(57)【要約】  本発明は、方法及び（バイオ）センサシステムに関する。本明細書では、分析物特異的プローブを有するセンサの表面上を横に磁性粒子を運搬するために、磁場が印加される。本発明の方法は、センサの表面に対する磁性粒子の特異的結合を可能にし、一方で、非特異的及び非結合の粒子は取り除かれる。
2009536348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサの表面、及び、該センサの表面外の少なくとも１つの領域を有する反応チャンバを含み、１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段をさらに含むシステムであって、前記１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段が、前記磁場のうちの１つが、前記センサの表面に対して平行な要素を持つ勾配を有し、前記センサの表面及び前記センサの表面外の少なくとも１つの領域に及ぶように置かれる、システム。
【請求項２】
前記磁場のうちの1つが、前記センサの表面に対して垂直な要素を持つ勾配を有し、前記要素が、前記反応チャンバから前記センサの表面に向けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記磁場が、前記センサの表面上を横に該センサの表面外の第１の領域まで、磁性粒子を移動させるようされる、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記磁場が、前記センサの表面外の第１の領域から、前記センサの表面上を横に該センサの表面外の第２の領域まで、磁性粒子を移動させることができる、請求項１乃至３のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項５】
前記磁場が一方向に印加される、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記磁場が一度印加される、請求項４又は５に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサの表面外の第１及び第２の領域が同じである、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
磁性粒子の適用のために、専用の領域が前記センサの表面外の領域上に提供される、請求項１乃至７のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項９】
前記磁性粒子を前記反応チャンバ内に導入するための注入手段をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記磁場を生じるための１又は複数の手段が、前記センサの表面の両側に置かれた２つの磁石を含む、請求項１乃至９のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１１】
所与の期間中、前記磁性粒子に印加される前記磁場が、ブラウン運動により得られる距離よりも遠くへ前記粒子を運搬する、請求項１乃至１０のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段が、より小さな面内要素を有する面外場を生じ、前記センサの表面より下に置かれる磁石である、請求項１乃至１１のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記センサの表面が分析物特異的プローブを含む、請求項１乃至１２のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記センサの表面外の２つの領域間に置かれた前記センサの表面の寸法が、少なくとも１０から３０マイクロメートルである、請求項１乃至１３のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記センサの表面又は該センサの表面外の領域に粒子を引きつけるのに適した電流導体が欠如している、請求項１乃至１４のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記分析物特異的プローブが、オリゴヌクレオチド、抗体若しくはその断片、レクチン、医薬化合物、ペプチド、又は、蛋白質からなる群から選択される、請求項１３乃至１５のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記センサの表面上の少なくとも１つの磁性粒子の磁気特性を検出するための磁性粒子検出手段をさらに含む、請求項１乃至１６のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記磁性粒子検出手段が、前記少なくとも１つの粒子が磁場検出を受けた場合に、前記少なくとも１つの粒子から前記磁場を検出するか、又は、前記少なくとも１つの粒子の磁化能力を検出する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記磁性粒子検出手段が、磁気抵抗性センサ又はホールセンサである、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項２０】
