JP6092910B2 - 磁性粒子を作動させるためのバイオセンサー・システム - Google Patents

Description

本発明は、バイオセンサー・カートリッジ及びそのバイオセンサー・カートリッジとともに使用するための2つの磁気サブユニットを持つ第1バイオセンサー磁気アセンブリを含むバイオセンサー・システムに関し、バイオセンサー・カートリッジにおける磁性粒子を作動させる方法に関する。

テスト・サンプルにおける検体を検出するための様々な分析手順が、従来技術において知られている。

例えば、免疫学的検定は、抗体及びそれぞれの抗原が互いに結合することが可能である免疫システムの機構を使用する。この特定の反応機構は、テスト・サンプルにおける抗原の存在又は量を決定するために使用される。特に、抗体又は抗原（対象の検体）は、抗体と抗原との間の相互作用の量を測るために標識される。共通の標識は、例えば、蛍光及び化学発光分子、着色粒子（ビーズ）又は放射性同位体である。

最近、磁気標識は、検体の存在又は量を検出するためにマイクロ流体分析において使用されている。例えば、磁性ビーズ又はビーズとしても命名される磁性粒子として磁気標識を使用することは、いくつかの利点を有する。それらの磁性粒子は、分析手順が加速できるように、磁場を印加することによって作動させることができる。さらに、磁性粒子の検出に影響を与える、生物学的テストにおける磁気背景信号は無い。

しかし、磁気標識を使用するこれらの分析は、センサー・カートリッジのセンサー面の近くで不動態化される抗原に結合磁性粒子を作動させるため、及びそれらの結合粒子の定量測定に影響を与えないように、残っている非結合磁性粒子を流すための手段を必要とする。従って、例えば、2つの磁石がセンサー・カートリッジの向かい合う側に配置され、第1磁石は、磁性粒子を、テスト・サンプルの中を通ってセンサー面に向けて引き付け、その結果、第2磁石は、非結合磁性粒子をそのセンサー面から離れるように引き付ける。この構成において、それらの2つの磁石は、支持構造部において搭載され、その支持構造部は、それらの磁石を、センサー面に向けて又はそこから離れるように機械的に動かす（非特許文献1参照）。

そのような方法は、非常に困難であり、時間がかかり、その2つの磁石をセンサー・カートリッジの対向する側に配置するための複雑な支持構造部を必要とする。さらに、そのセンサー・カートリッジの下に配置された第1磁石は、そのセンサー面に垂直な方向においてのみ磁性粒子の動作を制御するが、センサー面に根本的に平行な方向である水平方向においては制御しない。従って、対象の抗原に結合する磁性粒子がわずかしかない若しくは少な過ぎるかもしれない領域の隣に、非結合磁性粒子が蓄積した領域がカートリッジにおいて存在する可能性がある。さらに、カートリッジ内の周辺領域の非結合粒子は、容易にまた他の粒子ほど速く第2磁石に引き付けられないので、これらの粒子はカートリッジ内に残る可能性がある。これは、信頼できないテスト結果をもたらす可能性がある。

（削除）

（削除）

（削除）

一般的に、テスト・サンプルにおける粒子は、いくつかのプロセスを経る。例えば、粒子は、センサー面に近づき、そのセンサー面に結合し、そのセンサー面から離れたりする。従来のバイオセンサー・システムにおいて、磁石の近くの磁性粒子は、通常、磁場によって作動し、その磁石に向かって引きつけられる。この場合、その磁石の隣のセンサー面から受信される信号の質及び／又は量は、時間に依存することから信頼性に欠ける。それは、結合粒子を表すのみではなく、磁場によって作動するカートリッジにおける遠い部分における非結合磁性粒子によっても影響を受けることから、その磁石の隣のセンサー面へ向けて動く可能性があるからである。

（削除）

（削除）

1つの目的は、カートリッジにおける磁性粒子の動作を制御し、より信頼性の高いテスト結果を提供するためのバイオセンサー・システム及び方法を提供することである。

本発明は、バイオセンサー・カートリッジと、以下において第1磁石アセンブリとも呼ばれる、２つの磁気サブユニットを含むバイオセンサー・カートリッジにおいて磁場を生成するための第1バイオセンサー磁石アセンブリとを持つバイオセンサー・システムを開示し、その第1バイオセンサー磁石アセンブリの２つの磁気サブユニットの各々は、間隙によって分離された上面を持つコアを有し、そのバイオセンサー・カートリッジによって含まれるセンサー面は、それらのコアの上面の上に配置され、その２つのサブユニットは、第1サブユニットと第2サブユニットの間において、その上面の上のカートリッジにおける磁性粒子において力を及ぼすためにそのセンサー面に基本的に平行な磁力線を持つ磁場を生成するように適合されている。バイオセンサーという用語は、本文献において、生物学的物質及び生物学的材料を検出するのに適切なあらゆる種類のセンサーに対して使用される。上面という用語は、本文献において、コアの典型的な円筒形状とは異なる形状を有するセンサー面に近くのコアの最上部におけるそのコアの一部分に対して使用される。その上面は、センサー面へ向かう方向に整列し、そのコアは通常垂直に整列している。そのセンサー面がコアの間に配置されると、これは、その上面がコアに対して角度をなすことを意味し、それは以下において詳しく記載する。上面は、磁場のプロフィールを形成する。そのバイオセンサー・システムは、小型であり、ほとんど空間を取らなく、磁性粒子の動作の柔軟な制御を許容する。記載されるバイオセンサー・システムで、磁性粒子は、いくつかの方向、特に図に関して左右の方向に動くことができる。そのバイオセンサー・システムは、そのセンサー面から、結合ビーズの結合を破壊せずにアセイに結合されていない過度のビーズを洗い流すことを可能にする。

