用于團(tuán)簇檢測的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于檢測樣品中具有磁性顆粒的團(tuán)簇的傳感器裝置(100)和方法。所述樣品被提供在基本平面的盒(110)的至少一個(gè)樣品室(114)中，所述基本平面的盒被暴露于由磁場發(fā)生器(190)生成的調(diào)制的磁場(Bxz、Byz)。利用激勵(lì)光(L0)照射所述樣品室(114)，并且由光檢測器(180)檢測得到的輸出光(Ls)。所述磁場(Bxz、Byz)尤其可以旋轉(zhuǎn)，從而誘發(fā)團(tuán)簇的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)，所述團(tuán)簇的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)繼而誘發(fā)檢測信號(S)的變化。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，激勵(lì)光(L0)被聚焦到所述樣品室(114)后面的阻擋斑(173)上，因此屏蔽所述光檢測器(180)以免受直接照射。
【專利說明】用于團(tuán)簇檢測的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在樣品中檢測包括磁性顆粒的團(tuán)簇的傳感器裝置和方法。此夕卜，其涉及用于這種裝置的盒。
【背景技術(shù)】
[0002]從文獻(xiàn)(Ranzoni,A.、Schleipen, J.J.Η.B.、van I jzendoorn, L.J.及 Prins, M.W.,“Frequency-Selective Rotation of Two-Particle Nanoactuators for Rapid andSensitive Detection of Biomolecules”, Nano Lettll,第 2017-2022 頁)已知通過旋轉(zhuǎn)包括磁性顆粒的團(tuán)簇并檢測在暗場配置中散射的光，對團(tuán)簇進(jìn)行檢測。在所描述的設(shè)置中，具有團(tuán)簇的樣品被提供在透明小容器中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供允許在臨床環(huán)境中，尤其在手持式、微型化生物傳感器平臺(tái)中，應(yīng)用團(tuán)簇檢測的手段。
[0004]該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1和2的傳感器裝置、根據(jù)權(quán)利要求3的方法，以及根據(jù)權(quán)利要求13的盒得以實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選的實(shí)施例。
[0005]根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于在樣品中檢測包括磁性顆粒的團(tuán)簇的傳感器裝置。在該語境中，術(shù)語“磁性顆?！睉?yīng)包括永磁顆粒以及可磁化顆粒(例如超順磁珠)兩者。所述磁性顆粒的尺寸通常在3nm至50μπι之間。所考慮的“團(tuán)簇”為通過某種結(jié)合被耦合的兩個(gè)或更多個(gè)顆粒(它們中的至少一個(gè)為磁性的)的凝聚物。尤其感興趣的是經(jīng)由特殊化學(xué)基團(tuán)和感興趣的中間組分的特異性(生化)結(jié)合，與之相反的是，例如僅由磁化顆粒之間的磁性吸引力造成的非特異性結(jié)合。所述傳感器裝置包括以下部件:
[0006]a)具有至少一個(gè)樣品室的盒，所述樣品能夠被提供在所述樣品室中。所述盒應(yīng)優(yōu)選地為基本平面的，所述盒的延伸定義了將在下文提到的“盒平面”。
[0007]在該語境中，如果盒的長度和寬度(在矩形坐標(biāo)系的X方向和y方向上的延伸)比其高度(在Z方向上的延伸)大超過約3倍，優(yōu)選地超過約10倍，則將所述盒視作為“基本平面的”。此外，“平面盒”的外表面將通常為平坦的和/或沒有凸起。
[0008]所述盒將通常為可更換部件和/或一次性部件，其針對單個(gè)樣品僅被使用一次。其將優(yōu)選地，至少部分地為透明的。所述“樣品室”通常為開放腔、封閉腔、或通過流體連接通道被連接到其他腔的腔。此外，優(yōu)選的是，提供多個(gè)這樣的樣品室，以允許對具有一個(gè)或多個(gè)樣品的化驗(yàn)的平行執(zhí)行。
[0009]b)光源，其用于向前文提及的至少一個(gè)樣品室中發(fā)射光，其中，出于引用的目的，所述光將在下文中被稱作“激勵(lì)光”。所述光源例如可以為激光器或發(fā)光二極管(LED)，其任選地被提供有一些光學(xué)器件，以對激勵(lì)光束進(jìn)行成形和引導(dǎo)。
[0010]c)磁場發(fā)生器，其用于在所述樣品室中生成調(diào)制(即，時(shí)變)的磁場。所述磁場將通常使得其誘發(fā)包括磁性顆粒的團(tuán)簇的對應(yīng)調(diào)制的移動(dòng)。所述磁場發(fā)生器尤其可以通過永磁體或電磁體得以實(shí)現(xiàn)。
[0011]d)光檢測器，其用于檢測由所述樣品室中的所述激勵(lì)光生成的光，其中，出于引用的目的，所述光將在下文中被稱作“輸出光”。所述輸出光尤其可以包括通過由團(tuán)簇對激勵(lì)光的散射，和/或通過由所述激勵(lì)光激勵(lì)的熒光團(tuán)簇的熒光而生成的光。
[0012]根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種用于在樣品中檢測包括磁性顆粒的團(tuán)簇的方法，所述方法包括以下步驟，并且可以以所列的順序或任意其他合適的順序被執(zhí)行:
