具有培养期的磁性粒子检测的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于检测样品室（112）中的磁性粒子（1）的方法和装置。在将样品引入所述样品室（112）中之后，首先通过合适的磁场（B）将磁性粒子（1）保持在样品室（112）内并且使其离开感测表面（111），以允许样品与试剂的培养。在此培养期（TI）期间可以进行参考测量，优选在培养期（TI）结束时进行。培养后，磁性粒子（1）被允许与能够进行目标测量的感测表面（111）接触。
【专利说明】具有培养期的磁性粒子检测
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在样品室的感测表面处检测磁性粒子的方法和传感器装置。【背景技术】
[0002]W02010/044007A2公开了一种使用位于反应室的上方和下方的磁体来生成使反应室中的磁性粒子移动至传感器表面的交变磁场的过程。由于不稳定的条件防碍在这样的培养期期间准确和可重复性的测量结果，因此在这种以及类似的方法中，当样品必须在试验开始时与试剂接触时会出现问题。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的是提供在需要该样品与试剂培养的试验期间对样品中的磁性粒子进行改进的检测的手段。
[0004]通过根据权利要求1和2的方法和根据权利要求3的传感器装置来实现此目的。从属权利要求中公开了优选实施例。
[0005]根据本发明的方法包括在样品室的感测表面处检测磁性粒子。
[0006]在上下文中，术语“磁性粒子”应当包括永磁性粒子以及可磁化粒子，例如超顺磁珠。磁性粒子的大小通常在30nm至50 μ m之间。而且，磁性粒子可以包括实际感兴趣的结合的目标成分。“样品室”通常为开放的腔室、封闭的腔室或通过流体连通通道与其他腔室相连的腔室。样品室的“感测表面”仅仅是此室的一(段)专用内表面，在该内表面处，能够通过合适的方法进行磁性粒子或其他实体的检测。感测表面往往会配备能够特异性地结合磁性粒子的结合位点。
[0007]所述方法包括如下步骤:
[0008]-将样品引入样品室中。样品通常会是流体，例如类似血液或唾液的体液。将这样的流体引入样品室中可以有源地进行，使用例如某种泵浦机制，或者经由毛细管力无源地进行。
[0009]-在培养期内将上述样品与包括磁性粒子的试剂进行培养。培养期通常在将样品引入样品室中后立即开始。培养期应该持续足够长的时间，以便进行充分的混合以及(如果适用)样品与试剂之间的反应。
[0010]-通过磁场在上述培养期期间将磁性粒子保持在样品室内，同时使磁性粒子离开感测表面。
[0011 ] 应当指出的是，上述“保持”和“离开”在微观尺度上通常不能完全实现。因此，陈述应当被理解为，在培养期期间，超过90% (优选超过99%)的磁性粒子被保持在样品室中和/或离开感测表面。
[0012]而且，将磁性粒子保持在样品室内通常包括:它们分布在除了与感测表面相邻的区域之外的整个样品室中。通常，这种“禁止”区域具有从感测表面垂直延伸的室体积的50%的尺寸，优选为从感测表面垂直的10%，或者最优选为与感测表面垂直的样品室的总尺寸的约2%。然而，本发明还应当包括在培养期期间将磁性粒子的位置限制在固定体积(例如样品室的培养区域中)的磁场的应用。
[0013]根据另一方面，本发明涉及一种用于在样品室的感测表面处检测磁性粒子的传感器装置，所述传感器装置包括下列部件:
[0014]-磁场发生器,其用于在样品室中生成磁场。磁场发生器例如可以包括一个或多个永磁体和/或电磁体。
[0015]-控制单元，其用于控制磁场发生器，使得生成的磁场将磁性粒子保持在样品室中，同时使它们离开感测表面，其中，这种控制尤其可以发生在培养期期间，在此期间，样品与包括磁性粒子的试剂进行培养。所述控制单元可以通过专用电子硬件、具有相关软件的数字数据处理硬件或者两者的结合来实现。
[0016]所述方法和所述传感器装置是同一发明概念的不同实现方式，S卩，在培养期期间使磁性粒子离开感测表面。因此，为这些实现方式中的一种方式提供的解释和定义对于其他实现方式也是有效的。所述方法和所述传感器装置具有的优点是，直到培养期结束，感测表面不被磁性粒子“污染”，这能够显著地改善测量结果的准确性。而且，将磁性粒子保持在样品室内确保它们不会被不受控的流体移动冲走，在那种情况下它们会丢失。
[0017]在下文中，将描述与上述的方法和传感器装置都有关的本发明的各个优选实施例。
[0018]根据第一优选实施例，培养期期间在感测表面处进行测量。这种测量在下文中称为“参考测量”，这是因为它涉及这样一种情形，样品(以及可能存在的不包括磁性粒子的试齐U)已经能够接触感测表面，而磁性粒子不能接触感测表面，这可以作为磁性粒子接触或甚至结合到感测表面期间的(后续)测量结果的参考。本发明特别优点在于，能够进行这样的参考测量，同时保证无磁性粒子位于感测表面处。
