專利名稱：用于單個(gè)顆粒檢測的生物傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知有多種檢測測試樣本或樣本體積中的分析物的分析程序。例如，免疫測定利用了免疫系統(tǒng)的機(jī)制，其中抗體和相應(yīng)的抗原能夠彼此結(jié)合。這種特異性反應(yīng)機(jī)制用于確定測試樣本中抗原的存在或其量。具體而言，標(biāo)記抗體或抗原 (感興趣的分析物)以量化抗體和抗原之間的相互作用。通用的標(biāo)記例如是發(fā)熒光和化學(xué)發(fā)光分子、著色顆粒(珠)或放射性同位素。在這里通常將所有這些稱為顆粒。一種特定應(yīng)用是以各種方式對結(jié)合到要檢測的抗原的磁性顆粒進(jìn)行光學(xué)檢測。由此，通過檢測磁性顆粒，可以得出抗原或分析物的量。近來，已經(jīng)在微流體測定中使用磁性標(biāo)記來檢測分析物的存在或量。將磁性標(biāo)記用作例如磁性顆粒，也稱為磁珠或珠粒，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。可以通過施加磁場來致動磁性顆粒， 從而可以加快分析流程。此外，在生物測試樣本中沒有磁性背景信號影響到磁性顆粒的檢測。亞pM(sub-pM)方案中已知系統(tǒng)的性能受到光學(xué)基線漂移和非特異性結(jié)合珠粒的制約。非特異性結(jié)合的珠粒通常不是希望檢測到的，目的是僅基于結(jié)合珠粒或顆粒接收檢測信號。于是，提高光學(xué)分辨率在更高穩(wěn)定性和關(guān)于單個(gè)顆?；蛑榱５脑敿?xì)信息方面會是有利的。單個(gè)珠粒識別所需的高數(shù)值孔徑將導(dǎo)致高度光學(xué)像差，將已知系統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)的分辨率限制到幾個(gè)微米。最近已知的磁性生物傳感器系統(tǒng)利用受抑全內(nèi)反射(FTIR)檢測測定表面附近磁珠的存在。信號大約與表面上珠粒的濃度(表面密度fi)線性相關(guān)?？梢詫⑿盘?即全內(nèi)反射信號的減少)表達(dá)為S = β.η其中S是按百分比給出的測量信號變化，β是從表面密度到信號變化的轉(zhuǎn)換因子。這種技術(shù)的檢測的局限主要由對大約0. 的信號變化有貢獻(xiàn)的背景信號漂移決定。 這相當(dāng)于能夠利用這種FIlR平臺可以檢測到每200um2l個(gè)珠粒的表面密度。對于480 μ m的通道高度，最低可檢測目標(biāo)濃度將大約為20fM。不過，在實(shí)踐中，測定效率低一個(gè)數(shù)量級，使檢測極限為200fM。除了背景信號中的漂移之外，非特異性結(jié)合的珠粒的信號也限制著最小可檢測濃度。這些珠粒經(jīng)由如抗體-抗體結(jié)合的非特異性結(jié)合， 而不是如抗體-目標(biāo)-抗體的特異性結(jié)合，結(jié)合到表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠檢測單個(gè)顆粒的生物傳感器系統(tǒng)。提供了一種用于檢測顆粒的生物傳感器系統(tǒng)，包括
包括傳感器表面的生物傳感器試劑盒(cartridge)，試劑盒一側(cè)的生物傳感器磁體組件，其用于生成在試劑盒和傳感器表面發(fā)揮作用的磁場，第一生物傳感器磁體組件包括以間隙分開的至少兩個(gè)磁性子單元，第一光學(xué)檢測系統(tǒng)，其用于檢測與所述磁體組件布置在所述試劑盒同一側(cè)的所述顆粒，而所述磁體組件被設(shè)計(jì)成通過所述磁體組件的間隙完成所述光學(xué)檢測。進(jìn)一步提供了一種利用對應(yīng)的生物傳感器系統(tǒng)檢測顆粒的方法。進(jìn)一步提供了在以下應(yīng)用的一種或多種中使用對應(yīng)的生物傳感器系統(tǒng)-用于分子診斷的生物傳感器，-在諸如血液或唾液的復(fù)雜生物混合物中迅速而靈敏地檢測蛋白質(zhì)和核酸，-用于化學(xué)、制藥或分子生物學(xué)的高吞吐量篩選機(jī)-例如，用于例如刑事學(xué)中DNA或蛋白質(zhì)的、用于現(xiàn)場測試(在醫(yī)院中)、用于集中式實(shí)驗(yàn)室或科學(xué)研究中的診斷的測試裝置-用于心臟病學(xué)、傳染病和腫瘤學(xué)、食品和環(huán)境診斷的DNA或蛋白質(zhì)診斷工具-用于組合化學(xué)的工具-分析裝置-納米和微流裝置-藥物釋放和藥物遞送系統(tǒng)(尤其是經(jīng)皮和可植入藥物遞送裝置)。描述的生物傳感器系統(tǒng)能夠檢測單個(gè)顆粒并同時(shí)用磁場致動顆粒。提出了一種緊湊而節(jié)省空間的生物傳感器系統(tǒng)，也適用于便攜式應(yīng)用。在以下從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的非限制性范例。