JP5996868B2 - 高感度アッセイのためのパルス磁気作動 - Google Patents

Description

本発明は、バイオセンサシステムにおける磁性物体又は磁化可能物体の検出のため、及びパルス磁気作動のための磁場を制御する方法に関する。本発明はまた、バイオセンサシステムにおける磁性粒子のパルス作動、バイオセンサシステムのカートリッジにおける磁性物体又は磁化可能物体の制御運動及び磁性物体又は磁化可能物体の検出のための少なくとも２つの磁場発生手段を持つバイオセンサシステムにも関する。

検査試料中の被分析物を検出する様々な解析手順が知られている。例えば、免疫測定法は免疫系の機構を使用し、抗体とそれぞれの抗原が互いに結合することができる。この特異的反応機構は検査試料中の抗原の存在又は濃度を決定するために使用される。具体的には、抗体と抗原との相互作用を定量化するために、抗体又は抗原（関心のある被分析物）は標識される。一般的な標識は、例えば蛍光及び化学発光分子、着色粒子（ビーズ）又は放射性同位体である。

近年、被分析物の存在又は量を検出するために免疫測定法において磁気標識が使用されている。例えば磁性粒子（ビーズ）などの磁気標識の使用はいくつかの利点を持つ。磁性粒子は、解析手順が加速されることができるように、磁場を加えることによって作動されることができる。さらに、生物学的検査試料には磁性粒子の検出に影響を及ぼす磁気バックグラウンド信号がない。

しかしながら、これらの磁気標識を用いる免疫測定法は、（ａ）抗原に結合した磁性粒子を、センサカートリッジのセンサ表面付近に固定化されるように作動させる、及び（ｂ）残りの非結合磁性粒子を、結合粒子の定量に影響を及ぼさないように流すための手段を必要とする。従って、例えば、センサカートリッジの両側に２つの磁石が配置され得、第１の磁石は磁性粒子をセンサ表面へ向かって検査試料を進むように引きつけ、そして第２の磁石は非結合磁性粒子をセンサ表面から離れるように引きつける。この構成において、２つの磁石は支持構造上に取り付けられ、支持構造は磁石をセンサ表面に対して進退させて機械的に動かす（Ｒ．Ｌｕｘｔｏｎ ｅｔ ａｌ．，"Ｕｓｅ ｏｆ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ａｎ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ..."，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４，７６，１７１５‐１７１９参照）。

こうした方法は非常に面倒で時間がかかり、センサカートリッジの両側に２つの磁石を配置するための複雑な支持システムを必要とする。さらに、磁性粒子を作動させるより効率的な方法は、センサカートリッジの周りに配置される複数の磁石を用いるパルス作動を使用することによる。このようにして、粒子は繰り返しセンサ表面と接触することができ、ここで生物学的結合が形成されることができる。センサ表面から離れる運動はしばしば"洗浄ステップ"と呼ばれる。粒子を作動させるとき、結合粒子は通常、常に磁力にさらされるが、他の（非結合）粒子が結合粒子と接触するときに機械的力にもさらされ得る。これらの力が大き過ぎて１つの結合が壊れる場合、信号は失われ、アッセイの感度は減少する。言い換えれば、作動される磁性粒子を用いるバイオセンサにおいて、粒子をセンサ表面に結合したままにする結合は、強過ぎる作動の結果、再度分断される可能性がある。

さらに、作動又は結合ステップの後、通常はセンサ表面から非結合粒子を除去するために磁気洗浄ステップが組み込まれる。そして結合粒子は、その表面（検出領域）に近い粒子のみに反応する技術を用いて検出される。しかしながら、安定な終了信号はしばしばこうした洗浄ステップの後には観察されないことが指摘されている。

本発明の発明者らは、こうしたアッセイの感度の減少、及び洗浄ステップ後の不安定な信号をもたらす機構を研究し発見した。以下、考えられる機構がより詳細に論じられる。

典型的な生物学的アッセイにおいて、粒子をセンサ表面に結合したままにするいくつかの結合があり得、図１にサンドイッチ免疫測定法について示される。具体的には、磁性粒子Ｅは、一次抗体Ｂ、被分析物又は標的分子Ｃ及び二次抗体Ｄを介してセンサ表面Ａに結合される。異なる部位間の結合は数字で示され、すなわちセンサ表面Ａと一次抗体Ｂとの結合は１で標識され、一次抗体Ｂと標的分子Ｃとの結合は２で標識され、標的分子Ｃと二次抗体Ｄとの結合は３で標識され、二次抗体Ｄと粒子Ｅとの結合は４で標識される。

磁性粒子Ｅは、外部磁力を用いてセンサ表面へ作動される。粒子Ｅをセンサ表面Ａに結合させるためには複数の結合が必要である。しかしながら作動中に粒子にかかる力は、粒子を表面に結合したままにするには大き過ぎる可能性があり、これは最終的に低い信号をもたらす。特に非共有結合は、十分な力が粒子にかかる場合崩壊しやすい。結合の崩壊はしばしば不可逆的であり、粒子又はセンサ表面の機能の低下をもたらし、最終的にはアッセイの感度の減少につながることがわかっている。損傷領域のＡＦＭ解析は、一次抗体Ｂでさえ作動中に除去される可能性があることを示している。従って、この問題は、プラスチック（例えばポリスチレン）表面上の物理吸着抗体の場合など、生物学的分子が比較的弱い相互作用によってセンサ表面に結合するアッセイにおいて特に生じる。