[0019]上述参考测量优选地在更接近培养期的结束时进行，而非在开始时进行，这是因为那时样品室中的条件是更加稳定且可重复的。尤其，参考测量的至少一部分在培养期的约70%之后进行，最优选地在培养期的约90%之后进行。
[0020]培养期持续时间的典型值在约IOs和900s之间，优选在约IOs和200s之间。
[0021]已经指出过，在许多情况下，在培养期结束后在感测表面处进行测量。这种测量在下文中将被称为“目标测量”，这是因为它通常产生实际感兴趣的信号，例如，与样品中某种目标物质的存在和/或量有关的信号。优选地，可以利用上述参考测量来进行目标测量的评估。
[0022]通常可以利用任何适当的感测模态来进行参考测量和/或目标测量。优选地，配备光学传感器单元来进行感测表面处的光学检测，尤其是在感测表面处检测来源于光束的受抑全内反射(FTIR)的光。FTIR是表面特异性并且因此尤其适用于本发明的情况的检测技术。
[0023]尽管磁性粒子在培养期期间离开感测表面，但在培养已经完成后通常需要它们在那里。为了加速磁性粒子向感测表面的迁移，可以优选地在培养期之后朝向感测表面驱动它们。特别是可以借助于在磁性粒子上施加磁力的合适磁场(具有非零梯度)进行这种驱动。
[0024]在培养期期间，磁性粒子优选离开感测表面至少约4μπι的距离，更优选至少约10 μ m，最优选至少约100 μ m。因此，能够确保它们不会干扰典型的表面特异性检测技术(例如 FTIR)。
[0025]优选地可以调制在培养期期间施加的磁场。尤其，磁场和/或其梯度可以反复改变方向。在这种情况下，相应地调制磁性粒子的机械驱动，允许例如改善与样品的混合。
[0026]具有感测表面的样品室可以是传感器装置的整体部件。然而，根据优选实施例，样品室被设置在其本身为一个部件(独立于传感器装置)的盒中。这样的盒通常为能够使用一次后丢弃的一次性装置。
[0027]样品室优选地在其使用前(S卩，在引入样品并培养开始前)配备试剂。尤其可以以干燥的形式提供所述试剂，备选地，由某个保护层(例如，蔗糖)覆盖。在这样准备的样品室中开始试验所要做的就是引入要研究的样品。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考其加以阐述。
[0029]在附图中:
[0030]图1示出了根据本发明的传感器装置的侧视示意图；
[0031]图2示出了图1的传感器装置中的感测信号的范例性历程；
[0032]图3示出了针对分别以有源和无源方式驱动的样品所获得的测量数据。
[0033]在附图中，类似的附图标记指代相同或类似的部件。
【具体实施方式】
[0034]图1示出了在侧视示意图中的根据本发明的生物传感器装置100。传感器装置100被设计为在一次性盒110中进行光学测量，在所述一次性盒110中能够提供具有感兴趣的目标成分的样品。盒110可以例如由玻璃或透明塑料(如聚苯乙烯)制成。它包括样品室112，在所述样品室中，能够提供具有要被检测的目标成分(例如，药物、抗体、DNA、甲状旁腺激素PTH等)的样品液。样品还包括磁性粒子1，例如超顺磁珠(通常直径:500纳米)，其中，这些粒子I通常作为标签被结合到上述的目标成分(为简化起见，附图中仅示出了磁性粒子I)。
[0035]盒110具有透明的底部，所述底部具有(部分地)形成样品室112的边界的“感测表面”111。通常在感测表面111上设置多个“检测点”。它们包括能够特异性地结合目标成分的结合位点，例如抗体。
[0036]传感器装置100包括光源120、光检测器130和评估单元140，所述光源120用于发出“输入光束” LI，所述光检测器130用于检测和测量“输出光束” L2，所述评估单元140用于评估光检测器的信号S。由光源120生成的输入光束LI以大于全内反射(TIR)的临界角的角度到达感测表面111，并且因此被全内反射为输出光束L2。输出光束L2离开盒110并由光检测器检测，例如通过相机130的感光像素进行检测。光检测器130因此生成感测表面的图像，在评估单元140中对所述图像进行进一步的处理。
[0037]传感器装置100还包括磁场发生器，该发生器例如由被设置在盒110的底部(未示出)和/或顶部的具有带线圈和芯的电磁体150来实现，以可控地在样品室112中生成磁场B。借助于该磁场，磁性粒子I能够被操控，即，被磁化并且尤其是被移动(如果使用具有梯度的磁场)。因此，例如可能将磁性粒子I吸引到感测表面111，以便加速将相关的目标成分结合到所述表面。
