基于磁性粒子的集群動(dòng)態(tài)的測量的生物傳感器的制造方法
【專利說明】基于磁性粒子的集群動(dòng)態(tài)的測量的生物傳感器
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種適于利用磁性納米粒子快速及敏感檢測目標(biāo)分析物的新型的生 物傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 嵌入于聚合基質(zhì)中的磁性納米粒子及磁性納米珠粒(MNB)(亦即，超順磁納米粒 子)代表現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中的一廣泛流傳工具。特定地，近年來已探索其在不同生物感測 方案中的利用。磁性納米粒子與一外部磁場之間的遠(yuǎn)距相互作用使得能夠容易操縱及敏感 檢測。由利用磁場及磁性載體的生物感測方法提供的主要優(yōu)點(diǎn)在于，生物媒介具有一本質(zhì) 低磁化率，且磁性相互作用大體上不受表面電荷、pH值、離子濃度或溫度影響。此外，歸因于 潛在低成本、裝置的簡單及可實(shí)現(xiàn)的高敏感性，實(shí)現(xiàn)一種基于磁性載體W捕獲、分類及檢測 生物媒介中的目標(biāo)分析物的微流體裝置是尤其吸引人的。
[0003] US7639359公開一種用于通過測量經(jīng)生物功能化的磁性納米粒子的單個(gè)粒子動(dòng)態(tài) 而檢測分析物的方法。US7639359中的該方法包括將線性極化光施加至經(jīng)受一振蕩磁場的 經(jīng)生物功能化的納米粒子懸浮液，且隨后當(dāng)通過磁性納米粒子懸浮液時(shí)測量光的極化如何 旋轉(zhuǎn)。在此情況中，所監(jiān)測的信號(hào)在相對于磁場激發(fā)的第一諧波信號(hào)中。
[0004] US7639359中公開的方法的一缺點(diǎn)在于其是復(fù)雜的，歸因于光極化旋轉(zhuǎn)，其依賴于 一非常小信號(hào)，且因此該設(shè)置是昂貴的，運(yùn)是因?yàn)槠湫枰T如對準(zhǔn)極化器的光學(xué)組件W便 確保正確測量光極化的旋轉(zhuǎn)。US7639359中公開的方法的另一缺點(diǎn)在于其需要大體上未有 效光散射的單域磁性納米粒子W便工作。
[0005] US20120003750公開一種用于通過測量經(jīng)生物功能化的超順磁粒子的分析物驅(qū)動(dòng) 集群形成物的動(dòng)態(tài)而檢測一分析物的方法。US20120003750中的該方法包括允許一懸浮液 中的超順磁粒子在一旋轉(zhuǎn)磁場的存在下形成分析物驅(qū)動(dòng)集群，且其后W驅(qū)動(dòng)頻率的高次諧 波測量散射光的強(qiáng)度及振幅。
[0006] US20120003750中公開的方法的一缺點(diǎn)是需要產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)同相磁場的電磁體。具 有產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)場的電磁體將占據(jù)更多空間，因此限制小型化生物傳感器設(shè)置或?qū)⒃撛O(shè)置整 體形成于其他系統(tǒng)中的實(shí)際意義。此外，歸因于自入射光W-大角自磁性珠粒散射的光的 信號(hào)極其低(尤其對于幾百nm直徑的粒子），且需要一大區(qū)域及非常敏感光檢測器或光倍增 器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本文公開一種生物傳感器，該生物傳感器包括磁性粒子懸浮液及容納該磁性粒子 懸浮液的光學(xué)儲(chǔ)器。該光學(xué)儲(chǔ)器可W是一比色管或類似物。
[000引該生物傳感器還包括光源，該光源W-波長A發(fā)射具有強(qiáng)度I的光，該光源指向該 光學(xué)儲(chǔ)器且適于與該磁性粒子懸浮液相互作用，其中進(jìn)入該光學(xué)儲(chǔ)器的光具有強(qiáng)度Iin,且 透射穿過該光學(xué)儲(chǔ)器的光具有強(qiáng)度Itrans。該光源可W是發(fā)射在(例如)紅外線（IR)、可見或 一紫外線(UV)光譜區(qū)域中的光的一激光、一發(fā)光二極管(LED)、一 UV燈等。
