JP2021067687A - 磁場センサ及び磁性粒子を使用して関心分析対象を検出する方法とシステム - Google Patents

Abstract

【課題】関心分析物を迅速に検出する方法、システム及び装置において、ラテラルフローアッセイの分析物濃度の高感度定量化を実現する。【解決手段】方法は、検出分子を磁性粒子で標識することと、特異的生化学的認識及び結合時にニトロセルロース膜上に磁性粒子を固定することとを含む。磁気誘導を誘起するべく外部磁場が磁性粒子に適用され、膜及び磁性粒子の近くに磁気抵抗センサが位置決めされる。センサ内の周期的信号は、機械的振動の動きがセンサに対する膜に与えられるときに生成される。振動の動きと同期した信号のトリガ時間平均化により、３０［ｄＢ］未満のノイズ低減、及びアッセイ感度の改善が可能になる。膜上のテストライン及びコントロールラインをスキャンするｘｙ運動プログラムにより、磁気２Ｄマッピングが生成され、これらのラインで結合した粒子がバックグラウンド中の非結合粒子から区別され、正確なアッセイが得られる。【選択図】図２Ａ

Description

優先権の主張
本願は、２０１９年１０月１８日に提出されてその全体が参照によりここに組み入れられる米国仮出願第６２／９１６，９９５号の優先権の利益を主張する。

本願は一般に、プローブとして磁性粒子を使用する生物学的アッセイの磁気センシング及びリーダー（ｒｅａｄｅｒ）システムに関する。

イムノアッセイ及びＤＮＡハイブリダイゼーションアッセイのような生物学的結合アッセイは、蛍光分子又は固体粒子のいずれかをプローブ（例えばシグナルレポーター）として使用する。検出分子（例えば抗体又は検出ＤＮＡ）は、接合としても知られるプロセスにおいて、最初に蛍光分子又は固体粒子によって標識される。抗原分子を特異的に認識して結合すると、プローブは相補的捕捉分子（例えば捕捉抗体又はＤＮＡ）によって固体表面上に固定される。アッセイ結果は、結合した蛍光分子の蛍光強度、又は結合した固体粒子の色強度を測定することによって得られる。

診断における主要な蛍光アッセイは、酵素結合免疫吸着アッセイ（Ｅｎｚｙｍｅ−Ｌｉｎｋｅｄ Ｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔ Ａｓｓａｙ（ＥＬＩＳＡ））である。主要な固体粒子ベースのアッセイはラテラルフローアッセイ（ｌａｔｅｒａｌ ｆｌｏｗ ａｓｓａｙ（ＬＦＡ））であり、金ナノ粒子が、その強い赤色ゆえに最も一般的に使用される。ＥＬＩＳＡは、高感度という利点を有するが、広範な技術訓練と管理された検査室を必要とする。ラテラルフローアッセイは迅速で使いやすくかつ極めて低コストである。ラテラルフローアッセイは、液体サンプルの毛管流動用ニトロセルロース膜、プラスチック製バッキングカード、ファイバーガラスサンプルパッド、及び液体ウィックパッドのような、低コスト材料によって構築することができる。しかしながら、ラテラルフローアッセイは一般に、高感度及び定量結果に欠ける。

米国特許第５，９８１，２９７号明細書 米国特許第９，８６３，９３９号明細書 米国特許第６，４３７，５６３号明細書 米国特許第６，６０７，９２２号明細書 欧州特許第１５５２３０６号明細書 米国特許第６，９９５，０２１号明細書 米国特許第８，０２６，７１６号明細書 米国特許第９，４８８，５８５号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１９２４５０号明細書 国際公開第２０１４／１６０８４４号 国際公開第２０１８／０２２７７６号

Barnett et al., "An Inexpensive, Fast and Sensitive Quantitative Lateral Flow Magneto-Immunoassay for Total Prostate Specific Antigen," Biosensors, Vol. 4, pp. 204-220 (2014)) Lei et al., "Contactless Measurement of Magnetic Nanoparticles on Lateral Flow Strips Using Tunneling magnetoresistance (TMR) Sensors in Differential Configuration," Sensors, Vol. 16, p. 2130 (2016)) J. Park, "A Giant Magnetoresistive Reader Platform for Quantitative Lateral Flow Immunoassays," Sensors and Actuators A, Vol. 250, pp. 55-59 (2016) J. Park, "Superparamagnetic Nanoparticle Quantification Using a Giant Magnetoresistive Sensor and Permanent Magnets," J. Mag. And Mag. Mat’ls, Vol 389, pp. 56-60 (2015)) B. Fischer et al., "Brownian Relaxation of Magnetic Colloids," J. Mag. And Mag. Mat’ls, Vol. 289. Pp. 74-77 (2005))

所定の実装例において、関心分子の濃度を迅速かつ正確に定量する方法及びシステムが与えられる。所定の実装例において、方法及びシステムは、磁性粒子をプローブとして使用するラテラルフローアッセイにおいて、反応ゾーン（例えばテストライン及びコントロールライン）における磁気誘導場強度の読み出しを与える。

所定の実装例において、アセンブリが、少なくとも一つの磁場（例えば磁気抵抗）センサと、少なくとも一つの永久磁石とを含み、当該少なくとも一つの磁場センサは、当該少なくとも一つの永久磁石の一極に取り付けられる。アセンブリは、少なくとも一つの磁場センサがラテラルフロー膜の表面の上方に位置決めされるように（例えば、膜の表面が少なくとも一つの磁場センサの表面に近接するように）構成される。ラテラルフロー膜は、固定化された磁性粒子を含有する。所定の実装例において、アセンブリ及び膜の少なくとも一方が他方に対し、周期的な振動機械運動によって動く（例えば、アセンブリが静止している間に膜がアセンブリに対して動き、膜が静止している間にアセンブリが膜に対して動く）ように構成される。周期的な振動機械運動は、膜のテストライン及びコントロールラインに実質的に直交する方向であり、テストライン及びコントロールラインの幅の少なくとも２倍の振幅を有する。所定の実装例において、周期的な振動機械運動は、振動運動の有意な機械的ヒステリシス（例えばタイムラグ）を引き起こさない（例えば、タイミング精度に影響を与える動作不安定性を引き起こさない）周波数を有する。

所定の実装例において、その運動は、機械的運動ステージ（例えば、少なくとも一つの圧電アクチュエータ及び／又は少なくとも一つのボイスコイルアクチュエータを含むステージ）によって与えられる。所定の実装例において、周期的トリガ信号（例えば電子信号）が、周期的な振動機械運動に同期して生成され、そのトリガ信号は、磁場センサ信号の収集及び時間平均化を当該運動と同期させるべく、データ収集（Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（ＤＡＱ））ユニットに供給される。

所定の実装例において、アセンブリ及び膜の少なくとも一方が他方に対し、少なくとも一つの第２の線形機械運動で動くように構成される（例えば、機械的運動ステージは、テストライン及びコントロールラインに沿った方向にアセンブリをスキャンするべく膜を動かすように構成される）。例えば、少なくとも一つの第２の線形機械運動は、テストライン及びコントロールラインの２次元（２Ｄ）磁気マッピングを与えるように構成された２つの実質的に直交する方向で行われる（例えばｘｙ運動）。２Ｄマッピング中に得られたセンサ信号の強度は、テストライン及びコントロールラインに沿って加算されて、テストライン及びコントロールラインに実質的に直交する方向に磁性粒子分布の１次元（１Ｄ）プロファイルを与え得る。

所定の実装例において、少なくとも一つの磁場センサは、４つの磁気抵抗センサを含むイートストンブリッジを含む。所定の実装例において、ホイートストンブリッジは、テストライン及びコントロールラインの幅よりも小さいサイズ（例えば、ラテラルフローアッセイ磁気マッピングにおいて２Ｄ空間分解能を与えるのに十分小さいサイズ）を有する。

所定の実装例において、膜はカセットによって保持され、位置センサ（例えば、機械式圧力センサ、近接センサ）が当該膜及び／又はカセットに対して（例えば、接して、近くに、内側に、下方に、又は下に）位置決めされ、当該位置センサは、当該膜と少なくとも一つの磁場センサとの間の接触又は距離を示す。位置センサによって生成されたセンサ信号（例えば、カセットが機械圧力センサに印加する圧力を示す信号）は、（例えば、膜の平面に実質的に直交する方向に）垂直移動を与える第３のリニアアクチュエータにフィードバック信号として供給されるように構成され、第３のリニアアクチュエータは、そのフィードバック信号を使用して、膜と少なくとも一つの磁場センサとの間の距離を実質的に一定に維持するように構成される。

所定の実装例において、組み合わされたシステム及びラテラルフローアッセイが、サンプル中の一以上の標的分析物の存在及び／又は不在を決定する（例えば、サンプル中の少なくとも一つの標的分析物の量を半定量的又は定量的に決定する）ように構成される。ここに記載される所定の実装例に適合する標的分析物の例は、バイオマーカー（例えば、感染症に対する抗体、癌バイオマーカー、その他の、タンパク質、ペプチド、核酸及び多糖類を含む指標）、感染症病原体（例えば、ウイルス、細菌、カビ）、依存性薬物を含むが、これらに限定されない。ここに記載される所定の実装例に適合するサンプルは、（例えば、ヒト、動物、植物、真菌、酵母又は細菌から）生物学的に誘導され、又は（例えば、汚染を検査するための）食品、水、土壌、空気、又は他の供給源から誘導され得る。所定の実装例において、このシステムにおける磁気プローブは、有利なことに、光センシングに基づくラテラルフローアッセイを使用して検出することができる濃度よりも少なくとも一桁低い濃度での分析物検出を可能にする。かかる感度増大は、標的分析物の存在及び／又は量を高い精度で迅速に特定することが有利な、ポイントオブケア検査、食品安全性、動物の健康、他の分野を含むがこれらに限定されない多くの分野において非常に価値がある。ここに記載される所定の実装例は、光プローブ粒子（例えば金ナノ粒子）を磁性粒子（例えば酸化鉄ナノ粒子）と交換することによって、既存のラテラルフローアッセイに容易に統合されるように構成される。

磁性粒子の磁化曲線の一例を示す。 ＡＣ磁気コイル及び永久磁石をそれぞれ使用した磁性粒子の磁化を、磁性粒子及び磁化源に対する磁気抵抗（ＭＲ）センサの配置例とともに概略的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例と、当該装置を含むシステムの一例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例と、当該装置を含むシステムの他例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る少なくとも一つの磁場センサ及び（例えば、信号のコンディショニング及び増幅を目的とする）信号処理回路の例の電子ブロック図の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る測定された磁場センサ信号の、膜表面からのセンサ高さに対する依存性のプロットの例を示す。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 図７Ａは、ここに記載される所定の実装例に係る、動作が方向を反転するときのゼロ速度における一定のヒステリシス（例えばタイムラグ）を有する閉ループ振動システムの台形速度プロファイルの一例を模式的に示す。図７Ｂは、テストラインが振動のピーク速度でセンサを通過する、ここに記載される所定の実装例に係るセンサ信号列の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る４［Ｈｚ］での圧電振動システムにより駆動される１００個の振動の、測定された一連の機械的ヒステリシス（例えばタイムラグ）のプロットである。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る動作プログラムの幾何学的セットアップ及びブロック図の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係るｈＣＧ濃度がそれぞれ１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］であるｈＣＧアッセイのテストラインの磁気２Ｄマッピングの２つの例を示す。 ｃＴｎＩ濃度がそれぞれ１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］のｃＴｎＩアッセイのテストラインの磁気２Ｄマッピングの２つの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るラテラルフローアッセイを模式的に示す。 異なるｈＣＧ濃度の７つの得られたラテラルフローストリップの写真を示す。 それぞれが、比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係る用量反応曲線のプロットを示す。 異なるｃＴｎＩ濃度の８つのラテラルフローストリップの写真を示す。 それぞれが、標準比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して得られた用量反応曲線を示す。 異なるビオチンＢＳＡ濃度における３つの代表的ストリップの写真を示す。 標準比色リーダーを使用した、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用した、各濃度における平均磁気信号及び光信号並びに近似平均ノイズ信号を示す。 それぞれが、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータの一例と、当該ボイスコイルリニアアクチュエータを利用するシステムの一例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ、磁気遮蔽、及び軸方向の位置決めとともに使用されるＭＲセンサにおける時間平均バックグラウンドノイズのプロットの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ、磁気遮蔽、及び軸方向の位置決めとともに使用されるＭＲセンサにおける時間平均バックグラウンドノイズのプロットの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用して取得されたｈＣＧアッセイの一連の測定値の一例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用して取得されたｈＣＧアッセイの一連の測定値の一例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用してのストレプトアビジン／ビオチンアッセイ膜の一連の測定値の他例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る磁場センサが膜の下方に配置された装置の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る一連の膜の下方に配置された磁場センサを使用しての測定値の例を示す。

これらの図面は、例示を目的として様々な実装例を描くが、限定することを意図しない。実行可能であればいつでも、同様の又は同じ参照番号又は参照標識を図面に使用してよく、同様の又は同じ機能性を示してよい。

概要

テラルフロー及び他の形態のアッセイ（例えばセンサがサンプルに浸漬されるｉｎ ｓｉｔｕアッセイ）のためのプローブとしての磁場センシング及び磁性粒子に基づく検出は、金ナノ粒子の比色検出と比べていくつかの利点を与え得る。例えば、磁気センシングは光干渉がないので、全血、固体サンプル、及び未処理水サンプルのような多種多様なサンプル形態に適用することができる。

磁気センシングはラテラルフローアッセイにおける感度を（例えば１ミリリットル当たりピコグラムからナノグラムのオーダーで）改善できる可能性もある。ラテラルフローアッセイにおける従来型比色検出において、信号は金ナノ粒子によって発生した色強度に基づく。金ナノ粒子が特異的認識及び結合により捕捉される反応ゾーン（例えばテストライン及びコントロールライン）において、ニトロセルロース膜の最上層における粒子のみが色信号に寄与する。膜表面の下に存在する粒子からの光は、膜の多孔質構造によって強く散乱されるからである。磁気検出によれば、反応ゾーンの深さ全体に存在する磁性粒子により発生した信号を、散乱損失なしに検出することができる。

