JP4657552B2 - 磁性粒子の蓄積の測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
（発明の背景）
本発明は、一般的に磁性粒子の存在を検出することに関し、特に、ＡＣ励磁、及び該励磁周波数で、該粒子の磁気モーメントの得られる振動の振幅の、誘導センシングによる、このような粒子の蓄積の量的な測定に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
（従来の技術の考察）
より大きな混合物又は溶液における微小粒子の存在、及び可能ならばその濃度レベルを測定する技術に多くの注意が払われてきた。特定の環境において、非常に濃度の低いある種の有機化合物を測定することが望ましい。例えば、医療分野において、通常溶液中にある特定の種類の分子の濃度を測定することは非常に有用であり、この化合物は、生理学的な液体（例えば、血液又は尿）に天然に存在するか、又は、生体システムに導入されたもの（例えば、薬剤、又は汚染物質）のいずれかである。
【０００３】
いわゆる検体と呼ばれる対象となる特定化合物の存在を検出するのに使用される広いアプローチには、イムノアッセイがある。該イムノアッセイにおいては、一般にリガンドと呼ばれる特定の分子種の検出を、この対象となる第１化合物に特異的に結合する抗リガンド、すなわちレセプターと呼ばれる第２の分子種を使用して達成する。対象のリガンドの存在は、直接的または間接的にリガンドに対する抗リガンドの結合の程度を測定又は推定することにより検出する。
【０００４】
いくつかの検出、及び測定方法の考察が、米国特許第4,537,861号(Elings et. al)に記載されている。該特許はリガンドと抗リガンド、通常は抗原及び抗体の間の結合反応の溶液中における同質イムノアッセイを達成するいくつかの方法を開示している。Elignsの特許は、空間的パターンにおけるリガンド及び抗リガンド間の結合反応を生じさせるために、抗リガンド物質の分離領域の空間的アレイに相互作用させ、かつ、特定の物理的特性でラベルした該結合複合体を用いて相互作用させ、分散された抗リガンド物質及びリガンド物質の分離領域の空間的アレイによって形成される空間的パターンの創造について開示する。該ラベルされた結合複合体が空間的パターンに蓄積された後、該装置をスキャンして所望のイムノアッセイ法を行う。該スキャナは、蛍光、光学的密度、光散乱、色、及び反射率に基づくものでよい。
【０００５】
該ラベルされた結合複合体は、Elingsの方法では、特に準備された表面セグメント上に蓄積され、又は、該結合複合体が磁性単体粒子と組合わさっている場合には該溶液に局所的に磁場をかけることにより光学的に透明な導管又は、コンテナ内に蓄積する。該磁性粒子は0.01〜50ミクロンのサイズ範囲である。一旦該結合複合体が該溶液中に磁気的に蓄積された場合、先に記載したスキャニング技術を利用する。
【０００６】
磁鉄鉱及び不活性マトリックス材料から作られた磁性粒子は、生物化学の分野において長く使われてきている。これらは直径が数ナノメーターから数ミクロンのサイズの範囲にあり、かつ、磁鉄鉱を１５％から１００％含んでいてもよい。これらはしばしば、超常磁性粒子と呼ばれ、またサイズがより大きな場合にはビーズと呼ばれる。通常の方法論では、具体的な顕微鏡的対象物、又は対象となる粒子（例えば、タンパク質、ウィルス、細胞、ＤＮＡフラグメント）と強い結合を起こす生物学的に活性な材料を、これらの粒子の表面に被覆する。そして、これらの粒子を「手」となり、これにより対象物は、強力な永久磁石によって通常提供される磁気勾配を使用して移動又は固定することができる。その結果、前記Elings特許は、磁性粒子を使用してタグ付けする例である。希土類磁石、及び鉄極片を使用する特定の組み付け固定物をこの目的で商業的に入手できる。
【０００７】
これらの磁性粒子は結合した対象物を移動させ又は固定させる目的で実際に使用されるだけであったが、いくつかの実験的な作業において、結合した対象物を存在を検出するタグとして該粒子を使用されるようになった。このタグ付けは、通常問題となる対象物に結合する放射性、蛍光性、又は燐光分子によって行われる。有意に少量で検出できるならば、磁性タグは非常に魅力的なものであろう。その理由は他のタグ付け技術は、様々な重大な欠点を有するからである。例えば、放射活性法では健康、及び廃棄に問題がある。又、該方法は比較的遅い。蛍光または燐光技術は、放射される光子がサンプル中の他の物質によって吸収されるという理由で、その量的正確さ、及び動的範囲に制限がある（参照：特開昭第63-90765号(1988年4月21日公開 フジサワら)）。
【０００８】
ごく少量の磁性粒子からくるシグナルは非常に小さいという理由で、当然のことながら研究者たちは超伝導量子干渉装置（Superconducting Quantum Interference Device(SQUID)）にもとづく検出器の作成を試みてきた。SQUID 増幅装置は、多くの状況に置いて磁場の最大感度の検出器であることが周知である。しかしながら、このアプローチは実質的な困難さがある。該SQUIDのピックアップループが、冷却された温度に保たれなければならないという理由で、該試料を冷却し、これらのループの非常に緊密な結合を得なければならないからである。この手順は、測定を許容不能なほど長いものにする。SQUIDの一般的な複雑性、及び冷却部分構成は、該方法を廉価なディスクトップ型装置で使用するのを一般的に不適切なものとしている。「High Tc」超伝導体に基づく設計であっても、このような難点を完全に克服することはできず、かつ、いくつかの新たな困難さが生じる（参照フジサワら）。
【０００９】