本発明の詳しい例は、従属項において記載される。

バイオセンサー・システムの一例において、第2磁石アセンブリが、カートリッジにおける磁性粒子において力を及ぼすためにセンサー面の上に配置されている。その第2磁石アセンブリは、その2つのサブユニットのうち１つに似て設計することができる。その第2磁石アセンブリは、それらのビーズに力を及ぼすために追加の磁場を供給し、２つのサブユニット及び一番上のコイルを駆動する制御手段によって、その２つのサブユニットと一緒に制御することができる。

磁場を生成するための第1バイオセンサー磁石アセンブリは、バイオセンサー・カートリッジにおける磁性粒子の空間的動作が制御され得るように、バイオセンサー・システムにおいて使用される。そのカートリッジ内で磁場を生成することによって、テスト・サンプルに含まれ、磁性粒子で標識され、その第1バイオセンサー磁石アセンブリの近辺に存在する検体、通常は抗原又は物質は、不動態化した抗体に結合するようにカートリッジ内でセンサー面へ向かって動かされ得る。テストされるべき検体である抗体、抗原の結合複合構造体、及び標識として機能する磁性粒子は、次に、そのテスト・サンプルにおける検体の単なる存在又は量でさえもが見積もられるか、判定されるように、そのセンサー面で検出され得る。別の実施形態は、カートリッジ内の磁場の変化に起因し、そのカートリッジに存在しているが第１バイオセンサー磁石アセンブリからは遠く離れている磁性粒子は、センサー面に動くことが妨げられる。このさらなる効果は、磁力線の異なる領域が描かれている図１において示されている。カートリッジの端でBとして示される領域において、磁性粒子又はビーズは、その表面にほぼ垂直に方向付けられ、ビーズに対する妨害物を蓄積する磁力線及び対応する力が原因で、通過することが妨げられる。言い換えれば、磁壁がカートリッジでの異なる領域の間で生成される。

図1に従って、バイオセンサー・カートリッジ及びそのバイオセンサー・カートリッジ内で磁場を生成するための第1磁石アセンブリを含むバイオセンサー・システムが提供される。そのバイオセンサー・カートリッジにおいて、磁力線は、カートリッジのセンサー面の端における一領域Ｂにおいて、ビーズがセンサー面の端を通過するのを妨げるように方向付けられる。

バイオセンサー・カートリッジは、例えば、対象の抗原などの検体を含む流体テスト・サンプルを受け取るための容器又は貯留層である。通常、そのカートリッジは、少なくとも１つの平面基盤領域、特に四角形、円形又は楕円形の基盤領域を有してもよい。その基盤領域は、その対象の検体が検出手順によって分析され得るセンサー面として機能する。望ましくは、そのカートリッジ又は少なくともそのカートリッジの平面基盤領域は、例えば、ガラス、シクロ・オレフィン重合体（cyclo-olefin polymer）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、又はポリメチルメタクリレートで作られ、そのテスト・サンプルの光学的分析を可能にする。

バイオセンサー・カートリッジは、磁気又は磁化可能な粒子を含むか又は受け取り得る。「磁気」又は「磁化可能な」粒子は、磁場の印加によって影響を受け、磁気的に反応する。例えば、これらの粒子は、引き付けられるか、又は撃退されるか、又は検出可能な磁化率又は誘導を有する。望ましい実施形態において、これらの粒子は、常磁性又は超常磁性であり、金属又は金属酸化物又は例えばマグネタイト（magnetite）などのフェライトなどの合成材で作られてもよい。これらの粒子は、ビーズ又は標識であってよく、例えば、抗体及び／又は抗原などの標的部分に結合するように適合されている。そのような結合は、直接的、又は、例えば抗体によって捕らえられた、たんぱく質及び／又はその粒子とその抗体又は抗原との間に挟まれたたんぱく質などの特異的結合メンバーによって起こる。バイオセンサー・カートリッジの一実施形態において、抗体は、そのカートリッジのセンサー面におけるキャプチャ試薬（capture reagent）によって不動態化され、磁気又は磁化可能な粒子で標識された抗原に対する結合部位を提供する。

特定の実施形態において、その上面の少なくとも1つは、傾斜部分を有してもよく、後に記載されるように、異なる形状が設計可能である。もう1つの例において、その上面の少なくとも1つは、センサー面から0.1mmから5mmの間で間隔が取られた上面の最上部において平面部分を有する。

特定の実施形態において、その磁気サブユニットの少なくとも1つは、電磁気サブユニットであってもよい。

バイオセンサー・システムの第1磁石アセンブリは、少なくとも2つの磁気サブユニットを含む。特に、それらの磁気サブユニットは、各コイルの中に磁化可能な（磁気的に反応する）コアを有するコイルを含む電磁気サブユニットであってもよい。そのコアは、強磁性材料で作られてもよい。第1バイオセンサー磁石アセンブリは、各サブユニットの極のうち1つが、バイオセンサー・カートリッジの側面の1つにおけるセンサー面に隣り合うような方法で配置されてもよい。1つの実施形態において、サブユニットは、基本的に、コイル領域内において円筒形状を有し、2つの磁極は、その円筒形の2つの端（すなわちその円筒形の基盤領域及び上面）に存在する。サブユニットのコアは、0.01mmと0.5mmとの間、望ましくは0.02mmと2mmとの間の直径を有してもよくそのコアの高さは、3mmと10mm、望ましくは5mm、との間の直径を有してもよい。

特に、磁気サブユニットのコアは、望ましくは、カートリッジのセンサー面の下に配置された上面を有し、それは、平面部分及び傾斜部分を含んでもよい。望ましい実施形態において、その平面部分は、カートリッジのセンサー面に平行に配置される。

