專利名稱：用于富集磁性粒子的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于富集樣本流體中的磁性粒子的方法和相應(yīng)的準(zhǔn)備設(shè)備。
背景技術(shù)：
WO 2008/155716公開了一種光學(xué)生物傳感器，其中輸入光束被全內(nèi)反射，并且在反射表面處關(guān)于目標(biāo)成分的數(shù)量檢測及評估所得到的輸出光束。所述目標(biāo)成分包括作為標(biāo)簽的磁性粒子，其允許通過磁力影響樣本中的各種過程。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上背景，本發(fā)明的一個目的是提供允許利用生物傳感器檢測低濃度的目標(biāo)物質(zhì)的措施。所述目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的準(zhǔn)備設(shè)備和根據(jù)權(quán)利要求2的方法實現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選實施例。根據(jù)其第一方面，本發(fā)明涉及一種用于富集樣本流體中的磁性粒子的準(zhǔn)備設(shè)備。 在這一情境中，特定類型的磁性粒子和特定樣本流體的組合應(yīng)當(dāng)被視為給定的并且具有預(yù)定的特性，特別在磁性粒子的磁性屬性及其在例如磁力的影響下在樣本流體中的遷移速度方面尤其是這樣。所述準(zhǔn)備設(shè)備具有適配于給定磁性粒子和樣本流體的設(shè)計。其包括具有第一和第二磁極的致動器磁體，其中應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)以下特征
a)致動器磁體的所述磁極通過樣本空間分隔開，具有給定樣本流體的樣本卡盒可以被插入到所述樣本空間中。因此，對于樣本流體的處理可以在磁場所集中的兩個磁極之間的間隙中進行。b)第一磁極被錐化成具有單個(相連的)尖端區(qū)段，在該處，第二磁極與第一磁極的各表面點之間的距離是局部最小的。對象X與表面點之間的距離的“局部最小值”意味著所述點在所述表面上沒有到X的距離更小的相鄰點(但是相鄰點可能具有相同的距離， 因此也屬于所述尖端區(qū)段)。由于應(yīng)當(dāng)只有距離的單個局部最小值(其在第一磁極的尖端區(qū)段中被取得)，因此該距離同時也是兩個磁極之間的全局距離最小值。c)所述致動器磁體被設(shè)計成使得所述樣本空間中的磁通量可以(在所述設(shè)備的操作期間)高到足以將給定磁性粒子(當(dāng)其處于所述樣本空間內(nèi)時)磁化到其飽和磁化的至少大約50%，優(yōu)選地磁化到大約90% (其中“大約”通常意味著對應(yīng)數(shù)值的正負20%)。必須在整個樣本空間內(nèi)提供的最小磁通量的具體數(shù)值必須是從給定磁性粒子的屬性導(dǎo)出的，這可以容易地基于可用數(shù)據(jù)表或者簡單的測量來實現(xiàn)。d)此外，所述致動器磁體應(yīng)當(dāng)被設(shè)計成使得在所述樣本空間內(nèi)(在所述設(shè)備的操作期間)存在磁場梯度，所述磁場梯度可以高到足以引起給定磁性粒子(當(dāng)其處于所述樣本空間內(nèi)時)以至少給定的平均遷移速度發(fā)生遷移。所述平均遷移速度是必須預(yù)先選擇的設(shè)計參數(shù)。其數(shù)值越高，磁性粒子的富集就將越快。在典型的實例中，最小平均遷移速度的范圍處在大約1 μ m/s到lmm/s之間?；谄骄w移速度的給定數(shù)值，可以容易地從數(shù)據(jù)表或者從對于給定磁性粒子和樣本流體進行的測量導(dǎo)出樣本空間內(nèi)的所需磁場梯度。本發(fā)明還涉及一種用于富集具有給定特性的樣本流體中的磁性粒子的相應(yīng)方法， 所述方法包括以下步驟
