CN110945355A - 用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法 - Google Patents

用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110945355A
CN110945355A CN201880046896.3A CN201880046896A CN110945355A CN 110945355 A CN110945355 A CN 110945355A CN 201880046896 A CN201880046896 A CN 201880046896A CN 110945355 A CN110945355 A CN 110945355A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pair
electrode
concentrator
detection electrodes
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880046896.3A
Other languages
English (en)
Inventor
里卡尔多·贝尔塔科
丹妮拉·佩蒂
乔治·法拉利
爱德华多·阿尔比塞迪
马可·贾科梅蒂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Politecnico di Milano
Original Assignee
Politecnico di Milano
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politecnico di Milano filed Critical Politecnico di Milano
Publication of CN110945355A publication Critical patent/CN110945355A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/49—Blood
    • G01N33/491—Blood by separating the blood components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1276—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids of magnetic particles, e.g. imaging of magnetic nanoparticles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/043—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces magnetic forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/30—Against vector-borne diseases, e.g. mosquito-borne, fly-borne, tick-borne or waterborne diseases whose impact is exacerbated by climate change

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

用于量化包含血液样本的溶液中的细胞和非细胞成分(3,3',3”)的设备(1)，其包括：至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')，所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6、6’、34、34’)包括至少一个第一电极(4、5、6、34)和第二电极(4’、5’、6’、34’)，所述至少一个第一电极(4、5、6、34)与第一输入连接，适于接收输入(V+)中的第一信号；至少一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')，所述至少一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')包括与第二输入连接的第一电极(7,8,9,37)和第二电极(7',8',9',37')，第一电极(7,8,9,37)被配置为接收与所述第一输入信号(V+)极性相反的输入(V‑)中的第二信号，第二电极(7',8',9',37')在公共点连接到所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')中的所述第二电极(4',5',6',34')，从所述公共点获得输出信号(Out)；至少一个铁磁材料的集中器(10,10',10”,14,14',14”)，被配置为与所述设备(1)外部的磁场协作，以使得所述成分(3,3',3”)集中在所述至少一对检测电极(4,4',5,5'，6,6',34,34')上；基板(11)，所述基板(11)被配置用于容纳：所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6，6'，34，34')、所述至少一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')和所述至少一个集中器(10，10'，10”，14，14'，14”)；支撑件(12)，被配置为接收血液样本或含有血液的溶液的样本；和至少一个间隔元件(13,13')，被配置为将所述血液样本限定在所述基板的平面中，并且将所述基板(11)与所述支撑件(12)隔开。该设备可用于诊断引起一种或多种类型血细胞的磁性能改变和/或导致形成与血浆具有不同磁性能的物质的所有那些病理，所述物质在生理条件下不存在或浓度不同。

