CN101802614B - 具有高频交流磁场的传感器及描述流体样本特征的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于检测样本流体中的一个或多个磁性粒子(102)的传感器设备。传感器设备(100)使用至少一个旋转磁场生成器(108)用于向所述样本施加旋转磁场，并且更具体地，向其中合并的所述一个或多个磁性粒子(102)施加旋转磁场。传感器设备还包括用于控制磁场生成器的控制器，使得所施加磁场的旋转频率基本上大于针对所述磁性粒子的临界转差频率。使用传感器元件(112)感测所诱发的旋转的效应。从所测效应可以导出所述磁性粒子(102)的存在、量和结合特征。可选地或者另外地，可以确定所述样本流体的粘度。

Description

具有高频交流磁场的传感器及描述流体样本特征的方法

本发明涉及检测样本中的生物粒子、化学粒子或生物化学粒子的场。更具体地，本发明涉及用于检测在样本液体中任意地耦合到目标的至少一种磁性粒子的设备和方法。

磁性微球和纳子粒子具有许多实际用途，范围从医学到磁记录应用。尽管具有各种现有的和发展的应用，但更多地利用这些粒子的整体效应。可选地，例如，通过标准显微术技术监测单个磁性粒子或者一串若干粒子的旋转行为，已经引起新的范围的潜在应用。已知地，磁性离子可以在旋转磁场中旋转。所述旋转跟随旋转磁场的频率直到特定频率，即所谓的临界转差率(critical slipping rate)。在临界转差频率，磁性粒子的物理旋转停止跟随所施加的磁旋转场，并且当磁场的旋转频率进一步增大时，磁性粒子的旋转频率迅速下降。这一行为被称作磁性粒子在粘性液体中与外部旋转磁场对齐时的非线性旋转。对于较低的外部旋转率，粒子的旋转相位依然锁定到外场的相位。当磁性粒子不能克服粘性阻力时，即：其跟不上外场的旋转率，在足够高的外部旋转率下发生非线性旋转。外场和粒子的力矩之间的相位“转差”，并且旋转变得与外场不同步。在临界转差率发生从同步旋转到非同步旋转的转换，所述临界转差率依赖于如环境的粘性以及粒子的体积、形状、和磁矩的物理性质。

Weizmann等人在Journal of the American Chemical Society，125(2003)，3452-3454上公开了通过使用外部旋转磁场旋转功能性磁性粒子的抗体或DNA检测。在单一步骤中，用包括目标和生物素标记的核酸的混合物与功能性磁性粒子进行杂交。所得到的磁性粒子在与抗生素蛋白-辣根过氧化物酶(HRP)相互作用之后用作生物催化标记。其与由萘醌修饰的并且借助于磁体吸引到电极支持上的磁性粒子混合。萘醌的电化学还原得到氧到过氧化物的还原。在HRP存在的情况下，过氧化物导致化学发光信号的生成。如果目标DNA存在于样本中，仅生成该信号。随着旋转速度的增加，化学发光强度也相应增加。

之前，旋转磁场对样本液体中的磁性粒子的影响已经在传感器设备和方法的发展中被使用。国际专利申请WO 2005/111596描述了针对提高的检测特性使用旋转磁性粒子标签的表面结合生物传感器。

在磁性粒子生物传感器中，粒子可以经历若干过程，例如，粒子接近传感器表面、结合到传感器表面、从传感器表面分离，等。这些过程生成粒子的各种取向和移动性。在旋转场生物传感器中，精确地控制粒子上的转矩是重要的。因此，所施加的转矩应该不依赖于粒子的取向和移动性。

磁性生物传感器的另一个问题是在粒子之间可以发生偶极子-偶极子的磁相互作用。例如，粒子可以影响彼此的轨道和粒子磁化，并可以形成粒子链。这些过程可以使传感器行为变得复杂，并降低传感器信号的可预测性和鲁棒性。因此，能够降低扰乱传感器信号的偶极子-偶极子磁相互作用是重要的。

当将转矩施加到较低的已知频率范围中的磁性粒子时，另一个问题是磁性粒子的旋转频率急剧上升到临界转差频率，并且当超过临界转差频率时，磁性粒子的旋转频率急剧下降。围绕临界转差频率的狭窄范围中的旋转的所述急剧上升和急剧下降连同临界转差频率依赖于磁性离子的特性和大小，这严重地限制了基于将力矩施加到磁性粒子的现有试验(assay)的可靠性。

本发明的目的是提供良好的传感器设备和方法以通过使用磁性对象或可磁化的对象并将力矩施加到磁性对象或可磁化的对象来检测样本中的生物分析物、化学分析物和/或生物化学分析物。根据本发明的实施例的优势在于可以获得例如针对弱的结合粒子或者针对大批粒子的高度可靠和灵敏的分析物检测。根据本发明的实施例的另一个优势在于提供了可以操作磁性传感器设备的可替代频率范围。后一优势允许设置这样的设备或方法中的高度的自由度或灵活性，诸如在感测的方法或设备中使用的感测方法或传感器元件的选择。根据本发明的实施例的优势在于也可以将该方法和系统应用于凝集试验。

通过根据本发明的方法和设备可以实现上述目的。

在第一方面，本发明涉及用于检测样本流体中的至少一个磁性粒子的传感器设备。传感器设备包括：旋转磁场生成器件，其用于将旋转磁场施加到包括至少一个磁性粒子的样本流体；控制器，其用于操作旋转磁场生成器件，从而施加基本高于磁性粒子的临界转差频率的频率的旋转磁场；调制器件，其用于调制由旋转磁场在磁性粒子上诱发的转矩；以及传感器元件，其用于检测和/或测量旋转磁场对至少一个磁性粒子产生的效应。根据本发明的实施例的优势在于磁性粒子间的偶极子-偶极子相互作用可以被降低或最小化，引起传感器设备的改进的灵敏度和/或改进的重复性。根据本发明的实施例的优势为可以获得高的信噪比。本发明的实施例的优势在于可以独立于粒子取向和/或独立于其移动性地将转矩施加于粒子。

