CN101253416A - 基于水驰豫的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于磁共振的传感器和相关方法。更具体地，本发明涉及一种用于检测样品溶液中被分析物存在的基于磁共振的传感器。该传感器包括磁性纳米粒子，其与分子的一部分连接，该被分析物能可逆地结合于分子的一部分上。该纳米粒子被限制在具有半透壁的室中，所述半透壁对于该纳米粒子是不可透过的，但是对于该被分析物是可透过的。依据该被分析物至该纳米粒子的结合，纳米粒子的集合体可以通过位于该室内部的样品溶液的T2松弛时间的变化进行检测(磁性驰豫转换)。该被分析物可以是糖类，例如葡萄糖、抗体、氨基酸、核酸、低聚核苷酸、治疗剂、肽、蛋白质，等等。该传感器可以用于分析，并可以用MRS或者MRI读出，例如，高输出分析孔板的MRS或者MRI。

Description

基于水驰豫的传感器
交叉引用相关申请
本申请要求2005年5月9日提出的美国临时申请60/679,437的优先权，其全部以引用方式合并于此。
技术领域
本发明涉及基于磁共振的传感器和相关方法。
关于在全联邦范围内发起的研究的说明
此处描述的工作至少分子的一部分地使用来自国家卫生学会(NIH)拨款的经费RO 1EB 004626和EB 00662而进行。因此在本发明中政府具有一定的权利。
背景技术
基于磁共振(MR)的记录方法，例如磁共振成像(MRI)，作为非侵入性方法具有某些已知的优点。比如，磁共振成像可以用于组织深处，在该组织深处光学记录方法有时被该组织的光散射和吸收而复杂化，例如，大于约250微米的组织深处。
纳米技术在医学中的一种应用是作为环境敏感的传感器和分子成像试剂的生物相容纳米材料的开发。设计用于分离和提取的磁性粒子制剂使用易于通过施加的弱磁场操作的微粒。这些材料通常为微米尺寸，每个粒子具有高磁矩。
然而，纳米粒子不响应手持式磁体的弱磁场。
发明概述
本发明总体涉及基于磁共振的传感器(例如，基于水驰豫(water-relaxtion)和平衡的传感器)和相关方法，以及分子的一部分地基于一种新发现，即，具有包封在半透性的外壳内的磁性纳米粒子的传感器可以用作检测各种在水性，例如含水样品中的被分析物，以及可以用于连续监测被分析物的变化水平。
在其广义方面，本发明提供一种基于水驰豫的传感器，用于检测样品中被分析物的存在。该传感器包括一包围体，其界定用于被分析物进入的开口，例如，一半透性膜，以及被限制于所述包围体内的多个纳米粒子。这些纳米粒子被悬浮或可悬浮于水性液相中，具有磁矩，例如，包括氧化铁结晶体或者其它磁性材料，以及这些纳米粒子共价地或者非共价地连接至一个或多个分子的一部分上，或者相反，固定于其上，这些分子的一部分被选定来改变作为该包围体中被分析物存在或者浓度的函数的这些纳米粒子的聚集状态。
在一个方面，本发明特征是基于水驰豫的传感器，该传感器用于检测样品中的被分析物(例如，一外来的被分析物)的存在。该传感器包括：(i)一壁包围体围合的室，其中，该壁包括一个或多个开口(例如，单一或者多个开口)，用于使被分析物进出该室；(ii)多个位于该室内的磁性纳米粒子，各纳米粒子具有至少一个共价地或者非共价地连接至(固定于)该纳米粒子上的分子的一部分；和任选地，(iii)至少一个位于该室内的结合剂，其中该开口可以比该纳米粒子和该结合剂的尺寸小，比被分析物的尺寸大；当结合剂存在时，该分子的一部分和被分析物可以各自可逆地结合至该结合剂；或者该被分析物可以可逆地结合至该分子的一部分。在一些实施方式中，该开口可以比该结合剂大，只要在结合至这些纳米粒子时，该结合剂保持在该室之内。
实施方式可以包括一个或多个下列特征。
这些纳米粒子可以被悬浮或者可悬浮于水性液相中。这些纳米粒子通常或者在特定情况下可以具有磁矩。
该壁可以包括超过一个的开口。当该壁包含超过一个的开口时(例如，多个开口)，至少一个开口尺寸比这些纳米粒子和任选地比该结合剂小，而比该被分析物的尺寸大。在某些实施方式中，该壁包括多个开口，其中每一开口比这些纳米粒子和该结合剂的尺寸小，比该被分析物的尺寸大。
可以选择该分子的一部分，以改变作为该包围体中该被分析物的存在或者浓度的函数的这些纳米粒子的聚集状态。
在几种可选的实施方式中，该传感器可以采用不同的检测形式。比如，可以选择该分子的一部分为结合至该被分析物以生成作为该包围体中该被分析物的存在或者浓度的函数的多个纳米粒子结合的集合体。该传感器可以包括多个纳米粒子结合的集合体，其作为该包围体中的该被分析物的存在或者浓度的函数被分解。该分子的一部分可以是被分析物真实样品或者其结构近似物的片段，这种情况下，该传感器还包括多价结合剂，其结合至该被分析物和该近似物(如果使用的话)以生成多个纳米粒子结合的集合体。该传感器还可以包括结合至该分子的一部分以生成集合体的多价结合剂。该传感器也可以包括结合剂，其在被分析物存在下结合至该分子的一部分，使集合体分离，在另一种形式中，该传感器可以包括结合剂，其在被分析物存在下结合至该分子的一部分，以生成集合体。在一个实施方式中，该传感器还包括限制于该包围体内的多个集合体。在另一个实施方式中，该传感器包括样品流路，与该包围体的内部相通。从而该样品可以流入，或者流入和流出该包围体，以容许该被分析物的周期取样。
在一些实施方式中，该传感器包括以上的特征(i)、(ii)、和(iii)；该分子的一部分可以是，或者作为其化学结构的一分子的一部分可以包括，被检测的被分析物的分子碎片或者被检测的被分析物的衍生物，电子等排物，或者近似物的分子碎片；该结合剂可以是蛋白质。当不存在被分析物时，该室可以包括一个或多个纳米粒子集合体。每一纳米粒子集合体可以包括一个或多个纳米粒子和该结合剂。该纳米粒子集合体的形成可以通过将该纳米粒子上的分子的一部分结合至该结合剂而发生(例如，该结合剂可以包括一个或多个结合部位，该结合部位可被该分子的一部分识别用于结合)。
当被分析物存在时，该室可以包括基本上分解的纳米粒子。当该被分析物存在时，可以从该纳米粒子轭合物置换该纳米粒子，从而使纳米粒子基本上分解(例如，该被分析物和该分子的一部分可以进行选择，使该被分析物和这些纳米粒子与结合剂竞争结合，并且，当被分析物存在时，其可以从该集合体中的结合剂置换该纳米粒子，使纳米粒子分解)。
在某些实施方式中，(a)当该被分析物不存在时，该室可以包括纳米粒子集合体，其中，该纳米粒子集合体可以包括通过该分子的一部分与该结合剂结合的纳米粒子；和(b)当被分析物存在时，这些纳米粒子被该被分析物从该结合剂置换，该室包括基本上分解的纳米粒子。在含水液体介质存在下，纳米粒子集合体的变化(从纳米粒子集合体至基本上分解的纳米粒子，反之亦然，例如，在上述(a)和(b)之间的差异)改变该室内的水的质子驰豫，但是基本上不改变该室外的水的质子驰豫。
在一些实施方式中，该传感器包括以上的特征(i)和(ii)，没有特征(iii)；该分子的一部分可以是蛋白质，或者作为其化学结构的一分子的一部分可以包括蛋白质。当不存在被分析物时，该室可以包括基本上分解的纳米粒子。当被分析物存在时，该室可以包括一个或多个纳米粒子集合体。每一个纳米粒子集合体可以包括一个或多个纳米粒子和该被分析物。该纳米粒子集合体的形成可以通过将该被分析物结合至纳米粒子上的分子的一部分而发生(例如，该分子的一部分可以包括一个或多个结合部位，该结合部位可被该被分析物识别用于结合)。
在某些实施方式中，(a)当该被分析物不存在时，该室包括基本上分解的纳米粒子；和(b)当被分析物存在时，该室包括纳米粒子集合体，其中该纳米粒子集合体包括通过该分子的一部分与该被分析物结合的纳米粒子。在含水液体介质存在下，纳米粒子集合体的变化(从纳米粒子集合体至基本上分解的纳米粒子，反之亦然，例如，在上述(a)和(b)之间的差异)改变该室内的水的质子驰豫，但是基本上不改变该室外的水的质子驰豫。
在一个方面，本发明特征是水性样品中被分析物的检测方法(例如，监测样品流中被分析物的存在或者浓度，该方法包括：(i)提供此处描述的传感器；(ii)在不存在被分析物或者近似于不存在被分析物的情况下，测量该传感器的室内水的驰豫时间(例如，T2或者T1驰豫时间)；(iii)以样品接触该传感器(例如，在水性液相中，这些纳米粒子可以被悬浮或者可悬浮，还可以具有磁矩)；(iv)测量该传感器的室内水的驰豫时间(例如，T2或者T1驰豫时间)；和(v)比较步骤(ii)和步骤(iv)所测量的该T2驰豫时间。步骤(iv)所测量的T2驰豫时间相对于步骤(ii)所测量的T2驰豫时间的变化(例如，增加或降低)指示该被分析物的存在。
例如，可以将样品流入该包围体中，使该样品中的被分析物改变纳米粒子(例如，悬浮的纳米粒子)的聚集状态，测量邻近这些纳米粒子排列的水质子的磁共振驰豫波动。这些步骤可以重复，以获得该流体中的被分析物浓度的瞬时曲线。
实施方式可以包括一个或多个下列特征。
这些纳米粒子可以被悬浮或者可悬浮于水性液相中。这些纳米粒子可以具有磁矩。
该壁可以包括超过一个的开口。当该壁包含超过一个的开口(例如，多个开口)时，至少一个开口的尺寸比这些纳米粒子和该结合剂小，比该被分析物的尺寸大。在某些实施方式中，该壁包括多个开口，其中每一开口的尺寸均比这些纳米粒子和该结合剂小，比该被分析物的尺寸大。
可以选择该分子的一部分，以改变作为在该包围体中的该被分析物的存在或者浓度的函数的这些纳米粒子的聚集状态。当结合剂存在时，该分子的一部分和该被分析物可以各自可逆地结合至该结合剂；或者该被分析物可以可逆地结合至该分子的一部分。该被分析物可以是一价或者多价的被分析物。
该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分包括，糖类、抗体、氨基酸、核酸、低聚核苷酸、治疗剂或者它们的代谢物、肽、或者蛋白质。该分子的一部分可以是共价或者非共价地结合的被分析物(例如，被检测的被分析物，某些时候称之为结合的被分析物或者结合的结合蛋白)，共价或者非共价地结合的被分析物衍生物，或者共价或者非共价地结合的被分析物电子等排物或者近似物(例如，衍生物、电子等排物、或者被检测的该被分析物的近似物)。
在一些实施方式中，该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分可以包括，被检测的该被分析物的分子碎片或者被检测的该被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
在本文中以及各处应用时，包括“被检测的被分析物的分子碎片”(或者包括被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片)的分子的一部分是，其中，被检测的该被分析物(或者它们的衍生物、电子等排物或者近似物)的化学结构的一分子的一部分(例如，基本分子的一部分)被合并入该分子的一部分的化学结构。在这些实施方式中，该纳米粒子可以具有通式(A)：(A)z-NPc，其中“A”是被分析物的分子碎片，A-X，其中X是氢原子或者存在于该被分析物中的官能团，然而其并不合并入该纳米粒子的化学式(A)；“NPc”是该纳米粒子的核心，“-”是共价键(例如，一化学键或者连接官能团)，其连接任何片段的原子至该纳米粒子；Z是1-50(例如，1-40、1-30、1-25、1-20、2-20)。上述化学式中的“A”还可以是被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
该分子的一部分可以是蛋白质或者核酸。
