CN102141540A - 一种测量纳米磁性液体交流磁化率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量纳米磁性液体交流磁化率装置，该测量装置包括：样品测量单元、样品控制单元和数据分析处理单元；所述，样品测量单元的作用为测量待测样品，所述样品控制单元上设置两个材料和尺寸完全一样的毛细管，所述两个毛细管其中一个装有待测样品，另一个为空试管；所述样品控制装置使两个试管交替进出样品测量单元；数据分析处理单元用于采集、存储和处理所述样品测量单元的数据，并控制所述样品控制单元运动。本发明还公开了，使用上述装置对纳米磁性液体交流磁化率进行测量的方法。

Description

一种测量纳米磁性液体交流磁化率的装置和方法

技术领域

本发明涉及超高灵敏的纳米磁性液体交流磁化率测量领域。

背景技术

免疫检定是一种应用在医学及生物学中的利用抗体反应或其对抗原的反应，来对生物样品，如血液，中生物分子浓度的测量方法。其原理是基于两种反应成分连接所具有的特有的标配性来对样品进行检测。免疫检定在临床医学中对检测浓度极小生物分子具有非常重要的意义。通过检测与已知抗原(或抗体)成分相连接的标记物浓度，进而得到待检测的对应抗体(或抗原)的浓度。为能够在早期准确的发现人类的各种疾病，所以，提高免疫检测的灵敏度、简化免疫检测的方法和装置一直是医学，生物学，物理学。化学等学科研究所共同努力的目标。

现有技术中，常用的免疫标记检定技术，按照使用的标记物和实验方法的不同可分为放射免疫检定法、酶联免疫吸附检定法和荧光免疫检定法等。以酵素连接免疫检测定为例，检定过程大体为：1、将未知抗原样品与已知附有酵素反应而产生荧光的抗体试剂结合；2、通过冲洗移除未结合的抗原、抗体、酵素等其它成分；3、测量荧光的强度可检定抗原或抗体的浓度。上述的常规生物免疫测定的原理是基于抗体与抗原或半抗原之间的高选择性反应而建立起来的一种生物化学分析法。其缺点为：检定过程比较复杂、灵敏度低、误测率较高等。

随着纳米科学技术的发展，磁性标记免疫检定越来越呈现出它的应用前景。该种检测方法相对与传统的方法有诸多优点：如免清洗、简化了检测步骤、可实现连续监控、可实现定量测量、有较高的灵敏度、不受有色物质干扰等。磁性标记免疫检测是一种利用分散在水溶液中的包裹有生物标记物的磁性纳米粒子(生物纳米磁性液体)与待测生物分子结合成磁性团簇后，通过对这些纳米粒子和团簇的磁性检测，来测量待测抗体浓度的新型检测方法〔1〕。磁性纳米粒子的直径通常为几纳米到三十纳米的超顺磁性氧化铁Fe₃O₄颗粒。生物标记物的选择是使用与待测生物分子具高专一性及强力结合性的抗体或抗原。磁性纳米粒子通过表面一层有机活性材料，例如：葡聚糖dextran与生物标记物偶链后悬浮于溶液中组成生物免疫检定的纳米磁性液体试剂。例如：在检测avidin时，可以选用其抗原biotin为生物标记物。通过化学反应将biotin包裹在Fe₃O₄纳米磁性粒子表面活性剂上，当它们与抗体avidin相结合时，部份磁性粒子会形成团簇。测量这些磁性粒子或团簇的磁特性，可定量的测量出待测抗体avidin的含量。这种免疫检测磁性液体试剂的磁极化弛豫性能与纳米磁性粒子的粒径、浓度等有关，免疫检定磁性液体试剂将遵从布朗(Brownian)磁弛豫行为，当与待测的抗体或抗原结合后磁性粒子聚合到一起形成团簇后，表现为尼尔(Neel)极化弛豫行为。标记物与待测物结合后，所形成团簇的量与待测物成正比，与剩余标记物的量成反比。目前，用于磁性标记免疫检定的磁性测量的方法包括磁弛豫、残磁量和混频交流磁化率等。磁性标记免疫检定是近期随着纳米技术发展而开发的一种新的免疫检定技术。目前它仍处在实验室的试验阶段。为了提高测量灵敏度，各种测量方法都在深入研究中，需要积累更多的生物活性试验数据。

