CN102439448A - 具有高动态范围的用于磁性颗粒的传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对样品中的磁性颗粒(M)进行检测的方法和传感器设备(100)。磁性颗粒(M)可以结合到结合表面(12)上的结合位点(Z)，其中磁性颗粒(M)可以由检测单元(13、14)来检测。提供控制器(15)，用于以改变磁性颗粒(M)的旋转弛豫条件的方式，依据检测单元(14)的检测信号(S)来对使磁性颗粒(M)朝向结合表面(12)的磁吸引力(B)进行控制。具体地，该改变可被控制以使在给定测量时间内磁性颗粒(M)与结合表面(12)的结合最大化。该改变例如可以通过使磁吸引力重复地关闭延长的时间段来实现，以给予磁性颗粒(M)更好的机会来相对于结合表面(12)适当定向。

Description

具有高动态范围的用于磁性颗粒的传感器设备

技术领域

本发明涉及一种用于对样品中的磁性颗粒进行检测的方法和传感器设备，其中所述颗粒尤其可以结合到在结合表面的结合位点上。此外，本发明涉及这种设备的使用。

背景技术

在US6991938中，描述了一种用于对结合到固体的成分进行定量测定的测定分析法。检测信号被持续地监控并且被用于推断样品中的成分数量。该方法和类似方法遇到的难题在于：在实践中，他们不得不应对未知浓度的大动态范围，所述范围一般地覆盖至少三个量级(decade)。

发明内容

基于该背景技术，本发明的目的是提供可以在宽动态浓度范围内对样品中的靶向颗粒进行精确检测的手段。

由根据权利要求1的传感器设备、根据权利要求2的方法和根据权利要求14的使用实现该目的。在从属权利要求中公开了优选的实施例。

根据其第一方面，本发明涉及用于对样品中的磁性颗粒进行检测的传感器设备。在本文中，术语“磁性颗粒”应当包括永磁颗粒以及可磁化颗粒，尤其是微米颗粒或纳米颗粒等颗粒。该样品一般为流体，例如如血液或唾液等体液。传感器设备包括以下部件：

a)“样品室”，其包括具有结合位点的表面(在下文中称为“结合表面”)，磁性颗粒可以结合在所述结合位点上。结合位点例如可以是尤其能够结合到抗原的抗体，所述抗原附着到磁性颗粒上。通常，在结合位点和磁性颗粒之间一般地具有共价结合。

该样品室一般为空腔或被一些物质(如吸收样品物质的胶体)充满的腔；该样品室可以是开放的腔、关闭的腔或由流体连接通道连接到其他腔的腔。

b)“磁场发生器”，其用于将磁性颗粒吸引到结合表面。磁场发生器例如可以由永磁体或电磁体来实现，所述永磁体或电磁体在样品室中产生具有非零梯度的磁场，以使磁性颗粒被磁化且被拉到该梯度的方向。

c)“检测单元”，其用于提供检测信号，所述检测信号与结合到结合表面的磁性颗粒的数量有关。

d)控制器，其用于依据上述的检测信号来控制磁吸引力(magneticattraction)，以便根据预定标准改变磁性颗粒的旋转弛豫条件。该控制器一般地将由专用的电子硬件和/或数字数据处理硬件来实现，并且该控制器通常将控制磁场发生器来影响该磁吸引力。

此外，术语“旋转弛豫”指的是磁性颗粒的旋转，该磁性颗粒的旋转是由于热运动(“布朗运动”)而从某个初始取向开始的。如果磁吸引力强，则几乎没有旋转弛豫，这是因为磁场迫使磁性颗粒保持占优势的取向。然而，如果磁场弱或甚至为零，则磁性颗粒变得自由地在它们的热能的影响下旋转。

本发明还涉及用于对样品中的磁性颗粒进行检测的相应方法，所述方法包括以下步骤(这些步骤一般地被并行执行)：

a)将磁性颗粒磁吸引到结合表面，磁性颗粒可以结合到在该结合表面的结合位点上。

b)使用检测单元对结合到结合表面的磁性颗粒进行检测。

c)依据步骤b)的检测结果来控制步骤a)的磁吸引力，以有目的地改变磁性颗粒的旋转弛豫条件。

该方法通常包括由上文描述类型的传感器设备执行的步骤。因此，参考上文的描述以得到关于该方法的更多详细信息。

由于这些颗粒能够被磁吸引到结合表面(在结合表面，这些颗粒被感测)的可能性，所以该传感器设备和方法允许对样品中的磁性颗粒进行快速检测。此外，该传感器设备和方法对磁性颗粒的旋转弛豫产生影响。这个步骤的动机是出于以下认识，即结合动力学(binding kinetics)由此能够被积极影响。具体地，通过使磁性颗粒相对于结合表面呈现出适当的取向，可以有意地使用旋转弛豫来增大结合的机会。因此，该传感器设备和方法提供了新的操作参数，所述操作参数能够被控制以改善检测的结果，例如关于精度和/或动态范围的结果。

