RU2528102C2 - Вращающееся магнитное поле для улучшенного детектирования при анализе кластеров - Google Patents

Вращающееся магнитное поле для улучшенного детектирования при анализе кластеров Download PDF

Info

Publication number
RU2528102C2
RU2528102C2 RU2011112853/15A RU2011112853A RU2528102C2 RU 2528102 C2 RU2528102 C2 RU 2528102C2 RU 2011112853/15 A RU2011112853/15 A RU 2011112853/15A RU 2011112853 A RU2011112853 A RU 2011112853A RU 2528102 C2 RU2528102 C2 RU 2528102C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
clusters
particles
analysis
rotating
Prior art date
Application number
RU2011112853/15A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2011112853A (ru
Inventor
Андреа РАНЦОНИ
Менно В. Й. ПРИНС
Михаил М. ОВСЯНКО
Original Assignee
Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. filed Critical Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Publication of RU2011112853A publication Critical patent/RU2011112853A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2528102C2 publication Critical patent/RU2528102C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54326—Magnetic particles
    • G01N33/54333—Modification of conditions of immunological binding reaction, e.g. use of more than one type of particle, use of chemical agents to improve binding, choice of incubation time or application of magnetic field during binding reaction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Группа изобретений относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использована для выполнения анализа кластеров. Анализ содержит следующие этапы: a) предоставляют суспензию из суперпарамагнитных частиц в жидкости, предназначенной для анализа, при этом суперпарамагнитные частицы покрыты биологически активным агентом; b) обеспечивают для частиц возможность формировать кластеры частиц с аналитами, присутствующими в жидкости; c) применяют вращающееся магнитное поле (В), имеющее угловую частоту, обеспечивающую вращение магнитным полем только кластеров, имеющих размер, меньший или равный заданному размеру, и d) детектируют вращающиеся кластеры. Также предложено устройство для выполнения анализа кластеров. Группа изобретений обеспечивает детектирование избирательно активированных кластеров, за счет чего повышается чувствительность анализа. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение направлено на способ выполнения анализа кластеров и на устройство для выполнения такого анализа кластеров.
Уровень техники
Тестирование при диагностике in vitro может иметь несколько форматов анализа. Анализ кластеров представляет класс анализов, в котором количество формируемых кластеров частиц обозначает присутствие и/или концентрацию биологических компонентов в образце. Анализ кластеров является привлекательным, поскольку обладает быстрой групповой кинетикой, прост при изготовлении и имеет низкую стоимость.
Основная проблема с анализом кластеров состоит в отсутствии чувствительности. Один из способов улучшения чувствительности представляет собой выполнение анализов кластеров с магнитными частицами. Преимущество использования магнитных частиц состоит в том, что во время инкубации могут быть сформированы индуцированные полем цепи. Это было, например, показано Baudry и др. "Acceleration of the recognition rate between grafted ligands and receptors with magnetic forces", Proc. Natl. Acad. Sci. p.16076).
В публикации Vuppu Anil и др., Phase sensitive enhancement for biochemical detection using rotating paramagnetic particle chains, Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, NY, US, vol. 96, №11, описаны суспензии парамагнитных частиц, помещенные во вращающееся однонаправленное магнитное поле, которое формируют магнитные цепи, вращающиеся с той же частотой, что и поле.
WO 2004/012836A2 описывает способ измерения низких уровней вещества в образце, включающем в себя формирование ротора из парамагнитных частиц в однородном магнитном поле. Ротор вращается под действием вращения, по существу, однородного магнитного поля. Часть вещества в образце связывается с парамагнитными частицами, и детектируют сигнал, имеющий изменяющийся по времени компонент.
В публикации Tanaka K и др., Rapid and reagent-saving immunoassay using innovative stirring actions of magnetic beads in microreactors in the sequential injection mode, Talanta, Elsevier, Amsterdam, NL, vol. 68, no 2, описано вращение магнитов ниже микрореактора с помощью двигателя. Генерируемые вращающиеся кластеры из магнитных гранул повышают скорость соединения антител с антигенами в жидкости.
JP 2006 247535A описывает способ поддержания реакции при использовании вращающегося магнитного поля, с помощью которого можно с высокой чувствительностью детектировать специфичный компонент. Концентрация специфичного компонента может быть измерена, время реакции может быть сокращено, и количество реагентов можно уменьшить. Генерируют кластеры из магнитных гранул.
Одна важная проблема при выполнении анализа кластеров состоит в детектировании очень низких концентраций кластеров на фоне других магнитных частиц. Другая проблема состоит в исключении формирования кластеров небиологического происхождения, и предпочтительно, даже в разрыве слабо связанных кластеров. Такие проблемы являются особенно важными, когда во время детектирования используется магнитная активация.
Сущность изобретения
Цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ и устройство, которые позволяют детектировать очень низкие концентрации кластеров 20 магнитных частиц, также называемых гранулами, на фоне других магнитных частиц.