[0038]所述传感器装置100应用光学手段以在感测表面111处检测磁性粒子I。为了将背景(例如，诸如唾液、血液等样品流)的影响消除或至少最小化，检测技术应当是表面特异性的。如上所述，这通过使用受抑全内反射的原理来实现。该原理基于这样的事实:当入射光束LI被全内反射时，衰减波传播(呈指数级下降)进入样品室112中。如果该衰减波之后与具有与水不同的折射率的另一介质(例如磁性粒子I)相互作用，则输入光的一部分将被耦合到样品流中(这被称为“受抑全内反射”)，并且反射强度将下降(而对于清洁的界面且无互作用时，反射强度将是100%)。W02008/155723A1中可以找到此过程的更详细描述，其通过引用被并入本文本中。
[0039]试验所需的磁性粒子I和任选的其他试剂优选地以干燥的形式被事先储存在盒110的样品室111中。利用描述的传感器装置100和盒110的试验之后开始于将样品流引入样品室112中。在将具有干燥试剂的样品室112润湿后，试剂开始溶解，并且会出现不受控的流体流动和扩散，这可以移动试剂离开反应体积。另外，磁珠I可以过早到达感测表面111并已经与之结合，即，在能够执行良好的感测表面的参考测量之前。
[0040]为了解决上述问题，这里提出，将磁珠I保持在样品室112中，同时使它们离开感测表面111。以这种方式，能够在感测表面上进行适当的参考测量，而没有磁珠的干扰。能够通过使用位于样品室附近的磁体的磁性吸引来实现将磁珠保持在样品室中的适当位置。因此，与感测表面111相邻的厚度为d的层能够(宏观上)保持无磁性粒子1，其中，d通常在约I μ m至1000 μ m之间。
[0041]图2示意性地示出了可以利用图1的传感器装置100生成的传感器信号S的范例性历程。在时间h处，样品被引入样品室112中。感测表面111的润湿以及样品与干燥试剂的混合导致检测信号S (其通常最初是无规律的)的增大。在第二时间\处，完成样品与试剂的培养。因此，时间间隔T1= Uftci)对应于试验的需要的“培养期”。
[0042]在使用本发明时，在整个培养期期间观察到感测表面上的磁珠的低(或甚至为零)背景信号水平。在培养期期间进行体培养，但仅是有限的，或磁性粒子没有结合到感测表面。因此，能够在整个培养期T1期间选取感测表面处的用于参考测量的时间点(这与常规情形形成对照，在传统情形下，在培养期之前或开始时进行参考测量，以避免磁珠的干扰)。
[0043]实践中，由于试剂(蔗糖和蛋白质)的溶解，往往是在润湿后几秒钟观察到在盒中出现暗点。在进行参考测量时这些暗点是不期望的。
[0044]因此，优选在培养结束时(在暗点已消失后)，而不是在开始时，进行进行参考。由于样品室中的条件在培养期T1结束时更稳定，因此，这样做是有利的。这在图2中表示为时间点tK，在该时间点，在感测表面处测量参考信号SK。当培养开始于tfO且结束于tI=95s(此时必须完成了光学检测)以及用于光学检测的参考持续时间为4.8s (在25FPS处)时，例如可选择参考时间点tK=85s。这种晚的参考允许操作者能够有更多的时间来遵循定义的工作流程。
[0045]在培养期结束后，磁珠I被允许迁移到感测表面，或甚至主动地朝向它移动。例如可以利用适当地设置在感测表面111下方的磁体(图1中未示出)来实现后一种情形。在时间点卜处，能够在感测表面处进行一个或多个“目标”测量，表明已经特异性地结合到感测表面的磁性粒子I的量。然后，能够通过考虑参考值Sk (例如，作为偏置、归一化因子等)来评估该测量值。
[0046]优选地以脉冲方式施加培养期期间(和/或之后)的磁场，以使样品流与磁珠混合且提高培养(即，执行“有源培养”)。当使用脉冲方式的磁体时，由于有源混合，能够提高磁珠与目标分子的培养。因此，由于将更多的珠保持在样品室中并且将珠与流体混合，能够增大最终的信号变化，并且能够减小盒与盒之间的差异。这样的“有源培养”能够用于使用磁珠的任何免疫测定。
[0047]图3示出了针对所提出的“有源培养”(由字母“A”表示)和针对常规的“无源培养”(由字母“P”表示)而获得的测量结果。在这些结果中能够看出，由于保持在反应体积中的珠的更大量、参考测量上的更低信号以及归因于珠的保持的可重复性，“有源培养”在信号以及标准偏差方面都具有积极的效果。
[0048]总之，本发明提出在培养阶段期间(S卩，当样品进入样品室中并与干燥试剂接触时)使用被放置在样品室附近(例如，上方)的磁体。这使磁珠I)无法逃逸样品室，并且2)离开该室的感测表面。
[0049]通过使磁珠无法逃逸反应室，观察到信号变化的明显增大，并且显著降低盒与盒的差异。通过使磁珠离开该室的感测表面，能够在感测表面上进行适当的参考测量，而没有磁珠的干扰。