一個(gè)范例是包括用于檢測所述顆粒的第二光學(xué)檢測系統(tǒng)的生物傳感器系統(tǒng)，通過在所述顆粒對光進(jìn)行散射為所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)提供光?？梢灶~外地使用第二光學(xué)檢測系統(tǒng)關(guān)于顆粒的信息?？梢员容^并組合第一和第二光學(xué)檢測系統(tǒng)的信號。在這種情況下， 可以組合第一和第二光學(xué)檢測系統(tǒng)，使得將第二光學(xué)檢測系統(tǒng)的入射線用作第一光學(xué)檢測系統(tǒng)的光源，省去了額外的光源。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，其中設(shè)計(jì)所述磁體組件和所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)，使得在顆粒處散射生成的，用于檢測顆粒的入射線的光錐通過所述磁體組件的至少兩個(gè)磁體子單元的端截面投射，從而允許由所述磁體組件致動顆粒并同時(shí)在所述傳感器表面檢測所述顆粒。根據(jù)本范例的生物傳感器系統(tǒng)允許以緊湊方式定位磁體組件以免干擾第一光學(xué)檢測系統(tǒng)。完成磁性顆粒的磁致動而不限制光學(xué)檢測。節(jié)省了試劑盒頂側(cè)與第一光學(xué)檢測系統(tǒng)和磁體組件相對的空間。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，其中基本在相對于第一光學(xué)檢測系統(tǒng)的垂直方向上布置具有至少兩個(gè)磁性子單元的磁體組件，至少兩個(gè)子單元的端截面基本在垂直于至少兩個(gè)子單元的與第一光學(xué)檢測系統(tǒng)相同方向上向上突出。這些特征使得能夠在傳感器表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇胖聞印ＴO(shè)計(jì)磁體組件的磁場，使得磁場線基本平行于傳感器表面的區(qū)域中的傳感器表面投射。具有所述端截面的磁體組件生成的磁場能夠沿著傳感器表面進(jìn)行有效磁致動。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)基于 TIR(全內(nèi)反射)或FIlR(受抑全內(nèi)反射)檢測，所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)包括顯微鏡和相機(jī)，所述顯微鏡基于暗視野顯微術(shù)(DFM)，被設(shè)計(jì)成分辨單個(gè)顆粒，所述相機(jī)被設(shè)計(jì)成對所述顯微鏡分辨的單個(gè)顆粒成像。建立一種組合式生物傳感器系統(tǒng)，其具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高分辨率并由相機(jī)自動讀出顯微鏡。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，包括從所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)和所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)接收信號的處理器，其中處理兩種信號以獲得表征至少一個(gè)單個(gè)顆粒的存在或位置的信號。不僅確定了顆粒的量而且確定了被檢測顆粒的位置，尤其是顆粒相對于傳感器表面的位置。在處理器中比較和/或組合第一和第二光學(xué)檢測系統(tǒng)獲得的信號。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，其中從來自所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)的信號中減去不適當(dāng)顆粒導(dǎo)致的來自所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)的信號，獲得僅來自適當(dāng)顆粒的信號。術(shù)語適當(dāng)信號尤其表示源自正確或特異性結(jié)合顆粒的信號。不適當(dāng)結(jié)合是錯誤顆粒彼此結(jié)合的結(jié)合，這些結(jié)合因此會損害測量。另一個(gè)范例公開了一種生物傳感器系統(tǒng)，其中所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)的入射線和出射線之間的進(jìn)入角α處于65°和75°之間的范圍中，試劑盒厚度d位于0.3mm和2mm 之間的范圍中，所述傳感器表面的傳感器區(qū)域的寬度w。pt大約為1mm，所述透鏡的數(shù)值孔
徑(NA)具有滿足方程的最小值，所述磁性子單元的磁極尖端的寬度大約為
