CN104132966B - 一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，由两组亥姆霍兹线圈(1、2)及磁感应线圈阵列(3)构成。两组亥姆霍兹线圈(1、2)的轴线垂直相交，共同产生组合磁场，作用于磁珠产生非线性磁化信号。其中一组亥姆霍兹线圈产生低频磁场，另一组亥姆霍兹线圈产生高频磁场。磁感应线圈阵列(3)用来检测非线性磁化信号。磁感应线圈阵列(3)包绕在内有磁珠‑生物样品分子‑探针分子产物的样品管阵列(4)上，置于亥姆霍兹线圈(1、2)形成的内部空间中。磁感应线圈阵列(3)由多个螺线管线圈组成，多个螺线管线圈的轴线平行。磁感应线圈阵列(3)的轴线方向垂直于两组亥姆霍兹线圈(1、2)的轴线形成的平面。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物样品检测器，尤其涉及一种基于磁珠的生物样品检测器。
背景技术
生物样品分析一般包括样品处理和样品检测过程。目前的普遍做法是这两个步骤使用不同的仪器或设备分别完成，而不是使用一套技术平台来执行。这其中的主要原因是难以找到样品处理和检测过程当中顺滑的技术衔接点，造成了能够同时完成样品处理和检测的技术平台稀缺的现象。处理和检测过程分离使得生物样品分析过程繁琐、时间长、成本高，还可能产生人为介入过多造成的样品污染导致的分析结果错误的现象。近年来，对生物样品处理和检测集成技术的研究受到了各国学者的广泛注视，特别是微全分析系统(μTAS)或芯片实验室(Lab-on-chip)等技术的研究更成为近十几年来学界热点。目前生物样品处理和检测集成技术研究中存在的主要问题是许多研究停留在概念验证阶段，缺乏实用性，且应用范围较窄。因此，对实用的、应用领域广泛的生物样品的处理和检测集成技术进行研究有利于简化分析过程，减少分析时间和成本，使分析过程自动化，分析结果更为精确可靠，可有力的促进现代分析技术的发展。
磁珠(magnetic beads,MB)也称磁纳米颗粒(magnetic particles,MP)，是一种化学合成材料,其粒径小(微米级甚至纳米级),比表面极大,耦联容量高,具有磁响应性、生物相容性及非常高的吸附能力。基于这些特性，磁珠在磁性分离、生物样品处理、生物分子检测识别、药物靶向治疗、MIR、热疗、及组织工程等生物医药领域获得了广泛应用。
磁珠的高吸附能力是通过活化结合丰富的表面功能基团,再与生物样品结合。另外，通过外加磁场可对磁珠进行操控(聚集、移动、洗脱及定位等)。利用磁珠的这两个特性可对核酸、蛋白质、病毒及微生物等生物样品进行分离、富集、提纯等处理，国内外也有多家公司开发出多种基于磁珠吸附特性的生物样品处理仪器。
磁珠生物样品处理技术是一种简单、快速、有效的方法，整个操作过程无需离心或柱分离,不使用有机溶剂及其它有毒试剂，并可实现高通量自动化操作。磁珠提取生物样品后还要进行分离纯化处理后再移至PCR、电泳、免疫分析等检测平台进行检测识别，而不是直接对结合了生物样品的磁珠进行检测，这增加了检测成本和时间，增加了样品污染的可能性，并使检测流程复杂化，这是目前该技术存在的最大问题。实际上，结合了生物样品的磁珠本身可以作为标记物参与到检测流程当中，这样既省去了洗脱、纯化过程，又可将生物样品的处理和检测过程无缝整合至一套技术平台上。
