CN101726535B - 时间分辨剩磁弛豫检测仪及其在超顺磁性纳米材料检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时间分辨剩磁弛豫检测的弱磁检测仪器及其应用。本发明的检测仪器由内置高灵敏度磁敏感元件的检测单元及样品支架、脉冲磁场发生器、信号数据采集及转换系统及计算机组成。其工作原理是利用边沿陡峭的脉冲磁场对超顺磁性的纳米材料进行脉冲磁化，然后采用高灵敏度的磁敏感元件通过对超顺磁性纳米材料在脉冲磁场作用下产生的剩磁弛豫进行跟踪分析，实现对超顺磁性纳米材料的定量检测。利用该仪器，结合具有超顺磁性的纳米颗粒或磁珠，可以实现高灵敏度的生物分析。本发明仪器及方法检测速度快、成本低、灵敏度高和稳定性好，适用于生物分析、疾病诊断、食品安全和环境监测等领域。

Description

时间分辨剩磁弛豫检测仪及其在超顺磁性纳米材料检测中的应用

技术领域

本发明属于生物与药物分析仪器及分析方法领域，具体涉及一种对超顺磁性纳米材料进行定量检测的时间分辨剩磁弛豫检测仪及其应用。 

背景技术

超顺磁性纳米材料磁学性质的特点是其核心纳米颗粒的尺寸小于单个磁畴的尺寸，处于纳米量级，因此自旋电子在热运动能的作用下处于无规取向状态，不表现出宏观磁性。在外磁场作用下，具有超顺磁性的纳米材料可以被磁化，然而，当外磁场消失后，超顺磁材料无需外部消磁便能很快退磁。这一基本特性正是超顺磁性纳米材料，包括铁，铁的氧化物及铁与其它金属形成的合金纳米材料能够在生物分离和分析中得到应用的原因。 

利用上述超顺磁性纳米材料的特性，在上个世纪末建立发展的以 

为代表的免疫磁珠技术已经在生物分子、细胞、细菌及病毒的分离方面得到了广泛的应用，免疫磁珠的结构特点是尺寸在50nm—4500nm之间，磁珠多由聚合物构成，内嵌超顺磁性磁性纳米晶体，详见 

公司的磁珠产品及相关论文(Journal of Magnetism and MagneticMaterials，2005，293，41)，其它有关超顺磁性纳米磁珠与生物分子如抗体耦联的相关技术见专利(CN1936580A，CN101149376A)。 

免疫磁珠在生物分析中的应用需要与不同的生物分析技术联用，如：与酶联免疫、荧光免疫、化学发光等检测技术相结合，实现集富集、分离、检测一体化的分析技术，见专利(CN1719256A，CN1766614A)。采用上述联用方法，以免疫磁珠为载体的生物分析技术在食品安全、药物分析、病毒检测、微生物检验及临床诊断等领域展现出广泛的应用前景。但在上述联用技术中，免疫磁珠主要充当富集载体而非直接检测对象。因此，上述“磁分离—检测”技术的检测灵敏度不仅取决于所联用技术的检测灵敏 度，同时也取决于信号标记分子与免疫磁珠表面结合待测物的识别效率。由此可见，建立直接检测超顺磁性免疫纳米材料的弱磁检测技术，可摒弃与其它检测技术的联用，从而有利于实现更高的检测灵敏度。 

目前，国内外已经有针对具有超顺磁性免疫磁珠进行直接检测，从而实现免疫磁分析的技术方法，主要包括利用传感设备包括磁阻传感器、磁阻抗传感器、霍尔效应传感器、磁通门传感器、巨磁阻传感器及巨磁阻抗传感器等。如：采用巨磁阻抗(GMI)生物传感器实现对溶液中免疫磁珠的检测(Biosensors and Bioelectronics，2005，20，1611)；再如：采用各向异性磁致电阻(AMR)生物传感器实现对免疫磁珠的检测(CN1667412A)；再如：采用巨磁阻(GMR)生物传感器对免疫磁珠进行检测(CN1645142)。因为，超顺磁性纳米在不磁化的情况下并不表现出磁性，尽管采用上述部分技术，超顺磁性纳米材料在测试过程中可以被传感器诱导产生一定的磁性，但检测灵敏度尚需提高(Biosensors and Bioelectronics，2005，20，1611)。而部分上述技术不适用于微量超顺磁性纳米材料的检测。 