Description

用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种设备和相关方法，该设备和相关方法通过使感兴趣的成分集中并使感兴趣的成分与溶液的其余部分磁泳分离，以及对这些成分的量进行阻抗检测，来量化存在于包含血液样本的溶液中的血球微粒(corpusculated)成分和非血球微粒成分。出于本说明书的目的，“血球微粒成分”指血液的细胞成分，例如红细胞，白细胞和血小板。“非血球微粒成分”代之以指那些非细胞成分，在任何情况下其体积小于或相当于细胞的体积，但大于单个分子的体积。这些非血球微粒成分可以是，例如，在特定病理条件下产生的一些物质的晶体，例如疟疾疟原虫产生的血红素晶体。更具体地，本发明涉及一种设备和相关方法，该设备和方法允许并提供空间分离和集中一种或多种血球微粒血液成分、以及存在于血浆中的一种或多种物质，利用所述血液成分和/或所述物质的磁性能与其它不感兴趣的血液成分或物质的磁性能之间的差异。一旦发生分离和集中，本发明的设备和相关方法因此通过测量放置在集中区附近的两个或更多个电极之间的阻抗变化来量化存在于血浆中的这些血球微粒的血液成分和/或这些物质。
背景技术
因此，本发明的应用领域涉及对所有那些病理的诊断，所有那些病理引起一种或多种类型的血液血球的磁性能的改变和/或引起从血浆中形成具有不同磁性能的物质，所述物质在生理条件下不存在或浓度不同。更具体地，已知引起红血球或红细胞(例如疟疾)的磁性能的改变的病理，以及引起白细胞的磁性能的改变的病理。例如，在疟疾的情况下，已知疟原虫在疟疾发病过程中如何产生上述特定的物质，其具有血红素的名称并且是顺磁性物质。更具体地，血红素以晶体的形式产生，这些晶体在感染的红血球中积累，使它们顺磁性。此外，在疟疾的非早期阶段，感染的红细胞的膜破裂，导致血浆中的血红素晶体的释放，而血红素晶体抗磁性的。病理也是已知的，其中不是血液血球的磁性能变化，而是它们的密度变化。这种类型的例子来自镰状细胞贫血，其中，尽管红细胞的抗磁性保持不变，但它们的密度变化。在这种情况下，通过向血浆中添加强顺磁性物质，例如钆，可以认为利用红细胞和添加到血浆中的钆溶液之间的磁性差异以及病态红细胞和健康红细胞之间的密度差异，以便获得分离，并因此进行病理性红血球的计数。
在现有技术中，基于这些成分在生理和病理条件下所呈现的不同磁性行为，已知分离血液的血球微粒成分的技术。更具体地，在专利申请US5985153A中，描述了一种用于分离细胞或其它磁敏生物实体的设备，包括：基板，外部磁场发生器和用于装载和卸载血液的微流体系统。在文献US0127222A中，替代地描述了以磁性颗粒可以被形成在芯片上并置于外部磁场中的铁磁结构吸引的方式，固定先前利用磁性颗粒标记的细胞的通用系统。在申请WO2010091874中，描述了一种特定的铁磁结构，其由磁导管组成，能够吸引磁畴壁所处的特定点处的磁性颗粒。在上述所有现有技术文献中，以及在以下文献目录中列出的科学文献的一部分中[S.Bhakdi等人，Optimized high gradient magnetic separation forisolation of Plasmodium-infected red blood cells，Malaria Journal 2010,9:38]；[J.Nam等人，Magnetic Separation of Malaria-Infected Red Blood Cells in VariousDevelopmental Stages，Anal.Chem.,85,7316-7323(2013)]；[Ki-Ho Han和A.BrunoFrazier，Paramagnetic capture mode magnetophoretic microseparator for highefficiency blood cell separations,Lab Chip,6,265-273(2006)]，仅描述了使感兴趣的成分与血液样本的其余部分磁泳分离，并且没有提及这些成分的数量的检测。
