基于磁性粒子的集群动态的测量的生物传感器的制造方法
【专利说明】基于磁性粒子的集群动态的测量的生物传感器
[0001] 本发明设及一种适于利用磁性纳米粒子快速及敏感检测目标分析物的新型的生 物传感器。
【背景技术】
[0002] 嵌入于聚合基质中的磁性纳米粒子及磁性纳米珠粒(MNB)(亦即，超顺磁纳米粒 子)代表现代生物医学技术中的一广泛流传工具。特定地，近年来已探索其在不同生物感测 方案中的利用。磁性纳米粒子与一外部磁场之间的远距相互作用使得能够容易操纵及敏感 检测。由利用磁场及磁性载体的生物感测方法提供的主要优点在于，生物媒介具有一本质 低磁化率，且磁性相互作用大体上不受表面电荷、pH值、离子浓度或溫度影响。此外，归因于 潜在低成本、装置的简单及可实现的高敏感性，实现一种基于磁性载体W捕获、分类及检测 生物媒介中的目标分析物的微流体装置是尤其吸引人的。
[0003] US7639359公开一种用于通过测量经生物功能化的磁性纳米粒子的单个粒子动态 而检测分析物的方法。US7639359中的该方法包括将线性极化光施加至经受一振荡磁场的 经生物功能化的纳米粒子悬浮液，且随后当通过磁性纳米粒子悬浮液时测量光的极化如何 旋转。在此情况中，所监测的信号在相对于磁场激发的第一谐波信号中。
[0004] US7639359中公开的方法的一缺点在于其是复杂的，归因于光极化旋转，其依赖于 一非常小信号，且因此该设置是昂贵的，运是因为其需要诸如对准极化器的光学组件W便 确保正确测量光极化的旋转。US7639359中公开的方法的另一缺点在于其需要大体上未有 效光散射的单域磁性纳米粒子W便工作。
[0005] US20120003750公开一种用于通过测量经生物功能化的超顺磁粒子的分析物驱动 集群形成物的动态而检测一分析物的方法。US20120003750中的该方法包括允许一悬浮液 中的超顺磁粒子在一旋转磁场的存在下形成分析物驱动集群，且其后W驱动频率的高次谐 波测量散射光的强度及振幅。
[0006] US20120003750中公开的方法的一缺点是需要产生一旋转同相磁场的电磁体。具 有产生一旋转场的电磁体将占据更多空间，因此限制小型化生物传感器设置或将该设置整 体形成于其他系统中的实际意义。此外，归因于自入射光W-大角自磁性珠粒散射的光的 信号极其低(尤其对于几百nm直径的粒子），且需要一大区域及非常敏感光检测器或光倍增 器。
【发明内容】
[0007] 本文公开一种生物传感器，该生物传感器包括磁性粒子悬浮液及容纳该磁性粒子 悬浮液的光学储器。该光学储器可W是一比色管或类似物。
[000引该生物传感器还包括光源，该光源W-波长A发射具有强度I的光，该光源指向该 光学储器且适于与该磁性粒子悬浮液相互作用，其中进入该光学储器的光具有强度Iin,且 透射穿过该光学储器的光具有强度Itrans。该光源可W是发射在(例如)红外线（IR)、可见或 一紫外线(UV)光谱区域中的光的一激光、一发光二极管(LED)、一 UV灯等。
[0009] 该生物传感器还包括一磁场产生单元，该磁场产生单元产生W在开始频率fx, start 与结束频率fx,end之间可变的频率fx振荡的振荡单轴磁场，该振荡单轴磁场施加至容纳磁性 粒子悬浮液的光学储器，从而该磁性粒子悬浮液被调整成使得，与进入光学储器的光的强 度Iin相比，透射穿过磁性粒子悬浮液的光的强度Itrans被调整。
[0010] 该生物传感器进一步包括检测单元，该检测单元测量透射穿过光学储器中的磁性 粒子悬浮液的光的强度Itrans，其中随着从开始频率fx, start至结束频率fx, end扫掠 (sweep，扫 描)振荡单轴磁场，W在开始频率fy, start与结束频率fy, end之间变化的频率fy检测透射的光 的强度Itrans的调整(modulation),其中检测频率fy不同于第一谐波分量fx。
[0011] 生物传感器主要用于测量通过振荡单轴磁场驱动的磁性粒子的动态集群行为。可 替换地，生物传感器还可用于在施加外部磁场后/时的粒子集群分离/重组的时间解析测 量。
[0012] 从而因为仅需要几个元件，且存在用于交换设置中的个别零件的多种选项，所W 获得简单、灵活且廉价的生物传感器。重要的是，可将任何种类的光源引入至不需要线性极 化光的系统中，激光光源或极化器按定义将增加生物传感器的复杂性及成本两者。
[0013] 用于生物传感器的振荡单轴磁场是有益的，运是因为其降低使生物传感器适于实 施为多种装置的总空间需求。通过测量透射穿过磁性粒子悬浮液的光的强度Itrans的调整且 并非光的极化改变，甚至在光已透射穿过样本多次之后还可记录测量，进一步增加生物传 感器的灵活性。
