专利名称：用于富集磁性粒子的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于富集样本流体中的磁性粒子的方法和相应的准备设备。
背景技术：
WO 2008/155716公开了一种光学生物传感器，其中输入光束被全内反射，并且在反射表面处关于目标成分的数量检测及评估所得到的输出光束。所述目标成分包括作为标签的磁性粒子，其允许通过磁力影响样本中的各种过程。
发明内容
基于以上背景，本发明的一个目的是提供允许利用生物传感器检测低浓度的目标物质的措施。所述目的是通过根据权利要求1的准备设备和根据权利要求2的方法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据其第一方面，本发明涉及一种用于富集样本流体中的磁性粒子的准备设备。 在这一情境中，特定类型的磁性粒子和特定样本流体的组合应当被视为给定的并且具有预定的特性，特别在磁性粒子的磁性属性及其在例如磁力的影响下在样本流体中的迁移速度方面尤其是这样。所述准备设备具有适配于给定磁性粒子和样本流体的设计。其包括具有第一和第二磁极的致动器磁体，其中应当实现以下特征
a)致动器磁体的所述磁极通过样本空间分隔开，具有给定样本流体的样本卡盒可以被插入到所述样本空间中。因此，对于样本流体的处理可以在磁场所集中的两个磁极之间的间隙中进行。b)第一磁极被锥化成具有单个(相连的)尖端区段，在该处，第二磁极与第一磁极的各表面点之间的距离是局部最小的。对象X与表面点之间的距离的“局部最小值”意味着所述点在所述表面上没有到X的距离更小的相邻点(但是相邻点可能具有相同的距离， 因此也属于所述尖端区段)。由于应当只有距离的单个局部最小值(其在第一磁极的尖端区段中被取得)，因此该距离同时也是两个磁极之间的全局距离最小值。c)所述致动器磁体被设计成使得所述样本空间中的磁通量可以(在所述设备的操作期间)高到足以将给定磁性粒子(当其处于所述样本空间内时)磁化到其饱和磁化的至少大约50%，优选地磁化到大约90% (其中“大约”通常意味着对应数值的正负20%)。必须在整个样本空间内提供的最小磁通量的具体数值必须是从给定磁性粒子的属性导出的，这可以容易地基于可用数据表或者简单的测量来实现。d)此外，所述致动器磁体应当被设计成使得在所述样本空间内(在所述设备的操作期间)存在磁场梯度，所述磁场梯度可以高到足以引起给定磁性粒子(当其处于所述样本空间内时)以至少给定的平均迁移速度发生迁移。所述平均迁移速度是必须预先选择的设计参数。其数值越高，磁性粒子的富集就将越快。在典型的实例中，最小平均迁移速度的范围处在大约1 μ m/s到lmm/s之间。基于平均迁移速度的给定数值，可以容易地从数据表或者从对于给定磁性粒子和样本流体进行的测量导出样本空间内的所需磁场梯度。本发明还涉及一种用于富集具有给定特性的样本流体中的磁性粒子的相应方法， 所述方法包括以下步骤
a)在样本空间内提供具有磁性粒子的样本流体。b)在所述样本空间内建立磁通量，其高到足以将给定磁性粒子磁化到其饱和磁化的至少大约50%，优选地磁化到大约90%。C)在所述样本空间内建立磁场梯度，其大到足以引起所述磁性粒子以至少给定平均迁移速度发生迁移，其中所述迁移是朝向单个尖端区段。所述方法一般来说包括可以利用前面定义的准备设备执行的规程。因此，所述方法优选地是利用这样的设备执行的。前面描述的准备设备和方法的优点在于，其允许以高效率富集样本流体中的磁性粒子，这是因为样本流体中的磁通量和磁场梯度都是关于所考虑的特定磁性粒子和样本流体的属性而确定的。有可能使用该设备和方法将样本的加有磁性标签的目标成分富集到一定水平，在该水平下可以通过生物传感器容易且可靠地检测到所述目标成分，或者可以例如在集成的芯片实验室器件或卡盒中对其进行进一步的操纵和处理。因此可以扩展生物传感器的检测极限，同时仍然提供适于简单和快速的(例如户外)应用的规程。紧凑性使得所述设备特别适合于与其他组件(例如生物传感器)集成在一起，从而产生有利的近患者(护理点(point-of-care))设定。下面将描述本发明的与前面描述的准备设备和方法有关的其他发展。对应于应当在样本空间内建立的磁通量的具体数值的范围优选地处于大约50mT 以上。最为优选的是大约IOOmT的数值。利用这些数值，可以对于实践中常用的多种磁性粒子(例如其直径通常处在大约3nm到5 μ m之间的超顺磁性磁珠)实现所期望的磁化程度。对应于应当在样本空间内(每一处)在操作期间建立的磁场梯度的具体数值是至少0. 2T/m，优选的是至少0. 6T/m。