磁性粒子を検出しかつ、定量する、さらに従来からのアプローチがある。このようなアプローチの中には起磁力計測法の形態を含み、該方法では該試料が強力な磁気勾配中に置かれ、かつ、勾配の変化に伴い、試料の見かけ重量変化を通常モニタすることにより、試料中に生じる力を測定する。この技術の例が米国特許第5,445，970及び第5,445，971（Rohrに付与）中に記載されている。さらに洗練された技術では、マイクロ機械加工された片持はりの偏向又は振動に関する粒子の効果を測定する（Baselt らの論文を参照：A Biosensor based on Force Microscope Technology, Naval Research Lab., J. Vac Science Tec. B., Vol 14, No.2 (pg. 5) (Apr.1996)）。これらのアプローチは、これらが内在的な磁気効果を機械的な応答に変換することに依存するという点において、全体的に制限されている。そして、これらの応答は振動、粘度及び浮力のような他の機械的効果の大きな取り合わせから区別されなければならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ごく少量の磁性粒子を直接検出し、かつ計量できる廉価で、室温で操作できるディスクトップ型の装置に重要な応用範囲がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（発明の要約）
広く述べると本発明は、磁鉄鉱のような磁性応答性粒子、及び対象となるそれらと結合する物質のごく少量の蓄積を直接検出し、かつ、測定するための方法及び装置を提供する。
【００１２】
磁性粒子又はビーズを公知の方法により、検体粒子と結合し、これにより磁性試料要素又は磁性結合複合体を提供する。該磁性試料要素の明確に定義されたパターンは、ホルダ上の表面に配置される。該表面は平面にすることができる。そして高振幅、高周波数、磁場をかけて該試料中の粒子を励磁する。該磁場は該粒子が前記励磁周波数で局在化された双極子振動としてふるまう。該試料からの磁場は、磁気傾度計構成において組み立てることができる誘導センシングコイルのアレイのようなセンサと密接に結びつく。この構成は、該センシングコイルを、該試料を励磁させることに用いる大きく、均一な磁場に対し最も無感度にする。さらにコイルのジオメトリーを、該試料、及びコイルの相対的位置に関し特徴的に変化させる大きな応答を与えるように、試料の空間的パターンを一致させるよう設計する。
【００１３】
該センサを通って導入される電圧は位相敏感検出によって注意深く増幅及び処理する。該駆動磁場自身からの誘導ピックアップは位相検出回路に対する基準シグナルとして役立つ。該位相検出器の出力はさらにフィルタにかけ、かつ、デジタル化する。
該シグナルの振幅は、該センサーと関連して試料を動かすことにより変調される。これによりセンサのアンバランスのみによるシグナル、駆動磁場の不均一性、回路網におけるクロマトーク、又は該試料自体に帰因しない見かけシグナルの他の発生源のみに帰因するシグナルを排除することを可能にする。前記試料の位置に関するシグナル振幅のデジタル形態は、適切な曲線の当嵌技術を使用する理論上の応答形態と比較して、それにより固有的な装置ノイズ及びドリフトが有ったとしても、該試料の磁気容量の正確な評価を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（詳細な説明）
図面、特に図１及び図３を参照し、本発明の好ましい実施態様を示す。
I. 読取り装置モジュール
該読取り装置モジュールは、幾つかの異なったサブシステムを含む。これらには動作コントロールを含む試料ホルダがある。測定の対象となる磁性結合複合体試料は該ホルダ上にあり、かつ、又それは該システム内において必要な相対的動作を与える。磁気発生装置、すなわち磁場源は励磁シグナルを該試料に与える。センシングコイルのようなセンサは、該試料で発生するシグナルのシグナル取込み装置として働く。駆動回路は駆動電流を磁場源のコイルに供給する。増幅装置／位相検出装置／デジタル化装置は、センサと結合して、センサからの出力シグナルを受け、かつ、処理する。マイクロコンピュータチップは、外部のパソコン（ＰＣ）、及び読取り装置モジュールの間に双方向通信を与える。
【００１５】
Ａ． 試料動作コントロール
磁性粒子は検体又は標的粒子と常法によって結合させ、磁性結合複合体試料を形成する。該検体粒子は原子、個別の分子及び生物の細胞などを含むことができる。ここで注意すべき事は、用語「標的粒子」及び「検体粒子」は実質的に相互変換的に使用することである。さらに留意すべきことは、用語「標的」はＤＮＡ組み換え技術の分野において使用されている用語の定義だけに限定するものではない。
【００１６】
該磁性結合複合体試料は、ディスク１２（図３）のような試料ホルダの周辺にある、多くの規定の位置１１に数個から数百個の粒子の蓄積があるように置かれる。置き換え得る他のサンプルホルダには、横流れ膜、プラスチック片、又は膜を伴わない横流れを用いるホルダがある。横流れ膜を利用した実施態様を以下により詳細に説明する。
【００１７】
他のタイプの試料ホルダとして、マイクロ流体工学的なものを採用することができる。マイクロ流体工学システムは、試料センシングチャンバ、及び適切なチャネリングを有し、圧力の変動を利用して該センシングチャンバの内側又は外側に試料を移動することができる。例えば、図９に参照されているように、マイクロ流体工学システム１５１は流入経路１５２を有する。該流入経路１５２は混合チャンバ１６４に連結している。多くの試薬チャンバ１５４、１５６及び１５８は様々な化学薬品及び試薬を保持することができる。以下に説明するように、これらは所望ならば磁気感応性粒子を保持できる。周辺部近く、又は他の場所に試料分析チャンバ１６６を配置することができる。このチャンバの位置は既定位置であり、試料磁気測定が行われる場所である。従って、該試料ホルダは、このチャンバが該センサ及び該磁場源にアクセスできるように構成されていなければならい。他方、磁気測定はこの明細書の他の場所に記載されているように行うことができる。さらに処理は磁気測定を行った後に行うことができる。この理由により、側定チャンバ１６８は又それ自身の試薬チャンバ１６０を有してもよい。所望であれば、さらに試薬チャンバを提供することもできる。任意の流出又は出口経路１６２を設けてもよい。このような経路は該装置が単一用途装置である場合には必要とされない。利便を図るためにこの図には示されておらず、又、提供できるものには、さまざまな、検体粒子、磁気応答性粒子及び試薬をチャンバからチャンバに循環させることができるよう様々な排気口、加圧口及びバルブがある。