Предусмотрен способ выполнения анализа кластеров, содержащий следующие этапы:
a) предоставляют суспензию из суперпарамагнитных частиц в жидкости, предназначенной для анализа, в которой суперпарамагнитные частицы покрыты биологически активным агентом;
b) обеспечивают для частиц возможность формировать кластеры в результате присутствия аналита в жидкости;
c) избирательно активируют кластеры суперпарамагнитных частиц, применяя, по меньшей мере, частично вращающееся магнитное поле (B), и
d) детектируют избирательно активированные кластеры.
Кроме того, предусмотрено устройство для выполнения анализа кластеров, содержащее:
e) средство (12, 15) для размещения образца (14);
f) средство (1-4; 11) для применения, по меньшей мере, частично вращающегося магнитного поля (B), причем магнитное поле прикладывают для избирательной активации кластеров из суперпарамагнитных частиц; и
g) средство для детектирования избирательно активированных кластеров.
Настоящее изобретение основано на обнаруженном факте, что магнитное поле с, в общем, переменной амплитудой поля может избирательно связываться со связанными кластерами 20. В случае правильного выбора характеристик поле не вращает большие кластеры 20 и не формирует новые кластеры 20 во время действия.
При воздействии вращающегося внешнего магнитного поля суперпарамагнитные гранулы могут эффективно связываться с магнитным полем и вращаться вместе с полем. Вращательное поведение является довольно сложным и содержит три разных режима: первоначально, суперпарамагнитные гранулы могут вращаться с той же частотой, что и внешнее поле, но с зависимым от частоты отставанием по фазе. Как только одно из отставаний по фазе достигнет 90 градусов, на гранулу воздействует максимальный доступный крутящий момент (на так называемой "частоте срыва"). Если внешняя частота будет далее повышаться, связь между внешним полем и суперпарамагнитными гранулами становится все более неэффективной, и гранулы начинают замедляться. Кроме того, можно наблюдать качающееся вращение кластеров 20: обратные колебания накладываются на плавные вращения суперпарамагнитных гранул.
Качающееся вращение проявляется на более высоких частотах магнитного поля, чем критическая частота, как описано ниже. На еще более высоких частотах гранулы снова получают возможность вращаться в результате присутствия нанометровых зерен ферромагнитного материала в суперпарамагнитных гранулах.
Настоящее изобретение направлено на способ выполнения анализа кластеров, используя описанное выше найденное явление. В соответствии со способом согласно изобретению предоставляют суспензию суперпарамагнитных частиц в жидкости, предназначенной для анализа, в которой суперпарамагнитные частицы покрыты биологически активным агентом. Частицы затем оставляют для формирования кластеров 20 под действием аналита, присутствующего в жидкости. Связывание суперпарамагнитных частиц с аналитом известно в области техники. Затем кластеры 20 суперпарамагнитных частиц избирательно активируют путем применения, по меньшей мере, частично вращающегося магнитного поля, в котором амплитуда магнитного поля изменяется с течением времени. Магнитное поле может быть установлено так, чтобы оно имело полностью вращающиеся свойства или, в качестве альтернативы, имело частично обычные свойства и частично вращающиеся свойства. В конечном итоге, детектируют избирательно активированные кластеры 20.
Суперпарамагнитные частицы, предпочтительно, представляют собой суперпарамагнитные гранулы с диаметром в диапазоне от 10 нм до 10 мкм, предпочтительно от 100 нм до 3 мкм. Суперпарамагнитные частицы могут быть покрыты любым биологически активным агентом, который пригоден для выполнения анализа кластеров. Типичные примеры такого биологически активного агента представляют собой: антитела, белки, клетки, ДНК, РНК, малые молекулы, ткани, вирусы.
Во время этапа подготовки частиц для формирования кластеров 20 частицы связывают друг с другом, используя аналит, который присутствует в жидкости, который избирательно связывается с биологически активным агентом, предусмотренным на поверхности суперпарамагнитных частиц. В соответствии с одним вариантом осуществления предусмотрен этап путем простой установки заданного времени задержки, в течение которой аналит может взаимодействовать с биологически активным агентом. В другом варианте осуществления частицы активно поддерживают для формирования кластеров 20, например, путем приложения магнитного поля.
После формирования кластеров 20 из суперпарамагнитных частиц эти кластеры 20 избирательно активируют путем применения вращающегося магнитного поля. "Избирательная активация кластеров 20" в контексте настоящей заявки означает активацию только кластеров 20 с определенными заданными характеристиками. То есть, например, предпочтительно активировать кластеры 20 только до определенного размера. Особенно предпочтительно активировать кластеры 20, состоящие только из двух частиц. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, активация кластеров 20 содержит вращение кластеров 20. Таким образом, если характеристики вращающегося магнитного поля будут правильно выбраны, можно достичь того, что только кластеры 20, состоящие из двух частиц, будут вращаться, тогда как большие кластеры 20 не будут вращаться вообще или будут вращаться с другой частотой и/или другими характеристиками.
