CN102356314B - 用于检测磁性标记的分析物的装置、仪器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过检测磁性标记对液体样品中的分析物进行定量分析的装置，一种用于控制分析过程和显示结果的仪器以及一种用所述装置和所述仪器实施所述分析的方法。

Description

用于检测磁性标记的分析物的装置、仪器和方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过检测磁性标记对液体样品中的分析物进行定量分析的装置，一种用于控制分析过程和显示结果的仪器以及一种用所述装置和所述仪器实施所述分析的方法。

背景技术

不同的固体材料(例如磁性粒子、微板、管)用于结合免疫复合物的用途(例如ELISA、ELIA、CLEIA、EIA、RIA)，以及用于检测光或荧光以测定特定分析物的用途是众所周知的，大量的专利和论文都有描述。主要用于人类诊断的封闭系统如Elecsys(罗氏诊断产品股份有限公司(Roche Diagnostics GmbH))、Centaur(拜尔公司(Bayer AG))、Architect(雅培公司(Abbott Inc.))、VIDA/VIDAS(生物梅里埃公司(Biomerieux))在世界范围内分布在临床实验室或实验室机构中用于中等通量或高通量样品测定(＞600样品/天)。还存在许多较小的开放系统用于基于微板的相同检测面板的测试。由于依赖检测技术，所述系统价格昂贵，需要受过训练的人员操作所述系统，而且只能固定在某地使用。也可以使用其他技术，如侧流(测试条)。它们用在某些领域比如个体化诊断中单个样品的测定。检测主要基于金颗粒的颜色或颜色变化，但测试的原理与上述提到的技术相同。能够移动使用是它们的一大优势，但它们中大部分只能给出定性结果且不是所有测试都适用。

特别地，与个体化诊断相结合的个体化医学治疗将在不远的未来改变市场。对于人类诊断领域，小且灵活的系统必须能适用于例如医生办公室、临床实验室或病人。此外，这样的系统在所有诊断领域如食品、兽医、药物滥用以及其他领域都是有用的。

有些新专利描述了使用磁性粒子并检测磁场变化的用于特定分析物检测的方法。

欧洲专利申请No.04 772 339.0(Biosensor and Method of AssayingObject(生物传感器和分析对象的方法))描述了一种用于磁性粒子检测的传感器。该传感器被定义为一种具有氮化硅或者氧化硅表面的装置，所述传感器被特异性地激活用于选择性的固定。传感器上方设有试剂室，传感器限定为霍尔传感器。将磁性粒子和分析物分散于试剂室内，然后进行磁性混合。磁性粒子在磁场中被吸引到传感器表面。磁性清洗步骤帮助区分结合与未结合的磁性粒子。这项技术由于磁性粒子混合、向表面的吸引、“清洗”以及检测需要高能量而不能为手持式。这项应用主要集中在磁性传感器的优化和传感器信号/数据处理。

WO 2007/060568描述了一种磁性传感器装置，包括一个用于提供磁交互样品的样品室、磁场发生器和磁性传感器元件。

US 2006/0081954A1描述了一种磁场检测元件，包括一个用于引导样品通过所述检测元件的通道结构。该装置是通过薄膜工艺制造的。

现有技术中，通常使用与用于制造磁性传感元件相同的薄膜工艺来制造各自的流体通道结构，从而制造该装置。这使得该装置价格昂贵。

在WO 02/067004A1和US 6,597,176B2(量子设计公司(QuantumDesign))中，磁场检测为现有技术。说明书特别关注了在检测磁珠的单元。该方法为定量方法。量子设计公司使用固体基底，配体磁性粒子配合物以一种立体模式(侧流膜)累积其上。用一种设备来扫描以立体模式结合了粒子的固体基底。扫描固体基底的设备(霍尔传感器)是检测单元的一部分，不适合集成到一次性装置中。DC磁场与霍尔传感器的结合使用需要高能量来产生磁场，限制性因素是固体基底与磁场发生器之间的空隙。这导致了低灵敏度。该技术也没有清楚地描述如何区分结合与未结合磁性粒子。

量子设计公司的专利描述了一个完整的系统，包括装置、仪器和相应的检测方法。然而，该方法由于检测技术的限制而非常局限，不包括样品的预处理，也不适合在带有一次性装置的小型移动仪器上实施。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种克服量子设计公司专利的缺陷的检测方法。

本领域特别需要一种涵盖从样品制备到检测的整个过程链的方法。

因此，本发明的一个目的在于提供一种这样的方法。

还需要将磁性标记检测系统方法应用到一次性装置中，还需要一种相应地应用所述一次性装置的仪器，以及制造该装置的高效且经济的方法。

因此，本发明的另一目的在于提供这样一种检测系统(仪器)、一次性装置以及制造所述装置的方法。

还需要提高用于磁性标记的检测器的敏感度。

因此，本发明的另一目的在于提供一种与量子设计公司的专利相比，检测敏感度提高的检测系统。

用于一次性装置的制造工艺是使这样的装置以大量化、高品质和低价格进入市场的重要问题。

因此，本发明的另一目的在于提供高度经济的、低成本的一次性装置的制造工艺。

为达到一个或多个所述目的，本发明提供一种用于检测结合有一个或多个磁性粒子标记的分析物的装置，优选所述分析物在样品中，所述装置包括：

A)至少一个用于输送和处理磁性粒子的流体通道结构，和

B)一个集成的(integrated)磁性传感器元件，

其中

所述磁性传感器元件是至少一个通道壁的一部分，和

所述流体通道的几何结构通过引导流体流过传感器表面进行优化，以使磁性粒子/分析物复合物快速、均匀地结合到传感器表面上。

引导样品流过所述装置的磁性传感器表面的方案提高了传感器表面的结合效率，由此提高了检测敏感度。

在一个优选的实施方式中，当所述装置适用于包括如下步骤的检测方法时，其能够进行“整体分析”：

●将样品插入到一个一次性使用的装置中，

●集成的样品预处理，

●将磁性粒子储存在所述装置中

●控制性地释放储存的磁性粒子

●使分析物与粒子控制性地结合

●引导样品流过磁性传感器元件，以提高在传感器表面上的结合效率，和

●除去未特异性结合的粒子。

所述装置可以被设计为一次性装置，并以一种高效且经济的方法制造。

此处公开的本发明通过采用低成本的批量制备工艺比如注塑法来取得上述技术效果。这为所述检测方法打开了新的大众市场。

概括地说，本发明包括一种对在样品、优选液体样品中的分析物的定量分析的装置，一种用于控制分析过程和显示结果的仪器，以及一种用所述装置和所述仪器实施所述分析的方法和所述装置的制造方法。

本发明详细说明

在第一方面，本发明提供一种用于检测与一个或多个磁性粒子标记相结合的分析物的装置，所述分析物优选在样品中，该装置的特征在于A)具有至少一个用于输送和处理磁性粒子的流体通道结构，和B)一个集成的磁性传感器元件，其中所述磁性传感器元件是至少一个通道壁的一部分，和/或所述流体通道的几何结构通过引导流体流过传感器表面进行优化，以使磁性粒子/分析物复合物快速、均匀地结合到传感器表面上。

对所述装置1、4和6的第一示例性的实施方式根据本说明书附图描述如下：在用于检测结合了一个或多个磁性粒子标记的分析物(优选在样品中)的装置(图1)中，所述分析物被引导通过至少一个流体通道结构(图1.2)至一个集成的磁性传感器元件(图1.6)。

磁性传感器元件是至少一个通道壁的一部分，和/或所述流体通道的几何结构通过引导流体流过传感器表面进行优化，以使磁性粒子/分析物复合物快速、均匀地结合到传感器表面上(图4a、4b)。

为了引导粒子到达传感器表面，流体通道的几何结构通过引导流体流过传感器表面进行优化(图4a、4b)，以使磁性粒子/分析物复合物快速、均匀地结合到传感器表面上。

例如，通道顶部的高度逐渐减小，而通道的宽度增加以保持等截面，并因此保持流量(图6)。采用这种方式，增加了结合了磁性粒子的分析物分子与第二受体结合的可能性。

图1显示了本发明装置的第二种示例性的实施方式。用于样品插入的孔口(1.1)连通分析通道结构(1.2)、储存磁性粒子的腔室(1.4)以及用于混合的构件(1.5)通向磁性传感器元件(1.6)。在磁性传感器元件后方，为磁场发生器元件(1.7)和废液室(1.8)。具有相同设计的参比通道结构(1.3)与分析通道结构(1.2)平行设置。导体(1.9)可将磁性传感器元件(1.6)和识别信息/存储元件(1.10)与仪器连接起来。

