磁系统的制作方法

专利名称：磁系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁系统。
背景技术：
为了有效估算生物材料成分，必须使生物材料紧密接触生物传感器的 表面。因此，必须生成对生物材料的吸引力。这一点通常是通过磁颗粒或 磁珠实现的，所述磁颗粒或磁珠与所述生物材料发生化学或物理结合，从
而使待检验的生物材料与基质(substrate)连接。接近生物传感器生成磁 吸引力，以分别吸引结合至生物材料或包含于生物材料内的生物分子的磁 珠。
对于生物传感器的操作而言，磁激励是一种很有前景的测量方法。首 先，其加速磁颗粒的聚集，并由此加速磁颗粒在传感器表面上的结合过程。 其次，可以采用磁清洗替代常规的湿法清洗步骤，磁清洗更加准确，并且 减少了操作动作的数量。
与芯片尺寸相比，可以采用大的外部电磁体实施激励，从而在传感器 表面处获得均匀场梯度，并且在生物材料的整个样本体积内获得大的穿透 深度。采用集成的激励结构则难以获得这些测量质量。
对于生物分子诊断而言，所描述的生物芯片生物传感器在灵敏度、特 异性、集成、使用便易性和成本方面都具有很有前景的特性。
在W0 2003054566中给出了这样的生物传感器或生物芯片的例子，该 文献描述了采用均匀磁场来激励磁珠。
其中描述的生物传感器是以超顺磁珠的检测为基础的，可以采用其同 时测量生物材料溶液中的大量不同生物分子的浓度。
因而，传感器表面必须与生物材料紧密接触，这一点可以通过借助上 述磁珠使生物材料紧密靠近传感器表面来实现。另一项要求是，在测量生 物材料之后，必须将生物材料洗掉，从而保障传感器表面的条件适于进行也可以利用与生物材料混合的磁珠来实现所述冲洗，从而在传感器表 面附近生成磁排斥力。
通常，由磁体或电磁体诱发的磁力是指向磁体的。因此，需要两个磁
体诱发朝向传感器表面的磁力，SP，所谓的沉降(sedimentation),以及 诱发背离传感器表面的力，即，所谓的冲洗。

发明内容
本发明的目的在于提供具有前述特性的能够表现出吸引力和排斥力的 磁系统和方法。
所述目的是通过以权利要求K权利要求16和权利要求21为特征的用 于生物传感器的磁系统实现的。公开了一种磁系统，其包括生成磁场的磁 装置，所述磁场施加朝向所述磁系统的磁力，并且接下来或者紧接着施加 指向背离所述磁系统的方向的磁力，其中所有的磁力都是在同一个所述磁 装置源处生成的。所述磁力能够随时间变化，在某一时间上存在第一区带 内的磁力，而在另一时间则存在第二区带内的磁力。而且，第一和第二区 带内的磁力能够同时存在于不同的空间区带或区域内。这意味着，第一区 带和第二区带内的磁力同时存在或者所述磁力依次存在。可以通过任何方 式设计所述磁装置，其可以包括单个或多个磁功率源。因此，所述磁装置 源一词并非旨在将其范围限定为单个磁功率源。就本发明而言，源一词是 指磁功率的空间来源，而不是磁功率的实体物理源。将所述磁装置布置在 相对于操作所使用的生物传感器的某一位置上。
这一磁系统的其他的不同实施例的特征如从属权利要求2-15中所述。 这一方法的其他的不同实施例的特征如从属权利要求17-20中所述。 一个例子考虑了能够执行两种功能的磁体。除了普通的吸引力之外， 该磁体还能够施加排斥力。
在与本发明的例子相联系的便携式即时应用中，功耗是一个大问题。 因此，将通过电磁体能够生成的力最大化是非常重要的。在使本发明公开 的特定磁系统与普通的磁体或电磁体结合使用时，能够充分提高磁力的幅 度。也可以在比仅采用标准的磁体的情况下低得多的电流上产生相同的力。
7本发明的两个替代方案中的主要特性在于磁心内的开口 ，尤其是所述 开口的特殊形状。其使得在一个替代方案中，在接近表面的预定近距离处 产生了磁吸引力，而在较远的距离处则对受磁珠限制的生物材料产生了排 斥力。因而，通过改变磁系统和传感器表面之间的相对位置而通过单个磁 系统在磁力方向之间进行切换，这一点很关键。
在第二替代方案中，所述磁系统能够通过采用同心磁系统容易地在排 斥力和吸引力之间进行切换，其中，所述同心磁系统具有由至少两组同心