【００１８】
検体粒子はそれに結合した磁気感応性粒子を測定することを介して量的に測定することができる。前記マイクロ液体システムにおいて、該試料は検体及び磁気感応性粒子の組み合わせとして流入経路を介して導入することができる。また他に、該検体粒子は流入経路を介して導入でき、かつ、混合チャンバ１６４で該二成分を組み合わせ、かつ、混合することができる。
【００１９】
このシステムの変形例は何倍もあろう。例えば、該センサをマイクロ液体チップ上に直接置き、特に充分に分析領域と一致させることができる。他の変形例においては、前記チップ上の温度ような異なるパラメータを同時に、又は、異なるタイミングで変化させることができる。該混合チャンバ内で混合加熱するような場合の温度コントロール手段はチップの上、又は、チップの外に配置することができる。このようなシステムは、理解されるように任意の窓を必要とする。変化してもよい他のパラメータは、例えば、磁気感応性粒子又は、その検体粒子への結合のように磁性タグの存在又は、特性に影響するものすべてである。
【００２０】
該結合複合体を、ディスク上の既定のスポットに接着する方法は公知であり、かつ、標準的な方法を採用できる。該ディスクは歯車１４に向かって下方向に延びる軸シャフト１３に取り付けられている。適当な回転装置、例えば、ステッパモータ１６は、その遠位末端でウォーム歯車部材１５を有する、そこから延びるシャフト１７を有する。該モータは、多くのワイヤ１８を介して、ＰＣ６６から伝わるシグナルに従ってディスク１２のコントロールされた回転動作を与える。もちろん、所望ならば、該ＰＣ及び本発明のシステムの間にワイヤレス結合を用いることができる。
【００２１】
好ましい実施態様において、意図されているように、ディスク１２は直径が約４７mmであり、かつ、その厚さは約０．２５mmとする。それは例えば、ガラス、プラスチック又はシリコンで作られていてもよい。その厚さの範囲は、実施上の機能的な目的にあわせて約０．１mm〜約１．０mmとする。
【００２２】
該試料ホルダが横流れ膜である場合、該試料ホルダは、該ホルダの多孔部を介して検体粒子の通過が変化する他のパラメータであるように、部分的に多孔性とすることができる。この場合、磁気感応性粒子は多孔性試料ホルダに結合してもよい。例えば、ホルダの多孔部を介する検体粒子の通過は、粒子の質量、又はサイズに依存するようなものであってよい。従って、多孔部内の粒子の位置は、質量依存性、又はサイズ依存性であってよい。該検体粒子が多孔性試料ホルダを通過するに伴い、これらは選択的に結合し、かつ結合磁気感応性粒子に対し、既定の様式で選択的に結合することができる。磁気感応性粒子と結合した検体粒子を含む結合試料は、それにより、本明細書中に具体化された装置を使用して磁気的に測定することができる。該ホルダの多孔部は当該技術分野で知られているフィルタなどで置き換えることができる。このようなフィルタは該プロセスの要求に従って適切な質量依存性又はサイズ依存性となるように選択することができる。
【００２３】
例えば、図７に示されるように、横流れ膜１０１が示されている。検体粒子を洗い流して流れ膜１０３に流出する場合に、分析粒子を放出パット１０２に洗い流す。ついで該粒子は該膜に向かって毛細管作用により流れ、その上に結合磁気感応性粒子が配置されているテストライン１０６を通過する。またコントロール線１０８を設けてもよい。所望ならば、最後に吸収パット１０４を、下流方向に配置し、未結合の検体粒子を集めてもよい。
【００２４】
作動中に、該テストラインは、対象となる検体中の物質と特異的に結合する物質で被膜されたコロイド状鉄イオン粒子を含む。この方法において、該テストラインは選択的に検体粒子を集める。コントロール線１０８は、較正、又は他のこのような目的のために公知量のコロイド状鉄を有してもよい。ここで明瞭にすべきことは、このような横流れ膜は、例えば、ゲル電気泳動テスト領域で置き換えてもよいことである。この場合、もちろん、該試料は固定しないが、しかし、センシング領域を通過するように動かす。
【００２５】
また、該試料ホルダにおいて、バーコードのような参照装置を採用し、固有の機械読取りタグを提供し、それに伴う、個別の領域又はアッセイを特定し、位置決めする事ができる。該参照装置は分析の個別領域の位置を空間的に指し示すものでよい。該参照装置は、磁性複合体物質の試料を特定する便利な方法を提供する。バーコードに加えて、該参照装置には、磁気片、マイクロチップ、光学参照装置などを、それに代えて用いることができる。該参照装置はそれぞれを参照するためにその対応する試料と光学的に並列にすることができる。
【００２６】
該コンピュータ／ＣＰＵは、磁性（アッセイ）シグナルと共に該参照情報を読み取り、ついで、それを表示し、かつ、適切な方式でアッセイ結果を保存することができる。例えば、大腸菌（Ｅ.coli）の存在を検出するアッセイでは、オリゴヌクレオチドの結合の存在を試験するアッセイとは異なる形態で表示される結果を有する。該支持体をそれぞれの種類のアッセイのために個別的に準備しなければならないという理由で、この情報をバーコードとし、前記技術の一つを利用してコード化することができる。
この具体的、典型的実施態様において、モータ１６は、シャフト１３によってディスク１３に継れている、歯車１４を１２０枚の歯を有するウォームギア減速機を介して回転させる。もちろん、また、異なる特性を有する回転装置を使用することができる。