a)在樣本空間內(nèi)提供具有磁性粒子的樣本流體。b)在所述樣本空間內(nèi)建立磁通量，其高到足以將給定磁性粒子磁化到其飽和磁化的至少大約50%，優(yōu)選地磁化到大約90%。C)在所述樣本空間內(nèi)建立磁場梯度，其大到足以引起所述磁性粒子以至少給定平均遷移速度發(fā)生遷移，其中所述遷移是朝向單個尖端區(qū)段。所述方法一般來說包括可以利用前面定義的準(zhǔn)備設(shè)備執(zhí)行的規(guī)程。因此，所述方法優(yōu)選地是利用這樣的設(shè)備執(zhí)行的。前面描述的準(zhǔn)備設(shè)備和方法的優(yōu)點在于，其允許以高效率富集樣本流體中的磁性粒子，這是因為樣本流體中的磁通量和磁場梯度都是關(guān)于所考慮的特定磁性粒子和樣本流體的屬性而確定的。有可能使用該設(shè)備和方法將樣本的加有磁性標(biāo)簽的目標(biāo)成分富集到一定水平，在該水平下可以通過生物傳感器容易且可靠地檢測到所述目標(biāo)成分，或者可以例如在集成的芯片實驗室器件或卡盒中對其進行進一步的操縱和處理。因此可以擴展生物傳感器的檢測極限，同時仍然提供適于簡單和快速的(例如戶外)應(yīng)用的規(guī)程。緊湊性使得所述設(shè)備特別適合于與其他組件(例如生物傳感器)集成在一起，從而產(chǎn)生有利的近患者(護理點(point-of-care))設(shè)定。下面將描述本發(fā)明的與前面描述的準(zhǔn)備設(shè)備和方法有關(guān)的其他發(fā)展。對應(yīng)于應(yīng)當(dāng)在樣本空間內(nèi)建立的磁通量的具體數(shù)值的范圍優(yōu)選地處于大約50mT 以上。最為優(yōu)選的是大約IOOmT的數(shù)值。利用這些數(shù)值，可以對于實踐中常用的多種磁性粒子(例如其直徑通常處在大約3nm到5 μ m之間的超順磁性磁珠)實現(xiàn)所期望的磁化程度。對應(yīng)于應(yīng)當(dāng)在樣本空間內(nèi)(每一處)在操作期間建立的磁場梯度的具體數(shù)值是至少0. 2T/m，優(yōu)選的是至少0. 6T/m。這些數(shù)值被證明對于多種實踐中重要的磁性粒子和樣本流體會生成令人滿意的遷移速度。通過這樣的梯度數(shù)值所能實現(xiàn)的典型的平均遷移速度的范圍處在大約10 μ m/s到300 μ m/s之間。所述樣本空間優(yōu)選地具有大約0. Iml到大約IOml的體積，最為優(yōu)選的是大約Iml。 由于許多已知的生物傳感器處理幾μ 1的較小樣本體積，因此當(dāng)大約Iml的初始樣本體積被減小到生物傳感器所需的μ 1尺寸時，可以實現(xiàn)大約1000的富集因數(shù)。因此可以把生物傳感器的檢測極限擴展幾個數(shù)量級。第一磁極的各表面點與第二磁極的最大距離的范圍優(yōu)選地處在大約5mm到大約 20mm之間。具體數(shù)值將根據(jù)所施加的電激勵來選擇，也就是給定線圈規(guī)格下的電力輸入。 因此，相當(dāng)?shù)湫偷臄?shù)值是大約10mm。第一磁極的各表面點與第二磁極的最小距離的范圍優(yōu)選地處在大約2mm到大約 18mm之間，優(yōu)選地具有大約4. 5mm的數(shù)值。此外，所述致動器磁體的至少其中一個磁極優(yōu)選地覆蓋大約IOOmm2到大約600mm2 之間的面積，優(yōu)選的是大約300mm2。在這一情境中，“磁極面積”由垂直于磁極之間的磁場的平均方向的橫截面定義。優(yōu)選地，兩個磁極的對應(yīng)面積基本上具有相同的尺寸。前面對于磁極的幾何結(jié)構(gòu)所提到的具體數(shù)值被證明適合于實踐中出現(xiàn)的許多典型的邊界條件。就其定義來說，第一磁極的“尖端區(qū)段”是其中第一磁極的各表面點與第二磁極的距離局部最小的(相連)區(qū)域。為此，所述尖端區(qū)段(或者更精確地說是與該尖端區(qū)段相鄰的樣本空間體積)將是樣本空間內(nèi)的磁性粒子在所施加的磁場的影響下遷移到的目標(biāo)區(qū)。取決于磁極的具體設(shè)計，所述尖端區(qū)段可以是二維區(qū)域、(近似的)一維線或者(近似的)一點。 后一個實施例的優(yōu)點在于，其在所述富集規(guī)程期間會提供磁性粒子的最高空間濃度。