线圈或绕组和铁磁心构成的多层系统，其中，内侧线圈一铁心(core)结 构比外侧线圈一铁心结构短，从而在传感器邻近所述磁系统的一侧形成了 开口。换言之，相对于内侧铁心和线圈或绕组提升了外侧铁心和线圈或绕 组。
传感器表面必须与生物材料紧密接触，这一点可以通过借助上述磁珠 使生物材料紧密靠近传感器表面实现。可以采用连接至生物材料或其部分 的磁珠对所述生物材料或其部分施加某一方向的力。采用清洗从所述传感 器表面去除未结合的或者未发生特定结合的磁珠，从而实现适当的端点测
本发明的实施例公开了处于磁心内的作为圆柱形盲孔的开口，所述铁 心中的另一有利的开口是锥形孔或开口 。其他有利的开口截面是矩形或正 方形。
在所有的情况下，均诱发非均匀的磁场线，这导致在处于预定距离处 的第一区带内产生了吸引力，在处于预定距离处的第二区带内产生了排斥 力。应当理解，两个力方向都是由设置在某一位置处的磁装置产生的。所 述吸引力或排斥力都是由同一处的来源或源产生的。不要将其与设置在不 同位置的磁系统混淆，例如，在传感器的不同侧设置两个彼此相对的源。
本发明的另一实施例公开了，所述传感器可以在所述铁心内的开口的 内侧和外侧之间移动。换言之，可以将所述传感器驱动至产生所述两种力 方向的位置。这一点对于可以使传感器相对于磁系统移动的第一替代方案 很关键。
对于第二替代方案而言，没有必要使传感器或磁体发生移动。根据这 一第二替代方案的多层同心系统包括至少两个磁装置，所述磁装置为线圈或永磁体。所述多层同心系统包括一个线圈，并且可以包括一个或多个永 磁体。还可以将所述多层同心系统设计为具有不只一个线圈，还可以将其 设计为具有线圈，但不具有永磁体。通过采用多层同心系统，能够通过仅 向一个线圈施加电流而在排斥和吸引之间切换。也就是说，采用由内侧线 圈和外侧线圈构成的多层同心系统，能够通过仅向内侧线圈施加电流而生 成吸引力，能够通过仅向外层线圈施加电流而生成排斥力。
根据第一替代方案，另一实施例为，邻近所述磁体设置第二磁体，二 者通过间隙隔开，在所述间隙内，所述传感器，或者至少所述传感器的表 面是可移动的。这一特殊的磁系统是生成高磁力的强化磁系统。
为了有利地应用于生物传感器，本发明的实施例公开了所述传感器为 几个传感器的阵列。由此能够得到具有大的合成传感器表面的非常有效的 传感器。
本发明的另一实施例为，可通过磁场传感器优化所述传感器的可定义 的终点位置，可以使所述磁场传感器与所述传感器同时移动，从而估算出 最佳的磁通量极值。这样做，能够在强度方面对在传感器表面附近生成的 磁力进行优化，从而在吸引模式以及排斥模式内产生最大磁力。这样能够 在感测模式下实现与生物材料的紧密接触，在清洗模式下实现最佳排斥。
本发明的另一目的是通过一种采用所述的用于生物传感器的磁系统的 方法实现的，根据所述方法，使微小的磁珠散布于感测材料和液体内，或 者使感测材料和液体与所述微小的磁珠化学结合，将传感器芯片移动到接 近所述磁心内的开口的位置，从而在传感器表面的附近产生排斥力，由此 通过对磁珠的排斥力而清洗所述表面，此外，将传感器芯片移动到所述铁 心的预定距离处，从而对磁珠产生吸引力，由此感测布置在所述传感器处 的与所述传感器表面接触非常紧密的生物基质。
通过在两个较远的位置之间切换，能够使传感器的工作模式在优化的 测量模式和优化的清洗模式之间变化。
所述方法的实施例的特征在于，所述传感器或传感器芯片和所述磁心 之间的移动是相对位移，借此，通过这样一种方式移动所述铁心，从而使 得传感器的第一位置位于所述磁心的开口之外，处于吸引力区带的影响范 围内，并且使传感器的另一位置处于所述磁心的开口之内，处于排斥力区带的影响范围内。
传感器和传感器芯片和磁心之间的这一移动是相对的，因而移动传感 器芯片和移动具有磁心的线圈将得到同样的相对于彼此的相对位置。
所述方法的最后一个实施例的特征在于，在磁布局内，使两个磁体通 过间隙隔开，从而使所述传感器的相对位置处于一个磁心的开口的内部和 两个磁心之间的间隙的内部二者之间。