在下文，将对涉及上文描述的传感器设备和方法的本发明的优选实施例进行描述。

在很多实际应用中，磁性颗粒将仅被用作实际上感兴趣的一些靶向颗粒的指示或标记，例如用作如生物分子、复合物、细胞片段或细胞等生物物质的指示或标记。磁性颗粒可以例如被用在竞争测定中，在该竞争测定中，磁性颗粒与样品的靶向颗粒竞争结合表面上的结合位点；然后，结合的磁性颗粒的数量将与靶向颗粒的未知浓度呈逆向关联。根据本发明的优选实施例，磁性颗粒能够结合至少一个靶向颗粒。为此，磁性颗粒例如可以承载一个或多个抗体，所述一个或多个抗体对于所述靶向颗粒而言是特定的。因此，可以使用磁性颗粒来标记靶向颗粒，并且所检测的磁性颗粒的数量是对样品中的靶向颗粒的(未知)数量的指示。

在对上述方法的进一步改进中，磁性颗粒和结合位点的设计使得仅具有至少一个已结合靶向颗粒的磁性颗粒能够结合到结合表面。例如，如果靶向颗粒是结合表面上的结合位点与磁性颗粒之间的必要连接器，则这是这样的情况。在该实施例中，结合到结合表面的磁性颗粒的数量直接与样品中的靶向颗粒的数量相关。

检测信号或结果由检测单元提供，并且检测信号或结果指示控制器使用结合到结合表面的磁性颗粒的数量来以某一预定方式调整磁吸引力。优选地，针对样品中的与磁性颗粒相互作用的靶向颗粒的浓度，评估单元还对检测单元的检测信号或结果进行监控和评估。在上述实施例中给出了在靶向颗粒与磁性颗粒之间的相互作用的重要示例，在上述实施例中磁性颗粒可以结合至少一个靶向颗粒。如已经提到地，它通常是大家实际上感兴趣的靶向颗粒的浓度。评估单元基于对检测信号的监控，即基于在结合表面上的结合动力学来帮助提供该期望的信息。

针对用户选择的多种不同目标，可以利用对磁性颗粒的旋转弛豫的影响来改进测量。在一个特别重要的示例中，控制磁吸引力(改变旋转弛豫条件)，以便在给定测量时间内使磁性颗粒与结合表面的结合最大化。以该方式，可以提高测量的精度，同时仍然遵守由应用施加的约束条件，例如路边药品测试中用于测量的受限时间。

另一种具体的方法包括：控制磁吸引力，以使得在实际检测信号指示磁性颗粒与结合表面的结合率低的情况下，为旋转弛豫提供更好的条件。为解释该方法，可以考虑上面的示例，其中磁性颗粒仅可以经由靶向颗粒结合到结合表面：(a)在靶向颗粒的浓度非常低的情况下，结合表面附近的(极)少量的结合了靶向颗粒的磁性颗粒将导致磁性颗粒与结合表面的结合率低；在该情况下，旋转弛豫的更好条件也会改善横向弛豫，即扩散的条件，这有助于结合表面附近的自由磁性颗粒与携带靶向颗粒的磁性颗粒的交换。(b)在靶向颗粒的浓度稍高的情况下，在结合表面附近存在足够多的结合了靶向颗粒的磁性颗粒；然而，所述磁性颗粒可能不具有适合于发生结合的取向。在该情况下，更好的旋转弛豫条件将使磁性颗粒呈现更宽范围的不同取向，因此利用适合的结合取向增加了它们到达结合表面的机会。

优选地，基于已存储的校准数据来进行对磁吸引力的控制。于是，实际检测信号与这种已存储的校准数据的比较将允许控制器决定是否需要改变磁吸引力。在上述示例中，例如，如果检测信号类似于对应低结合率的校准数据，则将启动这种改变。