该结合剂可以不存在。该分子的一部分可以是蛋白质，或者作为其结构的一分子的一部分包括蛋白质。在一些实施方式中，(a)当被分析物不存在时，该室包括基本上分解的纳米粒子；和(b)当被分析物存在时，该室可以包括一个或多个纳米粒子集合体。每一个纳米粒子集合体可以包括一个或多个纳米粒子和该被分析物。该纳米粒子集合体的形成可以通过将该被分析物结合至该纳米粒子上的分子的一部分上而发生(例如，该分子的一部分可以包括一个或多个结合部位，该结合部位可被该被分析物识别用于结合)。
在一些实施方式中，(a)当被分析物不存在时，该室包括基本上分解的纳米粒子；和(b)当被分析物存在时，该室包括纳米粒子集合体，其中该纳米粒子集合体包括通过该分子的一部分结合到被分析物的纳米粒子。
可以存在结合剂，其可以是，例如，蛋白质或者单克隆抗体。该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分可以包括，被检测的被分析物的分子碎片或者检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
在一些实施方式中，(a)当该被分析物不存在时，该室可以包括一个或多个纳米粒子集合体；和(b)当该被分析物存在时，该室可以包括基本上分解的纳米粒子。每一纳米粒子集合体可以包括一个或多个纳米粒子和该结合剂。该纳米粒子集合体的形成可以通过将该纳米粒子上的分子的一部分结合至该结合剂而进行(例如，该结合剂可以包括一个或多个可被化学基团识别而结合的结合部位，所述化学基团为该分子的一部分的化学结构的全部或者一分子的一部分)。当该被分析物存在时，可以从纳米粒子轭合物中置换该纳米粒子，从而使纳米粒子基本上分解(例如，可以选择该被分析物和该纳米粒子取代物，以使该被分析物和该纳米粒子分子的一部分可以与该结合剂竞争结合，当该被分析物存在时，可以从该集合体中的该结合剂置换这些纳米粒子，以提供分解的纳米粒子)。
在一些实施方式中，(a)当该被分析物不存在时，该室可以包括纳米粒子集合体，其中该纳米粒子集合体可以包括通过该分子的一部分结合至该结合剂的纳米粒子；和(b)当该被分析物存在时，该纳米粒子被该被分析物从该结合剂中置换，并且该室包括基本上分解的纳米粒子。(a)和(b)的纳米粒子集合体的变化可以改变该室内水的质子驰豫，但是基本上不改变该室外水的质子驰豫。
(a)和(b)的纳米粒子集合体的变化可以产生该室内部的水的T2驰豫时间的可测量的变化，该T2驰豫时间的变化可以用磁共振成像或者非成像方法测量。
该分子的一部分可以通过官能团结合至该纳米粒子，例如-NH-、-NHC(O)-、-(O)CNH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)、-(O)C(CH2)nC(O)NH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)NH-、-C(O)O-、-OC(O)-、或者-SS-，其中n为0至20，例如，2、5、10、或者15。每一开口的尺寸(孔径)从约1kDa至约1微米(例如，约1kDa至约300,000kDa；约1kDa至约100,000kDa；约1kDa至约5kDa；约1kDa至约3kDa；约1kDa至约1微米)。
每一纳米粒子的尺寸或者总体尺寸从约10纳米至约500纳米(例如，约10纳米至约60纳米，约30纳米至约60纳米)。该总体尺寸是微粒的最大尺寸。该纳米粒子集合体的总体尺寸(粒度)至少为约100纳米。这些纳米粒子可以是基本上聚集的(例如，包括一个或者更多纳米粒子集合体)或者基本上分解的。该被分析物可以是糖类(例如，葡萄糖)。
该被分析物可以是手性的。该手性的被分析物可以和一个或多个旋光活性的分子的一部分一同存在于样品中。该手性的被分析物可以和该手性被分析物的立体异构体一同存在于样品中。该手性的被分析物可以和该手性被分析物的对映体一同存在于样品中。该手性的外来被分析物可以是氨基酸。
该被分析物可以是核酸或者低聚核苷酸。
该被分析物可以是治疗剂，在此应用时其指生物活性的分子的一部分，在给药于受检对象(例如，人或者动物受检对象)时，其在该受检对象上或者其代谢物上提供治疗学、生物学、或者药理学效果(例如，治疗、控制、改善，预防，延缓发作、减少疾病、紊乱、或者身体不适或症状发展的危险)。该被分析物可以是，例如，叶酸。
该被分析物可以是肽或者蛋白质(例如，流行性感冒血球凝集素肽)。
该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分包括，手性的分子的一部分。该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分可以包括，氨基酸、核酸、低聚核苷酸、治疗剂、治疗剂的代谢物、肽、或者蛋白质。该分子的一部分可以是，或者作为其结构的一分子的一部分可包括，糖类(例如，具有结构式：
Figure S2006800250585D00081
该结合剂可以是包括至少两个结合部位或者至少四个结合部位的蛋白质。该结合剂可以是重组蛋白质或者是各自具有结合部位的蛋白质的复合物。该蛋白质的复合可以通过交联组合。该结合剂可以是结合至糖类(例如，葡萄糖)的蛋白质。该蛋白质可以是(伴)刀豆球蛋白A(conconavalinA)。该结合剂可以是单克隆抗体，多克隆抗体，或者低聚核苷酸。该结合剂可以是，例如，叶酸抗体或者流行性感冒血球凝集素肽抗体。该被分析物和该纳米粒子可以可逆地结合至该结合剂。
该磁性的纳米粒子可以各自包括一磁性金属氧化物(例如，超顺磁性金属氧化物)。该金属氧化物可以是氧化铁。每一磁性的纳米粒子可以是氨基衍生的交联氧化铁纳米粒子。
该传感器可以构成为一可植入的传感器。例如，该传感器可以皮下植入。在某些实施方式中，该传感器可以植入于受检对象(例如，人或者动物)的四肢中。
步骤(ii)和(iv)可以包括测量T2驰豫时间或者T1驰豫时间。步骤(iv)所测量的T2驰豫时间相对于步骤(ii)所测量的T2驰豫时间的增加可以指示该被分析物的存在。步骤(iv)所测量的T2驰豫时间相对于步骤(ii)所测量的T2驰豫时间的减少可以指示该被分析物的存在。
术语“被分析物”或者“外来的被分析物”指可以用此处描述的传感器分析(例如，检测和定量)和监测的样品(例如，生物的或者工业的流体)中的物质或者化学成分(例如，葡萄糖、叶酸、或者流行性感冒红血球凝集素肽)。
术语“受检对象”包括老鼠、小鼠、牛、羊、猪、兔子、山羊、马、灵长类动物、狗、猫、和人类。
具有至少一个此处描述的共价或者非共价地结合至该纳米粒子的分子的一部分，并且其可以从聚集和分解状态转换的纳米粒子，在此称为“磁性纳米转换”或者“纳米转换”。
实施方式可以具有一个或多个以下优点。
不希望受理论束缚，可以相信纳米粒子集合(纳米粒子集合体的形成，例如，微粒子聚集体)和解聚(从微粒子集合体或者纳米粒子集合体生成分解的或者分散的纳米粒子)是受控的平衡过程，该平衡的状态取决于(因此被其保持)被分析物浓度。当被分析物浓度变化时，该平衡的状态至少在一个取决于几种因素的灵敏度范围内改变。这种平衡状态的改变由该传感器室内部的水的质子驰豫的变化表明，其是可测量的。因而，该传感器的优点在于，可用于连续监测被分析物的变换水平，因为在大多数的进行(例如，长期)测量期间，不需要重新调整或者重置传感器，这是由于在检测期间基本上没有什么被形成或者生成；聚集的和分解的纳米粒子之间的平衡受被分析物影响而移动。只要可以连续监测发生于该传感器室内部的前述平衡的改变(例如，通过周期性地或者连续地监测该室内水的T2驰豫时间)，就可以在那些变化发生时连续地监测被分析物的变化水平。
该传感器可用于检测化学上不同的被分析物阵列，其包括但不限于，碳水化合物(例如，葡萄糖)、缩氨酸(例如，流行性感冒红血球凝集素肽)、和治疗剂(例如，叶酸)。
该传感器是相对简单的装置，没有移动部件、电子设备和任何与外部记录装置，例如取样管或者导线的连接。作为替代，该传感器通过在水质子的Larmour旋进频率的吸收和发射光而操作，其可以由T2和外来的被分析物(例如，葡萄糖)浓度判断。所采用的光(例如，对于1.5T MRI为60MHz)可穿透生物系统，例如，在光学记录方法有时候会由于光被组织散射和吸收而复杂化的深度，例如，组织深度大于约250微米。因此该传感器基本上可以是遥感器，其在不和外部记录装置或者电源连接时通过水驰豫测量报告其局部环境。
被分析物检测可以发生在溶液中而非在表面上，以避免需要开发和优化传感器表面化学。这使分析的特征(灵敏度，特异性，动力学)确定于一种管状形式中，其独立地来自需要判别传感器水和总水的半透性器件或者测试设备。结合剂，例如，蛋白质和抗体，以及纳米粒子作为用于新的水驰豫分析的试剂可易于测试，引领种驰豫用于不同被分析物的基于驰豫的传感器的板。
通过感测纳米粒子集合/分散的可逆平衡的状态，和那些包括不可逆反应(例如，单用分析)的分析相比，避免了分子的产生或消耗。从而不必再次用基材“重装”该传感器以继续操作。例如，通过在没有被分析物的情况下或者所选择的近似于没有被分析物的条件下(例如，相对低浓度的该被分析物)进行平衡，该传感器可准备再次使用。
随着水驰豫传感器使用的该射频放射与水质子相互作用，而非纳米粒子或者生物分子，从而可以使放射引起的损害最小化。
该传感器是用于检测两种或更多种被分析物(例如，一系列不同的传感器，其各自具有，例如，不同的结合剂和分子的一部分，可被用于相同的遮蔽或者测试环境中，以检测多种被分析物)。
除非另外定义，此处使用的所有技术和科学术语具有和本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义，在冲突情况下，以本申请包含的定义为准。本文中提及的所有公开、专利申请、专利、及其他参考资料，通过引用全部内容合并于此。
尽管与本文中描述的内容类似或等效的方法和材料可被用于实施本发明，优选的方法和材料描述如下。这些材料、方法、和实施例仅仅是示范性的，而非限制。通过详细说明和权利要求的内容，本发明的其它特征和优点将会清楚。
附图说明
图1A是驰豫用于检测一价被分析物的基于水驰豫的传感器的一个实施方式的横截面图。还显示了在不存在和存在被分析物下该传感器室中所发生的平衡调节过程以及这些聚集的和分散的纳米粒子的水驰豫特性的概要。
图1B是驰豫用于检测一价被分析物的基于水驰豫的传感器的一个实施方式的横截面图。还显示了在不存在和存在被分析物下该传感器室中所发生的平衡调节过程以及这些聚集的和分散的纳米粒子的水驰豫特性的概要。
图1C是一个传感器结构实施方式的示意图，其中纳米粒子可以直接彼此结合，被分析物可以作为引起聚集/解聚的媒介。此纳米粒子的表面(等式左边)能够结合至被分析物，该被分析物的结合可以改变其表面的物理性质，例如，电荷或者疏水性，导致聚集/解聚(等式右边)。这里，通过改变pH(H+)调节聚集/解聚。
图1D是一个传感器结构实施方式的示意图，其中基于核酸片段序列的检测可以作为引起这些纳米粒子自组合的媒介。当两类纳米粒子混合时，它们可以通过在该低聚核苷酸碱基(等式左边)之间发生的杂化进行自组合。能结合至所述粒子类型之一的被分析物可以引起聚集体的分解(等式右边)。
图2是反应流程图，显示了结合葡萄糖的交联氧化铁纳米粒子的合成(GIu-CLIO)。
图3是用Glu-CLIO/ConA结构在试管中基于葡萄糖的水驰豫分析驰豫获得的T2驰豫时间改变示意图。Amino-CLIO不和ConA结合蛋白反应，这可以由添加ConA后稳定的T2松驰时间显示。附带的2-氨基葡萄糖(G)导致功能化的纳米粒子，GIu-CLIO，其显示随着葡萄糖-结合蛋白(ConA)的添加T2下降。该T2下降通过添加葡萄糖而逆转。该数据可表示纳米粒子聚集和解聚。溶于含有1mM CaCl2和1mM MgCl2的PBS(磷酸盐缓冲盐水)中的0.5mL GIu-CLIO(10μg Fe/mL)，800μg/mL ConA用于T2测量。
