CN102165318A - 磁性标签传感器和筒体 - Google Patents
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Abstract
一种用于磁性标签传感器特别是用于磁性标签生物传感器的筒体(1、3)包括传感器区域(4)、与所述传感器区域接触的流体通道(2)以及与所述流体通道流体连通的第一(A)与第二(B1、B2)储存器。第一储存器包含第一类型磁性微粒(8)且第二储存器包含第二类型磁性微粒(8a)。第一类型磁性微粒被功能化以附着到所述传感器区域，而第二类型磁性微粒非功能化以附着到所述传感器区域。使用磁体(13)操纵磁性微粒(8、8a)。根据受抑全内反射(FTIR)进行检测，来自激光/LED(II)的光在传感器区域(4)被反射并由光电探测器/CCD(12)检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性标签传感器，尤其涉及一种磁性标签生物传感器及用于这种传感器的筒体。
背景技术
目前对生物传感器的需求日益增长。通常，生物传感器可检测被分析物内的给定特定分子，其中所述分子的数量典型地较少。例如，可测量唾液或血液内药物或心脏标志物的量。因此，如果待检测分子位于被分析物内，靶微粒(例如超顺磁标签珠粒)用于附着到特定的附着部位或仅附着点。一种检测附着到附着点的这些标签微粒的已知技术为受抑全内反射(FTIR)。在该处，光线以全内反射角度被耦合到试样中。如果试样表面附近没有微粒，光线被完全反射。但如果标签微粒附着到所述表面，则违反全内反射条件，一部分光线散射进入试样中，于是所述表面所反射的光线量减少。通过光学探测器测量反射光线强度，可能估计附着到所述表面的微粒量。由此可估计被分析物或试样内所关注特定分子的量。
该技术及其他磁性标签传感器，特别是生物传感器，极为依赖珠粒或磁性标签的磁吸引，也被称为致动。为提高在关注点应用中生物传感器的性能(速度)，磁性致动尤为重要。磁性致动的方向既可朝向实际进行测量的表面或传感器区域，也可远离该传感器表面。在第一种情况下，磁性致动可增大传感器表面附近磁性微粒的浓度，从而加速磁性微粒附着到传感器区域的过程。在第二种情况下，将微粒从传感器表面除去，这称作磁性清洗。磁性清洗可代替用液体除去多余微粒的传统湿洗步骤。磁性清洗更精确，并可减少操作步骤数量。
由于磁吸引，传感器区域近旁的微粒或标签的数量增多，传感器信号也相应增强。但是，一旦传感器表面达到一定微粒密度，则不可能进一步增强传感器信号。此时达到最大表面容量。该最大容量由传感器表面上的微粒和/或微粒链之间的磁推斥引起。这种效应可限制积聚在所述表面上的微粒量，从而限制从(生物)传感器获得的信号。这不利地将降低传感器的信噪比及检测极限值(以仍可在如血液中检测到的如心脏标志物的最小浓度表示)。特别对于须测量浓度量级为100fM的心脏标志物应用，实现低的检测极限值非常重要。
发明内容
因此，本发明一个目的是提供改进的磁性标签传感器，特别是磁性标签生物传感器以及其筒体。特别地，本发明一个目的是提供可降低检测极限值和/或增大信噪比的磁性标签传感器与筒体。
这些目的由本权利要求的各特征实现。
如上概述，检测极限值及信噪比与传感器表面最大容量有关。因此，本发明基于增加传感器表面最大容量的想法。根据本发明，传感器表面最大容量的增加由增加另外微粒到筒体中实现，所述筒体可用于将磁性标签推向传感器表面。术语“容量”限定传感器表面上标签微粒的量，由于标签微粒被检测并导致信号，标签微粒的量决定所述信号。因此如上所述，通过一定传感器表面所达到信号幅值与可检测到标签微粒的量有关。
