專利名稱：通過機(jī)械地移動至少一個磁體來將磁力應(yīng)用到生物傳感器表面的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物傳感器的磁系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于磁珠檢測的生物傳感器具有用于生物分子診斷的期望性 能，例如速度、敏感度、特異性、集成性、易于使用和成本方面。
生物傳感器中一個重要的測定步驟就是所謂的嚴(yán)格性步驟，該 步驟中由于弱的生化結(jié)合和強(qiáng)的生化結(jié)合而在信號之間產(chǎn)生差別。 在這種步驟中，磁粒子，在下文中也稱作磁珠，被置于應(yīng)力下以便 測試粒子與生物傳感器的生物活性傳感器表面之間的生物結(jié)合強(qiáng) 度，這可以辨別被特定結(jié)合到傳感器表面的磁粒子和非特定結(jié)合到 傳感器表面的磁粒子。
從US2004/0219695A1進(jìn)一步得知使用磁場或電場將以磁或電 活性粒子標(biāo)示的分子吸引到結(jié)合位置和/或從傳感器區(qū)域去除無約 束標(biāo)示的分子。
對于磁生物傳感器的應(yīng)用，已經(jīng)提出使用樣本容室外面的、用 于清洗步驟的外場生成裝置(線圏)，在該處將過量的磁粒子去除。 為了在樣本容室中的磁粒子上產(chǎn)生合理的力需要大磁場和相應(yīng)的大 磁場梯度，并且必須采取專門的措施以便不影響磁傳感器的性能并 避免磁珠群聚一一磁粒子的聚集。
電磁體由具有高導(dǎo)磁率材料(例如鐵氧體材料)的芯和纏繞在 該芯周圍的大量金屬線構(gòu)成，這具有如下一些優(yōu)點
-外部(電)磁體具有相對大的互作用范圍，其允許收集來自
大反應(yīng)室的磁珠。
-可以在具有外磁體的構(gòu)造中產(chǎn)生均勻的場梯度，這在進(jìn)行嚴(yán) 格性步驟中是至關(guān)重要的。但是該構(gòu)造還有一些明顯的缺陷
-只能產(chǎn)生相對低的磁場(對于3咖的芯徑和具有約5A峰值 電流的100個繞組來說大約0. 1T)。在手持式應(yīng)用中(例如路邊藥 物濫用測試儀)所需要的高峰值電流是非常麻煩的。
發(fā)明概述
本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種用于生物傳感器的緊湊且有效的磁 系統(tǒng)。
對于用在生物傳感器中的磁系統(tǒng)來說，通過專利權(quán)利要求l的
特征來實現(xiàn)所述目的。
此系統(tǒng)或設(shè)備的其它實施例的特征在于從屬權(quán)利要求2-15。 本發(fā)明的基本思想和功能是，通過磁引力或斥力來影響磁珠，
其中至少一個磁體的磁極可以相對于傳感器或至少傳感器表面機(jī)械
地移動。
在本發(fā)明中，提出使用特殊的磁系統(tǒng)，其中磁力可以在朝向傳 感器表面的有效引力和背離傳感器表面的有效斥力之間切換。
在第一實施例中，包括至少一個磁體的機(jī)械支撐體相對于傳感 器或傳感器芯片是可移動的。在優(yōu)選實施例中，可移動的機(jī)械支撐 體包括兩個磁極，該磁極與傳感器和盒體一起布置在公共軸上。通 過改變機(jī)械支撐體的位置，可以改變傳感器到每個磁極之間的距離.