传感器元件可以适于将至少一个磁性粒子和另一实体的表面间的特异性结合与较少特异性结合区分开。控制器可以适于操作旋转磁场生成器件从而施加具有比磁性粒子的临界转差频率高至少因子10的频率的旋转磁场。控制器可以适于操作旋转磁场生成器件从而施加从低于临界转差频率的频率倾斜上升到高于临界转差频率的频率或者从高于临界转差频率的频率倾斜下降到低于临界转差频率的频率的旋转磁场。

传感器元件可以适于检测和/或测量与在所述旋转磁场影响下的(一个或多个)磁性粒子的旋转行为或运动行为相关的参数。传感器元件可以适于测量当至少一个磁性粒子旋转时的所述至少一个磁性粒子的偶极子场。

旋转磁场生成器件可以包括交流电磁场生成器件。

磁场生成器件可以包括二维电线结构。根据本发明的实施例的优势在于磁场生成器件可以容易地集成以传感器设备中。根据本发明的实施例的优势还在于磁场生成器件可以为片上的。

传感器元件可以为磁性传感器元件、光学传感器元件、电学传感器元件或声学传感器元件中的任一种，或者可以为其组合。传感器元件可以为诸如例如AMR、GMR或TMR传感器元件的磁性传感器元件，或Hall传感器元件。

传感器设备还可以包括附加的磁场生成器件，其用于将平移力施加到磁性粒子。施加平移磁性力可以例如被用于施加冲洗步骤或浓缩和/或分离步骤。平移磁场可以为不均匀场。平移场可以例如取向为基本平行于传感器设备的表面或者例如取向为基本垂直于传感器设备的表面。由平移场引起的驱动可以根据磁性粒子(即：材料、尺寸或形状)和例如单个磁性粒子的聚簇的其他因素而不同。不同驱动可以引起在用于分析的流体样本中存在于的特定磁性粒子的分离或隔离。

根据本发明的实施例的优势在于传感器设备可以用于凝集试验。

所施加的旋转磁场可以适于诱发顺磁性粒子的效应，或者，可选地，适于诱发超顺磁性粒子的效应。

传感器设备还可以包括用于基于所测得的效应导出样本流体中的特性的处理器。特性可以为样本流体的粘度。

传感器设备还可以包括具有壁的反应器，用于在检测和/或测量效应的过程中保持样本流体。磁性粒子可以直接或间接地结合到反应器的壁并且处理器可以适于从所述测得效应导出结合的磁性粒子的特性。

处理器可以适于导出至少一个磁性粒子的结合的特性，例如，从而能够对至少一个磁性粒子和另一实体的表面之间的较少特异性结合和特异性结合进行区分。可选地，传感器设备可以包括用于保持样本流体的具有相对于样本中的目标非功能化和/或非特异性功能化的壁的反应器。根据本发明的实施例的优势为磁性粒子不需要直接或间接地结合到传感器表面。后者避免了对传感器表面功能化的需要。

在第二方面，本发明提供了用于描述流体样本的特征的方法。方法包括获得包括至少一个适于结合到至少一个目标的至少一个磁性粒子的流体样本，施加基本上高于磁性粒子的临界转差频率的频率的旋转磁场，测量旋转磁场对所述流体样本中的至少一个磁性粒子产生的效应，以及由此导出流体样本中的所述至少一个目标的存在和/或量。

可以施加具有高于磁性粒子的临界转差频率至少因子10的频率的旋转磁场。可以从低于磁性粒子的临界转差频率的频率到高于磁性粒子的临界转差频率的频率施加旋转磁场。

可以将方法施加到不结合到任何表面的(一个或多个)磁性粒子。换言之，当未附着到反应器的表面时，可以测量(一个或多个)磁性粒子的效应。

(一个或多个)磁性粒子可以附着到例如传感器表面的反应器的表面。附着到(一个或多个)磁性粒子的表面可以为直接的或间接的。方法还可以包括从结合的磁性粒子的运动自由导出磁性粒子到传感器表面的结合特性的特性的步骤。

本发明还涉及用于在传感器设备中使用的控制器，其适于操作传感器设备中的旋转磁场生成器件，从而将旋转磁场施加到样本流体中的磁性粒子。对旋转磁场生成器件的频率进行控制使其基本高于样本流体中的磁性粒子的临界转差频率。可替代地或附加地，对旋转磁场生成器件的频率进行控制使其从低于样本流体中的磁性粒子的临界转差频率倾斜上升到高于样本流体中的磁性粒子的临界转差频率。

本发明还提供了计算机程序产品，当在计算机上执行时，所述计算机程序产品适于根据本发明的方面和/或实施例执行描述流体样本特征的方法。计算机程序产品可以通过局域通信网络或广域通信网络进行传输。本发明还提供了存储计算机程序产品的机器可读数据存储设备。

在一方面，本发明还提供了包括根据本发明的实施例的至少一个传感器设备的生物芯片。本发明还提供了在生物或化学样本分析中使用根据本发明的实施例的传感器设备和/或生物芯片。

在所附独立或从属权利要求中，示出了本发明的特定和优选方面。可以将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征结合，并且适当地与其他从属权利要求的特征结合，而不仅仅如在权利要求中明确提出的。

从下述结合附图的详细说明书中，本发明的上述和其他特征、特性以及优势将变得明显，说明书通过示例的形式示出了本发明的主旨。说明将仅用于示例，而非限制本发明的范围。下面引用的附图标记指附图。

图1示出了根据本发明的实施例的示例性传感器设备；

图2A示出了如从现有技术中已知的，根据受限的频率范围中所施加的旋转磁场的角频率的在光学上测得的粒子的旋转频率；

图2B示出了根据在电流线中的所施加的用于施加如在图2A中所生成的旋转磁场的电流的临界转差频率；

图3A示出了如可以在根据本发明的实施例中使用的根据在宽的角频率范围中所施加的场的单个磁珠的在光学上测得的旋转频率；

图3B示出了如可以在根据本发明的实施例中使用的根据在电流线中的所施加的用于施加如在图3A中所生成的旋转磁场的电流的临界转差频率；

图4示出了如可以在根据本发明的实施例中使用的根据在宽的角频率范围中的所施加的场的单个磁珠的在光学上测得的旋转频率；

图5为旋转驱动的磁性粒子的示意性表示；

图6示出了根据本发明的实施例的另一示例性传感器设备；

图7示出了如可以在根据本发明的实施例中使用的计算系统。

在不同附图中，相同的附图标记表示相同或类似元件。

将参照特定实施例并参照特定附图描述本发明，但是本发明并不局限于此，而是由权利要求进行限制。权利要求中的任何附图标记都不应该被理解为限制该范围。所描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了示意的目的，一些元件的尺寸可以被放大，并且未按比例绘制。