本发明提供用于磁性标签传感器的筒体，特别是用于磁性标签生物传感器的筒体，包括传感器区域、与所述传感器区域接触的流体通道，以及与所述流体通道流体连通的第一和第二储存器。术语“磁性标签传感器”限定为应用磁性标签以附连到本领域已知的例如被分析物等的其它微粒的传感器。第一储存器包括第一类型磁性微粒，第二储存器包括第二类型磁性微粒。第一类型磁性微粒被功能化以附着到所述传感器区域，而第二类型磁性微粒非功能化以附着到所述传感器区域。相应地，第一类型磁性微粒可用于普通生物传感器。如果被分析物内存在待检测分子，第一类型磁性微粒优选为仅附着到特定附着点或传感器区域的超顺磁标签珠粒。第二类型磁性微粒也优选为超顺磁的，不过这些微粒非功能化以附着到所述传感器区域。第二类型磁性微粒仅用于对第一类型磁性微粒产生力，以将它们挤压或推向传感器区域。当磁场切断时，第二类型磁性微粒也减弱第一类型微粒的扩散，从而增加第一类型微粒接近附着表面的时间，并因而增大附着概率。本申请文中，术语“非功能化”也表示第二类型磁性微粒比第一类型磁性微粒的功能化程度低。无论哪一情况，第二类型微粒无需如第一类型微粒被功能化。
术语“储存器”在本申请中应广义地理解。第一与第二储存器可为适于容纳第一与第二类型微粒的凹槽、空腔等。但是，第一与第二类型磁性微粒也可直接沉积在筒体表面上而无需凹槽等。在此情况下，术语“储存器”应理解为沉积微粒的区域或范围。
为此，优选地在磁性致动下，第一类型磁性微粒大致在第二类型磁性微粒之前到达传感器区域。根据本发明一个特别优选的实施例，第一储存器与传感器区域之间的距离小于第二储存器与传感器区域之间的距离。这样，如果接通磁性致动，第一类型磁性微粒将因距离较短而比第二类型磁性微粒更快到达传感器区域。因此，第一类型磁性微粒可附着到传感器区域，而第二类型磁性微粒可堆积在第一类型磁性微粒上以产生力。
根据本发明另一优选实施例，第一类型磁性微粒的磁化率大于第二类型磁性微粒的磁化率。附加地或替代地，第一类型磁性微粒的体积可大于第二类型磁性微粒的体积。相应地，由外部磁场在第一类型磁性微粒中感生的磁矩将大于在第二类型磁性微粒中感生的磁矩。作用于第一类型磁性微粒上的力将大于作用于第二类型磁性微粒上的力，由此第一类型磁性微粒的速率大于第二类型磁性微粒的速率。在此情况下，第一储存器与传感器区域之间距离和第二储存器与传感器区域之间距离可能相等，但是，也可能将所述这些效应组合。
当然，其他效应也可用于实现第一与第二类型磁性微粒在传感器表面的分离。例如，第一类型磁性微粒和第二类型磁性微粒例如直径等尺寸可不同。替代地，也可能将第一类型磁性微粒和第二类型磁性微粒设在同一储存器内，第一类型磁性微粒放置在第二类型磁性微粒之上。相应地，本发明提供用于磁性标签传感器的筒体，所述筒体包括传感器区域、与所述传感器区域接触的流体通道、以及包括第一类型磁性微粒和第二类型磁性微粒的储存器。储存器与所述流体通道流体连通，其中第一类型磁性微粒被功能化以附着到所述传感器区域，而第二类型磁性微粒非功能化以附着到所述传感器区域。所述第一类型微粒与传感器区域之间的距离小于所述第二类型微粒与传感器区域之间的距离。
根据本发明另一优选实施例，第二储存器与传感器区域之间流体通道的一部分包括延迟微粒从第二储存器向传感器区域运动的延迟装置。该延迟装置可例如包括所述流体通道壁上的台阶。于是，由所述台阶将从第二储存器被致动朝向传感器区域的第二类型磁性微粒减慢或延迟。
