DE112011102234T5

DE112011102234T5 - Erkennung magnetischer Nanopartikel durch eine Membran hindurch

Info

Publication number: DE112011102234T5
Application number: DE112011102234T
Authority: DE
Inventors: Wayne Isami Imaino; William Marvin Dyer; David Berman; Qui Dai; Alshakim Nelson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: JP2013539862A; GB2497697A; GB2497697B; JP5871245B2; US20120094852A1; CN103168239A; US8815610B2; DE112011102234T8; GB201305451D0; CN103168239B; DE112011102234B4; WO2012049075A1

Abstract

Magnetische Nanopartikel werden durch eine dünne Membran hindurch erkannt, die die Nanopartikel von einem Magnetsensor trennt. Die Technik kann in einem medizinischen Kontext verwendet werden, in dem ein Analyt von Interesse (vorhanden in einem Prüffluid, wie beispielsweise Blut) an die Membran angelagert ist. Andere Verbindungen sind wiederum an den Analyten gebunden, wobei eine dieser Verbindungen ein magnetisches Nanopartikel enthält, das dann von dem Sensor erkannt wird. Auf diese Weise wird der Analyt durch Erkennung des magnetischen Nanopartikels erkannt. Durch Zählen der Anzahl von magnetischen Nanopartikeln kann die Konzentration des Analyten in dem Prüffluid ermittelt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Erkennen von magnetischen Partikeln und insbesondere das Erkennen von magnetischen Nanopartikeln für medizinische und biologische Sensoranwendungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es besteht ein laufender Bedarf, biologische Analyten genau, schnell und kostengünstig zu analysieren. Tatsächlich ist das Ausmaß, bis zu dem dies umgesetzt werden kann, eine Maßgabe für die Fähigkeit eines Gesundheitssystems, eine zufriedenstellende medizinische Versorgung bereitzustellen. Eine Verbesserung der Fähigkeit, Biomarker zu erkennen, würde sich bei einer Vielfalt von medizinischen Aufgaben, wie der Erkennung von Krebs oder anderen Krankheiten, als nützlich erweisen.
Derzeit wird eine Vielfalt von Techniken zum Erkennen von Analyten verwendet, wobei Verfahren der analytischen Chemie eingesetzt werden, um für einen Arzt für Allgemeinmedizin spezifische Verbindungen von Interesse zu identifizieren. Ein Immunassay ist ein biochemischer Test, der zum Erkennen oder Messen der Konzentration einer chemischen Verbindung in einer Lösung verwendet wird; er beruht auf der Fähigkeit von Antigenen und Antikörpern, sich mit einem hohen Spezifitätsgrad aneinander zu binden. Immunassays können eingesetzt werden, um entweder das Antigen oder seinen entsprechenden Antikörper zu erkennen. Eine Art von Immunassay ist der magnetische Immunassay, bei dem Antigene und Antikörper aneinander gebunden sind und dann magnetische Partikel an die Antigene (oder Antikörper) der Antigen/Antikörper-Paare angelagert werden. Die magnetischen Partikel werden dann mit einer Magneterkennungsvorrichtung erkannt, wodurch eine Angabe der Konzentration des Analyten von Interesse (d. h. des Antigens oder des Antikörpers) bereitgestellt wird. Durch Markieren von Analyten mit magnetischen Nanopartikeln wird das Problem von biologischer Erkennung in Wirklichkeit auf eines von Magnetfeldmessung reduziert.
Ein magnetisches Immunassayverfahren umfasst ein Abtasten durch einen Riesenmagnetowiderstands-(GMR)Sensor in einer relativ großen Entfernung von einigen Mikrometern über einer biologischen Untersuchungsprobe. (Siehe zum Beispiel J. Nordling et al., „Giant Magnetoresistance Sensors. 1. Internally Calibrated Readout of Scanned Magnetic Arrays", Anal. Chem., 80 (21), S. 7930–7939, 2008; und R. L. Millen et al., „Giant Magnetoresistive Sensors. 2. Detection of Biorecognition Events at Self-Referencing and Magnetically Tagged Arrays", Anal. Chem., 80 (21), S. 7940–7946, 2008.) Bei diesem Verfahren ist eine relativ große Entfernung zwischen dem Sensor und der Untersuchungsprobe erforderlich, weil die Probe typischerweise fragil ist und durch den Sensor leicht beschädigt werden könnte. Demzufolge müssen die magnetischen Partikel entsprechend groß sein, um ein ausreichend starkes Magnetfeld bei dieser Entfernung zu erzeugen. Dementsprechend ist die räumliche Auflösung, die erreicht werden kann, relativ schlecht. Auch verhält es sich so, dass große magnetische Partikel eventuell eine größere Anzahl von Analyten erfordern, um sie an eine funktionalisierte Probenoberfläche anzufügen, wodurch die Erkennungsempfindlichkeit gemindert wird.
