CZ293853B6 - Zařízení pro kvalitativní a@nebo kvantitativní magnetickou detekci analytů - Google Patents

Abstract

Zařízení pro kvalitativní a@nebo kvantitavní detekci analytůŹ zejména v biologických vzorcíchŹ vazbou receptor@ligandŹ které zahrnuje magnetizační zařízení pro generování magnetického pole v místě vzorku a detekční zařízení pro měření magnetických vlastností vzorkuŹ přičemž magnetizační zařízení je uspořádáno prostorově k detekčnímu zařízení takŹ že magnetické pole generované magnetizačním zařízením v místě magnetizace vzorku je v místěŹ které zaujímá vzorek v průběhu měřeníŹ zeslabeno alespoň faktorem �@@ Zařízení dále zahrnuje přepínací zařízení pro zrušení magnetického pole magnetizačního zařízení v místě vzorku }�@B po předem stanovenou dobuŹ zejména v průběhu měřicí fáze detekčního zařízeníŹ a zařízení pro uvedení vzorku }�@B do pohybu v průběhu měřicí fáze detekčního zařízeníŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro kvalitativní nebo kvantitativní detekci analytů, zejména v biologických vzorcích pomocí vazby receptor-ligand s použitím magnetizačního zařízení k výrobě magnetického pole v místě vzorku a s detekčním zařízením k měření magnetických vlastností vzorku.

Dosavadní stav techniky

Podobné zařízení lze odvodit z předchozího stavu techniky pomocí popisu postupu měření k provedení na příslušném zařízení podle JP 63 09 0765-A2.

Zařízení pro měření vazeb receptor-ligand je založené na proměřování signálů, které jsou generovány návěštími produkujícími signály, přičemž látky o specifické struktuře jsou označovány těmito návěštími. Dosud nejcitlivější zařízení jsou založena na detekci radioaktivních označujících látek (Rádio Immuno Assay, RIA). Použití radioaktivních návěští s sebou přináší zjevné nevýhody jako např. problémy při uskladňování a odstraňování radioaktivních látek. Kromě toho vyžadují taková zařízení pro oddělování vázaných návěští od nevázaných návěští. Bez tohoto oddělení není kvantitativní analýza obecně možná.

Alternativní přístroje jsou založeny na optickém měření aglutinačních, fluorescenčních a barevných reakcí (FIA, ELISA). Zde se jedná v podstatě o fotodetektory. Také u těchto způsobů je obecně nezbytné oddělení pro kvantitativní analýzu. Na druhou stranu existuje velké množství měřicích zařízení k určování magnetických vlastností vzorků, které však doposud obecně nebyly v praxi nasazeny k přímé detekci vazeb receptor-ligand.

Jsou známa některá zařízení, která jsou založena na způsobech, u kterých jsou používána magnetická návěští. Například aplikace magnetického pole způsobuje pohyb magneticky označených částic a tento pohyb je prokazován např. pomocí laseru. Navíc existují zařízení, která jsou založena na způsobech, při kterých jsou použita magnetická návěští k oddělování vázaných a nevázaných složek. Naproti tomu existuje velmi málo zařízení, která jsou založena na proměřování magnetických vlastností vzorku.

V JP 23 57 74 je popsána metoda SQUID - Immunoassay, která je založena na magneticky označených protilátkách nebo antigenech. Po reakci protilátek s antigeny musejí být ze vzorku samozřejmě odstraněny nevázané složky (oddělení). Vhodný přístroj k tomuto účelu musí tudíž obsahovat zařízení k oddělování vázaných návěští od nevázaných návěští. Po oddělení bude změřena magnetizace vzorku za přítomnosti magnetického pole, tj. měření magnetizace je prováděno v poli.

V US 4 913 883 je popsáno zařízení pro immuno-aglutinační vzorek. Je založeno na měření aglutinace protilátek označených magnetickými částicemi v rozmezí velikosti jednotek pm. K tomuto účelu obsahuje přístroj nutně zařízení k izolaci aglutinátu a zařízení k transportu tohoto aglutinátu detekčním zařízením pomocí kapalného proudu.

V JP 3 220442 A je zveřejněn způsob měření k provádění aglutinačních immunovzorků, u kterých je zjišťováno množství aglutinace pomocí protilátek s použitím způsobu k měření velikosti částic aglomerovaných magnetických částic uvedených v publikaci. Způsob spočívá v zapnutí magnetického pole, které proniká stacionárním vzorkem v kapalné formě a ve změření zbytkové hustoty magnetického toku aglomerovaných magnetických částic.

- 1 CZ 293853 B6

Podle JP 3 220442 A může být určování množství aglutinace prováděno také prostřednictvím optických postupů k určení velikosti částic. Potud se jedná u zveřejněného způsobu výhradně o způsob určování velikosti magnetických částic vzniklých aglutinací, který může být použit popsaným způsobem také pouze pro aglomerované magnetické částice, přičemž velikost částic aglomerátu leží v rozmezí mikrometrů.

Měřicí postup popsaný v US 5 486 457 slouží k určování pohyblivosti magnetických částic vázaných na buňky. Popsaná zařízení měří magnetická pole za přítomnosti slabšího magnetického pole otočeného o 90° vzhledem k magnetizačnímu poli.

Způsob měření popsaný v článku od Valberg et al., Science 1984, Bd. 424, S. 513-516 je založen na měření magnetických polí v rotaci magnetických částic s velikostí částic typicky 0,7 μιη. Kvůli zvýšení citlivosti měření se explicitně používá technologie lock-in. To je způsob modulace, u kterého je u měřeného signálu zachycováno pouze úzké pásmo.