通过采用核磁共振仪检测小尺寸磁性纳米颗粒因聚集状态变化而产生的核磁共振信号变化，也可以进行生物样品的磁检测(J.Am.Chem.Soc.2003，125，10192)，但磁共振仪昂贵的造价及应用方法的单一性使得该技术无法真正投入实际应用。 

发明内容

发明目的： 

本发明提供一种时间分辨剩磁弛豫检测仪，该检测仪器通过对磁脉冲激发后超顺磁纳米材料的剩磁弛豫进行分析，实现对超顺磁性物质含量的测定。本发明的第二个目的是提供利用上述时间分辨剩磁弛豫检测仪，结合超顺磁性的磁纳米颗粒或磁珠进行生物及药物分析的方法。 

技术方案： 

本发明提供一种时间分辨剩磁弛豫检测仪，该仪器包括以下组成部分：电流脉冲发生器、通电螺旋管(赫尔姆霍茨线圈)、至少一个高灵敏度磁敏感元件、信号数据采集及转换系统、磁场屏蔽盒及计算机。 

在本发明的检测仪器中，电流脉冲发生器与通电螺旋管相连，为通电 螺旋管提供边沿陡峭的脉冲电流；通电螺旋管在脉冲电流的作用下，产生脉冲磁场，用于对超顺磁性纳米材料进行磁化。 

本发明的检测仪器还包括高灵敏度磁敏感元件，可以是尺寸小、灵敏度高的磁阻(MR)传感器、磁阻抗(MI)传感器，以及巨磁阻抗(GMI)传感器和巨磁阻(GMR)传感器，用于对被磁化的超顺磁性纳米材料的剩磁进行跟踪检测。 

在本发明的检测仪器中，通电螺旋管的中轴线与高灵敏度磁敏感元件的磁场敏感面相平行，样品紧贴在高灵敏度磁敏感元件的顶面，样品和高灵敏度磁敏感元件置于通电螺旋管内或通电螺旋管的端口处。 

本发明的检测仪器还包括信号数据采集及转换系统，该系统具体由信号放大器、模拟—数字(AD)转换系统、单片机控制系统和计算机组成。其中，AD转换系统将放大器输出转换为数字信号，通过并行数据总线将结果经锁存寄存器送入单片机控制系统；单片机控制系统接收、分析来自计算机的命令并发出相应的控制命令，控制脉冲电流发生器及AD转换系统的工作状态，并将来自AD转换系统的结果通过通信接口发送给计算机，完成测量过程。 

本发明的检测仪器还包括磁场屏蔽盒，用于减少外部磁场对测试的影响。 

本发明还提供采用该检测仪器进行生物检测分析的检测方法，该方法采用超顺磁纳米颗粒(尺寸为5—50nm)或磁珠(尺寸为50—5000nm)为信号载体，利用磁性纳米颗粒或磁珠表面携带的特殊的配体或受体与生物样品如：蛋白、核酸、病毒或细菌上的受体或配体的特异性结合，实现对待测蛋白、核酸、病毒或细菌的分析检测。利用相同的方法也可以实现对合成药物或天然药物的分析。其关键步骤在于利用上述特异性的识别作用，通过有效地改变在基底表面被固定的超顺磁性纳米材料的量(如：采用免疫竞争法，基底上被固定的磁性纳米材料会因与待测物的作用而减少；采用免疫结合法，磁性纳米材料会因与待测物的作用而在基底上富集)，以达到生物分析或药物分析的目的。上述时间分辨剩磁弛豫检测仪在生物与药物分析中的应用不仅仅局限于免疫识别方法，就说明问题需要以免疫夹心法对抗原的检测为例，利用该仪器进行具体分析检测的步骤如 下： 