ラテラルフローアッセイにおける定量（例えば、少なくとも対数ステップ間、例えば１、０．１、０．０１［ｎｇ／ｍｌ］等の間、を区別する性能）の欠如が、この技術の可能性の完全な実現の障害となっている。磁気検出は、例えば、テストラインの表面の下の深さに感度を与えることによって、及びテストラインに沿ってスキャン及び積分することによって、アッセイ定量化を改善するのに役立ち得る。その結果、テストラインにおいて捕捉された磁性粒子の全集団を測定することができる。

生物学的アッセイに磁気センシングを適用することは、様々な課題を提示する。例えば、信号は、小さな磁性粒子に由来する（例えば、ラテラルフローアッセイにおいて粒子サイズは２００［ｎｍ］未満のニトロセルロース膜の細孔によって制限される）。点状線源の磁気誘導の強度は距離の逆二次則に従うので、信号は、線源からの磁場センサの距離の増加とともに急速に低下する。そのため、磁場センサは、アクセス可能な空間が制限される膜の極めて近くに位置決めされることになる。

他例として、小さな磁性粒子は常磁性であるから、当該粒子は、磁化するための外部磁場がなければ磁気誘導を生じることがない。図１Ａ〜図１Ｃは、小さな粒子の磁化の一般原理、及び当該粒子の検出方法を模式的に示す。図１Ａは、磁性粒子の磁化曲線の一例を示す。ここで、粒子の磁化Ｍの量は、ヒステリシスループに従う外部磁場Ｈによって変化する。極めて小さな粒子（例えば酸化鉄粒子については２０［ｎｍ］未満）に対しては、保磁力Ｈ_ｃは減少し、粒子はゼロ外部磁場のもとで非磁性になる。かかる粒子はまた、超常磁性として知られ、生物学的アッセイにおける磁気センシングのためのプローブとして理想的である。粒子の磁化Ｍ及び磁気誘導Ｂが外部磁化場Ｈに対して単調に応答し、粒子は磁気双極子相互作用によって液体中で凝集しないからである。

十分な強度の外部磁場を印加するべく、磁石（例えば図１Ｂに模式的に示す磁気コイル、又は図１Ｃに模式的に示す永久磁石）を使用することができる。強力なＡＣ磁場を生成するべく、磁気コイルは大電流電源を使用し、磁心が含まれることが多い。磁場が最も強く均一な磁心において、狭いスリットを切ることができる。かかるコンポーネントは、かさばることが多く、ラテラルフローアッセイにおいて利用可能な限られた自由空間と競合し得る。

さらなる潜在的に深刻な問題は、磁性粒子の磁気誘導場が外部磁化場の強度とともに増大するにもかかわらず、比較的弱い磁気誘導場と比較的強い外部磁化場とは、磁場センサ（例えば磁気抵抗又はＭＲセンサ若しくはピックアップコイル）を使用して互いに区別することが困難ということである。ＤＣ磁化に対し、双方の場は、粒子からの小さな漂遊磁場を除き、同様の方向を有する。ＡＣ磁化に対し、双方の場は、同じ周波数及び位相を有する。

ラテラルフローアッセイのための磁気センシングにおいてさらに複雑なのは、非結合磁性粒子からのバックグラウンド信号である。多孔質ニトロセルロース膜がサンプル液体の高速毛管流を許容するにもかかわらず、特に粒子が液体中で凝集する場合、固体粒子が細孔内にトラップされ得る。トラップされた粒子は、スメアされた磁気バックグラウンドとなって、低い抗原濃度におけるアッセイ感度及び精度に影響を及ぼす。

生物学的アッセイのための磁気センシングにおける課題を克服するべく、アッセイ形式に応じて、いくつかの方法及びシステムが使用され得る。例えば、（例えば、磁気抵抗ベースの、多重化検出のために高密度アレイに加工された）磁場センサを液体サンプルに浸漬することができる構成において（例えばｉｎ ｓｉｔｕアッセイ）、生物学的反応は、磁性粒子とセンサとの間の距離（例えば１ミクロン以下）を最小限にするセンサ表面において直接、実現することができる（例えば特許文献１及び２を参照）。磁性粒子とセンサ表面との間の微視的距離により、検出のための磁化場の強度は、小さなコイルによって生成され得る値にまで（例えば５０［Ｏｅ］未満まで）低下する。しかしながら、かかる構成は、センサの一回使用のみを許容する。生物学的分子がセンサ表面に永久的に結合され、生化学反応後に再利用することができないからである。

反応ゾーンのまわりの空間が制限され、センサと磁性粒子との間の巨視的距離が不可避なラテラルフローアッセイに対し、磁性粒子を磁化するべく強力な外部磁場が使用される。例えば、狭いスリットを有するＣ字形状磁石コアを使用して、その中に強力かつ均一な磁場を生成することができ（例えば特許文献３及び４を参照）、磁気コアの裏面に巻かれたコイルが、高周波ＡＣ変調を与え得る。固定された磁性粒子を含むラテラルフロー膜又はディスクを、センサに近い距離でスリットに挿入することができる。センサは、粒子の磁気誘導場を強力な外部磁化場から区別するために、一対の平衡ピックアップコイルを含み得る。Ｃ字形状磁石の狭いスリットにフィットするべく、膜を含有するラテラルフローアッセイカセットは、弓形状デバイスとすることができる。ここで、膜は、支持体なしに「ひも」として取り付けられる（例えば特許文献５を参照）。

いくつかの構成は、磁化及びピックアップを目的として複数の高周波ＡＣ磁気コイルを利用することができる。ここで、複数対のピックアップコイル（例えば、各対は測定コイル及び基準コイルを含む）は、粒子の磁気誘導場を外部磁化場から区別するべく使用される（例えば特許文献６及び７を参照）。

コイルベースの磁化及びセンシングの方法は、高周波変調の利点（例えば、ロックイン増幅器と組み合わせた場合の高い信号対ノイズ比）を与えることができるが、所定のそのような構成の欠点は、反応ゾーン（例えば、特にテストライン）における特異的結合磁性粒子と、膜内にトラップされた非特異的非結合磁性粒子との区別がないことである。非結合粒子が（例えば、繰り返しの洗浄により）除去されない限り、低い抗原濃度での非結合粒子からのバックグラウンド信号は、特異的結合粒子からの信号と強度が匹敵し得る。所定の実装例において、非結合粒子からのバックグラウンド信号は、有利なことに、改善された空間分解能を有する測定を使用することによって低減されるので、反応ゾーン（例えばテストライン）が周囲エリアから空間的に区別される。かかる空間分解能は、ピックアップ磁気コイルがサンプルを含む空間（例えばテストライン及び著しく大きな周辺エリア）を覆い又は取り囲む従前のコイルベースの構成によっては与えられない。磁気検出に共鳴コイルを使用する従前の研究によれば、空間分解能は改善されなかった（例えば非特許文献１を参照）。

ここに記載される所定の実装例において、システムは、磁気抵抗（ＭＲ）（例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ））に基づく少なくとも一つの磁場センサを含み、当該少なくとも一つの磁場センサは、ｅｘ ｓｉｔｕ生物学的アッセイのためのコンパクトな磁場センサとして適用されるように構成される。ここで、センサは、（センサがアッセイ液体内にあるｉｎ ｓｉｔｕアッセイと比べて）アッセイから空間的に分離される（例えば特許文献１及び２を参照）。過去数十年における半導体製造の進歩により、かかるセンサは、コンピュータのハードディスクリーダー及び自動車のスピードメーターのような従来の用途を超えて、幅広いアプリケーションに対して利用可能となっている。

例えば、ラテラルフローアレイのＴＭＲセンサの従前の研究において、狭いスリットを有するＣ字形状永久磁石が、磁性粒子に適用される外部磁化場を与えた。コイルベースの方法における平衡対のピックアップコイルを使用する原理と同様に、コモンモードのバックグラウンド信号に対して（例えば、外部磁化磁界から）区別するべく一対のＴＭＲセンサがテストラインの両側に位置決めされた。信号対ノイズ比を改善するべく、ＴＭＲセンサ電源の高周波ＡＣ変調及びロックイン増幅器が使用された。ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイは、２５ｍ［ＩＵ／ｍｌ］のｈＣＧ（約２［ｎｇ／ｍｌ］と等価）の検出限界（ＬＯＤ）を実証したが、これは蛍光ベースのラテラルフローアッセイリーダーのような他の非磁性法ほど良好ではない（例えば特許文献８を参照）。小さなサイズのＴＭＲセンサにより原理上高い空間分解能が可能となったにもかかわらず、コモンモード排除を目的としてセンサ対を使用することにより差動信号を、空間的に分離された２つのセンサからの２つの信号の畳み込みとし、空間分解能が犠牲にされた。（例えば非特許文献２を参照）。

他例では、定量的ラテラルフローイムノアッセイを目的とするＧＭＲセンサに基づくリーダープラットフォームが従前より、均一かつ強力な磁化場を与えるべく一対の強力永久磁石（例えば４０００［Ｇ］）を、一対の永久磁石に対してある角度で掃引磁場を与えるべくヘルムホルツコイルを、並びにセンサと膜との間の膜カセット輸送及び距離制御を与えるべくリニア（ＤＣ）モーターシステムを使用してきた。膜がセンサに対して動いたときの信号を記録し、膜平面に平行な磁性粒子の漂遊磁場を測定した。かかる磁場は粒子から離れた距離で最強であるから、得られた信号は膜平面内で７ｍｍの空間スパンを有した。単一のラインのこの広いスパンの信号は、検出の空間分解能を著しく制限し、コントロールラインとテストラインとの干渉を引き起こした。これら双方のラインは、標準的なラテラルフローアッセイにおいて使用され、典型的には、わずか５〜１０ｍｍだけ分離される（例えば非特許文献３及び４を参照）。

ここに記載される所定の実装例により、ラテラルフロー及び他の生物学的アッセイのための磁気検出が有利に利用され、高感度、バックグラウンド非結合粒子に対する十分な特異性、及び従前の構成よりも信頼性の高い定量（例えば、対数ステップ間、例えば１、０．１、０．０１［ｎｇ／ｍｌ］等の間、を区別する性能）が得られる。

実装例

図２Ａは、ここに記載される所定の実装例に係る装置１０の例、及びこの装置１０を含むシステム１００の例を模式的に示す。図２Ｂは、ここに記載される所定の実装例に係る装置１０の例、及びこの装置１０を含むシステム１００の他例を模式的に示す。装置１０は、少なくとも一つの磁場センサ２０（例えば磁気抵抗センサ）、及び少なくとも一つの永久磁石３０を含む。この少なくとも一つの磁場センサ２０は、当該少なくとも一つの永久磁石３０の一極にある（例えば、取り付けられる）。装置１０は、少なくとも一つの磁場センサ２０が、（例えば、膜４２のテストライン４２ａ及びコントロールライン４０ｂの反応ゾーンにおいて捕捉された）固定された磁性粒子を含有するラテラルフロー膜４０の表面の上方に存在するように位置決めされるように構成される。装置１０は、膜４０と接触する面積が１［ｍｍ^２］から１００［ｍｍ^２］（例えば１［ｍｍ］×１［ｍｍ］から１０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］）の範囲であり、及び／又は標準的なラテラルフローアッセイの寸法（例えば、膜の長さが数ｃｍ、膜の幅が５［ｍｍ］、テストラインとコントロールラインとの間隔が５［ｍｍ］から１０［ｍｍ］）に適合する。図２Ａに模式的に示されるように、膜４０の表面は、少なくとも一つの磁場センサ２０の表面に極めて近接している（例えば、膜４０の表面と磁場センサ２０の表面との間の距離は１００ミクロン以下の範囲にある）。

所定の実装例において、少なくとも一つの磁場センサ２０は、少なくとも一つの磁気抵抗（ＭＲ）センサを含む。この例は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサを含むが、これらに限られない。少なくとも一つのＭＲセンサは、ここに記載される所定の実装例に係る広範囲の寸法及び動作条件を有し得る。例えば、高感度アプリケーションに対し、パッケージングされていないむき出しのＭＲセンサが、数ミクロンもの小ささとなり得る。堅牢な用途のためのパッケージング保護では、パッケージングを含む少なくとも一つのＭＲセンサの寸法は、５［ｍｍ］から１０［ｍｍ］の範囲内であり、及び／又は標準的なラテラルフローアッセイの寸法と適合し得る。所定の実装例において、少なくとも一つのＭＲセンサは、電力消費量が少ない５Ｖから１０Ｖの範囲の電圧によって電力を供給することができるので、コンパクトな設計及び携帯可能な用途に適合する。

所定の実装例において、少なくとも一つの永久磁石３０は、少なくとも一つの強磁性材料を含み、その例は、例えばネオジム、サマリウム・コバルトのような希土類元素がドープされた磁性材料を含むが、これらに限られない。ここに記載される様々な実装例に適合する磁石は、異なる形状、サイズ、及び強度で幅広く利用可能である。例えば、永久磁石３０は、各寸法が５［ｍｍ］から１０［ｍｍ］の範囲のサイズを有し、及び／又は５００［Ｏｅ］から１０００［Ｏｅ］の範囲の磁場強度を有し得る。