V článku od Philo et al. Rev. Sci. Instrum. 1977, Bd. 48, S. 1529-1536 je popsán způsob, kterým lze s pomocí technologie SQUID měřit objemovou citlivost. Jsou explicitně zdůrazněny přednosti SQUID pro měření s vysokou citlivostí, které mohou být ku prospěchu pro budoucí měřicí zařízení. Patentové přihlášky DE 195 03 664.6 a DE 195 08 772.0, které nepředstavují předchozí stav techniky, popisují způsoby a vazby k magnetorelaxometrické detekci analytů, resp. k detekci analytů prostřednictvím měření remanence. V následujícím bude magnetorelaxometrická detekce označovat vazebně specifickou detekci analytů v kapalném nebo tuhém stavu, přičemž se vyznačuje nasazením fero- nebo ferimagnetických koloidních částic jako detekovatelného magnetického označení k detekci analytů prostřednictvím vazeb ligand-receptor a uvolňování jejich magnetizace je určeno jako měřené množství. Jako detekce analytů prostřednictvím měření remanence (dále označeno jako měření vazební remanence) je označována vazebně specifická detekce analytů v kapalné nebo tuhé fázi, vyznačující se tím, že jsou nasazeny stabilní nebo kvazistabilní fero- nebo ferimagnetické látky jako detekovatelná magnetická označení k detekci analytů prostřednictvím vazeb ligand-receptor a remanence jejich magnetizace se určuje jako měřené množství. U obou naposledy uvedených způsobů se měří

I) relaxace (časové doznívání magnetizace) měřeného vzorku ihned po odpojení nebo odstranění magnetizačního pole nebo

II) frekvenčně závislá magnetizace měřeného vzorku za přítomnosti magnetizačního pole nebo

III) vazebně specifická remanence měřeného vzorku po zmagnetizování.

Přitom je žádoucí:

1. dostatečně potlačovat vnější rušivé signály (např. šum sítě, kolísání magnetického pole země) a pokud možno nevytvářet žádné vnitřní rušivé signály,

2. zamezit nákladnému nebo náročnému magnetickému stínění a rovněž

3. provádět jednoduchou a rychlou výměnu vzorků.

Podstata vynálezu

Aby bylo možno uskutečnit uvedené nové způsoby, je k tomu zapotřebí nové zařízení, které umožní měřením magnetických vlastností vzorků vysoce citlivou kvalitativní a kvantitativní detekci vazeb receptor-ligand.

-2CZ 293853 B6

V předchozím stavu techniky nejsou dosud známa zařízení vhodná k rutinnímu a ekonomickému používání výše popsaných nových způsobů měření, je úkolem tohoto vynálezu představit zařízení na počátku popsaného typu, se kterým lze provádět nové měřicí postupy.

Podle prvního hlediska tohoto vynálezu se tento úkol řeší tím, že u zařízení s v úvodu uvedenými znaky je magnetizační zařízení prostorově uspořádáno vzhledem k detekčnímu zařízení tak, aby magnetické pole vytvářené magnetizačním zařízením v místě magnetizace, které zaujímá vzorek během měření, bylo zeslabeno alespoň faktorem 10, přednostně faktorem 1000 a více.

Ve druhém hledisku tohoto vynálezu je výše uvedený úkol řešen tím, že je navrženo zařízení, které může vypnout magnetické pole magnetizačního zařízení na předem stanovenou dobu, zejména během fáze měření detekčního zařízení v místě vzorku, a že je navrženo zařízení k pohybu měřeného vzorku během fáze měření detekčního zařízení. Tím je také možné měření remanence bez časově proměnlivého magnetizačního pole. Průměrováním, resp. filtrováním lze u tohoto provedení významně vylepšit odstup signálu od šumu. Kromě toho je tím možné zjednodušení a automatizace transportu vzorků a rovněž i automatický provoz celého měřicího systému při velkém množství vzorků.

Podstatné přitom je, že ačkoli je u odpovídajícího zařízení měřený vzorek zmagnetizován, proměřování magnetických vlastností měřeného vzorku je prováděno za nepřítomnosti resp. při dostatečném zeslabení magnetizačního pole (fáze měření).

Toho lze podle vynálezu dosáhnout buďto prostorovým oddělením magnetizačního zařízení od detekčního zařízení, nebo časovým oddělením magnetizačního děje od měření.

Použitím zařízení podle vynálezu k provádění výše popsaného nového způsobu spočívá rozhodující výhoda v tom, že měřený signál vázaných magnetických značek lze zřetelně rozlišit od signálu nevázaných magnetických značek a není tedy nezbytné oddělování nevázaných značek od vázaných značek. Kromě toho lze prozkoumat dynamiku vazeb bez výměny vzorků.

Dále umožňuje zařízení podle tohoto vynálezu použitím uvedených nových způsobů současné určování více analytů v jednom složeném vzorku (vzorek s více analyty).

U zařízení podle prvního hlediska vynálezu umožňuje prostorové oddělení magnetizačního zařízení od místa měření zvláště silné magnetizační pole, aniž by došlo k ovlivňování detekčního zařízení. To může být právě během vazebních procesů magnetizováno. Příprava vzorků může nastávat odděleně od místa měření, například v různých laboratořích, nebo ve zcela rozdílných městech. K magnetizaci lze použít také permanentní magnety, které během magnetizační fáze nepotřebují žádný přívod energie.