此外，公开了一种用于一项和多项下述应用的结合了磁系统的装置 用于分子诊断的生物传感器；对诸如血液或唾液等复合生物混合物中的蛋
白质和核酸进行快速、灵敏检测；用于化学、药品或分子生物学的高吞吐 量筛选装置；例如，用于犯罪学中的DNA或蛋白质的测试装置、用于例如 医院中的或路边测试等现场测试的测试装置以及用于集中式实验室或科学 研究中的诊断的测试装置；用于心脏病学、传染病和肿瘤学中的DNA或蛋 白质诊断、食品和环境诊断的工具；用于组合化学的工具；分析设备；采 用光学检测的生物传感器；采用压电效应的，尤其是具有由受到照射时产 生热量的颗粒导致的电荷的生物传感器。本发明还适用于后一生物传感器 应用，其中，所述生物传感器采用吸收光的颗粒作为标签Uabel)。所述 标签通过生物学手段结合至表面。在受到光学照射时，所述颗粒生成热， 所述热量反过来由在压电膜内生成电荷。能够通过电学装置检测到所生成 的这一电荷。在采用磁颗粒作为上述生物传感器中的标签时，本发明尤其 有用。磁颗粒通常具有高氧化铁含量，因而，磁颗粒是强的光吸收器。此 外，上述生物传感器中的磁激励允许将标签快速传送到结合表面上，例如， 采用作用于磁颗粒上的脉冲力进行激励能够建立最佳的结合条件，并且还 允许在传感器表面上以受到良好控制的方式使结合的和未结合的磁颗粒分 离，从而降低来自大量的未结合磁颗粒的背景信号，并增强测量的生物学 特异性。此外，其还允许控制开始与所述表面结合的定时，因而能够减去 偏置(offset)信号。
在图1到图9中示出了本发明的不同实施例。通过从属权利要求、附 图和下文中对各个附图和例子的说明公开了本发明的对象的额外细节、特 征和优点，其中，附图以示范性的方式示出了根据本发明的装置的实施例。
10


图1示出了其铁心具有被线圈围绕的圆柱形开口的磁系统的第一实施 例的横截面，
图2示出了以锥形开口替代圆柱形开口的与图1类似的另一实施例，
图3示出了与图1类似的横截面，其中，在铁心内的开口上方具有被 移动到所述开口上方的某一位置处的传感器，
图4示出了与图3类似的横截面，其具有被移动到所述铁心的开口之 内的某一位置的传感器，
图5示出了与图4类似的横截面，其具有倾斜的传感器和磁装置以及 紧挨着所述磁装置布置的额外的电磁体，
图6示出了包括具有线圈的铁心和传感器的磁装置的示意性侧视图， 其中，通过光学装置对所述传感器进行扫描，
图7示出了以同心的形式交替设置的铁心和围绕铁心的线圈构成的磁 装置的倾视图，
图8示出了与图7类似的四个截面图，其中， 一个铁心和线圈相对于 另一铁心和线圈降低，并且具有不同的流经所述铁心和线圈的电流方向， 并因此具有不同的磁装置磁化状态，在位于所述磁装置之上的第一区带中， 施加朝向磁系统的磁力，在位于所述磁装置之上的第二区带中，施加朝向 背离磁系统的方向的磁力，
图9示出了具有偏移的内侧部分的多层磁系统的与图8类似的三个图 示，上方的一个是倾视图，下面的两个是倾视截面图，其中，内侧的带有 线圈的铁心相对于外侧的带有线圈的铁心发生了移动，并且内侧的带有线 圈的铁心具有较小的长度。
具体实施例方式
图1示出了作为本发明的第一实施例的磁系统10，其具有铁心1，铁 心1具有被线圈2包围的圆柱形开口 3，在图1中，将线圈2表示为电流线。 这里，磁心1中的开口 3具有圆柱形外形。对于不具有开口 3的铁心1而 言，例如，对于具有用于输出磁场线的平面表面的铁心1而言，只能引发 吸引磁力，与之相比，圆柱形开口 3能够引发由磁场线4表示的非均匀磁场，因而，根据下面的开口 3的底部朝向磁心1之外的距离，所产生的磁 力的方向将发生两次变化，所述变化如指向交替变化的方向的三个箭头所
示。所述三个箭头标示出了图1的不同的区带12、 14的特征，第一区带12 施加如朝下的箭头所示的指向磁系统10的磁力，第二区带14施加如朝上 的箭头所示的指向背离磁系统10的方向的磁力。在这一例子中，两个第一 区带12分别存在于一个第二区带14之上和之下。因而，根据可能通过机 械手段而使之发生变化的实际的相关传感器位置(未示出)，可以将传感器 5移动到磁系统10的磁场的吸引力区带，即第一区带12内，或者移动到排 斥力区带，即第二区带14内。
