CN103260513A - 使用磁阻传感器的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用磁阻传感器的检测系统。所述检测系统包括检测含有磁性颗粒的样本的磁元的磁阻传感器。外部磁场施加设备沿第一和第二方向向所述磁阻传感器施加外部磁场，并且具有用于样本保持单元的进入或离开的空间。水平驱动模块接收样本保持单元以在磁阻传感器下方水平移动所述样本保持单元。竖直驱动模块接收磁阻传感器以将磁阻传感器竖直移动至样本保持单元。

Description

使用磁阻传感器的检测系统

技术领域

本发明涉及一种使用磁阻传感器定量测量磁性颗粒的高灵敏检测系统。

背景技术

用于测试或检验一种或多种物质在液体样本（例如尿液或血液样本）中的存在的设备被称为诊断套组或测量筒。具体地，当前的诊断领域正被纳入到护理点测试（POCT）。POCT被定义为在中心测试室外进行的医疗测试并且甚至能够由不具有专门技巧或知识的普通人员执行。目前，POCT的诊断区域扩展到在一地点及在医院的个人。

例如，POCT可以在大剂量抗生素在医院被实施给患者以防止感染之后应用以通过获取少量血液来检查血液中的抗生素的量，或者可以在不能表达愿意的儿童或患者由于认知功能障碍而摄入大剂量药物的情况下应用以快速检查摄入到体内的药物种类以确保适当的治疗。

使用诊断套组进行诊断的医疗仪器或测量仪器的示例包括电化学血液分析仪、光学血液分析仪、使用磁场测量法的测量仪器等。电化学血液分析仪进行操作，使得其从测量筒获得电压、电流和电阻并且使用这些值用于测量。光学血液分析仪进行操作，使得其获取测量筒的测试线的图像并且测量所获取图像的像素强度。

图1是例示了磁阻传感器的感测原理的概念图。为了便于描述，将参考作为磁阻传感器例子的巨磁致电阻（GMR）传感器描述感测原理。该图示出了自旋阀型GMR设备。如图所示，磁阻传感器配置为使得非磁性金属层配合在两个铁磁金属层之间。第一铁磁金属层的磁性是固定的，而第二铁磁层的磁性是可变调节的，使得当第二层的磁性平行于第一层的磁性时，仅有沿特定方向自旋定向的电子穿过导体。即，在材料中感生出的电势差或电阻差取决于在两个铁磁层之间的磁化方向的对准而发生，并且该差异被检测作为数字信号。GMR设备具有作为层间材料的导体。使用磁阻传感器的诊断仪器是能够使用GMR传感器定量测量在横向流膜中积累的磁性颗粒的高灵敏POCT设备。

这类使用磁阻的测量仪器需要更高的自动化，并且需要实施为标准化自动装备以改进定量测量的质量。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面涉及一种为样本使用磁阻传感器的信号检测系统，所述检测系统配置为使得沿所述磁阻传感器的Y轴和Z轴方向向所述磁阻传感器施加磁场以最大化所述传感器的灵敏度，并且实施样本保持单元的水平运动和所述磁阻传感器的竖直运动以获得更精确的测量结果。

问题的解决方案

根据本发明的一个实施例，提供了一种使用磁阻传感器的检测系统，包括：检测含有磁性颗粒的样本的磁元的磁阻传感器；沿第一方向和第二方向而向所述磁阻传感器施加外部磁场的外部磁场施加设备，所述外部磁场施加设备具有用于样本保持单元的进入或离开的空间；接收所述样本保持单元以使所述样本保持单元在所述磁阻传感器下方水平移动的水平驱动模块；以及接收所述磁阻传感器以将所述磁阻传感器竖直移动至所述样本保持单元的竖直驱动模块。

根据本发明的另一实施例，水平驱动模块可以包括接收所述样本保持单元的测定单元，以及使所述测定单元在所述磁阻传感器下方移动的进给单元和Y轴驱动马达。

根据本发明的另一实施例，竖直驱动模块可以包括支承所述磁阻传感器的支承单元，以及将所述磁阻传感器竖直移动至由所述水平驱动模块移动的所述样本保持单元的Z轴驱动马达。

根据本发明的另一实施例，检测系统还可以包括分析所述磁阻传感器的检测信号以控制所述驱动马达的移动的控制单元。

根据本发明的另一实施例，检测系统还可以包括容纳所述检测系统的壳体，将检测信号的分析结果显示到所述壳体外部的显示单元，以及将所述检测信号的分析结果输出到外部的打印单元。