通常，施加在磁性颗粒上以将它们拉到结合表面的磁吸引力可以遵循实现期望目的的任何时间曲线或模式。在优选的实施例中，磁吸引力以受控频率(一般地在1Hz到100Hz的范围)进行振荡。

磁吸引力的上述振荡可以例如具有正弦曲线。在优选的实施例中，磁吸引力以受控占空比仅在两个值(即“高”和“低”幅度)之间重复切换。最优选地，低幅度对应于零磁吸引力(磁场发生器关闭)。通常，术语“占空比”表示磁吸引力为“高”的时间与一个周期的持续时间(即一个“高”和“低”循环的总时间)之间的比值。因为磁性颗粒的旋转弛豫将与磁吸引力的幅度呈逆向关联，所以通过占空比可以轻易地控制旋转弛豫的条件。

根据可选地结合上述方案而实现的特别优选的控制方案，磁吸引力在受控持续时间的时间段内是关闭的。一般地，这些时间段将在1ms和1000ms之间的范围内，最优选地在10ms和100ms之间的范围内。因为旋转弛豫实质上仅当磁吸引力被关闭时才能够发生，所以对这些时间段的持续时间的控制提供了直接的措施来影响旋转弛豫的条件。

检测单元的测量通常将感测所有靠近结合表面的磁性颗粒是否已经结合。为了将检测限定到实际上已经结合的磁性颗粒，因此优选的是在检测步骤之前，将未结合的磁性颗粒从结合表面上去除。这种去除可以例如通过完全地交换邻近的流体而实现。更优选地，可以应用“磁清洗”，在该“磁清洗”期间，利用不破坏现有结合的力将磁性颗粒从结合表面上磁性地驱除(或者等效地，将磁性颗粒吸引到结合表面上方的远点)。

检测单元优选地包括光学传感器元件、磁传感器元件、机械传感器元件、声学传感器元件、热传感器元件和/或电传感器元件。磁传感器元件具体地可以包括线圈、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID(超导量子干涉仪)、磁共振传感器、磁限制性传感器或者在WO2005/010543A1或WO2005/010542A2中描述的那类磁阻传感器，尤其是GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁阻)或AMR(各向异性磁阻)。光学传感器元件特别适于对由受抑全内反射引起的输出光束中的变化进行检测，该受抑全内反射是由于在感测表面处的磁性颗粒所导致的。其他光学、机械、声学和热传感器概念在WO93/22678中已被描述了，将WO93/22678以引用方式合并入本文。

本发明还涉及上文描述的设备在分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食物分析和/或法医分析中的使用。例如，可以在直接或间接地附着到靶向分子上的磁头或荧光颗粒的帮助下实现分子诊断。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且变得清楚。将在附图的帮助下以示例的方式描述这些实施例，在附图中：

图1示意性地说明了根据本发明的传感器设备；

图2-4说明了在开启磁吸引力之前和在开启磁吸引力时，在结合表面上的状况；

图5示出了磁吸引力的切换模式；

图6说明了针对靶向颗粒的给定浓度和磁吸引力的不同频率所测量的检测信号；

图7和图8说明了针对不同的总弛豫时间，利用靶向颗粒的对应浓度进行归一化所测量的检测信号。

在这些图中，类似的附图标记表示同样或类似的部件。

具体实施方式

在分子诊断(MD)领域中的重要课题是开发用于在定点照护(POC)和在紧急情况下提供快速诊断的仪器。对MD平台的首要要求是诊断的速度、足够的灵敏度和易于使用。除此之外，具有微流体通道的一次性用品是优选的，用以增加面向大量制造商的平台的灵活性。

对于很多应用，所选择的诊断方法基于执行免疫测定。在本文，可能的检测方法尤其包括使用磁标记的受抑全内反射(FTIR)和使用分子荧光标记的共焦荧光镜检查。虽然这两种方法在检测标记的微小变化时都是足够灵敏的，但是必须确保能够影响测定部件的固有生化属性的所有物理方面的稳定性。通过使用超顺磁珠，可以直接影响测定的动力学(kinetics ofassay)，从而可以在受限的时间量之内执行检测流程。对于心肌肌钙蛋白测定，该时间段从样品被引入药筒的时刻开始小于5分钟。

