CN101578377B - 检测并确认分析物的磁共振系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种根据磁共振测量结果来检测目标分析物的系统和方法。磁性结构产生尺寸与分析物相当的不同磁场区域。当分析物在那些区域中被结合时，来自样本的磁共振信号被改变，导致检测出所述分析物。

Description

检测并确认分析物的磁共振系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年1月19日提交的、题目为“MAGNETICENHANCEMENT OF NANOPARTICLE REACTIONS”的美国临时申请No.60/759,788，以及2006年3月27日提交的题目为“MAGNETICCONCENTRATION OF REAGENTS”的美国临时申请No.60/786,033的权益，通过引用将二者包括在此。

政府关注

本发明在以下一个或多个合同中得到了美国政府的支持：美国海军航空作战中心n68335-02-c-3120，国土安全部合同号NBCHC060017和HSHQPA-05-9-0039。美国政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本发明涉及分析物检测领域，并且具体涉及使用磁共振来检测分析物。

背景技术

特定分析物检测技术跨越了较大范围：实验室仪器和包括液体和气体色谱法(分别为LC和GC)、质谱学(MS，mass spectrometry)、核磁共振(NMR，nuclear magnetic resonance)光谱学、聚合酶链反应(PCR，polymerase chain reaction)、光谱学和荧光透视学、傅立叶变换红外(FTIR，Fourier transform infrared)光谱学、以及离子迁移率仪器。然而，如今的化学分析仪器庞大且昂贵、需要熟练的操作人员、包括复杂的样本准备过程，并且需要大量时间进行分析。

全世界迫切需要改进对特定化学制品和微生物的检测。例如，在国家安全的领域中，需要一种检测生物制剂、毒素和化学武器的系统，以在恐怖袭击的情况下提供早期报警。这种检测能力也可以用于搜索开发或制造这些武器的秘密场所，从而使得能够采取行动防止其应用。也需要一种系统来扫描邮件和包裹以检测恐怖袭击。

医学上也需要改进的病原体检测。与禽流感、牛绵状脑病(一般称为“疯牛病”)、或非典型性肺炎(SARS)相关的DNA或蛋白质的敏感性检测将使得能够进行干预以避免流行发作。将这种系统广泛应用于临床会帮助识别普通疾病或严重病患，对医生诊断有极大帮助。

工业应用上也需要检测各种化学品，以检测有毒的工业化学品(TIC，toxic industrial chemical)以及有毒的工业材料(TIM，toxicindustrial material)。这种系统能够进行泄漏检测、过程控制、材料退化检测、浓度控制和大范围的工业中的许多其它过程应用。

在农业和食品生产中也需要改进的检测方法以及手段来检测食品的污染、变质或中毒。食品包括例如，诸如饮用水和果汁等项。在法医测试中也有需要，包括例如在检索场所检索样本中的特定DNA序列。

正在开发涉及之前被用作MRI对比剂的纳米级顺磁粒子(纳米粒子)的磁共振检测技术。粒子包括顺磁或超顺磁(在此统称为顺磁)材料的芯，被涂覆添加了反应物分子以提高与诸如病原体、肿瘤细胞等的目标细胞的结合的非磁性材料的外壳。在MRI分析之前将纳米粒子注入到患者体内。它们与目标细胞结合，使得MRI图像性质产生局部变化，并且使得能够检测或定位目标细胞。

纳米粒子已经用在了微晶中。溶解或悬浮在液体介质中时，纳米粒子与介质中的目标细胞或分子结合。纳米粒子和分析物可形成包括若干个到上千个纳米粒子的聚合体。这种聚合体可由光散射、原子力显微镜、电子显微镜检测，在某些情况下可由NMR效应检测。例如，参见Josephson等人的美国专利No.5,254,460。

可以将目标专用反应物安装到纳米粒子上以提供分析物专用选择性。一个缺点是需要形成包括多个纳米粒子和多个目标细胞或分子的聚合体，因为仅在每个纳米粒子结合到多个分析物以及每个分析物结合到多个纳米粒子时才发生聚合。可以通过几何效应，诸如纳米粒子之间尺寸的变化，来禁止聚合。形成聚合体可能需要相当多的时间。

之前对凝聚的研究在台式松弛计和高场MR仪器上进行。手动准备样本并将样本插入NMR管中是令人厌烦的。诸如分析物结合到纳米粒子这样的重要事件可能被错过。需要简洁且自动的仪器来加速测量。从基本物理和生物化学立场来理解描述测量结果中所见的变化的现象也是重要的。

早期的研究没有从物理的立场对T2效应中的变化建模。通过光学手段(显微镜)观察简单的凝聚效应来建立关于T2的变化的现象。另外，早期研究没有利用纳米粒子的化学计量学控制来适配用于产生专用NMR产品的各种应用的测量参数。

早期研究使用纯净而不受诸如灰尘、酸等干扰的样本。此外，不需要进行没有来自杂波和附近相邻分子的干扰的快速测量、对整个系统成本的要求、较低的错误告警信号和高检测概率的要求。也不定义要检测的分析物浓度的范围。

早期研究不考虑使用产生更强磁化和提高的敏感度的改进顺磁材料，诸如铁、钴和镍。

早期研究不考虑使用磁场来影响纳米粒子之间或附着于纳米粒子的分子之间的相互作用。未考虑使用磁场来控制包括纳米粒子和分析物的结构的构成或几何结构。之前没有考虑使用磁场来集中反应物以便加速所选反应物。

发明内容

提供了一种可以根据磁共振测量结果来检测目标分析物的系统和方法。在一个方面中，使用磁共振纳米开关形式的特定纳米粒子来检测分析物。通过应用磁场来控制纳米粒子和分析物之间的反应。

在一个方面中，用于检测分析物的系统和方法包括将纳米粒子附着到分析物，从而形成纳米粒子-分析物复合体。对已知液体中的该复合体施加磁场，从而磁化纳米粒子。磁场对纳米粒子施加力，并且纳米粒子相互施加磁力。复合体响应于磁场力而进行运动。复合体发生相互作用，运动增强了该相互作用。从包括复合体和已知液体的样本中激励磁共振信号。从磁共振信号中确定样本的诸如T2的磁共振参数。然后，系统通过分析所确定的参数和预定的值来确定分析物是否存在于样本中。

在本发明的一个方面中，系统和方法通过很高的专一性来检测目标分析物，而不管近邻干扰、灰尘、杂波、诸如真菌孢子的生物干扰物、诸如脱脂乳和卵白蛋白的蛋白质干扰物、诸如血红蛋白和腐殖酸(包含螯合铁)的顺磁干扰物、诸如所谓的亚利桑那尘(Arizona dust)、柴油烟灰等的环境干扰。

本发明的一个方面包括用于检测液体介质中的分析物的系统和方法。在另一个方面中，可以作为气溶胶、水溶胶并在诸如食品的复合体介质中引入分析物。

本系统包括一个磁共振系统以检测来自液体、穿过该液体的磁场、和液体内磁场具有不同特性(诸如特殊值或梯度)的区域的磁共振信号。该区域内的液体产生取决于场特性的磁共振信号，并且该区域外部的液体也会由于扩散而受到该区域的影响。对分析物具有特殊亲合力的材料与该区域相邻。分析物与该亲合材料结合或由该亲合材料保持，并且置换来自该区域的液体，因此改变磁共振信号并且揭示所述分析物。

一种用于检测分析物的系统包括：在液体介质内包含分析物的样本、用于在液体内生成第一磁场的装置、用于在液体内的特殊区域内生成第二磁场的装置、用于保持分析物在所述特殊区域内的装置、能够测量来自液体的磁共振信号的磁共振仪、以及用于分析所述信号以确定液体是否占据所述特殊区域的装置。第二磁场不同于第一磁场。来自所述特殊区域内存在的液体的磁共振信号响应于所述第二磁场，使得可以与位于所述特殊区域之外的液体的信号区别地检测所述磁共振信号。另外，液体可以穿过该特殊区域并且然后返回到液体的其余部分，从而影响剩余液体的磁共振信号。另外，特殊区域中的液体例如通过变为去极化而响应于第二磁场，并且然后通过旋转扩散将该去极化传给液体的其余部分。当存在分析物时，分析物置换来自所述特殊区域的液体。因此，如果信号显示液体占据该特殊区域，则肯定不存在分析物。如果信号显示液体被从该特殊区域置换，则必然存在分析物，并且因此检测出分析物。

分析物可以是任何分子、分子配合物、微生物、化学品或可包含在液体介质中并且当包含时置换液体的材料。分析物的实例包括生物分子，诸如蛋白质、DNA、RNA或其片断或复合体；酶、小分子、有机体、微生物，诸如完整的或破裂的病毒或细菌；来自包括人类的其它物种的完整或破裂的细胞、非生物化学品，诸如化学武器分子、爆炸物、杀虫剂、药剂、和工业化学品。

在一个实施例中，液体包含分析物。这里“包含”是指分析物被溶解、悬浮、乳化或完整地包围在液体中并且分散在液体内。同样，分析物置换液体是指分析物的分子不能与液体的分子共同占据空间。

液体可以是包括量子数非零的核子的任何液态材料。仅量子数非零的核子才引起NMR现象。当构成液体的分子包括量子数非零的核子，诸如水分子中的氢时，该液体包括这种核子。或者，液体可以包括这种核子作为溶质或悬浮液，诸如在¹⁹F拉莫尔频率产生磁共振信号的氟化溶质。

在另一个方面中，系统包括穿过液体的第一磁场。第一磁场可以由电磁体、永磁体、超导线圈或任何其它源产生。正常地，第一磁场是静态的并且基本上均匀的磁场，其范围可以在0.01特斯拉到20特斯拉，并且是磁共振系统的一部分。

在样本的特殊区域中产生第二磁场。第二磁场在可使用磁共振检测的某些参数上不同于第一磁场。例如，第二磁场可以在幅度、方向、均匀性、梯度或任何其它可检测的参数方面不同于第一磁场。第二磁场发生器或用于生成第二磁场的装置可以是纳米粒子，其可以悬浮在液体中并且浸入第一磁场或施加的场中。在一个实施例中，纳米粒子变为被磁化并且产生矢量添加到所施加场的偶极形状的场，产生净磁场。特殊区域是由不同磁场占据的体积。当该不同磁场是由纳米粒子引起时，该特殊区域是纳米级体积，其与纳米粒子表面相邻但是在纳米粒子表面之外，其中净场基本上不同于所施加的磁场。或者，可以由诸如螯合铁或钆的顺磁离子代替纳米粒子来产生特殊磁场区域。此方法的优点是，扩散受限的反应速度会由于金属离子螯化的较高迁移率而增加。类似的离子用在MRI中(Gd-DTPA和Gd-DOTA)。

或者，倘若在存在或不存在分析物时可以区别地检测磁共振信号，则由粒子或尺寸大于纳米级的结构产生所述特殊磁场区域。例如，成形的磁结构可以在两个区域中提供磁场的两个特定值，并且与分子结合的分析物仅可以耦合到其中一个场区域。则检测测量是合成磁共振信号的谱分析，当不存在分析物时，其显示出与两个场区域相应的两个频率峰，或当分析物遮掩了其中一个场区域时，仅显示出单个峰。

在一个方面中，温度循环用于加速分析物和纳米粒子之间的结合。这通过增加分析物和/或纳米粒子的迁移率而缩短了结合事件时间。当能量壁垒抑制结合时，较高的温度改进了结合速度。温度循环可以包括加热和冷却，反之亦然。然后在磁共振仪中测量样本。