所定の実装例において、ラテラルフロー膜４０は、分析物の特異的検出時に磁性粒子を固定するための複数の固体支持材料を代表する。生物学的認識反応をサポートするべく使用することができる他の固体材料は、紙、ガラス、金属、及び半導体を含むが、これらに限られない。例えば、ガラス表面には、特定の分析物に特異的に結合する抗体又はＤＮＡ分子がプリントされ得る。金表面は、タンパク質及び抗体と良好な親和性を有することがよく知られている。磁性粒子によってかかる固体表面上に確立されたアッセイは、ここに記載される所定の実装例に係る方法及びシステムによって検出することができる。他例では、膜４０は、抗原（例えば、５［ｃｍ］×５０［ｃｍ］の矩形に切られる）を捕捉するべく捕捉抗体ラインがプリントされたニトロセルロース紙を含み得る。液体毛管流容量は、水が膜４０に沿って４［ｃｍ］移動する時間によって測定することができ、かかる時間は、８０秒〜１５０秒の範囲となり得る。所定の実装例において、磁性粒子は、（ｉ）印加された外部磁場に応答して磁化されて磁気誘導磁場を生成するように構成された一以上の磁性材料と、（ｉｉ）分析物のアッセイにおいて検出される（例えば測定される）関心分析物に選択的に結合するように構成された一以上の表面コーティング材料とを含む。例えば、磁性粒子は、生物学的分離に広く使用されてここに記載される所定の実装例に適合する磁性酸化鉄粒子を含み得る。所定の実装例において、磁性酸化鉄粒子は、２０［ｎｍ］〜２００［ｎｍ］の範囲のサイズ、及び／又は２０［ｅｍｕ／ｇ］〜１００［ｅｍｕ／ｇ］の範囲の磁化率を有し、表面コーティング（例えば生物学的認識及び結合のための抗体）を有する。他例では、磁性粒子は、Ａｕ・Ｆｅ合金ナノ粒子を含んでよいナノ粒子を含み、及び／又は様々なプロセスを使用して製造される（例えば、それぞれの全体がここに参照により組み入れられる特許文献９〜１１を参照）。かかるＡｕ−Ｆｅ合金粒子は、酸化鉄粒子よりも磁化率が高い（例えば５０［ｅｍｕ／ｇ］〜１５０［ｅｍｕ／ｇ］）ので、Ａｕ−Ｆｅ粒子はまた、酸化鉄粒子よりも磁気モーメントが高く、発生する磁気誘導も大きい。所定の実装例において、この磁気ナノ粒子はさらに、磁気誘導場を生成するように構成されることに加え、（例えば可視範囲の）光を吸収し、関心分析物に対するアッセイにおいて検出（例えば測定）予定の比色信号（例えば色強度）を生成するように構成される。例えば、ほとんどの酸化鉄粒子は可視範囲に広い光吸収を有し、暗褐色を有する。磁性Ａｕ−Ｆｅ合金粒子は、可視範囲全体において広くかつほぼ平坦な光吸収を有するので、膜４０の白色バックグラウンドに対してほぼ黒色に見える。

所定の実装例において、図２Ａ〜図２Ｂにより模式的に示されるように、システム１００の例は、機械的運動ステージ５０（例えばｘｙｚステージ）をさらに含む。機械的運動ステージは、装置１０及びラテラルフロー膜４０の少なくとも一方に機械的に結合される。ステージ５０は、装置１０及び膜４０の少なくとも一方を、周期的な振動運動により互いに対して動かすように構成される。例えば、ステージ５０は、膜４０を装置１０に対し、（例えば装置１０が静止している間に）テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに実質的に直交する方向（ここではｙ方向と表記される）に動かすように構成することができる。他例では、ステージ５０は、装置１０を膜４０に対し、（例えば膜４０が静止している間に）テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに実質的に直交する方向（ここではｙ方向と表記される）に動かすように構成することができる。所定の実装例において、周期的振動機械運動は、ｙ方向に（例えば２［ｍｍ］から５［ｍｍ］の範囲の）振幅を有する。この振幅は、テストライン４２ａ及び／又はコントロールライン４２ｂの少なくとも２倍（例えば１［ｍｍ］幅の少なくとも２倍）であるが、（例えば干渉を避けるべく）２つのライン４２ａ、４２ｂ間の距離未満である（例えば５［ｍｍ］から１０［ｍｍ］の範囲の距離よりも小さい）。所定の実装例において、周期的振動機械運動は、１［Ｈｚ］〜１０［Ｈｚ］の範囲の周波数、及び１０［ｍｍ／ｓ］〜２００［ｍｍ／ｓ］の範囲の（例えばｙ方向の）振動のピーク直線速度を有する。

周期的振動機械運動のための様々なメカニズム（例えば並進ステージ）は、ここに記載される所定の実装例に適合する。考慮すべき因子は、振動周波数、振幅、動作範囲、動作精度（例えば最小ヒステリシス又はタイムラグ）、電気及び磁気ノイズ、デバイスコンパクト性、寿命、並びにコストを含むが、これらに限られない。ここに記載される所定の実装例に適合するメカニズムの例は、水晶発振器、圧電発振器、圧電アクチュエータ、圧電モータ、リニアステッパモータ、ＤＣモータ、及びボイスコイルを含むが、これらに限られない。ここに記載される所定の実装例において、メカニズムは有利なことに、振動運動を与える一方で一以上の有害な効果（例えば、厳しいヒステリシス、ギア又は他のコンポーネントの急速な摩耗、高ノイズ）を低減する（例えば避ける、防止する、最小限にする）ように選択又は設計される。

例えば、ステージ５０は、振動運動を与えるべく構成されたボイスコイルを含み得る。ボイスコイルは、コイルにＡＣ電流が供給されるときに互いに対して自由に振動できる磁気コイル及び永久磁石を含み得る。このような所定の実装例において、システム１００の磁気コンポーネント（例えばボイスコイルの磁気コイル及び反対側の磁石）は、電子的又はデジタル的いずれかでフィルタ除去される予定の磁場センサ２０における周期的なバックグラウンド信号を生成する。

他例では、ステージ５０は、（例えば５［Ｈｚ］までの、１０［Ｈｚ］までの、１［Ｈｚ］から１００［Ｈｚ］の範囲の）十分な周波数、（例えば５［ｍｍ］までの）十分な振幅、（例えば２０［ｍｍ］までの）広範囲の運動、並びに低い電気的及び磁気的ノイズを有する振動運動を与えるように構成された圧電発振器を含み得る。このような所定の実装例において、圧電発振器は、ボイスコイルよりも高いヒステリシスを有し、このヒステリシスは、閉ループ制御システム内の比例、積分及び微分（ＰＩＤ）パラメータの適切なセットによって最小限になり得る。

所定の実装例において、図２Ａ〜図２Ｂにより模式的に示されるように、ステージ５０は、直線運動サブステージ５２（例えばリニアステッパ及び／又はＤＣモータステージ）を含み、このサブステージは、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに実質的に平行な方向（ここではｘ方向と表記される）の直線機械運動により、装置１０及び膜４０の少なくとも一方を互いに対して動かし又はスキャンするように構成される。例えば、サブステージ５２は、（例えば装置１０が静止している間に）膜４０を装置１０に対し、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに実質的に平行な方向に動かし又はスキャンするように構成することができる。または、サブステージ５２は、（例えば膜４０が静止している間に）装置１０を膜４０に対し、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに実質的に平行な方向に動かし又はスキャンするように構成することができる。所定の実装例において、ｘ方向の移動は、ｙ方向の移動よりも遅くすることができる（例えばｘ方向の移動の速度は１［ｍｍ／ｓ］から１０［ｍｍ／ｓ］の範囲にすることができる）。所定の実装例において、サブステージ５２は、（例えば、装置１０の下において）膜４０を測定位置へ及び測定位置から輸送するように構成される。所定の実装例において、ステージ５０は、スキャンのために構成された直線運動サブステージ５２と、膜４０を測定位置へ及び測定位置から輸送するべく構成された回転サブステージとを含む。

所定の実装例において、図２Ａに模式的に示されるように、システム１００の例は、ｙ方向に沿ったステージ５０の振動運動を制御するべく構成された第１コントローラ（例えば第１関数発生器を含むマイクロプロセッサ回路）と、ｘ方向に沿ったサブステージ５２の運動を制御するように構成するべく構成された第２コントローラ（例えば第２関数発生器を含むマイクロプロセッサ回路）とをさらに含む。所定の実装例において、第１コントローラ６０が第２コントローラ６２から分離される一方、所定の他実装例において、第１コントローラ６０及び第２コントローラ７０は、同じ回路のコンポーネントである。

所定の実装例において、図２Ａに模式的に示されるように、システム１００の例はさらに、データ収集（ＤＡＱ）ユニット７０（例えばマイクロプロセッサ回路を含む）も含む。第１コントローラ６０及び第２コントローラ６２は双方とも、同期トリガ信号を生成してＤＡＱユニット７０に送信するべく構成され、ＤＡＱユニット７０は、同期トリガ信号と、少なくとも一つの磁場センサ２０によって生成及び送信されたセンサ信号とを（例えば図２Ａに模式的に示される信号処理回路７２を介して）受信するべく構成することができる。所定の実装例において、センサ信号のトリガ時間平均化は、ステージ５０のｘ方向及びｙ方向の移動に同期され、対応プログラムを実行するコンピュータ（図示せず）によって処理される。

図２Ａ〜図２Ｂにより模式的に示されるシステム１００の例は、ここに記載される所定の実装例に従って修正することができる。例えば、ｙ方向の周期的な振動運動により動かす代わりに、装置１０及び膜４０の少なくとも一方を、ｘ方向の周期的な振動運動により互いに対して動かすことができ、ｘ方向の直線運動により動かす代わりに、装置１０及び膜４０の少なくとも一方を、ｙ方向の実質的な直線運動により互いに対して動かすことができる。

所定の実装例において、図２Ｂにより模式的に示されるように、システム１００は、テストライン４２ａ及びコントロールライン４２ｂの磁気読み取りに加えて比色読み取りも行うように構成される。例えば、システム１００は、（例えば、膜４０が磁気読み取りのために少なくとも一つの磁場センサ２０の下に位置決めされる前に）膜４０の上方に位置決めされるように構成されたカメラ７４（例えば光学カメラ）を含む。カメラ７４によって取得された画像（例えば写真）は、テストライン４２ａ及びコントロールライン４２ｂに関する色強度情報を与えることができる。例えば、分析物濃度が高いことによりテストラインの色が、カメラ７４を使用する比色読み取りによって可視であり容易に検出できる場合、色強度情報はアッセイにとって十分となり得る。分析物濃度が低いことによりテストラインの色が、カメラ７４を使用する比色読み取りによって可視でなく及び／又は容易に検出できない（例えば、アッセイが高感度の検出から利益を得ることができる）場合、システム１００は、装置１０を利用して、ここに記載される所定の実装例に従って、膜４０からの高感度かつ定量的なアッセイ結果を与えることができる。

図３Ａ〜図３Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係る装置１０の例、及びシステム１００の例を描く様々な図を示す。図３Ａは、ここに記載される所定の実装例に係るラテラルフロー膜４４を含むカセット４４を示す。所定の実装例において、カセット４４の２つの側部を膜４０のレベルまで切り落として、カセット４４を装置１０の下（例えば磁場センサ２０の下）の測定位置へ及び測定位置から円滑に輸送できるようにする。所定の実装例において、カセット４４は、かかる円滑な輸送を許容するべく他の方法で修正又は省略されてよい。図３Ａに示されるように、カセット保持器４６を、カセット４４を保持するべく、かつ、ステージ５０上に取り付けられるように、構成することができる。所定の実装例において、位置センサ（例えば圧力センサ、近接センサ）（図示せず）を、カセット４４の下においてカセット保持器４６の内側に取り付ける（例えば隠す）ことができ、（例えば膜４０と磁場センサ２０との間の圧力を監視することにより）磁場センサ２０に対する膜４０の位置（例えば距離）を監視するべく構成することができる。このような所定の実装例において、膜４０と磁場センサ２０との十分な近接性（例えば脆弱な膜４０を引き裂くことのない緊密かつ一定の接触）を維持するべく位置センサからの信号を使用することができる。

図３Ｂは、ここに記載される所定の実装例に係る装置１０の例を模式的に示す。装置１０の例は、磁場センサ２０及び永久磁石３０と、金属遮蔽箱８０とを含み、この遮蔽箱は、信号処理回路７２の信号コンディショニング回路及び前置増幅器回路を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）８２を含有する。遮蔽箱８０は、正確な高さ調整（ここではｚ方向と表記される）と、ｙ方向の膜４０に対する磁場センサ２０の位置決めとを目的として、（例えば手動制御及び／又は電子制御の）ｙｚステージ９０上に設置することができる。磁場センサ２０からのセンサ信号は、信号処理回路７０を介してＤＡＱユニット７２に伝達される。

図３Ｃ及び３Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係るシステム１００の例の右側面図及び斜視図をそれぞれ示す。図３Ｃにおいて、遮蔽箱８０は破線によって表記される。直線運動サブステージ５２は、モータ（例えばステッパモータ、ＤＣモータ）を含み、膜４０をテストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに沿った方向に（例えばＸ方向に沿って）（例えば実質的に平行に）スキャンするように、並びに／又は膜４０、カセット４４、及びカセット保持器４６をサンプル交換のために測定位置の内外に（例えばＸ方向に沿って）輸送するように構成することができる。ステージ５０は、膜４０をテストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂに対して実質的に垂直な方向に（例えばｙ方向に沿って）振動させるように構成された圧電モータを含み、サブステージ５２のリニアモータの頂部に取り付けることができる。

図４は、ここに記載される所定の実装例に係る少なくとも一つの磁場センサ２０及び（例えば信号のコンディショニング及び増幅のための）信号処理回路７２の例の電子ブロック図の例を模式的に示す。図４の少なくとも一つの磁場センサ２０は、ホイートストンブリッジ構成にある４つの別個の磁場センサ２０ａ〜２０ｄを含む。少なくとも一つの磁場センサ２０は、振動膜４０がホイートストンブリッジを周期的に通過するときに当該ホイートストンブリッジが膜４０の動きに関連する差動信号を生成するように、コモンモード阻止を目的として構成される。所定の実装例において、ホイートストンブリッジのサイズ（例えば、膜４０に実質的に平行な平面内の幅）は、テストライン４２ａ、４２ｂの２Ｄマッピングにおける空間分解能を与えるように構成される。例えば、ホイートストンブリッジのサイズは、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂの線幅よりも小さくてよい（例えば０．１［ｍｍ］から０．５［ｍｍ］の範囲）。所定の実装例において、信号処理回路７２は、ＤＣベースラインを除去するべく構成された第１カットオフ周波数（例えば０．３Ｈｚ）を有するハイパスフィルタリング回路と、高周波数ノイズを除去するべく構成された第２カットオフ周波数（例えば３００Ｈｚ）を有するローパスフィルタリング回路とを含む。図４の破線円が、少なくとも一つの磁場センサ２０のＴＭＲセンサを取り囲み、図４の左側の拡大図が、永久磁石３０からの外部磁場に対するＴＭＲセンサの配向を模式的に示す。図４は、（例えば膜４０の磁性粒子の検出に十分な高感度の）ＴＭＲセンサを使用する実装例を模式的に示すが、他タイプの磁気抵抗センサ（例えばＧＭＲセンサ）も、ここに記載される所定の実装例に従って使用することができる。

