CN1885027A - 使用磁性材料的分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种结合磁性材料与声学感测组件的分析方法及装置，其是利用经修饰具有专一性辨识分子的磁性材料捕捉样品中的待测物质，并提供外加磁场将磁性材料导引至声学感测组件的感应区域，然后将感应区域表面因磁性材料与待测物质所导致的声学效应换算为欲分析样品中待测物质的含量。

Description

使用磁性材料的分析方法及装置

技术领域

本发明是关于一种使用磁性材料及声学感测组件的分析方法及装置，更进一步来说，本发明是关于一种结合磁性材料与微天平传感器的分析方法及装置。

背景技术

一般检验样品中待测物质有两主要策略，一是经由溶剂萃取、浓缩、沉淀或层析等分离步骤纯化待测物质再进行定量，一是利用专一性反应直接量测复杂样品中特定物质的含量。先纯化再进行定量的方法经常伴随生物物质活性的破坏，且步骤若过于繁杂冗长易伴随误差的发生。故目前分析技术的发展多朝向利用专一性反应进行量测，而生物传感器便符合这个技术开发需求。

一般生物传感器是由辨识分子、换能器及信号处理器所组成，其中辨识分子是位于换能器的感应区域表面，辨识分子的用途是与待测物接触产生反应，所以辨识分子需具备对待测物的特异性，以增加传感器的选择性，一般的辨识分子是为生体组织、微生物、胞器、细胞受体、酵素、抗原或抗体。

换能器的功能是将辨识分子与待测物质反应后的物理量或化学量的改变，转换成电子信号，物理量或化学量包含光学、质量感应、热化学、电化学及磁感应等。例如：使用声学感测组件中的石英晶体微天平作为换能器时，涂布于石英表面上的辨识分子对待测物质的吸附，会引起石英晶体表面的质量改变，造成石英晶体的频率改变，便可以间接量测待测物质的浓度。然而将声学感测组件的感应区域表面修饰辨识分子的方法，也将局限该声学感测组件所能检测的待测物质种类，为了更有效率而不被局限地利用声学感测组件的高灵敏度，修饰有辨识分子的磁性材料便被导入于相关技术的开发。

在一现有技术中(US6,294,342)是使用了一经修饰而具有辨识待测物质能力的磁性试剂及一移动固定相试剂(mobilesolid phase reagent)，通过由两试剂与待测物质间的结合，在外加磁场的作用下对量测装置的效应。然而该技术使用的磁性试剂(magnetically reagent)需与移动固定相试剂搭配使用才足以对量测装置产生可被量测的效应，该效应主要是为磁铁与磁珠之间的吸斥力变化而导致的秤重量改变，然而该方法的灵敏度仅到μg等级，且容易造成待测物质析出或沉淀。

US 5,660,990则是利用一捕捉试剂捕捉欲分析物后，再将该捕捉试剂与一信号产生试剂结合，透过检测信号产生试剂所产生的信号进行检测的技术，因此，其实施方式主要以光学检测为主。然而额外试剂的使用造成步骤的增加以及结合条件的限制都会导致检测误差的产生。另在US6,342,396中，其是于一捕捉装置表面上固定捕捉受体，再通过由磁场捕捉一可辨识待测物的粒子，此方法除了牵扯到繁琐的表面修饰技术外，捕捉装置上特定捕捉受体将导致捕捉装置使用上也只能针对特定待测物，或者需要更换捕捉装置表面才能进行其它欲分析物的分析；在其检测上的实施方式则以原子力显微镜进行观察，因此并不具备有广泛应用的价值。

故一个更灵敏、简单及不需额外标定信号产生试剂的生物传感器量测装置与方法，即为本技术领域的开发方向。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明是提供一种使用磁性材料的分析方法及装置，其是利用经修饰的磁性材料捕捉欲分析样品中的待测物质，并提供外加磁场将磁性材料牵引至声学感测组件的感应区域，然后将感应区域表面产生的效应换算为欲分析样品中待测物质的含量。

本发明的目的是提供一种分析样品中待测物质的方法，其步骤包含：a)提供一磁性材料，前述磁性材料表面具有一辨识分子可捕捉样品中的待测物质；b)将前述磁性材料加入一样品中，使前述磁性材料表面的辨识分子捕捉样品中的待测物质；c)利用一磁场将前述磁性材料导引至一声学感测组件的感应区域表面，使前述感应区域表面产生声学效应；及d)将前述声学效应换算为样品中待测物质的含量。

