定量檢測磁微粒局部積累的方法和裝置的製作方法

2023-10-10 09:46:54 2

專利名稱：定量檢測磁微粒局部積累的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測磁微粒的存在，尤其涉及通過交流勵磁和感應檢測勵磁頻率所導致的微粒的振動的磁力矩振幅的方法，來定量檢測這些磁微粒的積累。
一個廣泛使用的用於檢測所關心的化合物微粒的存在與否的方法(被稱做分析)是免疫測定法。在該方法中，對給定分子種類(稱為配合基)的檢測需要通過使用第二種分子種類(稱為反配合基或受體)實現，反配合基或受體一定要專門結合到有關的第一種化合物上。檢測配合基是否存在是通過直接或間接的檢測或推斷配合基和反配合基之間的結合範圍來實現的。
在美國專利4，537，861(Elings et al．)中討論了幾種檢測和測量方法。該專利說明了幾種用來完成在配合基和反配合基之間有結合(binding)反應的溶液中的同類免疫的方法，典型的配合基和反配合基是抗原和抗體。Elings的文件創建了一個空間模式，該模式由反配合基材料和配合基材料的分離區域的空間陣列形成，這些材料分散分布，與反配合基材料的分離區域空間陣列相互作用，產生配合基和反配合基之間在空間模式的結合反應，該結合的混合物標記有特定的物理特徵。當有標記的結合混合物在空間模式中累積時，可以通過掃描裝置提供預期的免疫測定。掃描裝置可以基於螢光，光密度，光分散，顏色和反射比等等。
根據Elings所述，通過施加局部磁場到有帶磁微粒的耦合(bind)混合物的溶液，有標記的耦合混合物在特別準備的表面或者光透明導管或容器上聚積。磁微粒的大小範圍是0．01到50微米。一旦耦合混合物在溶液中磁聚集，就可以採用前面描述的掃描技術。
磁鐵礦形成的磁微粒和惰性矩陣材料長期以來被用於生物化學領域。它們的直徑大小範圍從幾個納米到幾個微米，含磁鐵礦的範圍從15％到100％。他們通常被描述為過順磁鐵微粒，如果大小範圍較大，就稱做磁珠。通常的方法是在這些微粒的表面塗上一些生物活性材料，這些材料將導致它們與有關的特定微小物質或微粒(比如蛋白質、病毒、細胞、DNA片段)緊密結合。這些微粒就成為可以通過磁場來移動物體或免疫物體的「把柄」，磁場通常用強大的永久磁鐵提供。Elings的專利是使用磁微粒做標籤的一個例子。在商業上可以獲得完成此目標的用稀土磁鐵或磁極片特別製造的產品。
儘管這些磁微粒在實踐中只被用於移動或免疫耦合的物體，但是人們已經做了一些實驗性工作，使用微粒做標籤來檢測耦合物體的存在。標籤通常採用放射性、螢光性或磷光性分子耦合到所關心的物體上。如果在足夠小的數量下可以檢測，那麼磁標籤是一種非常吸引人的技術，因為其它標籤技術都有各種不同的嚴重弱點。放射性方法產生健康問題和處理問題，而且相對慢。螢光或磷光技術在量化精度和動態範圍方面有局限，因為發射的光子被樣品中的其它材料吸收。參見日本專利出版物63-90765，1988年4月21日出版(Fujiwara et al．)。
因為來自非常微小容量的磁微粒的信號十分微弱，研究人員很自然的就試圖建立基於超導量子幹涉裝置(SQUIDs)的檢測器。超導量子幹涉裝置放大器是眾所周知的在許多情形下的最敏感的磁場檢測裝置。但是，使用該方法有一些具體的困難。因為超導量子幹涉裝置的拾取線圈必須維持在低溫學的溫度，所以樣品必須被冷卻以便獲得與這些線圈的最大程度的耦合。該過程導致檢測變得難以接受的冗長乏味。超導量子幹涉裝置本身的複雜性和低溫學組件導致它難以作為廉價的桌面儀器使用。即使是基於「高科技」超導體的設計也不能完全克服這些阻礙，而且還會引入一些新困難(Fugiwara et al．)。
