(57)【要約】  磁気共鳴測定に基づいてターゲット分析物を検出するシステムおよび方法が提供される。磁気構造は、分析物に匹敵するサイズを有する別個の磁場領域を生成する。分析物が、こうした領域内に制限されると、サンプルからの磁気共鳴信号は、変化し、分析物の検出がもたらされる。
2009524067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析物を検出する方法であって、
ナノ粒子を前記分析物に付着させるステップであって、それにより、ナノ粒子−分析物複合体を形成する、付着させるステップと、
既知の液体内で前記複合体に磁場を印加するステップであって、それにより、前記ナノ粒子を磁化する、印加するステップと、
その後、前記磁場が前記ナノ粒子に力を加えることを可能にし、前記ナノ粒子が、互いに対して磁力を加えることを可能にするステップと、
その後、前記複合体が前記磁力に応答して運動を受けることを可能にするステップと、
前記複合体が相互作用を受けることを可能にするステップであって、前記相互作用は、前記運動によって高められる、受けることを可能にするステップと、
前記複合体と前記既知の液体を含むサンプルから磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記磁気共鳴信号を解析することによって、前記サンプルのＴ２を決定するステップと、
前記決定されたＴ２と所定の値を解析することによって、前記分析物が前記サンプル内に存在するかどうかを判定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記分析物は、分子、分子フラグメント、分子複合体、ウィルス、細胞、および細菌の群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記相互作用は分子結合反応である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記磁場は、前記複合体によって占められる領域内で実質的に均一である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記磁場は、前記複合体によって占められる領域内で実質的に不均一であり、前記磁場は、前記領域内の部分体積内で最も強い請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複合体は、流体媒体内で初期濃度を有し、前記磁場は、前記ナノ粒子と連携して、前記部分体積の方へ移動するように前記複合体を付勢し、それにより、前記複合体が、前記初期濃度より高い濃度を前記部分体積内で有するようにさせ、前記相互作用は、前記複合体の高い濃度のために、前記部分体積内で加速される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ナノ粒子の対は、互いに対して相互磁力を加え、前記相互磁力は、前記複合体が、前記磁場に整列して互いに近づくことを強制し、それにより、反応体が前記磁場に整列して配置される間に、前記相互作用が起こる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記相互作用は、ナノ粒子と分析物を含む生成物を生成し、前記運動は、前記生成物の特定の形態が生成されるようにさせる請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記生成物の前記特定の形態は、長くかつ実質的に線状の鎖である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記相互作用は、ナノ粒子と分析物を含む生成物を生成し、前記運動は、前記生成物の特定の形態の生成を抑制する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記生成物の前記特定の形態は、ナノ粒子と分析物の分散累積を含む凝集体である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記分析物の存在は、前記決定されたＴ２が、前記所定の値より大きいことによって指示される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所定の値は、前記既知の液体と前記ナノ粒子との組合せのＴ２である請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記分析物の存在は、前記決定されたＴ２が、前記所定の値より小さいことによって指示される請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記既知の液体と前記ナノ粒子のＴ２を測定することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｔ２パラメータは、前記相互作用を受ける前と、前記相互作用を受けた後に再び測定され、前記Ｔ２値の比較が得られる請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
Ｔ２の増加は、長い、実質的に線状の鎖構造が形成されたことを指示し、Ｔ２の減少は、分散凝集体が形成されたことを指示する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
サンプル内のＤＮＡを検出する方法であって、
前記ＤＮＡに対して相補的配列を有するＤＮＡプローブにナノ粒子を結合させるステップであって、それにより、ナノ粒子プローブを作成する、結合させるステップと、
流体内で、前記サンプルを前記ナノ粒子プローブと混合するステップであって、それにより、流体サンプルを形成し、前記ナノ粒子プローブと前記ＤＮＡとの結合を促進させる、混合するステップと、
前記流体サンプルの磁気共鳴パラメータＴ２を測定するステップと、
前記流体サンプルに実質的に不均一な磁場を印加するステップであって、それにより、前記ナノ粒子を磁化する、印加するステップと、
前記磁場が最も強い、前記流体サンプルの部分体積内に前記ナノ粒子を引き寄せる（ｄｒａｗ）ステップと、
前記部分体積内で、ナノ粒子プローブとＤＮＡの鎖に似た構造を形成するステップと、
前記流体サンプルを再混合するステップと、
前記流体サンプルの磁気共鳴パラメータＴ２を測定するステップと、
前記Ｔ２測定値を比較することによって、前記ＤＮＡが存在するかどうかを判定するステップとを含む方法。
【請求項１９】
サンプル内のＤＮＡを検出する方法であって、
前記ＤＮＡに対して相補的配列を有するＤＮＡプローブにナノ粒子を結合させるステップであって、それにより、ナノ粒子プローブを作成する、結合させるステップと、
流体内で、前記サンプルを前記ナノ粒子プローブと混合するステップであって、それにより、流体サンプルを形成し、前記ナノ粒子プローブと前記ＤＮＡとの結合を促進させる、混合するステップと、
前記流体サンプルの磁気共鳴パラメータＴ２を測定するステップと、
前記流体サンプルに実質的に均一な磁場を印加するステップであって、それにより、前記ナノ粒子を磁化する、印加するステップと、
ナノ粒子プローブとＤＮＡの鎖に似た構造を形成するステップと、
前記流体サンプルの磁気共鳴パラメータＴ２を測定するステップと、
前記Ｔ２測定値を比較することによって、前記ＤＮＡが存在するかどうかを判定するステップとを含む方法。
【請求項２０】
分析物を検出する方法であって、
分析物を常磁性ナノ粒子に結合させるステップであって、それにより、ナノ粒子−分析物複合体を形成する、結合させるステップと、
不均一磁場中で、既知の液体内に前記複合体を設置するステップであって、それにより、最も強い磁場を有する前記不均一磁場の領域内に前記複合体を濃縮させるステップとを含み、
前記複合体を濃縮させることは、前記複合体が互いに結合するプロセスを高め、
前記複合体と前記既知の液体を含むサンプルから磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記磁気共鳴信号の１つまたは複数を解析することによって、前記分析物が、前記サンプル内に存在するかどうかを判定するステップとを含む方法。
【請求項２１】
分析物を検出する方法であって、
分析物を常磁性ナノ粒子に結合させるステップであって、それにより、ナノ粒子−分析物複合体を形成する、結合させるステップと、
均一磁場中で、既知の液体内に前記複合体を設置するステップであって、それにより、前記ナノ粒子を磁化し、前記ナノ粒子間にダイポール−ダイポール力を生成する、設置するステップとを含み、
前記力は、前記複合体が互いに結合するプロセスを高め、
前記複合体と前記既知の液体を含むサンプルから磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記磁気共鳴信号の１つまたは複数を解析することによって、前記分析物が、前記サンプル内に存在するかどうかを判定するステップとを含む方法。
【請求項２２】
可搬型磁気共鳴システムであって、
上部永久磁石と下部永久磁石を有する磁石システムであって、前記上部永久磁石と前記下部永久磁石との間に位置するサンプル・エリア内で磁場を発生する、磁石システムと、
選択された周波数で電磁パルスを生成するように構成されたパルス発生器と、
前記パルス発生器に結合されており、前記パルス発生器によって発生された前記電磁パルスを前記サンプル・エリアに送信し、前記サンプル・エリアからの応答磁気共鳴信号を受信するように構成されたコイルと、
前記コイルから前記磁気共鳴信号を受信するようにコイルに結合されており、前記磁気共鳴信号をデジタル形態に変換するように構成された受信機と、
前記パルス発生器と前記受信機につながっており、前記パルス発生器の動作を制御して、前記パルス発生器が、選択された周波数で電磁パルスを生成するようにさせるように構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記磁場の存在下で前記コイルによって前記サンプル・エリアに送信される前記電磁パルスによって生じる前記磁気共鳴信号の前記デジタル形態を前記受信機から受信し、前記磁気共鳴信号の前記デジタル形態を解析するようにさらに構成されるシステム。
【請求項２３】
サンプルによって占められるエリア内で不均一磁場を発生する濃縮化用磁石システムをさらに備える請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記均一磁石システム内に設置された常磁性体間でダイポール−ダイポール力を発生する均一磁石システムをさらに備える請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
サンプル材料を収集するためのコンセントレータを有するサンプル・コレクタと、
前記コンセントレータからサンプル材料を受け取り、サンプル材料を液体と混合するように構成されたミキサと、
前記ミキサに連通し、前記サンプル・エリア内に延在して、前記液体と混合された前記サンプル材料を前記サンプル・エリアまで搬送する流体搬送システムとをさらに備える請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
磁気共鳴システムであって、
サンプルによって占められるエリア内で不均一磁場を発生する濃縮化用磁石システムと、
サンプル・エリアを有する磁気共鳴測定デバイスと、
サンプル容器、および、液体サンプルを前記濃縮化用磁石システムと前記サンプル・エリアに搬送するデリバリ・システムとを有する流体サンプル・デリバリ・システムを備えるシステム。
【請求項２７】
サンプルによって占められるエリア内で磁場を発生させて、システム内に設置された常磁性体を磁化し、また、これらの常磁性体の間でダイポール−ダイポール力を発生させる磁石システムと、
サンプル・エリアを有する磁気共鳴測定デバイスと、
サンプル容器、および、液体サンプルを前記濃縮化用磁石システムと前記サンプル・エリアに搬送するデリバリ・システムを有する流体サンプル・デリバリ・システムとを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、共に参照により組み込まれる、２００６年１月１９日に出願され、「ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＮＡＮＯＰＡＲＴＩＣＬＥ  ＲＥＡＣＴＩＯＮＳ」という名称の米国仮出願第６０／７５９，７８８号、および、２００６年３月２７日に出願され、「ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＲＥＡＧＥＮＴＳ」という名称の米国仮出願第６０／７８６，０３３号の利益を主張する。
【０００２】
政府の利権
本発明は、以下の契約、すなわち、海軍航空戦センター（Ｎａｖａｌ  Ａｉｒ  Ｗａｒｆａｒｅ  Ｃｅｎｔｅｒ）ｎ６８３３５−０２−ｃ−３１２０、国土安全保障省（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈｏｍｅｌａｎｄ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ）契約ＮＢＣＨＣ０６００１７、およびＨＳＨＱＰＡ−０５−９−００３９のうちの１つまたは複数の契約の下で米国の政府支援によって行われた。米国政府は、本発明における一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、一般に、分析物検出の分野に関し、さらに、磁気共鳴を使用して分析物を検出することに関する。
【背景技術】
【０００４】
特異的な分析物についての検出技術は、液体およびガス・クロマトグラフィ（ＬＣおよびＧＣ）、質量分析（ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）（ＭＳ）、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ポリメラーゼ・チェイン反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  ｃｈａｉｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）（ＰＣＲ）、光分光および蛍光（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ）、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光、およびイオン移動度計（ｉｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）を含む、広い範囲の実験室機器および技法に及ぶ。しかし、今日の化学分析機器は、大型でかつ費用がかかり、熟練したオペレータを必要とし、複雑なサンプル調製を含み、分析にかなりの時間量を必要とする。
【０００５】
特異的な化学物質および微生物の改善された検出についての重大な必要性が世界的に存在する。例えば、国家安全保障（ｎａｔｉｏｎａｌ  ｓｅｃｕｒｉｔｙ）のエリアでは、テロリスト攻撃の場合に、早期警報を提供するために、生物学的作用物質（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｇｅｎｔ）、毒素、および化学兵器を検出するシステムが必要とされる。こうした検出能力はまた、こうした兵器が開発中であるか、または、生産中である秘密の（ｃｌａｎｄｅｓｔｉｎｅ）サイトがあるかを探索するのに使用されることができ、したがって、兵器の使用を防止する行動が可能になる。テロリスト攻撃を検出するために、郵便物および小包をスキャンするシステムも必要とされる。
【０００６】
改善された病原菌検出もまた、医療科学のために必要とされる。鳥インフルエンザ、牛海綿状脳症（より一般的に「狂牛病（ｍａｄ−ｃｏｗ  ｄｉｓｅａｓｅ）」と呼ばれる）、または、重症急性呼吸器症候群（ｓｅｖｅｒｅ  ａｃｕｔｅ  ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｓｙｎｄｒｏｍｅ）（ＳＡＲＳ）に関連するＤＮＡまたはたんぱく質の高感度な検出は、介入が、パンデミック（ｐａｎｄｅｍｉｃ）を回避することを可能にすることになる。こうしたシステムの幅広い臨床使用は、通常の疾病または重篤な病気を識別するのに助けとなることになり、医師の診断を大いに支援する。
【０００７】
種々の化学物質の検出はまた、毒性産業用化学物質（ｔｏｘｉｃ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）（ＴＩＣ）および毒性産業用材料（ｔｏｘｉｃ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（ＴＩＭ）を検出するための産業用途にも必要とされる。こうしたシステムは、漏れ検出、プロセス制御、材料劣化の検出、濃度の制御、広範囲の産業における他のプロセス用途のホストを可能にするであろう。
【０００８】
改善された検出は、農業生産および食品生産ならびに食物の汚染、損傷、または中毒を検出する手段においても必要とされる。食物は、例えば、飲料水およびフルーツジュースなどのアイテムを含む。例えば、調査サイトにおいて特異的なＤＮＡ配列がサンプル内にあるかを探索することを含む、フォレンシック試験（ｆｏｒｅｎｓｉｃ  ｔｅｓｔｉｎｇ）における必要性も存在する。
【０００９】
以前にＭＲＩ造影剤として使用されたナノメートル・スケールの常磁性粒子（ナノ粒子）を含む磁気共鳴検出技法は、開発中である。粒子は、病原菌、腫瘍細胞などのようなターゲット細胞に対する結合を促進するために、反応性分子で修飾される非磁性材料のシェルで被覆された、常磁性または超常磁性（一般に、共に、本明細書で常磁性と呼ばれる）材料のコアを備える。ナノ粒子は、ＭＲＩ解析の前に、患者に注入される。ナノ粒子は、ターゲット細胞に結合し、ＭＲＩ像特性の局所変化をもたらし、ターゲット細胞の検出または位置特定を可能にする。
【００１０】
ナノ粒子はまた、インビトロで使用されてきた。液体媒体内で溶解されるか、または、懸濁されて、ナノ粒子は、媒体内でターゲット細胞または分子に結合する。ナノ粒子および分析物は、数十〜数千のナノ粒子を組み込む凝集体を形成する場合がある。こうした凝集体は、光散乱、原子間力顕微鏡、電子顕微鏡によって、場合によっては、ＮＭＲ作用によって検出可能である。例えば、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ等に対する米国特許第５，２５４，４６０号を参照されたい。