1)灵敏度调节：采用脉冲磁场磁化已知量的超顺磁性纳米材料，脉冲过后，启动高灵敏度磁敏感元件对超顺磁性纳米材料的剩磁进行跟踪检测，将得到的结果送入微控制处理器，如结果溢出，则减少可编程放大器的放大倍数，直至结果略小于AD转换系统的满量程，其中超顺磁纳米材料的最大选取量在5000nmol； 

2)上样：将经免疫反应在表面上形成了夹心复合物(抗体—抗原—“抗体/超顺磁性纳米材料耦联物”)的基片定位于检测单元上的样品测试区； 

3)剩磁弛豫检测：采用脉冲磁场磁化基片上的超顺磁性纳米材料，脉冲停止后，由电脑程序发出指令启动高灵敏度磁敏感元件对基片表面超顺磁性纳米材料的剩磁进行跟踪检测； 

4)数据记录：与步骤(3)同时启动还有，整个信号数据采集及转换系统，对磁敏感元件输出的信号进行采集，直至检测完成。将记录的磁弛豫信号通过微控制处理器输入计算机，并在相关程序的辅助下完成单次分析。根据需要，可重复步骤(2)～(3)，对多次测量的结果进行统计平均； 

5)本底测量：取出样品，重复步骤(3)～(4)，获得本底值以校正测量结果； 

6)数据处理：根据本底值对检测结果进行校正，对校正结果进行分析获得被测超顺磁材料的含量信息，依据超顺磁性材料与已知量待测物之间建立的工作曲线，得到待测物的含量。 

技术效果： 

本发明的超顺磁性纳米材料检测仪及其检测方法的原理是利用磁脉冲对超顺磁性的纳米材料进行磁化，然后通过时间分辨技术，利用高灵敏度磁敏感元件对被磁化的超顺磁性纳米材料的剩磁弛豫进行分析，从而实现对被测生物组分定量分析。鉴于超顺磁性纳米材料的感应磁场在无需外磁场退磁的情况下可自行消失的特点，通过时间分辨技术来检测脉冲磁场诱导超顺磁性纳米材料产生剩磁的方式对超顺磁性纳米材料进行定量检 测，有效降低了外磁场的干扰，从而大大地提高了检测灵敏度。 

在进行生物分析与药物分析时，通过检测磁性纳米材料因与待测物相互作用在特定位点所产生的量的变化，从而进行生物分析及药物分析。鉴于生物分析与检测对检测仪的小型化要求，本发明所采用的磁敏感元件包括尺寸小、灵敏度高的磁阻(MR)传感器、磁阻抗(MI)传感器，以及巨磁阻抗(GMI)传感器和巨磁阻(GMR)传感器实现检测仪器的小型化。尤其是磁阻抗传感器及巨磁阻抗传感器较磁通门传感器更利于小型化及便携式生物检测仪器的设计与制造。 

总之，本发明的生物样品分析检测仪器和检测方法具有以下优点：1)通过对超顺磁性纳米材料的剩磁弛豫进行时间分辨测量，可有效甄别外部磁场的干扰，提高检测灵敏度；2)利用脉冲磁场对超顺磁性纳米材料先进行磁化，再进行测量可以将检测灵敏度提高到＜100nmol Fe；3)提高对超顺磁性纳米材料的检测灵敏度是有效提高通过对磁性纳米材料检测所建立的生物分析及药物分析方法灵敏度的关键，以本仪器技术方案所提供的高检测灵敏度可大大拓展更小尺寸的超顺磁性纳米颗粒，如尺寸小于30nm的磁性纳米颗粒在生物分析中的应用。 

因此，本发明以超顺磁性纳米材料(颗粒或磁珠)作为信号转换放大示踪标记物，在脉冲磁场作用下，通过对其剩磁弛豫进行分析，为生物分析及药物分析提供了检测仪器及检测方法。具有操作简单快速、灵敏度高及检测成本低的特点，在生物分析、疾病诊断、食品安全、环境监测等领域具有巨大的应用前景。 