還有更多的傳統方法來檢測和量化磁微粒。這些方法涉及一定形式的磁力計，樣品被放置在強磁場中並檢測樣品受力情況，通常是檢測當強度變化時樣品的明顯的重力改變。該技術的一個例子顯示於Rohr專利5，445，970和5，445，971。更複雜的技術是檢測微粒對微小機械懸臂偏轉或振動的影響。(Baselt et al．，″基於力顯微技術的生物傳感器″，海軍研究實驗室，J．Vac，Science Tech．B．Vol 14，No．2(5pp)(1996年4月))。這些方法都有局限性，因為它們依賴於把固有的磁效應轉換成機械響應。這些響應必須與大量的其它類型的機械效應如震動，粘性，和浮性等區別開。
能夠直接檢測和量化非常少量的磁微粒的廉價的、室溫的桌面儀器將有十分重要的應用。
本發明描述一般而言，本發明提供一種直接檢測和測量非常小的累積磁微粒(比如磁鐵礦)以及它們所耦合的相關物質的方法和裝置。
本發明本質上由採用磁微粒來定量檢測目標微粒的裝置組成，磁微粒和目標微粒結合起來形成磁耦合混合樣品，所述裝置包括帶有按定義的模式存放的樣品的可移動底座；施加可變磁場到樣品的導磁體；有輸出信號導體的磁場傳感元件；移動所述樣品到磁場以及與所述傳感元件有操作關係產生結果輸出信號的裝置；包括處理器和分析元件的信號處理器，該信號處理器從所述傳感元件轉換所述輸出信號來提供對一定模式的樣品的數量的信號指示；以及轉換所述數量指示信號為人們有用的形式的裝置。
磁微粒或磁珠利用已知的方法耦合到目標微粒，從而提供磁樣品元件或磁耦合混合物。磁樣品元件的一個定義明確的模式是在平面底座上存放，然後施加高振幅高頻率的磁場來激勵樣品中的磁微粒。這導致磁微粒象局部化的磁極一樣以激勵頻率振蕩。來自樣品的磁場與感應傳感線圈緊密耦合，傳感線圈製成梯度計結構。該結構使得傳感線圈對用於激勵樣品的大而一致的磁場儘可能最大程度的不敏感。而且，線圈的幾何形狀被設計成與樣品的空間模式匹配，以便根據樣品和線圈的相對位置而提供變化明顯的較大的響應。經過傳感線圈的感應電壓被仔細放大並通過相位敏感檢測處理。來自驅動磁場本身的感應拾取作為相位檢測器電路的參考信號。相位檢測器的輸出被進一步濾波，然後數位化。
通過相對傳感線圈陣列移動樣品來調製信號振幅。這允許人們僅僅因為線圈的不均衡，驅動磁場的不一致性，電路的交叉，或任何其它不是來自樣品本身的明顯的信號源而拒絕信號。對信號振幅相對樣品位置的數位化成形曲線與使用合適的曲線擬合技術獲得的理論響應曲線做比較。這提供了在固有的儀器噪聲和偏移基礎上的非常精確的樣品磁內容估計。
圖2是

圖1中的本發明的傳感線圈實施例的放大平面圖。
圖3是圖1的本發明的機械示意透視圖。
圖4是圖1的本發明的電子示意方框圖。
圖4A是圖1中放置傳感線圈的底座的放大的平面圖。
圖4B是底座連接頭金屬外殼的透視圖。
圖5是圖1本發明的傳感線圈的另一個實施例的放大平面圖。
圖6是當要測量的材料穿過傳感線圈時傳感線圈輸出信號的波形。
優選實施例下面參照附圖，尤其是圖1到3，說明本發明的優選實施例。