Здесь процессом избирательной активации, то есть вращения кластеров 20 суперпарамагнитных частиц, управляют при приложении вращающегося магнитного поля с переменной амплитудой поля. Например, вращающееся магнитное поле может состоять из двух компонентов, в котором два компонента отличаются по амплитуде и фазе. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, отношение между максимальной и минимальной амплитудами магнитного поля составляет от 1,1 до 10, предпочтительно от 2 до 8, и наиболее предпочтительно от 4 до 6.
Кроме того, предпочтительно, чтобы угловая частота вращающегося магнитного поля была ниже критической частоты, при этом критическую частоту определяют, как
Figure 00000001
Здесь χ представляет собой магнитную восприимчивость, Bmax представляет амплитуду внешнего магнитного поля и η - вязкость жидкости.
В конечном итоге, должны быть детектированы избирательно активированные кластеры 20. Это предпочтительно выполняют, используя оптическую технологию. Пока кластеры 20 вращаются, происходит модуляция любого из рассеяния света, передачи или отражения света. Такую модуляцию можно использовать для оптического детектирования только вращающихся кластеров 20.
Настоящее изобретение, кроме того, направлено на устройство для выполнения анализа кластеров, в частности для выполнения анализа кластеров в соответствии с описанным выше способом. Устройство содержит средство для размещения образца и средство для приложения вращающегося магнитного поля, магнитное поле, адаптируют для избирательной активации кластеров суперпарамагнитных частиц. Устройство, кроме того, содержит средство для детектирования избирательно активированных кластеров.
Средство для применения вращающегося магнитного поля, предпочтительно, содержит несколько магнитных катушек, в частности квадрупольную конфигурацию из четырех магнитных катушек. Предпочтительно, чтобы отношение между максимальной и минимальной амплитудами вращающегося магнитного поля составляло от 1,1 до 10, предпочтительно от 2 до 8 и наиболее предпочтительно от 4 до 6. Также предпочтительно, чтобы угловая частота вращающегося магнитного поля была ниже критической частоты, при этом критическая частота определена, как
Figure 00000002
Средство для детектирования избирательно активируемых кластеров, предпочтительно, содержит оптический детектор (не показан). Кроме того, предпочтительно, чтобы средство для детектирования содержало центральное процессорное устройство, выполненное с возможностью анализа модуляции в детектируемом сигнале.
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из и будут раскрыты со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанные ниже.
Краткое описание чертежей
На фиг.1a показано вращающееся поведение кластера, состоящего из двух магнитных частиц.
На фиг.1b схематично представлено отставание α по фазе при вращении кластера относительно вращения внешнего магнитного поля.
На фиг.2a схематично представлена конфигурация квадруполя.
На фиг.2b схематично иллюстрируются сигналы управления, используемые для возбуждения катушек конфигурации квадруполя по фиг.2a.
На фиг.3 показан график, представляющий совокупный угол в зависимости от времени в случае вращающегося внешнего поля с неоднородной амплитудой.
На фиг.3b показан график, представляющий совокупный угол в зависимости от времени, в случае неоднородной угловой скорости внешнего поля.
На фиг.4 показан график, представляющий совокупный угол в зависимости от времени для кластера, состоящего из двух частиц во внешнем поле, выше критической частоты.
На фиг.5 показан график, иллюстрирующий частоту вращения частиц в зависимости от частоты вращения внешнего магнитного поля.
На фиг.6 показан график, представляющий числовую производную данных, показанных на фиг.3a.
На фиг.7a представлен участок устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7b показана фотография устройства фиг.7a.
На фиг.8 схематично показан вид сбоку кластера из двух магнитных гранул, обозначающий магнитный момент, индуцируемый в гранулах, и полученные в результате силы, создающие области притяжения и области отталкивания вокруг кластера.