[0013]a)將所述樣品、包括磁性顆粒的化驗(yàn)試劑、以及待檢測的團(tuán)簇引入到基本平面的盒的至少一個(gè)樣品室中。
[0014]b)向所述樣品室中發(fā)射激勵(lì)光。
[0015]c)在所述樣品室中生成調(diào)制的磁場。
[0016]d)檢測由所述樣品室中的所述激勵(lì)光生成的輸出光。
[0017]所述傳感器裝置和所述方法為相同發(fā)明概念(即在平面盒中檢測包括磁性顆粒的團(tuán)簇)的不同實(shí)現(xiàn)形式。因此，針對這些實(shí)現(xiàn)形式之一所提供的解釋和限定對其他實(shí)現(xiàn)形式也有效。所述傳感器裝置和所述方法具有以下優(yōu)點(diǎn):由于能夠在基本平面的盒中檢查醫(yī)學(xué)樣品，因此它們允許在臨床環(huán)境中執(zhí)行團(tuán)簇化驗(yàn)。該盒的形式使得能夠使用小樣品體積，這是因?yàn)槟軌驅(qū)⑺枰膫鞲衅鞑考У綐悠犯浇?br> [0018]下文中，將描述本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施例，其涉及上述傳感器裝置和方法。
[0019]所述光檢測器優(yōu)選地被設(shè)置為毗鄰所述盒的平面，S卩紙鄰由所述盒的平面延伸限定的平面。換言之，所述光檢測器沒有被設(shè)置在與所述盒相同的平面中。最優(yōu)選地，所述光檢測器額外地被設(shè)置為毗鄰所述盒自身(不僅只毗鄰所述盒的無限延伸的平面)。以此方式，能夠保證所述樣品室與所述光檢測器之間有短距離，由此將輸出光的任何損失最小化。所述光檢測器尤其可以被設(shè)置為相對于盒平面垂直地在所述樣品室上方。
[0020]大體上，對所述樣品室中的磁場的調(diào)制可以具有任何任意的時(shí)間進(jìn)程。優(yōu)選地，對磁場的調(diào)制是周期型的，由此提供可以在所述輸出光中被恢復(fù)的特征頻率。在優(yōu)選的實(shí)施例中，磁場旋轉(zhuǎn)(即場向量的至少一個(gè)分量在給定平面中旋轉(zhuǎn))。這樣的旋轉(zhuǎn)通常誘發(fā)磁性團(tuán)簇的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)。
[0021]此外，磁場可以(額外地或備選地)被暫停打斷至少一次，其中，暫停的持續(xù)時(shí)間優(yōu)選地在約0.0ls至IOs之間,最優(yōu)選地在約0.1s至約5s之間。磁場尤其可以為脈沖的，即周期性地打開和關(guān)閉。所述脈沖頻率可以優(yōu)選地在約0.1Hz至IOOHz之間。
[0022]磁場(或其分量)在其中旋轉(zhuǎn)的平面優(yōu)選地包括激勵(lì)光和/或輸出光的傳播的(主或平均)方向。這意味著激勵(lì)光或輸出光，分別地，“看到”被所述平面中的磁場所旋轉(zhuǎn)的非球體團(tuán)簇的時(shí)變橫截面。因此，團(tuán)簇與激勵(lì)光或輸出光之間的相互作用也將被調(diào)制。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供評價(jià)單元，以評價(jià)由所述光檢測器生成的檢測器信號，尤其地相對于所述檢測器信號的時(shí)間譜評價(jià)所述檢測器信號(即確定其時(shí)間譜的至少部分)。這允許識(shí)別與磁場的調(diào)制相關(guān)，以及因此與由該場驅(qū)動(dòng)的團(tuán)簇相關(guān)的譜信號分量。以給定頻率旋轉(zhuǎn)的磁場將例如經(jīng)由團(tuán)簇，誘發(fā)所述檢測器信號中的在該頻率處或其更高諧頻處的分量。
[0024]存在有不同的能夠?qū)崿F(xiàn)利用激勵(lì)光照射所述樣品室的方式。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在所述樣品室與所述光檢測器之間提供非透明的阻擋斑，其中，所述激勵(lì)光被聚焦到所述阻擋斑上。因此，所述激勵(lì)光能夠穿過所述樣品室(其在所述阻擋斑之前)但不能到達(dá)所述光檢測器(其在所述阻擋斑之后)。這具有以下優(yōu)點(diǎn):將所述光檢測器的測量屏蔽，以免受通過利用激勵(lì)光的直接照射而產(chǎn)生的高背景信號。同時(shí)，激勵(lì)光和輸出光的方向能夠基本上平行，這允許相關(guān)聯(lián)的光學(xué)部件毗鄰所述盒平面的布置。所述阻擋斑例如可以被設(shè)置在單獨(dú)的光學(xué)載體上或透鏡上。
[0025]前文提及的非透明的阻擋斑可以簡單地包括吸收激勵(lì)光的材料。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述阻擋斑可以是反射性的。激勵(lì)光之后能夠被反射回到所述樣品室中，由此防止其損失。
[0026]輸出光將通常為發(fā)散的，這是因?yàn)槠涫怯芍T如散射的隨機(jī)過程生成的。如果所述光檢測器能夠被放置為距所述樣品室足夠近，并且如果其足夠大，則其可以能夠直接捕獲足量的(發(fā)散)輸出光。在另一實(shí)施例中，光學(xué)元件可以被設(shè)置在所述樣品室與所述光檢測器之間，以通過反射、折射或衍射，將輸出光引導(dǎo)和/或聚焦到所述光檢測器上。
[0027]所述光源可以被設(shè)置為毗鄰所述盒的平面(優(yōu)選地，Btt鄰所述盒自身)，以從基本上垂直于盒平面的方向照射所述樣品室。在該情況中，所述光檢測器可以被布置為相對于盒平面與所述光源相對。在另一實(shí)施例中，所述光源和所述光檢測器被設(shè)置在盒平面的相同側(cè)上，這樣為所述裝置的其他(例如流體)部件，在盒平面的相對側(cè)上留下空間?？梢栽谠撉闆r中提供“分配元件”，以將平行于盒平面?zhèn)鞑サ募?lì)光引導(dǎo)到所述樣品室中。所述光源之后能夠側(cè)向于所述光檢測器被設(shè)置，其激勵(lì)光首先沿盒平面?zhèn)鞑?，直到其到達(dá)所述樣品室中的其被所述分配元件弓I導(dǎo)到所述室中的位置。
