專利名稱：快速磁生物傳感器的制作方法
快速磁生物傳感器
本發(fā)明涉及利用磁性顆粒檢測和/或量化樣品中的分子的系統(tǒng)、設(shè)備和
方法，包括用于這種系統(tǒng)的一次性筒狀物(cartridge),還涉及用于移動這 種磁性顆粒的系統(tǒng)和方法。
在生物測定和生物傳感器中使用磁性顆粒具有若干吸引人的方面。利 用磁場可以攪動帶有分析物的磁性顆粒，這縮短了探針和分析物之間的反 應(yīng)時間?？梢允褂么艌鰪奶结樔コ翘禺愋越Y(jié)合的分析物，以便在反應(yīng)室 的一部分中聚集磁性顆粒，或者將顆粒移入和/或移出反應(yīng)室?？梢詫⒋判?顆粒自身的磁性能用于檢測目的。
垂直于傳感器表面施加通常使用的磁場梯度類型，以便將顆粒移至傳 感器表面或從傳感器表面移出顆粒。還曾施加錐形場以將顆粒集中到一個 特定點上，例如，顯微鏡的目鏡上。使用環(huán)形或隨機磁場來產(chǎn)生攪動效應(yīng)。 在US5445971、 US6548311、 US6180418， Perrin等人(1999) J. Immun. Meth. 224，第77-87頁；Luxton等人(2004) Anal. Chem. 76，第1715-1719頁； 以及Ferreira等人(2005) Appl. Phys. Lett. 87， 013901中描述了其范例。
盡管如此，仍然非常希望有能夠以更快更高效的方式執(zhí)行不同測定步 驟的設(shè)備，尤其是在高吞吐量篩選和位點分析的情況下。
本發(fā)明的目的是提供利用磁性顆粒檢測和/或量化樣品中的分子的可選 或改進(jìn)的系統(tǒng)和方法以及用于這種系統(tǒng)的一次性筒狀物和用于移動這種磁 性顆粒的系統(tǒng)和方法。
在一個方面中，本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，其包括具有傳感器表面和所述 傳感器表面之外的至少一個區(qū)域的反應(yīng)室，并且還包括至少一個用于產(chǎn)生 一個或多個磁場的裝置，其中，設(shè)置所述至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁 場的裝置，使得所述磁場之一具有有著平行于所述傳感器表面的分量的梯 度，且跨越所述傳感器表面和所述至少一個傳感器表面之外的區(qū)域。此外，所述磁場之一可以具有有著垂直于所述傳感器表面的分量的梯 度，其中，所述垂直分量從所述反應(yīng)室指向所述傳感器表面。在該系統(tǒng)中， 可以將磁場設(shè)置成在傳感器表面上方橫向地，即沿著表面將磁性顆粒移動 到傳感器表面之外的第一區(qū)域。在該系統(tǒng)中，磁場可以在傳感器表面上方 橫向地將磁性顆粒從傳感器表面之外的第一區(qū)域移動到傳感器表面之外的 第二區(qū)域。
可以僅沿著一個方向施加磁場，由此在該磁場下顆粒同樣沿一個方向 移動。最簡單的形式是磁場被施加一次。
任選地，可以通過使磁場的施加與(例如)流體流動交替進(jìn)行來重復(fù) 該過程，所述流體流動將磁性顆粒重定向到它們的最初位置，即，顆粒沿 兩個方向移動或流動， 一個方向是另一個方向的反方向。在這種情況下， 磁場被施加一次，隨后是顆粒的流動?；蛘?，可以以這種方式反轉(zhuǎn)和/或循 環(huán)磁場以來回移動顆粒。
通過反轉(zhuǎn)磁場或?qū)⒋艌雠c其他力組合，如上所述的傳感器表面之外的 第一和第二區(qū)域是相同的。
可以提供一種系統(tǒng)，其中在傳感器表面之外的區(qū)域上提供用于施加磁 性顆粒的專用區(qū)域。當(dāng)在傳感器表面的同一平面中施加這些顆粒時，不需 要垂直地將磁性顆粒吸引到傳感器表面的磁場。由此，可以設(shè)計這樣的系 統(tǒng)，其中，不存在適于將顆粒吸引到傳感器表面或傳感器表面之外的區(qū)域
(6)的磁場發(fā)生器，例如載流導(dǎo)體。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括用于將所述磁性顆粒引入到反應(yīng)室中的進(jìn)口裝 置(inletmeans)。
在特定實施例中， 一個或多個用于產(chǎn)生磁場的裝置包括位于傳感器表 面相對側(cè)上的兩個磁體。在任何根據(jù)本發(fā)明的這種系統(tǒng)中，可以在給定時 間段中施加磁場，其中，磁性顆粒的遷移距離大于通過布朗運動所獲得的 距離。
在特定實施例中，所述至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁場的裝置為磁 體，所述磁體產(chǎn)生具有較小面內(nèi)分量的面外場且位于所述傳感器表面下方。 所述系統(tǒng)的傳感器表面可以包括分析物特異性探針或分析物類似物。 位于傳感器表面之外的兩個區(qū)域之間的傳感器表面的尺寸可以至少為10、 20、 30、 50或IOO微米。
可以附著到傳感器表面的分析物特異性探針可以是任何適當(dāng)?shù)奶结槪?寡核苷酸、抗體或其片段、凝集素、藥用化合物、肽或蛋白質(zhì)僅是其范例。
該系統(tǒng)還可以包括用于檢測傳感器表面上的至少一個磁性顆粒的磁性 能的磁性顆粒檢測裝置。所述磁性顆粒檢測裝置可以檢測來自所述至少一 個顆粒的磁場或檢測在受到磁性檢測場作用時所述至少一個顆粒的可磁化 性。其范例為磁電阻傳感器或霍爾傳感器。
本發(fā)明的另一方面涉及一種一次性筒狀物，其包括反應(yīng)室、具有分析 物特異性探針或分析物類似物的傳感器表面，所述反應(yīng)室包括傳感器表面 之外的至少一個區(qū)域和至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁場的裝置。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于量化和/或檢測分析物的方法，其包括
如下步驟
a) 向具有表面?zhèn)鞲衅骱退鰝鞲衅鞅砻嬷獾膮^(qū)域的反應(yīng)室提供磁性
顆粒(全部或部分磁性顆粒可以在它們的表面上攜帶分析物)，所述表面?zhèn)?感器具有分析物特異性探針，
b) 在所述反應(yīng)室之內(nèi)施加磁場梯度，所述磁場梯度具有平行于所述傳 感器表面的分量，由此所述磁場在所述傳感器表面上橫向地將所述磁性顆 粒移向所述傳感器表面之外的所述區(qū)域，以及
c) 檢測結(jié)合到所述傳感器表面的所述磁性顆粒。
在該方法中，所述磁場梯度在步驟(c)之前反轉(zhuǎn)一次或多次。在這種 實施例中，可以將反轉(zhuǎn)頻率設(shè)置成任何適當(dāng)?shù)闹?，例?.01、 0.05、 0.1、 0.5或lHz。
在可選實施例中，磁場梯度是不反轉(zhuǎn)的。
在本發(fā)明的方法的任何實施例中，可以將一個或多個磁場設(shè)置成在所 述傳感器表面上方橫向地將磁性顆粒從所述傳感器表面之外的第一區(qū)域移 動到所述傳感器表面以及從所述傳感器表面移動到所述傳感器表面之外的 第二區(qū)域。
所述傳感器表面之外的第一區(qū)域和所述傳感器表面之外的第二區(qū)域可 以是相同的。
根據(jù)另一個實施例，所述磁性顆粒是帶標(biāo)記的。可以在反應(yīng)室中的液體基本沒有運動的情況下執(zhí)行本發(fā)明的方法。 本發(fā)明還提供了方法和傳感器系統(tǒng)，其中，合并了在傳感器表面上集 中磁性顆粒的步驟以及進(jìn)行沖洗以去除未結(jié)合的磁性顆粒和非特異性結(jié)合 顆粒的步驟，所述磁性顆粒包括諸如配體或生物活性分子的分析物。優(yōu)點 是顯著減少了測定時間。
