CN102197308A - 具有多腔室筒体的生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物传感器，所述生物传感器包括用于容纳流体样本的筒体，所述筒体包括至少两个腔室，其中每一腔室包括具有一个或多个粘合位置的传感器表面。所述生物传感器还包括用于在至少两个腔室传感器表面的粘合位置产生磁场的装置。所述生物传感器也包括用于检测在至少两个腔室传感器表面粘合位置处和/或接近该位置处积聚微粒的装置。因此，粘合位置处的磁场具有足够大的梯度以朝向粘合位置致动磁性标记微粒。

Description

具有多腔室筒体的生物传感器
技术领域
本发明涉及一种多腔室筒体，其中不同标志物可在完全分离的测量腔室中被测量。
背景技术
本发明涉及用于检测例如唾液、尿液或血液等体液中特定成分的生物传感器。所述生物传感器利用磁性标记微粒，如覆盖捕获探针的超顺磁珠体。待检测的特定成分应粘合到所述捕获探针。随后采用特定磁性致动方案以优化测定性能。样本中待检测靶标分子的存在由磁性标记微粒与特定检测点或粘合位置的粘合程度检测，所述检测点或粘合位置由特定探针或试剂覆盖。由例如FTIR(受抑全内反射)等光学手段检测粘合到检测点或传感器表面的磁性标记微粒的存在。
在心脏应用特定实例中，生物传感器使用指尖针刺获得血液，以便对指示发生心肌梗塞的多种生物标志物进行定量检测。所述生物传感器可用于例如急救室、床旁、救护车、医师办公室或甚至家庭等即护型装置。已识别若干重要的心脏标志物蛋白，并且目前已被常规地使用。肌钙蛋白I基于其绝对的心脏特异性及其较长血清半衰期而广泛用作标准生物标志物。心脏病发作后血流中肌红蛋白水平快速增长，能够进行快速患者分级。B-型钠尿肽对于心力衰竭急救诊断以及急性冠状动脉症状患者预后是有益的。2，3 C-反应蛋白为冠心病以及急性冠状动脉症状的重要预后指标。
这种心脏标志物的同时量化可使医师快速诊断冠状动脉心脏病并准确设计患者护理方案。于是，心脏标志物快速可靠检测系统将帮助医学专家区分呈相似症状的患者。通常，不同标志物存在于不同的诊断相关的集中物中，于是对于检测最优下限与动态范围可要求不同测定条件。
发明内容
因此本发明一个目的是提供一种改进的生物传感器。本发明另一目的是提供一种允许对不同标志物以快速可靠方式同时量化的生物传感器。这些目的可由权利要求的特征实现。
本发明涉及一种多腔室筒体，其中不同标志物可在完全分离的测量腔室中被测量。由于反应腔室的分离，可避免交叉反应效果，测定条件可单独地被优化。
同时检测多种不同靶标分子的常用方法是使用覆盖如抗体等不同专用试剂的分离检测点或粘合位置。检测点上存在靶标分子由粘合到靶标分子的磁性标记指示。所述检测点上的磁性标记微粒的集中度可通过使检测点在相机传感器上成像而对每一单独检测点光学地测量。于是，样本中存在的不同靶标分子的量可通过分析不同检测点的信号而测得。
典型地，位于样本下方的下部磁体的磁性致动用于加速测定。位于样本上方的上部磁体优选地用于进行磁清洗步骤。显然，磁性标记微粒的检测点或粘合位置需位于磁体的所谓“最有效位置(sweet spot)”。这使单独的粘合位置必须集中在相对较小区域。此外，当粘合位置之间的间隔较小时，检测点在其上成像的单个CMOS传感器的有效使用更加容易。
不同磁体的极靴之间仅仅有限的距离允许产生对于磁性致动足够强的磁场。这利于平直筒体与平直检测腔室设计。同时有利地使单独的检测点或粘合位置在完全分离的测量腔室中，使得每一腔室测定条件可单独优化。测量腔室的最优容量和几何特征受两个附加因素影响：测量腔室的至少一个尺寸须足够小以产生充分毛细作用力，以便血浆等流体样本自动流入检测腔室。同时每一测量腔室的容量须足够大以满足灵敏度要求，即确保样本容量内存在足够多的靶标分子。所有这些导致相互矛盾的几何形状要求。此外，致动磁体的定向必需使得光学检测器光束的光学路径不受阻挡。