【００２７】
磁場源２１を、モータシャフト２４上に４０回転／１回転循環リードスクリュー２３を有する、ステッパモータ２２のような回転装置によって、ディスク１２との関連で直線的に動かすことができる。ベース２５を螺旋型リードスクリュースレッドと結合する内部スレッドを有する孔と共に構成する。該コントロールシグナルはマイクロコンピュータ６５から多くのワイヤ２６を介してモータ２２に送られる。また、回転装置の具体例はここに例としてのみ記載する。また異なる特性を有する他の適当な構成部材を、使用することができる。
【００２８】
例えば、上記システムが、該磁場源が該試料ホルダとの関連で直線的に動いている状況を示しているのに対して、他の実施態様では該試料ホルダが磁場源との関連で動いているものを使用することができる。後者の実施態様において、該試料ホルダは図３に示した駆動システムに似たシャフト及び機械的駆動システムに取り付けることができる。該駆動システムは、該試料ホルダをコントロールされた方式により、磁場源の間隙内に移動させることができる。駆動システムとして多くのタイプのものを使用することができる。これらのシステムにはステッパモータ、スクリュ及びモータ配置部、水圧装置、磁気装置、ヒトのオペレータが磁場源との関連及びセンサとの関連において該サンプルを物理的に動かす構成、圧力装置、ピンチローラ、コンベアシステムなどがある。
【００２９】
先に記載したように、該試料ホルダの動きは、ディスクのような試料を載せる場所から磁場源によって生じる磁場の近くの場所に向かうものである。該システムにおいて起きる他の動きには、センサを通る試料ホルダの動きがある。様々な動きがこの動きを調節するために起きる。例えば、二次元的な動きを該センサ及び試料ホルダの間で調節することができる。図３の実施態様において、ある程度の自由な動作（例えば、片の弓上部に沿って動く）がモータ１６の使用の関連において示されている。また、モータ２２の該駆動システムは、他の水準の自由度でセンサをコントロールすることができる。また、それに替わり、他のモータを使用して同じ水準の自由度で試料ホルダ１２を動かすことができる。最後に気づくべき事は、適切な伝導装置を使用することにより、同じモータを使用して、前記の又は異なる動きの組合せを提供することができる。
【００３０】
他の例示的実施態様において、該駆動システムは試料をその上に配置したプラスチック片を掴むピンチローラを含み、所定のコントロールされた様式により該センサを通過するように該試料を動かすことができる。このような実施態様は、該試料をクレジットカード様のプラスチックカード上の切片に置く場合に特に有用であり、ＡＴＭ機で使用するように装置でつかみ取ることができる。もちろんまた、該駆動システムは、他の代わり得るシステムと同様に前記のどのようなシステムであってもよい。
【００３１】
Ｂ. 磁場源
図４に示されているように、フェライトトロイドコア３１は、特定の実施態様に記載されているように、直径が約３０mmであり、間隙３２を有するように形成され、該間隙は約１．５mmである。駆動コイル３３はトロイダルコア３１上に約２７０回以上単一層として巻かれており、該間隙に関連し、相対的である。フィードバックループ３４は、該間隙から約１８０の場所で（対向位置）該コロイド本体を取り巻いている。ループ３４はコイル３３の外側又はコイル３３及び該トロイドコアの間にあってよい。これはフィードバック機能に関連して必要及び特定の場合に数回又は多くの回転巻きを含むことができる。該フィードバックループの目的は、間隙３２における磁場を検出、または代表し、該シグナル処理又は出力回路を温度ドリフトのような変動について自動修正することを可能にする。このループは正確さを高めるために使用され、該システムの操作を適切にするために必須のものではない。
【００３２】
また、様々な他の磁場源を使用することができる。例えば、ほとんどの場合、電磁石を使用するが、該電磁石を、例えば、台形、又は「Ｅ」の形態を採用した電磁石、すなわちＥ―コア（図８参照）の形態にすることができる。このＥコアにおいて、該「Ｅ」の中間セグメントは外部セグメントよりも幾分短くする。図８に示されているように、二つのＥ―コア１１２および１１２′はそれぞれ他方に面しているそれらの開口側に配置されている。より短い中間セグメントはその間に小さな間隙１１４を規定している。そして、例えば、プラスチック片１１６上のサンプルを、その小さな間隙に移すことができる。磁化の変動を測定するのに用いる該センサーは、該小さな間隙に配置された分離支持体１１８上に置くことができ、又、それに替わりより短い中間セグメントの一方または双方の末端に置くこともできる。このいずれの実施態様においても、事実、該センサを磁極片の上、又は、該間隙の周囲を形成する他のこのようなエレメント上に配置することができる。この方法では、該ユニットはよりモジュール化され、かつ該コイル配置はさらに、均一にかつ、一貫したものになる。
【００３３】
他の実施態様においては、間隙が全く必要とされない。図１０に示されているように、単一の磁極片２０１をその上に配置した、又は、分離片上に配置したセンサと共に、配置することができる。図１０において、該センサは二つのセンシングコイル２０２および２０４として示されている。該磁極片は交番磁場を生成することができ、かつ、該センサは先に記載したように、変動する磁化を測定することができる。
【００３４】
図３に示されているように、該トロイダル磁場源組立体はファイバーグラスから形成され得る、絶縁性収納部３５の中に設けられている。収納部３５は間隙３２の位置に対応するスロット３６を有する。このスロット／間隙が形成され、回転可能なディスク１２のエッジを選択的に受け、かつ、該センシングコイル支持体に空間を提供する。この点について、以下に詳細に説明する。
【００３５】
Ｃ．センサ