本发明的另一目的是提供一种分析样品中待测物质的装置，是包含：一反应槽，该反应槽具有一空间作为样品导入之用；一磁性材料，该磁性材料表面具有一辨识分子可捕捉前述样品中的待测物质；一磁场产生器，是用以提供前述反应槽中的磁性材料一外加磁场；及一声学感测组件，该声学感测组件具有一感应区域暴露于前述反应槽中；其中前述装置是利用磁场产生器提供的外加磁场将前述磁性材料及其捕捉的待测物质聚集至前述声学感测组件的感应区域表面，使感应区域表面产生声学效应以换算获得样品中待测物质含量。

本发明的前述装置可进一步包含一光学感测组件，用以检测前述磁性材料。

本发明的分析样品中待测物质的装置，其中该反应槽的一实施态样是为一容器，用以使样品静态储存于该容器中。前述反应槽的另一实施态样是为一管道，用以使样品动态流通于该管道中。

对于磁性分离技术而言，本发明不需使用溶剂萃取、浓缩、沉淀或层析等繁杂步骤，即可达到物质的分离与定量；对于生化传感器应用上，除可免除声学感测组件表面修饰的困难度，亦可提供样品预分离及纯化的手段，降低了非欲分析物分离与定量的干扰。

附图说明

图1是为本发明的分析装置示意图，其磁场产生器未提供外加磁场，且反应槽是为容器态样；

图2是为本发明的分析装置示意图，其磁场产生器提供一外加磁场，且反应槽是为容器态样；

图3是为本发明的分析装置示意图，其磁场产生器提供一外加磁场，且反应槽是为管道态样；

图4是为本发明的分析装置示意图，其反应槽是为容器态样，且具有一磁性材料收集区域；

图5是为本发明的分析装置示意图，其反应槽是为管道态样，且具有一磁性材料收集区域；

图6A及图6B是为本发明的分析装置示意图，其反应槽是为管道态样，且具有一调节阀可控制管道中流体移动路径；

图7是为外加磁场下磁性材料对声学感测组件产生的效应趋势图；

图8是为外加磁场下不同磁性材料对声学感测组件产生的效应趋势图；

图9是为排除非特异性吸附的外加磁场下，不同磁性材料对声学感测组件产生的效应趋势图；

图10是为磁性材料捕捉欲分析物后在外加磁场下对声学感测组件产生的效应趋势图。

[主要组件符号对照说明]

1       反应槽

2       磁场产生器

3       声学感测组件

31      感应区域

4       信号处理器

5       磁性材料

51      辨识分子

6       待测样品

61       欲分析物

62       非欲分析物

7        磁性材料收集区域

8        调节阀

81、82   路径

91、92   磁场产生器

100      本发明的分析装置

具体实施方式

本发明的利用磁性材料分析样品中待测物质的方法，其是首先提供一磁性材料，磁性材料是指可利用外加磁场导引而移动的材料，包含磁性粒子、磁性纳米粒子或超顺磁纳米粒子。为捕捉样品中的待测物质，磁性材料表面是具有辨识分子，辨识分子包含化合物、抗原、抗体、受体、配体、酵素、蛋白质、胜肽或核酸，其是依据待测物质的特性而选用。将具有辨识分子的磁性材料加入样品中，使前述磁性材料表面的辨识分子捕捉样品中的待测物质后，即利用一磁场将前述磁性材料导引至一声学感测组件的感应区域表面，使前述感应区域表面产生声学效应。本发明所称的声学感测组件(acoustic sensor)包含，但不限于石英晶体微天平、表面声波组件、弯曲平板波组件、平板波组件或微悬臂，当磁性材料与待测物质结合的复合物接触声学感测组件的感应区域时，感应区域表面会发生形变量变化、共振频率偏移量变化、声波信号变化等声学效应，不同浓度的待测物质导致不同程度的声学效应，故可通过由声学效应的程度换算为样品中待测物质的含量。