在另一實施例中，傳感器被物理地耦合到盒體且在兩個磁極之 間可線性移動，該磁極彼此相鄰地與傳感器和盒體一起布置在公共 軸上。
又一實施例公開了兩個永磁體中的至少一個可以從所述公共軸 之外的位置線性移動到與該軸一致的位置，反之亦然。
公開了再一替選實施例，其中通過所述一個或多個磁體的繞軸 移動或者旋轉(zhuǎn)移動來實現(xiàn)從軸的旁邊移動到與軸一致，反之亦然，
又一實施例公開了可以有效實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)移動或繞軸移動的結(jié)構(gòu)。 磁體的旋轉(zhuǎn)移動或繞軸移動通過將磁體中的至少一個布置在盤上的 偏心位置上來實現(xiàn)，該盤的旋轉(zhuǎn)軸平行于該磁體的軸。在上述實施例的所有可選方案中，當(dāng)永磁體移動或者繞軸轉(zhuǎn)動 或旋轉(zhuǎn)到傳感器位置的磁軸之外時，將產(chǎn)生高磁力的磁旁路.這種
磁旁路通過每個永磁體一個c-環(huán)型磁路來實現(xiàn)，其中當(dāng)永磁體移動 到磁軸之外時，永磁體移動到c-環(huán)的磁極之間的空間中，其中c-環(huán)平行于上述磁軸布置，從而當(dāng)永磁體在磁軸位置之外旋轉(zhuǎn)或移動 或繞軸轉(zhuǎn)動時對所述磁場進(jìn)行旁路.在最后的實施例中，磁旁路通
過每對磁體一個c-環(huán)型磁路來實現(xiàn)，具有兩個開口空間，當(dāng)永磁體
在傳感器的磁軸位置之外移動時，永磁體在這兩個開口空間中移動 或繞軸轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)。
詳細(xì)的實施例在附圖中顯示并在下面描述。


本發(fā)明的不同實施例在困1至圖5中示出。圖6和圖7分別示 出了與生物傳感器或生物系統(tǒng)有關(guān)的測定裝置以及通過磁系統(tǒng)獲得 的測量結(jié)果.
圖1示出了磁系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其具有布置在機(jī)械支撐體 上的兩個磁體，該磁體可相對于具有傳感器的盒體移動，從而產(chǎn)生 到具有傳感器的盒體的磁場，圖1示出了具有傳感器的盒體相對于 磁體的兩個位置。
圖2示出了類似于圖1的磁系統(tǒng)，其具有相對于具有傳感器的 盒體可移動的單個C-型磁體。
困3示出了類似于圖1的磁系統(tǒng)，其中兩個電流所穿過的電磁 體改變了這兩個電流之間的電流強(qiáng)度比率。
圖4a示出了另一實施例中的磁系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，該實施例 中，永磁體從鄰近傳感器的位置A移動到C-型磁體處的位置B，其 中永磁體和C-型磁體形成基本上閉合的環(huán)和閉合的磁路。
圖4b示出了根據(jù)圖4a的位置B處的磁系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖， 其中永磁體和C-型磁體形成基本上閉合的環(huán)和閉合的磁線路。
困5示出了具有布置在繞軸旋轉(zhuǎn)的磁盤上的永磁體的磁系統(tǒng)的 示意性側(cè)視困和可旋轉(zhuǎn)磁盤的平面圖。
5圖6示出了測定裝置的兩個示意圖，其具有已安裝的抗原和具 有結(jié)合到抗原的所附抗體的磁粒子、以及用于去除未結(jié)合的磁粒子 的磁體。
圖7示出了在通過磁體清洗傳感器工序之前(在左邊)和清洗 傳感器之后(在右邊)所測量的發(fā)光矩形圖。
具體實施例方式
圖1示出了具有第一磁體1和第二磁體2的笫一實施例，它們 都布置在可移動的機(jī)械支撐體9上。包括傳感器3的盒體4布置在 機(jī)械支撐體9附近，在圖1中傳感器3位于盒體4下面。傳感器3 用于測量磁粒子15的濃度作為一些參數(shù)的指示，例如作為流體中抗 體的量。因此，傳感器3可以稱為生物傳感器。盒體4尤其包括將 通過所溶解的磁粒子15進(jìn)行分析的流體，磁粒子15也稱為磁珠。 為了將磁粒子15或磁珠向傳感器3或傳感器芯片的表面吸引，或從 傳感器3或傳感器芯片的表面驅(qū)離磁珠，產(chǎn)生磁場的兩個磁體l、 2 附著到可移動的C-型機(jī)械支撐體9。第一磁體1布置在傳感器3的 下方，笫二磁體2布置在傳感器3的上方，如困1所示。通過改變 機(jī)械支撐體9的z-方向，磁體1、 2之一的磁場在傳感器3處變得 顯著。在位置1，在圖1的左側(cè)示出，通過傳感器3下方的第一磁 體l將磁粒子15向傳感器表面吸引。在位置l, C-型機(jī)械支撐體9 位于方向z的較高位置，方向z通過雙向箭頭來定義。在位置1， 傳感器3接近第一磁體1且遠(yuǎn)離第二磁體2。在位置2， U-型機(jī)械支 撐體9位于方向z的較低位置。在位置2，傳感器3接近第二磁體2 且遠(yuǎn)離笫一磁體l。在位置2，通過第二磁體2將磁粒子l5從傳感 器表面拉離。將磁粒子15從傳感器表面去除的步驟也稱作清洗。至 少一個磁體l、 2可以是永磁體13或電磁體。除上述外，由于傳感 器3被定位成沿z-軸(其中磁場的x和y梯度為零)移動，因此，在 圖l、 2、 3中，面內(nèi)(x和y)場分量一般可以是最小的.