【００１１】
ターゲット特異的な反応体（ｔａｒｇｅｔ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅａｃｔａｎｔ）は、分析物特異的な選択性を提供するために、ナノ粒子上に搭載されることができる。欠点は、複数のナノ粒子と複数のターゲット細胞または分子を含む凝集体を形成する必要があることであり、その理由は、各ナノ粒子が複数の分析物に結合し、各分析物が複数のナノ粒子に結合するときだけに凝集体が生じるからである。凝集は、ナノ粒子間のサイズの変動などの幾何学的作用によって抑制される可能性がある。凝集が形成するのにかなりの時間が必要とされる場合がある。
【００１２】
凝集に関する従来の研究は、ベンチトップ緩和計（ｂｅｎｃｈｔｏｐ  ｒｅｌａｘｏｍｅｔｅｒ）および高磁場ＭＲ機器に関して行われた。手作業によるサンプルの調製およびＮＭＲ管内への挿入は、面倒である可能性がある。ナノ粒子に対する分析物の結合などの重要なイベントが、抜ける場合がある。測定を高速化するために、コンパクトでかつ自動化された機器が必要とされる。同様に、基本物理学および生物化学の観点から測定において見られる変化を記述する現象を理解することが重要である。
【００１３】
初期の研究は、物理学の観点からＴ２作用の変化をモデル化していない。Ｔ２の変化に関する現象を確立する光学手段（顕微鏡）によって、単純な凝集作用が観測された。さらに、初期の研究は、特異的なＮＭＲ生成物をもたらす種々の用途に測定パラメータを適合させるために、ナノ粒子の化学量論的制御（ｓｔｏｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ）を利用していない。
【００１４】
初期の研究は、純粋であり、かつ、ダスト、酸などのような干渉を受けないサンプルを使用した。さらに、クラッタおよび近傍分子による干渉がまったくないことと組合せた高速測定、システム全体のコスト、偽警報の低いこと、および高い検出確率についての要件が存在しなかった。検出されるべき分析物濃度の規定された範囲も存在しなかった。
【００１５】
初期の研究は、より強い磁化および感度の改善をもたらす、鉄、コバルト、およびニッケルの化合物などの改善された常磁性材料の使用を考慮しなかった。
【００１６】
初期の研究は、ナノ粒子間の、または、ナノ粒子に付着された分子間の相互作用に影響を及ぼすための、磁場の使用を考慮しなかった。ナノ粒子および分析物を含む構造の形成または幾何学的構成を制御するための磁場の使用は、考慮されなかった。選択された相互作用を加速するための、反応体を濃縮させるための磁場の使用は、以前は考慮されなかった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
磁気共鳴測定に基づいてターゲット分析物を検出することができるシステムおよび方法が提供される。一態様では、分析物は、磁気共鳴ナノスイッチの形態の特異的なナノ粒子を使用して検出される。ナノ粒子と分析物との反応は、磁場の印加によって制御される。
【００１８】
一態様では、分析物を検出するシステムおよび方法は、ナノ粒子を分析物に付着させることであって、それにより、ナノ粒子−分析物複合体を形成する、付着させることを含む。磁場が、既知の液体内で複合体に印加され、それにより、ナノ粒子が磁化される。磁場は、ナノ粒子に力を加え、ナノ粒子は、互いに対して磁力を加える。複合体は、磁力に応答して運動を受ける。複合体は、相互作用を受け、その相互作用は、運動によって高められる。磁気共鳴信号は、複合体と既知の液体を含むサンプルから励起される。サンプルのＴ２などの磁気共鳴パラメータは、磁気共鳴信号から決定される。その後、システムは、決定されたパラメータと所定の値を解析することによって、分析物がサンプル内に存在するかどうかを判定する。
【００１９】
本発明の一態様では、システムおよび方法は、近傍干渉（ｎｅａｒ−ｎｅｉｇｈｂｏｒ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）、汚れ、クラッタ、カビの胞子などの生物学的干渉物質、スキム・ミルクおよびオヴァルブミンなどのたんぱく質干渉物質、（キレート鉄を含有する）ヘモグロビンおよびフミン酸などの常磁性干渉物質、いわゆる、アリゾナダスト、ディーゼル・スート（ｄｉｅｓｅｌ  ｓｏｏｔ）などのような環境干渉物質にもかかわらず、非常に高い特異性を持ってターゲット分析物を検出する。
【００２０】
本発明の一態様は、液体媒体内の分析物を検出するシステムおよび方法を含む。別の態様では、分析物は、エーロゾール、ヒドロゾルとして、また、食物などの複合媒体で導入されてもよい。
【００２１】
システムは、液体から共鳴信号を検出する磁気共鳴システムと、その液体を通過する磁場と、磁場が特定の値または勾配などの別個の特性を有する液体内の領域とを含む。その領域内の液体は、磁場特性に依存する磁気共鳴信号を生成し、その領域の外の液体もまた、拡散によって、領域によって影響を受ける場合がある。分析物について特定の親和性を有する材料は、領域に隣接する。分析物は、親和性材料に結合するか、または、親和性材料によって保持され、液体をその領域から追い出し、したがって、磁気共鳴信号が変化し、分析物が暴露される。
【００２２】
分析物を検出するシステムは、液体媒体内に分析物を含有するサンプルと、液体内で第１磁場を発生する手段と、液体内の特別な領域内で第２磁場を発生する手段と、特別な領域内に分析物を保持する手段と、液体内の磁気共鳴信号を測定することが可能な磁気共鳴機器と、これらの信号を解析して、液体が特別な領域を占めているかどうかを判定する手段とを備える。第２磁場は、第１磁場とまったく異なる。特別な領域内に存在する液体からの磁気共鳴信号は、第２磁場に応答し、第２磁場は、特別な領域に対して外に位置する液体の信号と検出可能に異なる磁気共鳴信号を生じる。さらに、液体は、特別な領域を通過し、その後、液体の残りの部分に戻り、それにより、残りの液体の磁気共鳴信号に影響を及ぼす。さらに、特別な領域内の液体は、例えば、脱偏極されることによって第２磁場に応答し、その後、スピン拡散によって液体の残りの部分に対してその、脱偏極を伝える。存在すると、分析物は、特別な領域から液体を追い出す。そのため、液体が特別な領域を占めることを、信号が示す場合、分析物は、存在しないはずである。液体が特別な領域から追い出されたことを、信号が示す場合、分析物は、存在するはずであり、こうして、分析物が検出される。
【００２３】
分析物は、任意の分子、分子複合体、微生物、化学物質、または、液体媒体内に含有されることができ、そうして含有されると液体を追い出す、材料であることができる。分析物の例は、たんぱく質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、あるいはそれらのフラグメントまたは複合体などの生体分子、酵素、低分子（ｓｍａｌｌ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ）、有機体、全または分裂ウィルスまたは細菌などの微生物、人を含む他の種からの全または分裂細胞、化学兵器分子、爆薬、殺虫剤、薬、および産業用化学物質などの非生物学的化学物質を含む。
【００２４】
一実施形態では、液体は分析物を含有する。ここで、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」は、分析物が、溶解するか、懸濁するか、乳化するか、あるいは、その他の方法で液体内に完全に入れられるかまたは分散されることを意味する。同様に、分析物が液体を押し出すことは、分析物の分子が、液体内の分子と空間を共有することができないことを意味する。
【００２５】
液体は、非ゼロ・スピンを有する核を含む任意の流体材料であることができる。非ゼロ・スピンを有する核だけが、ＮＭＲ現象を生じる。水分子内の水素などの、液体を構成する分子が、非ゼロ・スピンを有する核を含むとき、液体はこうした核を含む。あるいは、液体は、１９Ｆラーモア周波数（ｌａｍｏｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で磁気共鳴信号を発生するフッ化物添加溶質などの、溶質または懸濁液のような核を含んでもよい。
【００２６】
さらなる態様では、システムは、液体を通過する第１磁場を含む。第１磁場は、電磁石、永久磁石、超伝導コイル、または任意の他の供給源によって生成されてもよい。通常、第１磁場は、０．０１テスラ〜２０テスラの範囲にあることができる静的でかつ実質的に均一な磁場であり、磁気共鳴システムの一部である。
【００２７】
第２磁場は、サンプルの特別な領域で発生される。第２磁場は、磁気共鳴を使用して検出可能なあるパラメータが、第１磁場とまったく異なる。例えば、第２磁場は、大きさ、配向、均一性、勾配、または任意の他の検出可能なパラメータにおいて第１磁場と異なってもよい。第２磁場発生器すなわち第２磁場を発生する手段は、液体内で懸濁され、第１磁場すなわち印加磁場内に浸されることができるナノ粒子であってよい。一実施形態では、ナノ粒子は、磁化し、ダイポール形状磁場を生成し、ダイポール形状磁場は、印加磁場にベクトル的に加わり、正味の磁場を生成する。特別な領域は、別個の磁場によって占められる体積である。別個の磁場が、ナノ粒子によってもたらされるとき、特別な領域は、ナノ粒子の表面に隣接するが、表面の外のナノメートル・スケール体積であり、その体積内では、正味の磁場は、印加された磁場と実質的に異なる。あるいは、特別な磁場領域は、ナノ粒子ではなく、キレート鉄またはガドリニウムなどの常磁性鉄によって生成されることができる。この手法の利点は、金属−イオン・キレートの移動度が高いため、拡散制限された反応速度が増加する可能性があることである。同様なイオン（Ｇｄ−ＤＴＰＡおよびＧｄ−ＤＯＴＡ）は、ＭＲＩで使用される。
【００２８】
あるいは、特別な磁場領域は、分析物が存在するか、存在しないときに、磁気共鳴信号が検出可能に異なる限り、ナノメートル・スケールより大きいサイズを有する粒子または構造によって生成される。例えば、成形された磁気構造は、２つの領域で磁場の２つの特定の値を提供し、分析物結合分子（ａｎａｌｙｔｅ  ｂｉｎｄｉｎｇ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ）は、磁場領域の一方にだけ結合することができる。その後、検出測定は、複合磁気共鳴信号のスペクトル解析であり、スペクトル解析は、分析物が存在しないときに、２つの磁場領域に相当する２つの周波数ピークを、分析物が磁場領域の一方を曖昧にするときに、単一ピークだけを示すことになる。
【００２９】
一態様では、分析物とナノ粒子との結合を加速するために、温度サイクルが使用される。これは、分析物および／またはナノ粒子の移動度を増加させることによって、結合イベント時間を短縮する。エネルギー障壁が結合を抑制するとき、より高い温度が、結合速度を改善する。温度サイクルは、加熱と冷却またはその逆を含んでもよい。その後、サンプルは、磁気共鳴機器内で測定される。
【００３０】
一態様では、システムは、分析物を特別な領域内に保持して、特別な領域から液体を追い出し、分析物の検出をもたらすメカニズムまたは結合作用物質を含む。こうした結合作用物質は、分析物がそれについて親和性を有する任意の材料表面または分子を含むことができる。こうした保持は、水素結合、イオン力、共有結合、硫化物ブリッジ、ファンデルワールス力、静電力、あるいは、任意の他のタイプの分子または材料付着または親和性リガンドによって達成されてもよい。結合作用物質は、成形された磁場領域に隣接して配置されるため、ターゲット分子は、結合すると、その領域を占め、その領域から液体を追い出す。例えば、結合作用物質は、分析物たんぱく質に対して得られた（ｒａｉｓｅｄ）抗体または分析物ＤＮＡ配列に相補的なＤＮＡであってよい。好ましくは、結合作用物質はまた、存在する可能性がある分析物以外のすべての溶質について、ヌル親和性または負の親和性を有する。ＤＮＡに加えて、アプタマー（ａｐｔａｍｅｒ）、低分子などのような他の保持手段が使用されることができる。ターゲットは、
ａ．抗原を認識し、抗原に結合する抗体、
ｂ．ＤＮＡターゲットまたはＲＮＡターゲットに相補的なオリゴヌクレオチドまたはＤＮＡ配列、
ｃ．ターゲットたんぱく質、細菌、ウィルス、酵母菌、または真菌に結合するＤＮＡアプタマーまたはＲＮＡアプタマー、
ｄ．ターゲットたんぱく質、細菌、ウィルス、酵母菌、または真菌に結合するたんぱく質またはペプチド、
ｅ．ターゲットに対する強い結合度（ｂｉｎｄｉｎｇ）と、よりよい環境安定性を有する不自然アミノ酸からなる擬似ペプチド、
ｆ．ターゲットに結合することができる低分子または低分子の組合せ、
ｇ．ターゲットたんぱく質、細菌、ウィルス、酵母菌、または真菌に結合することができる単糖類、多糖類、炭化水素、および砂糖
を含むが、それに限定されない。
【００３１】
さらなる態様は、液体媒体から磁気共鳴信号を励起し、検出することが可能な磁気共鳴機器を含む。既存の磁気共鳴システムが、この機能を実施してもよい。より好ましくは、機器は、検出測定を自動的に実施することができる、簡易的でコンパクトで自動化された単一目的の磁気共鳴システムである。システムは、特別な領域内の第２磁場によって影響を受けた、液体の存在または存在しないことに関する信号を測定する。例えば、特別な領域の磁場の大きさが、液体の残りの部分の磁場の大きさと異なるとき、磁気共鳴システムは、磁気共鳴信号のスペクトル内容を測定して、信号がそこから放出される磁場を判定することができる。そのため、特別な領域内の液体のラーモア周波数について解析することによって、システムは、液体がその領域を占めているかどうかを判定する。
【００３２】
代替の測定は、液体のスピン−スピン・ディフェージング時間（ｄｅｐｈａｓｉｎｇ  ｔｉｍｅ）（Ｔ２）である。Ｔ２は、特別の領域の磁場が強い勾配を有するときに、特に、液体が、測定に比較して短い時間で、勾配磁場を通して拡散するときに影響を受ける。そのため、システムは、特別な領域で、脱偏極が起こるかどうかを判定するために、液体のＴ２を測定することによって、分析物の存在を判定することができる。
【００３３】
一態様では、コンパクトな磁気共鳴システムは、Ｔ２の正か負のいずれかの変化を測定することができる。凝集は、分子の大きな超分子集合体の形成としてジョセフソン特許に記載される。凝集の場合、すべての測定は、負のＴ２変化を示す。同様に、ジョセフソンにおいて「正の１／Ｔ２（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  １／Ｔ２）」として規定されるパラメータは、Ｔ２の負の変化を表す。凝集は、数個の分子が互いに付着し、水のＴ２を変化させるのに十分に大きな集合体を形成するプロセスとしてジョセフソンによって記載される。一実施形態では、本発明のシステムは、凝集の前に正と負のＴ２変化をもたらす分析物結合イベントによるＴ２変化を測定する。
【００３４】
さらなる態様では、システムは、ナノ粒子と分析物に関わる相互作用を制御するための磁場を含む。分析物は、ナノ粒子に結合し、ナノ粒子−分析物２成分（ｂｉｎａｒｙ）を生成する。磁場が２成分に印加される。磁場は、ナノ粒子を磁化し、磁化方向は、磁場方向に実質的に平行である。磁化されたナノ粒子は、ダイポール−ダイポール力と呼ぶ磁力を互いに対して加える。力は、ナノ粒子の相対位置と磁場方向に応じて、相互に、求引性であるか、反発性であるか、または、ねじれ性であることができる。２つのナノ粒子間のラインが磁場方向に平行であると、相互磁力は求引性である。２つのナノ粒子間のラインが磁場方向に垂直であると、力は反発性である。すべての他の配向において、ナノ粒子は、互いに対して相互ねじれ力を加え、ねじれ力は、ナノ粒子を磁場に平行に整列するようにさせるようなものである。
【００３５】
一態様では、磁場は、サンプル体積にわたって実質的に均一である。磁場は、ナノ粒子間の誘起されたダイポール−ダイポール力によって、ナノ粒子−分析物２成分を磁場に整列するように付勢する。ナノ粒子または分析物は、整列すると相互作用し、例えば、線状鎖に似た構造を生成する。力はまた、ナノ粒子を垂直配向から離れるようにさせる。ナノ粒子間のラインが磁場に垂直であるとき、ナノ粒子は、垂直配向である。そのため、ナノ粒子間の力が、垂直方向の相互作用を抑制し、３次元的な凝集構造の抑制をもたらす。
【００３６】
一態様では、磁場は、サンプル体積にわたって実質的に不均一である。不均一磁場の強度または大きさは、サンプル体積にわたって変わる。好ましくは、磁場は、サンプル体積の小さな部分体積において最大強度を有する。磁場は、ナノ粒子間の相互ダイポール−ダイポール力に加えて、ナノ粒子に対する力を発生し、付加的な力は、磁場の大きさが最も高い領域に向かってナノ粒子を引っ張るようなものである。その力に応じて、ナノ粒子または２成分は、部分体積の方にドリフトし、それにより、その部分体積におけるナノ粒子または２成分の濃度が大きく増し、サンプル体積の残りの部分の濃度が大きく減る。多くの化学的相互作用が、反応体の濃度に依存した反応速度を示すため、ナノ粒子間、分析物間、または、２成分間の相互作用が、部分体積内で加速され、サンプル体積内の残りの部分で抑制される可能性がある。
【００３７】
一態様では、コンパクトな磁気共鳴システムは、分析物−ナノ粒子結合の前に、ナノ粒子またはナノ粒子溶液を使用して、Ｔ２の基線値を測定する。分析物は、その後、ナノ粒子と混合されるか、または、ナノ粒子と相互作用するようにされ、その後、サンプルのＴ２は、Ｔ２の変化が起こったかどうかを判定するために、再び測定される。基線測定は、ナノ粒子の正確な濃度と一貫した化学量論を保証する。基線測定とＴ２測定の比較は、調量および混合誤差、ナノ粒子特性の変動、流体搬送誤差などの相殺を可能にする。
【００３８】