磁珠标记法用于生物样品检测具有非侵入性、灵敏度高，检测手段丰富、成本较低等优点，用于检测标记磁珠的技术主要有以下几种：麦克斯韦电桥(Maxwell bridge)检测法，共振线圈(Resonant coil)检测法，超导量子干涉仪(SQUIDs)检测法，巨磁电阻(GMR)器件检测法，霍尔传感器(Hall sensor)检测法，微悬臂梁(Microcantilever)检测法、磁性驰豫开关(MRS)检测法、非线性磁化检测法等。这些方法各有其优缺点，可根据不同的应用场合进行选择。整合生物样品处理和检测过程的技术，首先要求整个处理检测平台结构紧凑、成本低、易于实现，超导量子干涉仪及磁性驰豫开关检测法由于设备体积大使用成本高不适合这一要求；其次，为使样品处理和检测流程无缝过渡，要求标记磁珠与检测探针分子的固定方法兼容样品处理流程中使用的器材结构模式，巨磁电阻器件及霍尔传感器检测法需要建构平面结构传感区，与生物样品处理过程中常采用的样品器材的结构模式不兼容，不适合在此处应用；再有集成生物样品处理和检测的技术要获得更广泛的应用，就要求检测方法具有信噪比(SNR)高，检测信号实时获取，不易受外界环境(温度、振动等)影响等特点，麦克斯韦电桥，共振线圈、微悬臂梁检测法由于存在这些方面的弱点不适合应用于实时常规的生物样品检测领域。
非线性磁化(non-linear magnetization)是磁珠的一项重要的磁响应特性。Petr I.Nikitin等人首先提出了基于磁珠非线性磁化特性的高灵敏度检测技术。其检测原理是：将磁珠暴露在高频激励磁场和低频调制磁场两种频率组成的组合磁场中，低频调制磁场作用相当于开关。当磁珠处于未饱和状态时，可以被进一步被磁化；当磁珠处于饱和状态时，不能被进一步磁化。在磁珠未饱和的时间段，在高频激励磁场作用下，就会产生非线性磁感应信号，非线性磁感应信号的大小与磁珠的数量成正比，是被两种频率调制的非线性信号。Petr I.Nikitin等人开发了基于非线性磁化检测法的设备BioMag用于免疫分析，Maxim P.Nikitin等人则将这种方法应用于室温下非侵入式在体磁纳米颗粒的实时检测。Bernhard Gleich等人利用磁珠的非线性磁化响应特性开发出了一种新的成像技术。
非线性磁化检测法检测信噪比(SNR)高，检测信号实时获取，可根据需要灵活选择信号检测方式、设备结构简单成本低、不易受外界环境影响、兼容不同的探针分子固定策略，兼容不同的容纳样品的器材的结构模式，正是由于这些特点，其是与样品处理过程集成联接的首选检测技术。
生物样品分析一般包括样品处理和样品检测过程。目前的普遍做法是这两个步骤使用不同的仪器或设备分别完成，而不是使用一套技术平台来执行。这其中的主要原因是难以找到样品处理和检测过程当中顺滑的技术衔接点。
发明内容
本发明的目的是克服现有的生物样品分析过程中，样品处理和样品检测之间衔接的缺点，提出一种基于磁珠吸附特性的生物样品检测器。本发明利用磁珠的非线性磁响应特性，将生物样品处理及检测功能集成在一起。
一般常规的基于磁珠吸附特性的生物样品处理流程是：生物样品先经过前期处理后加入磁珠，使用磁棒机械搅拌，促进磁珠吸附生物样品，收集吸附生物样品的磁珠。之后采用磁棒将“生物样品-磁珠”的结合产物转移到洗涤槽洗涤。然后操纵磁棒将吸附有生物样品的磁珠移入固定探针分子的检测区，在检测区作为检测目标的生物样品分子与探针结合，然后移除未结合的磁珠，形成磁珠-生物样品分子-探针分子的模式。生物样品处理过程完成之后，形成的磁珠-生物样品分子-探针分子产物置于样品管阵列当中。
本发明基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器由两组亥姆霍兹线圈和磁感应线圈阵列构成。所述的两组亥姆霍兹线圈产生组合磁场，作用于磁珠产生非线性磁化信号。所述的磁感应线圈阵列用来检测非线性磁化信号。