U zařízení podle výše popsaného druhého hlediska vynálezu může být toto pole potřebné k magnetizaci měřeného vzorku odpojeno a tudíž lze měřit za nepřítomnosti magnetizačního pole.

Zvláště upřednostňované je provedení zařízení podle vynálezu, u kterého detekční zařízení obsahuje zařízení k měření magnetizace měřeného vzorku. Magnetizace je pro tyto vzorky také měřené množství, které může být co nejcitlivěji změřeno.

Výhodné je také provedení, u kterého detekční zařízení obsahuje zařízení k měření vazební remanence analytů v měřeném vzorku. Měření vazební remanence umožňuje vzorek s více analyty. Kromě toho příprava může nastávat odděleně od místa měření, například v různých laboratořích, nebo v různých městech. Také tento způsob měření dosahuje vysokou citlivost detekce, přičemž příprava vzorků a provedení měření jsou relativně jednoduché. Měření vazební remanence může být aplikováno také pro měření in vivo.

- J CZ 293853 B6

Aplikace in vivo je možná také u provedení zařízení podle vynálezu, u kterého detekční zařízení obsahuje zařízení k magnetorelaxometrické detekci.

Toto zařízení umožňuje krátké fáze měření, které například připouští provádět v měřeném vzorku reakční kinetiku s vyšším časovým rozlišením.

U zvláště upřednostňovaného provedení obsahuje detekční zařízení alespoň jeden SQUID (supervodivé kvantové interferenční zařízení) jako součást senzorů magnetického pole, protože SQUIDy jsou nejcitlivější ze všech dosud známých senzorů magnetického pole.

V dalším provedení vynálezu obsahuje detekční zařízení jako součást senzorů magnetického pole alespoň jednu indukční cívku. Takové indukční cívky lze jednoduše, za přijatelné výrobní náklady sestavit a jsou relativně citlivé při vysokých kmitočtech.

Podle třetího hlediska vynálezu je navrženo vypínací zařízení, které je schopné po předem danou dobu, zejména během fáze měření detekčního zařízení, vypnout magnetické pole magnetizačního zařízení v místě měřeného vzorku, přičemž vypínací zařízení obsahuje první zařízení pro zapínání a vypínání magnetického pole vyráběného v magnetizačním zařízení a také druhé zařízení pro zapínání a vypínání detekčního zařízení.

U prvního vylepšení tohoto provedení vynálezu lze první a druhé zařízení na sobě navzájem nezávisle přepínat. Tím lze spustit měření po odpojení magnetického pole a po vhodné časové prodlevě.

U alternativního vylepšení výše uvedeného provedení lze první zařízení přepínat s předem určenou pevnou korelací s druhým zařízením. Vhodná volba časového okamžiku přepnutí umožňuje u tohoto provedení potlačit procesy s kratší časovou konstantou a tím také selektivní zjišťování signálu. Kromě toho, protože je umožněno co nejdříve možné zapnutí měřicího zařízení, lze u měření relaxací zlepšit odstup signálu od šumu.

Upřednostňováno je také rozvinutí posledně uvedených tří provedení podle vynálezu, u kterého první zařízení může vytvářet předem určené amplitudy pole a polarity magnetického pole vyrobeného magnetizačním zařízením. Tím lze vzorek zvláště adresně zmagnetizovat a naproti tomu lze zlepšit odstup signálu od šumu pomocí časového průměrování přes více period. To lze dosáhnout např. pomocí činnosti střídače. Tato provedení jsou vhodná obzvláště k provádění vzorků s více analyty.

U vylepšení posledně uvedeného provedení může první zařízení vytvářet předem určený časový průběh amplitudy a předem určený časový průběh polarity magnetického pole vyrobeného magnetizačním zařízením. To umožňuje měření remanence bez prostorového přesouvání vzorku. Princip měření vazební remanence lze přitom použít také v případě měření in vivo. Kromě toho jsou možné vzorky s více analyty. Dále mohou být snadno kompenzována konstantní resp. stacionární rušivá pole. Odstup signálu od šumu lze dále vylepšit srovnávacím měřením a průměrováním. Se zařízením je také možné měření magnetizační křivky a nakonec SQUID systém může být permanentně provozován v níže uvedeném FLL režimu a tudíž může být lépe změřeno samotné přiložené magnetické pole.

Obzvláště upřednostňované je také provedení zařízení podle vynálezu, u kterého je navrženo zařízení pro elektronické potlačování rušivých signálů. Tím je umožněn ještě větší odstup signálu od šumu, jakož i realizace neodstíněných měření. Je tudíž zamezeno nákladným a drahým stínícím opatřením. Kromě toho mohou být tyto typy zařízení provozovány v téměř libovolném prostředí. Kromě toho jsou takto dosažené výsledky maximálně nezávislé na umístění.

U dalšího vylepšení tohoto provedení obsahuje zařízení k elektronickému potlačování rušivých signálů jednotku k adaptivnímu filtrování. To umožňuje ještě lepší odstup signálu od šumu,

-4CZ 293853 B6 protože rušivé signály jsou aktivně potlačovány. S přizpůsobením na budicí signál je kromě toho spojena vysoká citlivost detekce.