为满足上述要求，分散且完全分离的检测腔室被构置成使得至少检测腔室的粘合位置位于致动磁体的“最有效位置”之内。同时磁体定向成使得读取光束的光学路径不受阻挡。以此方式，检测腔室的总面积和容量不受磁体最有效位置的尺寸所限。
磁体“最有效位置”通常由磁体所产生磁场的若干要求限定。粘合位置须位于作用在磁性标记微粒上的磁力足够强以保证快速致动的区域。此外，磁力方向必须垂直于包含检测点或粘合位置的表面，并且不应在最有效位置区域上剧烈变化。由于作用在磁性标记微粒上的磁力由磁场梯度的平方确定，上述要求与磁场梯度相关。
如果使用马蹄形磁体产生磁场梯度，由于筒体的壁厚，马蹄形磁体与检测点之间典型距离约为1mm。最大磁场梯度则通过优化马蹄形极尖之间的距离(亦为1mm量级)并且为极尖选择具有最高磁通量饱和值而不产生剩余磁场的材料得以实现。这些优化的几何形状以及材料选择可使获得约为60T/m的最大磁场梯度，其在1mm×1mm区域内峰-谷值偏差约为10％。在实际条件下，磁场梯度可选择为略低，以限制线圈中的热消散。马蹄形磁体的极尖可在垂直于连接极尖的最短线的方向延伸，产生细长的最有效位置。在此情况下磁场梯度约为60T/m且其峰-谷值偏差约为10％的区域优选地在两个方向之一上大于1mm。
此外，光学检测技术相关的光学要求可适用。当然，所述粘合位置须在光学检测器视场之内。若使用具有有限像素数的价廉CMOS检测器，粘合位置应尽量靠近地群集以使每一粘合位置具有大量像素。优选地，视场宽度在1至2mm之间。在大为细长的磁性最有效位置的情况下，光学检测系统视场须相应调整。光学装置可用于有效延长视场并仍可有效使用CMOS检测器。
本发明提供一种生物传感器，包括用于容纳流体样本的筒体，所述筒体包括至少两个腔室，其中每一腔室包括具有一个或多个粘合位置的传感器表面。所述生物传感器还包括用于在至少两个腔室的传感器表面的粘合位置处产生磁场的装置。所述生物传感器也包括用于检测在至少两个腔室的传感器表面的粘合位置和/或接近该位置处积聚的微粒的装置。其中，粘合位置处的磁场具有足够大的梯度以致动磁性标记微粒朝向粘合位置。
优选地，粘合位置处的磁场梯度大于40T/m，优选地大于50T/m且最优选地约为60T/m。此外优选地，粘合位置处磁的场梯度最大最小值变动小于20％，优选地小于15％，且最优选地约为10％。每一检测腔室中包含粘合位置的传感器表面区域部分的面积至少为0.05mm2，优选地大于0.25mm2且最优选地大于2mm2。
粘合位置处磁场梯度产生的磁力优选地大体垂直于传感器表面。
根据本发明生物传感器的特别优选实施例，筒体腔室大体不相互直接流体连通。换言之，腔室相互分离，尽管它们可经由到腔室的进入通路“间接”流体连通，进入通路在筒体的某一部分连接。优选地，两个或多个腔室相互完全分离。
检测装置优选地包括光学检测器。光学检测器与每一粘合位置之间的光学路径优选地不受用于产生磁场的装置所阻挡。
用于产生磁场的装置包括下述一种或其组合：马蹄形磁体、三叉式磁体、四极磁体、多极磁体。优选地，用于产生磁场的装置包括具有磁芯的一个或多个电磁线圈，其中所述线圈的磁芯具有适于在粘合位置处提供大的磁场梯度的形状。根据本发明的优选实施例，所述用于产生磁场的装置可相对于筒体移动。
根据本发明特别优选的实施例，传感器表面的一个或多个粘合位置包含一种试剂或多种试剂的组合。所述试剂可为抗体、抗原、蛋白质、重组蛋白质等。优选地，一个或多个粘合位置处所述试剂或多种试剂的组合对不同腔室是不同的。于是，在不同腔室可进行不同测定。优选地，所述筒体包括三个、四个、五个或更多个腔室。所述腔室均优选地包括具有两个、三个、四个或更多个粘合位置的传感器表面。当然，具有更多腔室和/或每一腔室具有更多粘合位置的其它布置也落入保护范围内。根据本发明的优选实施例，一个腔室内的每一粘合位置包含不同试剂或多种试剂的不同组合。于是可进行复杂分析，可同时检测几种不同的标志物。