反応チャンバ、分析物特異的プローブ又は分析物類似体を有するセンサの表面を含む使い捨てのカートリッジであって、前記反応チャンバが、前記センサの表面外の少なくとも１つの領域、及び、１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段を含む、カートリッジ。
【請求項２１】
分析物を定量化及び／又は検出する方法であって：
（a）    分析物特異的プローブ又は分析物類似体を有するセンサの表面、及び、該センサの表面外の領域を持った反応チャンバに磁性粒子を提供するステップ、
（b）    前記センサの表面に対して本質的に平行な要素を有する磁場勾配を前記反応チャンバ内に印加するステップであり、それによって前記磁場が、前記センサの表面上を横に前記センサの表面外の領域に向かって前記磁性粒子を移動させる、ステップ、並びに、
（c）    前記センサの表面に結合した前記磁性粒子を検出するステップ、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記磁場勾配が、ステップ（ｃ）の前に１又は複数回逆転される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記逆転が、０．１Ｈｚ未満の周波数を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記磁場勾配が逆転されない、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
１又は複数の磁場が、
前記センサの表面外の第１の領域から前記センサの表面まで
該センサの表面上を横に、及び、
前記センサの表面から該センサの表面外の第２の領域まで
前記磁性粒子を移動させるようされる、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記センサの表面外の第１の領域と前記センサの表面外の第２の領域が同じである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記磁性粒子がラベルされる、請求項２１乃至２６のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２８】
前記反応チャンバにおいて液体の移動の非存在下で本質的に実行される、請求項２１乃至２７のいずれか1項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性粒子を用いて試料における分子を検出及び／又は定量化するシステム、装置、及び方法に関し、そのようなシステムと共に使用する使い捨てのカートリッジを含み、並びに、そのような磁性粒子を移動させるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオアッセイ及びバイオセンサにおける磁性粒子の使用には、いくつか魅力的な態様がある。分析物を有する磁性粒子を、磁場を用いて撹拌し、それによりプローブと分析物との反応時間を短縮することができる。磁場を使用して、非特異的に結合した分析物をプローブから取り除く、反応チャンバの一部に磁性粒子を集める、又は、反応チャンバの中に及び／若しくは反応チャンバから外に粒子を動かすことができる。磁性粒子自体の磁気特性を、検出目的のために使用することができる。
【０００３】
一般的に使用される種類の磁場勾配が、センサの表面に対して垂直に適用され、センサの表面に又はセンサの表面から粒子を移動させる。円錐場（conical  fields）もまた、例えば顕微鏡対物レンズ等、特定の一点に粒子を集めるために適用されてきた。撹拌効果を生じるために、円形又はランダム磁場が使用される。これについての例は、ＵＳ５４４５９７１、ＵＳ６５４８３１１、ＵＳ６１８０４１８、Perrin  et  al.  (1999),  J.  Immun.  Meth.  224,  77-87;  Luxton  et  al.  (2004)  Anal.  Chem.  76,  1715-1719;  及び、Ferreira  et  al.  (2005)  Appl.  Phys  Lett.  87,  013901に記載されている。
【０００４】