センサを利用して試料の磁場強度を測定する。この実施態様において、使用する該方法はＡＣ感応性である。多くのタイプのセンサを採用することができる。下記実施態様において、磁気傾度計構成体において連結しているセンシングコイルが記載されている。ここで気づくべきことは、該磁気傾度計構成体は必須の要求ではなく、さらに他のタイプのセンサを使用することができる。これらのセンサは、ホールセンサ、ＧＭＲセンサ、または磁場強度または磁場変動を測定することができる他のこのようなセンサを含む。
【００３６】
ここで特に図２，図４および図４Ａを参照すると、絶縁性支持体４１は、収納部３５内のスロット３６に配置されており、かつ、間隙３２の中に延びている。結合パット４０および４２は支持体４１の基部末端に配置され、かつ、センサ、特にセンシングコイル４３は、支持体４１の遠位末端近くに取り付けられている。好ましくは、該支持体はサファイア、又はシリコンで作り、かつ、該センシング部材は薄フィルム、銅コイルである。それぞれのコイルに向かう、及びそれからのリード線が分かれた異層状に有る場合、標準的薄フィルム構成技術を使用して、支持体及びセンシングコイルを組み立てることができる。例えば、進入トレース４９を標準的写真食刻処理法によって、該支持体表面に設け、スパッタされた石英の層で該進入リード線を覆い、ついで、コイル４３および外部リード線４２を同様に適用し、ついで石英の保護層をその上に加える。該層の間を結合させる通常の手段を使用する。
【００３７】
磁気傾斜度計構成部を作る連続対向部に結合する該センシングコイルは、伝導性トレース４４及び４９によって結合パット４０及び４２に接続し、かつ、その結果ツイスト-ペアワイヤ４５によってシグナル処理回路網と結合する。該ツイスト-ペア配置を採用することにより、漂遊シグナル、又は緩衝ピックアップを低下させることの助けになる。
図２に示される螺旋型形態において、該コイルトレースは幅約５ミクロンとすることができ、螺旋トレース間は約１０ミクロンのピッチとすることができる。該センシングコイルの厚さは約１ミクロンとすることができる。それぞれ完成したコイルの直径は約０．２５mmである。
【００３８】
支持体４１を比較的長く、かつ狭くすることにより、結合パット４０及び４２を前記トロイド間隙から相対的に離し、ハンダ付けされたリード線４５における漂遊ピックアップを最小限にする助けになる。金属シールド４６（図４Ｂ）を、前記結合領域周辺に使用し、さらに漂遊シグナルまたは緩衝ピックアップの低下に役立てることができる。該シールドは薄壁シリンダの短部材とすることが必須であり、かつ、通常、銅で形成する。該シールドは電気的シールディングを提供し、機械的取り扱いを容易にするが、本発明の実施態様の実施に必須のものではない。支持体の接続（近位）末端は、該ワイヤ接続がなされた後、スロット５０の中にスライドする。
【００３９】
該センシングコイルの他の実施態様を図５に示す。コイル４７のプレーナ型構成は細長い長方形である。該トレースのサイズは図２に示したコイルとほぼ同じであり、該複合コイルの幅は、また約０．２５mmである。該コイルの長さは約１〜２mmであり、かつ、該コイルはリード線４８及び５１によって結合パッド５２及び５３に結合している。１セットのコイルは先に記載したように、該サンプルの磁気モーメントの測定に使用することができる。他の１セットのコイルは標準セットのコイルとしてその同じ支持体の中で使用することができる。この基準セットのコイルは、例えば、該試料セットのコイルと対向する該支持体の側に配置することができる。いずれの場合においても、基準セットのコイルは、試料磁気モーメントの効果を該基準セットのコイルによって検出しないように該試料から充分に遠ざけて配置する。ついで、該基準セットのコイルは既定量の磁気材料、又は基準検体を含む分析領域からのシグナルの強度を測定するものである。該試料セットのコイルによって検出された磁場と該基準セットのコイルによって検出された磁場とを比較することによって、試料磁場モーメントのより正確な測定が可能になる。他の基準を提供するために、１試料として、磁気標準を使用することができる。
【００４０】
他の代わり得る実施態様において、２セットのコイルを使用することができる。このような標準試料を測定した場合、結果を用いて将来的な、又は、従前の測定値に関し、該システムを調節することができる。このような調節は該システムにおけるノイズ低減に十分に役立つものである。また、自動調節、このようなシステムに採用し、シグナル間の相違を利用して該シグナルを０にすることができる。
【００４１】
Ｄ．駆動回路
図４の左側に示されている磁気駆動回路は、一対の大電流高速作動増幅器５４及び５５の周りに設けられている。変圧器主巻線５６によって提供される電力によって、該増幅器は約１アンペアの駆動電流が過剰な場合に磁化すなわち駆動コイル３３で約２００ＫＨｚを提供する。この駆動回路は高度にバランスがとれ、センシングループ、すなわちコイル４３及び４７で通常モードのノイズピックアップを最小にする。
【００４２】
該磁化コイルの周囲のループ３４と結合した小二次巻線５７はフィードバック電圧を作動増幅器５４及び５５に提供し、よく整った振幅及び周波数で振動を維持する。また、この二次巻線５７は以下に述べるように、位相検出回路に最適な基準シグナルを提供する。この実施態様は磁性および検体粒子の複合体に関し、駆動源として交流磁場について説明する。別の実施態様において、該駆動源は非正弦であってよく、例えば、フィールドパルス又は、方形波であってよい。また、さまざまな他の波形を利用することができる。
【００４３】
Ｅ． 増幅器／位相検出器／デジタル化装置