在专利申请US20120003687A和科学出版物[E.Du等人，Electrical ImpedanceMicroflow Cytometry for Characterization of Cell Disease States,Lab Chip。2013年10月7日；13(19):3903-3909]e[M.Ibrahim,J.Claudel,D.Kourtiche和M.Nadi，Geometric parameters optimization of planar inter digitated electrodes forbioimpedance spectroscopy,J Electr Bioimp,vol.4,pp.13-22,2013]描述了血球微粒成分的阻抗量化技术。然而，这些技术尚未与磁泳分离和集中结合使用。阻抗检测要求电极附近的血球的体积分数足够高，以便获得输出信号中的信噪比，该信噪比足以保证被分离成分的正确量化。这种浓度通常利用微流体技术获得，该技术显著增加了系统的复杂程度，并使其不适于非专业用户(例如实际患者)的使用。所提出的设备旨在通过用磁分离系统代替微流体部分并且将感兴趣的成分集中在检测电极所处的基板区域上，来克服这些困难。为了进行测量，非专业用户必须在支架上分配一滴新采样的血液，然后将其放置成与其上容纳有集中器元件和电极的基板接触，继而将其面朝下放置在外部磁场内。对于大约10微升量级的采样血滴的体积，并且假设感兴趣的成分的捕获至多发生在与包括的集中器相距在20和200微米之间的距离处，在基板上用于捕获的有效面积的尺寸必须是几平方厘米的量级，并且特别地，包括在0.5和5平方厘米之间。支撑件也必须具有大致相同的尺寸。在有效面积的这些值上，为了确保足够的信噪比，需要高浓度的感兴趣的成分。如将在下面更详细地解释的，该浓度可以通过所谓的浓度因子Fc来量化，该浓度因子Fc来自基板的有效面积与检测电极所限定的面积之间的比率，包含要量化的成分的液滴被限制在有效面积内。为了在输出信号中具有适当的信噪比，浓度因子Fc必须优选地至少大约为100。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种设备和相关方法，其能够从一定量的血液开始量化感兴趣的血液成分，例如可以通过用针刺穿患者的手指来提取血液(5-10微升)，并产生具有信噪比的输出信号，以允许检测血液的血球微粒成分和非血球微粒成分，具有每微升高达10个成分的浓度下限。
该目的通过本发明利用借助于适当的检测电极来进行的阻抗式类型的测量来实现。本发明的设备实际上包括：
-至少一对检测电极，所述至少一对检测电极包括至少一个第一电极和第二电极，所述至少一个第一电极与第一输入相连接，所述至少一个第一电极适于接收输入(V+)中的第一信号；
-至少一对参考电极；所述至少一对参考电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极与第二输入连接，所述第一电极被配置成接收与所述第一输入信号(V+)极性相反的输入(V+)中的第二信号，所述第二电极在从其获得输出信号(Out)的公共点处与所述至少一对检测电极中的所述第二电极连接；
-至少一个铁磁材料的集中器，所述集中器被配置为与所述设备外部的磁场协作，以使得所述成分集中在所述至少一对检测电极上；
-基板，被配置为用于容纳：所述至少一对检测电极，所述至少一对参考电极和所述至少一个集中器；
-支撑件，被配置为接收血液样本或含有血液的溶液的样本；和
-至少一个间隔元件，被配置为将所述血液样本限定在所述基板的平面中，并且将所述基板与所述支撑件隔开。
所述至少一个集中器可以是圆柱体或平行六面体或放置在基板上的另一形状的元件，放置在检测电极处并由铁磁材料构成。该集中器，朝向其自身吸引要量化的成分，确保后者不是分布在由基板覆盖的区域中的任何地方，而是集中在所述集中器附近，并因此集中在检测电极附近。以这种方式，适当地确定集中器和检测电极的尺寸，集中器因子可以增加到获得适当的信噪比所需的值。上述设备与用于产生静磁场的设备协作，与静磁场一起形成设备。这些用于产生所述磁场的设备是永磁体，其被配置成产生磁场，可选地，还具有宏观梯度的特征。所述场能够均匀地吸引所寻求的成分朝向基底，当它们与集中器相距很远时，并且磁化前述集中器以因此产生强烈的局部磁场梯度，这完成了待量化的成分与溶液的其余部分的分离并且在集中器上产生它们的累积。这种分离由于朝向地面的重力和与重力相反的方向上的磁吸力之间的竞争而发生。检测电极被放置在所述集中器元件附近，而参考电极被放置在没有所述集中器的区域中。以这种方式，分离的部件选择性地累积在检测电极上，但不累积在参考电极上，导致检测电极之间的阻抗相对于可能记录在参考电极之间的寄生电极的特定变化。因此，阻抗量化系统的输出信号与检测电极之间记录的阻抗变化和参考电极之间记录的阻抗变化之间的差值成比例。然后可以通过与通过处理器执行的适当的校准曲线进行比较来估计该输出信号的感兴趣的分量的数量。
如上所述，本发明的设备和相关方法可应用于任何病理的诊断，所述病理是一种或多种血液成分的磁性能变化的原因，也可应用于引起一种或多种成分的密度变化的病理的诊断，在这种情况下，提供了在待分析的血液样本中添加相对于血浆具有不同磁性能的溶液。
然而，在可以使用本发明的设备进行诊断的各种病理中，疟疾是特别感兴趣的，因为目前市场上存在的用于这种类型的病理的诊断设备具有一些局限性，这些局限性使得它们不总是容易用于特别不利的环境，例如通常位于发展中国家的典型的地方性区域。当前可用的最敏感的方法
疟疾的诊断实际上是基于通过PCR(聚合酶链反应)对疟原虫的各种菌株的基因识别。这种类型的方法是特别复杂和精细的，因此难以应用在没有技术进步的环境中。此外，PCR不是全疟原虫方法，而是针对特定菌株和受试者，因此针对由疟原虫的连续突变引起的问题。代替"薄涂片和/或厚滴"的方法在于在光学显微镜下计数在一滴血液中被疟原虫感染的红细胞，而不需要复杂的仪器，需要高度专家的工作人员，在结果解释和长分析时间方面需要一定的可变性。相反，基于抗体-抗原相互作用的快速测试(RDT)的特征在于低敏感性，以防止其用于早期诊断。此外，由于抗原在地方性区域的患者体内的潜在存在，基于抗体-抗原相互作用的方法产生大量的假阳性。