In einem anderen Magnet-Immunassayverfahren befinden sich die Analyten und magnetischen Partikel direkt auf der Oberfläche des GMR-Sensors. (Siehe zum Beispiel G. Li et al., „Detection of single micron-sized magnetic bead and magnetic nanoparticles using sein valve sensors for biological applications", Journal of Applied Physics, Bd. 93 (10), 2003; und US-Patentschrift 7.682.838 an Wang et al. mit dem Titel „Magnetic Nanoparticles, Magnetic Detector Arrays, and Methods for their Use in Detecting Biological Molecules”.) Mit einem fest zugeordneten Sensor, der für jede Prüfstelle verwendet wird, und den magnetischen Partikeln, die sich auf der Sensoroberfläche befinden, ist die Feldempfindlichkeit recht hoch. Andererseits bedeutet dies, dass zum Verarbeiten einer großen Anzahl von verschiedenen Analyten ein sehr komplizierter Test-Chip notwendig ist, der eine entsprechend große Anzahl von GMR-Sensoren enthält, die den jeweiligen Prüfstellen und Analyten fest zugeordnet sind.
KURZDARSTELLUNG
Hierin werden Verfahren offenbart, bei denen ein Prüffluid für einen Analyten (oder mehrere Analyten) von Interesse untersucht wird. Eine dünne, aber robuste Membran dient als eine schützende Schicht für den Analyten, wobei sie auch die Beabstandung zwischen magnetischen Partikeln (die selektiv an den Analyten angelagert sind) und einem Magnetsensor definiert. Der Magnetsensor und der Analyt befinden sich auf entgegengesetzten Seiten dieser Membran.
In einer beispielhaften Ausführung werden Antikörper, die mit einem Antigen von Interesse übereinstimmen (d. h. sich speziell an dieses binden) funktionalisiert und an eine dünne Membran angelagert. Ein Prüffluid, wie beispielsweise Blut von einem Patienten, in dem sich das Antigen von Interesse befindet, wird dann über die Membran gegeben, an die die Antikörper angelagert worden sind. Das Ergebnis ist, dass das Antigen von Interesse in dem Prüffluid sich speziell an die Antikörper bindet (wogegen andere Arten von Antigenen in dem Prüffluid nicht an diese Antikörper gebunden werden). An diesem Punkt kann die Membran abgespült werden (z. B. kann hochreines Wasser verwendet werden), wobei die funktionalisierten Antikörper und gebundenen Antigene zurückbleiben. Antikörper (derselben Art wie diejenigen, die an die Membran angelagert wurden), an die vorher magnetische Nanopartikel angelagert wurden, werden nun über die Membran gegeben, sodass sich die gebundenen Antigene speziell an diese Strukturen von Antikörpern/magnetischen Nanopartikeln anlagern, worauf ein weiterer Abspülvorgang folgt (z. B. unter Verwendung von hochreinem Wasser). Das Ergebnis ist jetzt eine Sammlung von Schichtstrukturen, von denen jede aus einem an die Membran funktionalisierten Antikörper, einem an diesen Antikörper angelagerten Antigen und einem weiteren Antikörper derselben Art besteht, der an das Antigen an einem Ende und an ein magnetisches Nanopartikel am anderen Ende angelagert ist. Magnetische Nanopartikel können nur eingefangen werden, wenn das Antigen von Interesse in dem Prüffluid vorhanden ist, und die Anzahl der eingefangenen magnetischen Nanopartikel ist indikativ für die Konzentration des Antigens von Interesse in dem Prüffluid. Die magnetischen Nanopartikel werden mit einer Magneterkennungsvorrichtung erfasst, die über die Seite der Membran geführt wird, die der Seite entgegengesetzt ist, an der die magnetischen Nanopartikel an die Membran angefügt sind.