加えて、この現象による信号消失の程度は、既に結合した粒子の量に依存する。具体的には、付近の結合粒子の存在によって"保護"される粒子は除去するのがより難しい。

本発明の発明者らはさらに、磁気洗浄ステップ中又は後の信号がしばしばあまり安定でないことも指摘する。こうした不安定な信号は検出される被分析物の量にさらなる誤差を導入し、アッセイの精度と感度をさらに減少させる。

図６Ａから図６Ｃはバイオセンサにおける典型的なアッセイの異なるステップを示す。具体的には、図６Ａは、溶液中の被分析物又は標的分子Ｃに結合することができる磁性粒子Ｅを示す。結合した標的分子Ｃとともに粒子Ｅをセンサ表面Ａに結合させるために、粒子Ｅがセンサ表面に移動するように磁場が加えられる（図６Ｂ参照）。粒子Ｅにはたらく磁場の力Ｆ１は図６Ｂにおいて二重矢印で示される。非結合粒子はその後の洗浄ステップにおいてセンサ表面から磁気的に除去される（図６Ｃ参照）。再度、粒子Ｅにはたらく磁場の力Ｆ２が図６Ｃにおいて二重矢印で示される。その後のステップにおいて、センサ表面Ａに近い粒子のみに反応する技術を用いて結合粒子が検出される。

本発明の発明者らは、洗浄ステップ（図６Ｂ参照）後の信号の不安定性が、特に比較的大きな粒子が使用されるとき（例えば直径５００ｎｍの粒子がこれらのバイオセンサにおいて頻繁に使用される）、実質的に非結合粒子の沈降によって生じることを発見した。この機構は図７Ａ、図７Ｂ及び図８を参照して説明される。

図７Ａは図６Ｃと同様であり、洗浄ステップを図示する。結合粒子を検出するために洗浄ステップの磁場が切られると、沈降する粒子は、図７Ｂに図示されるように表面Ａに近い検出領域６０へ再び入ることができる。具体的には、粒子をセンサ表面Ａへと下へ移動させる重力が一重矢印ＦＧで示される。

図８は、（Ｉ）磁気引きつけ、すなわち作動ステップ、（ＩＩ）磁気除去、すなわち洗浄ステップ、及び（ＩＩＩ）洗浄ステップの磁場の切り替え後、すなわち検出ステップという３つのレジームにおける信号変化を示す。図８のレジームＩＩＩにはっきり見られるように、検出領域６０に再び入る沈降粒子がさらに検出され、これは信号増加をもたらす。洗浄後の信号を収集する代わりに、信号は磁気洗浄ステップ自体の間に収集され得る（図８のレジームＩＩを参照）。しかしながら、見てとれるように、非結合粒子が検出領域６０から絶えず除去されるので、この信号もまた不安定である。さらに、洗浄ステップ中に加えられる力も結合粒子にはたらき、粒子を表面から遠く離し、あるいは生物学的結合を分断させる可能性すらあり、信号減少をもたらす。特に、機器によるノイズに近い、非常に低い信号が得られるアッセイにおいては、長期間にわたって信号を平均化することによって信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）が改善されなければならない。従って信号が時間的に安定であることが重要である。特にこれらのアッセイにとって、不安定な信号はアッセイの感度を減少させる。

従って、上述の感度の減少を回避するシステム及び方法を提供する必要がある。具体的には、上記のセンサ表面における粒子の望ましくない除去又は蓄積を最小化するシステム及び方法が必要である。具体的には、少数の粒子しかセンサ表面に結合せず、時間的に安定な信号が検出のために必要とされる、非常に高感度のアッセイにおいて、表面損傷が回避されるべきである。

本発明の具体的かつ好適な態様は添付の独立請求項及び従属請求項において記載される。従属請求項からの特徴は、必要に応じて、及び請求項に明記されたものだけでなく、独立請求項の特徴、及び他の従属請求項の特徴と組み合わされてもよい。

上記の問題への解決法は、センサ表面の隣の検出領域における粒子のいかなる望ましくない運動も回避されるような方法で粒子を作動及び洗浄することによって実現される。具体的には、既に結合した粒子又はセンサ表面に結合した抗体が除去されないよう、センサ表面の隣の検出領域における平行粒子運動が最小化されるか又は回避される。

本発明、特に請求項の文脈において、"磁性物体"又は"磁化可能物体"という語は、いかなる種類の物体にも関し、例えば１つの粒子、複数の粒子、ビーズ、及び／若しくは微粒子、特にマイクロビーズ、ナノ粒子若しくは分子、特に生体分子、タンパク質及び他の生体高分子、ならびに生体細胞若しくは細胞内断片、ウィルス粒子若しくはウィルス及び細胞器官など、又は無機化合物であり、これらは磁性及び／若しくは磁化可能であるか、又は磁性及び／若しくは磁化可能粒子に結合する。さらに、本発明の文脈において、磁場発生手段という語は、例えば"電磁石"、"磁気コイル"又は"電磁ユニット"など、磁場を発生させるための任意の手段に関する。センサの"関心領域"若しくは"検出領域"という語は、本発明の文脈において、粒子が検出ステップ中に検出される、センサ表面の隣の位置をあらわす。