讀出模塊讀出模塊包含幾個不同的子系統，它們是帶有底座的樣品移動控制，在該底座上駐留有供檢測的磁耦合混合物樣品，並且該樣品移動控制提供在系統內必要的相對運動；導磁體，該導磁體將激勵信號施加到樣品；傳感線圈，它作為信號拾取裝置來拾取樣品產生的信號；驅動電路，為導磁體線圈提供驅動電流；放大器／相位檢測器／數位化器，用於耦合到傳感線圈來接受和處理輸出信號；微處理器晶片，在外部個人電腦(PC)和讀出模塊之間提供雙向通信。
A．樣品運動控制通過傳統方法把磁微粒耦合到目標微粒來創建磁耦合混合樣品。目標微粒可以包括原子、單個分子和生物細胞等。磁耦合混合樣品累積幾個到幾百個微粒，並在接近底座或圓盤12(圖3)的預定位置11沉澱。形成耦合混合物的方法和把它們附加到圓盤的預定位置的方法是眾所周知的，可以採用標準技術。圓盤被裝配在軸13上並向下延伸到鋸齒狀輪盤14。合適的旋轉裝置，比如步進電動機16，有軸17在其末梢延伸到蝸輪組件15。電動機跟蹤PC66通過線路18施加的信號控制圓盤12的旋轉運動。當然，如果需要，也可以採用無線裝置來耦合PC和本發明的系統。
在優選實施例中，如目前考慮的，圓盤12的直徑大約47毫米，厚度大約0．25毫米。可以用玻璃、塑料或矽等製作圓盤。出於實用的目的，其厚度範圍大約是0．1毫米到1．0毫米。在本特定的實例中，輪盤14通過軸13與圓盤12連接，由電動機16通過120齒的蝸輪減速裝置旋轉。當然，可以採用各種不同的旋轉驅動裝置。
導磁體21通過旋轉裝置(比如步進電動機22)相對於圓盤12線性移動，該電動機的軸24上有每循環40轉的引導螺杆23。軸套25配置有內部螺紋的孔，其螺紋與螺旋形引導螺杆的螺紋相配合。控制信號從微計算機65通過線路26施加到電動機22。同樣的，此處說明的旋轉驅動的具體情況只是一個例子，也可以採用其它有不同特徵的合適的元件。
B．導磁體在優選實施例中，鐵素體環型磁芯31(圖4)有一個大約1．5毫米寬的缺口32。在描述的實施例中該磁芯直徑大約30毫米。驅動線圈33纏繞成一個單層，覆蓋環型磁芯31的270度的範圍，線圈相對缺口對稱。反饋迴路34纏繞在環型鐵心體上，其位置在缺口大約180度的位置(與缺口相對)。迴路34可以在線圈33的外部或在線圈33和環型磁芯之間。根據必要和合適的反饋函數，它可以由幾個或許多圈組成。反饋迴路的目的是傳感或表達缺口32的磁場，使信號處理或輸出電路對溫度漂移等現象能夠自校正。這用於增強精度，不是本系統的必要操作。環型鐵心導磁體陣列裝配在絕緣體內室35，後者可以用光纖玻璃組成。內室35有對應缺口32的位置的槽36(圖4)。該槽／缺口成型並進行配置，來選擇性接受可旋轉圓盤12的邊緣，並提供空間給傳感線圈底座，下面將詳細描述。
C．傳感線圈現在特別參考圖2，4，和4A，絕緣體底座41被裝配在內室35的槽36中，並延伸到缺口32。在最近的一端提供耦合襯墊40，42，傳感線圈43被裝配在臨近末梢的底座上。底座最好用石英或矽製成，傳感元件是薄膜細銅線圈。可以使用標準細薄膜製造技術來構造底座和傳感線圈，進入和離開每個線圈的導體在兩個不同的層次上。比如，可以通過標準的影印石板處理方法把進入跡線49放置在底座表面，一層發散的石英被覆蓋到進入導體上，然後線圈43和輸出導體44也採用類似的方法，並在其頂部增加保護性的石英層。可以使用通常的方法來連接各層。
傳感線圈成序列的對接形成梯度計結構，並通過傳導跡線(conductive traces)44，49連接到耦合襯墊40，42，通過雙絞線45連接到信號處理線路。採用雙絞線有助於減少漂移信號或幹涉拾取。