附图说明

图1：时间分辨剩磁弛豫测量原理图 

图2：检测仪器的简化模块图 

图3：检测单元及样品支架示意图 

其中图3A是俯视图，图3B是侧视图 

图4：屏蔽盒简图 

图5：采用单个敏感元件的时间分辨剩磁弛豫检测仪的电子线路框图 

图6：采用两个磁敏感元件时信号输入与放大线路图 

图7：采用单个磁阻抗传感器进行测试实验的实验结果图 

图中主要组件符号说明如下： 

1.检测单元及样品支架；2.样品测试区；3.高灵敏度磁敏感元件；4.导线；5.脉冲电流发生器；6.通电螺旋管；7.信号数据采集及转换系统；8.电流开关控制线；9.放大器；10.AD转换器；11.单片机控制系统；12.通信接口；13.通信电缆；14.计算机；15.并行数据总线；16.磁场屏蔽盒；17.电缆通道；18.屏蔽盒盖。19.MOSFET管(金属氧化物半导体场效应管)；20.放大倍数控制器；21.锁存寄存器；22.微控制处理器；23.前置放大器；24.可编程放大器；25.开关二极管；26.直流电源。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测仪器和检测方法进行详细描述。 

基本原理 

图1是本发明仪器的检测原理图。超顺磁纳米材料在边沿陡峭的外磁场H₀作用下磁化产生强度为B_m的感应磁场，外磁场于t₁时刻撤销，超顺磁纳米材料的感应磁场在t₄时刻消失，当其强度下降到B_m/2所需的时间为剩磁弛豫时间t₂-t₁。剩磁弛豫时间依赖于超顺磁性纳米材料本身的组成、尺寸及形状等因素，不同种类的超顺磁性纳米材料将表现出不同的剩磁弛豫行为，而相同组成的超顺磁性纳米材料则表现出依赖于观测时刻及超顺磁纳米材料质量的剩磁量。本发明所谓的剩磁弛豫检测即从t₁时刻开始，跟踪检测超顺磁纳米材料的剩磁弛豫过程，通过对比不同量超顺磁性纳米材料的弛豫过程以及在某一时刻的剩磁，得到待测物的磁响应信号与超顺磁纳米材料之间的量效关系，实现超顺磁性纳米材料的定量测试。 

检测仪器 

图2显示了本发明检测仪器的简化模块图，主要由样品检测单元、脉冲磁场发生器、信号数据采集及转换系统和计算机组成。下面就个部分实施作进一步说明。 

样品检测单元 

图3是检测单元以及样品支架的俯视图与侧视图。样品支架为非磁性 塑料或金属制成，并与磁敏感元件固定到一起，其中磁敏感元件的敏感区与支架在同一平面上，支架的形状一般为长方形，但不限于长方形。样品测试区2标记在磁敏感元件3的敏感区，尺寸略小于高灵敏度磁敏感元件的磁感应尺寸，其中高灵敏度磁敏感元件通过导线4和信号数据采集及转换系统7连接(见图2)。 

待测样品的定位可采以下方法，用一个与载有待测物的基底(如硝酸纤维素膜)尺寸相当的玻璃薄片做背板，背板边缘以具有弹性的金属片将背板及背板与磁敏感元件测试区之间的基片固定在样品支架上。待测样品的定位要求是使待测样品落在磁敏感元件的磁敏感区内，同时保证待测样品与磁敏感区紧密地贴在一起，因此，本发明不限于上述具体的样品定位方式，还可以采用其它方式，只要能够达到定位要求即可。 

为了减少外部磁场对测试的影响，通电螺旋管、高灵敏度磁敏感元件以及样品支架将被置于图3所示的磁场屏蔽盒中。屏蔽盒16及盒盖18由两个屏蔽层构成。内层为具有极高磁导率的箔带材料制成，外层由有抗磁饱和能力的材料制成，内径约为17cm。两端为半球形，其中一端18为屏蔽盒盖，可以取下。箱体侧有一只直径约为15mm的电缆通道17。 