第１の態様によれば、本発明はバイオセンサカートリッジ中の磁性物体又は磁化可能物体の運動を制御するための方法に関する。該方法は以下のステップを有する。側方にのびるセンサ表面を持つバイオセンサカートリッジと、センサ表面に垂直又は実質的に垂直な磁場勾配を持つ磁場を発生させるための少なくとも１つの磁場発生手段とが設けられる。磁場発生手段は好適には、発生した磁場が、磁性物体又は磁化可能物体を、センサ表面に垂直又は実質的に垂直に、センサ表面に対して進退させて交互に移動させるように、交互に作動される。交互作動及び洗浄中のパルス長及び磁場強度は、好適には、側方にのびるセンサ表面に沿った磁化可能物体の側方運動が実質的に回避されるように調節される。

本発明のさらなる態様によれば、検出領域内の粒子の検出中のパルス長及び磁場強度は、好適には、検出領域内の粒子の濃度が好適には一定であるように調節される、すなわち、センサ表面の隣の検出領域内の粒子の蓄積の実質的な減少が、磁場を調節することによって回避され得、検出領域内の粒子のいかなる運動も回避されるようになっている。こうした調節される磁場は、好適には作動及び洗浄ステップ後に、好適には検出パルスで与えられる。

言い換えれば、本発明にかかる方法は、好適には、重力の方向と反対に磁性物体又は磁化可能物体にはたらく力の絶対値が、重力の絶対値以上になるように、一定時間磁場を調節するステップを有する。さらに言い換えれば、結果として得られる重力に反してはたらく磁場の力は、磁性物体又は磁化可能物体が溶液内で実質的に安定なままであるように調節される。

磁場発生手段又は電磁石は、好適には、側方にのびるセンサ表面の片側のみ、又はバイオセンサの側方にのびるセンサ表面の実質的に両側のいずれかに配置される。さらに好適には、電磁石はセンサ表面に垂直又は実質的に垂直な傾斜磁場を作り出す。発生した磁場は好適にはセンサ表面に垂直又は実質的に垂直な方向に不均一である。具体的には、磁場は好適には、センサ表面に沿った（平行な）誘導横力が回避されるように作られる。言い換えれば、電磁石は好適には、バイオセンサの表面の付近で、傾斜磁場の横成分が最小化されるか又は回避されるように、構成され、配置され、作動される。

しかしながら、（非常に）小さな横方向の傾斜磁場が作られる場合、粒子は横方向にも動かされるか又は集められることになる。こうしたわずかな横方向の勾配は、磁気コイルのずれによって誘導され得、あるいは一部の磁性ビーズでも、センサ表面に平行な局所傾斜磁場を誘導する可能性がある。しかしながら横成分の最も一般的な原因は、磁石の限られた形状である。磁石のサイズがバイオセンサ表面上の関心領域のサイズに大体匹敵する限り、磁場は不均一である。言い換えれば、ビーズは磁石中心に向かって引きつけられる。こうした点においては、非常に小さいいくらかの横成分が作られる、すなわち、誘導される運動がセンサ表面に対して進退して実質的に垂直であっても、（小さな）横方向の傾斜磁場が粒子の対角運動をもたらす（横及び垂直力ベクトルの和）。

本発明の発明者らは、磁気コイルの交互作動が表面損傷を回避するが、小さな及び／又は偶然に作られた磁場の横力が粒子の側方運動を生じ得ることを発見した。従って、本発明によれば、磁場発生手段（例えば電磁石）は、（小さな）側方傾斜磁場が存在し得るが、センサ表面の損傷が実質的に回避されるように交互に作動される。

本発明にかかる磁場発生手段は、少なくとも１つの電磁石であり得、好適には磁気コイルを伴う。好適には少なくとも１つ、好適には２つ以上の電磁石が、センサ表面の下に配置され得る。センサ表面の下の少なくとも１つの電磁石に加えて、センサ表面の上に少なくとも１つの電磁石が配置され得る。好適には各電磁石は駆動手段によって別々に制御可能である。

好適には、２つの電磁石は、２つの電磁石の間にスリットを伴ってセンサ表面の下に配置され得る。単一の電磁石は好適には上記スリットと反対のセンサ表面の反対側に配置される。好適にはセンサ表面の下の２つの電磁石は、粒子をセンサ表面から離すために同時に作動されるとき、同じ極性（北‐北又は南‐南）を有し得る。少なくとも２つの電磁石は好適には、センサ表面に近づく粒子運動を誘導するため、すなわちセンサ表面に粒子を引きつけるために同時に作動されるとき、反対の極性（北‐南又は南‐北）を有する。

