專利名稱：用于感測(cè)磁性粒子的傳感器設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器設(shè)備。 本發(fā)明還涉及 一 種感測(cè)磁性粒子的方法。 此外，本發(fā)明還涉及一種程序元件。 此外，本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
背景技術(shù)：
生物傳感器可以是一種用于檢測(cè)被分析物的設(shè)備，其把生物組件 與物理化學(xué)或物理檢測(cè)器組件相組合。
磁性生物傳感器可以利用巨磁阻效應(yīng)(GMR)來(lái)檢測(cè)具有磁性或 者用磁珠標(biāo)記的生物分子下面將解釋可以利用所述巨磁阻效應(yīng)的生物傳感器。
WO 2005/010542公開了利用集成的或芯片上磁性傳感器元件來(lái)檢 測(cè)或確定磁性粒子的存在。所述設(shè)備可以被用于對(duì)生物分子在微陣列 或生物芯片上的結(jié)合(binding )進(jìn)行磁性檢測(cè)。特別地，WO 2005/010542 公開了一種用于確定至少一種磁性粒子的存在的磁性傳感器設(shè)備，其 包括基板上的磁性傳感器元件、用于生成AC磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生器、包括 所述磁性傳感器元件以用于感測(cè)所述至少 一種磁性粒子的磁屬性的傳 感器電路，所述磁屬性與所述AC磁場(chǎng)相關(guān)，其中所述磁場(chǎng)發(fā)生器被集 成在所述基板上并且被設(shè)置成操作在100Hz或更高的頻率下。
US 2005/035757公開了 一種具有基板的磁阻感測(cè)設(shè)備，所述基板 具有用于支持流體的層結(jié)構(gòu)的基板。所述層結(jié)構(gòu)具有處于第一水平的 第一表面區(qū)域、處于另一個(gè)第二水平的第二表面區(qū)域以及用于檢測(cè)所 述流體中的至少一種磁性粒子的磁場(chǎng)的磁阻元件，所述磁阻元件被放 置在所述第一和第二表面區(qū)域之間的過(guò)渡附近，并且朝向至少其中一 個(gè)所述表面區(qū)域。
WO 2005/111596/>開了一種用于在至少一種磁性納米粒子和另一
系:，所述區(qū)分是通過(guò)施加磁場(chǎng)^且在所述磁性納米粒子附著到所述而實(shí)現(xiàn)的。所述系統(tǒng)可以被應(yīng)用于體內(nèi)或體外生物分子診斷學(xué)。所述
傳感器在一個(gè)傳感器中組合了對(duì)磁性粒子或標(biāo)簽的檢測(cè)與對(duì)結(jié)合到另
一個(gè)實(shí)體的表面上的磁性粒子或標(biāo)簽的結(jié)合質(zhì)量和屬性的確定。
但是在不合期望的情況下，要獲得測(cè)量結(jié)果的足夠精度可能仍然 是成問(wèn)題的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有足夠精確的檢測(cè)性能的傳感器。
為了實(shí)現(xiàn)上面限定的目的，提供根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的一種用于感 測(cè)磁性粒子的傳感器設(shè)備、 一種感測(cè)磁性粒子的方法、 一種程序元件 以及一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)示例性實(shí)施例，提供 一 種用于感測(cè)磁性粒子的
傳感器設(shè)備，所述傳感器設(shè)備包括基板；被提供在所述基板之上和/ 或其中和/或附近(例如與之耦合或連接)的感測(cè)單元，其適于感測(cè)表 示所述磁性粒子的存在的檢測(cè)信號(hào)；以及被提供在所述基板之外(即 遠(yuǎn)離所述基板或者處在所述基板外部，特別是不與所述基板接觸)的 磁場(chǎng)控制單元，其適于生成與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)以便與所述磁性粒子相 互作用，特別是關(guān)于所述基板和/或關(guān)于所述感測(cè)單元引導(dǎo)所述磁性粒 子。
根據(jù)本發(fā)明的另 一 個(gè)示例性實(shí)施例，提供 一 種感測(cè)磁性粒子的方 法，所述方法包括以下步驟通過(guò)被提供在基板之上和/或其中和/或附 近(例如與之耦合或連接)的感測(cè)單元來(lái)感測(cè)表示所述磁性粒子的存 在的檢測(cè)信號(hào)；以及通過(guò)被提供在所述基板之外的磁場(chǎng)控制單元生成 與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)，以便與所述磁性粒子相互作用(特別是關(guān)于所述 基板和/或關(guān)于所述感測(cè)單元引導(dǎo)所述磁性粒子)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種程序元件，當(dāng)由處 理器執(zhí)行時(shí)，所述程序元件適于控制或?qū)嵤┚哂猩厦嫣岬降奶卣鞯母?測(cè)磁性粒子的方法。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)， 其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序適于控制或?qū)嵤┚哂猩厦嫣岬降奶卣鞯母袦y(cè)磁性粒子的方法。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子感測(cè)方案可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn) (即通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn))，或者通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)專用電子優(yōu)化電路來(lái)實(shí) 現(xiàn)(即通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn))，或者通過(guò)混合形式來(lái)實(shí)現(xiàn)(即通過(guò)軟件組件 和硬件組件來(lái)實(shí)現(xiàn))。
在本申請(qǐng)的上下文中，術(shù)語(yǔ)"試樣"可以特別表示任何將被分析 的固體、液體或氣體物質(zhì)或者其組合。舉例來(lái)說(shuō)，所述物質(zhì)可以是液 體或懸浮液，此外還特別可以是生物物質(zhì)。這種物質(zhì)可以包括蛋白質(zhì)、 多肽、核酸、油脂、碳水化合物或滿細(xì)胞等。
所述"基板，，可以由任何適當(dāng)材料制成，比如玻璃、塑料或半導(dǎo) 體。因此，術(shù)語(yǔ)"基板"通?？梢员挥脕?lái)定義位于所感興趣的一層或 各部分之下和/或之上的層元件。此外，"基板"可以是在其上形成一 層(比如玻璃或金屬層)的任何其他基礎(chǔ)。
術(shù)語(yǔ)"磁性粒子"可以表示具有磁性部分的任何分子，也就是說(shuō) 具有順磁性、鐵磁性或鐵氧磁性部分。這種磁性部分可以是特定分子
所固有的，或者可以作為單獨(dú)的標(biāo)簽或磁珠(bead)附著到一個(gè)分子 上，例如附著到生物分子上。術(shù)語(yǔ)"磁性粒子"可以指代實(shí)際的磁性 粒子或者指代可磁化例子(其在外加磁場(chǎng)的影響下被磁化)。
術(shù)語(yǔ)"感測(cè)單元，，可以特別表示傳感器設(shè)備的一部分，在該處發(fā) 生或者檢測(cè)到實(shí)際的傳感器事件，例如由于所述試樣中的粒子與附著 到所述傳感器部分的表面上的捕獲分子之間的雜化而導(dǎo)致的所述傳感 器部分的物理參數(shù)的修改。
術(shù)語(yǔ)"磁場(chǎng)控制單元"可以特別表示一個(gè)磁場(chǎng)致動(dòng)源，其利用磁 力相對(duì)于所述感測(cè)單元機(jī)械地引導(dǎo)或移動(dòng)所述磁性粒子。這種磁場(chǎng)控 制單元可以被提供在所述基板之外，也就是說(shuō)其可以是與所述基板分 開提供的組件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例， 一個(gè)芯片外磁場(chǎng)致動(dòng)單元可以 生成與時(shí)間相關(guān)的或時(shí)變磁場(chǎng)以便相對(duì)于所述感測(cè)單元引導(dǎo)所述磁性 粒子，其中可以抑制不同磁性粒子之間的不合期望的相互作用。特別 地，振蕩、脈沖、階躍函數(shù)或三角函數(shù)類磁場(chǎng)包括其間磁性粒子之間 的所述吸引受到抑制的時(shí)間間隔，并且包括其間促進(jìn)對(duì)磁性粒子的集 體致動(dòng)的時(shí)間間隔。舉例來(lái)說(shuō)，在所述與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)特性中可以包括其間沒(méi)有磁場(chǎng)作用在磁性粒子上的脈沖。從而有可能例如在聚集 磁性粒子的過(guò)程中防止所述磁性粒子的聚簇，其中所述聚集是在傳感 器事件之前以及/或者在傳感器事件已經(jīng)發(fā)生之后在已結(jié)合磁性粒子與