一実施形態では、本発明のシステムは、単一時刻にサンプルからの磁気共鳴信号を測定することによって、分析物を検出することができる。あるいは、システムは、ある期間に及ぶ一連の測定を実施することができ、測定値を比較するか、または、解析して、分析物の検出を改善することができる。例えば、分析物とナノ粒子との結合は、特定の測定について必要とされる時間より長い間隔の間に進んでもよい。その後、システムは、測定を繰り返し実施して、結合によって生じる変化を観測することができる。別の例として、分析物は、ナノ粒子に最初に結合して、２成分を形成し、Ｔ２の正のシフトを生じてもよい。その後、２成分は、結合して、凝集体を形成し、Ｔ２の負のシフトを生じてもよい。こうしたデータは、偽警報率を低減し、より低い検出閾値を提供し、所与の量の分析物についての検出確率を高めることによって、結果の品質を大幅に高める可能性がある。
【００３９】
一態様では、システムは、同じサンプルに関する繰り返された測定から、反応速度または反応速度論（ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ）に関するパラメータを導出することができる。例えば、測定パラメータの変化速度は、分析物とナノ粒子との間の結合または他の相互作用の速度を指示してもよい。測定パラメータの正味の変化は、ナノ粒子に結合した分析物の総量などの累積された反応パラメータを指示してもよい。その後、これらの結果を使用して、初期の指示を確認するか、または、明確にするためのさらなる測定が導かれることができる。例えば、サンプルが、混合直後に、小さいが疑わしいＴ２変化を示す場合、システムは、ある期間にわたるＴ２の変化速度を決定するために、一連の試験を始動することができる。その後、分析物が存在することを、その後の結果が確認する場合、警報が発せされることができる。後続の測定が、分析物をまったく指示しない場合、初期の疑いが明確にされ、それにより、偽警報が避けられる。速度−大きさ解析（ｒａｔｅ−ｍａｇｎｉｔｕｄｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）と組合せた、暫定再スキャン・プロトコル（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ  ｒｅ−ｓｃａｎ  ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を使用して、システムは、信頼性と閾値感度の両方を高める。
【００４０】
実験結果および理論的モデリングに基づいて、正のＴ２変化は、ナノ粒子に結合することによって、分析物が水分子を押し出すことによっており、負のＴ２変化は、複数のナノ粒子によって形成されたかご構造内での、水分子の繰り返しのディフェージングによる。さらに、正または負のＴ２変化は、処理および化学量論によって促進される可能性がある。例えば、ナノ粒子と試薬の比は、負または正のＴ２変化を提供するように調整されることができる。
【００４１】
状況によっては、サンプル溶液内に干渉物質が存在しても、分析物を検出するために、負と正の両方のＴ２作用を測定することが重要である可能性がある。例えば、キレート鉄を有するフミン酸などの、常磁性イオンで汚染された試験サンプルは、混合物のＴ２の減少をもたらす。サンプルが、フミン酸と混合された分析物を含有する場合、分析物は、以下のように、干渉物質があっても検出されることができる。最初に、ナノ粒子を混合する前に、サンプルを測定して、１回目のＴ２測定値を生成する。次に、ナノ粒子を溶液内に混合し、２回目のＴ２測定を実施し、分析物が、ナノ粒子と相互作用する時間を持つ前に、その測定を終了する。その後、分析物がナノ粒子と相互作用することを可能にし、次に、３回目のＴ２を測定する。最初の測定は、結果得られるＴ２作用が反映されるように、フミン酸干渉物の存在を暴露する。２回目のＴ２測定は、１回目の値と比較して、ナノ粒子濃度および他の混合パラメータが正しいというチェックを提供する。３回目の測定は、２回目の測定に対するＴ２の変化として分析物を暴露し、その変化は、分析物−ナノ粒子相互作用によっている。
【００４２】
あるいは、状況によっては、別々の基線測定が行われることができないか、または、分析物がナノ粒子といつ相互作用するかがわからない場合がある。しかし、フミン酸を含む多くの干渉物は、Ｔ２の負のシフトをもたらす。その場合、ナノ粒子は、分析物に結合することによって、正のＴ２シフトを生成するように混合されることができる。正のＴ２シフトが、干渉物による負のシフトより大きいとき、分析物が検出される。
【００４３】
一態様では、本発明は、複数の、異なるが特異的な分析物のどれをも検出するナノ粒子多重化混合物を含む。「ナノ粒子多重化混合物（ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｍｉｘｔｕｒｅ）」は、複数の分析物に対して鋭敏化された（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ）ナノ粒子調製物である。２つの多重化シナリオが存在する。第１のシナリオでは、混合物内のそれぞれのナノ粒子は、単一の分析物に対して鋭敏化される。異なる分析物に対して鋭敏化されたナノ粒子が、その後、溶液内で一緒に混合される。第２のシナリオでは、それぞれのナノ粒子は、複数の分析物に対して鋭敏化される。
【００４４】
一実施形態では、自動化された空気監視システムは、空気と共に空中浮遊サンプルを入れる吸入口と、サンプル物質を集め、サンプル物質を濃縮して、未処理サンプルと呼ぶ液体形態にするコレクタと、流体システム（ｆｌｕｉｄｉｃｓ  ｓｙｓｔｅｍ）とを含む。流体システムは、例えば、容器内に未処理サンプルを保持し、例えば、出口管を介して、蠕動ポンプなどのポンプを使用して、未処理サンプルの一貫した調量を行う。調量されたサンプルは、例えば、ポンプによって出口を介してリザーバから取り出された水内にあってよい選択されたナノ粒子と混合される。分析物−ナノ粒子反応が起こるとすぐに、流体システムは、例えば、ポンプによって駆動される管によって、測定用の磁気共鳴システムのサンプル・エリア内にサンプルを移動させる。あるいは、サンプルの混合および処理は、磁気共鳴システム内で起こってよい。流体システムは、細胞溶解手段を含んでもよく、細胞溶解手段では、流体システムは、サンプル内の細胞またはウィルスを溶解するか、または、分裂させて、ターゲット細胞のたんぱく質、ＲＮＡ、またはＤＮＡを放出させてもよい。流体システムはまた、結合イベントを高速化するために内蔵された温度コントロールを有してもよい。流体システムはまた、汚染をなくすための全体システム清浄溶媒を有してもよい。清浄溶媒またはすすぎ剤は、リザーバから取り出され、サンプルをサンプル・エリアに送出する（ｄｅｌｉｖｅｒ）管を通して圧送されることができる。流体システムはまた、全体システムが機能していることを保証するための正と負のコントロール試験を可能にし、また、較正標準を使用して較正試験を実施する。
【００４５】
一実施形態では、別個の磁場領域を生成し、分析物に結合させるために、ナノ粒子の代わりに、キレートが使用される。キレート鉄を使用する利点は、キレート鉄が、液体媒体を通して高速な拡散を可能にして、拡散制限されたプロセスを高速化することである。一方、ナノ粒子によって、所望の分析物を選択するための親和性分子が調節されることができ、他方、キレートは、特異的な分子形態で起こるだけである。ナノ粒子は、キレートと比較して、親和性分子に付着するより大きな面積を有する。代替法として、ナノ粒子は、分析物、爆発物、および化学物質に結合するためにキレートで修飾される（ｄｅｃｏｒａｔｅ）ことができる。
【００４６】
一態様では、常磁性コアか、キレートか、または他の磁気構造によって生成される第２磁場領域は、分析物のサイズに匹敵するサイズを有するため、結合した分析物は、ちょうど第２磁場領域を満たし、その領域から液体を排除し、したがって、最も高い信号と最も高い感度を提供する。例えば、分析物が、爆発物蒸気分子または化学兵器分子などの比較的小さい分子であるとき、第２磁場領域のサイズは、好ましくは、１〜１０ｎｍの範囲になるように選択される。毒素か、ＤＮＡか、ウィルス粒子などの大きな分析物を検出するために、第２磁場領域のサイズは、１０〜１００ｎｍになるであろう。分析物が、細菌などのさらに大きな対象物であると、第２磁場領域のサイズは、分析物に一致するように、必要に応じて、１００ｎｍから１０００ｎｍ以上であってよい。
【００４７】
ナノ粒子は、光学シグネチャを提供する構造を含んでもよい。例えば、蛍光染料または中心が、ナノ粒子に付着されるか、または、ナノ粒子内に含まれてもよく、また、蛍光を励起するのに十分なエネルギーの光子に暴露され、励起光子と異なり、通常、励起光子より低いエネルギーを有する蛍光光子の放出をもたらす。励起光子または蛍光光子は、紫外、可視、または赤外範囲にあってよい。蛍光光子の検出は、ナノ粒子濃度の尺度を提供する。さらに、構造は、分析物がナノ粒子に結合するときに修飾されてもよく、また、こうしたアクションは、蛍光光子の強度またはエネルギーの変化などの蛍光の検出可能な変化をもたらす場合がある。この変化の検出は、磁気共鳴測定と無関係に、分析物結合が起こり、したがって、分析物がサンプル内に存在するという指示を提供するであろう。
【００４８】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面から明らかであろう。
【００４９】
本発明の詳細（機器と動作の両方について）は、同様の参照符号が同様の部分を参照する添付図面の調査によって、ある程度集められてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
この説明を読んだ後、本発明を種々の代替の実施形態および代替の用途で実施する方法が、当業者に明らかになるであろう。しかし、本発明の種々の実施形態が本明細書で述べられるが、これらの実施形態は、制限としてではなく、例としてだけ提示される。したがって、種々の代替の実施形態のこの詳細な説明は、添付特許請求項に述べる本発明の範囲または幅を制限すると考えられるべきではない。
【００５１】
磁気共鳴
ある実施形態で使用される技術要素の簡潔な要約が、本明細書で提供される。分析物またはターゲット分子は、水素などの、非ゼロ・スピンを有する原子核を含む水などの媒体、好ましくは、液体に含有される。よく知られているように（例えば、Ｐｕｌｓｅ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  １Ｄ＆２Ｄ  Ｌｉｑｕｉｄ−Ｐｈａｓｅ  ＮＭＲ、Ｗａｌｌａｃｅ  Ｓ．Ｂｒｅｙ、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１９８８を参照されたい）、こうした核の磁気成分は、磁場内で偏極するか、または、空間的に配向され、
ｆＬａｒｍｏｒ＝γＢ／２π
によって与えられる周波数で磁気共鳴歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）を生じる場合があり、式中、Ｂは、核の位置における磁場強度であり、γは、核の磁気回転比（ｍａｇｎｅｔｏｇｙｒｉｃ  ｒａｔｉｏ）であり、ｆＬａｒｍｏｒは、共鳴周波数またはラーモア周波数である（水素核の場合、γ＝２．６７５×１０８テスラ−１・秒−１）。核の磁気成分または磁気モーメントは、ベクトル量であり、足して、結果得られるバルク磁化ベクトルが与えられ、バルク磁化ベクトルは、ＮＭＲ分光計によって測定されるＮＭＲ信号である。
【００５２】
ＮＭＲ信号を記録するときに使用されるような擾乱に従って（下記参照）、バルク磁化ベクトルは、徐々に元の定常状態に回復し、このプロセスは、核磁気緩和（ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）と呼ばれる。単一指数関数プロセスによってこの緩和を記述するのに、２つの基本時定数が使用される。第１磁場の方向に沿うバルク磁化の回復は、Ｔ１として指定される、スピン−格子緩和時間または縦緩和時間で記述される。通常、Ｔ１は、ミリ秒〜秒の程度である。第１磁場の方向に垂直な平面内のバルク磁化の単一指数関数減衰は、Ｔ２で指定される、スピン−スピン緩和時間または横緩和時間で記述される。液体の信号の場合、Ｔ２は、一般に、１００ミリ秒以上の範囲にある。一方、固体サンプルは、一般に、１〜１００マイクロ秒の範囲のＴ２値を有する。
【００５３】
磁気共鳴測定は、１つまたは複数のＲＦ（無線周波数）エネルギー・パルスをサンプルに印加し、パルスによって再配向されるバルク磁化を測定することによって実施される。ＲＦパルスは、ラーモア周波数に等しい周波数、および、バルク磁化ベクトルが、第１磁場に垂直な平面内に再配向するようにさせるのに十分な継続時間を有し、その継続時間内で、バルク磁化ベクトル（ＮＭＲ信号）は、経時的に記録されることができる。したがって、ＲＦパルスは、通常、複数の９０°である。
【００５４】
スピン−スピン緩和は、通常、スピン・エコー信号を生じる一連のＲＦパルスによって測定される。スピン・エコーは、９０°パルス、それに続く、短い遅延時間（通常、τとして指定される）、それに続く、１８０°パルス（９０°−τ−１８０°）によって生成される。バルク磁化ベクトルが記録される前に、第１と時間的に同一の第２のτが使用される。一連のＲＦパルスおよび時間遅延を使用して、第１のτ中に、第１磁場に垂直な平面内のバルク磁化を含む核磁気モーメントをまずディフェーズさせ、第２のτ中に、この平面内の残りのバルク磁化をリフォーカスする（ｒｅｆｏｃｕｓ）。この後者のリフォーカシングは、記録されることができるエコー信号を生成する。スピン−スピン緩和を測定する最も一般的な方法は、ＣａｒｒおよびＰｕｒｃｅｌｌ（Ｃａｒｒ，Ｈ．Ｙ．およびＰｕｒｃｅｌｌ，Ｅ．Ｍ．著「Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｏｎ  Ｆｒｅｅ  Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ」Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ９４、ｎｏ．３（１９５４）、ｐｐ．６３０−６３８）によって元々述べられた方法であり、その方法の修正（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、ＭｅｉｂｏｏｍおよびＧｉｌｌ（Ｍｅｉｂｏｏｍ，Ｓ．およびＧｉｌｌ，Ｄ．著「Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｓｐｉｎ−Ｅｃｈｏ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  Ｔｉｍｅｓ」Ｔｈｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ２９、ｎｏ．８（１９５８）、ｐｐ．６８８−６９１）によって早い時期に述べられた。Ｃａｒｒ−Ｐｕｒｃｅｌｌ修正Ｍｅｉｂｏｏｍ−Ｇｉｌｌ（ＣＰＭＧ）法は、上述した初期の９０°−τ−１８０°シーケンス後に、一連の短い時間遅延、それに続く、１８０°パルスを使用する。これに、結果得られるバルク磁化ベクトル［９０ｘ°−（τ−１８０ｙ°−τ・ｒｅｃｏｒｄ）π］が続く。スピン・エコー信号の振幅は、シーケンスの数が増加するにつれて（ｎの値が増加するにつれて）、連続して小さくなるエコー時に残るバルク磁化に比例する。したがって、ｎの種々の値の後にバルク磁化の振幅を測定し、緩和時間としてＴ２を有する単一指数関数減衰にデータをフィッティングさせることによって、Ｔ２の直接尺度が提供される。
【００５５】
常磁性ナノ粒子磁場
好ましい実施形態では、ナノ粒子を使用して、ナノ粒子に近い領域内の磁場に影響を及ぼす。ナノ粒子の常磁性または超常磁性コアは、外部磁場が印加されると磁化する。超常磁性は、磁性体のサイズが小さ過ぎて磁気ドメインを形成することができない強磁性に関連する。超常磁性コアは、鉄に匹敵する、高い透磁率とかなり高い飽和磁場を示すが、ヒステリシス（Ｈｃ−０）をほとんどまたはまったく示さない。磁場中に設置されると、コアは、印加磁場の方向に平行に強く磁化される。外部磁場が取り除かれると、コアは、実際上磁化のすべてを失う。異方性と形状作用を無視して、コアの誘起される磁気モーメントは、
ｍｃｏｒｅ＝（４π／３）（ｒｃｏｒｅ３）（χＢ０）
によって与えられ、式中、ｍｃｏｒｅはコアのダイポール・モーメントであり、ｒｃｏｒｅは半径であり、Ｂ０は印加磁場であり、χは磁化率である。通常、非磁性材料の場合χ≒０であり、Ｂ０が飽和磁場未満であるとき、超常磁性材料の場合χ≧１であり、Ｂ０が飽和を超える場合１≦χ≦０である。例えば、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、超常磁性であり、約０．５テスラの飽和未満の磁場の場合、約１の磁化率である。
【００５６】
磁化されたコアは、ダイポール磁場、または、ナノ粒子の常磁性コアの中心に位置する理想的な磁気ダイポールによって生成される磁場を通常近似する磁場を生成する。ナノ粒子コアの外のロケーションにおいて、ダイポール磁場は、
Ｂｒ＝２ｍｃｏｒｅｃｏｓθ／ｒ３
Ｂθ＝−ｍｃｏｒｅｓｉｎθ／ｒ３
のようにパラメータ化される。
【００５７】
ここで、Ｂｒは、ダイポール磁場の半径方向成分であり、Ｂθは、周辺成分であり、ｒは、コアの中心からの距離であり、θは、印加磁場に対する極角度であり、ｍｃｏｒｅは、ダイポール・モーメントである。
【００５８】
ダイポール磁場は、（ベクトルとして）印加磁場に線形に足され、正味の磁場をもたらす。ラーモア周波数は、偏極核によって経験される正味の磁場によって決定される。印加磁場に直交するダイポール磁場の成分は、主に磁場回転を引き起こし、他方、印加磁場に平行なダイポール成分は、正味の磁場の大きさを直接変え、したがって、正常な印加磁場に対するラーモア周波数を変える。正味の磁場Ｂｎｅｔは、２次の項を無視し、ｒ≫ｒｃｏｒｅの場合に、
Ｂｎｅｔ＝Ｂ０（１＋４π／３（ｒｃｏｒｅ／ｒ）３χ（２ｃｏｓ２θ−ｓｉｎ２θ））
のようになる。
【００５９】
一部の実施形態では、正味磁場の勾配の大きさも重要である。磁場勾配（ｆｉｅｌｄ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）は、
▽Ｂｎｅｔ＝Ｂ０χ８π（ｒｃｏｒｅ３／ｒ４）（−｛ｒ｝ｃｏｓ２θ＋｛θ｝ｃｏｓθｓｉｎθ）
によって与えられ、式中、中括弧は、ｒ方向またはθ方向の単位ベクトルを示す。
【００６０】
液体内の拡散