[0028]根據(jù)對前述實(shí)施例的進(jìn)一步發(fā)展，所述分配元件包括至少一個(gè)“部分反射鏡”，即反射入射光但也允許入射光通過的反射鏡。反射的和透射的入射光的百分?jǐn)?shù)可以取決于所述光的性質(zhì)，例如其顏色或偏振。所述部分反射鏡例如可以完全地(100%)反射第一顏色的入射激勵(lì)光，并允許具有另一顏色的入射輸出(例如熒光)光完全通過(0%反射)。利用所述部分反射鏡，能夠?qū)⒓?lì)光重新引導(dǎo)到所述樣品室中，并且能夠同時(shí)將來自所述樣品室的輸出光傳遞到所述光檢測器(反之亦然)。
[0029]如果所述部分反射鏡具有針對激勵(lì)光的特定透明度，則能夠平行地照射多個(gè)樣品室。這是因?yàn)橐呀?jīng)經(jīng)過第一部分反射鏡的激勵(lì)光能夠被第二部分反射鏡引導(dǎo)到第二樣品室中，以此類推。利用一系列部分反射鏡，能夠因此由最初平行于盒平面?zhèn)鞑サ囊粋€(gè)激勵(lì)光束照射多個(gè)樣品室。所述部分反射鏡可以任選地具有針對激勵(lì)光的不同透明度，由此控制每個(gè)樣品室接收的激勵(lì)光的量。
[0030]已提及，可以(至少部分地)通過激勵(lì)光的散射生成輸出光。根據(jù)另一實(shí)施例，所述輸出光可以包括由熒光團(tuán)簇(當(dāng)被激勵(lì)光激勵(lì)時(shí))的熒光生成的光。來自團(tuán)簇的熒光的發(fā)射可以是各向異性的，使得可以通過觀察到的熒光的變化來檢測團(tuán)簇的誘發(fā)移動(dòng)。此外，團(tuán)簇的誘發(fā)移動(dòng)可以使變化的橫截面暴露于激勵(lì)光，由此隱含熒光的時(shí)變激勵(lì)。
[0031]根據(jù)對前述的實(shí)施例的進(jìn)一步發(fā)展，在所述樣品室與所述光檢測器之間提供濾波器元件，以在允許輸出光通過的同時(shí)，在光譜上過濾掉激勵(lì)光。因此，所述光檢測器能夠被屏蔽以免受直接激勵(lì)光的高背景信號，該信號不包括關(guān)于團(tuán)簇的信息。
[0032]本發(fā)明還涉及尤其被設(shè)計(jì)用于在根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置或方法中使用的盒，然而其中，所述盒為其自身的獨(dú)立部件(及商品)。所述盒包括以下部件:[0033]a)透明層，在所述透明層中形成至少一個(gè)樣品室，并且激勵(lì)光能夠通過所述透明
層傳播。
[0034]b) “附加層”，其被設(shè)置為毗鄰前述透明層并且激勵(lì)光在所述附加層處被反射。
[0035]如果所述附加層顯示譜反射，則其能夠?qū)⑾胍x開所述樣品室的光反射回到所述室中，由此防止其損失。這樣的實(shí)施例尤其能夠在所述光源和所述光檢測器被設(shè)置在盒的相同側(cè)上的情況下被使用。
[0036]根據(jù)對所述盒的進(jìn)一步發(fā)展，所述透明層被設(shè)置在兩個(gè)附加層之間，激勵(lì)光在所述附加層處被反射，其中，所述附加層具有比所述透明層更低的折射率。在所述透明層內(nèi)傳播的激勵(lì)光之后可以在所述附加層處被完全內(nèi)反射，使得所述透明層充當(dāng)針對所述激勵(lì)光的波導(dǎo)。這允許在所述附加層中有效側(cè)面照明(一個(gè)或多個(gè))樣品室。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]本發(fā)明的這些以及其他方面將從下文描述的實(shí)施例變得顯而易見，并將參考下文描述的實(shí)施例得以闡明。
[0038]在附圖中:
[0039]圖1示意性地示出對通過旋轉(zhuǎn)兩個(gè)磁性顆粒的團(tuán)簇而散射的光的檢測；
[0040]圖2示出傳感器裝置，其中，光源和光檢測器被設(shè)置在載體上的具有阻擋斑的盒平面的相對側(cè)上；
[0041]圖3示出對圖2的傳感器裝置的修改，其中，阻擋斑被直接設(shè)置在透鏡上；
[0042]圖4示出傳感器裝置，其中，光源和光檢測器被設(shè)置在盒的相同側(cè)上，其中，由分配元件將激勵(lì)光引導(dǎo)到樣品室中；
[0043]圖5示出傳感器裝置，其中，從側(cè)面照射起波導(dǎo)作用的透明層；
[0044]圖6示出傳感器裝置，其中，觀察到磁性致動(dòng)的團(tuán)簇的熒光；
[0045]圖7示出對圖6的傳感器裝置的修改，其中，在光檢測器前方不使用光學(xué)器件。
[0046]相同的附圖標(biāo)記或相差100的整數(shù)倍的標(biāo)記在附圖中指等同或相似的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0047]US2010/0322824A1描述一種基于磁性顆粒和光學(xué)檢測的護(hù)理點(diǎn)生物傳感器(也稱作Philips “MagnoTech”平臺(tái))。利用捕獲分子(例如抗體)涂覆的顆粒用于生物標(biāo)記的捕獲以及隨后的檢測。使用磁性顆粒的優(yōu)點(diǎn)在于，它們能夠由磁場致動(dòng)，這提升了生物傳感器的速度并避免在集成的生物傳感器盒中對復(fù)雜的流體操作的需要。所描述的技術(shù)基于磁性顆粒與傳感器表面的結(jié)合，以及通過受抑內(nèi)全反射(FTIR)對顆粒的檢測。
[0048]執(zhí)行生物化驗(yàn)的備選方式在所謂的團(tuán)簇化驗(yàn)中。團(tuán)簇/凝聚體/聚集體化驗(yàn)基于顆粒的生物或生化誘發(fā)的聚集或成簇，其指示被稱作目標(biāo)或生物標(biāo)記的生物組成部分的存在和/或濃度。在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，顆粒結(jié)合到所述目標(biāo)，并且通過等待更長時(shí)間，形成聯(lián)接目標(biāo)的團(tuán)簇?？梢栽谖⒖字袌?zhí)行測試，可以由眼或由儀器讀取聚集體，并且成簇的量與目標(biāo)在樣品中的濃度相關(guān)。凝聚分析一般是定性的并且不很靈敏。然而，由于它們的簡單化驗(yàn)形式，它們是具有成本效率的。