图3B是该分析装置的照片。为了更好的对照，该照片中的铁浓度增加至100μg铁/mL。
图4A是用GIu-CLIO纳米转换/ConA结构在一管中基于葡萄糖的分析获得的T2驰豫时间的改变示意图。ConA至GIu-CLIO的添加导致初始T2下降，其通过添加浓度增加的葡萄糖逆转。图4B是用不同的葡萄糖浓度得到的T2值(在稳定水平)改变的示意图。图4C、4D、和4E为粒度分布的示意图，其通过光散射试验获得。图4C显示了分散的GIu-CLIO纳米粒子的粒度分布。图4D显示了在添加ConA的情况下，从分散的纳米粒子(暗柱)至微聚集体状态(亮柱)的转换。图4E显示了在添加葡萄糖的情况下，GIu-CLIO纳米粒子回到分散状态的转换。
图5A是通过使水驰豫传感器与不同浓度的外部葡萄糖溶液接触获得的T2驰豫时间改变示意图。传感器首先置于具有0.1mg/mL葡萄糖的PBS(磷酸盐缓冲盐水)中，然后在具有1.0mg/mL的葡萄糖的缓冲液中以及返回至0.1mg/mL葡萄糖溶液。条件基本与图3A和3B所描述的相同。
图5B是用于容纳含葡萄糖样品介质的该传感器和装置的照片。
图6A、6B、和6C是通过MRI(核磁共振成像)看到的与水驰豫传感器和葡萄糖的反应相关的图像。图5A显示具有置于50ml试管中的ConA和GIu-CLIO的传感器。图5B显示具有0.5mg/mL外部葡萄糖的50ml试管的MR(磁共振)图像。图5C显示具有1.4mg/mL外部葡萄糖浓度的磁共振图像。条件基本与图3A和3B所描述的相同。
图7是在葡萄糖浓度递增和递减时与时间相关的T2改变示意图。图4A-4E所描述的实验中所采用的GIu-CLIO纳米转换/ConA系统被置于半透性的装置中，以使葡萄糖可以在低浓度和高浓度之间循环，使该传感器中的纳米粒子在低T2状态和高T2状态之间前后移动。
图8A是用HA-CLIO纳米转换/抗体至HA(抗-HA)结构在管中基于流行性感冒血球凝集素肽(HA)使的分析所获得的T2驰豫时间改变示意图。抗-HA至HA-CLIO的添加导致初始T2下降，其可以通过添加递增浓度的HA逆转。图8B是用不同的HA浓度得到的T2值改变示意图。图8C、8D、和8E是通过光散射试验获得的粒度分布示意图。图8C显示分散HA-CLIO的纳米粒子的粒度分布。图8D显示在添加抗-HA情况下，从分散的纳米粒子(暗柱)至微聚集体状态(亮柱)的转换。图8E显示了在添加HA的情况下，HA-CLIO纳米粒子回到分散状态的转换。
图9A是用FA-CLIO纳米转换/抗体至FA(抗-FA)结构在管中基于叶酸(FA)的分析所获得的T2驰豫时间改变示意图。抗-FA至FA-CLIO的添加导致初始T2下降，其可以通过添加递增浓度的FA逆转。图9B是用不同的FA浓度得到的T2值改变示意图。图9C、9D、和9E是通过光散射试验获得的粒度分布示意图。图9C显示分散FA-CLIO的纳米粒子的粒度分布。图9D显示在添加抗-HA情况下，从分散的纳米粒子(暗柱)至微聚集体状态(亮柱)的转换。图9E显示在添加FA的情况下，FA  -CLIO纳米粒子回到分散状态的转换。
在所有附图中，相同的标记指示相同的部件。
发明详述
本发明总地涉及基于磁共振的传感器(例如，基于水驰豫的传感器)和用于检测各种在含水介质(例如，生物体外或者生物体内的介质)中的被分析物(例如，外来的被分析物)的方法。
传感器
一般而言，此处描述的传感器包括磁性的纳米粒子，或者在一定条件下具有磁矩的纳米粒子，其被包封于有半透性壁的包围体内，例如，一保持纳米粒子的包围体，但是其容许被分析物进出该传感器的室。该壁包围体可以具有一个或多个开口，所述开口的尺寸能使被分析物通过，而不能使纳米粒子(和结合剂，当其存在时)通过。每一纳米粒子具有至少一个分子的一部分(例如，被检测的被分析物的分子碎片或者被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物；或者蛋白质)，所述分子的一部分共价或者非共价地连接至该纳米粒子。该传感器还可以包括结合剂(例如，蛋白质或者单克隆抗体)，也包封于半透性的包围体内。当存在该结合剂时，其能够结合至该被分析物和该分子的一部分；该分子的一部分能够结合至该被分析物或者该结合剂。通常，当结合剂存在时，该分子的一部分和该被分析物可以各自可逆地结合至该结合剂；或者该被分析物可以可逆地结合至该分子的一部分。此处描述了目前优选用于实施本发明的化学过程。通常，该被分析物、结合分子的一部分、和结合剂的化学过程，本质上，在本文中除非另外表明，可以是和通常是常规的，可以根据其它技术进行改变用于本文中公开的新的传感器和方法中。
参照图1A，在一些具体实施方式中，用于检测一价被分析物(图1A中的Aex)的基于水驰豫的传感器10包括壁包围体12，多个纳米粒子20，和至少一结合剂(例如，蛋白质)18。该壁包围体包封室16，其被穿孔而具有多个开口14。纳米粒子20和结合剂18均位于该室16中。每一纳米粒子20具有至少一个分子的一部分(图1A中的Ab)，其共价或者非共价地连接至纳米粒子，且包括被检测的被分析物的分子碎片。该结合剂18能够结合(例如，可逆地结合)至该被分析物和该分子的一部分Ab。在全部实施方式中，该被分析物的尺寸既比纳米粒子20小，也比结合剂18小。在所有实施方式中，该开口14为，(i)尺寸比该被分析物大，以容许该被分析物自由进出该室16(箭头17)和(ii)尺寸比该纳米粒子20或者该结合剂18小，以保持该纳米粒子20和该结合剂18于该室16内部。
当被分析物不存在时，该纳米粒子20结合至该结合剂18，在该传感器室16中形成纳米粒子集合体22。可以认为这些纳米粒子20与结合剂18的结合是通过分子的一部分Ab(见图1A)发生的。通常，该纳米粒子集合体22的形成是受控的平衡过程(箭头23)。
当存在外来的被分析物且其通过开口14进入室16时，该结合剂-结合(例如，结合蛋白-结合的)的集合体22的纳米粒子被该被分析物(图1A的Aex)从该结合剂上置换，从而改变该纳米粒子-结合剂(结合蛋白)的平衡(箭头23)。因此，该室16中，在被分析物、被分析物-结合剂(结合蛋白复合物24，和(再生的)纳米粒子20之间建立第二平衡(箭头25)。相对于受控的第一平衡过程(箭头23)中形成的集合体22的结合纳米粒子，该受控的第二平衡过程(箭头25)中产生的该再生纳米粒子基本上是分解的。
参照图1B，在一些实施方式中，用于检测多价被分析物(图1B中的≡Aex)的基于水驰豫的传感器10包括如别处所描述的壁包围体12和多个纳米粒子26。这些纳米粒子位于该室内，每一纳米粒子具有至少一个分子的一部分(例如，至少一个蛋白质；至少2个，至少3个，至少4个)，其连接至该纳米粒子(图1B中的中空楔)。在所有实施方式中，该外来的被分析物的尺寸比这些纳米粒子26小。在所有实施方式中，该开口14为，(i)尺寸比外来的被分析物大，以容许该被分析物自由进出该室16(箭头17)和(ii)尺寸比纳米粒子26小，以保持这些纳米粒子26于该室16中。
当不存在该被分析物时，这些纳米粒子26在该传感器室16内基本上是分解的。
当存在被分析物并且其通过开口14进入该室16时，这些纳米粒子26结合至该多价的被分析物(图1B中的≡Aex)以在该室内形成纳米粒子集合体28(箭头27)。形成集合体28的一分子的一部分的这些纳米粒子相对于纳米粒子26基本上是聚集的。可以认为纳米粒子26结合至该被分析物是通过该分子的一部分(例如，蛋白质)而发生的。一般而言，该纳米粒子集合体28的形成是受控的平衡过程(箭头27)。
参考图1C，在一些实施方式中，该传感器可以这样构成以致被分析物(例如，质子，H+)可以直接作为自组合(这些纳米粒子的聚集和解聚)的媒介。具有图1C所示结构的传感器可以具有一个或多个下列特性：(i)纳米粒子可以彼此直接结合(即，纳米粒子之间没有分子作为“桥梁”，如图1A和1B所示)；(ii)可以采用单一类型的纳米粒子，和(iii)通过结合至该纳米粒子的表面，被分析物可以控制自组合。
在这些实施方式中，该纳米粒子的表面能够与被分析物结合。该被分析物的结合可以改变该表面的物理性质，例如电荷或者疏水性。然而，不希望限制于理论，相信表面性能的改变可以改变这些纳米粒子之间的吸引力，以及纳米粒子的自组合(或者分解)可以发生。在某些实施方式中，该纳米粒子的表面可以设计成具有可带电荷或者不带电荷的表面，因为pH改变超过所考虑的范围。举例而言，肽，例如Ac-LLLLLL-KHHHE-G-K(FITC)-C-NH2，pI＝6.48，可以用例如SPDP或者SIA的双功能交联剂附着至纳米粒子，(参见，如，Koch等人″Uptake and metabolism of adual fluorochrome Tat-nanoparticleIn HeLa cells.″Bioconjug Chem.2003；14(6)：1115)。在pH约6.48或以上时，组氨酸基本上是未质子化的，可以通过在疏水性亮氨酸侧链之间的自结合发生聚集。在pH低于约6.48时，该组氨酸基本上是质子化的，这些纳米粒子携带正电荷而且是分散的。
参照图1D，在一些实施方式中，该传感器可以如此设置以致基于核酸片段的序列检测可以作为这些纳米粒子的自组合的媒介。具有如图1D所示的该结构的传感器具有一个或多个下列特性：(i)可以制备两种类型的彼此具有吸引力的纳米粒子，和(ii)这些两种类型的纳米粒子之一能够结合该被分析物。在这些实施方式中，两种类型的纳米粒子可以是合成的，各自附着有特定序列的合成的低聚核苷酸。当该两个类型的纳米粒子混合时，它们可以经由发生在该低聚核苷酸的碱基之间的杂化而自组合。这种双绞合的，低聚核苷酸作为媒介的纳米粒子集合体的实施例在Perez等人″DNA-based magneticnanoparticle assembly acts as a magnetic relaxation nanoswitch allowing screeningof DNA-cleaving agents.″JAm Chem Soc.2002；124：2856。因此被分析物(例如存在于核酸片段上的碱基序列)能进入该传感器并通过结合至一种粒子可以引起聚合体分解。
由于依赖该被分析物和该纳米粒子集合体的反应的该浓度改变该纳米粒子的聚合状态，该外来的被分析物的存在和其量可以被检测，例如，用在该传感器室内水的T2驰豫时间变化来检测。已知，例如，在先前分散的(例如，单分散性的，多分散性的)磁性纳米粒子聚集或者团聚情况下，水的T2驰豫时间缩短。然而，不希望束缚于理论，令人相信的是在纳米粒子自组合为更高级的纳米集合体期间，个别纳米粒子的该超顺磁性氧化铁核心在使周围水质子的自旋移相上变得更加有效(即，增强自旋-自旋驰豫时间，例如，T2驰豫时间)。
因而，在一些实施方式中，该被分析物可以在采样介质中通过监测该传感器室16内部所存在的水的驰豫特性进行检测和定量(例如，测量变化，例如，在该传感器室内部存在的水的T2驰豫时间增加和减少)。例如，参照图1A，在没有被分析物的情况下(由于纳米粒子集合体22的形成)，该传感器室16内水的T2驰豫时间预计会减少，然后在被分析物存在下(由于置换和随后这些结合的纳米粒子集合体22的解聚)，相对于这些降低的值而增加。作为选择，参照图1B，在没有多价的被分析物时，该传感器室16内水的T2驰豫时间预计会增加，然后在该多价的被分析物存在下，相对于这些值而减少。由于该结合剂和/或这些纳米粒子限制于该室16内，一般而言，发生在该传感器室16内的纳米粒子聚集的变化基本上不改变该室外水的质子驰豫(即，总水)。