因此，本发明的第二个目的是提供一种设备和相关方法，该设备和方法还允许对疟疾进行早期诊断，是全疟原虫，具有足够的敏感性，并且具有这样的简单和经济性质，以便还能够在那些可利用的经济手段不允许使用复杂器械和专家人员的区域中使用。
该目的通过本发明的设备和方法来实现，因为后者能够进行受感染红细胞的磁分离和量化以及血浆中游离的血红素晶体的磁分离和直接检测。感染红细胞的量化使得可以直接评价寄生虫血症，这通常通过计算感染红细胞和健康红细胞之间的比率来量化，任选地也在疾病的早期阶段，在疟原虫的第一次繁殖周期完成之前(48-72小时)。直接检测血红素晶体在疾病的非初始阶段是特别有用的，例如与第一次发热同时发生。
攻击，因为在这些阶段，红细胞已经经历了膜的断裂，并且唯一可以在循环中有效量化的物质是游离的血红素。
通过阅读本发明的一些优选实施例的以下详细描述，将使本发明的这些和进一步的目的变得更加清楚，本发明的一些优选实施例将通过所要求保护的更一般概念的非限制性实例的方式以及从与在本发明上进行的实验测试相关的实例来理解。
附图说明
以下描述参考附图，其中：
图1是包括适于用于诊断疟疾的根据本发明的设备的设备的总图；
图2是在本发明的第一实施例中，检测电极和参考电极相对于集中器的定位的示例图；
图3a示出了本发明的设备的第一实施例的截面，所述截面沿着垂直于所述至少一个集中器的较大尺寸的平面；
图3b示出了与所述至少一个集中器相关的图3a所示部分的细节；
图3c示出了与所述至少一对检测电极有关的图3a所示部分的细节；
图4是本发明设备的第一实施例的俯视图；
图5是本发明的第二实施例的细节的俯视图；
图6示出了在本发明的第二实施例中，检测电极和参考电极之间的电阻变化百分比作为由疟疾的疟原虫感染的红细胞的捕获所产生的寄生虫血症水平的函数的趋势。
具体实施方式
参考图1,3a,3b和3c以及5，本发明的设备(1)包括：
-多个检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34'),
-用于每对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')的一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')；
-用于每对检测电极(4,4',5,5',6,6')的集中器(10,10',10”,14,14',14”)，所述集中器(10,10',10”)被配置为磁性地吸引待量化的成分(3,3',3”)，并将所述成分集中在检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')；
-基板(11)，其被配置用于容纳检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')，参考电极(7,7,8,8',9,9',37,37)和集中器(10,10',10”,14,14',14”)；
-支撑件(12)，其被配置为接收血液样本或含有血液的溶液的样本；和
-至少一个间隔元件(13,13')，其被配置为限制待分析的样本并且将所述基板(11)与所述支撑件(12)隔开。
所述至少一个间隔元件(13,13')可以是环形的。
本发明的设备(1)可插入到设备(100)内，该设备(100)还包括：
-电子单元，用于产生输入信号，由电极(7',8',9',4',5',6',34',37')产生的信号的读数以及它们的处理；
-壳体，被配置用于定位所述设备(1)；
-用于在所述设备(1)和所述电子单元之间连接的多个连接器；和
-用于产生静磁场(101,102,103)的工具，所述工具(101,102,103)被配置成产生能够使待量化的成分(3,3'，3”)与溶液的其余部分分离的磁场。
在疟疾的特定情况下，用于产生静态磁场的所述工具(101,102,103)能够产生磁场，在顺磁性或抗磁性成分相对于它们分散于其中的液体介质的情况下，该磁场优选地具有至少104A/m的强度和至少108A/m2的宏观梯度，分别针对基板或从基板离开。所述工具包括多个永磁体(101,102,103)，该永磁体(101,102,103)定位成使得由所述磁体(101,102,103)产生的磁场克服重力和阿基米德在距基板很远的距离处作用在感兴趣成分上的合力，从而防止所述成分沉淀在所述支撑件的表面上。此外，由所述磁体产生的磁场必须能够有效地磁化集中器元件，使得它们产生能够仅在基板(11)的由检测电极(4,4',5,5',6,6')占据的区域上选择性地吸引和集中所述成分(3,3',3”)的局部磁场的强梯度，所述成分(3,3',3”)是顺磁性的。显然，在待量化的成分是抗磁性的情况下，所述用于产生静磁场的工具包括多个永磁体，这些永磁体定位成使得由所述磁体产生的磁场的梯度从基板中离开，从而克服大距离处的重力。类似地，由磁集中器产生的局部场梯度必须从具有检测电极的区域中离开，并确保所述成分在所述检测电极处累积，所述成分是抗磁性的。