此外，对于很多免疫测定来说，系统的动态范围必须覆盖至少三个量级。基于尤其为了高灵敏度而开发的协议，这是难以满足的。解决该问题的可行方案与终点检测(EPD)相关或者与连续信号监控(CSM)相关。通常，在EPD中，测定在多个步骤中执行，在所述多个步骤中测定被中断并且信号被假定为主要由具有分析物分子的标记给出。在CSM测定中，执行动力学测量。换言之，使用标准样品，以便针对时间和分析物浓度二者来校准所述测定，通过将测量数据与校准曲线进行比较而做出对未知样品的所检测的分析物浓度的估计。

考虑到上述背景，本文提出一种可供选择的方法，所述方法扩展了MD平台的动态范围，并且所述方法并不基于磁清洗流程。此外，还提出了一种将平台的精度最大化的方式。该方法的基本思想是使用磁性颗粒(珠)的旋转弛豫现象。这些现象在磁场梯度不存在的时间段中发生。在该时间期间并且根据珠半径，将发生重定向过程，从而磁珠相对于表面捕获抗体具有改变的取向。当磁场梯度再次开启时，在后续步骤中将发生与表面的结合。在该最后的步骤中，在场梯度被激活的时间期间，将发生接合(bonding)。

图1示意性地示出了实现上述一般原理的传感器设备100。虽然下文的描述涉及特定的设置(使用受抑全内反射作为测量原理)，但是下文的描述并不限于这种方法，并且可以被顺利地用在很多不同的应用和设置中。

传感器设备100包括承载器11，所述承载器11例如可以由玻璃或透明塑料(如聚苯乙烯)制成。承载器11位于样品室1的旁边，在所述样品室1中可以提供具有待检测靶向成分T(例如，药品、抗体、DNA等)的样品流体。样品还包括磁性颗粒(例如超顺磁珠M)，其中这些颗粒中的每一个都包括(经由例如具有抗体的涂层)用于上述靶向成分T的至少一个结合位点b。在测定开始的培养时间期间，磁性颗粒M和靶向颗粒T将因此结合，结合的程度取决于他们的浓度。

承载器11与样品室1之间的界面是由被称为“结合表面”12的表面形成的。该结合表面12由结合位点Z(例如抗体)覆盖，所述结合位点Z尤其可以与已经结合到磁性颗粒M的靶向颗粒T结合。在图中，示出了针对一个磁性颗粒的这种结合。

传感器设备100还包括产生输入光束L1的光源13，所述输入光束L1被发射到承载器11中。例如，市面上的CD(λ＝780nm)、DVD(λ＝658nm)或BD(λ＝405nm)激光二极管可以被用作光源13。准直透镜可以被用于使输入光束L1平行，并且例如0.5mm的小孔可以被用于减小光束的直径。输入光束L1以大于全内反射(TIR)的临界角的角度到达结合表面12，并且因此输入光束11被全内反射为“输出光束”L2。输出光束L2离开承载器11，并且由光检测器14检测。光检测器14确定输出光束L2的光量(例如，由该光束在全光谱或光谱的某一部分中的光强度表示)。耦合到检测器14的评估单元16对所测量的检测信号S进行监控和评估。

所描述的传感器设备采用受抑全内反射(FTIR)的原理。该原理是基于以下事实：当入射光束L1被全内反射时，衰逝波穿透(在强度上按指数规律下降)到样品1中。如果该衰逝波随后与如结合的磁性颗粒M之类的另一种介质相互作用，则输入光的一部分将被耦合到样品流体中(这被称为“受抑全内反射”)，并且被反射的强度将减小(对清洁界面并且没有相互作用而言，被反射的强度将是100％)。根据干扰量，即根据在TIR表面12上或在非常接近(在大约200nm之内)TIR表面12处(不在样品室1的剩余部分中)的磁性颗粒的数量，被反射的强度将相应地下降。该强度降低是对已结合磁性颗粒M的数量的直接测量，并且因此是对样品中的靶向颗粒T的浓度的直接测量。

传感器设备100还包括磁场发生器20，例如具有线圈和铁芯的电磁体，所述磁场发生器20用于可控制地在结合表面12处和在样品室1的邻近空间中产生磁场B。在该磁场的帮助下，磁性颗粒1可以被操控，即被磁化并且尤其被移动(如果使用了具有梯度的磁场)。因而，例如可以将磁性颗粒1吸引到结合表面12，以便加速它们与所述表面的结合，或者可以在(最终)测量之前将未结合的靶向颗粒从结合表面上清洗掉。