未結(jié)合磁性粒子之間進(jìn)行的，后一種情況發(fā)生在其中應(yīng)當(dāng)通過(guò)磁力沖 洗掉未結(jié)合磁性粒子的程序期間。因此，可以顯著提高所述設(shè)備的精 度，這是因?yàn)榭梢员苊獠缓掀谕拇啪鄞亍?br> 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種磁性生物傳感器，其 在準(zhǔn)備階段期間具有減少的磁珠聚簇/層疊并且允許更快的沖洗程序， 這可以通過(guò)利用脈沖間歇性地控制所述操縱和檢測(cè)磁場(chǎng)而獲得。因此， 使得用于生物傳感器的脈沖磁性致動(dòng)成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種生物傳感器，其基于
分子捕獲和利用磁珠進(jìn)行標(biāo)記來(lái)測(cè)量特定生物化學(xué)試劑的存在。GMR 類型的磁阻傳感器可以測(cè)量已結(jié)合磁珠的雜散磁場(chǎng)。根據(jù)該信號(hào)可以
計(jì)算所述生物試劑的濃度。
可以實(shí)施磁性致動(dòng)以便提高所述磁性生物傳感器在現(xiàn)場(chǎng)護(hù)理應(yīng)用 方面的性能。首先，這樣做允許提高所述磁性粒子在傳感器表面的濃 度，從而加速所述磁性粒子在傳感器表面的結(jié)合過(guò)程。其次，磁性沖 洗可以替代傳統(tǒng)的水洗步驟，前者可能更加精確并且可以減少手術(shù)動(dòng) 作的次數(shù)。
與芯片維度相比，較大的外部(電)磁體可以被用于致動(dòng)，以便 在傳感器表面實(shí)現(xiàn)均勻場(chǎng)梯度(力)并且在整個(gè)試樣體積上實(shí)現(xiàn)較大 穿透深度。
根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種使用所述致動(dòng)磁體來(lái) 產(chǎn)生時(shí)控磁場(chǎng)的有利方式。這些經(jīng)過(guò)調(diào)制的磁場(chǎng)可以被用來(lái)顯著提高 所述生物傳感器的性能，以便滿足末端應(yīng)用的要求。在磁性吸引期間， 由于每一個(gè)磁珠周圍的局部場(chǎng)梯度(力)，可以形成磁性粒子柱/鏈， 其中所述局部場(chǎng)梯度是由所述磁性粒子內(nèi)部的磁性材料的通量引導(dǎo)效 應(yīng)而導(dǎo)致的。所述磁性粒子之間的物理接觸引發(fā)非特異性粒子-粒子 結(jié)合，其在所述磁場(chǎng)被關(guān)斷時(shí)并不斷開。這樣就形成了不受控制的磁 性粒子聚簇，從而會(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)問(wèn)題
1 )可能會(huì)發(fā)生大多數(shù)磁性粒子無(wú)法到達(dá)所述活性傳感器表面的情況。2)相對(duì)較大的并且形狀不受控制的聚簇可能導(dǎo)致傳感器信號(hào)的較 大可變性，從而不再能對(duì)其進(jìn)行解釋。
在磁性沖洗期間也會(huì)由于與磁性吸引期間相同的效應(yīng)而形成柱/ 鏈。磁珠周圍的局部場(chǎng)梯度(力)要比由外部磁體所施加的場(chǎng)梯度大 很多。因此，結(jié)合在傳感器表面上的單個(gè)磁性粒子可以把許多未結(jié)合 磁性粒子保持靠近所述傳感器表面。這一效應(yīng)可能會(huì)妨礙通過(guò)磁性沖 洗把未結(jié)合磁性粒子與已結(jié)合磁性粒子分開。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)示例性實(shí)施例，可以使用脈沖磁性致動(dòng)來(lái)替代 連續(xù)致動(dòng)。脈沖磁性致動(dòng)意味著以特定頻率和占空比在高、低磁場(chǎng)水 平之間切換致動(dòng)磁場(chǎng)。在所述低水平部分(大多數(shù)情況下是零場(chǎng))期 間，所述磁性粒子柱/鏈由于所述磁性粒子的布朗運(yùn)動(dòng)/熱運(yùn)動(dòng)而分解。 這一效應(yīng)可以給出針對(duì)之前描述的問(wèn)題的解決方案，并且對(duì)于其他致 動(dòng)方面也可能是有益的，這也^皮包括在各實(shí)施例中。
特別地，基本上可以通過(guò)兩種方式來(lái)施加脈沖磁場(chǎng)
1) 通過(guò)根據(jù)所想要的屬性(例如頻率、占空比等)在高、低場(chǎng)之 間進(jìn)行切換的電磁體；以及
2) 可以通過(guò)關(guān)于所述傳感器平移和/或旋轉(zhuǎn)永磁體來(lái)產(chǎn)生時(shí)變場(chǎng)。 一個(gè)實(shí)施例是關(guān)于減少磁性吸引期間的聚簇形成。當(dāng)磁性粒子彼
此足夠接近或者彼此發(fā)生物理接觸時(shí)，就可能形成磁性粒子之間的聯(lián) 結(jié)。當(dāng)前人們相信相互作用時(shí)間在形成聯(lián)結(jié)的幾率方面發(fā)揮著重要作 用?？梢酝ㄟ^(guò)在短脈沖中斷開所述吸引場(chǎng)而大大減少該解除時(shí)間。如 果所述脈沖足夠短，則熱運(yùn)動(dòng)在"關(guān)斷時(shí)間"期間會(huì)再次分開所述粒 子?？梢栽龃?接通時(shí)間"期間的脈沖幅度，以便減小時(shí)間平均速度 的損失。只要所述電磁體內(nèi)的時(shí)間平均功率耗散不顯著增大，就允許 增大脈沖幅度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，即使在致動(dòng)期間的聚簇形成不 是問(wèn)題時(shí)，也可以從脈沖磁性致動(dòng)獲益。在吸引期間，當(dāng)所述柱/鏈形 成時(shí)，只有處在傳感器表面處的磁性粒子才能夠與所述傳感器表面結(jié) 合。在所述吸引場(chǎng)被關(guān)斷之后，先前被組織在所述柱/鏈中的其他粒子 可能通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)到達(dá)傳感器表面，并且可能潛在地形成結(jié)合。這意味 著在磁性吸引與磁性沖洗之間應(yīng)當(dāng)有一個(gè)時(shí)間間隔，以便為所有磁性 粒子給出與傳感器表面相互作用的機(jī)會(huì)。該時(shí)間間隔可能會(huì)增加總的測(cè)量時(shí)間，這對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是不利的。
脈沖吸引可以減少柱/鏈的形成，并且即使在致動(dòng)期間也可以允許 所有磁性粒子與傳感器表面形成結(jié)合。結(jié)果，在使用脈沖致動(dòng)時(shí)，在
磁性吸引期間的結(jié)合可能要快很多(參見圖3，該圖示出了在有、無(wú)脈 沖的致動(dòng)期間所測(cè)量的數(shù)據(jù))?？梢杂^察到，在DC致動(dòng)期間，信號(hào)迅 速飽和，這表明磁珠到所述表面的第一結(jié)合以及在這些磁珠上的后續(xù) 鏈/柱形成。所迷初始結(jié)合磁珠形成了對(duì)應(yīng)于柱形成的"成核位置，，。 通過(guò)施加脈沖致動(dòng)，由于磁珠在所述致動(dòng)場(chǎng)的"關(guān)斷時(shí)間，，內(nèi)的重新 分布，所述磁珠繼續(xù)結(jié)合到剩余的表面。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)示例性實(shí)施例，通過(guò)沖洗階段期間的脈沖磁性 致動(dòng)可以獲得很大的改進(jìn)。所述磁性粒子的通量引導(dǎo)效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生 朝向該粒子的吸引力。這一局部場(chǎng)梯度的吸引力通常可以具有一個(gè)粒 子直徑的范圍；在更遠(yuǎn)的距離下，所述外部磁體的力可能變?yōu)榫又鲗?dǎo) 地位。為此，兩個(gè)磁性粒子在近似兩倍于其自身直徑的距離內(nèi)彼此吸 引。據(jù)信，結(jié)合到傳感器表面的粒子可以防止該距離內(nèi)的未結(jié)合粒子 被沖洗掉。如果未結(jié)合粒子的密度在傳感器表面處較高，則一個(gè)已結(jié) 合磁性粒子可以防止沖洗掉許多未結(jié)合磁性粒子。當(dāng)已結(jié)合粒子的數(shù) 量較多時(shí)，未結(jié)合粒子幾乎不可能逃離傳感器表面。