参照图2，在本发明的第一实施例中，每对检测电极(4，4’，5，5’，6，6’)包括适于接收输入(V+)中的第一信号的第一电极(4，5，6)和第二电极(4’，5’，6’)。每对参考电极(7，7’，8，8’，9，9’)包括第一电极(7，8，9)和第二电极(7’，8’，9’)，第一电极(7，8，9)适于接收与所述第一输入信号(V+)极性相反的输入(V-)中的第二信号，第二电极(7’，8’，9’)在公共点连接到每对检测电极(4，4’，5，5’，6，6’)中的第二电极(4’，5’，6’)，从该公共点获得输出信号(Out)。
参照图3a、3b、3c，在本发明的第一实施例中，适于疟疾的诊断，集中器(10，10’，10”)由铁磁材料制成，例如Ni，Fe，Co，NiFe，CoFe等，并且具有平行六面体的形状，其具有垂直于图3a所示的平面延伸的较大尺寸。为了保证足够的浓度因子以获得足够的信噪比，集中器(10，10’，10”)和检测电极(4，4’，5，5’，6，6’)的尺寸必须优选地包括在表1中列出的范围内。
成分 h<sub>F</sub>(μm) ω<sub>F</sub>(μm) d<sub>F</sub>(μm) h<sub>E</sub>(nm) ω<sub>E</sub>(μm) d<sub>E</sub>(μm)
i-RBC 10-30 30-60 30-60 10-300 2-6 2-6
HC 5-10 15-30 15-30 10-300 1-3 1-5
表1：hF是集中器的基部的较小尺寸，ωF是集中器的基部的较大尺寸，并且dF是一个集中器和相邻集中器之间的距离。hE是检测电极的基部的较小尺寸，ωF是检测电极的基部的较大尺寸，并且dE是相同集中器处的两个相邻电极之间的距离。
在表1的第一行中，显示了用于正确检测疟疾疟原虫感染的红血球(i-RBC)所必需的集中器和检测电极的尺寸范围。而在表1的第二行中，显示了正确检测血红素(HC)游离晶体所需的集中器和检测电极的尺寸范围。
参照图4，基板(11)以及因此本发明的实际设备(1)，图3a，3b和3c所示的检测电极(4，4’，5，5’，6，6’)的结构以及参考电极(7，7’，8，8’，9，9’)的结构可以复制再在基板(11)被划分的九个正方形区域(300，301，302)中。将有效区域划分成具有独立读数的若干区域允许增加由吸引在检测电极上的单个成分产生的阻抗变化与电极之间的总阻抗之间的比率，从而在待检测的成分低浓度的情况下提高信噪比。由于对于每个区域，输出触点必需朝向发射输出信号(Out)的放大器，因此尽管用于检测电极和参考电极的所有输出信号(V+)和(V-)仅需要两个触点，但是在芯片上形成的触点的总数等于9+2＝11。该数量与在基板(11)一侧上的尺寸等于400×400μm的11个端子(401，402，403)的定位相兼容。
参照图5，本发明的设备的第二实施例提供了均匀分布在基板(11)上的圆柱形铁磁集中器(14，14’，14”)的矩阵的使用。图5特别示出了六对检测电极(34，34’)和六对参考电极(37，37’)。每对检测电极(34，34’)中的第一电极(34)通过第一连接路径(44)连接到被配置用于接收第一输入信号(V+)的第一输入。每对参考电极(37，37’)中的第一电极(37)通过第二连接路径(47)连接到被配置用于接收第二输入信号(V-)的第二输入。类似地，每对检测电极(34，34’)中的第二电极(34’)通过第三连接路径(44’)连接到从其发射输出信号(Out)的节点，并且每对参考电极(37，37’)中的第二电极(37’)通过第四连接路径(47’)连接到从其发射所述输出信号(Out)的节点。
在第一连接路径(44)，第二连接路径(47)，第三连接路径(44’)和第四连接路径(47’)之上，为每个路径放置绝缘层(40，40’，50，50’)，所述绝缘层(40，40’，50，50’)具有介电常数和厚度，以使在所述连接路径(44，44’，47，47’)之间的阻抗可忽略。
由第二实施例提供的集中器的构造允许获得比相对于第一实施例能够获得的浓缩因子甚至更高的浓缩因子。为此，集中器(14，14’，14”)和检测电极(34，34’，35，35’)的尺寸必须优选地包括在表2中列出的范围内。
成分 h<sub>F</sub>(μm) ω<sub>F</sub>(μm) d<sub>F</sub>(μm) h<sub>E</sub>(nm) ω<sub>F</sub>(μm) d<sub>E</sub>(μm)
i-RBC and HC 10-30 10-30 50-150 10-300 1-3 1-5
表2：hF是集中器的高度，ωF是集中器的基部的直径，并且dF是一个集中器和相邻集中器之间的距离。hE是检测电极的基部的较小尺寸，ωF是检测电极的基部的较大尺寸，并且dE是所述检测电极的第一检测电极指状物和第二指状物之间的距离。
表2显示了用于正确检测疟疾疟原虫感染的红血球(i-RBC)和血红素(HC)游离晶体所必需的集中器和检测电极的尺寸范围。
在这些尺寸的情况下，假设电极的长度L等于6μm，则获得的浓度因寸
Figure BDA0002365939890000081
等于约400。
示例