それにもかかわらず、より速く効率的な方法で種々のアッセイステップを行わせる装置が、特にハイスループットスクリーニング及びオンサイト分析の状況において非常に望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁性粒子を用いて試料における分子を検出及び／又は定量化する、代わりの又は改善されたシステム及び方法だけでなく、そのようなシステムと共に使用する使い捨てのカートリッジ、並びに、そのような磁性粒子を移動させるシステム及び方法を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本発明は、センサの表面、及び、該センサの表面外の少なくとも１つの領域を有する反応チャンバを含み、１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段をさらに含むシステムに関し、前記１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段は、前記磁場のうちの１つが、前記センサの表面に対して平行な要素を持つ勾配を有し、前記センサの表面及び前記センサの表面外の少なくとも１つの領域に及ぶように置かれる。
【０００７】
さらに、前記磁場のうちの1つは、前記センサの表面に対して垂直な要素を持つ勾配を有することができ、前記垂直な要素は、前記反応チャンバから前記センサの表面に向けられる。当該システムにおいて、前記磁場は、前記センサの表面上を横に、すなわち該表面に沿って、前記センサの表面外の第１の領域まで磁性粒子を移動させるようされ得る。当該システムにおいて、前記磁場は、前記センサの表面外の第１の領域から、前記センサの表面上を横に前記センサの表面外の第２の領域まで磁性粒子を移動させることができる。
【０００８】
一方向のみで磁場を印加させ、それによって前記粒子も前記磁場の下、一方向で移動することが可能である。前記磁場が一度印加されることが、最も簡略な型である。
【０００９】
任意選択で、この工程は、磁場の印加と、例えば、磁性粒子をその最初の位置に向け直す流体の流れを交互に切り換えることにより繰り返すことができ、すなわち、粒子は、１つがもう一方の逆である、二方向で移動又は流れる。この場合、磁場は一度印加され、粒子の流れが後に続く。或いは、この方法で磁場を逆転及び／又は循環させて、粒子を前後に移動させることができる。
【００１０】
磁場を逆転する、又は、磁場を他の力と組み合わせることにより、前記センサの表面外の第１及び第２の領域は同じである。
【００１１】
磁性粒子の適用のために、専用の領域が前記センサの表面外の領域上に与えられるシステムを提供することができる。これらの粒子がセンサの表面の同じ面に加えられた場合、磁性粒子を前記センサの表面に対して垂直に引きつける磁場は必要ではない。従って、粒子をセンサの表面又は該センサの表面外の領域に引きつけるのに適した、電流導体（current  carrying  conductors）等の磁場発生器のないシステムを設計することが可能である。
【００１２】
本発明のシステムは、前記磁性粒子を前記反応チャンバに導入するための注入手段を含むことができる。
【００１３】
特定の実施形態において、磁場を生じるための１又は複数の手段は、前記センサの表面の両側に置かれた２つの磁石を含む。本発明によるいかなるそのようなシステムにおいても、磁場を所与の期間中印加することができ、前記磁性粒子の運搬は、ブラウン運動により得られる距離よりも大きい。
【００１４】
特定の実施形態において、前記１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段は、より小さな面内要素を有する面外場を生じ、前記センサの表面より下に置かれている磁石である。
【００１５】
当該システムの前記センサの表面は、分析物特異的プローブ又は分析物類似体を含むことができる。
【００１６】
前記センサの表面外の２つの領域間に置かれた前記センサの表面の寸法は、少なくとも１０、２０、３０、５０、又は１００マイクロメートルであり得る。
【００１７】
前記センサの表面に結合することができる前記分析物特異的プローブは、いかなる適したプローブでありえ、そのオリゴヌクレオチド、抗体若しくはその断片、レクチン、医薬化合物、ペプチド、又は、蛋白質は、単に例にすぎない。
【００１８】
当該システムは、前記センサの表面上の少なくとも１つの磁性粒子の磁気特性を検出するための磁性粒子検出手段も含むことができる。該磁性粒子検出手段は、前記少なくとも１つの磁性粒子が磁場検出（magnetic  detection  field）を受けた場合に、前記少なくとも１つの粒子から前記磁場を検出するか、又は、前記少なくとも１つの粒子の磁化能力を検出することができる。その例は、磁気抵抗性センサ又はホール（Hall）センサである。
【００１９】
本発明の別の態様は、反応チャンバ、分析物特異的プローブ又は分析物類似体を有するセンサの表面を含む使い捨てのカートリッジに関し、前記反応チャンバは、前記センサの表面外の少なくとも１つの領域、及び、１又は複数の磁場を生じるための少なくとも１つの手段を含む。
【００２０】
本発明の別の態様は、分析物を定量化及び／又は検出する方法に関し：
(a)分析物特異的プローブを有するセンサの表面、及び、該センサの表面外の領域を持った反応チャンバに磁性粒子（該磁性粒子の全て又は一部が、その表面上に分析物を保有することができる）を提供するステップ、
(b)前記センサの表面に対して平行な勾配要素を有する磁場を前記反応チャンバ内に印加するステップであり、それによって前記磁場は、前記センサの表面上を横に前記センサの表面外の領域に向かって前記磁性粒子を移動させる、ステップ、並びに、