根据本发明另一方面提供磁性标签传感器，特别是磁性标签生物传感器。所述传感器包括磁性致动部件和筒体。所述筒体包括传感器区域、与所述传感器区域接触的流体通道以及第一与第二类型磁性微粒，其中第一类型磁性微粒被功能化以附着到所述传感器区域，而第二类型磁性微粒非功能化以附着到所述传感器区域。所述传感器还包括用于检测所述筒体传感器区域中存在的微粒的装置，以及用于将所述第一与第二类型磁性微粒朝向传感器区域致动的装置。在该处，第一类型磁性微粒大致在第二类型磁性微粒之前到达传感器区域。
所述磁性标签传感器的筒体特别地可为上述筒体。例如，所述第一与第二类型磁性微粒可位于第一与第二储存器中，其中，第一储存器与传感器区域之间距离小于第二储存器与传感器区域之间的距离。替代地或附加地，第一类型磁性微粒的磁化率可大于第二类型磁性微粒的磁化率。
根据本发明一个特别实施例，磁性标签传感器的磁性致动装置适用于产生磁通量，使得对第一类型磁性微粒产生力，所述力大于作用在第二类型磁性微粒上的力。相应地，第一类型磁性微粒大体在第二类型磁性微粒之前到达传感器区域，即使它们的磁化率相等且设在与传感器区域相同距离处。
根据本发明的筒体和传感器较之现有技术是有利的，因为其可增加第一类型磁性微粒的表面密度。于是，可增大传感器表面的最大容量，以导致更低的检测极限值，从而导致更佳信噪比。
参照以下所述实施例，本发明的这些和其他方面将是明显且明晰的。
附图说明
图1示意性显示FTIR的功能性原理。
图2显示在连续磁吸引过程中生物传感器信号S(t)相对于时间的图表。
图3a显示根据本发明筒体的优选实施例。
图3b显示根据本发明筒体的另一优选实施例。
图4a显示根据现有技术的致动过程。
图4b示意性显示根据本发明的致动过程。
具体实施方式
图1示意性显示受抑全内反射(FTIR)光学检测方法的功能性原理。所示筒体包括底部1和罩盖部分3，以及其间的流体通道2。所述流体通道2适用于填充试样，并由罩盖部分3封闭或覆盖。在底部，流体通道2由传感器表面或传感器区域4限制，两个术语在下文中均有使用。来自激光或LED的光线11沿第一光学路径5进入底部1，在所述传感器表面4被反射，并沿第二光学路径6离开底部1。底部1形成适于容纳用于提供磁场的装置13的凹部7。
一旦流体通道2填充或供应有流体试样，以干燥形式被供应的超顺磁标签微粒8扩散进入具有流体试样的溶液。术语“磁性微粒”和“磁性标签微粒”可等同使用。利用磁体13，可使超顺磁标签微粒8向传感器表面4加速，如果在流体试样中存在待检测的特定分子，则这些微粒可附着到传感器表面4。在本领域已知多种不同的附着方法，用于将标签微粒8直接或间接附着到传感器表面4。为此，所述传感器表面4可包括化验物，用于将所述标签微粒8附着到其上。经充分附着时间后，可使用磁体13以将未与传感器表面4附着的标签微粒8从所述传感器表面4除去。为此，调整磁体13所产生磁场力，其方式为不破坏附着但基本仅除去未附着的标签微粒8。经过这种所谓的“清洗”步骤后，用激光或LED11照射传感器表面4。激光或LED11的光线在传感器表面4处被反射，并由检测器12进行检测，所述检测器可为光电二极管或CCD摄像头。典型地，在化验过程中连续读取光学部件或检测器12，并监控附着过程的进度。为清楚说明，术语“化验”也用作一个步骤，在所述步骤中测量流体中被分析物的性质或浓度。但替代地，化验之前未附着标签微粒8时检测器12由所接收的光线获得一幅图像，化验之后具有附着标签微粒8时获得一幅图像，然后比较其差异。入射光线的光学路径5选择为使其可满足全内反射的条件。在此情况下产生瞬逝光场，典型地可透过流体通道2仅50至100纳米，对于特定波长光源(即激光或LED11)典型可达70纳米。其他波长的光源将具有不同的瞬逝场长度。于是，只有标签微粒8靠近传感器表面4时，瞬逝场受到干扰，导致反射强度减小。