传感器5可以是任何基于颗粒的任何属性来检测磁颗粒在传感器表面 上或传感器表面附近的存在的适当的传感器5，例如，其可以通过磁方法来 进行检测，例如，通过磁阻、Hall、线圈2进行检测。传感器5可以通过 光学方法进行检测，例如，通过成像、荧光作用、化学发光、吸收、散射、 表面等离子体激元谐振、拉曼光谱等进行检测。此外，传感器5可以通过 声学检测进行检测，例如，通过表面声波、体声波、受到生物化学结合过 程影响的悬臂偏转、石英晶体等进行检测。此外，传感器5可以通过电学 检测进行检测，例如，通过传导率、阻抗、电流分析(amperometric)、氧 化还原循环等及其任意组合进行检测。
图2示出了另一实施例，其中，铁心1内的开口 3是锥形的。开口 3 的这一特殊形状导致了这样的磁场，其中，在距铁心1的一定距离处，磁 力表现出强烈的排斥性，而在距铁心1的另一距离处，磁力则表现出吸引 性。在图2中，上面的箭头表示磁力朝下的第一区带12，下面的箭头表示 磁力朝上的第二区带14。在这一布局中，给出了两个区带12和14，艮P， 一个第一区带12和一个第二区带14。图2中的开口 3的这一特殊形状能够 比图l所示的圆柱形开口 3产生更大的排斥力。
在图1和图2所示的两个实施例中，只需要一个线圈2就能既实现吸 引磁珠使之沉降，又实现对磁珠进行排斥从而将其清除。只需对线圈2或 传感器5 (未示出)进行平移，就能够使实际的磁力在吸引力和排斥力之间 进行切换。
图3和图4示出了与图1类似的截面图，其中，传感器5在铁心1的
12开口 3的上方，其被移动到了开口 3的上方的某一位置。其中示出了传感 器5或传感器芯片移动的两个终点位置。在图3中，示出了这样的状态， 其中，使传感器5或磁心1中的线圈2发生预定的相对距离的机械平移， 从而使磁系统10的第二区带14，即排斥区带结束于传感器5之下，从而使 传感器5之上的第一区带12受到磁吸引力的影响。由传感器5上面的三个 朝下的箭头表示所述吸引力。因而，这一第一区带12内的磁力将吸引待检 验的生物材料内的磁珠，从而所述磁珠加速沉降到传感器表面上。
在图4中，示出了传感器5的另一相对终点位置，其中，传感器5位 于开口3内部，因而，排斥性的第二区带14位于传感器5之上。在这一位 置上，将生成作用于生物材料内的磁珠上的排斥力，从而使磁珠受到排斥， 换言之，将所述磁珠从传感器表面上迅速冲洗掉。由传感器5之上的三个 朝上的箭头表示所述排斥力。
所述磁力的幅度对于所述沉降和清洗的期望效果是非常重要的。所述 力与磁珠的速度成比例，因此也与沉降时间成比例。更重要的是，要想将 非特定的磁珠从所述表面上冲掉，就必须克服一定的力。
图5示出了与图4类似的横截面，其具有被设计为倾斜的传感器5以 及铁心1和线圈2的磁装置11。邻近磁装置11布置额外的第二线圈7，在 此将其设计为电磁体。采用第二线圈7能够增大磁力。
这一第二线圈7是除上述专用线圈2之外的普通线圈，在二者之间设 有间隙8。在这一例子中，具有线圈2的铁心1与第二线圈7之间的距离为 2廳。将传感器5移动到这一间隙8内，或者，平移具有线圈2的铁心1， 从而获得相同的效果。与仅采用一个单线圈2的磁系统10相比，采用电磁 线圈2和7 二者能够将有效力放大将近四个因子。与仅采用单个常规线圈 的磁系统10相比，获得了超过10的放大因子。
磁系统10的这一放大特性具有一些主要的优势。获得相同大小的力所 需的电流更低。借此，能够在更少地使线圈2和7进行主动冷却(active cooling)或者几乎不需要主动冷却的情况下保持磁系统10的运转。更低 的电流和更少的主动冷却节约了很多能量，例如，这一点对于传感器5或 生物传感器的便携式即时应用而言非常重要。
如上所述，传感器5可以是任何基于颗粒的任何属性而检测磁颗粒在传感器表面上或传感器表面附近的存在的适当的传感器5，例如，其可以通