他方で、好適には表面の上の１つの電磁石は、好適には表面から離れる粒子運動を誘導するために作動される。表面から離れる運動はしばしば"洗浄ステップ"と称される。具体的には、センサ表面の上の液体の流れに基づく従来の洗浄ステップが、磁気洗浄ステップによって置き換えられることができ、非結合粒子は磁場を用いて表面から引き出されることができる。

電磁石の交互又は周期的な作動がさらに明記され、作動サイクルの単一周期のみに言及すれば十分である（図４参照）。好適には交互作動の周期は、磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面に近づけるための第１のパルス長を有する。それに続くステップにおいて、磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面から離すための第２のパルス長が生成され得る。本発明の好適な実施形態によれば、第１のパルス長と第２のパルス長の間に、実質的に発生磁場のない時間間隔が存在する。言い換えれば、第１及び／又は第２の磁気パルス長の後に短い"オフタイム"が存在し得る。好適には"オフタイム"はシステムの特定の要件に調節される。具体的には、オフタイムは粒子が表面に達するために必要な拡散又は沈降時間に対応するように調節される。言い換えれば、粒子をセンサ表面に近づけるためのパルスは、好適には、特定の状況、すなわち測定されるべき距離及び使用粒子のサイズに合わせた短い"オフタイム"が後に続く。

本発明の好適な実施形態によれば、粒子をセンサ表面から離すステップ（例えば上部磁石を作動させる）は、粒子をセンサ表面に近づけるために磁場を作動させた（例えば下部磁石を作動させた）直後に実行されなくてもよい。具体的には、好適には、下部磁石がオンにされた後、全ての電磁石がオフにされる。従って、下部電磁石の作動と上部磁石の作動の間に、発生磁場のない時間間隔が存在し得る。この時間間隔は粒子がセンサ表面に拡散又は沈降することができるという利点をもたらす。

本発明のさらに好適な実施形態によれば、センサ表面の隣の検出領域内の粒子濃度の変化が回避されるように、洗浄ステップ後に発生磁場が調節される。具体的には、磁場は好適には、粒子が平衡状態に保持されるように、例えばセンサ表面の方へ粒子を引きつける重力が、実質的に重力と反対方向にはたらく磁場によって実質的に相殺されるか又は相殺され、センサ表面への各粒子の距離が実質的に一定に保たれるように、調節される。

言い換えれば、本発明にかかる方法は検出パルスを有し得、この間に、重力の方向と反対に磁性物体又は磁化可能物体にはたらく力の絶対値が重力の絶対値以上になるように磁場が調節される。さらに言い換えれば、センサ表面へ向かう磁性物体又は磁化可能物体の運動が回避されるように磁場が調節される。好適な実施形態によれば、センサ表面に対して進退する磁性物体又は磁化可能物体の運動が回避される。

具体的には、磁場を発生させるために使用される電流の高さは、好適には、粒子にはたらく重力がちょうど克服されることができるように選ばれる。このようにして、粒子の沈降は実質的に全く観察されない。さらに、粒子にはたらく力は最小となるので、センサ表面の特異結合は全く壊れない。こうした磁場の調節は、好適には信号決定又は測定ステップ中に適用される。結果として、信号は非常に安定となり、そしてＳ／Ｎ比を増すために十分な期間にわたって平均化されることができる。加えて、信号が明確な個別ステップにおいて収集されるので、信号処理が非常に容易になる。

交互変調の周波数は好適には１Ｈｚより大きく、好適には１０Ｈｚより低く、より好適には２Ｈｚより大きく６Ｈｚより低く、より好適には３乃至５Ｈｚであり、さらに好適には約４Ｈｚである。しかしながら、粒子のサイズ及び溶液内の粒子の流れ抵抗、磁石の特定の構成、及び／又は特定の粒子濃度などに応じて、交互変調の周波数は上記の提案された範囲と異なり得る。磁気コイルに加えられる電圧は矩形パターン又は台形パターンを有し得る。

例えば、上述の周波数を用いて、第１のパルス長と第２のパルス長の間の時間間隔は１周期の３０％より大きく、好適には４０％より大きく、より好適には５０％となり得る。４Ｈｚの周波数において、５０％オフタイムは１２５ｍｓになり、これは５００ｎｍビーズを用いる詳細な説明に記載及び図示されたような磁石／バイオセンサ構成にとって有利である。

第１の発生磁場強度を持つ第１のパルス長と、第２の発生磁場強度を持つ第２のパルス長は、磁性物体又は磁化可能物体がセンサ表面から離れる運動及びセンサ表面に近づく運動の位相中におよそ同じ距離だけ移動するようにさらに調節され得る。第１及び／又は第２のパルス長は１周期の少なくとも５％、好適には少なくとも２０％、より好適にはおよそ２５％、及び好適には４０％未満であり得る。

言い換えれば、磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面から離すためのデューティサイクル（１周期内の作動電磁石のパルス長又は時間間隔）は、好適には１０乃至４０％であり、より好適には全周期の約２５％である。しかしながら、当業者によって理解される通り、この好適なパルス長は、特定の磁石の構成、特定の粒子サイズ、特定の粒子濃度などに依存する。さらに好適には、単一周期は磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面から離すための１つのデューティサイクルのみを有する。さらに好適には、単一周期（以下第１のパルス長とも呼ばれる）は磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面へ近づけるための１つのデューティサイクルのみを有する。さらに好適には、単一周期は磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面から離すための１つのデューティサイクル（以下第２のパルス長とも呼ばれる）のみを有する。その上、さらに好適にはいずれの電磁石も作動されない時間間隔が１周期中に存在する。具体的には、好適にはかかる"オフタイム"時間間隔は第１のパルス長の後で第２のパルス長の前にある。