本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的優(yōu)點是需要使用最少的試劑。 本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的另一優(yōu)點是它們不一定需要水平的傳感 器表面，在對所涉及的設(shè)備或?qū)嶒炇疫M(jìn)行空間管理時這可能是令人關(guān)注的。 本發(fā)明公開了一種適于使用磁性顆粒的傳感系統(tǒng)(其中，全部或部分 磁性顆?？梢栽谒鼈兊谋砻嫔蠑y帶分析物)，其包括具有探針的生化活性傳 感器表面、用于產(chǎn)生磁場的裝置，該磁場誘發(fā)顆粒在傳感器表面上方移動，
其中，相對于傳感器的表面，所誘發(fā)的磁性顆粒的橫向移動距離(0大于
傳感器表面的寬度，并且(ii)大于沒有磁場時擴散遷移的距離。該系統(tǒng)的 反應(yīng)室包含流體介質(zhì)，在所述流體介質(zhì)中，磁性顆粒移動，在特異性結(jié)合 時可以結(jié)合到傳感器表面上的探針，并且在非特異性結(jié)合時可以從傳感器 表面上的探針脫離開。
本發(fā)明允許設(shè)計出用于檢測樣品中的分析物的改進(jìn)方法和設(shè)備。
以下附圖以示意性的方式示出了本發(fā)明的實施例。


圖1示出利用一個磁體的磁傳感器的示意圖，(MP:磁性顆粒)，箭頭 表示磁性顆粒的橫向運動；
圖2示出利用兩個磁體的磁傳感器的示意圖，(MP:磁性顆粒)，箭頭 表示磁性顆粒的橫向運動；
圖3示出在涂敷有抗原的傳感器表面(灰色部分)上方的未涂敷磁性 顆粒(白色圓)和涂敷有抗體的磁性顆粒(黑色圓)向磁體(M)的磁運動；
圖4示出在涂敷有嗎啡的傳感器表面上方的具有抗嗎啡抗體的磁性顆 粒的磁運動；
圖5示出用于在傳感器表面上方橫向移動磁性顆粒的方法的流程圖。 將針對具體實施例并參照一些附圖來描述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于此，而是僅受權(quán)利要求書的限制。權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為限 制范圍。描述的附圖僅為示意性的，而非限制性的。在附圖中，出于例示 的目的，可以放大一些元件的尺寸，并非按照比例繪制。
在本說明書和權(quán)利要求書中使用"包括" 一詞時，并不排除包括其他 元件或步驟。在提及單數(shù)名詞而使用不定冠詞或定冠詞例如"一"、"該" 時，除非特別指出另外某物，否則其包括多個該名詞。
此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語第一、第二、第三等用于區(qū)分類 似元件，未必用于描述相繼或時間上的次序。要理解的是，在適當(dāng)環(huán)境下 如此使用的術(shù)語是可以互換的，本文所述的本發(fā)明實施例可以按不同于本 文所述或所示的順序工作。
給出本文所用的術(shù)語或定義僅僅用以幫助理解本發(fā)明。
定義
本文所用的術(shù)語"分析物"是指樣品中的化合物，希望對所述化合物 是否存在和/或其濃度進(jìn)行檢測。
本文所用的術(shù)語"分析物特異性探針"是指能夠與分析物結(jié)合的化合物。
本文所用的術(shù)語"反應(yīng)室"是指設(shè)備或筒狀物之內(nèi)的區(qū)域，其中參與 反應(yīng)的不同試劑彼此接觸。
本文所用的術(shù)語"傳感器表面"是指反應(yīng)室的一部分，其適于結(jié)合探 針，例如分析物特異性探針。通常，它還是發(fā)生最重要的敏感檢測的區(qū)域。
本文所用的術(shù)語"傳感器表面之外的區(qū)域"是指設(shè)備或筒狀物的反應(yīng) 室之內(nèi)的區(qū)域，其緊鄰傳感器表面或在傳感器表面周圍且與傳感器表面處 于相同的平面中。
本文所用的術(shù)語"基本平行"是指顆粒的移動或者磁場或磁場梯度。 由于磁性顆粒的移動是由磁場梯度決定的，因此在流動和磁場梯度取向之
間常常有一種關(guān)系。對于流動而言，該術(shù)語是指對應(yīng)于小于45°、或小于 20°、小于10°或小于5°的角度的取向。對于磁場或磁場梯度而言，該術(shù)語 一般僅涉及相對于傳感器表面取向?qū)?yīng)于小于45°、或小于20°、小于10° 或小于5°的角度的場或梯度的分量。盡管有上述說明，磁場矢量，例如磁場梯度可以與襯底或傳感器表面形成其他角度，例如大于45°，如85。或更 大。
典型地，在利用磁性顆粒的檢測和/或定量方法和系統(tǒng)中，為磁性顆粒 提供分析物(或包括分析物的樣品)或探針，并且基于分別與能結(jié)合到表 面的探針或分析物的反應(yīng)進(jìn)行檢測。在本發(fā)明提供的方法和系統(tǒng)中，根據(jù) 一個或多個磁場的施加，磁性顆粒移動通過反應(yīng)室，所述磁性顆粒的移動 基本平行于設(shè)置在反應(yīng)室之內(nèi)的傳感器表面。
由磁場中顆粒的勢能梯度給出磁場施加在磁性顆粒上的力?？梢酝ㄟ^ 對磁化強度和場進(jìn)行積分來計算磁勢能(例如參見J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, John Wiley Sons, Inc. 1999)。結(jié)果，磁性顆粒上的力與磁 場的梯度有關(guān)。換言之，磁性顆粒具有從磁場強度較低的區(qū)域向磁場強度 較高的區(qū)域移動的趨向。提供具有梯度的磁場，該梯度基本平行于傳感器 表面或至少具有平行于傳感器表面的分量，這樣允許磁性顆粒從緊鄰傳感 器表面的區(qū)域或從位于傳感器表面之內(nèi)的區(qū)域橫跨傳感器表面移動，從而 使得存在于磁性顆粒上的分子能與存在于傳感器表面上的分子相結(jié)合。通 常通過最大梯度分量平行于傳感器表面的磁場獲得顆粒的橫向運動。然而， 只要具有平行于傳感器表面的分量，就可以使用與垂直于傳感器表面不同 的任何磁場梯度。此外，基本平行于傳感器表面或至少具有平行于傳感器 表面的分量的同一或另一磁場梯度確保去除未結(jié)合到傳感器表面或非特異 性結(jié)合到傳感器表面的顆粒。通過這種方式， 一個或多個磁場確保并加快 了接觸和沖洗步驟以及最小化試劑的使用。
或者，可以產(chǎn)生這樣的場，其也具有垂直于傳感器表面的梯度分量， 并且其中所述分量從反應(yīng)室(2)指向傳感器表面(5)。該分量使磁性顆粒 保持靠近傳感器表面且增大了傳感器表面暴露于磁性顆粒的程度。同時， 例如通過優(yōu)化包括傳感器表面涂層、顆粒涂層、流體成分的性質(zhì)以及通過 限制垂直磁力的大小可以避免顆粒非特異性粘附到傳感器表面。除這種垂 直磁力之外或作為替代，可以提供其他手段以將磁性顆粒保持到傳感器表 面上或使其到達(dá)傳感器表面，例如減小反應(yīng)室在傳感器表面處的尺寸，或 提供諸如流體流動或者聲學(xué)或超聲流體激勵的其他力。在第一方面中，本 發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其包括具有傳感器表面和該傳感器表面之外的至少一個區(qū)域的反應(yīng)室，并且還包括一個或多個用于施加一個或多個磁場的裝 置，設(shè)置該裝置使得由磁場誘發(fā)的顆粒流動基本平行于傳感器表面并跨越 傳感器表面和該傳感器表面之外的一個或多個區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)使用一個或多個磁場，每個所述磁場是由一個或 多個磁場產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的。在本發(fā)明的背景下可以想到不同類型的磁場產(chǎn) 生裝置，例如永磁體、電磁體、線圈和/或線。顆粒上的磁力強度應(yīng)該使得 所誘發(fā)的移動距離大于無磁場時所移動的距離，即，磁力與平移布朗運動 相比應(yīng)當(dāng)占支配地位。更具體地，由磁場產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的磁場確保磁場產(chǎn) 生裝置的磁性顆粒的移動距離(在激勵時)大于傳感器表面的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明，由一個或多個磁場產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的磁場可以是恒定的、 脈沖的或可以在強度上變化。此外，在產(chǎn)生一個以上的磁場的情況下，它 們的精確取向可以是固定的或可以變化，只要場梯度基本平行于檢測表面 或至少具有平行于傳感器表面的分量。