在根據(jù)圖1的實施例中永磁體和電磁體都是可以使用的。圖2 和3示出了其它可選實施例。
6在圖2所示的實施例中，使用單個C-型磁體12代替圖1中所 示的兩個磁體l、 2, C-型磁體12被結(jié)合到機(jī)械支撐體9中，其端部 伸出機(jī)械支撐體9之外。安裝在機(jī)械支撐體9處的整個C-型磁體12 可相對于傳感器3和盒體4移動。盒體4對C-型磁體12的相對移 動意味著盒體4在z方向上向上或向下移動，而C-型磁體12保持 位置，或者C-型磁體12在z方向上向上或向下移動，而具有傳感 器3的盒體4保持其位置。
在圖3中示出了一實施例，其中，改變第一磁體1和第二磁體2 之間的電流平衡來改變磁場以便迫使磁粒子15朝向傳感器表面或 遠(yuǎn)離該表面移動，在本實施例中磁體限定為電磁體.穿過磁體l、 2 的電流I,、 12中至少一個的強(qiáng)度是受控的》在位置1(在圖3的左側(cè) 示出)，位于下面的第一磁體1處的電流強(qiáng)度I,高于位于上面的第 二磁體2處的電流12。在位置2(在圖3的右側(cè)示出)，位于下面的 第一磁體1處的電流強(qiáng)度1,小于位于上面的第二磁體2處的電流12。 由第一磁體1和第二磁體2產(chǎn)生的磁場在基本上位于笫一磁體1和 第二磁體2之間的區(qū)域中施加作用力，該區(qū)域中容納具有磁粒子15 和將被檢測的流體的盒體4。通過該裝置，在位置1的情況下，盒體 4中的磁粒子15被拉向傳感器3，而在閨3右側(cè)的位置2的情況下， 磁粒子15從傳感器3凈史拉離。
圖4a、圖4b示出了使用強(qiáng)永磁體13的有利實施例， 一個永磁 體13與困4a左側(cè)的C-型磁體12有關(guān)，另一個永磁體13與右側(cè)的 C-型磁體12有關(guān)。C-型磁體12類似于圖2的實施例中的C-型磁體 12。在圖4a、圖4b中，C-型磁體12未用機(jī)械支撐體9支撐，而是 形成自我支撐。在兩個C-型磁體12之間布置盒體4，該盒體4具有 反應(yīng)室以及用于測量盒體4中磁粒子15量的傳感器3。在圖4a中 的位置A中，由于永磁體13靠近傳感器3，來自永磁體13的磁場 將在盒體4內(nèi)傳感器3或傳感器芯片上的反應(yīng)室內(nèi)引起激勵。這可 以是向傳感器3的方向(即困4a中向下的方向)吸引，或者是從傳感 器3拉離(清洗)，即圖4a中向上的方向，這取決于永磁體13的 極性。對于分析盒體中流體的后續(xù)步猓來說，永磁體13的影響必須消除，在永磁體13的情況下，通過去除永磁體13來消除其影響， 在去除永磁體13期間，通常需要解決兩個問題
a) 必須將強(qiáng)永磁體13移動一個大的距離，以便在永磁體
13位于遠(yuǎn)離傳感器3的位置時避免來自該磁體的任何 雜散磁場影響傳感器3.