尽管T2测量是有望确定纳米粒子聚集的方法，任何与纳米粒子有联系的水驰豫现象或者与其聚集状态方面的变化有联系的水驰豫现象都能采用。通常T2可以用相对快速和容易的手段测定。然而，纳米粒子聚集的测量可以将T2和其它驰豫过程如T1协同使用。T1和T2的测量可用于修正该传感器内部的纳米粒子聚集状态由于该室小的扩充和收缩的而来的小变化。因此，如在此应用的，所涉及的驰豫现象或者磁性驰豫测量是指包含所有这类驰豫相关的方法，包括T1测量。
传感器组件和规格
一般而言，该传感器10的尺寸和形状可以选择为所需要的。
在一些实施方式中，该传感器可以是，例如，管状的、球状的、圆柱状的、或者椭圆形的。本文中描述的传感器也可以具有其它形状。
在一些实施方式中，传感器的尺寸和形状可以选择，以容纳所需的或者适当的样品固定器尺寸和/或样品体积(例如，在体外感测应用中)。一般而言，该传感器的体积可以选择，以使该传感器能区别在该室内和该室外的水的驰豫特性。例如，该传感器尺寸可以选择，以便容纳约0.1微升(μL)至约1000毫升(mL)的样品体积(例如，约1μL(例如，动物成像器)，10μL(例如，临床核磁共振成像仪器)或者0.5毫升)。在某些实施方式中，该传感器可以为管状，其中该管的开口端直径为约1毫米(mm)至约10毫米(例如，5毫米，7.5毫米)。
在一些实施方式中，传感器的尺寸与形状可以基于常规磁共振技术的空间分辨率能力进行选择(例如，在体外感测应用中)，在某些实施方式中，该传感器的最长尺寸可以是约0.01毫米至约2毫米(例如，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1)。在某些实施方式中，所施加的磁场可以是，例如，约0.47特斯拉(Tesla，T)，1.5T，3T，或者9.4T(常规动物分析)。
该壁包围体12将室16与总体样品介质分离开来，并提供一个或多个通道(例如，开口14)用于外来的被分析物(如果存在)从该总体样品介质进入。一般而言，该壁包围体12可以是任何半透性的材料(例如，生物相容的半透性材料)，其对于外来的被分析物和水是可透过的，而对于这些纳米粒子和该结合剂是不可透过的。在一些实施方式中，该半透性的材料可以是超滤或者渗析膜，在一些实施方式中，该半透性的材料可以是聚合物(例如，用于包封移植细胞的聚合物，参见，例如，M.S.Lesney，Modern Drug Discovery 2001，4，45)。在一些实施方式中，该半透性的材料可以是用于小的可植入持续释放装置(例如，那些用于可植入持续释放的节育器件的，例如，Depo-Provera，Norplant，Progestasert；或者，那些描述于C.I.Thompson et al.，Can J Physiol Pharmacol80，180-92(Mar，2002)or D.C.Stoller，S.R.Thomton，F.L.Smith，Pharmacology66，11-8(Sep，2002)的)的材料。
在一些实施方式中，在取样条件下，该壁包围体相对抗污或者抗涂敷，从而增加该壁包围体可以保持开口14的规定孔尺寸的可能性(例如，增加在感测期间开口14保持基本上开启的可能性)。沾污是由于蛋白质的吸附阻塞孔(例如，开口14)而使孔闭合。沾污可以通过将材料置于生物液(例如，血)中，并使用本领域已知的生物相容性测试方法评价其性能而确定。
在一些实施方式中，该壁包围体12可以是基本非免疫的，从而最小化在受检对象中(例如，人)导致不希望的免疫或者毒副作用的可能性。
生物相容的半透性材料的实施例包括，但不限于，基于多糖的材料(纤维素)、改性碳水化合物(纤维素酯)、聚乙烯吡咯烷酮。
在一些实施方式中，该壁包围体12可以由相对刚性的半透性材料制造，意即该被围合的室16是确定的空间或者空隙，在接触流体样品介质时基本上没有体积变化。在其它实施方式中，该壁包围体可以是相对柔性的半透性材料，意即，例如，该被围合的室可以在接触流体样品介质时扩张体积(例如，通过引入该流体样品介质)。
一般而言，该包围体12的壁是足够薄的，以容许传感器对于外来的被分析物水平改变而迅速被平衡。在一些实施方式中，形成该壁的该膜厚度可以是约1至500微米。
一般而言，该开口14的孔径可以选择，以满足本文中描述的分子排除标准(exclusion criteria)(即，外来的被分析物和水可透过而这些纳米粒子和该结合剂基本上不可透过)。
在一些实施方式中，分子排除可以是通过分子量排除。在某些实施方式中，每一开口可以具有约1kDa至约500,000kDa的孔径(例如，容许特定分子量的分子通过的孔径)。每一开口的尺寸(孔径)可以为约1kDa至约1μm(例如，约1kDa至约300,000kDa；约1kDa至约100,000kDa；约1kDa至约5kDa；1kDa至约3kDa；1kDa至约1微米)。在某些实施方式中，该开口的孔径可以是约1kDa或者约3kDa。
在某些实施方式中，该半透性的材料可以是Spectra/Por管形材料，Slide-A-Lyzer微盒式材料或者渗析纤维。这种材料通常优选用于贴合而不是用于植入。一般而言，该半透性材料的孔径尺寸比被分析物大，以容许该被分析物进出该室，但是其足够小以保持磁性纳米粒子及其他试剂，例如结合剂(例如，结合蛋白)于该室内。该半透性的材料可以为了在液体中的稳定性(长期的功能)加以选择，所述液体包含被测量的被分析物(例如，人或者动物对象的血浆、组织液、脑脊液)。该半透性的材料可以进一步基于该传感器是否被植入或者该被分析的液体是否在受检对象体外的容器内(例如，生物反应器，试管或者管)。
该磁性粒子可以是纳米粒子(例如，其尺寸为约10纳米(nm)至约200纳米)或者微粒(例如，其尺寸为约200纳米至约5000纳米)，只要该微粒基本保持悬浮(即，该微粒不沉降)。这里所用的，术语“磁性纳米粒子”指任何永磁性的粒子和任何在一定条件下具有磁矩的粒子(例如，在一施加的电磁场中)。粒子沉降通常可以通过使用相对小的粒子(例如，纳米粒子)或者密度相当于水的相对大的粒子来避免。
粒子密度可以通过在其合成中使用不同密度的聚合物加以改变。在所有实施方式中，该纳米粒子或者粒子的表面容许生物分子的附着。在一些实施方式中，该磁性粒子可以是纳米粒子，其尺寸为约10纳米至约500纳米(例如，约15至约200纳米，约20至约100纳米，约10纳米至约60纳米，约20纳米至约40纳米，约30纳米至约60纳米，约40至60纳米；或者约50纳米)。未功能化的金属氧化物通常为约1-25纳米的晶体，例如，直径为约3-10纳米，或者约5纳米。
可以使用比纳米粒子(粒子)更大的磁性材料。一般而言，这种粒子可以具有一种或多种下列特性：(i)需要该粒子具有比较高的R2，即改变水驰豫，(ii)需要在分析的时间过程期间，该粒子不具有因重力而明显沉降的敏感性，(iii)需要该粒子的表面附着生物分子，优选氨基或者羧基。实施例包括直径约1-5微米的微球体。这种粒子可以从例如商业上的供应者获得，其包括来自Invitrogen(Carlsbad，CA)的Dynbead磁性微球体，来自Bangs Laboratories(Fishers，IN)的微球体，和来自Merck或者EMD Life Sciences(Naperville，IL)的Estapor微球体。
在一些实施方式中，该粒子(例如，纳米粒子20或者26)可以是非功能化的磁性金属氧化物，例如超顺磁性氧化铁。该磁性金属氧化物还可以包括钴、镁、锌、或者这些金属与铁的混合物。在此应用时，术语“磁性的”是指高正磁性磁化系数材料，例如顺磁性的或者超顺磁性化合物和磁铁矿(四氧化三铁)，伽马氧化铁(三氧化二铁)，或者精炼铁。在一些实施方式中，该纳米粒子20具有比较高的驰豫性，即，强烈影响水的驰豫。
一般而言，由于该粒子的铁或者金属氧化物的超顺磁性，其可以具有相对高的驰豫性。在一些实施方式中，该纳米粒子(例如，20或者26)的R1驰豫性在约5到30mM-1sec-1之间，例如，10、15、20、或者25mM-1sec-1。在一些实施方式中，该纳米粒子(例如，20或者26)的R2驰豫性在约15到100mM-1sec-1之间，例如，25、50、75、或者90mM-1sec-1。在一些实施方式中，纳米粒子(例如，20或者26)的R2与R1的比率在1.5和4之间，例如，2、2.5、或者3。在一些实施方式中，该纳米粒子(例如20或者26)的铁氧化物含量大于该粒子总质量的约10％，例如，大于15％、20％、25％或者30％。
在一些实施方式中，当该磁性纳米粒子是基于铁氧化物的纳米粒子，铁(Fe)的浓度可以是约2微克(μg)/mL至约50μg/mL的Fe。一般而言，铁浓度可以选择以使其足够高至改变水的驰豫特性。对于具有比较高的驰豫性的粒子，可以用较低的铁浓度。对于具有比较低的驰豫性的粒子，可以用较高的铁浓度。
每一纳米粒子(例如，20或者26)包括至少一个分子的一部分(例如，至少2个、至少3个、至少4个)共价地或者非共价地连接至该纳米粒子。
在一些实施方式中，该分子的一部分可以通过官能团连接至该纳米粒子。该官能团可以主要根据合成方便，减少位阻，和生物降解特性因素加以选择或者设计。适合的官能团可以包括-O-、-S-、-SS-、-NH-、-NHC(O)-、-(O)CNH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)-、-(O)C(CH2)nC(O)NH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)NH-、-C(O)O-、-OC(O)-、-NHNH-、-C(O)S-、-SC(O)-、-OC(O)(CH2)n(O)-、-O(CH2)nC(O)O-、-OC(O)(CH2)nC(O)-、-C(O)(CH2)nC(O)O-、-C(O)(CH2)nC(O)-、-NH(CH2)nC(O)-、-C(O)(CH2)nNH-、-O(CH2)nC(O)-、-C(O)(CH2)nO-、-S(CH2)nC(O)-、-C(O)(CH2)nS-、-NH(CH2)n-、-(CH2)nNH-、-O(CH2)n-、-(CH2)nO-、-S(CH2)n-、或者-(CH2)nS-，其中各n可以是1-100(例如，n可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99)。具有环状、不饱和的、或者环状不饱和基团，而不具有直链和充分饱和的亚烷基连接部的官能团，(CH2)n，同样可以用于附着该分子的一部分至该纳米粒子。在某些实施方式中，该官能团可以加以选择以使该纳米粒子的尺寸比该室壁的开口(s)大，以保持该纳米粒子于该室内(例如，当检测相对大的被分析物例如脂蛋白的情况)。
在某些实施方式中，该官能团可以是-NHC(O)(CH2)nC(O)NH-，其中n可以是0-20。在某些实施方式中，n可以是2、3、4、5、或者6(优选2)。
该官能团可以存在于起始材料上，或者与该纳米粒子(例如，20或者26)分子的一部分或纳米粒子的分子的一部分分子的一部分有关的合成中间体上。