在一个方面中，系统包括用于在特殊区域中保持分析物的机制或结合剂，以从特殊区域置换液体，因此检测分析物。这种结合剂可以包括分析物对其具有亲合力的任何材料表面或分子。这种保持可以由氢键、离子强度、共价键、硫化物桥、范德瓦尔斯力、静电力、或任何其它类型的分子或材料附着或亲合配体实现。结合剂与成形的磁场区域相邻，使得目标分子在被结合时占据该区域并且从中排除液体。例如，结合剂可以是相对于分析物蛋白质培养的抗体，或与分析物DNA序列互补的DNA。优选地，结合剂还对于除了可能存在的分析物之外的所有溶质不具有亲合力或具有负亲合力。除了DNA，可以使用其它保持手段，诸如适体、小分子等。目标包括但不限于以下所述：

a.识别和结合到抗原的抗体

b.与DNA-或RNA-目标互补的低核苷酸或DNA序列

c.结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或菌类的DNA-或RNA-适体。

d.结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或菌类的蛋白质或肽。

e.包括较强地结合到目标或具有较好环境稳定性的人造氨基酸的伪肽。

f.可以结合到目标的小分子或小分子的组合。

g.可以结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或菌类的单糖、多糖、碳水化合物和糖。

另一个方面包括能够激励并且检测来自液体介质的磁共振信号的磁共振仪。现有的磁共振系统可以执行此功能。更优选地，该仪器是可以自动执行检测测量的简单、小型、自动、专用的磁共振系统。该系统测量受特殊区域中的第二磁场影响、关于液体存在或不存在的信号。例如，当特殊区域中的磁场幅度不同于液体其余部分中的磁场幅度时，则磁共振系统可以测量磁共振信号的谱内容以确定形成信号的磁场。从而通过分析特殊区域中的液体的拉莫尔频率，系统确定液体是否占据该区域。

一个替代的测量是液体的自旋-自旋退相时间(T2)。当特殊区域中的磁场梯度很大时，并且尤其是当液体在比测量短的时间通过那些梯度场扩散时，T2被影响。因此，系统可以通过测量液体的T2以确定去极化是否在特殊区域中发生，来确定分析物的存在。

在一个方面中，小型磁共振系统可以测量T2的正或负的变化。在Josephson的专利中将凝聚描述为分子的大超分子集合的形成。在凝聚的情况下，所有测量显示出负的T2变化。同样，在Josephson的专利中作为“正的1/T2”定义的参数代表T2的负变化。Josephson将凝聚描述为这样的过程，其中若干个分子相互附着并且它们形成大到足以改变水的T2的集合。在一个实施例中，本发明的系统测量由于分析物结合事件所产生的T2变化，分析物结合事件在凝聚之前导致正和负的T2变化。

在另一个方面中，系统包括磁场，以控制涉及纳米粒子和分析物的相互作用。分析物结合到纳米粒子，产生纳米粒子-分析物二元体。磁场被施加到该二元体。磁场磁化纳米粒子，磁化方向基本上平行于磁场方向。磁化的纳米粒子相互之间施加磁场力，被称为偶极-偶极力。取决于纳米粒子的相对位置和磁场方向，这种力可以是相互吸引力、排斥力或扭力。当两个纳米粒子之间的连线平行于磁场方向时，相互的磁力是吸引力。当两个纳米粒子之间的连线垂直于磁场方向时，该力是斥力。在所有其它方向上，纳米粒子彼此施加相互扭力，并且扭力驱动纳米粒子与场平行排列。

在一个方面中，磁场遍及样本体积基本上是均匀的。磁场通过纳米粒子之间所感应出的偶极-偶极力促使纳米粒子-分析物二元体与磁场对齐。当对齐时，纳米粒子或分析物互相作用，产生例如线性链状结构。该力也驱动纳米粒子远离垂直方向。当纳米粒子之间的连线垂直于磁场时，纳米粒子处于垂直方向。纳米粒子之间的力因此抑制垂直方向上的相互作用，导致抑制三维聚合结构。

在一个方面中，磁场在样本体积中基本上是非均匀的。非均匀磁场的强度或幅度遍及样本体积变化。优选地，磁场在样本体积的一个小的子体积内具有最大强度。除了纳米粒子之间的相互偶极-偶极力，磁场还对纳米粒子产生一个力，该额外的力将纳米粒子拉向最高磁场幅度的区域。响应于该力，纳米粒子或二元体朝向该子体积漂移，从而极大地增加了纳米粒子或二元体在该子体积中的浓度，并且降低了样本体积的剩余部分中的浓度。因为许多化学反应呈现的反应速度取决于反应物的浓度，所以纳米粒子或分析物或二元体之间的反应可以在子体积中被加速，并且在样本体积其余部分中受到抑制。

在一个方面中，小型磁共振系统使用在分析物-纳米粒子结合之前的纳米粒子或纳米粒子溶液来测量T2的基线值。然后将分析物与纳米粒子混合，或者允许分析物与纳米粒子相互作用，并且然后再次测量样本的T2以确定T2是否发生变化。基线测量确保了正确的纳米粒子浓度和一致的化学计量。基线和后续T2测量结果的比较使得能够消除计量和混合误差、纳米粒子性质的变化、流控传输误差等。

在一个实施例中，本发明的系统可以通过单次测量来自样本的磁共振信号来检测分析物。或者，系统可以跨越一段时间执行一系列测量，并且可以比较或分析测量结果以改进对分析物的检测。例如，分析物和纳米粒子之间的结合可以在比一个具体测量所需的时间长的间隔内进行。然后系统可以重复执行测量以观测由结合引起的变化。另一个实例是，分析物可以首先结合到纳米粒子以形成二元体，引起T2的正移动。然后二元体可以结合形成凝聚体，引起T2的负移动。这种数据可以通过降低误告警率、提供较低的检测阈值、并且提高给定量分析物的检测概率，来极大提高结果的质量。

在一个方面中，本系统可以从对相同样本的重复测量中得到与反应速度或动力学相关的参数。例如，所测量的参数的变化速度可以指示分析物和纳米粒子之间的结合或其它相互作用的速度。测量的参数的净变化可指示累积的反应参数，诸如结合到纳米粒子的分析物总量。这些结果然后可用于引导附加的测量以确认或清除初始指示。例如，如果一个样本在混合之后很快显示出很小但可疑的T2变化，则系统可以发起一系列测试，以确定T2在一段时间内的变化速度。然后，如果那些稍后得到的结果确认分析物存在，则可以发出告警。如果接下来的测量指示没有分析物，则初始的怀疑可被清除，从而避免误告警。与速度-幅度分析结合地使用临时重新扫描协议，系统提高了可靠性和阈值灵敏度。

基于试验结果和理论建模，正的T2变化是由于分析物在与纳米粒子结合时置换了水分子，并且负的T2变化是由于由多个纳米粒子形成的笼形结构内水分子的重复退相。另外，正或负的T2变化可以通过处理和化学计量而变大。例如，可以调整纳米粒子和试剂的比率以提供负或正的T2变化。

在一些情况下，测量负和正的T2影响以便检测分析物可以是重要的，尽管样本溶液中存在干扰物。例如，被诸如具有螯合铁的腐殖酸的顺磁离子污染的测试样本使得混合物的T2减小。如果样本包含与腐殖酸混合的分析物，则尽管存在干扰物，也可以以下方式检测分析物。首先，在混合纳米粒子之前测量样本，以生成第一T2测量值。然后，混合纳米粒子到溶液中并且进行第二T2测量，在分析物有时间与纳米粒子相互作用之前完成测量。然后允许分析物与纳米粒子相互作用，然后第三次测量T2。初始的测量揭示腐殖酸干扰物的存在，使得可以解决所产生的T2影响。第二T2测量与第一个值相比，提供纳米粒子浓度和其它混合参数是正确的检查。第三次测量作为T2相对于第二次测量的变化而揭示分析物，变化是由于分析物-纳米粒子的相互作用。

或者，在一些情况下，不能采用单独的基线测量，或者可能不知道分析物何时与纳米粒子相互作用。但是，包括腐殖酸在内的许多干扰物导致T2的负移动。在该情况下，在纳米粒子可以被混合以在结合到分析物时产生正的T2移动。当正的T2移动大于从干扰物的负移动时，分析物可以因此被检测出。

在一个方面中，本发明包括纳米粒子复用的混合物，其检测多种不同但是特殊的分析物中的任何一种。“纳米粒子复用的混合物(Nanoparticle multiplexed mixtures)”是对多种分析物敏感的纳米粒子制剂。有两种复用情形。在第一种情形中，混合物中的每种纳米粒子对于一种分析物敏感。对于不同分析物敏感的纳米粒子然后一起混合在溶液中。在第二种情形中，每种纳米粒子对于多种分析物敏感。

在一个实施例中，自动的空气监控系统包括允许空中的样本与空气一同进入的入口、采集样本材料并且将其集中成液体形态(称为原始样本)的收集器、和流控系统。流控系统例如在一个容器中保存原始样本，并且例如使用诸如蠕动泵的泵经由出口管来提供原始样本的一致计量。所计量的样本与可以在例如由泵经由出口从蓄水池抽出的水中的所选纳米粒子混合。一旦分析物-纳米粒子发生反应，流控系统就将样本例如经由泵所驱动的管移动到磁共振系统的样本区中以便测量。或者，样本混合和处理可在磁共振系统内发生。流控系统可以包括用于细胞溶解的装置，其中，流控系统可以溶解或分裂样本中的细胞或病毒以释放目标细胞的蛋白质、RNA或DNA。流控系统也可以具有内置的温度控制以加速结合现象。流控系统也可以具有全系统清洁剂以清除污染。可以从蓄水池提取清洁剂或清洗剂，并且通过将样本传递到样本区域的管来泵取。流控系统也允许正和负的控制测试，以确保全系统是可工作的，并且使用校准标准来执行校准测试。

在一个实施例中，螯合物可以用于替代纳米粒子来产生不同的磁场区域并且结合到分析物。使用螯合离子的优点在于，它允许通过液体介质的较快扩散以加速扩散受限过程。另一方面，使用纳米粒子可以制作亲合分子以选择所需分析物，而螯合物仅以特殊的分子形式出现。纳米粒子与螯合物相比具有更大的面积来附着亲合分子。作为替代，纳米粒子可被供以螯合物以便结合到分析物、爆炸物和化学品。

在一个方面中，由顺磁核或螯合物或其它磁结构产生的第二磁场区的大小与分析物的大小相当，使得所结合的分析物仅填充第二磁场区，从该区排除液体，因此提供最高的信号和最高的灵敏度。例如，当分析物是相对较小的分子，诸如爆炸物蒸汽分子或化学武器分子时，则第二磁场区的大小优选地在1到10nm的范围内选择。为了检测较大的分析物，诸如毒素或DNA或病毒粒子，则第二磁场区的大小将是10到100nm。当分析物是更大的物体，诸如细菌时，第二磁场区的大小可以按需要是100到1000nm或更大，以匹配分析物。

纳米粒子可以包括提供光学特征的结构。例如，荧光染料或中心可以附加到纳米粒子或包括在纳米粒子内，并且可以暴露于足够能量的光子以激励荧光，使得发射具有与激励光子不同并且通常比激励光子低的能量的荧光光子。激励和荧光光子可以处于紫外线、可见光或红外线范围。荧光光子的检测提供了纳米粒子浓度的测量。另外，当分析物结合到纳米粒子时可以修改该结构，并且这种动作可导致荧光的可检测变化，诸如荧光光子的强度或能量的变化。此变化的检测将独立于磁共振测量而提供发生了分析物结合并且因此分析物存在于样本中的指示。

本发明的其它特征和优点将从以下的具体描述、权利要求和所附附图中显现。

附图说明

关于本发明结构和操作的细节可以通过对附图的研究而部分探明，其中相似的参考标号代表相似的部分，其中：

图1是纳米粒子的示意表示，示出了施加的磁场和纳米粒子周围的第二磁场。

图2是图1的纳米粒子周围的净磁场的图示。

图3是纳米粒子周围的磁场梯度的幅度的图。

图4是沿粒子轴的场梯度幅度的图。

图5是在磁场中纳米粒子之间的相互作用力的示意表示。

图6是从纳米粒子和分析物形成链结构的示意表示。

图7是磁共振系统的功能框图。

图8a-d是天线的四种结构的表示。

图9是磁体的一个实施例的示意表示。

图10是缓冲的振荡器的电路图。

图11是具有一个控制器和多个传感器单元的装置的示意图。

图12是适用于HVAC系统的分析器系统的示意图。

图13是集中器磁体系统的表示。

图14是另一个集中器磁体系统的表示。

图15是进行磁处理和不进行磁处理的磁共振数据的视图。

图16a-e描述了固定装置系统和三个收集器入口的实施例。

图17是手持系统的正视图。

图18是适于医疗诊断应用的系统框图。

具体实施方式

在阅读过本说明书之后，本领域技术人员将明了如何以各种替代的实施例和替代的应用实现本发明。但是，尽管将在此描述本发明的各种实施例，应理解，仅以实例的方式而不是限制的方式呈现这些实施例。同样地，各种替代实施例的此具体描述不应解释为对本发明的范围或宽度的限制，如在所附权利要求中所述。

