，荷爾蒙和代謝物)，可選擇地可以4柳抑制或者競(jìng)爭(zhēng)模式。
圖2描述了這樣的分析，其中磁性粒子3通過附著到3的部分4與粒子3b 聚集，其可以通過結(jié)合至啦子3b的結(jié)合部分4b結(jié)合。部分4可以是目標(biāo)物同 系物，當(dāng)加入目標(biāo)物時(shí)，它與部分4b結(jié)合并抑制粒子的聚集。在聚集開始之前 加入目標(biāo)物是有利的，因?yàn)樗鼍奂赡苁遣豢赡娴幕蛘呔奂镫y于分散。這 可以M在空間上分開部分4和4b ^f吏目標(biāo)物首先與4b反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。與夾心 模式類似，結(jié)合部分4b可以是獨(dú)立于粒子的，并且在反應(yīng)中通過中間結(jié)合部分 而結(jié)合。所述結(jié)合部分被專門設(shè)計(jì)用來(lái)識(shí)別目標(biāo)物并且可以是例如抗體，核酸， 適俠aptame③，肽，蛋白質(zhì)，和;驗(yàn)素的分子。所述成分可以以任何順序結(jié)合， 雖然 為了驅(qū)動(dòng)目的在曝露于目標(biāo)物之前已經(jīng)將結(jié)合部分與目標(biāo)物結(jié)合。粒 子最大可以到2歸， 粒子小于1 ，因?yàn)樗鼈兙哂懈蟮谋砻娣eW體 積比，其將弓胞更高的動(dòng)態(tài)范圍。凝集來(lái)源于多個(gè)粒子相互之間的結(jié)合，并形 成凝集的粒子100。
圖3描述了一種分析，其中部分4可以是目標(biāo)物同系物，并且當(dāng)加入目標(biāo) 物5時(shí)，它結(jié)合到部分4b并抑制粒子的聚集。從而，應(yīng)該理解，在本發(fā)明的范 圍中，凝集過程有禾哋包括其中研究 驗(yàn)的抑制的過程。
在第二特定組的例子中，說(shuō)明了〗頓不同的測(cè)量技術(shù)對(duì)影響進(jìn)行觀懂，但 是本發(fā)明不局限于此。在一個(gè)例子中，輻射標(biāo)記物，例如發(fā)光或者熒光標(biāo)記物， 被^A或者結(jié)合到所使用的磁性粒子。例如，抗原可以與熒光磁性粒子偶聯(lián)或 者與熒光和非熒光磁性粒子兩者偶聯(lián)?？梢允褂幂椪赵磥?lái)激發(fā)熒光磁性粒子， 例如M允許對(duì)這種標(biāo)記物進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)的聚焦激光束或者漸逝場(chǎng)激發(fā)。檢測(cè) 可以通過任何合適的方式進(jìn)行，如使用共焦檢測(cè)，或者使用高NA透鏡。使用 熒光磁性粒子使得能夠利用不同的熒光團(tuán)實(shí)現(xiàn)多路化，這些不同的熒光團(tuán)在激 發(fā)和/或發(fā)射波長(zhǎng)上是不同的。作為實(shí)施方式的另一個(gè)例子，可以禾,熒光標(biāo)記 物C最初可以是自由狀態(tài)，或者可以嵌入非磁性粒子或者結(jié)合在非磁性粒子上) 與磁性粒子標(biāo)記物結(jié)合，通過光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。在這個(gè)例子中，對(duì)凝集的測(cè) 量可以不基于磁性粒子的簇形成，而是基于磁性粒子熒光的增加。例如，用熒光或者磁性粒子標(biāo)記物標(biāo)記的抗原，被混合，并其暴露于包含抗原特異性抗體 的樣品將導(dǎo)致熒光標(biāo)記物與磁性粒子^IH己物結(jié)合。對(duì)于這個(gè)實(shí)施方式，磁性粒 子可被驅(qū)4吏到非結(jié)合性傳感器表面，并且可以進(jìn)行熒光標(biāo)記物的表面特異性檢 測(cè)?？梢允褂幂椛湓磳?shí)現(xiàn)熒光團(tuán)的表面特異性激發(fā)，例如使用聚焦激光束或者
Mil艦場(chǎng)?？梢耘灩步箼z測(cè)(表面敏感檢測(cè))或者j頓高NA光收集透鏡(非 表面敏感的)來(lái)實(shí)施檢測(cè)。MM頓這種方法，來(lái)自過量標(biāo)記物和樣品流體自身 的背景熒光可被降低或甚至減到最小。使用不同熒光標(biāo)記物，可以容易地想象 基于粒子的差異化標(biāo)記的分析多路化。也可以通過表面增強(qiáng)共振拉曼光譜 (SERRS)來(lái)實(shí)施光學(xué)檢測(cè)。SERRS是一種M5i被光學(xué)標(biāo)記到膠體顆粒例如M 粒上的分子或者物種的吸收來(lái)檢測(cè)分子或者物種的超靈敏方法。光學(xué)標(biāo)記物是 合適的染料好(例如若丹明)，當(dāng)膠體顆粒以可控制的方式纖時(shí)，其引起胞 質(zhì)團(tuán)(plasmon)與染料共振。已知存在具有金屬涂層的磁性粒子。如果，例如抗 原(目標(biāo)物如抗體結(jié)合到其上)與這種銀包覆的磁性粒子結(jié)合，同時(shí)抗原也與魏 的染料結(jié)合，貝U抗原一特異性的抗鵬導(dǎo)致染料與銀包覆的磁性粒子的結(jié)合。 磁驅(qū)動(dòng)將引繊柱形成，其將弓胞染料共振。招艦場(chǎng)中在驅(qū)動(dòng)到非結(jié)合性傳 1表面后，可以檢測(cè)SERRS。在這樣的設(shè)置中，可以在單個(gè)腔中實(shí)現(xiàn)抗體的 檢測(cè)，省卻流,滌步驟，因?yàn)闄z測(cè)是表面特異性的，不受溶液中未結(jié)合的染 料的干擾。