脉冲磁场发生器 

本发明的脉冲磁场发生器5用于产生脉冲磁场，以对处于通电螺旋管6内部的超顺磁性纳米材料进行磁化。 

图5显示了可用于本发明的脉冲磁场发生器的一种具体结构。在该结构中，脉冲磁场发生器5由直流电源26、通电螺旋管6、MOSFET管19和开关二极管25组成。通电螺旋管6由直径为1mm铜导线绕制而成，其内径约15cm，长约20cm。通电螺旋管的内径和长度可依据高灵敏度磁敏感元件的种类做大小调整。通电螺旋管6两端通过MOSFET管19连接直流电源26，开关二极管25与通电螺旋管并联。MOSFET管接受单片机发出的导通信号后，为通电螺旋管提供电流，产生磁场；单片机撤销导通信号，MOSFET管终止通电，磁场消失，至此完成了一个脉冲磁场。陡峭脉冲边沿是由与通电螺旋管并联的开关二极管实现的，该二极管负责快速释放通电螺旋管产生的能量。本发明不限于上述电路结构，还可以采用其 它方式，只要能够达到产生边沿陡峭的磁脉冲目的即可。 

采用上述结构，在脉冲磁场发生器作用下，通电螺旋管6中可产生50mT的脉冲磁场，脉冲持续时间在10ms—60s内可调，脉冲间隔时间在10ms—60s内可调，脉冲磁场衰减到0mT需要的时间小于1ms。 

信号数据采集及转换系统 

本发明的信号数据采集及转换系统的结构和工作原理如图5所示。首先，在计算机的程序控制下，单片机中的微控制处理器22向脉冲磁场发生器5发出电流开启信号，由通电螺旋管6产生脉冲磁场；然后，微控制处理器22在电流开关控制器的电流关闭信号发出后10ms内向磁敏感元件3发出开启控制信号，启动剩磁弛豫测量。剩磁信号经由前置放大器23、可编程放大器24放大，将信号输入到高速AD转换系统10，微控制处理器22控制AD转换系统10进行转换，并将结果通过并行数据总线15送入锁存寄存器21，然后读入微控制处理器22；最后，测试结果经通信接口12和通信电缆13送入计算机14，由计算机14对接收的测量数据进行分析，获得被测组分的信息。计算机14还负责整个系统的参数设置、测量启动工作。 

其中，通电螺旋管的内径可依据高灵敏度磁敏感元件的种类做大小调整；微控制处理器22根据检测需要所设置的电流脉冲宽度和脉冲频率向MOSFET管19发出控制信号，以调节脉冲磁场的持续时间及脉冲间隔时间；放大倍数由微控制处理器22根据AD转换系统10的结果向放大倍数控制器20发出控制信号，调节放大倍数。 

图6是采用两个磁场检测元件的信号放大线路框图，两个磁敏感元件3的输出分别经过各自的前置放大器23后，向可编程放大器24输入差分信号，采用该设置可以有效提高抗环境干扰能力及检测灵敏度，此时可以取消磁场屏蔽盒。 

生物样品的检测方法： 

本发明在生物样品检测中的应用方法是基于特定位点处磁性纳米颗粒或磁珠因与生物分子及药物分子相互作用而发生量的改变，从而实现生 物检测的目的。生物样品包括药物样品与磁性纳米颗粒或磁珠的特异性结合作用，不限于抗体—抗原的免疫结合作用，只要能够通过相互作用使超顺磁性被有效固定(如免疫结合)或释放(如免疫竞争)即可。 

下面以蛋白以及大肠杆菌为检测目标，以免疫识别作用为特异性相互作用，介绍蛋白及微生物检测的具体方法与过程。 

对于蛋白质的检测，可以采用尺寸为30nm以下的超顺磁性纳米颗粒材料，如：超顺磁性氧化铁纳米颗粒，采用小尺寸的磁免疫纳米颗粒的原因是他们与蛋白质尺寸相差不大，有利于通过生物识别作用有效地被固定(免疫结合)或释放(免疫竞争)。待测蛋白样品可通过直接点样的方式固定在硝酸纤维素膜上，然后利用牛血清白蛋白对非点样区进行封闭，被固定的待测蛋白经孵育，与表面结合有抗待测蛋白抗体的磁性纳米颗粒发生识别作用，将磁性纳米颗粒被固定在蛋白点样处，最后利用下面的具体仪器操作过程，实现对待测样品的检测。 