如果有可能非常精確地控制上面的現(xiàn)象并且一個(gè)已結(jié)合粒子可以 防止已知的明確受控?cái)?shù)量的未結(jié)合粒子被沖洗掉，則有可能對(duì)信號(hào)進(jìn) ^f亍磁'l"生放大。
通過(guò)使用脈沖磁性沖洗，所述磁性粒子可以在所述脈沖序列的"關(guān) 斷時(shí)間，，期間逃離。所述磁性粒子的熱運(yùn)動(dòng)可以增大粒子之間的距離， 并且當(dāng)所述間隔變得足夠大時(shí)，所述外部磁體就能夠沖洗掉所述未結(jié) 合磁性粒子。所述"關(guān)斷時(shí)間"應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng)，從而允許由所述熱運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致的平均距離等于所述粒子直徑的至少兩倍。為了給出這一時(shí)間的 印象，可以把所需的距離與粒子在時(shí)間f內(nèi)由于布朗運(yùn)動(dòng)所行經(jīng)的平均 距離q〉的公式相組合?？梢詫?duì)于常用的磁性粒子尺寸計(jì)算這些時(shí)間， 參見表l。
表1:為了得到有效的沖洗致動(dòng)對(duì)應(yīng)于不同磁性粒子直徑的適當(dāng) "關(guān)斷時(shí)間"。磁性粒子直徑[nm兩個(gè)脈沖之間的所需"關(guān)斷時(shí)間"s
2000.06
3000.19
5000.90
10007.20
在線圏的DC (直流)操作下，最大磁場(chǎng)梯度可能會(huì)受到由流經(jīng)電 線的電流所導(dǎo)致的所述致動(dòng)線圈中的生熱的限制。在使用沒(méi)有脈沖的 致動(dòng)時(shí)，這一最大力對(duì)于快速?zèng)_洗掉任何非特異性地結(jié)合的磁性粒子 來(lái)說(shuō)不總是足夠的?？梢酝ㄟ^(guò)使用脈沖致動(dòng)來(lái)增大該力。在這里，可 以把所述電流集中在一個(gè)脈沖內(nèi)，這會(huì)在不增加時(shí)間平均生熱的同時(shí) 得到更大的力。通過(guò)使用脈沖磁性致動(dòng)可以把所述最大值增大幾個(gè)數(shù) 量級(jí)。
從可以在短脈沖期間達(dá)到的更高峰值電流還可以得到脈沖致動(dòng)的 另一個(gè)好處。由所述磁體所產(chǎn)生的最大場(chǎng)被增大，其中即使是該場(chǎng)的 徑向分量也可能高到足以重置所述傳感器(應(yīng)當(dāng)注意到，傳感器靈敏 度可能會(huì)由于所述致動(dòng)場(chǎng)而改變，所述致動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)致磁疇在所述傳感器 的磁性層中改變配置。于是需要在讀出之前重置這些磁疇，以便確保 恒定的傳感器靈敏度)。這樣可以避免諸如把垂直線圈作為重置線圈 之類的復(fù)雜設(shè)置。這種重置方式有幾個(gè)好處，比如較少的組件，以及 在盒式設(shè)計(jì)中的更高靈活性?？梢园盐朋w或沖洗磁體用于重置。 在具體應(yīng)用中哪一種更好可能取決于測(cè)定的屬性。舉例來(lái)說(shuō)，較大的 磁珠可能在磁性沖洗之后快速沉淀?？赡馨l(fā)生只有在重置所述傳感器 之后才能開始磁性測(cè)量的情況。在所述重置期間，所述沉淀可能會(huì)導(dǎo) 致多余的信號(hào)改變。在這種情況下，使用所述沖洗磁體來(lái)進(jìn)行重置可 能是有益的。
可以適當(dāng)?shù)匕褎?dòng)力學(xué)測(cè)量與脈沖致動(dòng)相組合。如果所述磁性生物 傳感器的讀出時(shí)間足夠短，則可以在所述脈沖致動(dòng)序列的"關(guān)斷時(shí)間" 期間進(jìn)行所述讀出。通過(guò)先前的致動(dòng)脈沖來(lái)重置所述傳感器。由此， 動(dòng)力學(xué)測(cè)量不會(huì)延遲所述試樣的總測(cè)量時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的致動(dòng)方案不限于利用GMR類型的 磁阻傳感器的配置。所述方法在使用磁性粒子標(biāo)簽的任何測(cè)定中都可
ii能是有益的。根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)示例性實(shí)施例，可以執(zhí)行對(duì)磁性粒子的脈沖磁 性致動(dòng)，這可能具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，所述脈沖磁性致動(dòng)有助于防止 在吸引期間形成粒子柱/鏈，從而可以降低聚簇的幾率，并且可以加速 所述結(jié)合過(guò)程。通過(guò)允許所述柱/鏈在沖洗脈沖之間斷開，還可以提高 磁性沖洗的效率。這樣可以防止朝向所述表面處的已結(jié)合粒子拉回未 結(jié)合粒子。脈沖致動(dòng)還可以被用來(lái)生成暫時(shí)性的更大磁場(chǎng)幅度，以便 沖洗掉非特異性地結(jié)合的粒子，并且利用致動(dòng)線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)，所述致 動(dòng)線圍還可以被用來(lái)重置所述傳感器。此外，脈沖致動(dòng)可以允許在不 延緩所述測(cè)定的情況下執(zhí)行動(dòng)力學(xué)測(cè)量。接下來(lái)將解釋所述傳感器設(shè)備的其他示例性實(shí)施例。但是這些實(shí) 施例同樣適用于所述方法、所述程序元件以及所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。所述磁場(chǎng)控制單元可以凈皮適配成生成脈沖磁場(chǎng)，即包括多個(gè)相繼 脈沖的磁場(chǎng)。術(shù)語(yǔ)"脈沖，，可以表示不同磁場(chǎng)幅度的交替序列。這種 脈沖可以非常高效地抑制磁性粒子的聚簇。所述脈沖可以包括交替的第一磁場(chǎng)值和第二磁場(chǎng)值的序列，其中 所述第一磁場(chǎng)值的絕對(duì)值實(shí)質(zhì)上低于所述第二磁場(chǎng)值的絕對(duì)值。特別 地，所述第一磁場(chǎng)值可以基本上是零或者精確地為零，所述第二磁場(chǎng) 值可以顯著地不同于零。在所述"零"場(chǎng)間隔內(nèi)，所述磁性粒子可以 弛豫，從而抑制不同磁珠之間的不合期望的相互作用。在所述"非零" 場(chǎng)間隔內(nèi)，所述磁性粒子可以在一個(gè)磁場(chǎng)的影響下被集體致動(dòng)，其中 所述磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，以用于在所期望的方向上移動(dòng)所述粒子。所述第一磁場(chǎng)值的持續(xù)時(shí)間可以處在基本上0.05s到基本上10s之 間的范圍內(nèi)，并且特別處在基本上0.2s到基本上ls之間的范圍內(nèi)。本 發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，這些范圍是對(duì)應(yīng)于典型的磁性粒子的用于避免 聚簇的兩個(gè)相繼間隔之間的適當(dāng)范圍(也參見表l)。在脈沖磁場(chǎng)的另一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述場(chǎng)的脈沖包括至少兩個(gè)具 有相反符號(hào)的非零脈沖。由于所述磁場(chǎng)的每一個(gè)脈沖必須具有正號(hào)、 符號(hào)或者為零，因此這兩個(gè)脈沖可以總是被選擇為連續(xù)的非零脈沖(其 間優(yōu)選地有一個(gè)零脈沖)。如果所述脈沖例如代表磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的一 個(gè)分量，則"相反符號(hào)"的脈沖表示所述磁場(chǎng)點(diǎn)在相反空間方向上的 相應(yīng)分量。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)所述相反指向的第二磁性脈沖12至少部分地補(bǔ)償由所述第一磁性脈沖所導(dǎo)致的特定的不合期望的效應(yīng) (比如磁性粒子中的或者所述傳感器單元中的剩余磁化)。因此可以避 免人為信號(hào)，并且可以提高測(cè)量精度。應(yīng)當(dāng)注意到，施加在磁性粒子 上的磁力不受所述磁場(chǎng)的符號(hào)的影響。如果所述粒子是超順磁性的(即 沒(méi)有記憶效應(yīng))，則所述磁力例如不受南北磁極交換的影響，這是因 為其通常僅僅取決于場(chǎng)梯度。優(yōu)選地，所述脈沖磁場(chǎng)僅僅包括所述連續(xù)非零脈沖對(duì)，在所述脈 沖對(duì)中，所述脈沖具有相反符號(hào)。在這種情況下，可以通過(guò)后面的脈 沖立即補(bǔ)償每一個(gè)"第一，，脈沖的不合期望的效應(yīng)。