Подробное описание изобретения
На графике, показанном на фиг.1a, показана зависимость угловой частоты кластера, состоящего из двух частиц, от угловой частоты внешнего приложенного магнитного поля. Как можно видеть на фиг.1a, угловая частота кластера первоначально увеличивается с увеличением угловой частоты внешнего магнитного поля B, генерируемого в результате приложения сигналов 1a-4a возбуждения к катушкам 1-4 квадруполя, соответственно, как показано на фиг.2a и 2b. Конфигурация в соответствии с фиг.2a содержит четыре полюса 1, 2, 3, 4, расположенные в виде кольца, как показано на чертеже. В результате активации четырех катушек 1, 2, 3, 4 соответствующих полюсов определенным способом, например, как показано в виде кривой сигнала на фиг.2b, генерируют вращающееся поле. Такое вращающееся магнитное поле представлено изогнутой стрелкой в середине квадруполя. В то время как амплитуды сигналов, характеризующих напряжение, приложенное для возбуждения катушек 1, 2, 3, 4, изменяются управляемым образом, генерируемое магнитное поле вращается в квадруполе. На фиг.2b представлены синусоидальные кривые сигналов 1a, 2a, 3a, 4a, описывающие сигналы активации, которые представлены, соответственно, для четырех катушек 1, 2, 3, 4. Кривые сигналов могут изменяться с получением в результате переменного магнитного поля. Такое разное магнитное поле называется частично вращающимся магнитным полем, состоящим из слабого компонента и сильного компонента. Слабый компонент представляет собой либо постоянное магнитное поле, магнитное поле, генерируемое синусоидальными сигналами или генерируемое прямоугольными сигналами. Сильный компонент представляет собой либо магнитное поле, генерируемое синусоидальным сигналом, или генерируемое последовательностью импульсов. В отличие от этого, полностью вращающееся магнитное поле представляет собой магнитное поле, генерируемое синусоидальными сигналами. Сильный компонент имеет амплитуду сигнала, вплоть до 10 раз выше, чем у слабого компонента. Частота сигнала для сильного компонента может отличаться от частоты сигнала слабого компонента. Вплоть до первого пика, кластеры могут вращаться с той же частотой, что и внешнее поле. Однако отставание α по фазе, которое зависит от частоты, возникает между вращающимся кластером и вращающимся внешним магнитным полем, как схематично показано на фиг.1b.
При первом пике, который возникает на так называемой частоте срыва (в данном случае приблизительно 1,2 Гц), задержка α по фазе достигает 90 градусов. В этот момент на кластер воздействует максимальный доступный крутящий момент в этой точке. Как только угловая частота внешнего магнитного поля повышается за пределы частоты срыва, связь между внешним полем и кластером становится все более неэффективной, что приводит к замедлению кластеров. В этом режиме извилистое движение кластеров накладывается на вращение кластеров.
Если частота внешнего магнитного поля будет далее повышена (в данном случае выше частоты 20 Гц), кластеры могут вращаться снова в результате присутствия нанометрических зерен ферромагнитного материала в супермагнитных частицах. В случае применения для анализа кластеров, основной интерес представляют только короткие цепи гранул, то есть малые кластеры, в частности на пределе низкой концентрации. Все кластеры качественно ведут себя одинаково, как описано на фиг.1, когда на них воздействует внешнее, равномерно вращающееся поле.
Однако, если внешнее вращающееся поле будет модулировано, наблюдается совершенно неожиданное поведение магнитных кластеров. В случае модуляции амплитуды норма магнитного поля становится зависимой от времени:
Figure 00000003
Это подразумевает, что все количественные параметры, управляющие вращательным поведением кластеров, теперь будут зависимыми от времени, что приводит к коррекции общего уравнения движения. Вращение более не является гладким, но характеризуется вместо этого внезапным увеличениями угловой скорости при очень хорошем согласовании с теоретическим прогнозированием. Такое внезапное увеличение угловой скорости можно видеть, например, на фиг.3a и 3b. На обеих фигурах показан график совокупного угла в зависимости от времени. В случае фиг.3a, внешнее поле вращается с частотой 1 Гц, при этом амплитуда вращающегося поля была неоднородной (отношение между максимальной и минимальной амплитудами было установлено равным 5). В случае фиг.3b была выбрана неоднородная угловая скорость внешнего магнитного поля. На обеих фигурах показано теоретическое прогнозирование (см. кривые 5 и 6), а также экспериментальные результаты (см. кривые 5a и 6a).
Такое особенное поведение наблюдалось для всех частот ниже частоты срыва. Непосредственно выше этого значения поведение становится еще более нерегулярным: оно все еще наблюдается, но очень быстро затухает. Кроме того, в этом диапазоне частот возможность вращения сильно зависит от неизвестного магнитного содержания кластеров и отклик действительно отличается для разных кластеров. При анализе данных (см., например, фиг.3a) можно заключить, что частота колебаний ниже критической частоты составляет удвоенную внешнюю частоту (это соответствует присутствию зависимого от времени коэффициента в выражении квадрата модуля магнитного поля); эти колебания всегда присутствуют, даже после частоты срыва, когда также присутствует поведение извилистого движения. Частота колебаний при извилистом движении составляет,
Figure 00000004
представляет собой общую частоту вращения кластера, состоящего из двух частиц. Эти две частоты обычно разные, таким образом, наблюдаются многочисленные пики при измерении совокупного угла выше критической частоты в результате наложения качаний и благодаря колебаниям ниже критической частоты.
Пример зависимости совокупного угла от времени для кластера, состоящего из двух частиц во внешнем магнитном поле, выше критической частоты, показан на фиг.4. Критическая частота в соответствии с формулой, приведенной выше, составляет 2,87 Гц. Кривая 7 на фиг.4 представляет вращательное поведение кластера во внешнем вращающемся поле с частотой 5 Гц, в то время как на кривой 7a представлен кластер с внешней частотой 6,5 Гц. В обоих случаях кластеры, состоящие из двух частиц, могут все еще вращаться, но они ведут себя весьма нерегулярно, из-за наложения качающих колебаний с колебаниями, возникающими из-за зависимого от времени коэффициента. Намного выше этого предела ни один из кластеров не вращается, но только качается.