[0049]團(tuán)簇化驗(yàn)的特定類型基于磁性顆粒的使用。優(yōu)點(diǎn)在于能夠應(yīng)用顆粒在鏈中的磁性誘發(fā)的布置，這得到目標(biāo)誘發(fā)的團(tuán)簇的快速形成(Baudry等人，PNAS，第103卷，第16076頁，2006年)。已描述了幾種檢測技術(shù)，全都具有以下缺點(diǎn):它們測量團(tuán)簇的物理性質(zhì)的小的相對變化，并且受大基線信號的存在的阻礙。阻礙該技術(shù)獲得商業(yè)應(yīng)用的另一因素在于非特異性顆粒團(tuán)簇的發(fā)生，尤其在復(fù)雜生物成分的基質(zhì)中。
[0050]圖1圖示一種新穎的檢測技術(shù)，其基于對顆粒團(tuán)簇的磁控旋轉(zhuǎn)和在暗場配置中對散射光的檢測(Ranzoni等人，如上)。在透明小容器(未示出)中，作為納米顆粒之間的生化作用的結(jié)果，形成磁性納米顆粒MP的團(tuán)簇C。樣品體積由沿z軸引導(dǎo)的光束Ltl激勵(lì)，從而當(dāng)輸入光束撞擊到納米顆粒上時(shí)產(chǎn)生光Ls的散射。散射光Ls可以由光檢測器D檢測到。
[0051]在應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)外部磁場B (f)(以頻率f在yz平面中旋轉(zhuǎn))后，團(tuán)簇C開始在磁場中旋轉(zhuǎn)，并生成光散射Ls的調(diào)制。致動(dòng)和檢測方案允許將團(tuán)簇與溶液中的單個(gè)顆粒進(jìn)行區(qū)分。能夠例如通過脈沖磁鏈場的應(yīng)用，增強(qiáng)團(tuán)簇中的特異性結(jié)合，并且能夠借助于專用表面化學(xué)反應(yīng)(例如顆粒上的雙層分子架構(gòu))，減少復(fù)雜基質(zhì)中的非特異性顆粒成簇。
[0052]如果圖1的檢測原理應(yīng)變得適合于護(hù)理點(diǎn)應(yīng)用，則需要盒技術(shù)和讀出技術(shù)優(yōu)選地滿足以下要求:
[0053]1、所述盒和閱讀器應(yīng)可靠且容易使用。所述盒應(yīng)為一次性的且為有成本效率的。所述盒應(yīng)能夠集成幾種功能，例如樣品過濾、試劑向樣品中的釋放、培養(yǎng)、檢測等。所述閱讀器應(yīng)為緊湊的且為有成本效率的。
[0054]2、所述盒和讀出系統(tǒng)應(yīng)適用于多個(gè)化驗(yàn)室，以便允許化驗(yàn)的多路復(fù)用。優(yōu)選地，所述技術(shù)應(yīng)可擴(kuò)展，使得其容易改變所述盒中的化驗(yàn)室的數(shù)目。
[0055]3、優(yōu)選地，所述系統(tǒng)應(yīng)適用于小樣品體積，例如血液的指尖樣品。優(yōu)選的樣品體積從100 μ I降至比I μ I低得多的體積。可以在所述盒中的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)室間上分隔樣品。
[0056]4、檢測需要是靈敏的，并且應(yīng)從檢測室中存在的每個(gè)磁性團(tuán)簇收集盡可能最高的信號。這意味著光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)有效地探查每個(gè)室中的磁性顆粒。
[0057]5、所述盒技術(shù)應(yīng)與用于將動(dòng)態(tài)磁場應(yīng)用到磁性顆粒的當(dāng)前電磁系統(tǒng)相容。
[0058]為了解決所有提及的問題，提出一種帶有盒和閱讀器的系統(tǒng)，其具有:
[0059]-具有本質(zhì)上平面的架構(gòu)的盒，其具有至少一個(gè)樣品室(反應(yīng)室)，
[0060]-閱讀儀器，其具有用于對所述至少一個(gè)樣品室中的磁性顆粒的團(tuán)簇進(jìn)行磁性致動(dòng)的布置，
[0061]-光學(xué)布置，其光學(xué)地激勵(lì)所述至少一個(gè)樣品室中的所述磁性顆粒，
[0062]-光學(xué)檢測布置，其檢測從所述至少一個(gè)樣品室中的所述磁性顆粒散射的光，其中，光學(xué)檢測的軸優(yōu)選地本質(zhì)上平行于盒法線(即垂直于盒平面)。
[0063]為了靈敏檢測，應(yīng)以高效率檢測散射光。優(yōu)選地，激勵(lì)光不直接到達(dá)光學(xué)檢測器，從而實(shí)現(xiàn)暗場測量。然而應(yīng)注意，暗場檢測并非嚴(yán)格必要的，這是因?yàn)閬碜詣?dòng)態(tài)致動(dòng)的團(tuán)簇的信號是通過適當(dāng)?shù)淖V濾波(在時(shí)域中)而獲得的，由此從激勵(lì)束中過濾掉任何散射或反射的光。然而，如果來自、直接散射或反射的激勵(lì)光的DC類貢獻(xiàn)變得太大，則這可能導(dǎo)致降低的信噪比以及旋轉(zhuǎn)團(tuán)簇信號的減小的動(dòng)態(tài)范圍。因此，暗場檢測是優(yōu)選的，因?yàn)槠鋵⒌玫捷^好的SNR和較大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0064]而且，應(yīng)注意，術(shù)語“暗場”可以同樣良好地用于以下兩種情形:
[0065](I)在光域中使用空間濾波的光學(xué)暗場檢測。[0066](2)在電子域中使用適當(dāng)?shù)淖V濾波的光學(xué)亮場檢測。