本発明の方法によれば、センサ表面又はその隣に位置する任意の磁性物体又は磁化可能物体は、好適には、交互作動の１周期中に、まず所定の距離だけ表面から離れ、その後、実質的により小さいか又は同じ所定の距離だけ表面に近づく。

従って、磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面に近づけるためのデューティサイクルもまた、好適には１０乃至４０％及びより好適には全周期の約２５％である。さらに好適には、１周期は磁性物体又は磁化可能物体をセンサ表面に近づけるための１つのデューティサイクルのみを有する。表面から離れる運動及び表面に近づく運動を誘導するためのデューティサイクルの期間（パルス長）は等しくなり得る。しかしながら、粒子が進む距離はパルス長とパルスの振幅に依存するため、パルス長は高い振幅では短く選ばれ、逆もまた同様であり得る。

本発明はまた、上記の好適な方法ステップを実施するためのバイオセンサシステムにも関する。バイオセンサシステムは好適には、側方にのびるセンサ表面を持つ、取り外し可能に又は固定されて配置されるバイオセンサカートリッジと、センサ表面に実質的に垂直な磁場勾配を持つ磁場を発生させるための少なくとも１つの磁場発生手段とを有する。該システムはさらに、発生した磁場が、磁性物体又は磁化可能物体を、センサ表面に垂直に又は実質的に垂直に、センサ表面に対して進退させて交互に移動させるように、磁場発生手段を交互に作動させるための駆動ユニットを有し得る。駆動ユニットは好適には、磁化可能物体のセンサ表面に沿った側方運動を回避する交互作動のパルス長を発生させるのに適している。

具体的には、駆動ユニットは好適には、磁化可能物体をセンサ表面に近づけるために、センサ表面の下に配置される少なくとも２つの電磁石を反対の極性で同時に作動させ、及び／又は、磁化可能物体をセンサ表面から離すために、少なくとも２つの電磁石を同じ極性で同時に作動させるのに適している。作られた、好適には不均一な磁場は、大きな垂直勾配と、最小化された、ただしおそらく小さいか又は非常に小さい平行な勾配を持ち、センサ表面の隣に位置する任意の磁性又は磁化可能物体／粒子を、実質的にセンサ表面に垂直な方向に動かし、一方センサ表面に平行な運動は最小化されるか又は回避される。

本発明のシステム、特に駆動ユニットは、好適にはバイオセンサカートリッジ内の磁性又は磁化可能粒子／物体の運動（及び従って作動）を制御するのに適している。駆動ユニットは好適には、好適にはセンサ表面の隣に位置する任意の磁性又は磁化可能物体／粒子の誘導される運動の方向が、物体がセンサ表面から離れる及び／又はセンサ表面に近づくとき、側方にのびるセンサ表面に垂直な成分から主に成るように、電磁石を交互に作動させる（交互にスイッチをオン及び／又はオフにする）のに適している。言い換えれば、好適には、表面に対して進退する粒子運動と同時に、場合により発生する横方向の場成分による側方運動が回避されるか又は最小化される。磁性又は磁化可能物体／粒子の速度ベクトルは好適には、粒子がセンサ表面に対して進退して移動するときにセンサ表面に平行な（横）成分と垂直な成分とによって作られ、垂直成分は横成分よりも実質的に大きい。好適には横成分はゼロである。このようにして、粒子は繰り返しセンサ表面と接触することができ、既に結合した粒子を表面から除去することなく生物学的結合が作られることができる。

好適には、センサ表面の上の電磁石は、表面の下の電磁石が作動されるときにオフにされ、逆もまた同様である。言い換えれば、好適には上部及び下部の磁気コイルの作動は交互に変調される。しかしながら、本発明のさらなる態様によれば、個々の磁石の個々の作動位相は重なってもよい。具体的には、下部磁気コイルの作動と同時に、上部コイルの場が、完全にオフにされる代わりに減少されてもよく、逆もまた同様である。

本発明にかかるさらなる好適な実施形態によれば、駆動ユニットは、センサ表面から離れる及びセンサ表面に近づく２つの運動位相中に、磁性物体又は磁化可能物体がおよそ同じ距離だけ進むように磁場強度及び／又は磁場の持続期間を作り出すのに適している。例えば、センサ表面の隣又は付近に位置する（ただし好適には表面に結合していない）粒子は、例えば上部電磁石によって作られる場によって、所定の距離だけセンサ表面から離れる。言い換えれば、非結合粒子は磁気洗浄ステップによってセンサ表面から除去される。この所定の距離は発生磁場強度、例えば電磁石のコイルに印加される電圧、及び／又は発生磁場のパルス長（持続期間）によって制御され得る。離れた粒子の速度ベクトルは、好適にはセンサ表面に垂直な、及び随意に平行な成分を有する。同じ粒子を表面に戻して近づけるために（例えば結合するために）、磁場、具体的には磁場強度とパルス長（持続期間）は、好適には粒子が同じ距離の量を戻るように作り出される。具体的には、好適には、誘導される離れる運動中のセンサ表面に垂直な移動距離は、誘導されるセンサ表面に近づく運動中のセンサ表面に垂直な移動距離と実質的に同じである。言い換えれば、センサ表面に沿った側方移動距離は、センサ表面に対して進退する誘導される粒子運動中に異なる可能性があり得る。