有利的是，所述 脈沖磁場(chǎng)的所有非零脈沖都屬于一個(gè)具有交替符號(hào)的脈沖的序列。此 外，所述非零脈沖優(yōu)選地通過(guò)零脈沖(即具有近似零場(chǎng)的間隔)分開，以《更允i午上述的磁珠的弛豫效應(yīng)。在生成所述傳感器設(shè)備的與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)時(shí)，優(yōu)選地使得某一 特性參數(shù)(比如場(chǎng)強(qiáng)度的空間分量)的時(shí)間平均值近似為零。因此可 以隨著時(shí)間平均掉類似于場(chǎng)的剩余磁化的不合期望的效應(yīng)。如果把數(shù) 目更多的較小正脈沖與數(shù)目較少的相應(yīng)地更大的負(fù)脈沖相組合，則在 脈沖磁場(chǎng)的情況下例如可以達(dá)到零平均值。但是所述磁場(chǎng)優(yōu)選地包括 至少一對(duì)兩個(gè)具有相反符號(hào)的連續(xù)非零脈沖，所述脈沖互相補(bǔ)償。在 這樣一對(duì)補(bǔ)償脈沖之后的測(cè)量于是將不會(huì)受到例如不合期望的剩余磁 化的干擾。所述兩個(gè)平衡的連續(xù)脈沖例如可以具有近似相等的幅度絕 對(duì)值和持續(xù)時(shí)間。所述兩個(gè)連續(xù)脈沖可以通過(guò)一個(gè)零場(chǎng)間隔分開，或 者可以彼此緊隨。優(yōu)選地，所有連續(xù)非零脈沖對(duì)都是按照這種方式平 衡的。在使用與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)的傳感器設(shè)備的另 一個(gè)實(shí)施例中，該磁 場(chǎng)具有從零逐漸增大到一個(gè)預(yù)定值以及/或者從這樣一個(gè)預(yù)定值逐漸減小到零的包絡(luò)。如果所述磁場(chǎng)包括脈沖，則這等于是說(shuō)脈沖高度分別 從零逐漸增大或者逐漸減小到零，其中所述"脈沖高度"的定義取決 于所使用的脈沖的特定形狀(例如矩形、三角形、鐘形等等)。在一 般的定義中，所述脈沖高度例如可以被視為在脈沖期間所取得的峰值。 其脈沖高度從零逐漸增大到給定值的脈沖序列可以特別位于脈沖磁場(chǎng) 的起始處。類似地，具有逐漸減小的脈沖高度的脈沖序列有利地被用 來(lái)終止脈沖磁場(chǎng)的活動(dòng)。從而可以溫和地漸入和/或漸出所述場(chǎng)。所述磁場(chǎng)控制單元可以被適配成生成所述與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)，這 是通過(guò)向該磁場(chǎng)控制單元施加與時(shí)間相關(guān)的電激勵(lì)信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的。通 過(guò)向線圈、電磁體或者在被施加電流時(shí)能夠生成磁場(chǎng)的其他電磁場(chǎng)生 成實(shí)體施加與時(shí)間相關(guān)的電壓或電流信號(hào)，有可能很容易地生成與時(shí) 間相關(guān)的磁場(chǎng)模式，從而生成用于選擇性地影響所述磁性粒子的磁場(chǎng) 力。在這樣的實(shí)施例中可以省略提供可移動(dòng)部件。附加地或替換地，所述磁場(chǎng)控制單元可以被適配成生成所述與時(shí) 間相關(guān)的磁場(chǎng)，這是通過(guò)按照與時(shí)間相關(guān)的方式關(guān)于所述感測(cè)單元移 動(dòng)、特別是旋轉(zhuǎn)和/或平移和/或往復(fù)移動(dòng)(即交替改變其運(yùn)動(dòng)方向)所 述磁場(chǎng)控制單元而實(shí)現(xiàn)的。因此，還可以通過(guò)移動(dòng)永磁體或電磁體來(lái) 調(diào)制作用在所述磁性粒子上的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的不均勻空間分布和/或?qū)λ?述磁場(chǎng)的與空間相關(guān)的阻尼可以被用來(lái)調(diào)制所生成的磁場(chǎng)的影響，從 而所述磁場(chǎng)控制單元或其磁場(chǎng)源的運(yùn)動(dòng)或位置改變可以對(duì)所述場(chǎng)的調(diào) 制有貢獻(xiàn)。所述磁場(chǎng)控制單元還可以凈皮配置成通過(guò)經(jīng)過(guò)相應(yīng)地調(diào)節(jié)的磁力來(lái) 吸引或排斥所述磁性粒子，以便在所述感測(cè)單元(的傳感器活性表面) 處聚集所述磁性粒子。因此，當(dāng)磁場(chǎng)致動(dòng)機(jī)制形成磁性粒子柱/鏈時(shí)， 脈沖磁性致動(dòng)可以防止所述粒子之間的不合期望的相互作用，并且可 以允許把所述粒子傳送到一個(gè)可能會(huì)發(fā)生諸如雜化之類的傳感器事件 的位置處。附加地或替換地，所述磁場(chǎng)控制單元可以被適配成通過(guò)經(jīng)過(guò)相應(yīng) 地調(diào)節(jié)的磁力來(lái)吸引或排斥所述磁性粒子，以便從所述感測(cè)單元去除 未結(jié)合磁性粒子。在雜化傳感器的情境中，捕獲分子可以被固定在傳 感器表面上，并且可以與其上附著有磁珠的互補(bǔ)分子發(fā)生雜化。在這 一傳感器事件之后， 一些具有磁性標(biāo)簽的分子保持結(jié)合到所述捕獲分 子，而其他分子則在所述溶液中保持未結(jié)合。在沖洗程序中，應(yīng)當(dāng)從 傳感器表面去除這些未結(jié)合磁性粒子以及相應(yīng)的分子，以用于檢測(cè)階 段。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，這例如可以受到脈沖磁性致動(dòng) 的支持，從而允許未結(jié)合分子從傳感器部分逃離。所述磁場(chǎng)控制單元還可以被適配成重置磁體，也就是說(shuō)，其可以 同時(shí)充當(dāng)用于重置所述傳感器的重置線圈以及用于移動(dòng)磁性粒子的致 動(dòng)線圍。于是在傳統(tǒng)上可以被提供用于這種目的的單獨(dú)線圈就可以被所述磁場(chǎng)控制單元可以包括電磁體和/或永磁體。這種磁體可以生 成不均勻磁場(chǎng)，從而生成作用在所述磁性粒子上的力。捕獲分子可以被固定在所述感測(cè)單元處。所述捕獲分子可以被適 配成通過(guò)雜化與附著到所述磁性粒子上的互補(bǔ)分子相結(jié)合?？梢杂欣?地利用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的脈沖致動(dòng)方案來(lái)操作這種雜化傳 感器，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種技術(shù)可以大大改進(jìn)沖洗程序。所述傳感器設(shè)備可以包括被提供在所述基板之上和/或其中的磁場(chǎng) 發(fā)生器，其被適配成生成磁場(chǎng)以用于檢測(cè)磁性粒子的存在。這種磁場(chǎng) 發(fā)生器例如可以是能夠由電流致動(dòng)的電線，以便生成被用于例如根據(jù)所述GMR效應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的感測(cè)部分來(lái)檢測(cè)所述粒子的磁場(chǎng)。在上面提到的實(shí)施例的另一項(xiàng)發(fā)展中，所述傳感器設(shè)備包括用于 為所述磁場(chǎng)發(fā)生器單元提供激勵(lì)電流的控制單元，所述激勵(lì)電流具有 從零逐漸增大和/或逐漸減小到零的包絡(luò)。從而實(shí)現(xiàn)了所述激勵(lì)電流的 緩慢漸入和/或漸出，這樣就允許使用會(huì)耗散更多熱能并且從而有助于 消除剩余磁化的更高電流。所述磁性傳感器設(shè)備可以被適配成基于包括以下各項(xiàng)的一組當(dāng)中 的效應(yīng)來(lái)感測(cè)所述磁性粒子GMR效應(yīng)、AMR效應(yīng)、TMR效應(yīng)、 Han效應(yīng)等等。特別地，磁場(chǎng)傳感器設(shè)備可以利用所述巨磁阻效應(yīng) (GMR)，這是一種在由交替的(鐵)磁性和非磁性金屬層構(gòu)成的薄膜 結(jié)構(gòu)中觀察到的量子機(jī)械效應(yīng)。所述效應(yīng)自身表現(xiàn)為電阻從零場(chǎng)狀態(tài) (此時(shí)，相鄰(鐵)磁性層的磁化由于各層之間的微弱抗鐵磁性耦合而 反平行)顯著減小到一個(gè)較低電阻水平(此時(shí)，相鄰層的磁化由于外 加場(chǎng)而對(duì)齊)。所述非磁性金屬的電子的自旋以相等的數(shù)目與所施加 的磁場(chǎng)平行或反平行對(duì)齊，從而當(dāng)所述鐵磁性層的磁化平行時(shí)遭受較 少的磁散射。