发明内容

针对现有技术中的检测装置和方法所存在的不足，本发明提供一种灵敏度高，操作简便的检测装置和方法，所述装置包括：样品测量单元、样品控制单元和数据分析处理单元；所述，样品测量单元的作用为测量待测样品，所述样品控制单元上设置两个材料和尺寸完全一样的毛细管，所述两个毛细管其中一个装有待测样品，另一个为空试管；所述样品控制装置使两个试管交替进出样品测量单元；数据分析处理单元用于采集、存储和处理所述样品测量单元的数据，并控制所述样品控制单元运动。

进一步，所述样品测量单元包括：信号发生器，激励线圈，感应线圈，所述信号发生器为测量系统的激励源；所述激励线圈与所述信号发生器相连，由分别绕制在两个线圈框架上的两个同相线圈串联在一起组成；所述感应线圈与激励线圈同轴设置，包括两个反向绕制的结构和匝数相同的线圈。

进一步，所述样品控制单元包括：样品设置圆盘、连杆和电机；将所述两个毛细管设置在所述样品设置圆盘上，所述样品设置圆盘的在电机的驱动下，通过所述连杆带动两个毛细管交替进出所述样品测量单元。

进一步，所述数据分析处理装置包括锁相放大器，数据采集卡，计算机和多路触发器；所述锁相放大器输入端与所述感应线圈输出相连，将感应线圈两端差分输入到锁相放大器的输入端进行测量，通过测量得到的数据通过所述数据采集卡传输至所述计算机；所述计算机对所述数据进行存储和处理。

进一步，所述整个测量系统由电脑程序实现样品的提拉和数据采集时间的同步；多路触发器的两个通道分别输出方波脉冲来控制电机转动和数据采集卡采集时间。

一种使用权利要求1中装置测量纳米磁性液体交流磁化率的方法，其特征为，包括下列步骤：

a、实验准备：装有待测样品装入一个毛细管中；将装有待测样品的试管和空试管设置在所述样品控制单元上；

b、进行测量：使用样品测量单元分别对装有待测样品的试管和空试管进行测量；

c、对测量结果进行分析，最终得到已消除毛细管影响的与待测样品磁化率即磁性粒子浓度成正比的信号。

进一步，所述b步骤具体为：

b1、使用所述数据采集单元开始采集在空毛细管4d在样品控制单元中的感应线圈内，样品毛细管在所述感应线圈外时数据，采集时间为t₁；

b2、对装有待测样品的毛细管进行测量：在电机驱动下使装有待测样品的毛细管4c进入到所述感应线圈中，空毛细管位于所述感应线圈外；数据采集卡采集到待测样品和毛细管磁性产生的输出信号，装有待测样品的试管在感应线圈内的停留时间为t₂，

b3、再次对空毛细管进行测量，将装有待测样品试管被从所述感应线圈中拉出，空毛细管再次进入到感应线圈中，恢复到测试的初始状态。

进一步，将所述b步骤重复多次，并将每次测量所得到的信号进行平均。

该方法使用提拉样品和相位相干平均方法对纳米磁性液体交流磁化率进行测量，该方法具体为：

本发明所公开的测量纳米磁性液体交流磁化率的装置和方法，使用该装置和方法对纳米磁性液体的交流磁化率进行测量，其优势在于相对于不提拉样品的测量(即直接测量)的装置和方法可极大提高测量精度。测量信号的频率与感应线圈未平衡的信号(背底噪声)频率相同，如果采用直接测量，待测物产生的信号必须与背底噪声数量级相当才可能测量出来。采用样品提拉法，让样品周期性地进出线圈，测量有无样品时差值信号，并对信号做多次采样平均，实现相位相干检测，从而极大的提高测量精度。