[0009] 該生物傳感器還包括一磁場產(chǎn)生單元，該磁場產(chǎn)生單元產(chǎn)生W在開始頻率fx, start 與結(jié)束頻率fx,end之間可變的頻率fx振蕩的振蕩單軸磁場，該振蕩單軸磁場施加至容納磁性 粒子懸浮液的光學(xué)儲(chǔ)器，從而該磁性粒子懸浮液被調(diào)整成使得，與進(jìn)入光學(xué)儲(chǔ)器的光的強(qiáng) 度Iin相比，透射穿過磁性粒子懸浮液的光的強(qiáng)度Itrans被調(diào)整。
[0010] 該生物傳感器進(jìn)一步包括檢測單元，該檢測單元測量透射穿過光學(xué)儲(chǔ)器中的磁性 粒子懸浮液的光的強(qiáng)度Itrans，其中隨著從開始頻率fx, start至結(jié)束頻率fx, end掃掠 (sweep，掃 描)振蕩單軸磁場，W在開始頻率fy, start與結(jié)束頻率fy, end之間變化的頻率fy檢測透射的光 的強(qiáng)度Itrans的調(diào)整(modulation),其中檢測頻率fy不同于第一諧波分量fx。
[0011] 生物傳感器主要用于測量通過振蕩單軸磁場驅(qū)動(dòng)的磁性粒子的動(dòng)態(tài)集群行為。可 替換地，生物傳感器還可用于在施加外部磁場后/時(shí)的粒子集群分離/重組的時(shí)間解析測 量。
[0012] 從而因?yàn)閮H需要幾個(gè)元件，且存在用于交換設(shè)置中的個(gè)別零件的多種選項(xiàng)，所W 獲得簡單、靈活且廉價(jià)的生物傳感器。重要的是，可將任何種類的光源引入至不需要線性極 化光的系統(tǒng)中，激光光源或極化器按定義將增加生物傳感器的復(fù)雜性及成本兩者。
[0013] 用于生物傳感器的振蕩單軸磁場是有益的，運(yùn)是因?yàn)槠浣档褪股飩鞲衅鬟m于實(shí) 施為多種裝置的總空間需求。通過測量透射穿過磁性粒子懸浮液的光的強(qiáng)度Itrans的調(diào)整且 并非光的極化改變，甚至在光已透射穿過樣本多次之后還可記錄測量，進(jìn)一步增加生物傳 感器的靈活性。
[0014] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，透射的光的強(qiáng)度Itrans的第二諧波(fy=2fx)或高次諧波 分量通過檢測單元檢測。
[001引在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁性粒子用諸如（舉例而言）抗體、dna、rna、縮氨酸 (peptide)、蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)復(fù)合物的生物活性配位基功能化。生物活性配位基能夠結(jié)合 至/捕獲待分析樣本中的目標(biāo)/分析物分子，從而可容易檢測此目標(biāo)/分析物的存在。術(shù)語目 標(biāo)/分析物分子還包括細(xì)胞或細(xì)菌。
[0016] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁性粒子具有非零殘留磁矩。運(yùn)能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)別粒子的實(shí) 體旋轉(zhuǎn)且?guī)椭蛛x有序例子總體(例如，鏈）。
[0017] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁性粒子W在0.化g/mL至2000yg/mL范圍內(nèi)的懸浮液濃 度存在?？商鎿Q地，懸浮液濃度可在0.化g/mL至50化g/mL的范圍內(nèi)，或在0.化g/血至50iig/ mL的范圍內(nèi)。
[001引在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁性粒子是磁性珠粒，諸如(舉例而言)磁性聚合珠粒。個(gè) 別粒子沿施加的振蕩單軸磁場具有可忽略的光學(xué)各向異性，在運(yùn)種意義上，磁性粒子基本 上可為球形的?？商鎿Q地，磁性粒子可具有更不規(guī)則的形狀，但仍具有振蕩單軸磁場施加的 個(gè)別粒子的總體的可忽略的光學(xué)各向異性。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，基本上球形的磁性粒 子具有介于IOnm與3000nm之間的直徑。粒子還可介于20nm與1000 nm之間或介于50nm與 250nm之間。
[0019] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁場產(chǎn)生單元是產(chǎn)生介于fx,Start = O. IHz與fx,end=10曲Z 之間的時(shí)間變化磁場的電磁體，該磁場具有介于0.1 mT與5mT之間的磁場強(qiáng)度