図５は、ここに記載される所定の実装例に係る、測定されたセンサ信号の、膜表面に対するセンサ高さへの依存性のプロットの一例を示す。距離が増加するにつれ、測定されたセンサ信号の逆二次降下が観測される。これは、磁場源としての小さな粒子に対して予測される。所定の実装例において、十分な信号検出を許容するには、センサ表面と膜表面との間の距離が、数百ミクロン（例えば０から１００ミクロン）未満の範囲となる。

所定の実装例において、永久磁石３０からの磁化場は、時間的に実質的に一定であり（例えば変化しない）、信号の変調が、膜４０の磁性粒子の磁気誘導を変調することによって行われるので、信号対ノイズ比が改善される。例えば、装置１０に対する膜４０の周期的振動運動、又は膜４０に対する装置１０の周期的振動運動が使用される（例えば粒子の磁気信号を外部磁化場から区別するセンサ対を使用することはない）。例えば、ステージ５０（例えば図３参照）は、１［Ｈｚ］〜１０［Ｈｚ］の範囲の振動周波数、及び１［ｍｍ］〜５［ｍｍ］の範囲の振幅を有し得る。他の（例えば高い）振動周波数もまた、ここに記載される所定の実装例に適合する。ただし、この周波数は、ステージ５０の機械的性能によって制限され得る。

従前より使用の高周波ＡＣ変調（例えばｋＨｚ）と比べ、低周波の機械的変調は、遍在する１／ｆノイズを特に考慮すれば、信号対ノイズ比を改善するには最初は実用的でないように見えるかもしれない。しかしながら、磁場センサ２０に対する膜４０の直線運動の効果を慎重に検討することにより、良好な状況が明らかになる。所定の実装例において、磁化の低周波数変調は、ラテラルフローアッセイにおける磁気センシングにとって実現可能かつ好ましい。例えば、ｙ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）のｙ方向に沿った正弦運動を仮定すると、運動の対応速度はｄｙ／ｄｔ＝２πＡｆｃｏｓ（２πｆｔ）となる。（例えばここに記載される所定の実装例に係る）４［Ｈｚ］の周波数及び２［ｍｍ］の振幅に対し、ピーク速度は約５０［ｍｍ／ｓ］となる。ラテラルフローテストライン４２ａに対して１［ｍｍ］の線幅を仮定すると、そのピーク速度における当該振動運動は、時間幅Δｔ＝０．０２［ｓ］のパルス信号をもたらす。パルス信号のフーリエ変換は５０ＨｚのΔｆ＝１／Δｔの周波数帯域幅を与える。これは１／ｆノイズを低減する目的として基本発振周波数ｆよりもはるかに良好である。所定の実装例において、最大速度は、テストライン４２ａとコントロールライン４２ｂとの間の距離（例えば５［ｍｍ］から１０［ｍｍ］の範囲）に基づいて、２つのライン４２ａ、４２ｂを互いから区別するのに十分な加速及び減速を与えるように選択される。

周波数ドメインにおける小さな磁性粒子の磁化挙動を注意深く検討すると、低周波数の磁気変調が、ラテラルフローアッセイにおける磁気センシングにとって好都合であることが示される。図１Ａに表示される小さな磁性粒子の磁化曲線はＡＣ磁化を表しておらず、小さな粒子のＡＣ磁化のより適切な理論は、Ｎｅｅｌ緩和理論である（例えば非特許文献５を参照）。Ｎｅｅｌ緩和理論は熱平衡下での小さな粒子の磁気モーメント緩和の時間スケールを考察することにより、磁気モーメント緩和時間、ひいてはＡＣ磁化の周波数応答、が粒子サイズに依存するとの結論を導いた。

図６Ａ〜図６Ｃは、σ＝２［ｎｍ］のガウス分布を仮定した異なるサイズ（例えば直径）（図６Ａでは１０［ｎｍ］、図６Ｂでは１５［ｎｍ］、図６Ｃでは２０［ｎｍ］）の粒子に対する周波数の関数として、酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率（Ｘ＝Ｍ／Ｈ）の理論計算値をプロットしたものである。磁化率の実部Ｘ_ｒが粒子の磁気誘導の責任を負う一方、虚部Ｘ_ｉは発熱に寄与する。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、Ｘ_ｒ及びＸ_ｉ双方は、２０［ｎｍ］の酸化鉄粒子のＤＣ値に正規化される。図６Ａ〜図６Ｃは、１０［ｎｍ］の極めて小さな粒子を除いて、磁性粒子の磁化率Ｘ_ｒが周波数とともに急速に低下し、１［ｋＨｚ］を超える高周波数において減少することを示す。これらの計算は、小さな磁性粒子の方がＡＣ磁化に有利であることを意味する。しかしながら、粒子の全磁気モーメントはその体積に比例するので、大きな粒子（例えば１０［ｎｍ］より大きい直径）の方が、これらの大きな粒子が膜４０の孔（例えば平均約２００［ｎｍ］）を通って移動できる限り、ラテラルフローのための磁気プローブとして有利に使用される。所定の実装例において、大きな粒子（例えば１０［ｎｍ］より大きい直径）に対して周波数とともに感受性が低下することに鑑み、かかる粒子に対しては小さな周波数（例えば１［ｋＨｚ］未満の周波数）を有利に使用することができる。所定の実装例において、粒子サイズ及び周波数は、所望の性能（例えば、磁化率、膜細孔を通る移動性）を与えるように選択される（例えば最適化される）。

所定の実装例において、信号の帯域幅は、機械的振動のピーク速度（例えばタイミング）に依存する。図７Ａは、ここに記載される所定の実装例に係る、動作が方向を反転するときのゼロ速度における一定のヒステリシス（例えばタイムラグ）を有する閉ループ振動システムの台形速度プロファイルの一例を模式的に示す。単一の振動周期において、ピーク速度の時間スパンは当該周期の一部分にすぎないので、ここに記載される所定の実装例では、テストライン４２ａは当該振動のピーク速度で磁場センサ（例えば装置１０）を通過し、信号が最大限になる。このような所定の実装例において、信号は、図７Ｂに模式的に示されるような、速度プロファイルに同期した規則的なパルス列となる。

所定の実装例において、センサ信号の時間平均化は、振動に同期して振動運動コントローラ（例えば第１コントローラ６０）によって生成されるトリガ信号によってトリガされる。かかるトリガされた時間平均化は、ノイズ低減を目的とするロックイン増幅と等価であり、所定の実装例において、機械的ヒステリシス（例えばタイムラグ）が、平均化の正確なタイミングのための閉ループ制御パラメータを最適化（例えばＰＩＤ）することによって低減（例えば最小化）され、その結果、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂのｙプロファイルにおける信号対ノイズ比及び空間分解能を低下させるピーク広域化が低減（例えば防止）される。図７Ｃは、ここに記載される所定の実装例に係る４［Ｈｚ］での圧電振動システムにより駆動される数百の振動の、測定された一連のヒステリシスのプロットである。図７Ｃのプロットは、タイミングにおける約１％の誤差をもたらす２〜３［ｍｓ］の平均機械的ヒステリシスを示し、ここに記載される所定の実装例において許容可能である。

図８Ａ〜図８Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。図８Ａ〜図８Ｄに対し、バックグラウンド電気ノイズを調べるべく、ブランクのラテラルフローストリップ（例えばアッセイが行われておらず磁性粒子が存在しないラテラルフローストリップ）が試験された。図８Ａは、高周波数ノイズが重畳された典型的な１／ｆタイプのノイズを示す生信号のプロットである。図８Ｂは、生信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ノイズスペクトルのプロットであり、ここで５０［Ｈｚ］でのノイズレベルは−６５［ｄＢ］である。図８Ｃは、１０００回の平均後の信号のＦＦＴノイズスペクトルのプロットであり、ここで５０［Ｈｚ］でのノイズレベルは−９５［ｄＢ］まで低下し、ここに記載する所定の実装例におけるノイズ低減スキームの有効性を示す。図８Ｄは、平均数の増加に伴うノイズの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値の急速な低下を示すプロットであり、１０００回後にプラトーとなる。４［Ｈｚ］の振動周波数によれば、測定は終了まで４分かかり、迅速な試験に十分な速さである。

図９Ａ〜図９Ｃは、ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。図９Ａは、サンプル溶液中ｈＣＧ濃度が０．１［ｎｇ／ｍｌ］のテストストリップの写真である。０．１［ｎｇ／ｍｌ］の濃度では、ラテラルフローテストライン４２ｂは、人間の目にはまったく見えない。図９Ｂは、１／ｆノイズ及び高周波ノイズによって支配される生センサ信号のプロットであり、テストライン信号はノイズに深く埋まっている。図９Ｃは、ここに記載されるノイズ低減技法に従うことによって得られる回復テストライン信号のプロットである。ここで報告される信号は、出力がエネルギーに対して直線性を有するフォトダイオードなどの光センサと整合するべく、Ｖ^２／Ｒとして計算されるワット単位の電力である。ここで、Ｖは電圧信号振幅であり、Ｒはセンサのインピーダンスである。ここに記載される特定の実装例における機械的振動変調及び同期時間平均化のスキームは、回復テストライン信号が図９Ｃに示されるようなきれいな鋭いピークとなるように、十分に機能する。図９Ｄは、電圧信号のＦＦＴスペクトルのプロットであり、周波数ドメインに明確なピークを示す。このピークは、約２５［Ｈｚ］のところにあり、約５０［Ｈｚ］の半値幅、及び３０［ｄＢ］の良好な信号対ノイズ比を有する。ここに記載される所定の実装例に係る方法は、０．０１［ｎｇ／ｍｌ］までのｈＣＧを検出することができる。かかる感度は、ＴＭＲセンシング（例えば非特許文献２を参照）及び蛍光センシング（例えば特許文献８を参照）双方を含む従来報告されたｈＣＧアッセイよりも２桁優れている。

所定の実装例において、リニアステッパ（又はＤＣ）モータサブステージ５２はまた、テストライン及びコントロールラインに沿った（例えばＸ方向に沿った）スキャン動作も与える。空間的に分解された信号を得るときのＭＲセンサ２０の小型化の利点が、膜４０を磁場センサ２０に対し、プログラムされたｘｙスキャンをすることによって示される。図１０は、ここに記載される所定の実装例に係る動作プログラムの幾何学的セットアップ及びブロック図の一例を模式的に示す。膜４０は、テストライン４２ａ及びコントロールライン４２ｂを有する。磁化場Ｈは、膜４０の平面に直交する。所定の実装例において、運動制御プログラムは、ｙ方向に沿った信号ピークの箇所を決定することにより、膜４０ｂの上半分におけるコントロールライン４２ｂを自動的に探索する。その後、膜４０がｘ方向に沿ってステップ状に移動する一方、ステージ５０は制御ライン４２ｂに沿ったセンサのｘｙスキャンをもたらすべく周期的な振動を与える。その後、プログラムは、膜４０をテストライン４２ａの位置まで規定距離だけ移動させ、テストライン４２ａに沿ってｘｙスキャンを行う。スキャン速度、ステップサイズ、及び／又はトリガされた平均の数は、信号強度に応じて変わり得る。所定の実装例において、結果は、テストライン及びコントロールライン４２ａ、４２ｂ信号の２Ｄマッピングである。これは、ラテラルフローアッセイにおいて、従前の磁気感知システムによっては利用不可能である。ここに記載されるように、磁性粒子は、ラテラルフロー膜の孔に捕捉されて非特異的バックグラウンド信号に寄与し得る。ここに記載される所定の実装例は有利なことに、テストライン４２ａにおける結合粒子とバックグラウンドにおける非結合粒子とを区別するので、アッセイの特異性、信頼性及び定量が改善される。

図１１Ａ〜図１１Ｂは、ここに記載される所定の実装例に係るｈＣＧ濃度が１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］それぞれのｈＣＧアッセイのテストライン４２ａの磁気２Ｄマッピングの例を示す。図１１Ｃ〜図１１Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係るｃＴｎＩ濃度が１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］それぞれのｃＴｎＩアッセイのテストラインの磁気２Ｄマッピングの２つの例を示す。（例えばテストライン４２ａに沿った）ｘ方向のスキャンは０．１［ｍｍ］のステップで移動し、各ステップには、（例えばテストライン４２ａに直交する）ｙ方向の振動に同期した５０個のトリガ平均が与えられる。グレースケールは信号強度を表し、そのスケール（電力単位）はスケールバーによって示される。図１１Ｂにおける（２本の点線で示される）テストライン領域外側のスミアバックグラウンドは、膜４０にトラップされた非結合磁性粒子に起因する可能性が高い。ｃＴｎＩアッセイにおいて、アッセイ後に非結合磁性粒子を低減する（例えば、削除する、追い払う）ための付加的な洗浄ステップが採用される。その結果、同じ抗原濃度の図１１Ｄは、無視できるスミアバックグラウンドを示す。図１１Ａのテストラインは肉眼で見えるが、図１１Ｂ〜図１１Ｄの他の３つのテストラインは肉眼では見えない。膜の写真を含む２つのアッセイのさらなる詳細が、例１及び例２を記載するセクションに記載される。また、これらの例における５０という平均数は、図８Ｄにおいて実証されたノイズ低減能力を完全には達成してはいないが、高い感度が望まれる場合には、所定の実装例において、これよりも多くの平均数を使用することができる（例えばこれに対応して取得時間が長くなる）。これらの例が強調するのは、所定の実装例において、テストラインが肉眼では見えないほどの低い抗原濃度に対しても磁気センシングの感受性が高いことであり、従前には利用不可能な特徴（例えば膜にトラップされた非結合磁性粒子、及び／又は捕獲抗体のプリンティング中のようなテストライン調製における不均一性）が示され得る。これにより、ラテラルフローアッセイ開発者が隠れた因子を特定し、アッセイ製造者が品質管理を改善することが補助される。