α珠粒
0. 25mm，所述磁性子單元的磁極尖端之間的空氣間隙小于1. 5mm。


本發(fā)明的這些和其他方面將從下文描述的實(shí)施例變得顯而易見并參考其加以闡述。在附圖中圖1示出了其下具有顯微鏡透鏡的生物傳感器系統(tǒng)的范例的透視圖，在顯微鏡透鏡上是具有端截面的磁體組件的兩個(gè)磁性子單元，和位于端截面上方的具有傳感器表面的試劑盒，還示出了被指引至光學(xué)檢測單元的輸入和輸出光線；圖2在側(cè)視圖中示出了與圖1類似的范例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明范例的生物傳感器系統(tǒng)的示意側(cè)視圖，第一光學(xué)檢測系統(tǒng)在中心，第二光學(xué)檢測系統(tǒng)在左側(cè)和右側(cè)，兩個(gè)磁性子單元上方、具有傳感器表面的試劑盒上方和頂部的另一磁性單元；圖4示出了試劑盒的側(cè)視圖，試劑盒具有在試劑盒處撞擊的光束的尺寸和角度的幾個(gè)指示。
具體實(shí)施例方式圖1示出了生物傳感器系統(tǒng)1范例的透視圖，在下方具有作為第一光學(xué)檢測系統(tǒng) 40的一部分的顯微鏡42，在本范例中，在顯微鏡42上示出了具有端截面Ma、24b的磁體組件10的兩個(gè)磁性子單元22a、22b。在該視圖中示出了定位于端截面Ma、24b上方的具有傳感器表面31的試劑盒30。在本范例中，垂直于顯微鏡42的縱向定位兩個(gè)子單元22a、22b。 對應(yīng)磁性子單元22a、22b的端截面Ma、24b沿基本垂直于磁性子單元22a、22b的方向突出 (project)，在所示的向上透視圖中，該方向是基本平行于顯微鏡42的縱軸的方向。試劑盒30定位于磁性子單元22a、22b和對應(yīng)端截面Ma、24b上方。磁體組件10生成磁場，磁場在試劑盒30的傳感器表面31的區(qū)域中施加磁力，以實(shí)現(xiàn)磁致動。磁場尤其在試劑盒30之內(nèi)的磁性顆粒2上施加力，實(shí)現(xiàn)磁性致動過程，磁性顆粒2與要分析的其他顆粒2的結(jié)合。 在現(xiàn)有技術(shù)中致動過程是公知的。顯微鏡42下方的透鏡43、顯微鏡42和透鏡43下方的相機(jī)44是如下所述的第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40的部分。來自左側(cè)的光源，例如LED或激光器 (未示出)的入射線5 撞擊在傳感器表面31處。傳感器表面31處存在的顆粒2，尤其是磁性顆粒2，散射入射線5 的一部分，散射光46用于由第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40檢測顆粒2。 將理解，僅將這一散射光46用于由第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40檢測顆粒2。圖1中的散射光46 被描繪成從傳感器表面31開始并沿第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40的透鏡43方向傳播的光錐41。 源自入射線5 的出射線54b在撞擊到傳感器表面31并被散射之后離開試劑盒30。通常將所示的生物傳感器系統(tǒng)1集成到外殼(未示出)中，并可以應(yīng)用于便攜式手持裝置(未示出)中。在另一個(gè)范例中，也可以將輸出線54b用于由第二光學(xué)檢測系統(tǒng)進(jìn)一步檢測顆粒2。直徑為500nm的磁珠或顆粒2借助于充分高放大率和分辨率的顯微鏡42是可以看見的。在這種情況下，可以通過計(jì)數(shù)傳感器表面31處視場之內(nèi)的個(gè)體珠?；蝾w粒2的數(shù)量來確定顆粒2的表面密度。例如，在視場的面積為Imm2時(shí)，最低可測量表面密度將是每Imm2I 個(gè)珠?；蛎?06 μ m2l個(gè)珠粒。對于已知的每200 μ m2l個(gè)珠粒的最小可檢測表面密度，這樣的計(jì)數(shù)法導(dǎo)致靈敏度增大5000倍。這使得感興趣區(qū)域之內(nèi)要測量的分析物的最低可檢測目標(biāo)濃度例如為lfM。單珠檢測實(shí)現(xiàn)了靈敏度至少2到3個(gè)數(shù)量級的提高。因?yàn)橹榱；蝾w粒2是分立檢測的，計(jì)數(shù)單個(gè)顆粒2，得到數(shù)字檢測，因此該方法和生物傳感器系統(tǒng)1對漂移不敏感。在普通顯微鏡中，使用了前側(cè)或背側(cè)照明源，沒有獲得或幾乎沒有獲得關(guān)于傳感器表面31上方珠粒或顆粒2的高度的準(zhǔn)確信息。在這里描述的設(shè)置中，信號中有高度信息， 該高度信息為顆粒2距傳感器表面31的距離，因?yàn)橹榱；蝾w粒2位于大致指數(shù)衰減的漸逝場中。漸逝場的衰減長度大約為50nm到150nm。因此能夠由這種生物傳感器系統(tǒng)1檢測到高度位置上大約幾納米的變化。