特定の実施形態において、各サブユニットの磁場強度は、電気制御によって別々に変更可能である。

「別々に変更可能」という用語は、各サブユニットの磁場が、他のサブユニットの磁場の如何なる変更からも独立して電気的制御によって変更することができることを意味する。そのサブユニットが、上記に記載されたように、電磁気コイルを含む場合、サブユニットの磁場強度の変化は、サブユニットのコイルを通って流れる電流を変えることによって実行され得る。この場合、「電気的制御」は、それらのコイルを取って流れる電流の制御を意味する。

本発明のバイオセンサー・システムは、バイオセンサー・カートリッジにおいて、第1バイオセンサー磁石アセンブリの変更可能な磁場によって、磁気又は磁化可能な粒子、例えば標識などのビーズの動作をステアリングすることを可能にする。望ましくは、それらの粒子は、操作時間を節約するためにカートリッジのセンサー面に直接動くように、ステアリングすることができる。さらに、センサー面上の特定の位置での粒子の濃縮（up-concentration）が、電磁気サブユニットの磁場強度を別々に変更することによって、防止され得る：そのサブユニットの別々の制御によって、粒子に働く力に比例する磁場傾斜は、それらの粒子を水平方向に、すなわちセンサー面に基本的に平行に、及び／又は基本的に垂直方向、すなわちセンサー面に垂直に、移動させるように調節され得る。

特定の実施形態において、バイオセンサー・カートリッジの全体の分析体積、すなわち、そのバイオセンサー・アセイにおいて分析される体積が、サブユニットによって生成される磁場によって影響を受けることが可能である。

バイオセンサー・カートリッジのセンサー面の領域又は全体の体積は、サブユニットの磁場によって影響を受けることが可能であり、及び／又はその磁場が浸透することが可能である。そのカートリッジの体積は、検体を含むテスト・サンプルを挿入することができるその内部体積（テスト・サンプルを充填するための如何なる注入口又は出口も除外する）である。そのカートリッジのセンサー面の領域は、一般的に、例えば、検体が決定される一例としての磁気又は磁化可能な粒子及び／又は抗原に対応する抗体が不動態化され得るカートリッジの平面基盤領域である。有利にも、そのバイオセンサー・カートリッジは、そのカートリッジの全体の体積がサブユニットの磁場によって影響を受けられる及び／又はその磁場が浸透することが可能であるように、第1バイオセンサー磁石アセンブリに隣り合って配置される。この場合、そのカートリッジにおける全ての磁気又は磁化可能な粒子が作動され、カートリッジ内の幾何学的制約が避けられ得る。

特定の実施形態において、磁気サブユニットの傾斜部分は、そのバイオセンサー・カートリッジのセンサー面の垂直面に関して、100°から170°、望ましくは120°から150°、さらに望ましくは130°から140°、又は135°傾斜し得る。

1つの実施形態において、その傾斜部分は、磁気サブユニットのコアの主軸に向かって傾斜している。そのコアが基本的に直円柱の外側の形状を有する場合、その主軸は、その円柱の高さの軸である。

特定の実施形態において、その上面の各々は、センサー面から0.1mmと10mmの間で間隔が取られた平面部分を有してもよい。

例えば、磁気サブユニットのコアの上面は、傾斜部分を有してもよく、平面部分をさらに有してもよい。この場合、その平面部分は、カートリッジのセンサー面に平行に配置され得る。その平面部分とセンサー面との間の距離は、0.1mmから10mm、詳しくは0.1mmから5mm、さらに詳しくは、0.1mmから3mmであってよい。コアとセンサー面との間の近い配置は、そのセンサー面において高い磁場密度を与え、従って、より信頼できるテスト結果を提供し得る。

本発明に従って、上記バイオセンサー・システムにかかるバイオセンサー・システムで磁性粒子を作動させる方法が請求される。第1バイオセンサー磁石アセンブリに隣接してバイオセンサー・カートリッジを配置することにおいて、その第1磁石アセンブリによって生成される磁場は、信頼できるテスト結果を得るために、そのセンサー面に向かう動作及びそのセンサー面から離れる動作を制御するように、そのカートリッジにおけるセンサー面に影響を与え得る。

特定の実施形態において、本発明の方法において使用される第1バイオセンサー磁石アセンブリ及びバイオセンサー・カートリッジは、上記に記載されたバイオセンサー・システムの一部である。

その方法は、より信頼できるテスト結果を可能にするために、バイオセンサー・カートリッジにおける磁性又は磁化可能な粒子の動作を制御することを可能にする：カートリッジの水平及び／又は垂直方向におけるそれらの粒子の均等分布が達成され、センサー面から遠くはなれた残りの非結合粒子は、テスト手順の間にそのセンサー面に向かって動くのが妨げられる。

特定の実施形態において、その方法は、少なくとも1つの磁気サブユニットの極性を変えるステップを含んでもよい。

例えば、そのシステムは、2つの異なる構成、すなわちNorth‐North構成及びNorth‐South構成を有することができるが、一方、South‐South構成及びSouth‐North構成は、North‐North構成及びNorth‐South構成とそれぞれ同じ磁力線のパターンを与える。その少なくとも1つのサブユニットの極性を変えることにおいて、磁場による力の方向及びカートリッジにおける磁性粒子が向けられる方向は、反対になる。望ましくは、磁性粒子に向けられる力は、その磁気サブユニットの少なくとも1つの極性を変えることによって、その符号が変わる。

特定の実施形態において、第1バイオセンサー磁石アセンブリは、バイオセンサー・カートリッジにおいてセンサー面に平行及び／又は垂直な方向において、所定の傾斜磁場を生成し得る。