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung mit magnetischen Partikeln (oder auch nur einem magnetischen Partikel), die an einer ersten Seite einer Membran angefügt werden, wobei jedes der magnetischen Partikel an einen Analyten von Interesse gebunden ist. Das Verfahren enthält das Erkennen der magnetischen Partikel unter Verwendung eines Magnetsensors, der sich auf einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist) befindet, wobei sich der Magnetsensor relativ zu der Membran bewegt. Das Verfahren enthält vorzugsweise ein Zählen der Anzahl der magnetischen Partikel. Der Sensor kann entlang der zweiten Seite der Membran abtasten, wodurch die Positionen der magnetischen Partikel bestimmt werden. Die Membran hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 100 Nanometer und bevorzugter von weniger als 50 Nanometer, wobei die magnetischen Partikel vorzugsweise eine charakteristische Abmessung von weniger als 100 nm haben. Die magnetischen Partikel sind vorteilhafterweise ferromagnetisch und können in einem Array angeordnet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung mit einer Membran mit einer Anordnung von Bereichen auf einer ersten Seite der Membran, wobei jeder der Bereiche eine Vielzahl von Reaktionsstellen hat. Das Verfahren enthält ein Funktionalisieren der Reaktionsstellen, sodass Reaktionsstellen in verschiedenen Bereichen verschiedene Einfang-Antikörper haben. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Aufbringen eines Prüffluids auf die erste Seite der Membran, wobei das Prüffluid unterschiedliche Antigene enthält, sodass Antigene sich speziell an bestimmte der Einfang-Antikörper binden. Das Verfahren enthält auch das Anwenden einer Lösung mit magnetischen Partikeln, die mit Antikörpern funktionalisiert sind, die den gebundenen Antigenen entsprechen, auf die gebundenen Antigene, sodass mindestens einige der gebundenen Antigene an die jeweiligen magnetischen Partikeln angefügt werden, die mit Antikörpern funktionalisiert sind, was dazu führt, dass magnetische Partikel an den jeweiligen Reaktionsstellen angefügt werden. Mindestens ein Sensor tastet entlang einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist) ab, um die Anzahl von magnetischen Partikeln, die an Reaktionsstellen angefügt worden sind, in jedem Bereich zu ermitteln. Wenn dies bekannt ist, können die Konzentrationen der Antigene in dem Prüffluid ermittelt werden. Außerdem kann ein Versiegelungsmittel über der ersten Seite der Membran aufgebracht werden, sodass die magnetischen Partikel geschützt sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung mit einer Membran, die Reaktionsstellen auf einer ersten Seite der Membran hat. Das Verfahren enthält ein Funktionalisieren der Reaktionsstellen, sodass die Reaktionsstellen eine Affinität für einen Analyten von Interesse haben. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Aufbringen eines Prüffluids auf die erste Seite der Membran, wobei das Prüffluid den Analyten von Interesse enthält, wobei sich der Analyt an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran bindet. Das Verfahren enthält auch ein Aufbringen einer Lösung mit magnetischen Partikeln, die mit einer Verbindung funktionalisiert sind, die eine Affinität für den Analyten hat, auf die erste Seite der Membran mit dem gebundenen Analyten, sodass magnetische Partikel an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran angefügt werden. Mindestens ein Sensor tastet dann entlang einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist) ab, um die Anzahl von magnetischen Partikeln zu ermitteln, die an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran angefügt worden sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 und 2 veranschaulichen eine Einheit, die zum Aufnehmen von Prüffluid (das einen Analyten von Interesse enthält, der erfasst werden soll) verwendet wird.
3, die 3A, 3B und 3C enthält, veranschaulicht eine Reihe von Schritten, in denen der Analyt an die darunterliegende Membran der Einheit gebunden wird, und molekulare Arten (von denen eine ein magnetisches Nanopartikel enthält) werden wiederum an den gebundenen Analyten angelagert.
4 zeigt magnetische Nanopartikel, die als Folge dieser Schritte an die Einheit angefügt sind, sowie eine Magnetsensoreinheit zum Erkennen der magnetischen Nanopartikel.
5 zeigt ein Magnetsensorelement der Magnetsensoreinheit.
6 zeigt die magnetischen Nanopartikel, die von der Magnetsensoreinheit erkannt werden.
7 zeigt eine Anordnung der in 1 veranschaulichten Einheiten.