由于部分的磁性材料本身或进一步掺杂有感光成分的磁性材料，可使的具有不同光波长的放射或吸收特性，例如可见光、红外光或紫外光的放射或吸收、荧光放射、磷光放射或冷光放射，且这些磁性材料捕捉到不同浓度的待测物质时，其会产生不同程度的光放射或光吸收，故除了利用声学感测组件检测声学效应外，还可进一步利用光学感测组件来检测光放射或光吸收的变化，甚至在磁性材料的表面可进一步修饰信号分子，增强光放射或光吸收的特性，使待测物质与磁性材料结合时的效应更为明显。此外，通过由不同磁性材料间的光学特性，若搭配不同的辨识分子修饰，则可应用于样品多样性分析或检测。

本发明的分析样品中待测物质装置100的一实施态样是如图1所示，是包含反应槽1、磁场产生器2、声学感测组件3、信号处理器4及磁性材料5。其中反应槽1是为一容器，可用以将待测样品6静态储存于其中，磁性材料5是混合分布于待测样品6中，本发明的磁性材料5是为经修饰具有辨识分子51的磁性粒子、磁性纳米粒子或超顺磁纳米粒子，其尺寸是可为微米或纳米大小，可选择性地由待测样品6中捕捉欲分析物61；修饰于磁性材料5表面的辨识分子51包含，但不限于化合物、抗原、抗体、受体、配体、酵素、蛋白质、胜肽或核酸，其是具有可辨识欲分析物61的特性。于磁性材料5表面修饰辨识分子51的方法是为本技术领域所熟知，如：利用当磁性材料5是为氧化铁所构成时，其上所具有的羟基可与烷氧基硅化合物形成化学键结，再利用烷氧基硅化合物上其它的官能基与辨识分子51形成化学键结达到修饰目的，此外葡萄聚醣(dextran)也可利用类似的反应来达到修饰目的。声学感测组件3包含，但不限于石英晶体微天平、表面声波组件、弯曲平板波组件、平板波组件或微悬臂，本发明的实施例中是使用石英晶体微天平传感器，该微天平传感器具有一暴露于反应槽1中的感应区域31，其是设置于磁场产生器2提供外加磁场时磁性材料5被牵引聚集的区域，该区域是可包括反应槽的底部、四周或上方，较佳是位于反应槽1的上方，通过此可减少分析过程中欲分析物61以外的物质(即非欲分析物62)因重力造成沉淀吸附于感应区域31，进而影响分析结果，而磁场产生器2是为可提供反应槽1一外加磁场的装置，包含，但不限于感应线圈或磁铁。

参考图2，当磁场产生器2提供一外加磁场于磁性材料5时，磁性材料5将被牵引聚集至感应区域31表面，此时被磁性材料5捕捉的欲分析物61的多寡，将使感应区域31表面产生不同程度的效应，该效应包含，但不限于磁性材料的平均数量变化、磁性材料的聚集效应、粘滞度变化、密度变化、磁力变化、温度变化与电荷变化，而前述效应的发生会连带使声学感测组件3产生包含，但不限于形变量变化、共振频率偏移量变化、声波信号变化，信号处理器4即分析声学感测组件3产生变化的程度，进而换算为欲分析物61于待测样品6中的含量，信号处理器4其是可为单独的装置或结合于声学感测组件3的一部分。

图3是为本发明的另一实施态样，其中反应槽1是为管道形态，使待测样品6可以动态流通于反应槽1中以达到连续性的样品检测模式。当被混合于待测样品6中用以捕捉欲分析物61的磁性材料5流经磁场产生器2提供的外加磁场时，将被牵引聚集于声学感测组件3暴露于反应槽1中的感应区域31表面，此时待测样品6中的欲分析物61及非欲分析物62即可达到分离效果，聚集于感应区域31的磁性材料5会使声学感测组件3产生变化，而信号处理器4即可将声学感测组件3产生变化的程度，换算为欲分析物61于待测样品6中的含量。

本发明的分析样品中待测物质装置100可进一步包含一磁性材料收集区域7，如图4及图5所示，其中图4是为图2的装置进一步增加磁性材料收集区域7，图5是为图3进一步增加磁性材料收集区域7，磁性材料收集区域7的设置在使磁性材料5受外加磁场牵引聚集时得以集中于声学感测组件3的感应区域31表面，增强感应区域31表面的效应，使声学感测组件3产生的变化程度加大，提高信号处理器所获得的信号，俾使换算得到的欲分析物61在待测样品6中的含量更准确。