磁共振

在此提供对某些实施例中使用的技术元件的简要描述。分析物或目标分子包含在介质中，介质优选地是诸如水的液体，其包括具有非零量子数的原子核，诸如氢。如公知的(参见，例如1D和2D液相NMR中的脉冲方法，Wallace S.Brey，Academic Press 1988)，这种核子的磁分量在磁场中变为极化的或空间导向的，并且可以在由下式给定的频率被引入磁共振运动：

f_Larmor＝γB/2π

其中，B是核子位置的磁场强度，γ是核子的磁旋比，并且f_Larmor是共振频率或拉莫尔频率(对于氢核而言，γ＝2.675×10⁸特斯拉^-1秒^{- 1})。核子的磁分量或磁矩是矢量并且相加以得到一个合成总磁化矢量，该磁化矢量是由NRM分光计测量的NMR信号。

在记录NMR信号时所采用的微扰之后(见下)，该总磁化矢量随着时间恢复到其原始稳定状态；这个过程被称为核子磁弛豫。使用两个基本时间常数按照单指数过程来描述这种弛豫。总磁化沿第一磁场方向的恢复由自旋-晶格弛豫时间或纵向弛豫时间来描述，该弛豫时间被指定为T1。典型地，T1是毫秒到秒的量级。在垂直于第一磁场方向的平面中总磁化的单指数衰减由自旋-自旋弛豫时间或横向弛豫时间来描述，该弛豫时间被指定为T2。对于液体信号，T2一般在100毫秒或更大的范围内。另一方面，固体样本的T2值一般在1到100微秒的范围内。

通过对样本施加一个或多个RF(射频)能量脉冲并且测量被该脉冲重新定向的总磁化来执行磁共振测量。RF脉冲的频率等于拉莫尔频率，并且持续时间足以导致总磁化矢量重新定向到垂直于第一磁场的平面内，其中，可以随时间记录总磁化矢量(NMR信号)。RF脉冲因此通常是90度的倍数。

自旋-自旋弛豫典型地通过一系列RF脉冲来测量以引起自旋回波信号。通过一个90度脉冲，然后是一小段延迟时间(典型被指定为τ)，然后是180度脉冲(90°-τ-180°)来产生自旋回波。在记录总磁化矢量之前，使用在时间上与第一个τ相等的第二个τ。该系列RF脉冲和时间延迟用于首先在第一个τ内退相在垂直于第一磁场的平面内构成总磁化的核子磁矩，并且在第二个τ内重新聚集此平面内的剩余总磁化。这种此后的重新聚集创建了一个可被记录的回波信号。最普通的测量自旋-自旋弛豫的方法最初是由Carr和Purcell描述的(Carr，H.Y.和Purcell，E.M.：Effects of Diffusion on Free Precession in NuclearMagnetic Resonance Experiments，Physical Review 94，no.3(1954)：630-638)，该方法的修正较早地由Meiboom和Gill描述(Meiboom，S.和Gill，D.：Modified Spin-Echo Method for Measuring NuclearRelaxation Times，The Review of Scientific Instruments 29，no.8(1958)：688-691)。修正Carr-Purcell的Meiboom-Gill(CPMG)方法在上述初始的(90°-τ-180°)序列之后使用一系列较小的时间延迟，然后是180度脉冲。这又接着得到合成总磁化矢量[90_x°-(τ-180_y°-τ-record)_n]。自旋回波信号的幅度与回波时保留的总磁化成正比，回波时保留的总磁化随序列数的增加(随n值的增加)而逐渐减小。因此，在n的各个值之后测量总磁化矢量的幅度，并且将数据拟合到弛豫时间为T2的单指数衰减提供了T2的直接测量。

顺磁纳米粒子场

在一个优选实施例中，使用纳米粒子来影响与纳米粒子相近的区域中的磁场。当施加外部磁场时，纳米粒子的顺磁或超顺磁芯变为磁化的。超顺磁性与铁磁性有关，其中磁化体的尺寸过小而不能形成磁畴。超顺磁芯呈现高的磁导率和可与铁相比的相当高的饱和场，但是极少或没有磁滞现象(H_c～0)。当放在磁场中时，芯平行于所施加场的方向变为强磁化的。当外部场被去除时，芯基本上损失其全部磁化。不管各向异性和形状的影响，所感应的芯的磁矩是：

m_core＝(4π/3)(r_core ³)(χB₀)

其中，m_core是芯的偶极矩，r_core是其半径，B₀是所施加的场，并且x是磁化率。正常地，对于非磁性材料x≈0，对于超顺磁材料当B₀低于饱和场时χ＞≈1，并且对于B₀大于饱和时1≤χ≤0。例如，磁铁矿(Fe₃O₄)是超顺磁的，对于低于大约0.5特斯拉的饱和的场，磁化率大约是1。

磁化芯产生的磁场通常近似偶极场或由位于纳米粒子的顺磁芯的中心的理想磁偶极产生的磁场。在纳米粒子芯之外的位置，偶极磁场被参数化如下：

B_r＝2m_corecosθ/r³

B_θ＝-m_coresinθ/r³

在此，B_r是偶极场的径向分量，B_θ是圆周分量，r是距离芯的中心的距离，θ是相对于所施加场的极角，并且m_core是偶极矩。

偶极场线性叠加到所施加的场(作为矢量)，产生净磁场。由极化的核子所承受的该净磁场来确定拉莫尔频率。与所施加场正交的偶极场的分量主要导致场旋转，而与所施加场平行的偶极分量则直接改变净场的幅度，并且因此相对于未失真的所施加场改变拉莫尔频率。不管二次项，并且在r＞＞r_core的情况下，净场B_net如下：

B_net＝B₀(1+4π/3(r_core/r)³χ(2cos²θ-sin²θ))

在一些实施例中，净磁场的梯度的幅度也是重要的。场梯度是：

B_net＝B₀χ8π(r_core ³/r⁴)(-{r}cos²θ+{θ}cosθsinθ)

其中大括号表示r或θ方向上的单位矢量。

液体中的扩散

一些实施例包括液体介质。液体包含分析物和发出磁共振信号的核子。那些信号受到扩散的影响，尤其是液体的分子通过液体的扩散或分子的自扩散。扩散公式如下：

σ_walk＝(2D_molect)^1/2

其中，σ_walk是在时间t中以各向同性三维随机游走行进的距离，并且D_molec是平移扩散系数。例如，对于室温下的水来说，D_molec＝1.5×10^-9m²/s。

磁共振系统也受到自旋扩散的影响，自旋扩散是核子的自旋或极化与同类型的附近核子的自旋或极化互换的现象。自旋扩散可以在整个样本中分布自旋相关效应，诸如去极化。例如，如果水中的氢核的一小部分受到去极化力，则自旋扩散可引起样本中的所有氢呈现平均的极化值。

模型

此模型涉及纳米粒子和溶剂之间自旋相关的相互作用，并且为量化所观察到的T2影响提供有用的框架。在一些实施例中它被用作测量和检测分析物的基础。假设一种简化的纳米粒子包括超顺磁材料的球状芯，其周围围绕非磁性材料的球状壳，全部在水中。然而，该模型可以为了使用其它形状的纳米粒子和其它溶剂而应用或进行修改。该模型建议了以下机制用于观测的T2变化：

(1)溶液中的纳米粒子相对于淡水来说减小了T2。该模型建议了去极化是由于磁化芯所产生的偶极磁场。场失真使得自旋以不同频率旋进，导致有害干扰。尽管CPMG通常重新聚集静态场非均匀性效应，但是水分子的布朗运动使得它们在比回波间隔短的时间内进出该场失真，从而使得自旋分散是时间相关的并且中断CPMG重新聚集效应。

(2)当纳米粒子与分析物反应但是不凝聚时，T2增加。这可能是由于分析物分子占据纳米粒子周围的失真场区的一部分，从而将水从该区域中排除，因而减小了自旋分散并且增加了T2。类似的，当纳米粒子和分析物的链或串状结构形成时，T2增加。以下结合磁场的使用来描述链的形成。

(3)当纳米粒子和分析物凝聚时，T2减小。这可能是由于充水笼状结构的形成，其中水分子经历与周围纳米粒子的重复自旋-分散碰撞。递增去极化的足够多次重复将减小T2，尽管分析物阻塞了部分非均匀场区域。

(4)单指数通常符合极化衰减曲线。这不考虑接近纳米粒子的氢被强烈退相的事实，同时一般溶剂仅经历均匀场、两种群系统。但是，自旋种群经由同核触发相互作用，通过自旋扩散快速地在整个样本中达到平衡，产生一个平均的T2。

在存在如箭头101所指示的所施加磁场的情况下，模型纳米粒子的横截面如图1中所示。纳米粒子包括可磁化的芯102、非磁性壳103、和结合的分子104。芯102优选是顺磁的并且更优选是超顺磁的。由虚线表示所感应出的纳米粒子的局部偶极形场105。芯102的半径应该足够大以便在大的区域中产生明显的磁场失真，以在该区域中产生液体的T2的变化。芯102的半径应该足够小，使得芯102不变成铁磁性的。典型地，芯半径大约是1到20nm。芯102的期望性质包括在所施加磁场强度下具有高磁化率、优选地超过所施加磁场强度的高饱和场、与液体介质的化学兼容性、以及很低的残余场。最后一个特征是期望的以防止纳米粒子由于磁引力而凝集在一起。芯材料可以是任何可磁化的材料，诸如氧化铁、钴和镍混合物。如果使用铁芯，纳米粒子可以是无毒的并且可生物降解的。芯覆盖以一个或多个非磁性材料的壳103，例如，葡聚糖或硅石。硅石外壳是稳定并且鲁棒的，并且可以不需要冷藏。可以考虑其它聚合物外壳，诸如聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇。

纳米粒子周围的位置(r，θ)的净场幅度相对于均匀场具有正和负的变化。图2的图中示出该净场幅度。

尽管CPMG过程重新聚集静态场非均匀性，在重新聚集脉冲之间的时间中从一个场区移动到另一个场区的那些水分子不被重新聚集并且产生T2效应。因此，T2变化与净场的梯度有关。

考虑一个特定实例，芯是Fe₃O₄，直径4-8nm，并且粒子的其余部分是葡聚糖的壳，整个直径50nm。磁化率和饱和场取决于成分、晶体结构和芯直径。饱和场的值的范围是0.2到0.5T，并且磁化率的范围是从0.2到2。使用0.5T饱和度和0.5的磁化率来准备数值仿真。此纳米粒子邻域内的净场如图2中所示。在粒子两“极”处的强的场增强相对于“赤道”附近的场减弱如图所示。壳内的场无意义并且不进行计算；将其绘制为B₀。

磁场梯度如图3和4中所示。图3是纳米粒子周围场梯度的幅度的视图。图4是沿粒子的轴的场梯度幅度的视图。也不分析粒子内的场。

对于T_Echo＝4毫秒的回波间隔，平均游走距离大约是3.5微米。这比失真的场区的长度量级大很多；因此，可以安全地假设水分子在重新聚集脉冲之间有足够的时间进出失真的场区。