在本说明书和权利要求中使用的词语“包括”并不排除其他的元件或步骤。当提到单数名词时，使用例如“一”或“一个”、“该”的不定冠词或定冠词，除非特别指出，否则其包括多个那样的名词。

另外，在说明书和权利要求中的词语第一、第二、第三等用于区分类似的元件而不是必须用于在时间上、空间上、按顺序或以其他方式描述顺序。应该理解，在适当情况下，如此使用的词语是可替换的并且这里所描述的本发明的实施例能够以其他顺序而不是此处所描述或示出的进行操作。

本发明的实施例的元件和部件可以被以任何合适的方式在物理上、功能上和逻辑上实现。实际上，可以在单个单元、多个单元或作为其他单元的部分实施功能性。如此，可以在单个单元中实施本发明，或者本发明可以在不同单元和处理器之间物理上以及功能上分布。

另外，在说明书和权利要求中使用的词语底部等用于描述的目的而非必须用于描述相对位置。应该理解，所使用的词语在适当条件下是可替换的，并且这里所描述的本发明的实施例能够以其他取向而非这里所描述或示出的进行操作。

词语“生成器件”和“生成器”可以互换使用。并且，词语“控制器件”和“控制器”可以替换使用，并且词语“传感器”和“传感器元件”也是如此。

此处所使用的“根据时间”指连续方式和非连续方式。在非连续方式中可以被以预定义间隔、有规则地或不规则地分开。

另外，本发明将借助于被描述为磁性粒子的磁性对象或可磁化对象进行描述。除非特别指出，词语“磁性粒子”可以被广泛地理解为诸如包括任何类型的磁性粒子，例如，铁磁性、顺磁性、超顺磁性等以及任何形式的粒子，例如，磁球、磁棒、成串的磁性粒子或复合粒子，例如包括磁性以及旋光材料的粒子，或者在非磁性矩阵中的磁性材料。任意地，磁性或可磁化对象可以为铁磁性粒子，所述铁磁性粒子包括具有快速磁弛豫时间的小的铁磁性晶粒，并具有低风险的聚类。另外，所使用的措辞仅仅为了便于解释，而非以任何方式限制本发明。磁性粒子可以包括诸如光学颜色的其他特性。在磁性粒子中出现的不同的(例如，光学)特性可以被用于放宽感测方法中的可能性，并且考虑到试验的复用。

针对本发明的目的的词语“传感器表面”也可以被可替换地称为“传感器设备的表面”，与受体(即：反应室)的任意表面相关，其中包括样本流体，所述表面与所述样本流体接触并且位于传感器元件附近其工作的空间区域中。

如此处使用的词语“反应室”指用作容器以持有样本流体(即：被试验物)的任何物件。所述容器是可以从本发明的传感器设备任意可分开的，即：反应室可以为设备或器械的集成部分以及可以是被放置于传感器设备之上、之内或其附近并且可以被再次移除的单独的对象。

在第一方面，本发明提供了适于检测样本流体中的磁性粒子的传感器设备。这样的方法尤其适于检测样本中的生物分析物、化学分析物或者生物化学分析物，由此磁性粒子可以特定地附着到样本中的目标或者特定地从样本中的目标分离，如在1-x试验中。传感器设备可以适于检测通常将其称为“样本流体”的流体、液体、粘弹性介质、胶或组织样本中的磁性粒子。

通过示意的方式，本发明并不局限于此，在图1中示出了根据第一方面的示例性传感器设备，表示标准的和任选的部件。传感器设备100用于检测样本104中的至少一个磁性粒子102。传感器设备100有利地可以包括用于在试验过程中保持样本的反应室106。反应室106可以为与紧凑阅读器一起使用的一次性物件，包括一个或多个磁场生成器件以及一个或多个检测器件。反应室可以为适应于自动化仪器的例如孔板或试管。反应室106可以适于保持小的样本体积。用于本发明的目的，可以使用具有不同形状的磁性粒子，例如球形、杆状、双珠聚簇。磁性粒子可以具有小的尺寸规格。具体而言，用于本发明的目的，磁性粒子具有范围在0.1nm和1000nm之间的至少一个尺寸规格，更具体地在3nm和300nm之间，并且甚至更具体地，在10到1000nm之间。由于所施加的磁场(例如，其可以为顺磁性的或超顺磁性的)，磁性粒子可以获得磁矩，或者他们可以具有顺磁性磁矩。粒子可以为复合物，例如，包括在非磁性材料内部或者附着到非磁性材料的一个或多个小的磁性粒子，或者例如包括两个或更多个聚簇的或者凝集的小的磁性材料。只要粒子生成对高频H_AC的频率的非零响应，即：当其生成磁化率或磁导率，则可以使用所述粒子。磁性粒子可以显示其他的特性，例如，诸如荧光的光学特性。这些不同特性可以允许试验中的复用。通过使用针对相同传感器种类中的不同粒子的可区分特性可以发生标记复用。例如，不同的磁性材料生成可区分的信号。可选地，可以使用从不同传感器种类中选择的不同特性，例如，使用磁性标记和光学标记的组合，通过分别的磁性传感器元件和光学传感器元件可以对所述标记的每个进行选择性测量。可以将设备和方法与若干生物化学试验类型一起使用，所述生物化学试验类型例如为结合/去结合试验、夹心式试验、竞争试验、取代试验、生化酶试验、凝集试验、放大试验等。可以将方法和设备与不同种类的分子和生物实体一起使用，例如DNA、RNA、蛋白质、小分子。除了分子试验，也可以对较大的部分(moiety)进行检测或探测，例如细胞、病毒、或细胞或病毒的部分、组织或组织提取物等。分子靶通常确定较大部分的浓度和/或存在，例如，细胞、病毒、或细胞或病毒的组分、组织提取物等。