下面描述的示例涉及本设备的第二实施例中的检测电极和参考电极之间的阻抗变化百分比的计算，并且涉及i-RBC的检测。在特定情况下，考虑面积等于1cm2的基板(11)。将基板(11)(尺寸为1cm2)划分成9个正方形区域(如图4所示)，每一个都设置有550个集中器的矩阵。在每个集中器的中心放置一对检测电极，长度L等于6μm，宽度wE等于2μm，并且电极之间的距离dE为2μm。具有多个间隔元件(13,13')的容纳环使得在50μm的基板11和12之间施加距离，并且集中器(10,10',10”)允许捕获在由基板、支撑件和容纳环限定的体积中发现的所有感染的红血球。通过在1-20MHz量级的频率下测量阻抗，可以获得电极之间的材料的电阻R，主要由溶液和可能存在的被磁性集中器捕获的感染红血球i-RBC给出。图6示出了作为在检测电极表面上捕获的感染红血球i-RBC的函数的百分比电阻变化ΔR/R0，其通过有限元模拟(FEM)(实心正方形)和通过以下公式(空心正方形)获得：
Figure BDA0002365939890000091
其中Vp表示在电极表面上捕获的i-RBC所占据的总体积，而N,H分别是共享同一输出的检测电极对的数量，以及一对检测电极对感兴趣成分的存在敏感的高度，等于电极之间距离dE的大约1-2倍。体积Vp等于单个i-RBC的体积乘以捕获的红血球的数目。后者等于感染红血球的浓度乘以集中器的捕获体积，1cm2×dcapture＝5μl。
ΔAR/R0实际上与有效体积的分数成比例，阻抗测量对有效体积的分数敏感，由感兴趣的成分占据。在寄生虫血症等于10个寄生虫/μL的情况下(对于我们的几何结构的9个区域中的每一个，平均为5.5个寄生虫)，发现预期的电阻变化AR/R0等于约0.4％，对应于在电阻测量中读取电子设备所需的分辨率，等于约1000ppm)。
如果用于磁性集中的系统(即由外部磁体和集中器构成的整体)能够以十倍大的距离捕获感染的红血球，dcapture＝500μm，并且基板11和12之间的距离相应地增加10倍，则在相同的寄生虫浓度和基板的有效面积、但是在血滴的体积增加10倍的情况下，相对于先前的情况，将可能达到十倍的ΔR/R0。或者，同样在dcapture＝500μm和具有500μm的多个间隔元件的容器环的高度的情况下，液滴的体积可以保持在5微升，并且ΔR/R0等于图6中获得的，从而减小了芯片上的有效面积。

Claims (12)

1.一种用于量化含有血液样本的溶液中的细胞和非细胞成分(3,3',3”)的设备(1)，包括：
-至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')，所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')包括与第一输入连接的至少一个第一电极(4,5,6,34)和第二电极(4',5',6',34')，所述至少一个第一电极(4,5,6,34)适于接收输入(V+)中的第一信号；
-至少一对参考电极(7，7’，8，8’，9，9’，37，37’)，所述至少一对参考电极(7，7’，8，8’，9，9’，37，37’)包括与第二输入连接的第一电极(7，8，9，37)和第二电极(7',8',9',37')，所述第一电极(7，8，9，37)被配置为接收与所述第一输入信号(V+)极性相反的输入(V+)中的第二信号，所述第二电极(7',8',9',37')在公共点连接到所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')中的所述第二电极(4',5',6',34')，从所述公共点获得输出信号(Out)；
其特征在于，所述设备(1)包括：
-至少一个铁磁材料的集中器(10,10',10”,14,14',14”)，被配置为与所述设备(1)外部的磁场协作，以使得所述成分(3,3',3”)集中在所述至少一对检测电极(4,4',5,5'，6,6',34,34')上；
-基板(11)，所述基板(11)被配置用于容纳：所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6，6'，34，34')、所述至少一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')和所述至少一个集中器(10，10'，10”，14，14'，14”)；
-支撑件(12)，被配置为接收血液样本或含有血液的溶液的样本；和
-至少一个间隔元件(13,13')，被配置为将所述血液样本限定在所述基板的平面中，并且将所述基板(11)与所述支撑件(12)隔开。
2.根据前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于，
-每对检测电极(34,34')中的所述第一电极(34)通过第一连接路径(44)连接到所述第一输入；
-每对参考电极(37,37')中的所述第一电极(37)通过第二连接路径(47)连接到所述第二输入；
-每对检测电极(34,34')中的所述第二电极(34')通过第三连接路径(44')连接到发射所述输出信号(Out)的节点；和
-每对参考电极(37,37')中的所述第二电极(37')通过第四连接路径(47')连接到发射所述输出信号(Out)的所述节点；