一部の実施形態は液体媒体を含む。液体は、分析物と磁気共鳴信号を放出する核を含有する。これらの信号は、拡散、特に、液体を通した液体分子の拡散、または、分子自体の拡散によって影響を受ける。拡散は、
σｗａｌｋ＝（２Ｄｍｏｌｅｃｔ）１／２
のように定式化され、式中、σｗａｌｋは、時間ｔにおいて等方性３次元ランダム・ウォークで移動する平均距離であり、Ｄｍｏｌｅｃは、移動拡散係数である。例えば、室温の水について、Ｄｍｏｌｅｃ＝１．５×１０−９ｍ２／ｓである。
【００６１】
磁気共鳴測定は、スピン拡散、すなわち、核のスピンまたは偏極が、同じタイプの近傍の核のスピンまたは偏極と交換される現象によっても影響を受ける。スピン拡散は、サンプル全体を通して、脱偏極などのスピン依存作用を分配することができる。例えば、水中の水素核のわずかの部分が、脱偏極力を受ける場合、スピン拡散は、サンプル内の水素のすべてが、平均偏極値をとるようにさせる可能性がある。
【００６２】
モデル
このモデルは、ナノ粒子と溶媒とのスピン依存相互作用に対処し、観測されるＴ２作用を定量化する有用なフレームワークを提供する。このモデルは、実施形態によれば、分析物を測定し、検出するための基礎として使用される。簡単なナノ粒子は、すべて水中にある、非磁性材料の球状シェルによって囲まれた、超常磁性材料の球状コアからなると仮定される。しかし、このモデルは他の形状のナノ粒子と共に使用するため、また、他の溶媒と共に使用するために適用され、または、修正されることができる。モデルは、観測されるＴ２変化について、以下のメカニズムを示唆する。  
（１）溶液内のナノ粒子は、平易な水に対してＴ２を減少させる。脱偏極が、磁化コアによって生成されたダイポール磁場によることを、モデルが示唆する。磁場歪は、スピンが、異なる周波数で歳差運動するようにさせ、破壊的な干渉をもたらす。ＣＰＭＧは、通常、静磁場−不均一性作用をリフォーカスするが、水分子のブラウン運動は、スピンが、エコー間隔より短い時間で磁場歪に入りまた出るようにさせ、それにより、スピン分散が時間依存性を持ち、ＣＰＭＧリフォーカス作用が中断する。  
（２）ナノ粒子が、分析物と反応するが、凝集しないとき、Ｔ２は増加する。これは、分析物分子が、ナノ粒子の周りの歪磁場領域の一部を占めるためであり、それにより、その領域から水が排除され、したがって、スピン分散が減少し、Ｔ２が増加する。同様に、ナノ粒子および分析物の鎖またはストリングに似た構造が形成されると、Ｔ２が増加する。鎖の形成は、磁場の使用に関連して以下で述べられる。  
（３）ナノ粒子と分析物が凝集すると、Ｔ２は減少する。これは、水を充填されたかご様構造の形成による場合があり、その構造内で、水の分子は、周囲のナノ粒子とのスピン分散衝突を繰り返し受ける。分析物が不均一磁場領域の複数の部分を閉塞させても、徐々の脱偏極の十分な繰り返しによって、Ｔ２が減少するであろう。  
（４）単一指数関数が、通常、偏極減衰曲線にフィットする。これは、全体の溶媒が、均一磁場だけを見ている間に、ナノ粒子に近い水素が強くディフェージングするにもかかわらず、２分布システムである。しかしスピン分布は、同核フリップフロップ相互作用によるスピン拡散によって、サンプルにわたって急速に平衡し、単一平均Ｔ２をもたらす。
【００６３】
モデルのナノ粒子は、矢印１０１で示す印加磁場の存在下で図１において断面で示される。ナノ粒子は、磁化可能コア１０２、非磁性シェル１０３、および結合分子１０４を備える。コア１０２は、好ましくは、常磁性であり、より好ましくは、超常磁性である。ナノ粒子の誘起される局所ダイポール形状磁場１０５は、点線で表される。コア１０２の半径は、その領域において、液体のＴ２の変化を生成するのに十分に大きな領域内で有意の磁場歪を生じるのに十分に大きくあるべきである。コア１０２の半径は、コア１０２が、強磁性にならないように十分に小さくあるべきである。通常、コア半径は約１〜２０ｎｍである。コア１０２の望ましい特性は、印加磁場強度における高い磁化率、好ましくは、印加磁場強度を超える高い飽和磁場、液体媒体との化学的適合性、および、非常に低い残留磁場を含む。最後の特徴は、磁気求引によりナノ粒子が凝集することを防止するために望ましい。コア材料は、酸化鉄、コバルト、およびニッケル化合物などの任意の磁化可能材料であってよい。ナノ粒子は、鉄コアが使用される場合、無毒で、かつ、生分解性であることができる。コアは、非磁性材料、例えば、デキストランまたはシリカの１つまたは複数のシェル１０３によってコーティングされる。シリカ皮膜は、安定でかつ頑健であり、冷蔵の必要性を回避する場合がある。ポリスチレン、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、およびポリビニル・アルコールなどの他のポリマ皮膜が考えられてもよい。
【００６４】
ナノ粒子の周りのロケーション（ｒ，θ）における正味の磁場の大きさは、均一磁場に対して正と負の両方の変動を有する。これは、図２のグラフに示される。
【００６５】
ＣＰＭＧプロシジャは、静磁場−不均一性をリフォーカスするが、リフォーカス・パルス間の時間で、１つの磁場領域から別の磁場領域へ移動する水分子は、リフォーカスせず、Ｔ２作用を生じる。そのため、Ｔ２変化は、正味磁場の勾配に関連する。
【００６６】
特定の例を考えるために、コアは、Ｆｅ３Ｏ４で、４〜８ｎｍ直径を有し、粒子の残りは、デキストラン・シェルで、全体が５０ｎｍ直径を有する。磁化率および飽和磁場は、組成、結晶構造、およびコア直径に依存する。飽和磁場の値は、０．２〜０．５Ｔの範囲にあり、磁化率は、０．２〜２の範囲にある。０．５Ｔ飽和と磁化率０．５を使用して、数値シミュレーションが作成された。このナノ粒子の近傍の正味磁場は、図２に示される。粒子の２つの「極」における強い磁場増強が、「イクエータ（ｅｑｕａｔｏｒ）」の周りの磁場低減部に対して見られる。シェル内の磁場は、重要でなく、計算されず、Ｂ０としてプロットされる。
【００６７】
磁場勾配は、図３および４に示される。図３は、ナノ粒子の周りの磁場勾配の大きさのプロットである。図４は、粒子の軸に沿う磁場勾配の大きさのプロットである。やはり、粒子内部の磁場は解析されない。
【００６８】
ＴＥｃｈｏ＝４ｍｓｅｃのエコー間隔の場合、平均ウォーク距離は、約３．５ミクロンである。リフォーカス・パルス間に、水分子が、歪磁場領域に入りまた出るのに十分な時間を有すると仮定することが安全であるため、これは、歪磁場領域の長さスケールよりずっと長い。
【００６９】
歪磁場領域を通過する水分子によって生成されるスピン・ディフェージングは、以下のように推定されることができる。瞬時歳差運動周波数は、水分子のロケーションにおける正味の磁場に比例する。単純化するために、１つのナノ粒子の歪磁場領域を通る分子ランダム・ウォークは、１つのエコー間隔の間に、歪磁場領域の外の溶媒で始まり終わると仮定する。そのため、分子軌跡は、Ｂ０の印加磁場で始まり終わるが、ＣＰＭＧエコーの間に歪磁場領域を通過する。分子は、歪磁場内にあるが、溶媒の残りの中の分子に比較して余分の歳差運動を累積する。Ｂ０磁場による位相進みのその部分は、その後、１８０°パルスによって通常通りリフォーカスされるが、歪磁場内で費やした時間の間に累積した余分の歳差運動位相は、リフォーカスされないことになる。磁場歪の通過によるリフォーカスされない位相増分（ｕｎｒｅｆｏｃｕｓｅｄ  ｐｈａｓｅ  ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）は、粒子が受ける磁場から印加磁場だけの磁場を引いた値の積分であり、
ｄｐｈａｓｅ＝∫γ（Ｂｎｅｔ（ｒ）−Ｂ０）ｄｔ
式中、ｄｐｈａｓｅは、Ｂｎｅｔ（ここでは、空間の陽関数（ｅｘｐｌｉｃｉｔ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｐａｃｅ））を通過する水素と均一磁場Ｂ０内に残る水素との累積位相差であり、γは、やはりラーモア係数であり、積分は、リフォーカシング・パスル間の時間にわたる。位相シフトの大まかな推定を得るために、以前の式は、歪磁場領域を通して拡散するのに必要とされる時間の間、分子が一定磁場内に存在すると仮定することによって、単純化されてもよく、それにより、以下の近似
ｄｐｈａｓｅ＝［ｘｄｉｓ２／（２Ｄｍｏｌｅｃ）］［Ｂｎｅｔ−Ｂ０］
が得られる。
【００７０】
以上で説明したナノ粒子のサイズおよび磁場の仮定を使用すると、正味の磁場は、印加磁場から通常２０ｍＴだけ変位する。その磁場内にスピンは、歪のない磁場に比べて約８５０ｋＨｚ速く歳差運動することになる。この歪についての通常の長さスケールは、ｘｄｉｓ＝２０ｎｍである。２０ｎｍを拡散するのに必要とされる時間は１３３ｎｓｅｃである。その時間の間に、スピンは、余分のｄｐｈａｓｅ＝０．１ラジアンだけ歳差運動する。これは、単一分子通過による単一エコー間隔の実質的なディフェージングを表し、ＣＰＭＧによってリフォーカスされない場合、短いＴ２をもたらすことになる。サンプル内で、多くの水分子は、不均一磁場と連続して相互作用することになり、水分子はそれぞれ、特定の経路に応じて、正か負の位相シフトを受けることになる。全体として、余分のスピン分散は、破壊的干渉および全体の偏極をもたらす。
【００７１】
水中のスピン拡散係数は、温度および他の因子に応じて、Ｄｓｐｉｎ≒１０−１５〜１０−１６ｍ２／ｓの範囲にある。スピン拡散は、分子拡散より遅いが、数ｍｓｅｃで、多くの水分子の間で偏極を広めるのに十分である。おもしろいことには、固体スピン拡散速度は、ずっと高く、１０−９ｍ２／ｓ程度である傾向があり、自由な水内の分子拡散に匹敵する。シェルは、高速なスピン拡散を示す場合、ナノ粒子表面に接触する水分子のすべての間に偏極を分配するための導管の役をすることができる。
【００７２】
いくつかの実験は、２０〜２００ｍｓｅｃのＴ２増加を実証した。これが、分析物分子が、ナノ粒子の表面を閉鎖し、水分子が、ナノ粒子の表面において歪磁場領域をサンプリングすることを効果的に防止するためであることを、モデルは示唆する。
【００７３】
分析物分子がナノ粒子の表面に付着すると、表面のある部分が閉塞される。全体の偏極速度は減少し、Ｔ２が増加する。減衰速度の変化は、分析物によって占められる歪磁場体積の部分にほぼ比例する。複数の分析物分子が付着する場合、複数の分析物分子はすべて、平均して同様のＴ２変化に寄与する。分析物が、その時間の一部だけをナノ粒子の表面を覆うのに費やす場合、Ｔ２変化は、比例してスケーリングする。
【００７４】
Ｔ２の減少は、ナノ粒子と抗体との比を変化させることによって観測されてもよい。ここで、抗体は、分析物への連結の例として使用される。これは、化学量論的コントロールとして規定される。分析物の検出レベルに応じて、分析物の高速検出を可能にする化学量論が調整されることができる。
【００７５】
試薬および処理条件は、Ｔ２の減少をもたらすために調整されてもよい。ナノ粒子および分析物の拡張した凝集体の形成は、こうしたＴ２減少に関係がある。凝集体は、水分子がそこを通って容易に通過することができる、開いたかごに似た構造であることを、モデルは仮定する。これは、初期の研究では説明されていない。一実施形態では、スピン情報は、凝集構造に入り、また、凝集構造から出るように急速に拡散するため、かごの中で起こる偏極は、サンプルにわたって平衡する。
【００７６】
凝集体についてのＴ２減少は、かごの中の水分子が、脱偏極磁場に繰り返し遭遇するときの、繰り返されるディフェージングによることを、モデルは示唆する。こうした繰り返されるディフェージングは、かごに入った水分子が、多数のナノ粒子表面に非常に接近したままであるため、自由な液体内の分離されたナノ粒子に比べて、より効率的な偏極シンクを表す。ナノ粒子の歪磁場体積の部分は、分析物によって閉塞されるが、水分子は、その時間のかなりの部分を、主磁場と異なる磁場をサンプリングするのに費やすことができ、したがって、エコー間隔と比較して短い時間で、全体がディフェージングするであろう。そして、凝集体の外の分子を含む近傍分子に偏極を与える（ｔｒａｄｅ）することによって、不均一に減少したＴ２が得られるであろう。
【００７７】
モデルは、サンプル内の分析物に関連する新しい測定および測定を実施する新しい方法をもたらすため、有用性がある。モデルは、ナノ粒子との分析物の相互作用が、Ｔ２の増加とＴ２の減少の両方を生じる方法を説明し、試薬濃度を調整することによって、作用を制御する方法を示唆する。検出速度が、多くの用途にとって重要なパラメータであることを留意すると、分析物−ナノ粒子結合によるＴ２増加法は、凝集する前に結合が起こらなければならないため、凝集によるＴ２減少に比べて、信号を速く提供することになることを、モデルは示唆する。モデルはまた、磁化率の高いコア材料と薄い非磁性シェルを使用して、感度の高いナノ粒子の開発に指針を与える。モデルはまた、結合によるＴ２変化をよりよく定量化するために、混合する前に、ナノ粒子溶液とサンプルのＴ２を別々に測定することなどの、系統的な誤差を相殺するステップをもたらす。モデルはまた、熱作用および拡散作用が関与し、検出を加速するか、または、分析物反応を確認するのに利用されることができる方法を説明する。モデルはまた、サンプル・サイズおよび他の設計パラメータに対して信号と雑音を定量化することによって、本発明の方法を利用した製品の開発に指針を与える。
【００７８】
方法の説明
一実施形態における１つまたは複数の分析物を検出する方法は、分析物と他の材料を含有してもよい液体サンプル混合物を調製すること、第１磁場を液体に印加すること、液体の特別な領域内に第２のまたまったく別の磁場を調製すること、（例えば、分析物を保持し、その結合作用物質を特別な領域に隣接して固定し、分析物が、結合作用物質と相互作用することを可能にする手段を設けることによって）存在すれば、分析物を特別な領域内に維持すること、分析物を特別な領域内に維持しながら、混合物から磁気共鳴信号を励起すること、分析物が特別な領域を占めているかどうかを判定するために、信号を解析すること、および、その後、液体が、特別な領域から追い出されたことを、信号が指示するとき、分析物が存在すると結論することを含む。一実施形態では、対象となる分析物についての結合作用物質を有するナノ粒子を使用して、特別な領域が作られ、特別な領域内に分析物が保持される。
【００７９】
一実施形態では、液体サンプル混合物を調製することは、非ゼロ・スピンを有する核を有する原子を含有する液体の使用を含む。原子は、液体の内因的部分であってよく、または、溶質として添加されてもよい。液体サンプルを調製するステップは、分析物がナノ粒子に達することを保証するために、混合すること、または、攪拌することを含むことができる。混合は、サンプル流体を、ポンプを使用して複雑管を通して押しやることを含む、多くの方法で達成されることができ、こうした運動は、所望のレベルの混合を生成するために、一方向形であってよく、または、往復形であってよい。あるいは、ナノ粒子と分析物は、同じタイプの液体内に含有されてもよいため、同じ容器内に設置されると、物理的攪拌の必要なしで、自然に混合される。例えば、ナノ粒子とサンプル材料は、水中で溶解され、その後、測定容器内での拡散によって混合されてもよい。種々の成分について、アルコールおよび水などの相溶性の高い溶媒の使用によって、人手を借りない混合が構成されてもよい。
【００８０】
方法はまた、ナノ粒子と分析物との反応を高めるために、磁場を使用することを含むことができる。反応を高めるための磁場は、磁気共鳴測定に使用される磁場と同じ磁場であってよく、または、２つの磁場は異なってもよい。一実施形態では、ナノ粒子と分析物との反応を高める方法のステップは、（１）分析物とナノ粒子を流体媒体内に設置し、ナノ粒子が分析物に結合し、複合体を形成することを可能にし、（２）磁場を複合体に印加し、それにより、ナノ粒子を磁化し、（３）その後、磁場がナノ粒子に力を加えることを可能にし、磁化されたナノ粒子が、互いに対して磁力を加えることを可能にし、（４）複合体が、こうした力により強く応答することを可能にする。例えば、印加された磁場が不均一である場合、複合体は、磁場が最も強い領域内に引き込まれ、その領域で濃縮される。複合体の濃度の増加により、相互作用が、その後、加速される。
【００８１】
異なる実施形態では、ステップ（１）、（２）、および（３）は、種々の順序で、または、同時に起こる。ナノ粒子と分析物は、まず、流体媒体内に設置され、その後、分析物と結合して、複合体が形成されるか、または、複合体は、他の所で形成され、その後、流体媒体に添加されてもよい。ナノ粒子に対する反応体の付着は、十分に強い結合であるため、磁力の影響下で流体媒体を通ってナノ粒子が移動するときに、反応体は、ナノ粒子と共に運ばれることができる。磁場は、分析物がナノ粒子に結合する前か後に印加されてもよい。この方法は、所望の混合および／または温度サイクルと組合されてもよい。
【００８２】
反応を高めるための磁場は、実質的に均一な磁場であってよく、または、非常に不均一な磁場であってよく、特定の形状または方向を持っていてもよく、外部手段によって生成されてもよく、反応体か、ナノ粒子か、常磁性ビードか、他の磁性エンティティと連携して生成されるか、または、形成されてもよい。反応を高めるための磁場は、電磁石、永久磁石、超伝導磁石、または任意の磁場源によって生成されてもよい。磁場の強度は、ナノ粒子を磁化するのに十分であり、通常、約０．０１〜２０テスラの範囲に入る。磁場は、永久磁石の場合、常時あってよく、パルス式電磁石の場合、一過性であってよい。ナノ粒子の磁化は、磁場に入ったときに、実際上瞬間的である。
【００８３】
磁場は、電磁石、永久磁石、超伝導磁石、または任意の磁場源であってよい磁石によって生成される。好ましい磁石のタイプは、サンプル・サイズに依存する。１ミリリットル程度以下の小さいサンプル体積の場合、電力をまったく必要とせず、オーミック熱を発生せず、クライオスタットを必要としないため、永久磁石が好ましい。ＮｄＦｅＢ（ネオジウム・鉄・ボロン）（その形態は、適度のコストで３０〜５５ＭＧＯｅの強度（磁気エネルギー積（ｆｉｅｌｄ−ｅｎｅｒｇｙ  ｐｒｏｄｕｃｔ））を提供する）を含むいろいろの種類の強力な永久磁石が入手可能である。適した磁気回路内に搭載されると、これらの永久磁石は、多くのナノ粒子内で常磁性成分であるフェライトの飽和磁場を超える磁場を発生することが可能で、１テスラ／ｃｍ以上の強い磁場勾配を生成することが可能である。こうした磁場および磁場勾配は、ナノ粒子の濃縮、常磁性ビードの磁化、および鎖形成を含む、多くの磁気分離用途に十分である。
【００８４】