本発明のこれらの及び他の態様は以下に記載の実施形態を参照して明らかにされ、解明される。

典型的なサンドイッチ免疫測定法において作られる複数の結合を概略的に示す。 作動中に結合粒子に加えられ得る横力を概略的に図示する。 バイオセンサカートリッジの上に１つの磁気コイルと、バイオセンサカートリッジの下に２つの磁気コイルを持つ本発明にかかるバイオセンサシステムのための設定を概略的に示す。 バイオセンサカートリッジの上に１つの磁気コイルと、バイオセンサカートリッジの下に２つの磁気コイルを持つ本発明にかかるバイオセンサシステムのための設定を概略的に示す。 図３Ａ及び図３Ｂに示される実施形態の３つの磁気コイルを制御するための、時間に依存する作動電圧を示す。 異なる作動状態における磁場のシミュレーションを示す。 異なる作動状態における磁場のシミュレーションを示す。 異なる作動状態における磁場のシミュレーションを示す。 溶液中の免疫測定法を概略的に示す。 作動ステップ中の図６Ａの免疫測定法を概略的に示す。 洗浄ステップ中の図６Ａの免疫測定法を概略的に示す。 洗浄ステップ中の免疫測定法を概略的に示す。 沈降ステップ中の免疫測定法を概略的に示す。 従来のシステムにおける作動ステップ及び洗浄ステップ中の信号変化を伴う略図を示す。 本発明にかかる方法における作動ステップ、洗浄ステップ、及び検出ステップ中の信号変化を伴う略図を示す。

本発明の発明者らは、センサ表面に近い粒子にはたらく横力（センサ表面に平行）の存在を、上記問題の主要因の１つとして特定した。センサ表面に垂直な力と比べて、これらの横力はおそらく、作り出される大きなトルクを介して生物学的結合にはるかに高い力を誘導する可能性がある。

具体的には、図２は、センサ表面に平行な（横方向の）比較的小さな力Ｆが、どのようにして、比較的大きなサイズの磁性粒子１０によって作り出される長い腕"ｄ"のために生物学的結合に対して比較的大きな力を誘導し得るかを図示する。粒子と結合の間の結合に対してはたらく、結果として生じる力はＦ'で示され、これは平行な力Ｆよりも著しく大きい。さらに、本発明の発明者らは、単一の非結合粒子がセンサ表面上を引きずられ、その進路にある既に結合した粒子を除去する可能性があることも観察した。この問題への解決法は、表面付近の粒子の側方運動が最小化されるか又は回避されるように粒子を作動させることである。

図３Ａ及び図３Ｂは、作動のために使用される外部磁石又は磁気コイル、すなわちそれぞれセンサ表面の下及び上に実質的に両側に配置される下部磁石と上部磁石を持つ、本発明にかかる特定の構成を示す。具体的には、２つの磁気コイル３０，３０'（下部磁石）はセンサ表面"Ａ"の下に配置される。側方にのびるセンサ表面Ａを持つバイオセンサカートリッジは磁気コイルの間に配置される（部分的にしか示されない）。具体的には、センサカートリッジは好適には、センサ表面Ａに１つ又は複数の結合（図１参照）によって結合され得る、磁性粒子又は磁化可能粒子１０、例えば常磁性粒子１０を有する液体で満たされる。粒子の作動を増加するために、粒子１０をセンサ表面Ａの方へ引っ張る磁場を発生させるために、磁気作動コイル３０，３０'がセンサ表面Ａの下に配置される。図３Ｂに示される通り、コイル３０，３０'のペアが使用され得る。しかしながら、センサ表面Ａの下に１つの磁気コイルのみを使用することも等しく可能である。所定時間後、カートリッジにおいて磁場が存在しないよう、下部コイル３０，３０'はオフにされる。

センサ表面Ａの上に配置される磁気コイル２０によって発生する別の磁場は、センサ表面Ａから非結合粒子を引き離すために加えられ得る（図３Ａ）。図４に見られる通り、上部磁気コイル２０は下部コイルをオフにした直後には作動されない。好適には上部磁気コイル２０の作動前に発生磁場のない時間間隔がもたらされる。より詳細には、結合が形成されることができるセンサ表面に粒子が拡散することを可能にするために十分な長さの、引きつけパルスの直後の磁石の短い"オフタイム"が好ましい。

粒子が再度上部コイル２によってセンサ表面から離れた後、上部コイル２はそれに続いてオフにされ、下部コイル（３０，３０'）は再度オンにされる（図３Ｂ参照）、などとなっている。