ここに記載される２Ｄマッピング法は、ラテラルフローアッセイにおけるテストライン４２ａ及びコントロールライン４２ｂを測定するアプリケーションに限られない。複数のアッセイフォーマットにおいて、磁性ナノ粒子は、固体表面上にスポットされたドットの２Ｄアレイ上に固定され得る。ドットの２Ｄアレイの利点は、各ドットが異なる分析物に特異的な生物学的検出を有するように設計することができる点にある。これにより、多重アッセイが得られる。

アッセイの例

以下の記載は、ここに記載される所定の実装例の、サンプル、検出及び捕捉リガンド、並びに磁気プローブを含む様々なコンポーネントに関する情報と、アッセイの例及び標準的な比色ラテラルフローリーダーとの比較の例とを与える。

図１２は、ここに記載される所定の実装例に係るラテラルフローアッセイを模式的に示す。コンポーネントは、膜４０、検出リガンド及び捕捉リガンド、磁気プローブ、ウィッキングパッド、バッキングカード、サンプルパッド、及び接合パッドを含む。図１２はまた、関心サンプルが存在しても又は存在しなくてもよい標的分析物を模式的に示す。ラテラルフローアッセイはまた、すべてのコンポーネントを一緒に保持して流動を促進するべく、カセット４４又はホルダーの中に収容されてよい。所定の実装例において、膜４０、検出リガンド及び捕捉リガンド、並びに磁気プローブのみがアッセイのために含まれる一方、所定の他の実装例はまた、ウィッキングパッド及びバッキングカードも含み、必要に応じて他のコンポーネントも含み得る。

試験中、（ここに記載される）サンプルは、サンプルパッドに適用されるか、又は（例えば膜４０を試料に浸漬することによって）膜上に直接適用される。液体は、ウィッキングパッドの存在によって維持される毛管作用を介してアッセイを通して引き上げられる。接合パッドが存在する場合、サンプルは、検出リガンドにより機能化された磁気プローブに遭遇し得る。アッセイに接合パッドが存在しない場合、磁気プローブを、緩衝液とともにサンプルと混合してよい。サンプルに分析物が存在する場合、それは磁気プローブに結合して（ここに記載される）結合複合体を形成し得る。結合複合体は、アッセイを通して移動し続けると、ここに記載されるように当該アッセイの中の捕捉リガンドによって捕捉ゾーンに固定されるので、当該アッセイは、当該アッセイが乾燥する前又は後に分析することができる。

ラテラルフローアッセイは、一以上の捕捉ゾーンを有し得る。いくつかの実装例において、２つの捕捉ゾーンが存在し得る。第１の捕捉ゾーンは、標的分析物の存在又は非存在を示すように設計することができ（例えばテストライン）、第２の捕捉ゾーンは、アッセイが動作可能であることを示すように設計することができる（例えばコントロールライン）。例えば、サンドイッチアッセイフォーマットにおいては、図１２に示されるように、テストライン捕捉ゾーンは、標的分析物に特異的な固定された捕捉リガンドを含み得る。所定の実装例において、別個の（例えば異なる）標的分析物の存在又は不存在を示すようにそれぞれが設計された２つのテストラインが存在し得る。複数の標的分析物を同時にアッセイするための他の可能なアッセイフォーマットを、他の所定の実装例において使用することができる。

ラテラルフローアッセイは、関心分析物を含有してよく又はしなくてもよいサンプルを含み得る。ここで、「標的分析物」、「関心分析物」等の用語は、サンプルに存在する場合になんらかの意味を有し得る分子又は部位を称する。例えば、標的分析物は、食品を汚染し得る病原体由来のＤＮＡ断片としてよい。標的分析物は、ラテラルフロー試験の意図されたアプリケーションに応じて多くの分子を含んでよい。例えば、ヒト又は動物の診断用途を目的として、標的分析物は、抗体又は他のタンパク質と、ペプチドと、一本鎖及び二本鎖のＤＮＡ及びＲＮＡを含む核酸並びにこれらの断片（例えばオリゴ）と、多糖類と、阻害剤又はホルモンのような小分子と、タンパク質／ＲＮＡ複合体のようなこれらの組み合わせとのような、生物学的分子としてよい。所定の実装例において、サンプル中のかかる分子の存在又は不存在を特定することは、疾患、感染性等、又は妊娠若しくは遺伝子突然変異のような身体に影響を及ぼし得る他の状態を示し得る。他例として、食品、水、土壌、空気、又は他の環境物質の汚染の試験において、関心分析物は、ウイルスＲＮＡのような食品媒介病原体マーカー、毒素及び有機化合物を含む小分子、又は重金属を含み得る。所定の実装例は有利なことに、環境の危険性を迅速に特定する。最後の例として、関心分析物は、依存性薬物の試験と同様に、合成的に誘導してもよい。これらの例の各々において、ラテラルフローアッセイの使用は、従来の試験方法よりも迅速な結果（例えば、６分未満の測定時間）を可能にすることができるので、望ましくなり得る。

ラテラルフローストリップに適用されるサンプルは、関心分析物を含んでいてもよく又は含んでいなくてもよい。サンプルは、生物学的に誘導されてもよく又はされなくてもよく、標的分析物とは別の多くの別個の（例えば異なる）分子又は部位を含んでもよい。所定の実装例において、サンプルは、ヒト、動物、植物、真菌、酵母、細菌、組織培養物、ウイルス培養物、又はこれらの組み合わせに由来する物質を含み得る。サンプルはまた、食品、水、土壌、空気、若しくは他の環境物質からの抽出物を含み、又は合成物質からの抽出物を含み得る。ヒト由来サンプルの例は、全血、血清、血漿、尿、便、唾液、頬スワブ及び他の組織試料、発汗等を含むが、これらに限られない。所定の実装例において、サンプルは、ラテラルフローアッセイフォーマットに適合するようにするべく、又は干渉分子エンティティを除去するべく、なんらかの方法で操作することができる。例えば、全血を、血清のみが膜に適用されるように濾過することができ、又は食品サンプルを、これらの成分分子エンティティがストリップを上に流れることができるように溶解することができる。サンプルは、添加剤で修飾してもよく、当該添加剤は試験前にサンプルに直接添加しても、サンプルパッド上に添加してもよい。かかる添加物は、とりわけ、ｐＨを調節するべく（例えば緩衝液）、抗体結合を支持するべく（例えば塩）、又は非特異的相互作用を最小化するべく（例えば界面活性剤、ブロック剤）、使用することができる。

所定の実装例において、サンプルは、ここに列挙される臨床的、環境的、又は他の関連サンプルの一以上を複製するべく人工的に混合された成分を含み得る。所定の実装例は、アッセイ開発のためのツールのような人工サンプルを使用する。かかるサンプルにおいて、標的分析物の濃度は、可能なアッセイ結果を試験するように制御することができる。他のサンプルと同様に、人工的に誘導されたサンプルも、標的分析物とは別の多くの別個の分子又は部位を含み得る。アッセイ開発の場合、そのように含めることにより、その存在によって引き起こされる交差反応性又は干渉に関する情報が得られる。

検出リガンド及び捕捉リガンドは、生物学的に誘導されるか又は合成的に誘導されるかにかかわらず、関心分析物に強く及び／又は特異的に結合し得る任意の分子としてよい。所定の実装例において、検出リガンドは、プローブ（例えば磁性粒子プローブ）に付着した分析物結合分子を称する。検出リガンドをプローブに付着させるプロセスは、接合又は標識としても知られる。捕捉リガンドは、膜４０上の捕捉ゾーンに（例えばプリンティングにより）局在する分析物結合分子を称する。ここで、分析物の特異的結合は、検出リガンド・分析物結合に相補的に生じる。「特異的に結合」、「特異的結合」等の用語は、その合理的な通常の意味を有し、一つの結合分子又は部位が、溶液又はサンプル中の他の分子又は部位と比べて第２の分子又は部位に優先的に結合し得ることを含むが、これに限られない。例えば、抗体は、所定の抗原に特異的に結合し得る。

検出リガンド及び捕捉リガンドの正確な組成は、関心分析物とアッセイのタイプ（サンドイッチ、競合等）とに依存し得る。競合アッセイにおいて、検出リガンドは、関心分析物のみを含んでよい。様々な実装例において、アッセイは、検出リガンド及び捕捉リガンドが関心分析物に相補的に結合するサンドイッチアッセイの慣例に従い得る。

所定の実装例において、検出リガンド及び捕捉リガンドは、結合対の一メンバーとなり得る。ここで使用される、「結合対」との用語は、その合理的な通常の意味を有し、互いに特異的に結合して結合複合体を形成する相補的分子又は部位の対を含むがこれに限られない。結合対の第２のメンバーは、分析物、磁気プローブ、又は他のアッセイコンポーネントとしてよく、これらのコンポーネントを修正するべく使用してよい。このようにして、結合対を使用して、分析物、磁気プローブ、及びアッセイの間に結合複合体を形成することができる。結合複合体はその後、分析物がここに記載される所定の実装例に従って検出されることを許容する。適切な結合対の例は、抗体／抗原対、リガンド／受容体対、酵素／基質対、ビオチン／アビジン、ビオチン／ストレプトアビジン、及び抗体又は受容体の抗原又はリガンド結合断片を含むが、これらに限られない。所与のアッセイのための結合対は、関心分析物とアッセイのタイプとによって決定することができる。

所定の実装例において、検出リガンド及び捕捉リガンドを抗体としてよく、目標分析物を抗原としてよい。サンドイッチアッセイにおいて、捕捉抗体は、抗原の一エピトープに結合するが、このエピトープは、磁気プローブ上の検出抗体に結合するエピトープに対して相補的（例えば非オーバーラップ）である。このように、抗原は、磁気プローブ及び捕獲リガンドの双方に結合することができるので、テストラインで検出される。

ここに記載される所定の実装例において使用される磁気プローブは、ここに記載される磁気特性を有する磁性粒子である。磁気プローブは、標的分析物に特異的に結合するべく検出リガンドと接合し得る。所定の実装例において、接合は、検出リガンドとしてここに記載の結合対の一メンバーを含み得る。捕捉ゾーンにプリントされた捕捉リガンドが、検出リガンドの結合対に対する相補的結合対の一部となり、標的分析物が、磁気プローブ上の捕捉リガンド及び検出リガンドの双方に結合することが許容される。

所定の実装例において、磁気プローブは、共有結合を介して特異的結合部位（例えば検出リガンド）によって機能化することができる。かかるプロセスは、官能化とも称される。共有結合は、結合部位と磁気プローブ表面との反応によって、又は結合部位と磁気プローブ表面に予め添加されている官能基（例えばＣＯＯＨ基）との反応によって、達成することができる。共有結合官能化は、広範囲のアッセイ条件にわたって安定となり得る。他の実装例において、特異的結合部位は、アッセイ条件下で磁気プローブ表面に安定かつ非共有結合的に会合させることができる。非共有結合会合のメカニズムは、非特異的吸着、静電相互作用、疎水性相互作用、水素結合相互作用、又はこれらの組み合わせを含み得る。

いくつかの実装例において、磁気プローブの表面は、特異的結合部位による官能化前に修飾され得る。いくつかの例において、磁気プローブの表面は、特異的結合部分による官能化を促進するように設計された層によって、コーティング又は官能化され得る。例えば、デキストラン、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、又は他の類似物質の層により、磁気プローブ表面との特異的結合部位の会合を促進することができる。他例として、カルボキシル基により末端官能化されたポリマーを磁気プローブ表面に結合させて、ＥＤＣ／ＮＨＳ反応によるタンパク質（例えばストレプトアビジン）への共有結合を許容することができる。いくつかの実装例において、表面は、磁気プローブの溶解度を改善するべく構成された界面活性剤によってさらに修飾することができる。いくつかの実装例において、磁気プローブの化学的安定性の改善（例えば凝集の防止）を意図して磁気プローブの表面を、ポリマーのような不動態化層、又はウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）のような小さなタンパク質によって修飾することができる。

所定の実装例において、磁気プローブは、非特異的相互作用を低減又は防止するべく、特異的結合部位との結合後にブロックされ得る。ここで使用されるように、「非特異的相互作用」は、その合理的な通常の意味を有し、相互作用することが意図されないアッセイコンポーネント（例えば磁気プローブ及び捕獲リガンド）間の結合を含むが、これに限定されない。非特異的相互作用は、偽の試験結果（例えばサンドイッチアッセイフォーマットでは偽陽性）をもたらす可能性があるので、可能な限り回避される。磁気プローブのブロックは、追加の非反応性分子又は部位とプローブ表面との会合に関与し得る。ブロック部位の例は、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、Ｔｗｅｅｎ−２０、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００、カゼイン、「無関係な」免疫グロブリン（例えば他のアッセイコンポーネントに結合しない免疫グロブリン）、魚の皮膚ゼラチン、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、非特異的血清（例えば馬や魚）、市販のブロック剤、又はこれらの組み合わせを含むその他のものを含むが、これらに限られない。最適なブロック処方は、アッセイ開発中に経験的に決定することができる。