根據(jù)一個實施例，本發(fā)明的系統(tǒng)包含用于產(chǎn)生磁場的一個單獨裝置。 在圖1中示出了其范例。為了能從傳感器表面去除磁性顆粒，設(shè)置磁場產(chǎn) 生裝置，使得磁場梯度跨越整個傳感器表面并跨越傳感器表面之外的至少 一個區(qū)域。根據(jù)可選實施例，將磁場產(chǎn)生裝置設(shè)置在傳感器場的軸下方， 通常恰好位于包括傳感器表面的反應(yīng)室的平面下方。在這些實施例中，所 產(chǎn)生的磁場梯度具有平行于傳感器表面的分量以及垂直于傳感器表面的分 量。平行分量在傳感器表面上方拖動磁性顆粒。磁場產(chǎn)生裝置可以或者是 固定的，同時跨越其場內(nèi)的傳感器表面和傳感器表面之外的區(qū)域，或者是 可移動的，依次在傳感器表面和傳感器表面之外的區(qū)域上移動磁場。通過 固定磁體并相對于其移動反應(yīng)室可以實現(xiàn)同樣的效果。
根據(jù)具體實施例，磁場產(chǎn)生裝置為電磁體。這使得可以避免機械移動
所述設(shè)備中的部件?；蛘?，可以設(shè)置永磁體以移向反應(yīng)室并從反應(yīng)室移開。 根據(jù)具體實施例，磁場產(chǎn)生裝置設(shè)置在傳感器表面下方，并產(chǎn)生基本
在面外的場，其具有較小的面內(nèi)分量。
根據(jù)另一實施例，本發(fā)明的系統(tǒng)利用一個以上的用于產(chǎn)生磁場的磁場
產(chǎn)生裝置。在圖2中示出了具有兩個磁場產(chǎn)生裝置(3)和(3')的系統(tǒng)的 非限制性實施例。在該所示的實施例中，所述設(shè)備包括反應(yīng)室，該反應(yīng)室具有傳感器表面以及傳感器表面之外的第一區(qū)域(6)和第二區(qū)域(6')。交 替激勵兩個磁體能夠在傳感器表面上方從傳感器表面之外的第一區(qū)域(6) 到傳感器表面之外的第二區(qū)域(6')來回移動磁性顆粒?；蛘?，磁場產(chǎn)生裝 置的磁場跨越傳感器表面和傳感器表面之外的一個區(qū)域，并且可以在傳感 器表面和兩個磁場產(chǎn)生裝置之間來回移動磁性顆粒。在可選實施例中，將 置于傳感器表面下方的產(chǎn)生面外場的磁場產(chǎn)生裝置與置于傳感器表面的平 面內(nèi)的用于產(chǎn)生面內(nèi)場的磁體組合。
本發(fā)明的另一方面提供了一種系統(tǒng)，其包括具有傳感器表面和傳感器 表面之外的至少一個區(qū)域的反應(yīng)室，并且將磁場產(chǎn)生裝置設(shè)置成使得它們 能夠根據(jù)測定步驟產(chǎn)生不同強度和/或取向的磁場。本發(fā)明這一方面的具體 實施例提供了一種系統(tǒng)，其中，所述磁場產(chǎn)生裝置確保用于接觸步驟(向 傳感器表面和/或橫跨傳感器表面移動顆粒)的第一磁場和用于沖洗步驟(從 傳感器表面去除未結(jié)合顆粒)的第二更強的磁場。根據(jù)一個實施例，本發(fā) 明的設(shè)備包括傳感器表面之外的第一區(qū)域和第二區(qū)域以及一個磁場產(chǎn)生裝 置和第二磁場產(chǎn)生裝置，設(shè)置所述磁場產(chǎn)生裝置使得在傳感器表面之外的 第一區(qū)域和傳感器表面之間產(chǎn)生磁場，設(shè)置所述第二磁場產(chǎn)生裝置使得在 傳感器表面和傳感器表面之外的第二區(qū)域之間產(chǎn)生磁場。在另一個實施例 中，設(shè)置兩個磁場產(chǎn)生裝置，使得它們各自的磁場梯度在傳感器表面之外 的區(qū)域和傳感器表面之間沿相反的方向取向，所述磁場產(chǎn)生裝置的交替工 作允許相對于傳感器表面的來回移動(如上所述)。
根據(jù)具體實施例，也可以將第二磁場用于進(jìn)行磁控方式的試劑釋放。 例如，通過在暴露于樣品流體之前或之后的集中磁場而在反應(yīng)室中的某一 位置集中磁性顆粒。在受控時間，關(guān)閉集中磁場，接入在傳感器表面上方 產(chǎn)生磁性顆粒的橫向遷移的磁場。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種系統(tǒng)，其確保在至少具有平行于傳感器表面 的分量的磁場梯度中磁性顆粒的移動基本平行于傳感器表面。然而仍能想 到可以將本發(fā)明的磁場與其他用于移動/固定磁性顆粒的力組合。在這一背 景下可以想到的其他力的范例為其他(非平行)磁場、電場、聲學(xué)力、流 體動力、重力等。由此，根據(jù)一個實施例，本發(fā)明的設(shè)備包括磁場產(chǎn)生裝 置，其除了基本平行于傳感器表面、允許顆粒在傳感器表面上方橫向移動的磁場梯度之外，還產(chǎn)生使磁性顆粒垂直于傳感器表面移動的磁場，所述 垂直移動可以與橫向移動交替進(jìn)行。在通過攪動來去除未結(jié)合或非特異性 結(jié)合的磁性顆?；蛘吒纳婆c傳感器表面的結(jié)合的情況下，這一點會令人感
興趣。在US 5445971、US 6548311 、US 6180418，Perrin等人(1999),J. Immun. Meth. 224，第77-87頁；Luxton等人(2004) Anal. Chem. 76，第1715-1719 頁；以及Ferreira等人(2005) Appl. Phys Lett. 87， 013901中描述了在攪動 的情況下使用磁場的范例。通常，在本發(fā)明的檢測和/或量化設(shè)備中，將傳 感器表面設(shè)置在反應(yīng)室的水平底面上。由此，基本平行于傳感器表面的(一 個或多個)磁場梯度也是水平的。然而可以想到反應(yīng)室的底部和傳感器表 面是傾斜的，或者該系統(tǒng)中的傳感器表面位于反應(yīng)室的垂直壁上。在這種 構(gòu)造中，可以結(jié)合磁場上的重力使用一個或多個磁場產(chǎn)生裝置。根據(jù)具體 實施例，提供了一種系統(tǒng)，其包括位于反應(yīng)室的垂直壁上的傳感器表面和 可以開關(guān)的一個磁場產(chǎn)生裝置。在接通磁場產(chǎn)生裝置時，在傳感器表面上 方磁性顆粒被磁場產(chǎn)生裝置向上拉，從而實現(xiàn)磁性顆粒與傳感器表面的特 異性結(jié)合。通過關(guān)閉磁體，特異性結(jié)合的磁性顆粒將保持結(jié)合到垂直表面 上，而非特異性結(jié)合的顆粒被重力向下拉。在包括傳感器表面的反應(yīng)室的 壁傾斜的情況下，可以實現(xiàn)類似的效果。與磁性顆粒上的重力(在沒有磁 場的情況下)的結(jié)合能夠使步驟之一 (例如接觸步驟)較不嚴(yán)格。例如， 在傳感器表面傾斜且可以在斜面的頂端施加磁性顆粒時，顆粒將因重力而 在傳感器表面上滾動或滑動。然后可以利用磁場產(chǎn)生裝置進(jìn)一步下拉顆粒 或使其返回斜面上。這樣將能夠去除非特異性結(jié)合的顆粒。作為小重力的 替代方案，也可以通過液體流動或聲學(xué)或超聲流體激勵操縱顆粒，產(chǎn)生對 顆粒的流體動力剪切力并去除非特異性結(jié)合的顆粒。