8 zeigt die Ergebnisse eines Abtastvorgangs unterhalb einer Membran, auf der magnetische Nanopartikel positioniert worden sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevorzugte Verfahren werden nun unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren erörtert. 1 zeigt einen „Chip” 110, an dem eine dünne Membran 120 angebracht ist. Der Chip kann zum Beispiel aus Si gefertigt sein. Die Membran 120 kann andererseits zum Beispiel aus Karbon, einem Polyvinylharz (z. B. einem Polyvinylalkohol), SiN, Si oder SiO₂ gefertigt sein. Die Membran ist relativ dünn, sie kann z. B. 5 nm dick oder bis zu 15 nm dick sein, ist aber vorzugsweise nicht dicker als 100–200 nm. Der Chip 110 hat eine darin mittig gelegene Aussparung 130, durch die ein Abschnitt der Membran 120 gesehen werden kann. Die Struktur aus Chip 110/Membran 120 kann ausgebildet werden, indem mit einem Si-Block begonnen wird und darüber eine SiN-Dünnschicht abgelegt wird. Die Aussparung 130 kann durch Ätzen durch den Chip 100, bis die Membran 120 erreicht wird, ausgebildet werden. Die Aussparung 130 kann Flächenabmessungen von 100 Mikrometer × 100 Mikrometer oder sogar von 1 mm × 1 mm haben. 2 ist eine Querschnittsansicht von der in 1 gezeigten Struktur. Die in den 1 und 2 gezeigte Einheit ist im Handel erhältlich (z. B. von SiMPore, Inc. oder Ted Pella, Inc.), da sie in der Branche für hochauflösende Mikroskopie als Substrat verwendet werden kann, auf dem eine Substanz platziert werden kann.
3 ist eine schematische Darstellung dessen, wie magnetisierte Schichtstrukturen auf der Membran 120 aufgebaut werden können, wobei jede dieser Strukturen ein Antigen von Interesse und ein magnetisiertes Nanopartikel enthält, das von einem Magnetsensor erfasst werden kann. Das Antigen von Interesse kann irgendeiner von einer Reihe von Analyten sein, wie beispielsweise ein Biomarker (z. B. ein Protein, das auf das Vorhandensein von Krebs hinweist). Antikörper werden zuerst unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren an die Membran 120 gebunden (siehe zum Beispiel Osterfeld et al., „Multiplex Protein assays based an real-time magnetic nanotag sensing", Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 105, S. 20637–20640, 2008). Insbesondere wird eine Lösung vorbereitet, die Antikörper enthält, die sich speziell an das Antigen von Interesse binden. Diese Lösung wird mit der Membran 120 in Kontakt gebracht, was dazu führt, dass sich die Antikörper 140 selbst an die Membran anlagern, wie in 3A gezeigt. In 3A sind aus Gründen der Deutlichkeit nur sechs solcher Antikörper 140 gezeigt, obwohl in der Praxis unter Umständen Millionen oder mehr solcher Antikörper an die Membran 120 angelagert wären.
Nachdem ein optionaler Abspülvorgang über der Membran angewendet wurde, wird Prüffluid (wie beispielsweise Blut von einem Patienten) in Kontakt mit den Antikörpern 140 gebracht. Zum Zweck dieser Erörterung wird angenommen, dass das Fluid das Antigen von Interesse enthält (denn wenn dies nicht so ist, wird keine der magnetisierten Schichtstrukturen, auf die oben Bezug genommen wurde, ausgebildet). Wenn ein Antigen von Interesse in Kontakt mit einem der Antikörper 140 kommt, die an die Membran 120 gebunden sind, bindet es sich an diesen Antikörper, da das Antigen und der Antikörper eine spezifische Affinität zueinander haben. 3B zeigt ein sich daraus ergebendes Antigen/Antikörper-Paar, in dem ein Antigen 150 von Interesse an einen der Antikörper 140 gebunden ist. In dieser Figur ist aus Gründen der Deutlichkeit nur ein Antigen/Antikörper-Paar gezeigt, obwohl in der Praxis viele solcher Paare ausgebildet werden können. Tatsächlich sind idealerweise mehr Antikörper 140 (die an die Membran 120 angelagert sind) als Antigene 150 im Prüffluid vorhanden, sodass alle Antigene von Interesse in dem Fluid eingefangen werden können. (Es ist nicht zu erwarten, dass andere Antigene in dem Prüffluid durch die Antikörper 140 eingefangen werden, weil sie nicht die erforderliche Affinität zueinander hätten.) An diesem Punkt kann ein weiterer optionaler Abspülvorgang auf die Membran angewendet werden.