本发明的再一实施态样是如图6A及图6B所示，图6A中，含有磁性材料5的待测样品6是先流经一磁场产生器91所制造的磁场，此时捕捉了欲分析物61的磁性材料5将滞留于磁场中，而待测样品6中所含的非欲分析物62则在流经磁场后，通过一调节阀8后往路径81的方向移动而不进行分析。

在调节阀8转换前，可先将滞留于磁场中的磁性材料5进行清洗的动作，通过以移除其中可能影响后续分析结果的非分析物62，之后调整调节阀8，使流体的流动由路径81转往路径82的方向，此时关闭磁场产生器91，滞留于磁场中的磁性材料5因为磁场的消失而开始流动，通过调节阀8后进入路径82，此时磁性材料5受到磁场产生器92所制造的磁场的影响被牵引聚集至声学感测组件3的感应区域表面31，信号处理器4便可获得声学感测组件3变化程度的信号，进而换算为欲分析物61在待测样品6中的含量。

以下实施例是用于进一步了解本发明的优点，并非用于限制本发明的申请专利范围。

实施例1.外加磁场下磁性粒子对声学感测组件产生的效应

本实施例采自行合成的磁性氧化铁纳米粒子(平均粒径约10nm；使用浓度：20μg/ml)，配合流体-注入式(flow-injectionanalysis，FIA；使用流速：160μl/ml)石英晶体微天平(quartzcrystal microbalance，QCM)系统进行实验。磁场供应来源则采用一高场值磁铁(声学感测组件表面区域所暴露的磁场强度约100mT)。实验结果如图7所示。

由图7可知，在不提供外加磁场的情形下，石英晶体微天平的振荡频率为13Hz，当提供外加磁场时，振当频率增加至46Hz。此结果是证明在提供外加磁场作用下，磁性粒子会因为聚集于石英晶体微天平的感应区域，导致石英晶体发生压电效应而改变振荡频率。

实施例2.外加磁场下不同磁性粒子对声学感测组件产生的效应

本实施例的目的在于评估本发明用于生化检测的可行性。实验装置设定与实施例1同。实验结果如图8所示。

由图8可知，在外加磁场作用下，修饰有老鼠免疫球蛋白(mouse IgG)的磁性材料在不提供外加磁场时石英晶体微天平的振荡频率为41Hz，而提供外加磁场后振荡频率上升至82Hz，而再加入可1.25％的与老鼠免疫球蛋白官能基作用的戊二醛(glutaraldehyde，GA)后，石英晶体微天平的振荡频率增加为103Hz，这代表经修饰的磁性材料在已捕捉及未捕捉欲分析物时，的确会让石英晶体微天平的振荡频率发生变化，验证本发明的技术可行性。而前述石英晶体微天平的振荡频率发生的变化可通过由信号处理器换算后得知欲分析物的含量。

实施例3.磁性材料检测机制实验

本实施例中，进一步探讨了微米尺寸的磁性粒子用于本发明的可行性；且于本实施例中，亦考虑了蛋白质可能非特异性吸附于声学感测组件表面的问题，因此在执行检测前，先以牛血清蛋白(bovine serum albumin，BSA)披覆于声学感测组件表面(使用浓度：10mg/ml)，如此一来，对其他蛋白质的隔离效率可达90％。

本实施例采用购买自Dynal Biotech公司的磁性高分子微粒(平均粒径约2.8μm；使用浓度：67μg/ml)，配合流体-注入式(使用流速：50μl/ml)石英晶体微天平系统进行实验。磁场供应来源亦采用一高场值磁铁(声学感测组件表面区域所暴露的磁场强度约100mT)。由图9结果显示，在外加磁场作用下，修饰有大肠杆菌抗体(anti-E.coli)的磁性材料(修饰条件：80μg/ml大肠杆菌抗体+67μg/ml磁性材料，搅拌反应约1.5小时)，其导致的频率变化比只有磁性材料时所产生的影响多出约320Hz。