一般來說，第一磁極的表面以及第二磁極的表面可以具有任意形狀，只要滿足假設(shè)的特征即可(例如單個尖端區(qū)段的存在)?？梢躁P(guān)于其意圖的效果優(yōu)化所述錐化的第一磁極的表面形狀，例如通過在卡盒的外部區(qū)段實施能夠獲得更強磁場梯度的拋物線形狀，從而可以加速存在于所述區(qū)段內(nèi)的單個粒子的移動。在一個優(yōu)選實施例中，第一磁極的表面由一個或更多平面狀的面構(gòu)成。這樣的面可以容易地制造。此外，與第二磁極的類似地簡單的(例如平面狀的)表面相組合，對于這樣的設(shè)計可以容易地估計沿著所述面的邊緣出現(xiàn)的磁場梯度的極值。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，所述致動器磁體包括磁軛，所述磁軛具有構(gòu)成具有中間的樣本空間的第一和第二磁極的兩個相對末端。與通常的情況一樣，“磁軛”代表具有高磁導(dǎo)率的材料的(彎曲)條棒，其被用來集中磁場線。根據(jù)前面提到的實施例的另一項發(fā)展，所述磁軛延伸穿過至少一個電磁線圈。因此，為該線圈提供電流的做法可以被用來可控地生成磁場，該磁場被所述磁軛引導(dǎo)到磁極之間的樣本空間。前面提到的線圈優(yōu)選地被設(shè)計成具有一定數(shù)目的N ^ 1個繞組，可以為所述繞組提供電流I (在穩(wěn)定操作模式下，即觀測給定電流密度極限等等)，其中乘積N I的范圍處在大約500A到大約2000A之間。可行的是設(shè)計對應(yīng)于這些數(shù)值的致動器磁體，其適于被集成到緊湊的富集設(shè)備中并且在樣本空間內(nèi)提供適當(dāng)?shù)拇艌?。根?jù)另一個實施例，所述磁軛可以包括用于在該磁軛中并且從而在所述磁極之間生成磁場的永磁體。所述永磁體可以被單獨使用或者與前面提到的電磁線圈相組合地使用。所述永磁體可以可選地構(gòu)成可換組件，其可以在期望時被插入到磁軛中或者可以從磁軛中移除(并且例如由中性磁軛材料塊替換)。


參照下文中描述的(多個)實施例，本發(fā)明的上述和其他方面將變得顯而易見并且將對其進行闡述。下面將借助于附圖通過舉例的方式描述這些實施例，其中
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的準(zhǔn)備設(shè)備； 圖2示出了磁極尖端的斜率和寬度對于磁珠的行程時間所具有的沖突效果； 圖3示出了準(zhǔn)備設(shè)備的一種具體實現(xiàn)方式的透視圖； 圖4示出了對應(yīng)于圖3的設(shè)備的具有一個面的磁極； 圖5示出了對應(yīng)于圖3的設(shè)備的具有兩個面的磁極； 圖6示出了一個示例性樣本卡盒。相同的附圖標(biāo)記或者相差100的整數(shù)倍的附圖標(biāo)記在各圖中指代完全相同或類似的組件。
具體實施例方式檢測生物流體中的核酸需要一系列處理步驟，比如樣本富集、細胞溶菌、DNA隔離以及放大。由于目標(biāo)分析物常常只能以微量獲得，因此需要較大的樣本體積來收集在統(tǒng)計上足夠數(shù)量的分子。在這樣的環(huán)境中，所述檢測受到源自樣本的其他組分的背景噪聲的妨礙，比如血液細胞或細胞碎片。因此希望提取出可用的目標(biāo)分子并且將其引入到較小的體積中，從而有效地提高其濃度。其結(jié)果是可以滿足由后續(xù)感測處理的檢測極限所施加的要求。此外，生物傳感器的可處理樣本體積在理想情況下不大于幾微升，因此可以實現(xiàn)微流體器件的典型特性，例如試劑的低消耗和快速反應(yīng)動力學(xué)。但是這種尺寸的低濃度樣本可能不包含允許獲得可靠檢測結(jié)果的足夠目標(biāo)分子。在基于磁性粒子(磁珠)的生物傳感器中，目標(biāo)分子(例如核酸)可能是通過對于所述磁珠的表面的特定或非特定附著而從初始體積捕獲的。在富集步驟中，于是可以使用外部磁場從所述初始體積收集粒子并且將其轉(zhuǎn)移到受限的區(qū)段，從而提高其局部濃度并且對其進行準(zhǔn)備以用于進一步的處理。在這樣的基于磁珠的生物傳感器中的技術(shù)挑戰(zhàn)在于將要凈化的通常較大的初始樣本體積，其在這里假設(shè)是至少1ml。