在另一個(gè)例子中，可以使用磁性傳感器，例如霍爾傳感器，磁阻傳感器如 GMR， TMR或者AMR傳感器。在一^f寺定例子中，磁性傳感可以利用特定頻 率可以應(yīng)用于施加的交變磁場(chǎng)的事實(shí)。在低頻情況下，也就是在頻率低于例如 100Hz盼瞎況下，磁性傳自元件的1/f噪聲占優(yōu)勢(shì)。1/f噪聲由電流的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 的波動(dòng)引起，并且與頻率的倒數(shù)成比例。在磁阻傳感器中，1/f噪聲是由自由層 中的磁波動(dòng)引起的。當(dāng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的頻率為100Hz或者更高時(shí)，占主導(dǎo)地位 的l/f噪聲與現(xiàn)有技斜目比明顯降低，產(chǎn)生經(jīng)改駐的信噪比(SNR)。當(dāng)將交變磁
場(chǎng)的頻率進(jìn)一步增加到其中熱白(^斯特)噪聲水平皿1/f噪聲水平而占據(jù)主 導(dǎo)作用時(shí)的值時(shí)，是有利的。如WO2005/010542中記載的，^!特定轉(zhuǎn)角頻率 t&50kHz， GMR傳感器的熱白噪聲變得占據(jù)主導(dǎo)地位。白噪聲水平限制了理 論上育,達(dá)到的檢測(cè)極限。
圖4和圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性傳感器設(shè)備的截面圖，其中4柳了磁性傳感器，分別是沒有和有磁性粒子15雜盼f青況。為了說(shuō)明目的， 在下文本發(fā)明將關(guān)于生物傳感器進(jìn)fi^軍釋。生物傳感器檢測(cè)樣品中的磁性粒子， 樣品例如是流體，液體，氣體，粘彈性介質(zhì)，凝膠或者組織樣品。設(shè)備可以包 括基底10和電路例如集成電路。設(shè)備的測(cè)量表面在圖4和圖5中用點(diǎn)線fW。 所述基底可以包括半導(dǎo)體材料，玻璃，塑料，陶瓷，玻璃上的硅，藍(lán)寶石基底 上的硅。所述電路可以包含磁阻傳感器11作為傳感器元件和導(dǎo)體12形式的磁 場(chǎng)發(fā)生器。磁阻傳感器11可以是例如GMR， AMR或者TMR類型的傳感器。 磁阻傳感器ll可以例如具有細(xì)長(zhǎng)的糊犬，如長(zhǎng)而且窄的長(zhǎng)條幾何糊犬，但是不 局限于這種幾何形狀。傳感器11和導(dǎo)體12可以設(shè)置成互相臨近(圖4)，相隔很 小的距離g。傳感器11與導(dǎo)體12之間的距離g可以例如在1納米到1毫米，如 3 。在圖4和圖5中，引入坐標(biāo)系統(tǒng)棘示如果磁性傳繊設(shè)備i體在xy 平面中，貝U磁阻傳感器ll主要用于檢測(cè)磁場(chǎng)的x分量，也就是說(shuō)x方向是磁性 傳感器11的敏感方向。圖4和5中的箭頭13表示本發(fā)明中磁阻傳感器11的敏 感x方向。因?yàn)榇判詡鞲衅鱨l在與傳感器設(shè)備平面垂直的方向非常不敏感，在 圖中垂直方向或者z方向，所以由電M31導(dǎo)體12產(chǎn)生的磁場(chǎng)14，在磁性納米 粒子15不存在的情況下不能被傳感器11檢測(cè)到。通過在磁性納米粒子15不存 在盼瞎況下，施加電流到導(dǎo)體12，可以校準(zhǔn)傳感器ll的信號(hào)。該校準(zhǔn)iM在任 何測(cè)之前進(jìn)行。當(dāng)磁性材線其可以是例如磁性離子，分子，納米粒子15，固體 材料或者含有磁性成分的流體)在導(dǎo)體12附近時(shí)，它產(chǎn)生磁矩m，在圖5中用 場(chǎng)線16表示。磁矩m然后產(chǎn)生偶極雜散磁場(chǎng)(dipolarstmyfield)，，傳感器ll 處具有平面內(nèi)磁場(chǎng)分量17。從而，納米粒子15使磁場(chǎng)14偏移到由箭頭13所表 示的傳感器11的敏感x方向(圖5)。在傳繊11的敏感x方向的磁場(chǎng)Hx的x 分量，被傳感器11感測(cè)并且取決于磁性納米粒子15的數(shù)量Nnp和導(dǎo)體電流Ic。 在第三特定例子中，描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的傳感器單元和相關(guān)的感 測(cè)方法，其在垂直于傳自平面的方向上有良好的分辨率。圖6， 7和8是在與 傳感器平面垂直的方向具有，的分辨率的這種傳感單元的三個(gè)實(shí)施方式的截 面圖。為了區(qū)分磁性粒子15的表面濃度和^f只濃度，需要與傳感器元件11的 平面垂直的方向，其對(duì)應(yīng)于圖4中弓l入的坐標(biāo)系的z方向的分辨率。如圖6所 示，與導(dǎo)體12a和12b的磁場(chǎng)14a和14b相比，導(dǎo)體12c和12d分別產(chǎn)生磁場(chǎng) 14c和14d。 M31合并來(lái)自四個(gè)導(dǎo)體12a， 12b， 12c， 12d的傳S^信號(hào)，可以得到關(guān)于磁性粒子15在x方向和z方向的濃度的信息。