实施例4.免疫检测应用

本实施例利用修饰有老鼠免疫球蛋白抗体(anti-mouseIgG)的磁性材料(购自Dynal Biotech公司；使用浓度：67μg/ml)，直接对老鼠免疫球蛋白(使用浓度：180μg/ml)进行检测。实验装置设定与实施例3同，其声学感测组件表面披覆有牛血清蛋白。检测前先将修饰有老鼠免疫球蛋白抗体的磁性材料与老鼠免疫球蛋白混合，搅拌反应约1.5小时，的后再将的注入流道中进行检测。图10显示了反应前后的差异，总共约有70Hz的频率变化量。由此实施例，说明了此装置于免疫检测上的可行性。

综合上述，本发明的使用磁性粒子的分析方法与装置，利用经修饰的磁性材料捕捉欲分析样品中的待测物质，并提供外加磁场将磁性材料牵引至声学感测组件的感应区域，然后将感应区域表面的效应换算为欲分析样品中待测物质的含量。因此，本发明的分析装置与方法集结了磁性粒子的物质分离技术所具有操作简单迅速、对生物物质或欲分析物干扰小、价格低廉等优点，配合生物传感器的高灵敏度特性，成为一可实时检测与定量微量物质的感测技术，可广泛应用于生医、环境与食品分析等领域，作为生医诊断套组及分生、环境与食品的微量分析感应器。

其它实施态样

在本说明书中揭露本发明数个实施态样。根据本说明书所揭露的内容，任何熟习本技术领域的人士皆可基于本发明的特色，在不脱离本发明精神与目的下，对本发明做不同的更动与修饰，因此，其它实施态样也包含在本发明的申请专利范围内。

Claims (18)

1.一种分析样品中待测物质的方法，其特征在于，步骤包含：

a)提供一磁性材料，前述磁性材料表面具有一辨识分子可捕捉样品中的待测物质；

b)将前述磁性材料加入一样品中，使前述磁性材料表面的辨识分子捕捉样品中的待测物质；

c)利用一磁场将前述磁性材料导引至一声学感测组件的感应区域表面，使前述感应区域表面产生声学效应；及

d)将前述声学效应换算为样品中待测物质的含量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该磁性材料包含磁性粒子、磁性纳米粒子或超顺磁纳米粒子。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该辨识分子包含化合物、抗原、抗体、受体、配体、酵素、蛋白质、胜肽或核酸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该声学感测组件包含石英晶体微天平、表面声波组件、弯曲平板波组件、平板波组件或微悬臂。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该声学效应包含形变量变化、共振频率偏移量变化或声波信号变化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可进一步利用一光学感测组件检测前述磁性材料。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述该磁性材料表面可进一步具有一信号分子，该信号分子是具有包含光吸收、荧光放射、磷光放射或冷光放射的特性。

8.一种分析样品中待测物质的装置，其特征在于，包含：

一反应槽，该反应槽具有一空间作为样品导入的用；

一磁性材料，该磁性材料表面具有一辨识分子可捕捉前述样品中的待测物质；

一磁场产生器，是用以提供前述反应槽中的磁性材料一外加磁场；及

一声学感测组件，该声学感测组件具有一感应区域暴露于前述反应槽中；

其中前述装置是利用磁场产生器提供的外加磁场将前述磁性材料及其捕捉的待测物质聚集至前述声学感测组件的感应区域表面，使感应区域表面产生声学效应以换算获得样品中待测物质含量。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该声学感测组件包含石英晶体微天平、表面声波组件、弯曲平板波组件、平板波组件或微悬臂。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该磁性材料包含磁性粒子、磁性纳米粒子或超顺磁纳米粒子。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该辨识分子包含化合物、抗原、抗体、受体、配体、酵素、蛋白质、胜肽或核酸。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该磁场产生器包含感应线圈或磁铁。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该感应区域声学效应包含形变量变化、共振频率偏移量变化或声波信号变化。

14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该反应槽为一容器，用以使样品静态储存于该容器中。

15.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该反应槽为一管道，用以使样品动态流通于该管道中。

16.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该反应槽可进一步包含一磁性材料收集区，其是作为前述感应区域设置其中的用。

17.如权利要求8所述的装置，其特征在于，是可进一步包含一光学感测组件，用以检测前述磁性材料。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述该磁性粒子表面可进一步具有一信号分子，该前述信号分子是具有包含光吸收、荧光放射、磷光放射或冷光放射的特性。

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