針對磁珠的定向移動的先前的技術(shù)解決方案通常處理小得多的流體體積，并且無法容易地被適配于所期望的樣本尺寸，這是因為所生成的磁力的范圍不足夠(參照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)。通過利用磁珠來凈化樣本體積的其他已知設(shè)計具有大量移動部件的特征，并因此對于手持式解決方案來說不夠穩(wěn)健(EP 1 621 890 Al)。出于以上原因，高效的樣本凈化被視為未來的生物傳感器應(yīng)用的一項關(guān)鍵特征。 因此希望開發(fā)出盡可能多地滿足以下要求的磁性致動器
-其可以把懸浮磁珠從毫升體積集中到微升體積。-其工作電力效率高到足以允許電網(wǎng)外操作。-其在少于大約5分鐘之內(nèi)完成富集處理。-其與隨后的處理步驟兼容。-其在沒有機械移動部件的情況下理想地工作。為了滿足以上要求，在這里提出一種準(zhǔn)備設(shè)備，其中致動器單元由磁性電路構(gòu)成， 所述磁性電路包括氣隙和至少一個磁場發(fā)生器(例如場線圈)。所述設(shè)備的至少其中一個磁極尖端具有錐化形狀，從而使得在所述磁極尖端之間存在最小距離區(qū)段。在所述設(shè)備的操作期間，磁極尖端之間的磁通量密度在最小距離位置處表現(xiàn)出最大值。如果包含懸浮磁珠的流體樣本被引入到所述氣隙中，則所述磁場的梯度將引發(fā)粒子朝向所述磁場最大值的遷移。圖1示意性地示出了根據(jù)前面的原理的準(zhǔn)備設(shè)備100的側(cè)視圖。作為一個主要組件，準(zhǔn)備設(shè)備100包括致動器磁體110，其(特別)由C形磁軛113實現(xiàn)，所述磁軛具有彼此相對地布置的、其間具有中間氣隙或樣本空間115的第一磁極111和第二磁極112。磁軛113 的兩個分支被線圈121圍繞，可以為所述線圈提供電流以便在磁軛并且相應(yīng)地在樣本空間 115中生成磁場。此外，永磁體122可以可選地被集成到磁軛中，從而優(yōu)選地使其可以在期望時被“普通”磁軛材料所替換。第二磁極112具有垂直于該分支中的磁軛軸(ζ方向)的平坦表面，而第一磁極111 則被錐化(楔形)成在一端具有單個尖端τ。第一磁極111的表面上的各點與第二磁極112 之間的距離因此就從最大值Smax減小到最小值Smin，所述最小值在尖端T處取得(應(yīng)當(dāng)提到的是，該距離是非對稱地定義的，也就是說考慮第一磁極表面上的單個點相對于整個第二磁極)。第一和第二磁極111、112在χ方向上的寬度是W。假設(shè)正方形橫截面，則相同的數(shù)值w也描述所述磁極在y方向上的深度。從數(shù)值八in、Smax和w，可以通過下式計算出第一磁極的傾角α。
權(quán)利要求
1.一種用于富集具有給定特性的樣本流體中的磁性粒子(1)的準(zhǔn)備設(shè)備(100，200)， 所述設(shè)備包括致動器磁體(110，210)，所述致動器磁體具有第一和第二磁極(111，112， 211，212)，其中a)所述磁極通過樣本空間(115)分隔開，具有樣本流體的樣本卡盒(2)可以被插入到所述樣本空間中；b)第一磁極(111，211)被錐化成具有單個尖端區(qū)段(T)，在該處，第二磁極(112，212) 與第一磁極的各個表面點之間的距離(是局部最小的；c)可以使得所述樣本空間(115)中的磁通量高到足以將所述磁性粒子(1)磁化到其飽和磁化的至少50% ；d)可以使得所述樣本空間(115)內(nèi)的磁場梯度大到足以引起樣本空間(115)內(nèi)的磁性粒子(1)以給定的最小平均速度發(fā)生遷移。
2.一種用于富集具有給定特性的樣本流體中的磁性粒子(1)的方法，其包括以下步驟a)在樣本空間(115)內(nèi)提供樣本流體；b)在所述樣本空間(115)內(nèi)建立磁通量，其高到足以將所述磁性粒子(1)磁化到其飽和磁化的至少50% ；c)在所述樣本空間(115)內(nèi)建立磁場梯度，其大到足以引起所述樣本空間(115)內(nèi)的磁性粒子(1)以給定的最小平均速度朝向單個尖端區(qū)段(T)發(fā)生遷移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述方法是利用根據(jù)權(quán)利要求1的準(zhǔn)備設(shè)備(100，200)執(zhí)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述樣本空間(115)內(nèi)的磁通量至少是大約50mT，優(yōu)選地至少是大約 IOOmT0