高度和/或高度變化能夠提供關(guān)于珠?；蝾w粒2的結(jié)合狀態(tài)的有價(jià)值信息。圖2在側(cè)視圖中示出了與圖1類似的范例。圖2的視圖清晰示出了用于在試劑盒 30處提供磁場的磁體組件10和第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40對顆粒2的光學(xué)檢測的組合。同樣， 入射線5 在試劑盒30的傳感器表面31被反射，入射線Ma的一小部分在顆粒2處被反射，并充當(dāng)用于第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40的光源。再次以示意方式將反射光繪示為錐形41。尤其是磁性子單元Oh，22b)的端截面Ma、24b垂直指向，而磁性子單元(22a，22b)水平排列。端截面Ma、24b基本與磁性子單元22a、22b成直角向上指向，并基本平行于顯微鏡42 的縱軸，這是圖2平面的縱向。所述結(jié)構(gòu)允許相對于試劑盒30在同一側(cè)定位磁體組件10 和第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40。下文描述了解決匹配所有必要參數(shù)的問題。磁性子單元22a、22b 彼此間界定間隙25。在該視圖中，與間隙25相鄰并在間隙25上方，入射線5 的一些光被散射到第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40的方向。形成間隙25以容納光錐41繪示的散射光46，光錐 41擬合到間隙25中，如圖2中所示。所述結(jié)構(gòu)允許在試劑盒30的同一側(cè)定位第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40和用于磁致動的磁體組件10。本生物傳感器系統(tǒng)1適于同時(shí)致動顆粒2和檢測顆粒2。描述的這種生物傳感器系統(tǒng)1提供了基于個(gè)體顆?；蛑榱７治鼋Y(jié)合長度和結(jié)合強(qiáng)度的可能性，允許在特異性和非特異性結(jié)合的珠?；蝾w粒2之間進(jìn)行鑒別。非特異性結(jié)合的顆粒2是不希望有的且對錯誤信號結(jié)果有貢獻(xiàn)。目的是僅測量結(jié)合到要測量的分析物的特異性結(jié)合顆粒2，例如磁性顆粒2。在特異性和非特異性結(jié)合顆粒2之間鑒別能夠通過減少非特異性結(jié)合顆粒2的貢獻(xiàn)來降低檢測極限。因此，不再需要對顆粒2的非特異性結(jié)合進(jìn)行徹底物理消除。這樣緩和了對生物傳感器系統(tǒng)1的性能施加的要求。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明范例的生物傳感器系統(tǒng)的示意側(cè)視圖，第一光學(xué)檢測系統(tǒng) 40在中心，第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50在右側(cè)。在本范例中，第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50基于TIR(全內(nèi)反射)或FIlR(受抑全內(nèi)反射)的原理。為完整起見，在下文中公開了光學(xué)法的范例，例如在第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50中利用空間濾波(未示出)的暗場檢測，該空間濾波額外布置于試劑盒30和第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50 之間的出射光線54b的路徑中。FIlR檢測方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是使用準(zhǔn)直良好的平行入射光線 5 照射傳感器表面31，并在反射之后擊中第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50。在使用檢測分支的第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50中的成像(會聚)透鏡51時(shí)，輸出光線54b的幾乎所有全內(nèi)反射光都通過透鏡51的焦平面并(根據(jù)透鏡51的NA (數(shù)值孔徑)和光波長)聚焦在成像透鏡51的焦平面(傅里葉平面)中的非常小區(qū)域中。在一個(gè)范例中，光進(jìn)一步朝著圖像平面?zhèn)鞑?，擊中第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50并在那里生成傳感器表面31的明場圖像。不過，根據(jù)不同范例，在成像透鏡51的傅里葉平面中定位空間濾波器(障礙罩，未示出)，其尺度稍大于焦斑。