附图说明

图1.用提拉样品和相位相干平均法测量磁性纳米粒子液体的交流磁化率设备的示意图。

图2.样品控制装置的结构示意图。

图3.单次测量，多路触发器用于触发电机与数据采集卡的方波脉冲时间序的示意图。

图4，被测样品的位置与所得信号之间的对应关系图。

具体实施方式

如图1中所示，本发明中所使用的测量系统主要包括：测量装置，样品控制装置4和数据分析处理装置5。其中，测量装置包括：信号发生器1，激励线圈2，感应线圈3，信号发生器1为测量系统的激励源；信号发生器1的频率是可调的，可根据待测磁性试剂的粒径和浓度选择最佳的工作频率。激励线圈2与信号发生器1相连，由分别绕制在两个线圈框架上的两个同相的串联在一起的线圈组成。感应线圈3与激励线圈同轴设置，包括两个反向绕制的线圈3a和3b，两个线圈的结构和匝数完全相同，实现最佳平衡。当施加激励场时，线圈3a和3b都会感应与激励源同频率的交流信号。由于感应线圈中的两个线圈3a和3b为反向串联，所以，两个感应线圈3a、3b所产生的感应信号大部分能够被相互平衡掉，最后，反向串联的两个感应线圈输出的非平衡信号比相同线圈同向串联的情况下所输出信号小三个数量级。如图2所示，样品控制装置4包括样品设置圆盘4a、连杆(图中未显示)、电机4b；两个挂在圆盘上的材料和尺寸完全一样的毛细管4c、4d设置在样品设置圆盘4a上；其中一个装有待测样品，另一个空着不装样品。在电机的驱动下，通过连杆空毛细管4d和装有待测样品的毛细管4c交替进出感应线圈3a。装有待测样品的毛细管4c进入感应线圈3a时，空毛细管4d被拉出感应线圈，反之，当空毛细管4d进入感应线圈中，装有待测样品毛细管4c被拉出。使用这种测量方法可自动消除容器毛细管本身磁性对检定测量的影响提高系统测量准确性，简化检定过程。

如图1所示，数据分析处理装置5包括锁相放大器5a，数据采集卡5b，计算机5c和多路触发器5d。锁相放大器输入端与感应线圈输出相连，将感应线圈两端差分输入到锁相放大器的输入端进行测量，经锁相放大器的归零(offset)补偿，测量系统的非平衡信号可减小到μV量级。测量数据通过数据采集卡5b传输至计算机5c。整个测量系统由电脑程序实现样品的提拉和数据采集时间的同步。多路触发器5d的两个通道分别输出方波脉冲来控制电机转动和数据采集卡5b采集时间。每次测量，输出方波脉冲的时间序列如图3中所示，首先，多路触发器5d输出一个开启数据采集卡5b的采集触发脉冲方波A，同时，输出一个触发电机的负，使电机逆时针转动，空毛细管4d进入感应线圈3a，数据采集卡5b在采集卡触发方波脉冲A的下降沿开始采集数据。采数t₁时间后，多路触发器5d输出触发电机的方波脉冲信号，电机顺时针转动，空毛细管4d被拉出，同时装有待测样品的毛细管4c进入到感应线圈3a中。为了限制毛细管的行程并使其停留在感应线圈3a的中心位置，电机4b的转动角度被限制在一定的角度内。假设，一个数据采集周期的时间为T：那末，在某一时刻多路触发器5d输出采集脉冲方波和触发电机的负方波脉冲信号，使空毛细管4d进入并停留在感应线圈3a中心位置(电机逆时针转)，采集触发脉冲方波A下降沿开始采集数据；数据采集t₁时间后，多路触发器5d将电机触发方波脉冲改变为正值，使装有待测样品毛细管4c进入感应线圈3a的中心位置并停留一个脉冲宽度时间t₂；在t₂时刻，多路触发器5d将电机触发方波脉冲恢复为负值，完成一个触发脉冲周期，即测量周期。一个数据采集周期的时间T要大于t₁和t₂之和，即T＞t₁+t₂。将每次测量的结果相位相干平均后可得到如图4c的检测信号。如此，可实现电机提拉和数据采集时间的同步、多次采集和数据相位相干平均，最终，实现相位相干检测得到高精度的检测结果。