传感器设备100还适于包括至少一个旋转磁场生成器件108用于将旋转磁场施加到包括至少一个磁性粒子102的样本液体104。所述至少一个旋转磁场生成器件108可以例如为交流磁场生成器件，尽管如此本发明并不局限于此。这样的旋转磁场可以以任何适当的方式生成，诸如使用电线、线圈、磁性材料、电磁体等。其可以片上(on-chip)生成或片外(off-chip)生成。片上表示生成器被集成到设备中，而片外指生成器在设备外部或者与设备无关。根据本发明的实施例的传感器设备100还包括控制器110，所述控制器110用于以基本上高于在样本流体中存在的磁性粒子的临界转差频率的频率操作旋转磁场生成器件108。已知地，磁性粒子在这样的旋转磁场中旋转，所述磁场具有高达特定频率处的最大值的所施加场的频率，所谓的临界转差频率。在临界转差频率之上，磁性粒子的物理旋转趋向于不跟随所施加的磁场的旋转。根据本发明的实施例，令人惊奇地在基本上高于临界转差频率的频率，磁性粒子的物理旋转又增加了。换言之，令人惊奇地发现，基本上高于临界转差频率的频率也可以被用于确定样本中的磁性粒子或其参数。所施加的旋转磁场的频率可以例如为高于临界转差频率的因子10。H_AC频率可以为高于所述临界转差频率至少10倍，或者高于至少100倍，或者高于至少1000倍。临界转差频率典型地为几个Hz，而由Neel弛豫所引起的旋转，即在旋转磁场的基本较高频率的旋转从高于几个Hz升到几MHz。通常地，所施加的H_AC频率为至少约5Hz，或者特别地至少约10Hz或20Hz。并且典型地，所施加的H_AC频率为最多约10MHz，更特别地，最多为大约1MHz。可以在下述频率操作所施加的旋转磁场，所述频率诱发(一个或多个)目标磁性粒子的旋转频率，该旋转频率相对于在施加具有相同幅值的旋转磁场的情况下的临界转差频率下的(一个或多个)磁性粒子的旋转频率至少为其50％。所诱发的(一个或多个)磁性粒子的旋转频率可以相对于在施加具有相同幅值的旋转磁场的情况下的临界转差频率下的(一个或多个)磁性粒子的旋转频率至少为其60％，更特别地至少为其70％。期望的确切频率取决于所使用的磁性粒子的尺寸/类型。为了获得最大信号，有利地使用接近与所测得的所施加的AC磁场效应有关的第二最大值(如在图4中以双箭头所示的)的频率。对于由图4所示出的实验中所使用的珠，期望的频率为大约600kHz。取决于试验以及所使用的粒子的类型，由于Neel弛豫时间较强地依赖于例如所使用的磁性粒子的晶粒大小，因此期望的频率可以相当低/高。通过根据所施加的场旋转频率研究粒子旋转，可以在光学上或者磁性地测量临界转差频率。在本发明的范围内，有两个可能性用于确定临界转差频率。第一选择是在凝集试验之前表征成串的珠，从而在执行所述试验的实际设备中使用珠之前，或者在根据本发明的方法中使用珠之前，已知临界转差频率。可选地，在也执行凝集试验的设备中确定临界转差频率。在扫过从0Hz直到远高于临界转差频率的频率的磁场频率的同时，通过对旋转珠进行光学显微术可以确定临界转差频率。在扫过所施加的磁场的频率的同时，也可以通过使用测量旋转珠的偶极场的磁场传感器确定临界转差频率。输出信号检测的锁定(lock-in)检测在所施加的场频率处给出传感器输出。一旦珠的永磁矩不能跟随所施加的场(临界转差频率)，驱动频率处的信号显示出下降。

对于不同的粒子，所施加的场可以不同。关于所施加的旋转场的幅值以及所施加的场的频率，由于场频率要低于最高Neel弛豫以旋转珠。Neel弛豫很大程度上取决于珠的晶粒大小并在不同种类的珠之间变化。(由于高磁化率)超顺磁性粒子的旋转在相对低的场幅值下工作，即：＞＝0.1mT。相反地，对于顺磁性粒子，需要更高的场。

在比临界转差频率高得多的频率处操作旋转磁场得到若干优势。高频激励将磁性粒子之间的偶极子-偶极子相互作用降低或使之最小化，这改善了传感器的重复性。由于使用调制技术，信噪比和检测灵敏度高。本发明的实施例利用这一意外的发现。通过下面的若干示例，后者将被详细示出。如上所提到的，旋转磁场可以包括磁性粒子的转矩。磁性粒子在H_AC的影响下的转矩的大小由矢量叉积的量值给出

$\stackrel{\→}{m}\×\stackrel{\→}{B}=m.B.\sin \left(\mathrm{\α}\right)$

其中，m为磁矩，B为所施加的场，α为两个矢量之间的角。换言之，可以通过测量粒子磁化强度和所施加的磁场之间的相位滞后确定转矩。可以在光学测量(例如检测磁-光Kerr旋转或磁圆二色谱)和/或磁性测量(例如，使用磁阻传感器)中确定相位滞后。可选地，由H_AC引起的旋转激励可以被用于优化对于例如传感器表面的粒子暴露或者优化分子缔合和离解状况。

所使用的粒子可以有利地为顺磁性粒子或超顺磁性粒子。这具有如下优势：(通过施加旋转磁场而得到的)转矩可以独立于粒子的取向和移动性而施加于粒子。例如，甚至对于由于生物结合而导致静止的粒子，也可以施加明确定义的转矩，而不管粒子的取向。