利用例如本領(lǐng)域公知的磁場產(chǎn)生裝置，可以有不同的方法來實現(xiàn)磁性 顆粒與傳感器表面上的探針的最大相互作用。根據(jù)一個實施例，施加磁場， 使得磁性顆粒在磁性表面上滑動或滾動。另外或可選地，使用能夠接通和 斷開的磁場產(chǎn)生裝置。在具體實施例中，提供可以反轉(zhuǎn)一次或多次的一個 或多個磁場產(chǎn)生裝置。通過利用這些特征中的一個或多個，可以提高利用 本發(fā)明的設(shè)備所執(zhí)行的測定的靈敏度。例如，通過操縱磁場產(chǎn)生裝置，使 得可以確保顆粒能夠在傳感器表面上方前后通過一次或多次，這增大了磁性顆粒結(jié)合到傳感器表面的機會。還可以減小傳感器表面附近的反應(yīng)室的 尺寸，以改善磁性顆粒與傳感器表面的結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明，提供了允許磁性顆粒較快地移向傳感器表面并從傳感器 表面較快地移開的系統(tǒng)。傳感器表面通常是特異性衍生化表面，分子尤其 是探針可以結(jié)合到該表面上。適當(dāng)?shù)谋砻娣独úＡ?、金屬、塑料、?機晶體或無機晶體(例如硅)、非晶有機材料或非晶無機材料(例如氮化硅、 氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁)。適當(dāng)?shù)谋砻娌牧虾玩I合化學(xué)是本領(lǐng)域的技術(shù)
人員公知的，例如在American Chemical Society, 1994 Symposium Book Series 556， Washington DC， USA, 1994， A. M. Usmani和N. Akmal的文 章"Diagnostic Biosensor Polymers"中、在Y. Lvov禾卩H. Mhwald編輯的 "Protein Architecture, Interfacing Molecular Assemblies and Immobilization Biotechnology " (Marcel Dekker， New York 2000)中、在David Wild的"The Immunoassay Handbook" (Nature Publishing Group, London, 2001， ISBN 1-56159-270-6)或Kress隱Rogers的"Handbook of Biosensors and Electronic Noses, Medicine, Food and the Environment" (ISBN 0-8493-8905-4)中對此 進(jìn)行了描述。在Angenendt等人(2002) Anal Biochem. 309，第253-260頁 中披露了用于將蛋白質(zhì)偶合到有涂層和無涂層的塑料的支架和玻璃支架。 DufVa (2005)在Biomol Eng 22，第173-184頁中回顧了附著寡核苷酸的方 法和影響該過程的因素。
本發(fā)明一般是在平坦的傳感器表面(例如平坦的玻璃生物芯片)上執(zhí) 行，但也可以在流通式系統(tǒng)(例如，主要由多孔氧化鋁、多孔硅或含微粒 的多孔柱制成的流通式傳感器)中執(zhí)行。
通常，在修改傳感器表面以將探針或分析物結(jié)合到其上的情況下，傳 感器表面之外的區(qū)域為未被如此修改的表面?；蛘?，傳感器表面與傳感器 表面之外的區(qū)域的不同之處僅在于沒有分子結(jié)合到反應(yīng)室表面的該區(qū)域。
在下文中論述本發(fā)明系統(tǒng)的其他方面。本發(fā)明的系統(tǒng)通常包括一個或 多個用于將樣品、磁性顆?；蛟噭┮氲椒磻?yīng)室中的進(jìn)口裝置(inlet means ) 以及任選的用于從反應(yīng)室中去除試劑、反應(yīng)廢物和(任選的)磁性顆粒的 出口裝置(outletmeans)?？梢匀芜x地將這些偶合到包括每種試劑的源。根 據(jù)一個實施例，用于樣品和/或磁性顆粒的進(jìn)口裝置將樣品和/或磁性顆粒引導(dǎo)到傳感器表面之外的區(qū)域或直接引導(dǎo)到傳感器表面。另外或可選地，提 供一個或多個進(jìn)口和出口裝置，以便確保在反應(yīng)室中直接提供樣品和/或磁 性顆粒和/或其他試劑或緩沖劑?？梢詫⒉煌倪M(jìn)口和/或出口裝置連接到諸 如閥和管路的連接裝置，可以由泵驅(qū)動所述連接裝置。
如上文詳細(xì)所述，本發(fā)明的設(shè)備在反應(yīng)室之內(nèi)包括傳感器表面之外的 一個或多個區(qū)域?？梢允褂眠@一/這些區(qū)域在測定開始時收集顆?；蛟趫?zhí)行 "沖洗"步驟時收集未結(jié)合的顆粒。例如，除傳感器表面之外，在本發(fā)明 的設(shè)備中產(chǎn)生的磁場還可以跨越傳感器表面之外的一個或多個區(qū)域。該磁 場可以使得未結(jié)合的顆粒從傳感器表面之外被拉回并進(jìn)入到傳感器表面之 外的區(qū)域中。在一些實施例中，結(jié)合和未結(jié)合磁性顆粒之間的物理分離允 許檢測兩個餾分，從而對該方法提供額外的控制。
如上所述，將本發(fā)明的設(shè)備設(shè)想成包含傳感器表面之外的一個或多個 區(qū)域。在一個實施例中，反應(yīng)室包括傳感器表面之外的至少一個區(qū)域，其 適于在測定之前例如通過存在凹痕或小裂縫或通過存在可控磁場產(chǎn)生裝置 來收集磁性顆粒。還可以在傳感器表面之內(nèi)提供這種專用區(qū)域。
根據(jù)一個實施例，反應(yīng)室包括在測定之前顆粒所駐留的傳感器表面之 外的第一區(qū)域和未結(jié)合顆粒移動到其上的傳感器表面之外的第二區(qū)域(這
些區(qū)域例如在圖1所示的反應(yīng)室的相對位置上)。在其他實施例中，如圖2 所示，從傳感器表面之外的區(qū)域到傳感器表面來回移動磁性顆粒。任選地, 在檢測步驟之前可以來回移動磁性顆粒若干次。
本發(fā)明的系統(tǒng)要么還包括檢測裝置要么與檢測裝置結(jié)合使用，該檢測 裝置能夠檢測磁性顆粒與傳感器表面的結(jié)合?？梢酝ㄟ^各種手段，基于磁 性顆粒本身的特性或利用標(biāo)記來進(jìn)行傳感器表面上的結(jié)合磁性顆粒的檢 測。該標(biāo)記可以附著到磁性顆粒上，或者可以結(jié)合到分析物上或并入到分 析物中。
因此，存在于本發(fā)明的系統(tǒng)中的檢測裝置或與本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)合使用 的檢測裝置是能夠檢測相關(guān)信號的檢測裝置，所述相關(guān)信號例如為但不限 于磁信號、磁電阻、霍爾效應(yīng)、光信號(反射、吸收、散射、熒光、化學(xué) 發(fā)光、拉曼等)、聲信號(石英晶體微量天平(QCM)、表面聲波(SAW)、 體聲波(BAW)等)。這些信號可以由脂質(zhì)體、膠束、泡沫、微泡沫、微球體、涂有脂質(zhì)或聚合物的泡沫、微泡沫和/或微球體、微球、氣凝膠、結(jié)合 包合物的小泡等。這種小泡可以填充有液體、氣體、氣體前體和/或固體或 溶質(zhì)材料。
在本發(fā)明的背景下有用的典型標(biāo)記為在體外測定中通常使用的那些標(biāo) 記，所述標(biāo)記例如為但不限于發(fā)色團、放射性標(biāo)記、電致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、 磷光、熒光或反射標(biāo)記。
本發(fā)明中使用的磁性顆?？梢允峭耆珶o機的或可以是無機和有機材料 (例如聚合物)的混合物。因此，標(biāo)記可以通過無機或通過有機成分附著 在顆粒外部或可以結(jié)合到顆粒中。
磁性顆粒廣泛應(yīng)用于生物分析中，例如，用于高吞吐量臨床免疫測定