[0067]優(yōu)選地，檢測光學(xué)器件的數(shù)值孔徑NAdet應(yīng)盡可能地高，以便保證高檢測效率。假設(shè)具有在兩個(gè)相鄰樣品室之間的間隔D的特定樣品室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)，以及具有特定焦距fdrt的檢測光學(xué)器件，則所述數(shù)值孔徑由NAdrt〈D/2fdrt限定，或者樣品室間隔應(yīng)被選擇為使得
D>2.fdet.NAdet。
[0068]經(jīng)管可以實(shí)現(xiàn)并使用高數(shù)值孔徑，但所述系統(tǒng)固有地對諸如盒或閱讀器光學(xué)器件上的劃痕、指紋或灰塵的光學(xué)干擾不靈敏，這是因?yàn)檫@些干擾導(dǎo)致穩(wěn)定的、DC類的信號劣化，該劣化通過相敏檢測方案而被濾掉(即在傅里葉頻域中濾波)。
[0069]在圖2中，示出傳感器裝置100的第一實(shí)施例，其是根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)的并且能夠在平面的盒110中完成對旋轉(zhuǎn)團(tuán)簇的暗場檢測，同時(shí)檢測多個(gè)樣品室114。盒110包括:
[0070]-透明底部襯底113;
[0071]-透明頂部襯底111;
[0072]-包含多個(gè)樣品室114的中間層112。
[0073]通過使用諸如壓紋或注射成型的技術(shù)，中間層112以及更具體的樣品室114也可以為頂部層111和/或底部層113的部分。用于將樣品流體帶到樣品室114所需要的微流體系統(tǒng)(未示出)也可以為中間層112的部分，或者將其直接制作在頂部層111和/或底部層113中。
[0074]盒110被插入讀出系統(tǒng)或“閱讀器” 150中，包括:
[0075]-光源160,即用于做出“激勵(lì)光”Ltl的一系列發(fā)散束的光學(xué)布置,個(gè)體發(fā)散束照射樣品室114。
[0076]-透明襯底172，其包含小的不透明的或反射區(qū)域，下文稱作“阻擋斑”173，該區(qū)域位于激勵(lì)光束的焦點(diǎn)，由此阻擋激勵(lì)光并防止其擊中檢測器并使檢測器飽和。如果阻擋斑173為反射性的，則激勵(lì)光Ltl被再次引導(dǎo)向所述樣品室，從而得到兩倍多的信號。
[0077]-光檢測器180的陣列，其用于檢測在對應(yīng)的樣品室114中生成的“輸出光”Ls。每個(gè)光檢測器180均可以為單個(gè)Si檢測器，或?yàn)橹T如CCD或CMOS傳感器的2D陣列(的部分)。由于所述方法依賴于大塊樣品測量，因此不需要成像和平面分辨率，并且單個(gè)檢測器的使用是優(yōu)選的(由于成本和信號比方面)。
[0078]-評價(jià)單元140，例如數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理單元，其用于處理和評價(jià)由光檢測器180提供的檢測信號S。
[0079]-磁場發(fā)生器190，這里由四極布置中的四個(gè)電磁體190a、190b、190c和190d實(shí)現(xiàn)。
[0080]每個(gè)光檢測器180的檢測器信號S均源自發(fā)源于對應(yīng)的樣品室114的散射的輸出光Ls。該散射光Ls由透鏡171收集，透鏡171設(shè)置在樣品室114與光檢測器180之間并且聚焦在檢測器180上。
[0081]為了多路復(fù)用，需要樣品室114的(一維或二維)陣列，并且完整的實(shí)施例包括相關(guān)聯(lián)的光源的陣列、阻擋斑173、透鏡171以及光檢測器180。應(yīng)采取預(yù)防措施，使得起始于一個(gè)室的散射輸出光Ls不被另一室的檢測光學(xué)器件檢測到，以便防止不同室114之間的光學(xué)串?dāng)_。
[0082]創(chuàng)建調(diào)制的磁場的磁體布置190也是閱讀器150的部分。優(yōu)選地，這是在xz平面中旋轉(zhuǎn)的磁場Bxz，或在yz平面中旋轉(zhuǎn)的磁場Byz (或其組合)。在兩種情況中，磁場的旋轉(zhuǎn)在包含激勵(lì)束Ltl(其沿z軸被引導(dǎo))的平面中。
[0083]隨后在評價(jià)單元140中對來自每個(gè)光檢測器180的檢測器信號S在光譜上進(jìn)行濾波，從而僅獲得來自旋轉(zhuǎn)團(tuán)簇的貢獻(xiàn)，由此過濾掉發(fā)源于例如單個(gè)納米顆粒、劃痕等的DC含量。
[0084]圖3至圖7示出對圖2的傳感器裝置和盒的各種修改，其中，等同或相似的部件具有相差100的整數(shù)倍的附圖標(biāo)記，并且將不再解釋。應(yīng)注意，在這些圖中未示出磁場檢測器190和評價(jià)單元140，盡管它們一直為所述設(shè)置的部分。
[0085]圖3圖示用于對團(tuán)簇化驗(yàn)進(jìn)行暗場檢測的傳感器裝置200的第二實(shí)施例。與圖2的傳感器裝置相比，允許暗場檢測的阻擋斑273現(xiàn)在是透鏡270的部分。反射斑或吸收斑273能夠通過標(biāo)準(zhǔn)薄層沉積技術(shù)，被直接制作在透鏡271的頂部。
[0086]此外，可以由單個(gè)部件(例如經(jīng)由諸如注射成型、2P復(fù)制或玻璃成型的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制作的透鏡陣列)代替離散的透鏡271的集合。使用具有各離散透鏡之間的固定距離的透鏡陣列的優(yōu)點(diǎn)為在裝配期間光學(xué)系統(tǒng)的對準(zhǔn)。在該情況中，生成激勵(lì)束Ltl的個(gè)體光源之間、個(gè)體透鏡271之間、以及個(gè)體檢測器280之間的距離固定，并且由個(gè)體樣品室214之間的距尚確定。