由穿过失真的场区的水分子产生的自旋退相可以按以下评估。瞬时进动频率正比于水分子位置处的净磁场。为了简化，我们假设分子在一个回波间隔期间随机游走穿过一个纳米粒子的失真场区，在失真场区外部的溶剂中开始和结束。因此，分子轨迹在所施加场B₀中开始和结束，但是穿过CPMG回波之间的失真场区。当分子在失真场内时，与溶剂其余部分中的分子相比，它积累了额外的进动。由于B₀场造成的相位超前的部分然后像往常一样被180度脉冲重新聚集，但是在失真场中花费的时间期间积累的额外进度相位则不会被重新聚集。由于穿过场失真区而导致的不被重新聚集的相位增量是粒子所经历的场单独减去所施加场的积分：

d_phase＝∫γ(B_net(r)-B₀)dt

其中，d_phase是在穿过B_net(在此是空间的显函数)的氢与均匀场B₀中剩余的氢之间的累积相位差，γ还是拉莫尔系数，并且积分是对重新聚集脉冲之间的时间进行的。为了得到相移的粗略估计，通过假设对于扩散通过失真场区所需的时间来说分子驻留在一个恒定场中，前式可以被简化，得到下面的近似：

d_phase＝[x_dis ²/(2D_molec)][B_net-B₀]γ

使用以上讨论的纳米粒子尺寸和场的前提，净磁场从所施加场偏离典型20mT。该场内的自旋将进动大约比不失真场中的自旋快850kHz。此失真的典型长度级别是x_dis＝20nm。扩散20nm所需的时间是133nsec。在该时间期间，自旋额外进动d_phase＝0.1弧度。这代表单次分子往返移动在一个回波间隔中的基本退相，如果没有由CPMG重新聚集，这会导致短的T2。在样本中，许多水分子将与不均匀场连续地相互作用，并且取决于特定路径，每个水分子将经历正或负的相移。整体上，额外的自旋分散导致破坏性的干扰和整体的去极化。

水中的自旋扩散系数的范围是D_spin≈10^-15到10^-16m²/s，取决于温度和其它因素。尽管自旋扩散慢于分子扩散，但足以在几毫秒内在许多水分子中传播去极化。有趣地，固态自旋扩散率趋于更高，为10^-9m²/s量级，这与自由水中的分子扩散相当。如果壳呈现快速自旋扩散，则它可用作在接触纳米粒子表面的所有水分子中分布极化的导管。

多个试验证实了T2增加20到200毫秒。该模型建议了这是由于分析物分子阻塞了纳米粒子的表面，有效地防止了水分子取样纳米粒子表面处的失真场区。

当分析物分子附着于纳米粒子表面时，表面的一部分被阻塞。全局去极化速率减慢并且T2增加。衰减速率的变化大致正比于由分析物占据的失真场体积分数。如果多种分析物分子被附着，则它们都平均贡献相似的T2变化。如果分析物仅用一部分时间覆盖纳米粒子表面，则T2成比例地变化。

也可以通过改变纳米粒子与抗体的比例来观察T2的降低。在此使用抗体作为与分析物的连接实例。这被定义为化学计量控制。取决于分析物的检测水平，可以调整化学计量法以进行分析物的快速检测。

可以调整试剂和处理条件以使T2下降。纳米粒子和分析物的扩展聚合体的形成与这种T2的下降相关联。模型假定聚合体是开放的笼状结构，水分子可以容易地从其中通过。这在之前的研究中没有解释到。在一个实施例中，自旋信息快速地扩散进出该凝聚结构，使得笼内发生的去极化遍及样本达到平衡。

该模型建议了T2为凝聚下降是由于当笼内的水分子重复地遇到去极化场时的重复退相。这种重复退相代表了比自由液体中的隔离纳米粒子更有效的极化下降，因为笼内水分子保留接近多个纳米粒子表面。尽管纳米粒子的失真场体积的部分被分析物阻塞，水分子可花费很大一部分时间来采样不同于主场的场，并且因此会在与回波间隔相比较短的时间内变为彻底退相。然后，通过与包括那些凝聚体之外的分子的邻近分子交换极化，将导致T2均匀地下降。

该模型具有用途，因为它导致了新的测量和执行与样本中的分析物相关的测量的新方式。该模型解释了分析物与纳米粒子的相互作用如何产生T2的上升和下降，并且建议了通过调整试剂浓度来控制效果的方法。注意到，检测速度是许多应用中的关键参数，该模型建议了由于纳米粒子-分析物的结合导致的T2增加将提供比由于聚合的T2下降快的信号，因为结合必须发生在凝聚之前。该模型也引导了更敏感的纳米粒子的开发，该纳米粒子使用磁化率更高的芯材料和更薄的非磁外壳。该模型也产生了消除系统误差的步骤，诸如在混合之前分别测量纳米粒子溶液和样本的T2，以更好量化结合所导致的任何T2变化。该模型也解释了热效应和扩散效应如何参与，并可被用来加速检测或确认分析物反应。该模型也通过相对于样本大小和其它设计参数量化信号和噪声而引导了采用本发明方法的产品的开发。

方法描述

在一个实施例中，用于检测一种或多种分析物的方法包括：制备可能包含分析物和其它材料的液体样本混合物；对液体施加第一磁场；在液体的特殊区域内准备第二不同磁场；在该特殊区域内，如果存在分析物则维持分析物(例如，通过提供保持分析物、确保结合剂邻近特殊区域并且使得分析物能够与该结合剂相互作用的装置)；在特殊区域内维持分析物的同时，从该混合物激励磁共振信号；分析该信号以确定分析物是否占据该特殊区域；以及然后当信号指示液体被从该特殊区域置换时，推断分析物存在。在一个实施例中，使用具有针对关注分析物的结合剂的纳米粒子来创建该特殊区域并且在该特殊区域内保持分析物。

在一个实施例中，制备液体样本混合物包括使用包含原子核具有非零量子数的原子的液体。这些原子可以是液体的固有部分，或它们可以作为溶质被添加。制备液体样本的步骤可包括混合或搅拌以确保分析物到达纳米粒子。可以以各种方式实现混合，包括使用泵来驱动样本液体穿过盘错的管道，并且这种运动可以是单向或往复的以产生所需程度的混合。或者，纳米粒子和分析物可以包含在同类型的液体中，使得当纳米粒子和分析物被放在相同容器中时，它们自然地变成混合的而不需要物理搅拌。例如，纳米粒子和样本材料可以溶解在水中，并且然后通过在测量容器中扩散而混合在一起。也可以通过使用对各种成分来说高度易混合的溶剂，诸如酒精和水，来进行无帮助的混合。

本方法也可以包括使用磁场来增强纳米粒子和分析物之间的反应。增强反应的磁场可以是与磁共振测量所使用的场相同的场，或者两个磁场可以是不同的。在一个实施例中，增强纳米粒子和分析物之间的反应的方法的步骤是：(1)将分析物和纳米粒子放在液体介质中并且使得纳米粒子能够与分析物结合以形成复合体；(2)对该复合体施加磁场，从而磁化纳米粒子；(3)然后使得磁场能够对纳米粒子施加力，并且使得磁化的纳米粒子彼此施加磁力；以及(4)使得该复合体响应于那些力而移动。例如，如果所施加的磁场是非均匀的，则复合体被拉入磁场最强的区域中，并且集中在该区域。这种相互作用然后由于复合体浓度增加而加速。

在不同的实施例中，步骤(1)(2)和(3)以各种顺序以及同时地发生。纳米粒子和分析物可以首先被置于液体介质中并且然后与分析物结合以形成复合体，或复合体可以在别处形成然后再添加到液体介质中。反应物到纳米粒子的附着可以是足够强的任何缔和，使得当纳米粒子在磁力的影响下移动通过液体介质时，反应物可以与纳米粒子一起被运送。可以在分析物结合到纳米粒子之前或之后施加磁场。此方法也可以与所描述的混合和/或温度循环结合。

增强反应的磁场可以是基本均匀的或高度非均匀的场，并且可以具有特定形状或方向，并且可以通过外部方式产生，并且可以与反应物或纳米粒子或顺磁珠状其它磁体合作产生或定形。增强反应的磁场可以由电磁体、永磁体、超导磁体或任何磁场源生成。磁场的强度足以磁化纳米粒子，通常在大约0.01到20特斯拉的范围内。该场可以一直开着，如利用永磁体，或者它可以是瞬变的，如利用脉冲电磁体。纳米粒子的磁化基本上是当它们进入磁场时瞬时完成的。

磁场由磁体产生，该磁体可以是电磁体。永磁体、超导磁体、或任何其它磁场源。优选的磁体类型取决于样本尺寸。对于1毫升或更小的小样本体积，优选永磁体，因为它们不需要电力，不产生欧姆热，并且不需要致冷器。多种强永磁体形式都是可用的，包括NdFeB(钕铁硼)，其形成以适度成本来提供30到55 MGOe的强度(场能量乘积)。当安装在适当的磁场电路中时，这些永磁体能够生成超过铁氧体的饱和场的场，铁氧体是许多纳米粒子中的顺磁成分，这些永磁体并且能够产生1特斯拉/cm或更高的强场梯度。这种场和场梯度对于包括纳米粒子的集中、磁化顺磁珠和链形成的许多磁分离应用来说是足够的。

在步骤(3)中，增强反应的磁场在其非均匀时对纳米粒子施加力，并且在增加场强度的方向上推进纳米粒子。纳米粒子相互施加力，推进相邻的纳米粒子与施加的磁场对准，当这样对准时将它们拉到一起，并且当它们的位置垂直于场时排斥它们。各种力连续并且基本上瞬时产生。

在步骤(4)中，分析物和纳米粒子以相同的方式移动，因为它们足够强地附着在一起，使得磁力不会分开分析物。通常，净运动要将分析物聚在一起，从而促进它们之间的相互作用。这是当所施加的场非均匀，因此将复合体集中到最强场区时的情况。例如，如果非均匀的磁场将复合体拉到包括原始混合物体积的十分之一的子体积中，然后反应物之间的平均距离被减小2.16倍，对于扩散受限过程来说，该使反应速度增加4.7倍。纳米粒子之间的相互磁力的净效果也是当复合体自由移动时，使得复合体聚在一起并且然后将它们拉在一起的主要因素，因为这些力首先将复合体与场重新对准。

或者，步骤(3)和(4)的磁场可以是基本上均匀的。由于纳米粒子的磁化芯所生成的偶极形磁场，纳米粒子相互施加磁力。这些偶极-偶极力促使纳米粒子以各种方式运动，并且该运动影响纳米粒子和附着的分析物的相互作用。磁化的纳米粒子之间的力如图5中所示。所施加的增强反应的磁场的方向由箭头501给出。示出了具体的纳米粒子502以及相邻的纳米粒子503、504和505。图5中所有的纳米粒子都在相同方向上被磁化，如小白箭头所指示的。纳米粒子502和503与所施加的场对齐，并且因此相互吸引。纳米粒子502施加在纳米粒子503上的力由灰色箭头506指示，其指向纳米粒子502，表示纳米粒子503被吸引向纳米粒子502。相等的反向力施加到纳米粒子502上，但是为了图示清楚起见而没有示出。

还是在图5中，另一个纳米粒子504与502平行对齐，但是位于纳米粒子502的另一侧。纳米粒子504也被吸引向502，如箭头507所示。

纳米粒子505关于502和场是垂直取向的。相应地，施加在505上的偶极-偶极力是斥力，如箭头508所示。未示出周围的纳米粒子503、504和505相互施加的其它力。在实际混合物中，所有纳米粒子连续地相互施加力。

偶极-偶极力趋于产生线性链状结构。作为实例，纳米粒子可以包括表示为A的结合部件，而纳米粒子表示为N。由A表示的结合部件可以是多细胞系的，或能够结合到多个纳米粒子。因此，在步骤(1)中，反应物结合到纳米粒子形成复合体，由A-N表示。然后，当反应物作为相同伙伴结合时，步骤(4)中的相互作用可产生N-A-A-N形式的结构，并且当反应物结合到纳米粒子时，产生N-A-N-A形式的结构。可添加其它的复合体以在每个情形下形成长链。或者，两种不同类型的结合部件A(3’探针)和C(5’探针)可以附着到相同的纳米粒子。则复合体是C-N-A-B的形式，并且链是C-N-A-B-C-N-A-B-C-N-A-B-C-N的形式。

图6是从纳米粒子和分析物形成链结构的示意图。可以使用上述方法和系统以均匀或非均匀场形成图6中描绘的实例链结构。链形式的类型取决于所采用的纳米粒子类型而形成。纳米粒子601和分析物602位于箭头603所指示的方向的磁场中。纳米粒子601是可以附着到多种反应物的类型，即，例如，多细胞系纳米粒子。分析物602是可以形成到多种纳米粒子的结合的类型。一个实例是蛋白质G，其可以附着到被处理以接纳这种反应物的两个纳米粒子。在步骤(1)中，例如通过在水中混合蛋白质G和适当的纳米粒子并且在37℃下培养它们4个小时，来附着纳米粒子601和反应物602。这产生纳米粒子-反应物复合体604。多个这样的复合体在磁场603中聚集在一起并且形成一般类型N-A-N-A-N-A-N等的链605。