这些数值被证明对于多种实践中重要的磁性粒子和样本流体会生成令人满意的迁移速度。通过这样的梯度数值所能实现的典型的平均迁移速度的范围处在大约10 μ m/s到300 μ m/s之间。所述样本空间优选地具有大约0. Iml到大约IOml的体积，最为优选的是大约Iml。 由于许多已知的生物传感器处理几μ 1的较小样本体积，因此当大约Iml的初始样本体积被减小到生物传感器所需的μ 1尺寸时，可以实现大约1000的富集因数。因此可以把生物传感器的检测极限扩展几个数量级。第一磁极的各表面点与第二磁极的最大距离的范围优选地处在大约5mm到大约 20mm之间。具体数值将根据所施加的电激励来选择，也就是给定线圈规格下的电力输入。 因此，相当典型的数值是大约10mm。第一磁极的各表面点与第二磁极的最小距离的范围优选地处在大约2mm到大约 18mm之间，优选地具有大约4. 5mm的数值。此外，所述致动器磁体的至少其中一个磁极优选地覆盖大约IOOmm2到大约600mm2 之间的面积，优选的是大约300mm2。在这一情境中，“磁极面积”由垂直于磁极之间的磁场的平均方向的横截面定义。优选地，两个磁极的对应面积基本上具有相同的尺寸。前面对于磁极的几何结构所提到的具体数值被证明适合于实践中出现的许多典型的边界条件。就其定义来说，第一磁极的“尖端区段”是其中第一磁极的各表面点与第二磁极的距离局部最小的(相连)区域。为此，所述尖端区段(或者更精确地说是与该尖端区段相邻的样本空间体积)将是样本空间内的磁性粒子在所施加的磁场的影响下迁移到的目标区。取决于磁极的具体设计，所述尖端区段可以是二维区域、(近似的)一维线或者(近似的)一点。 后一个实施例的优点在于，其在所述富集规程期间会提供磁性粒子的最高空间浓度。一般来说，第一磁极的表面以及第二磁极的表面可以具有任意形状，只要满足假设的特征即可(例如单个尖端区段的存在)。可以关于其意图的效果优化所述锥化的第一磁极的表面形状，例如通过在卡盒的外部区段实施能够获得更强磁场梯度的抛物线形状，从而可以加速存在于所述区段内的单个粒子的移动。在一个优选实施例中，第一磁极的表面由一个或更多平面状的面构成。这样的面可以容易地制造。此外，与第二磁极的类似地简单的(例如平面状的)表面相组合，对于这样的设计可以容易地估计沿着所述面的边缘出现的磁场梯度的极值。根据本发明的另一优选实施例，所述致动器磁体包括磁轭，所述磁轭具有构成具有中间的样本空间的第一和第二磁极的两个相对末端。与通常的情况一样，“磁轭”代表具有高磁导率的材料的(弯曲)条棒，其被用来集中磁场线。根据前面提到的实施例的另一项发展，所述磁轭延伸穿过至少一个电磁线圈。因此，为该线圈提供电流的做法可以被用来可控地生成磁场，该磁场被所述磁轭引导到磁极之间的样本空间。前面提到的线圈优选地被设计成具有一定数目的N ^ 1个绕组，可以为所述绕组提供电流I (在稳定操作模式下，即观测给定电流密度极限等等)，其中乘积N I的范围处在大约500A到大约2000A之间。可行的是设计对应于这些数值的致动器磁体，其适于被集成到紧凑的富集设备中并且在样本空间内提供适当的磁场。根据另一个实施例，所述磁轭可以包括用于在该磁轭中并且从而在所述磁极之间生成磁场的永磁体。所述永磁体可以被单独使用或者与前面提到的电磁线圈相组合地使用。所述永磁体可以可选地构成可换组件，其可以在期望时被插入到磁轭中或者可以从磁轭中移除(并且例如由中性磁轭材料块替换)。
参照下文中描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将变得显而易见并且将对其进行阐述。下面将借助于附图通过举例的方式描述这些实施例，其中
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的准备设备； 图2示出了磁极尖端的斜率和宽度对于磁珠的行程时间所具有的冲突效果； 图3示出了准备设备的一种具体实现方式的透视图； 图4示出了对应于图3的设备的具有一个面的磁极； 图5示出了对应于图3的设备的具有两个面的磁极； 图6示出了一个示例性样本卡盒。相同的附图标记或者相差100的整数倍的附图标记在各图中指代完全相同或类似的组件。