b) 在讀取設(shè)備中需要機(jī)械移動。
這些問題的解決方案是在永磁體13位于距離傳感器3較大距 離的位置的情況下，參考困4b中所示的位置B，將永磁體13放置 在磁閉環(huán)中。將永磁體13從接近盒體4和傳感器3的位置移動到遠(yuǎn) 離盒體4和傳感器3的位置，由此在后面的位置中，永磁體13的每 一個基本上使C-型磁體12的磁極之間的空隙閉合，從而大致產(chǎn)生 閉合磁路。實際上，永磁體13的所有磁場線此時將穿過在本例中通 過C-型磁體12提供的磁路5，這樣幾乎有效地終止了其對磁生物傳 感器或傳感器3的影響。磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是永磁體13和C-型磁 體12之間的邊緣處的氣隙盡可能的小且由這些氣隙導(dǎo)致的雜散磁 場最小。也就是說，當(dāng)不使用永磁體13或不使其有效時，通過將永 磁體13移動到磁路的間隙中使C-型磁體12的空隙閉合，從而使磁 場線被帶入磁旁路。產(chǎn)生磁路5的每個C-型磁體12優(yōu)選由未示出 剩余磁化強(qiáng)度的高導(dǎo)磁材料制成。
因此建議使用小的強(qiáng)永磁體13 (例如FeNdB;釹鐵硼)并線性 地或旋轉(zhuǎn)地機(jī)械移動這些永磁體13，使其從靠近傳感器3的位置A 移動到離開傳感器3較大距離處的位置B。
使用外部永磁體13的優(yōu)點在于
-永磁體13不會引起任何功耗。
-永磁體13可以產(chǎn)生大約l-2特斯拉(Tesla)的較大磁場(和 場梯度)。
此外， 一些機(jī)械驅(qū)動裝置也是可以的。 一個可能的實施例在圖 5中示出，其中永磁體13放置在旋轉(zhuǎn)盤7中或其上。旋轉(zhuǎn)盤7沿螺 栓8旋轉(zhuǎn)，并通過該旋轉(zhuǎn)，移動所附的永磁體13到靠近傳感器3的位 置(稱為位置A)處以及遠(yuǎn)離傳感器3使C-型磁體12的空隙閉合的第
8二位置(稱為位置B)處，優(yōu)選地，致動機(jī)構(gòu)在兩個可能位置A和B 中是雙穩(wěn)態(tài)的(參見圖4)。
只應(yīng)需要小而弱的機(jī)械驅(qū)動將永磁體13從位置A移動到位置 B,反之亦然。例如，這種結(jié)構(gòu)在光存儲器中是已知的，用來在雙讀 取或雙寫入驅(qū)動的光學(xué)路徑中移動CD或DVD透鏡。在本技術(shù)領(lǐng)域這 種致動器有時稱作"極性致動"。
使用上述裝置可以在不使用用于將磁粒子15從傳感器3清洗 走的流體的情況下，完成用于去除不需要的磁粒子15的清洗步驟。 通過適當(dāng)平板進(jìn)行的竟?fàn)幏治鲈囼灡砻?，對接?-1.5niin)上的永 磁體13 (在表面處為~1.2T)可以很好地辨別特定和非特定結(jié)合的 磁粒子15
圖6示出了測定裝置的兩個示意圖，該測定裝置具有已安裝的 抗原20和磁粒子15以及為了去除未結(jié)合磁粒子15的磁體1，磁粒 子15具有結(jié)合到抗原20的所附抗體.通常，測定裝置受控于被檢 測的流體，在該流體中磁粒子15、抗體16和抗原20被溶液溶解。 測定裝置在適當(dāng)?shù)钠桨逯袑崿F(xiàn)，其中表面18覆蓋有抗原20，當(dāng)覆 蓋有抗體16的磁粒子15 —旦到達(dá)表面18就可以結(jié)合到抗原上。這 個結(jié)合過程可以利用表面18之下的磁體(未示出)來加速。在圖6 的右側(cè)，為了將未結(jié)合的磁粒子15從溶液捕獲出，將磁體l放置在 表面18之上一段距離處。未通過抗體16結(jié)合到表面18處的抗原 20的磁粒子15被強(qiáng)制移動到磁體1，在圖6的右側(cè)示出。在該清洗 步驟之后，不期望的磁粒子15足夠遠(yuǎn)離表面18，這些磁粒子在后 續(xù)的測量結(jié)合到表面18的磁粒子15的量的檢測步驟中將不被檢測， 通常，檢測所結(jié)合的磁粒子作為結(jié)合到磁粒子15的抗體16的量的 指示。后續(xù)的檢測步驟可以基于磁檢測、光學(xué)檢測、聲學(xué)檢測或其 它檢測技術(shù)。
圖7示出了發(fā)光測量的矩形圖，其中左側(cè)為通過磁體1、 2、 12、 13清洗傳感器3的步驟之前所測得的，稱為原級的，右側(cè)為清洗傳 感器3之后所測得的，稱為漂布的。通過辣根過氧化酶(HRP ) -標(biāo) 記的次級抗體16來標(biāo)示保持在表面18上的磁粒子15。 HRP是一種
9對魯米諾(發(fā)光氨)轉(zhuǎn)換進(jìn)行催化的酶，其釋放可被光學(xué)檢測的光 子。根據(jù)脊米諾的培養(yǎng)來測量發(fā)光，這是在本例中當(dāng)魯米諾結(jié)合到