在一些实施方式中，基于纳米粒子的起始材料可以包含一个或多个官能团，用于附着一个或一个以上分子的一部分，(例如，2、4、6、8、10、15、20、25、30、35、40、45、或者50个官能团)。在某些实施方式中，该纳米粒子可以是氨基衍生的交联氧化铁纳米粒子(例如，NH2-CLIO)。最后连接至该纳米粒子的分子的一部分(例如，被检测的被分析物的分子碎片或者被检测的被分析物的衍生物、电子等排物或者近似物的分子碎片；或者蛋白质)的数目可以等于或者小于该分子的一部分(这些分子的一部分)可以附着至该纳米粒子的官能团数目。在任何情况中，每个纳米粒子的分子的一部分的数目允许在给定的纳米粒子群中变化(例如，群20和/或26)。
一般而言，每个纳米粒子的分子的一部分的数目可以按需要选择(例如，取决于该结合剂(例如，蛋白质)上的结合部位位置和数量，和/或，当超过一种结合剂存在时，是否需要使该纳米粒子交联结合剂(例如，蛋白质))。在一些实施方式中，该磁性粒子可以是多价粒子，其中，多份单价材料附着于相同的粒子，通常，该化合价可以是每个纳米粒子约2.5至约20份结合分子的一部分(也就是，每个纳米粒子的份数的均值，因而在给定数目的通常为多价的粒子中一些粒子可以是单价的)。较高的水平对于功能而言不是必需的。多价的纳米粒子可以通过对每个纳米粒子附加两个或多个官能团来制备。多价的纳米粒子还可以通过附加多价的或者单价的结合剂(例如蛋白质)来制备。
一般而言，分子的一部分可以而非限制地包括，碳水化合物(例如，葡萄糖、多糖)，抗体(例如，单克隆抗体、生物素化的抗GFP多克隆抗体)，氨基酸以及它们的衍生物和立体异构体(例如D-苯基丙氨酸)，手性的分子的一部分，脂质，甾醇，脂多糖，脂蛋白，核酸，低聚核苷酸，治疗剂(例如，叶酸)，治疗剂的代谢物，肽(例如，流行性感冒血球凝集素肽)，或者蛋白质。
在一些实施方式中，该分子的一部分可以是，或者作为其化学结构的一分子的一部分可以包括，被检测的该被分析物的分子碎片或者被检测的该被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
一般而言，这种分子的一部分为(i)通过结合剂识别(例如，蛋白质，例如，结合蛋白)和(ii)可通过该被分析物从该结合剂取代(即，该被分析物可以与该分子的一部分竞争结合至该结合剂(例如，蛋白质)。因而，在一些实施方式中，该分子的一部分和被检测的该被分析物可以在结构上彼此基本上类似，具有基本上类似的对该结合剂的结合亲合力。在其它实施方式中(例如当该分子的一部分是，或者作为其化学结构的一分子的一部分包括，该被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片)，该分子的一部分和被检测的该被分析物在结构上不必要类似，但是对于该结合剂的结合亲合力基本上类似。
至少一个分子的一部分是该被分析物的分子碎片，或者该被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片的纳米粒子可以具有化学式(A)：
(A)z-NPc  (A)
其中：
分子的一部分“A”是被分析物(或者其衍生物、电子等排物、或者近似物)的分子碎片，A-X，其中X是存在于该游离的被分析物(或者其衍生物、电子等排物、或者近似物)中的氢原子或者官能团，然而不引入化学通式(A)的该纳米粒子中；
“NPc”是该纳米粒子核心；
“-”是共价键(例如，化学键或者此处描述的任何连接的官能团)，其连接任何片段的原子至该纳米粒子；和
z是1-50(例如，1-40、1-30、1-25、1-20、2-20、2、4、6、8、10、和15)。
在某些实施方式中，X可以是形成存在于该被分析物中的氨基或者羟基一分子的一部分的氢原子；或者X可以是官能团，例如氨基或者羟基。例如，对于给定被分析物A-OH(X＝OH＝羟基)，相应的纳米粒子可以具有，例如非限制性地，结构(A-O)z-NPc或者(A-NH)z-NPc。
在一些实施方式中，该分子的一部分可以包括碳水化合物，作为其化学结构的一分子的一部分(例如，葡萄糖基)。在某些实施方式中，该分子的一部分可以包括被检测的碳水化合物被分析物的分子碎片或者被检测的碳水化合物被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。例如该分子的一部分可以具有通式(I)：
Figure S2006800250585D00231
其中波浪线表示该分子的一部分与纳米粒子的连接点。通式(I)的分子的一部分可被用于和检测和定量葡萄糖的传感器连接。
该分子的一部分可以是一价或者多价的蛋白质(例如，其具有至少两个(例如，三、四、五、或者六个)结合部位)。
在某些实施方式中，该纳米粒子可以进一步包括使该纳米粒子比该室壁中的开口尺寸更大的取代基，以保持该纳米粒子在该室之内(例如，当检测相对大的被分析物，例如脂蛋白的情况)。
在一些实施方式中，粘合剂可以不存在(例如，当用纳米粒子检测多价被分析物时，其中被共价地或者非共价地连接的分子的一部分是，例如，蛋白质；见，例如，图1B所示的分析结构)。
因此该分析可以利用孔径大小足够大，允许被分析物进出该室，而保持纳米粒子的传感器来测量多价被分析物蛋白，即，图IA和IB中的孔径大小可以调整。各种分析结构描述于此。
在一些实施方式中，可以存在结合剂(例如，当使用纳米粒子检测一价被分析物时，其包括该被检测的被分析物的分子碎片或该被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片；参见，例如，图1A所示的分析结构)。该结合剂可以是，例如，蛋白质、抗体、凝集素、受体结合蛋白、蛋白质的结合区域、合成材料、或者非蛋白质材料。
在一些实施方式中，该结合剂可以是蛋白质。在某些实施方式中，该结合蛋白可以是多化合价的结合蛋白，其具有至少两个结合部位(例如，三、四、五、或者六个)。
一般而言，结合剂(例如，蛋白质或者抗体)和纳米粒子(通过分子的一部分)和被分析物之间的结合是可逆的；分子的一部分和被分析物之间的结合是可逆的。因而，该被分析物可以用非消耗性的手段进行检测和定量(即，结合剂或者该分子的一部分可逆结合，而不消耗该被分析物)。这种可逆性为可被定量的结合的被分析物和释放的被分析物提供稳态条件。被分析物浓度因此能利用常规方法进行数学计算。本领域普通技术人员应当了解，例如，与该被分析物的结合和释放有关的反应动力学对于每一种选择作为结合剂的蛋白质可以是不同的。
在某些实施方式中，该蛋白质结合剂可以结合治疗剂或其代谢物；碳水化合物(例如，葡萄糖；该蛋白质可以是(伴)刀豆球蛋白A)；或者氨基酸(例如，该结合蛋白可以优先于另一种选择性结合一种对映体，例如，D-丙氨酸对L-丙氨酸)。在某些实施方式中，该蛋白质可以是绿色莹光的蛋白质(GFP)。
在某些实施方式中，该蛋白质结合剂可以是单体，在其它实施方式中，该蛋白质结合剂可以是多体结合剂(例如，通过形成融合蛋白而制备，该融合蛋白包括一个蛋白质的几个拷贝或者交联单体以产生多价结合分子的一部分)。还在有其它的实施方式中，该结合剂可以是酶，其经过改性可以结合至底物，但不催化反应。
在某些实施方式中，该结合剂可以结合脂质、甾醇、脂多糖、或者脂蛋白。例如，该结合剂可以是结合甾醇的蛋白质(例如，用于结合胆固醇的apoSAAp，参见，例如，Liang and Sipe，1995，″Recombinant human serum amyloidA(apoSAAp)binds cholesterol and modulates cholesterol flux″，J.lipidRes，36(1)：37)。作为另一个实施例，该结合剂可以是结合脂蛋白的受体(例如，可溶解的低密度脂蛋白和/或它们的突变体，参见，例如，Bajari et al，2005，″LDLreceptor family：isolation，production，and ligand binding analysis”，Methods，36：109-116；或者Yamamoto et al.，2005，″Characterization of low densitylipoproteinreceptor ligand interactions by fluorescence energy transfer″，J.lipidResearch，47：1091。作为进一步的实施例，该结合剂可以是结合脂肪酸的蛋白质(例如，人血清白蛋白，参见，例如，Fang et al，2006，″Structural changesaccompanying human serum albumin′s binding of fatty acids are concerted″，1764(2)：285-91.Epub 2005Dec 27)。
在其它实施方式中，该结合剂可以是单克隆抗体、多克隆抗体、或者低聚核苷酸。该结合剂可以是，例如，叶酸抗体或者流行性感冒血球凝集素肽抗体。
在一些实施方式中，该被分析物可以是手性的。该手性的被分析物在样品中可以和一种或多种旋光活性分子的一部分一起存在(例如，样品中的该手性被分析物的立体异构体，样品中该手性被分析物的对映体)。在某些实施方式中，该手性被分析物可以是氨基酸。
在此所述的可用于检测、监测、和定量被分析物的传感器，所述被分析物可以包括，但非限制于，离子、小分子、蛋白质、病毒和脂蛋白(见表1)。
表1：可以通过水驰豫传感器测量的被分析物
被分析物 被分析物类型(除非另外注明，以kDa表示的尺寸)
T4，T3氢化可的松 小分子激素(＜1)
促甲状腺激素(TSH)，人绒膜促性腺激素(hCG)，黄体生成素(LH)，促卵泡激素(FSH) 蛋白质激素(10-100)
肌钙蛋白，C-反应性蛋白质(CRP)，肌酸磷酸激酶(CPK-MB，CPK-BB)，肌血球素 用于炎症或心脏病发作的蛋白质(10-100)
前列腺特异抗原(PSA)，癌胚抗原(CEA)，α-胎甲球蛋白(AFP) 用于癌检测的蛋白质(10-100)
低密度脂蛋白(LDL)，高密度脂蛋白(HDL) 脂质状态的脂蛋白(500-2000)
铁蛋白 用于缺铁性贫血的蛋白质(400-600)
太平洋紫杉醇(Paclitaxel) 小分子癌化学治疗剂(＜1)
B12/叶酸 小分子营养物质和辅助因子
茶碱，庆大霉素，托普霉素，2-丙基戊酸钠 治疗药(＜1)
地高辛，洋地黄毒甙 治疗药(＜1)
葡萄糖 葡萄糖(＜1)
氢离子 代谢物(＜1)
钙离子 代谢物(＜1)
单纯疱疹病毒 病毒(1微米)
人类免疫缺陷病毒(HIV) 病毒(1微米)
肝炎病毒A，B或C 病毒(1微米)
在某些实施方式中，该被分析物可以是碳水化合物(例如葡萄糖)；脂质、甾醇、脂多糖、脂蛋白、核酸或者低聚核苷酸；治疗剂(例如叶酸)、治疗剂的代谢物、肽(例如，流行性感冒血球凝集素肽)、或者蛋白质。
传感器制造和使用
在一些实施方式中，纳米粒子具有反应性官能团，(例如，吸电子官能团，例如羧基或者亲核基团如氨基)其可以作为连同该传感器使用的纳米粒子的起始材料。
例如，可以根据Gorman方法(见WO 00/61191)制造羧基官能化纳米粒子。在此方法中，从商业来源的葡聚糖合成还原羧甲基(CM)葡聚糖。该CM-葡聚糖和铁盐彼此混合，然后用氢氧化铵中和。得到的羧基功能化的纳米粒子能被用于耦合氨基功能化基团，(例如，进一步的该官能团的片段或者该底物分子的一部分)。
羧基功能化的纳米粒子还可以由多糖涂覆纳米粒子制造，其通过与溴或者氯乙酸在强碱中反应，以附加羧基。另外，羧基功能化的粒子可以由氨基功能化的纳米粒子制造，其通过利用试剂例如琥珀酸酐或者马来酐将氨基转化为羧基。
纳米粒子尺寸可以通过调节反应条件控制，例如，在用碱中和铁盐期间使用低温，如美国专利No.5,262,176所述。均一粒径的材料还可以通过利用离心，超滤，或者凝胶过滤分离该粒子而制得，如美国专利No.5,492,814所述。