根据本发明第一方面的装置的第一优选的实施方式中，所述第一方面的装置进一步包括用于优化流经通道结构的磁性粒子的溶解(dissolution)的工具。在此，可能涂覆或未涂覆第一受体和/或分析物的磁性粒子从所述用于优化磁性粒子的溶解的构件中释放出来。该构件是一个容纳所述涂覆的或未涂覆的磁性粒子的容器，并适于将所述粒子释放到通道结构的样品流中。

所述构件可以构成容纳涂覆或未涂覆磁性粒子的容器或腔室(的一部分)。

所述构件可以包括嵌入基体的涂覆或未涂覆的磁性粒子，所述基体可溶解于样品中。所述基体的材料例如蔗糖、甘油、PEG、蛋白质，或它们之间的组合。

所述构件可构成容器或腔室(的一部分)，为所述通道结构的一部分。所述构件优选构成一个或多个独立的腔室，所述腔室的结构使得粒子在流中在不同高度位置释放。优选地，所述构件可构成不同高度的柱体(见图2)。

在一个实施方式中，所述构件为通道结构的一部分，包括在通道壁和/或顶部上覆盖了一薄层的磁性粒子。

在另一个实施方式中，可以将所述溶解最大化，其中所述构件为具有不同长度的柱体的腔室，所述柱体从通道结构的顶部向下形成。在这种情况下，磁性粒子层可随着与样品流的接触的增加遍布于大得多的表面区域。

所述柱体的形状、长度和间距可以容易地优化，以使在腔室的横截面上的流动阻力均匀，并因此使所述磁性粒子在通道高度和宽度范围溶解得非常均匀。

图2显示了所述通道结构的一个局部(2a.1)，其具有用于溶解磁性粒子的构件的一个优选实施方式。它由带有柱体(2a.3)的腔室(2a.2)构成，在所述柱体上涂覆着磁性粒子。

根据本发明第一方面的装置的第二优选的实施方式中，所述装置进一步包括涂覆了第一受体的磁性粒子，所述磁性粒子储存在该装置中，一旦样品流经过通道结构，磁性粒子就能与分析物结合。

所述第一受体可以为抗体、受体分子、噬菌体蛋白或DNA。将所述第一受体附着在磁性粒子上的技术是本领域公知的。

图3显示了被涂覆的磁性粒子，它由磁性核心粒子(3.1)被外壳(3.2)包裹而构成，其表面被活化(3.3)。连接分子(3.4)将第一受体(3.5)连接到该磁性粒子上。

根据本发明第一方面的装置的第三优选的实施方式中，磁性粒子/分析物复合物通过以下方式被引导至磁性传感器元件的表面

●改变流体流动特征，如逐步降低传感器上方的通道高度(图4a.1)，优选横截面积不变，或

●通过引导在弧形通道(见例如图4b.3)中的流动产生惯性力，借此将传感器元件置于可被流体击中的位置，例如置于弧形通道的外通道壁。

模拟实验显示，在微米粒径范围内或以下的磁性粒子在100μm高度的通道中沉降需要数分钟(见实施例2)。这不能与期望在数分钟内得到结果的测量要求相适应。因此，有两种方案来加速沉降：

a)在通道宽度增加的同时逐渐降低通道顶部。在一个优选的实施方式中，通道高度从例如100μm降低至例如10μm。这迫使磁性粒子向下落到传感器表面上，并因此将沉降时间加速降至数秒。

b)引导流围绕一弧形流动，由于使用类似于例如在质谱仪中的离心力，粒子被带到通道的外壁。如果传感器元件集成在所述外壁中，那么粒子将留在其表面上。

图4显示了这两种方法。图4a显示了通道结构的局部，其中在传感器元件(4a.2)上方的通道高度(4a.1)降低，从而加速磁性粒子(4a.4)在传感器元件表面(4a.3)上的沉降和结合。

图4b显示了通道结构(4b.5)的弧形局部(4b.3)，在此弧形局部中，磁性粒子(4b.4)由于惯性发生偏转，并落在传感器元件(4b.1)的传感器元件表面(4b.2)上。

图5a显示了1μm大小的磁性粒子的沉降实验结果。X轴的单位为以10³秒计的沉降时间，Y轴为沉降实验的起始高度，单位为毫米。

图5b显示了在磁性传感器元件上方的高度减小的通道结构的模拟结果。所述通道的入口高度为50μm，出口高度为5μm。设定了不同的磁性粒子起始高度(X-轴)。Y-轴表示从高度降低的通道部分的入口测量的降落位置。数据点处的数字显示的是以秒计的沉降时间。

图6显示了在磁性传感器元件上方高度降低的通道局部。通道的入口(6.1)在磁性传感器元件(6.3)上方的高度(6.2)降低，同时加宽直至出口(6.4)。

根据本发明第一方面的装置的第四优选的实施方式中，所述装置还包括：

一种用于混合样品和磁性粒子的元件，以借助第一受体促进分析物对粒子结合或者竞争，所述第一受体优选在通道或者腔室内，其中所述用于混合的元件是：

●一种被动结构，例如通道截面(例如柱)或方向(例如曲流(meander))或者两者的结合的变化；或

●一种主动结构，例如松散地置于通道结构或腔室内的、可以被交变磁场移动的强磁性元件。

在该实施方式中，样品中的分析物被引入装置中与磁性标记粒子相接触。为了混合样品和磁性粒子，混合元件可集成至所述通道结构中。

溶解于通道结构内的流中的磁性粒子和样品，在进一步流过通道结构的同时，被用于混合样品和磁性粒子的元件剧烈混合。在此过程中，样品中含有的分析物与第一受体结合，并通过与第一受体的结合与磁性粒子结合在一起。

这可以通过通道结构中的平面或立体的曲流或柱组被动地实现。由于在这些小维度中层流占据优势，这些被动元件的任务在于通过分隔、折叠和重聚所述流来缩短扩散长度。

另一个选择是将主动元件集成至通道结构中，如一种可移动的强磁性元件，其可被线性驱动或者像微型磁力搅拌子一样旋转。相对于上述的被动结构，这可显著改进混合的效果。

图7a显示了不同尺度的流体动态模拟。在下方的图中的10毫米通道中，可以观察到湍流，因而可预期能够进行强烈的混合。在上方的图中，通道的宽度缩至1毫米，其他变量维持不变，只能观察到层流，因此只能预期到由于布朗运动导致的弱混合。

图7b显示了通道结构(7b.1)的一个局部，其中分布着不同高度的柱体(7b.2)，以通过分离、折叠以及重聚流体流来改善层流混合。

图7c显示了具有腔室(7c.1)的通道结构的局部，所述腔室具有可移动部件(7c.2)。

根据本发明第一方面的装置的第五优选的实施方式中，磁性传感器元件是GMR、TMR、CMR、EMR或霍尔传感器，并可以包括至少一个传感器元件表面或传感元件表面的线性或二维阵列。

用于检测磁性粒子的永磁发电机电阻式传感器的应用属于现有技术，摩托罗拉公司的专利(US6057167A)，飞利浦公司的专利(WO03054566A1)以及NVE的专利(US020070236212A1)中已有记载。

传感器元件可由单个传感器元件表面或者线性或二维的传感器元件表面阵列组成。单个传感器表面只允许测定一种分析物。几个传感器表面可用于以多于一个的传感器元件表面来测定同一分析物，也可以平行测定样品中许多不同的分析物。

根据本发明第一方面的装置的第六优选的实施方式中，将至少一个强磁性元件作为磁通量集中器集成至传感器元件附近，优选在旁边。

为使磁性传感器周围的磁场到达最大值，强磁性元件可置于磁性传感器的附近。这些强磁性元件可置于仪器中或嵌件模塑于装置的内部。在后一种情况下，它们可以置于毗邻磁性传感器的通道壁上。它们可以完全嵌入装置内或伸到装置的表面，以使其与仪器内的极靴发生直接的磁接触。

图8示意性地显示了装置的一个截面，其中强磁性元件(8.3)被集成至通道结构(8.1)的左侧和右侧，以利于在磁性传感器元件(8.2)上方获得磁场聚集。

根据本发明第一方面的装置的第七优选的实施方式中，磁性传感器表面涂覆金，以允许第二受体的特异性结合。所述第二受体可以是抗体、受体分子、噬菌体蛋白、DNA。可选地，第二受体可含有适于金的结合的硫醇接头(linker)。