[0020] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，光源是發(fā)射在(例如)紅外線（IR)、可見或紫外線(UV)光 譜范圍內(nèi)的光的激光、發(fā)光二極管(LED)、UV燈等。
[0021 ]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，所發(fā)射的光經(jīng)線性極化。
[0022] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，該生物傳感器進(jìn)一步包括定位于光源與光學(xué)儲(chǔ)器之間的 極化器。控制光的極化可用W增強(qiáng)信號(hào)。
[0023] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，該生物傳感器進(jìn)一步包括至少一個(gè)反射物，該至少一個(gè) 反射物經(jīng)定位成使得，透射穿過光學(xué)儲(chǔ)器中的磁性粒子懸浮液且通過光學(xué)儲(chǔ)器中的磁性粒 子懸浮液進(jìn)行調(diào)整的光和/或透射穿過光學(xué)儲(chǔ)器未通過磁性粒子懸浮液進(jìn)行調(diào)整的光通過 該反射物反射回而穿過光學(xué)儲(chǔ)器。從而允許光通過光學(xué)儲(chǔ)器兩次。因?yàn)闄z測單元及光源W 此方式可整體形成一個(gè)單元從而減小生物傳感器的空間，所W運(yùn)是有利的。
[0024] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，光源及檢測單元整體形成于(例如）來自一 CD播放器、一 DVD播放器或一藍(lán)光(Blu-ray)播放器的光學(xué)讀取頭中。
[0025] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，該生物傳感器用于診斷目的。運(yùn)些應(yīng)用可（例如）用于分 析血液、鼠尾草、尿液、水、血漿或血清。
[0026] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，一種或多種粒子混合在一起。不同類型的粒子可具有不 同尺寸、不同性質(zhì)（諸如磁性或非磁性），或在粒子是磁性的情況下它們可具有不同的磁化 率。
[0027] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，磁性粒子可用巧光染料功能化或合并有巧光染料。
[00%]本文中還公開了一種通過光透射使用根據(jù)上文的生物傳感器用于檢測磁性粒子 動(dòng)態(tài)的方法。該方法包括W下步驟：
[0029] -混合待分析的樣本流體與光學(xué)儲(chǔ)器中的磁性粒子懸浮液；
[0030] -引導(dǎo)光源W波長A發(fā)射具有強(qiáng)度I的光穿過光學(xué)儲(chǔ)器；
[0031 ]-提供W頻率fx振蕩的單軸磁場；
[0032] -將單軸磁場施加至光學(xué)儲(chǔ)器，從而將磁性粒子懸浮液調(diào)整成使得，與進(jìn)入光學(xué)儲(chǔ) 器的光的強(qiáng)度Iin相比，透射穿過磁性粒子懸浮液的光的強(qiáng)度Itrans被調(diào)整；
[0033] -從開始頻率fx,start至結(jié)束頻率fx,end掃掠(sweep)單軸磁場；W及
[0034] -隨著從開始頻率fx, start至結(jié)束頻率fx, end掃掠單軸磁場，W在開始頻率fy, start與 結(jié)束頻率fy,end之間變化的頻率fy測量透射穿過光學(xué)儲(chǔ)器中的磁性粒子懸浮液的光的強(qiáng)度 Itrans，頻率fy與第一諧波分量f X不同。
[0035] 從而該生物傳感器還可用于在施加磁場之后的粒子弛豫的時(shí)間解析測量。
[0036] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，測量透射光的強(qiáng)度Itrans的第二諧波(fy = 2fx)或高次諧 波分量。
[0037] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，從fx,Start = O. IHz的開始頻率至fx,Gnd=IOkHz的結(jié)束頻率 掃掠單軸磁場。
[0038] 用于測量的檢測方案可包括來自光源的光的波長的變化和/或光的接通/斷開， 和/或W調(diào)整的來自光源的光的頻率與磁場的頻率的整體（integer,整