在所述连接路径(44,44',47,37')中的每一个之上，放置绝缘层(40,40',50,50')，所述绝缘层(40,40',50,50')具有使得所述连接路径(44,44',47,37')之间的阻抗可忽略的介电常数和厚度。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个集中器(10,10',10”，14,14',14”)为圆柱形，所述集中器(14,14',14”)的基部表面的直径包括在10和30μm之间，所述集中器(14,14',14”)的高度包括在10和30μm之间，并且所述集中器(14,14',14”)之间的距离包括在50和150μm之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一对检测电极(5,5',6,6',34,34')中的所述第一电极(5,6,34)和所述至少一对检测电极(5,5',6,6',34')中的所述第二电极(5',6',34')具有矩形截面，其中基部包括在10和300nm之间，并且高度包括在1和3μm之间。
5.根据前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一对检测电极(5,5',6,6',34,34')中的所述第一电极(5,6,34)与所述至少一对检测电极(5,5',6,6'，34,34')中的所述第二电极(5',6',34')之间的距离包含在1和5μm之间。
6.一种用于量化含有血液样本的溶液中的血球微粒成分和非血球微粒成分(3,3',3”)的装置(100)，其特征在于，包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)；
-电子单元，用于产生所述第一输入信号(V+)和(V-)，以及用于所述输出信号(Out)的读数和处理；
-壳体，被配置用于定位所述设备(1)；
-用于在所述设备(1)和所述电子单元之间连接的多个连接器；和
-用于产生静磁场的工具(101,102,103)，所述工具(101,102,103)被配置成产生磁场，所述磁场能够与所述集中器结合，使得要量化的所述成分(3,3',3”)与所述溶液的其余部分分离，并且集中在所述检测电极(5,5',6，6',34,34')上。
7.根据前述权利要求所述的设备(100)，其特征在于，用于产生静磁场的所述工具(101,102,103)包括多个永磁体(101,102,103)，所述多个永磁体(101,102,103)定位成使得由所述磁体(101,102,103)产生的场与由所述至少一个集中器(10,10',10”,14,14'，14”)产生的梯度相结合，以确保所述成分(3,3',3”)积聚在所述基板(11)的所述检测电极(5,5',6,6',34,34')上，所述成分(3,3',3”)是顺磁性的。
8.根据权利要求6所述的设备(100)，其特征在于，用于产生静磁场的所述工具包括多个永磁体，所述多个永磁体定位成使得由所述磁体产生的场与由所述至少一个集中器产生的梯度相结合，以确保所述成分(3,3',3”)积聚在所述基板(11)的所述检测电极上，所述成分(3,3',3”)是抗磁性的。
9.根据权利要求6所述的设备(100)，其特征在于，所述磁场具有至少104A/m的强度和至少108A/m2的梯度。
10.一种用于量化含有血液样本的溶液中的细胞和非细胞成分(3,3',3”)的方法，其特征在于，所述方法包括：
-将至少一种细胞或非细胞成分(3,3',3”)与所述溶液的其余部分分离；所述分离由静磁场与至少一个铁磁材料的集中器(10,10',10”,14,14',14”)相结合而引起的，所述集中器被配置为与所述磁场协作；
-使所述至少一种分离的成分集中在对应的至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')，所述集中是由所述静态磁场与至少一个集中器(10,10',10”,14,14',14”)相结合而引起的；
-测量所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')和至少一对参考电极(7,7',8,8',9,9',37,37')之间的阻抗差，产生与所述至少一对检测电极(4,4',5,5',6,6',34,34')和所述至少一对参考电极(7,7,8,8',9,9',37,37)之间的所述阻抗差成比例的输出信号；
-借助于处理器并且与适当的校准曲线进行比较，基于所述输出信号计算被分离成分(3,3',3”)的数量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述细胞成分(3，3’，3”)是血液血球，所述血液血球的磁性能可由病理改变。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于，非细胞成分(3,3',3”)是具有与血浆不同的磁性能的物质，所述物质在生理条件下不存在，或者所述物质以在生理和病理条件之间不同的浓度存在。
CN201880046896.3A 2017-07-19 2018-07-17 用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法 Pending CN110945355A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102017000082112A IT201700082112A1 (it) 2017-07-19 2017-07-19 Dispositivo e metodo per la quantificazione di componenti corpuscolate e non corpusculate del sangue.