在被所述流沿着通道结构进一步输送后，粒子到达被嵌入到通道底面的磁性传感器元件上。

在所述第七实施方式中，磁性传感器元件表面涂覆了第二受体。为了结合第二受体，传感器元件表面可以涂覆金。

全金(即金纳米粒子)的特异性涂覆用于侧流技术以及可以用于其他金表面，例如传感器表面，是一种众所周知的技术。不经活化，也可以实现蛋白的结合。可以通过在蛋白质位点加入硫基来获得改进。通过例如以下手段用特异性试剂涂覆所述金表面：

a)直接(吸附性地)涂覆特异性试剂(第二受体)

b)或在模块化基件上(on modular basics)涂覆，例如所述模块化基件预涂覆了如抗生蛋白链菌素/生物素或抗IgG(也是吸附性的或化学性的)，然后二次涂覆所述特异性试剂(第二受体)

优选地，未涂覆用以结合第二受体的金的周围的表面，涂覆一种不同材料(例如Al₂O₃、SiO₂、SiN或其他)，所述材料是对于结合第一受体、第二受体或分析物是惰性的。

图9示意性地显示了传感器元件表面涂覆的两种不同情况。在一种情况下，a)被活化的(例如硫活化的)第二受体直接结合于金层(9.1)上。另一种选择是表面活化(9.2)，例如抗生蛋白链菌素，第二受体(9.3)通过生物素抗生蛋白链菌素键结合在其上。

根据本发明第一方面的装置的第八优选的实施方式中，通道结构中的流体流动是通过毛细管作用、通过电润湿或者通过集成于装置内的泵元件或者通过将所述装置与外部的泵元件连接而实现的。

在微流体通道中实现流体流动有几种途径：

●例如在CE-芯片中利用毛细管力。

●在微流体通道中输送流体的电润湿技术是现有技术，见例如Pollack，M.，Fair，R.，Shenderov，A.，2000，“Electro wetting-based actuation of liquiddroplets for micro fluidic applications(用于微流体领域的基于电润湿的液滴驱动)”Appl.Phys.Lett(应用物理快报)，第77卷，1725页。

●在装置内，集成的泵元件是通过一个腔室来实现的，所述室具有用弹性膜制成的底、顶或者壁，通过传动装置从外部使所述弹性膜变形。

●可将微泵(例如Bartels Mikrotechnik生产的mp5)集成到仪器中，并通过插入与装置连接。

根据本发明第一方面的装置的第九优选的实施方式中，产生磁场的元件(例如永磁体、线圈)可集成于磁性传感器元件的下游、通道结构的附近，以捕获未被结合的粒子。

有可能发生的是，未与第二受体特异性结合的粒子松散地保留在传感器元件表面。由于这些粒子会使测量结果产生偏差，在优选的实施方式中，它们被从传感器上除去。一种实现方法是采用磁场发生器(如永磁体)来捕获未结合粒子。该磁场发生器既可集成到装置中，也可以集成至仪器中(见权利要求21)。

所述磁场发生器(例如永磁体)设置于通道上方、传感器的下游距离传感器较近的位置。选择的距离(例如10毫米)使磁场对传感器元件不造成干扰。通过流动，样品在通道结构中从传感器被移动至磁场发生器所处的位置。泵送所导致的剪切流从传感器表面除去松散的磁性粒子，并将它们输送至磁体附近。在这里，它们被磁场梯度捕获，并且在下次样品被移动时仍然固定在通道壁上。那样，流体中除去了磁性粒子而得以纯化，并且流体能够经传感器表面泵回而不会将粒子输送回来。该方法可重复数次，从而从传感器表面一点点除去所有的未结合粒子。

这种方法的优点在于，这种清洗是通过每次都重复利用相同的小的流体体积实现的，对于在装置内运行这样的过程，这是一个重要的优点。

在流体通道末端，过量的流体材料可被收集到装有芯吸膜的废液室中，以避免流体流到仪器中对泵造成污染。

图10显示了具有磁性传感器元件(10.2)的通道结构(10.1)的局部，所述传感器元件上有结合磁性粒子(10.3)和未结合磁性粒子(10.4)。一股交替流(10.1)除去了未结合的磁性粒子，并将它们输送至磁场发生器(10.5)，在此它们被磁力保留住(10.6)。

根据本发明第一方面的装置的第十优选的实施方式中，用于样品预处理的构件(例如过滤器和/或试剂)被集成于磁性传感器元件上游。

样品预处理可通过以下方法完成：

●机械方法例如过滤，如采用滤膜(例如颇尔公司(Pall)、沃特曼公司(Whatman)的产品)分离血浆，或

●化学方法例如通过试剂的预沉降来避免凝血，所述试剂如肝素或柠檬酸盐。

●或两者联合使用

这在图1和图13的优选的实施方式中进行了示意性显示。

根据本发明第一方面的装置的第十一优选的实施方式中，所述装置进一步包括通道结构的入口，其中样品从通道结构的入口处引入，由此入口是一个开口，例如一种直接从手指取血的元件或者例如容纳试管、移液管、注射器的元件。

所述装置可配备用于从手指直接取血的孔口或者配备与试管注射器等相连的标准接口，如卡套接口(swage lock)、旋锁接口(Luer-Lock)。

这在图1和图13的优选的实施方式中进行了示意性显示。

根据本发明第一方面的装置的第十二优选的实施方式中，该装置进一步包括参比通道结构，该参比通道结构包括涂覆了第二受体的一个集成的磁性传感器元件，以及结合或未结合预涂覆了第一受体的磁性粒子的一定量的分析物，所述分析物的量足以验证直接结合或竞争结合的动力学。

为验证所用试剂的功能，可以对(分析物的)对比物进行测定。在分析系统如Elecsys、Centaur或Architect中，对比溶剂可随样品在一次运行中测定。利用此处所用的技术，分析物的对比可通过内部参比或者，若有必要，采用参比通道平行来完成。参比通道与分析通道的区别之处在于，参比通道包含由制造厂商提供的直接与分析物结合的磁性粒子。参比通道的目的是通过扩增含有结合性质明确的磁性粒子的样品，来验证经由第二受体结合到传感器元件表面上的功能。参比通道可拥有独立的入口，或者可以与测量通道相连。

在使用夹心式分析法的情况下，通过与分析物结合实现的磁性粒子(即分析物-第一受体-磁性粒子-复合物)与传感器元件表面的结合会导致所期望的信号增强。因此，为了在传感器表面产生粒子的最大结合，在该装置的参比通道中进行生产的过程中，已与磁性粒子结合的分析物储存在所述装置中。操作过程中，一旦参比通道被样品溶液冲洗，磁性粒子便被溶解并输送至磁性传感器元件表面，在那里磁性粒子经由分析物与第二受体结合。这些预先制备的分析物磁性粒子复合物越多，信号越强。由于所有的磁性粒子都真正地带有分析物，因此每个磁性粒子所能够结合。这会产生非常高的传感器表面覆盖率，接着产生强信号，从而可以借助传感器表面的第二受体验证结合反应的功能。

在竞争性测定的情况下，游离的未标记的分析物与第二受体的结合功能可用相同的方法来验证。在竞争模式下，测定信号的衰减，所述信号是之前由一定量的磁性粒子标记并与第二受体的结合的分析物产生的，所述衰减是在将未结合的、竞争性的分析物加入到装置后，它们替换标记分析物的结果。在一般的竞争性反应中，由于分析物竞争与抗体/抗原相同的结合位点(第二受体)，经分析物与第二受体结合的磁性粒子的数量减少。因此，预期会发生磁性传感器信号的衰减。但是，功能需要进行验证的结合反应仍然是分析物与第二受体的结合。因此，为了能可重复产生合适的磁信号，容易理解的是，再次用磁性粒子对分析物进行标记，并且对于夹心式分析法测定参比通道中的正信号，或在竞争模式下测定参比通道中信号衰减。

在第一种情况下，与可以在“测量”通道内进行的竞争性测定的一般行为相反，需要在参比通道中测量得到的传感器表面的高覆盖率以及随之产生的磁性传感器信号的增强，以验证借助第二受体在磁性传感器表面上的结合反应的功能。在后一种情况，竞争性模式可用于直接比较测量通道和参比通道。

图1示意性地显示了参比通道(1.3)和测量通道(见右侧的通道)。

根据本发明第一方面的装置的第十三优选的实施方式中，该装置进一步包括用于信息的识别或数据存储(例如装置参数、校准曲线的识别)的构件(例如EEPROM、RFID、条码或矩阵式二维码(Data Matrix Code))，所述信息是与将要进行的测试相关的。