在WO 2005/010542或WO 2005/010543中公開了利用所 述巨磁阻效應(yīng)(GMR)的生物傳感器的實(shí)例。所述磁性傳感器設(shè)備可以被適配成感測(cè)附著到生物分子上的磁 珠。這種生物分子可以是蛋白質(zhì)、DNA、基因、核酸、多肽、荷爾蒙、 抗體等等。因此，所述磁性傳感器設(shè)備可以被適配成磁性生物傳感器設(shè)備， 也就是說(shuō)被適配成根據(jù)磁性檢測(cè)原理進(jìn)行操作的生物傳感器。所述磁性傳感器設(shè)備的至少一部分可以被實(shí)現(xiàn)為單片集成電路。 因此，所述磁性傳感器設(shè)備的組件可以被單片集成在基板上，比如半 導(dǎo)體基板，特別是硅基板。但是其他半導(dǎo)體基板也是可能的，比如鍺或者任何ni-v族半導(dǎo)體(比如鎵、砷等)。所述傳感器可以是用來(lái)基于磁性粒子的任何屬性檢測(cè)傳感器表面 上或其附近的所述粒子的存在的任何適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，舉例來(lái)說(shuō)，所述傳感器可以通過(guò)磁性方法(例如磁阻、Hall、線圈)、光學(xué)方法(例如 成像、熒光、化學(xué)發(fā)光、吸收、散射、表面等離子共振、Raman等)、 聲波檢測(cè)(例如表面聲波、體聲波、懸臂、石英晶體等)、電檢測(cè)(例 如傳導(dǎo)、阻抗、安培計(jì)、氧化還原循環(huán))及其組合等等來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。所述設(shè)備和方法可以被用于幾種生物化學(xué)測(cè)定類型，例如結(jié)合/未 結(jié)合測(cè)定、夾心法測(cè)定、竟?fàn)帨y(cè)定、位移測(cè)定、酶測(cè)定等等。除了分子測(cè)定之外，還可以檢測(cè)更大的分子部分(moiety)，比如 細(xì)胞、病毒、細(xì)胞或病毒的各部分、組織提取物等等。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備、方法和系統(tǒng)適用于傳感器復(fù)用(即 并行使用不同的傳感器和傳感器表面)、標(biāo)簽復(fù)用(即并行使用不同 類型的標(biāo)簽)以及腔室復(fù)用(即并行使用不同的反應(yīng)腔室)。這里描述的設(shè)備、方法和系統(tǒng)可以被用作針對(duì)小試樣容積的快速、 穩(wěn)健并且易于使用的現(xiàn)場(chǎng)護(hù)理生物傳感器。所述反應(yīng)腔室可以是將與 緊致讀取器一起使用的可拋棄型物品。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的 設(shè)備、方法和系統(tǒng)可以被使用在自動(dòng)化高吞吐量測(cè)試中。在這種情況 下，所述反應(yīng)腔室例如是裝配到自動(dòng)化儀器中的孔板或試管。通過(guò)將在下面描述的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述各方面和其他 方面將變得顯而易見。


下面將參照各示例性實(shí)施例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明 并不限于這些示例性實(shí)施例。圖1示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的磁性傳感器設(shè)備，其處于第 一操作狀態(tài)下。圖2示出了圖1的磁性傳感器設(shè)備，其處于第二操作狀態(tài)下。 圖3示出了致動(dòng)期間的作為時(shí)間函數(shù)的所測(cè)量的傳感器信號(hào)。16圖4示出了被施加到根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的磁性傳感器設(shè)備的 磁性引導(dǎo)線圈(即致動(dòng)線圏)的激勵(lì)信號(hào)的特性。圖5到7示出了處于不同操作狀態(tài)下的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性 實(shí)施例的磁性傳感器設(shè)備。圖8示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的磁性傳感器設(shè)備中的致動(dòng)磁 場(chǎng)的一個(gè)例子，所述場(chǎng)包括具有交替符號(hào)的脈沖。圖9示出了被施加到磁性生物傳感器中的磁性激勵(lì)導(dǎo)體的激勵(lì)電 流的逐漸接通及關(guān)斷。
具體實(shí)施方式
附圖中的圖示是示意性的。在不同的附圖中，為類似的或完全相 同的元件提供相同的附圖標(biāo)記。在第一實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備是生物傳感器，并且下面將 關(guān)于圖l和圖2來(lái)進(jìn)行描述。所述生物傳感器檢測(cè)試樣中的磁性粒子， 所述試樣比如是流體、液體、氣體、粘彈性介質(zhì)、溶膠或組織試樣。 所述磁性粒子可能具有非常小的尺度。所謂的納米粒子是指至少有一 個(gè)維度處在3nm到5000nm之間的范圍內(nèi)的粒子，優(yōu)選地處在10nm到 3000nm之間，更為優(yōu)選地處在50nm到1000nm之間。所述磁性粒子 可以由于所施加的磁場(chǎng)而獲得磁矩(其例如可以是順磁性的)。所述 磁性粒子可以是復(fù)合物，其例如由非磁性材料內(nèi)部的或者附著到其上 的一個(gè)或更多小磁性粒子構(gòu)成。只要所述粒子生成對(duì)于已調(diào)磁場(chǎng)的非 零響應(yīng)，也就是說(shuō)當(dāng)其生成磁敏感性或?qū)Т判詴r(shí)，所述粒子就可以被 使用。所述設(shè)備可以包括基板10和電路(比如集成電路)。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)"基板，，可以包括所能使用的或者可 以在其上形成設(shè)備、電路或外延層的任何一種或多種底層材料。在其 他替換實(shí)施例中，所述"基板，，可以包括半導(dǎo)體基板，比如摻雜硅、 砷化鎵(GaAs )、磷砷化鎵(GaAsP )、磷化銦(InP )、鍺(Ge ) 或鍺硅(SiGe)基板。除了半導(dǎo)體基板部分之外，所述"基板，，例如 可以包括諸如SiCh或Si3N4層之類的絕緣層。因此，術(shù)語(yǔ)"基板"還 包括玻璃、塑料、陶瓷、玻璃基硅、藍(lán)寶石基硅基板。因此，術(shù)語(yǔ)"基 板，，通常被用來(lái)定義位于所感興趣的一層或各部分下方的層元件。此17外，所述"基板，，還可以是在其上形成一層(例如玻璃或金屬層)的 任何其他基礎(chǔ)。下面將提到硅處理，這是因?yàn)楣璋雽?dǎo)體很常用，但是 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以基于其他(多種)半導(dǎo)體材料設(shè)備來(lái) 實(shí)施本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇適當(dāng)?shù)牟牧弦宰鳛橄旅婷?述的電介質(zhì)和導(dǎo)電材料的等效物。所述電路可以包括作為傳感器元件的磁阻傳感器11，以及具有導(dǎo)體12的形式的磁場(chǎng)發(fā)生器。所述磁阻傳感器11例如可以是GMR或 TMR類型傳感器。所迷磁阻傳感器11例如可以具有細(xì)長(zhǎng)(例如長(zhǎng)窄 條帶)幾何結(jié)構(gòu)，但是并不限于這種幾何結(jié)構(gòu)。傳感器11和導(dǎo)體12 可以被定位成在近距離g內(nèi)彼此相鄰。傳感器11與導(dǎo)體12之間的距 離g例如可以是在lnm到lmm之間；比如3jim。其最小距離由所述 IC工藝決定。在圖1和圖2中引入了協(xié)坐標(biāo)設(shè)備以表明如果所述傳感器設(shè)備位 于xy平面內(nèi)，則傳感器11主要檢測(cè)磁場(chǎng)的x分量，也就是說(shuō)x方向是 傳感器11的靈敏方向。圖1和圖2中的箭頭13表示根據(jù)本發(fā)明的磁阻 傳感器11的靈敏x方向。由于所述傳感器11在與所述傳感器設(shè)備的平 面垂直的方向上不靈敏，因此在沒(méi)有磁性納米粒子15的情況下，由流 經(jīng)所述導(dǎo)體12的電流所導(dǎo)致的附圖中的垂直方向(或者說(shuō)z方向)上 的磁場(chǎng)14不會(huì)被所述傳感器11所檢測(cè)到。通過(guò)在沒(méi)有所述磁性納米 粒子15的情況下向所述導(dǎo)體12施加電流，可以校準(zhǔn)所述傳感器11信 號(hào)。優(yōu)選地在任何測(cè)量之前執(zhí)行這一校準(zhǔn)。