由旋转磁场引起的旋转激励也可以被用于优化对于例如传感器表面的粒子暴露或者优化分子缔合和离解状况。

设备100还包括用于感测旋转磁场对磁性粒子产生的效应的至少一个传感器元件112。这样的效应可以为磁效应、来自磁性粒子或耦合到其的发光粒子的光学效应、声学效果、电效应等的任一个或其组合。用于本发明的目的，因此可以从包括磁性传感器元件、光学传感器元件、声学传感器元件和电学传感器元件的组中选择至少一个传感器元件。传感器元件112可以为基于诸如消散、荧光、磷光、散射等的若干光学检测概念操作的光学传感器。传感器元件112可以为诸如从包括AMR、GMR和TMR传感器元件的组中选择的例如磁阻传感器或Hall传感器元件的磁性传感器元件。使用磁性传感器元件的优势在于可以在原始样本中进行检测，由此可以存在对原始样本组分的较少干预或无干预，并且，不需要流体冲洗步骤，除了速度和简易性之外，其也可以提高试验的灵敏性并且考虑了低亲和力的相互作用的检测。相同的优势也适用于当从检测标记生成非常大的信号时的其他方法。所述至少一个传感器元件112适于检测旋转磁场对磁性粒子(102)产生的效应。传感器元件可以例如适于检测或测量与磁性粒子(102)的旋转或移动行为相关的参数。在另一具体实施例中，所述至少一个传感器元件为磁性传感器元件。所述传感器元件112因此可以记录在H_AC影响下的磁性粒子的运动的特征。这样的运动特征的示例为速度、例如旋转的蠕变的运动的规律性等。具体而言，在本发明的设备或方法中可以将磁性传感器和光学传感器结合使用。传感器元件112可以被置于基质114上，也可以将磁场生成器集成于基质114上。基质可以包括半导体材料、玻璃、塑料、陶瓷、玻璃基硅(silicon-on-glass)、蓝宝石衬底基硅。传感器元件112可以被耦合到读出和控制电路116，读出和控制电路116可以为也可以不为感测设备的一部分。读出和控制电路116可以适于读出传感器元件112以输出所感测到的效应。传感器设备100还可以包括例如耦合到读出和控制电路116的处理器118，由此处理器适于从传感器读出，即：从所感测到的效应导出在特征下的样本流体的特性。特性可以为样本流体的粘性。更具体地，取决于所执行的试验，处理器118可以适于导出对象的存在和/或对象的量，并且从而导出在样本流体中存在的对应的分析物的量。可以以自动的或自动化的方式执行这样的处理。可以基于神经网络，使用特定算法，基于预定的标准，使用查找表格等。结果可以基于磁性粒子与目标的特异性结合率。这样的结合可以为直接的或间接的。所感测到的磁性粒子可以不附着到反应室的壁上，例如不附着到感测表面。可选地或附加地，传感器设备100可以具有至少一个功能性传感器表面并且处理器适于从所测得的效应中导出磁性粒子结合的类型或度。

传感器设备还可以包括另外的磁场生成器件120用于将平移力施加于磁性粒子。附加的磁场生成器件可以特别地为外场生成器件。这样的附加磁场生成器件120可以生成非均匀磁场。其可以用于诱发清洗步骤。可选地或附加地，其可以用于诱发浓缩和/或分离步骤。可选地或附加地，其可以用于诱发混合步骤。

在另一实施例中，传感器设备还包括用于调制由旋转磁场诱发的转矩的调制器件。由此诱发的经调制的旋转可以被用于对生物结合和经由广域相互作用(例如vdWaals、静电)的非特异性结合进行区分。例如，在经由单分子键的旋转激励粒子结合时将示出反映粒子和表面之间存在系链的运动，而经由广域相互作用的粒子结合将示出具有蠕动特征的运动。在图1中也示出了调制器件122。

根据本发明的实施例的优势在于传感器设备可以适于将直接或间接的特异性结合与至少一个磁性粒子和另一实体的表面之间的特异性较差的结合进行区分。

在根据第一方面的具体实施例中，本发明的设备和方法用于执行试验，由此要测量的磁性粒子附着到传感器表面。具体而言，可以使用本发明的方法或设备确定样本流体中存在的磁性粒子的数量，而不需要到传感器表面的附着。

在根据第一方面的另一具体实施例中，本发明的设备和方法用于执行试验，由此所要测量的磁性粒子不附着到传感器表面。不结合到传感器表面特别有利，因为不需要使表面结构复杂化(诸如表面图案化和表面改性)。这可以引起磁性感测设备的显著简化的制作。

根据本发明的方法和设备考虑了相互作用的检测和/或特征，甚至低亲和力的相互作用，例如，确定样本中的特定目标时。可获得的第一种类型的信息为在样本中存在的这样的低亲和力的目标。可获得的第二种类型的信息为与要确定的传感器表面的磁性粒子的密度相一致的样本中目标的浓度。且可获得的第三种类型的信息涉及到传感器表面的附着的特点或种类。由于在高频率的激励，所施加的转矩可以更容易地被控制和调制，由此能够对不同类型的附着进行区分。可以使用经调制的旋转来对生物结合和经由广域相互作用(例如，范德华力、静电力)的非特异性结合进行区分。例如，在经由单分子键的旋转激励粒子结合时将示出反映粒子和表面之间存在的系链的运动，而经由广域相互作用的粒子结合将示出具有蠕变特征的运动。由于旋转力或转矩独立于粒子取向，因此也可以明确地定义旋转力或转矩。由此可以使用所述方法和设备用于执行键-力测量和/或针对附着到传感器表面和未附着到传感器表面的磁性粒子施加紧迫力(例如，旋转磁清洗)。

在第二方面，本发明涉及用于表现流体样本的方法。因此方法使用流体样本中适于结合到至少一个感兴趣的目标的至少一个磁性粒子。目标由此可以为感兴趣的分析物或者相对应的对象。方法包括获得包括适于结合到至少一个目标的至少一个磁性粒子的流体样本。所述获得可以为任何合适的方式，由此在反应室中获得具有至少一个磁性粒子的样本流体。在进入反应室之前，(一个或多个)磁性粒子可以与样本流体相混合，或者其可以通过将样本流体带入反应室中或其后而相互接触。方法还包括施加在基本上高于样本流体中存在的磁性粒子的临界转差频率的频率处的旋转磁场。旋转磁场和对应的频率可以如针对第一方面示出的具有相同的特征的优势。方法还包括测量旋转磁场对所述流体样本中的至少一个磁性粒子产生的效应。可以以任何合适的方式执行这样的测量，诸如例如使用磁感测技术、光学感测技术、电学感测技术、声学感测技术等。