望ましくは、そのバイオセンサー・カートリッジにおいて得られる傾斜磁場は、そのカートリッジのセンサー面に平行及び／又は垂直な方向において、変化可能である。そうすることにおいて、例えば、粒子は、検出手順を望ましいように較正するように、そのバイオセンサー・カートリッジにおけるセンサー面の所定の領域において配置するように、その傾斜によって駆動され得る。

特定の実施形態において、その傾斜部分は、バイオセンサー・カートリッジのセンサー面の垂直面に関して100°から170°、望ましくは120°から150°、さらに望ましくは130°から140°又は135°傾斜し得る。

特定の実施形態において、上面の各々は、センサー面から0.1mmと10mmの間で間隔が取られた平面部分を有してもよい。

特に、そのサブユニットは、基盤構造部に位置してよく（特に、そのサブユニットの基盤領域が基盤構造部に位置する）、望ましくは、強磁性体ヨーク（yoke）に位置する。1つの実施形態において、その基盤構造部は、サブユニットの一部であってよい。基盤構造部は、第1バイオセンサー磁石アセンブリのより簡単な扱いを可能にし、そのサブユニットが1つの平面に配置されていない場合に生じるかもしれない幾何学的制約をさらに回避し得る。基盤構造部としての強磁性体ヨークは、そのヨークにおける内部の磁束の磁力線を集中させ、従って損失を逃れることによって、第1バイオセンサー磁石アセンブリの磁場を強め得る。特に、その基盤構造部は、0.01mmと10mmの間、望ましくは5mm又は5mm未満の長さ及び幅を持ち、2mmと10mmの間、望ましくは4mmの高さ（すなわち、バイオセンサー・カートリッジに向かう方向）を持つ、直平行6面体の形状を有してもよい。

特定の実施形態において、本発明のバイオセンサー・システムは、電気的制御によって各サブユニットの磁場強度を別々に切り替える又は調整するように適合された制御手段をさらに含んでもよい。特に、その制御手段は、磁気サブユニットにおける磁化の方向を切り替えてもよい。その制御手段は、バイオセンサー・カートリッジにおいて所定の傾斜磁場を得るために有利であり得る。磁場強度は、例えば、サブユニットのコイルにおける電流を増加させる又は減少させることによって、その制御手段によって各サブユニットに対して別々に増加させる又は減少させることができる。従って、所定の傾斜磁場がバイオセンサー・カートリッジにおいて得られ、その得られた傾斜磁場は、分析手順の間はいつでも、その制御手段によって簡単に修正され得る。特に、その制御手段は、その傾斜磁場を、バイオセンサー・カートリッジのセンサー面に平行（水平）及び／又は垂直（直角）な方向において変化させるように適合されてもよい。各サブユニットに対する磁場強度の別々の調整が可能であることによって、そのカートリッジにおける磁束密度は、可変であり得る。従って、そのバイオセンサー・カートリッジにおける磁気又は磁化可能な粒子は、例えば、水平方向（すなわちセンサー面に平行、又は垂直な方向（すなわちセンサー面に直角な方向）などの特定の空間的方向に動くように制御可能であり得る。従って、そのカートリッジにおける粒子の拡散は、サブユニットの磁場強度を変化させるための制御手段を使用することによって制御され、例えば、各空間的方向に加速されるか又は減速され得る。

特定の実施形態において、本発明のバイオセンサー・システムは、FTIR（フラストレートした全反射）磁気バイオセンサー・システムである。光ビームと磁場とは、一般的にお互いに干渉しないという事実によって、テスト・サンプルにおける対象の検体の量の存在及び望ましくは量を分析するための光検出法は、磁気又は磁化可能な粒子を標識として使用する場合に有利である。従って、外部の磁気作動は、磁場によるセンサー妨害が回避されることから、光検出法と共に使用するのに非常に適しているかもしれない。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明確化され、それらを参照して説明される。

本発明の1つの実施形態に従って、2つの磁気サブユニットがカートリッジの下に配置されたバイオセンサー・システムに対する設定を示す側面断面図である。 本発明における使用における、模範的なサイズをmmで示した、1つの磁気サブユニット側面の機械製図である。 カートリッジの下に配置された2つの磁気サブユニットの一例の側面を示す概略図であり、もう1つの磁気コイルがカートリッジの上に配置され、磁力線がそのカートリッジに沿って整列し、そのセンサー面の近くの概略的な磁性粒子は正確な縮尺で表されてはいない、図である。 他の磁気コイル、カートリッジの上の上方コイル、カートリッジ、及びそのカートリッジの下の2つのサブユニットを持つバイオセンサー・システムの側面を概略的に示す図であり、そのカートリッジは、磁気サブユニットの各一端において細い形状をした先端を有している、図である。 他の磁気コイル、カートリッジの上の上方コイル、カートリッジ、及びそのカートリッジの下に2つのコイルを持つ、図4に似たバイオセンサー・システムの側面を示す概略図であり、そのカートリッジは、磁気サブユニットの各一端において分厚い形状を有している、図である。 図4による細い形状をした先端及び図5による分厚い形状をした先端に対するセンサー面での位置に対する磁力線の角度の2つの曲線を、それぞれ破線及び連続した線で示すグラフである。 磁気サブユニットの2つの狭い先端の上面、その先端の間の間隙における磁場の分布及び測定がされるその先端の間の光学窓を概略的に示す図である。 磁気サブユニットの2つの幅広い先端、その先端の間の幅広い間隙における磁場の分布及び測定されるその先端の間の光学窓を図7と同様に示す、概略的な上面図である。