Zvláště výhodné je provedení zařízení podle vynálezu, u kterého je navrženo zařízení k měření vektorů rušivého pole a k němu připojené zařízení pro odpovídající kompenzaci signálů naměřených detekčním zařízením nebo magnetického pole vytvořeného magnetizačním zařízením. Pomocí znalosti směru rušivého poleje možné podstatně lepší vyvažování aparatury. Kromě toho lze zvýšit rychlost přeměny signálu senzorových SQUID a je umožněno ověřování homogenity budicího magnetického pole.

Výše uvedená provedení zařízení podle vynálezu, zvláště těch, která jsou přizpůsobena k měření vazební remanence nebo k magnetorelaxometrické detekci, mohou být vybavena také k měřením in vivo na lidech nebo na pokusných zvířatech.

Další výhody vynálezu vyplývají z popisu a z výkresů. Taktéž mohou být výše uvedené a později zavedené znaky použity samostatně nebo v libovolných kombinacích. Zobrazená a popsaná provedení nelze chápat jako konečný výčet, nýbrž mají spíše charakter příkladů k popisu vynálezu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 schematický podélný řez prvního provedení zařízení podle vynálezu;

obr. 2 schéma prostorového rozdělení více měřených vzorků uspořádaných ve tvaru matrice stejně jako příslušná řada senzorů;

obr. 3 schematické znázornění v řezu druhého provedení zařízení podle vynálezu;

obr. 4 schematické znázornění v řezu třetího provedení zařízení podle vynálezu; a obr. 5 schematické znázornění v řezu čtvrtého provedení zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

K měření magnetických polí vytvořených vazbou magneticky označených látek se specifickou strukturou jsou navrženy následující detektory:

1. SQUIDy (Jak „High Tc“ tak „Low Tc“)

2. Indukční cívky (eventuálně v kombinaci s magnetickým jádrem analogicky s magnetickou hlavou používanou u magnetických pásek)

3. Senzory „flux gate“

4. Magnetorezistivní rezistoiy, zejména GMR senzory

Aby bylo možné prokázat co nej menší množství vázaných analytů v roztoku, jsou zapotřebí detektory magnetického pole se zvláště dobrým rozlišením energie. Tyto lze realizovat např. pomocí SQUIDů. Takové SQUIDy mohou být použity za určitých okrajových podmínek také u relativně velkých magnetických polí a nabízejí se jako detektory pro svou flexibilitu odpovída

-5 CZ 293853 B6 jící supravodivé cívky zjišťující pole. Případně mohou být tyto nahrazeny také jinými detektory (viz výše).

Upřednostňované zařízení podle vynálezu k řešení stanoveného problému používá k relaxačnímu měření, popř. k měření remanence analytů, stejnou konfigurací detektorů. Rozdíly specifické pro měřicí způsoby se podstatně týkají způsobu magnetizace vzorku a režimu provozu detektoru. Na obrázku 1 je zobrazen příklad principiálního schématu jedné možné konfigurace zařízení podle vynálezu.

Podrobně zobrazuje obr. 1 elektronické přepínání L které je v následujícím označeno jako „FLL-elektronika“, protože s ním lze použít SQUID v regulačním režimu s uzavřenou smyčkou (režim FLL). Dále jsou zobrazeny vakuový konektor 2, sestava příček 3, víko 4 z Dewaru, konektor 5 přetečení, držák senzoru 6, magneticky stíněný SQUID kontejner 7, detekční zařízení ve formě referenčního gradiometru 8, vektorového magnetometru 9 a senzorového gradiometru 10, magnetizační zařízení ve formě budicí cívky 11, vzorek 12 a kompenzační cívka 13 s pohyblivou polohou.

Jako senzor je v detekčním zařízení použit jeden nebo více SQUIDů 71.

Senzory musí být na základě svého funkčního principu provozovány v kryostatu 14, který drží chladicí kapalinu (kapalné helium 1-He, popřípadě kapalný dusík 1-N₂) aby se ustavil supravodivý stav. Eventuálně může být v nezobrazených provedeních zajištěno chlazení také pomocí chladicího stroje. Protože vzorky jsou většinou k dispozici v kapalném stavuje potřeba termická izolace mezi SQUID a vzorkem, která může být provedena v nejjednodušším případě pomocí kryostatické stěny, jako je ukázáno na obr. 1. Kvůli zajištění dobré magnetické vazby mezi analyty ve vzorku v cívce senzorového gradiometru sledující pole musí být vzdálenost mezi nimi minimalizována, přičemž vzdálenost by měla být přednostně nižší, než efektivní průměr sledovací cívky.

Aby se zabránilo zmrazení kapalného vzorku, mohou být tyto kapalné vzorky také ohřívány, např. opticky pomocí laseru.

K magnetizaci měřeného vzorku 12 je použita přednostně normálně vodivá budicí cívka 11 umístěná vně kryostatu 14. Uvnitř Dewaru lze také použít supravodivou nebo normálně vodivou cívku. U výše uvedeného nového způsobu měření I a III (měření relaxace a měření časově nezávislé remanence vzorku) by se měl vzorek během měření nacházet v prostoru přibližně bez magnetického pole. Toho lze dosáhnout kompenzačními opatřeními, která budou blíže popsána níže. Použitím senzoru „flux gate“ nebo pohybující se cívky snímající pole jako referenčního senzoru, lze určovat absolutní velikost pole v okolí vzorku a pomocí odpovídajících kompenzačních cívek 13 jej kompenzovat. (Kompenzace rušivého pole)

U způsobu II (měření frekvenčně závislé magnetizace vzorku) je vzorek vystaven střídavému magnetickému poli, u kterého lze měnit kmitočet. Budicí pole by zde mělo být v rozsahu objemu měření homogenní.