[0050]本发明的一个要素是使用靠近反应室的磁体来将磁珠保持在室的恰当位置，从而能够执行参考测量。额外的用途是，通过使用脉冲化的磁体，能够通过有源混合来提高培养(即，有源培养)。
[0051]尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践主张保护的本发明时能够理解和实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括” 一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举特定手段的简单事实并不表示不能使用这些手段的组合来获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
【权利要求】
1.一种包括在样品室(112)的感测表面(111)处检测磁性粒子(I)的方法,所述方法还包括: -将样品引入所述样品室(112)中； -在培养期(T1)内将所述样品与包括磁性粒子(I)的试剂进行培养； -通过调制的磁场(B)在所述培养期(T1)期间将所述磁性粒子(I)保持在所述样品室(112)内，同时使它们离开所述感测表面(111)； -在所述培养期(T1)期间约所述培养期(T1)的70%之后在所述感测表面(111)处进行参考测量。
2.一种包括在样品室(112)的感测表面(111)处检测磁性粒子(I)的方法,所述方法还包括: -将样品引入所述样品室(112)中； -在培养期(T1)内将所述样品与包括磁性粒子(I)的试剂进行培养； -通过磁场(B)在所述培养期(T1)期间将所述磁性粒子(I)保持在所述样品室(112)内，同时使它们离开所述感测表面(111)。
3.一种用于在样品室(112)的感测表面(111)处检测磁性粒子(I)的传感器装置(100)，包括: -磁场发生器(150)，其用于在所述样品室(112)中生成磁场(B)； -控制单元(140)，其用于控制所述磁场(B)，使得在培养期(T1)期间所述磁场将磁性粒子(I)保持在所述样品室(112)中，同时使它们离开所述感测表面(111)。
4.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，在所述培养期(T1)期间在所述感测表面(111)处进行参考测量(tK、SK)。
5.根据权利要求4所述的传感器装置(100)， 其特征在于，所述参考测量(tK、Se)的至少一部分在所述培养期(T1)的约20%之后进行，优选在所述培养期(T1)的约70%之后进行。
6.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，所述培养期(T1)持续约IOs至约900s之间。
7.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，在所述培养期(T1)后在所述感测表面(111)处进行目标测量(tT)。
8.根据权利要求3所 述的传感器装置(100)， 其特征在于，提供传感器单元(120、130)，用于在所述感测表面(111)处进行光学检测，尤其用于在所述感测表面(111)处检测光束(LI)的受抑全内反射。
9.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，在所述培养期(T1)后，所述磁性粒子(I)被驱动朝向所述感测表面(111)。
10.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，在所述培养期(T1)期间，所述磁性粒子(I)离开所述感测表面(111)至少约10 μ m的距离(d)，优选至少约100 μ m的距离(d)。
11.根据权利要求3所述的传感器装置(100)， 其特征在于，在所述培养期(T1)期间调制所述磁场(B)。
12.根据权利要求3所述的传感器装置(100)，其特征在于，所述磁场(B)和/或其梯度在所述培养期(T1)期间反复地改变方向。
13.根据权利要求3所述的传感器装置(100)，其特征在于，所述样品室(112)被提供在盒(110)中。
14.根据权利要求3所述的传感器装置(100)，其特征在于，在引 入样品前 ，所述样品室(112)配备试剂。
【文档编号】B01L3/00GK103890588SQ201280051093
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月20日
【发明者】S·福彭, B·J·M·比尔林, W·M·辉杰内恩-克乌尔, H·J·德格拉夫, D·W·M·肯珀-范德维尔, R·A·J·G·斯米茨, A·H·J·伊明克, F·K·德泰耶, W·梅尔特恩斯 申请人:皇家飞利浦有限公司