IT102017000082112 2017-07-19
PCT/IB2018/055278 WO2019016691A1 (en) 2017-07-19 2018-07-17 DEVICE AND METHOD FOR QUANTIFICATION OF CELLULAR AND NON-CELLULAR BLOOD COMPONENTS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110945355A true CN110945355A (zh) 2020-03-31

Family

ID=61581376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880046896.3A Pending CN110945355A (zh) 2017-07-19 2018-07-17 用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11534760B2 (zh)
EP (1) EP3655773B1 (zh)
CN (1) CN110945355A (zh)
IT (1) IT201700082112A1 (zh)
WO (1) WO2019016691A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210277439A1 (en) * 2020-03-04 2021-09-09 Yu-Chung Norman Cheng Malaria detection method and device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305087A (zh) * 2005-09-15 2008-11-12 阿尔特弥斯康复公司 用于磁富集细胞和其他颗粒的装置和方法
JP2015071057A (ja) * 2007-12-21 2015-04-16 ティツー・バイオシステムズ・インコーポレーテッドＴ２ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ． 埋め込み可能な構成品を備えた磁気共鳴システムおよびその使用方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US127222A (en) 1872-05-28 Improvement in carriage-axles
AU3374597A (en) 1996-06-07 1998-01-05 Immunivest Corporation Magnetic separation employing external and internal gradients
CN101828192B (zh) 2007-04-20 2013-10-02 综合医院公司 用于计数细胞的方法
IT1392999B1 (it) 2009-02-12 2012-04-02 Ct De Investigacion Cooperativa En Nanociencias Cic Nanogune Asoc Manipolazione di particelle magnetiche in circuiti per la propagazione di pareti di dominio magnetiche.

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305087A (zh) * 2005-09-15 2008-11-12 阿尔特弥斯康复公司 用于磁富集细胞和其他颗粒的装置和方法
JP2015071057A (ja) * 2007-12-21 2015-04-16 ティツー・バイオシステムズ・インコーポレーテッドＴ２ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ． 埋め込み可能な構成品を備えた磁気共鳴システムおよびその使用方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JEONGHUN NAM,ET AL: "Magnetic Separation of Malaria-Infected Red Blood Cells in Various Developmental Stages", 《ANAL. CHEM.》 *
YAO-KUANG ET AL: "An electrical biosensor for the detection of circulating tumor cells", 《BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20210086182A1 (en) 2021-03-25
WO2019016691A1 (en) 2019-01-24
US11534760B2 (en) 2022-12-27
IT201700082112A1 (it) 2019-01-19
EP3655773B1 (en) 2022-03-16
EP3655773A1 (en) 2020-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. A microfluidic device integrating impedance flow cytometry and electric impedance spectroscopy for high-efficiency single-cell electrical property measurement
Knowlton et al. Sickle cell detection using a smartphone
Saliba et al. Microfluidic sorting and multimodal typing of cancer cells in self-assembled magnetic arrays
Peng et al. Micromagnetic resonance relaxometry for rapid label-free malaria diagnosis
Ge et al. High-throughput density measurement using magnetic levitation
US8852875B2 (en) Methods for counting cells
JP2011511936A (ja) 集積化された磁場生成および検出プラットフォーム
Revzin et al. Biosensors for immune cell analysis—A perspective
Kim et al. Integrated magnetic bead–quantum dot immunoassay for malaria detection
Gu et al. Cellular electrical impedance spectroscopy: an emerging technology of microscale biosensors
US20160299126A1 (en) Methods and systems for drug discovery and susceptibility assay in using a ferrofluid
Cheung et al. Rapid detection and trapping of extracellular vesicles by electrokinetic concentration for liquid biopsy on chip
US20210339253A1 (en) Systems and Methods for Determining Probative Samples and Isolation and Quantitation of Cells
Shi et al. Differential microfluidic sensor on printed circuit board for biological cells analysis
Yaman et al. Magnetic susceptibility-based protein detection using magnetic levitation
Song et al. Size‐based cell sorting with a resistive pulse sensor and an electromagnetic pump in a microfluidic chip
Xu et al. A polyamidoamine dendrimer-based electrochemical immunosensor for label-free determination of epithelial cell adhesion molecule-expressing cancer cells
Kang et al. On-site cell concentration and viability detections using smartphone based field-portable cell counter
Fan et al. Tri-Channel electrochemical immunobiosensor for combined detections of multiple exosome biomarkers of lung cancer
CN110945355A (zh) 用于量化细胞和非细胞血液成分的设备和方法
Schotter et al. Development of a magnetic lab-on-a-chip for point-of-care sepsis diagnosis
US10780444B2 (en) System and method for detection of cells
EP3911950B1 (en) Apparatus for the quantification of biological components dispersed in a fluid
WO2014165001A1 (en) Nanoprobe and methods of use
Bertacco et al. DEVICE AND METHOD FOR THE QUANTIFICATION OF CORPUSCULATED AND NON-CORPUSCULATED BLOOD COMPONENTS

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200331