针对微生物类样品，如大肠杆菌的检测，既可以采用小尺寸的超顺磁性纳米颗粒，又可以采用大尺寸的磁珠。利用磁珠的优势是每个磁珠内部含有多个磁性纳米颗粒，有利于提高检测灵敏度。以免疫夹心法为例，先将抗大肠杆菌的抗体通过直接点样的方式固定在硝酸纤维素膜上，然后利用牛血清白蛋白对非点样区进行封闭；再将可以对大肠杆菌进行识别的免疫磁珠与待测大肠杆菌样品孵育，得到结合免疫磁珠的有大肠杆菌，将载有抗大肠杆菌抗体的硝酸纤维素膜与结合有免疫磁珠的大肠杆菌孵育，使载有免疫磁珠的大肠杆菌被固定到样品的检测区，最后利用下面的具体仪器操作过程，实现对待测样品的检测。 

测试条件，包括脉冲磁场的强度、脉冲间隔时间、磁化时间等参数主要根据所使用的超顺磁性纳米材料自身的磁学性质进行设定，对10nm四氧化三铁纳米颗粒的检测，脉冲磁场强度优选1～10mT；脉冲间隔时间优选2～10s；磁化时间优选0.5～10s。 

生物识别过程的具体操作按标准的生物检测操作过程进行，如：Western Blot(免疫印记)及酶联免疫法等。此外，商品化的免疫磁颗粒及磁珠产品也有具体的操作说明。 

本发明仪器及方法在生物样品分析中的应用不局限于直接点样方法， 免疫纸层析方法同样适用于本发明仪器及检测方法。 

本发明仪器在实际生物检测应用前，需根据待测物的性质，选用合适的超顺磁性纳米材料，结合已知量的待测物进行标定，得到标准工作曲线，然后，利用该磁性材料开展待测物的检测。 

时间分辨剩磁弛豫检测仪在生物检测中的具体检测过程如下： 

1)开启检测仪器进入调节灵敏度程序，具体过程包括： 

1.1)微控制处理器22向MOSFET管19发出一个电流开关控制信号，启动脉冲电流发生器5产生一个边沿陡峭的脉冲磁场，磁化超顺磁性纳米材料。 

1.2)微控制处理器(22)启动AD转换器(10)，待转换完成，将结果通过并行数据总线(15)送入锁存寄存器(21)； 

1.3)微控制处理器(22)从锁存寄存器(21)读入数据，如结果溢出，减少可编程放大器(24)的放大倍数，重复步骤1.1～1.3，直至结果略小于AD转换器(10)的满量程。 

2)将待测样品定位于样品测试区(2)。 

3)检测仪器进入正式测试程序，具体过程包括： 

3.1)微控制处理器(22)向MOSFET管(19)发出一个电流开关控制信号，启动脉冲电流发生器(5)向通电螺旋管(6)送出一个边沿陡峭的脉冲电流，磁化超顺磁纳米材料(纳米颗粒或磁珠)； 