磁场发生器20连接到控制器15，该控制器15接收来自光检测器14的检测信号S。基于该信息，控制器15可以以下面的方式控制磁体20，即以所期望的方式影响磁性颗粒M的旋转弛豫条件。

这在图2-4中被更详细地说明了。这些图示出了在三个连续时间点、位于结合表面12前面的磁性颗粒M，每个磁性颗粒M具有一个结合的靶向颗粒T。图2示出了在时间t＝0s时的情况。一个磁性颗粒已经结合到结合表面12上的结合位点Z(如箭头所指)，并且磁体20被关闭。如果剩余的磁性颗粒在该时间点被磁性地吸引到结合表面12，则剩余的磁性颗粒中将没有一个磁性颗粒的结合的靶向颗粒具有允许结合的适合取向。

图3示出了在t＝95ms时的情况。因为还没有磁吸引力，所以磁性颗粒M根据它们的热能自由旋转。

在图4，示出了在t＝100ms时的情况。磁体20已经被开启，并且产生具有梯度的磁场B，所述磁场B将磁性颗粒吸引到结合表面12。因为中间旋转，最右边的磁性颗粒M现在被适当地定向，即它的靶向颗粒指向结合表面12。由此，该磁性颗粒可以附着到结合位点Z(如第二箭头所指)。

定量分析示出了球形颗粒扩散的平移速度和角速度的阻尼时间是可比较的，并且球形颗粒扩散的平移速度和角速度的阻尼时间具有3/10的比值。依据颗粒的体积分率、流体动力和潜在的相互作用，可以引入校正因子。作为示例，可以考虑分布在水中的半径为250nm的磁珠M。在近似无限的稀释中，这种珠的弛豫时间τ_r为

${\mathrm{\τ}}_r=\frac{8\mathrm{\π\η}{r}^3}{k_{B}T}=100\mathrm{ms}$

而平移扩散所覆盖的距离l仅为

$l=\sqrt{\frac{2k_B\mathrm{Tt}}{3{\mathrm{\π}}^2\mathrm{\ηr}}}=100\mathrm{nm}.$

这在靶向颗粒的浓度小的情况下是尤其重要的，这时未捕获任何靶向颗粒的珠的数量变得相当大。因此，在该表面附近的珠需要被新的珠替换。

靶向颗粒浓度的第二个重要区域是在实验的持续时间内不需要体积混合的地方。在该情况下，假设珠-靶向颗粒培养处于控制之下，则位于结合表面附近的捕获了靶向颗粒的珠的数量与样品体积中的靶向颗粒的浓度是成比例的。

为了说明旋转弛豫时间的影响，在不同的靶向颗粒(此处为：靶向分子)浓度下执行测量，其中仅可用于弛豫的总时间(即磁吸引力为零的总时间)发生变化，而所有其他参数保持恒定。换言之，为了将磁珠吸引到结合位点Z，使用驱动方案，在该驱动方案中，磁吸引力被重复地开启和关闭相同次数(900次)的驱动循环，并且“开启”时间段的持续时间(50ms)是相同的。然而，修改“关闭”时间段的持续时间(即占空比)，并因此修改切换频率f。在所有实验中，由放置在印制点(printed spot)之下的电磁体带来的吸引力也是相同的。在每个900次吸引循环结束时，使用放置在样品室(微通道)相对侧的另一个电磁体来将所有未结合的珠以及非特异性结合的珠从结合表面去除。应当注意的是，在开始每个驱动流程之前，靶向颗粒和珠被混合并且保持在一起相同的时间量。

图5说明了针对控制命令r所描述的切换模式，该控制命令r是由控制器15向磁体20发布的，其中值“1”表示磁体被“开启”，值“0”表示磁体被关闭。每个周期或循环具有总长度T_tot，该总长度T_tot是切换频率f(在图6中出现的值)的倒数，并且该总长度T_tot由磁体“开启”持续时间T_on和磁体“关闭”持续时间T_off组成。然后，驱动占空比被定义为T_on/T_tot之比。

图6示出了针对靶向颗粒的一个浓度(300pM)以及针对在4Hz-19Hz之间的不同切换频率f的测量结果。纵轴表示在相关单元中的检测信号，而横轴表示时间t。因为“开启”时间段的数量和持续时间对于所有曲线都是相同的，因此“关闭”时间段的持续时间(以及由此可用于旋转弛豫的时间)随着频率的降低而增加。