通過在與磁性傳感器11 的平面垂直的方向上，其如示出的那樣是垂直方向或z方向，應(yīng)用更多的導(dǎo)體， z分辨率還可進(jìn)一步加強(qiáng)。這在圖7的實(shí)施方式中示出。導(dǎo)體12a和12b設(shè)置在 緊鄰磁性傳 11的兩側(cè)，在與傳SI元件ll的平面垂直的方向上處于相同 水平。導(dǎo)體12c， 12d， 12e和12f設(shè)置在基底10和傳感器ll之間，導(dǎo)體12c和 12d相對(duì)于導(dǎo)體12e和12f處于不同的z位置。同樣，來(lái)自不同的導(dǎo)體12a到12f 的傳自信號(hào)的結(jié)合可以給出關(guān)于磁性粒子15的體積濃度， 面濃度以及表 面濃度的信營(yíng)、。在另外一個(gè)實(shí) 式中，設(shè)置在基底10禾口磁性傳麟11之間 的水平處的導(dǎo)體12c禾B 12d中的電流，具有相反的方向，如圖8所示。通過這 種方法，導(dǎo)體12c和12d可在x方向產(chǎn)生很強(qiáng)的場(chǎng)梯度。這個(gè)實(shí)施方式對(duì)加強(qiáng) 空間分辨率可能是有利的。
在第四特定例子中，對(duì)根據(jù)凝集的磁性粒子的大小來(lái)實(shí)施分離過程的任選 步驟纟合予了更加詳細(xì)的說(shuō)明。圖9是可以用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中的分離 過程的示意說(shuō)明，其用于在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的M^分析中定量測(cè)量磁性標(biāo)記物15 的一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。這樣的步驟可以在提供標(biāo)記物和在實(shí)施灌l(xiāng)集過程產(chǎn) 生湊換的粒子100之后進(jìn)行。在分離過程的一個(gè)例子中，可以在一個(gè)或者多個(gè) 空間方向施加分離力Fsep，該分離力取決于凝集的粒子100的大小。該分離力 FsEP有利地可以是施加至y凝集的粒子100上糊呦勻磁場(chǎng)，但是其它種類的分離 方法也是可用的，例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致產(chǎn)生離心力 過質(zhì)量進(jìn)行分離，水動(dòng)壓力的 應(yīng)用，靜電分離的應(yīng)用(需要7驗(yàn)的粒子100帶有靜電)，等等。除了應(yīng)用所施加 的用于分離的各種力以外，或者作為選擇，也可以應(yīng)用尺寸排阻過濾器。對(duì)于 絕大多數(shù)凝集分析來(lái)說(shuō)，可以假定加入至礙集的粒子100中的磁性粒子15的數(shù) 量與;驗(yàn)的粒子100的大小有很直接的依賴關(guān)系，例如成比例，雖然也許不總
是這樣。如果施加非均勻的磁場(chǎng)^a行分離，貝何以用產(chǎn)生所述交變磁場(chǎng)的相
同 來(lái)產(chǎn)生該磁場(chǎng)，或者通過專用磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生，例如為了這個(gè)目的設(shè) 置為M:磁性傳^I元件11。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的分離過程的一個(gè)實(shí)施方式，其中相對(duì)于分離的^麟的 粒子100設(shè)置了許多傳自元件11以便于測(cè)量凝集的粒子的尺寸分布，如圖10 所示。該分離在一個(gè)空間方向上相對(duì)于不同的傳自元件11導(dǎo)致空間分離，但 是相似地，該分離也可以在兩個(gè)或者三個(gè)空間方向上進(jìn)行。圖15也示出了可以應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施方式中的分離過程的實(shí)施
方式。不同大小的磁性粒子，例如單個(gè)的與成簇的粒子，或者小尺寸的與大尺
寸的簇，都可以j頓磁泳(magnetophoretic)分離方法來(lái)分離，基于它們?cè)诖艌?chǎng)中 的速度正比于它們對(duì)磁力的磁化率這一事實(shí)。磁性粒子簇例如由凝集產(chǎn)生，與 單個(gè)的磁性粒子相比將具有增大的磁化率，因此磁泳技術(shù)可以用來(lái)將成簇的磁 性粒子與單個(gè)的磁性粒子分離。 一旦驅(qū)動(dòng)或者沉降到非結(jié)合性表面如傳感器表