図1は、2つの電磁気サブユニット20a及び20bを持つ第1バイオセンサー磁石アセンブリ10を含むバイオセンサー・システム1の実施形態を示し、それは、通常は、そのサブユニット20a、20bと一体で形成される基盤構造部23a及び23b上に配置され得る。1つの望ましい実施形態において、各サブユニット20a、20bは、コイル21a、21b及びそのコイル21a、21bの内部にコア22a、22bを含む。そのコイル21a、21bの中を流れる電流を変化させることによって、各サブユニット20a、20bの磁場強度が、電気的に制御され得る。磁場強度の一例は40kA/mまで及び、傾斜磁場の一例は、2*107A/m²まで及ぶ。一般的に、サブユニット20a及び20bは、磁気サブユニット20a及び20bの方に向いているバイオセンサー・カートリッジ30の一方の側に配置されている。バイオセンサー・カートリッジ30は、図1において、長さ寸法及び高さhを有するとして示されている。基盤構造部23a、23bが使用される場合、カートリッジ30は、第1磁石アセンブリ10が、基盤構造部23a、23bとカートリッジ30との間に位置するように、サブユニット20a及び20bに隣接して位置する。特定の実施形態において、基盤構造部23a、23bは、上記で考察されたように、単一のヨークであってもよい。さらに、カートリッジ30は、その体積が第1磁石アセンブリ10の磁場によって影響を受けられるように及び／又は浸透されることが可能なように配置され得る。図1において、磁気サブユニット20a、20bは、磁力線が図1に示されるようなカートリッジ30におけるパターンを提供し、そのカートリッジ30においてセンサー面31を貫通し得るように、North‐South構成を有する。カートリッジ30におけるセンサー面31は、そのカートリッジ30に加えられる検体の検出に役立つ。サブユニット20a、20bのコア22a、22bは、以下に先端としても示される、それらのコアの上部に配置された上面24a、24bを含み、図1に描かれるように、傾斜部分26a、26b及び平面部分28a、28bを有する。平面部分28a、28bは、望ましくは、カートリッジ30に近く配置され、及び／又はカートリッジ30におけるセンサー面31に平行に配置されている。第1バイオセンサー磁石アセンブリ10によってカートリッジ30において磁場が生成された後に、磁力線は、図1に示されるようなパターンを供給し、それらの磁力線は、コア22a、22bの上面24a、24bから垂直に広がる。磁力線の明確さの目的で、その磁力線は、カートリッジ30の領域においてのみ描かれている。

本発明の方法の実施形態に従って、カートリッジ30のセンサー面31は、磁気サブユニット20a、20bから生じる磁場がカートリッジ30の体積、特にバイオセンサー・アセイによって分析される全体の分析体積を貫通するように、図1において第1磁石アセンブリの上に配置されている。サブユニット20a、20bの上面24a、24bの傾斜部分26a、26bによって、カートリッジ30において存在する又はカートリッジ30において充填された磁性又は磁化可能な粒子の動作は、細部にわたって制御され得る。

図2は、図1に似た磁石アセンブリ10、40において使用するための特定の磁気サブユニット20bの機械製図を示す。特に、磁気サブユニット20bの上面24bが描かれ、さらに記載される。同じことが、記載されるように、サブユニット20bの反対側に配置されたサブユニット20aについても当てはまる。図2に明記されるように、サブユニット20bの寸法は、ミリメートル（mm）で示される。示される特定の実施形態において、その基盤構造部23bは、4mmの高さを有する。特に、サブユニット20bの基盤構造部23bの高さは、2mmから10mmまでの間、さらに望ましくは3mmと6mmとの間であってよい。図2においてコア22bの高さは、5mmとして明記されている。特定の実施形態において、コア22bの高さは、3mmと10mm、さらに望ましくは4mmと7mmの間であってよい。サブユニット20bの先端24bの高さは、およそ1mmであるとして明記されている。特定の実施形態において、先端24bの高さは、0.5mmと3mmの間、さらに望ましくは0.5mmと2mmの間であってよい。コア22bの上面24bの平面部分の長さは、1.7mmであるとして、図2に明記されている。特定の実施形態において、平面部分28bの長さは、1mmと3mmの間、さらに望ましくは、1.5mmと2mmの間であってよい。上面24bの先端の傾斜部分26bは、135°であるとして図2に明記されている。特定の実施形態において、その角度は、100°と170°の間、望ましくは120°と150°の間、さらに望ましくは130°と140°の間であってよい。サブユニット20bの円柱コア22bの直径は、0.02mmと2mmの間であるとして、図2に明記されている。特定の実施形態において、コア22bの直径は、0.01mmと5mmの間である。サブユニット20bの基盤構造部23bの反対側の端は、図に2に示される実施形態に従って、0.3mmの高さを有するオフセットを供給される。特定の実施形態において、そのオフセットの高さは、0.1mmと0.5mmの間、望ましくは0.2mmと0.4mmの間である。サブユニット20bの基盤構造部23bの長さは、0.01mmと4.99mmの間であるとして図2に明記されている。特定の実施形態において、基盤構造部23bの長さ及び／又は幅は、0.01mmと10mmの間、望ましくは0.01mmと7mmの間に及び、又はさらに望ましくは、5mm未満である。記載されたこれらの寸法は、それに応じて、磁気サブユニット20aに対しても同様である。

特定の実施形態において、磁石アセンブリ10、40は、バイオセンサー・カートリッジ30の長さに基本的に等しい。この場合、サブユニット20a、20bによって生成される磁場は、カートリッジ30の全体の体積を貫通し得る。そうすることにおいて、粒子2は、信頼できるテスト結果を得るように、カートリッジ30の各部分において制御され得る。