(c)前記センサの表面に結合した前記磁性粒子を検出するステップ、
を含む。
【００２１】
この方法において、前記磁場勾配は、ステップ（ｃ）の前に１又は複数回逆転される。そのような実施形態で、逆転の周波数は、例えば０．０１、０．０５、０．１、０．５、又は１Ｈｚ等、いかなる適した値でも設定することができる。
【００２２】
別の実施形態において、前記磁場勾配は逆転されない。
【００２３】
本発明の方法のいかなる実施形態においても、１又は複数の磁場は、前記磁性粒子を前記センサの表面外の第１の領域から前記センサの表面まで該センサの表面上を横に、及び、前記センサの表面から該センサの表面外の第２の領域まで移動させるようされ得る。
【００２４】
前記センサの表面外の第１の領域と前記センサの表面外の第２の領域は、同じであり得る。
【００２５】
別の実施形態によると、前記磁性粒子はラベルされる。
【００２６】
本発明の方法は、前記反応チャンバにおいて液体の移動の非存在下で、本質的に実行することができる。
【００２７】
本発明は、リガンド又は生理活性分子等の分析物を含んだ磁性粒子をセンサの表面上に集めるステップと非結合磁性粒子及び非特異的に結合した粒子を取り除くために洗浄するステップが併合された方法及びセンサシステムも提供する。有利な点は、アッセイ時間を有意に減らすことである。
【００２８】
最小限の試薬の使用を必要とすることが、本発明の方法、システム、及び装置の利点である。
【００２９】
必ずしも水平のセンサ表面が必要というわけではなく、必要とされた装置又は研究室の空間管理において興味の対象であり得ることが、本発明の方法、システム、及び装置のさらなる利点である。
【００３０】
本発明は、磁性粒子（該磁性粒子の全て又は一部が、その表面上に分析物を保有することができる）の使用に適した感知システムを開示しており、プローブにより生化学的に活性なセンサの表面、該センサの表面上での粒子の移動を誘発する磁場を生じるための手段を含み、誘発された磁性粒子の横の移動距離は、前記センサの表面に関して、（i）該センサの表面の幅よりも大きく、さらに、（ii）磁場の不在下における拡散による運搬の距離よりも大きい。当該システムの反応チャンバは、磁性粒子が移動して、特異的結合の場合にはセンサの表面上のプローブに結合することができ、さらに、非特異的結合の場合にはセンサの表面上のプローブから解離することができる流動媒体を含有している。
【００３１】
本発明は、試料における分析物を検出するための改善された方法及び装置の設計を可能にしている。
【００３２】
以下の図は、本発明の実施形態を概略的な形態で示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明は、特定の実施形態に関して、及び、特定の図面を参考にして記述されるが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。特許請求の範囲におけるいかなる参照番号も、範囲を限定するものとして解釈されない。記述されている図面は、概略的なだけであり、無制限的である。図面においては、要素のうちいくつかのサイズが過大視されている場合があり、例証目的のため尺度で描かれていない。
【００３４】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されている「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外しない。単数名詞を言及する際に不定冠詞又は定冠詞が使用されている場合は、何か他に明確に述べられていない限りその名詞の複数形を含む。
【００３５】
さらに、本明細書及び特許請求の範囲において第１、第２、第３等の用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも順番又は時系列順を記述するために使用されているのではない。そのように使用されている用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書において記述されている本発明の実施形態は、本明細書に記述又は例示された順序以外の順序で操作できることが理解されたい。
【００３６】
本明細書において使用されている用語又は定義は、単に本発明の理解に寄与するために提供されている。
定義
本明細書で使用されている「分析物」という用語は、試料内の、存在及び／又は濃度の検出が望まれている化合物を意味する。
【００３７】
本明細書で使用されている「分析物特異的プローブ」という用語は、前記分析物と結合することができる化合物を意味している。
【００３８】
本明細書で使用されている「反応チャンバ」という用語は、装置又はカートリッジ内の、反応に関与する種々の試薬が互いに接触している領域を意味している。
【００３９】
本明細書で使用されている「センサの表面」という用語は、前記反応チャンバのうち、分析物特異的プローブ等のプローブに結合するのに適した部分を意味している。一般的に、最も重要な感度の高い検出が起こる領域でもある。