分離型構成部を使用することで若干良いノイズ特性が得られるが、低ノイズ統合型計測増幅器がこの回路網の基本である。通常モードノイズシグナルを減らし、かつ、磁場源及びセンサにおける不均衡を無効にする通常の方法を容易にするために、増幅器６１はセンシングコイルと結合した変圧器である。結合する該変圧器は通常型であり、増幅器６１の中に配置されており、かつ、図面には具体的に示されていない。他の実施態様において、増幅器６１は該支持体上に配置された前置増幅器と置き換え、または、補う事ができる。言い換えると、支持体４１は前置増幅器をその上でパターン化し、位相敏感検波ステップの前に、センサからのシグナルを改善することができる。また、位相敏感検出器６２は特定の目的の統合型回路として設計されている。位相敏感検出器６２は位相ロック装置、又は、他のいかなる位相敏感装置であってもよい。該位相検出装置の出力は低パスフィルタ６３に送られ、Ａ／Ｄコンバータ６４においてデジタル化される。該コンバータは、例えば、高解像型、２０ビットシグマ−デルタコンバータであってもよい。このようなコンバータチップは５０及び６０Ｈｚの双方における適当な雑音排除機能を有し、これにより該装置の感度を最大限にする助けとなることは明かである。このような装置は出荷待ちの品目であり、いくつかの生産者から入手可能である。
【００４４】
Ｆ．マイクロコンピュータ
マイクロコンピュータ６５は、Motorola HC11 のようなマイクロプロセッサチップを有し、ＰＣ６６の連続ポート（シリアルポート）内にプラグインすることによりＰＣ６６と双方向通信をサポートするビルトインポートを有する。また、直列Ａ／Ｄコンバータ６４およびステッパモータ１６及び２２と連絡する特化されたポートも有する。マイクロコンピュータ６５に直接プログラムされた単純なコマンド言語は該ＰＣがコマンド送り、かつ、応答及びデータを受けることを可能にする。
【００４５】
また、マイクロコンピュータ６５は先に記載した多くの機能を発揮することができる。例えば、マイクロコンピュータ６５は、デジタルロックインのような、それ自身の位相敏感装置に装備することもできる。このようなマイクロコンピュータ６５は、ノイズから分かれたデータ、シグナルを受け、かつ、その結果を表示することができる。
【００４６】
Ｇ． ヒトインターフェイス
該ＰＣは該システムに操作コマンドを提供する。該ＰＣは、例えば、マイクロコンピュータからのＲＳ−２３２インタフェイスを介して該システムを動かす。該ＰＣは測定の結果の表示を提供する。該表示は、例えば、コンピュータモニタディスプレイ、または、コンピュータ-アシスト読み出し装置の他の形態のものであってもよい。
【００４７】
II．該システムの操作
相対的に簡単、かつ公知の方法で、該試料を含む磁性粒子複合体の明確なドット又はパターンをディスク１２上の周囲にある、１以上の場所１１に配置する。該パソコンからのコントロールシグナルに従い、ステッパモータ２２はエネルギーを供給し、リードスクリュ２２を回転させて、試料ディスク１２の方向に磁場源組立て体を動かす。ディスク１２の周辺エッジに近い試料位置１１がトロイダル間隙３２の真ん中にセンシング４３及び４７のようなセンサと一列に並んだ場合、ステッパモータ２２は停止し、かつ、高振幅（例えば、１アンペア）、高周波（２００ＫＨｚ）シグナルがトロリダル駆動コイル３３に加えられる。ここでセンシングコイル２２について以下に記載するが、ここで理解すべきことは様々なセンサを採用できることである。ついで、パソコン６６からのシグナルがステッパモータ６６を活性化させ、該ディスクを回転させ、かつ、それにより該試料ドットを動かしてセンシングコイルを通過させる。間隙３２おける高振幅、高周波、磁場がそれによって間隙において該試料の磁性粒子を励磁する。該印加電圧は該トロイダルコイルを駆動して飽和させることを意図するものであり、その結果、該間隙における磁場は約１０００エステットの強度となる。ついで、該粒子は励磁周波数で磁気性の変動を生じて、局在双極子として振る舞う。該磁性粒子が該センシングコイルに対して物理的に密接に接近した場合、該試料からの磁場がセンシングコイルによって構成される磁気傾斜計に密接に結合する。センシングコイルの磁気傾度計構成体によって、該大きく、均一な励磁場に起因するセンシングコイルの出力は、実質的に無効、すなわちゼロである。最大限可能な応答を得るために、センシングコイルの幾何学的配置は該試料の空間的パターンに一致するように構成される。すなわち、該試料パターンドットは約０．２５mmよりも大きいものではない。該応答シグナルは、該試料及び該コイルの相対的な位置によって示差的に変動する。
【００４８】
駆動フィールドが存在し、かつ、試料がないセンシングコイルからのシグナルは、該システムのシグナルプロセッシング部に対する基準シグナルとして役立つ。該試料が位置のセンシングコイルの一方を、ついで、他のコイルを通り過ぎていくにつれ、該コイルの位相は図６に示すようにコイル出力、シグナルの相が１８０度逆転し、これにより非常に有効な検出技術が提供される。図６に示されているように、該出力は該センシングコイルに対する、該センシングコイルに関連した試料の位置の応答として示され得る。誘導された電圧は、増幅器６１によって増幅され、検出器６２によって処理される。このシグナルはフィルタにかけられ、デジタル化され、かつ、マイクロコンピュータ６５を介して該パソコンに送られ、該出力シグナルをパソコンに提供する。インジケータ６７は該システムオペレータに対し情報を提供するいかなるタイプの使用可能な装置であってもよい。インジケータ６７は、情報を視覚的又は、グラフィカルに作る視覚的インジケータであってよく、又は、様々な明暗型システム、音響型インジケータ、又は、これらの他のインデジケータの組み合わせであってもよい。
【００４９】
該出力シグナルの振幅は該センシングコイルのアレイと関連した該試料の動きによって変調される。これによりシステム、及び外的な入力であって、該試料自体に帰因しないシグナルの排除が可能になる。試料位置との関連でシグナルの振幅のデジタル化形態を適切な曲線当て嵌め技術を用いてパソコンに２２に記録された理論的な応答形態と比較する。これらの技術には位相敏感技術、または、同様な結果を得ることができる他の技術がある。この操作の結果は、装置固有のノイズ及びドリフトの排除で、該試料の磁気容量の非常に正確な評価である。