纳米粒子还可以根据Molday方法合成(Molday，R.S.and D.MacKenzie，″Immunospecific ferromagnetic iron-dextran reagents for the labeling andmagnetic separation of cells，″J.Immunol.Methods，1982，52(3)：353-67，用过碘酸盐处理以形成醛基。该包含醛的纳米粒子可以和二胺(例如，乙二胺或者已二胺)反应，其将形成Schiff碱，随后用硼氢化钠或者氰基硼氢化钠还原。
涂覆葡聚糖的纳米粒子可以用表氯醇(环氧氯丙烷)制造和交联。添加的氨将与环氧基反应产生胺基，参见，例如，Josephson et al.，AngewandteChemie，International Edition 40，3204-3206(2001)；Hogemann et al.，Bioconjug.Chem.，2000，ll(6)：941-6；和Josephson et al.，″High-efficiency intracellularmagnetic labeling with novel superparamagnetic-Tat peptide conjugates，″Bioconjug.Chem.，1999，10(2)：186-91。已知此材料为交联氧化铁或者″CLIO″，以及当其以胺基官能化时称为胺-CLIO或者NH2-CLIO。
羧基官能化的纳米粒子可以通过利用水溶性碳化二亚胺和二胺，例如乙二胺或者已二胺转变为氨基官能化的磁性粒子。
具有相应于通式(I)的分子的一部分的纳米粒子20，可以通过下列步骤制备，将氨基-CLIO(NH2-CLIO)与琥珀酸酐(pH 8.5)接触，随后在碳化二亚胺(例如水溶性的碳酰亚胺，例如，1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，pH 6.0(见图2))存在下与2-氨基葡萄糖接触。这种纳米粒子在此处被称为″G-CLIO″，″Glu-CLIO″，或者″Glu-CLIO纳米转换″。
可以利用水溶性的碳化二亚胺(例如EDC/NHS，pH 6.0)将叶酸(FA)结合至NH2-CLIO，以提供具有含叶酸的分子的一部分的纳米粒子20，该分子的一部分连接至该纳米粒子。这种纳米粒子在此称为″FA-CLIO″或者″FA-CLIO″纳米转换。
流行性感冒血球凝集素肽(HA)可以用，例如，N-琥珀酰亚胺基3-(2-吡咯基二硫代)丙酸盐(N-succinirnidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate)(SPDP)结合至NH2-CLIO(PBS缓冲液，pH 7.4以提供具有含HA分子的一部分的纳米粒子20，该分子的一部分连接至该纳米粒子)。这种纳米粒子在此称为″HA-CLIO″或者″HA-CLIO纳米转换″。
此处描述的用于传感器中的纳米粒子还可以通过下述的共轭化学过程(conjugation chemistry)制备，例如，Sun，E.Y.，Josephson，L.Kelly，K.，Weissleder，R.Bioconjugate chemistry 2006，17，109-113，其以引用方式合并于此。此处描述的用于传感器中的纳米粒子还可以通过下述的“点击化学/链接化学过程(click chemistry)”“制备，例如，Kolb et al.，Angew Chem Int Ed Engl.，2001，40：2004-2021。
用于此处所述的传感器的纳米粒子20、被分析物、和蛋白质结合剂18的组合可以根据需要选择。
在一些实施方式中，用于传感器的纳米粒子、被分析物、和结合剂的组合可以基于下述的分析结构，例如，Josephson，et al.，Angewandte Chetnie，International Edition 40，3204-3206(2001)；Perez et al.，Nat Biotechnol 20，816-20(2002)；J.M.Perez et al.J Am Chem Soc 124，2856-7(2002)；和Tsourkaset al.Angew Chem Int Ed Engl 43，2395-9(2004)(利用抗体和表面官能化的水驰豫分析，该纳米粒子检测指示基于核磁共振的分析能力的对映体杂质，来测量药物或者代谢物而非葡萄糖的水平)，每一个都以引用方式合并于此。
作为实施例，表2显示了代表性的分析结构。
表2
驰豫传感器分析类型或结构 外部被分析物 结合剂 实施例和注释
参见例如图1A 葡萄糖 conA 参见实施例
参见例如图1A 手性分子的一部分(例如小分子对映体) 单克隆抗体 参见例如Tsourkas，A.，Hofstetter，O.，Hofstetter， H.，Weissleder，R.，andJosephson，L.(2004).Magneticrelaxation switch immunosensors detectenantiomeric impurities.Angew ChemInt Ed Engl 43，2359-2399中的所有附图。
参见例如图1A 单价被分析物(例如，治疗剂，肽，核酸等) 多价结合剂(例如，可同时结合两个或更多纳米粒子；例如，血凝素，多克隆或单克隆抗体) 多价功能化纳米粒子必须(能同时结合两个结合蛋白)
参见例如图1B 核酸 低聚核苷酸 参见例如Josephson，L.，Perez，J.M.，和Weissleder，R.(2001).Magneticnanosensors for the detection ofoligonucleotide sequences.″AngewandteChemie International Edition 40，3204-3206中的所有附图。
参见例如图1B  mRNA 低聚核苷酸 参见例如Perez，J.M.，Josephson，L.，O’Loughlin，T.，Hogemann，D.，和Weissleder，R.(2002).Magneticrelaxation switches capable of sensingmolecular interatctions.Nat Biotechnol20，816-820的图4。
参见例如图1B  GFP 多克隆抗体  参见例如Perez，J.M.Josephson，L.，O’Loughlin，T.，Hogemann，D.，和Weissleder，R.(2002).Magneticrelaxation switches capable of sensingmolecular interatctions.Nat Biotechnol20，816-820的图5A。
参见例如图1B 蛋白质，多糖 蛋白质 多价外部被分析物(能同时结合两个或更多纳米粒子)。多价功能化纳米粒子(能同时结合两个被分析物)。
在一些实施方式中，此处描述的传感器可用于监测葡萄糖的生理学浓度(见实施例分子的一部分)。
一般而言，任何基于核磁共振的能够区别传感器室内与室外水的T2驰豫时间的方法均可用于监测该传感器。这种方法可以是核磁共振成像或者核磁共振非成像方法。
例如，在使用单一水驰豫传感器的应用中，非传感器总水的T2是均一的，测定传感器水的驰豫性能不必要核磁共振成像器或者水驰豫数据的两维模型。任何能区别来自该传感器内部与总水的核磁共振信号性能的非成像方法均可应用。因此，比临床MRI仪器更简单和低成本类型的测试设备可以辨别传感器水与总水的驰豫性能。首先，该传感器可以植入于液体的流动管中，最小化需要的均匀磁场体积但仍使用核磁共振成像测试设备的空间编码方法。其次，该施加的磁场不必是同类的，要求磁体用于产生核磁共振图像。在最初的核磁共振成像器设计中考虑的是选择性激发磁体(参见，例如，Z.Abe，K.Tanaka，Y.Yamada，Radiat Med 2，1-23)。可变磁场强度的手持磁体和激发/接收线圈用于分析商业器件中几毫米的磁体内样品的驰豫性能，参见，例如，http://www.minispec.com/products/ProFiler.htm。这些器件能与新的传感器一起使用。
溶剂，(例如水)，的自旋-自旋驰豫时间(T2)可以通过利用核磁共振应力驰豫仪测量驰豫而确定。一般而言，T2松驰时间测量可以在0.47T和400℃下进行(Bruker NMR Minispec，Billerica，MA)，采用总铁含量10μg铁/mL的溶液。
作为选择，T2驰豫时间可以通过384-孔板(384-well plates)的磁共振成像确定(50μL样品体积，允许高产能的平行测量。一般而言，磁共振成像可以用1.5T超导磁体进行(Sigma 5.0；GE medical Systems，Milwaukee，WI)，其使用具有可变回波时间(TE＝25-1000ms)和重复时间(TR)3,000ms的T2-重量自旋回波序列，以覆盖预期T2值的范围。此技术描述于，例如，Perez，J.M.，et al.Nat Biotechnol 2002，20，816-820；和Hogemann，D.，et al.Bioconjug Chem 2002，13，116-121。
然而，不希望束缚于理论，可以认为，纳米粒子聚集与纳米粒子的R2驰豫性增加有关，但未必与R1驰豫性有关。参见，例如，表1 Josephson，L.，Perez，J.M.，和Weissleder，R.(2001).″Magnetic nanosensors for therelaxivityrelaxivityoligonucleotide sequences。″Angewandte Chemie InternationalEdition：3204-3206。驰豫性，R＝每一1mM浓度变化的驰豫率(1/T)变化。由于在和纳米粒子聚集有关的R1基本无变化或者相对变化较小，T1的测量可用于确定纳米粒子浓度，而T2的测量可用于确定纳米粒子聚集。此方法可以采用下列实例的等式(1)-(3)，其中NP＝纳米粒子，以及T10和T20是纳米粒子不存在下传感器水的驰豫时间。[A]，被分析物的浓度，可以是R2的简单或者复变函数，其反映该粒子的聚集状态。
(1)    [NP]＝(1/T1o-1/T1NP)/R1
(2)    (1/T2o-1/T2NP)/[NP]＝R2
(3)    [A]＝kR2or[A]＝f(R2)
纳米粒子聚集还可以不测量T2而确定，如以下所示的实施例。
1.测量T2*，或者自由感应衰减，而不是T2。
2.使用非共振放射测量样品中特定类别的水质子的驰豫性的量，即放射在Larmour旋进频率上不精确。在此测量中，所采用的入射放射频率在Larmour旋进频率上不精确。
3.测量由T2脉冲序列测量得到的单一回波而不是完整回波的高度。标准T2的测量利用若干回波的衰退高度来确定T2。
4.变换施加磁场的频率或者强度，测量质子吸收峰的宽度。更宽的峰或者能量吸收与更高的T2值有关。
在一些实施方式中，测试设备设计仅仅用于区别传感器水质子与总水质子的驰豫，基于驰豫的传感器可用于监测在任何被围合的，含水体系中的外来被分析物，包括生物反应器或者许多工业应用中的液体。
在一些实施方式中，该传感器可以是被植入皮下的可植入传感器(例如，该传感器可以植入于受检对象的四肢以避免使受检对象的整个躯体被磁场围合)。
实施例