図3は、図1と同様にカートリッジ30の下に配置された2つの磁気サブユニット20a、20bの例の概略的な側面図を示す。磁気サブユニット20a、20bの上のカートリッジ30におけるセンサー面31が、先端24a、24bへのより大きい距離を有する場合、通常、磁気サブユニット20a、20bの間においてより広い間隙が使用される。そのサブユニット20a、20bは、間隙25によって互いから間隔が取られる。その間隙25は、サブユニット20a、20bが互いに関して動くことを可能にするように、必ずしも外気以外の任意の材料で充填する必要は無い。さらなる実施形態において、間隙25は、誘電材料で充填されてもよい。その誘電材料は、サブユニット20a、20bが、各サブユニット20a、20bの外形が容易に見えないように埋め込まれてもよいプラスチック成形材料であってよい。望ましい実施形態において、各サブユニット20a、20bの極面の1つのみ又は両方は、誘電材料によって被覆されていない。その誘電材料は、そのサブユニットの間における絶縁体として機能してもよく、そのサブユニット20a、20bの間の距離を、そのサブユニット20a、20bが互いに関して動けないように固定してもよい。従って、幾何制限がさらに避けられ得る。通常、磁気サブユニット20a、20bの間の間隙25は、磁気サブユニット20a、20bのセンサー面31への距離と同じ単位の大きさを持つ。コイル21a、21bは、磁気サブユニット20a、20bの記載された設計及び形状をさらに説明するために、概略的に示されている。その2つの磁気サブユニット20a、20bの極性の様々な組み合わせが使用されてもよい（North‐South、North‐North、South‐South、South‐North）。図3は、先端24a、24bの反対の極を持つ構成をスケッチしている。この構成において、2つのサブユニット20a、20bの極の間における磁力線は、カートリッジ30の上の領域において、カートリッジ30及びカートリッジ30におけるセンサー面31に基本的に平行な方向を有する。この効果は、磁気サブユニット20aの一極から生じ、反対側のサブユニット20bの第2極に投影している4つの磁力線によって模範的且つ概略的に示される。磁石アセンブリ10、40によって生成される磁場の形状は、円弧に似ている。結果として、その磁力線は、例えば、唾液又は血液などのサンプルの検体が溶解される同じ体積を、カートリッジ30の磁気サブユニット20a、20bに関して横方向の位置によって、異なる角度で貫通する。この極の構成における磁場のもう1つの重要な特徴は、センサー面31の方向に向けられた傾斜磁場を有することであり、それによって、磁性粒子2における力がセンサー面31へ向かって作用する。

カートリッジ30の上に配置された第2磁石アセンブリ40としても呼ばれるさらなる磁気アセンブリは、図3で見ることが出来るように、概略的な方法で描かれている。第2磁石アセンブリ40は、バイオセンサー・システム1によって別々に制御可能であり、例えば、コイル又は複数の磁気サブユニットを持つ磁石アセンブリ40として設計可能である。その第2磁石アセンブリ40は、磁気サブユニット20a、20bの1つ又は両方に類似して設計することができる。単一コア型単一コイル・アーキテクチャを持つ第2磁石の場合、その第2磁石アセンブリ40とカートリッジ30との間の領域において、磁力線は、第2磁石アセンブリ40だけが活性化され、2つの磁気サブユニット20a、20bによって生成される磁場は非活性化される場合、カートリッジ30にほぼ垂直である。第2磁石アセンブリ40から生じる磁力は、磁性粒子2に影響を及ぼし、その磁性粒子2がカートリッジ30から離れるように強制する。その第2磁石アセンブリ40及び2つのサブユニット20a、20bを制御手段48によって協調的な方法で制御すると、図3の平面に関して、分析される流体における磁性粒子2における制御された力の発揮が可能になる。完全を期すために、制御手段48は、2つのサブユニット20a、20b及び第2磁石アセンブリを駆動する概略的な方法において取り出される。その制御手段48は、オンにしたりオフにしたりと切り替え、２つのサブユニット20a、20bの磁場強度及び第2磁石アセンブリ40を、その操作状態に従って制御する。操作状態は、例えば、力がセンサー面31に基本的に平行な方向に及ぼされ、過度なビーズ2を洗い流す並行洗浄状態である。もう１つの操作状態は、ビーズ2がセンサー面31へ引きずられ、アセイ（非表示）での結合を設立する作動状態である。ビーズ2を検体に結合させ、抗原をアセイ（非表示）に結合させるプロセスは、従来技術において知られており、記載されている。記載されるバイオセンサー・システム1によって、その結合プロセス及びこのプロセスの速度は、ビーズ2がそのアセイ（非表示）に磁力よりも速く近づくことから、改善される。2つのサブユニット20a、20bの先端24a、24bの間の距離は、磁性ビーズ2が駆動される位置への距離に関して選択され、それは、カートリッジ30におけるセンサー面31の上の領域である。作動という用語は、従来技術において知られており、基本的に磁性粒子2をアセイ（非表示）へ供給し、磁性粒子2及び検体をそのアセイ（非表示）へ結合させるプロセスを意味する。さらに、記載されるバイオセンサー・システム1は、また、検体及び磁性粒子2をアセイ（非表示）へ結合させずに測定がなされるバイオセンサー・カートリッジ30にも適用することができる。