图2显示当在通道2中具有一定浓度的标签微粒8(也称为珠粒)通过连续磁场被吸引朝向传感器表面4时所观察到的典型信号S(t)的图表。X轴指示时间t，y轴指示以最大百分比表示的信号强度。一定时间后，信号S(t)与传感器表面4上珠粒的密度几乎直接成比例。因此，信号升高意指瞬逝场区域中传感器表面4上珠粒数量增加。恒定信号意指没有另外珠粒进入瞬逝场区域。在连续磁吸引的第一阶段(0＜t＜t1)，磁性标签微粒8(即珠粒或标签珠粒)在主要竖直方向朝向传感器区域输送，所述传感器区域为传感器表面4进行光学检测的区域。这通过增加约7％直至t1被反映出来。所述信号随时间连续增加，因为磁性标签微粒8可到达可光学检测到的区域。在一定时间t1后，因为传感器表面4上已达到标签微粒8最大密度，所述信号变稳定。换言之，检测区(其高度约可达70nm)内的标签微粒8的密度不再改变，尽管标签微粒8仍可能在所述区域之上(即高度大于约70nm)积聚。
传感器表面4的最大容量为磁体13产生的磁场的存在的直接结果。在最初隔离的所述磁场的影响下，可动的标签微粒8特别在传感器表面4聚合为更大的标签微粒8的链。在一些点处，标签微粒8的链在传感器表面4上活动性变弱，不再可能获得最低能态，所述最低能态可将所有链聚合为传感器表面4上一条非常长的微粒链。在该状态下，磁性标签微粒8的链相互排斥。如果不存在其它力，所述链可在传感器表面4重新分布以减小总能量。但由于传感器表面4的平面内亦由致动磁体13产生的其它侧向力，磁性标签微粒8的链被压缩且所述链条之间的距离减小。所述系统在该高能态不会使任一其它标签微粒8接近传感器表面4。
该情况以示意性简图示于图4a。传感器表面4处的磁性标签微粒8的最大密度基本由以下各力的均衡导致：标签微粒8上朝向传感器表面4的吸引力、标签微粒8上朝向传感器表面4中心的侧向力、以及标签微粒8之间或标签微粒8的链(图4a中未示出)之间的推斥力。
再参见图2，令人感兴趣的是可观察到在一定时间t2后，信号S(t)开始再次增加。这意味着磁性标签微粒8再次进入光学可检测到的约70nm以下高度的区域。显然，传感器表面4处磁性标签微粒8的密度增加超出上述讨论的阈值。这可由作用在磁性标签微粒8上朝向传感器表面4的力增大得到解释，这是由珠粒被朝向传感器表面4侧向吸引进一步远离传感器表面4导致的。如果越来越多标签微粒8堆积在图4a所示标签微粒8上，所述另外的标签微粒8也由磁场吸引并由此对标签微粒8底层产生附加压力。这在图4b中示意性显示，其中另外微粒8a已堆积到底层微粒8上，所述底层微粒因此被压缩或推向传感器表面4。只是上述各力的平衡简单地被改变，以有利于对磁性微粒8朝向传感器表面4的吸引。这由图2所示超出时间t2的信号增加所反映。
本发明基于利用该效应以增加传感器表面4的最大容量的想法。
根据本发明筒体的优选实施例的简图显示于图3a中。所述筒体包括具有传感器区域4的底部部分1和罩盖部分3。也显示用于产生磁场的装置13。当然，筒体的底部部分1也可具有图1所示形状，如果筒体用于FTIR，图1所示形状为特别优选的。筒体的罩盖部分3包括第一储存器A，所述第一储存器包括第一类型磁性标签微粒8。此外，包括第二类型磁性标签微粒8a的两个储存器B1和B2设在筒体的罩盖部分3中。所有三个储存器均与罩盖部分3和底部部分1之间的流体通道2流体连通。依照本发明，包含在第一储存器A中的第一类型磁性标签微粒8功能化以附着到传感器表面4，且包含在两储存器B1与B2内的第二类型磁性标签微粒8a未功能化以附着到所述传感器区域。通过功能化，第一类型磁性标签微粒8设计为由本领域已知多种方法附连到传感器表面4。相反，未功能化的标签微粒8a不拥有附连到传感器表面4的任何附着方式。
