CN101501519A - 用于生物传感器的磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生物传感器的磁体系统。为了实现可以在传感器表面附近在吸引力和排斥力之间进行切换的磁系统，该磁系统至少具有一个线圈(1)和铁磁开放环系统(3)，其中两个磁极面彼此邻近并且分隔开一间隙(4)，在该间隙(4)中放置有所述生物传感器，并且其中所述线圈(1)或所述线圈中的铁磁芯(2)，或者所述铁磁芯的内部部分相对彼此可移动，以在所述生物传感器表面附近改变磁力方向。

Description

用于生物传感器的磁体系统

本发明涉及用于生物传感器的磁体系统。

为了调节生物材料以达到对生物材料组件的有效评估，必须使生物材料与生物传感器的表面紧密接触。因此，必将产生对生物材料的吸引力。这通常通过化学地或物理地粘结到生物材料的磁珠来实现。磁引力必须在传感器表面的附近产生，以使生物材料与生物传感器表面紧密接触。

磁激励对于生物传感器的操作是至关重要的。第一，它加速了传感器表面的磁颗粒的聚集并且因此加速了磁颗粒的粘结过程。第二，磁清洗可以代替传统的湿洗步骤，这会更精确并且减少了操作动作的数量。

与芯片尺寸相比，使用大型的外部电磁体来进行激励以实现传感器表面的均匀场梯度以及整个样本容量的大透深。使用集成的激励结构很难实现这些特征。

以往的生物芯片所使用的生物传感器对于生物分子诊断的灵敏度、特异性、集成度、易用性和成本方面都具有很好的特性。

这种生物芯片的例子在WO 2003054566中给出，该专利文献描述了使用一致磁场的激励。

生物传感器以超顺磁珠的检测为基础，并且可以用于同时测量生物材料溶液中大量不同生物分子的浓度。

因此，传感器表面必须与要测量的生物材料紧密接触，这可通过在所述磁珠的帮助下使生物材料与传感器表面非常接近来实现。为了进行正确的端点测量，使用清洗来从传感器表面去除非粘结磁珠和非特定的粘结磁珠。

这也可以通过使用混合有和/或粘结有生物材料的磁珠来实现，因此在传感器表面附近产生磁斥力。

通常，由磁体或电磁体引起的磁力直接指向该磁体。因此，需要两个磁体来感应指向传感器表面的磁力以及远离传感器表面的磁力，其中指向传感器表面的磁力即所谓的沉积，而远离传感器表面的磁力即所谓的清洗。

因此，所产生的磁力必须足够大以实现上述要求。

因此，本发明的目的在于实现具有上述特性的磁系统，该磁系统可以在传感器表面附近在引力和斥力之间进行切换，其中所述磁力在两个方向上尽可能地高，以增加速度并降低能耗。

本发明的优点在于在两个方向上均产生非常高的磁力，仅通过使用机械或机电装置即可实现这两个方向上的力的切换。

所述用于生物传感器的磁系统的目的可通过本专利权利要求1的特征来实现。

该磁系统的其它实施例的特征在从属权利要求2-10中有所描述。

所述用于对生物传感器的磁系统进行操作的目的也可通过本专利权利要求11的特征来实现。

该方法的其它实施例的特征在从属权利要求12和13中有所描述。

本发明所述的用于生物传感器的磁系统的目的通过一个线圈和铁磁开放环系统实现，其中两个磁极面彼此邻近并且间隔开一间隙，在该间隙中放置有生物传感器，并且其中线圈或线圈中的铁磁芯，或铁磁芯的内部部分相对于彼此可移动，以在生物传感器表面附近改变磁力方向。

本发明的关键方面在于极靴包含具有低磁化率的区域，例如没有磁性材料的杯状容积。该低磁性区域可以具有轴向对称的形状，正如在本发明的实例中所指出的。然而，该轴向对称性并不是必需的。例如，低磁性区域也可以具有类似于裂缝的形状或矩形形状。另外，该低磁性区域可以闭合或开放。

本发明考虑可以满足这两点的磁体。除了正常的吸引力，该磁体还能够施加排斥力。

铁磁芯的可移动的至少内部部分可以具有圆同轴的、方形的或矩形的截面。

另外，在便携式现场应用中，能耗是个很大的问题。因此，使能够通过电磁体产生的力最大化是重要的。当将本发明公开的特殊磁体与正常磁体或电磁体结合使用时，可以显著地增加磁力强度。与仅使用标准磁体的情况相比，在更低的电流下也可以产生相同的力。