ステップ（３）にて、反応を高めるための磁場は、不均一であるとき、ナノ粒子に力を加え、ナノ粒子を、磁場強度が増加する方向に付勢する。ナノ粒子は、互いに対して力を加え、近傍のナノ粒子が、印加磁場に整列状態になるように付勢し、整列すると、ナノ粒子を一緒に引き寄せ、磁場に垂直に配置されると、ナノ粒子を反発させる。種々の力は、連続してまた実際上瞬間的に起こる。
【００８５】
ステップ（４）にて、分析物とナノ粒子は、磁力が分析物を分離しないように、十分に強く付着しているため、同じ方向に移動する。しばしば、正味の運動は、分析物を近寄らせ、それにより、分析物間の相互作用が促進される。これは、印加磁場が不均一であるときに起こり、したがって、最も強い磁場領域内に複合体を濃縮させる。例えば、不均一磁場は、初期混合物の体積の１０分の１を含む部分体積内に複合体を引き寄せる場合、反応体間の平均距離は、２．１６分の１に減少し、拡散制限プロセスの場合、反応速度を４．７倍に増加させる。ナノ粒子間の相互磁力の正味の作用は、主に、磁力が、最初に、複合体を磁場と再整列させ、次に、複合体を一緒に引き寄せるため、複合体が自由に移動できるとき、複合体を集まるようにさせることでもある。
【００８６】
あるいは、ステップ（３）および（４）の磁場は、実質的に均一であってよい。ナノ粒子の磁化されたコアによって発生したダイポール形状の磁場により、ナノ粒子は、互いに対して相互磁力を加える。これらのダイポール−ダイポール力は、ナノ粒子が、種々の方向に移動するようにさせ、その運動は、ナノ粒子と付着した分析物の相互作用に影響を及ぼす。磁化されたナノ粒子間の力は、図５に示される。反応を高めるための印加磁場の方向は、矢印５０１で与えられる。特定のナノ粒子５０２、ならびに、近傍のナノ粒子５０３、５０４、および５０５が示される。図５のナノ粒子はすべて、小さく白い矢印で示すように、同じ方向に磁化される。ナノ粒子５０２と５０３は、印加磁場に整列し、したがって、互いに引き寄せる。ナノ粒子５０２によってナノ粒子５０３に加えられる力は、灰色矢印５０６によって示され、灰色矢印５０６は、ナノ粒子５０２を指し、ナノ粒子５０３が、ナノ粒子５０２の方に引き寄せられることを意味する。同じで反対の力が、ナノ粒子５０２に加えられるが、図を簡潔にするために、示されない。
【００８７】
同様に、図５では、別のナノ粒子５０４が、ナノ粒子５０２の他の側であるが、５０２と平行に整列している。ナノ粒子５０４はまた、矢印５０７で示すように、５０２の方へ引き寄せられる。
【００８８】
ナノ粒子５０５は、５０２および磁場に対して垂直に配向する。相応して、５０５に加えられるダイポール−ダイポール力は、矢印５０８で示すように、反発性である。周辺ナノ粒子５０３、５０４、および５０５が、互いに対して加える、さらなる力は示されていない。実際の混合物では、ナノ粒子はすべて、互いに対して力を連続して加える。
【００８９】
ダイポール−ダイポール力は、直線状の鎖に似た構造を生成する傾向がある。例として、ナノ粒子は、Ｎとして表されるナノ粒子に関して、Ａとして表される結合手段を含むことができる。Ａとして表される結合手段は、ポリクロナールであってよい、すなわち、複数のナノ粒子に結合することができる。相応して、ステップ（１）にて、反応体は、ナノ粒子に結合し、Ａ−Ｎとして表される複合体を形成する。その後、ステップ（４）の相互作用は、反応体が同じパートナとして結合すると、形態Ｎ−Ａ−Ａ−Ｎの構造を、反応体がナノ粒子に結合すると、形態Ｎ−Ａ−Ｎ−Ａの構造を生成してもよい。さらなる複合体が添加されて、いずれかのシナリオの下で、長い鎖が形成されてもよい。あるいは、タイプＡ（３’プローブ）とタイプＣ（５’プローブ）の２つの異なる結合手段が、同じナノ粒子に付着されてもよい。そして、複合体は、形態Ｃ−Ｎ−Ａ−Ｂとなり、鎖は、形態Ｃ−Ｎ−ＡーＢ−Ｃ−Ｎ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｎとなる。
【００９０】
図６は、ナノ粒子と分析物による鎖構造の形成の略図である。図６に示す例の鎖構造は、均一な磁場または不均一な磁場を用いた、上述した方法およびシステムを使用して形成されることができる。形成される鎖形成のタイプは、使用されるナノ粒子のタイプに依存する。ナノ粒子６０１と分析物６０２は、方向が矢印６０３で示される磁場内にある。ナノ粒子６０１は、複数の反応体に付着することができるタイプ、すなわち、例えば、ポリクロナール・ナノ粒子である。分析物６０２は、複数のナノ粒子に対して結合を形成することができるタイプである。例は、こうした反応体を受け入れるように処理された２つのナノ粒子に付着することができるたんぱく質Ｇである。ステップ（１）にて、ナノ粒子６０１と反応体６０２は、例えば、水中でたんぱく質Ｇを適したナノ粒子と混合し、それを３７℃で４時間、培養することによって付着される。これは、ナノ粒子−反応体複合体６０４を生成する。複数のこうした複合体は、磁場６０３内でくっつき、一般的なタイプＮ−Ａ−Ｎ−Ａ−Ｎ−Ａ−Ｎなどの鎖６０５を形成する。
【００９１】
方法はまた、温度サイクルを含むことができ、温度サイクルにおいて、サンプルは、固定ロケーションにおいて、加熱されるか、または、冷却されてもよく、あるいは、サンプルは、高温または低温に維持されたロケーション間で移動してもよい。方法は、こうした温度変化の前に、その最中に、また、その後に測定を行うことを含むことができる。例えば、Ｔ２についての測定は、サンプルを混合するとすぐに、また、サンプルが平衡温度に達すると、ある期間の加熱および冷却後に再び行われてもよい。熱処理の前のＴ２値と後のＴ２値の比較は、熱処理中に起こった、分析物がナノ粒子に結合するなどの、反応を暴露することになる。
【００９２】
方法は、サンプルの温度を変更するステップと、その後、Ｔ２パラメータを測定するステップとを含むことができる。温度は、ナノ粒子の相互作用および磁気共鳴測定に影響を及ぼす。分析物とナノ粒子上の親和性分子との選択的結合は、特に拡散制限反応の場合、温度を上げることによって加速される場合がある。そのため、方法は、第１温度、好ましくは、測定が行われるときに、分析物がナノ粒子と反応しないほど十分に低い温度の液体内でナノ粒子と未知物質の混合物のＴ２を測定することを含んでもよい。方法は、その後、分析物−ナノ粒子相互作用を促進するのに十分な第２温度までサンプルを加熱するステップを含んでもよい。方法は、結合作用を観測するために、第２温度でＴ２を測定することを含んでもよい。方法は、第１温度への復帰などの、さらなる温度変更、および、種々の温度変更後のサンプルのＴ２が、温度が変化する前のサンプルのＴ２と異なることを確認するための、さらなるＴ２測定を含んでもよい。ステップは、干渉物質の識別の改善、Ｔ２変化が分析物特異的な結合によることの実証、および機器誤差があるかのチェックを含む、多くの利点を提供する。
【００９３】
方法は、分析物−ナノ粒子凝集体を乱すのに十分な温度にサンプルを加熱することを含んでもよく、そのため、対応するＴ２変化を有する分析物−ナノ粒子２成分の溶液が生成される。温度は、分析物がナノ粒子から分離するまで、さらに上げられてもよく、そのため、分析物が元の溶液内に放出し、さらなるＴ２変化が生じる。温度は、その後、結合または凝集が回復するまで、下げられてもよく、初期の値へのＴ２の対応する反転がある。Ｔ２対温度のこの振舞いは、干渉物質または機器誤差を強力に識別し、分析物の存在を確認するであろう。
【００９４】
方法は、ナノ粒子を混合する前に、サンプル材料のＴ２を測定するステップを含んでもよい。これは、サンプル内の粘性の高い溶液またはキレート鉄などの、Ｔ２のシフトをもたらすサンプル材料を暴露するであろう。サンプル材料が、小さいＴ２シフトだけを生じるとき、測定は、通常通り進むが、解析において、処理されたサンプルのＴ２は、未処理サンプルにおいて最初に観測されたＴ２と比較されて、分析物が存在するかどうかが判定されてもよい。サンプルは、大きなＴ２シフトを生じるとき、その作用が、磁気共鳴測定を可能にするのに十分に低くなるまで、サンプルを拡散させることが有利である場合がある。希釈されたサンプル内の分析物は、その後、述べたように検出されてもよい。サンプルが、こうした大きなＴ２を生じるため、磁気共鳴測定が抑制されるとき、本発明は、そのサンプルが試験不可能としてフラグを立て、それにより、偽アラームを回避することができる、または、さらなる解析のためにサンプルを記録保管することができる。
【００９５】
方法は、特定の方法で磁場を調製することを含むことができる。磁場は、最初に、実質的に均一な十分な強度を有する第１磁場を発生して、磁気共鳴測定を可能にし、次に、その磁場を局所的に乱して、特別な領域内で、第１磁場と別個の第２磁場を生成することによって調製されてもよい。第２磁場は、特別な領域の外の液体の磁気共鳴信号が、特別な領域の内部の液体の信号によって影響を受けるか、または、内部の液体の信号と区別されることができるとき、第１磁場とまったく異なる。例えば、第２磁場は、液体内で、常磁性粒子、例えば、上述したナノ粒子を混合するか、または、溶解することによって作られてもよい。ナノ粒子は、その後、第１磁場によるナノ粒子の磁化の結果として、ナノ粒子の外の近接した領域内で、第２磁場を自然に発生する。あるいは、キレート鉄またはガドリニウムなどの常磁性イオンは、ナノ粒子の代わりに使用されることができる。この手法の利点は、金属−イオン・キレートの移動度が高いため、拡散制限された反応速度が増加する可能性があることである。同様なイオン（Ｇｄ−ＤＴＰＡおよびＧｄ−ＤＯＴＡ）は、ＭＲＩイメージングで使用される。
【００９６】
特別な領域内に分析物を保持することは、分析物が、それに対して特定の親和性を持つ材料表面または分子に対して分析物を反応させるか、結合させるか、または、その他の方法で引き寄せることによって達成されることができる。こうした保持は、水素結合、イオン力、共有結合、ファンデルワールス力、静電力、あるいは、任意の他のタイプの分子または材料付着によって達成されてもよい。例えば、保持メカニズムは、分析物たんぱく質に対して得られた（ｒａｉｓｅｄ）抗体または分析物ＤＮＡ配列に相補的なＤＮＡであってよく、分析物が、それに対して親和性を持つ任意の材料表面または分子を含むことができる。好ましくは、保持メカニズムはまた、存在する可能性がある分析物以外のすべての溶質について、ヌル親和性または負の親和性を有する。好ましくは、保持メカニズムはまた、分析物が特別な領域内で保持されるように、特別な領域に近接して固定される。例えば、特別な領域がナノ粒子の外にあるとき、分析物に対する抗体または上述した他の保持メカニズムは、ナノ粒子の表面に付着するため、分析物は、その領域内でナノ粒子に隣接して保持され、液体が、排除されることになる。任意選択で、ナノ粒子は、多数の、異なるが選択された分析物と相互作用するために、複数の抗体か、相補的ＤＮＡか、または他の結合作用物質を含んでもよい。例えば、ナノ粒子は、炭疽菌（ａｎｔｈｒａｘ）については相補的ＤＮＡで、リシンについては抗体で、スモールパックス（ｓｍａｌｌｐｏｘ）については相補的ＤＮＡ配列で修飾されることができ、それにより、単一混合物内でのこれらの分析物のいずれの検出も可能になる。
【００９７】
分析物が特別な領域を占めるかどうかを判定するための磁気共鳴測定および解析は、特別な領域に固有の周波数成分を探すために、スペクトル解析によって磁気共鳴信号を解析することを含むことができる。もし存在すれば、その周波数成分は、液体が特別な領域内にあり、したがって、分析物が存在しないことを指示する。あるいは、ステップは、ＣＰＭＧプロシジャを適用すること、および、液体のＴ２を決定するために信号を解析することを含むことができる。Ｔ２分布は、単一指数関数成分であってよく、または、スピン拡散速度に応じて多数の成分を含んでもよい。しかし、いずれの場合も、基線の場合（ナノ粒子があり、分析物がない液体）のＴ２より長いＴ２は、分析物の存在を指示する。
【００９８】
方法の変形は、複数の分析物エンティティを含む凝集体を形成することを含む。その後、（基線と比較した）Ｔ２の減少は、分析物の存在を指示する。例えば、付着メカニズムを有するナノ粒子と分析物分子の凝集体は、ナノ粒子と分析物分子の両方が、複数の付着点を有するときに形成される。凝集体がＴ２の減少をもたらし、一方、ナノ粒子に対する分析物の結合がＴ２の増加をもたらすため、Ｔ２変化の予想される符号が、前もってわかるように、信号を事前に較正することが重要である。ナノ粒子の化学量論は、凝集を防止するように、または、使用されるべき測定プロセスに応じて凝集をもたらすように調整されることができる。
【００９９】
一実施形態では、分析物は、ナノ粒子が、拡張した凝集体を形成するようにさせる。膜フィルタを使用して、これらの凝集体を液体媒体から分離する。フィルタの孔サイズは、好ましくは、ナノ粒子または分析物のサイズより大きいが、凝集体より小さい。凝集したサンプルがろ過されると、ろ過液は、ナノ粒子と分析物の両方の濃度が減少し、ナノ粒子と分析物は、共に、ろ過ケーキとして著しく濃縮される。例えば、微生物の検出を確認するために、２次解析手段が望ましいとき、ろ過ケーキが、２次解析に使用される。同様に、ナノ粒子のほとんどがろ過除去されると、ろ過液のＴ２は、初期のナノ粒子溶液のＴ２よりずっと長いため、付加的なチェックとして本発明を使用して、ろ過液が再測定されてもよい。
【０１００】
方法は、標準のＴ２値を測定するステップを含んでもよい。ここで、標準は、既知のＴ２を有する任意の材料である。好ましくは、標準のＴ２は、時間的に不変であり、前の較正測定によってわかっている。例えば、標準は、Ｔ２の特定の値を提供するように調整された濃度を有するナノ粒子または硫酸銅の溶液であってもよい。標準は、検出および機器のドリフトの補正を可能にする。標準は、所望の範囲のＴ２を有するように選択されたオイルなどの溶液でない液体であってよい。標準は、分析物のないサンプルのＴ２に実質的に等しいＴ２を有するように構成されてもよく、その場合、負の比較器（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）と呼ばれる。標準は、分析物によって生成されたＴ２に近いＴ２を有してもよい、正の比較器。方法は、異なるＴ２値を有する複数の標準のＴ２を測定することを含んでもよい。
【０１０１】
方法は、正のコントロールおよび／または負のコントロールを試験するステップを含むことができる。正のコントロールは、枯草菌に対して鋭敏化されたナノ粒子を加えた（ａｌｏｎｇ  ｗｉｔｈ）枯草菌などの良性分析物（ｂｅｎｉｇｎ  ａｎａｌｙｔｅ）であることができる。正のコントロールは、いつでも解析されてもよく、また、脅威分析物（ｔｈｒｅａｔ  ａｎａｌｙｔｅ）と同じ方法で検出されるべきである。好ましくは、正のコントロールによって生成されるＴ２変化は、前の較正によってわかっており、正のコントロールを試験することは、予想されるＴ２変化を常に生じるべきであり、そうできないことは、システムの故障を暴露するであろう。負のコントロールは、一部の他の材料（例えば、炭疽菌に対して鋭敏化されたナノ粒子と組合された枯草菌）に対して鋭敏化されたナノ粒子を加えた良性分析物である。負のコントロールは、分析物とナノ粒子が整合しないため、Ｔ２変化を決して生じないはずである。負のコントロールがＴ２変化を生じる場合、システムの故障を暴露するであろう。正と負のコントロールを動作させせる利点は、全サンプル収集、フルイディクス、サンプル処理、および検出ステージが、現実的に試験されることである。比較のために、先のパラグラフで説明した正と負の比較器標準は、サンプル処理ステージではなく、システムの磁気共鳴部分だけを試験する。
【０１０２】
方法は、サンプルのＴ２の増加と減少の両方を生成するステップを含むことができる。Ｔ２の増加または減少は、ナノ粒子の特性、抗体などの他の試薬の比、および他の処理パラメータに依存する。そのため、サンプルは、分析物が存在するときにＴ２増加を生じる処理ステップを使用してＴ２増加があるかを試験され、その後、同じサンプルが、Ｔ２減少を生成する成分または処理ステップを追加することによって、Ｔ２減少があるかを試験されてもよい。Ｔ２値の増加と減少の両方の観測は、解析の信頼性を高め、偽アラーム率を減少されるであろう。あるいは、同じサンプルから取り出された２つのアリコートが、一方のアリコートでＴ２増加を、他方のアリコートでＴ２減少を生じるように処理されてもよい。
【０１０３】
干渉物質は、サンプル内に存在する場合、ターゲット分析物のＴ２変化によく似たＴ２変化をもたらす材料である。キレート鉄および液体の粘性の増加を引き起こす材料を含有する材料を含む、ほとんどの干渉物質は、短いＴ２を生成する。そのため、分析物の作用と干渉物質の作用は、分析物がＴ２増加を生成するように、サンプルを処理することによって弁別されてもよい。分析物−干渉物質弁別をさらにうまくするために、同じサンプルを順次処理することによって、または、並列アリコートの比較によって、Ｔ２増加とＴ２減少の両方が、構成されてもよい。
【０１０４】
方法は、サンプル材料をナノ粒子混合物に添加する前に、ナノ粒子混合物のＴ２を測定するステップを含むことができる。このステップの利点は、サンプル材料が使用される前に、ナノ粒子濃度または特性の任意の誤差が暴露されることである。ナノ粒子溶液が、（例えば、調量誤差によりナノ粒子濃度が高いか、低いために）予想外のＴ２値を示す場合、ナノ粒子溶液は、投棄され、新しいナノ粒子溶液が調製されてもよい。ナノ粒子溶液は、予想されたＴ２値に近いＴ２値を示す場合、使用されてもよい。好ましくは、Ｔ２の測定値は、その後、混合したサンプルおよび反応したサンプルのＴ２に対する比較のための解析で使用され、それにより、ナノ粒子濃度による誤差を打ち消し、再現性を改善する。
【０１０５】
方法は、液体内でサンプル材料とナノ粒子を混合するステップと、次に、混合物のＴ２を測定するステップと、次に、分析物とナノ粒子との反応を促進させるステップと、次に、こうした反応後にＴ２を測定するステップとを含んでもよい。例えば、サンプルは、反応を促進するために、攪拌されるか、または、加熱されてもよい。反応を加速するために、同時の混合と加熱が使用されてもよい。混合物の反応の前と後のＴ２の比較は分析物を暴露する。これらのステップの利点は、サンプルとナノ粒子の体積の誤差が検出され、打ち消されることである。
【０１０６】
一実施形態では、危険な化学物質は、一般に必要とされない。例えば、分析物は、水、塩、ナノ粒子、および、抗体などの無害のたんぱく質試薬だけを使用して試験されることができる。