Если на гранулы воздействовать полем, модулированным по фазе, качество результатов будет тем же. Это связано с тем фактом, что форма магнитного поля с течением времени действительно близка к случаю модуляции амплитуды. Эксперименты показывают, что применение сдвига по фазе между 160 и 200 градусов может создать такой же эффект. Существуют некоторые количественные различия, и также намного труднее воспроизвести это явление. В некоторых случаях кластеры не вращаются, но скорее колеблются вперед и назад. Неожиданно колебания, вероятно, оказались зависимыми от размера: амплитуда отличается в соответствии с размерами самого кластера. К сожалению, до настоящего времени еще невозможно управлять соответствующим образом этим явлением.
Общее вращательное поведение в зависимости от частоты показано на фиг.5. На фиг.5 показан график частоты вращения вращающегося кластера в зависимости от частоты внешнего магнитного поля. На фиг.5 виден явный пик на частоте 2 Гц, представляющий частоту срыва. За пределами упомянутой частоты срыва отклик быстро уменьшается. Сама частота срыва зависит от размера используемых гранул.
Этот эффект наблюдается для различных амплитуд компонентов магнитного поля. Компоненты малых размеров, вероятно, являются наиболее важными, поскольку, вероятно, можно, по меньшей мере, достаточно высоко гарантировать вращение малых кластеров, и одновременно достаточно малыми для предотвращения вращения более крупных кластеров. Другими словами, малые компоненты фиксируют максимальный размер кластеров, которые могут вращаться от такого слабого поля. Поскольку чем больше кластеры, тем сильнее должно быть поле для их активации, действительно, возможно настраивать значения малых компонентов таким образом, чтобы они не реагировали на поле. Такой процесс настройки зависит от множества экспериментальных условий, таких как фактическое воплощение катушек (размер, тип магнитного сердечника, количество витков...), размер используемых частиц, гидродинамические свойства жидкости и магнитного содержания в гранулах. Во время экспериментов наблюдали, что такой эффект всегда присутствует, даже при сильной активации. Вероятно, что значение более крупного компонента магнитного поля не является критическим параметром при такой схеме активации; единственное ограничение состоит в том, что β (то есть отношение между двумя компонентами) не должно быть настолько большим, чтобы более крупный компонент полностью не подавлял присутствие других компонентов. Таким образом, предпочтительно, чтобы β было <10.
Центральная проблема в такой новой схеме активации состоит в том, что вращательное поведение, описанное ранее, наблюдалось только для химически связанных кластеров. Это важно для анализа кластеров: использование такой схемы активации, вероятно, приводит к существенному увеличению отношения сигнал-шум во время анализа и, таким образом, к повышению чувствительности самого анализа. Кроме того, неспецифичные кластеры и малые кластеры, которые подвергают такой схеме активации, являются нестабильными. Во всех экспериментальных условиях, описанных ранее, наблюдали разрыв таких кластеров. Достаточно поразительно, что кластеры, "захваченные" внутри более крупных кластеров, продолжали вращаться.
На фиг.7a показана схематичная зарисовка части устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Средство 10 для применения вращающегося магнитного поля содержит двенадцать расположенных вдоль круга магнитных катушек 11 и центральное отверстие 13 для размещения ячейки с образцом. Ячейка 12 с образцом, изготовленная, например, из PMMA (полиметилметакрилата), имеет отверстие 15 диаметром 1 мм, для размещения жидкости 14 образца с аналитом и суперпарамагнитных частиц. Ячейка 12 с образцом точно входит в отверстие 13. Хотя двенадцать магнитных катушек показаны на фиг.7a, только четыре из них используются в фактическом эксперименте. Однако очевидно, что другие схемы активации можно применять, используя больше или меньше магнитных катушек.
На фиг.7b показана фотография устройства, схематично представленного на фиг.7a.
В одном примерном эксперименте использовали суперпарамагнитные гранулы размером 1 мкм в диаметре, покрытые стрептавидином (Dynabeads MyOnes™, поставляемые Invitrogen). Была проведена их инкубация с биотинилированным БСА (белок, покрытый биотином, который специфично распознается стрептавидином). Использовавшаяся буферная жидкость представляла собой PBS (раствор, содержащий различные соли и воду). После размещения образца на месте и начала формирования кластеров использовали четыре магнитных катушки для формирования вращающегося магнитного поля, как описано выше. Кластеры начали вращаться, и их наблюдали с помощью высокоскоростной камеры, например, снизу. Минимальное значение магнитного поля составило от приблизительно 0,1 до 0,2 мТ, и максимальное значение было выбрано приблизительно от 1 до 2 мТ. Частоту вращения установили от 0,5 до 10 Гц. Поскольку буферная жидкость состоит, в основном, из воды, вязкость всегда составляла 0,001 П·c.