可以看到，在每个完整驱动流程的结束时测量的终点信号随着可用于旋转弛豫的总时间而降低。

图7和图8示出了曲线图，该曲线图表示如上文描述的测量得到的、归一化到靶向颗粒(此处为肌钙蛋白I)浓度c的(终点)信号与可用于弛豫的总时间T_r之间的关系。图7涉及靶向颗粒的低浓度，其中在培养过程结束时，每珠的靶向颗粒的最大数量小于1。对于c＝2.5pM和c＝7.5pM的两条曲线图至少重叠到T_r＝500s。换言之，在该时间段中，在表面上捕获的珠的数量与靶向颗粒浓度成比例。

图7中的实线表示考虑了根据以下公式(x对应于T_r)的实验条件的模拟曲线

其中C₁说明了由300s的培养时间(对于每次测量)对终点信号的贡献并且解释了负值，而C₂是第一指数函数的幅值，是与分析物浓度成反比的量。“过程”包括与具有更长弛豫时间的过程相对应的第二指数函数。该过程与来自上层的珠的贡献相关。可以预计它的影响在T_off＞500ms时(当具有足够的时间以行进等于珠直径的距离时)。获得～150s的τ值并且该τ值与表面反应机制有关。对于一阶反应方案，我们有

其中，k_on与表面常数相关，c为分析物的浓度并且k_off是表面解离常数。K_on的值还取决于每珠的分析物的浓度或者还取决于总的角取向间隔(angular orientationinterval)，在该总的角取向间隔内，珠有机会结合到表面。

图8包括针对靶向颗粒的更大浓度(100pM和300pM)的数据。虽然两条曲线在第一区域中是线性的，但它们的斜率是不同的。这是因为在这些浓度下，所有珠将结合超过1个靶向颗粒。每珠所捕获的靶向颗粒的平均数量取决于靶向颗粒浓度。因此，从曲线图中斜率为正的区域所估算的特征时间小于对应每珠一个靶向分子的特征时间。这是由于以下事实：在与结合表面的结合发生之前，珠需要较少地重定向。

为了使测量流程最优化，以使动态范围和精度都最大化，优选的是运行其中能够调整每个循环的时间T_off(无磁场存在)的驱动流程。在测量流程开始时，允许给定的培养时间以使得过程的动力学很好地处于控制之下。然后，以高频率f(以及短的弛豫时间T_off)开始磁驱动流程，并且将所测量的检测信号S与先前针对在类似条件下得到的校准曲线进行比较。遵循预定标准来执行该过程，该预定标准例如是信号包络线的时间相关性。一旦确定信号S在所允许的测量时间结束之前接近稳定状态，则对每个循环的驱动弛豫时间T_off进行校正(延长)。最终报告的靶向颗粒浓度将取决于驱动的历史。这由评估单元16来确定。

总之，本发明通过对检测器的输出信号进行测量并且通过对磁驱动流程进行调整来控制磁珠相对于结合表面的取向，从而获得对测定分析的动态范围的控制。通过使用每个驱动循环中的关闭磁场的时间段的合适值来实现这一控制。因此，磁珠的布朗旋转被延迟了，从而影响测定动力学，并且因此影响了最终检测的信号。结合每珠的活跃抗体的数量来应用本原理。本发明可以例如被应用到包括药品滥用测试和心脏测试的手持式免疫测定设备。

虽然上文参考了具体实施例描述了本发明，但是可以进行各种修改和扩展，例如：

-检测单元可以包括任何适当的传感器以便基于颗粒的任何属性来检测在传感器表面上或在传感器表面附近存在的磁性颗粒，例如，它可以借助磁性方法(例如磁阻、霍尔、线圈)、光学方法(例如成像、荧光、化学发光、吸收、散射、衰逝场技术、表面等离子共振、拉曼光谱等)、声波检测(例如表面声波、体声波、悬臂、石英晶体等)、电检测(例如传导、阻抗、测量电流、氧化还原循环)以及其组合进行检测。

-磁传感器可以是基于对在传感器表面上或在传感器表面附近的颗粒的磁属性进行检测的任何适合的传感器，例如线圈、磁阻传感器、磁限制性传感器、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID、磁共振传感器等。