过诸如磁阻方法、Hall方法、线圈2和7等的磁方法以及诸如成像、荧光 作用、化学发光、吸收、散射、表面等离子体激元谐振、拉曼法等的光学 方法实施检测。而且，可以利用声学检测，这指的是表面声波、体声波、 悬臂、石英晶体等的生成和检测，也可以利用电学检测，例如，利用传导 率、阻抗、电流分析、氧化还原循环等。
可以通过所述感测方法直接检测标签。也可以在检测之前对颗粒进行 进一步处理。例如，所述进一步处理可以是添加材料或者修改标签的化学、 生物化学或物理特性，从而有助于检测。
可以在相对于生物传感器表面对传感器5进行扫描的情况下，或者在 不进行所述扫描的情况下进行检测。除了分子测定之外，还可以检测较大 的部分(moiety)，例如，细胞、病毒或者细胞或病毒、组织提取物等。
可以作为端点测量导出测量数据，也可以通过动态或间歇地记录信号 而导出测量数据。
可以将所述装置和方法用于几种生物化学测定类型，例如，结合/拆分 测定、夹层测定、竞争测定、移位测定、酶催测定等。
本发明的磁系统10和方法适于传感器复用，例如，不同传感器5和 传感器表面的并行使用；标签复用，例如，不同类型的标签的并行使用； 以及室复用，例如，含有待测量的感测材料的不同反应室的并行使用。
可以将本发明中描述的磁系统10和方法用作针对小的样本体积的快 速、鲁棒并且易于即时使用的传感器5和生命传感器。所述反应室可以是 与紧凑型读取器结合使用的一次性用品，其中，所述紧凑性读取器包括一 个或多个磁场生成装置以及一个或多个检测装置。而且，可以在自动、高 吞吐量测试中采用所述磁系统10和方法。在这种情况下，所述反应室是(例 如)装配到自动化仪器内的孔板或透明小容器。
图6示出了用于前述光学检测或光电子学检测的光学装置。光学标签 提供了一些符合需要的属性
-很多检测可能性，例如，成像、荧光作用、吸收、散射、浊度分析、 SPR、 SERRS、荧光、化学发光、电致化学发光、FRET等。
-成像可能性提供了高的多路复用度(multiplexing)。-光学标签通常小，并且不会对测定造成太大影响。
良好的结合将采用磁标签，可以通过施加磁场梯度而激励所述磁标签， 并且能够对所述磁标签进行光学检测。优点在于，从在大多数情况下光束 不会显现出与磁场的干扰且反之亦然的意义上来讲，光和磁是互不相关的。 这意味着磁激励理想地适于与光学检测相结合。从而消除了由激励场带来 的诸如传感器干扰的问题。
使磁激励与光学检测相结合的问题在于几何约束。为了开发出与磁激
励装置相兼容的模块(cartridge)技术，通常电磁体必须在磁体和传感器 表面之间的短距离处工作。光学系统必须对同一表面进行扫描，其可以采 用高NA光学器件。因此，在采用使磁激励和光学检测结合的概念时，光化 学设置和电磁体将产生相互阻碍。优选地，需要一种仅一侧具有磁装置11 的配置。这一磁装置ll能够生成可切换的磁场。
作为第二替代方案，图7示出了多层电磁体的图示。根据这一第二替 代方案的多层同心系统包括至少两个磁装置，所述磁装置是又被称为绕组 的线圈2或永磁体。所述多层同心系统包括一个线圈2，并且可以包括一个 或多个永磁体。还可以将所述多层同心系统设计为具有不只一个线圈2，还 可以将其设计为具有线圈2，但不具有永磁体。例如，所示的电磁体由两个 独立的绕组或线圈2层以及两个铁心材料层构成。通过改变流经两绕组的 不同的电流的幅度和方向，能够使磁场发生变形。这一变形使得这一电磁 体能够用于很多不同的应用，同时又不必采用任何机械步骤。
图8示出了与图7类似的四个截面图，其中，内侧的铁心1和线圈2 相对于外侧的另一铁心1和线圈2降低。这意味着，内侧的铁心1和线圈2 的长度不同于外侧的铁心1和线圈2。所述四幅截面图具有不同的流经铁心 1和线圈2的电流方向，所述方向通过沿线圈2的弯曲的箭头所示。指向磁 装置11以及指向背离磁装置11的方向的箭头的长度表示磁力的比率。在 左上侧的截面图中，两线圈2中的电流都顺时针流动。在这一例子中，两 电流基本相等。其产生了向下指向磁装置ll的磁力方向，其由朝下的箭头 表示。在右上侧的截面图中，外侧线圈2中的电流顺时针流动，内侧线圈2 中的电流逆时针流动。在这一例子中，两电流在强度上不等，流经外侧线 圈2的电流高于流经内侧线圈2的电流。其产生了由朝上的箭头表示的接