在圖2所示的螺旋狀線圈的寬度大約5微米，螺旋狀跡線之間的斜度大約10微米。傳感線圈跡線的厚度通常為1微米左右。每個完全的線圈的直徑是0．25毫米左右。
底座41做的相對長而窄，耦合襯墊40，42相對遠離環型鐵心缺口，這有助於最小化焊接導線45的漂移拾取。在耦合區域採用金屬外殼46(圖4B)來進一步減少漂移信號或幹涉拾取。線路連接之後把底座的最近連接頭滑進槽50。金屬外殼實質上是一小段有較厚圍牆的圓桶，通常用銅製成。金屬外殼提供電磁屏蔽，有利於機械處理，但對本發明的系統而言不是必須的。
傳感線圈的另一個實施例參見圖5。平面配置的線圈47被拉長為矩形。其跟蹤範圍與圖2的線圈大約一致，而且組合的線圈寬度也是0．25毫米左右。線圈長度大約1-2毫米，線圈通過導線48，51連接到耦合襯墊52，53。
D．驅動電路磁驅動電路，如圖4左邊所示，包含一對高電流、高速度的可操作的放大器54，55。變壓器的主繞組56提供電力，放大器提供超過一安培的驅動電流以大約200KHz的頻率來磁化或驅動線圈33。驅動電路高度平衡來最小化傳感迴路或線圈43，47中的共模噪聲拾取。較小的次繞組57沿磁化線圈耦合到迴路34，提供反饋電壓來操作放大器54，55，振蕩維持在經過調整的振幅和頻率上。次繞組57還為下面描述的相位檢測電路提供優化參考信號。
E．放大器／相位檢測器／數位化器低噪聲集成裝置放大器是該電路的基礎，儘管使用分立元件可能獲得更好的噪聲性能。放大器61是耦合到傳感線圈的變壓器，從而減少共模噪聲信號，為消除導磁體和傳感線圈的不平衡提供方便。變壓器耦合方法是傳統的，位於放大器61內，但在圖中沒有特別畫出。相位敏感探測器62也採用特定目標的集成電路設計。相位檢測器的輸出被施加到低通濾波器63，然後在A／D轉換器64中數位化。轉換器應有高解析度，比如20比特∑-△轉換器。該轉換器晶片在60Hz和50Hz頻率處有極好的噪聲抑制能力，這對最大程度的提供儀器的敏感性有幫助。它可以從許多製造商處獲得。
F．微計算機微計算機65包括微處理器晶片比如Motorola HC11，和內置埠來提供雙向串行通信到PC 66，通過插入PC的串行口。它還提供與串行A／D轉換器64和步進電動機16和22通信的專用部件。簡單的命令語言直接編寫到微計算機65，允許PC發送命令和接受響應和數據。
G．人機界面PC提供本發明系統的操作命令。它通過一個RS232接口運行系統，比如說，從微計算機的RS232接口。
H．系統操作以相對直接和熟悉的裝置，包含樣品的磁微粒複合體的明確定義的圓點或圖案，在圓盤12的接近邊緣的一個或多個位置11沉積。跟蹤來自PC的的控制信號，給步進電動機22施加電壓使之旋轉引導螺杆23向樣品圓盤12移動導磁體陣列。當接近圓盤12的邊緣的樣品位置11與在環型鐵心缺口32中間的傳感線圈43，47對齊時，步進電動機22停止運轉，高振幅(比如1安培)高頻率(200KHz)信號被施加到環型鐵心驅動線圈33。然後，來自PC66的信號驅動步進電動機16旋轉圓盤從而移動樣品圓點經過傳感線圈。缺口32的高振幅高頻率磁場就激勵缺口中的磁微粒樣品。有意驅動環型磁芯飽和，使缺口的磁場強度達到大約1000奧斯特。磁微粒就會以激勵頻率產生磁振蕩，其行為就象局部化磁極一樣。假設磁微粒的物理位置十分接近傳感線圈，來自樣品的磁場就緊密耦合到測坡器配置的傳感線圈。因為測坡器配置的傳感線圈，所以傳感線圈相對大而一致的激勵磁場的輸出實質為0或無。為了獲得最大可能的響應，傳感線圈的幾何形狀配置成與樣品的空間模式匹配。即，樣品圖案點不能大於大約0．25毫米。根據樣品和線圈的相對位置，響應信號發生明顯的改變。