根据本发明的另一实施例，外部磁场施加设备可以包括沿作为第一方向的水平方向（Y轴）向所述磁阻传感器施加磁场的第一施加单元，以及沿作为第二方向的竖直方向（Z轴）向所述磁阻传感器施加磁场的第二施加单元。

根据本发明的另一实施例，具有样本的样本保持单元包括磁性颗粒和抗体的组合被固定其上的测量筒或薄膜。

根据本发明的另一实施例，第一施加单元包括磁场生成单元，所述磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、电磁轭和永磁体中选取的一个或多个部件，由此施加固定磁场。

根据本发明的另一实施例，第二施加单元包括磁场生成单元，所述磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、和电磁轭中选取的一个或多个部件，由此施加磁场。

根据本发明的另一实施例，由第二施加单元产生的磁场由DC电流形成。

根据本发明的另一实施例，根据本发明的磁阻传感器可以包括GMR传感器。

本发明的有益效果

根据本发明，为样本使用磁阻传感器的信号检测系统的优势在于磁场沿磁阻传感器的Y轴和Z轴方向施加至所述磁阻传感器，从而最大化所述传感器的灵敏度，并且实施所述样本保持单元的水平运动和所述磁阻传感器的竖直运动，由此获得更精确的测量结果。

另外，身体诊断可以通过使用非接触型巨磁致电阻传感器来感测样本而被有效地进行。由此，用于有效测量薄膜的测量设备可以通过将在护理点测试（POCT）中使用的薄膜安装在样本诊断套组中而被开发。另外，所述系统可以仅仅使用DC电源驱动，使得所述系统可由比常规霍尔传感器的功率小的功率驱动，因此是更经济的。

附图说明

本发明的某些示例性实施例的上述和其他方面、特征和优点将从下面结合附图的描述中变得更为显见，在附图中：

图1是例示了磁阻传感器的感测原理的概念图；

图2是示出了根据本发明的使用磁阻传感器的检测系统的框图；

图3是示出了根据本发明的检测系统的外部形状的一个实施例的视图；

图4是示出了图3的检测系统的内部配置的视图；

图5(a)至图5(e)是示出了图4的检测系统的内部配置的视图，其中，图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)分别为检测系统的俯视图、左侧视图、正视图、右侧视图和后视图；

图6是示出了在本发明的测定单元水平移动并在磁场施加空间中停止之后通过使用竖直驱动模块使磁阻传感器竖直移动而执行的测量的原理的视图；

图7是例示了根据本发明的磁阻传感器针对样本的实际输出波形的示例的曲线图；以及

图8和图9是示出了GMR传感器作为根据本发明的磁阻传感器的一个实施例的概念图。

<附图标记>

110：输入部

120：分离垫

130：结合垫

140：测量部（多孔膜）

150：吸收垫

210：外部磁场施加设备

201：样本

202：样本保持单元

230：磁阻传感器

300：水平驱动模块

310：测定单元

311：导轨

320：X轴驱动马达

400：水平驱动模块

410：支承单元

420：Z轴驱动马达

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。在任意可能的情况下，贯穿整个说明书，相同的附图标记将用来指代相同的元件，并且对该元件的重复描述将被省略。应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等在本文用来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件区分于另一个元件。

图2是示出了根据本发明的使用磁阻传感器的检测系统的框图。

根据本发明的检测系统包括：磁阻（MR）传感器230，其用于检测含有磁性颗粒的样本201的磁元；和外部磁场施加设备210，其沿磁阻传感器的第一和第二方向施加外部磁场并且具有用于样本保持单元202的进入或离开的空间。另外，检测系统包括：水平驱动模块300，其接收样本保持单元202以使样本保持单元202在磁阻传感器的下方水平移动；和竖直驱动模块400，其接收磁阻传感器以将磁阻传感器竖直移动至样本保持单元202。