15近磁装置11的朝上的磁力方向以及由与另一箭头相对的朝下的箭头表示的 远离磁装置11的朝下指向磁装置11的另一磁力方向。在此，接近磁装置 11的磁力比远离磁装置11的电流低，这一点由箭头长度的比率表示。
在左下侧的截面图中，外侧线圈2中的电流顺时针流动，内侧线圈2
中的电流逆时针流动。在这一例子中，两个电流在强度上基本相等。其产 生了由朝上的箭头表示的接近磁装置11的朝上的第一磁力方向，以及由与 另一箭头相对的朝上的箭头表示的远离磁装置11的朝上的第二磁力方向。
此外，就按照图8所示的方式布置的磁装置11而言，如左下侧的截面图所 示，还形成了由离磁装置11最远的朝下的箭头表示的处于离磁装置11更 远的区带内的朝下的第三磁力方向。在此，接近磁装置ll的磁力类似于离 磁装置11较远的相对的磁力。在此，离磁装置11最远的磁力高于另两个 磁力。在右下侧的截面图内，外侧线圈2内的电流顺时针流动，内侧线圈2 中的电流逆时针流动。在这一例子中，两电流在强度上不等，流经外侧线 圈2的电流小于流经内侧线圈2的电流。这产生了由朝下的箭头表示的接 近磁装置11的朝下的第一磁力方向以及由与另一箭头相对的朝上的箭头表 示的远离磁装置11的远离磁装置11的朝上的第二磁力方向。此外，就按 照图8所示的方式布置的磁装置11而言，如右下侧的截面图所示，还形成 了由离磁装置U最远的朝下的箭头表示的处于离磁装置11更远的区带内 的朝下的第三磁力方向。在此，与磁装置ll最接近的磁力高于另两个彼此 类似的磁力。
在两电流沿相同的方向流动时，磁装置ll具有普通的电磁体性态，如 左上侧的截面图所示。在两电流沿相反的方向流动时，建立了具有排斥性 的第二磁力区带14，如右上侧、左下侧和右下侧截面图所示。可以通过改 变两电流相对于彼此的幅度来调节这一第二区带14的位置。
在图8的四个截面图中示出的这一实施例描述了在图7所示的这一电 磁体实例中采用多层磁装置11的方式。在流经两线圈2或两绕组层的电流 沿相同的方向流动时，这一多层电磁体的作用类似于普通电磁体。图8示 出了这一普通电磁体性态，如左上侧的图示所示。由此开始，通过改变所 述电流之一的方向，例如，改变内侧线圈2中的电流的方向，能够影响磁 场的形状，并且改变后的场梯度建立了某一第二区带14，在该区带中，磁力指向背离磁装置ll的方向。图8中示出了这一原理，如右上侧、左下侧 和右下侧的截面图所示。可以通过改变两电流相对于彼此的幅度，能够调 节这一排斥性的第二区带14的位置。如果内侧电流相对于另一电流较小，
那么排斥性第二区带14恰好位于磁装置11的表面之上，如图8的右上侧
的图示所示。通过相对于外侧电流提高这一内侧电流，提升了这一排斥性
的第二区带14，如图8的下侧的两幅图所示。这一现象能够在不与磁装置 11紧密接触的区带内施加排斥性的磁力。如果(例如)因具有相对较厚或 较为鲁棒的模块而使传感器表面和磁装置11之间的间距较大，那么这一点 就变得很重要了。
图9示出了与图8类似的多层磁系统11的三个图示。该图也示出了具 有外侧的具有线圈2的铁心1和内侧的具有线圈2的铁心1。与图8相比， 内侧的铁心1和铁心2具有较低的高度，即相对于外侧的线圈1和铁心2 受到了更大的偏移，因而，在磁装置11内沿轴向形成了延伸穿过磁装置11 的部分的孔4。下面的左侧的倾视截面图对这一结构给出了清晰的图示。在 这一例子中，切断通过外侧线圈2的电流，并使流经内侧线圈2的电流导 通。这一磁装置ll的结构与电流流动相结合得到了能够产生如朝下的箭头 所示的力的磁场。这一例子中的磁力的方向朝向磁装置11，这意味着生成 了吸引力。
下面的右侧倾视截面图示出了与相邻的左侧透视截面图相同的结构。 这里，与上一个例子相反，使流经外侧线圈2的电流导通，此外与上一个 例子一样，仍然使流经内侧线圈2的电流导通。这一磁装置ll的结构与所 述的电流流动相结合得到了能够产生如朝上的箭头所示的力的磁场。这一 例子中的磁力的方向朝向背离磁装置ll的方向，这意味着生成了排斥力。