由优选实施例描述显然可知，本发明也提供测量腔室彼此相对以及相对于致动磁体(特别是致动磁体的最有效位置)的特定布置。为满足上述相互矛盾的几何形状要求，筒体各腔室布置成使得传感器表面的粘合位置位于致动磁体的最有效位置内，而腔室的其它部分优选地在该最有效位置之外。于是可优化致动特性，而同时测量腔室的容量足够大以满足灵敏度要求。
以下参考附图并通过优选实施例描述进一步详述本发明。
附图说明
图1显示可用于根据本发明生物传感器的马蹄形磁体的顶视图。
图2显示可用于根据本发明生物传感器的三叉式磁体的顶视图。
图3示意性显示根据本发明生物传感器的优选实施例的顶视图。
图4显示根据本发明生物传感器的另一优选实施例的顶视图。
图5显示根据本发明生物传感器的另一优选实施例的顶视图。
图6a显示根据本发明生物传感器的另一优选实施例。
图6b显示根据本发明生物传感器的另一优选实施例。
图7至图10示意性显示根据本发明生物传感器的腔室的替代设计。
图11a显示根据本发明具有马蹄形磁体的生物传感器的优选实施例的侧视图。
图11b显示根据本发明具有三叉式磁体的生物传感器的另一优选实施例的侧视图。
图12a显示根据本发明生物传感器的流体部件的顶视图。
图12b显示根据本发明生物传感器的筒体的正视图。
图12c显示根据本发明生物传感器的光学部件的顶视图。
图12d显示根据本发明生物传感器的筒体的侧视图。
具体实施方式
图11a显示根据本发明生物传感器的优选实施例的示意性侧视图。筒体1夹在用于致动的下部马蹄形磁体与上部清洗磁体之间。上部清洗磁体包括由线圈8环绕的磁芯7。下部磁体5是马蹄形磁体，马蹄形磁体包括具有极尖5a与5b的两个磁芯。所述磁芯由线圈6a与6b环绕。磁芯的极尖5a与5b形状形成为在筒体1中提供大的磁场梯度。
图11b显示图11a所示实施例的替代。在图11b中，图11a的马蹄形磁体由三叉式磁体5代替。所述三叉式磁体5包括具有极尖5a、5b和5c的三个磁芯，每一极尖形状形成为在筒体1处提供大的磁场梯度。磁芯由线圈6a、6b与6c环绕。
图1与图2分别显示图11a与图11b所示磁体的顶视图。
图3显示根据本发明具有四个腔室构形的生物传感器的示意性图示。所述筒体1包括成正方构形布置的四个腔室2。每一腔室2包括具有三个粘合位置4的传感器表面3。马蹄形磁体的极尖5a与5b在腔室2下方以简图示出。马蹄形磁体的最有效位置，即适于磁性致动的区域由虚线指示。显然，所述最有效位置远远小于四个腔室2所覆盖区域。由于四个腔室2布置为正方形样式，且粘合位置4位于腔室2的边角，所有粘合位置4位于最有效位置内。相应地，粘合位置4处的磁场具有足够大的梯度以致动磁性标记微粒朝向粘合位置。同时每一腔室2的容量足够大以满足灵敏度要求，即在样本容量内可提供足够多靶标分子。由于四个腔室2相互分离，可避免交叉反应效果，测定条件可对每一腔室2单独优化。
图4显示四个腔室2在三叉式磁体上方呈正方形样式的相似布置。尽管图3显示每腔室2有三个粘合位置4，而图4中每腔室2有四个粘合位置4，显然每腔室粘合位置数量可以改变。所述测定条件(即试剂、磁性标记微粒等)在每一腔室2中可以不同。如图3与图4所示，腔室2相对于磁体的定向可最优利用致动最有效位置，而腔室2的覆盖区与高度仍可根据灵敏度和毛细管填充要求加以调整。
在单个马蹄形致动磁体的情况下，所有粘合位置将受同一致动规程作用。但是若使用图5所示四极磁体，每一腔室2的致动规程可单独优化。图5所示实施例腔室2相对于读取光束11具有对角线定向。这可使得采用四极致动磁体而不会阻挡读取光束11的光学路径。
如果采用马蹄形或三叉式致动磁体(参见图3与图4)，筒体腔室相对于读取光束可具有平行定向。