На фиг.8 показан схематический вид сбоку кластера 20, состоящего из двух магнитных гранул, расположенных рядом друг с другом. Биологически активный агент применяли (не показан), который соединяется с аналитом, генерируя связь между аналитом и магнитной гранулой, как известно в уровне техники. Магнитное поле применяли, как описано, индуцируя магнитный момент в гранулах, направленных в одном направлении вверх, обозначенном как mind и соответствующей стрелкой, обозначающей направление силы. Этот эффект называется выравниванием частиц. Время, прошедшее до ориентации кластера 20 с использованием описанного способа, обозначено как время выравнивания, которое приблизительно составляет порядка десяти миллисекунд, в зависимости от приложенного магнитного поля. Частота колебаний магнитного поля была ниже, чем в 10 раз обратной величины времени выравнивания кластера 20. Магнитные частицы и вместе с ними кластер 20 ориентировали в направлении вверх, и полученные в результате силы создавали области притяжения и отталкивания вокруг кластера, как обозначено на фиг.8 с разметкой зон притягивания выше и ниже кластера 20 и зон отталкивания по сторонам кластера 20.
Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает ряд преимуществ. Только специфичные кластеры реагируют на внешнее магнитное поле так, что эти специфичные кластеры могут быть детектированы с высокой чувствительностью. Активация не показала формирование под действием магнитного поля кластеров во время схемы активации. Детектирование может быть выполнено как в объеме, так и на поверхности. Таким образом, биологические реакции могут быть выполнены в объеме жидкости, что является предпочтительным для упрощения анализа, повышения скорости анализа и снижения стоимости. В конечном итоге неспецифичные кластеры являются нестабильными и проявляют тенденцию к разрыву.
Детектирование кластеров 20 из гранул может быть выполнено, используя разные технологии, известные в уровне техники. Одна из технологий детектирования представляет собой оптическое детектирование, например, описанное в WO2008-072156.
Хотя изобретение было представлено и подробно описано на чертежах и представленном выше описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничительные; при этом изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие изменения раскрытых вариантов осуществления будут понятны и могут быть выполнены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, по результатам изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и использование единственного числа не исключает множественного числа. Одиночный процессор или другой модуль может выполнять функции нескольких элементов, представленных в указанной формуле изобретения. Просто тот факт, что определенные измерения указаны во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не обозначает, что комбинации этих измерений не могут использоваться с преимуществом. Любые номера ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать, как ограничение объема.

Claims (9)

1. Способ выполнения анализа кластеров, содержащий следующие этапы:
a) предоставляют суспензию из суперпарамагнитных частиц в жидкости, предназначенной для анализа, при этом суперпарамагнитные частицы покрыты биологически активным агентом;
b) обеспечивают для частиц возможность формировать кластеры частиц с аналитами, присутствующими в жидкости;
c) применяют вращающееся магнитное поле (В), имеющее угловую частоту, обеспечивающую вращение магнитным полем только кластеров, имеющих размер, меньший или равный заданному размеру, и
d) детектируют вращающиеся кластеры.
2. Способ по п.1, в котором только кластеры, состоящие из двух частиц, вращаются под действием магнитного поля.
3. Способ по п.1, в котором частота колебаний магнитного поля ниже, чем обратная величина времени выравнивания кластеров.
4. Способ по п.1, причем указанный способ выполнения анализа кластеров применяют для анализа присутствия и/или концентрации биологических компонентов для
- быстрого и чувствительного детектирования белков, белковых комплексов, метаболитов, гликопротеидов, пептидов, ДНК, РНК, липидов, жирных кислот, углеводов в сложных биологических смесях, таких как кровь, слюна, моча,
- тестового чипа, например, белков, белковых комплексов, метаболитов, гликопротеинов, пептидов, ДНК, РНК, липидов, жирных кислот, углеводов, например, для тестирования на месте (в необходимой точке) или для диагностики в централизованных лабораториях или для научных исследований,
- биодатчика, в частности микрожидкостного биодатчика, используемого для молекулярной диагностики,
- высокопроизводительного скринингового чипа для химии, фармацевтики или молекулярной биологии,
- биочипа для белковой диагностики для кардиологии, инфекционных заболеваний, обследования новорожденных, онкологии, пищевых продуктов, окружающей среды и/или метаболомики, и/или
- биочипа для детектирования и количественного анализа белков с посттрансляционными модификациями и/или соотношений между модифицированными и немодифицированными разновидностями одного белка.
5. Устройство для выполнения анализа кластеров, содержащее:
a) средство (12, 15) для размещения образца (14);
b) средство (1-4; 11) для генерирования вращающегося магнитного поля (В), причем магнитное поле имеет угловую частоту, обеспечивающую вращение магнитным полем только кластеров, имеющих размер, меньший или равный заданному размеру, и
c) средство для детектирования вращающихся кластеров.