當(dāng)磁性材料(其例如可以是磁離子、分子、納米粒子15、固體材 料或者具有磁性成分的流體)處在所述導(dǎo)體12附近時(shí)，其產(chǎn)生由圖2 中的場(chǎng)線16所示出的磁矩m。所述磁矩m隨后生成偶極雜散場(chǎng)，所述偶極雜散場(chǎng)在所述傳感器 11的位置處具有平面內(nèi)磁場(chǎng)分量17。因此，所述納米粒子15把所述 磁場(chǎng)14偏轉(zhuǎn)到由箭頭13(圖2)所示的所述傳感器11的靈敏x方向上。 所述磁場(chǎng)的x分量Hx處在所述傳感器11的靈敏x方向上，其由所述 傳感器11感測(cè)到，并且取決于磁性納米粒子15的數(shù)目和導(dǎo)體電流Ic。關(guān)于這種傳感器的 一般結(jié)構(gòu)的其他細(xì)節(jié)可以參照WO 2005/010542 和WO 2005/010543。從圖1中可以看出，用于感測(cè)磁性粒子15的傳感器設(shè)備50包括18集成在基板25中的組件。感測(cè)單元ll、 20被部分地提供在基板25之 內(nèi)并且被部分地提供在基板25之上，其被適配成感測(cè)表示磁性粒子的 存在的檢測(cè)信號(hào)。由所述組件12和11的相互作用生成的這種檢測(cè)信 號(hào)可以被控制單元20檢測(cè)到。在所述基板25之外(也就是說(shuō)與所述基板25分開或者在所述基 板25的外部)提供磁場(chǎng)控制單元30到34，所述磁場(chǎng)控制單元可以生 成與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)以便關(guān)于所述感測(cè)單元11、 20引導(dǎo)所述磁性粒子 15。所述磁場(chǎng)控制單元30到34可以包括處理器30以用于控制將要實(shí) 施的程序?？刂茊卧?0可以是微處理器或者CPU (中央處理單元)， 并且可以與輸入/輸出設(shè)備91進(jìn)行雙向通信。所述輸入/輸出設(shè)備91可以允許用戶控制所述設(shè)備50的操作，并 且例如可以包括顯示器，比如TFT、 LCD或等離子顯示器。所述輸入 /輸出單元91還可以包括輸入元件，比如小鍵盤、軌跡球、操縱桿或者 甚至語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的麥克風(fēng)。所述磁場(chǎng)控制單元30到34還包括磁線圈31、 32、 33和34，所述 線圈可以由所述CPU 30生成的電子信號(hào)單獨(dú)或集體致動(dòng)。所述線圈31和32被設(shè)置成沿著所述基板25的水平表面彼此相向， 而線圏33和34則被設(shè)置成沿著所述基板25的垂直表面彼此相向。每 一個(gè)所述線圏31到34可以;故實(shí)現(xiàn)為單個(gè)線圏，或者可以包括多個(gè)線 圈，以便生成磁場(chǎng)的任何所期望的空間相關(guān)性，從而用于在圖1和2 中所示出的試樣空間36內(nèi)機(jī)械地引導(dǎo)所述分子15。當(dāng)所述線圈31到 34具有與時(shí)間相關(guān)的脈沖模式以作為致動(dòng)電流信號(hào)時(shí)，作用在所述磁 性粒子15上的力將同樣基本上類似于脈沖。圖3所示出的圖示300說(shuō)明了在致動(dòng)期間的作為時(shí)間函數(shù)的所測(cè) 量的傳感器信號(hào)。更具體來(lái)說(shuō)，沿著圖示300的橫軸301描繪出以秒計(jì)的時(shí)間。沿 著縱軸302示出了以任意單位計(jì)的傳感器信號(hào)。第一測(cè)量點(diǎn)303示出 了利用傳統(tǒng)的直流致動(dòng)信號(hào)來(lái)為磁場(chǎng)控制單元的磁體供電的情況。與 此相對(duì)，第二測(cè)量點(diǎn)304示出了按照脈沖的方式施加磁場(chǎng)以便才艮據(jù)本 發(fā)明的示例性實(shí)施例引導(dǎo)所述粒子的情況。因此，圖3示出了通過(guò)脈 沖和DC吸引而導(dǎo)致的結(jié)合。從圖3中可以看出，在t-O處開始致動(dòng)。所述DC信號(hào)303只在開 頭顯著改變，而當(dāng)所述柱/鏈形成之后，所述信號(hào)303就不再改變。與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的脈沖信號(hào)304作為 所述柱/鏈形成減少的結(jié)果而保持減小。所述脈沖信號(hào)304中的擴(kuò)散更 大的原因是針對(duì)該特定測(cè)量所選擇的讀出方法的結(jié)果，并且據(jù)信與所 述結(jié)合過(guò)程無(wú)關(guān)。圖4示出了被施加到根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的磁性傳感 器設(shè)備的磁性引導(dǎo)線圈的激勵(lì)信號(hào)。更具體來(lái)說(shuō)，在圖4所示出的圖示400中，沿著橫軸401描繪出時(shí) 間t。沿著所述圖示400的縱軸402描繪出所生成的磁場(chǎng)B的幅度?？?以看出，所述激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性是一個(gè)脈沖函數(shù)，其具有交替的 磁場(chǎng)值基本上為零的部分(參見403部分)和大得多的磁場(chǎng)部分(參 見405部分)。從圖4中可以看出各單獨(dú)的間隔403、 405可以具有例 如(Us的持續(xù)時(shí)間。在時(shí)段405期間，可以在與相應(yīng)的磁場(chǎng)相關(guān)的梯度的影響下移動(dòng) 所述磁性粒子。在403部分期間，所述磁場(chǎng)B基本上為零，所述粒子 可以弛豫，從而可以高效地避免聚簇等現(xiàn)象。下面將參照?qǐng)D5到圖7解釋根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的傳 感器設(shè)備80。圖5示出了處于第一操作狀態(tài)下的傳感器設(shè)備50。捕獲分子75被固定在傳感器表面11上。將被檢測(cè)的試樣位于(虛 擬)體積81內(nèi)，可以通過(guò)由所述線圈31、 33施加生成相應(yīng)磁力的磁 場(chǎng)來(lái)定義所述(虛擬)體積81。如附圖標(biāo)記400所示，具有如圖4中 所示的形式的脈沖被施加到全部?jī)蓚€(gè)線圈33、 31，以便通過(guò)其中所述 磁場(chǎng)基本上為零的部分來(lái)避免所述分子15、 76的聚簇?？梢韵蚩梢苿?dòng)并且可振動(dòng)的線圈31、33施加脈沖電流或恒定電流。 通過(guò)移動(dòng)所述線圈31、 33以及/或者通過(guò)<務(wù)改所施加的激及力信號(hào)，可以 移動(dòng)所述虛擬體積81并且從而可以移動(dòng)所述分子15、 76。通過(guò)機(jī)械地 振蕩所述線圈31、 33以及/或者通過(guò)按照脈沖的方式施加激勵(lì)信號(hào)，可 以抑制所述分子15、 76的聚簇。從圖5中還可以看出，所述磁珠15結(jié)合到分子76上，所述分子 76可以與被固定在所述傳感器表面11上的捕獲分子75互補(bǔ)?？梢酝ㄟ^(guò)由所述線圏31、 33生成的磁場(chǎng)梯度實(shí)際移動(dòng)所述磁珠15。圖5示出了聚集階段，其中所述線團(tuán)31、 33的磁場(chǎng)通過(guò)所述振蕩 或脈沖激勵(lì)信號(hào)400生成力，以便使將要檢測(cè)的粒子76、 15接近并集 中在所述捕獲分子75的環(huán)境內(nèi)。圖6示出了第二操作狀態(tài)，在該狀態(tài)下，試樣體積82被帶到靠近 所述捕獲分子75的部分。在圖6的情況中，利用所述振蕩激勵(lì)信號(hào)400 的所述線團(tuán)33、 31已經(jīng)被移動(dòng)，以便把所述試樣體積從位置81偏移 到位置82，同時(shí)施加脈沖以便還生成所述信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性。從圖6中可以看出， 一些捕獲分子75已經(jīng)與相應(yīng)的互補(bǔ)分子76 固定，而其他附著有磁珠15的分子76則不發(fā)生雜化。在檢測(cè)已經(jīng)與 所述捕獲分子75發(fā)生雜化的粒子數(shù)量之前，必須實(shí)施沖洗程序以便提 高精度。在圖7中示出了這種磁性沖洗程序。已經(jīng)通過(guò)移動(dòng)利用所述振蕩激勵(lì)信號(hào)的線團(tuán)31、 33而把所述試樣 體積移動(dòng)到位置83。所述運(yùn)動(dòng)把所述試樣空間從位置82移動(dòng)到位置 83,并且被施加到所述線圈33、 31的交替脈沖允許仍然被提供在所述 體積83內(nèi)的未結(jié)合分子15、 76逃離所述捕獲分子75的環(huán)境。因此從圖5到圖7中可以看出，由于向所述線團(tuán)31、 33施加了脈 沖致動(dòng)信號(hào)400，可以在聚集階段(參見圖5)期間避免不合期望的聚 簇，并且可以在沖洗階段(參見圖7)內(nèi)避免不合期望的聚簇。