【０１０７】
システムの説明
上述した測定または検出技法を実行するか、または、実装する（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ）ことができるシステムの一実施形態は、ここで、全体を７００で示す磁気共鳴システムの機能ブロック図である図７を参照して述べられるであろう。システムは、磁石または磁石システム７１２を含む。一実施形態では、磁石７１２は、１ｍｌのサンプル・エリアまたは体積７１４内で０．０１％の均一性を有する０．５テスラ磁場を生成するように構成された永久磁石である。あるいは、磁石システムは、電磁石、超伝導コイル、または任意の他の磁場供給源を含んでもよい。コイルまたはアンテナ７１６は、サンプル体積に隣接して位置する。一実施形態では、コイルは、サンプル体積７１４を取り囲む。パルス発生器７１８は、コイル７１６に結合されて、所望のラーモア周波数の電磁パルスをサンプル体積７１４に提供するために、コイル７１６に結合される。増幅器７１９は、パルス発生器とアンテナとの間に設置されて、パルス発生器からの信号を増幅してもよい。受信機７２０はまた、コイル７１６に結合されて、コイルによって捕捉された（ｐｉｃｋ  ｕｐ）信号を受信する。前置増幅器７２１は、受信機とアンテナとの間に設置されて、アンテナ信号を増幅してもよい。受信機７２０は、受信信号をデジタル形態に変換する。コントローラ７２２は、パルス発生器７１８と受信機７２０につながる。コントローラは、受信機とパルス発生器の動作を制御する。コントローラはまた、信号がデジタル形態に変換された後に、受信機によって受信された信号を受信する。コントローラ７２２は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル・ロジック・デバイス、ディスクリート・ゲートまたはトランジスタ・ロジック、ディスクリート・ハードウェア・コンポーネント、あるいは、本明細書で述べる機能を実施するように設計された、それらの任意の組合せであることができる。あるいは、コントローラ、パルス発生器、受信機、およびユーザ・インターフェイスの機能は、組合され、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡ、あるいは、こうした回路を統合するボードなどの単一ユニットにされてもよい。ユーザ・インターフェイス・システム７２４は、コントローラ７２２と結合する。ユーザ・インターフェイス・システム７２４は、ユーザとシステム７００との間の相互作用のためのメカニズムを提供する。インターフェイス・システムは、例えば、液晶スクリーンなどのディスプレイ、インジケータ光、キーボード、マウス、音声スピーカ、マイクロフォン、スイッチ、またはタッチ・スクリーンを含むことができる。
【０１０８】
代替の実施形態では、例えば、鋼でできた磁場集中化極片７０５を含む濃縮化用磁石７０４が設けられる。磁石７０４は、永久ＮｄＦｅＢ磁石であり、白矢印７０６で示すように、磁化されることができる。磁石７０４と極片７０５は、サンプル体積７１４を通過する磁場を生成する。極片７０５の形状は、磁場が非常に不均一であり、サンプル体積７１４全体にわたって強い勾配を生成するように選択される。サンプル体積内で磁場が最も強い領域は、極片７０５に最も近い領域である。濃縮化用磁石７０４は、磁石７１２内に搭載されるか、または、磁石７１２のある部分を備えることができる。例えば、磁石７１２は、第１領域内に均一な磁場を、第２領域内に不均一磁場を生成することができる。そのため、サンプルは、異なるタスクを実施するために、磁石７１２の領域間で移動してもよい。例えば、サンプルは、不均一磁場領域を使用して反応体を濃縮させるために移動し、次に、測定のために、均一磁場領域へ移動してもよい。
【０１０９】
あるいは、濃縮化用磁石は、磁石７１２から離れて位置することができる。その実施形態では、サンプルは、濃縮化用磁石の磁場にさらされ、次に、コイル７１６内に設置されることができる。
【０１１０】
一実施形態では、濃縮化用磁石によって生成される磁場勾配は、複合体（分析物とナノ粒子を足したもの）の磁化に作用して、複合体をサンプル体積の部分体積内に引き寄せる。複合体の局所濃度は、その部分体積内で増加し、さらなる複合体が、サンプルの残りから到着し続けるにつれて、増加し続ける。反応体の拡散によって制限される反応の場合、反応体の濃度の増加は、反応体パートナ間の平均拡散距離を減少させ、相応して、反応速度を加速させる。反応障壁によって制限される反応の場合、複合体間の求引磁力によって、反応速度が高められる。
【０１１１】
ＲＦコイルは、マイクロ・リットル・サイズの体積に呼び掛けるのに十分小さく作られることができる。コイルは、サンプルのリットルを収容するのに十分大きく作られることができる。図８ａ〜８ｄは、それぞれ、アンテナの４つの構成の斜視図である。図の部分ａでは、コイルの長さに沿って一定である巻線密度を有するソレノイド・コイルが示される。サンプルは、測定のために、コイル内部に設置される。コイルは、サンプル核内にＲＦエネルギーを結合させ、核からの磁気共鳴信号をシステムの残りに結合させるアンテナの役目を果す。
【０１１２】
図の部分ｂでは、可変巻線密度を有するソレノイド・コイルが示される。巻線密度は、中央に比べて、コイルの端部で高い。可変巻線密度を使用する利点は、コイルによって発生するＲＦ磁場が、一定巻線密度を有する同じサイズのコイルのＲＦ磁場に比べて、より均一になる可能性があることである。
【０１１３】
図の部分ｃでは、２ターン片面コイルが示される。この構成の利点は、管などの細長い容器が、コイルか管のいずれかをはずすことなく、挿入され、除去されてもよいことである。
【０１１４】
図の部分ｄでは、４つのループが、連携して、横方向ＲＦ磁場を発生するコイル構成が示される。細長いサンプルが、コイルまたは管をはずすことなく、挿入されてもよい。
【０１１５】
システムの特定のユーザ・インターフェイスおよび出力は、用途依存性が高いが、通常、分析物の検出に応じた情報の通信を含むことになる。例えば、こうした通信は、試験結果を記録すること、または、記録保管すること、脅威警報メッセージを表示すること、アラームまたはビーコンを点灯すること、または、音響アラームを起動することを含んでもよい。データを通信することはまた、ＨＶＡＣシステムを自動的に止めること、または、選択された分析物の検出に応じて試験サンプルをマスクする（ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｉｎｇ）ことなど、他のデバイスに信号を送出することを含む。ユーザ・インターフェイスによる通信は、電子式、光学式、赤外式、無線式、マイクロ波式、機械式、または音響式手段、あるいは、分析物試験結果に応じてデータまたはコマンドを送信する任意の他の手段を含むことができる。さらに、ユーザ・インターフェイスは、コントローラにつながる、ネットワーク・インターフェイス・カードおよび無線アクセス・カードなどの遠隔通信インターフェイスを含むことができる。これらは、コマンドを中継するか、データを取り出すか、または、アラームを伝達するために、オペレータまたは別のデバイスが、システムと通信することを可能にすることができる。通信は、インターネットによって、ローカル・ネットワークによって、あるいは、直接電子リンクまたは無線リンクによって情報を送信することを含んでもよい。
【０１１６】
一実施形態では、システムは、２つの別々のシャシで構成され、一方のシャシは、磁石７１２、パルス発生器７１８、および受信機７２０を有する。他のシャシは、コントローラ７２２およびユーザ・インターフェイス７２４を有する。２つのシャシは、電子通信リンク、例えば、ケーブル、無線リンク、または光ファイバ・リンクによってコマンドおよびデータなどの情報を交換する。好ましい実施形態では、通信リンクは、各シャシ上で、標準ＵＳＢ接続を使用するＵＳＢインターフェイスを備える。
【０１１７】
磁気共鳴システム７００は、コイルを介して、パルス発生器７１８によって発生された電磁パルス、例えば、無線周波数（ＲＦ）パルスを印加することによって、サンプル体積７１４内で水の水素核から磁気共鳴信号を励起することができる。システムは、コイル７１６において信号を誘導的に捕捉する（ｐｉｃｋ  ｕｐ）ことによって、水の水素核から磁気共鳴信号を検出する。受信機は、増幅器、ミキサ、およびアナログ−デジタル変換器を使用して受信信号を処理する。
【０１１８】
一実施形態では、システム７００は、コントローラ７２２の制御下でＣＰＭＧプロシジャまたは技法によって水のＴ２を測定する。測定は、パルス発生器によって発生した９０°ＲＦパルス、それに続き、２ｍｓｅｃ遅延、その後、一連の４ｍｓｅｃ間隔の２０００個の１８０°パルスを含む。１８０°パルスの位相は、９０°パルスの位相と直交する。プロシジャは、４ｍｓｅｃ間隔でスピン・エコーを生成し、スピン・エコーは、受信機７２０によって受信される。一実施形態では、コントローラ７２２は、スピン・エコーを判定し、記録し、スペクトル・ピークを得るために、ＦＦＴ解析を実施し、ピークの最大値を発見し、ピーク値を３つの変数（振幅と、指数関数の減衰時間と、時間に無関係な背景）を有する式にフィッティングさせる解析ルーチンを実施する。観測されたＴ２値は、最適フィッティングされた指数関数減衰時間である。
【０１１９】
コントローラによって実施される解析は、観測されたＴ２と以前に較正されたか、または、測定されたＴ２値との比較を含む。サンプルの観測されたＴ２値が、分析物のないサンプルのＴ２値と異なるときに、分析物が、システムによって検出される。以前に較正されたＴ２値は、分析物の測定に使用されるのと同じ分析物濃度を有する水の溶液を測定することによって決定されることができる。水のＴ２は、ナノ粒子の濃度によって影響を受ける。Ｔ２はまた、分析物が、ナノ粒子に結合し、ナノ粒子の周りの高勾配領域を占めることによって影響を受ける。好ましい実施形態では、ナノ粒子濃度は、溶液の組成によって制御される。分析物がない場合、および、分析物の種々の濃度の場合の溶液のＴ２値は、以前の較正によってわかっている。
【０１２０】
一実施形態では、ナノ粒子は、水媒体内で溶解されるか、または、懸濁される。ナノ粒子は、５０ｎｍの直径を有するシェルによって囲まれた、８ｎｍの直径を有する超常磁性磁鉄鋼コアを有する。分析物に特異的な抗体分子（あるいは、本明細書に述べる他の結合または求引メカニズム）は、シェルに結合する。ナノ粒子が、サンプル７１４内にあるとき、コアは、磁石７１２によって印加される磁場によって磁化される。磁化されたコアは、印加磁場に加わる局所ダイポール磁場を生成する。結果得られる正味の磁場は、ナノ粒子の表面から約２０ｎｍまで半径方向に延びる領域内で、最大０．１Ｔ／ｎｍの空間勾配を含む。ナノ粒子は、水中で約１：１００００の低濃度で検出および測定するのに最も有効である。それによって、試験当たりのナノ粒子の消費が非常に少なくなる。一実施形態では、磁気共鳴システム７００の磁石７１２は、このために永久磁石を使用する。永久磁石は、電力を必要とせず、任意にコンパクトに作られてもよく、また、経済的である。ほとんどの従来の磁気共鳴システムは、磁場を発生するのに電磁石または超伝導コイルを使用した。電磁石または超伝導磁石のサイズを任意に減少させることは実現可能でない。電磁石が、サイズを縮小する場合、磁場は、比例してスケーリングされる。磁場が一定に保持される場合、電磁石コイル内の電流密度が増加しなければならない。電流密度は、根本的限界、銅の導電率のために、任意に増加することができない。ある電流密度限界、おおよそ１００アンペア／ｃｍ２を超えると、コイルは、水冷されなければならない。２番目の限界、おおよそ２００アンペア／ｃｍ２を超えると、コイルは、自己破壊する。小さく、高磁場で、定常状態の銅コイルは、実現可能でない。
【０１２１】
超伝導磁石のサイズを任意に減少させることも実現可能でない。超伝導コイルは、非超伝導コイルに比べてずっと小さくかつより強力に作られる場合があり、高い電流密度を保持することができる。しかし、超伝導コイルは、異なる極低温に維持された複数のシェルを通常有する真空遮断クライオスタットによって囲まれなければならない。同様に、種々のシェルは、支持ストラットによって、機械的かつ熱的に相互接続される。支持部材の熱伝導率のために、クライオスタットを任意の薄い作ることは可能でない。クライオスタットは、超伝導磁石で実現可能な小型化を制限する。
【０１２２】
永久磁石は、これらの欠点を何も持たない。永久磁石を使用した所与の磁石設計は、幾何形状の変化か、磁場の変化か、または、磁場品質の変化がない状態で、任意に大きな寸法または小さな寸法に正確にスケーリングされることになる。唯一の根本的な制限は、強磁性ドメイン・サイズ、約１ミクロンである。永久磁石システムを設計することによって、磁石は、他のパラメータを磁石スケールに適合させるのではなく、サンプル体積、ＲＦコイル特性、または他のシステム・パラメータによって決定されるサイズにスケーリングされてもよい。結果として、電磁石システム全体を小型化することが可能である。これによって、より小さなサンプル体積内での検出感度の改善、システムのセンサ部分のコストと重量の減少、および、必要とされるＲＦ電力の低減が得られる。
【０１２３】
磁石７１２の一実施形態は、図９に概略的に断面で示される。磁石は、中空鋼フレームなどのフレーム９１０を含む。一実施形態では、フレームの高さＨは、５０ｃｍ未満であり、５ｃｍ未満であってよい。幅Ｗはまた、５０ｃｍ未満であることができ、５ｃｍ未満であることができる。上部永久円盤磁石９１４は、フレームの上部セクションに取り付けられ、上部永久磁石に対向して位置する下部永久円盤磁石９１６は、フレームの下部セクションに取り付けられる。例えば、円盤は、ねじまたはボルトを使用して機械的に取り付けられることができ、かつ／または、円盤は、接着剤によって取り付けられることができる。円盤形状上部極片９１８は、上部永久磁石の上に位置し、円盤形状下部極片９２０は、下部極片の上に位置する。各極片の周縁の周りには、磁場の均一性を改善するために変えられてもよい調整ボルトを有する８つの微細なねじを切った穴がある。磁石は、フレームを互いにボルト締めし、永久磁石円盤を所定位置に摺動させ、極片を所定位置に摺動させ、その後、シミングすることによって組み立てられる。永久磁石円盤は、鋼フレームに非常に強く引き寄せられ、極片は、永久磁石円盤に非常に強く引き寄せられる。種々の接触部材間の求引および結果得られる摩擦は、組み立て品を保持するための機械的安定性を提供する。さらなる頑健性は、好ましくは、磁場シミングまたは磁気共鳴測定に干渉しない、磁石円盤または極片に対するクランプまたは接着剤を適用することによって得られてもよい。永久磁石コンポーネントにかかる力は、強く、おそらくは、危険である。関係する強い力の観点から、組み立てプロセスを制御するのに使用されるジグおよびツールは示されない。
【０１２４】
シミングは、必要な均一性を生成するために、磁石７１２などの磁石を調整するプロセスである。構築されたとき、ほとんどの磁石は、製造公差のために、不十分な均一性を提供する。シミングは、磁場分布を測定すること、磁石の内臓パラメータを調整すること、所望の均一性が達成されるまで、繰り返すことからなる。一実施形態では、パラメータの網羅的セット（そのほとんどは決して必要とされない）を提供するのではなく、最も重要な磁場パラメータに焦点を当てる簡単なシミング設計が利用される。
【０１２５】
第１に、２つの永久磁石円盤の磁化が等しくされる。観測される軸方向勾配に基づいて、１つまたは複数の薄い強磁性シートが、２つの磁石の強い方だけの回りで、磁気求引によって円周方向に固着される。シートの数および厚さの繰り返し調整によって、軸方向勾配のほぼ完全な打消しが得られる。シートは、その後、クランプまたは接着剤によって固定されてもよい。
【０１２６】
その後、極片の周縁の、小型ボルト、例えば、ボルト９２２の１つまたは複数が調整される。これらのボルトは、横方向磁場勾配を打ち消すために、必要に応じて極片をわずかに揺らすように、永久磁石円盤を押し付ける。観測される磁場の詳細に応じて、いずれか、または、両方の極片が調整されてもよい。種々のボルトの最終調整は、横方向勾配のほぼ完全な打消しをもたらす。
【０１２７】
通常、極片の形状は、変更される必要はないが、極片は、取り外されることができ、所望の磁場を達成するために、必要である場合、その形状が変えられることができる。あるいは、極片間の間隔は、両方の極片の周りのボルトのすべてを締め付けることによってわずかに減少してもよい。こうした調整は、極片逃がし段（ｐｏｌｅ  ｐｉｅｃｅ  ｒｅｌｉｅｆ  ｓｔｅｐ）の深さを調整することと、磁気的にほとんど同じである。
【０１２８】
磁石部品（ｐａｒｔ）を作製するために、鉄または鋼などの粉末金属が、所望の形状の型内部に設置されることができる。その後、プレス内で、圧力および熱が加えられて、最終部品が生成される。小さな部品だけが、この技法によって作られることができるが、大量製造が達成されることができる。あるいは、個々の部品を作るのに、機械加工が使用されることができる。
【０１２９】
極片は、ギャップが、磁気共鳴サンプル・コイルを挿入し、調整するのに十分であるという制約の下で、サンプル試験について最も高い磁場均一性と磁場体積を提供するように設計されることができる。設計の制約は、飽和を制限するための極片における最大磁場、ターゲット磁場均一性を達成するための最小数のシミング・パラメータ、可能である場合、低コスト商用永久磁石コンポーネントの使用を含む。
【０１３０】
永久磁石材料は、非常に高い磁化密度を提供するが、温度に敏感である。周波数が磁場に対して調整されてもよい用途では、磁場の熱ドリフトは問題にならない。しかし、精密Ｔ２測定の場合、磁場を安定させることが必要である。温度制御式格納容器が使用されることができる。一実施形態では、格納容器は、発泡絶縁体（ｆｏａｍ  ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）および一対のパッチ・ヒータを使用して構築されることができる。熱電対センサおよびコントローラが配置構成を完全なものにする。
【０１３１】