Wenn das Antigen von Interesse eingefangen worden ist, stellt sich das Problem, wie diese eingefangenen Antigene „gekennzeichnet” werden sollen, sodass sie später identifiziert werden können. Zu diesem Zweck wird eine weitere Lösung eingesetzt, die Antikörper (desselben Typs wie diejenigen, die in den 3A und 3B gezeigt sind) enthalten, die an entsprechende magnetische Nanopartikel gebunden worden sind, wodurch Antikörper/Nanopartikel-Paare ausgebildet wurden. Die magnetischen Nanopartikel können unter Verwendung von Verfahren funktionalisiert werden, die dem Fachmann bekannt sind (siehe zum Beispiel Srinivasan et al., „A Detection System Based an Giant Magnetoresistive Sensors and High-Moment Magnetic Nanoparticles Demonstrates Zeptomole Sensitivity Potential for Personalized Medicine", Angew. Chem. Int. Ed., Bd. 48, S. 2764–2767, 2009). Die magnetischen Partikel haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser, der kleiner als 100 nm ist, z. B. 10–30 nm. Die Lösung mit diesen Antikörper/Nanopartikel-Paaren wird mit den in 3B gezeigten Strukturen in Kontakt gebracht, sodass der Antikörperabschnitt des Paars sich mit dem Antigen 150 „paart”, um eine Schichtstruktur auszubilden, die ein magnetisches Nanopartikel 160 (siehe 3C) enthält. Ein Magnetfeld (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um diesen Prozess zu erleichtern, indem die magnetischen Nanopartikel 160 in Richtung der Antigene 150 beschleunigt werden, und um das magnetische Moment (nicht gezeigt) der Nanopartikel 160 entlang einer bevorzugten Achse (z. B. senkrecht zu der Membran 120) auszurichten. Ein weiterer Abspülvorgang kann jetzt auf die Membran angewendet werden. Außerdem kann es von Vorteil sein, die in 3C gezeigten Strukturen durch Einführen von Epoxid in die Leerräume in der Aussparung 130 an Ort und Stelle zu „fixieren” (z. B. kann „5 Minute^® Epoxy” verwendet werden). Dadurch wird eine Auflage für die Membran 120 während des Abtastens bereitgestellt, und die magnetisierten Nanopartikel werden in einer fixierten Position festgehalten. Außerdem kann das Versiegelungsmittel vorteilhafterweise mit einem Druck aufgebracht werden, der ausreichend ist, irgendwelche Wellenformen in der Membran zu glätten. Obwohl 3 unter Bezugnahme auf das Ausbilden einer Schichtanordnung beschrieben worden ist, die eine Antikörper/Antigen/Antikörper/Nanopartikel-Struktur enthält, können analoge Verfahren angewendet werden, um Antigen/Antikörper/Antigen/Nanopartikel-Strukturen auszubilden.
Das Ergebnis des soeben in Verbindung mit 3 beschriebenen Prozesses ist in 4 schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu 1 zeigt 4 eine Anzahl von Reaktionsstellen 210, an denen sich die magnetischen Nanopartikel 160 befinden. Weitere Reaktionsstellen 220 sind ebenfalls gezeigt, die den Antikörpern 140 entsprechen, die sich nicht an ein Antigen 150 gebunden haben. Die Aufgabe ist jetzt, die Anzahl der magnetischen Nanopartikel 160 zu zählen, was sich am einfachsten mithilfe einer Magnetsensoreinheit 230 bewerkstelligen lässt. (Sobald die Anzahl der magnetischen Nanopartikel 160 ermittelt ist, kann die Konzentration des Antigens in dem Prüffluid durch Dividieren dieser Anzahl durch das in die Aussparung 130 eingeführte Volumen des Prüffluids ermittelt werden.) Die Sensoreinheit 230 kann zum Beispiel ein Riesenmagnetowiderstands-(GMR)Sensorelement 240 enthalten, das sich vorteilhafterweise in einem von einer Anzahl von Pads 250 befindet, die in einem Stück aus einem Materialblock ausgebildet sind, z. B. AlTiC. (Andere Magnetowiderstands-Sensorelemente, wie beispielsweise ein Tunnelmagnetowiderstandselement, können verwendet werden.) Die Pads 250 sind vorzugsweise glatt (sie können z. B. sogar von „Luftlager”-Qualität sein), sodass die Sensoreinheit 230 darunter und in Kontakt mit der Membran 120 abtasten kann.