具体实施例方式检测生物流体中的核酸需要一系列处理步骤，比如样本富集、细胞溶菌、DNA隔离以及放大。由于目标分析物常常只能以微量获得，因此需要较大的样本体积来收集在统计上足够数量的分子。在这样的环境中，所述检测受到源自样本的其他组分的背景噪声的妨碍，比如血液细胞或细胞碎片。因此希望提取出可用的目标分子并且将其引入到较小的体积中，从而有效地提高其浓度。其结果是可以满足由后续感测处理的检测极限所施加的要求。此外，生物传感器的可处理样本体积在理想情况下不大于几微升，因此可以实现微流体器件的典型特性，例如试剂的低消耗和快速反应动力学。但是这种尺寸的低浓度样本可能不包含允许获得可靠检测结果的足够目标分子。在基于磁性粒子(磁珠)的生物传感器中，目标分子(例如核酸)可能是通过对于所述磁珠的表面的特定或非特定附着而从初始体积捕获的。在富集步骤中，于是可以使用外部磁场从所述初始体积收集粒子并且将其转移到受限的区段，从而提高其局部浓度并且对其进行准备以用于进一步的处理。在这样的基于磁珠的生物传感器中的技术挑战在于将要净化的通常较大的初始样本体积，其在这里假设是至少1ml。针对磁珠的定向移动的先前的技术解决方案通常处理小得多的流体体积，并且无法容易地被适配于所期望的样本尺寸，这是因为所生成的磁力的范围不足够(参照A. Rida, V. Fernandez和Μ· A. M. Gi js的“Long-range transport of magnetic microbeads using simple planar coils placed in a uniform magnetostatic field，，，Applied Physics Letters, vol. 83, no. 12, pp. 2396-2398, 2003 年；J. Joung、J. Shen 禾口 P. Grodzinski 的“Micropumps based on alternating high-gradient magnetic fields", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 40, no. 4, pp. 1944-1946,2004年)。通过利用磁珠来净化样本体积的其他已知设计具有大量移动部件的特征，并因此对于手持式解决方案来说不够稳健(EP 1 621 890 Al)。出于以上原因，高效的样本净化被视为未来的生物传感器应用的一项关键特征。 因此希望开发出尽可能多地满足以下要求的磁性致动器
-其可以把悬浮磁珠从毫升体积集中到微升体积。-其工作电力效率高到足以允许电网外操作。-其在少于大约5分钟之内完成富集处理。-其与随后的处理步骤兼容。-其在没有机械移动部件的情况下理想地工作。为了满足以上要求，在这里提出一种准备设备，其中致动器单元由磁性电路构成， 所述磁性电路包括气隙和至少一个磁场发生器(例如场线圈)。所述设备的至少其中一个磁极尖端具有锥化形状，从而使得在所述磁极尖端之间存在最小距离区段。在所述设备的操作期间，磁极尖端之间的磁通量密度在最小距离位置处表现出最大值。如果包含悬浮磁珠的流体样本被引入到所述气隙中，则所述磁场的梯度将引发粒子朝向所述磁场最大值的迁移。图1示意性地示出了根据前面的原理的准备设备100的侧视图。作为一个主要组件，准备设备100包括致动器磁体110，其(特别)由C形磁轭113实现，所述磁轭具有彼此相对地布置的、其间具有中间气隙或样本空间115的第一磁极111和第二磁极112。磁轭113 的两个分支被线圈121围绕，可以为所述线圈提供电流以便在磁轭并且相应地在样本空间 115中生成磁场。此外，永磁体122可以可选地被集成到磁轭中，从而优选地使其可以在期望时被“普通”磁轭材料所替换。第二磁极112具有垂直于该分支中的磁轭轴(ζ方向)的平坦表面，而第一磁极111 则被锥化(楔形)成在一端具有单个尖端τ。第一磁极111的表面上的各点与第二磁极112 之间的距离因此就从最大值Smax减小到最小值Smin，所述最小值在尖端T处取得(应当提到的是，该距离是非对称地定义的，也就是说考虑第一磁极表面上的单个点相对于整个第二磁极)。第一和第二磁极111、112在χ方向上的宽度是W。假设正方形横截面，则相同的数值w也描述所述磁极在y方向上的深度。从数值八in、Smax和w，可以通过下式计算出第一磁极的倾角α。
权利要求
1.一种用于富集具有给定特性的样本流体中的磁性粒子(1)的准备设备(100，200)， 所述设备包括致动器磁体(110，210)，所述致动器磁体具有第一和第二磁极(111，112， 211，212)，其中a)所述磁极通过样本空间(115)分隔开，具有样本流体的样本卡盒(2)可以被插入到所述样本空间中；b)第一磁极(111，211)被锥化成具有单个尖端区段(T)，在该处，第二磁极(112，212) 与第一磁极的各个表面点之间的距离(是局部最小的；c)可以使得所述样本空间(115)中的磁通量高到足以将所述磁性粒子(1)磁化到其饱和磁化的至少50% ；d)可以使得所述样本空间(115)内的磁场梯度大到足以引起样本空间(115)内的磁性粒子(1)以给定的最小平均速度发生迁移。