6. Устройство по п.5, в котором средство для генерирования вращающегося магнитного поля содержит квадрупольную конфигурацию из четырех магнитных катушек (1, 2, 3, 4).
7. Устройство по п.5, в котором отношение между максимальной и минимальной амплитудами магнитного поля составляет от 1,1 до 10, предпочтительно от 2 до 8 и наиболее предпочтительно от 4 до 6.
8. Устройство по п.5, в котором средство для детектирования содержит оптический детектор.
9. Устройство по п.5, причем указанное устройство выполнено с возможностью применения для анализа присутствия и/или концентрации биологических компонентов для
- быстрого и чувствительного детектирования белков, белковых комплексов, метаболитов, гликопротеидов, пептидов, ДНК, РНК, липидов, жирных кислот, углеводов в сложных биологических смесях, таких как кровь, слюна, моча,
- тестового чипа, например, белков, белковых комплексов, метаболитов, гликопротеинов, пептидов, ДНК, РНК, липидов, жирных кислот, углеводов, например, для тестирования на месте (в необходимой точке) или для диагностики в централизованных лабораториях или для научных исследований,
- биодатчика, в частности микрожидкостного биодатчика, используемого для молекулярной диагностики,
- высокопроизводительного скринингового чипа для химии, фармацевтики или молекулярной биологии,
- биочипа для белковой диагностики для кардиологии, инфекционных заболеваний, обследования новорожденных, онкологии, пищевых продуктов, окружающей среды и/или метаболомики, и/или
- биочипа для детектирования и количественного анализа белков с посттрансляционными модификациями и/или соотношений между модифицированными и немодифицированными разновидностями одного белка.
RU2011112853/15A 2008-09-05 2009-09-04 Вращающееся магнитное поле для улучшенного детектирования при анализе кластеров RU2528102C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08105253.2 2008-09-05
EP08105253 2008-09-05
PCT/IB2009/053868 WO2010026551A1 (en) 2008-09-05 2009-09-04 Rotating magnetic field for improved detection in cluster assays

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011112853A RU2011112853A (ru) 2012-10-10
RU2528102C2 true RU2528102C2 (ru) 2014-09-10

Family

ID=41396192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011112853/15A RU2528102C2 (ru) 2008-09-05 2009-09-04 Вращающееся магнитное поле для улучшенного детектирования при анализе кластеров

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8981772B2 (ru)
EP (1) EP2326956B1 (ru)
JP (1) JP5685537B2 (ru)
CN (1) CN102144162B (ru)
BR (1) BRPI0913469A2 (ru)
RU (1) RU2528102C2 (ru)
WO (1) WO2010026551A1 (ru)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8697029B2 (en) 2002-04-18 2014-04-15 The Regents Of The University Of Michigan Modulated physical and chemical sensors
US9068977B2 (en) 2007-03-09 2015-06-30 The Regents Of The University Of Michigan Non-linear rotation rates of remotely driven particles and uses thereof
CN102575976B (zh) 2009-09-28 2016-03-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 物质确定设备
BR112012033586A8 (pt) * 2010-07-02 2016-09-20 Koninklijke Philips Nv Aparelho para detectar conjuntos de partículas superparamagnéticas e método para detectar conjuntos de partículas superparamagnéticas revestidas com um agente biorreativo
US8846331B2 (en) 2010-08-27 2014-09-30 The Regents Of The University Of Michigan Asynchronous magnetic bead rotation sensing systems and methods
WO2012142179A2 (en) 2011-04-11 2012-10-18 The Regents Of The University Of Michigan Magnetically induced microspinning for super-detection and super-characterization of biomarkers and live cells
EP2541230A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-02 Koninklijke Philips Electronics N.V. Detection of clusters of magnetic particles
EP2729256B1 (en) * 2011-07-07 2024-05-22 University College Dublin National University Of Ireland, Dublin Magnetic bead aggregation assay system and method for analysing and characterising magnetic bead aggregation and detection of target analytes
GB201115120D0 (en) * 2011-09-01 2011-10-19 Univ Exeter Method and device for detecting an analyte
WO2013057634A1 (en) * 2011-10-19 2013-04-25 Koninklijke Philips Electronics N.V. Detection of clusters of magnetic particles
EP2584338A1 (en) * 2011-10-19 2013-04-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Detection of clusters of magnetic particles
EP2780692A1 (en) 2011-11-14 2014-09-24 Koninklijke Philips N.V. Apparatus for cluster detection
US9375109B2 (en) * 2011-12-01 2016-06-28 Patent Innovations Llc Christmas tree stand