磁粒子15上(相當(dāng)于圖6所示的抗體16結(jié)合到磁粒子15上)時， 對表面18上的磁粒子15的量的測量。作為具有上述磁系統(tǒng)裝置的 測定裝置的處理結(jié)果，顯著地降低了光學(xué)檢測信號。在右邊(漂布 的)，只測到由結(jié)合的磁粒子15產(chǎn)生的信號，仍存在于左側(cè)的未結(jié) 合的磁粒子15被去除了且不再對光信號有貢獻(xiàn)。
以上詳細(xì)實施例中的元件和特征的特定組合只是示例性的；這 些教導(dǎo)與其他教導(dǎo)的更換和取代也是可以清楚預(yù)期的。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將意識到，在不脫離所要求的本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對在此描述的示例進(jìn)行改變、修改和其他實現(xiàn) 方式。因此，前面的描述僅僅是示例且不在于限制本發(fā)明.本發(fā)明 的范圍在以下權(quán)利要求和其等同物中限定.此外，在說明書和權(quán)利
要求中使用的參考符號并不限制所要求的本發(fā)明的范圍。
參考符號
1 第一磁體
2 第二磁體 3傳感器
4 盒體
5 磁路
7 旋轉(zhuǎn)盤
8 螺栓
9機(jī)械支撐體 12 C-型磁體 13永磁體 15磁粒子 16抗體 18表面 20抗原
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權(quán)利要求
1.一種用于生物傳感器或生物系統(tǒng)的磁系統(tǒng)，其中磁粒子(15)被引入到磁場中，以便通過磁引力或斥力影響磁粒子，其中至少一個磁體(1，2，12，13)相對于傳感器(3)或至少傳感器表面的位置機(jī)械地移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁系統(tǒng)，特征在于傳感器(3)直接物理 地耦接于包括將被分析的生物材料的盒體(4).
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁系統(tǒng)，特征在于通過在機(jī)械支撐體(9 ) 上布置至少兩個磁體(1， 2),該至少兩個磁體(1， 2)能 夠同時相對于傳感器(3)和盒體(4)移動
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的磁系統(tǒng)，特征在于傳感器(3)和盒體H) 在磁體(l， 2， 12)的兩個磁極之間是可線性移動的，上述 磁極彼此鄰近地布置在公共軸上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的磁系統(tǒng)，特征在于兩個永磁體(13)中的 至少一個從該公共軸之外的位置線性移動到與該公共軸一 致的位置，反之亦然。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的磁系統(tǒng)，特征在于通過永磁體(13)中至 少一個的繞軸移動或旋轉(zhuǎn)移動來實現(xiàn)從公共軸之外的位置 到與公共軸一致的位置的移動，反之亦然。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的磁系統(tǒng)，特征在于通過將永磁體(13)布 置在旋轉(zhuǎn)盤(7)上的偏心位置來實現(xiàn)永磁體(13)的旋轉(zhuǎn) 移動或繞軸移動，該旋轉(zhuǎn)盤(7)的旋轉(zhuǎn)軸與磁體(1， 2， 12)的軸平行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5、 6或7之一的磁系統(tǒng)，特征在于對每個永 磁體(13)布置一個C-型磁體(12)，其中將永磁體(13) 移動到C-型磁體(12)的磁極之間的空隙中從而通過產(chǎn)生 閉合磁路(5 )對所述磁場進(jìn)行旁路。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的磁系統(tǒng)，特征在于永磁體(13)由 具有高剩磁的材料例如FeNdB制成。
全文摘要
一種用于生物傳感器或生物系統(tǒng)的磁系統(tǒng)，其中，與分子互作用的磁粒子被引入到磁場中，以便通過磁引力或斥力影響磁粒子。通過使至少一個磁體的磁極相對于傳感器或至少傳感器表面作機(jī)械移動來改變外磁場，使得在朝向傳感器表面的有效引力以及遠(yuǎn)離傳感器表面的有效斥力之間進(jìn)行磁力的切換。
文檔編號H01F7/00GK101558313SQ200780046073
公開日2009年10月14日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者A·H·J·英明克, F·K·德塞杰, J·A·H·M·卡爾曼, J·H·紐文休斯, T·范德威克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司