CN103502814A - 微型磁流式细胞仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量设备，其用于磁流式细胞仪的制造和使用，其中微流体通道沿聚集行程布置为使得流过微流体通道的被磁标记的细胞样本在磁导向条上定向，由于磁体的磁场而在通道底部上聚集，且被导引经过传感器。在此，传感器和磁导向条尤其是集成在半导体芯片上。

Description

微型磁流式细胞仪
技术领域
本发明涉及一种在流动中的磁性细胞检测。
背景技术
在细胞测量和细胞检测的领域中，除如散射光测量或荧光测量的光学测量方法外，也已知磁性检测方法，其中待检测的细胞类型通过磁标签被标记。
尤其是，已知用于磁基测量的方法，其中被磁标记的细胞通过磁泳从例如血液样本的复杂的细胞悬液中分类出。为此，必须首先相应地准备此复杂的悬液，使得待检测的细胞可从其中分离。尤其通过在复杂的细胞样本中引入细胞特异性的标志物进行磁标记。磁泳目前用于将被磁标记的细胞或一般的磁性微粒进行分类。
但在用于细胞检测的磁阻传感技术的领域中也可动态地为复杂悬液内流动中的被磁标记的细胞计数。为此，重要的是，细胞单独地相继流过传感器且被磁标记的细胞足够靠近磁阻传感器地导引流过磁阻传感器。
因此，在磁流式细胞仪的情况中，被磁标记的细胞在通道内靠近表面地运输通过磁传感器。被磁标记的细胞靠近传感器是关键的，因为据以使被标记的细胞最终通过传感器被检测的磁标志的散射磁场以距离的三次方下降。
为保证被磁标记的细胞样本在传感器近旁通过，基本上可考虑，将细胞样本所流过的通道的直径构造为尽可能小。即，在极限情况中，通道直径的大小刚好可使单独的细胞通过。在此当然产生的问题是，污染物或干扰微粒的存在很快导致通道的阻塞。
而如果通道构造得更大，则一些被标记的细胞在传感器的作用范围之外通过传感器且因此未被检测到的可能性升高。这可通过使被磁标记的细胞聚集在传感器上来抑制：已显示，通过微流体通道的直至1cm长度的尽可能长的聚集行程有利于，在聚集行程结束处使来自复杂悬液中的几乎100%的被磁标记的细胞在通道底部上聚集成，使得可通过磁传感器检测。但在其上形成了磁阻部件的半导体基片上布置如此长的聚集行程导致基片的高的纵横比，该高的纵横比除用于尤其是硅晶粒的半导体基片的总面积的高成本外，还导致在制造过程中的处理时的问题。流动速度越高且样本内的细胞浓度越高，则聚集行程必须选择得越长，以保证被磁标记的细胞样本在经过传感器时刻的足够充分的聚集。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是创造一种用于磁细胞检测的设备，所述设备在相同的聚集和测量精度下实现了半导体基片尤其是硅芯片的缩小，且因此也实现了电路板上的测量电路的包装的简化。
本发明的技术问题通过根据权利要求1的设备解决。对应于设备的制造方法在权利要求11中给出。用于磁细胞检测的方法在权利要求14中描述。本发明的有利构造是各从属权利要求的技术方案。
用于磁流式细胞仪的设备包括可用以检测被磁标记的细胞的磁阻传感器。此外，该设备包括构造为被细胞悬液流过的流动室，尤其是微流体通道。尤其是，微流体通道为此具有入口，通过所述入口可将细胞样本注入到检测设备内。此外，微流体通道的内面的例如表面性质与细胞样本尤其是与细胞样本的粘性匹配。此外，设备包括聚集行程，其中聚集行程构造为曲折的。聚集行程在此适宜地沿微流体通道走向。如果被磁标记的细胞样本直接在注入之后在磁传感器上或上方被导引，则当然不可能检测到所有被标记的细胞，因为在将细胞样本注入到设备内的时刻，在细胞样本内的被磁标记的细胞未是无序的且随机地分布在整个样本体积内。因此，聚集行程尤其是在例如通过永磁体产生的外部磁场中走向。在此磁场中，在细胞悬液内的被磁标记的细胞例如受到磁力，通过所述磁力所述被磁标记的细胞朝微流体通道的通道底部的方向运动。因此，被磁标记的细胞可聚集在通道底部上且然后充分靠近地导引经过磁阻传感器。因此，首先保证了更可靠的基本上百分之百地检测到每个单独的被磁标记的细胞。聚集行程越长则越可靠地使全部被磁标记的细胞聚集在通道底部上直至经过传感器的时刻。