方法还包括从所测得的效应导出目标的存在和/或目标的量，并因此得出流体样本中的对应分析物的存在和/或其的量。所获取的数据可以作为端点测量值，并通过动力学地或间歇地记录信号被取得。在具体实施例中，本发明的方法还包括进一步处理所测得的数据的步骤。可以以自动和/或自动化的方式执行数据的处理，诸如例如，导出步骤。可以根据预定的算法使用查找表(LUT)，根据预定的标准等执行。也可以对其进行计算机化。

在第三方面，本发明还涉及如在第一方面所描述的传感器设备中使用的控制器。控制器可以适于操作所述至少一个旋转磁场生成器件，从而以基本上高于磁性粒子的临界转差频率的频率将旋转磁场施加于样本流体中的磁性粒子。后者可以通过提供合适的驱动和控制信号。这样的控制器可以硬件和/或软件制作。

通过示例，本发明并不局限于此，更具体地描述了若干示例，以及若干标准或方法的任意步骤，本发明不局限于此。

第一组具体示例示出了当基本上高于临界转差频率的旋转频率用于旋转磁场时，磁性粒子的物理旋转。图2A到4通过示例的方式(本发明并不局限于此)示出了一现象，其中在高达被称为转差频率的给定频率以及在基本上高于转差频率的频率处获得粒子的旋转。图2a示出了单个磁性粒子根据所施加的旋转磁场的角频率的旋转频率。箭头指示临界转差频率。在图2a、2b、3a和3b的示例中示出的数据是针对以下磁性粒子获得的，即所述磁性粒子具有2.8毫米的直径，具有大的非永久性磁化能力以及小的永久性磁化能力。在图2a的示例中，用于生成旋转磁场的底流(I底)为0.046安培(A)。图2B示出了根据施加到生成旋转磁场的电流线的电流的临界转差频率。100mA的电流对应于在当前示例中的磁性离子的位置上的2mT的场。线性行为表示磁转矩源起源于磁性粒子中的永久磁化。图3a示出了根据在宽的频率范围中在X轴上以对数尺度表示的所施加的旋转磁场的角频率的光学测量的单个磁性粒子的旋转频率。永久磁化的效应在较低频范围(低于大约10Hz)内可视，非永久磁化的效应在较高频范围(达到大约10MHz)内可视。图3b示出了根据在40kHz的频率处施加到电流线的电流的磁性粒子的旋转频率。磁性粒子在旋转磁场的二次方行为(在图3b中表示)表示磁转矩从磁性粒子的磁化率生成，即：非永久磁化。图4示出了根据所施加的角场频率的旋转双珠聚簇的频谱，所述旋转双珠聚簇包括具有1微米直径的两个粒子。图4中的双箭头表示在比临界转差频率高得多的频率处操作的这样的AC磁场的影响下的磁性粒子的旋转频率升到最大值。最大值可以高于临界转差频率处的旋转频率。注意水平都取决于以不同方式施加的磁场的幅值：在低频，旋转频率随所施加的场线性增加(如在图2b中)，而在高频旋转频率随所施加的场强二次方地增加(如在图3b中)。这些图都示出意外的发现，其中，在高于临界转差频率的频率处，粒子的旋转频率增加，分别针对单个磁性粒子以及两个磁性粒子的聚簇。如上所表示的，可以通过在比临界转差频率高的多的频率处操作H_AC来得出若干优势。例如，高频激励可以将磁性粒子之间的偶极子-偶极子相互作用最小化，由此提高传感器的复用性。另一优势可以从图2A和图3清楚地得出。不像在较低的H_AC频率处即：在转差频率范围，磁性粒子的旋转频率急剧上升和急剧下降，在高得多的频率处在AC磁场的影响下磁性粒子的旋转行为并不很大地依赖于AC磁场的实际频率。结果，在高得多的频率处的这样的AC磁场的影响下磁性粒子的物理旋转的测量稳定得多、可靠得多并且一般地可应用，特别是对于低于图的第二最大值的频率(例如，在图4中在大约800kHz)。

在第二组具体的示例中，示出了利用不同的检测技术测量效应，本发明并不局限于此。在一个示例中，将诸如例如发光或荧光标记的放射标记嵌入所使用的磁性粒子或者附着到所述磁性粒子。例如，抗原可以被耦合到荧光磁性粒子或者到荧光或非荧光磁性粒子。可以使用照射源进行荧光磁性粒子的激励，诸如例如经由聚焦的激光束或经由允许这样的标记的光学检测的消逝场激励。可以以任何合适的方式进行检测，诸如例如使用消逝场、散射、成像，或使用高NA透镜共焦检测。使用荧光磁性粒子使得能够通过使用不同的荧光团进行复用，所述荧光团在激发波长和/或发射波长上不同。如实施例的另一示例，可以使用荧光标记(最初自由地，或者嵌入或附着到非磁性粒子)结合磁性粒子标记在光学上进行检测。则在该示例中凝集的测量可以不基于磁性粒子的聚簇形成，而是基于磁性粒子的荧光的增加。例如，将标记有荧光或磁性粒子标记的抗原进行混合，并且暴露于包括抗原特异性抗体的样本将引起荧光标记与磁性粒子标记的结合。对于该实施例，磁性粒子可以被驱动到非结合传感器表面并且可以进行荧光标记的表面特异性检测。使用辐射源可以进行荧光团的表面特异性激励，例如使用聚焦的激光束或经由消逝场。可以经由共焦检测(表面灵敏检测)或使用高-NA光收集透镜(非表面灵敏)进行检测。通过使用这一方法，可以将来自过剩标记和来自样本流体本身的背景荧光降低甚至最小化。基于粒子的差异标记的复用可以被容易地想象为使用不同荧光标记。可以通过表面增强共振拉曼光谱学(SERRS)实现光学检测。SERRS为用于通过光学地标记在胶粒(例如，银粒子)上的分子或种类(species)的吸收来检测分子或种类的超灵敏方法。光学标记为当胶粒以受控的方式聚集时，引起等离子体和染料共振的合适的染料分子(诸如若丹明)。已知磁性粒子与具有金属涂层共存。如果例如抗原(目标(即抗体)结合到其处)耦合到这样的银涂层磁性粒子，同时抗原也耦合到适当的染料，抗原特异性抗体将引起染料到银涂层磁性粒子的链接。磁驱动将引起聚簇/柱的形成，其将引起染料共振。SERRS可以在消逝场中驱动非结合传感器表面之后被检测到。在这样的设置中，可以在单室中进行抗体检测而省略流体冲洗步骤，这是由于检测是表面特异性的并且不会受来自溶液的未结合染料干扰。