通过以下实施例对本发明进行进一步说明。这些实施例只是为了说明性的目的而提供，不应理解为以任何方式限制本发明的范围或者内容。
综述
表面官能化纳米粒子的合成：EDC(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺盐酸酯)，磺基-NHS(N-羟基琥珀酰亚胺的磺基琥珀酰亚胺酯)购买自Pierce。SPDP(N-琥珀酰亚胺基3-(2-吡咯二硫代)丙酸酯)(N-succinimidyl3-(2-pyridyldithio)propionate)购买自Molecular Biosciences。其它全部化学品购买自Sigma Aldrich。通过交联葡聚糖涂层和表氯醇(氯代环氧丙烷)以及和氨反应合成氨基-CLIO纳米粒子，以提供伯胺基团(参见，例如，Josephson，L.；Tung，C.H.；Moore，A.；Weissleder，R.Bioconjug Chem.1999，10，(2)，186-91.；和Josephson，L.；Perez，J.M.；Weissleder，R.Angewandte Chemie，InternationalEdition 2001，40，(17)，3204-3206)。通过与SPDP反应和用释放嘧啶-2-硫酮(P2T)二硫苏糖醇处理确定胺的数目(参见，例如，Zhao，M.；Kircher，M.F.；Josephson，L.；Weissleder，R.Bioconjug Chem 2002，13，(4)，840-4)。蛋白质结合试剂ConA、抗叶酸抗体(抗-FA)和抗-HA抗体(抗-HA)购买自Sigma。
对于T2测量，使用0.47T应力驰豫仪(Bruker)。测量在0.5mL PBS中和40℃进行。表面功能化纳米粒子的浓度在815μg/mlFe之间，调整至给出约150微秒的起始T2。结合蛋白的浓度为1mg/mL(Con A)、0.1mg/mL(抗-HA)和0.1mg/mL(抗-FA)。在添加各种量的被分析物后，记录T2若干次，直到其达到稳定值。
通过激光散射(Zetasizer，Malvern仪器)测量在23℃的1mL PBS中纳米粒子的尺寸，其为基于体积的尺寸。该表面功能化纳米粒子的浓度在25和35μg/mlFe之间，其被认为是在这种仪器上对于获得纳米转换粒度分布最理想的。结合蛋白的浓度是1mg/mL(Con A)、0.5mg/mL(抗-HA)和0.5mg/mL(抗-FA)。在添加结合蛋白或者被分析物40-80分钟后重复尺寸测量，在该时期以上基本上是恒量。显示的结果为典型的粒度分布。对于复原至分散状态(图4E、8E和9E)，采用600mg/dl葡萄糖、500nM HA和30nM FA。
对于一些将纳米转换封入半透性装置的实验，将0.25mlGlu-CLIO(10μg/ml Fe)和ConA(1mg/ml)置于具有10kDa通道(cutoff)(Spectra/Por，Fischer)的膜内。该装置在具有葡萄糖浓度20mg/dl和200mg/dl的溶液之间来回转移。其在不同的时期移开和放入核磁共振管。在少于30秒内获得T2值，并且该装置被放入不同浓度的葡萄糖溶液的原始葡萄糖溶液中。
数据处理：通过利用以下等式画出T2周期性波动的线条：T2＝A*sin(B*时间+C)+Y，A＝15.58，B＝0.0253836，C＝50.283和Y＝83.8099。
实施例1 Glu-CLIO纳米转换
概述
为了证明水驰豫传感器，我们设计了用于监测葡萄糖生理学浓度的模型机。我们使用(伴)刀豆球蛋白A(conconavalin A)作为结合蛋白和合成的葡萄糖功能化的磁性纳米粒子(Glu-CLIO)。(伴)刀豆球蛋白A(ConA)是已知能与葡萄糖反应的四价凝集素。制备一些传感器，具有孔径大小3kDa的壁外壳。一般而言，该传感器的壁外壳保持Glu-CLIO纳米粒子和ConA，而容许葡萄糖自由进出该传感器。
实施例1A.Glu-CLIO的制备
如其它地方所述制备MION-47和氨基-CLIO(25-35纳米)。D-葡萄糖、D-(+)-葡萄糖胺盐酸盐、琥珀酸酐、(伴)刀豆球蛋白A(ConA)和Sephadex G-25来自于Sigma Aldrich公司。1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺盐酸盐(EDC)和磺基-N-羟基琥珀酰亚胺(磺基-NHS)来自于Pierce(Rockford，IL)。为了合成葡萄糖功能化纳米粒子(Glu-CLIO)，首先将NH2-CLIO转变为羧基功能化纳米粒子，然后利用水溶性碳化二亚胺耦合2-氨基-葡萄糖。为获得羧基官能化CLIO，将2.0mg琥珀酸酐加入200uL NH2-CLIO(10mgFe/mL，42NH2每2064铁)与300uL(0.1M)NaHCO3缓冲液，pH 8.5。该混合物在室温下培养两小时，用Sephadex G-25柱以MES缓冲液(0.5M NaCl，0.05MMES)，pH 6.0，洗提，去除琥珀酸。为了共轭2-氨基-葡萄糖至羧基官能化CLIO(CLIO-COOH)，将2mg EDC和2mg磺基-NHS加入500uL CLIO-COOH(mg Fe/mL)MES缓冲液中，pH 6.0。该混合物在室温下反应两小时并由SephadexG-25柱以PBS缓冲液在pH 7.4下洗提提纯。随后加入2毫克葡糖胺至上述溶液中，该混合物在室温下反应一小时。用Sephadex G-25在PBS中去除未反应的葡萄糖胺。
实施例1B.Glu-CLIO-ConA-Glucose管分析
使用迷你型(Minispec)应力驰豫仪(Bruker)在0.47T，40℃得到驰豫时间。
为了证明Glu-CLIO、ConA和葡萄糖的相互作用，在核磁共振管中直接进行实验(没有半透性壁包围体)，10ugFe/mL，800ug/mL ConA。所有实验都在具有lmM CaCl2和1mM MgCl2的PBS中进行。用应力驰豫仪BrukerMinispecNMS 120在0.47T和40℃测量横向驰豫时间(T2′s)。用Zetasizer1000(Malvern仪器，Marlboro，MA)在具有Glu-CLIO的上述缓冲液中，在20ug Fe/mL下测定尺寸，然后添加ConA至1mg/mL和1.5mg/mL葡萄糖。所有实验均使用这些离子、缓冲液、ConA和Glu-CLIO的浓度。
如图3A所示，添加ConA至Glu-CLIO使T2下降，经过约50分钟达到稳定水平，而对于氨基-CLIO无变化。与ConA引起的T2变化有联系的是Glu-CLIO纳米粒子的激光散射尺寸从30纳米增加至301nm，其指示纳米粒子的团聚与添加ConA和T2增加有关，且该系统表现类似于磁性驰豫转换。然后葡萄糖的加入导致分子的一部分可逆的该T2下降，经过约100分钟、150分钟、和200分钟T2值再次到达稳定水平。此类型的响应见于加入产生葡萄糖浓度0.4、0.8和1.8mg/mL。该传感器响应0.2至1.8mg/mL葡萄糖，其接近生理学上的人类血浆葡萄糖范围。该装置如图3B所示。
实施例1C.Glu-CLIO-ConA-葡萄糖管分析
将Glu-CLIO纳米转换稀释入管中，得到153微秒的T2。随着ConA的加入，T2减少并达到65微秒的平稳值(见图4A)。
加入浓度增加的葡萄糖逆转这种效果，对各葡萄糖浓度观察到恒量T2值(见图4B)。在超过生理学上的葡萄糖浓度范围时，该稳定水平的T2值发生线性变化(见图4B)。
为了进一步研究初始分散的纳米粒子状态和微聚集体状态之间的相互转化(转换)，获得光散射测量数据(见图4C、4D、和4E)。分散的纳米转换平均直径26纳米(见图4C)，在加入ConA时其增加至平均直径230纳米(见图4D)，在加入400mg/dl葡萄糖时返回至原始大小的分布(见图4E)。在加入该葡萄糖时，未达到初始的153微秒的T2值(见图4A)。相信该初始的和最后的T2值之间的差异是由于伴随着葡萄糖浓溶液的加入铁的轻度稀释。基于纳米转换返回至它们的原始大小分布(见图4E)，通过加入葡萄糖实现了分散的和微聚集的纳米转换状态之间的完全相互转换。
实施例1D.Glu-CLIO-ConA-葡萄糖传感器分析
我们接着将该基于管的驰豫分析(如图3A和3B所示的ConA和Glu-CLIO)的组件置于图5B所示的半透性的装置中，以获得基于水驰豫的传感器(体积～0.5mL，3kDa孔)。我们将该传感器用0.1毫克/ml葡萄糖平衡整夜，获得稳定的98微秒的T2(见图5A)，将其置于和应力驰豫仪一起使用的玻璃管中而获得。该传感器然后被放入第二管中(1mg/ml葡萄糖)，进行T2值监测(见图5A)。经约100分钟达到新的70微秒的稳定水平，其指示葡萄糖引起的该Glu-CLIO纳米粒子的分散(见图5A)。该传感器然后被放入具有0.1mg/ml葡萄糖的第三管中。T2增加并再返回至98微秒的T2稳定水平(见图5A)。因此，该基于水驰豫的葡萄糖传感器是以可逆的方式采用随ConA和Glu-CLIO之间的平衡而定的T2检测外部葡萄糖。
当Glu-CLIO和ConA封闭于半透的传感器中与外部传感器环境中的葡萄糖相互作用时，可以获得相似的结果(图5B)，将500uL如上的的G-ConA和ConA置于具有1kda截止孔和7.5毫米直径的纤维素酯膜(Spectra/Por，FisherScientific)中。传感器被置于50ml管中，管底部磁力搅拌以进行混合。在各个时期外部葡萄糖浓度变化，取出该传感器，置于核磁共振管中，如上测定T2(结果未示出)。
实施例1E具有核磁共振成像的Glu-CLIO-ConA-葡萄糖传感器分析
我们将Glu-CLIO-ConA传感器置于两个试管中，一个用2mg/mL葡萄糖，一个不用葡萄糖，使用临床MR成像器对其进行成像(见图6A)。为了证明核磁共振成像检测GIu-CLIO和ConA和ConA半渗透膜之间的相互作用的能力，将Glu-CLIO(10ug Fe/mL)和Con A(800ug/mL)置于1kDa截止孔、5毫米直径的半透性管(Spectra/Por Irradiated Dispodialyzer，Fisher)中，该传感器被置于上述的50ml管中。经2小时，去除搅拌棒，在临床GE Signa 1.5T单位中获得图像。(图像尺寸256×192，视场7×14厘米，薄片厚度1.5毫米，采用涡轮式自旋回波脉冲序列法测量，TR 2500，TE 65)。
如图6B和6C所示，该传感器在高葡萄糖环境有高信号强度(较亮的图像)，反映纳米粒子分解和较高(长的)T2。因此，外部葡萄糖的浓度改变了该传感器内部水的信号强度，这在核磁共振图像上是显然的。
实施例1F  具有核磁共振成像的Glu-CLIO-ConA-葡萄糖传感器分析
我们进一步检查如果将该纳米转换和结合蛋白封闭在半透性的装置中，其孔允许被分析物进入但保持纳米粒子和结合蛋白，该纳米转换/结合蛋白平衡是否可以保持。这将容许被分析物浓度提高或者降低，取决于该传感器环境(渗析液)。尽可能多的不同单部件被研究，包括Spectra/Por管形材料、Slide-A-Lyzer微盒式材料(microcassettes)和渗析纤维。Spectra/Por管容许传感器从100mL烧杯至核磁共振应力驰豫仪快速和重复转移，该烧杯中的葡萄糖浓度在20mg dl和400mg/dl之间循环，其中T2测量在少于一分钟时间内进行。传感器水的T2变化在约68和100微秒之间循环，作为其对葡萄糖浓度变换的响应(见图7)。
葡萄糖浓度的增加和减少导致纳米转换微集合状态变化，可通过T2的变化证明，进一步说明纳米转换的平衡性质。
实施例2 HA-CLIO纳米转换