曲折的聚集行程的优点是更少的位置需求且因此实现的整个测量设备的微型化，且可将整个测量设备集成在半导体芯片上。
因此，设备由于磁泳聚集行程的位置需求的降低而具有节约尤其是昂贵的硅晶粒的半导体基片的高成本的重要的优点。也由于晶粒的低纵横比而保证了简单的处理。例如未封装的半导体芯片，集成的电子部件，半导体或传感器基片称作“晶粒”。
此外，除半导体芯片外也降低了整个微流体通道体积，这导致更大的成本节约和传感器制造的简化。更长聚集行程可有利地用于提高细胞样本的流过速度，且因此提高通过量和/或减少对于样本所需的测量时间。
流动室，即尤其是微流体通道的直径例如为大约1000μm，这相当于细胞直径的数倍。原理上，通道直径可实现在30μm至30000μm之间。
在本发明的有利的构造中，用于磁流式细胞仪的设备的聚集行程具有磁导向条。所述磁导向条尤其布置为，使其将细胞向通道底部中心偏转。因此，其优点是聚集在通道底部上的被磁标记的细胞在例如中心磁导引线上沿其在通道底部上定向，使得在经过传感器时保证单独的检测。此外，磁导引线解决的技术问题是，将被磁标记的细胞定向为使其散射场在传感器内导致尽可能大的信号。
特别有利的是将磁导向条构造为铁磁性的磁导向条。细胞的磁标记尤其通过超顺磁标志物进行。
聚集行程的磁导向条尤其是用于将细胞导引到通道中心附近。尤其在曲折形的聚集行程的弯曲区域内，这通过将磁导向条安装为使其指向通道中心来支持。因此进行向通道中心的导引，因为在聚集行程和定向行程的终端处在通道内中心处设有磁阻传感器或例如传感器阵列。将整个通道宽度以单独传感器覆盖使得测量电子器件复杂化。磁阻部件可布置在微流体通道下方，布置在微流体通道的通道壁内，或也布置在通道的内部。
设备尤其是具有基片，例如半导体基片，在所述基片上设有磁阻传感器以及微流体通道且也设有聚集行程。在此，磁阻传感器，尤其是作为“集成电路”集成在半导体基片内。微流体通道又尤其沿聚集行程在基片上走向。例如，也可将聚集行程的磁导向条集成在半导体芯片上。设备集成在半导体芯片上的解决方案的优点是紧凑和尺寸小。
在本发明的有利的构造中，微流体通道沿聚集行程布置为使得流动通过微流体通道的被磁标记的细胞样本在磁导向条上被定向。恰好，此布置的优点是细胞除聚积在通道底部上外也受到散射场的定向，所述定向实现了在传感器上的高灵敏度的单独细胞的检测。
为此设备尤其是具有磁体，所述磁体与设备布置为使得流动通过微流体通道的被磁标记的细胞样本通过磁体的磁场聚集在通道底部上。被磁标记的细胞为此尤其是被超顺磁地标记。即尤其是将超顺磁的微粒结合在细胞上。通过磁体的磁场，尤其是永磁体的磁场，被磁标记的细胞在细胞悬液内部受到将其朝通道底部的方向导引的力。
在本发明的另外的有利构造中，微流体通道和磁阻传感器布置为使得流动通过微流体通道的被磁标记的细胞样本导引经过传感器。尤其是，传感器布置在微流体通道内部或下方，使得流动通过微流体通道的细胞样本在任何情况中都靠近表面地被导引经过传感器。合适地，传感器沿聚集磁体的磁场导引被磁标记的细胞的方向布置在通道底部上或在通道壁上。因此，传感器特别精确地朝向微流体聚集有被磁标记的细胞的流体通道侧。
在本发明的有利的构造中，聚集行程的行程长度至少为12500μm，尤其是至少为15000μm。例如，1mm长度的聚集行程也会是足够长的。所要求的聚集行程的最小长度也可是2000μm或直至1cm。对于聚集行程和定向行程的要求的长度的影响因素在下文中论述。
已显示，此高的行程长度的优点是，即使高浓度的细胞样本在聚集行程的结束处也可聚集在通道底部上且通过聚集行程的磁导引线定向为，使得在掠过磁阻传感器的时刻保证了可靠的单独的细胞的识别。