Pomocí vhodné cívky snímající pole (antény) je měřený signál přenášen do SQUID senzoru. Tato konfigurace antény je výhodně provedena jako planární gradiometr ze dvou vzájemně se kompenzujících cívek co nejvíce stejné geometrie, přičemž cívky mohou být zapojeny sériově nebo paralelně. Měřený vzorek je uspořádán nejúčelněji tak, zeje obklopen jednou z cívek, nebo se nachází přímo pod ní, jak je zobrazeno na obr. 1. K dosažení velmi vysoké citlivosti měření je zapotřebí minimální vzdálenost mezí aktivní oblastí měřeného vzorku a anténní cívkou. Toho lze dosáhnout minimální tloušťkou kryostatické stěny v této oblasti. Kryostat může vně oblasti vzorku vykazovat tlustší stěnu.

-6CZ 293853 B6

Vyváženost senzorového gradiometru 10 (tj. odchylka efektivně orientovaných povrchů obou cívek vzhledem k efektivnímu povrchu) způsobená jeho geometrií a rovněž i symetrií magnetizačního pole má základní význam a lze ji vylepšit vazbou kompenzačního pole prostřednictvím dodatečné kompenzační cívky 13, kterou lze řídit synchronně s budicí cívkou 11. Vyvážení senzorového gradiometru v magnetizačním poli lze udávat například potenciometrem pomocí počítače nebo nastavit pevně. Při kalibraci bez vzorku je snímací cívka napájena přednostně střídavým proudem a proud kompenzační cívkou 13 je upravován, dokud na výstupu SQUIDu není dosažen minimální signál. Toto nastavení bude uchováno pro měření vzorků. V případě nutnosti musí také následovat korekce fáze.

Pomocí těchto opatření se maximálně potlačují odchylky jak v geometrii anténních cívek, tak i v nesymetrii magnetizačního pole vzhledem k cívkám snímajícím pole a měřený signál je prakticky nezávislý na časové proměnlivosti magnetizačního pole. Vyskytnou-li se během měření neočekávané posuny, nebo není-li kompenzace dostatečně přesná, mohou se tyto chyby odstraňovat např. umístěním měřeného vzorku 12 pod druhou cívku senzorového gradiometru 10. V některých případech může být vhodné nevyvažovat zcela senzorový gradiometr 10, aby se udrželo měřítko pro sílu magnetizace.

Těmito znaky se umožňuje:

1. měřit slabé kmitočtově nezávislé magnetizace vzorku za přítomnosti silného střídavého pole a

2. měřit relaxaci vzorku přímo po odepnutí magnetizačního pole, protože samotné odepnutí pole již nepřispívá k měřenému signálu.

Je třeba vzít v úvahu, že SQUID senzory 71 (resp. kontakty Josephson) jsou samy závislé na magnetickém poli a mohou kvůli příliš vysokým magnetizačním polím nekontrolovatelně posunout svůj pracovní bod. Aby se však přesto zajistilo rychlé sledování FLL elektroniky 1, resp. nepřetržitý měřicí provoz, může být SQUID uspořádán prostorově odděleně od cívky snímající pole, jak naznačeno na obr. 1. K tomu může být umístěn SQUID v kontejneru 7 v jisté vzdálenosti uvnitř supravodivé clony ortogonálně ke směru magnetizace. Vazba mezi cívkou snímající pole a SQUIDem může být provedena např. pomocí kroucených supravodivých přívodů, které také mohou být magneticky stíněné (olověné kapiláry). Navíc lze namontovat „demagnetizační cívku“, která je umístěna kolem supravodivého stínění (SQUID-kontejner 7) SQUIDu, kterým protéká část budicího proudu pole. Její úloha spočívá ve snížení intenzity pole v okolí stínění a ve snížení rozptylového pole vytvořeného magnetizací. Supravodivé stínění a demagnetizační cívka by měla být uspořádána tak, aby informace pole v místě cívky snímající pole a měřeného vzorku byla minimální.

Aby bylo dosaženo co nejvyšší rozlišení pole měřicího systému a lineárního vztahu mezi výstupním množstvím a naměřeným magnetickým polem, měl by SQUID pracovat, jak bylo uvedeno výše, v uzavřené řídicí smyčce (FLL-elektronika 1). K tomu je použit SQUID jako detektor nulového pole. Každá odchylka od nulového pole, kterou SQUID detekuje, je kompenzována odpovídající FLL elektronikou 1 vytvořením kompenzačního pole v cívce snímající pole. Tento signál je přednostně přiváděn do stínění odpovídající vazební cívkou, která je v sérii s cívkou snímající pole. Tento způsob minimalizuje v regulačním rozsahu deformace magnetického pole.

Zavedením magneticky rozpojených komor do stínění lze zamezit přeslechu protějších vazebních signálů na SQUID. Aby bylo dosaženo vysokého rozsahu regulace cívky senzorového gradiometru 10 detekující pole v režimu FLL, může být účelné regulovat pouze až do jednoho nebo více kapalných kvant ve SQUID a pak indukovat nahromadění množství kapaliny ve SQUIDu nastavením integrátoru do původního stavu. Vyskytující se skoky množství kapaliny musí být započteny do vyhodnocení měření, velikost výstupu z regulátoru pak udává poměrnou část množství kapaliny ve SQUIDu. Pomocí tohoto způsobu lze značně zvýšit dynamický rozsah

-7CZ 293853 B6 regulační SQUID elektroniky. Kromě toho lze dynamický rozsah eventuálně potřebného A/D převodníku udržovat relativně malý, protože signály vyšších řádů se zaznamenávají čítačem.