电子存储芯片可用于存储装置的识别信息(包括“可追溯性”信息)、生产信息(日期、时间、批号等)、测试参数(测试类型、阈值、校正曲线)。这些是可以从例如具有ca.5×3×0.9mm³的小体积、2kB的存储容量以及二线串行接口的爱特梅尔(Atmel)EEPROM AT24Cxx family获得的。

根据本发明第一方面的装置的第十四优选的实施方式中，所述装置可设计用于单独使用，或经济低廉地制造得到，例如通过批量生产工艺，如注塑。

由于检测过程仅通过改变磁性粒子和传感器元件的涂层就可以很容易地适应不同的任务，所述装置可轻易地被配置用于许多不同的领域。尤其是在POC诊断或个体诊断中，费用和时间是一个非常重要的问题。由于这个原因，所述装置被设计为，使它可采用批量生产工艺进行制造，如采用诸如PS、LCP的聚合材料进行微注塑以及自动连接和组装。在本实施方式中，该装置是一次性装置。

根据本发明第一方面的装置的第十五优选的实施方式中，所述装置可小型化，例如尺寸为长10-100毫米，优选20-60毫米，宽5-50毫米，优选10-25毫米，高1-10毫米，优选2-5毫米。

为使小型手提式仪器成为现实，该设备必须在维持仍然可以手动操作的前提下体积尽可能地小。因此，在优选的实施方式中，该设备的尺寸大约为60(+-10％)×20(+-10％)×3(+-10％)mm³。

这显示在图13的优选实施方式中。

根据本发明第一方面的装置的第十六优选的实施方式中，该装置由聚合材料制成，如LCP、PS。

适合于制成装置的聚合材料是本领域众所周知的。优选的聚合物有LCP(液晶聚合物)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、PP(聚丙烯)、COC(环状烯烃共聚物)、COP(环状烯烃聚合物)。

在第二方面，本发明提供了一种用于检测与一个或多个结合的磁性粒子标记相关的分析物的仪器，所述仪器包括本发明的装置以及一种或多种构件，所述构件选自

a)一种将所述仪器与装置机械地、电气地以及流体地连接的构件，

b)一种控制装置内流体流动的构件，

c)一种控制和/或记录交变磁场的产生的构件，

d)一种在磁性传感器元件附近聚集磁场的构件，所述构件可为所述仪器或装置的一部分，

e)一种操纵和读出磁性传感器元件的构件，

f)一种构件，用于读出根据权利要求10中装置的识别信息或数据存储，并将该信息应用于其安装配置或操作方法中，

g)一种评估和/或记录磁性传感器元件信号的构件，

h)一种根据这些信号计算和/或记录分析物浓度的构件，

i)一种将分析结果呈现给用户的构件，

j)一种输入用户命令的构件，

k)一种通过接口转换数据的构件，

l)一种通过电池或接线器运作的构件，

m)一种置于磁性传感器元件(组)下游的磁场发生元件，可置于装置内部或外部，适用于采用双向泵送清洗，

n)一种暂时运行于传感器上方的电磁构件或暂时性地在传感器上方移动的永磁体，两者均用于从传感器表面上除去未结合的磁性粒子，即磁清洗。

本发明第一方面的装置可插入到用于检测与结合的磁性粒子标记相关的分析物的仪器中。

所述仪器可以包含一个用于插入所述装置的插槽。

在插入过程中，用于机械地和电气地将所述仪器连接至所述装置的弹性触头阵列，将与所述装置上的垫子连接，从而将磁性传感器元件和识别信息/存储芯片与仪器电子元件连接在一起。此外，该仪器也可与装置上的磁性传感器元件进行无线连接。

另一方面，装置上的流体通道结构可以通过密封圈与仪器中的泵流体连接。

在仪器中的微控制器上运行的仪器软件，可以读出识别信息芯片中的识别信息以及另外还能读出存储于芯片中的测试特定配置的数据。这些可以包括可追溯性信息、测试类型，而且还有用于进行测试(例如孵化时间)或解释数据(例如校正曲线的斜率和偏移量)的仪器配置信息。

仪器电子元件优选地包括带有集成的模拟/数字转换器、数字IO端口以及总线驱动器(例如USB、I²C)的低功率微控制器、用于传感器供应和控制的模拟电子元件(例如单臂电桥)、放大器、滤波器、DC/DC转化器等。磁场发生器可以用朝向位于传感器商贩的通量集中器锥形化的带芯线圈来实现。用户界面可由一套键盘以及一个字母和数字的(例如七段)或图像的(如LCD、OLED)显示器。

所述仪器可以采用集成的可充电电池进行工作，或者在固定时连接到外部电源来进行工作。

根据本发明第二方面的的仪器的第一优选实施方式中，所述仪器还包括存储分析数据的构件，例如闪速存储器。

在本实施方式中，分析数据存储在该仪器中的局部存储器中，如闪速存储器或EEPROM。

根据本发明第二方面的仪器的第二优选的实施方式中，所述仪器还包括读出所述装置的识别信息或数据存储(若存在)的构件，并且该仪器将所述信息应用于其安装配置和操作方法中。

本实施方式中仪器的微控制器读出装置上的识别信息/存储芯片，并应用该信息配置用于测量的仪器。在最简单地情况下，这意味着识别测试的类型和识别号码。但是，这也可能意味着更为复杂的配置步骤，如从这些数据导出阈值、校正曲线参数(如斜率、偏移量)等。

根据本发明第二方面的仪器的第三优选的实施方式中，该仪器包括一种在装置的通道结构附近产生磁场的构件。

在第三方面，本发明提供了一种定性和/或定量测定样品中与磁性粒子结合的分析物的方法，包括将样品引入本发明的装置中、可选地将所述装置插入到本发明的仪器中以及检测与磁性传感器结合的磁性粒子，例如通过产生可变磁场以及采用磁性传感器元件测定特异性结合的粒子产生的磁场畸变。

根据本发明第三方面的一个示意性的实施方式中，在插入样品后，所述装置被插入到所述仪器中。仪器读出识别信息/存储芯片，来识别应用于装置的测试类型，并应用该数据来配置所述仪器以用于测试。同时，样品经过预处理构件如过滤器或用于混合抗凝血剂和样品的构件，流入到装置中的通道结构中，直到其抵达储存着预涂覆的磁性粒子的腔室内。它们被溶解后，与所述样品混合，并且分析物与携带着合适的受体(第一受体)的磁性粒子结合。反应产物(结合着带有第一受体的磁性粒子的分析物)在流体中被进一步输送，并最终由通道结构内合适的构件引到到所述传感器元件上。在那里，携带着分析物的磁性粒子结合到携带着第二受体的传感器元件表面上。通过在通道结构上方的传感器原件和磁场发生器之间前后交替地泵送传感器元件上方的样品体积而将被磁力截留在通道结构上方的传感器原件和磁场发生器之间的、未结合的粒子除去。在样品流经通道结构的过程中，仪器控制开始在传感器上方产生可变磁场。起初，这用于测试传感器功能和检测流经磁性传感器元件的粒子流。在粒子特异性地结合到传感器元件表面上之后，可测定不同数量或质量的传感器信号，由此推算出结合的粒子的数目。信号经处理后，结果便呈现给用户。最后，将所述装置从所述仪器移除。

图11图示了本实施方式中的工艺流程。

在本发明第三方面的方法的第一优选的实施方式中，该方法进一步还包括利用仪器中的控制器根据得到的传感器信号计算结合的粒子数目。

借助其设计已适应于磁性粒子的大小和磁性的高分辨率传感器，单一粒子的检测变得可行。磁性粒子的磁化曲线可通过磁化强度测定来进行识别。通过优化GMR堆栈和设计，使磁性传感器元件的特性适应于为该曲线。因此，可以获得高灵敏度，从而能够根据传感器信号精确导出最小到单个粒子的结合的粒子数量。这已为比勒菲尔德大学的教授的团队所公开。

图12显示了利用面积为100μm×100μm的弯折形GMR传感器和不同粒子浓度的1μm磁性粒子的测定结果。X轴是每平方微米上的粒子的数目，Y轴是GMR传感器的电阻变化。图12b图示了在传感器上放置单个粒子(12b.1)得到的最低粒子浓度，引起了低但明显的电阻变化(12a.1)。图12.c和12.d显示了传感器上更高的粒子浓度，引起了电阻的更大变化(12a.2和12a.3)。