实施例2A.HA-CLIO的制备
为了合成血球凝集素肽-CLIO，通过利用在Rink酰胺树脂(Calbiochem，NovaBiochem)上的Fmoc化学过程合成硫醇化的流行性感冒血球凝集素(HA)肽和C-末端的半胱氨酸(YPYDVPDVAGGC)，并通过反相HPLC提纯。HA的分子量由MALDI-TOF确认。为了将HA附着至纳米粒子，首先将氨基-CLIO与SPDP反应。提纯后，用200μL SPDP修饰的CLIO(5.0mg/mL Fe)在PBS缓冲液，pH 7.4，与100μlHA(50mM)在DMSO中混合。反应在室温下进行2小时。该CLIO共轭物由Sephadex G-25柱分离并用PBS缓冲液洗提。每一纳米粒子的肽数目由SPDP方法确定。纳米粒子具有每2000Fe25HA，其尺寸分布显示于图3。
实施例2B HA-CLIO-抗-HA-HA管分析
在0.47T，40℃利用袖珍型(Minispec)应力驰豫仪(Bruker)获得驰豫时间
当如图8A-8E所示，HA-CLIO取代Glu-CLIO，HA抗体(抗-HA)取代ConA时，纳米转换具有相似的性能。如图8A所示，随着加入抗-HA，T2从162下降至141微秒。T2的平稳值范围在HA浓度的50和400nM之间(图8B)转换，其比改变T2(2.5μM-20μM，图4B)需要的葡萄糖浓度低约80倍。再次光散射数据表明该被分析物(HA)基本上能够完全逆转微聚集体形成(见图8C、8D、和8E)。
实施例3.FA-CLIO纳米转换
实施例3A.FA-CLIO的制备
为了在PBS缓冲液，pH 7.4中合成FA-CLIO，氨基-CLIO，该PBS缓冲液首先与MES缓冲液(50mM MES水合物，0.1MNaCl)，pH 6.0进行交换，该溶液浓缩至5.0mg/ml。然后在MES溶液，加入二甲基亚砜(DMSO)中的100μL(50mM)叶酸至200μL氨基-CLIO(5.0mg/mL Fe)MES溶液，pH 6.0中。其后加入在100μL DMSO中的过量EDC(0.96毫克，5μmol)和磺基-NHS(1.1mg，5μmol)。在室温下进行反应2小时，该产品通过Sephadex G-25柱提纯并用PBS缓冲液，pH 7.4洗提。FA的附着通过使用SPDP的胺基损失定量，参见上述，其为33FA每2000Fe，以及如图9C所示的尺寸分布。
实施例3B.FA-CLIO-抗-FA-FA管分析
在0.47T，40℃使用袖珍型(Minispec)应力驰豫仪(Bruker)获得驰豫时间。
用FA-CLIO纳米粒子和抗-FA作为结合蛋白检查该纳米转换系统的性能。如图9A所示，随着加入抗-FA，T2从155微秒下降至113微秒。与T2值变换有关联的FA范围或者浓度显示于图9B(5-20纳米)，其比测量的葡萄糖浓度低近1000倍(2.5μM-20μM，图4B)。再次光散射数据表明该被分析物(HA)基本上能够完全逆转微聚集体的形成(见图9C、9D、和9E)。
我们认为表面官能化纳米粒子和结合蛋白保持平衡，连续不断地根据外来的被分析物的浓度，在分散(分解)的，低T2状态(20-40nm)和微聚集体高T2状态(200-250nm)之间转换。基于光散射数据，高浓度的外来被分析物完全逆转微聚集体的形成，使该系统返回至其预期原始分散状态，期待平衡过程。如应用纳米转换和葡萄糖、FA、和HA的结合蛋白所显示的，纳米转换能在一相对宽的浓度范围上化学地检测不同被分析物。
其它实施方式
本发明的大量实施方式已经描述。然而，应当了解，在不背离本发明的精神和范围的前提下可以进行各种各样的改进。例如，两个或更多螯合分子的一部分可以引入单个的单体底物分子。因此，其它实施方式也在权利要求的范围之内。

Claims (51)

1.一种用于检测样品中被分析物存在的基于水驰豫的传感器，该传感器包括：
(i)壁包围体围合的室，其中该壁包括一开口，用于使该被分析物进出该室；
(ii)多个磁性的纳米粒子位于该室内，每个纳米粒子具有至少一个分子的一部分共价地或者非共价地连接至该纳米粒子；
和任选地，
(iii)至少一种结合剂位于该室内；
其中，该开口的尺寸比该纳米粒子的尺寸小，比该被分析物的尺寸大；
当结合剂存在时，所述分子的一部分和所述被分析物各自可逆地结合至该结合剂；
或者所述被分析物结合至所述分子的一部分。
2.根据权利要求1的传感器，其中所述开口的尺寸比所述结合剂的尺寸小。
3.根据权利要求1的传感器，其中所述壁包括多个开口，用于使所述被分析物进出该室，其中，各开口的尺寸比所述纳米粒子和所述结合剂的尺寸小，各开口的尺寸比被分析物的尺寸大。
4.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分包括碳水化合物、抗体、氨基酸、核酸、低聚核苷酸、治疗剂或其代谢物、肽、或者蛋白质。
5.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分包括被检测的被分析物的分子碎片，或者被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
6.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分通过官能团连接至所述纳米粒子，所述官能团包括-NH-、-NHC(O)-、-(O)CNH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)、-(O)C(CH2)nC(O)NH-、-NHC(O)(CH2)nC(O)NH-、-C(O)O-、-OC(O)-、或者-SS-，其中n为0至20。
7.根据权利要求6的传感器，其中所述官能团是-NHC(O)(CH2)nC(O)NH-。
8.根据权利要求7的传感器，其中n是2。
9.根据权利要求1的传感器，其中不存在结合剂。
10.根据权利要求9的传感器，其中所述分子的一部分包括蛋白质。
11.根据权利要求9的传感器，其中，
(a)当不存在被分析物时，所述室包括基本上分解的纳米粒子；和
(b)当存在被分析物时，所述室包括纳米粒子集合体，其中该纳米粒子集合体包括通过所述分子的一部分结合至外来的被分析物的纳米粒子。
12.根据权利要求1的传感器，其中存在结合剂。
13.根据权利要求12的传感器，其中所述结合剂包括蛋白质或者单克隆抗体。
14.根据权利要求12的传感器，其中所述分子的一部分包括被检测的被分析物的分子碎片，或者被检测的被分析物的衍生物、电子等排物、或者近似物的分子碎片。
15.根据权利要求12的传感器，其中：
(a)当被分析物不存在时，该室包括纳米粒子集合体，其中该纳米粒子集合体包括通过所述分子的一部分结合至该结合剂的纳米粒子；和
(b)当被分析物存在时，该纳米粒子被该被分析物从该结合剂上置换，以及该室中包括基本上分解的纳米粒子。
16.根据权利要求1的传感器，其中所述开口的尺寸为约1kDa至约3kDa。
17.根据权利要求1的传感器，其中每个纳米粒子的总体尺寸为约30纳米至约60纳米。
18.根据权利要求11或者15的传感器，其中该纳米粒子集合体的总体尺寸至少为100纳米。
19.根据权利要求11或者15的传感器，其中在(a)和(b)之间的纳米粒子集合体的变化改变该室内水的质子驰豫，但是基本上不改变该室外水的质子驰豫。
20.根据权利要求19的传感器，其中在(a)和(b)之间的纳米粒子集合体的变化产生可测量的该室内部水的T2驰豫时间变化。
21.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分包括手性化合物。
22.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分包括碳水化合物。
23.根据权利要求1的传感器，其中所述分子的一部分包括结构：
Figure S2006800250585C00031
24.根据权利要求1的传感器，其中所述结合剂是包括至少两个结合部位的蛋白质。
25.根据权利要求1的传感器，其中所述结合剂是包括至少四个结合部位的蛋白质。
26.根据权利要求1的传感器，其中该结合剂是结合至碳水化合物的蛋白质。
27.根据权利要求26的传感器，其中所述碳水化合物是葡萄糖。
28.根据权利要求27的传感器，其中所述蛋白质是(伴)刀豆球蛋白。
29.根据权利要求1的传感器，其中所述结合剂包括单克隆抗体、多克隆抗体、或者低聚核苷酸。
30.根据权利要求1的传感器，其中所述磁性纳米粒子各自包括磁性金属氧化物。
31.根据权利要求30的传感器，其中所述磁性金属氧化物包括超顺磁性金属氧化物。
32.跟据权利要求30的传感器，其中所述金属氧化物包括氧化铁。
33.根据权利要求22的传感器，其中各所述磁性纳米粒子是氨基衍生化交联氧化铁纳米粒子。
34.根据权利要求1的传感器，其中所述纳米粒子基本上是聚集的。
35.一种检测水性样品中的被分析物的方法，该方法包括：
(i)提供权利要求1的所述传感器；
(ii)在没有被分析物或者近似于没有被分析物的情况下测量该传感器室中水的驰豫时间；
(iii)使该传感器接触该样品；
(iv)测量在该传感器室内水的驰豫时间；
和
(v)比较步骤(ii)和步骤(iv)所测量的T2驰豫时间；
其中，步骤(iv)中所测量的T2驰豫时间相对于步骤(ii)中所测量的T2驰豫时间的变化指示该被分析物的存在。
36.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是一价的被分析物。
37.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是多价的被分析物。
38.根据权利要求35的方法，其中该T2驰豫时间的变化是用磁共振成象方法测量的。
39.根据权利要求35的方法，其中该T2驰豫时间的变化是用磁共振非成象方法测量的。
40.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是碳水化合物。
41.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是葡萄糖。
42.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是手性的。
43.根据权利要求42的方法，其中该手性的被分析物和一种或多种旋光活性分子的一部分一起存在于样品中。
44.根据权利要求43的方法，其中该手性的被分析物和该手性的被分析物的立体异构体一起存在于该样品中。
45.根据权利要求44的方法，其中该手性的被分析物和该手性的被分析物的对映体一起存在于该样品中。
46.根据权利要求42的方法，其中该手性的被分析物是氨基酸。
47.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是核酸或者低聚核苷酸。
48.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是治疗剂或者治疗剂的代谢物。
49.根据权利要求35的方法，其中该被分析物是肽或者蛋白质。
50.根据权利要求35的方法，其中步骤(ii)和(iv)包括测量T2驰豫时间。
51.根据权利要求50的方法，其中步骤(iv)中所测量的T2驰豫时间相对于步骤(ii)中所测量的T2驰豫时间的增加指示该被分析物的存在。
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