由图3a所示简图明显可知，一旦用于致动的磁场接通，储存器A、B1与B2中包含的磁性标签微粒8将被吸引或致动朝向传感器区域4。但是，由于第一储存器A与传感器区域4之间距离远小于储存器B1或储存器B2与传感器区域4之间距离，储存器A内包含的第一类型磁性标签微粒8将在储存器B1与B2中包含的第二类型磁性微粒之前到达传感器区域4。相应地，获得如图4b所示情况，下方的浅色微粒8为第一类型功能化微粒，而上方深色微粒8a为第二类型未功能化微粒。于是，第一类型磁性标签微粒8可附着到传感器表面4，而第二类型磁性标签微粒8此处仅用于增大对第一类型磁性标签微粒8的力。
本领域技术人员明显知道的是，图4b简图所示理想状况并非总是在实际实验中可实现。更可能发生的是某些未功能化的微粒8a也可到达传感器区域4，而某些功能化微粒8将堆积在靠近传感器区域4表面的底层之上的各层。根据本发明的功能化，功能化的标签微粒8大体在未功能化的标签微粒8a之前到达传感器区域4，这意指大多数功能化的标签微粒8在大多数未功能化的标签微粒8a之前到达传感器区域4。
除距传感器表面4的距离不同外，储存器A与B1/B2中包含的第一与第二类型磁性微粒8、8a也可具有不同性质。例如第二类型磁性标签微粒8a可更大，或第一类型磁性标签微粒8的磁化率可高于第二类型磁性标签微粒8a的磁化率。此外，用于产生磁场的装置13被设计成使得由磁通量对第一类型磁性标签微粒8产生的力大于对第二类型磁性标签微粒8a产生的力。
图3b显示根据本发明筒体的一个替代实施例。与图3a所示实施例不同，储存器B1和B2设在筒体的底部部分1。在该实施例中，特别优选地在储存器B1和B2与传感器表面4之间的底部部分1或基质中提供微台阶。于是，当储存器A中包含的第一类型磁性微粒8和储存器B1和B2包含的第二类型磁性微粒8a被液态试样同时释放时，与储存器A中包含的第一类型磁性微粒8到达时间相比，储存器B1和B2包含的第二类型磁性微粒8a的到达被延迟。通过该方式，可实现图4a所示标签微粒8、8a的布置，其中所述第一类型磁性标签微粒8比第二类型磁性标签微粒8a更靠近传感器表面4。
技术人员可理解图3a与图3b所示实施例应理解为示例性的。例如可仅提供用于第二类型磁性标签微粒8a的单个储存器B1或用于第二类型磁性标签微粒8a的三个、四个或更多个储存器，而不是提供两个储存器B1和B2。此外，图3a所示实施例与图3b所示实施例的组合也是可能的。也可在流体通道2侧壁中提供某些或所有储存器，而非在筒体底部部分1或罩盖部分3提供储存器。筒体的形状也可针对特定检测技术如FTIR(具有图1所示形状)加以优化。
尽管本发明已参考FTIR进行描述，显然，根据本发明的筒体和/或传感器可用于任一检测技术。
尽管已通过附图与前述描述对本发明加以详细说明和描述，这种说明和描述应视为说明性或示例性，而非限制性的；本发明不限于所公开的各实施例。通过研究附图、本发明公开内容以及附属各权利要求，本领域技术人员可理解并实现各公开实施例的其它变更。在各权利要求中，用语“包括”不排除其它部件或步骤，不定冠词“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可完成权利要求中若干条目所述功能。特定措施在不相同的附属权利要求中阐述，不代表这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中任一参考标号不应视为限制本发明范围。
Claims (13)
1.一种用于磁性标签传感器的筒体，包括传感器区域(4)、与所述传感器区域(4)接触的流体通道(2)、包含第一类型磁性微粒(8)的第一储存器(A)、以及包含第二类型磁性微粒(8a)的至少一个第二储存器(B1、B2)，两种储存器(A、B1、B2)与所述流体通道(2)流体连通，其中第一类型磁性微粒(8)被功能化以附着到所述传感器区域(4)，第二类型磁性微粒(8a)非功能化以附着到所述传感器区域(4)。