この近づく運動と離れる運動は、表面Ａに実質的に垂直に向けられる傾斜磁場によって誘導される。しかしながら、表面に平行な、小さな又は非常に小さな傾斜磁場が、磁石のサイズ又は配置のために作られ得る。図３に関して上述した通り、既に非常に小さな横力が、既に結合した粒子を除去し得る。既に結合した粒子の除去及び／又はセンサ表面の損傷を回避するために、センサ表面の下及び上の磁石は、図４の作動スキームでより詳細に記載されるように交互に作動される。

具体的には、図５Ａ，５Ｂ及び５Ｃは磁石の異なる状態における磁場のシミュレーションを示す。粒子にはたらく磁力の強度（矢印の長さ）と方向が矢印で示される。しかしながら、３つの異なる状態に対して異なるスケールが使用されることに留意すべきである。図５Ａは下部磁石３０，３０'の両方が反対の極性でオンにされる（作動される）場合の力を示し、すなわち磁石３０は北（Ｎ）の極性を有し、一方磁石３０'は南（Ｓ）の極性を有する。図５Ｂは上部磁石２０がオンにされ（極性Ｓ）、下部磁石３０，３０'が作動されないときの結果として得られる力を示す。図５Ｃは全ての磁石、すなわち下部磁石３０，３０'及び上部磁石２０が同時にオンにされるときの結果として得られる磁力を示す。下部磁石３０は北（Ｎ）の極性を有し、一方磁石３０'は南（Ｓ）の極性を有する。

検出領域内のセンサ表面に横方向の粒子の運動を回避するために、磁気コイルの磁場強度は好適には周期的電圧パターンによって制御される。具体的には、上部及び下部コイルの印加電圧とパルス長とオフタイムは、好適には、粒子１０が両位相、すなわちセンサ表面から離れる位相と近づく位相（図３Ａ及び図３Ｂ参照）の間におよそ同じ距離を進むように調節される。このようにして、表面における粒子が横力を経験する時間が最小化される。

図３Ａに示される通り、上部磁石は粒子を特定の距離だけ表面Ａから引っ張るために使用され得、この後、粒子が表面Ａに再度達するためにちょうど十分な長さだけ下部磁石がオンにされる。好適には、下部磁石３０及び３０'は、粒子がセンサ表面へ近づく方向に加速されるように短い時間だけオンにされる。下部磁石３０，３０'をオフにした後、粒子はまだセンサ表面に向かって"オフタイム"中に拡散する。

好適な作動パターンに対する時間に依存する電圧値が図４に例示的に示される。しかしながら、当業者によって理解される通り、好適なパルス長は磁石の特定の構成、特定の粒子サイズ、特定の粒子濃度などに依存する。図示された作動パターンは、穏やかな作動方法を提供し、特にピコモル濃度の副甲状腺ホルモンと心臓トロポニンＩの検出において有利であるが、他の高感度アッセイ又は弱い結合のアッセイにも同様に適用可能である。この作動スキームは横力を最小化し、こうしたアッセイの速度と感度にかなりの増加をもたらす。

具体的には、以下の方法に従って上部磁石２０と下部磁石３０，３０'の使用を交互にすることで、表面損傷を予防し得る。センサ表面Ａ又はその付近に位置する磁性又は磁化可能物体／粒子は、センサ表面Ａから離される。これは、磁性粒子が表面から引き離されるように上部磁石２０を作動させることによって実現され得る（図３Ａ）。上部磁石を用いて表面から粒子を引き離す代わりに、粒子は下部磁石を用いて引き離されるか又は遠ざけられてもよい。さらに、粒子の引きと押しの組み合わせは、上部及び下部磁気コイルの適切な作動によって実現され得る。次のステップにおいて、センサ表面から離された粒子は、その後粒子１０が表面Ａに再度達するためにちょうど十分な長さだけ、下部コイルを用いて引きつけられる（図３Ｂ参照）。再度、粒子の押しと反発の組み合わせは、上部及び下部磁気コイルの適切な作動によって実現され得る。

図４は例えば心臓トロポニンＩのサンドイッチ免疫測定法において表面損傷を予防するために使用され得る設定の詳細を示す。下部コイル３０は、５００ｍＶのパルスレベル、４Ｈｚの周波数、２５％のデューティサイクル、及び１％のエッジタイムで動作される。もう一方の下部コイル３０'は−５００ｍＶのパルスレベルで同じように動作される。上部コイル２０は、同じ周波数、デューティサイクル、及びエッジタイムを用いて、８００ｍＶのパルスレベルと７５％の位相シフトのみを用いて動作される。当業者に明らかな通り、上述の値は使用される設定（コイル、三次元レイアウトなど）に依存する。言い換えれば、３つの磁気コイルを用いる上記実施形態は本発明にかかる好適な実施形態に過ぎない。しかしながら、一般的な方法は他の磁石構成を持つ他の作動スキームにも同様に適用可能である。