儀器、樣品純化、細(xì)胞提取等。幾家診斷公司(Roche、 Bayer、 Johnson& Johnson、 Abbott、 BioMerieux等)制造和銷售具有磁性顆粒的試劑，例如 用于免疫測定、核酸提取和樣品純化。市場上可以買到具有在納米到微米 范圍內(nèi)的各種尺寸的磁性顆粒。為了將本發(fā)明的顆粒附著或結(jié)合到生物活 性分子，所述顆?？梢詳y帶官能團，例如羥基、羧基、醛基或氨基。通常 可以例如通過處理無涂層的單分散性超順磁顆粒以提供攜帶這種官能團之 一的聚合物的表面涂層，例如聚氨酯帶有提供羥基的聚乙二醇、或者帶有 提供羥基的纖維素衍生物、帶有提供羧基的丙烯酸或甲基丙烯酸的聚合物 或共聚物、或者帶有提供氨基的氨垸基化聚合物，從而提供這些顆粒。美 國專利4654267描述了很多這種表面涂層的介紹?？梢愿鶕?jù)美國專利 4336173、 4459378和4654267通過顆粒的改性來制備其他有涂層的顆粒。 例如，利用HN03處理由苯乙烯-二乙烯基苯制備的直徑為3.15pm的大孔型 多孔聚合物顆粒，以在孔的表面引入-N02基。然后將顆粒分散在Fe的水溶 液中。F^+被N02基氧化，這導(dǎo)致在孔內(nèi)沉積不溶的鐵氧羥基化合物。加熱 之后，在多孔顆粒的整個體積中鐵作為細(xì)微分開的磁性氧化鐵晶粒而存在。 通過與Fe的反應(yīng)將N02基還原成NH2基。為了填滿孔并在表面處引入期望 的官能團，在孔中和在表面處使不同的單體發(fā)生聚合。對于優(yōu)選類型的顆 粒而言，表面攜帶著通過(CH2CH20) 8-10鍵連接到聚合主鏈的-OH基。 其他優(yōu)選的攜帶通過甲基丙烯酸的聚合獲得的-COOH基。例如，如美國專 利4654267所述，最初存在于顆粒中的NH2基可以與雙環(huán)氧化物反應(yīng)，隨后與甲基丙烯酸反應(yīng)，以提供端乙烯基。與甲基丙烯酸的溶液共聚合作用 產(chǎn)生出攜帶端羧基的聚合涂層。類似地，可以通過使二胺與雙環(huán)氧化物反 應(yīng)的上述產(chǎn)物反應(yīng)來引入氨基，而與諸如氨基甘油的羥胺反應(yīng)引入了羥基。 生物活性分子偶合到顆?？梢允遣豢赡娴模部梢岳眠B接劑分子 進(jìn)行顆粒和生物活性分子之間的交聯(lián)而使其成為可逆的。這種連接劑的范 例包括具有特定蛋白水解識別位點的肽、具有針對特定限制酶的識別位點 的寡核苷酸序列、或化學(xué)可逆交聯(lián)基團，如包括可還原二硫化物基團的基
團。從Pierce Biotechnology Inc. (Rockford， IL， USA)可以獲得各種可逆交 聯(lián)基團。
根據(jù)具體實施例，將檢測單元的傳感器集成到反應(yīng)室中(例如集成磁 電阻傳感器)，可以將所述反應(yīng)室作為一次性筒狀物來提供。或者，將傳感 器作為與反應(yīng)室的分離部件(例如光學(xué)單元)來提供。在該實施例中，反 應(yīng)室任選地包括檢測窗口，該檢測窗口允許檢測結(jié)合到傳感器表面的磁性 顆粒和/或標(biāo)記的信號。當(dāng)然，檢測窗口的位置由傳感器表面和檢測裝置的 位置決定。最特別地，檢測窗口與傳感器表面相對。或者，將反應(yīng)室的傳 感器表面設(shè)置在檢測窗口上。在基于磁場或光學(xué)方法進(jìn)行檢測的情況下， 反應(yīng)室的材料可以使得提供特定的檢測窗口是多余的。另外或可選地，本 發(fā)明的系統(tǒng)提供了對傳感器表面之外的區(qū)域中的磁性顆粒的檢測。在控制 或驗證測量(見下文)的情況下，或在檢測方法是基于檢測表面處的競爭 性結(jié)合的情況下，這一點可以令人感興趣。由此，在適當(dāng)?shù)那闆r下，為本 發(fā)明的系統(tǒng)提供額外的檢測窗口和/或額外的檢測裝置或能夠同時或依次檢 測傳感器表面上和反應(yīng)室在傳感器表面之外的區(qū)域中的信號的裝置。
通常，本發(fā)明的系統(tǒng)為單室(生物)傳感器，使用的試劑量低，所需 的樣品體積小。可以利用最少的設(shè)備、沖洗步驟和緩沖劑來操作根據(jù)本發(fā) 明的(生物)傳感器。
本發(fā)明的另一方面提供了任選為一次性筒狀物，該筒狀物包括具有傳 感器表面和傳感器表面之外的至少一個區(qū)域的反應(yīng)室。該一次性筒狀物還 可以包括集成在其中的磁性顆?；蚩梢詥为毺峁┻@些磁性顆粒。筒狀物的 材料使得能夠在其中產(chǎn)生磁場。例如，筒狀物由玻璃或合成材料制成，合 成材料例如為有機玻璃[聚甲基丙烯酸(甲)脂]或透明的PVC (聚氯乙烯)或PC (聚碳酸酯)或COP (例如Zeonex)或PS (聚苯乙烯)。
筒狀物還可以包括至少一個磁場產(chǎn)生裝置或其一部分，可以在產(chǎn)生磁 場梯度時使用它，所述磁場梯度基本平行于反應(yīng)室內(nèi)的檢測表面或至少具 有平行于檢測表面的分量。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了使用本發(fā)明的系統(tǒng)和/或筒狀物檢測和/ 或量化分析物的方法。由此，本發(fā)明的方法一般包括在具有檢測表面和檢 測表面之外的區(qū)域的反應(yīng)室內(nèi)提供分析物特異性探針、磁性顆粒和被認(rèn)為 或已知包括分析物的樣品，以及向顆粒施加至少一個磁場梯度，該磁場梯 度基本平行于傳感器表面或至少具有平行于傳感器表面的分量。根據(jù)本發(fā) 明執(zhí)行的方法是迅速、靈敏和魯棒的。
本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于任何分子的檢測，更具體而言，所述分子為 諸如DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)以及有機的合成代謝物或代 謝物的生物分子。包括待檢測的分析物的樣品的性質(zhì)并不關(guān)鍵，而且所述 樣品可以例如為包括活的或死亡的有機體的任何樣品(體液，例如但不限 于血液或尿液、毛發(fā)、糞便等)、環(huán)境樣品(水、土壤、植物材料)、食品 或飼料產(chǎn)品或者在制造食品或詞料時使用的產(chǎn)品、化學(xué)反應(yīng)過程的樣品等。 可以對經(jīng)過預(yù)處理步驟的樣品執(zhí)行檢測，所述預(yù)處理步驟例如為對分析物 的半純化、純化、半純化和/或擴增。根據(jù)具體實施例，分析物為已利用PCR 擴增的單鏈核苷酸序列。
本發(fā)明的方法提供了基于分析物與分析物特異性探針的反應(yīng)/結(jié)合對分 析物進(jìn)行的檢測。典型的特異性相互作用包括DNA/DNA或DNA/RNA結(jié) 合、蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)/DNA和蛋白質(zhì)/碳水化合物相互作用，抗體/抗 原相互作用、受體/配體結(jié)合。還可以使用合成分子來檢測分析物(例如酶 抑制劑、藥用化合物、從文庫篩選離析出來的鉛化合物)。因此，分析物特 異性探針的范例包括但不限于寡核苷酸、抗體、酶底物、受體配體、凝集 素等。所設(shè)想的傳感器表面和分析物相互作用的范例為包括抗體探針或抗 原的傳感器表面，所述抗體探針用于檢測樣品中的抗原，而所述抗原作為 探針附著到傳感器表面用于對樣品中的抗體進(jìn)行檢測。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，所述分析物特異性探針為分析物特異性寡 核苷酸，即包括與對于分析物有特異性的序列互補的序列的寡核苷酸。在本發(fā)明的檢測方法中設(shè)想了不同的測定原理。在一個實施例中，所 用的檢測和/或量化方法為直接檢測方法。例如，存在于樣品中的分析物結(jié) 合到磁性顆粒上，移動所述磁性顆粒使其跨越包括分析物特異性探針的傳 感器表面，并且結(jié)合到傳感器表面的顆粒所產(chǎn)生的信號與結(jié)合到傳感器表 面的磁性顆粒的數(shù)量成正比，進(jìn)而與存在于樣品中的分析物的存在率(和/ 或量)成正比?