[0087]圖4示出用于對團(tuán)簇化驗(yàn)進(jìn)行暗場檢測的傳感器裝置300的第三實(shí)施例，其中，激勵(lì)光學(xué)器件和檢測光學(xué)器件僅位于盒310的一側(cè)。該幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為(i)僅使用一個(gè)光學(xué)透明的(底部)襯底313，以及(ii)實(shí)現(xiàn)薄的平面讀出系統(tǒng)，其中，所有的光學(xué)器件均僅位于所述盒的一側(cè)。
[0088]在盒310的僅下方，放置光學(xué)布置或“分配元件”374，其在不同的樣品室314上分配進(jìn)入的激勵(lì)光束U。分配元件374可以包括單個(gè)波導(dǎo)光學(xué)部件，所述波導(dǎo)光學(xué)部件包含部分反射的、偏振或非偏振分束反射鏡374a。這里，也可以使用離散的光學(xué)器件，以便將光耦合到盒310中?？梢孕⌒倪x擇個(gè)體反射鏡374a的反射系數(shù)，使得到達(dá)個(gè)體樣品室314的光的總體強(qiáng)度針對所有室都相同。為了防止來自擊中檢測器380的激勵(lì)束Ltl的雜散光，或者(i)當(dāng)光擊中上部盒層311時(shí)所述光應(yīng)被完全吸收，或者(ii)所述光擊中另一中間“附加層”315，該“附加層”315以與上文所述相同的方式將所述光完全反射向吸收或反射阻擋元件373，并且由此允許對散射光進(jìn)行暗場檢測。
[0089]圖5示出用于對具有側(cè)路激勵(lì)的團(tuán)簇化驗(yàn)進(jìn)行暗場檢測的傳感器裝置400的第四實(shí)施例。這里，激勵(lì)光Ltl被耦合到包含樣品室414的盒410的透明引導(dǎo)層412中。用于將來自光源460的光耦合到波導(dǎo)部件的光學(xué)布置在本領(lǐng)域是已知的，例如(i)使用具有適當(dāng)NA的透鏡的對接耦合，從而將光聚焦在盒410的側(cè)面，(ii)使用在下方層411、413的頂部的平面衍射或折射結(jié)構(gòu)。
[0090]為了使盒410的透明層412充當(dāng)光學(xué)波導(dǎo)，應(yīng)使用比引導(dǎo)層412具有更低折射率的中間“附加層”415，例如使用具有低折射率的光學(xué)膠，以將所述盒的不同層411、412以及413互連。
[0091]由于激勵(lì)光Ltl傳播的主方向現(xiàn)在是X方向(檢測仍在z方向)，這暗含(i)現(xiàn)在在相對于激勵(lì)束Ltl的直角處收集散射光Ls，以及(ii)旋轉(zhuǎn)磁場(Bxz或Bxy)的平面的取向現(xiàn)在優(yōu)選地在Xz方向和/或zy方向。[0092]圖6示出用于使用熒光標(biāo)記的磁性納米顆粒進(jìn)行暗場檢測的傳感器裝置500的第五實(shí)施例。也能夠通過使用熒光標(biāo)記的磁性納米顆粒，在譜(即波長)光域中獲得暗場檢測。在該情況中，由于通過在樣品室514與光檢測器580之間的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)濾波器575，防止了來自激勵(lì)光束Ltl的直接雜散光擊中光檢測器580，因此激勵(lì)光學(xué)器件變得非常簡單:盒510現(xiàn)在可以作為整體被例如具有均勻光束Ltl的單一光源560照射。應(yīng)注意，該照射也可以從底部(如圖4)或從側(cè)面(圖5)完成。
[0093]阻擋斑的角色現(xiàn)在已被譜(波長)濾波器575代替，其過慮掉激勵(lì)波長并且防止所述檢測器被高強(qiáng)度激勵(lì)束飽和。僅熒光輸出光Lf能夠到達(dá)檢測器580。之后在譜(時(shí))域中發(fā)生第二過濾步驟，由此僅例如檢測器信號的2f分量被檢測到，并且針對存在于大塊樣品流體中的分析物的濃度被考慮(其中，f為旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)頻率)。
[0094]由于不存在空間濾波器(阻擋元件)，檢測光學(xué)器件也可以變得簡單得多，并且可以無需額外的透鏡571，通過將所述檢測器放置為盡可能接近所述盒，來構(gòu)建閱讀器。
[0095]圖7中示出使用熒光標(biāo)記的磁性納米顆粒的傳感器裝置600的對應(yīng)實(shí)施例。通過使用具有大約為樣品室614的面積的覆蓋區(qū)的檢測器680，能夠?qū)⑹占臒晒廨敵龉釲f的量最大化，而不使用透鏡。在該情況中，獲得非常緊湊且超薄的閱讀器設(shè)備650。盡管在圖7中以來自上方的激勵(lì)束Ltl圖示該情況，但這里，來自盒610的下方或側(cè)面的激勵(lì)束也同樣有效。
[0096]熒光的使用具有以下優(yōu)點(diǎn):消除了對通過額外的空間濾波光學(xué)器件來防止激勵(lì)束Ltl擊中檢測器的需要，并且由此使從(熒光)散射團(tuán)簇收集的光的效率最大化。此外，其潛在地允許非常緊湊且簡單的閱讀器幾何結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)為，與散射橫截面相比較，在某種程度上更低的總體熒光橫截面(吸收橫截面乘以熒光量子產(chǎn)率)。
[0097]當(dāng)期望如圖7中所示的超薄系統(tǒng)時(shí)，包括磁性組件(線圈、芯、軛)的所有部件應(yīng)盡可能地在xy平面中。當(dāng)磁性旋轉(zhuǎn)的平面在xy平面中時(shí)，則優(yōu)選地，應(yīng)在xy平面中從側(cè)面向樣品室引導(dǎo)激勵(lì)光束U。當(dāng)磁性旋轉(zhuǎn)的平面在xz平面或yz平面中時(shí)，則優(yōu)選地沿z軸使用激勵(lì)。