図4は、上面24c、24dの一定の例を示している図1に似たバイオセンサー・システム1の側面を概略的に示し、上面24a、24bのもう１つの例は、図5に示されている。図3のように、バイオセンサー・システム1は、さらに、そのバイオセンサー・システム1の最上部において、コア42及びコイル41を含む第2磁石アセンブリ40を含み、その第2磁石アセンブリ40は、図の描写に関し、カートリッジ30の上に配置されている。第2磁石アセンブリ40は、サブユニット20a、20bのカートリッジ30の他方の側に配置されており、センサー面31を含むカートリッジ30は、第2磁石アセンブリ40と2つのサブユニット20a、20bとの間に位置する。そのカートリッジ30の下の２つのサブユニット20a、20bは、磁気サブユニット20a、20bの先端24c、24dの領域における間隙25によって分離されている。これは、図4、図5において示唆されるように、陥凹部が、各サブユニット20a、20bと一体に通常は形成される先端24a、24bの間に配置されることを意味する。記載されるように、上面又は先端24a、24b、24c、24dは、センサー面31への方向に整列している。図2の例において、先端24c、24dは、細いと表現される形状を有し、それは、これらの模範的な先端24c、24dの直径が、コア23a、23bから離れる方向において低くなることを意味する。言い換えれば、先端24c、24dは、カートリッジ30への方向に向かって先が細くなる。この例における先端24c、24dは、図4で見られるように、お互いへの方向に傾き、それは、カートリッジ30の近くで、カートリッジ30の遠く及びサブユニット20a、20bの基盤構造部23a、23bの近くよりも狭い間隙25をもたらす。図5の例において、先端24a、24bは、分厚いと表現される形状を有し、それは、これらの模範的な先端24a、24bの直径が、サブユニット20a、20bから離れる方向において基本的に一定であることを意味する。図5における先端24a、24bは、図2で詳しく記載されている先端24a、24bに似た形状をしている。先端24a、24bは、図5において描かれるようなコア23a、23bに基本的に垂直な方向に延び、そのコア23a、23bから遠く離れた先端24a、24bの端面は、向かい合っている。これは、先端24a、24bの間の間隙25の幅が、図4とは対照的に一定であることを意味する。図4、図5に記載される例の両方は、図3の類似の例において描かれている磁力線によって特徴付けられる磁場をもたらす。生成される磁場のプロファイルに関する先端24a、24b、24c、24dの異なる例の結果は、図6の曲線に基づいて記載されている。

図6は、バイオセンサー・システム1と関連して得られる2つの曲線を示し、そのx軸は、カートリッジ30のセンサー面31に沿った位置xをmmにおいて示す。そのy軸は、磁力線の角度αを示す。その磁力線と光学窓との間の角度αは、tanα＝B_y/B_xから算出することができ、B_x及びB_yは、それぞれ磁束密度ベクトルの横方向及び垂直方向の成分である。図6は、角度αの、サンプル体積の底部における横方向位置への依存を示す。光学窓46の端は、図6において、-0.5mm及び+0.5mmの位置で垂直線によって描かれている。光学窓46の端における磁力線は、約30°傾いていることが分かる。両方のコイル21a、21bの中への等しい電流入力での磁場の対称性によって、その磁力線は、ゼロの位置における光学窓46の中心において水平方向に走る。上方の破線曲線は、図4に従って、細い先端24c、24dの形状に対する角度αを特徴付ける。下方の連続曲線は、図5に従って、分厚い先端24a、24bの形状に対する角度αを特徴付ける。磁力線及び光学窓46の表面がなす角度αは、センサー面31に沿った水平線における横方向の位置xに依存する。曲線によって示されるように、角度αは、ゼロの位置においてゼロの値を有する。すなわち、光学窓46の中心において、磁力線は、センサー面31に平行である。角度αは、ゼロの位置での中心から増加する距離とともにほぼ連続的に増加する。上方の破線曲線は、下方の連続曲線よりも急勾配で走っており、それは、その角度αが図5による分厚い先端24a、24bに比べて、図4による細い先端24c、24dでより強い増加を有することを意味する。その形状における変化は、光学窓46の端における約7°の磁場の角度αの減少に至る。先端24a、24b、24c、24dの形状は、磁力線の角度αに影響を与え、従って、図6で証明されるように、磁性粒子2における力の発揮に影響を与える。極先端又は先端24a、24b、24c、24dの形状の結果として、図4及び図5による磁気サブユニット20a、20bの例に対する磁場分布は、異なる。

実験において、細い先端24c、24dを持つ図4による磁気サブユニット20a、20bに基づいて、磁性粒子2は、磁力に引きつけられる間にチェーンを形成し、それは、センサー面31又はカートリッジ30の表面に最終的に付着し、チェーンは、磁力線の局地的方向に従って整列する。この効果は、センサー面31における磁性粒子2の不均一な分布の1つの原因として識別されており、その効果は、正確な測定を悪化させうることから望ましくない。

角度αの平坦化した分布を見せる分厚い先端24a、24bの代替の形状を含むバイオセンサー・システム1は、より幅広い円弧を有し、磁性粒子2のチェーンの形成を避け、従って、磁性粒子の分布を改善する。

図7は、お互いに向かい合った磁気サブユニット20a、20bの2つの先端24a、24bの概略的な上面図を示す。この例において、先端24a、24bの間の距離は、約1mmと選択されている。先端24a、24bの幅は、約2mmと選択され、その幅は、ここでは狭いと表現される。先端24a、24bの幅及びその先端24a、24bの間の距離の両方の寸法は、異なるように選択することができる。間隙25及び先端24a、24bの周りにおいて、磁場の分布が示されている一方、その間隙25の中心において磁力線は、先端24a、24bの端面に関して基本的に平行である。図7において、垂直線に沿って、先端24a、24bの端へ間隙25の中心から遠く離れる方向において、磁力線は、先端24a、24bの周りの方向において、よりさらに湾曲し、その間隙25の中心における平行な磁力線と共に増加する角度をなす。図7において、先端24a、24bの間に、間隙25を中心とする領域がプロットされ、その領域が光学窓46である。上記に記載されたように、カートリッジ30に存在する検体を検出する1つの方法は、通常作動のプロセスの後であり、光検出法である。他の検出方法も望ましい。光学窓46の領域において、その磁場は、基本的に平行な磁力線として表現されるような方法で整列している。バイオセンサー・システム1の測定は、望ましくは、光学窓46、引き続きセンサー31によってされ、検体は図3、図4、図5において示されるように、光学窓46において先端24a、24bの上に配置される。