；蛘撸瑱z測可以基于分析物與傳感器表面的競爭性結(jié)合。 例如，首先通過類似分析物的化合物(弱結(jié)合到傳感器表面)為傳感器表 面提供結(jié)合到傳感器表面上的分析物特異性探針的磁性顆粒，在與分析物 所鍵合的磁性顆粒接觸時，發(fā)生類似分析物的化合物的置換。在對包括類 似分析物的化合物的磁性顆粒進(jìn)行標(biāo)記的情況下，信號與樣品中的分析物 的量成反比?；蛘撸梢栽趥鞲衅鞅砻嬷獾膮^(qū)域中測量未結(jié)合到傳感器 表面的磁性顆粒的信號。在其他實施例中，將分析物的檢測設(shè)想成需要添 加額外的試劑，例如第二抗體、標(biāo)記、底物等。更具體而言，對于具體分 析物(大分子，例如具有至少兩個表位的蛋白質(zhì))，可以設(shè)想用夾心測定。 在夾心測定中，在生物活性傳感器表面上的探針(第一抗體)和具有標(biāo)記 (磁性顆粒)的生物活性分子(第二抗體)之間俘獲("夾持")來自所施 加的樣品流體的感興趣分子(蛋白質(zhì))。盡管感興趣分子為夾在兩個抗體之 間的蛋白質(zhì)，但根據(jù)本發(fā)明的術(shù)語，傳感器表面上的抗體和蛋白質(zhì)用作探 針，帶標(biāo)記的第二抗體用作分析物。在夾心測定的另一個實施例中，根據(jù) 本發(fā)明的術(shù)語，傳感器表面上的抗體用作探針，帶標(biāo)記的第二抗體和蛋白 質(zhì)用作分析物。
由此，如以上在本發(fā)明方法的具體實施例中所述， 一個或多個分析物 特異性探針結(jié)合到傳感器表面，并在磁性顆粒上提供分析物。在該實施例 中，分析物直接(樣品或其預(yù)處理過的部分非特異性吸附到磁性顆粒)或 特異性地(通過利用分析物特異性探針附著到分子表面)結(jié)合到磁性顆粒。
適用于本發(fā)明的方法和設(shè)備的磁性顆粒是技術(shù)人員所公知的。己經(jīng)描
述了具有不同尺寸(10nm到5(im，典型為在50nm和l|im之間)、形狀(球 形、橢球形、棒)、成分(參見本申請前面的部分)和磁性能(磁性、順磁 性、超順磁性、鐵磁性，即永久或暫時地在磁場中具有磁偶極子的任何形 式的磁性)的磁性顆粒。設(shè)想可以在一個反應(yīng)室內(nèi)同時使用不同類型的磁性顆粒，例如具有不同磁性和/或光學(xué)特性的磁性顆粒(磁性顆粒復(fù)用)。
如以上在本申請中所述，可以通過現(xiàn)有技術(shù)中描述的方法完成分析物
或探針附著到磁性顆粒表面的過程。
根據(jù)一個實施例，本發(fā)明提供了用于檢測和/或量化分析物的方法，其
包括如下步驟將包括分析物的樣品與磁性顆粒接觸，并使磁性顆粒在反
應(yīng)室(2)中受磁場的作用，所述反應(yīng)室具有包括分析物特異性探針(8)
的傳感器表面(5)。執(zhí)行使磁性顆粒受磁場作用的步驟，使得磁性顆粒在 傳感器表面(5)上方橫向移動，由此磁性顆粒(7)的移動跨越在傳感器 表面之外的至少一個區(qū)域(6)和傳感器表面之間，并檢測由于磁性顆粒與 傳感器表面的結(jié)合而產(chǎn)生的信號。根據(jù)反應(yīng)室內(nèi)是否存在磁性顆粒，該方 法還可以包括在反應(yīng)室內(nèi)引入磁性顆粒的步驟。通常，首先將磁性顆粒施 加到傳感器表面之外的區(qū)域，并且一個或多個磁場確保顆粒從傳感器表面 之外的第一區(qū)域至傳感器表面的移動以及在傳感器表面(5)的至少一部分 上的橫向移動。或者，以隨機方式將磁性顆粒引入到反應(yīng)室中(例如將分 析物已經(jīng)結(jié)合到其上的磁性顆粒施加到反應(yīng)室中并隨后搖晃)并可以使用 磁力而將磁性顆粒吸引到傳感器表面。在另一個可選實施例中，直接在傳 感器表面上將磁性顆粒引入到反應(yīng)室中。
設(shè)想利用包括結(jié)合到其上的分析物特異性探針的反應(yīng)室來執(zhí)行本發(fā)明 的方法。然而可選地，本發(fā)明的方法還包括在傳感器表面上提供分析物特 異性探針的步驟。根據(jù)傳感器表面的材料的性質(zhì)，分析物特異性探針與傳 感器表面的結(jié)合將需要特定的化學(xué)反應(yīng)和/或阻擋步驟。
在本發(fā)明的方法中，在反應(yīng)室之內(nèi)或之外進(jìn)行分析物與磁性顆粒(7) 的結(jié)合。由此在具體實施例中，反應(yīng)室包括傳感器表面之外的區(qū)域中的磁 性顆粒，并且該方法還包括在傳感器表面之外的同一區(qū)域中將樣品引入到 反應(yīng)室中由此使樣品與磁性顆粒接觸的步驟?；蛘撸景l(fā)明的方法包括使 樣品與反應(yīng)室之外的磁性顆粒接觸并將樣品/分析物已經(jīng)結(jié)合到其上的磁性 顆粒引入反應(yīng)室中的步驟。
根據(jù)具體實施例， 一個或多個磁場還確保了未結(jié)合到傳感器表面的顆
粒移動到傳感器表面之外的第二區(qū)域(6)。任選地，傳感器表面之外的第 一區(qū)域和第二區(qū)域是相同的(即，來回移動)。如上文詳細(xì)所述，可以利用一個磁場來確保磁性顆粒的移動?；蛘?， 本發(fā)明的方法包括產(chǎn)生基本平行于檢測表面或至少具有平行于檢測表面的 分量的不同磁場梯度，以使分析物與傳感器表面接觸(顆粒移向傳感器表 面)并去除未結(jié)合的磁性顆粒(顆粒移開傳感器表面)。此外，在沖洗步驟 的情況下，可以將基本平行的或至少具有平行分量的磁場梯度與例如由磁 力、電力、流體動力、聲學(xué)力或重力產(chǎn)生的其他顆粒移動交替或組合，以 便將磁性顆粒引入到反應(yīng)室中和/或從反應(yīng)室除去顆粒(如以上針對本發(fā)明 的系統(tǒng)所描述的那樣)。
本發(fā)明的方法涉及使樣品與磁性顆粒的接觸以及顆粒在反應(yīng)室內(nèi)的移 動。磁性顆?？梢允橇黧w試劑或干試劑的一部分。除磁性顆粒之外，試劑 例如還可以含有有助于生物相互作用的緩沖鹽、清潔劑、生物分子等。這 些步驟可以在液體中執(zhí)行，所述液體是與所用試劑(即分析物、分析物特 異性探針、標(biāo)記)相容的任何液體，例如標(biāo)準(zhǔn)緩沖劑或經(jīng)最少預(yù)處理的甚 至純的樣品(例如血液或唾液)。為了沖洗的目的可以在反應(yīng)室中引入液體。 還可以施加液體流以提供與磁性顆粒移動相反的流動?？梢岳帽脕硎┘?這種流動，但也可以不用泵而利用電場產(chǎn)生電滲透來施加這種流動。
或者，在檢測表面或任選地在檢測表面之外的區(qū)域利用最少量的液體 執(zhí)行所述方法。為了避免可能干擾結(jié)合或檢測的不相關(guān)樣品成分的分散， 可以在避免這種移動的溶液或基質(zhì)、例如甘油中，或在反應(yīng)室中分解的凝 膠中施加樣品。
在施加磁場時，僅磁性顆粒將會移動，而緩沖劑和樣品中可能會干擾 結(jié)合或檢測(例如痕量的諸如血液或尿液的體液)的其他成分保留在施加 位置處。
液體的存在將會影響移動顆粒所需的磁場強度。例如，清潔的緩沖劑 中的流動阻力比高粘度樣品例如唾液中的流動阻力低。
當(dāng)在遠(yuǎn)離傳感器表面的距離處以小體積供應(yīng)磁性顆粒時，在其中提供 有磁性顆粒的液體和存在于傳感器表面的液體之間將不會發(fā)生由擴散引起 的互換或發(fā)生最小的由擴散引起的互換。
本發(fā)明的方法還包括檢測步驟，該步驟允許檢測和/或量化到達(dá)傳感器 表面的磁性顆粒。如以上針對本發(fā)明的系統(tǒng)所描述的那樣，利用一個或多個檢測裝置確保檢測步驟。
根據(jù)本發(fā)明，在例如存在于磁性顆粒表面上的分析物和反應(yīng)室的傳感 器表面上的分析物特異性探針之間的結(jié)合確保這些磁性顆粒在傳感器表面 上固定不動。根據(jù)一個實施例，可以使用通過分析物結(jié)合到傳感器表面的 磁性顆粒的磁場來檢測傳感器表面上是否存在顆粒，并因此檢測附著到磁 性顆粒上的分析物。另外或可選地，通過顆粒本身的存在或通過顆粒中或 顆粒上的諸如發(fā)色團的標(biāo)記以目視的方式進(jìn)行磁性顆粒的檢測。