本方法也可以包括温度循环，其中可以在固定位置加热或冷却样本，或者可以在保持在高温或低温的位置之间移动样本。本方法可以包括在这种温度变化之前、期间和之后进行测量。例如，可以在混合样本之后立即进行T2的测量，并且在加热和冷却一段时间之后当样本变得温度均衡时再次测量。比较T2在热处理之前和之后的值将揭示诸如在热处理期间发生的分析物结合到纳米粒子的反应。

本方法可以包括改变样本温度以及然后测量T2参数的步骤。温度影响纳米粒子相互作用和磁共振测量。分析物和纳米粒子上的亲合分子之间的选择性结合可以通过提高温度而加速，尤其是对于扩散受限的反应来说。因此，本方法可以包括在第一温度测量纳米粒子和液体内的未知物的混合物的T2，优选地第一温度是足够低的温度，使得进行测量时分析物还没有与纳米粒子发生反应。本方法然后可以包括加热样本到足以促进分析物-纳米粒子相互作用的第二温度的步骤。本方法可以包括在第二温度测量T2以观察结合的效果。本方法可以包括进一步改变温度，诸如返回第一温度，并且进一步测量T2以确认在各种温度变化之后样本的T2不同于温度变化之前样本的T2。这些步骤提供许多优点，包括针对干扰物的改善辨别、说明T2变化是由于特定分析物的结合、以及对仪器误差的检查。

本方法可以包括加热样本到足以打断分析物-纳米粒子聚合的温度，因此产生分析物-纳米粒子二元体的溶液，以及相应的T2变化。可以进一步升高温度，直到分析物从纳米粒子脱离，从而将分析物释放回溶液中并且引起进一步的T2变化。然后可以降低温度直到恢复结合或聚合，T2相应复原到之前的值。T2随温度变化的此种现象会有力地辨别干扰物或仪器误差，并且会确认分析物的存在。

本方法可以包括在与纳米粒子混合之前测量样本材料的T2的步骤。这将揭示引起T2移动的样本材料，诸如样本中的高粘性溶液或螯合铁。当样本材料仅引起小量的T2移动时，可以照常进行测量，但是在分析所处理样本的T2时可以与在原始样本中初始观察到的相比较，以确定是否存在分析物。当样本产生较大的T2移动时，最好稀释样本直到这种效果足够低以允许磁共振测量。被稀释样本中的分析物然后可以如所述地被检测。当样本产生使得磁共振测量被禁止的较大T2移动时，本发明可以将样本标记为不可测试的，从而避免误告警，或可以归档该样本以进行进一步分析。

本方法可以包括以特定方式准备磁场。可以通过首先生成基本上均匀的第一磁场来准备该场，第一磁场具有足够的强度以允许进行磁共振测量，并且然后局部地摄动该场以在特殊区域内产生第二磁场，其不同于第一磁场。当特殊区域外的液体的磁共振信号受特殊区域内的液体的信号影响或者可以与其区分开时，第二场不同于第一场。例如，可以通过在液体中混合或溶解顺磁粒子，例如那些如上所述的粒子，来建立第二场。然后，作为纳米粒子被第一磁场磁化的结果，纳米粒子在纳米粒子之外的邻域中自发地产生第二磁场。或者，可以使用诸如螯合铁或钆的顺磁离子代替纳米粒子。此方法的优点在于，由于金属离子螯合物的迁移率较高，扩散受限反应速度可以提高。在MRI成像中使用类似的离子(Gd-DTPA和Gd-DOTA)。

可以通过反应或结合或吸引分析物到该分析物具有特殊亲合力的材料表面或分子，来实现在特殊区域内保持分析物。可以通过氢键、离子力、共价键、范德瓦尔斯力、静电力或任何其它类型的分子或材料附着来实现这种保持。例如，该保持机制可以是针对分析物蛋白质培养出的抗体、或与分析物DNA序列互补的DNA，并且可以包括该分析物具有亲合力的任何材料表面或分子。优选地，保持机制对于除可能存在的分析物之外的所有溶质还具有非亲合力或负亲合力。优选地，该保持机制位于该特殊区域附近，使得分析物将被保持在该特殊区域内。例如，当该特殊区域在纳米粒子之外时，对该分析物的抗体或上述其它保持机制可以附着到纳米粒子的表面，使得分析物将被保持在该区域内的纳米粒子附近，并且将排除液体。可选地，纳米粒子可以包括多种抗体、或互补DNA、或其它结合剂，以便与多种不同的但是所选的分析物相互作用。例如，纳米粒子中可以添加炭疽的互补DNA、蓖麻毒素的抗体、和天花的互补DNA序列，从而能够检测单个混合物中的这些分析物中的任何一种。

为了确定分析物是否占据该特殊区域的磁共振测量和分析可以包括通过谱分析对磁共振信号进行分析以寻找该特殊区域的频率分量特性。如果存在的话，该频率分量指示液体处于特殊区域中，并且因此分析物不存在。或者该步骤可包括应用CPMG过程，并且分析信号以确定液体的T2。T2分布可以是单指数分量，或者可以包括很多分量，取决于自旋扩散速率。但是在每种情况中，比基线情况(具有纳米粒子而没有分析物的液体)的T2长的T2指示分析物的存在。

本方法的变形包括形成包括多个分析物实体的聚合体。然后，T2的下降(与基线相比)指示分析物存在。例如，具有附着机制的纳米粒子和分析物分子的聚合体可在纳米粒子和分析物分子都具有多个附着点时形成。因为聚合体导致T2下降，但是分析物结合到纳米粒子导致T2增加，所以预先校准信号，使得预计T2变化的符号预先已知是重要的。可以调整纳米粒子化学计量法，以防止凝聚或使得凝聚取决于所使用的测量过程。

在一个实施例中，分析物使得纳米粒子形成扩展的聚合体。使用膜过滤器来从液体介质中分离那些聚合体。过滤器的孔大小优选地大于纳米粒子或分析物的大小，但是小于聚合体。当过滤凝聚的样本时，滤出液中纳米粒子和分析物的浓度都降低，因此作为滤饼二者都极大地被集中。当需要第二分析装置时，例如为了确认微生物的检测，使用滤饼用于该第二次分析。同样，可以使用本发明的系统重新测量滤出液作为额外检查，因为当大多数纳米粒子被滤出时，滤出液的T2应该比原始纳米粒子溶液的T2长得多。

本方法可包括测量标准的T2值的步骤。在此，标准是具有已知T2的任何材料。优选地，标准的T2是不随时间变化的并且是从先验校准测量中得知的。例如，标准可以是被调整过浓度以提供特定的T2值的纳米粒子或硫酸铜的溶液。标准使得能进行仪器偏移的检测和校正。标准可以是非溶液的液体，诸如所选的具有在所需范围内的T2的油。标准可以配置成T2基本上等于无分析物样本的T2，在此情况下其被称为负比较器。标准可以令T2接近于分析物所产生的T2，被称为正比较器。本方法可以包括测量具有不同T2值的多个标准的T2。

本方法可以包括测试正和/或负控制的步骤。正控制可以是良性分析物，诸如枯草杆菌，以及对其敏感的纳米粒子。可以在任何时间分析正控制，并且应该以与威胁分析物相同的方式来检测正控制。优选地，正控制所产生的T2变化是从先验校准中已知的，并且测试正控制应该永远产生期望的T2变化，并且没能产生期望的T2变化将揭示系统故障。负控制是良性分析物以及对某些其它材料敏感的纳米粒子，例如与对炭疽敏感的纳米粒子结合的枯草杆菌。负控制应该永远不产生T2变化，因为分析物和纳米粒子不匹配。如果负控制产生了T2变化，则将揭示系统的故障。执行正负控制的优点是，实际地测试了全部样本收集、流控、样本处理和检测阶段。为了比较，前一段讨论的正和负比较器标准仅测试系统的磁共振部分，不测试样本处理级。

本方法可以包括产生样本T2的上升和下降的步骤。T2的上升和下降取决于纳米粒子的性质、其它试剂诸如抗体的比率、以及其它处理参数。因此，可以使用在分析物存在时造成T2上升的处理步骤来测试样本T2的上升，并且然后可以通过添加造成T2下降的成分或处理步骤来测试相同样本的T2下降。上升和下降的T2值的观察将促进分析的可靠性并且降低误告警率。或者，可以处理从同一样本取出的两个等分试样，以在一个中造成T2上升，而在另一个中造成T2下降。

干扰物是这样的材料：如果在样本中存在则导致T2的类似目标分析物的变化。大多数干扰物产生较短的T2，包括含有螯合铁的材料和引起液体粘性增加的材料。因此，分析物和干扰物的效果可以通过处理样本使得分析物将造成T2增加而区别开。对于更大的分析物-干扰物区别，可以通过相同样本的相继处理或平行等分试样的比较，设置T2的上升和下降。

本方法可以包括在添加样本材料到纳米粒子混合物之前测量纳米粒子混合物的T2的步骤。此步骤的优点是，纳米粒子浓度中的任何误差或性质会在使用样本材料之前显露出来。如果纳米粒子溶液呈现不期望的T2值(例如由于来自计量误差的较高或较低的纳米粒子浓度)，则可以倒掉纳米粒子溶液并且制备新的纳米粒子溶液。如果纳米粒子溶液呈现接近于所期望的T2值，则可以采用该纳米粒子溶液。优选地，然后在分析中使用所测量的T2值以与混合并且起反应的样本的T2相比较，从而取消由于纳米粒子浓度造成的误差并且也改进再现性。

本方法可包括在液体中混合样本材料和纳米粒子，然后测量混合物的T2，然后促进分析物和纳米粒子之间的反应，并且然后测量这种反应之后的T2的步骤。例如，可以摇匀或加热该样本以促进反应。同时可以使用混合和加热以加速反应。反应之前和之后混合物的T2的比较揭示分析物。这些步骤的优点在于，样本和纳米粒子体积的任何误差将被检测出并被消除。

在一个实施例中，一般不需要危险的化学品。例如，可以仅使用水、盐、纳米粒子和无害的蛋白质试剂，诸如抗体来测试分析物。

系统描述

将参考图7描述系统的一个实施例，该实施例可以执行或实现上述测量或检测技术，图7是笼统表示为700的磁共振系统的框图。该系统包括磁体或磁体系统712。在一个实施例中，磁体712是被配置成在样本区域或者1ml体积714内产生具有0.01％均匀度的0.5特斯拉磁场的永磁体。或者，该磁体系统可以包括电磁体、超导线圈、或任何其它磁场源。线圈或天线716位于样本体积附近。在一个实施例中，线圈环绕样本体积714。脉冲发生器718耦合到线圈716以在所需拉莫尔频率提供电磁脉冲给样本体积714。放大器719可以位于脉冲发生器和天线之间以放大来自脉冲发生器的信号。接收器720也耦合到线圈716以便接收由线圈所拾取的信号。前置放大器721可以位于接收器和天线之间以放大天线信号。接收器720将所接收的信号转换为数字形式。控制器722与脉冲发生器718和接收器720通信。控制器控制接收器和脉冲发生器的操作。控制器也接收由接收器接收的被转换成数字形式之后的信号。控制器722可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散的门或晶体管逻辑、离散的硬件元件或任何它们的组合，以执行在此所描述的功能。或者，控制器、脉冲发生器、接收器和用户接口的功能可以结合到一个单元中，诸如ASIC或FPGA，或集成了这些电路的板子。用户接口系统724在用户和系统700之间提供了用于进行交互作用的机制。接口系统可以包括例如显示器，诸如液晶屏幕、指示灯、键盘、鼠标、音频扬声器、麦克风、开关或触摸屏。

在一个替代的实施例中，提供了集中磁体704，其包括例如由钢制成的场集中极片705。磁体704可以是永久NdFeB磁体并且如白色箭头706所指示的被磁化。磁体704和极片705产生穿过样本体积714的磁场。选择极片705的形状使得磁场是高度非均匀的并且遍及样本体积714产生强梯度。样本体积中磁场最强的区域是最靠近极片705的区域。集中磁体704可以安装在磁体712内或可以包括磁体712的一部分。例如，磁体712可以在第一区域中产生一个均匀磁场，并且在第二区域中产生非均匀磁场。然后，该样本可以在磁体712的各区域之间移动以执行不同的任务。例如，可以移动该样本以便使用非均匀场区来集中反应物，并且然后移动到均匀场区进行测量。