因此，本发明的基本特征在于当线圈或芯的外部部分朝向间隙移动时在磁芯中产生的开口。通过向后移动该线圈并且朝向间隙移动另一线圈，传感器表面位置处的磁力方向将会改变。这种排斥力和吸引力之间的改变可以容易地“切换”。所以该方法可以在“吸引/沉积”和“清洗”之间进行快速而容易地切换。

换句话说，这在所述表面上在限定的附近距离内产生磁排斥力并且在通过磁珠调节的生物材料上的较远距离内产生吸引力。因此，使用单一磁系统，通过改变磁体和传感器表面之间的相对位置，在磁力方向之间进行切换是基本的。

在两个实例中都感应出了不同类的磁场线，该磁场线在限定的距离区域内产生吸引力并且在另一距离内产生排斥力。对于本发明，仅通过一个磁芯给出两个方向的力是很基本的。

对于生物传感器的有利应用，本发明的实施例公开了传感器是几个传感器的阵列。这产生了具有大的随之产生的传感器-有源表面的非常有效的传感器。

该生物传感器在铁磁开放环系统的间隙中的位置是可调节的。

根据本发明的又一实施例，可以通过磁场传感器来优化传感器运动的可限定的端部位置，该端部位置可以与传感器同时运动，以估计磁流量的最优位置。

为此，可以在强度上优化传感器表面附近产生的磁力以在吸引模式和排斥模式下产生最大的磁力。这在感测形式下与生物材料紧密接触，并且在清洗形式下产生优化的排斥。

根据本发明的再一实施例，线圈或线圈承载器沿着间隙附近的铁磁部分可移动。这限定了线圈的有效移动以在间隙中或者至少在有源生物传感器表面附近的区域内切换磁力方向。

为了方便而有效的运动，本发明的再一实施例实现了沿着线圈的移动长度具有至少圆柱形截面的铁磁开放环系统。

根据最有效的实施例，使用两个线圈，以使得开放磁性环的每一侧承载至少一个可滑动线圈，其中所述两个线圈在运动中耦合在一起。因此，根据期望的磁力方向，一个线圈与一个磁极的磁极表面紧密闭合，而另一磁极的线圈向前移动，以使得芯内的圆柱形杯状腔体出现在间隙的该侧处。

为了改变磁力方向，产生杯状腔体的线圈和外部芯环将被向后拉动或移动，以使得该线圈和外部芯环将与该磁极表面紧密闭合，其中同时，另一线圈将会移动，以使得在另一磁极表面上产生杯状开口。

为了轻松实现这些，两个线圈在运动中耦合在一起，例如机械地耦合在一起。

为了增加磁力，进一步在铁磁环中设置不可移动的线圈，以增加开放铁磁环的间隙中的磁力。

也可以根据间隙中的最优位置来调节生物传感器，因此，在本发明的有利实施例中，生物传感器在铁磁开放环系统的间隙中的位置是可调节的。

根据本发明的最后有利实施例，实现位于生物传感器附近的磁场传感器。为此，该传感器或传感器表面可以在有效磁力的最优化位置上进行调节。

本发明的另一目的是使用上述权利要求之一中所描述的生物传感器来操作磁系统的方法，通过该方法，使感测材料或液体扩散有或者化学粘结有精微的磁珠，并且使铁磁芯之一或者磁芯的内部同轴圆柱部分或者线圈之一向后移动，以在传感器表面区域附近产生磁排斥，从而通过该磁珠的排斥力来清洗表面，然后使另一铁磁芯或者磁芯的内部同轴圆柱部分或者线圈之一向后移动，以产生对磁珠的吸引力，用于感测与传感器表面紧密接触的生物基质。

通过使用上述磁系统，该方法对于使用用于生物传感器的该系统的方法给予了有效的实现。通过技术上有效的方法解决了上述问题。

通过在两种距离位置之间的切换，传感器可以在最优测量方法和最优清洗方法之间切换。

本发明的不同实施例在图1至图4中示出。

图1示出了本发明的一个实施例，其中示出了磁系统的详细部分。左侧表示线圈1的相对位置，其中线圈的一个端部，或线圈的铁磁承载器(carrier)位于靠近开放铁磁环的磁极表面的位置处。这是一个根据生物传感器的期望磁取向的限定位置，该位置在本图中未明确示出，但是位于上磁极表面附近。右侧表示铁磁芯2与线圈1之间的另一限定的相对位置。这里，铁磁芯似乎向后移动以使得在上磁极表面处产生圆柱形的杯状开口。与左侧所示的相对位置不同，有效磁力的取向被切换到其它方向。这适用于在磁极表面和未明确示出的生物传感器之间的相等限定距离。