這具有以下效果來自全內(nèi)反射的所有光都將被障礙阻擋住，并且任何這束光都不擊中探測器50，在傳感器表面31處不發(fā)生散射時(shí)，導(dǎo)致零光學(xué)信號(即暗圖像)，稱為暗場檢測。據(jù)稱，作為上述散射光的替代，能夠?qū)晒夤庾佑糜诎祱鰴z測?？梢詫⒌谝还鈱W(xué)檢測系統(tǒng)40 設(shè)計(jì)成具有相機(jī)44，相機(jī)44具有低NA。雖然如此，提供具有高NA的相機(jī)44使得系統(tǒng)1能夠識別單個(gè)顆粒2?；蛘撸瑸榱艘暂^低要求檢測，第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40可以包括Si pin 二極管，或pin- 二極管的ID或2D陣列而不是相機(jī)44。后者適用于要檢測的測定的復(fù)用。在傳感器表面31處發(fā)生目標(biāo)顆粒2的結(jié)合時(shí)，光的散射導(dǎo)致光在除主要反射出射光線54b的方向之外的隨機(jī)方向上散射。因此，這些散射線將離軸地通過透鏡51的傅里葉平面，將不會被用于暗場成像的濾波器的軸上障礙阻擋，導(dǎo)致在第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50上的一些光。由于散射光仍然被成像到第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50上，所以測量信號現(xiàn)在與散射量直接成比例，散射量與結(jié)合目標(biāo)顆粒2的量成正比。通過這種方式，獲得可以由處理器60以高SNR處理的光學(xué)“χ信號”。光源51定位在第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40的左側(cè)，用于生成撞擊到試劑盒30的傳感器表面31處的入射光線Ma。入射線5 的一部分光在磁性子單元22a、22b之間向下的方向上散射。入射光線5 的其余部分指向第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50，在檢測之前通過透鏡51。散射光46通過透鏡43并到達(dá)第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40底部的相機(jī)44，用于自動檢測顯微鏡42 的圖像并記錄。第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40和第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50連接到處理器60，用于處理饋送的關(guān)于顆粒2的信號。在試劑盒30上方提供另一磁體單元48，用于生成另一磁場以支持磁性致動過程，或通過磁力清除多余的顆粒2，這是一種稱為磁性沖洗的方法。試劑盒 30的頂側(cè)保持完全可入，允許放置用于磁性沖洗的另一磁體單元48、用于溫度控制的加熱器或其他裝置。圖4示出了試劑盒30的側(cè)視圖，并且具有光束，即撞擊到試劑盒30處的入射線Ma、出射光Mb的尺寸和角度的幾個(gè)指示。所述參數(shù)的大小是優(yōu)選的。在圖3下方示出的范例中，第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50基于FIlR照射，包括LED或激光光源作為光源51，以及一些已知的準(zhǔn)直光學(xué)器件，用于準(zhǔn)直光源51的輸出。為了滿足全內(nèi)反射(TIR)的條件并在包括恰在試劑盒30上方的分析物的試劑盒30的樣本體積中生成漸逝場，入射束或線5 的角度應(yīng)當(dāng)超過全內(nèi)反射的臨界角θ，臨界角由公式θ = sin-l(ntMi/nw^)給出，其中η為折射率。對于塑料-水那樣的光學(xué)界面Oitwi= 1.3,η^= 1.5)，臨界角大約為58度。為了應(yīng)對光束的有限發(fā)散并具有充分的系統(tǒng)裕量，將圖3的平臺中的進(jìn)入角固定在70度。這里值得一提的是，漸逝場的衰減長度θ根據(jù)以下公式取決于進(jìn)入線53a的進(jìn)入角，其中θ 是光波長，η^^和ntMi分別是試劑盒30和樣本流體的折射率。
ζ(義，“試劑盒，w樣本)=I 222 =