3.2)微控制处理器(22)启动AD转换器(10)，待转换完成，将结果通过并行数据总线(15)送入锁存寄存器(21)； 

3.3)微控制处理器(22)从锁存寄存器(21)读入数据； 

3.4)将步骤(3)的结果送入通信接口(12)，通过通信电缆(13)传送给计算机(14)； 

3.5)微控制处理器(22)依据剩磁弛豫情况，判断检测时间分辨测试所需要的时间窗口，并完成一次时间分辨测量； 

3.6)多次重复上述步骤，计算机(14)对多次结果进行平均，进一步提高测量精度和可靠性。 

4)检测仪器进入本底测量程序：将样品取出，重复步骤3)，获得本底值以校正测量结果；

5)检测过程进入数据处理程序，具体过程包括： 

5.1)计算机(14)根据本底值对检测结果进行校正，得到待测品的实测剩磁弛豫曲线； 

5.2)做时间分辨剩磁弛豫曲线分析，依据指定测量时间点的剩磁强度，依据标准工作曲线给出被测组分的含量信息。 

与已有的相关设备和方法相比，本发明的时间分辨剩磁弛豫检测仪和检测方法不仅适用于对大尺寸的磁珠的检测，同时更也适用于尺寸小于30nm的磁性纳米颗粒的检测。而与大尺寸的免疫磁珠相比，小尺寸的磁性纳米颗粒在生物分析中有着更大的优势：1)小尺寸的磁性纳米颗粒在溶液中更容易被稳定分散，有利于同待测物的有效识别；2)小尺寸磁性颗粒由于其尺寸小，在流体中的阻力可以忽略不计，且大小通常与生物大分子相当，因此一个特异性的结合位点足以使纳米颗粒与待测样品产生牢固结合，同时一个待测物分子也同样可以使表面位点被占据的纳米颗粒被有效解离，这使得具有小尺寸的纳米颗粒在免疫检测中表现出更高的灵敏度和使用灵活性；3)小尺寸的磁性纳米颗粒由于具有更大的比表面积，因此有利于最大限度地通过其表面结合的待测生物样品的配体或受体实现与待测生物样品的有效结合，利于检测灵敏度的提高；4)具有小尺寸的磁纳米颗粒，由于在介质中具有更好的流动性，因此更容易实现多样化的磁免疫检测，比如借助成型的纸层析技术，可以对生物分子、药物、细菌及病毒等进行快速检测。 

实施例 

实施例1 

采用单个磁阻抗传感器作为高灵敏度磁敏感元件进行测试实验，具体测试条件如下：脉冲磁场强度为2.5mT；脉冲磁化时间为2s；待测样品为11nm的超顺磁性四氧化三铁纳米晶体(按专利200710187275.0提供的方法制备)；待测样品量分别为12.6μg、21.5μg、59.6μg、168μg、2010μg；采用本底值校正后记录的磁弛豫曲线(20次检测平均)如图7所示。不同量Fe₃O₄纳米晶体在200ms处的检测到的剩磁磁场强度数据见下表。

  

11nm Fe3O4纳米晶体样品量	200ms处检测到的剩磁磁场强度(nT)
		12.6μg	2.1
21.5μg	10.4
		59.6μg	40.0
168μg	154.0
		2010μg	279.3

实施例2 

采用含有单个(单核)四氧化三铁纳米晶体的免疫超顺磁性纳米颗粒对蛋白进行检测的过程如下：采用毛细玻璃管将含有p53蛋白的待测溶液5μL(蛋白含量为0.17μg)在硝酸纤维素膜的特定位点上点样；然后将该硝酸纤维素膜移至含有BSA蛋白的封闭液中进行封闭1h；随后将膜取出，使点有待测样品的一面朝下，放置于含有粒径为11nm的Fe₃O₄纳米颗粒—p53蛋白抗体耦联物溶液的液面上，室温下孵育1～2h后，用TBST缓冲液在洗涤两次，每次10min，再用TBS洗一次，时间为10min；最后，将干燥后的硝酸纤维素膜置于检测单元的样品支架上进行剩磁检测，检测参数为：脉冲磁场强度2.5mT；脉冲磁化时间2s。检测到的磁场强度信号值为5.2nT。 

实施例3 

采用同时含有多个超顺磁性纳米晶体的复合免疫磁珠对大肠杆菌进行的检测过程如下：向大肠杆菌O157:H7的样本溶液10mL(5CFU/mL)中加入耦联有大肠杆菌O157:H7单克隆抗体的免疫磁珠100μL(

，200nm)，孵育20min，此时磁珠表面抗体与大肠杆菌发生免疫识别反应；采用磁性分离器将样品溶液中的免疫磁珠富集，弃去上清，采用PBS缓冲液洗涤3次；将得到的免疫磁珠富集液10μL滴于表面修饰有大肠杆菌O157:H7单克隆抗体的基片上，孵育30min；采用PBS缓冲液洗涤基片表面，除去未结合的免疫磁珠；将干燥后的基片置于检测单元的样品支架上进行剩磁检测，检测参数为：脉冲磁场强度3mT；脉冲磁化时间2s。检测到的磁场强度信号值为327nT。

Claims (12)