对于此类长的聚集行程，基片的最大尺寸尤其是至多为18000μm，至少至多为20000um。例如，基片的最大尺寸仅最大为10mm。在此，大多数半导体晶粒是被锯开为矩形的晶片块且因此基片的最大尺寸是其对角线。由于曲折形的聚集行程，所述聚集行程仅需要基片上的低的位置需求。这是特别有利的，因为半导体基片，尤其是硅晶粒的使用与高成本有关。因此，通过曲折形的聚集行程保证在更小的半导体芯片面积的情况下实现了也可用以聚集且定向高浓度细胞样本的足够大的聚集行程，使得此细胞样本内的被磁标记的细胞可被磁阻传感器单独地检测到。同时，聚集行程的曲折的形状降低了基片的纵横比，这意味着基片变得更紧凑且因此处理起来更简单。
设备的磁阻传感器尤其是是GMR传感器(GMR=Giant MagnetoResistance或巨磁阻)，例如设备的磁阻传感器是TMR传感器(TMR=TunnelMagneto Resistance或隧道磁阻)或设备的磁阻传感器是AMR传感器(AMR=各向异性磁阻)。
在替代的实施形式中，也可使用光学传感器，例如荧光或散射光传感器，或将其与磁性传感器组合。
在用于制造以上所述的设备的方法中，首先在基片上制造磁阻传感器，将磁导向条安设到基片上，且将微流体通道安设在基片上。在制造方法的有利的构造中，将传感器集成在半导体基片上。为此，可使用微系统技术的已知的过程方法。
在制造方法的有利的构造中，聚集行程的磁导向条例如通过热蒸镀或溅镀直接沉积在基片上。磁导向条尤其是由铁磁性材料制成，例如由镍制成。为此也可使用铁磁性合金。
在用于磁性细胞检测的测量方法中，将被磁标记的细胞样本被注入到带有曲折性聚集行程的以上所述设备内，在所述设备内部的微流体通道内导引，通过磁体这样地聚集在通道底部上，使得被磁标记的细胞被导引经过磁阻传感器且在所述磁阻传感器处被检测。
聚集通过例如永磁体的磁场的外部磁场且磁泳定向通过铁磁性导轨在测量过程期间优选在原处进行。因此，要求用于被磁标记的细胞的足够长的定向行程，以保证被标记的细胞的希望的基本上百分之百的重新发现率。对于使用铁磁性轨的聚集和定向行程的要求的长度的影响因素是：
1.细胞样本被泵送通过微流体通道的速度，
2.所施加的聚集磁场的磁场强度，
3.悬液内被超顺磁标记的细胞的浓度，以及
4.所使用的标志物的磁性特征，
5.细胞悬液的成分和流变特征，即例如其流动特征，和
6.在样本表面上的被标记的细胞的类型及其同位素数且因此每细胞的顺磁标志物的数量，所述顺磁标志物的数量决定了待检测的散射场的强度。
细胞悬液尤其是通过压力降低被泵送通过微流体通道。压力降低可例如通过手动操作注射器或注射系统产生。以此保证细胞样本的层流流动而不产生回流。因为细胞和包围细胞的复杂的介质近似于具有相同的密度，所以在曲折形流体通道的弯曲区域内也仅出现低的离心力，且被标记的细胞可保持在其轨道上。
因此，设备和测量方法对于小体积高浓度的样本(每μl中1000个细胞)是有利的，例如CD4+-细胞。在健康成年人的血液中，CD4+T细胞大致占淋巴细胞的大约25%至60%。因此，血样具有大约300至1600细胞/μl的浓度。CD4+T细胞的升高或降低可在多种疾病中发生。虽然升高或降低的程度不可用于病症的证据，但是其指标或补充地确认了现有的诊断。出现CD4+-细胞升高的例子是在风湿病或不同的白血病。CD4+-细胞的降低可以是免疫弱的证据，例如HIV疾病(AIDS)。