2.一种用于富集具有给定特性的样本流体中的磁性粒子(1)的方法，其包括以下步骤a)在样本空间(115)内提供样本流体；b)在所述样本空间(115)内建立磁通量，其高到足以将所述磁性粒子(1)磁化到其饱和磁化的至少50% ；c)在所述样本空间(115)内建立磁场梯度，其大到足以引起所述样本空间(115)内的磁性粒子(1)以给定的最小平均速度朝向单个尖端区段(T)发生迁移。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述方法是利用根据权利要求1的准备设备(100，200)执行的。
4.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求2的方法，其特征在于，所述样本空间(115)内的磁通量至少是大约50mT，优选地至少是大约 IOOmT0
5.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求2的方法，其特征在于，所述样本空间(115)内的磁场梯度至少是大约0. 2T/m,优选地至少是大约 0. 6T/m。
6.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求2的方法，其特征在于，所述样本空间(115)具有大约0. Iml到大约IOml的体积。
7.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求3的方法，其特征在于，第一磁极(111，211)的各个表面点到第二磁极(112，212)的最大距离 (δ max)的范围是大约5mm到大约20mm之间。
8.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求3的方法，其特征在于，第二磁极(112，212)到第一磁极(111，211)的最小距离(Smin)的范围是大约2mm到大约18mm之间。
9.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求3的方法，其特征在于，至少其中一个磁极(111，112，211，212)的面积处在大约IOOmm2到大约 600mm2 之间。
10.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求2的方法，其特征在于，所述尖端区段(T)是近似一点。
11.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求3的方法， 其特征在于，第一磁极(111，211)的表面由平面状的面(F)构成。
12.根据权利要求1的设备(100，200)或者根据权利要求3的方法，其特征在于，所述致动器磁体(110，210)包括磁轭(113，213)，所述磁轭具有构成第一和第二磁极(111，112，211，212 )的两个相对末端。
13.根据权利要求12的设备(100，200)或方法，其特征在于，所述磁轭(113，213)延伸穿过至少一个线圈(121，221)。
14.根据权利要求13的设备(100，200)或方法，其特征在于，所述线圈(121，221)具有N个绕组并且可以由电流I驱动，其中N I的范围处在大约500A到大约2000A之间。
15.根据权利要求12的设备(100，200)或方法，其特征在于，所述磁轭(113，213)包括永磁体(122，222)。
全文摘要
本发明涉及一种用于富集样本流体中的磁性粒子(1)的方法和设备(100)。所述样本流体被提供在致动器磁体(110)的第一磁极(111)与第二磁极(112)之间的样本卡盒(2)内。随后在所述样本流体内部建立最小磁通量以及最小磁梯度，其中它们的数值取决于所考虑的具体磁性粒子(1)和样本流体。在一个优选实施例中，第一磁极(111)具有单个尖端(T)。
文档编号B03C1/035GK102470373SQ201080032239
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年7月17日
发明者W. J. 普林斯 M., 伊尔姆舍尔 M., 登杜尔克 R. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司