详细地，为了检测样本的磁元，外部磁场施加设备210从外部施加磁场。外部磁场施加设备210可以包括第一施加单元211和第二施加单元212，其中第一施加单元211沿作为第一方向的水平方向向磁阻传感器230施加磁场，第二施加单元212沿作为第二方向的竖直方向向磁阻传感器230施加磁场。

通过这种基本配置，样本被安装在样本保持单元202上，外部磁场施加设备210施加外部磁场，而磁阻传感器230检测用于与磁元（磁性颗粒）耦联的样本的磁信号以将信号作为电元件进行分离和分析。磁性颗粒可以具有10至100emu/g的磁化值。在这种情况下，磁性颗粒具有超顺磁性或顺磁性的特性。另外，用于保持样本201的样本保持单元202可以是测量筒或薄膜。

如果使用沿至少一个方向向磁阻传感器施加磁场的外部磁场施加设备210，则施加到生物物质中的磁性颗粒上的磁力强度之和等于沿水平和竖直方向施加的磁场强度之和，使得生物物质的磁化力增大并且由此灵敏度提高。

为了更有效地测量，样本安装在其上的样本保持单元202需要被进给到由外部磁场施加设备所形成的磁场区域中。在这种情况下，需要水平驱动模块300接收样本保持单元并使样本保持单元在磁阻传感器的下方移动。另外，需要执行竖直运动的竖直驱动模块400以使磁阻传感器接近已经水平移动至检测区域中的样本保持单元以用于高灵敏度的测量。此外，检测系统可以包括控制单元500，其分析所检测的磁信号并且控制竖直和水平驱动模块的移动。

将参照图2至图4详细描述如上所述配置的根据本发明的检测系统。

图3是示出了根据本发明的检测系统的外部形状的一个实施例的视图。测定单元310的端部突出到外部以容许样本保持单元（例如筒）的插入。检测系统还可以包括在检测已经完成之后显示所获得的结果的显示单元D、以及以打印所述结果的打印单元。

图4是示出了图3的检测系统的内部配置的视图。

参照图4，如果样本保持单元被插入到测定单元310，则控制单元500使测定单元310水平移动（沿R3的方向往复运动）至位于外部磁场施加设备210下方的具有磁场的检测区域中。这种水平运动由水平运动模块300执行。水平运动模块300通过进给单元（例如传送带）接收Y轴驱动马达330（沿R1的方向旋转）的驱动力以用于移动测定单元310水平，由此在外部磁场施加设备210的下方进给测定单元310。测定单元310沿着导轨311移动。

如果测定单元310通过水平运动模块300的驱动操作到达在外部磁场施加设备210的下方所形成的检测区域中，则控制单元驱动Z轴驱动马达420以操作竖直驱动模块400，由此在支承单元410的端部处使磁阻传感器230上下（沿R2的方向）移动，其中支承单元410以使磁阻传感器230上下移动的方式支承磁阻传感器230。

磁阻传感器230通过支承单元410向下移动并且随后停止在被插入到测定单元310内的样本保持单元202上方以便检测磁信号。为了更精确的检测，优选的是测定单元由控制单元控制以沿与磁阻传感器的测量方向相同的方向往复运动，由此测量可变电信号的最大值。随后，检测到的样本磁信号被发送到控制单元，并在其后通过显示单元显示结果值。

图5(a)至5(e)是示出了图4的检测系统的内部配置的视图，其中图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)分别为检测系统的俯视图、左侧视图、正视图、右侧视图和后视图。

参照图5(a)，如在图4例示的配置，接收样本保持单元的测定单元310在外部磁场施加设备210的下方水平地移动。这种水平运动通过驱动Y轴驱动马达330执行，并由分析信号和控制驱动马达的控制单元500进行控制。

图5(b)是从左侧观看平面图时的视图。外部磁场施加设备210比构成控制单元500的电路单元相对更高的形成，并且设有测定单元310。

图5(c)是从正面观看平面图时的视图，图5(d)是右侧视图，而图5e是后视图。图（4）和图5(a)至图5(e)中共同的附图标记表示相同的部件。

图6是示出了通过在测定单元水平移动且在磁场施加空间中停止之后使用竖直驱动模块使磁阻传感器竖直移动而执行的测量的原理视图。将利用执行用于POCT的血液分析的免疫色谱法的诊断套组描述测量的一个示例。换言之，根据该检测示例，上述配置的样本保持单元实施为诊断套组。