或者，该集中磁体可以远离磁体712。在该实施例中，样本可以暴露于集中磁体的场，并且然后可以被放在线圈716中。

在一个实施例中，由集中磁体产生的场梯度作用于复合体(分析物和纳米粒子)的磁化，以将它们牵引到样本体积的一个子体积内。在该子体积中，复合体的局部浓度增加，并且随着更多复合体继续从样本的其余部分到来而继续增加。对于受到反应物的扩散限制的反应物，增加反应物的浓度减小了反应物各方之间的距离并且相应地加速了反应速度。对于受到反应壁垒限制的反应，由于复合体之间的吸引磁力而提高了反应速度。

RF线圈可以制作得足够小以查询微升大小的体积。线圈可以制作得足够大以容纳数升样本。图8a-d分别以透视图表示了四种天线结构。在图的a部分中，示出了绕组密度沿线圈长度方向恒定的螺线管线圈。样本被放在线圈内进行测量。线圈用作天线以将RF能量耦合到样本核子中，并且也将来自核子的磁共振信号耦合出到系统的其余部分。

在图的b部分中，示出了具有可变绕组密度的螺线管线圈。线圈两端的绕组密度比中间高。使用可变绕组密度的优点在于，由该线圈产生的RF磁场可以比绕组密度恒定的相同尺寸线圈产生的RF磁场更均匀。

在图的c部分中，示出了两匝单侧线圈。此结构的优点在于，可以插入并且移动诸如管道的长容器而不需要断开线圈或管道。

在图的d部分中，示出了一种线圈结构，其中四个环共同产生横向RF磁场。可以插入长样本而不断开线圈或管道。

特定的用户接口和系统的输出是高度地取决于应用的，但是将典型地包括根据分析物的检测而传输信息。例如，这种通信可以包括记录或归档测试结果、显示危险告警消息、点亮告警或信号灯、或激活声学告警。通信数据也包括发送信号给其它设备，诸如响应于所选分析物的检测结果，自动关闭HVAC系统或隔离测试样本。通过用户接口的通信可以包括电、光、红外、无线、微波、机械或声学方式，或用于响应于分析测试结果而发送数据或命令的任何其它方式。另外，用户接口可以包括诸如网络接口卡和无线接入卡的通信接口，它们与控制器通信。这些可以使得操作人员或其它设备能够与系统通信、中继命令或检索数据或者传递告警。通信可以包括通过互联网、局域网、或直接的电子或无线的链路发送信息。

在一个实施例中，系统被配置在两个单独的机箱中，一个机箱具有磁体712、脉冲发生器718和接收器720。另一个机箱具有控制器722和用户接口724。两个机箱通过例如线缆、无线链路或光纤链路的电子通信链路交换诸如命令和数据的信息。在优选实施例中，通信链路包括每个机箱上的采用标准USB连接的USB接口。

磁共振系统700可以通过施加由脉冲发生器718经由线圈产生的例如射频(RF)脉冲的电磁脉冲，从样本体积714中的水中的氢核激励磁共振信号。系统通过感应地拾取线圈716中的信号，来检测来自水中的氢核的磁共振信号。接收器使用放大器、混合器和模数转换器来处理接收的信号。

在一个实施例中，系统700通过CPMG过程或技术，在控制器722的控制下测量水的T2。测量包括由脉冲发生器生成的一个90度RF脉冲，之后接着2毫秒的延迟，并且然后是间隔为4毫秒的2000个180度脉冲串。180度脉冲的相位正交于90度脉冲的相位。该过程以4毫秒的间隔产生自旋回波，自旋回波由接收器720接收。在一个实施例中，控制器722执行分析例程，其确定并且记录自旋回波、执行FFT分析以获得谱峰、找到峰的最大值、并且将峰值拟合到具有三个变量的公式中：指数的幅度和衰减时间加上与时间无关的背景。所观测到的T2值是最佳拟合的指数衰减时间。

控制器执行的分析包括观测的T2值和先前校准或测量的T2值之间的比较。当样本的观测的T2值不同于无分析物样本的T2值时，系统检测到分析物。可以通过测量纳米粒子浓度与用于分析物测量的纳米粒子浓度相同的水溶液，来确定先前校准的T2值。水的T2受纳米粒子浓度的影响。T2也受结合到纳米粒子并且占据纳米粒子周围的大梯度区的分析物影响。在优选实施例中，由溶液的配方来控制纳米粒子浓度。没有分析物的溶液和具有各种浓度分析物的溶液的T2值通过先验校准也是已知的。

在一个实施例中，纳米粒子溶解或悬浮在水介质中。纳米粒子具有直径为8nm的超顺磁磁芯，磁芯由直径50nm的外壳围绕。针对分析物的抗体分子(或如所述的其它结合或吸引机制)结合到该外壳。当纳米粒子在样本714中时，磁体712所施加的场将芯磁化。磁化的芯产生局部偶极场，叠加至所施加的场。得到的净场在从纳米粒子表面径向延伸出大约离表面20nm的区域内，包括高达0.1T/nm的空间梯度。纳米粒子对于检测和测量目的来说在水中大约1∶10000的低浓度下最有效。这导致每次测试消耗很少的纳米粒子。在一个实施例中，磁共振系统700的磁体712为此使用永磁体。永磁体不需要能源，可以任意被制造得很小型，并且很经济。大多数现有的磁共振系统采用电磁体或超导线圈以产生磁场。任意减小电磁体或超导磁体的大小是不可行的。如果电磁体的大小减小，则磁场按比例减小。如果场保持恒定，则电磁体线圈中的电流密度必需增加。因为功能的限制，即铜的导电性，所以不能任意地增加电流密度。在高于一定的电流密度极限，大约100安培/cm²时，必需对线圈进行水冷。大约第二极限，大约200安培/cm²时，线圈就自毁了。小的、高场的、稳态的铜线圈是不可行的。

任意减小超导磁体的尺寸同样不可行。超导线圈可以被制作得远小于并且远强于非超导线圈，并且可以携带高电流密度。但是，超导线圈必需被环绕真空绝缘的致冷器，通常具有保持在不同制冷温度的多重外壳。各种外壳也由支撑结构机械并且热学地互联。由于支撑部件的热传导性不可能使致冷器任意薄。致冷器限制超导磁体中可行的小型化。

永磁体没有这些缺陷。使用永磁体的一个给定磁体设计将是精确规模的，几何形状或场或场质量不变，可以是任意的大或小尺寸。唯一的功能限制是铁磁畴大小，大约1微米。通过设计永磁体系统，磁体可以被缩放为样本体积、RF线圈性质或其它系统参数所确定的大小，而不是使其它参数适应磁体规模。结果，可以使整个电磁系统小型化。这导致小样本体积中的提高检测灵敏度、系统传感器部分的成本和重量降低、和所需RF能量降低。

图9中以截面图示意性地描述了磁体712的一个实施例。磁体包括框架910，诸如空心钢框架。在一个实施例中，框架的高度H小于50cm并且可以小于5cm。宽度W可以也小于50cm并且可以小于5cm。上永久盘磁体914附着于框架上部，并且与上永磁体相对的下永久盘磁体916附着于框架的下部。例如，可以使用螺丝或螺栓机械地附着该盘和/或可以使用粘合剂附着它们。盘状上极片918位于上永磁体之上，并且与位于下极片之上的盘状下极片920相对。围绕每个极片外围是八个带调节螺栓的细纹孔，可以改变它们以提高场的均匀性。通过将框架栓在一起、将永磁体盘滑入位、将极片滑入位、以及然后垫补来装配磁体。永磁体盘被很强烈地吸引到钢框架上，并且极片被很强烈地吸引到永磁体盘上。吸引力和各种接触部件之间产生的摩擦力提供机械稳定性以将组件保持在一起。通过对磁体盘或极片应用夹具或粘合剂来获得进一步的坚固性，优选地不干扰场垫补或磁共振测量。永磁体元件上的力是强的并且潜在地是危险的。未示出考虑到所包括的强力而用于控制装配过程的滚钩和工具。

垫补是调整磁体，诸如磁体712，以产生必要的均匀性的过程。在安装时，大多数磁体由于制造容限而提供的均匀性不够。垫补包括测量场分布、调整磁体的内置参数、以及重复该过程直到实现所需的均匀性。在一个实施例中，利用关注最重要的场参数的简单垫补设计，而不是提供其中大部分永远不需要的详尽的一组参数。

首先，均衡两个永磁体盘的磁化。根据观测的轴梯度，通过仅在较强的两个磁体周围沿圆周的磁引力来固定一个或多个薄铁磁片。片的数量和厚度的迭代调节导致近乎完美地消除轴梯度。然后可以由夹具或粘合剂固定这些片。

然后，调节极片周围的一个或多个小型螺栓，例如螺栓922。这些螺栓对永磁体盘施压以轻微地按需摇动极片，以消除横向场梯度。可以调节极片之一或调节两个极片，取决于所观测的场的具体情况。各种螺栓的最终调节导致近乎完美地消除横向梯度。

典型地，极片的形状不需要更改，尽管如果需要的话它们可以被卸下并且可以修改它们的形状以实现所需的场。或者，可以通过拧紧两个极片周围所有螺栓来略微减小极片之间的间隔。这种调节几乎与调节极片起伏的深度的步骤磁等效。

为了制造磁体部件，诸如铁或钢的粉末金属可以被放在所需形状的模具内。然后，在受压时施加压力和热以产生最后的部件。虽然此技术只能制作小部件，但是可以实现大量制造。或者可以使用机床来制造各个部件。

极片可以设计成为样本测试提供最高的场均匀性和场体积，约束条件是缝隙足以插入和调谐磁共振样本线圈。设计的约束条件包括限制饱和度的极片中的最大场、实现目标场均匀性的最小数量的垫补参数、以及可行的低成本商用永磁体元件的使用。

永磁体材料提供很高的磁化密度，但是对温度敏感。在可对该场调节频率的应用中，磁场的热漂移不是问题。但是对于精确T2测量，需要稳定磁场。可以使用温度控制的附件。在一个实施例中，可以使用泡沫隔离和一对补片加热器来形成该附件。热偶传感器和控制器实现该结构。

利用极其稳定的本地振荡器来增强使用CPMG过程的T2精确确定，该振荡器在至少回波间隔的时间量级上具有最小相位噪声。由于计算机电源线的噪声，即使昂贵的晶体振荡器通常也无法提供足够的稳定性。可以使用并不昂贵的集成晶体振荡器，通过缓冲DC电源输入和RF时钟输出来获得足够的稳定性。图10中示意性地示出了这种结构。在一个实施例中，图10中所示的振荡器用在图7的脉冲发生器718中。一般来说，通过串行连接两个或多个电压调节器来缓冲DC(直流)电源输入。图10中描述的电路包括第一电压调节器1002(例如接收+12V输入的8伏调节器)。第二电压调节器1004接收第一电压调节器的输出并且将其输出提供至振荡器1006(例如，5伏调节器，接收8伏调节器的输出)。第三电压调节器1008(例如，5伏调节器)也可以接收第一电压调节器的输出并且可以将其输出提供至高速并且与源高度隔离的数字逻辑门1010，诸如74F3037线驱动NAND(可从飞利浦半导体和其它公司获得)。数字逻辑门1010缓冲振荡器的输出。

磁共振系统700(图7)使用天线716与样本相互作用，天线716电磁耦合到样本的进动核。在一个实施例中，线圈安装在模块化的可换平台中，以能够改变样本大小、在污染时替换线圈、或进行其它所需改变。

天线可以封装在抗污染材料中。当要测试携带多种疾病或毒素的多种样本时，污染是个严重的问题。现有技术的天线难以保持干净，因为它们在几何上高度回旋并且包括不卫生的绝缘体和导体材料。天线的封装可以解决此问题。例如，天线可以是嵌入空心柱状特氟纶(Teflon)的铜线圈形式，使得来自样本容器的任何污染可以仅接触特氟纶表面，永远不接触实际的导体。因为特氟纶是非吸收性的并且相对容易清理，所以污染问题极大减少。封装的天线将比自由安装的线圈更稳定并且机械上更加强健。来自封装材料中的元素，诸如氘或氟的磁共振信号可以用来控制频率或磁场。