通过将传感器5置于磁装置11的孔4的内部或附近，并使流经外层绕 组或线圈2的电流导通，能够分别向传感器5施加吸引力或排斥力。
图9的这一实施例不需要对传感器5或磁装置11做任何移动。这里不 需要移动传感器5，只需使流经外侧绕组或线圈2的电流截止，以及通过使 流经内侧绕组或线圈2的电流导通就可以切换磁力方向，如右下图所示。
这一内侧结构起着类似于普通电磁体的作用，其诱发了普通的磁吸引力。
17根据图6的特定实施例，显然，能够有利地将其应用于两种替代方案
中，即，利用所述的磁系统io以及利用多层同心磁系统。
尽管本说明书引用了对与生物材料的分析相关的传感器的应用，但是 所述的磁系统10适用于任何处于向对磁力敏感的物品施加磁力的背景下的 技术领域，在所述技术领域，可以应用具有不同方向的磁力。
上述具体实施例中的具体特征的组合只是示范性的；显然可以设想采 用本申请以及通过引用而结合的专利/申请中的其他教导与这些教导进行 互换或替换。本领域技术人员将认识到，在不背离权利要求限定的本发明 的精神和范围的情况下，本领域技术人员能够想到文中描述的内容的改变、 修改以及其他实现方式。相应地，上述说明只是为了举例，而并非意在作 出限制。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。此外，在说明书和权 利要求中采用的附图标记不限定所要求保护的本发明的范围。
权利要求
1、一种磁系统(10)，其包括用于生成磁场的磁装置(11)，所述磁场施加朝向所述磁系统(10)的磁力，并且接下来或者紧接着施加指向背离所述磁系统(10)的方向的磁力，其中所有的磁力都是在同一个所述磁装置(11)的源处生成的。
2、 根据权利要求1所述的磁系统(10)，其特征在于，所述磁装置(11) 诱发出非均匀的磁场线，从而建立了第一区带(12)和第二区带(14)。
3、 根据权利要求1或权利要求2所述的磁系统(10)，其具有至少一 个永磁体或至少一个线圈(2)和至少一个铁磁心(1)、以及传感器(5) 或传感器表面，所述传感器(5)或传感器表面通过以下方式与所述磁场对 应所述铁磁心(1)在所述传感器(5)所处的一侧具有开口 (3)，以便 产生局部高密度的非均匀磁场线。
4、 根据权利要求3所述的磁系统(10)，其特征在于，所述传感器(5) 可相对于所述磁系统在至少两个可定义的位置之间移动。
5、 根据权利要求3或4所述的磁系统(10)，其特征在于，所述磁心 (1)内的所述开口 (3)为盲孔，尤其是具有圆柱形截面的盲孔。
6、 根据权利要求3或4所述的磁系统(10)，其特征在于，所述铁心 (1)内的所述开口 (3)为锥形孔或锥形开口 (3)。
7、 根据权利要求3或4所述的磁系统(10)，其特征在于，所述铁心 (1)内的所述开口 (3)具有矩形或正方形截面。
8、 根据权利要求3或4所述的磁系统(10)，其特征在于，所述铁磁 材料内的所述开口 (3)是贯穿所述铁磁材料延伸的孔。
9、 根据权利要求3到8中的任何一项所述的磁系统(10)，其特征在 于，所述传感器(5)可相对于所述开口 (3)移动。
10、 根据权利要求1或2所述的磁系统(10)，其特征在于， 所述磁系统(10)包括由至少两个同心磁装置(11)构成的多层系统。
11、 根据权利要求1到2中的任何一项所述的磁系统(10)，其特征在 于，邻近所述磁装置(11)设置第二磁体(7)。
12、 根据权利要求11所述的磁系统(10)，其特征在于，所述磁装置 (11)和所述第二磁体(7)通过间隙(8)隔开，在所述间隙中，所述传感器(5)或者至少所述传感器(5)的表面可移动。
13、 根据权利要求3到12中的任何一项所述的磁系统(10)，其特征 在于，所述传感器(5)是几个传感器的阵列。
14、 根据权利要求3到13中的任何一项所述的磁系统(10)，其特征 在于，可通过磁场传感器来优化所述传感器(5)的移动的可定义的终点位 置，可以使所述磁场传感器与所述传感器(5)同时移动，从而估算出最佳 的磁通量极值。