在本发明第三方面的方法的第二优选的实施方式中，该方法还进一步包括将测定结果呈现在仪器的显示器上。

在本实施方式中，测定结果被呈现在仪器的显示器上，例如作为信息“分析物低于/高于阈值”、数字化地作为数值或图形化地作为浓度曲线来显示。

在本发明第三方面的方法的第三优选的实施方式中，所述方法为，通过以下方式去除此传感器元件表面上未特异性结合的磁性粒子：

单向泵送，即泵送不含磁性粒子的样品流体使其通过传感器，从而将未结合的磁性粒子从传感器表面带走。

双向泵送，即将样品反复从磁性传感器表面泵送到位于磁性传感器元件下游的磁场发生元件，再泵送回来，由此从传感器表面带走未特异性结合的粒子，并经保留它们的磁场发生元件上方输送，同时，在泵的返回冲程中，样品液体返回传感器表面，或

磁清洗，即在磁性传感器表面上方产生一个磁场，该磁场从传感器表面带走未结合的磁性粒子。这可通过来暂时运行于传感器上方的电磁构件或暂时在传感器上方移动的永磁体来实现。

图10显示了通道结构的片段(10.1)，其中有带有结合的磁性粒子(10.3)和未结合的磁性粒子(10.4)的磁性传感器元件(10.2)。交流(10.1)除去了未结合的磁性粒子并将它们输送至磁场发生器(10.5)，在那里它们被磁力保留住(双向泵送)(10.6)。

在单向泵送的实施方式中，用未负载磁性粒子的样品液体从传感器表面冲洗未结合的粒子。在存储磁性粒子的容器中的磁性粒子全部溶解后，到达传感器元件的样品液体被磁性粒子耗尽。上述情况发生的时间点可用所述磁性传感器元件进行测定，而且泵也可得到相应的控制。

在本发明第三方面的方法的第四优选的实施方式中，所述方法为，在通道结构中的流体流和磁性传感器元件的功能可通过测定流经通道结构长度的样品流中的磁性粒子的浓度特征来证实。

如果磁性粒子与蔗糖储存在一起，从而能够实现在通道结构中的样品中粒子的均匀分布，那么当所述样品流经过所述柱体的时候，它们被溶解。这会形成在通道结构的长度范围内的磁性粒子浓度特征。当样品流的前部到达磁性传感器元件时，由于其灵敏度高，可检测到磁性粒子浓度的增加。由此，通过测定浓度特征，所述流和磁性传感器元件的功能都可被证实。

在本发明第三方面方法的第五优选实施方式中，所述方法为，所述第二受体或分析物在磁性传感器表面上的功能性或定量性的结合通过提供一种带有根据权利要求9进行的特异性涂覆的、存储的磁性粒子的装置来证实，其中所述样品流还分支到所述参比通道中，由此引导涂覆的粒子经过在参比通道中的所述特异性涂覆的磁性传感器，若发生了特异性结合，所述磁性传感器的信号给出指示，因此产生了正在进行第二受体的功能性或定量性的结合的指示信息。

由于这样一种装置的储存期限是一个重要的问题，因此检测试剂可能的降解是重要的。因此，该装置可配置内部对照试剂或配备一平行通道结构。在入口和样品预处理单元后面，流体通道分支成两个通道：已描述过的分析通道和所谓的参比通道。除了储存在各自腔室内的磁性粒子的涂层不同之外，参比通道与分析通道是相同的。这些粒子直接用分析物涂覆。当它们被溶解并经过传感器上方输送时，若试剂未发生降解，它们将直接与传感器结合。与前述一样，这种结合可通过测定由结合的磁性粒子产生的信号而被检测到。如果这超过某一阈值，可以可靠地认为装置中的生物化学是完全可操作的。

在本发明第三方面方法的第六优选实施方式中，所述方法为，利用根据权利要求13的仪器来读出装置的识别信息或数据存储的过程，被用于识别正在运行的测试或用于仪器设置或操作的配置。

在第四方面，本发明提供了一种本发明中装置的制造方法，包括

a)提供至少两块注塑的或模压(embossed)的聚合物板，

b)在至少一个通道壁上直接生成磁性传感器元件或在至少一个通道壁上集成独立的磁性传感器元件，

c)引入电导体或其类似物来连接所述的磁性传感器元件，

d)连接所述至少两块注塑或模压的聚合物板以形成装置中的流体通道结构。

在第一优选的实施方式中，根据第四方面制造装置的方法可包括

a)提供一块注塑的聚合物基板，所述聚合物基板具有用于磁性传感器元件插入的孔口；以及双组件的注塑的顶板，该顶板包括用电绝缘聚合物制成的流体通道结构和用于接触磁性传感器元件组件的、用电导性聚合物(优选涂覆了金属导电材料)制成的电导体；在本实施方式中，一旦顶板形成，便发生引入电导体来连接所述的磁性传感器元件的步骤c，

b)在基板上集成独立的磁性传感器元件，

a)连接两块注塑的聚合物板，以形成装置中的流体通道结构；在本实施方式中，通道结构的形状是顶板和由基板提供的底面形成的。

装置的基板(13.1)可采用单发注塑制成，包括的结构有环绕着顶板中含有的流体结构的凹槽(13.2)、用于传感器元件(13.5)的孔口(13.3、13.4)和识别信息/存储芯片(13.7)、用于机械夹紧顶板和基板的夹紧元件。顶板(13.7)是由导电和不导电聚合物(优选LCP)双射模塑制造而成的。在不导电部分，形成了入口(13.8)、样品预处理部件(13.9)、通道结构以及机械夹紧元件的相似物。导电聚合物形成了与传感器和识别信息/存储芯片相连的导体，并且所述导体通向外部以形成用于接触仪器的触垫(13.10)。采用单独的电铸工艺这些导体上涂覆一种金属(例如金)。

图13显示了装置的一个实施方式，其中基部(13.1)含有在通道结构周围的用于封闭(13.2)的凹槽、用于识别信息芯片(13.3)的孔口以及磁性传感器元件(13.4)。顶部(13.7)包括用于样品插入的、带有过滤器元件(13.9)的孔口(13.8)、用于将磁性传感器元件(13.5)和存储芯片(13.6)连接到所述仪器上的电触点(13.10)。通道结构是在顶部和基部之间用微量粘合剂(13.11)封闭起来的。

在第二优选的实施方式中，根据第四方面的制造装置的方法可包括

a)提供注塑的聚合物基板，所述基板包括用于磁性传感器元件插入的孔口；以及注塑的顶板，所述顶板包括流体通道结构和在其表面上形成的电导体，所述电导体优选采用选择性电沉积降、薄膜技术或印刷导电性油墨或粘合剂而形成，用于接触磁性传感器元件；本实施方式中，一旦顶板形成，便发生引入电导体来连接所述的磁性传感器元件的步骤c)，

b)在基板上集成独立的磁性传感器元件，

d)连接两块注塑的聚合物板以形成装置中的流体通道结构；在本实施方式中，通道结构的形状是由顶板和由基板提供的底面形成的。

作为第一优选实施方式中双射模塑的顶板的替代，顶板也可通过单射模塑的不导电的聚合物部件来实现，导电层通过采用选择性电沉积、薄膜技术或印刷导电性油墨或粘合剂沉积在所述的聚合物部件上。

在第三优选的实施方式中，根据第四方面的装置制造方法可包括

a)提供注塑的聚合物基板，所述基板包括用于磁性传感器元件插入的孔口；以及注塑的顶板，所述顶板包括流体通道结构，

b)在基板上集成独立的磁性传感器元件，

c)引入电导体来接触所述的磁性传感器元件，其中电导体处于一块柔性的印刷电路板上，

d)连接两块注塑的聚合物板和柔性的印刷电路板，以形成装置中的流体通道结构。

第三优选实施方式中所述的第一优选实施方式的另一个替代方案，是将导体置于单独的衬底上，如薄的柔性印刷电路板，所述衬底被置于顶部和基部之间，并伸到外部以形成与仪器的外部接触。

本发明中制造装置的方法可包括，在装置的通道结构中的聚合物板上直接产生磁性传感器元件。这一产生步骤可替代本发明第四方面一个或多个实施方式中集成独立的磁性传感器元件的步骤。

在装置的通道结构中的聚合物板上直接产生磁性传感器元件的步骤可通过薄膜沉积或印刷敏感性聚合物材料来进行，优选聚合物电子材料或聚合物纳米复合材料。

采用薄膜技术在聚合物材料上直接产生GMR传感器的步骤在(“Magnetostrictive GMR sensor on flexible polyimide substrates(在柔性聚酰亚胺衬底上的磁致伸缩的GMR传感器)”，T.Uhrmann，b，L.T.Dimopoulos，N.Wiese，c，M.Rührig和A.Lechner，Journal of Magnetismand Magnetic Materials(磁与磁性材料杂志)，307卷，第2期，2006年12月，209-211页)中有描述。该方法优选可与上面描述的柔性印刷电路板(基底材料也是聚酰亚胺)结合，以其作为导电层，或该方法延伸至直接将GMR层加工在形成通道结构的一部分的任意的装置的聚合物部件上。

此外，由GMR层构成的磁性传感器元件可通过沉积聚合物纳米复合物在形成通道结构的一部分的任意的装置的聚合物部件上直接产生。(Z.Guo，S.Park，H.T.Hahn“Giant magnetoresistance behavior of aniron/carbonized polyurethane nanocomposite(铁/碳化聚氨酯纳米复合物的巨磁阻行为)”Appl.Phys.Lett.(应用物理学快报)90，053111(2007)).