いくつかの実装例において、磁気プローブは、接合パッドに適用され得る。例えば、磁気プローブがサンプル溶液に接触すると直ちに再溶解することを意図して、磁気プローブを可溶化状態で塗布した後に乾燥させることができる。磁気プローブ溶液は、噴霧、ピペッティング、浸漬、又は他の方法によって接合パッドに適用することができる。所定の実装例において、適用される磁気プローブ溶液は、ｐＨ制御のための低濃度の緩衝液、及び再溶媒和の増強のための低濃度の炭水化物を含有し得る。最適な含量、適用量及び適用方法は、アッセイ開発中に経験的に決定することができる。

ここに記載される所定の実装例の感度が、比色リーダーとして知られる従来の光学ベースのアッセイリーダーよりも向上していることを実証するべく、いくつかの代表的なラテラルフローアッセイを使用することができる。これらの例における「検出限界（ＬＯＤ）」との用語は、その合理的な通常の意味を有し、標的分析物が検出され得る最低濃度であって、サンプル又は溶液が標的分析物のない溶液から明確に区別され得る最低濃度を含むが、これに限られない。「感度」との用語は、その合理的な通常の意味を有し、当該濃度の反比例を含むがこれに限られない。例えば、高感度とは、低濃度を検出することができる能力を称する。いくつかの場合において、磁気プローブは、標的分析物が存在しないときに捕捉ゾーンに結合することができ、これらの例では非特異的結合と称される。大量の非特異的結合は、真の陽性試験の区別を困難にするので、アッセイの全体的な感度を低下させ得る。

例１：ｈＣＧアッセイ

例１において、妊娠指標のヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）の用量反応曲線が生成された。用量反応曲線は、アッセイの感度を決定するべく、又はサンプル中に存在する抗原の量を定量するべく使用することができるアッセイシグナル対抗原濃度のプロットである。この感度は、アッセイシグナルが飽和点に到達するまでの濃度によって定義され、例えば、当該シグナルが次の最低濃度では変化しない又はほとんど変化しない濃度によって定義され得る。

ハーフストリップラテラルフローアッセイを設計し、以下のように組み立てた。アッセイは、膜、２つの抗体捕捉ゾーン、抗体官能化磁気ナノ粒子、バッキングカード、及びウィッキングパッドを含んだ。ニトロセルロース膜の、（例えば４［ｃｍ］の距離を流れる）毛管流速は１２０［ｓ］であった。第１の捕捉ゾーンは抗ｈＣＧ一次抗体であり、第２の捕捉ゾーンはヤギ抗マウス二次抗体であった。各捕捉ゾーン抗体溶液が、１［ｍｇ／ｍＬ］の濃度で膜に適用された。これらは、ストリップを１［ｃｍ］間隔で横切る２つのラインに噴霧された。引き続いての調整ステップであるベーキング、ブロッキング、乾燥、バッキングカード及びウィックパッドとの組み立て、切断等は、ラテラルフローアッセイにおける標準的な慣例に従った。

抗体共役磁性金・鉄合金（Ａｕ−Ｆｅ）ナノ粒子を、このアッセイの磁気プローブとして使用した。動的光散乱（ＤＬＳ）によって測定した磁気ナノ粒子の平均サイズは１５０［ｎｍ］であった。ナノ粒子溶液の粒子質量濃度は３［ｍｇ／ｍｌ］であった。表面官能化磁性ナノ粒子が、第１の捕捉ゾーンに使用されるものと相補的な１［ｍｇ／ｍＬ］のマウス抗ｈＣＧ一次抗体溶液と、１：１の体積比で混合された。反応後、ナノ粒子がウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）によってブロックされた。過剰な反応物を除去するべくナノ粒子・抗体接合体が遠心分離され、緩衝溶液中に再懸濁された。

用量反応曲線を生成するべく、１００［ｎｇ／ｍＬ］から０［ｎｇ／ｍＬ］までの種々の濃度の抗原ｈＣＧを含有する７つの溶液が作られた。ナノ粒子凝集及び非特異的結合を低減又は防止するべく設計された少量のＴｗｅｅｎ‐２０を含有する緩衝液において、ｈＣＧが希釈された。各抗原溶液５０［μＬ］が、９６個のウェルプレートの別々のウェルにピペット注入された。その後、（約１．２［ｍｇ／ｍＬ］の）接合された磁性粒子１０［μＬ］が各ウェルに添加された。膜が部分的に混合物中に浸漬されてウィッキングパッドがウェルから突出するように、一つのラテラルフローストリップが各ウェルに配置された。液体がストリップを１５分間流れるように許容され、その後、当該ストリップが取り出され、少なくとも１時間乾燥させた後、さらなる分析が許容された。

図１３は、異なるｈＣＧ濃度の７つの得られたラテラルフローストリップの写真を示す。ストリップの下半分における灰色のラインは第１の捕捉ゾーン（例えばテストライン）である。これはｈＣＧ抗原に結合し、十分な濃度の抗原が存在して磁気プローブに結合するときにのみ可視となる。ストリップの上半分における黒いラインは第２の捕捉ゾーン（例えばコントロールライン）である。これは、抗体官能化磁気ナノ粒子に直接結合し、試験が適切に機能していることを示すために使用される。わかることだが、ｈＣＧ濃度が低下すると、テストラインの視認性は急速に低下する。１［ｎｇ／ｍｌ］においてテストラインは、肉眼でほとんど見えない。０．１［ｎｇ／ｍＬ］において色は、比色検出器によって検出することはほとんどできない（下記参照）。

アッセイ試験ストリップが、標準の比色ラテラルフローリーダー、及びここに記載される所定の実装例に係る磁気リーダーの双方を使用して測定された。図１４Ａ〜図１４Ｂは、比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係る用量反応曲線それぞれのプロットを示す。比色リーダーによって生成された曲線は０．０１［ｎｇ／ｍＬ］の濃度でプラトーを示すので、検出限界（ＬＯＤ）は、０．１［ｎｇ／ｍＬ］すなわち１００［ｐｇ／ｍＬ］となる。ここに記載される所定の実装例に従って生成された曲線は、試験した濃度にわたってプラトーを示さない。０［ｎｇ／ｍＬ］における信号は、０．００１［ｎｇ／ｍＬ］における信号と近似的に同じである（０．０５［μＷ］）。これらの濃度の双方における信号は、テストラインへの磁性粒子の非特異的結合に起因し得る。０．０１［ｎｇ／ｍＬ］における信号（０．１μＷ）は、非特異的結合の信号よりも著しく高いので、ここに記載される所定の実装例に係るシステムによるこのｈＣＧアッセイのＬＯＤとみなされ、このアッセイの感度は、標準の比色リーダーと比べて１桁、肉眼と比べて２桁改善されたことを示す。

ここに記載される所定の実装例に係るシステムの信号のダイナミックレンジは、標準の比色リーダーシステムによる２桁の大きさと比べて、５桁の大きさである。ここに記載される所定の実装例に係るシステムの（例えば０．００１［ｎｇ／ｍｌ］及び０［ｎｇ／ｍｌ］における）非特異的結合信号は依然として、１０よりも大きい（例えば２０を超える）信号対ノイズ比を有する。比色リーダーシステムにおいて、これらのストリップのテストラインは完全に検出不能である。したがって、ここに記載される所定の実装例に係るシステムの感度は、ここに記載される所定の実装例に係るシステムによってではなく、テストラインにおいて磁性粒子の非特異的結合を残す不完全な結合化学構成によって制限される。

例２：ｃＴｎＩアッセイ

例２において、ここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して、心臓損傷バイオマーカー心臓トロポニンＩ（例えばｃＴｎＩ）に対する用量応答曲線が生成された。ｃＴｎＩと、心臓トロポニン複合体の他のサブユニットｃＴｎＴとが、急性心筋梗塞（例えば心臓発作）及び他の心臓損傷の診断に対するマーカーとして確立されている。現在のところ、高感度心筋トロポニンアッセイの検出限界は約０．０１［ｎｇ／ｍＬ］であり、症状発現後１から３時間以内の心筋損傷の検出が許容される。感度の低いアッセイでは、症状発現から３〜６時間以内にのみこのような損傷を検出できる。すなわち、ｃＴｎＩアッセイが臨床的に関連するためには、０．０１［ｎｇ／ｍＬ］のオーダーの検出限界を有することが有利となり得る。しかしながら、かかる感度は、光学的測定を利用するラテラルフローアッセイにおいて達成することは困難である。ここで示されるのは、ｃＴｎＩラテラルフローアッセイの感度が、ここに記載される所定の実装例に係る磁気検出器粒子を使用して改善することができるということである。

ハーフストリップラテラルフローアッセイが、いくつかの変更点を有して例１において上述されたように生成された。ニトロセルロース膜の毛管流速は（例えば４［ｃｍ］の距離に対し）８０［ｓ］であった。第１の捕捉ゾーン（例えばテストライン）は抗ｃＴｎＩ一次抗体であり、１．５［ｍｇ／ｍＬ］の濃度で適用され、第２の捕捉ゾーン（例えばコントールライン）はヤギ抗マウス二次抗体であり、１［ｍｇ／ｍＬ］の濃度で適用された。２つのラインが１［ｃｍ］の間隔でプリントされた。引き続いての調整ステップであるベーキング、ブロッキング、乾燥、バッキングカード及びウィックパッドとの組み立て、切断等は、ラテラルフローアッセイにおける標準的な慣例に従った。

磁性金・鉄合金（Ａｕ−Ｆｅ）ナノ粒子を抗ｃＴｎＩ一次抗体と接合させ、このアッセイにおける磁気プローブとして使用した。表面官能化磁気ナノ粒子が、第１の捕捉ゾーンに使用されるものに相補的な１［ｍｇ／ｍＬ］のマウス抗ｃＴｎＩ一次抗体溶液とともに１：１の体積比でインキュベートされた。反応後、粒子がウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）でブロックされ、その後、遠心分離により過剰の反応物が除去された。

用量反応曲線のために、ｃＴｎＩ抗原の異なる濃度をそれぞれ含む８つの溶液が、１００［ｎｇ／ｍＬ］から０［ｎｇ／ｍＬ］までの連続希釈により調製された。ｃＴｎＩが、非特異的結合を低減又は防止するべく設計された少量のＴｗｅｅｎ‐２０を含有する流動緩衝液中で希釈された。各抗原溶液５０［μＬ］が、９６ウェルプレートの別々のウェルにピペット注入された。その後、（約１［ｍｇ／ｍＬ］の）接合体５［μＬ］が各ウェルに添加され、混合物がピペットチップにより撹拌された。膜が部分的に浸漬されてウィッキングパッドがウェルから突出するように、一つのラテラルフローストリップが各ウェルに配置された。液体がストリップを１０分間流れるように許容された。その後、ストリップが取り出され、直ちに、抗原を含有しない流動緩衝液５０［μＬ］を含有する新しいウェルに移された。この追跡ステップは、テストラインへの及び膜への磁気プローブの非特異的結合を低減するのを補助するべく含められた。さらに１０分の後、ストリップが取り出され、少なくとも１時間乾燥された後のさらなる分析が許容された。

図１５は、異なるｃＴｎＩ濃度の８つのラテラルフローストリップの写真を示す。ストリップの下半分のラインがテストラインであり、ストリップの上半分のラインがコントロールラインである。テストラインの視認性は、サンプル中に存在するｃＴｎＩ抗原の存在及び量の迅速な尺度となる。視覚上、テストラインのみが、１０［ｎｇ／ｍＬ］の濃度までは肉眼で識別できる。

各ストリップが、標準の比色ラテラルフローリーダー、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムの双方を使用して分析された。各ストリップが、比色リーダーによって一回測定された。各ストリップが、ここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して３回測定され、信号が各ｃＴｎＩ濃度において平均化された。

図１６Ａ〜図１６Ｂはそれぞれ、標準比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して得られた用量反応曲線を示す。比色リーダーは、このシステムに対して１［ｎｇ／ｍＬ］の検出限界を有する（図１６Ａ参照）。これは、低濃度に対する信号が互いにほぼ等しいことと、ラインが見えないときに０〜１５［ｍＶ］の間で変化するデバイス検出下限に極めて近いこととによる。０．００１［ｎｇ／ｍＬ］における比較的高い信号は、比色リーダーを使用するとテストライン信号と容易に判別できない膜表面のスクラッチによって引き起こされた可能性がある。ここに記載される所定の実装例に係るシステムが当該従来のリーダーを改善する一つの方法は、磁気信号強度が当該光学的欠陥によって影響されないことである。

ここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して測定されたこのアッセイの検出限界は、図１６Ｂに示されるように０．１［ｎｇ／ｍＬ］である。ｃＴｎＩアッセイを臨床的に関連させるには、検出限界は０．０１［ｎｇ／ｍＬ］のオーダーとなり得る。ここに記載されるアッセイ結果は、この仕様を満たさない。しかしながら、ｃＴｎＩアッセイ感度は、ここに記載される所定の実装例に係るシステムの検出能力よりもむしろ、当該アッセイの化学構成によって制限される可能性が高い。図１６Ｂにおいて、０．１［ｎｇ／ｍｌ］未満のプラトー領域における信号対ノイズ比は、依然として２０よりも大きい。この結果が示唆するのは、アッセイ化学構成が改善されれば（例えば非特異的結合の低減、及び／又はナノ粒子若しくはテストラインへのｃＴｎＩ結合の効率の増加）、アッセイの感度が増加し得るということである。かかる改良は、比色リーダーにおいては利用可能とはならない。ブランク信号（９［ｍＶ］）がすでに当該リーダーの雑音範囲内にあり（約０〜１５［ｍＶ］）、スクラッチ又は汚れのような任意の光学的欠陥が色信号を乱すからである。すなわち、ここに記載される所定の実装例に係るシステムは、アッセイ化学構成の徹底的な発展があれば、比色リーダーよりも大幅な感度の改善を許容し得る。