图2示出了延迟磁系统，其中仅示出了相关磁极表面附近的磁电路的详细视图。延迟系统装置，即如图3和图4所示的开放磁环系统，具有可移动或可滑动的线圈1或固定的线圈和可移动的磁环系统6，以使得在每种情况下都可实现磁芯与线圈之间的可能的相对运动。

如图2所示，生物传感器的相关位置是在上磁极表面和下磁极表面之间的间隙中。

左侧表示处于相对位置的磁系统，其中在上磁极表面上有效地产生有杯状的圆柱形开口5，而下有效磁极表面为平面。在该相对位置中的有效磁力取向为向下。如果位于间隙4中的有源生物传感器表面取向为向上，则该位置组对待分析的生物材料的磁珠产生延迟的吸引力，以使其靠近有源生物传感器表面。

右侧表示磁系统的另一相对端部位置。线圈1相对于磁芯，或该磁芯相对于线圈通过这样的方式移动：上磁极表面闭合为平面，而另一磁极表面产生杯状开口。

这种位置产生其它期望的磁力方向，通过这些磁力方向，间隙中的有效磁力取向为向上。对于间隙中相同的生物传感器位置，这对磁珠产生排斥的磁力，从而从生物传感器表面清洗掉生物材料以使生物传感器表面为新的测量做准备。

图3示出了在两个切换的磁力位置中的完全磁环系统。因此，磁吸引和磁排斥之间的快速切换是可能的。左侧和右侧的相对位置与详图2中的相同。图3清楚的示出，按照所描述的方式，通过相对于磁环而移动线圈1，或者相对于固定的线圈1而移动完整的铁磁环3，能够产生变化的平面和杯状磁极表面。

由于可以容易地移动磁电路，所以后一种方式是有利的，以在间隙中，或者更好地在生物传感器表面，实现吸引的磁力和排斥的磁力之间的快速切换。

在移动运动的机械回复的情况下，线圈1必须耦合在一起，这是因为必须使有效间隙的尺寸保持相等。

图4示出了特别且非常有效的，并且由于非常高的有效磁力而更加优选的构造，通过该构造，将附加线圈8置于铁磁环的无间隙部分。通过这些附加线圈，由于在铁磁环中将产生延迟的磁通量，并且因此在两个方向上产生高的磁力，所以可以产生非常高的吸引和排斥。当期望超高的磁力时，可以在两个方向上激活附加线圈8。

传感器可以是任何适合的传感器，以基于颗粒的任一属性来检测位于传感器表面上或其附近的磁颗粒的存在，例如可以使用诸如磁阻方法、Hall方法、线圈等的磁学方法以及诸如成像、荧光、化学荧光、吸收、散射、表面等离子体共振、Raman等的光学方法进行检测。声波检测也是可能的，这意味着表面声波、体声波、针卡(cantilever)、石英晶体等的产生和检测以及诸如传导、阻抗、安培、氧化还原循环等的电学检测。

可以通过感测方法直接检测标签。另外，可以在检测之前进一步处理颗粒。进一步处理的示例是增加材料或修改标签的化学、生物化学或物理特性以有助于检测。

检测时可以相对于生物传感器表面扫描或不扫描传感器元件。

除了分子分析，还可以检测较大部分，例如细胞、病毒、细胞或病毒的一部分、组织提取液等。

可以作为端点测量而推导测量数据，并且可以通过动态或间歇地记录信号而推导测量数据。

该设备和方法可以与几种生物化学分析类型一起使用，例如粘结/非粘结分析、夹心分析、竞争分析、置换分析、酶化分析等。

本发明的设备、方法和系统适用于例如不同传感器和传感器表面的并行使用的传感器复用，例如不同类型标签的并行使用的标签复用，以及例如不同反应室的并行使用的室复用。

本发明中所描述的设备、方法和系统可以用作快速、强健、使用方便用于小样本容量的及时生物传感器。反应室可以是与小型阅读器一起使用的一次性部件，包含一个或多个磁场发生装置以及一个或多个检测装置。另外，本发明的设备、方法和系统可以用于自动高通量测试。在这种情况下，反应室例如是适配到自动设备中的孔板或玻璃管。

为了实现高磁场密度的最佳位置，也可以通过磁通量传感器来将生物传感器表面优化到适当的位置，该生物传感器表面虽然在图中没有示出，但是被清楚地限定为位于磁环的间隙内侧的中央位置。