[0098]總而言之，本發(fā)明提供一種用于在樣品中檢測具有磁性顆粒的團(tuán)簇的傳感器裝置和方法。所述樣品被提供在基本平面的盒的至少一個(gè)樣品室中，所述基本平面的盒被暴露于由磁場發(fā)生器生成的調(diào)制的磁場。利用激勵(lì)光Ltl照射所述樣品室，并且由光檢測器檢測得到的輸出光Ls、Lf。所述磁場尤其可以旋轉(zhuǎn)，從而誘發(fā)團(tuán)簇的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)，所述團(tuán)簇的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)繼而誘發(fā)檢測信號的變化。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，激勵(lì)光被聚焦到所述樣品室后面的阻擋斑上，由此屏蔽所述光檢測器免受直接照射。
[0099]優(yōu)選地，磁性致動(dòng)被選擇為使得光學(xué)激勵(lì)的軸落入顆粒團(tuán)簇的角度致動(dòng)的平面中。在該幾何結(jié)構(gòu)中，團(tuán)簇將時(shí)間調(diào)制的橫截面暴露于激勵(lì)光。如果團(tuán)簇在不同平面中旋轉(zhuǎn)，則該原理仍有效，然而，每個(gè)團(tuán)簇的信號能夠更低。
[0100]優(yōu)選地，使用四極電磁體以用于磁性致動(dòng)。當(dāng)相對磁極尖端的表面平行并且相對磁極的芯成直線時(shí)，則磁場具有在尖端之間的間隙中的高度的空間均勻性(如上文Ranzoni等人的文章)?；蛘撸軌蚴褂镁哂幸越嵌热∠虻臉O尖端的磁體，從而生成在芯的平面外部的場(參見 Janssen、X.J.A.、van Reenen, A.、van I jzendoorn, L.J.、de Jong, A.M.以及 Prins、M.W.J.:“The rotating particles probe:A new technique to measureinteractions between particles and a substrate，，，Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.Aspects 373,第 88-93 頁(2011 年))。
[0101]在檢測期間，能夠?qū)⒋判灶w粒鋪展在樣品室中?；蛘撸紫?例如通過磁力)向樣品室的光學(xué)窗口移動(dòng)顆粒，隨后在光學(xué)窗口附近的檢測區(qū)域中執(zhí)行檢測。
[0102]優(yōu)選地，樣品室中的磁性團(tuán)簇在所述檢測器中生成信號，該信號本質(zhì)上獨(dú)立于團(tuán)簇在樣品室的檢測區(qū)域中的空間位置。因此優(yōu)選地，磁場、光學(xué)激勵(lì)場、以及光學(xué)檢測效率在樣品室的檢測區(qū)域中相當(dāng)均勻。
[0103]能夠在閱讀器與盒機(jī)械靜止的同時(shí)(針對靜態(tài)成像)，或在閱讀器與盒正在掃描的同時(shí)(針對掃描讀出)，執(zhí)行對光學(xué)信號的收集。當(dāng)樣品具有非常大的平面形狀時(shí)，例如在有許多單獨(dú)的樣品室的情況中或在有一個(gè)或多個(gè)非常大的樣品室的情況中(例如樣品鋪展在載片上)，掃描讀出能夠是有用的。
[0104]本發(fā)明具有平面架構(gòu)的途徑提供以下優(yōu)點(diǎn):
[0105]-適合于具有成本效率的盒的大規(guī)模生產(chǎn)；
[0106]-盒到閱讀器中的容易的機(jī)械插入；
[0107]-盒與閱讀器的有效光磁對準(zhǔn)；
[0108]-平面布置與芯片類光學(xué)傳感器的平面幾何結(jié)構(gòu)相容；
[0109]-平面空間對于流體系統(tǒng)的功能可用，例如用于過濾、試劑向樣品中的釋放(從濕態(tài)或干態(tài))、向樣品室的傳輸?shù)龋?br> [0110]-在平面的盒的兩側(cè)上，兩個(gè)成半空間對電磁體和光學(xué)布置可用；
[0111]-如果電磁體和光學(xué)布置被放置在一個(gè)成半空間中，則盒的另一個(gè)成半空間的側(cè)面對另外的流體系統(tǒng)的功能可用，例如給出移液機(jī)器人的進(jìn)入；
[0112]-平面架構(gòu)給出所述系統(tǒng)針對多室操作的平面可擴(kuò)展性，在多室操作中，從單獨(dú)的樣品室收集單獨(dú)的光學(xué)信號。
[0113]盡管已在附圖和前文的描述中詳細(xì)說明并描述了本發(fā)明，但這種說明和描述被認(rèn)為是說明性或示范性的，而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。通過研究附圖、說明書以及權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)能夠理解并實(shí)現(xiàn)對所公開實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且量詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)?；ゲ幌嗤膹膶贆?quán)利要求中記載特定措施并不指示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記不得被解釋為對范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測樣品中的磁性顆粒(MP)的傳感器裝置(100-600)，包括: a)基本平面的盒(110-610)，其具有至少一個(gè)樣品室(114-614)，所述樣品能夠被提供在所述樣品室中； b)光源(160-660),其用于向所述樣品室(114-614)中發(fā)射激勵(lì)光(Ltl)； c)磁場發(fā)生器(190),其用于在所述樣品室(114-614)中生成旋轉(zhuǎn)磁場(Bxz、Byz、Bxy)； d)光檢測器(180-680)，其用于檢測輸出光(Ls、Lf)，所述輸出光是由所述樣品室(114-614)中的激勵(lì)光(Ltl)生成的并且包括由熒光生成的光，所述光檢測器被設(shè)置為毗鄰所述盒(110-610)的平面(x, y)； e)評價(jià)單元(140)，其用于相對于檢測器信號(S)的時(shí)間譜來評價(jià)所述檢測器信號。