所述的磁感应线圈阵列包绕在内有磁珠-生物样品分子-探针分子产物的样品管阵列上，放置于所述两组亥姆霍兹线圈形成的内部空间中。
所述的两组亥姆霍兹线圈的轴线垂直相交，嵌套安装。每组亥姆霍兹线圈由两个半径和匝数均相同的线圈串接组成，两个半径和匝数均相同的亥姆霍兹线圈同轴排列，两个亥姆霍兹线圈之间的间距等于该线圈的半径。两组亥姆霍兹线圈共同产生组合磁场，其中一组亥姆霍兹线圈产生低频磁场，另一组亥姆霍兹线圈产生高频磁场。
所述的样品管阵列置于所述两组亥姆霍兹线圈形成的内部空间中，样品管阵列内放置有经过生物样品处理过程后形成的磁珠-生物样品分子-探针分子产物。样品管阵列被磁感应线圈阵列包绕，即样品管阵列的每个样品管上都包绕有一个螺线管线圈，形成磁感应线圈阵列。所述的磁感应线圈阵列的多个磁感应线圈均为螺线管线圈，所有螺线管线圈的轴线平行。磁感应线圈阵列的轴线方向垂直于两组亥姆霍兹线圈的轴线形成的平面。
工作时，对两组亥姆霍兹线圈通以电流，其中一组亥姆霍兹线圈产生低频磁场f2，f2≤1kHz，另一组亥姆霍兹线圈产生高频磁场f1，100kHz≤f1≤3MHz。两组亥姆霍兹线圈共同产生组合磁场fi，fi＝mf1+nf2，m和n为整数，m和n也可以为0。组合磁场fi作用在样品管阵列内的磁珠上，磁珠产生非线性磁化信号，该信号作用于磁感应线圈阵列中的磁感应线圈产生感应电流，磁感应线圈阵列中的每个磁感应线圈都与检测仪器串联，感应电流由检测仪器测量。
本发明基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器具有高灵敏度、高信噪比、高通量、高速、低成本、易于使用等特点，可对病毒、蛋白质、核酸等多种生物样品进行分析检测，适用于与磁珠吸附样品处理方法联用的检测装置,将广泛应用于医疗诊断、定点照护、动植物检验检疫、食品病毒检测、水质分析等领域。
附图说明
图1为基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器意图，1、2是亥姆赫兹线圈，3是磁感应线圈阵列，4是样品管阵列。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器由两组亥姆霍兹线圈1、2及磁感应线圈阵列3构成。其中两组亥姆霍兹线圈1、2产生组合磁场，作用于磁珠，产生非线性磁化信号。磁感应线圈阵列3用来检测非线性磁化信号，磁感应线圈阵列3包绕在内有磁珠-生物样品分子-探针分子产物的样品管阵列4上，放置于所述两组亥姆霍兹线圈1、2形成的内部空间中。
所述的两组亥姆霍兹线圈1、2的轴线垂直相交，嵌套安装。每组亥姆霍兹线圈都是由两个半径和匝数均相同的线圈串接组成，两个半径和匝数均相同的线圈同轴排列，两个线圈之间的间距等于该线圈的半径。两组亥姆霍兹线圈1、2共同产生组合磁场，其中一组亥姆霍兹线圈2产生低频磁场，另一组亥姆霍兹线圈1产生高频磁场。
所述的样品管阵列4置于所述的两组亥姆霍兹线圈1、2形成的内部空间中。样品管阵列4内放置有经过生物样品处理过程后形成的磁珠-生物样品分子-探针分子产物。样品管阵列4被磁感应线圈阵列3包绕，即样品管阵列4的每个样品管上都包绕有一个螺线管线圈，形成磁感应线圈阵列3。所述的磁感应线圈阵列3的多个磁感应线圈均为螺线管线圈，所有螺线管线圈的轴线平行。磁感应线圈阵列3的轴线方向垂直于两组亥姆霍兹线圈1、2的轴线形成的平面。