樣本對于第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50的FIlR檢測光學(xué)器件的范例而言，需要定位在距試劑盒30 —定距離的成像透鏡，將試劑盒表面、傳感器表面31成像到CMOS或CXD相機(jī)44上。 注意，相對于散射光46的光軸以一定角度定位相機(jī)44，以便補(bǔ)償試劑盒30的傳感器表面 31相對于光軸的傾斜取向引起的傾斜/散焦(也稱為交線條件)。成像透鏡43的焦距和從試劑盒30到相機(jī)44的距離的組合決定了從試劑盒30到相機(jī)44的光學(xué)放大率。在圖3 下方示出的第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50中，使用的成像透鏡43具有15mm范圍中的焦距，有效數(shù)值孔徑遠(yuǎn)低于0. 1。結(jié)果，第二光學(xué)檢測系統(tǒng)50的光學(xué)分辨率大約為10到15微米，與第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40相反，不能分辨出所述尺寸的單個(gè)珠粒或顆粒2。對磁體組件10的重要要求是磁極之間的距離，下文稱為空氣間隙或間隙25。間隙 25很大程度上決定了磁體組件10的邊緣場的形狀，從而決定了其可以生成的磁力。需要適當(dāng)?shù)拇帕?幾百個(gè)fN)將磁珠或顆粒2從液體吸引到其中溶解了分析物的試劑盒30中，朝向傳感器表面31吸引，以提高具有分析物的珠粒的濃度并增大結(jié)合運(yùn)動。較小的空氣間隙提高更大的力。在間隙25變得更寬時(shí)，首先磁力變得更小，但力的分布特征也變化。小間隙 25提供這樣的磁力特征其中磁力主要集中于磁體子單元22a、22b的端截面Ma、24b之間的中心，這基本是要進(jìn)行測量的感興趣區(qū)域。對于更寬的間隙25，力的特征從端截面Ma、 24b中心處的一個(gè)集中位置變?yōu)槎私孛鍹a、24b的磁極尖端位置附近的兩個(gè)集中位置?；旧希瑑蓚€(gè)磁體子單元22a、22b開始越來越像兩個(gè)獨(dú)立磁體那樣行為。這不是希望的狀況， 因?yàn)檫@些點(diǎn)在感興趣區(qū)域外部。因?yàn)檫@種要求，間隙25的尺寸限于1. 5mm的最大值。隨著角度α減小，相鄰部分對總場的貢獻(xiàn)減少。對于非常小的磁極尖端，總場主要由相鄰部分決定。對于非常寬的磁極尖端，場對相鄰部分，從而對角度α的依賴性低得多。由于在我們的情況下角度α已經(jīng)很大，所以可以將相鄰部分視為幾乎水平的?？傒敵鐾坑纱艠O尖端和相鄰部分的總面積決定。在垂直軸和入射束5 之間示出了入射角a，將這個(gè)角度選擇成比臨界角充分大， 以便滿足全內(nèi)反射的條件。對于塑料到水的界面，這個(gè)臨界角通常為60度。試劑盒30的最大厚度受到必須要由顯微鏡42的物鏡校正的引入的球面像差的限制。針對商用物鏡的最大球面像差校正考慮了 2mm的蓋玻片厚度。試劑盒的最小厚度受到機(jī)械強(qiáng)度和魯棒性限制，典型為0. 3mm。
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物鏡要成像的傳感器表面31的傳感器面積的典型值由必須要檢測的珠?；蝾w粒 2的最小數(shù)量決定，以便獲得充分低的變異系數(shù)(CV)。由于單個(gè)珠粒計(jì)數(shù)是由第一光學(xué)檢測系統(tǒng)40完成的，所以CV主要由計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)支配，由下式給出
Γ …σΝ 4Ν 權(quán)利要求
1.一種用于檢測顆粒O)的生物傳感器系統(tǒng)(1)，包括 包括傳感器表面(31)的生物傳感器試劑盒(30)，所述試劑盒(30) —側(cè)的生物傳感器磁體組件(10)，其用于生成在所述試劑盒(30)和所述傳感器表面(31)處發(fā)揮作用的磁場，所述第一生物傳感器磁體組件(10)包括以間隙 (25)分開的至少兩個(gè)磁性子單元Oh，22b)，第一光學(xué)檢測系統(tǒng)(40)，其用于檢測與所述磁體組件(10)布置在所述試劑盒(30)同一側(cè)的所述顆粒O)，而設(shè)計(jì)所述磁體組件(10)，使得通過所述磁體組件(10)的所述間隙 (25)完成光學(xué)檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，包括第二光學(xué)檢測系統(tǒng)(50)，其用于檢測所述顆粒O)，通過在所述顆粒( 對光進(jìn)行散射為所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)GO)提供光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其中，設(shè)計(jì)所述磁體組件(10)和所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)(40)，使得在所述顆粒( 處散射生成的入射線(Ma)的光錐Gl)通過所述磁體組件(10)的所述至少兩個(gè)磁體子單元(22a，22b)的端截面Q4a，Mb)投射，從而允許由所述磁體組件(10)致動顆粒( 并同時(shí)在所述傳感器表面(31)檢測所述顆粒(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其中，基本在相對于所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)GO)的垂直方向上布置具有所述至少兩個(gè)磁性子單元Oh，22b)的所述磁體組件 (10)，并且所述至少兩個(gè)子單元Oh，22b)的所述端截面(Ma，Mb)基本在垂直于所述至少兩個(gè)子單元Oh，22b)的與所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)GO)相同的方向上向上突出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其中，所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)(50)基于TIR(全內(nèi)反射)或FIlR(受抑全內(nèi)反射)檢測，并且所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)(50)包括顯微鏡0 和相機(jī)(44)，所述顯微鏡基于暗視野顯微術(shù)(DFM)，被設(shè)計(jì)成分辨單個(gè)顆粒0)， 所述相機(jī)G4)被設(shè)計(jì)成對所述顯微鏡0 分辨的單個(gè)顆粒( 成像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其包括從所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)GO) 和所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)(50)接收信號的處理器(60)，其中，處理兩種信號以獲得表征至少一個(gè)單個(gè)顆粒ο)的存在或位置的信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其中，從來自所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng) (40)的信號中減去不適當(dāng)顆粒( 導(dǎo)致的來自所述第二光學(xué)檢測系統(tǒng)(50)的信號，獲得僅來自適當(dāng)顆粒⑵的信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)，其中，所述第一光學(xué)檢測系統(tǒng)GO)的入射線(Ma)和出射線(Mb)之間的進(jìn)入角α處于65°和75°之間的范圍中，所述試劑盒的厚度d位于0.3mm和2mm之間的范圍中，所述傳感器表面(31)的傳感器區(qū)域的寬度w。pt大約為1mm，所述透鏡的數(shù)值孔徑(NA)具有滿足方程的最小值，所述磁性子單α珠粒元Oh，22b)的磁極尖端的寬度大約為0.25mm，并且所述磁性子單元Oh，22b)的磁極尖端之間的空氣間隙(25)小于1. 5mm。
9.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)檢測顆粒O)的方法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器系統(tǒng)(1)在以下應(yīng)用中的一種或多種中的使用-用于分子診斷的生物傳感器-在諸如血液或唾液的復(fù)雜生物混合物中迅速而靈敏地檢測蛋白質(zhì)和核酸 -用于化學(xué)、制藥或分子生物學(xué)的高吞吐量篩選機(jī)-例如，用于例如刑事學(xué)中DNA或蛋白質(zhì)的、用于現(xiàn)場測試(在醫(yī)院中)、用于集中式實(shí)驗(yàn)室或科學(xué)研究中的診斷的測試裝置-用于心臟病學(xué)、傳染病和腫瘤學(xué)、食品和環(huán)境診斷的DNA或蛋白質(zhì)診斷工具 -用于組合化學(xué)的工具 -分析裝置 -納米和微流裝置-藥物釋放和藥物遞送系統(tǒng)(尤其是經(jīng)皮和可植入遞藥裝置)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于檢測顆粒的生物傳感器系統(tǒng)，包括包括傳感器表面的生物傳感器試劑盒；試劑盒一側(cè)的生物傳感器磁體組件，用于生成在試劑盒和傳感器表面發(fā)揮作用的磁場；包括以間隙分開的至少兩個(gè)磁性子單元的第一生物傳感器磁體組件；第一光學(xué)檢測系統(tǒng)，其用于檢測與所述磁體組件布置在所述試劑盒同一側(cè)的所述顆粒，而所述磁體組件被設(shè)計(jì)成通過所述磁體組件的間隙完成所述光學(xué)檢測。
文檔編號G01R33/12GK102549445SQ201080043003
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者D·J·W·克隆德, J·A·H·M·卡爾曼, J·B·A·D·范佐恩, J·J·H·B·施萊彭, M·M·奧夫揚(yáng)科, R·M·L·范利斯豪特, T·H·埃弗斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司