面或者反應(yīng)腔表面，就可以及時(shí)監(jiān)控傳感器信號(hào)的改變。因?yàn)榇卦诖艌?chǎng)中將沉 降得更快或者移動(dòng)得更快，它們將在時(shí)間上更早地到達(dá)表面。非結(jié)合性表面附 件或者在非結(jié)合性表面上按時(shí)間監(jiān)控磁性粒子因此將是簇形成的指示，其中;疑 集參數(shù)的測(cè)量包括分離步驟。為了單個(gè)珠與成簇珠的可再現(xiàn)分離，可以利用磁 泳粒子分離的原理，例如在現(xiàn)在發(fā)展用于GMR和FTIR檢測(cè)的盒裝置中。圖15 因此示出了該實(shí)施方式的示意說(shuō)明，示出在傳感器表面的下面和在反應(yīng)腔頂部 之上的相對(duì)位置都具有電磁線圈的反應(yīng)腔，即頂部線圈和底部線圈，分別用Hj 和H2表示。i!5i打開頂部線圈，Mai首先在反應(yīng)腔頂部收集珠，可以實(shí)現(xiàn)分離。 如果然后打開底部線圈，同時(shí)關(guān)閉頂部線圈，則磁性粒子將朝向傳感器表面移 動(dòng)。在限定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)雙珠,過頂部一傳感器距離的一半而單個(gè)簇小于頂 部一傳感器距離的一半時(shí)，再次打開頂部線圈。雙珠簇將繼續(xù)向下移動(dòng)到傳感 器表面，而單個(gè)珠將移動(dòng)回到頂部。這種方法將允許磁性粒子簇的終點(diǎn)測(cè)量， 并且不需要?jiǎng)恿W(xué)檢測(cè)。類似地，可以通過單個(gè),到非結(jié)合性傳感器表面而 成簇的珠被收集到不同于傳感器表面的地點(diǎn)的方法將單個(gè)磁性粒子與成簇的磁 性粒子通過磁的方式分開。實(shí)現(xiàn)該方法的一種方式可以是通過利用與上文中所 述同樣的磁泳粒子分離，但是用相反方式首先在傳 —側(cè)收集珠，然后關(guān) 閉底部線圈，打開頂部線圈。經(jīng)過一定的時(shí)間，當(dāng)雙珠簇超過頂部一傳感器距 離的一半而單個(gè)簇小于頂部一傳感器距離的一半時(shí)，再次打開底部線圈。雙珠 劇每繼續(xù)向上移動(dòng)到頂部，同時(shí)單個(gè)的珠將移動(dòng)回到傳自。這個(gè)例子是"l-x 分析"，因?yàn)槟繕?biāo)物的存在將導(dǎo)致形成簇，期每引起在傳感器一側(cè)檢測(cè)到M^的 單個(gè)磁性粒子數(shù)量。由于這種分析方法固有的低靈敏度，這種模式或許不是優(yōu) 選的。該實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)將是多個(gè)簇形成并不影響定量，因?yàn)闄z測(cè)的不是凝集 的粒子而是減少的單個(gè)磁性粒子。對(duì)于這個(gè)實(shí)例中的兩個(gè)選擇，不同尺寸的磁 性粒子的磁泳分離也可以通過使用集成導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后粒子分離在傳感器表面的平面內(nèi)發(fā)生。簇或者是單個(gè)珠，根據(jù)選擇的試驗(yàn)的種類，可以在檢測(cè)的位
置被收與fOT GMR的情況下在檢測(cè)導(dǎo)線之上，或者在^ffi FUR的情況下在 激光點(diǎn)之上)，而單個(gè)的或者成簇的磁性粒子則分別在傳感器表面的平面內(nèi)的位 置被收集，離檢測(cè)側(cè)足夠大的距離。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的分離過程的另外一個(gè)實(shí)施方式，其中相對(duì)于所施加的 分離力FsEP設(shè)置單一的傳感器ll，這樣作為時(shí)間的函數(shù)的測(cè)量將顯示，或者最 少指示凝集的粒子謂的尺寸分布。所述分離可以表征為時(shí)間上的分離。Mil 傳 111進(jìn)行的與時(shí)間相關(guān)的觀糧也可以用來(lái)測(cè)定 ,動(dòng)力學(xué)。圖12是利用 甲狀旁腺激素分析的動(dòng)力學(xué)研究的例子，其中4nM的待分析物首先被加入含有 PTH抗體的粒子中。在類似于圖ll的設(shè)置中進(jìn)行60^l中測(cè)量。粒子在目標(biāo)物 存在的情況下聚與200nm)，并且在弱磁驅(qū)動(dòng)下比不包含待分析物的樣品更決沉 降，結(jié)果題著更大的GMR信號(hào)。分離力FsEP艦交變(AC)磁場(chǎng)獲得。
在第五個(gè)特定例子中，提供了如何可以任選地改進(jìn)凝集過程。所述方法因
此包括施加I^加強(qiáng)磁場(chǎng)(HENH)。凝集加強(qiáng)磁場(chǎng)可以先于磁分離場(chǎng)施加或者與磁 分離場(chǎng)同時(shí)施加。fflW旨分析物施加非均勻磁場(chǎng)(HENH)，磁性粒子被驅(qū)動(dòng)，
并因ltbffl過可逆的非特異性相互作用提高凝集。含有結(jié)合部分的粒子可以在磁 驅(qū)動(dòng)下在溶液中移動(dòng)，從而與結(jié)合部分碰撞的目標(biāo)物的數(shù)量增加。這可以用于 增加分析的速度或者增強(qiáng)其靈敏性。雖然這可以在凝集過程中實(shí)施，但是 在凝集過程之前實(shí)施驅(qū)動(dòng)以便使盡可能多的結(jié)合部分暴露出來(lái)。這可以通過以 下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)首先使目標(biāo)物5曝露于粒子15—結(jié)合部分2絡(luò)合物，驅(qū)動(dòng)，然 后使目標(biāo)物曝露于粒子15b—結(jié)合部分2b絡(luò)合物，反之亦然，參見圖l。對(duì)于 抑制模式，類似的方案是可行的。