与样本保持单元相对应的诊断套组100安装到测定单元上，并且通过水平运动模块进给至位于外部磁场施加设备下方的检测空间。

在诊断套组中，当血液标本S被放入输入部110内并在随后下降至分离垫120时，在分离垫120内执行血球分离，并且与纳米磁性颗粒的初级抗原-抗体结合131在结合垫130内发生。在经历初级结合的磁性颗粒移动至多孔膜的测量部140时，在测量部140中发生次级抗原-抗体结合。在这种情况下，剩余的磁性颗粒由吸收垫150吸收。

在次级结合完成之后，附着到膜垫（测量部140）上的磁性颗粒由外部磁场施加设备磁化。使用根据本发明的磁阻传感器测量在所磁化的磁性颗粒周围的磁场的变化。此时，为了精确测量的目的，介于磁阻传感器230与水平移动至位于外部磁场施加设备下方的区域的诊断套组之间的距离必须被非常精确地调整。这种功能由通过上述控制单元驱动的竖直驱动模块执行。在附图中，在诊断套组上方示出的磁场的图像Y概念性地例示了当次级结合已经在测量部中完成时影响磁性颗粒的周缘的磁场的图像。

优选地，为了实现更加准确的检测，测定单元由控制单元控制以沿与磁阻传感器的测量方向相同的方向Q往复运动，由此测量可变电信号的最大值。测得的磁场强度与待测血液中的蛋白质成比例。

图7是示出了当使用Z轴驱动马达执行在磁阻传感器与样本之间的精确的距离调节并且使用Y轴驱动马达使样本保持单元往复运动时，通过获取在样本存在和不存在时磁阻传感器的信号的差异来测量可变电信号的最大值时的实际输出波形的示例。在图中，部S1表示当磁阻传感器穿过样本时的输出波形，部S2表示当传感器穿过不存在样本的一部分时的波形，而部S3表示当传感器再次穿过样本时的波形。由此，可变电信号的最大值通过获取在样本存在和不存在时的磁阻传感器的信号的差异而测量。

在参照图2至图5描述的检测系统中使用外部磁场施加设备以沿第一和第二方向向磁阻传感器施加外部磁场。第一方向用来创建水平磁场，由此设定磁阻传感器的初始位置，并且阻断周围噪声，从而提高传感器的性能。更具体地，外部磁场施加设备优选地包括第一施加单元211和第二施加单元212，其中第一施加单元211沿第一方向即水平方向（Y轴）向磁阻传感器施加磁场，而第二传感器212沿第二方向即竖直方向（Z轴）向磁阻传感器施加磁场。上述水平和竖直方向并非严格地限制在垂直于磁阻传感器的平面的方向，而是在相对于给定的入射方向的容许范围内的灵活概念。另外，第二施加单元212优选地实施为通过电流改变磁场。沿水平方向（Y轴）施加的磁场的范围或者其中磁阻（MR）传感器可以起反应的范围可以在2至30高斯之内，而沿竖直方向（Z轴）施加的磁场的范围可以在1200至1800高斯之内。

由此，第一施加单元211包括磁场生成单元，该磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、电磁轭和永磁体中选取的一个或多个部件，由此施加固定磁场。第二施加单元212包括磁场生成单元，该磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈和电磁轭中选取的一个或多个部件，由此施加磁场。

另外，本发明的磁阻传感器230优选地包括从由常规磁阻传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁致电阻传感器、巨大磁致电阻传感器、隧道磁致电阻传感器、磁隧道结传感器和平面霍尔效应电阻传感器构成的组中选取的传感器。更优选的是使用巨磁致电阻（GMR）传感器。