Das Sensorelement 240 kann ein herkömmliches GMR-Element sein, z. B. wie das in der US-Patentschrift 5.159.513 mit dem Titel „Magnetoresistive sensor based an the sein valve effect” beschriebene. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein derartiges Sensorelement 240 und seine angrenzenden Komponenten. Das Sensorelement 240 ist durch Bereiche 255 elektrisch isoliert (die zum Beispiel aus Al₂O₃ gefertigt sind), die wiederum durch Permalloy-Bereiche S1 und S2 eingeklammert werden. An beiden Seiten des Sensorelements 240 sind Bleileitungen 260 angeschlossen. Ein Abstand in der Größenordnung von 30–120 nm kann zum Beispiel S1 und S2 trennen (die Schirm-zu-Schirm-Beabstandung). Das Sensorelement 240 kann Abmessungen von 40–100 nm (die Sensorbreite) mal 5–10 nm (die Sensordicke) haben, sodass ein magnetisches Nanopartikel mit einem Durchmesser von 100 nm leicht aufgelöst werden kann. Die Sensorbreite ist ein maßgeblicher Faktor beim Ermitteln der räumlichen Auflösung in einer Dimension, wogegen die Schirm-zu-Schirm-Beabstandung ein maßgeblicher Faktor beim Ermitteln der räumlichen Auflösung in der senkrechten Dimension ist.
6 veranschaulicht, wie magnetische Nanopartikel 160 mit dem Sensorelement 240 erkannt werden können. Es werden Schichtstrukturen gezeigt, die jeweils Antikörper 140, Antigene 150 und magnetische Partikel enthalten 160. Die Reaktionsstellen 220, die nicht an ein magnetisches Nanopartikel angefügt sind, werden ebenfalls identifiziert. Das Sensorelement 240 wird vorzugsweise in Kontakt mit der Membran 120 gebracht (oder so nahe an die Membran, wie machbar, z. B. kann das Sensorelement 240 eine dünne schützende Schicht haben, die darauf angebracht ist), sodass es die magnetischen Nanopartikel 160 erkennen kann, die sich auf der anderen Seite der Membran befinden. Durch Vorwärts- und Rückwärts-Abtasten entlang der Membran 120 erkennt das Sensorelement 240 jedes der magnetischen Nanopartikel 160 (und erkennt somit jedes der eingefangenen Antigene 150). Je dünner die Membran 120 ist, umso höher ist die Erkennungsempfindlichkeit, weil das Magnetsensorelement 240 näher an den magnetischen Nanopartikeln 160 ist. Aus diesem Grund ist die Dicke der Membran 120 vorzugsweise nicht größer als 5–15 nm.
Die Aussparung 130, die in den 1 und 2 gezeigt ist (siehe auch 3 bis 4 und 6), stellt einen Bereich dar, in dem eine Anzahl von Reaktionsstellen vorhanden ist, wobei einige von diesen mit Antikörpern funktionalisiert sind, die dazu bestimmt sind, ein spezifisches Antigen einzufangen (oder alternativ können Reaktionsstellen mit Antigenen funktionalisiert werden, die dazu bestimmt sind, einen spezifischen Antikörper einzufangen). Wie in 7 gezeigt kann eine Anzahl von derartigen Bereichen (130a, 130b, 130c usw., die zum Beispiel eine rechteckige oder quadratische Form mit einer Fläche von 10⁴ Quadratmikrometer haben können) eine Matrix 310 ausbilden, in der jeder der Bereiche mit einem anderen Antikörper (oder Antigen) präpariert ist. Auf diese Weise kann Prüffluid auf eine Vielfalt von Antigenen (oder Antikörpern) parallel überprüft werden.
Ein Magnetsensor 320 kann zum Vorwärts- und Rückwarts-Abtasten über die verschiedenen Bereiche, die die Matrix 310 bilden, mit der Hilfe einer piezoelektrischen Nanopositionierungsstufe (nicht gezeigt) geführt werden, die an eine Aufhängung 330 angeschlossen ist, an der der Magnetsensor befestigt ist. Die Stufe 330 kann den Magnetsensor 320 von einem Ende der Matrix 310 zu dem entgegengesetzten Ende der Matrix bewegen und dann schrittweise auf eine Seite bewegt werden, bevor die Länge der Matrix erneut abgetastet wird. Alternativ kann eine Vielzahl von Magnetsensoren (nicht gezeigt) verwendet werden, um diese Bereiche abzutasten, z. B. kann ein Magnetsensor jedem Bereich 130a, 130b, 130c fest zugeordnet werden.