図8は、磁気サブユニット20a、20bの2つの先端24a、24bの、図7に似た概略的な上面図を示す。図8において示される構成の図は、図7に比べて90°回転されている。図8における磁気サブユニット20a、20bの先端24a、24bは、約5mmの幅を有することから、図7における先端24a、24bよりも幅広い。図7の例における間隙25における先端24a、24bの間の距離は、図8の対応する距離とほぼ同じであり、1mmとして選択される。図8の幅広い間隙25における先端24a、24bの間の磁力線の分布は、描かれるように、図7の狭い間隙25とは異なる。磁力線は、その幅広い間隙25内における幅広い領域に沿って基本的に平行であり、その領域は、少なくとも先端24a、24bの幅の長さであり、その所定の例では約5mmである。先端24a、24bの間の間隙25における光学窓46は、バイオセンサー・システム1の望ましい測定がされる領域である。図8において、光学窓46は、測定結果を悪化させずに水平な線に沿ってシフトさせることが可能である。これは、カートリッジ30のセンサー面31が、間隙25の中心だけではなく、むしろ先端24a、24bの端への方向にも位置することができることを意味する。これは、間隙25における磁場が、先端24a、24bの構造的変化によって、図7に比べてより均一であるという理由による。

本発明は、図及び前述の記載において詳しく説明され記載されてきたが、そのような説明及び記載は、例示的又は模範的及び非制限的であると見なされるべきである；本発明は、従って、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態の変形は、図、本開示、及び添付の請求項の研究から、当業者及び請求項にかかる発明を実施する者が理解し、有効化することが可能である。請求項において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数をあらわ数用語は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、本願の請求項及び記載において列挙されるいくつかの事項の機能（例えば、上記で考察された制御手段の機能）を満たしてもよい。ある一定の測定が、相互的に異なる従属項において列挙されているという単なる事実は、これらの測定の組み合わせが有利にしようすることはできないということは示さない。請求項における如何なる参照符号も、その範囲を限定しているとして見なされるべきではない。

Claims (12)

1. バイオセンサー・カートリッジ、
   間隙によって分離された上面を持つコアを各々が有する２つの磁気サブユニットを有する、前記バイオセンサー・カートリッジにおいて第１磁場を生成するための第１バイオセンサー磁石アセンブリ、
   を有するバイオセンサー・システムであり、
   前記バイオセンサー・カートリッジに含まれるセンサー面は、前記コアの上面の上に配置され、前記２つの磁気サブユニットは、第１サブユニットと第２サブユニットとの間において、前記バイオセンサー・カートリッジにおける磁性粒子に力を及ぼすように、前記センサー面に平行である第１磁力線を持つ前記第１磁場を生成するように適合され、前記２つの磁気サブユニットの各々のコアの上面は、前記センサー面に平行な平面部分と、前記センサー面に対して傾斜磁場が生じるように前記平面部分に対して傾斜した傾斜部分とを有し、
   第２磁場を生成し、前記バイオセンサー・カートリッジ内の磁性粒子に力を及ぼすために第２バイオセンサー磁石アセンブリが前記センサー面の上に配置され、
   前記第２バイオセンサー磁石アセンブリと前記２つの磁気サブユニットのうちの少なくとも一方を電気的に駆動することによって前記第２磁場を独立に制御する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段が、前記第２磁場に、前記センサー面に垂直な方向の第２磁力線を含ませ、前記第２磁力線は、前記磁性粒子が前記センサー面に平行な方向に並進するのを阻止する磁壁として機能する、
   バイオセンサー・システム。
2. 前記傾斜部分は、前記センサー面の垂直面に対して鈍角をなすように形成されている、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
3. 前記２つの磁気サブユニット及び前記第２バイオセンサー磁石アセンブリは、前記制御手段の電気的制御によって前記センサー面へ向かう方向に作用する力及び該センサー面から離れる方向へ作用する力を生成することができるように配置されている、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
4. 前記２つの磁気サブユニットのうち少なくとも１つは、電磁気サブユニットであり、各磁気サブユニットの磁場強度は、前記制御手段の電気的制御によって別々に変更可能であり、前記力の方向及び／又は大きさは変更可能である、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
5. 前記バイオセンサー・カートリッジの分析体積の全体が、前記２つの磁気サブユニットによって生成される磁場によって影響を与えることが可能である、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
6. 前記上面を持つコアは、前記バイオセンサー・カートリッジのセンサー面の垂直面に対して１００°から１７０°傾いた傾斜部分を有する、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
7. 前記上面の各々は、前記センサー面から０．１ｍｍから５ｍｍの間で間隔が取られた平面部分を有する、請求項１に記載のバイオセンサー・システム。
8. 請求項１に記載のバイオセンサー・システムで磁性粒子を作動させる方法。
9. 前記磁場は、前記第１バイオセンサー磁石アセンブリに近い前記バイオセンサー・カートリッジの第１領域において存在する磁性粒子の動作をステアリングし、前記第１バイオセンサー磁石アセンブリから離れた該バイオセンサー・カートリッジの第２領域において存在する磁性粒子は、前記第１領域の中へと動くのを妨げられる、請求項８に記載の方法。
10. 前記２つの磁気サブユニットの少なくとも１つの極性を変えるステップを含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記第１及び／又は第２バイオセンサー磁石アセンブリは、前記バイオセンサー・カートリッジにおけるセンサー面に対して平行及び／又は垂直な方向において所定の傾斜磁場を生成する、請求項８に記載の方法。
12. 前記２つの磁気サブユニットは、前記第１サブユニットから前記第２サブユニットまで方向付けられ、引き続き非結合粒子を洗い流すために、該第２サブユニットから該第１サブユニットまで方向付けられる磁力線を生成するように適合された、請求項８に記載の方法。

Images