图8和图9是示出了GMR传感器作为根据本发明的磁阻传感器的实施例的概念图。图中例示了用于在检测系统中使用的磁阻传感器。图中示出的箭头表示相对于由层叠箔型材料形成的传感器，箔型材料的水平方向（X轴方向）、箔型材料的水平方向（Y轴方向）和箔型材料的竖直方向（Z轴方向）。这种GMR传感器仅主要由沿垂直于传感器的方向（Y轴）施加的磁场影响，略微由沿平行于传感器的方向（X轴）施加的磁场的影响，并且不受垂直于传感器的方向（Z轴）施加的磁场的影响。另外，还可以在固有的线性范围内调节沿Y轴方向所施加的磁场的偏置。

因此，为了实现GMR传感器的最大性能，该系统设计为使得DC磁场沿Z轴方向施加至超顺磁性的饱和磁化磁性颗粒，并且磁场沿Y轴方向施加以调整偏置，籍此最大化传感器的灵敏度。在此，对于沿Y轴方向的磁场的施加，非常有效的是使用通过DC电流产生的感应磁场。这导致信噪比的改进。

尽管已经参照本发明的示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解的是，可以对其进行形式和细节的多种变化而不偏离于由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。由此，本发明的范围并非由本发明的详细描述限定而是由所附权利要求限定，并且在该范围内的所有差异应当理解为被包括在本发明中。

Claims (15)

1.一种使用磁阻传感器的检测系统，包括：

检测含有磁性颗粒的样本的磁元的磁阻传感器；

沿第一方向和第二方向而向所述磁阻传感器施加外部磁场的外部磁场施加设备，所述外部磁场施加设备具有用于样本保持单元的进入或离开的空间；

接收所述样本保持单元以使所述样本保持单元在所述磁阻传感器下方水平移动的水平驱动模块；以及

接收所述磁阻传感器以将所述磁阻传感器竖直移动至所述样本保持单元的竖直驱动模块。

2.如权利要求1所述的检测系统，其中水平驱动模块包括：

接收所述样本保持单元的测定单元；以及

使所述测定单元在所述磁阻传感器下方移动的进给单元和Y轴驱动马达。

3.如权利要求2所述的检测系统，其中竖直驱动模块包括：

支承所述磁阻传感器的支承单元；以及

将所述磁阻传感器竖直移动至由所述水平驱动模块移动的所述样本保持单元的Z轴驱动马达。

4.如权利要求3所述的检测系统，还包括：

分析所述磁阻传感器的检测信号以控制所述驱动马达的移动的控制单元。

5.如权利要求3所述的检测系统，还包括：

容纳所述检测系统的壳体；

将检测信号的分析结果显示到所述壳体外部的显示单元；以及

将所述检测信号的分析结果输出到外部的打印单元。

6.如权利要求5所述的检测系统，其中外部磁场施加设备包括：

沿作为第一方向的水平方向（Y轴）向所述磁阻传感器施加磁场的第一施加单元；以及

沿作为第二方向的竖直方向（Z轴）向所述磁阻传感器施加磁场的第二施加单元。

7.如权利要求6所述的检测系统，其中具有样本的样本保持单元包括磁性颗粒和抗体的组合被固定其上的测量筒或薄膜。

8.如权利要求6所述的检测系统，其中第一施加单元包括磁场生成单元，所述磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、电磁轭和永磁体中选取的一个或多个部件，由此施加固定磁场。

9.如权利要求6所述的检测系统，其中第二施加单元包括磁场生成单元，所述磁场生成单元包括从螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、和电磁轭中选取的一个或多个部件，由此施加磁场。

10.如权利要求6所述的检测系统，其中由第二施加单元产生的磁场由DC电流形成。

11.如权利要求6所述的检测系统，其中磁阻传感器包括从常规磁阻传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁致电阻传感器、巨大磁致电阻传感器、隧道磁致电阻传感器、磁隧道结传感器和平面霍尔效应电阻传感器中选取的传感器。

12.如权利要求6所述的检测系统，其中磁性颗粒具有从10至100emu/g的磁化值。

13.如权利要求12所述的检测系统，其中磁性颗粒具有超顺磁性或顺磁性。

14.如权利要求13所述的检测系统，其中第一施加单元具有2至30高斯的最大灵敏度。

15.如权利要求13所述的检测系统，其中，由第二施加单元施加的磁场具有从1200至1800高斯的范围。

Images