Pro zařízení bez nákladných magnetických stínění musí být kompenzována rušivá pole z okolí (např. zrušení sítě a magnetické pole země) v místě cívky senzorového gradiometru 10 snímající magnetické pole. K tomu se může použít dodatečný referenční gradiometr 8 odsazený od uvedené cívky a symetrický k budicímu poli. Odčítáním výstupních napětí referenčního gradiometru 8 a senzorového gradiometru 10 je pak FLL elektronikou £ realizován gradiometr vyššího řádu. Tento předpřipravený signál může být pak po odpovídající kompenzaci offsetu řízené počítačem zaveden do A/D převodníku. Tím lze snížit potřebný dynamický rozsah A/D převodníku. Výstupní signál referenčního gradiometru 8 může být digitalizován druhým ekvivalentním kanálem zaznamenávajícím data, aby bylo použitím speciálního filtrovacího algoritmu dosaženo dalšího potlačení rušivých signálů (kompenzace rozdílů v časových prodlevách, optimalizační filtr, kmitočtové korekce pásmovou propustí, atd.).

Elektrické stínění SQUIDu a přívodů je výhodné (HF stínění). Ve většině případů vykazuje superizolace kryostatu dostatečné stínící účinky. S pomocí vektorového magnetometru 9 může být navíc měřen směr magnetického rušivého pole a může být dosaženo účinného potlačení rušivého pole. Dále je veškerému rušení, které je vyvoláváno magnetizací magnetických těles nacházejících se v okolí, zamezeno odpovídajícím výběrem materiálu pro konstrukci nebo je zjišťováno odpovídajícími kalibračními měřeními a zohledňováno ve vyhodnocování.

Zejména může být současně zkoumáno také více vzorků, které jsou např. uspořádány ve formě matrice 15 vzorků a jsou prozkoumávány prostřednictvím vícekanálového měřicího systému, jak je zobrazeno na obr. 2. K tomu mohou být senzory uspořádány v jedné rovině, např. ve formě pole nebo řady 16 senzorů tvořící detekční zařízení. Toto uspořádání měření je také vhodné k detekci prostorového rozmístění analytů, což je např. zvláště výhodné u měření in vivo.

K detekci analytů prostřednictvím měření relaxace magnetizace analytů musí být zajištěna rychlá změna magnetického pole v objemu vzorků. Čím rychlejší jsou změny pole, tím nižší dobu relaxace lze zjistit.

Měřicí cyklus může probíhat následovně:

1) Vytvoření magnetizačního pole budicí cívkou 11. Měřený vzorek 12 by se měl nacházet v magnetickém poli pod jednou z cívek senzorového gradiometru 10.

2) Odpojení magnetického pole a měření vznikajících signálů na výstupu řídicí FLL elektroniky 1- Je výhodné, pokud může být SQUID provozován během celého provozu v FLL režimu. Pokud je rychlost změny gradientu magnetického pole na senzorovém gradiometru 10 vyšší než je rychlost změny výstupního signálu FLL elektroniky, měla by být regulační smyčka odpojena až krátkou dobu po odpojení magnetizačního pole. To se může stát také automaticky dosažením regulačního rozsahu.

3) Časová závislost výstupního signálu SQUID může být nyní analyzována např. počítačem.

4) Po odeznění přechodného děje se mohou opakovat postupy 1) a 2), aby mohlo být provedeno stanovení střední hodnoty. To lze provést opakovaně pomocí magnetizačních polí opačné polarity.

5) V případě potřeby lze opakovat další měřicí cyklus pod ostatními cívkami senzorového gradiometru 10.

6) Další vzorek může být pak eventuálně automaticky umístěn a změřen pod cívkami senzorového gradiometru snímajícími pole.

-8CZ 293853 B6

7) Lze také provádět současná srovnávací měření mezi dvěma vzorky, umístěním každého ze vzorků pod cívku rovinného gradiometru.

Před každým měřením může být výhodné provést kalibrační cyklus. V něm se provádí měřicí cyklus bez měřeného vzorku nebo s odpovídajícím cejchovacím vzorkem. Takto získané hodnoty referenčního měření lze použít ke korekci měření vzorků.

Zjišťování vazební remanence lze provádět rovněž pomocí výše popsaného zařízení k detekci analytů měřením zbytkové magnetizace. Možný postup měření je popsán v následujícím:

a) Měřené vzorky umístěné v cívkách nebo pod cívkami senzorového gradiometru snímajícími pole jsou periodicky magnetizovány magnetickým polem v opačném směru (s nízkým kmitočtem) a se střídající se amplitudou. Výhodné je použití časového průběhu magnetizace ve tvaru náběhu (výhody: není překročena maximální rychlost změny signálu FLL elektroniky, senzorový gradiometr může být během celého měřicího cyklu provozován v FLL režimu). Mezi fázemi magnetizace zůstávají pauzy, ve kterých není měřený vzorek vystavován žádnému budicímu poli.

b) FLL elektronika zůstává během celého měřicího cyklu v režimu regulace. Rušivé přechody jsou eventuálně detekovány značně rychlejším referenčním gradiometrem a jsou přímo přiváděny zpět do senzorového gradiometru.

c) Pomocí nepatrného rozladění senzorového gradiometru lze zároveň dostat měřítko pro amplitudu pole.

d) V pauzách mezi magnetizacemi je měřeno zbytkové remanentní pole vytvořené vzorkem.