可以通过以变换的各种RF相位多次执行磁共振测量来改进对噪声、干扰信号、基线偏置和其它背景效果的消除。这可以在控制器的控制下实现。例如，在RF脉冲期间在自旋的正负相位旋转之间变换激励。在控制器处理信号期间，接收器振荡器的相位也可以旋转90度或其倍数。控制这些相位改变的控制器中的分析软件也执行数字化的数据的相应加法或减法，以在消除背景的同时累积所需信号。

可以为系统提供各种用户接口。例如，图7中描述的系统700可以执行测量以检测所选分析物或各种分析物，并且如果检测出则通过发出告警来报告结果，或提供视觉指示或通过用户接口724来报告。在一个版本中，操作人员将混合的样本插入系统中并且在用户接口上按下一个按钮，以启动之前准备的控制器运行的指令系列来分析样本。如果要寻找多于一种分析物，则指令自动引导对每种分析物敏感的纳米粒子的混合并且顺序地执行测量。在另一个版本的仪器中，机械或光学开关感测到样本插入到磁共振系统中，并且自动地发起测量序列。

在一个实施例中，T2变化是分析物存在的主要指示。为了检查可影响T2测量的漂移或错误，系统可以比较样本的所测量的T2与之前测量过T2值的密封的校准样本的T2。密封的样本可以包含水中的硫酸铜、矿物油或具有稳定T2的其它液体以用于比较。或者，可以周期地测量密封的校准样本。

可以使用差异很大的机制用于将样本呈现到磁共振系统中。可以在诸如玻璃NMR管、塑料管或小瓶的容器中、诸如塑料微型离心机管道或烧瓶的一次性容器、或其它适当容器中，混合包括液体介质、分析物和纳米粒子的样本。优选的聚合物是PEEK(聚醚醚酮)，因为其坚韧、安定并且机械可加工。可以将容器涂覆以一种材料，以防止纳米粒子粘附到壁、成块、或沉淀出混合物。例如，涂层可以是诸如BSA(牛血清蛋白)的蛋白质。包括样本的容器可以手动地或通过机械馈送器被插入磁共振系统。或者，通过插入样本液体到容器中，例如通过泵送样本或其成分穿过管道进入容器，可以使用磁共振系统中固定的容器用于多样本测量。测量之后，然后使用泵、管道、阀门和相关的液体流动设备将样本从固定的容器中提取出来。可以在样本之间执行清洗或漂洗步骤。可以执行对保存蒸馏水和纳米粒子的水池的紫外处理以防止细菌形成。或者，诸如叠氮化钠的杀真菌剂可以以痕量混合在蒸馏水中，以防止细菌和藻类在水中生长。

在图11中示意性描述的一个实施例中，多个传感器单元连接到一个控制器。例如，自动、位置固定的系统可包括具有电源的中央控制器1102和脉冲发生器或发射器，它们通过线缆连接到多个遥控传感头1106a和b。尽管仅描述了两个传感头，但是可以使用多个。每个传感头1106包括样本制备装置以及例如结合图7描述过的所选纳米粒子、磁共振磁体、前置放大器和线圈。RF电源脉冲通过受控制器1102控制的输出复用器1108路由到传感器单元。来自传感器单元的信号通过同样受控制器控制的输入复用器1112路由到接收器1110。优选地通过同轴线缆进行互连。或者，每个传感器单元可包括RF放大器。当RF放大器位于传感器单元时，互连不携带高能RF脉冲并且因此可以是无线、光纤或其它通信工具以及同轴线缆。图11中描绘的系统的元件以上述方式工作。

在一个实施例中，可以从自由空气、HVAC管道、诸如购物中心、地铁和其它公共交通区域的内部空间、或任何其它空气系统中提取悬浮在空气中的微粒物质，以检测疾病或恐怖袭击。(HVAC表示供热、通风和空调。)收集优选包括提取微粒物质到系统中或从空气中将粒子集中到液体介质中。图12示出这种监控系统的示意图。收集器1202可以位于一个管道内或者要监控的任何其它区域内，并且可以包括一个机罩(未示出)以阻挡灰尘和虫子。收集器1202可以包括静电集中器以吸引分析物或样本材料。流控系统1204将分析物从收集器1202运送到集中器磁体系统1205，在那里，样本暴露于如上所述的非均匀磁场。或者，集中器磁体系统可以产生均匀场。流控系统然后将样本从集中器磁体运送到磁共振分析器或系统1206的样本区。磁共振系统1206可以是结合图7描述过的系统。流控系统1204可以包括自动的微流控混合器以混合分析物和诸如水介质的液体以及为要检测的一种或多种分析物而配制的纳米粒子。纳米粒子和水的水槽1208也可以是流控系统的一部分。然后通过流控系统将混合后的样本传递给集中器磁体系统1205，在那里样本暴露于非均匀磁场。流控系统然后将样本运送到磁共振系统的样本区，在那里进行测量。在一个实施例中，流控运送系统与混合器连通并且延伸进入样本区。取决于测量结果，样本可以被倒入废料容器，存储为档案材料，或被发送给第二分析系统。可以令废水通过一个过滤器而循环再利用。

图13和14是磁集中器系统的示意表示。图14中描述的系统是系统的一个实施例，其可以用作磁集中器705以执行在此所述的方法。图中所示的实施例是一个流动池导管，包括一个外部型磁分离系统。流动池1301包含纳米粒子-分析物混合物(由浅点画表示)。管道1302运送该混合物进出流动池1301。永磁体1303和例如场集中极片的磁通量集中器1304位于流动池1301附近。磁体1303具有与箭头所指示的方向相关的磁场。磁通量集中器1304将磁通量从磁体1303传递到流动池1301中并且遍及流动池1301产生非均匀磁场和较强的场梯度。场强度最高的高场区1305(深点画)在与磁通量集中器1304相邻的流动池中产生。在本实施例中磁通量集中器1304被塑形以产生沿流动池1301的表面延伸的大致线性的高场区1305。液体混合物中的纳米粒子-分析物复合体被吸引向高场区1305，从而增加复合体的浓度并且提高相互作用的速度。

图14是磁集中器系统的组合的俯视图和截面图，其可以与在此所述的分析器系统一起使用。包含纳米粒子-分析物混合物(以点画示出)的离心管1412和1413被放在磁体组件1411中。磁体组件1411包括盘状永磁体1414，这是强度为42 MGOe并且磁化方向如箭头所示的NdFeB永磁体盘。永磁体1414上方是极片1415，它是一个被切除了六个半圆槽口1416的钢盘。极片1415与永磁体1414一起在圆形槽口之间的空间产生较强的高度非均匀的磁场1417，并且其中放入离心管1412和1413。该形状的极片1415的用途是将磁通量从永磁体1414改向，并且尽可能靠近离心管1412和1413地径向放射该通量。磁体组件1411的外壳可以是钢的，以作为处理区边界并且将通量带回永磁体1414。所示出的本实施例在最靠近极片1415的样本体积中产生0.7特斯拉的磁场，并且在离心管1412的相反侧下降到大约0.2特斯拉。将同时磁处理六个样本，在几分钟内将溶液中的原始纳米粒子-分析物复合体转换为反应链的集中沉淀物。

图15是进行了磁处理和没进行磁处理的磁共振数据的图示。通过测量磁共振T2参数来收集数据作为试验的一部分以检测生物危险材料。该图示出在各种条件下，在20小时的时期中，T2相对于初始值的变化。粗(上部的)线示出三次测量的平均值，其中炭疽(细菌炭疽DNA、质粒px01、浓度20ng/mL)通过选择性地结合到附着到纳米粒子的适当探针而与纳米粒子相互作用，并且根据本发明的方法与磁处理相互作用。在此，除了实际测量T2时，在测试持续期间，样本混合物暴露于范围从混合物一侧的大约0.8特斯拉到样本对侧的大约0.2特斯拉的非均匀磁场。显示为x的是单个测量结果。对于具有分析物和磁处理的样本，观测到大约23毫秒的实质信号或T2变化。实细线示出对于相同分析物的结果，但是没有进行磁处理。观测到可忽略的T2影响。点线和虚线显示进行磁处理和没进行磁处理的没有分析物的受控样本的测量结果相同。此实验的结论是，本发明的磁处理极大增强了来自低浓度炭疽DNA的可检测的磁共振信号。

图16a-e描绘了结合图12所描述的固定安装的系统的实施例和三种收集器入口。图16a是透视图并且图16b是系统的正视图，示出了入口1602和显示器1604。图12a中描述的其它元件包含在外壳中。图16c-e描绘了系统的三种入口选择。一旦开始，控制器使得系统周期地收集样本以用于分析。也可以手动地操作系统。可以通过按钮或触摸屏来提供用户接口。显示器1604可示出工作状态。可以通过例如生物测定识别法，诸如指纹识别或密码来控制用户访问。

图17是手持系统的正面透视图。可以用单个按钮的自治操作模式来操作本系统。可以通过小瓶或管道引入样本。容器1702中的样本可以通过顶部的接收器或开口1704引入系统。在系统内，流控系统将以上述结合图10a描述的方式来处理样本混合并且将样本移动到NMR系统中。用户接口1706可以包括显示屏上的“生物危害”和“安全”点亮的区域。为了开始操作，在触摸屏上提供开始按钮。在屏幕上指示系统工作的状态。

现在将参考图18描述可以出于医疗诊断目的来执行或实施上述测量或检测技术的系统的一个实施例，图18是自动采样测试系统的功能框图。对于临床应用，样本包括来自患者的材料标本。材料可以包括活的或死的细胞材料，诸如皮肤、血液、感染性蛋白质、骨髓、毛发、活组织切片样本、或其它组织；或者非细胞生物材料，诸如唾液、黏液、痰、静脉液、尿、粪便、脓、脊髓液和胃或肠的内容物；或任何其它从人体或动物体获得的样本材料。收集该材料包括患者或临床对象产生该材料、医师从患者或临床对象的身体提取该材料、调查人从犯罪现场或事故现场寻找样本材料、或导致收集到用于测试的生物材料的任何其它步骤。

首先，流控系统1802提取患者的标本1804或其一部分或其溶液到混合器中，混合器将样本材料与例如存储在溶剂槽1806中的溶剂、以及存储在槽1808a-c中的一种或多种纳米粒子混合。每种纳米粒子可以对与疾病或医疗条件相关的一种或多种化学品或分析物敏感。图18示出三种纳米粒子类型，但是可以使用任何多种纳米粒子类型，其中每种对与一种或多种医疗条件相关的一种或多种分析物敏感。疾病包括可传染的病原体，诸如病毒或细菌，以及不传染的疾病，诸如癌症或高胆固醇血症。化学品包括酶或身体产生的其它生物标志、毒素和药物。在一个实施例中，用户选择要在测试特定患者的标本时使用的纳米粒子的类型。例如，医师可以提取患者血液的样本以检查药物浓度以便控制剂量，或者保安在机场或边境可以收取活鸡或死鸡的组织样本以检查禽流感。其它处理步骤可以包括裂解该样本以释放DNA或RNA或样本的其它成分、加热或冷却该样本、调整样本的pH值、或其它所需步骤，以提高纳米粒子和分析物之间的选择性反应。混合的样本或其一部分然后被传送到磁共振系统1810，诸如图7中描绘的系统中。图18中描绘的系统也可以包括以上结合图7和14所描述的集中器磁体，样本在处于磁共振系统中或之前暴露于非均匀磁场。样本或者可以与磁共振仪内的容器内的纳米粒子混合，从而避免传送混合的样本的步骤，并且可以在样本处于磁共振仪内时采取额外的处理步骤。

磁共振仪然后测量来自样本的信号，诸如样本的T2，并且分析那些信号以确定所选分析物的存在或不存在或浓度。然后，根据测量结果，医师然后可以诊断患者的疾病。

在上述系统的一个实施例中，系统通过测量来自液体的信号来检测分析物，该信号与磁场相关。具体地，该信号对纳米粒子周围的特殊区域中的不同磁场敏感。当分析物结合到相应抗体或其它结合剂时，分析物保留在该特殊区域中，并且因此保留在该不同的磁场中。分析物置换该区域的液体，使得液体不再在该区域中放射磁场的磁共振信号特性。同样，重要的是，注意到分析物不放射磁共振信号，或至少不放射与液体的磁共振信号相似的信号。这是因为分析物被紧紧保持在固体纳米粒子上，使得分析物呈现固体的短T2特性。因此，在一个实施例中，分析物在占据特殊区域时不产生与液体相似的信号。