本发明中的磁性传感器元件可与电导体的类似物结合，例如用于电功率或传感器信号的无线传输的、与RFID芯片类似的电路。(Turgut S.Aytur，Tomohiro Ishikawa和Bernhard E.Boser，“A 2.2-mm2 CMOS BioassayChip and Wireless Interface(2.2平方毫米的CMOS生物测定芯片和无线接口)”，2004 Symposium on VLSI Circuits，Digest of Technical Papers(VLSI电路座谈会，技术论文辑要)，314-317页)。

本发明中装置的制造方法还可进一步包括

e)将通道结构密封。

通道结构的密封可通过沿着通道结构、沿着作为通道结构壁的部分磁性传感器元件以及沿着腔室涂布粘合剂来实施。

图13中，通过在围绕着通道结构并经过传感器的凹槽中滴涂(dispense)粘合物(13.12)将顶板和基板密封起来，从而将流经传感器的样品和导体隔离开来。

本发明中装置的制造方法可包括步骤

f)用第二受体涂覆传感器元件表面。

用第二受体涂覆传感器表面的步骤可通过滴涂、针转移或非接触式滴涂(例如在滴涂孔板(dispensing well plate)中喷射)来实现。

步骤f)可在至少一个通道壁上集成独立的磁性传感器元件之前或之后进行，或在至少一个通道壁上直接产生磁性传感器元件之后进行。

优选地，传感器元件包括几个传感器元件表面。这些各自的(彼此不同的)传感器元件表面可用各自的受体2(即第二受体、第二受体′、第二受体″，等)涂覆，以便平行地运行几项测试。在本实施方式中，一种不同的分析物可与每个传感器元件表面结合。然后用“各自的受体1”(即第一受体、第一受体′、第一受体″，等)标记分析物。

微阵列生产中所用的标准滴涂技术可应用于传感器元件表面的特异性涂覆。这些装置通过数字控制处理系统(例如Scienion AG的SciFlexarrayer)来获得所需的位置分辨率。另一个解决方法是单片式滴涂头，其中喷嘴装置被调整以适应于传感器阵列的几何形状(例如BioFluidix GmbH生产的顶点头(Top Spot heads))。

本发明中装置的制造方法可包括步骤

g)在通道结构(壁或独立的腔室)中各自的位置上滴涂粒子的溶液，并使在该处的所述溶液干燥。

在本实施方式中，经特异性涂覆的磁性粒子须集成于装置(根据权利要求2和3)内部的流路之内。样品溶解磁性粒子并将它们输送到传感器。

所用的磁性粒子的外壳可由比如带有或不带有官能团(如硫-、氨基-、羧基-、硫酸酯-或环氧化-官能)的二氧化硅、PS、PMMA、PVA或其它材料制成。外壳可通过以下方式由特殊试剂涂覆，如

●直接(吸附性的)涂覆，或

●化学交联，或

●在模块化的基件上涂覆，比如所述模块化的基件用如抗生蛋白链菌素/生物素或抗-IgG进行了预涂覆(也是吸附性或化学的)

●为了制造磁性粒子，可使用带有磁性分离工具或连续的膜流动汇集单元的特殊的反应器。

为保证磁性粒子的分辨率和稳定性，使用了：试剂如蔗糖、乙二醇或甘油；和蛋白质如BSA、IgG或酪蛋白；以及防腐剂如钠酸(sodium acid)、N-甲基-异噻唑酮和/或2-氯乙酰胺。

对于滴涂工艺，磁性粒子溶液必须均匀(搅拌)，并且滴涂的体积必须精确以保证测试结果的重现性。磁性粒子的体积可在0.02-5μl±4％的范围内。磁性粒子的数量是有测试特异性的。滴涂器须保证正确的定位(在±10μm之内)。滴涂磁性粒子后，可进行控制温度和湿度的干燥过程，从而确保装置内的试剂稳定。

图3显示了涂覆的磁性粒子，所述磁性粒子由被外壳(3.2)包裹的磁核心颗粒(3.1)组成，所述外壳的表面被活化(3.3)。接头分子(3.4)将第一受体(3.5)与磁性粒子连接起来。

在第五方面，本发明提供了根据本发明的装置、或根据本发明的检测方法、或本发明的仪器用于检测和/或测量有机或无机分析物的用途。优选这些分析物是可以针对其设计受体检测的分析物。

优选的分析物为：

●蛋白质、酶、DNA、寡核苷酸类、抗体、抗原

●微生物[如真核细胞、原核细胞；如细菌、真菌、藻类、原生生物、病毒、噬菌体]

●细胞(如从血液或组织获得的)以及细胞组成结构

●游离或结合的半抗原(例如类甾醇、激素药物、脂多糖(lipidssaccharid)、杀虫剂、杀菌剂)

●可产生抗体的材料，以及其他化学物质

为检测这样的分析物，使用例如抗体、受体、DNA、噬菌体蛋白以及其他结合蛋白是有利的。所用的试剂在诸如ELISA、RIA、ELIA、受体测试以及其他技术中已有描述。特别是模块化系统(Ni-NTA/HisTag或基于IgG的抗生蛋白链菌素/生物素)在磁性粒子或传感器表面涂覆方面是有优势的。有了这样的模块化系统，可提供通用型磁性粒子和传感器表面。

相同的测试理念如竞争型或夹心式检测法以及它们的变化方案对本发明是有用的。

图14a显示了夹心式检测法，其中第一受体(14a.3)结合在涂覆了金层(14a.1)的抗生蛋白链菌素层(14a.2)上。通过与第二受体(14a.4)结合的分析物(14a.6)附着磁性粒子(14a.5)。

图14b显示了竞争型检测法。第二受体(14b.2)被涂覆到带有抗生蛋白链菌素(14b.1)的金表面上。由于附着在磁性粒子(14b.3)上的分析物(14b.4)和抗原/抗体(14b.5)竞争第二受体(14b.2)上的结合位点，因此分析物越多，能够结合的磁性粒子就越少。

本发明的用途优选为以下的诊断领域之一

●食品(成份/细菌)

●人(个体化诊断，床旁检验或急诊测试)

●兽医

●生态的

●有害性的

●害虫管理

●药物滥用诊断

●航空或预防恐怖袭击

不同的固体材料(磁性粒子、微型板、管等)用于结合免疫复合物，以及用于检测光或荧光以测定特定分析物的用途是众所周知的，大量的专利和论文都有描述。

这些系统大部分是设计用于中等通量或高通量样品测定的临床实验室或实验室机构的。基于相同技术用于低样品通量(单个样品测定)的少数系统以台面式(table top)存在。取决于检测技术，这些系统价格昂贵，需要受过训练的人员来操作系统，并且它们只能固定在某地使用。

也存在其他技术比如侧流(测试条)。能够移动使用是一大优势，但它们中绝大部分只能给出定性结果且不是所有的测试都适用。

对于所有此处列出的领域，需要下列主要特

●移动的系统

●操作简单(无需受过训练的人员)

●得到结果的时间低于15分钟

●定性和定量的结果

●仪器、装置和检测的成本低

●无需服务

●如有可能，进行批量测试(panel testing)(每台装置2-8个参数)此处所采用的技术可提供所有这些取决于检测方法以及结合了小型移动仪器的特殊装置的优点。