2.一種用于檢測樣品中具有磁性顆粒(MP)的團(tuán)簇(C)的傳感器裝置(100-600)，包括: a)基本平面的盒(110-610)，其具有至少一個(gè)樣品室(114-614)，所述樣品能夠被提供在所述樣品室中； b)光源(160-660),其用于向所述樣品室(114-614)中發(fā)射激勵(lì)光(Ltl)； c)磁場發(fā)生器(190)，其用于在所述樣品室(114-614)中生成調(diào)制的磁場(Bxz、Byz、Bxy); d)光檢測器(180-680)，其用于檢測由所述樣品室(114-614)中的激勵(lì)光(Ltl)生成的輸出光(Ls、Lf) ο
3.一種用于檢測樣品中具有磁性顆粒(MP)的團(tuán)簇(C)的方法，所述方法包括: a)將所述樣品引入到基本平面的盒(110-610)的至少一個(gè)樣品室(114-614)中； b)向所述樣品室(114-614)中發(fā)射激勵(lì)光(L。)； c)在所述樣品室(114-614)中生成調(diào)制磁場(Bxz、Byz、Bxy)； d)利用光檢測器(180-680)檢測由所述樣品室(114-614)中的激勵(lì)光(Ltl)生成的輸出光(Ls、Lf)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(100-600)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，所述光檢測器(180-680)被設(shè)置為毗鄰所述盒(110-610)的平面(x，y)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(100-600)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，所述磁場(Bxz、Byz, Bxy)旋轉(zhuǎn)，尤其在包括所述激勵(lì)光(Ltl)和/或所述輸出光(Ls、Lf)的平面中旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(100-600)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，提供評價(jià)單元(140)，以相對于所述檢測器信號(S)的時(shí)間譜來評價(jià)所述檢測器信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(100-300)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，在所述樣品室(114-314)與所述光檢測器(180-380)之間提供非透明的阻擋斑(173-373)，并且所述激勵(lì)光(Ltl)被聚焦到所述非透明的阻擋斑上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(100-500)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，在所述樣品室(114-514)與所述光檢測器(180-580)之間提供光學(xué)元件(171-571)，以將輸出光(Ls、Lf)引導(dǎo)到所述光檢測器(180-580)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(300)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，提供分配元件(374)，以將到達(dá)所述元件的激勵(lì)光(Ltl)平行于所述盒(310)的所述平面引導(dǎo)到所述樣品室(314)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器裝置(300)或方法， 其特征在于，所述分配元件(374)包括至少一個(gè)部分反射鏡(374a)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(500-600)或根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，所述輸出光(Lf)包括由團(tuán)簇(C)的突光生成的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器裝置(500-600)或方法， 其特征在于，在所述樣品室(514-614)與所述光檢測器(580-680)之間提供濾波器元件(575、675)，以在允許輸出光(Lf)通過的同時(shí)，在光譜上過濾掉激勵(lì)光(Ltl)。
13.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置(300-400)的盒(310-410)，包括: a)透明層(312、313、412)，在所述透明層中形成至少一個(gè)樣品室(314、414)，并且激勵(lì)光(Ltl)能夠通過所述透明層傳播； b)毗鄰所述透明層的附加 層(315、415)，所述激勵(lì)光(Ltl)在所述附加層處被反射。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的盒(410)， 其特征在于，所述透明層(412)被設(shè)置在具有比所述透明層(412)更低的折射率的兩個(gè)附加層(416)之間。
【文檔編號】G01N21/64GK103930765SQ201280055621
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月14日
【發(fā)明者】J·J·H·B·施萊彭, M·W·J·普林斯, A·蘭佐尼 申請人:皇家飛利浦有限公司