圖8示出了所施加的磁場(chǎng)的脈沖模式的細(xì)化。該細(xì)化是由以下觀 察所啟發(fā)的所述磁性傳感器單元的靈敏度(因此所述生物測(cè)量的有 效增益)對(duì)于傳感器和磁珠中的記憶效應(yīng)很敏感，其中所述記憶效應(yīng) 例如是源自所述傳感器的致動(dòng)磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)的歷史。在本上下文中， 在前面的附圖中示出的GMR傳感器ll的靈敏度ScMR例如由下式定義(其中RCMR是所述傳感器的電阻，Hext是其平面內(nèi)磁化)、、—^g細(xì) "、 g細(xì)—"777 .氣，上面提到的效應(yīng)通過(guò)使用單極性致動(dòng)/激勵(lì)磁場(chǎng)而被增強(qiáng)，所述單 極性致動(dòng)/激勵(lì)磁場(chǎng)生成凈DC磁場(chǎng)。結(jié)果，需要一個(gè)額外的重置程序 來(lái)進(jìn)行去磁化，以便在激勵(lì)之后把所述GMR傳感器帶到明確定義的磁 性條件下。當(dāng)出于這一目的引入附加的重置線圈時(shí)，就會(huì)增加額外的21使當(dāng)通過(guò)現(xiàn)有的致動(dòng)線圏31到34執(zhí)行這種重置 動(dòng)作時(shí)，仍然存在以下缺陷所述線圈會(huì)在所述磁珠上引入機(jī)械位移， 并且例如由于GMR生產(chǎn)容差以及平面內(nèi)致動(dòng)場(chǎng)容差(致動(dòng)線圏相對(duì)于 GMR的機(jī)械對(duì)齊)而無(wú)法明確定義最優(yōu)重置幅度。因此，所述傳感器 將有可能被設(shè)置在一個(gè)不可再現(xiàn)的信噪比(SNR)降低的操作點(diǎn)處。為了解決這些問(wèn)題，本發(fā)明提出施加偶極致動(dòng)磁場(chǎng)，特別是利用 緩慢增大和/或減小的脈沖高度。在圖8的圖示500中示出了這種場(chǎng)的 一個(gè)實(shí)例，其類似于圖4的圖示，也就是說(shuō)橫軸501表示時(shí)間(以任 意單位計(jì))，縱軸502代表所生成的脈沖磁場(chǎng)的幅度(以任意單位計(jì))， 或者等效地表示必須被施加到線圏31到34以用于生成這種場(chǎng)的電流。 所述脈沖磁場(chǎng)由下面的脈沖子序列構(gòu)成1 )具有脈沖高度(+Bo)和持續(xù)時(shí)間t的正脈沖504;2) 持續(xù)時(shí)間為(T-t)的零場(chǎng)間隔503;3) 具有脈沖高度(-Bo)和持續(xù)時(shí)間t，的負(fù)脈沖505;4) 持續(xù)時(shí)間為(T，-t，)的零場(chǎng)間隔503，。在所示出的實(shí)例中，接連的非零脈沖504、 505的幅度絕對(duì)值和持 續(xù)時(shí)間相等，也就是說(shuō)l+Bol叫-Bnl并且t=t，，此外，所述零場(chǎng)間隔503 和503，的持續(xù)時(shí)間相等，即(T-t"(T，-t，)。但是并不一定是這種情況。 因此，負(fù)脈沖505例如有可能緊隨在正脈沖504之后(如果T=t的話)， 并且/或者具有不同的絕對(duì)脈沖高度和/或持續(xù)時(shí)間。所述脈沖序列500的一個(gè)^艮重要的方面在于，所述正和負(fù)脈沖(至 少部分地)在時(shí)間平均值方面形成補(bǔ)償。因此，所述傳感器可以被設(shè) 置到一個(gè)明確定義的磁狀態(tài)，在所述磁狀態(tài)下剩余明確定義的DC磁 化，所述剩余DC磁化優(yōu)選地是零(但不限于零)。當(dāng)期望有凈DC磁 化時(shí)，可以偏移所述磁場(chǎng)或者用于生成所述磁場(chǎng)的電流的零水平。應(yīng) 當(dāng)注意到，場(chǎng)極性的反轉(zhuǎn)將不會(huì)影響致動(dòng)機(jī)制，這是因?yàn)楸皇┘釉谒?述磁珠上的磁力與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成比例(或者與生成場(chǎng)的電流的平 方成比例)。圖8還示出脈沖高度的絕對(duì)值在所述脈沖模式500的開頭從零逐 漸增大到最終值IBol;類似地，脈沖高度在所述脈沖模式500的末尾逐 漸減小到零。因此，所述脈沖模式500的包絡(luò)506為菱形，并且磁場(chǎng) 活動(dòng)溫和地漸入及漸出。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于可以消除所述激勵(lì)線圈和22GMR傳感器中的任何殘留磁化，從而在關(guān)斷所述致動(dòng)電流之后所述磁 珠不會(huì)發(fā)生位移，并且所述GMR傳感器的靈敏度不會(huì)發(fā)生改變。
所描述的"脈沖補(bǔ)償，，的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于不需要重置程序，從 而不需要額外的重置線圈。從而也可以避免所述磁珠在重置期間的不 合期望的機(jī)械位移。所提出的方法還消除由于過(guò)去施加的磁場(chǎng)(例如 在制造期間或者在物流鏈期間施加的磁場(chǎng))而存在于所述傳感器中的 任何DC磁化。
如果所述凈磁化為零，則有可能在所述零場(chǎng)間隔503、 503，期間進(jìn) 行磁珠測(cè)量。這樣就允許在致動(dòng)期間進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于在這種情況 下也消除了所述磁珠中的凈DC磁化，因此例如有可能使用更大的鐵磁 性磁珠，而不會(huì)出現(xiàn)聚蔟和未定義的磁響應(yīng)。更大的磁珠在加速所述 測(cè)定(更大的致動(dòng)力)和檢測(cè)SNR方面可能會(huì)獲得有利的結(jié)果。
總而言之，所提出的對(duì)于偶極脈沖磁場(chǎng)的使用特別可以提供以下 優(yōu)點(diǎn)
由于不需要重置線圏而降低了成本；
由于消除了 DC磁場(chǎng)而得到更好的信號(hào)穩(wěn)定性；
對(duì)于致動(dòng)場(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)(例如允許使用更簡(jiǎn)單的線圈)和所述GMR 傳感器中的平面內(nèi)磁場(chǎng)方面的機(jī)械對(duì)齊的約束更少；
由于可以使用更大的非超順磁性磁珠而導(dǎo)致更高的SNR和更快的 測(cè)定；
致動(dòng)期間的動(dòng)態(tài)測(cè)量；
由于沒(méi)有額外的重置程序與相關(guān)聯(lián)的磁珠位移而得到更精確的致動(dòng)。
圖9示出了被施加到所述基板中的導(dǎo)體12以用于在檢測(cè)所述磁珠 的過(guò)程中激勵(lì)所述磁珠的正弦導(dǎo)體電流le的示例性圖示600。該圖示的 橫軸601表示時(shí)間(以任意單位計(jì))，縱軸602表示所述導(dǎo)體電流Ic (以任意單位計(jì))，或者等效地表示由于該電流所生成的激勵(lì)磁場(chǎng)而導(dǎo) 致的平面內(nèi)磁化。所述導(dǎo)體電流Ie的包絡(luò)606為菱形，其在起始和末 尾處分別具有逐漸增大/減小的幅度。所述導(dǎo)體電流的這一特定過(guò)程和 相關(guān)聯(lián)的串?dāng)_磁場(chǎng)可以幫助避免在所述導(dǎo)體12的旁邊嵌入在所述基板 中的所述GMR傳感器11的磁化，否則將由激勵(lì)電流的快速接通/關(guān)斷 而導(dǎo)致所述磁化。此外，其還可以幫助對(duì)所述GMR傳感器11進(jìn)行去磁化。由于其緩慢的接通和關(guān)斷，與通常的檢測(cè)程序相比可以增大所 述導(dǎo)體電流Ic。這將在所述磁阻元件11處生成更多熱量，從而有益于
消除所述DC磁化。
應(yīng)當(dāng)注意到，"包括" 一詞不排除其他元件或特征，并且"一個(gè)" 不排除多個(gè)。此外還可以把關(guān)于不同實(shí)施例描述的元件相組合。
還應(yīng)當(dāng)注意到，權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被理解為限制權(quán) 利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于感測(cè)磁性粒子(15)的傳感器設(shè)備(50)，所述傳感器設(shè)備(50)包括基板(25)；被提供在所述基板(25)之上和/或其中和/或附近的感測(cè)單元(11、20)，其被適配成感測(cè)表示所述磁性粒子(15)的存在的檢測(cè)信號(hào)；被提供在所述基板(25)之外的磁場(chǎng)控制單元(30到34)，其被適配成生成與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)以便與所述磁性粒子(15)相互作用。