在一個(gè)可選擇的實(shí)船式中，在目標(biāo)物5己 經(jīng)與結(jié)合部分2和2b結(jié)合之后i!31加強(qiáng)磁性粒子15與其它磁性粒子15b的碰 撞增強(qiáng)凝集物的形成，參見圖1。對(duì)于該實(shí)施方式以及之前的增強(qiáng)實(shí)M^^f涉 及的磁力不必一定相同，但是對(duì)于一些實(shí)施方式磁場(chǎng)可以相同。雖然兩種類型 的加強(qiáng)過程可以同時(shí)實(shí)施，但是優(yōu)選實(shí)施第一種形式的加強(qiáng)，然后加入粒子15b， 然后實(shí)施第二種形式的加強(qiáng)。粒子的磁化對(duì)于驅(qū)動(dòng)是必須的。在外部場(chǎng)下這可 弓胞粒子的可逆聚集。高度,在阻止所述簇非特異性地永久相互結(jié)合的緩沖 液劍牛下實(shí)施所述分析。所述緩沖液可以包括至少1 %阻止非特異性結(jié)合的蛋白 瘋清蛋白，球蛋白，明膠，酪蛋白等勢(shì)和/或最少0.05X的清潔劑(TritonX-100，吐溫20或者80^)禾口/或聚合物(PVB， PEG#)。然后可以如上文所M5W分
析物施加磁場(chǎng)HsEP^iS行分離。分離磁場(chǎng)HsEP和加強(qiáng)磁場(chǎng)Henh都必須附合以 下條件所述場(chǎng)不能太強(qiáng)或者具有太強(qiáng)的空間梯度以防止將會(huì)影響測(cè)試的非可
逆糊N特異性凝集的發(fā)生。對(duì)于300nm的磁性粒子，發(fā)明娛現(xiàn)1X 104A/m, 1 X 105A/m或者1X 106A/m的磁場(chǎng)纟鵬上限是飽的，而梯度的上限可以是1 X 107A/m2， 1Xl()8A/m2或者lX109A/m2。典型地，分離磁場(chǎng)Hsep的大小將低于 這些上限。圖13是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式根據(jù)時(shí)間t順序使用不同磁場(chǎng)的示意 圖示。只示出了磁場(chǎng)的數(shù)值，因?yàn)槿齻€(gè)磁場(chǎng)可以彼此具有不同的方向。首先， 施加磁場(chǎng)來(lái)加強(qiáng)凝集過程。接著施加用來(lái)根據(jù)大小來(lái)分離磁性粒子的磁場(chǎng)。最
后，施加Hac。磁場(chǎng)HsEP和磁場(chǎng)HENH圖示為隨時(shí)間是不變的，但是它們也可以
隨著時(shí)間改變的，和方向交替變化，如同用于測(cè)量對(duì)一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)的
磁場(chǎng)HAC。
另一組特定例子示出了關(guān)于施加到分析物的交變磁場(chǎng)的任選特征。圖16A 到圖18作為例子示出了其中直到給定頻辨稱為滑差頻率)和在遠(yuǎn)高于該滑差頻 率的頻率得到粒子旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，本發(fā)明并不限制于此。圖16A示出了作為所施 加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角頻率的函數(shù)的單個(gè)磁性粒子的旋轉(zhuǎn)頻率。箭頭表示臨界滑差 頻率。圖16A， 16B， 17A和l7B的例子中示出的數(shù)據(jù)劍柳2.8'1^t直徑的磁 性粒子獲得的，具有大非7乂久性磁化能力和小永久性磁化。在圖16A的例子中， 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的最小電流(I剿、)是0.046安樹A)。圖16B示出了作為施加到產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電流線的電流的函數(shù)的臨界滑差頻率。在這個(gè)例子中，100mA的電 ^^t應(yīng)于磁性粒子所處的位置處2mT的場(chǎng)。該線性行為說(shuō)明磁矩是由磁性粒子 中的永久磁化產(chǎn)生的。圖17A示出了作為所施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角頻率的函數(shù)的 單個(gè)磁性粒子通過光學(xué)方式測(cè)量的旋轉(zhuǎn)頻率，在很寬的頻率范圍內(nèi)，在x軸以 對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示。7乂久磁化的效果在低頻率范圍內(nèi)是可見的(低于大約lOHz)，非 永久磁化的 媒在較高的頻率范圍內(nèi)(最高大約lOMHz)是可見的。圖nB示出 作為施加到電流線的電流的函數(shù)的磁性粒子的旋轉(zhuǎn)頻率，其中頻率為40kHz。 磁性粒子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的二次行為說(shuō)明磁矩來(lái)源于磁性粒子的磁化率，即非永 久磁化。圖17和圖18示出令人意外的發(fā)現(xiàn)，其中在比臨界滑差頻率高的頻率， 對(duì)于單個(gè)磁性粒子和兩個(gè)磁性粒子的簇，粒子的旋轉(zhuǎn)頻率分別增大。圖18中的 雙箭頭表明在操作于比臨界滑差頻率高的多的頻率的這種AC磁場(chǎng)的影響下，磁性粒子的旋轉(zhuǎn)頻率增加到最大值，該最大值比在臨界滑差頻率下的旋轉(zhuǎn)頻率 高。后者依賴于電流，其中招氐頻率下旋轉(zhuǎn)頻率隨著所施加的場(chǎng)強(qiáng)線性增加， 而在高頻率下，旋轉(zhuǎn)頻率隨著所施加的磁強(qiáng)二次增加。所以高于一定場(chǎng)強(qiáng)，臨 界滑差頻率低于所能達(dá)到的最大頻率。優(yōu)選地，凝集的粒子或者磁性粒子簇繞 著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)軸不與以磁性方式形成的磁性粒子鏈的占主導(dǎo)作用的軸 一致(參見圖19)。以這種方式，即使在存在單個(gè)粒子的鏈的情況下也能夠鑒別 所述簇。