-分子靶向通常确定较大部分的浓度和/或存在，所述较大部分例如为细胞、病毒、细胞或病毒的片段、组织提取物等。

-除了分子测定之外，还可以利用根据本发明的传感器设备检测较大的部分，例如细胞、病毒、细胞或病毒的片段、组织提取物等。

-可以在针对传感器表面扫描或不扫描传感器元件的情况下进行检测。

-可以由本感测方法直接检测作为标记的颗粒。同样，可以在检测之前进一步处理颗粒。进一步处理的示例为，加入材料或改变标记的生(化)或物理性质，以便于检测。

-本设备和方法可以与多种生物化学测定类型一起使用，该多种生物化学测定类型例如是结合/非结合测定、夹心法测定、竞争测定、置换测定、酶测定等。它尤其适用于DNA检测，这是因为大规模复用是容易实现的，并且可以借助喷墨打印来将不同的oligo定位在基板上。

-本设备和方法适合于传感器复用(即不同传感器和传感器表面的并行使用)、标记复用(即不同类型标记的并行使用)以及室复用(即不同反应室的并行使用)。

-本设备和方法可以被用作针对小样品体积的快速、鲁棒和容易使用的定点照护的生物传感器。反应室可以是与紧凑型读取器一起使用的一次性物品，该紧凑型读取器包含一个或多个场生成模块和一个或多个检测模块。而且，本发明的设备、方法和系统可以应用在自动化的高产量测试中。在该情况下，反应室例如是适合放入自动化仪器的孔板或小容器。

-纳米颗粒表示具有在3nm和5000nm之间(优选在10nm和3000nm之间，更优选在50nm和1000nm之间)的至少一种尺寸的颗粒。

最后指出，在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一个”或“一种”不排除多个或多种，并且单个处理器或其他单元可以实现多个模块的功能。本发明在于每个新颖性特征和多个特征的每一种组合。此外，权利要求中的附图标记不应当被认为是对权利要求范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于对样品中的磁性颗粒(M)进行检测的传感器设备(100)，包括：

a)样品室(1)，所述样品室(1)具有结合表面(12)，所述结合表面(12)具有用于磁性颗粒(M)的结合位点(Z)；

b)磁场发生器(20)，所述磁场发生器(20)用于将磁性颗粒(M)吸引到所述结合表面(12)；

c)检测单元(13、14)，所述检测单元(13、14)用于提供检测信号(S)，所述检测信号(S)与结合到所述结合表面(12)的磁性颗粒(M)的数量相关；

d)控制器(15)，所述控制器(15)用于控制磁吸引力，以使所述磁性颗粒(M)的旋转弛豫条件依据所述检测信号(S)而改变。

2.一种用于对样品中的磁性颗粒(M)进行检测的方法，包括：

a)将磁性颗粒(M)磁吸引到结合表面(12)，所述磁性颗粒(M)能够结合到在所述结合表面(12)上的结合位点(Z)；

b)利用检测单元(13、14)对结合到所述结合表面(12)的磁性颗粒(M)进行检测；

c)控制磁吸引力，以使所述磁性颗粒(M)的旋转弛豫条件依据检测结果(S)而改变。

3.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述磁性颗粒(M)能够结合至少一个靶向颗粒(T)。

4.根据权利要求3所述的传感器设备或方法，其特征在于：

仅结合了至少一个靶向颗粒(T)的磁性颗粒(M)能够结合到所述结合表面(12)。

5.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

针对与所述磁性颗粒(M)相互作用的靶向颗粒(T)的数量，评估单元(16)监控和评估所述检测单元(13、14)的所述检测信号(S)。

6.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

控制所述磁吸引力，以使在给定的测量时间内磁性颗粒(M)与所述结合表面(12)的结合最大化。

7.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

如果所述检测信号(S)表示磁性颗粒(M)与所述结合表面(12)的结合率低，则控制所述磁吸引力以便为旋转弛豫提供更好的条件。

8.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

基于存储的校准数据来控制所述磁吸引力。

9.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述磁吸引力以受控频率进行振荡。

10.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述磁吸引力以受控占空比在高值和低值之间切换。

11.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述磁吸引力被关闭受控的持续时间(T_off)。

12.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

在检测步骤之前，将未结合的磁性颗粒(M)从所述结合表面(12)上去除。

13.根据权利要求1所述的传感器设备或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述检测单元包括光学传感器元件、磁传感器元件、机械传感器元件、声学传感器元件、热传感器元件或电传感器元件，特别是线圈、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID、磁共振传感器、磁限制性传感器或诸如GMR、TMR或AMR元件之类的磁阻传感器。

14.将根据权利要求1到13中任意一项所述的传感器设备用在分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析和/或法医分析中。

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