在图6a所示线性多极磁体的情况下(其包括五个磁极5a、5b、5c、5d与5e)，腔室2可成线形定向，使用单个细长检测区域。图6b显示具有延伸的马蹄形磁体的实施例，导致细长的磁性最有效位置并使用单个细长检测区域3。显然图6b所示实施例情况下，腔室2的数量可改变。例如在马蹄形磁体的两个延伸或细长的磁极5a和5b之间可布置2个、3个、4个、5个、6个或甚至更多腔室2。
如图7所示，根据本发明筒体的更详细视图也显示腔室的供给与排放通路。所述筒体优选地包括流体部件12与光学部件13，它们可使用如图12b的正视图所示双面胶带14装配。流体部件12和光学部件13优选地由聚苯乙烯、聚碳酸酯、环氧烯烃(合)聚合物，聚丙烯、ABS等聚合物喷射模塑制成。流体部件12和光学部件13可使用相同或不同聚合物。光学部件13优选地由透明材料制成。在流体部件12中，在每一腔室内存在珠体或微粒井孔，以便于贮存干试剂和功能化的磁性珠体。
由图12a所示流体部件12的顶视图可知，流体部件12优选地包括样本入口15，样本入口经由进入或供给通路9a和9b与腔室2a和2b连接。腔室2a和2b包括如上所述具有若干粘合位置4的传感器表面3，如图12c所见，所述粘合位置包含在光学部件13上。腔室2a和2b经由排出或排放通路10a与出口10连接。替代地，每一腔室具有其各自出口10(参见图7)。
流体部件12和光学部件13可经由双面胶带相互附连，所述胶带将两个筒体部件连接。但是，也可设想其它方式以由流体部件和光学部件形成筒体。在图12a至图12d中，在流体部件12中形成通路与腔室，而具有粘合位置的传感器表面包含在光学部件13上。尽管这是优选布置，其它筒体设计也在本发明范围内。
由图12a显然可理解如发明内容中所述如何经由进入通路“间接”流体连通。由图12a可知，筒体1的两个腔室2相互完全分离。但有从腔室2a经过进入通路9a、入口15与进入通路9b朝向腔室2b的流体通道。然而，筒体腔室大体并非直接相互流体连通，可避免腔室之间的交叉反应。
测定化学物质典型地包括盐、缓冲剂、清洁剂、酶、稳定剂以及杀菌剂。为防止不同腔室交叉污染，可采用双面胶带以将光学与流体部件连接在一起。这导致阵列型式，其中对每一靶标被分析物特定的不同捕获探针被固定在分离区域。在该完全集成的系统中可采用同时测定，导致可以以单滴例如血液同时进行多种确定。
图7至图10显示根据本发明筒体的腔室和通路的布置的若干优选设计。其中，参见图12a至图12d所述流体部件中再次优选地被提供腔室、通路与出口，而在分离光学部件之上或其中优选地包含具有(也在图7至图10显示的)粘合位置的传感器表面。如图7优选实施例可见，每一腔室2a、2b、2c和2d设有各自供给通路9a、9b、9c和9d。此外，筒体设有通向出口10的出口或排放通路。
当然，设计四个腔室和四个供给通路有许多不同可能性。这些可能性中的一部分简略示于图8至图10中。只要不同腔室的粘合位置位于致动磁体的最有效位置中，本申请中所示实施例的所有可设想替代实施例应在保护范围内。
尽管本发明已通过附图和前述描述进行说明和描述，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实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和附属权利要求而实施要求保护的本发明，可理解并实现公开实施例的其他变体。在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，不定冠词“一个”并不排除复数。单个处理器或其他单元可完成权利要求中所述多项功能。在不同附属权利要求中记载的某些测量不代表不能有利地使用这些测量组合。权利要求中的任何参考符号不应视为限制范围。

Claims (15)