图5示出了本发明的具有另一几何图形的示例。

这是一个附加的实施例，其中给出了本发明与光学检测系统相结合的一种可能使用。为此，磁芯中的杯状开口延伸到矩形截面。这说明，本发明的基本特征是极靴包含具有低磁化系数的区域。这也可以通过图5所示的几何图形实现。

图6示出了用于上述光学或光电检测的光学装置。光学标签提供一些期望的特性：

-诸如成像、荧光、吸收、散射、浊度分析、SPR、SERRS、荧光、化学荧光、电化学荧光、FRET等的许多检测可能性。

-成像可能性提供高的复用。

-光学标签通常很小并且不会过多影响分析。

好的结合将会是使用磁性标签，该磁性标签通过施加磁场梯度来激励并且可以用光学方法检测。一个优点是光学和磁学是正交的，其意义在于，在多数情况下，光束不显示出与磁场相干扰并且反之亦然。这意味着磁激励将会理想地适用于与光学检测的结合。这消除了诸如传感器被激励场干扰的问题。

磁激励和光检测的组合的问题在于几何约束。为了开发与磁激励装置兼容的组件技术，通常需要在磁体和传感器表面之间的小距离内工作的电磁体。光学系统需要扫描同一表面，可能使用高-HA光学。当磁激励和光检测的概念成为一体时，光学机械组织和电磁体会因此而彼此阻碍。更优选地，需要具有仅位于一侧上的磁体的配置。该磁体能够产生可切换的磁场。

Claims (13)

1、一种用于生物传感器的磁系统，所述系统具有至少一个线圈(1)和铁磁开放环系统(3)，其中两个磁极面彼此邻近并且分隔开一间隙(4)，在所述间隙(4)中放置有所述生物传感器，并且其中，所述线圈(1)或所述线圈中的铁磁芯(2)，或者所述铁磁芯的内部部分相对彼此可移动，以便在所述生物传感器表面附近改变磁力方向。

2、根据权利要求1所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，所述铁磁芯(2)的所述内部部分具有圆柱形的同轴截面。

3、根据权利要求1所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，所述铁磁芯(2)的所述内部部分具有方形或矩形截面。

4、根据权利要求1、2或3所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，所述线圈(1)或线圈承载器可沿着位于所述间隙(4)附近的铁磁部分移动。

5、根据权利要求1、2或3所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，所述铁磁开放环系统(3)具有至少沿着所述线圈的移动长度的圆柱形截面。

6、根据权利要求4或5所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，使用两个线圈(1)，以使得所述开放磁环(3)的每一侧承载至少一个可移动的线圈，其中所述两个线圈在运动中耦合在一起。

7、根据权利要求1-6中的任意一项所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，在所述铁磁环(3)中设置有不可移动的其它的线圈(8)，以增大所述开放铁磁环的所述间隙(4)中的磁力。

8、根据权利要求1-7中的任意一项所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，所述生物传感器在所述铁磁开放环系统(3)的所述间隙(4)中的位置是可调整的。

9、根据权利要求1-7中的任意一项所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，在所述生物传感器附近设置有磁场传感器。

10、根据权利要求1-8中的任意一项所述的用于生物传感器的磁系统，其特征在于，在所述传感器表面附近设置有光学装置，以便使所述传感器表面通过其它的光电装置可视或者可光学分析。

11、一种对根据前述权利要求中的任意一项所述的用于生物传感器的磁系统进行操作的方法，通过所述方法，使感测材料或液体扩散到或化学粘结到微小的磁珠上，并且使所述铁磁芯之一或所述磁芯的内部同轴圆柱形部分，或者所述线圈之一向后移动，以便在所述传感器表面区域附近产生磁排斥从而通过所述磁珠的排斥力来清洗所述表面，然后使另一个铁磁芯或所述磁芯的内部同轴圆柱形部分，或者所述线圈之一向后移动，以产生对所述磁珠的吸引力，用于感测与所述传感器表面非常紧密接触的生物基质。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述线圈或所述铁磁芯或芯段相对彼此的移动运动在一个磁极表面或者另一磁极表面中可选地产生有效的圆柱形腔体，以便在排斥磁力方向和吸引磁力方向之间进行切换。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用具有位于两个磁极表面之间的间隙的静态铁磁环芯，并且至少两个线圈按照上述方式可选地移动，以便相对于各自铁磁芯的线圈而在一个铁磁芯中产生有效开口一次并且在另一个铁磁芯中产生有效开口一次。

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