因此在磁流式细胞仪中，关键的是使得被磁标记的细胞很靠近磁阻传感器地从传感器旁运输过。因为细胞样本流过例如微流体通道的流动室，所以细胞必须在此流动室内靠近其内表面被运输，在所述内表面处安装了磁阻传感器。尤其是，通道壁直接接触地安设在磁传感器上。在替代的实施形式中，磁阻传感器嵌入在通道壁内。作为磁标记，优选地使用超顺磁标签。作为磁阻传感器，考虑GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。因此，被磁标记的细胞靠近传感器是关键的，因为磁标记的散射磁场在近场区域内随距离的三次方降低。除被磁标记的细胞聚集在传感器表面上之外，被磁标记的细胞的定向对于其可检测性也具有积极意义。在此，被磁标记的细胞优选地在流过方向上定向为，使得磁标记的磁场导致传感器内的尽可能明显的信号。在磁流式细胞仪中，要求在伪阳性和阳性信号之间尽可能精确的区分。为此，对于阳性信号必须可设置对于信号的尽可能高的阈值，以将其与噪声信号分开。
不同于通过使被磁标记的细胞在微流体通道内被其直径约束而使仅单独的细胞可基于此来将所述细胞单独地导引通过传感器的方法，该方法的优点是实现了直接从未准备的复杂悬液中的基本上百分之百的单细胞检测。因此，克服了所述细胞的机械分离的导致流体系统阻塞的大的缺点。在此类测量设备中由不同的直径也不能准确地单独确定未被磁标记的细胞。细胞的直径例如在大约3μm至30μm的范围内。优选地，细胞被导引通过很多其直径为10倍至1000倍的更宽的微流体通道。传感器或单独传感器的传感器阵列在此横向于流动方向布置且具有相当于细胞直径的、例如30μm的宽度。
附图说明
本发明的实施形式以典型的方式参考附图的图1至图5描述：
图1示出了曲折形的聚集行程，
图2示出了聚集行程的第一弯曲部内的磁导引线，
图3示出了聚集行程的第一弯曲部内的替代的磁线布置，
图4示出了直的和曲折形的聚集行程之间的尺寸对比，
图5示出了通过测量设备的横截面。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的曲折形的聚集行程10。聚集行程10具有三个直的部分行程，所述直的部分行程通过两个弯曲部K1、K2相互连接。聚集行程10一方面构造用于定向但也构造用于使被磁标记的细胞90聚集在通道底部上。即，在图1中所示的俯视图中，微流体通道50沿聚集行程10安装为使得被导引通过此微流体通道50的细胞样本受到永磁体的磁力以聚集在通道底部上且也受到与磁导引线15的磁交互作用。在图1中所示的磁导引线15沿聚集行程10直接在基片12上走向，所述基片12尤其是半导体芯片的表面。磁导引线15与聚集行程10的中心线成锐角地沿直的第一部分行程走向，且因此将被磁标记的细胞50导引到通道中心内。磁导引线15沿第一弯曲部K1从聚集行程10的边缘即也从微流体通道50的边缘向聚集行程10的中心走向。在此示例中示出了沿通道中心布置的中心磁导引线。此外，图1在聚集行程10的俯视图中示出了用于细胞样本进入微流体通道的入口11。
在图2中示出了聚集行程10的部分，所述部分带有聚集行程K1的第一弯曲部。在图2中示出了磁导引线15的替代的实施形式。此实施形式可作为在中心线上扇形走向的替代也成为半径不同的半圆形线，所述半圆形线与微流体通道50的通道壁成固定距离地描述了轨道。在此示例中，细胞样本内的被磁标记的细胞90在此轨道上被导引通过弯曲部K1。箭头意味着细胞样本流动通过聚集行程10的弯曲部K1的流动方向。
在图3中示出了聚集行程10的更大的部分，所述附图示出了第一弯曲部K1以及第一和第二直的部分行程的部分。在此实施形式中，磁导引线15又示出了扇形的图形。所述磁导引线15从通道壁导引至通道50的中心线，以及在弯曲部K1中也在直的部分行程上导引。在直的部分行程上，所述磁导引线15尤其是与通道50的中心线成锐角地导引。因此，运动通过微流体通道50的细胞样本90导引至通道50的中心。
图4示出了与直线聚集行程10b相比的聚集行程10a的另外的俯视图。为此，长度比例以微米给出。聚集行程10a具有与直线聚集行程10b相同的总长度，但其所需要的半导体芯片12a的长度仅是其上设有磁导引线15的形式的聚集行程10a的基片12的长度的一半。