傳感線圈在有驅動磁場而無樣品存在的環境中的信號作為本發明的信號處理部分的參考信號。隨著樣品移動穿過一個又一個傳感線圈，這些線圈輸出信號的相位反轉180度，如圖6所示，從而提供非常強有力的檢測技術。感應電壓被放大器61放大，經相位檢測器62處理。信號經過濾波、數位化，通過微計算機65傳遞到PC提供到PC的輸出信號。指示器67可以是任意類型的有用的裝置來為系統操作員提供信息。它可以是可視指示器，用數字或圖形裝置傳遞信息；也可以是某些類型的光系統，或者是聲音指示器，或者是這些或其它指示器的組合。
通過相對傳感線圈陣列移動樣品可以調製輸出信號振幅。這允許只因為系統和外部輸入而不是因為樣品本身而拒絕信號。對信號振幅相對樣品位置的數位化成形曲線與使用合適的經典曲線擬合技術獲得的存儲在PC66中的理論響應曲線做比較。該操作的結果提供了在排除了固有的儀器噪聲和偏移基礎上的非常精確的樣品磁內容估計。
儘管上面描述了本發明的優選實施例，但本發明的一些其它可選實施例也應該提到。我們前面介紹了兩種傳感器線圈，但還有一些其它可行的配置。前面提到的導磁體相對樣品圓盤移動，但如果需要，可以把圓盤和耦合步進電動機配置成相對磁驅動陣列移動。前面提到的環型磁芯採用矩形區域，但也可以採用其它形狀。至於在圓盤12的點11位置的樣品微粒的數目，舉例說明，樣品元件的0．25毫米點可以包含大約10個5微米大小的磁微粒。或大約1200個1微米大小的微粒。
根據上面的描述，對於可應用技術領域的熟練人員而言，有可能對本發明做各種不超出所附權利要求的精神和範圍的修改和改進。
權利要求
1．一種利用磁微粒定量檢測目標微粒的裝置，其中的磁微粒和目標微粒被結合形成磁耦合複合樣品，所述裝置包括一個可移動的底座(12)，所述樣品以限定的模式沉積其上；用於在樣品上施加交變磁場的導磁體(31，32，33)；具有輸出信號導體(45)的磁場(43)傳感元件；用於將所述樣品移入磁場並與所述傳感元件產生操作關係的裝置(22，23，24，25和14，15，16，17)，其中所述傳感元件有結果輸出信號；信號處理器(62，64，65，66)，所述信號處理器包括處理器和分析元件，用於將所述傳感元件的所述輸出信號進行轉換處理，以提供指示一個模式的所述樣品數量的信號；以及用於轉換所述數量指示信號到可為人所用形式的裝置(67)。
2．根據權利要求1所述的裝置，其中所述傳感元件是感應傳感線圈。
3．根據權利要求2所述的裝置，其中所述傳感元件是兩個分開的傳感線圈。
4．根據權利要求3所述的裝置，其中所述傳感線圈按測坡器配置連接。
5．根據權利要求3所述的裝置，其中所述傳感線圈是循環的螺旋形。
6．根據權利要求3所述的裝置，其中所述傳感線圈的形狀是矩形。
7．根據權利要求1所述的裝置，其中所述移動裝置在所述樣品和所述磁場施加裝置之間提供二維相對運動。
8．根據權利要求7所述的裝置，其中所述移動裝置包括電動機(22)和螺杆裝置(23，24，25)，用於相對於所述可移動底座線性移動磁場施加裝置；以及電動機裝置(14，15，16，17)，用於以預定方式移動所述可移動底座和樣品經過磁場施加裝置。
9．根據權利要求1所述的裝置，其中所述施加磁場的裝置包括在一邊有缺口(32)的環型磁芯(31)；纏繞在所述磁芯上但在所述缺口處留空的驅動線圈(33)；以及施加交流電源到所述驅動線圈的裝置。