[0014] 在一个或多个实施例中，透射的光的强度Itrans的第二谐波(fy=2fx)或高次谐波 分量通过检测单元检测。
[001引在一个或多个实施例中，磁性粒子用诸如（举例而言）抗体、dna、rna、缩氨酸 (peptide)、蛋白质或蛋白质复合物的生物活性配位基功能化。生物活性配位基能够结合 至/捕获待分析样本中的目标/分析物分子，从而可容易检测此目标/分析物的存在。术语目 标/分析物分子还包括细胞或细菌。
[0016] 在一个或多个实施例中，磁性粒子具有非零残留磁矩。运能够实现个别粒子的实 体旋转且帮助分离有序例子总体(例如，链）。
[0017] 在一个或多个实施例中，磁性粒子W在0.化g/mL至2000yg/mL范围内的悬浮液浓 度存在。可替换地，悬浮液浓度可在0.化g/mL至50化g/mL的范围内，或在0.化g/血至50iig/ mL的范围内。
[001引在一个或多个实施例中，磁性粒子是磁性珠粒，诸如(举例而言)磁性聚合珠粒。个 别粒子沿施加的振荡单轴磁场具有可忽略的光学各向异性，在运种意义上，磁性粒子基本 上可为球形的。可替换地，磁性粒子可具有更不规则的形状，但仍具有振荡单轴磁场施加的 个别粒子的总体的可忽略的光学各向异性。在一个或多个实施例中，基本上球形的磁性粒 子具有介于IOnm与3000nm之间的直径。粒子还可介于20nm与1000 nm之间或介于50nm与 250nm之间。
[0019] 在一个或多个实施例中，磁场产生单元是产生介于fx,Start = O. IHz与fx,end=10曲Z 之间的时间变化磁场的电磁体，该磁场具有介于0.1 mT与5mT之间的磁场强度
[0020] 在一个或多个实施例中，光源是发射在(例如)红外线（IR)、可见或紫外线(UV)光 谱范围内的光的激光、发光二极管(LED)、UV灯等。
[0021 ]在一个或多个实施例中，所发射的光经线性极化。
[0022] 在一个或多个实施例中，该生物传感器进一步包括定位于光源与光学储器之间的 极化器。控制光的极化可用W增强信号。
[0023] 在一个或多个实施例中，该生物传感器进一步包括至少一个反射物，该至少一个 反射物经定位成使得，透射穿过光学储器中的磁性粒子悬浮液且通过光学储器中的磁性粒 子悬浮液进行调整的光和/或透射穿过光学储器未通过磁性粒子悬浮液进行调整的光通过 该反射物反射回而穿过光学储器。从而允许光通过光学储器两次。因为检测单元及光源W 此方式可整体形成一个单元从而减小生物传感器的空间，所W运是有利的。
[0024] 在一个或多个实施例中，光源及检测单元整体形成于(例如）来自一 CD播放器、一 DVD播放器或一蓝光(Blu-ray)播放器的光学读取头中。
[0025] 在一个或多个实施例中，该生物传感器用于诊断目的。运些应用可（例如）用于分 析血液、鼠尾草、尿液、水、血浆或血清。
[0026] 在一个或多个实施例中，一种或多种粒子混合在一起。不同类型的粒子可具有不 同尺寸、不同性质（诸如磁性或非磁性），或在粒子是磁性的情况下它们可具有不同的磁化 率。
[0027] 在一个或多个实施例中，磁性粒子可用巧光染料功能化或合并有巧光染料。
[00%]本文中还公开了一种通过光透射使用根据上文的生物传感器用于检测磁性粒子 动态的方法。该方法包括W下步骤：
[0029] -混合待分析的样本流体与光学储器中的磁性粒子悬浮液；
[0030] -引导光源W波长A发射具有强度I的光穿过光学储器；
[0031 ]-提供W频率fx振荡的单轴磁场；
[0032] -将单轴磁场施加至光学储器，从而将磁性粒子悬浮液调整成使得，与进入光学储 器的光的强度Iin相比，透射穿过磁性粒子悬浮液的光的强度Itrans被调整；
[0033] -从开始频率fx,start至结束频率fx,end扫掠(sweep)单轴磁场；W及
[0034] -随着从开始频率fx, start至结束频率fx, end扫掠单轴磁场，W在开始频率fy, start与 结束频率fy,end之间变化的频率fy测量透射穿过光学储器中的磁性粒子悬浮液的光的强度 Itrans，频率fy与第一谐波分量f X不同。
[0035] 从而该生物传感器还可用于在施加磁场之后的粒子弛豫的时间解析测量。
[0036] 在一个或多个实施例中，测量透射光的强度Itrans的第二谐波(fy = 2fx)或高次谐 波分量。
[0037] 在一个或多个实施例中，从fx,Start = O. IHz的开始频率至fx,Gnd=IOkHz的结束频率 扫掠单轴磁场。
[0038] 用于测量的检测方案可包括来自光源的光的波长的变化和/或光的接通/断开， 和/或W调整的来自光源的光的频率与磁场的频率的整体（integer,整