在沒有結(jié)合到表面的情況下，簇和單個(gè)粒子可以在磁泳分離和檢測(cè)之后被 重新分散在本體溶液中。本發(fā)明的這個(gè)待征給本發(fā)明的方法提供了實(shí)時(shí)監(jiān)控所
述分析的潛力，這在例如實(shí)時(shí)核酸擴(kuò)增反應(yīng)例如PCR中是很有意義的。簇在本 #^#液中的重新分散和溶解PCR產(chǎn)物使得育^)多重新使用粒子上的引物，這對(duì)于 PCR中的指數(shù)擴(kuò)增是需要的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這些可以利用磁性粒子作為標(biāo)記物以 及在非結(jié)合性傳感器表面附近的特異性檢測(cè)，其使得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有低親和力 的目標(biāo)物的檢測(cè)，例如低親和力結(jié)合抗體，省略流皿滌步驟。
禾擁這種磁性粒子的實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在未加工的樣品中進(jìn)行檢 測(cè)。根據(jù)本發(fā)明，使用磁性粒子的實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不需要流^t滌步 驟，其除了增加速度和容易性外，還可以提高分析的靈敏度。使用磁性粒子的 實(shí)施方式的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供驅(qū)動(dòng)步驟來(lái)增加結(jié)合的機(jī)會(huì)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要與傳感^l表面結(jié)合，因此不需 要特定的傳^l表面改性或者衍生化。
本發(fā)明的另一方面是提供試劑盒，用于實(shí)施如上文所述的測(cè)量凝集的方法。 這樣的試劑盒包括一種或者多種在特定目標(biāo)物存在的情況下實(shí)施l^分析的磁 性粒子。該試劑盒可以進(jìn)一步包括在其中實(shí)施凝集分析的反應(yīng)腔。該試劑盒還 可以進(jìn)一步包括分析、添加劑，例如所述分析在其中進(jìn)行的液體。特別地，在該 試劑盒中一種或者多種磁性粒子3， 15和所述液體可以事先混合，并容納于反 應(yīng)腔中。該特定實(shí)施方式具有只需要加入需要測(cè)試目標(biāo)物存在的樣品就可以開 始觀H式的優(yōu)點(diǎn)。不需要其它的處理，這可以提高分析的速度，并且可以導(dǎo)致更 高的靈敏度和/或分析可重復(fù)性。
該發(fā)明的的另一個(gè)方面是提供在目標(biāo)物物一誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)量一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)的設(shè)備。該設(shè)備包括實(shí)施凝集過程的凝集器裝置，形成不附著
于反應(yīng)腔的任何表面的凝集的粒子100，其中在測(cè)量的旨過程中所述分析都被
保持在該反應(yīng)腔中。凝集的粒子包括一個(gè)或者多個(gè)磁性粒子。該設(shè)備進(jìn)一步包 括用TO分析施加交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置。這樣的磁場(chǎng)可以施加到所述分析 保持于其中的反應(yīng)腔，從而其被分析物感受到。所述分析物，并因而在測(cè)量過 程中分析物保持于其中的反應(yīng)腔，可以在至少一個(gè)傳感器元件的附近，借助于 該傳感器元件，將感測(cè)所施加的磁場(chǎng)的影響。該至少一個(gè)傳感器元件可以基于
用來(lái)檢測(cè)交變磁場(chǎng)對(duì)凝集的粒子100所產(chǎn)生的影響的任何合適的技術(shù)。例如其
可以是觀懂光學(xué)影響的光學(xué)檢測(cè)器，測(cè)量磁影響的磁檢測(cè)器，測(cè)量電影響的電 檢測(cè)器或者觀懂聲音影響的聲學(xué)檢測(cè)器。如果f頓磁檢測(cè)器，則檢測(cè)器可以是