【００５０】
いくつかの変形例を記載する。２個のセンサコイル形態が示されているが、しかし、多くの他の構成を採用することができる。さらに、先に示されているように、１以上の該磁気場源極片上に直接にパターンを形成されたセンサを使用することができる。さらに他の様々なセンサを、記載したタイプのコイル近くで使用することができる。例えば、バランスホールセンサを使用することができる。適当な構成において、これらは周波数独立シグナルを与えることができる。また、採用することが有益な他のセンサには、ジャイアントマグネットレジスタンス（ＧＭＲ）センサ、ＳＱＵＩＤセンサ、マグネット／レジスタンスセンサ等がある。
【００５１】
他の変形例において、磁場源は、試料ディスクとの関連で動くように示されるが、所望ならば、該ディスク及び結合したステッパモータを磁気駆動組立て体との関連で動くように構成することができる。該コロイドコアは長方形断面を示すが、また、他の形態とすることもできる。例として示したディスク１２上のドット１１における試料粒子の数に関しては、試料部材の０．２５mmドットで、約１０−５ミクロンサイズ磁性粒子、または約１２００ １マイクロサイズ粒子を含むことができる。
従って、前記記載の観点から、本明細書に添付したクレームの概念及び範囲内の応用可能な技術において、同業者が本発明の変形及び改良を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的、利点及び特長は添付図面と組み合わせて読む場合、詳細な説明からより明瞭になる。
【図１】 図１は、本発明の実施態様のディスクトップ型バージョンの斜視図である。
【図２】 図２は、図１の実施態様のセンシングコイルを示す、該センサーの実施態様の拡大平面図である。
【図３】 図３は、図１の実施態様の機械的図式の斜視図である。
【図４】 図４は、図１の実施態様の電気回路図である。
図４Ａは、図１のセンシングコイルを保持する支持体の拡大平面図である。
図４Ｂは、該支持体の接続末端部に対する金属シールドの斜視図である。
【図５】 図５は、図１の実施態様のセンシングコイルに代わり得る実施態様の拡大平面図である。
【図６】 図６は、磁性材料の位置に対するセンシングコイルの出力のシグナル波形である。
【図７】 図７は、本発明の実施態様において使用することができる、横流れ膜試料ホルダの実施態様である。
【図８】 図８は、本発明の実施態様の磁場源として使用することができるＥ−コア磁石系である（注、明瞭化のため駆動コイルは示されていない）。
【図９】 図９は、本発明の実施態様において使用することができるマイクロ液体試料ホルダの態様である。
【図１０】 図１０は、本発明の実施態様において使用することができる装着されたセンサに伴う単一磁石極片の対応である。

Claims (42)

1. 磁気感応性粒子を利用して検体粒子の定量的測定を行う装置であって：
   検体粒子の導入用流入孔と、該検体粒子が流れて通過し得る横流れ膜と、を有する試料ホルダであって、該横流れ膜は複数の結合した磁気感応性粒子を含む既定の領域を有し、それにより流れる検体粒子が該結合した磁気感応性粒子と結合できるものである、前記試料ホルダ；
   交流磁場を該既定領域にある試料に適用する磁場源；
   出力シグナルコンダクタを有し、出力シグナルを伝達する磁場センサ；及び
   該センサからの出力シグナルを変換し、既定領域における試料の量を示すシグナルを提供する、電子シグナルプロセッサ；
   を含む前記装置。
2. 磁気感応性粒子を用いる検体粒子の定量的測定用装置であって、
   検体粒子を含む試料粒子の導入に用いる流入経路と、流入経路に接続された試料分析チャンバを含むマイクロ液体試料ホルダ；
   該試料分析チャンバ内の試料に交流磁場を適用する磁場源；
   出力シグナルを送出する出力シグナルコンダクタを有する磁場センサ；及び
   該センサからの出力シグナルを変換し、該試料分析チャンバ内の試料の量を示すシグナルを提供する電子シグナルプロセッサ；
   を含む前記装置。
3. 該検体粒子が磁気感応性粒子と結合している、請求項２記載の装置。
4. さらに、磁気感応性粒子の溶液を含む少なくとも一の試薬チャンバ；及び
   該試薬チャンバ及び該流入経路に接続している少なくとも一の混合チャンバ；
   を含む、請求項２または３記載の装置。
5. さらに、経路を介し、試料分析チャンバと接続している測定チャンバを含む、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. さらに、一の該試料分析チャンバ又は該測定チャンバに結合している流出経路を含む、請求項５記載の装置。
7. 磁場源は試料ホルダを配置することができる間隙を規定しており；
   磁場センサは、試料からの誘導された磁気モーメントを検出するために実質的に平坦であって、該検出に対する磁場源の関与を実質的に排除できるように形成され、かつ配置されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 該磁場センサが１以上の誘導センシングコイルである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 該誘導センシングコイルが磁気傾斜度計構成体に接続している請求項８記載の装置。
10. さらに、前記誘導センシングコイルから離れた１セットの基準コイルを有する請求項８記載の装置。
11. 該誘導センシングコイルが円形螺旋型の形態である請求項８記載の装置。
12. 該センシングコイルが長方形の形態である請求項８記載の装置。
13. さらに、少なくとも一つの試料ホルダ又は、該センサに機械的に結合している、駆動システムを含み、該駆動システムが該試料ホルダ及び該センサの間の相対的な動きを与える請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