15、 根据前述权利要求中的任何一项所述的磁系统(10)，其特征在于， 所述磁系统(10)具有磁通量引导材料，该磁通量引导材料的磁导率远高 于周围介质的磁导率。
16、 一种用于操作如前述权利要求中的任何一项所述的磁系统(10) 的方法，根据所述方法，使微小的磁珠散布在感测材料或液体中，或者使 感测材料或液体化学结合到所述磁珠上，并且将传感器(5)或传感器芯片 置于这样的位置，以致于通过在第一区带(12)内的所述传感器(5)的表面附近产生磁排斥力而将所述磁珠从所述表面清洗掉，并且通过在第二区带(14)内的所述传感器(5)的所述表面附近产生磁吸引力而使所述吸引力作用于与所述感测材料结合的所述磁珠上，以感测与所述传感器(5)的所述表面紧密接触的生物基质。
17、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，相对于所述开口 (3) 移动所述传感器(5)，从而在接近所述传感器(5)的所述表面的第一区带(12)内的用于清洗所述表面的排斥和接近所述传感器(5)的所述表面的 第二区带(14)内的用于与所述感测材料紧密接触的吸引之间切换。
18、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述传感器(5)或 传感器芯片与所述磁心(1)之间的移动是相对移动，由此，通过这样一种 方式移动所述铁心(1)，使得传感器(5)的第一位置处于所述磁心(1) 内的所述开口 (3)之外，由此处于第一区带(12)的吸引力的影响范围内， 并且使得传感器(5)的一个位置处于所述磁心(1)内的所述开口 (3)之 内，由此处于第二区带(14)的排斥力的影响范围内。
19、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在具有两个通过间隙 隔开的磁体的磁布局内，所述传感器(5)的相对位置据介于处在一个磁心(1)的所述开口 (3)内和处在两个磁心(1)之间的所述间隙内二者之间。
20、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过仅对所述内侧线 圈(2)施加电流来产生吸引力，通过仅对所述外侧线圈(2)施加电流而 生成排斥力，或者，通过改变一个线圈(2)内的电流的方向来产生在吸引 力和排斥力之间的变化。
21、 含有根据权利要求1到15中的任何一项所述的磁系统(10)的装 置，其应用于一项或多项下述应用当中- 用于分子诊断的生物传感器- 对诸如血液或唾液等复合生物混合物中的蛋白质和核酸进行快速、灵敏检测_用于化学、药品或分子生物学的高吞吐量筛选装置- 例如，用于犯罪学中的DNA或蛋白质的测试装置、用于(医院中 的)现场测试的测试装置以及用于集中式实验室或科学研究中的诊断的测 试装置- 用于心脏病学、传染病和肿瘤学中的DNA或蛋白质诊断、食品和 环境诊断的工具- 用于组合化学的工具- 分析设备- 采用光学检测的生物传感器- 采用压电效应的，尤其是具有由受到照射时产生热量的颗粒导致 的电荷的生物传感器。
全文摘要
本发明涉及一种磁系统，尤其是与生物传感器结合使用的磁系统。其目的在于开发出一种用于生物传感器的磁系统，所述生物传感器能够在接近所述传感器表面处在吸引力和排斥力之间切换。所述布局具有用于生物传感器的磁系统，其具有至少一个磁源和与磁场通过某种方式对应的传感器或传感器表面，其中，所述磁源形成非均匀磁场线，所述磁场线导致朝向所述磁系统的磁力，并且随后或者紧接着施加背离所述磁系统的方向的磁力，其中，所有的磁力都是由相同的所述磁装置源生成的。
文档编号G01N35/00GK101553730SQ200780016987
公开日2009年10月7日 申请日期2007年5月8日 优先权日2006年5月10日
发明者M·W·J·普林斯, P·J·W·范兰卡威尔特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司