1.一种时间分辨剩磁弛豫检测仪，包括用于产生边沿陡峭的磁脉冲的脉冲磁场发生器、位于脉冲磁场发生器中的样品检测单元、和与样品检测单元相连的信号数据采集及转换系统，其中样品检测单元包括位于支架上的高灵敏度磁敏感元件和位于高灵敏度磁敏感元件上的样品测试区，高灵敏度磁敏感元件通过时间分辨技术对被磁化的超顺磁性纳米材料样品的剩磁弛豫进行检测。

2.根据权利要求1所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，其中脉冲磁场发生器包括电流脉冲发生器、与电流脉冲发生器相连的通电螺旋管、用于与电流脉冲发生器和通电螺旋管一起产生边沿陡峭磁脉冲的电路装置，并且样品检测单元位于螺旋管内部的中轴线上。

3.根据权利要求2所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，其中用于与电流脉冲发生器和通电螺旋管一起产生边沿陡峭的磁脉冲的电路装置包括连接在电流脉冲发生器和通电螺旋管之间的金属氧化物半导体场效应管，和与通电螺旋管并联的开关二极管。

4.根据权利要求2所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，其还包括用于将通电螺旋管及样品检测单元包围在内部的磁场屏蔽盒。

5.根据权利要求1所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，其中高灵敏度磁敏感元件包括磁阻传感器、磁阻抗传感器、巨磁阻抗传感器和巨磁阻传感器。

6.根据权利要求1所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，其包括一个高灵敏度磁敏感元件或沿螺旋管的中轴线并列放置的两个高灵敏度磁敏感元件。

7.根据权利要求1所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪，还包括与数据采集及转换系统相连的计算机，其中数据采集及转换系统由信号放大器、模拟-数字转换系统及单片机控制系统组成，其中模拟-数字转换系统将信号放大器输出转换为数字信号，并将结果输入单片机控制系统，单片机控制系统用于控制脉冲磁场发生器、模拟-数字转换系统的工作状态，并将来自模拟-数字转换系统的结果发送给计算机，计算机用于发出相应命令控制脉冲电流发生器、高灵敏度磁敏感元件、数据采集及转换系统的协同工作，并进行数据分析。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的时间分辨剩磁弛豫检测仪在超顺磁性纳米材料检测中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，所述的超顺磁性纳米材料包括单个磁性纳米晶体为核心形成的纳米颗粒或者由多个磁性纳米颗粒组成的磁珠。

10.根据权利要求8所述的应用，包括以下步骤：

磁化步骤：用脉冲磁场磁化超顺磁性纳米材料；

检测步骤：启动高灵敏度磁敏感元件对超顺磁性纳米材料的剩磁进行跟踪检测，并且通过信号数据采集及转换系统对磁敏感元件输出的信号进行采集；

分析步骤：根据检测结果对超顺磁性纳米材料进行定量分析。

11.根据权利要求10所述的应用，其中磁化步骤中的脉冲磁场的磁场强度上限为50mT，持续时间在10ms-60s内，脉冲间隔时间在10ms-60s内，并且检测步骤中的磁敏感元件的跟踪检测时间在5ms-20s内。

12.根据权利要求10或11所述的应用，其用于生物大分子、药物、细菌及病毒的检测，包括以下步骤：

步骤1：在特定位点固定待测生物分子及药物；

步骤2：利用超顺磁性纳米材料表面带有的与待测物进行特异性识别的配体分子将超顺磁性纳米材料固定到特定位点；

步骤3：依据权利要求10所述步骤对特定位点处因特异性识别作用而被固定的超顺磁性纳米材料的量进行检测；

步骤4：根据步骤3所述的结果及标准工作曲线，计算得到待测生物样品的量；

或

步骤1：在特定位点固定与待测细菌或病毒进行识别的分子；

步骤2：将表面结合有超顺磁性纳米材料的细菌或病毒样品，通过特定位点处被固定的配体分子与细菌或病毒的识别作用，将细菌或病毒结合到特定位点；

步骤3：依据权利要求10所述步骤对特定位点处细菌或病毒所携带的超顺磁性纳米材料的量进行检测；

步骤4：根据步骤3所述的结果及标准工作曲线，计算出待测细菌或病毒的量。

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