例３：ストレプトアビジン／ビオチンアッセイ

例３において、ここに記載される所定の実装例に係るシステムが、ハーフストリップラテラルフローアッセイと併せて使用され、ストレプトアビジンの磁性Ａｕ−Ｆｅナノ粒子への結合効率が評価された。ハーフストリップアッセイは、例１に記載したのと同じ方法を使用して生成し、捕捉ゾーンの組成及び箇所のみが異なっていた。この例において、コントロールライン及びテストラインは双方とも、ビオチン化ウシ血清アルブミン（ビオチン・ＢＳＡ）を含み、コントロールラインは著しく高いビオチン・ＢＳＡ濃度（０．５［ｍｇ／ｍＬ］）を有していた。テストラインのビオチン・ＢＳＡの濃度は０．１〜１０［μｇ／ｍＬ］の間で変動した。ビオチン・ＢＳＡが選択されたのは、ビオチンとストレプトアビジンとの間の強い結合相互作用と、分子がニトロセルロース膜に強く結合することを許容するＢＳＡの比較的高い分子量とによる。コントロールライン及びテストラインは近似的に６［ｍｍ］離れていた。

磁性Ａｕ−Ｆｅナノ粒子が、例１及び例２と同様の方法でストレプトアビジンと接合された。接合体が、ラテラルフローを使用して試験された。５［μＬ］の接合体と５０［μＬ］の流動緩衝液（１×ＴＢＳ＋１％Ｔｗｅｅｎ−２０）とが９６ウェルプレートの一つのウェル内で混合され、ハーフストリップ試験紙アッセイがそこに挿入され、１５分間の毛管流が許容された。再現性を確立するべく、ビオチン・ＢＳＡの３つのテストライン濃度０．１、１及び１０［μｇ／ｍＬ］それぞれが３回試験された。図１７は、異なるビオチンＢＳＡ濃度における３つの代表的ストリップの写真を示す。１［μｇ／ｍＬ］においてテストラインは肉眼でほとんど見えなくなり、０．１［μｇ／ｍＬ］においてテストラインは見えなくなる。

９つのラテラルフローストリップが、従来の比色ラテラルフローリーダーとここに記載される所定の実装例に係るシステムとの双方を使用して測定された。各ストリップが、各デバイスにより３回測定され、各リーダーデバイスに関連付けられる変動が確立された。図１８Ａ〜図１８Ｂは、標準比色リーダーを使用した、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用した、各濃度における平均磁気信号及び光信号並びに近似平均ノイズ信号を示す。ここに記載される所定の実装例に係るシステムの信号のダイナミックレンジは、比色システムにとっての２桁の大きさと比べて、ノイズレベルを上回る５桁の大きさであった。図１８Ｂにおいて、０．１［μｇ／ｍｌ］での磁気信号の信号対ノイズ比が２０よりも大きい一方、比色信号の信号対ノイズ比は約２であり、これは低すぎて有効な測定のために受け入れることができない。０．１［μｇ／ｍｌ］のテストラインは、ブランクストリップと比べて、比色リーダーの検出限界をかろうじて上回っているが、同じテストラインからの磁気信号は、ブランクラインからの磁気信号よりも一桁以上強い。これは、再びであるが、ここに記載される所定の実装例に係るシステムの優れた感度を証明している。

図１９Ａ〜図１９Ｂはそれぞれ、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ２００の一例、及びこのボイスコイルリニアアクチュエータ２００を利用するシステム１００の一例を示す。ボイスコイルリニアアクチュエータ２００は、（例えば、図１９Ｂに示されるコントロールライン及びテストライン４２ａ、４２ｂに実質的に直交するｙ方向において）装置１０の磁場センサ２０に対するサンプル膜４０の振動を与えるように構成される。

図１９Ａにより模式的に示されるこのボイスコイルリニアアクチュエータ２００の例は、コイル２０４の軸方向２０６に沿って電導コイル２０４の中を延びる永久磁石２０２を含む。ＡＣ電流がコイル２０４に印加されると、起電力（ＥＭＦ）に応答して磁石２０２及びコイル２０４の一方又は双方の軸方向２０６に沿った（例えば前後の）振動が生じる。所定の実装例において、コイル２０４がフレーム（図示せず）に固定されて磁石２０２が振動の態様で動く一方、所定の他実装例において、磁石２０２がフレーム（図示せず）に固定されてコイル２０４が振動の態様で自由に動く。所定の実装例において、圧電アクチュエータと比べ、ボイスコイルリニアアクチュエータ２００は有利なことに、（ｉ）機械的ヒステリシスがほとんど若しくはまったくなく、（ｉｉ）動作周波数が高く（例えば１００［Ｈｚ］まで）かつ速度が高く（例えば数百［ｍｍ／ｓ］まで）、及び／又は（ｉｉｉ）ストローク長さが長い（例えば数センチメートル）となる。

所定の実装例において、ボイスコイルリニアアクチュエータ２００は、実質的な浮遊磁場を有する。この浮遊磁場は、磁場センサ２０により生成された信号の中に強力なバックグラウンド信号をもたらし得る。このような所定の実装例において、システム１００は、磁場センサ２０により生成された信号に影響を与える浮遊磁場の一部分を低減するべく構成された磁気遮蔽を含む。例えば、図１９Ｂにより模式的に示されるように、ボイスコイルリニアアクチュエータ２００は、磁石２０２及びコイル２０４を少なくとも部分的に包含する磁気遮蔽ハウジング２１０と、ステージ５０に機械的に連通するとともに、動くように構成された磁石２０２又はコイル２０４と機械的に連通するシャフト２２０とを含み得る。例えば、磁気遮蔽ハウジング２１０は、ミューメタル（例えば、磁気遮蔽を与えるべく構成されたＮｉ及びＦｅからなる合金）を含んでよく、シャフト２２０及びステージ５０は非磁性材料（例えばプラスチック）を含んでよい。所定の実装例において、ボイスコイルリニアアクチュエータ２００は、磁場センサ２０により生成される信号への浮遊磁場の影響を低減又は最小限にするように位置決めされ得る。例えば、軸方向の位置決めが、浮遊磁場をさらに回避するのに役立ち得る。磁場が左側の束及び右側の束に分割されることによって、磁場が存在しない中心エリアが残るからである。

図２０Ａ〜図２０Ｂは、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ、磁気遮蔽、及び軸方向の位置決めとともに使用される磁場センサ２０における時間平均バックグラウンドノイズのプロットの例を示す。図２０Ａは、相対的に短い時間（例えば０．２秒未満）にわたるバックグラウンドノイズを示す。図２０Ｂは、相対的に長い時間（例えば数百秒を超える）にわたるバックグラウンドノイズを示す。図２０Ａ〜図２０Ｂに示される相対的にクリーンなバックグラウンド信号は、ミューメタル遮蔽、及び軸方向の位置決めの有効性を示す。図２０Ｂに見えるように、時間平均バックグラウンドノイズのレベルは約０．０８［ｍＶ］の振幅であり、これは、圧電振動アクチュエータ（例えば図８Ｄを参照）により取得されたノイズレベルに匹敵する。

図２１Ａ〜図２１Ｈは、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用しての一連の測定値の例を示す。図２１Ａ〜図２１Ｆは、ｌｏｇ１０のステップで１００［ｎｇ／ｍｌ］から０．００１［ｎｇ／ｍｌ］までのｈＣＧ濃度による（例えば、例１に記載のように製造された）ｈＣＧアッセイ膜の測定値を示す（かかるｈＣＧアッセイ膜の写真については図１３を参照）。図２１Ｇはネガティブコントロールを示し、図２１Ｈは、ブランク膜による測定値を示す。これらの結果は、圧電アクチュエータを使用しての実装例と同じ感度を有する。

図２２Ａ〜図２２Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用しての、（例えば、例３に記載のように製造された）ストレプトアビジン／ビオチンアッセイ膜の一連の測定値の他例を示す。図２２Ａ〜図２２Ｃはそれぞれ、１０［μｇ／ｍｌ］、１［μｇ／ｍｌ］、０．１［μｇ／ｍｌ］の濃度のプリントされたビオチン・ＢＳＡによるストレプトアビジン／ビオチンアッセイ膜の測定値を示し、図２２Ｄは、ブランクサンプル（例えば０［μｇ／ｍｌ］）からの測定値を示す。特に、テストラインの視覚色が弱まる０．１［μｇ／ｍｌ］サンプル（かかるストリップの写真については図１７を参照）のクリアな検出が、比色検出と比べての、所定の実装例のシステム１００の優れた感度を実証する。

図２３は、ここに記載される所定の実装例に係る磁場センサ２０が膜４０の下方に配置された装置１０の一例を模式的に示す。所定の実装例において、この配列は、膜４０の頂部が同時の視覚検査及び光（比色）検出に対して露出され得るように、ラテラルフローカセットの設計が簡潔になる点で有利である。膜４０の厚さ（例えば、典型的には０．１［ｍｍ］〜０．５［ｍｍ］）により、膜４０の下方に位置決めされた磁場センサ２０の信号強度が低減されるが、装置１０は依然として十分な感度を示す。

図２４Ａ〜図２４Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係る一連の膜４０の下方に配置された磁場センサ２０を使用しての測定値の例を示す。図２４Ａ〜図２４Ｄの膜４０は、磁場センサ２０が膜４０の上方に位置決めされて図２２Ａ〜図２２Ｄにおいて測定された一連のストレプトアビジン／ビオチンアッセイ膜と同じである。図２４Ｃに示されるように、視覚的に見えない０．１［μｇ／ｍｌ］のテストラインは依然として検出可能となっており、再びであるが、このような所定の実装例の高い感度を実証する。

例、非限定的な実験データがここに含まれるのは、ここに記載されるシステム及び方法の様々な実装例によって達成可能な結果を示すためである。図面に示され又は明細書に記載されるすべての範囲のデータ、及びかかるデータ範囲内のすべての値が、本開示に明示的に含まれる。ここに記載される実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図面、並びに処理パラメータ及び／又は動作パラメータ（例えば値及び／又は範囲）の例は、開示のシステム及び方法の動作条件の例示であることを意図しており、ここに開示の方法及びシステムの様々な実装例のための動作条件の範囲を制限することを意図しない。加えて、ここに開示の実験、実験データ、計算データ、表、グラフ、プロット、図面、及び他のデータは、開示のシステム及び方法の実装例が効果的に動作して一以上の所望の結果をもたらすことができる様々なレジームを実証する。かかる動作レジーム及び所望の結果は、例えば、表、グラフ、プロット、又は図面に示される動作パラメータ、条件、又は結果の特定の値にのみ限定されるのではなく、これらの特定の値を含み又はこれらの特定の値にまたがる適切な範囲も含む。したがって、ここに開示される値は、表、グラフ、プロット、図面等に列挙又は示される値のいずれかの間の値の範囲も含む。付加的に、ここに開示される値は、表、グラフ、プロット、図面等に列挙又は示される値のいずれかよりも上又は下の値の範囲も含む。これは、表、グラフ、プロット、図面等に列挙又は示される他の値によって実証され得る。また、ここに開示されるデータが、一以上の有効な動作範囲及び／又は所定の実装例のための一以上の所望の結果を確立し得るにもかかわらず、すべての実装例が、それぞれの当該動作範囲において動作可能である必要はなく、又はそれぞれの当該所望の結果をもたらす必要はないことを理解すべきである。さらに、開示のシステム及び方法の他の実装例は、他の動作レジームにおいて動作し、及び／又はここでの実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図面、及び他のデータの例を参照して示され及び記載されるもの以外の結果をもたらしてもよい。

本発明が、いくつかの非限定的な実装例において記載されてきた。理解すべきことだが、これらの実装例は互いに排他的というわけではなく、一つの実装例に関連して記載される要素は、所望の設計目的を達成するための適切な方法で、他の実装例と組み合わせ、再構成し、又は他の実装例から除外してよい。各実装例に対し単一の特徴又は一群の特徴が必要となり又は要求されるわけではない。

本発明を要約する目的で、本発明の所定の側面、利点、及び新規な特徴がここに記載される。しかしながら、かかる利点のすべてが必ずしも、いずれかの特定の実装例に従って達成され得るというわけではないことを理解すべきである。すなわち、本発明は、ここで教示又は示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、一以上の利点を達成する態様で具体化又は実施してよい。

ここで使用されるように、「一つの実装」、「いくつかの実装」、又は「一実装」との言及はいずれも、当該実装に関連して記載される特定の要素、特徴、構造、又は特性が、少なくとも一つの実装例に含まれることを意味する。本明細書におけるさまざまな場所において、「一つの実装例において」という表現の記載は、必ずしもすべてが同じ実装例を参照しているわけではない。特に断らない限り、又は使用される文脈内で他に理解されない限り、ここで使用される条件付き言語、とりわけ、「できる」、「し得る」、「かもしれない」、「してもよい」、「例えば」等は一般に、所定の実装例が、所定の特徴、要素及び／又はステップを含む一方で他の実装例がこれらを含まないことを伝えることを意図する。加えて、本願及び添付の特許請求の範囲において使用される冠詞「一の」、「一つの」、「前記」、又は「当該」は、特に指定がない限り、「一以上の」又は「少なくとも一つの」を意味するものと解釈するべきである。

ここで使用されるように、用語「含む」、「備える」、「有する」、又はこれらの任意の他の変形例は、オープンエンドの用語であり、非排他的な包含をカバーすることが意図される。例えば、要素のリストを備えるプロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されるわけではなく、明示的に列挙されない他の要素、又は当該プロセス、方法、物品、又は装置に内在する他の要素を含んでよい。さらに、それとは反対に明示的に述べられていない限り、「又は」及び「若しくは」は、包括的ＯＲを言及し、排他的ＯＲを言及しない。例えば、条件Ａ又はＢは、Ａが真（又は存在）かつＢが偽（又は不存在）、Ａが偽（又は不存在）かつＢが真（又は存在）、又はＡ及びＢ双方が真（又は存在）のいずれかによって満たされる。ここに使用されるように、複数項目の一リスト「の少なくとも一つ」を言及するフレーズは、単一のメンバーを含む当該項目の任意の組み合わせを言及する。一例として、「Ａ、Ｂ又はＣの少なくとも一つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、並びにＡ、Ｂ及びＣをカバーすることを意図する。フレーズ「Ｘ、Ｙ及びＺの少なくとも一つ」のような接続的言語は、特に断りのない限り、項目、用語等がＸ、Ｙ又はＺの少なくとも一つとなり得ることを伝えるべく一般に使用される文脈によって理解される。したがって、かかる接続的言語は一般に、所定の実装例が、Ｘの少なくとも一つ、Ｙの少なくとも一つ、及びＺの少なくとも一つがそれぞれ存在することを要求することを含意する意図ではない。