霍爾探針或者磁阻檢測(cè)器元件，例如GMR， AMR或者TMR。設(shè)置該至少一個(gè) 傳感器元件用于測(cè)量交變磁場(chǎng)對(duì)未附著的凝集的粒子所產(chǎn)生的影響，其中所測(cè) 量的影響指示一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。本發(fā)明的該方面的一個(gè)實(shí)施方式中，該 設(shè)備進(jìn)一步包括根據(jù)凝集的粒子的大小來(lái)實(shí)施分離過程的分離裝置。在一^f寺
定實(shí)施方式中，分離裝置可以是適于產(chǎn)生非均勻磁分離場(chǎng)HsEP的磁場(chǎng)發(fā)生器。
該分離裝置可以是具有如上文所述的不同分離過程的功能的部件。在另一M寺 定實(shí)施方式中，該設(shè)備進(jìn)一步可包括控制裝置，用于控制所產(chǎn)生的交變測(cè)場(chǎng)的 頻率以在比單個(gè)磁性粒子的滑差頻率高的多的頻率下運(yùn)行。該施加的交變磁場(chǎng) 的頻率可以至少是10倍，或者至少是100倍，或者至少是1000倍。
本發(fā)明的實(shí)施方式的方法可以以任何合適的形式實(shí)現(xiàn)，包括5更件，軟件， 固件，或者它們的任意組合。本發(fā)明或者本發(fā)明的一些特征可以作為運(yùn)行于一 個(gè)或者多個(gè)娜處理器和/或數(shù)對(duì)言號(hào)處理器上的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的 實(shí)施方式的要素和組成部分可以以任何合適的方式物理地，功能地和邏輯地實(shí) 現(xiàn)。事實(shí)上，功能性可以在單一單元中，在很多個(gè)單元中或者作為其它功能單 元的一部分實(shí)現(xiàn)。如此，本發(fā)明可在單一單元中實(shí)現(xiàn)，或者可以是物理i也和功 育巨地分配在不同的單元和處理器之間。
本發(fā)明的實(shí)施方式的設(shè)備，方法和系統(tǒng)適于傳感器多路技^(也就是不同的 傳^l和傳,表面的平行使用)，*斜己物多路技^(也就是不同種類的標(biāo)記物的 平行使用)和反應(yīng)腔多路技^(也就是不同反應(yīng)腔的平行使用)。
本發(fā)明的實(shí)施方式中記載的設(shè)備，方法和系統(tǒng)可用作用于小樣品體積的快速，可靠，并且易于使用的現(xiàn)場(chǎng)生化傳感器。反應(yīng)腔可以是將用于緊湊型讀取 器的一次性用品，該讀取器包括一個(gè)或者多個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生裝置和一個(gè)或多個(gè)檢測(cè) 裝置。此外本發(fā)明的設(shè)備，方法和系統(tǒng)可以應(yīng)用于自動(dòng)化高處理量觀賦中。在 這種情況下，反應(yīng)腔可以是例如孔板或者小池，適于自動(dòng)化設(shè)備《tffl。
本發(fā)明的實(shí)施方式中記載的l^分析很適合高處理量系統(tǒng)，例如帶有微量 滴定板或者小瓶的系統(tǒng)，和流動(dòng)系幾如同在流式細(xì)胞術(shù)中)。進(jìn)一步地，簇分析
具有實(shí)時(shí)監(jiān)控所述分析的潛力，這例如對(duì)實(shí)時(shí)PCR是很有意義的。
進(jìn)一步地，本發(fā)明的實(shí)施方式的設(shè)備和方法適用于對(duì)簇的高平行檢測(cè)。對(duì)
很多簇的檢測(cè)可以平行進(jìn)行，這使該技術(shù)適舒快速和準(zhǔn)確的測(cè)量。
應(yīng)該明白，雖然己經(jīng)關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備在本文中討論了優(yōu)選的實(shí)施方
式，特定的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，以及材料，但是可以在不超出本發(fā)明由后附的權(quán)利要
求所限定的保護(hù)范圍盼瞎況下對(duì)本發(fā)明作出形式和細(xì)節(jié)上的各種變化或修正。
權(quán)利要求
1、一種在于反應(yīng)腔中進(jìn)行的目標(biāo)物-誘導(dǎo)的凝集分析中測(cè)定一種或者多種粒子(3，15)的凝集的方法，該方法包括如下步驟-在分析中提供磁性粒子(3，15)，所述磁性粒子能夠結(jié)合到目標(biāo)物(5)，-實(shí)施凝集過程產(chǎn)生凝集的粒子(100)，其包括至少一種所述磁性粒子(3，15)，-對(duì)所述反應(yīng)腔中的所述分析施加交變磁場(chǎng)(HAC)，和-使用所述至少一個(gè)傳感器元件測(cè)量所述HAC對(duì)未附著到所述反應(yīng)腔的任何表面上的所述一種或者多種磁性粒子(3，15)的影響，其中所測(cè)量的影響指示一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在傳 1表面附近 磁性 粒子的步驟。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)凝集的粒子的大小進(jìn)行 分離過程的步驟。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的方法，其中所述HAc具有明顯大于單 個(gè)磁性粒子的臨界滑差頻率的頻率。