2、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(50),其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成關(guān)于所述基板(25) 和/或關(guān)于所述感測(cè)單元(11， 20)引導(dǎo)所述磁性粒子(15)。
3、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34);故適配成生成脈沖磁場(chǎng)。
4、 權(quán)利要求3的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖包括交替的第一磁場(chǎng)值(403， 503, 503，)和第二磁場(chǎng)值(405， 504, 505)的序列，所述第一磁場(chǎng)值(403， 503， 503，)的絕對(duì)值實(shí)質(zhì)上4氐于所述笫二磁場(chǎng)值(405， 504, 505)的 絕對(duì)值。
5、 權(quán)利要求4的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述第一磁場(chǎng)值(403, 503， 503，)基本上是零，并且所述 第二磁場(chǎng)值(405, 504， 505)不同于零。
6、 權(quán)利要求4的傳感器設(shè)備(50),其中，所述第一磁場(chǎng)值(403， 503， 503，)的持續(xù)時(shí)間處在基本上 0.05s到基本上10s之間的范圍內(nèi)，特別處在基本上0.2s到基本上ls之 間的范圍內(nèi)。
7、 權(quán)利要求3的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖包括至少兩個(gè)具有相反符號(hào)的非零脈 沖(504, 505)。
8、 權(quán)利要求7的傳感器設(shè)備(50)，其中，每一對(duì)接連的非零脈沖(504， 505)中的脈沖具有相反符號(hào)。
9、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)的特征參數(shù)的時(shí)間平均值近似為零。
10、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)具有從零逐漸增大和/或逐漸減小到 零的包絡(luò)(506)。
11、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成生成所述與時(shí)間相 關(guān)的磁場(chǎng)，這是通過(guò)向該磁場(chǎng)控制單元(30到34)施加與時(shí)間相關(guān)的 電激勵(lì)信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的。
12、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成生成所述與時(shí)間相 關(guān)的磁場(chǎng)，這是通過(guò)按照與時(shí)間相關(guān)的方式關(guān)于所述基板(25)移動(dòng)、 特別是旋轉(zhuǎn)和/或平移和/或往復(fù)移動(dòng)所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)而 實(shí)現(xiàn)的。
13、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成在傳感器事件之前 把所述磁性粒子(15)聚集在所述感測(cè)單元(11、 20)的環(huán)境中。
14、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50),其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成在傳感器事件之后 從所述感測(cè)單元(11， 20)中去除未結(jié)合磁性粒子(15)。
15、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50),其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成以處在基本上O.lHz 到基本上lkHz之間的范圍內(nèi)的頻率來(lái)生成所述與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)，特 別是處在基本上1Hz到基本上100Hz之間的范圍內(nèi)的頻率。
16、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50)，其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)被適配成重置磁體。
17、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50),其中，所述磁場(chǎng)控制單元(30到34)包括由電磁體(31到34)和 永磁體構(gòu)成的組中的至少一項(xiàng)。
18、 權(quán)利要求1的傳感器設(shè)備(80)，其包括被提供在所述基板(25)的表面處的捕獲分子(75)，所 述捕獲分子被適配成用于通過(guò)雜化與附著到所述磁性粒子(15)上的 互補(bǔ)分子(76)結(jié)合。
19、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50),其被適配成包括以下各項(xiàng)的組中的一項(xiàng)GMR傳感器設(shè)備、AMR 傳感器設(shè)備、TMR傳感器設(shè)備、Ha，l傳感器設(shè)備或利用表面等離子共 振或漸逝電磁場(chǎng)的光學(xué)傳感器、或者利用表面聲波的機(jī)械傳感器。
20、 權(quán)利要求l的傳感器設(shè)備(50)，其包括被提供在所述基板(25)之上和/或其中的磁場(chǎng)發(fā)生器單元 (12)，所述磁場(chǎng)發(fā)生器單元被適配成生成磁場(chǎng)以用于檢測(cè)所述磁性粒 子(15)的存在。
21、 權(quán)利要求20的傳感器設(shè)備(50)，其包括用于為所述磁場(chǎng)發(fā)生器單元(12)提供激勵(lì)電流(le， 600) 的控制單元(20)，其中所述激勵(lì)電流具有從零逐漸增大和/或逐漸減 小到零的包絡(luò)(606)。
22、 一種感測(cè)磁性粒子(15)的方法，所述方法包括以下步驟 通過(guò)被提供在基板之上和/或其中和/或附近的感測(cè)單元(11， 20)來(lái)感測(cè)表示所述磁性粒子(15)的存在的檢測(cè)信號(hào)；通過(guò)被提供在所述基板(25)之外的磁場(chǎng)控制單元(30到34)生 成與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)，以便與所述磁性粒子(15)相互作用。
23、 一種程序元件，當(dāng)由處理器(20， 30)執(zhí)行時(shí)，所述程序元 件被適配成控制或?qū)嵤?quán)利要求22的感測(cè)磁性粒子(15)的方法。
24、 一種其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)由處理器 (20， 30)執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序被適配成控制或?qū)嵤?quán)利要求22 的感測(cè)磁性粒子(15)的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于感測(cè)磁性粒子(15)的傳感器設(shè)備(50)，所述傳感器設(shè)備(50)包括基板(25)；被提供在所述基板(25)之上和/或其中和/或附近的感測(cè)單元(11、20)，其被適配成感測(cè)表示所述磁性粒子(15)的存在的檢測(cè)信號(hào)；以及被提供在所述基板(25)之外的磁場(chǎng)控制單元(30到34)，其被適配成生成與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)以便與所述磁性粒子(15)相互作用。
文檔編號(hào)G01N33/543GK101632018SQ200780051724
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月23日
發(fā)明者A·H·J·英明克, J·A·H·M·卡爾曼, J·H·紐溫休斯, P·J·W·范蘭克維爾特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司