凝聚可以产生T2而不是T1的变化，而T1和T2都响应于增加的纳米粒子浓度而变化。因此，T1的测量可以用作纳米粒子浓度的校准或独立测量。在一个实施例中，该系统测量样本的T1和T2，分析T1值以确定纳米粒子浓度，并且分析T2值以检测分析物。或者，可用其它方法测量样本中的铁含量，并且因此测量纳米粒子浓度。

控制器执行的数据处理步骤包括为关于分析物存在的参数，诸如CPMG数据中的T2变化拟合数据。一般地，CPMG中的回波串被拟合为单指数公式，三参数拟合用于幅度、时间常数和背景。实现此步骤的简单但有效的方式是格点搜索，其中首先由数据估计所有三个参数，并且然后通过在估计值上下改变所有三个参数来生成值的三维网格。然后从公式中选择最佳值作为数据的最小x检验法(chi-square)或者均方偏差。从最佳值开始，再次计算新的搜索网格，计算偏差，并且再次得出最佳值。此过程重复多次(典型为9次)以获得最佳全局拟合。可选地，网格的规模可以在每次使用时减小一个因子(典型地为0.95)，使得不会重复出现相同值。

磁共振系统的主要子系统是脉冲发生器、信号接收器和控制器。这些子系统可以位于分开的板上，通过线缆互连。或者，这些子系统可以集成为一个计算机板上的单个电路。后者的优点在于，不需要进行线缆互连，并且还在于可以对所有子系统使用一个时间基础。

系统可以使用电池供电。系统在数据获取期间使用极少的能量，并且可以被编程以休眠模式使用几乎零能量。

在一个实施例中，系统也包括与控制器连接的放射检测器。放射检测器的目的是检测样本中的放射性材料。放射检测器可以是任何放射传感器，优选地对伽马射线敏感，诸如半导体、闪烁器和充气计数器。检测器可以邻近样本收集装置、样本混合系统、或位于磁共振系统下游的保持腔放置。

诸如蜘蛛的虫子会挡住空气入口和收集器。阻挡这些虫子进入的第一障碍是过滤器。对于外部装置，可以包括缓慢释放的杀虫剂，其优选地对人和宠物无害。可以沿入口的轴或在入口的口附近施加这种杀虫剂。

在一个实施例中，本系统和方法检测爆炸物和化学武器材料。本系统和方法可以使用如上所公开的纳米粒子执行检测，其中纳米粒子上的特定结合部位结合到爆炸物或化学武器分子。或者，本系统和方法可以通过测量来自样本材料自身的磁共振信号来检测爆炸物或化学武器材料，而不使用纳米粒子。本系统可以利用自旋核奥氏效应(SpinNuclear Overhauser Effect)来检测化学武器和爆炸物。在此情况下不需要使用纳米开关。另一种结构可以是包括气体色谱法、质谱学、离子迁移光谱学、其它分析技术、以及具有或不具有纳米粒子的NMR的混合系统。

本发明系统和方法的优点是，可以使用相同装置对多种分析物执行确认测试。例如，爆炸物的确认测试包括使用磁共振系统测量T1参数，因为对于大多数爆炸物来说T1极长(数秒)。作为另一个实例，对于诸如神经药剂的化学武器的确认测量是根据氟或磷元素的特征拉莫尔频率对它们进行磁共振扫描。

在一个实施例中，本系统通过测试从信件中收集的特定物质来检测信封中的毒素和生物武器。在此应用中，本系统可优选地包括用于从信封中提取特定物质的装置，诸如摇动、振动、将空气吹过信件或压缩信封。本系统可以包括用于切割信封以寻找粉末的装置，优选地仅在其它传感器对某个具体信件有所怀疑之后进行。

采集空气样本的应用的优选实施例包括空气入口、收集器、集中器和自动流控系统。空气入口包括一个过滤器以排除灰尘和虫子，以及旋流器从空气中分离样本粒子。入口可使用“撞击器”或“前置分离器”或者“分馏器”，并且用作防止大的东西(例如，尺寸大于大约10微米空气动力学直径的粒子)进入检测器或识别器。大粒子分馏器是环境取样器中的集成组件-它是内部喷嘴和对于喷嘴来说正常的板的组合。对于HVAC单元或所占据的环境取样器，可以有一个可选的前置分离器筒，其位于入口的下游。另外，对于环境取样器，可以有一个紧接着排气口位于其上游的虫网。收集器包括集中器装置，其包括有效的撞击器以将样本粒子插入液体介质中。然后流控系统将样本与纳米粒子混合。

在一个实施例中，本系统和方法适于检查海运集装箱，例如检查海运集装箱中物件的危险材料或药品或微生物。本实施例包括用于从海运集装箱的内部空间提取空气的装置、用于收集或集中该空气中悬浮或携带的任何材料的装置、用于混合材料与纳米粒子的装置、以及用于将混合物呈现给磁共振系统以用于测试的装置。可以通过打开海运集装箱的门来执行检查。或者，可以通过海运集装箱上的口或能重新盖紧的开口提取内部空气。在序列号为60/669019、2005年4月7日提交的题目为“SHIPPING CONTAINER INSPECTION DEVICE”的临时申请中提供了更多细节。

那些技术人员将进一步意识到，结合在此公开的实施例所描述的各种示出的逻辑块、模块、电路和算法步骤经常可以实现为电子硬件、计算机软件、或二者结合。为了清楚地示出硬件和软件的这种可互换性，上述的各种示意性的组件、块、模块、电路和步骤是针对其功能性描述的。这种功能性是实现为硬件还是软件取决于特定的应用和施加给整个系统的设计约束条件。技术人员可以针对特定的应用以变通的方式实现所描述的功能性，但是这种实现决策不应该解释为导致脱离本发明的范围。另外，模块、块、电路或步骤的功能组合是为了描述的简便。可以从一个模块、块或电路中去除特定的功能或步骤，而不脱离本发明。

结合在此公开的实施例所描述的各种示意性的逻辑块、模块和电路可以使用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散的门或晶体管逻辑、离散的硬件元件或任何它们的组合来实施或执行，以执行在此所描述的功能。通用处理器可以是微处理器，但作为替代，处理器也可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或任何其它这种结构。

结合在此公开的实施例所描述的方法和算法的步骤可以直接实施为硬件、由处理器执行的软件模块、或二者的组合。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM、或任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质可以连接到处理器，使得处理器可以从存储介质中读取信息并且写信息到存储介质中。作为替代，存储介质可以与处理器集成。处理器和存储介质可以驻留于ASIC中。

提供所公开的实施例的上述描述以使本领域的任何技术人员能够作出或使用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域技术人员来说将显而易见，并且在此定义的一般原理可以应用于其它实施例，而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明并非旨在被限制为在此所示的实施例，而是应根据与在此所公开的原理和新颖特征一致的最宽的范围。

Claims (19)

1.一种非用于疾病诊断目的的用于检测分析物的方法，包括下列步骤：

将纳米粒子附着到分析物，从而形成纳米粒子-分析物复合体；

对已知液体中的所述复合体施加磁场，从而磁化所述纳米粒子；

然后，使得磁场对纳米粒子施加力，并且使得纳米粒子相互施加磁力；

然后，使得复合体响应于所述磁力而进行运动；

使得所述复合体发生相互作用，所述相互作用被所述运动增强，其中，所述相互作用是分子结合反应；

从包括所述复合体和已知液体的样本中激励磁共振信号；

通过分析所述磁共振信号来确定样本的T2；以及

通过比较确定的T2和预定值来确定分析物是否存在于样本中。

2.如权利要求1的方法，其中，所述分析物是从分子、分子片段、分子复合体、病毒、细胞和细菌的组中选择的。

3.如权利要求1的方法，其中，所述磁场在由复合体占据的区域中基本上是均匀的。

4.如权利要求1的方法，其中，所述磁场在由复合体占据的区域中基本上是非均匀的，并且其中，所述磁场在所述区域的一个子体积中最强。

5.如权利要求4的方法，其中，所述复合体在液体介质中具有初始浓度；并且其中，所述磁场与纳米粒子一起促使所述复合体朝向所述子体积移动，从而使所述复合体在所述子体积中的浓度高于所述初始浓度；并且其中，所述相互作用由于子体积中的更高复合体浓度而被加速。

6.如权利要求1的方法，其中，成对所述纳米粒子相互施加互磁力；并且其中，所述互磁力促使复合体与磁场对齐地彼此接近，从而当反应物与磁场对齐地定位时引起发生相互作用。

7.如权利要求1的方法，其中，所述相互作用产生包括纳米粒子和分析物的产物。

8.如权利要求7的方法，其中，所述运动导致产生所述产物的延长的和基本上线性的链形式。

9.如权利要求7的方法，其中，所述运动抑制包括所述产物的纳米粒子和分析物的分布式积聚物的凝聚物形式的产生。

10.如权利要求1的方法，其中，所述分析物的存在由所确定的T2大于预定值来指示。

11.如权利要求1的方法，其中，所述预定值是已知液体与纳米粒子的组合的T2。

12.如权利要求9的方法，其中，所述分析物的存在由所确定的T2小于预定值来指示。

13.如权利要求1的方法，进一步包括测量已知液体和纳米粒子的T2。

14.如权利要求1的方法，其中，所述T2参数在所述相互作用发生之前被测量并且在所述相互作用发生之后被再次测量；并且比较两次测量获得的T2值。

15.如权利要求14的方法，其中，T2增加表示已经形成了延长的基本上线性的链结构；并且其中，T2减小表示已经形成了分布式凝聚物。

16.一种非用于疾病诊断目的的检测样本中的DNA的方法，包括以下步骤：

将纳米粒子结合到具有与所述DNA互补的序列的DNA探针，以建立纳米粒子探针；

在液体中将所述样本与纳米粒子探针混合，以形成液体样本并且促进纳米粒子探针和DNA之间的结合；

测量所述液体样本的磁共振参数T2；

对所述液体样本施加基本上非均匀的磁场，从而磁化所述纳米粒子；

将纳米粒子拉入液体样本中磁场最强的子体积中；

在所述子体积中形成纳米粒子探针和DNA的链状结构；

重新混合所述液体样本；

测量所述液体样本的磁共振参数T2；以及

通过比较T2测量结果来确定DNA是否存在。

17.一种非用于疾病诊断目的的检测样本中的DNA的方法，包括以下步骤：

将纳米粒子结合到具有与所述DNA互补的序列的DNA探针，以建立纳米粒子探针；

在液体中将所述样本与纳米粒子探针混合，以形成液体样本并且促进纳米粒子探针和DNA之间的结合；

测量所述液体样本的磁共振参数T2；

对所述液体样本施加基本上均匀的磁场，从而磁化所述纳米粒子；

形成纳米粒子探针和DNA的链状结构；

测量所述液体样本的磁共振参数T2；以及

通过比较T2测量结果来确定DNA是否存在。

18.一种非用于疾病诊断目的的用于检测分析物的方法，包括以下步骤：

将分析物结合到顺磁纳米粒子以形成纳米粒子-分析物复合体；

将已知液体中的所述复合体置于非均匀磁场中，从而在具有最强场的非均匀磁场区域中集中所述复合体；

其中，所述复合体的集中增强了复合体相互结合的过程；

从包括复合体和已知液体的样本中激励磁共振信号；以及

通过分析一个或多个所述磁共振信号来确定分析物是否存在于样本中。

19.一种非用于疾病诊断目的的用于检测分析物的方法，包括以下步骤：

将分析物结合到顺磁纳米粒子以形成纳米粒子-分析物复合体；

将已知液体中的所述复合体置于均匀磁场中，从而磁化所述纳米粒子并且在所述纳米粒子之间产生偶极-偶极力；

其中，所述力增强了所述复合体彼此结合的过程；

从包括所述复合体和已知液体的样本中激励磁共振信号；以及

通过分析一个或多个所述磁共振信号来确定分析物是否存在于样本中。

Images