1.一种生物传感器，包括：
a)用于容纳流体样本的筒体(1)，所述筒体(1)包括至少两个腔室(2)，每一腔室(2)包括具有一个或多个粘合位置(4)的传感器表面(3)；
b)用于在所述至少两个腔室(2)的所述传感器表面(3)的所述粘合位置(4)处产生磁场的装置(5)；以及
c)用于检测在所述至少两个腔室的所述传感器表面的所述粘合位置处和/或接近所述粘合位置处积聚的微粒的装置；
其中，所述粘合位置(4)处的磁场具有足够大的梯度以便朝向所述粘合位置致动磁性标记微粒。
2.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，在包含所述粘合位置的所述传感器表面的一部分上，所述粘合位置处的磁场梯度的最大最小值变动小于20％，优选地小于15％且最优选地约为10％。
3.如权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，包含所述粘合位置的所述传感器表面的所述一部分具有的每个腔室面积至少为0.05mm2，优选地大于0.25mm2且最优选地大于2mm2。
4.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述粘合位置处的磁场梯度大于40T/m，优选地大于50T/m且最优选地约为60T/m。
5.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，由所述粘合位置处的所述磁场梯度产生的磁力大体垂直于所述传感器表面。
6.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述筒体(1)的所述腔室(2)大体不直接相互流体连通。
7.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述检测装置包括光学检测器，所述光学检测器与每一粘合位置之间的光学路径不被用于产生磁场的装置阻挡。
8.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，用于产生磁场的装置包括以下中的一种或它们的组合：马蹄形磁体、三叉式磁体、四极磁体、多极磁体。
9.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述用于产生磁场的装置(5)包括具有磁芯和极尖(5a、5b、5c、5d、5e)的一个或多个电磁线圈(6a、6b、6c)，其中所述极尖(5a、5b、5c、5d、5e)具有适于在所述粘合位置(4)处提供大的磁场梯度的形状。
10.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述用于产生磁场的装置(5)可相对于筒体(1)移动。
11.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述传感器表面一的个或多个粘合位置包含一种试剂或多种试剂的组合。
12.如权利要求11所述的生物传感器，其特征在于，所述一个或多个粘合位置处的所述一种试剂或多种试剂的组合对不同腔室是不同的。
13.如权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述筒体(1)包括3个、4个、5个或更多个腔室(2)。
14.如权利要求13所述的生物传感器，其特征在于，每一腔室(2)包括具有2个、3个、4个或更多个粘合位置(4)的传感器表面(3)。
15.如权利要求14所述的生物传感器，其特征在于，在一个腔室(2)内的每一粘合位置(4)包含不同试剂或多种试剂的不同组合。
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