附图说明

图1简要地显示了本发明中设备的一个优选的实施方式。用于样品插入的孔口(1.1)经分析通道结构(1.2)、存储磁性粒子的腔室(1.4)以及用来混合的构件(1.5)通向磁性传感器元件(1.6)。在磁性传感器元件之后，挨着磁场发生元件(1.7)和废液室(1.8)。相同设计的参比通道结构(1.3)与分析通道结构(1.2)平行。导体(1.9)可将磁性传感器元件(1.6)以及识别信息/存储元件(1.10)与仪器连接起来。

图2a显示了通道结构的一个局部(2a.1)，具有用来溶解磁性粒子的构件的一个优选实施方式。它由带有柱体(2a.3)的腔室(2a.2)构成，磁性粒子涂覆在所述柱体上。

图2b显示了在腔室(2a.2)的平面中的模拟结果，表明涂覆于柱体(2a.3)上的粒子被液体溶解并均匀分布。箭头代表流向，而颜色代表磁性粒子浓度，深灰色浓度最低、浅灰色浓度最高。

图2c显示了在半个通道横截面中的磁性粒子浓度的模拟结果。X轴和Y轴的单位为0.1毫米；颜色指示磁性粒子浓度，深灰色浓度最低、浅灰色浓度最高。

图3显示了涂覆了的磁性粒子，由被外壳(3.2)包裹的磁性核心粒子(3.1)构成，所述外壳的表面被活化(3.3)。接头分子(3.4)将第一受体(3.5)连接到磁性粒子上。

图4a显示了通道结构的一个局部，其在传感器元件(4a.2)上方的通道高度(4a.1)降低，以加速磁性粒子(4a.4)在传感器元件表面(4a.3)上的沉降，因此加速了所述磁性粒子在传感器元件表面上的结合。

图4b显示了通道结构(4b.5)的弧形局部(4b.3)，其中磁性粒子(4b.4)由于惯性发生偏转，并落在传感器元件(4b.1)的传感器元件表面(4b.2)上。

图5a显示了1μm大小的磁性粒子的沉降实验结果。X轴为沉降时间，单位为10³s，Y轴为沉降实验的起始高度，单位为毫米。

图5b显示了磁性传感器元件上方高度降低的通道结构的模拟结果。通道的入口高度为50μm，出口高度为5μm。设定了不同的磁性粒子起始高度(X轴)。Y轴显示的是从高度降低的通道部分的入口测量的降落位置。数据点的数字显示的是沉降时间，单位为秒。

图6显示了在磁性传感器元件上方高度降低的通道的局部。通道入口(6.1)在磁性传感器元件(6.3)上方的高度降低(6.2)，同时被加宽至出口(6.4)。

图7a显示了不同尺度下的流体动态模拟。在下方的图中的10毫米通道中，可以观测到湍流，因此预计会发生强烈的混合。在上方的图中，通道的宽度减至1毫米，其他变量维持不变，只能观测到层流，因此预计只会发生由于布朗运动导致的弱混合。

图7b显示了通道结构(7b.1)的一个局部，其中分布着不同高度的柱体(7b.2)，以通过分离、折叠以及重聚流体流来改善层流混合。

图7c显示了具有腔室(7c.1)的通道结构的局部，其中所述腔室具有一可移动的元件(7c.2)。

图8简要地显示了装置的一个截面，其中强磁性元件(8.3)被集成至通道结构(8.1)的左侧和右侧，从而在磁性传感器元件(8.2)上方获得磁场聚集。

图9简要地显示了两种不同的传感器元件表面涂覆情况。在一种情况中，a)被激活的第二受体(例如硫激活的)直接结合于黄金层上(9.1)。另一种选择是表面激活(9.2)，例如抗生蛋白链菌素，第二受体(9.3)通过生物素抗生蛋白链菌素键结合在抗生蛋白链菌素上。

图10显示了具有磁性传感器元件(10.2)的通道结构(10.1)的局部，该磁性传感器元件有结合的磁性粒子(10.3)和未结合的磁性粒子(10.4)。交流(10.1)除去了未结合的磁性粒子，并将它们输送至磁场发生器(10.5)，在此它们被磁力保留住(10.6)。

图11图示了工艺流程。在插入样品后，装置被插入到仪器中。仪器读出识别信息/存储芯片，以识别装置应用的测试类型，并仪器应用该数据来配置用于测试的仪器。同时，样品经过用于预处理的构件(如过滤器)或用于混合抗凝剂和样品的构件流入到装置上的通道结构中，直到其抵达储存着预涂覆的磁性粒子的腔室内。它们被溶解后，接着与样品混合，并且分析物与带有合适受体(第一受体)的磁性粒子结合。反应产物(结合了带有第一受体的磁性粒子的分析物)在流体中进一步输送，并最终经通道结构内合适的构件引导到传感器元件上。在那里，携带着分析物的磁性粒子与携带着第二受体的传感器元件表面结合。通过泵送样品体积使其经过感应器使未结合的粒子单向或双向移动。双向泵送是指在传感器元件和通道结构上的、通过磁力捕获了液体中的粒子的磁场发生器之间来回交替地泵送传感器元件上方的样品体积。在样品流经过通道结构的过程中，仪器控制开始在传感器上方产生可变磁场。起初，这用于测试传感器功能和检测流经磁性传感器元件的粒子流。在粒子与传感器元件表面特异性结合后，可测定不同的数量或性质的传感器信号，由此推算出结合的粒子的数目。信号经处理后，结果便呈现给用户。最后，将装置从仪器移除。

图12a显示了利用面积为100μm×100μm的弯折状GMR传感器和不同粒子浓度的1μm磁性粒子的测定结果。X轴是每平方微米上粒子的数目，Y轴是GMR传感器的电阻变化。

图12b图示了传感器上放置单个粒子(12b.1)得到的最低粒子浓度，产生了低却明显的电阻变化(12a.1)。

图12.c和12.d显示了传感器上更高的粒子浓度，产生了电阻的更大变化(12a.2和12a.3)。

图13显示了装置的一个实施方式，其中基部(13.1)包括用于封闭(13.2)通道结构四周的凹槽、用于识别信息芯片(13.3)的孔口以及磁性传感器元件(13.4)。顶部(13.7)包括用于样品插入的带有过滤元件的孔口(13.7)、用于将磁性传感器元件(13.5)和存储芯片(13.6)连接到仪器上的电触点(13.10)。通道结构是在顶部和基部之间用微量粘合剂(13.11)封闭起来的。

图14a显示了夹心式检测法，其中第一受体(14a.3)结合到涂覆在金层(14a.1)上的抗生蛋白链菌素层(14a.2)上。通过与第二受体(14a.4)结合的分析物(14a.6)附着磁性粒子(14a.5)。

图14b显示了竞争型检定法。第二受体(14b.2)被涂覆到带有抗生蛋白链菌素(14b.1)的金表面上。由于附着在磁性粒子(14b.3)上的分析物(14b.4)和抗原/抗体(14b.5)竞争第二受体(14b.2)上的结合位点，因此分析物越多，能够结合的磁性粒子就越少。

具体实施方式

实施例

实施例1：存储容器中的磁性粒子的溶解行为的模拟

目的：评价存储于存储容器中的磁性粒子的溶解行为

方法：磁性粒子存储容器(见图2)被设计成一个直径4毫米、带有300μm宽的入口和出口通道的圆柱形的小室。所述流体结构总的高度是300μm。连接于该腔室顶部的是一个宽200μm、高200μm的圆柱体，其侧表面和顶部表面涂覆有磁性粒子。该设计方案以入口流速为100μm/秒进行模拟。模拟工具为Femlab的Comsol Multiphysics。

结果：图2b和2c显示了模拟结果，其中颜色代表标准化的浓度，箭头代表流向。浅色代表高浓度，深色分别代表低浓度。图2b显示了半个存储容器的平面视图，表明在柱体侧表面上的涂覆的粒子被很好地溶解并在平面内达到相对均匀的粒子分布(注：图2b中的负浓度数值是模拟过程中数值问题所致)。图2c显示了在出口通道左侧一半的模拟的垂直浓度。该图显示了在通道横截面上的良好分布，其中在靠近中间具有第一峰值，在通道底部具有第二峰值。第二峰值是由涂覆于柱体顶部表面的粒子产生的。它们比涂覆于柱体侧表面的粒子沉降速度快。