Analog dazu, wie die mit der einzelnen Aussparung versehene Einheit von 1 gefertigt wird, kann die Matrix 310 von 7 ausgebildet werden, indem mit einem Si-Block begonnen wird, auf dem eine SiN-Dünnschicht abgelegt worden ist. Der Si-Block kann per Fotolithografie strukturiert und anschließend durchgeätzt werden, wobei an der SiN-Dünnschicht gestoppt wird. Das Ergebnis ist eine Anordnung aus Aussparungen in einem Si-Chip 312, von denen jede an einer Seite durch eine SiN-Membran 314 begrenzt ist. Wie bei der in 1 gezeigten Einheit kann Epoxid verwendet werden, um magnetisierte Nanopartikel zu versiegeln, die in einer Aussparung an einen Analyten angelagert sind, wodurch ermöglicht wird, die Probe eines Patienten zu archivieren und erneut zu testen. Die verschiedenen Bereiche 130a, 130b, 130c können genau wie ihr Gegenstück 130 eine Flächenabmessung von beispielsweise 50–500 Mikrometer × 50–500 Mikrometer haben, die dem Abschnitt der Membran 314 entspricht, der freigelegt ist.
BEISPIEL
Ferrimagnetische CoFe₂O₄-Nanopartikel mit einem Durchmesser von ungefähr 18 nm wurden über einer SiN-Membran mit einer Dicke von 15 nm platziert. Die magnetischen Nanopartikel waren vorher beschichtet worden, um eine Aggregation der Nanopartikel zu verhindern, wie in Q. Dai et al., „Self-Assembled Ferrimagnet-Polymer Composites for Magnetic Recording Media", NanoLetters, Bd. 10, S. 3216, 2010 beschrieben. (Diese Technik ermöglicht es, ferromagnetische und/oder ferromagnetische Nanopartikel zu verwenden, im Gegensatz zu den superparamagnetischen Partikeln des Stands der Technik.) Die magnetischen Nanopartikel wurden anschließend unter Verwendung von Epoxid an Ort und Stelle versiegelt. Ein GMR-Lesesensor wurde auf der entgegengesetzten Seite der SiN-Membran verfahren. 8 zeigt eine Magnetsignalstärke als eine Funktion einer Position, die durch eine derartige Abtastung erhalten wurde, in der die Daten in Graustufen dargestellt werden. Der vergrößerte Abschnitt in 8 zeigt Bereiche mit Gruppen von magnetischen Nanopartikeln sowie einige isolierte einzelne magnetische Nanopartikel, von denen eines in der Einfügung hervorgehoben ist.
Die Anzahl von magnetischen Nanopartikeln in einer Gruppe könnte im Prinzip aus dem 2-D-Bild des Magnetfelds unter Verwendung linearer Systemanalyseverfahren ermittelt werden. Zum Beispiel könnte die magnetische Reaktion auf ein einzelnes magnetisches Nanopartikel in einem Kontrollversuch ermittelt werden, z. B. unter Verwendung von hochauflösender Mikroskopie (wie beispielsweise TEM) zum Identifizieren eines Bereichs, in dem sich ein einzelnes magnetisches Nanopartikel befindet. Diese Informationen könnten dann verwendet werden, um die Anzahl von Partikeln in jeder Gruppe zu bestimmen.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur als beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher durch die Ansprüche im Anhang und nicht durch die vorhergehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und des Entsprechungsbereichs der Ansprüche sind als innerhalb dieses Schutzumfangs liegend zu behandeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7682838 [0005]
US 5159513 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Nordling et al., „Giant Magnetoresistance Sensors. 1. Internally Calibrated Readout of Scanned Magnetic Arrays”, Anal. Chem., 80 (21), S. 7930–7939, 2008 [0004]
R. L. Millen et al., „Giant Magnetoresistive Sensors. 2. Detection of Biorecognition Events at Self-Referencing and Magnetically Tagged Arrays”, Anal. Chem., 80 (21), S. 7940–7946, 2008. [0004]
G. Li et al., „Detection of single micron-sized magnetic bead and magnetic nanoparticles using sein valve sensors for biological applications”, Journal of Applied Physics, Bd. 93 (10), 2003 [0005]
Osterfeld et al., „Multiplex Protein assays based an real-time magnetic nanotag sensing”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 105, S. 20637–20640, 2008 [0019]
Srinivasan et al., „A Detection System Based an Giant Magnetoresistive Sensors and High-Moment Magnetic Nanoparticles Demonstrates Zeptomole Sensitivity Potential for Personalized Medicine”, Angew. Chem. Int. Ed., Bd. 48, S. 2764–2767, 2009 [0021]
Q. Dai et al., „Self-Assembled Ferrimagnet-Polymer Composites for Magnetic Recording Media”, NanoLetters, Bd. 10, S. 3216, 2010 [0028]

Claims

Verfahren zur Verwendung mit magnetischen Partikeln, die an eine erste Seite einer Membran angefügt werden, wobei jedes der magnetischen Partikel an einen Analyten von Interesse gebunden ist, wobei das Verfahren aufweist: Erkennen der magnetischen Partikel unter Verwendung eines Magnetsensors, der sich auf einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist) befindet, wobei sich der Magnetsensor relativ zu der Membran bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend ein Zählen der Anzahl der magnetischen Partikel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen aufweist: Verfahren des Sensors entlang der zweiten Seite der Membran, wodurch die Positionen der magnetischen Partikel bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Anordnung von magnetischen Partikeln auf der ersten Seite der Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend das Verfahren des Sensors hin und zurück entlang der zweiten Seite der Membran, wodurch die Positionen der magnetischen Partikel bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, aufweisend ein Zählen der Anzahl der magnetischen Partikel.