図９は、粒子の運動が測定中に制御される本発明のさらに好適な実施形態をあらわす。図９の略図は、バイオセンサ実験の最後の部分、例えば交互作動（レジームＩ）、磁気洗浄（レジームＩＩ）及び信号検出（レジームＩＩＩ）の最後の部分の間の信号変化を示す。見てわかる通り、信号は交互作動と洗浄ステップ（レジームＩ及びＩＩ）の間に著しく変化する。例えば、この特定の実施例における信号対ノイズ比Ｓ／Ｎ（信号を標準偏差で割ったものと定義される）はＳ／Ｎ＝７７である。洗浄ステップ後、本発明にかかる検出パルスが与えられる、すなわちセンサの検出領域に近づく又は離れる粒子の運動が実質的に回避される。こうした最後のステップの間の検出パルスは安定な信号を確実にし、高いＳ／Ｎをもたらす。例えば図９のレジームＩＩＩにおいてＳ／Ｎ比＝１１４０が示される。こうした検出パルスでは、ノイズが、粒子がないときに観察される機器ノイズに実質的に等しくなるよう、検出ステップ中のノイズが削減され得る。

本発明は図面と前記説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示又は説明であって限定ではないと見なされる。従って本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態への変更は、当業者によって、請求された発明を実施することによって、図面、開示、及び添付の請求項の考察から、理解されもたらされることができる。請求項において、"有する"という語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"ａ"又は"ａｎ"は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが請求項に列挙される複数の項目の機能をも満たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号はその範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. バイオセンサカートリッジ中の磁性物体又は磁化可能物体の運動を制御するための方法であって、
   （ａ）側方にのびるセンサ表面を持つバイオセンサカートリッジと、前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段及び前記センサ表面の上に配置された少なくとも１つの磁場発生手段とを設けるステップと、
   （ｂ）前記発生した磁場が、前記磁性物体又は磁化可能物体を、前記センサ表面に垂直に、前記センサ表面に対して進退させて交互に移動させるように、前記磁場発生手段を交互に作動させるステップであって、前記交互作動のパルス長は、前記側方にのびるセンサ表面に沿った磁性物体又は磁化可能物体の側方運動が回避されるように調節され、前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段が、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面へ近づけるために反対の極性で同時に作動されるか、又は、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面から離すために、前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段が同時にオフにされ、前記センサ表面の上に配置された少なくとも１つの磁場発生手段がオンにされる、ステップと、
   を有する方法。
2. 検出パルスを与えるステップをさらに有し、その間に前記磁性物体又は磁化可能物体の重力方向の運動が回避されるように前記磁場が調節される、請求項１に記載の方法。
3. 前記センサ表面に結合した前記磁性物体又は磁化可能物体が前記検出パルス中に検出される、請求項２に記載の方法。
4. 前記交互作動の周波数が１Ｈｚより大きく１０Ｈｚより低く、又は２Ｈｚより大きく６Ｈｚより低く、又は３乃至５Ｈｚであり、又は４Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
5. 前記交互作動の周期中に、前記センサ表面に位置する磁性物体又は磁化可能物体が、最初に所定の距離だけ前記表面から離れ、その後同じ所定の距離だけ前記表面に近づく、請求項１に記載の方法。
6. 前記交互作動の周期内に、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面へ近づけるための第１のパルス長を持つ磁場を発生させ、
   その後、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面から離すための第２のパルス長を持つ磁場を発生させ、前記第１のパルス長と前記第２のパルス長の間に発生磁場のない時間間隔を発生させる、請求項１に記載の方法。
7. 前記発生磁場強度を持つ前記第１のパルス長と、前記発生磁場強度を持つ前記第２のパルス長が、前記磁性物体又は磁化可能物体が前記センサ表面から離れる運動及び前記センサ表面に近づく運動の位相中に同じ距離だけ移動するように調節される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１及び／又は第２のパルス長が前記周期の少なくとも５％、又は少なくとも２０％、又は２５％、及び又は４０％未満である、請求項６に記載の方法。
9. 前記第１のパルス長と前記第２のパルス長の間の前記時間間隔が、前記周期の３０％より大きく、又は４０％より大きく、又は５０％より大きい、請求項６に記載の方法。
10. バイオセンサシステムであって、
    （ａ）側方にのびるセンサ表面を持つバイオセンサカートリッジと、
    （ｂ）前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段及び前記センサ表面の上に配置された少なくとも１つの磁場発生手段と、
    （ｃ）前記発生した磁場が、磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面に垂直に、前記センサ表面に対して進退させて交互に移動させるように、前記磁場発生手段を交互に作動させるための駆動ユニットであって、前記駆動ユニットは前記センサ表面に沿った前記磁性物体又は磁化可能物体の側方運動を回避する前記交互作動のパルス長を発生させる、駆動ユニットと、
    を有し、
    前記駆動ユニットが、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面に近づけるために、前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段を反対の極性で同時に作動させ、及び／又は、前記磁性物体又は磁化可能物体を前記センサ表面から離すために、前記センサ表面の下に配置された少なくとも２つの磁場発生手段を同時にオフにさせ、前記センサ表面の上に配置された少なくとも１つの磁場発生手段をオンにさせる、
    バイオセンサシステム。
11. 前記バイオセンサカートリッジが取り外し可能に配置される、請求項１０に記載のバイオセンサシステム。

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