10．根據權利要求9所述的裝置，進一步包括耦合到所述磁芯和驅動線圈的反饋迴路(34)，所述反饋迴路的輸出被連接到所述信號處理器(62)，使所述信號處理器對外部影響進行自校正。
11．根據權利要求9所述的裝置，其中所述傳感元件(43)以固定的關係被裝配在傳感器底座(41)並延伸進入所述缺口。
12．根據權利要求11所述的裝置，其中所述傳感元件是兩個分開的傳感線圈，裝配在所述傳感器底座上，並連接成梯度計結構，所述傳感線圈被放置在所述缺口處。
13．根據權利要求1所述的裝置，其中所述信號處理器包括耦合到所述傳感元件的輸出端的放大器(61)；連接到所述放大器以調節輸出信號工況的相位敏感探測器(62)；將輸出信號轉換為數字形式的模數轉換器(64)；以及用來接受所述數位訊號並將其轉換為人們可利用的形式並給所述裝置提供控制信號的計算裝置(65，66，67)。
14．根據權利要求8所述的裝置，其中所述可移動底座是圓盤，其上施加有多個模式的樣品；以及所述電動機是步進電動機，適合於根據來自所述信號處理器的信號旋轉所述圓盤。
15．根據權利要求12所述的裝置，其中所述傳感器底座被加長，並在其臨近端有耦合襯墊(40，42)與導體(44，49)連接，用於從所述傳感線圈輸入輸出信號，所述傳感線圈被裝配在所述傳感器底座的末端，所述傳感器底座進一步包括圍繞所述耦合襯墊和所述傳感底座的所述臨近端的導體外殼(46)，用來減少漂移信號和幹涉拾取。
16．一種用於定量測量耦合到磁微粒的目標微粒以形成磁耦合複合樣品的方法，所述方法包括如下步驟在底座(12)上施加至少一個樣品模型(11)；在限定的位置建立磁場；以定義的方式移動所述樣品穿越磁場，激勵磁微粒按模式分布並產生振蕩；檢測磁微粒振蕩產生的磁場；以及建立振蕩磁微粒數量的一個信號表示，並將此信號表示轉換可為人所用的形式。
17．根據權利要求16所述的方法，其中，所述檢測步驟由一對連接成梯度計結構的傳感線圈(43)完成。
18．根據權利要求16所述的方法，其中，所述底座是可旋轉的圓盤。
19．根據權利要求18所述的方法，其中，所述磁場在缺口(32)處建立，在環型磁芯(31)上有纏繞其上的驅動線圈(33)。
20．根據權利要求19所述的方法，進一步包括如下步驟在圓盤邊緣的至少一個區域，施加相互分隔的多組樣品模型；移動圓盤邊緣進入環型鐵心核心的缺口；以及旋轉圓盤以便樣品穿過缺口。
21．根據權利要求16所述的方法，其中所述磁場在環型磁芯(31)建立，驅動繞組(33)纏繞在磁芯上，轉換的步驟由信號處理器完成，所述方法進一步包括如下步驟施加交流驅動信號給驅動線圈來建立磁場；把驅動線圈的交流驅動信號反饋給信號處理器(62，64，65，66)；以及使用反饋信號校正信號處理器受外部影響而產生的錯誤。
全文摘要
本發明涉及用於定量測量磁微粒組的裝置,這些微粒與將被確定的物質複合並在一個磁場中被激勵。因此,磁微粒(11)導致按偶極裝置以激勵頻率振蕩,而產生它們自己的磁場。這些磁場被感應耦合到按梯度計的構造製作的傳感線圈(43)上。對從傳感線圈輸出的信號進行相應的放大和處理以提供有用的輸出指示。
文檔編號G01N33/543GK1279764SQ98811381
公開日2001年1月10日 申請日期1998年8月27日 優先權日1997年11月21日
發明者麥可·班克羅夫特·西蒙茲 申請人:量子設計有限公司