14. さらに、試料ホルダ及び該センサの間に相対的な動きを提供する手段を有する請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
15. 該手段が該試料ホルダ、または該センサと機械的に結合している、請求項１４記載の装置。
16. 該センサが固定されており、かつ、該駆動システムが、該試料ホルダが該センサとの関連で動くように構成され、かつ、配置されている、請求項１３記載の装置。
17. 該試料ホルダが固定されており、かつ、該駆動システムが、該センサを該試料ホルダに対して動かすように構成され、かつ、配置されている、請求項１３記載の装置。
18. 該駆動システムがピンチローラ機構を含む請求項１３記載の装置。
19. 該駆動システムが、
    該試料ホルダに対して該センサを動かすためのモータ及びスクリュ配置；及び
    該磁気源に対して試料ホルダを動かすモータ配置
    を有する請求項１３記載の装置。
20. 該磁場源が長い極片を有する磁気的に透過性コアを伴う電磁石を含み、かつ、該延びた極片の上に該センサが設けられる請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 該磁場源が間隙を有する磁気的に透過性のコアを伴う電磁石を含む請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の装置。
22. 該センサが磁気的に透過性のコア上にパターン化されている請求項２１記載の装置。
23. 該磁場源が間隙を有するトロイド；及び該トロイドの周りに巻かれた駆動コイルを含む請求項２１記載の装置。
24. 該センサが該間隙内にパターン化されている請求項２３記載の装置。
25. 該磁場源が２個のＥ−コア磁石を有し：Ｅ−コア磁石の開口末端が実質的にそれぞれ他方に面しており、かつ、少なくとも１セットの極がその間に該間隙を規定しており、；かつそれぞれのＥ−コアに巻かれた駆動コイルを含む、請求項２１記載の装置。
26. 該センサが該間隙中でパターン化されている、請求項２５記載の装置。
27. さらに、電磁石によって作り出された場と結合しているフィードバックループを含み、該フィードバックループの出力口が該シグナルプロセッサと結合しており、これにより該シグナルプロセッサが外部影響に対して自動修正することができる、請求項２１記載の装置。
28. 該センサが、支持体上に設けられており、該支持体及びセンサが該トロイド間隙に延びることが可能な、請求項２３記載の装置。
29. 該センシングコイルの数が２つであり、かつ、支持体上に設けられている、請求項８記載の装置。
30. 該シグナルプロセッサが、
    該センサの該出力口と結合した増幅器；
    該出力シグナルを条件化する該増幅器と結合した位相敏感検出器；
    該出力シグナルをデジタルシグナルに変換するアナログ／デジタルコンバータ装置；及び
    該デジタルシグナルを受け、かつ該装置にコントロールシグナルを提供するコンピュータ；
    を含む、請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 該シグナルプロセッサが、
    該センサの出力口と結合した増幅器；
    ハードウェアまたは、ソフトウェア内で実行されるコンピュータ；
    該増幅器と結合し、出力シグナルを条件化する位相敏感検出器：
    該出力シグナルをデジタル形に変換するデジタルコンバータ；及び
    該デジタルシグナルを受け、かつ該装置にコントロールシグナルを提供するコントローラ；
    を含む、請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
32. 細長い支持体が、その遠位末端上に取り付けられている該センシングコイルからのシグナルを入力及び出力するために、その基部末端に、コンダクタに接続される結合パットを有し、さらに該支持体が漂遊シグナル、及び干渉ピックアップを減少させるために結合パッド及び該支持体の基部末端の周囲に導電性シールドを有する、請求項８記載の装置。
33. 該磁場源が交流電力として電力を供給するように構成され、かつ、配置されている請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の装置。
34. 該磁場源がインフィールドパルスで電力を供給するように構成されかつ、配置されている、請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の装置。
35. 該磁場源が方形波パルスの形態で電力を供給するよう構成され、かつ、配置されている、請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の装置。
36. 該増幅器が支持体上に配置された回路を含む、請求項３０に記載の装置。
37. 該センサが、少なくとも一つのホールセンサを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
38. 該センサが少なくとも、一つのマグネットレジスタンスセンサを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
39. 該センサが少なくとも１のジャイアントマグネットレジスタンスセンサを含む、請求項３８記載の装置。
40. 該試料ホルダが、さらに、その上に配置された参照装置を含む、請求項１４記載の装置。
41. 該参照装置がバーコードである、請求項４０記載の装置。
42. 該参照装置が磁気片である、請求項４０記載の装置。

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