Verfahren zur Verwendung mit einer Membran mit einer Anordnung aus Bereichen auf einer ersten Seite der Membran, wobei jeder der Bereiche eine Vielzahl von Reaktionsstellen hat, wobei das Verfahren aufweist: Funktionalisieren der Reaktionsstellen, sodass Reaktionsstellen in verschiedenen Bereichen verschiedene Einfang-Antikörper haben; Aufbringen eines Prüffluids auf die erste Seite der Membran, wobei das Prüffluid unterschiedliche Antigene enthält, sodass Antigene sich speziell an bestimmte der Einfang-Antikörper binden; Anwenden einer Lösung mit magnetischen Partikeln, die mit Antikörpern funktionalisiert sind, die den gebundenen Antigenen entsprechen, auf die gebundenen Antigene, sodass mindestens einige der gebundenen Antigene an die jeweiligen magnetischen Partikeln angefügt werden, die mit Antikörpern funktionalisiert sind, was dazu führt, dass magnetische Partikel an den jeweiligen Reaktionsstellen angefügt werden; und Abtasten von mindestens einem Sensor entlang einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist), um die Anzahl von magnetischen Partikeln in jedem Bereich zu ermitteln, die an Reaktionsstellen angefügt worden sind.
Verfahren zur Verwendung mit einer Membran mit Reaktionsstellen auf einer ersten Seite der Membran, wobei das Verfahren aufweist: Funktionalisieren der Reaktionsstellen, sodass die Reaktionsstellen eine Affinität für einen Analyten von Interesse haben; Aufbringen eines Prüffluids auf die erste Seite der Membran, wobei das Prüffluid den Analyten von Interesse enthält, wobei sich der Analyt an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran bindet; Aufbringen einer Lösung mit magnetischen Partikeln, die mit einer Verbindung funktionalisiert sind, die eine Affinität für den Analyten hat, auf die erste Seite der Membran mit dem gebundenen Analyten, sodass magnetische Partikel an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran angefügt werden; und Abtasten von mindestens einem Sensor entlang einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist), um die Anzahl von magnetischen Partikeln zu ermitteln, die an Reaktionsstellen auf der ersten Seite der Membran angefügt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, aufweisend das Aufbringen eines Versiegelungsmittels über der ersten Seite der Membran.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, aufweisend das Ermitteln der Konzentration des Analyten in dem Prüffluid.
Verfahren nach Anspruch 1, 7 oder 8, wobei die Membran eine Dicke von weniger als 100 Nanometer hat.
Verfahren nach Anspruch 1, 7 oder 8, wobei die magnetischen Partikel eine charakteristische Abmessung von weniger als 100 nm haben.
Verfahren, aufweisend: Bereitstellen von mindestens einem magnetischen Partikel, das an eine erste Seite einer Membran angefügt wird, wobei das mindestens eine magnetische Partikel an einen Analyten von Interesse gebunden ist; und Erkennen des mindestens einen magnetischen Partikels unter Verwendung eines Magnetsensors, der sich auf einer zweiten Seite der Membran (die der ersten Seite entgegengesetzt ist) befindet, wobei sich der Magnetsensor relativ zu der Membran bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, 7, 8 oder 13, wobei das mindestens eine magnetische Partikel einen Magnetismus hat, der aus der aus Ferromagnetismus und Ferrimagnetismus bestehenden Gruppe ausgewählt wurde.