工作时，对两组亥姆霍兹线圈1、2通以电流，其中一组亥姆霍兹线圈1产生低频磁场f2，f2≤1kHz，另一组亥姆霍兹线圈2产生高频磁场f1，100kHz≤f1≤3MHz。两组亥姆霍兹线圈1、2共同产生组合磁场fi，fi＝mf1+nf2，m和n为整数，m和n也可以为0。组合磁场fi作用在样品管阵列4内的磁珠上，磁珠产生非线性磁化信号，该信号作用于磁感应线圈阵列3中的磁感应线圈产生感应电流，磁感应线圈阵列3中的每个磁感应线圈都与检测仪器串联，感应电流由检测仪器来测量。
本发明生物样品检测器利用磁珠具有的非线性磁化磁响应特性实现了生物样品处理过程和检测过程的无缝衔接，将样品处理步骤和样品检测步骤集成到一个平台完成，缩短了生物样品处理检测时间，降低了成本。另外，磁感应线圈阵列3可以很方便地与样品管阵列4一一对应，同时检测多个样品，输出多路检测信号，实现高通量检测。
Claims (5)
1.一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，其特征是所述的生物样品检测器由两组亥姆霍兹线圈(1、2)及磁感应线圈阵列(3)构成；所述的两组亥姆霍兹线圈(1、2)产生组合磁场，作用于磁珠产生非线性磁化信号；所述的磁感应线圈阵列(3)用来检测非线性磁化信号；所述的磁感应线圈阵列(3)包绕在内有磁珠-生物样品分子-探针分子产物的样品管阵列(4)上，放置于所述两组亥姆霍兹线圈(1、2)形成的内部空间中。
2.根据权利要求1所述的基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，其特征是所述的两组亥姆霍兹线圈(1、2)的轴线垂直相交，嵌套安装；每组亥姆霍兹线圈(1、2)均由两个半径和匝数相同的线圈串接组成，两个半径和匝数相同的线圈同轴排列，两个线圈之间的间距等于该线圈的半径；两组亥姆霍兹线圈中的一组亥姆霍兹线圈产生低频磁场，另一组亥姆霍兹线圈产生高频磁场。
3.根据权利要求1所述的基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，其特征是所述的磁感应线圈阵列(3)由多个螺线管线圈组成，组成磁感应线圈阵列(3)的所有螺线管线圈的轴线平行；磁感应线圈阵列(3)的轴线方向垂直于两组亥姆霍兹线圈(1、2)的轴线形成的平面。
4.根据权利要求1或3所述的基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，其特征是所述的样品管阵列(4)的每个样品管上都包绕有一个螺线管线圈，形成磁感应线圈阵列(3)。
5.根据权利要求1所述的基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，其特征是工作时，对所述两组亥姆霍兹线圈(1、2)通以电流，其中一组亥姆霍兹线圈(1)产生低频磁场Hf2，低频磁场Hf2的频率为f2，f2≤1kHz，另一组亥姆霍兹线圈(2)产生高频磁场Hf1，高频磁场Hf1的频率为f1，100kHz≤f1≤3MHz；两组亥姆霍兹线圈(1、2)共同产生组合磁场Hc；组合磁场Hc作用在样品管阵列(4)内的磁珠上，磁珠产生非线性磁化信号，该信号作用于磁感应线圈阵列(3)中的磁感应线圈产生感应电流，磁感应线圈阵列(3)中的每个磁感应线圈都与检测仪器串联，检测仪器测量感应电流信号中频率为fi的谐波，fi＝mf1+nf2，fi为磁感应线圈产生的待测量感应电流信号谐波的频率，m和n为整数或0。
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