ＣＰＭＧプロシジャを使用したＴ２の精密な決定は、少なくともスピン・エコー間隔の時間スケールに関する最小位相雑音を有する、極めて安定した局部発振器によって高められる。高コスト水晶発振器でさえ、通常、雑音の多いコンピュータ電力ラインのために、十分な安定性を提供しない。十分な安定性は、ＤＣ電力入力とＲＦクロック出力の両方をバファリングすることによって、安価な集積化水晶発振器を使用して得られる可能性がある。こうした配置構成は、図１０に概略的に示される。一実施形態では、図１０に示す発振器は、図７のパルス発生器７１８で使用される。一般に、ＤＣ（直流）電力入力は、２つ以上の電圧レギュレータを直列に配線することによってバッファリングされる。図１０に示す回路は、第１電圧レギュレータ１００２（例えば、＋１２Ｖ入力を受け取る８ボルト・レギュレータ）を含む。第２電圧レギュレータ１００４（例えば、８ボルト・レギュレータの出力を受け取る５ボルト・レギュレータ）は、第１電圧レギュレータの出力を受け取り、その出力を発振器１００６に供給する。第３電圧レギュレータ１００８（例えば、５ボルト・レギュレータ）はまた、第１電圧レギュレータの出力を受け取り、その出力を、７４Ｆ３０３７ライン・ドライバＮＡＮＤ（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ他から入手可能）などの高速でかつ高信号源絶縁を有するデジタル・ロジック・ゲート１０１０に供給する。デジタル・ロジック・ゲート１０１０は、発振器の出力をバッファリングする。
【０１３２】
磁気共鳴システム７００（図７）は、アンテナ７１６を使用して、サンプルと相互作用し、アンテナ７１６は、動作時に、サンプルの歳差運動核に電磁的に結合する。一実施形態では、コイルは、モジュール式で交換可能なプラットフォームに搭載されて、サンプル・サイズの変更、汚染の場合のコイルの交換、または、必要とされる他の変更が可能になる。
【０１３３】
アンテナは、汚染防止（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ−ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）材料内にカプセル化される（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ）。汚染は、複数の疾病または毒素を担持する複数のサンプルが、試験されるとき、深刻な問題となる。従来のアンテナは、幾何学的に非常に複雑であり、非衛生学的な絶縁体および導体材料を含むため、清潔にすることが難しい。アンテナのカプセル化は、この問題を解決することができる。例えば、アンテナは、中空円柱テフロン（登録商標）形状に埋め込まれた銅コイルであるため、サンプル容器からもたらされる任意の汚染は、テフロン（登録商標）表面にだけ当たるが、実際の導体には当たらないことになる。テフロン（登録商標）は、非吸収性で、かつ、清掃するのが比較的容易であるため、汚染問題は、大幅に小さくなる。同様に、カプセル化されたアンテナは、自由に搭載されたコイルに比べて、安定であり、かつ、機械的に頑丈であることになる。重水素またはフッ素などの封止材（ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ）内の元素からの磁気共鳴信号を使用して、周波数または磁場が制御されてもよい。
【０１３４】
雑音、干渉信号、基線オフセット、および背景作用の消去は、変更した種々のＲＦ位相によって、複数回、磁気共鳴測定を実施することによって改善される可能性がある。これは、コントローラの制御下で実装されることができる。例えば、励起は、ＲＦパルス中に、スピンの正の位相回転と負の位相回転との間で変更されてもよい。コントローラによる信号処理中に、受信機発振器の位相は、９０°またはその倍数だけ回転する可能性がある。これらの位相変更を制御するコントローラ内の解析ソフトウェアはまた、背景を消去しながら、所望の信号を累積するために、デジタル・データの対応する加算または減算を実施する。
【０１３５】
種々のユーザ・インターフェイスが、システムに設けられることができる。例えば、図７に示すシステム７００は、選択された１つまたは複数の分析物を検出するための測定を実行し、検出される場合、警報を発することによって結果を報告するか、あるいは、ユーザ・インターフェイス７２４によって可視表示またはレポートを提供することができる。１つのバージョンでは、オペレータは、混合したサンプルをシステム内に挿入し、ユーザ・インターフェイス上の単一ボタンを押して、コントローラがサンプルを実行し解析する（ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ｔｏ  ｃａｒｒｙ  ｏｕｔ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｚｅ  ｔｈｅ  ｓａｍｐｌｅ）ための、前もって準備した一連の命令が始動される。２つ以上の分析物が、探索されるべきである場合、命令は、各分析物に対して鋭敏化されたナノ粒子の混合を自動的に指示し、測定を順次実行する。機器の別のバージョンでは、機械式または光学式スイッチが、磁気共鳴システム内へのサンプルの挿入を検知し、測定シーケンスを自動的に始動する。
【０１３６】
一実施形態では、Ｔ２変化は、分析物が存在するという主要な指標である。Ｔ２測定に影響を及ぼす可能性があるドリフトまたは誤差があるかをチェックするために、システムは、サンプルの測定されたＴ２を、前もって測定したＴ２値を有するシールされた較正サンプルのＴ２と比較することができる。シールされたサンプルは、水、鉱物油、または、比較用の安定したＴ２を有する他の液体内に硫酸銅を含有してもよい。あるいは、シールされた較正サンプルは、定期的に測定されることができる。
【０１３７】
磁気共鳴システム内にサンプルを提示するための多様なメカニズムが使用されることができる。液体媒体、分析物、およびナノ粒子を含むサンプルは、ガラスＮＭＲ管などの容器、プラスチック管またはバイアル、プラスチック微小遠心分離管またはフラスコなどの使い捨て容器、あるいは、他の適した容器内で混合されることができる。有利なポリマは、その靭性、不活性（ｉｎｅｒｔｎｅｓｓ）、および機械加工性のために、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）である。容器は、ナノ粒子が、壁に固着するか、凝集するか、または、混合物から析出することを防止する材料をコーティングされてもよい。例えば、皮膜は、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）などのたんぱく質であってよい。サンプルを含む容器は、手作業でまたは機械式送り装置によって、磁気共鳴システム内に挿入されてもよい。あるいは、磁気共鳴システム内の固定容器が、サンプル液体を容器内に挿入することによって、例えば、サンプルまたはその成分を、管を通して容器内に圧送することによって、複数のサンプル測定のために使用されてもよい。測定後、サンプルは、ポンプ、管、弁、および関連する流体流デバイスを使用して、固定容器から取り出される。サンプルとサンプルとの間に、洗浄またはすすぎ工程が実行されることができる。蒸留水とナノ粒子を保持するリザーバの紫外線処理は、細菌形成を防止するために実行されることができる。あるいは、アジ化ナトリウムなどの殺菌剤が、トレース量で蒸留水に混合されて、水中での細菌および藻類の成長を防止することができる。
【０１３８】
図１１に概略的の示す一実施形態では、複数のセンサ・ユニットが、単一コントローラに接続される。例えば、自動化された固定サイト・システムは、電源を有する１つの中央コントローラ１１０２、および、複数の遠隔センサ・ヘッド１１０６ａおよび１１０６ｂにケーブルで接続されたパルス発生器または送信機からなってもよい。２つのセンサ・ヘッドだけが示されるが、もっと多くのセンサ・ヘッドが使用されることができる。各ヘッド１１０６は、例えば、図７に関連して述べたように、選択されたナノ粒子を加えたサンプル調製装置、磁気共鳴磁石、前置増幅器、およびコイルを含む。ＲＦ電力パルスは、コントローラ１１０２によって制御される出力マルチプレクサ１１０８を通してセンサ・ユニットへ送られる。センサ・ユニットからの信号は、入力マルチプレクサ１１１２を通して、同様にコントローラによって制御される受信機１１１０に送られる。相互接続は、好ましくは、同軸ケーブルによる。あるいは、各センサ・ユニットは、ＲＦ増幅器を含んでもよい。ＲＦ増幅器が、センサ・ユニットに位置するとき、相互接続は、大電力ＲＦパルスを運ばず、したがって、同軸ケーブルと同様に、無線、光ファイバ、または他の通信手段であってよい。図１１に示すシステムの要素は、上述したように動作する。
【０１３９】
一実施形態では、空気中に浮遊する粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｍａｔｔｅｒ）は、疾病またはテロリストの攻撃があるかを試験するために、自由空気、ＨＶＡＣダクト、ショッピング・モール、地下鉄列車（ｓｕｂｗａｙ  ｔｒａｉｎ）、および大量輸送エリア（ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｉｔ  ａｒｅａ）などの内部空間、あるいは、任意の他の空気システムから取り出されてもよい。（ＨＶＡＣは、加熱、換気、および空調を表す。）収集（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）は、好ましくは、粒子状物質をシステム内に吸い込むこと、または、空気から液体媒体内に粒子を集中化することを含む。図１２は、こうしたモニタ・システムの略図を示す。コレクタ１２０２は、ダクト内、または、監視されるべき任意の他のエリア内に位置することができ、ちりと虫を排除するための覆い物（図示せず）を含むことができる。コレクタ１２０２は、分析物またはサンプル材料を引き寄せる静電濃縮器を含むことができる。流体システム１２０４は、コレクタ１２０２から濃縮器磁石システム１２０５へ分析物を搬送し、濃縮器磁石システム１２０５において、サンプルは、上述した不均一磁場にさらされる。あるいは、濃縮器磁石システムは、均一磁場を生成することができる。流体システムは、その後、濃縮器磁石から磁気共鳴分析器またはシステム１２０６へサンプルを搬送する。磁気共鳴システム１２０６は、図７に関連して述べたシステムであることができる。流体システム１２０４は、分析物を、水媒体などの液体、および、１つまたは複数の分析物が検出されるように構成されたナノ粒子と混合するための自動化微小流体ミキサを含むことができる。ナノ粒子と水のリザーバ１２０８もまた、流体システムの一部であることができる。混合サンプルは、その後、流体システムによって濃縮器磁石システム１２０５に搬送され、濃縮器磁石システム１２０５において、サンプルは、不均一磁場にさらされる。流体システムは、その後、測定が行われる磁気共鳴システムのサンプル・エリアにサンプルを搬送する。一実施形態では、流体搬送システムは、ミキサと連通し、サンプル・エリア内に広がる。測定結果に応じて、サンプルは、廃物容器内に投棄されるか、アーカイブ材料として格納されるか、または、２次解析システムへ送出されてもよい。排水（ｗａｓｔｅ  ｗａｔｅｒ）は、フィルタを通過することによって再び使用されるように、再利用されてもよい。
【０１４０】
図１３および１４は、磁気濃縮器システムの略図である。図１４に示すシステムは、本明細書で述べる方法を実行するための磁気濃縮器７０５として使用されることができるシステムの一実施形態である。図に示す実施形態は、外部型磁気分離システム（ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｔｙｐｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を含むフロー・セル・ベッセル（ｆｌｏｗ  ｃｅｌｌ  ｖｅｓｓｅｌ）である。フロー・セル１３０１は、（明るい点描で表される）ナノ粒子−分析物混合物を含有する。管１３０２は、フロー・セル１３０１内へ、また、フロー・セル１３０１外へ混合物を運ぶ。永久磁石１３０３、および、磁束集中化器（ｆｌｕｘ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）１３０４、例えば、磁場集中化極片は、フロー・セル１３０１に近接して位置する。磁石１３０３は、矢印で示す方向を有する関連する磁場を有する。磁束集中化器１３０４は、磁石１３０３からフロー・セル１３０１に磁束を運び、フロー・セル１３０１全体にわたって、不均一磁場と強い磁場勾配を生成する。磁場強度が最も高い高磁場領域１３０５（暗い点描）は、磁束集中化器１３０４に隣接するフロー・セル内に作られる。磁束集中化器１３０４は、この実施形態では、フロー・セル１３０１の表面に沿って延びるほぼ直線状の高磁場領域１３０５を生成するように形成形される。流体混合物内のナノ粒子−分析物複合体は、高磁場領域１３０５の方に引き寄せられ、それにより、複合体の濃度が増加し、相互作用率が高まる。
【０１４１】
図１４は、本明細書に述べる解析器システムと共に使用されることができる磁気集中化器システムのオーバヘッド平面図と断面立面図の組合せである。ナノ粒子−分析物混合物（点描で示す）を含有する遠心分離管１４１２および１４１３は、磁石組み立て品１４１１内に設置される。磁石組み立て品１４１１は、円盤形状永久磁石１４１４を含み、円盤形状永久磁石１４１４は、４２ＭＧＯｅの強度と矢印で示す磁化方向を有するＮｄＦｅＢ永久磁石円盤である。永久磁石１４１４の上にあるのは、６個の半円ノッチ１４１６が、そこから切り取られた鋼円盤である極片１４１５である。極片１４１５は、永久磁石１４１４と連携して、円形ノッチ間にあり、かつ、遠心分離管１４１２および１４１３が設置される空間に、強く不均一性の高い磁場１４１７を発生する。成形された極片１４１５の目的は、永久磁石１４１４からの磁束を向け直し、その磁束を、遠心分離管１４１２および１４１３にできる限り近くなるよう、半径方向に放出させることである。磁石組み立て品１４１１の外側シェルは、処理領域を限定し、磁束を元の永久磁石１４１４に運ぶために鋼であってよい。図示する実施形態は、極片１４１５に最も近いサンプル体積において０．７テスラの磁場を生成し、遠心分離管１４１２の反対側で約０．２テスラに落ちる磁場を生成する。図示する実施形態は、６個のサンプルを同時に磁気的に処理し、溶液内のナノ粒子−分析物複合体を、反応鎖の濃縮堆積物（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔ  ｏｆ  ｒｅａｃｔｅｄ  ｃｈａｉｎｓ）に数分で変換する。
【０１４２】
図１５は、磁気処理が有る場合とない場合の磁気共鳴データのグラフである。磁気共鳴Ｔ２パラメータを測定することによって、生物学的脅威材料を検出する実験の一部として収集された。グラフは、種々の条件の場合の、２０時間にわたる、初期値に対するＴ２の変化を示す。太い（一番上の）線は、炭疽菌（炭疽菌ＤＮＡ（ｂａｃｉｌｌｕｓ  ａｎｔｈｒａｃｅｓ  ＤＮＡ）、プラスミドｐｘ０１、濃度２０ｎｇ／ｍＬ）が、ナノ粒子に付着した、適したプローブに対する選択的な結合によって、または、本発明の方法による磁気処理によって、ナノ粒子と相互作用する、３つの測定の平均を示す。ここで、サンプル混合物は、Ｔ２測定が実際に行われたときを除いて、試験の継続時間の間、混合物の一方の側の約０．８テスラからサンプルの反対側の約０．２テスラの範囲の不均一磁場にさらされた。同様に、個々の測定値は、ｘとして示される。分析物と磁気処理の両方を有するサンプルの場合、約２３ミリ秒の信号またはＴ２の実質的な変化が観測された。細い実線は、磁気処理はまったくないが、同じ分析物についての結果を示す。無視できるＴ２作用が観測される。破線と点線は、分析物を持たず、磁気処理が有る場合とない場合のコントロール・サンプルについての同じ測定を示す。この実験による結論は、本発明の磁気処理が、低濃度の炭疽菌ＤＮＡから検出可能な磁気共鳴信号を大幅に高めることである。
【０１４３】
図１６ａ〜１６ｅは、図１２に関連して述べた固定設置システム（ｆｉｘｅｄ  ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）および３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す。図１６ａは、斜視図であり、図１６ｂは、取入れ口１６０２とディスプレイ１６０４を示すシステムの立面図である。図１２ａに示す他の要素は、ケーシング（ｃａｓｉｎｇ）内に収容される。図１６ｃ〜１６ｅは、システム用の３つの吸入口オプションを示す。始動すると、コントローラは、システムが、解析のためにサンプルを定期的に収集するようにさせる。システムはまた、手動で動作することができる。ユーザ・インターフェイスは、ボタンまたはタッチ・スクリーンによって提供されてもよい。ディスプレイ１６０４は、動作状態を示すことができる。ユーザ・アクセスは、例えば、指紋識別などの生体識別またはパスワードによって制御されることができる。
【０１４４】
図１７は、手持ち式システムの正面斜視図である。システムは、単一ボタン自律動作モードで動作することができる。サンプルは、バイアルおよび管によって導入されることができる。容器１７０２内のサンプルは、一番上のレセプタクルまたは開口１７０４を通してシステム内に導入されることができる。システムの内部で、流体システムは、図１０ａに関連して上述したように、混合し、ＮＭＲシステム内へ移動するようにサンプルを操作するであろう。ユーザ・インターフェイス１７０６は、表示スクリーン上に「ｂｉｏｈａｚａｒｄ」と「ｓａｆｅ」点灯エリアを含むことができる。動作を開始させるために、ｓｔａｒｔボタンが、タッチ・スクリーン上に設けられる。システム動作の状態は、スクリーン上に指示される。
【０１４５】
医療診断目的のために上述した測定または検出技法を実行するか、または、実装することができるシステムの一実施形態が、ここで、自動化サンプル試験システムの機能ブロック図である図１８を参照して述べられるであろう。臨床用途の場合、サンプルは、患者からの材料の標本を含む。材料は、皮膚、血液、プリオン、髄、毛髪、生検サンプル、または他の組織などの、生きているか、または、死んでいる細胞材料、あるいは、唾液、粘液、痰、静脈内流体、尿、糞、膿、脊髄液、および胃または腸の内容物などの非細胞生物学的材料、あるいは、人または動物の体から得られる任意の他のサンプル材料を含んでもよい。その材料を収集することは、患者または被検者が材料を生成すること、臨床医が、患者または被検者の体から材料を抽出すること、研究者が、犯罪現場または事故からサンプル材料を取り出すこと、あるいは、試験のために生物学的材料の累積をもたらす任意の他のステップを含む。