したがって、所定の実装例のみがここに具体的に記載されてきたが、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、多数の修正を加え得ることは明らかである。さらに、頭字語は単に明細書及び特許請求の範囲の可読性を高めるために使用される。留意すべきことだが、これらの頭字語は、使用される用語の一般性を減じることを意図しないので、特許請求の範囲をここに記載される実装例に限定するものと解釈してはならない。

磁性粒子の磁化曲線の一例を示す。 ＡＣ磁気コイル及び永久磁石をそれぞれ使用した磁性粒子の磁化を、磁性粒子及び磁化源に対する磁気抵抗（ＭＲ）センサの配置例とともに概略的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例と、当該装置を含むシステムの一例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例と、当該装置を含むシステムの他例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る装置の一例及びシステムの例を描く様々な図を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る少なくとも一つの磁場センサ及び（例えば、信号のコンディショニング及び増幅を目的とする）信号処理回路の例の電子ブロック図の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る測定された磁場センサ信号の、膜表面からのセンサ高さに対する依存性のプロットの例を示す。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 σ＝２ｎｍのガウス分布を仮定して、異なるサイズの粒子に対する周波数の関数としての酸化鉄ナノ粒子のＡＣ磁化率の理論計算のプロットである。 図７Ａは、ここに記載される所定の実装例に係る、動作が方向を反転するときのゼロ速度における一定のヒステリシス（例えばタイムラグ）を有する閉ループ振動システムの台形速度プロファイルの一例を模式的に示す。図７Ｂは、テストラインが振動のピーク速度でセンサを通過する、ここに記載される所定の実装例に係るセンサ信号列の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る４［Ｈｚ］での圧電振動システムにより駆動される１００個の振動の、測定された一連の機械的ヒステリシス（例えばタイムラグ）のプロットである。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るｙ方向振動及びトリガ平均によるノイズ低減の有効性を実証する。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る動作プログラムの幾何学的セットアップ及びブロック図の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係るｈＣＧ濃度がそれぞれ１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］であるｈＣＧアッセイのテストラインの磁気２Ｄマッピングの２つの例を示す。 ｃＴｎＩ濃度がそれぞれ１［ｎｇ／ｍｌ］及び０．１［ｎｇ／ｍｌ］のｃＴｎＩアッセイのテストラインの磁気２Ｄマッピングの２つの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るラテラルフローアッセイを模式的に示す。 異なるｈＣＧ濃度の７つの得られたラテラルフローストリップの写真を示す。 それぞれが、比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係る用量反応曲線のプロットを示す。 異なるｃＴｎＩ濃度の８つのラテラルフローストリップの写真を示す。 それぞれが、標準比色リーダーを使用して得られた用量反応曲線、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用して得られた用量反応曲線を示す。 異なるビオチンＢＳＡ濃度における３つの代表的ストリップの写真を示す。 標準比色リーダーを使用した、及びここに記載される所定の実装例に係るシステムを使用した、各濃度における平均磁気信号及び光信号並びに近似平均ノイズ信号を示す。 それぞれが、ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータの一例と、当該ボイスコイルリニアアクチュエータを利用するシステムの一例とを模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ、磁気遮蔽、及び軸方向の位置決めとともに使用されるＭＲセンサにおける時間平均バックグラウンドノイズのプロットの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータ、磁気遮蔽、及び軸方向の位置決めとともに使用されるＭＲセンサにおける時間平均バックグラウンドノイズのプロットの例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用して取得されたｈＣＧアッセイの一連の測定値の一例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用して取得されたｈＣＧアッセイの一連の測定値の一例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係るボイスコイルリニアアクチュエータを使用してのストレプトアビジン／ビオチンアッセイ膜の一連の測定値の他例を示す。 ここに記載される所定の実装例に係る磁場センサが膜の下方に配置された装置の一例を模式的に示す。 ここに記載される所定の実装例に係る一連の膜の下方に配置された磁場センサを使用しての測定値の例を示す。

図９Ａ〜図９Ｄは、ここに記載される所定の実装例に係るヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）のアッセイの高感度性の実証を示す。図９Ａは、サンプル溶液中ｈＣＧ濃度が０．１［ｎｇ／ｍｌ］のテストストリップの写真である。０．１［ｎｇ／ｍｌ］の濃度では、ラテラルフローテストライン４２ｂは、人間の目にはまったく見えない。図９Ｂは、１／ｆノイズ及び高周波ノイズによって支配される生センサ信号のプロットであり、テストライン信号はノイズに深く埋まっている。図９Ｃは、ここに記載されるノイズ低減技法に従うことによって得られる回復テストライン信号のプロットである。ここで報告される信号は、出力がエネルギーに対して直線性を有するフォトダイオードなどの光センサと整合するべく、Ｖ^２／Ｒとして計算されるワット単位の電力である。ここで、Ｖは電圧信号振幅であり、Ｒはセンサのインピーダンスである。ここに記載される特定の実装例における機械的振動変調及び同期時間平均化のスキームは、回復テストライン信号が図９Ｃに示されるようなきれいな鋭いピークとなるように、十分に機能する。図９Ｄは、電圧信号のＦＦＴスペクトルのプロットであり、周波数ドメインに明確なピークを示す。このピークは、約２５［Ｈｚ］のところにあり、約５０［Ｈｚ］の半値幅、及び３０［ｄＢ］の良好な信号対ノイズ比を有する。ここに記載される所定の実装例に係る方法は、０．０１［ｎｇ／ｍｌ］までのｈＣＧを検出することができる。かかる感度は、ＴＭＲセンシング（例えば非特許文献２を参照）及び蛍光センシング（例えば特許文献８を参照）双方を含む従来報告されたｈＣＧアッセイよりも２桁優れている。

Claims (22)

1. システムであって、
   少なくとも一つの永久磁石と、前記少なくとも一つの永久磁石の一極における少なくとも一つの磁場センサとを含む装置であって、前記少なくとも一つの磁場センサは、前記分析物に選択的に結合した固定された磁性粒子を含有する膜の表面の十分近くに位置決めされるように構成され、前記磁性粒子は前記少なくとも一つの永久磁石により磁化される装置と、
   前記装置及び前記膜の少なくとも一方に機械的に結合されたステージであって、前記装置及び前記膜の少なくとも一方を、前記膜の表面に実質的に平行な第１方向に沿って振動の動きにより互いに対して動かすように構成されるステージと、
   前記ステージの振動の動きを制御して前記振動運動を示す第１同期トリガ信号を生成するように構成された少なくとも一つのコントローラと、
   前記少なくとも一つの磁場センサからのセンサ信号と前記少なくとも一つのコントローラからの前記第１同期トリガ信号とを受信するように構成されたデータ収集ユニットと
   を含む、システム。
2. 前記ステージは、前記装置及び前記膜の少なくとも一方を、前記膜の表面に実質的に平行な第２方向の直線機械運動により互いに対して動かすように構成された直線運動サブステージを含み、
   前記第２方向は前記第１方向に実質的に直交し、
   前記少なくとも一つのコントローラはさらに、前記第２方向に沿った前記サブステージの動きを制御して前記直線機械運動を示す第２同期トリガ信号を生成するように構成され、
   前記データ収集ユニットはさらに、前記少なくとも一つのコントローラからの前記第２同期トリガ信号を受信するように構成される、請求項１のシステム。
3. 前記ステージは、少なくとも一つの圧電アクチュエータ及び／又は少なくとも一つのボイスコイルアクチュエータを含む、請求項１のシステム。
4. 前記少なくとも一つの磁場センサは、少なくとも一つの磁気抵抗（ＭＲ）センサを含む、請求項１のシステム。
5. 前記少なくとも一つのＭＲセンサは、４つの別個のＭＲセンサを含むホイートストンブリッジを含む、請求項４のシステム。
6. 膜上に固定された磁性粒子に選択的に結合した関心分析物を定性的又は定量的に測定する方法であって、
   少なくとも一つの永久磁石、及び前記少なくとも一つの永久磁石に取り付けられた少なくとも一つの磁気抵抗（ＭＲ）センサを含むアセンブリを与えることと、
   前記少なくとも一つのＭＲセンサの十分に近くに前記膜を位置決めすることであって、前記磁性粒子は前記少なくとも一つの永久磁石が生成する外部磁場によって磁化され、前記磁性粒子の磁気インダクタンスが前記少なくとも一つのＭＲセンサによって検出されることと、
   前記アセンブリに対して前記膜を周期的振動の態様で動かし、又は前記膜に対して前記アセンブリを周期的振動の態様で動かすことであって、前記周期的振動が前記膜の表面に実質的に平行な第１方向にあることと、
   前記周期的振動と同期して第１トリガ信号を生成することと、
   前記周期的振動と同期して一定時間にわたって前記少なくとも一つのＭＲセンサからセンサ信号を収集して前記センサ信号を平均化することであって、前記収集及び時間平均化は前記トリガ信号によってトリガを受けることと、
   前記分析物の濃度を取得することと
   を含む、方法。
7. 前記膜の表面に平行な平面において２次元スキャン運動を形成するべく、前記第１方向に直交かつ前記膜の表面に平行な第２方向に沿って前記膜を動かすことと、
   前記２次元スキャン運動と同期して第２トリガ信号を生成することと
   をさらに含み、
   前記センサ信号は、前記２次元スキャン運動と同期して取得され、前記膜の表面に平行な平面において２次元信号分布を与える、請求項６の方法。
8. 前記周期的振動は、周波数が１［Ｈｚ］から１００［Ｈｚ］の範囲にあり振幅が０．１［ｍｍ］から１０［ｍｍ］の範囲にある、請求項６の方法。
9. 前記周期的振動の動きは圧電アクチュエータ及び／又はボイスコイルアクチュエータによって生成される、請求項８の方法。
10. 前記膜又は前記膜を保持する容器に対して位置決めされた位置センサからの信号を受信することをさらに含み、
    前記位置センサは、前記膜と前記少なくとも一つのＭＲセンサとの間の接触又は位置を監視するように構成される、請求項６の方法。
11. 前記膜と前記少なくとも一つのＭＲセンサとの間の距離を調整するべく、前記位置センサからの信号に応答して、前記膜の表面に直交する第３方向において第３の動きを前記膜に及び／又は前記少なくとも一つのＭＲセンサに適用することをさらに含む、請求項１０の方法。
12. 前記磁性粒子は、超常磁性、強磁性、又は他の形態の磁性であり、磁場による磁化のときに磁気誘導を生成するように構成される、請求項６の方法。
13. 前記膜は、堆積された結合分子を含むドットの２次元アレイを含有し、
    各ドットは、異なる分析物と反応する異なる捕捉分子を有する、請求項６の方法。
14. 前記膜は、紙、ガラス、金属及び／又は半導体を含む、請求項６の方法。
15. 前記膜を位置決めすることは、直線運動ステージ及び／又は回転運動ステージを使用することを含む、請求項６の方法。
16. 関心分析物を定性的又は定量的に測定するシステムであって、
    磁性粒子が分析物に選択的に結合して膜表面に固定され、
    前記膜が磁気抵抗センサとの近い距離内に輸送され、
    前記磁性粒子が永久磁石により発生する外部磁場により磁化され、
    前記磁気抵抗センサにより前記磁性粒子の磁気誘導が測定されて分析物の濃度が取得され、
    前記磁気抵抗センサは、前記永久磁石の一方の極に取り付けられてアセンブリを形成し、
    前記膜は、前記磁気抵抗センサのアセンブリであって永久磁石的な又は代替的に同等の効果のアセンブリに対して周期的振動の態様で動き、
    前記磁気抵抗センサ及び永久磁石のアセンブリは前記膜に対して周期的振動の態様で動き、
    前記周期的振動の動きに同期して電気トリガ信号が生成され、
    前記磁気抵抗センサの信号が、前記周期的振動に同期して一定時間にわたって収集及び平均化され、
    前記一定時間にわたる収集及び平均化は、前記電気トリガ信号によってトリガを受ける、システム。
17. 前記膜は、前記膜の平面内で前記周期的振動に直交する第２方向に沿って輸送され、前記膜の平面内で２次元スキャン運動が形成され、
    前記２次元スキャン運動に同期して電気トリガ信号が生成され、
    前記磁気抵抗信号は、前記２次元スキャン運動に同期して収集されて前記膜の平面内で信号の２次元分布を与える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記膜の下に又は前記膜を保持する容器の下に圧力センサをさらに含み、
    前記圧力センサは、前記膜と前記磁気抵抗センサとの接触を監視するように構成される、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記膜又は前記磁気抵抗センサに第３の動きが与えられ、
    前記第３の動きは、前記膜と前記磁気抵抗センサとの間の距離を調整するべく前記膜の平面に直交する方向にあり、
    前記第３の動きは、前記圧力センサからのフィードバック信号によって制御される、請求項２０に記載のシステム。
20. 前記膜を位置決めするべく構成された直線運動ステージ及び／又は回転運動ステージをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記磁性粒子の写真を撮像して色強度を与えるべく前記膜の上方に位置決めされた光学カメラをさらに含み、
    前記光学カメラは、前記分析物の濃度が取得されるように前記磁性粒子の色強度を撮像記録及び測定するべく構成される、請求項１６に記載のシステム。
22. 関心分析物を定性的又は定量的に測定する装置であって、
    少なくとも一つの永久磁石と、
    前記少なくとも一つの永久磁石の一極における少なくとも一つの磁場センサと
    を含み、
    前記少なくとも一つの磁場センサは、固定された磁性粒子を含有するラテラルフロー膜の表面の上方に位置決めされるように構成される、装置。

Images