Pomocí popsaného obrácení budicího pole lze kompenzovat driftové jevy rušivého pole. Kvůli vylepšení odstupu signálu od šumu se může vzorek během měření pohybovat (vibrace, rotace, ultrazvuk, hydraulika, sklápěcí dveře, atd.). Toho lze dosáhnout pomocí nemagnetických rozšíření zdvihacích plošin, lineárních motorů, atd. Při konstrukci zařízení by mělo být zamezeno použití veškerých feromagnetických nečistot, které mohou zkreslit výsledky měření.

Eventuálně místo magnetizace vzorku v měřeném objemu může magnetizace vzorku nastávat prostorově odděleně od detekčního zařízení, jako je zobrazeno na obr. 3:

V tomto případě se měřený vzorek 12 dopravuje z místa magnetizačního zařízení, kde je v budicí cívce 11 zmagnetizován, pomocí mechanismu na místo měření, např. pomocí dopravního pásu 17 tvořícího zařízení pro uvedení vzorku do pohybu. Tento mechanismus lze současně použít také k výměně vzorku 12. Kromě toho je výše uvedeným mechanismem v místě cívky snímající pole provedena modulace magnetického pole generovaného vzorkem.

Dále mohou být provedena následující dodatečná opatření k potlačení rušivého pole:

K vytváření referenčních signálů lze použít tříosý vektorový magnetometr 9, popř. vektorový gradiometr tvořený třemi SQUID-magnetometry, které jsou vůči sobě uspořádány ortogonálně na stranách krychle a každý je provozován v režimu FLL. Odpovídajícím váženým odečítáním referenčního signálu od výstupního signálu gradiometru je dosaženo potlačování rušení. To může nastávat s výhodou ve dvou krocích. Pomocí manuálního vyvážení vážených výstupních signálů vektorového magnetometru 9 a senzorového gradiometru 10 se sníží dynamický rozsah měřeného signálu pro následující A/D převod a další zpracování počítačem. Ve druhém kroku jsou pomocí odpovídajícího algoritmu jednotlivé signály vektorového magnetometru 9 tak zkombinovány, aby bylo dosaženo maximálního potlačení rušení měřeného signálu. Toho lze dosáhnout uzpůsobenými optimalizačními filtry. Vektorový magnetometr 9 v tomto případě tvoří zařízení pro vektorové měření rušivého pole, které zohledňuje již existující korelaci mezi signály.

-9CZ 293853 B6

Před A/D převodem je pro každý signál přizpůsobovací kompenzace offsetu kvůli optimalizaci dynamického rozsahu převodníku. Pokud je vektorový magnetometr dimenzován s malou induktancí SQUID, mohou šířky měřeného pásma v režimu FLL dosahovat několika MHz a také vyregulovat a kompenzovat přechodná rušení.

Jako alternativa k výše popsanému zařízení mohou být vázané remanentní částice také měřeny na vhodně připraveném dopravním pásu 17’, tvořícím zařízení pro uvedení vzorku do pohybu pomocí průchodu pásu kolem senzoru 20 magnetického pole tvořícího detekční zařízení (analo10 gicky s technologií magnetické pásky), jak je zobrazeno na obr. 4. Pás 17’ upravený např.

s antigeny 18 se pohybuje koupelí 19, která obsahuje protilátky označené remanentními částicemi, následně zmagnetizovaný vhodnou budicí cívkou 11’ tvořící magnetizační zařízení pak prochází kolem senzoru 20 magnetického pole. Je zvláště výhodné vytvářet strukturu pomocí vhodného periodicky uspořádaného povlaku pásu 17*, např. s antigeny 18, což vede ke střídání 15 oblastí vázaných remanentních částic s prázdnými oblastmi, což vytváří definovanou periodicitu.

Spojitým navrstvením pásu 17’ lze dosáhnout výše uvedeného účinku také tím, že se bude pás upravený s vázanými remanentními částicemi pohybovat střídavým magnetickým polem (opět analogicky s technologií magnetického pásku). Oba výše popsané postupy vedou na senzoru 20 20 magnetického pole k signálu o známém kmitočtu a amplitudě nezávislé na vazbě a může být s výhodou měřen např. pomocí technologie měření lock-in. Použitá technologie je podobná technologii magnetofonu.

K měření komplexních kmitočtově závislých magnetických vlastností materiálu lze použít zaříze25 ní, které se nepatrně liší od zařízení popsaného na obr. 1.

Výhodné je magnetizační zařízení, které tvoří homogenní magnetické pole v místě cívky senzorového gradiometru snímající magnetické pole. Homogenní magnetické poleje s výhodou nasměrováno podél směru nej nižší citlivosti cívky snímající pole, což může být provedeno např. 30 Helmholtzovou cívkou 21, tvořící magnetizační zařízení. Analogicky s výše popsanými způsoby kompenzace může být senzorový gradiometr upraven na nejnižší citlivost na budicí pole.

Magnetizační zařízení se napájí střídavým proudem s proměnným kmitočtem (s ohledem na skin efekt a kmitočtově závislý rozptyl budicí cívky). Časově závislá magnetizace naměřená senzory 35 magnetického pole je s výhodou vyhodnocována pomocí technologie lock-in v pevné fázi k podobně změřené intenzitě H budicího pole. Tímto způsobem lze zjišťovat velikost a fázi magnetizace M měřeného vzorku pro příslušný kmitočet buzení. Srovnáním s referenčním měřením nevázaných analytů lze tak s vysokou přesností měřit vazbu analytů.