没有外加磁场激励时，由于热扰动的影响磁性纳米粒子的磁矩取向是随机的、不确定的，因此样品的总磁矩为零；然而，在加磁场激励时，这些纳米粒子的磁矩会沿交流外磁场方向取向，因而产生整体的交流磁化强度χ_ac。交流磁化强度χ_ac是激励场频率f的函数。函数χ_ac(f)与磁性纳米粒子的极化弛豫时间τ有关。磁性纳米粒子的极化弛豫时间τ取决于粒子的粒径，液体的浓度，载液(通常为水)的粘度等参数。磁性纳米粒子液体通常有上述的布朗和尼尔两种极化弛豫方式。由布朗运动驱动的布朗极化弛豫的弛豫时间表达式为：

τ_B＝3V_Hη/k_BT，

其中，V_H是粒子的水力体积，μ是载液(通常为水)的粘度系数，k_B是波尔兹曼常数，T为绝对温度；由纳米晶体内的热扰动驱动的尼尔弛豫的弛豫时间为：

τ_N＝τ₀exp(KV_M/k_BT)

其中，τ₀为时间常数，通常取10^-9s，K是各向异性常数，V_M是磁核的体积。磁性纳米液体的有效弛豫时间为τ_eff＝τ_Nτ_B/(τ_N+τ_B)。可以看出尼尔弛豫时间强烈地依赖磁核的体积，当磁核直径为20-30nm时可以估算出τ_N达几百毫秒；而布朗驰豫依赖磁性粒子的水力直径，若水力直径也为20-30nm则τ_B只有几十微秒，因此τ_B＜＜τ_N，此时体系中的磁弛豫由布朗弛豫行为主导。

检测时，装有待测样品的毛细管4c和空毛细管容器4d通过控制程序，可迅速的交替进出感应线圈3a。每次检测过程；首先，将样品插入线圈3a内，根据输出电压的大小确定信号发生器1的最佳工作频率。然后，多路触发器5d触发一个如图3所示的脉冲序列；电机触发方波脉冲时间序和数据采集卡方波脉冲时间序。按照脉冲时间序的次序进行待测样品测量。如图4中a所示，首先，在空毛细管4d在线圈内，样品毛细管4c在线圈外时；数据采集卡5b开始采集数据；如图4中d所示，感应线圈的输出信号经锁相放大器放大平均，得到由毛细管本身磁性产生信号对应输出的信号，该信号为低电位信号。如图4中d中所示；在延迟t₁后，。开始对装有待测样品的毛细管进行测量：在电机驱动下使装有待测样品的毛细管4c进入到感应线圈3a中，空毛细管4d位于感应线圈3a外；此时，磁性粒子受激励场的激励而磁化，数据采集卡5b采集到待测样品和毛细管磁性产生的输出信号，该信号为高电位信号，装有待测样品的试管在感应线圈内的停留时间为t₂，装有待测样品的试管停留在感应线圈内的时间决定了感应线圈输出信号脉冲的宽度，所以此时脉冲宽度＝t₂；如图4中c所示，在t₂时刻，再次对空毛细管进行测量，将装有待测样品试管被从感应线圈3a中拉出，空毛细管再次进入到感应线圈3a中，恢复到测试的初始状态；此时，磁性粒子所产生的磁矩不起作用，输出信号重新降回到低电位。最后，如图4d中所示，到T时刻，数据采集卡结束采集数据，至此完成一个数据采集周期的测量全过程。然后，将采集到的数据，进行存储、分析和计算：为得到准确的测量数据，应将上述数据采集周期进行多次重复，并对测量数据相位相干平均得到已消除毛细管磁性影响和不相干噪声影响的与样品磁化率即磁性粒子浓度成正比的信号。