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述樣本空間(115)內(nèi)的磁場梯度至少是大約0. 2T/m,優(yōu)選地至少是大約 0. 6T/m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述樣本空間(115)具有大約0. Iml到大約IOml的體積。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，第一磁極(111，211)的各個表面點到第二磁極(112，212)的最大距離 (δ max)的范圍是大約5mm到大約20mm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，第二磁極(112，212)到第一磁極(111，211)的最小距離(Smin)的范圍是大約2mm到大約18mm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，至少其中一個磁極(111，112，211，212)的面積處在大約IOOmm2到大約 600mm2 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述尖端區(qū)段(T)是近似一點。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求3的方法， 其特征在于，第一磁極(111，211)的表面由平面狀的面(F)構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或者根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，所述致動器磁體(110，210)包括磁軛(113，213)，所述磁軛具有構(gòu)成第一和第二磁極(111，112，211，212 )的兩個相對末端。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備(100，200)或方法，其特征在于，所述磁軛(113，213)延伸穿過至少一個線圈(121，221)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備(100，200)或方法，其特征在于，所述線圈(121，221)具有N個繞組并且可以由電流I驅(qū)動，其中N I的范圍處在大約500A到大約2000A之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備(100，200)或方法，其特征在于，所述磁軛(113，213)包括永磁體(122，222)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于富集樣本流體中的磁性粒子(1)的方法和設(shè)備(100)。所述樣本流體被提供在致動器磁體(110)的第一磁極(111)與第二磁極(112)之間的樣本卡盒(2)內(nèi)。隨后在所述樣本流體內(nèi)部建立最小磁通量以及最小磁梯度，其中它們的數(shù)值取決于所考慮的具體磁性粒子(1)和樣本流體。在一個優(yōu)選實施例中，第一磁極(111)具有單個尖端(T)。
文檔編號B03C1/035GK102470373SQ201080032239
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者W. J. 普林斯 M., 伊爾姆舍爾 M., 登杜爾克 R. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司