在另一具体示例中，更详细地讨论了如可使用光学附加磁场生成器件120诱发的光学浓缩和/或分离步骤。可以施加在限定方向，即：沿着场的梯度在磁性粒子上施加力的不均匀磁场。在所施加的平移磁场力的影响下的磁性粒子的驱动可以根据磁性粒子的尺寸和形状变化。在具体实施例中，单向磁场取向为基本平行于传感器设备的表面。本发明的优势在于使用这样的平行单向场引起不同类型的磁性粒子的分离，其可以被分别测量。可替代地，磁性粒子的驱动可以增加与样本中的其他粒子、分析物或传感器表面的配体相撞的机会，由此增加了相互作用的机会。可替代地，单向磁场取向为基本上平行于传感器表面。这样的垂直取向可以将磁性粒子定向为朝向传感器表面，或者远离传感器表面。再次地，磁性粒子的这样的驱动允许通过提高样本流体中的相互作用或与传感器表面的相互作用而加速试验。

在本发明的另一独立或从属实施例中，公开了一种针对使用旋转磁场测量磁生物传感器中的样本流体的粘度的测量方法和装置。优选地，根据本发明的实施例，传感器信号的变化率应该仅为目标分子的浓度的函数。因此，流体样本的粘度对传感器读出的影响应该被最小化。如上所指出的，使用具有不同形状的磁性粒子，例如，椭圆形、杆状、双珠聚簇，但是对于本实施例，其优选地在一个实例中为相同的。磁性粒子可以具有小的尺寸规格。具体而言，用于本发明的目的，磁性粒子具有在0.1nm和10000nm范围之间的至少一个尺寸规格，更具体地在3nm和3000nm之间，并且更具体地，在10和1000nm之间。由于所施加的磁场(例如，其可以为顺磁性或超顺磁性的)，磁性粒子可以获取磁矩，或者磁性粒子可以具有永磁体磁矩。粒子可以为复合物，例如，包括在非磁性材料中或附着到非磁性材料的一个或多个小的磁性粒子，或者例如包括两个或更多个聚簇的或凝集的小磁性粒子。只要粒子生成对高频H_AC的频率的非零响应，即：当其生成磁化率或磁导率时，可以使用粒子。

图5为旋转地驱动磁性粒子的示意性表示，其中，相位滞后由表示。外场由B表示，并且磁性微球的磁化强度为m。在粘度测量中可以使用临界转差频率。在粘性流体中，测量临界转差频率ω_c允许测量如动态粘度的特性，其可以从以下等式中得出： $\mathrm{\η}=\frac{m\·B}{k\·V\·{\mathrm{\ω}}_c}.$

如果所有微粒具有相同的形状、体积以及磁含量，可以通过单独地观察粒子并确定其临界转差频率来测量粘度的空间分布。这样的测量可以被应用于复杂流体，其中存在各种尺寸和间距的孔隙。每个粒子变为局部粘度计。通过使用空间分辨的局部粘度计，即：通过确定不同粒子在不同位置的临界转差频率，可以测量复杂流体中的这些各种位置的每个处的有效粘度。因此，可以将该技术用作微流变学中的胶质探针。由于粒子特性中的变化，优选地使用移动到样本体积的各部分的单个粒子来测量局部粘度。使用单探针，能够执行精确的粘度实验。通过将该技术与光镊相结合，例如，在粘度校正之后，能够在如生物环境或在流体-固体或流体-空气界面的系统中操纵磁性粒子。

如上所指出的，可以通过任意的各种方法确定临界转差频率。例如，可以在扫过从0Hz直到高于临界转差频率的场频率的同时在旋转珠上执行光学显微术。在图6中示意性地示出了本发明的这一实施例。具有与附图1的相同的附图标记的零件确切地指相同零件，并且，将这些零件的相关描述合并于此。图6具有用于光学获取在旋转磁场生成器件108生成的旋转磁场中旋转的一个或多个粒子的图像的设备125。光学获取设备125可以包括显微镜或具有相机的显微镜等。相机可以为CCD(诸如Rope Coolsnap ES CCD相机)或CMOS相机，或者具有图像输出界面的任何其他数字相机。相机可以检测来自粒子的反射光，或者可以使用通过传感器的透射光。可以使用诸如氙灯(未示出)的光源照射粒子。该实施例中的控制器110适于使旋转场的频率从低于临界转差频率倾斜上升到高于临界转差频率以允许对临界转差频率的观察和检测。任选地，光学获取设备125可以将图像的输出(例如，从CCD或CMOS相机界面)传输到图像处理器件126，所述图像处理器件126适于检测何时达到或超过临界转差频率。当图像处理设备为运行图像分析软件的计算设备时，这可以被达到。这样的软件可以包括如由Universal Imaging Corp.USA提供的例如Metamorph的软件。如果粒子为荧光团，可以将荧光辐射用于确定粒子的旋转。通常地，来自相机的信号在像素水平被分析，从而获取针对单独粒子的值。由于旋转，在照相机中接收到的光的强度将在时间上随着粒子的旋转速度或多个该速度变化。通过将快速傅里叶变换应用于相机的输出可以获得与该粒子的旋转频率相关的值。

在扫过所施加的场的频率时，可以通过使用测量旋转粒子的偶极子场的磁场传感器确定临界转差频率。例如，图1的传感器元件112可以用于执行该功能。输出信号检测的锁定检测给出了在所施加场频率的传感器输出。一旦珠的永磁体磁矩不能跟随所施加的场(临界转差频率)则驱动频率处的信号显示为降低。

根据本发明的实施例的优势为所获得的设备、方法和系统适于传感器复用(即：不同传感器和传感器表面的平行使用)、标记复用(即：不同类型标记的平行使用)和室复用(即：不同反应室的平行使用)。