根據(jù)具體實施例，傳感器表面包括一個分析物特異性探針。還設(shè)想了 可選實施例，由此在傳感器表面上排列各種分析物特異性探針，以允許同 時檢測樣品中的不同化合物。(傳感器復(fù)用)(具有不同俘獲分子的傳感器 陣列)。另一種變型是反應(yīng)室復(fù)用。在此，系統(tǒng)具有多個反應(yīng)室。在一個實 施例中，樣品分散在不同的反應(yīng)室上以并行執(zhí)行不同的測定?；蛘撸M(jìn)一 步將在第一反應(yīng)室中的第一傳感器表面上方通過的磁性顆粒遷移到下一反 應(yīng)室，其中它們可以與下一表面?zhèn)鞲衅魃系奶结樂磻?yīng)(具有若干反應(yīng)室的 系統(tǒng))。
如上文詳細(xì)所述，本發(fā)明的方法涉及利用包括傳感器表面和傳感器表 面之外的至少一個區(qū)域的反應(yīng)室。
在本發(fā)明的方法和設(shè)備中，在傳感器表面附近集中磁性顆粒，由此減 少允許探針和分析物之間結(jié)合所需的時間并增大稀有分析物結(jié)合到探針的 機會。在溢出遷移期間，磁性顆粒具有與顆粒的平移和轉(zhuǎn)動擴散結(jié)合的動 力學(xué)移動(由磁場梯度、磁泳驅(qū)動)。
例如由于顆粒的大尺度分布或存在粘性顆粒簇而導(dǎo)致的非均勻磁性顆 粒溶液，可能會在利用磁性顆粒的標(biāo)準(zhǔn)測定中引起大的信號變化和信號偏 移。由于顆粒上的橫向磁力，而使根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行的方法在很大程度上不 受小部分的大磁性顆?；虼判灶w粒簇的存在的影響，對于具有較高磁化強 度的顆粒而言所述橫向磁力較高。這種更強的磁泳力使較大的顆粒具有較 高的速度，這減少了傳感器表面附近的滯留時間。此外，由于表面附近的 強流體動力摩擦，而使較大的顆粒在傳感器表面上方具有較高的平均行進(jìn) 高度，這進(jìn)一步減少了與傳感器表面撞擊的次數(shù)。結(jié)果，較大的磁性單元 與較小的顆粒相比將減小與傳感器表面的相互作用。在本發(fā)明的方法中，固有地抑制了大磁性顆?；虼蟠嘏c傳感器表面的結(jié)合，這使得檢測更加可 靠。由于偶極-偶極的相互作用，而使磁性顆粒還可以暫時形成磁場中的多 顆粒結(jié)構(gòu)。例如，可以形成沿著磁場線取向的顆粒鏈。在除去場的時候和/ 或在由其他力激勵鏈的時候，這種結(jié)構(gòu)可以改變或分解。在本發(fā)明的方法 中，顆粒和多顆粒結(jié)構(gòu)的橫向移動提供了激勵源。沿著表面的移動導(dǎo)致多 顆粒結(jié)構(gòu)的連續(xù)組裝/解體、恢復(fù)和重新形成的動態(tài)過程。結(jié)果，在顆粒和 傳感器表面之間存在良好的接觸。
本發(fā)明中所述的系統(tǒng)和方法可以用作針對小體積樣品的迅速、魯棒和
易用的即時(point-of-care)生物傳感器。反應(yīng)室可以是與緊湊型讀出器一 起使用的一次性物品，其包含一個或多個磁場產(chǎn)生裝置和一個或多個檢測 裝置。
而且，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以用在針對中心化實驗室的自動化高吞 吐量測試中。在這種情況下，反應(yīng)室例如為裝配到自動化設(shè)備中的孔板(wdl plate)或吸收池。在用于例如免疫測定時，需要最少數(shù)量的流體操縱步驟， 高速進(jìn)行培育過程，沖洗步驟被簡化成流體浪費最少的最低限度。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，體現(xiàn)本發(fā)明的其他布置將是顯而易見的。 要理解的是，盡管在此針對根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法討論了優(yōu)選實施 例、特定構(gòu)造和配置以及材料，但在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下 可以做出各種形式和細(xì)節(jié)上的改變和修正。通過下面給出的范例對本發(fā)明 進(jìn)行舉例說明，所述范例僅被視為出于例示性的目的，本發(fā)明不限于其中 描述的特定實施例。
范例
范例l:磁結(jié)合測定
用偶合到BSA的嗎啡涂敷聚苯乙稀反應(yīng)室的一個區(qū)域(圖3中的灰色 區(qū)域)。之后，用BSA涂敷反應(yīng)室的其余部分以避免非特異性結(jié)合到聚苯 乙烯上。將含有涂有抗嗎啡Ab的磁性顆粒(涂有200nm的蛋白質(zhì)G的磁 性顆粒)(圖3中的黑色圓)和沒有抗體的磁性顆粒(圖3中的白色圓)的 溶液施加到傳感器表面之外的區(qū)域(圖3A的頂部)。傳感器表面上的嗎啡 量足以結(jié)合所有涂有抗體的磁性顆粒。為了避免磁性顆粒在反應(yīng)室上的任何移動，將它們施加到處于低熔點 瓊脂糖溶液中的反應(yīng)室。在施加之后，用緩沖劑填充反應(yīng)室。在與施加磁
性顆粒的位置相反的一端在反應(yīng)室的下方設(shè)置電磁體(圖3中的M)。圖3A 中示出了施加磁場之前的測定配置。
將反應(yīng)室加熱到大約40°C，這從瓊脂糖凝膠中釋放磁性顆粒。接通電 磁體并產(chǎn)生磁場，其吸引在傳感器表面上方的磁性顆粒。具有抗體的顆粒 結(jié)合到嗎啡上，而其余顆粒進(jìn)一步向電磁體移動(圖3B)。針對與嗎啡的 結(jié)合對在電磁體處收集的磁性顆粒進(jìn)行測定。這一控制顯示了測定的效能。
范例2:競爭測定
利用嗎啡作為檢測劑來執(zhí)行預(yù)試驗。嗎啡是僅具有一個表位的小分子， 因此必須進(jìn)行競爭測定以指明樣品中的嗎啡量。在聚苯乙稀表面(96孔滴 定板)上，在每個孔的角落滴定lpl的BAS-嗎啡(在磷酸鹽緩沖鹽水(PBS) 中l(wèi)mg/ml)并加以干燥[嗎啡-3-葡糖苷酸經(jīng)由其賴胺酸殘基偶合到過量的 BSA中]。涂敷之后，利用PBS中10mg/ml的BSA+0.65。/。非離子活性劑-20 對孔封閉1小時。然后廢棄封閉溶液，并向孔施加包含涂有抗嗎啡Ab的磁 性顆粒(涂有200nm蛋白質(zhì)G的磁性顆粒)的PBS中10mg/ml的BSA+0.65% 非離子活性劑-20 (磁性顆粒的1 : IO稀釋度，溶液總量為50^1)。將滴定板 設(shè)置在磁體上，并且在l分鐘之后進(jìn)行照相(圖4)。通過光學(xué)反射檢測磁 性顆粒。在此期間，磁性顆粒在滴定嗎啡的位置上方移動。經(jīng)由抗體而特 異性結(jié)合到嗎啡的磁性顆粒保持在施加嗎啡的位置(箭頭l)(圖4頂部畫 面)，而其余磁性顆粒(沒有抗體或具有未與嗎啡反應(yīng)的抗體)向磁體移動 (箭頭2)。
在向滴定板施加之前向涂有抗體的磁性顆粒添加充足的嗎啡(在微滴 定井中5或100ng/ml)時，抗體與嗎啡達(dá)到飽和，僅能以非特異性方式結(jié) 合到板中的孔。圖4中間和底部的畫面出了這種相互作用不足以引起結(jié)合 磁性顆粒的可見斑點。
圖2示出了在樣品中已經(jīng)為5ng/ml的嗎啡防止了偶合有抗體的磁性顆 粒結(jié)合到所滴定的嗎啡。未結(jié)合足夠多的磁性顆粒來引起結(jié)合的磁性顆粒 的可見斑點。
權(quán)利要求