以下给出实施本发明测量磁性纳米粒子溶液的具体实施例子。

采用14nm粒径的纳米粒子溶液作为待测样品，用输液枪将1μL溶液打入容器毛细管中，溶液在管内的高度约为2mm，其端口用真空硅脂密封。将装有待测样品的毛细管与空毛细管设置在与电机相连的样品设置圆盘上，测量的准备工作完成。调整信号发生器的频率为6600Hz，电压峰值为10V，这时的激励电流约为50mA，激励磁场约为25G。设定锁相放大器的参数如下：时间常数为300ms、量程为100μV、放大倍数为100。然后，运行电脑程序控制多路触发器5b。多路触发器输出两个时间序如图3的触发脉冲来控制电机转动的方向和数据采集时间，数据采集在采集触发脉冲下降沿被触发开始数据采集，延迟t₁时间，多路触发器输出电机触发脉冲控制电机的转动方向。如图4a中所示，负电压对应空毛细管在感应线圈内，装有待测样品的试管位于感应线圈外；如图4b中所示，脉冲的正电压对应装有待测样品的试管位于感应线圈内，空毛细管位于感应线圈外状态，并停留t₂时间，然后，回到负电压拉出装有待测样品的试管，完成一个信号的测量周期。采集时间T大于样品进出感应线圈时间之和t₁+t₂，T可以取6秒或12秒。如要采集时间为12秒，测量过程的时间可设置为：样品先在线圈外4秒，进入线圈4秒，再退出线圈外保持4秒，则得到的台阶信号周期为12秒。每次测量12秒，将每次测量的结果相位相干平均后可得到如图4d中所显示的信号。

此方法不但可以用于免疫测定，还可用于小量液体或固体样品的交流磁化率的测量。

Claims (8)

1.一种测量纳米磁性液体交流磁化率装置，其特征为，该测量装置包括：样品测量单元、样品控制单元和数据分析处理单元；所述，样品测量单元的作用为测量待测样品，所述样品控制单元上设置两个材料和尺寸完全一样的毛细管，所述两个毛细管其中一个装有待测样品，另一个为空试管；所述样品控制装置使两个试管交替进出样品测量单元；数据分析处理单元用于采集、存储和处理所述样品测量单元的数据，并控制所述样品控制单元运动。

2.根据权利要求1中所述测量装置，其特征为：所述样品测量单元包括：信号发生器，激励线圈，感应线圈，所述信号发生器为测量系统的激励源；所述激励线圈与所述信号发生器相连，由分别绕制在两个线圈框架上的两个同相线圈串联在一起组成；所述感应线圈与激励线圈同轴设置，包括两个反向绕制的结构和匝数完全相同的线圈。

3.根据权利要求1所述测量装置，其特征为，所述样品控制单元包括：样品设置圆盘、连杆和电机；将所述两个毛细管设置在所述样品设置圆盘上，所述样品设置圆盘在电机的驱动下，通过所述连杆带动两个毛细管交替进出所述样品测量单元。

4.根据权利要求1所述测量装置，其特征为，所述数据分析处理装置包括锁相放大器，数据采集卡，计算机和多路触发器；所述锁相放大器输入端与所述感应线圈输出相连，将感应线圈两端差分输入到锁相放大器的输入端进行测量，通过测量得到的数据通过所述数据采集卡传输至所述计算机；所述计算机对所述数据进行存储和处理。

5.根据权利要求4所述测量装置，其特征为，所述整个测量系统由电脑程序实现样品的提拉和数据采集时间的同步；多路触发器的两个通道分别输出方波脉冲来控制电机转动和数据采集卡采集时间。

6.一种使用权利要求1中装置测量纳米磁性液体交流磁化率的方法，其特征为，包括下列步骤：

a、实验准备：装有待测样品装入一个毛细管中；将装有待测样品的试管和空试管设置在所述样品控制单元上；

b、进行测量： 使用样品测量单元分别对装有待测样品的试管和空试管进行测量；

c、对测量结果进行分析，最终得到已消除毛细管影响的与待测样品磁化率即磁性粒子浓度成正比的信号。

7.根据权利要求7中所述测量方法，其特征为，所述b步骤具体为：

b1、使用所述数据采集单元开始采集在空毛细管在样品控制单元中的感应线圈内，样品毛细管在所述感应线圈外时数据，采集时间为t₁；

b2、对装有待测样品的毛细管进行测量：在电机驱动下使装有待测样品的毛细管进入到所述感应线圈中，空毛细管位于所述感应线圈外；数据采集卡采集到待测样品和毛细管磁性产生的输出信号，装有待测样品的试管在感应线圈内的停留时间为t_2，；

b3、再次对空毛细管进行测量，将装有待测样品试管被从所述感应线圈中拉出，空毛细管再次进入到感应线圈中，恢复到测试的初始状态。

8.根据权利要求7中所述测量方法，其特征为，将所述b步骤重复多次，并将每次测量所得到的信号进行相位相干平均。

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