根据本发明的实施例的优势在于获得可用于自动高通量测试的设备。这样的系统可以为具有微孔板或小瓶的系统，以及流动系统(如在流式细胞计中的)。

根据本发明的实施例的优势在于可以获得允许快速、鲁棒并且易于使用的点观察(point-of-care)生物传感器的设备。

本发明的上述描述的方法的实施例可以在如在图7中所示的处理系统200中实现。图7示出了处理系统200的一个配置，其包括耦合到存储器子系统205的至少一个可编程处理器203，所述存储器子系统205包括至少一种形式的存储器，例如，RAM、ROM等。应该注意到，处理器203或处理器可以为通用的处理器或者专用处理器，并且可以用于包括在设备中，例如具有执行其他功能的其他组件的芯片。因此，本发明的一个或多个方面可以在数字电子电路、或者在计算机硬件、固件、软件或其组合中实施。处理系统可以包括存储子系统207，其具有至少一个磁盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/或DVD驱动器。在一些实现方式中，显示系统、键盘和指示设备可以作为用户界面子系统209的部分被包括以向用户提供手动输入信息。也可以包括用于输入和输出数据的端口。可以包括诸如网络连接、到各设备的界面等的更多元件，但是在图7中未示出。处理系统200的各元件可以以各种方式进行耦合，包括经由在图7中示出的简化为单总线的总线子系统213，但是本领域的技术人员将理解包括至少一个总线的系统。存储器子系统205的存储器可以在一些时候保持部分或全部(在示出为201的任何情况中)的指令集，当在处理系统200上执行时，所述指令集实施这里所描述的方法实施例的步骤。因此，尽管诸如在图7中示出的处理系统200为现有技术时，但是包括实施用于描述样本流体的特征的方法的方面的指令的系统不是现有技术，并且因此并不将图7视为现有技术。

本发明还包括计算机程序产品，当在计算设备上执行时，计算机程序产品提供根据本发明的任一方法的功能性。这样的计算机程序产品可以被实际地体现在载有由可编程处理器执行的机器可读编码的载体介质中。本发明因此涉及载有计算机程序产品的载体介质，当在计算器件上执行时，所述计算机程序产品提供用于执行如上所述的任一方法的指令。词语“载体介质”指参与向处理器提供指令用于执行的任何介质。这样的介质可以以许多形式，包括但不限于，非易失性介质以及传输媒介。非易失性媒介包括，例如，光盘或磁盘，诸如为海量存储器的一部分的存储器设备。计算机可读介质的通常形式包括CD-ROM、DVD、软磁盘或软盘、磁带、存储器芯片或盒式磁带或者计算机可读的任何其他介质。各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器用于执行。计算机程序产品也可以经由载波在网络中传输，诸如LAN、WAN或因特网。传输介质可以以声波或光波的形式，诸如那些在无线电波和红外数据传输过程中生成的。传输介质包括同轴电缆、铜电线和光纤，包括包含计算机中的总线的电线。

应该理解，尽管这里针对根据本发明的设备讨论了优选实施例、特定结构和配置以及材料，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行形式和细节上的各种变化或改变。

Claims (13)

1.一种用于检测样本流体（104）中的至少一个磁性粒子（102）的传感器设备（100），所述传感器设备（100）包括：

-至少一个旋转磁场生成器件（108），其用于将旋转磁场施加到包括至少一个磁性粒子（102）的所述样本流体（104）；

-控制器（110），其用于操作所述至少一个旋转磁场生成器件（108），从而施加基本上高于所述磁性粒子的临界转差频率的频率的旋转磁场；

-调制器件，其用于调制由所述旋转磁场在所述磁性粒子上诱发的转矩；以及

-传感器元件（112），其用于检测和/或测量与所述至少一个磁性粒子（102）在所述旋转磁场的影响下的旋转行为或者运动行为相关的参数。

2.根据权利要求1所述的传感器设备（100），其中，所述传感器元件（112）适于区分所述至少一个磁性粒子（102）和另一实体的表面之间的特异性结合与较少特异性结合。

3.根据权利要求1或2所述的传感器设备（100），其中，所述传感器元件为光学传感器。

4.如权利要求3所述的传感器设备（100），还包括磁性传感器。

5.根据权利要求1或2所述的传感器设备（100），其中，所述传感器设备还包括用于将平移力施加到所述磁性粒子的附加磁场生成器件（120）。

6.根据权利要求5所述的传感器设备，其中，所述传感器设备包括用于在所述检测和/或测量期间保持所述样本流体（104）的具有壁的反应器（106），其中，所述磁性粒子直接或间接地结合到所述反应器的壁上，并且其中，所述传感器设备还包括处理器（118），其适于从所述传感器元件的读出导出所述磁性粒子的结合的特征。

7.一种用于描述流体样本的特征的方法，所述方法包括：

-获得包括适于结合到至少一个目标的至少一个磁性粒子的流体样本；

-施加基本上高于所述磁性粒子的临界转差频率的频率的旋转磁场；

-测量所述旋转磁场对所述流体样本中的所述至少一个磁性粒子产生的效应；以及

-从其中导出所述流体样本中的所述至少一个目标的存在和/或量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，施加旋转磁场包括施加具有高于所述磁性粒子的所述临界转差频率至少因子10的频率的旋转磁场。

9.根据权利要求7到8的任一项所述的方法，其中，测量对所述至少一个磁性粒子的所述效应包括测量对直接或间接地结合到传感器表面的所述磁性粒子的所述效应，并且其中，所述方法还包括从所结合的磁性粒子的运动自由导出所述磁性粒子到所述传感器表面的结合特征的特征。

10.一种根据权利要求9所述的方法，其中，测量结合到所述传感器表面的效应包括提供经调制的旋转，从而调制由所述旋转磁场在所述磁性粒子上诱发的转矩，并且其中，所述经调制的旋转用于区分生物结合和非特异性结合。

11.根据权利要求7或8所述的方法，其中，利用光学感测技术执行所述测量步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，荧光标记用于与磁性粒子结合，并且其中，在将所述荧光标记结合到所述磁性粒子之后，所述磁性粒子被驱动到非结合传感器表面，并且完成了荧光标记的表面特异性检测。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，通过表面增强共振拉曼光谱学（SERRS）完成所述光学感测。

Images