2.如权利要求1所述的筒体，其特征在于，所述第一储存器(A)与所述传感器区域(4)之间的距离小于所述第二储存器(B1、B2)与所述传感器区域(4)之间的距离。
3.如权利要求1所述的筒体，其特征在于，所述第一类型磁性微粒(8)的磁化率大于第二类型磁性微粒(8a)的磁化率。
4.如权利要求1所述的筒体，其特征在于，所述第一类型磁性微粒(8)的体积大于第二类型磁性微粒(8a)的体积。
5.一种用于磁性标签传感器的筒体，包括传感器区域(4)、与所述传感器区域(4)接触的流体通道(2)、以及包含第一类型磁性微粒(8)和第二类型磁性微粒(8a)的储存器(A)，所述储存器(A)与所述流体通道(2)流体连通，其中，第一类型磁性微粒(8)被功能化以附着到所述传感器区域(4)，而第二类型磁性微粒(8a)非功能化以附着到所述传感器区域(4)，所述第一类型微粒(8)与传感器区域(4)之间的距离小于所述第二类型微粒(8a)与传感器区域(4)之间的距离。
6.如权利要求1所述的筒体，其特征在于，所述第二储存器(B1、B2)与传感器区域(4)之间的流体通道(2)的一部分包括用于延迟微粒从所述第二储存器向所述传感器区域运动的延迟装置。
7.如权利要求6所述的筒体，其特征在于，所述延迟装置包括在所述流体通道的壁上的台阶。
8.一种磁性标签传感器，包括：
a)用于磁性致动的装置(13)；
b)筒体，所述筒体包括传感器区域(4)、与所述传感器区域(4)接触的流体通道(2)、以及第一和第二类型磁性微粒(8、8a)，其中第一类型磁性微粒(8)被功能化以附着到所述传感器区域(4)，第二类型磁性微粒(8a)非功能化以附着到所述传感器区域(4)；
c)用于检测所述筒体的传感器区域存在的微粒的装置(12)；以及
d)用于朝向所述传感器区域(4)致动所述第一与第二类型磁性微粒(8、8a)的装置，其中所述第一类型磁性微粒(8)大体在所述第二类型磁性微粒(8a)之前到达所述传感器区域(4)。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第一与第二类型磁性微粒(8，8a)位于第一与第二储存器(A、B1、B2)中，其中，所述第一储存器(A)与所述传感器区域(4)之间的距离小于所述第二储存器(B1、B2)与所述传感器区域(4)之间的距离。
10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第一类型磁性微粒(8)的磁化率大于所述第二类型磁性微粒(8a)的磁化率。
11.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第一类型磁性微粒(8)的体积大于第二类型磁性微粒(8a)的体积。
12.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述第二储存器(B1、B2)与传感器区域(4)之间的流体通道(2)的一部分包括用于延迟微粒从所述第二储存器朝向所述传感器区域运动的延迟装置。
13.如权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述用于磁性致动的装置(13)适用于产生磁通量，使得对第一类型微粒(8)产生的力大于作用在第二类型微粒(8a)上的力。
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