在图5中示出了通过测量设备的实施形式的横截面，其中聚集行程10不直接成形在半导体基片12上，而是成形在包装材料16上。在横截面中示出了其上被磁标记的细胞90被导引的磁导引线15。尤其是，在测量设备的上方或下方设有永磁体，通过所述永磁体的磁场将细胞90聚集在通道50的底部上。此外，图5示出了其上沉积了触点17的载体13。在所述载体13上安设了半导体基片12且借助线接头18在载体基片13上接触。在半导体芯片12上尤其具有磁阻传感器20和带有磁导引线15的、聚集行程600的更小的另外的部分，该部分可补偿与封装材料16上的聚集行程10的偏移601。例如，通过注塑方法以封装材料16形成流动室50。通过箭头又示意细胞样本的流动方向或指示了到微流体通道50内的入口11。

Claims (14)

1.一种用于磁流式细胞仪的设备，带有：
-磁阻传感器(20)，
-流动室(50)，所述流动室构造为被细胞悬液流过，
和
-聚集行程(10)，其中
所述聚集行程(10)构造为曲折形的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述聚集行程(10)具有磁导向条(15)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述磁导向条(15)是铁磁性的。
4.根据前述权利要求中一项所述的设备，所述设备带有基片(12)，尤其是半导体基片，其中所述磁阻传感器(20)以及流动室(50)、尤其是微流体通道和所述聚集行程(10)布置在所述基片(12)上。
5.根据权利要求2至4中一项所述的设备，其中所述微流体通道(50)沿所述聚集行程(10)布置为使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁标记的细胞样本(90)在所述磁导向条(15)上定向。
6.根据前述权利要求中一项所述的设备，所述设备带有磁体，其中所述磁体布置为使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁标记的细胞样本(90)由于所述磁体的磁场而在所述通道的底部上聚集。
7.根据前述权利要求中一项所述的设备，其中所述微流体通道(50)和所述磁阻传感器(20)布置为使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁标记的细胞样本(90)导引经过所述传感器(20)。
8.根据前述权利要求中一项所述的设备，其中所述聚集行程(10)至少为12500μm。
9.根据前述权利要求中一项所述的设备，其中所述基片(12)的最大长度至多为18000μm。
10.根据前述权利要求中一项所述的设备，其中所述磁阻传感器(20)具有GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。
11.一种用于制造根据权利要求1至10中一项所述的设备的方法，所述方法带有如下步骤：
在基片(12)上制造磁阻传感器(20)，
将所述磁导向条(15)安设在所述基片(12)上，
将所述微流体通道(50)安设在所述基片(12)上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述磁阻传感器(20)集成在半导体基片(12)上。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述磁导向条(15)直接沉积到所述基片(12)上，尤其是通过热蒸镀或溅镀沉积到所述基片(12)上。
14.一种用于磁细胞检测的方法，其中，将被磁标记的细胞样本(90)注入到根据权利要求1至10中一项所述的设备内。
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