【０１４６】
最初に、流体システム１８０２は、患者の標本１８０４か、その一部分か、または、その溶液を、ミキサ内に吸い込み、ミキサは、サンプル材料を、例えば、溶媒リザーバ１８０６内に格納された溶媒、および、リザーバ１８０８ａ〜１８０８ｃ内に格納された１つまたは複数のタイプのナノ粒子と混合する。各タイプのナノ粒子は、疾病または医療状況に関連する１つまたは複数の化学物質または分析物について鋭敏化されることができる。図１８は、３つのナノ粒子のタイプを示すが、それぞれが、１つまたは複数の医療状況に関連する１つまたは複数の分析物に対して鋭敏化された任意の数のナノ粒子のタイプが使用されることができる。疾病は、ウィルスおよび細菌などの伝染性病原体、および、がんまたは高コレステロール血症などの非伝染性疾病を含む。化学物質は、酵素、または、体、毒素、および薬物によって生成される他のマーカを含む。一実施形態では、ユーザは、特定の患者の標本を試験するときに使用されるべきナノ粒子のタイプを選択する。例えば、医師は、患者の血液サンプルを抽出して、投薬量を管理する（ｃｏｎｔｒｏｌ）ために、投薬の濃度をチェックしてもよく、または、空港または国境交差部（ｂｏｒｄｅｒ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ）の監視員は、鳥インフルエンザがあるかをチェックするために、生きているか、または、死んでいる鶏の組織サンプルを採取してもよい。さらなる処理ステップは、サンプルのＤＮＡか、ＲＮＡか、または他の成分を放出させるために、サンプルを溶解させること、サンプルを加熱するか、または、冷却すること、サンプルのｐＨを調整すること、または、ナノ粒子と分析物との選択的な反応を促進するのに必要とされる他のステップを含んでもよい。混合サンプルまたはそのアリコートは、その後、図７で述べたシステムなどの磁気共鳴システム１８１０内に搬送される。図１８に示すシステムはまた、上記図７および１４に関連して述べた濃縮器磁石を含み、サンプルは、磁気共鳴システム内にある間か、または、磁気共鳴システムの前に、不均一磁場にさらされる。あるいは、サンプルは、磁気共鳴機器内にある容器内でナノ粒子と混合され、それにより、混合サンプルを搬送するステップが回避され、サンプルが、磁気共鳴機器内にある間に、さらなる処理ステップがとられる。
【０１４７】
磁気共鳴機器は、その後、サンプルのＴ２などの、サンプルからの信号を測定し、それらの信号を解析して、選択された分析物の存在することか、存在しないことか、または、その濃度が決定される。その後、測定結果に基づいて、医師は、患者の疾病を診断してもよい。
【０１４８】
上述したシステムの一実施形態では、システムは、磁場に関連する信号を液体から測定することによって、分析物を検出する。具体的には、信号は、ナノ粒子の周りの特別な領域内の別個の磁場に感度がある。分析物が、対応する抗体または他の結合作用物質に結合すると、分析物は、特別な領域内に、したがって、別個の磁場内に留まるようにさせられる。分析物は、その領域から液体を追い出すため、液体は、その領域の磁場に固有の磁気共鳴信号をもはや放出しない。同様に、分析物は、磁気共鳴信号を放出しない、または、少なくとも、液体の信号に類似の信号を放出しないことに留意することが重要である。これは、分析物が、固体ナノ粒子に対して正しく保持され、分析物が、固体に固有の短いＴ２を示すようにさせられるからである。そのため、一実施形態では、分析物は、特別な領域を占めている間に、液体によく似た信号を生成しない。
【０１４９】
凝集は、Ｔ１ではなく、Ｔ２の変化をもたらす可能性があり、一方、Ｔ１とＴ２は共に、ナノ粒子の濃度の増加に応じて変化する。したがって、Ｔ１の測定は、ナノ粒子濃度の較正または独立した尺度として使用されることができる。一実施形態では、システムは、サンプルのＴ１とＴ２の両方を測定し、ナノ粒子濃度を決定するために、Ｔ１値に関する解析を、分析物を検出するために、Ｔ２値に関する解析を適用する。あるいは、サンプル内の鉄含有量、したがって、ナノ粒子濃度を測定するために、他の方法が利用可能である。
【０１５０】
コントローラによって実施されるデータ処理ステップは、ＣＰＭＧデータ内のＴ２変化などの、分析物の存在に関するパラメータについてデータをフィッティングすることを含む。通常、ＣＰＭＧのエコー列は、単一指数関数式に対するフィッティングである（振幅、時定数、および背景についての３パラメータ・フィッティング）。これを達成するための、簡単であるが効率的な方法は、グリッド探索（ｇｒｉｄ  ｓｅａｒｃｈ）であり、グリッド探索において、３つのパラメータすべてが、最初に、データから推定され、その後、３つのパラメータすべてを、推定値より大きく、また、小さく変更することによって、値の３次元グリッドが生成される。その後、式から、データの最小カイ２乗または２乗平均偏差として最良値が選択される。最良値から始めて、新しい探索グリッドが再び計算され、偏差が計算され、最良値が再び導出される。このプロセスは、最良の大域的フィッティングが得られるように、多数回（通常９回）繰り返される。任意選択で、グリッドのスケールは、同じ値が繰り返し現れないように、使用されるたびに、ある倍率（通常０．９５）に減少してもよい。
【０１５１】
磁気共鳴システムの主要なサブシステムは、パルス発生器、信号受信機、およびコントローラである。これらのサブシステムは、ケーブルで相互接続された別々のボード上に存在してもよい。あるいは、サブシステムは、単一コンピュータ・ボード上で単一回路として集積化されてもよい。後者の利点は、ケーブル相互接続が必要とされないこと、同様に、単一の時間ベースがすべてについて使用されてもよいことである。
【０１５２】
システムは、電池駆動されることができる。システムは、データ収集中に非常に少ない電力を使用し、スリープ・モードにおいて実際上ゼロ電力を使用するようにプログラムされることができる。
【０１５３】
一実施形態では、システムはまた、コントローラにインターフェイスされた放射線検出器（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含む。放射線検出器の目的は、サンプル内の放射性材料を検出することである。放射線検出器は、好ましくは、半導体、シンチレータ、およびガス封入カウンタ（ｇａｓ−ｆｉｌｌｅｄ  ｃｏｕｎｔｅｒ）などの、ガンマ線に感度のある任意の放射線センサであってよい。検出器は、磁気共鳴システムの下流に設置された、サンプル収集手段、サンプル混合システム、または保持チャンバに近接して配置されてもよい。
【０１５４】
蜘蛛などの虫は、空気吸入口およびコレクタを覆い隠す可能性がある。こうした昆虫（ｂｕｇ）についての最初の障壁は、フィルタである。外部設置の場合、人とペットに対して好ましくは無害の殺虫剤のゆっくりした放出が取り入れられることができる。こうした殺虫は、吸入口の軸に沿って、または、吸入口の口部の近くに実装されることができる。
【０１５５】
一実施形態では、システムおよび方法は、爆発物および化学兵器材料を検出する。システムおよび方法は、先に説明したナノ粒子を使用して検出を実施することができ、ナノ粒子上での特異的な結合部位が、爆発物または化学兵器分子に結合する。あるいは、システムおよび方法は、ナノ粒子を使用することなく、サンプル材料自体からの磁気共鳴信号を測定することによって、爆発物および化学兵器材料を検出することができる。システムは、化学兵器および爆発物を検出するために、スピン核オーバーハウザー効果（Ｓｐｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｏｖｅｒｈａｕｓｅｒ  Ｅｆｆｅｃｔ）を使用してもよい。この場合、ナノ粒子はまったく必要とされない。別の構成は、ガス・クロマトグラフィ、質量分析、イオン移動度測定、他の分析技法、およびナノ粒子が有る場合とない場合のＮＭＲを組み込むハイブリッド・システムであることができる。
【０１５６】
本発明のシステムおよび方法の利点は、確認試験が、同じ装置を使用してある分析物につい実行されてもよいことである。例えば、爆発物についての確認試験は、ほとんどの爆発物についてのＴ１が著しく長い（複数秒（ｍａｎｙ  ｓｅｃｏｎｄｓ））ため、磁気共鳴システムを使用してＴ１パラメータを測定することを含む。別の例として、神経作用物質などの化学兵器についての確認測定は、それらの元素の特性ラーモア周波数に基づく、フッ素またはリンについての磁気共鳴スキャンである。
【０１５７】
一実施形態では、システムは、郵便物から収集された粒子状性物質を試験することによって、郵便物封筒内の毒素および生物学的武器を検出する。この用途では、システムは、好ましくは、郵便物片を振ること、振動させること、空気を吹き付けること、または、郵便物を圧迫することなど、郵便物から粒子状物質を抽出する手段を含むことになる。システムは、好ましくは、他のセンサが、特定の郵便物片に疑いを向けた後にだけ、粉末を取り出すために封筒を切断する手段を含んでもよい。
【０１５８】
空気をサンプリングする用途についての好ましい実施形態は、空気吸入口、コレクタ、濃縮器、および自動化流体システムを含む。空気吸入口は、ちりと虫を排除するためのフィルタ、および、空気からサンプル粒子を分離するためのサイクロンを含む。吸入口は、「インパクタ（ｉｍｐａｃｔｏｒ）」または「プリセパレータ（ｐｒｅ−ｓｅｐａｒａｔｏｒ）」または「分別器（ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｏｒ）」を使用してもよく、また、大きな粒子（例えば、約１０マイクロメートルの空気力学的直径より大きいサイズを有する粒子）が、検出器または識別器に入るのを防止する役割を果す。大粒子不分別器は、大気サンプラ（ａｍｂｉｅｎｔ  ｓａｍｐｌｅｒ）内の一体コンポーネントであり、内部ノズルとノズルに垂直なプレートの組合せである。ＨＶＡＣユニットまたは居住環境サンプラ（ｏｃｃｕｐｉｅｄ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  ｓａｍｐｌｅｒ）の場合、吸入口の下流に設置されるオプションのプリセパレータ・カートリッジが存在することができる。さらに、大気サンプラの場合、排気ポートのすぐ上流に設置される昆虫スクリーンが存在することができる。コレクタは、サンプル粒子を液体媒体内に挿入するために、仮想インパクタ（ｖｉｒｔｕａｌ  ｉｍｐａｃｔｏｒ）を含む濃縮器手段を含む。流体システムは、その後、サンプルをナノ粒子と混合する。
【０１５９】
一実施形態では、システムおよび方法は、例えば、輸送用コンテナ内の商品の中で、危険な材料か薬物か微生物を検出するために、輸送用コンテナを検査するようになっている。実施形態は、輸送用コンテナの内部空間から空気を吸い込む手段と、疑われるか、または、その空気中に伴出される任意の材料を収集する、または、濃縮する手段と、その材料をナノ粒子と混合する手段と、試験のために、その混合物を磁気共鳴システムに提示する手段とを含む。検査は、輸送用コンテナの扉を開けることによって実行されてもよい。あるいは、内部空気は、輸送用コンテナ上のポートまたは再閉塞可能な開口を通して吸い込まれてもよい。さらなる詳細は、「ＳＨＩＰＰＩＮＧ  ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」という名称の２００５年７月４日に出願された仮出願第６０／６６９，０１９号に提供される。
【０１６０】
本明細書で開示した実施形態に関連して述べた、種々の例証的なロジック・ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズム・ステップは、しばしば、電子ハードウェア、コンピュータ・ソフトウェア、または、両方の組合せとして実装されることができることを当業者はさらに理解するであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの交換可能性を明確に示すために、種々の例証的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、それらの機能の点から、一般的に上述された。こうした機能が、ハードウェアとして実装されるか、またはソフトウェアとして実装されるかは、特定の用途および全体システムに課された設計制約に依存する。当業者は、それぞれの特定の用途について種々の方法で述べた機能を実装することができるが、こうした実装の決定は、本発明の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきでない。さらに、モジュール、ブロック、回路、またはステップ内での機能のグループ化は、説明を容易にするためのものである。特定の機能またはステップは、本発明から逸脱することなく、１つのモジュール、ブロック、または回路から移動することができる。
【０１６１】
本明細書で開示される実施形態に関連して述べた、種々の例証的なロジック・ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル・ロジック・デバイス、ディスクリート・ゲートまたはトランジスタ・ロジック、ディスクリート・ハードウェア・コンポーネント、あるいは、本明細書で述べる機能を実施するように設計された、それらの任意の組合せによって実装されるか、または、実施されることができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであることができるが、代替法では、プロセッサは、コンピューティング・デバイスの組合せ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携した１つまたは複数のマイクロプロセッサ、または、任意の他のこうした構成として実装されることができる。
【０１６２】
本明細書で開示される実施形態に関連して述べた、方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接に、プロセッサによって実行されるソフトウェア・モジュールで、または、両者の組合せで具現化されることができる。ソフトウェア・モジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュ・メモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハード・ディスク、取り外し可能ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または任意の他の形態の記憶媒体内に存在することができる。例示的な記憶媒体は、プロセッサが、記憶媒体から読み出し、記憶媒体へ情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合されることができる。代替法では、記憶媒体は、プロセッサと一体形であることができる。プロセッサおよび記憶媒体は、ＡＳＩＣ内に存在することができる。
【０１６３】
開示された実施形態の上記説明は、当業者が本発明を作るか、または、使用することを可能にするために行われる。これらの実施形態に対する種々の変更は、当業者に容易に明らかになり、本明細書で規定される一般的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用されることができる。そのため、本発明は、本明細書に示す実施形態に限定されることを意図されるのではなく、本明細書に開示される原理および新規な特徴に適合する最も広い範囲が与えられることを意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】印加された磁場とナノ粒子の周りの第２の磁場の略図である。
【図２】図１のナノ粒子を囲む正味の磁場のグラフである。
【図３】ナノ粒子の周りの磁場勾配の大きさのプロットである。
【図４】粒子の軸に沿う磁場勾配の大きさのプロットである。
【図５】磁場内におけるナノ粒子間の相互の力の略図である。
【図６】ナノ粒子と分析物からの、鎖構造の形成の略図である。
【図７】磁気共鳴システムの機能ブロック図である。
【図８ａ】４つのアンテナ構成のうちの１つの図である。
【図８ｂ】４つのアンテナ構成のうちの１つの図である。
【図８ｃ】４つのアンテナ構成のうちの１つの図である。
【図８ｄ】４つのアンテナ構成のうちの１つの図である。
【図９】磁石の一実施形態の略図である。
【図１０】バッファリングされた発振器の回路図である。
【図１１】１つのコントローラと複数のセンサ・ユニットを有する設置の略図である。
【図１２】ＨＶＡＣシステムと共に使用するのに適した解析器システムの略図である。
【図１３】濃縮器磁石システムの図である。
【図１４】代替の濃縮器磁石システムの図である。
【図１５】磁気処理が有る場合とない場合の磁気共鳴データのグラフである。
【図１６ａ】固定設置システムおよび３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す図である。
【図１６ｂ】固定設置システムおよび３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す図である。
【図１６ｃ】固定設置システムおよび３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す図である。
【図１６ｄ】固定設置システムおよび３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す図である。
【図１６ｅ】固定設置システムおよび３つのコレクタ取入れ口の実施形態を示す図である。
【図１７】手持ち式システムの正面斜視図である。
【図１８】医療診断用途に適合するシステムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ−ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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