US9797817B2 (en) 2012-05-03 2017-10-24 The Regents Of The University Of Michigan Multi-mode separation for target detection
US9983110B2 (en) 2013-11-04 2018-05-29 The Regents Of The University Of Michigan Asynchronous magnetic bead rotation (AMBR) microviscometer for analysis of analytes
CN107655879B (zh) * 2017-09-01 2018-12-18 北京华科泰生物技术有限公司 用于检测性腺系列的磁微粒的微流控化学发光检测系统
JP7225656B2 (ja) * 2018-10-10 2023-02-21 凸版印刷株式会社 目的物質検出装置及び目的物質検出方法
CN113255795B (zh) * 2021-06-02 2021-10-26 杭州安脉盛智能技术有限公司 一种基于多指标集群分析的设备状态监测方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006247535A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Toyo Univ 回転磁場を利用した反応促進方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4498785A (en) * 1982-06-09 1985-02-12 Techne Corporation Floating magnetic stirrer for culture medium
JPH0771965A (ja) * 1993-07-06 1995-03-17 Tokimec Inc ジャイロ装置
US5781985A (en) * 1993-07-06 1998-07-21 Tokimec Inc. Method of making a gyro apparatus
TW496775B (en) * 1999-03-15 2002-08-01 Aviva Bioscience Corp Individually addressable micro-electromagnetic unit array chips
FR2830204A1 (fr) 2001-10-02 2003-04-04 Centre Nat Rech Scient Procede et dispositif de separation de particules marquees en suspension dans un milieu visqueux et son application aux processus microbiologiques
WO2004012836A2 (en) 2002-08-01 2004-02-12 Arizona Board Of Regents Dynamically formed rotors for lock-in amplifier detection
WO2005072855A1 (en) * 2004-01-28 2005-08-11 Drexel University Magnetic fluid manipulators and methods for their use
JP2010512534A (ja) 2006-12-12 2010-04-22 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ ラベル粒子を検出するマイクロエレクトロニクスセンサデバイス
WO2008075285A1 (en) 2006-12-19 2008-06-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Measuring agglutination parameters
EP2193375A1 (en) 2007-09-21 2010-06-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Sensor with high frequency ac magnetic field

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006247535A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Toyo Univ 回転磁場を利用した反応促進方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TANAKA K. et al. Rapid and reagent-saving immunoassay using innovative stirring actions of magnetic beads in microreactors in the sequential injection mode// Talanta 68 (2005) 437-441 . VUPPU A.K. Phase sensitive enhancement for biochemical detection using rotating paramagnetic particle chains // Journal of applied physics, 2004, Vol 96, No 11, 6831 *

Also Published As

Publication number Publication date
BRPI0913469A2 (pt) 2015-12-22
RU2011112853A (ru) 2012-10-10
CN102144162A (zh) 2011-08-03
WO2010026551A1 (en) 2010-03-11
CN102144162B (zh) 2017-11-10
US8981772B2 (en) 2015-03-17
JP5685537B2 (ja) 2015-03-18
US20110156701A1 (en) 2011-06-30
EP2326956B1 (en) 2019-08-14
EP2326956A1 (en) 2011-06-01
JP2012502271A (ja) 2012-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2528102C2 (ru) Вращающееся магнитное поле для улучшенного детектирования при анализе кластеров
JP2012502271A5 (ru)
Moerland et al. Rotating magnetic particles for lab-on-chip applications–a comprehensive review
JP6038023B2 (ja) イムノアッセイにおける白血球干渉を低減するための磁気ビーズ
JP5295149B2 (ja) 生体物質分析方法並びにそれに用いられる生体物質分析セル、チップおよび装置
US7989177B2 (en) Method and device for ultrasound assisted particle agglutination assay
JP4271034B2 (ja) 磁場を用いた結合アッセイ方法
EP2467722B1 (en) Detection of different target components by cluster formation
US10620196B2 (en) Assays for detecting analytes in samples and kits and compositions related thereto
JP2012514204A (ja) 磁場の適用によるチェンバー中の粒子分散
Moser et al. On-chip immuno-agglutination assay with analyte capture by dynamic manipulation of superparamagnetic beads
US20120062219A1 (en) Sensor device for magnetic particles with a high dynamic range
JP2009530598A (ja) 化学的検知装置
JP2010533281A (ja) 化学物質の検知方法
JP2009536344A (ja) 磁場を用いた試料中の標的分子の検出
JP2011027421A (ja) 分析チップおよび検体の分析方法
US20080309323A1 (en) Method for biochemical analysis
US20110279114A1 (en) Mixed actuation protocol for a magnetic biosensor device
WO2004111649A1 (ja) 親和性物質の測定方法
CA2624229A1 (en) Method of assaying substance with affinity in sample containing blood-cell ingredient
EP1724583A1 (en) Method of measuring affinity substance
JP6696732B2 (ja) 検出又は定量方法及び装置
US20220113303A1 (en) Magnetic control system base on measurement of target molecule adsorption
Kaneko et al. Vibration Induced Flow Facilitating Immunoagglutination for Rapid Detection and Quantification of Nanoparticles
JP2021004881A (ja) 検体中の検出対象を検出又は定量する方法、複合粒子、および試薬