S kombinačním zařízením zobrazeným na obr. 5 lze konečně měřit vazbu analytů pomocí každé z metod I, II a III. Přitom je navíc opatřeno Helmholtzovou cívkou 21 pro měření citlivosti. Zařízení tohoto typu slouží ke kvantitativní detekci analytů v kapalných a pevných fázích pomocí měření relaxace, měření vazební remanence a také pomocí kmitočtově závislých komplexních magnetických vlastností materiálů.

Výše popsaná provedení zařízení podle vynálezu, zejména ta, u kterých detekční zařízení obsahuje zařízení k měření vazební remanence nebo k měření magnetorelaxometrické detekce, mohou být vybavena také speciálně k měřením in vivo na lidech nebo na zvířatech.

Claims (18)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro kvalitativní a/nebo kvantitativní detekci analytu, zejména v biologických vzorcích, vazbou receptor-ligand, přičemž toto zařízení zahrnuje magnetizační zařízení pro generování magnetického pole v místě vzorku a detekční zařízení pro měření magnetických vlastností vzorku, vyznačené tím, že magnetizační zařízení je uspořádáno prostorově k detekčnímu zařízení tak, že magnetické pole generované magnetizačním zařízením v místě magnetizace vzorkuje v místě, které zaujímá vzorek v průběhu měření, zeslabeno alespoň faktorem 10.
2. 2. Zařízení podle nároku 1,vyznačené tím, že magnetické pole je zeslabeno faktorem 1000 nebo více.
3. 3. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že zahrnuje zařízení pro uvedení vzorku (12) do pohybu v průběhu měřicí fáze detekčního zařízení.
4. 4. Zařízení pro kvalitativní a/nebo kvantitativní detekci analytů, zejména v biologických vzorcích, vazbou receptor-ligand, přičemž toto zařízení zahrnuje magnetizační zařízení pro generování magnetického pole v místě vzorku a detekční zařízení pro měření magnetických vlastností vzorku, vyznačené tím, že dále zahrnuje přepínací zařízení pro zrušení magnetického pole magnetizačního zařízení v místě vzorku (12) po předem stanovenou dobu, zejména v průběhu měřicí fáze detekčního zařízení, a zařízení pro uvedení vzorku (12) do pohybu v průběhu měřicí fáze detekčního zařízení.
5. 5. Zařízení pro kvalitativní a/nebo kvantitativní detekci analytů, zejména v biologických vzorcích, vazbou receptor-ligand, přičemž toto zařízení zahrnuje magnetizační zařízení pro generování magnetického pole v místě vzorku a detekční zařízení pro měření magnetických vlastností vzorku, vyznačené tím, že dále zahrnuje přepínací zařízení pro zrušení magnetického pole magnetizačního zařízení v místě vzorku (12) po předem stanovenou dobu, zejména v průběhu měřicí fáze detekčního zařízení, přičemž toto přepínací zařízení zahrnuje první zařízení pro vytvoření nebo zrušení magnetického pole generovaného magnetizačním zařízením a druhé zařízení pro zapínání a vypínání detekčního zařízení.
6. 6. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že detekční zařízení zahrnuje zařízení pro měření magnetizace vzorku.
7. 7. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že detekční zařízení zahrnuje zařízení pro měření vazební remanence analytů ve vzorku.
8. 8. Zařízení podle některého z nároků 4 až 6, vyznačené tím, že detekční zařízení zahrnuje zařízení pro magnetorelaxometrickou detekci.
9. 9. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že detekční zařízení zahrnuje jako součást senzoru magnetického pole alespoň jeden SQUID (71).
10. 10. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že detekční zařízení zahrnuje jako součást senzoru (20) magnetického pole alespoň jednu indukční cívku.
11. 11. Zařízení podle některého z nároků 5 až 10, vyznačené tím, že první a druhé zařízení jsou spínatelné nezávisle jedno na druhém.
12. 12. Zařízení podle některého z nároků 5 až 10, vyznačené tím, že první zařízení je spínatelné s předem stanovenou korelací s pevným časem vůči druhému zařízení.

    -11 CZ 293853 B6
13. 13. Zařízení podle některého z nároků 5 až 10, vyznačené tím, že první zařízení může vytvářet předem stanovené amplitudy a polarity magnetického pole generovaného magnetizačním zařízením.
14. 14. Zařízení podle nároku 13, vyznačené tím, že první zařízení může vytvářet předem stanovené časové průběhy amplitudy a předem stanovené časové průběhy polarity magnetického pole generovaného magnetizačním zařízením.
15. 15. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že zahrnuje zařízení pro elektronické potlačování rušivých signálů.
16. 16. Zařízení podle nároku 15, vyznačené tím, že zařízení k potlačování rušivých signálů zahrnuje jednotku pro adaptivní filtrování.
17. 17. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že zahrnuje zařízení pro vektorové měření rušivého pole a zařízení pro žádoucí kompenzaci signálu měřeného detekčním zařízením a magnetického pole generovaného magnetizačním zařízením, přičemž toto zařízení je spojeno s uvedeným zařízením pro vektorové měření rušivého pole.
18. 18. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, zejména podle nároku 7 nebo 8, vyznačené tím, že zařízení je uzpůsobeno pro měření in vivo.