总之，这些模拟结果显示，本设计的磁性粒子存储容器和以本方法涂覆是在通道横截面范围内获得良好粒子溶解的可行方法。

实施例2：粒子沉降的评价与优化

目的：对传感器表面上的磁性粒子的沉降的评价和优化

方法：首先通过实验测定了1μm的磁性粒子在静置的溶液中的沉降速度。由于所测得的沉降速度被证实不足以应用在一次性物品中，因此改变通道的几何形状来加速向传感器表面的沉降。通过一种线性反向斜坡(linear inverse ramp)方法，将高50μm、宽80μm的通道入口在400μm长度内逐渐减小到通道出口处的高10μm、宽400μm(见图6)。对含有1μm磁性粒子的水溶液的沉降时间进行计算，所述磁性粒子均匀分布于横截面，层流速率为100μm/s。模拟工具为Femlab的Comsol Multiphysics。

结果：图5a显示了沉降实验的结果。x轴描述的是沉降时间，单位为10³秒，y轴描述的是沉降实验的起始高度。这些结果向较低高度的外推表明，在静置媒介中，单独由重力作用，即使在数百微米的高度，，沉降也需要数分钟。这对于应当在数分钟内完成整个测试的一次性物品而言，时间太长了。图5b显示了在流经上述反向斜坡的过程中粒子沉降的模拟结果。x轴表示粒子的起始高度；y轴表示从反向斜坡开始处测量的降落位置，即，50μm×80μm通道的末端。数据点上的数字为以秒计的沉降时间。

这些结果表明反向斜坡是完美的方法，对于

1)把沉降时间显著缩短至几秒的可接受水平上

2)在轮廓清晰的(clear cut)表面上获得均匀的粒子分布。

实施例3：GMR传感器的灵敏度测试

目的：评价GMR传感器对于传感器表面的低珠(low bead)密度的灵敏度

方法：比勒菲尔德大学的Hütten课题组研制的GMR传感器，传感器表面为100μm×100μm，且特性适应于1μm磁性粒子的磁化曲线的传感器的特征在于，在其表面上具有不同的粒子负载量。为此，具有不同粒子浓度的液滴被滴涂到传感器表面上并干燥。在光学显微镜下对传感器表面的沉降粒子进行计数，并且测量在外部磁场下所产生的GMR传感器信号。为了除浓度外还获得传感器上的相当低的粒子沉降，改变液滴在传感器表面的滴涂位置。通过该方法，可观测到在干燥处理中的液滴收缩过程中，液滴的边缘在传感器表面移动，带走了大部分的粒子，仅在传感器表面留下少量的粒子。

结果：图12c和d显示了具有不同粒子负载量的传感器表面。图12d显示了起始浓度为0.2mg/ml的实验的显微镜图像，此时传感器被液滴完全覆盖。可观测到在传感器表面上几乎均匀的覆盖(除少许团聚之外)。然而，在图12c中可以观测到同样情况具有更低的表面覆盖率。在本实验中，液滴还被置于传感器中央，而浓度被减少至0.1mg/ml。

实验中浓度保持不变，结果显示在图12b的显微镜图像中。而带有粒子溶液的液滴的位置使传感器在其边缘。因此，当液滴干燥时，其边缘在传感器上收缩。带有粒子团聚体的干燥的液滴的边缘在图12b的顶部仍可看到。在图像较低的部分中，在传感器表面可分辨出单个的粒子(12b.1)。其产生的信号能够用所述GMR传感器检测到。

从这些测定结果可见，图12a的曲线显示，以粒子/μm²计的传感器表面的粒子浓度(x轴)与其产生的、以Ω计的GMR传感器电阻变化近似呈线性关系。标出的数据点12a.1到12a.3分别与图12b.1到12b.3所示的粒子负载量相对应。

这些测定结果表明，通过高灵敏度的传感器，例如特别地调整为适应磁性粒子的磁化曲线的GMR传感器，从得到单个粒子灵敏度是可行的。

Claims (17)

1.用于检测直接或间接结合了一个或多个磁性粒子标记的分析物的装置，其特征在于，包括

A）至少一个用于输送和处理磁性粒子的流体通道结构，以及

B）集成的磁性传感器元件

其中

通过以下方式对流体通道结构的几何形状进行优化：

E1）通过逐步降低所述传感器元件上方的通道高度来改变流体流动特征，或

E2）利用通过在弯曲通道中引导流体而产生的惯性力，其中所述传感器元件置于所述弯曲通道的弯曲部分的外通道壁，

来引导样品流经传感器元件表面，以使磁性粒子/分析物复合物快速、均匀地结合在传感器元件表面上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁性传感器元件是至少一个通道壁的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

C）用于优化磁性粒子溶解的构件，其中所述磁性粒子从所述用于优化磁性粒子溶解的构件中释放出来，所述磁性粒子是经过或未经过第一受体和/或分析物涂覆的。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

D）涂覆了第一受体的磁性粒子，所述粒子被储存于所述装置中，一旦样品流通过所述通道结构，所述粒子即能够与分析物结合。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

F）用于将样品与磁性粒子混合以促使分析物借助受体与粒子进行结合或竞争的元件，其中所述用于混合的元件是：

F1）被动结构，所述被动结构为：通道横截面或者通道方向或者两者结合的改变；或

F2）主动结构，所述主动结构为：松散地置于通道结构或腔室内的强磁性元件，所述强磁性元件能够被交变磁场移动。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁性传感器表面用金涂覆以使得第二受体特异性结合，而周围的表面不是金第二受体，而是涂覆不同的材料，所述材料对于与第一受体、第二受体或分析物的结合呈惰性。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

G）一种产生磁场的元件，所述元件集成于通道结构附近、磁性传感器元件的下游，用来捕获未结合的粒子。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

H）一种用于样品预处理的构件，所述构件集成于所述磁性传感器元件的上游。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

I）参比通道结构，包括涂覆有第二受体的、集成的磁性传感器元件，并且已知量的分析物与磁性粒子结合或未结合，所述磁性粒子的量足够用来验证直接结合或竞争性结合的动力学。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括

J）一种用于识别或数据存储与运行的测试相关的信息的构件。

11.一种用于检测直接或间接结合了一个或多个磁性粒子标记物的分析物的仪器，所述仪器包括权利要求1-10中任一项所述的装置，以及一种或多种构件，所述构件选自：

a）一种将所述仪器与所述装置机械地、电气地和流体地连接的构件，

b）一种控制装置内流体流动的构件，

c）一种控制和/或记录可变磁场产生的构件，

d）一种在所述磁性传感器元件附近聚集磁场的构件，所述构件作为仪器或装置的一部分，

e）一种操作和读出磁性传感器元件的构件，

f）一种构件，用于读出根据权利要求10的装置的识别信息或数据存储，并将这些信息应用于其安装配置或配置其操作方法，

g）一种评价和/或记录磁性传感器元件信号的构件，

h）一种根据这些信号来计算和/或记录分析物浓度的构件，

i）一种将分析结果呈现给用户的构件，

j）一种输入用户命令的构件，

k）一种通过接口传输数据的构件，

l）一种通过电池或接线器运作的构件，

m）一种置于磁性传感器下游的磁场发生元件，所述元件置于装置内部或外部，适用于采用双向泵送清洗；

n）一种暂时运行于传感器上方的电磁构件或暂时在传感器上方移动的永磁体，两者都能够用于从传感器表面上除去未结合的磁性粒子，即磁清洗。

12.一种用于对直接或间接地结合了一个或多个磁性粒子标记物的分析物进行定性或定量分析的方法，包括

将样品引导到根据权利要求1-10中任一项所述的装置中，

以及

检测与磁性传感器结合的磁性粒子。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在将样品引导到根据权利要求1-10中任一项所述的装置中之后、检测与磁性传感器结合的磁性粒子之前，将所述装置插入到根据权利要求11的仪器中。

14.一种制造根据权利要求1-10中任一项所述装置的方法，包括

a）提供至少两块注塑的或模压的聚合物板，

b）在至少一个通道壁上直接生成磁性传感器元件，或在至少一个通道壁上集成独立的磁性传感器元件，

c）引入电导体使其接触所述的磁性传感器元件，以及

d）将所述的至少两块注塑的或模压的聚合物板连接起来，以在所述装置中构成流体通道结构。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，包括

通过薄膜沉积或印刷敏感性聚合物材料，在装置的通道结构中的聚合物材料上直接生成磁性传感器元件。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述敏感性聚合物材料为聚合物电子材料或聚合物纳米复合物。

17.根据权利要求1-10中任一项所述的装置、根据权利要求11所述的仪器或根据权利要求12或13所述的方法在有机或无机分析物的检测和测定中的用途。