1、一種系統(tǒng)(1)，包括具有傳感器表面(5)和所述傳感器表面之外的至少一個區(qū)域(6)的反應(yīng)室(2)，還包括至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁場(3)的裝置，其中，設(shè)置所述至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁場的裝置，使得所述磁場之一具有有著平行于所述傳感器表面(5)的分量的梯度，并且跨越所述傳感器表面(5)和所述至少一個傳感器表面之外的區(qū)域(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述磁場之一具有有著垂直于 所述傳感器表面(5)的分量的梯度，且其中，所述分量從所述反應(yīng)室(2) 指向所述傳感器表面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述磁場被設(shè)置成在所述 傳感器表面(5)上方橫向地將磁性顆粒(7)移動到所述傳感器表面之外 的第一區(qū)域(6)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述磁場能夠在 所述傳感器表面(5)上方橫向地將磁性顆粒(7)從所述傳感器表面之外 的第一區(qū)域(6)移動到所述傳感器表面之外的第二區(qū)域(6)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，沿一個方向施加所述磁場。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其中，所述磁場被施加一次。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器表面之外的所述第 一和第二區(qū)域(6)是相同的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項所述的系統(tǒng)，其中，在所述傳感器表 面之外的區(qū)域上提供專用區(qū)域以施加磁性顆粒。
9、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括用于將所述磁性顆粒引 入到所述反應(yīng)室中的進(jìn)口裝置。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多 個用于產(chǎn)生磁場的裝置包括位于所述傳感器表面(5)的相對側(cè)上的兩個磁 體(3和3')。
11、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，在給定時間段內(nèi)施加 在所述磁性顆粒上的磁場使所述顆粒遷移的距離比通過布朗運動所獲得的 距離更遠(yuǎn)。
12、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個用于產(chǎn) 生一個或多個磁場的裝置為磁體，所述磁體產(chǎn)生具有較小面內(nèi)分量的面外 場且位于所述傳感器表面下方。
13、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器表面(5) 包括分析物特異性探針(8)。
14、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，位于所述傳感器表面 之外的兩個區(qū)域(6)之間的所述傳感器表面(5)的尺寸至少在10和30 微米之間。
15、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，不存在適于將顆粒吸 引到所述傳感器表面(5)或所述傳感器表面之外的區(qū)域(6)的載流導(dǎo)體。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13到15中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述分析物 特異性探針(8)選自由寡核苷酸、抗體或其片段、凝集素、藥用化合物、 肽或蛋白質(zhì)所構(gòu)成的組。
17、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括用于檢測所述傳感器表面上的至少一個磁性顆粒的磁性能的磁性顆粒檢測裝置。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述磁性顆粒檢測裝置檢測 來自所述至少一個顆粒的磁場或檢測所述至少一個顆粒在受到磁檢測場作 用時的可磁化性。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的系統(tǒng)，其中，所述磁性顆粒檢測裝 置為磁電阻傳感器或霍爾傳感器。
20、 一種一次性筒狀物，包括反應(yīng)室(2)、具有分析物特異性探針或 分析物類似物(8)的傳感器表面(5)，所述反應(yīng)室包括所述傳感器表面之 外的至少一個區(qū)域(6)和至少一個用于產(chǎn)生一個或多個磁場的裝置。
21、 一種用于量化和/或檢測分析物的方法，包括如下步驟a) 向具有表面?zhèn)鞲衅?5)和所述傳感器表面之外的區(qū)域(6)的反應(yīng) 室提供磁性顆粒(7)，所述表面?zhèn)鞲衅?5)具有分析物特異性探針或分析 物類似物(8)，b) 在所述反應(yīng)室內(nèi)施加具有基本平行于所述傳感器表面的分量的磁場 梯度，由此所述磁場在所述傳感器表面(5)上方橫向地將所述磁性顆粒移 動到所述傳感器表面之外的所述區(qū)域，以及c) 檢測結(jié)合到所述傳感器表面的所述磁性顆粒。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述磁場梯度在步驟(c) 之前反轉(zhuǎn)一次或多次。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述反轉(zhuǎn)具有小于0.1Hz的頻率。
24、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，不反轉(zhuǎn)所述磁場梯度。
25、 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，其中，設(shè)置一個或多個磁場 以將所述磁性顆粒(7)-在所述傳感器表面(5)上方橫向地從所述傳感器表面之外的第一區(qū)域 (6)移動到所述傳感器表面(5)，以及-從所述傳感器表面(5)移動到所述傳感器表面之外的第二區(qū)域(6)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述傳感器表面之外的所述 第一區(qū)域和所述傳感器表面之外的所述第二區(qū)域是相同的。
27、 根據(jù)權(quán)利要求21到26中任一項所述的方法，其中，對所述磁性 顆粒進(jìn)行標(biāo)記。
28、 根據(jù)權(quán)利要求21到27中任一項所述的方法，基本在所述反應(yīng)室 中的液體沒有運動的情況下執(zhí)行所述方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及方法和(生物)傳感器系統(tǒng)。在此，施加磁場以便在具有分析物特異性探針的傳感器表面上方橫向地遷移磁性顆粒。本發(fā)明的方法允許磁性顆粒特異性結(jié)合到傳感器表面，而消除非特異性和未結(jié)合的顆粒。
文檔編號G01R33/12GK101438142SQ200780016603
公開日2009年5月20日 申請日期2007年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者M·W·J·普林斯, R·J·M·施羅德斯, T·范德維克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司