5、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中測(cè)量影響包括測(cè)量磁信號(hào)， 光信號(hào)或電信號(hào)，或者它們的組合中的至少之一。
6、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述分析位于所述至少一個(gè) 傳 元件的表面的附近。
7、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中產(chǎn)生的HAC的方向基本上平 行于所腿少一個(gè)傳感器元件的所述表面。
8、 根據(jù)戰(zhàn)任一弓間權(quán)利要求3的權(quán)利要求所述的方法，其中所述分離 過程M51作用于所述分析中所述一種或者多種磁性粒子的至少一部分上的磁力來(lái)實(shí)施，所述磁力由非均勻的磁分離場(chǎng)(HsEP)產(chǎn)生。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所施加的用于分離的磁力(HsEP)不同 于所述AC磁場(chǎng)。
10、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中施加凝集加強(qiáng)磁場(chǎng)(HENH)來(lái)加艦述,過程。
11、 根據(jù)戰(zhàn)任一權(quán)利要求所述的方法，其中隨時(shí)間測(cè)量HAC的影響。
12、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括測(cè)量所述凝集的?？痠oo)的尺寸分布的步驟。
13、 根據(jù)戰(zhàn)任一弓閱權(quán)利要求3的權(quán)利要求所述的方法，所述方法包 括利用很多的傳感器測(cè)量由所述分離產(chǎn)生的所述凝集的粒子的不同尺寸的級(jí) 分。
14、 根據(jù)，任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述分析是生化分析。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1—14中任一權(quán)利要求所述方法在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的凝 集分析中來(lái)定量測(cè)定?？?5)的一個(gè)或者多個(gè)||^#數(shù)的試劑盒，該試劑盒包括 育詢多結(jié)合到目標(biāo)物(5)的一種或者多種磁性?？? ，15)。
16、 在目標(biāo)物一誘導(dǎo)的^驗(yàn)分析中觀糧?？?， 15)的一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)的設(shè)備，該設(shè)備包括—用于實(shí)施產(chǎn)生凝集的?？?00)的湊操過程的凝集器體，所述凝集的粒 子(雨)包括至少一種磁性粒子，所述;驗(yàn)的粒子不附著于任何表面，一至少一個(gè)傳感器元#(11)，和—用于對(duì)所述分析施加AC磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置(12)，一其中所述傳感器元銜11)被設(shè)置用于在所述未附著的凝集的粒子上測(cè)量 所述AC磁場(chǎng)對(duì)所艇少一種磁性粒子(3， 15)的影響，所觀懂的影響指示所述 一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括濃縮和/或分離裝 置(12)，用來(lái)在所述傳S^表面Pf銜實(shí)施粒子的l縮過程或者根撤l攜的粒子的 大小實(shí)施分離過程。
18、 根據(jù)^l利要求15和16之一所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括控制 產(chǎn)生的AC磁場(chǎng)的頻率明顯大于單個(gè)磁性粒子的臨界滑差頻率的控制裝置。
全文摘要
描述了用來(lái)測(cè)量在反應(yīng)腔中進(jìn)行的采用一種或者多種磁性粒子的目標(biāo)物—誘導(dǎo)的凝集分析中的凝集的方法和系統(tǒng)。在所述分析中提供能夠結(jié)合到目標(biāo)物(5)的磁性粒子(3，15)后，實(shí)施產(chǎn)生包括至少一種磁性粒子的凝集的粒子(100)的凝集過程。該方法還進(jìn)一步包括對(duì)所述分析施加交變磁場(chǎng)(H_AC)，并測(cè)量所述H_AC對(duì)未附著到任何表面的一種或者多種磁性粒子(3，15)的影響。所測(cè)量的影響指示一個(gè)或者多個(gè)凝集參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N15/02GK101627297SQ200780047032
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者J·H·紐文休斯, L·J·范伊曾多爾恩, M·W·J·普林斯, P·德基維特, W·U·迪特默, X·J·A·詹森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司