【００４０】
本明細書で使用されている「センサの表面外の領域」という用語は、装置又はカートリッジの反応チャンバ内の、センサの表面の隣又は周辺に置かれ、センサの表面と同じ面にある領域を意味している。
【００４１】
本明細書で使用されている「本質的に平行」という用語は、粒子の移動、又は、磁場若しくは磁場勾配を意味している。磁性粒子の移動は磁場勾配により決定されるので、その流れと磁場勾配の向きとの間に関係がある場合が多い。流れに関して、その用語は、４５°未満、又は、２０未満、１０未満若しくは５°未満の角度に一致する向きを意味している。磁場又は磁場勾配に関して、その用語は、一般的に、センサの表面に対して４５°未満、又は、２０未満、１０未満若しくは５°未満の角度に一致する向きを有する磁場又は勾配の要素にのみ関する。上記にかかわらず、例えば磁場勾配等の磁気ベクトルは、例えば８５°以上等の４５°を超える他の角度で基板又はセンサの表面と交差する場合がある。
【００４２】
一般的に、磁性粒子を使用する検出及び／又は定量化方法並びにシステムにおいて、磁性粒子には分析物（若しくは、分析物を含んだ試料）又はプローブが与えられ、検出は、表面に結合することができるプローブ又は分析物との反応にそれぞれ基づいている。本発明は、１又は複数の磁場の印加に基づき、磁性粒子が反応チャンバを進む方法及びシステムを提供し、その磁性粒子の移動は、前記反応チャンバ内に設けられたセンサの表面に対して本質的に平行である。
【００４３】
磁場による磁性粒子に及ぼす力は、磁場における粒子の位置エネルギーの勾配によって与えられる。磁気位置エネルギーは、磁化及び場の積分をとることにより計算することができる（例えば、J.D.  Jackson,  Classical  Electrodynamics,  John  Wiley  &  Sons,  Inc.,  1999を参照されたい）。結果として、磁性粒子に対する力は磁場勾配に関する。言い換えると、磁性粒子は、磁場の大きさが低い領域から高い領域に移動する傾向を有している。センサの表面に対して本質的に平行であるか、又は、センサの表面に対して平行な要素を少なくとも有する勾配を磁場に与えることにより、磁性粒子上に存在する分子にセンサの表面上に存在する分子と結合させるよう、センサの表面の隣の領域又はセンサの表面内からのセンサの表面を横切る磁性粒子の移動が可能になる。粒子の横の移動は、一般的に、センサの表面に対して平行である最も大きい勾配の要素を有する磁場により得られる。しかし、センサの表面に対して垂直であるものとは異なるいかなる磁場勾配も、センサの表面に対して平行な要素を有している限り、使用することができる。さらに、センサの表面に対して本質的に平行であるか、又は、センサの表面に対して平行な要素を少なくとも有する同じ又は別の磁場勾配は、センサの表面に結合していない、又は、非特異的に結合した粒子の除去を確実にする。この方法で、前記１又は複数の磁場は、接触及び洗浄ステップも、試薬使用量を最小限にすることも確実に及び加速させる。
【００４４】
或いは、センサの表面に対して垂直な勾配要素も有する磁場を生じることができ、前記要素は、反応チャンバ（２）からセンサの表面（５）に向けられる。この要素は、磁性粒子をセンサの表面の近くに維持し、磁性粒子に対するセンサの表面の曝露を高める。同時に、センサの表面に対する粒子の非特異的な固着を、例えば、センサの表面の被覆、粒子の被覆、流体組成物の特性を最適化することにより、並びに、垂直な磁気力の大きさを制限することにより回避することができる。この垂直な磁気力に加えて、又は、それに代わるものとして、磁性粒子をセンサの表面に維持する又は持ってくるために、センサの表面にて大きさが減少した反応チャンバ等の他の手段、又は、流体の流れ又は音波の若しくは超音波の流体励磁等の他の力を提供することができる。第１の態様において、本発明は、センサの表面、及び、センサの表面外の少なくとも１つの領域を有する反応チャンバを含み、１又は複数の磁場を印加するための１又は複数の手段をさらに含むシステムを提供しており、前記１又は複数の手段は、磁場により誘発される粒子の流れが、センサの表面に対して本質的に平行であり、且つ、センサの表面及びセンサの表面外の１又は複数の領域に広がるように配置される。
【００４５】
本発明によると、当該システムは１又は複数の磁場を使用し、該磁場のそれぞれが、１又は複数の磁場発生手段により生じる。永久磁石、電磁石、コイル、及び／又はワイヤ等の異なる種類の磁場発生手段が、本発明の状況において認識される。粒子に対する磁気力の強度は、誘発された移動距離が磁場無しで移動する距離よりも大きく、すなわち、磁気力が並進ブラウン運動よりも優勢なようにあるべきである。特に、磁場発生手段により生じた磁場は、磁場発生手段における（活性後の）磁性粒子の移動距離がセンサの表面のサイズよりも大きいことを確実にする。
【００４６】
本発明によると、１又は複数の磁場発生手段により生じた磁場は、一定であるか若しくは脈動することができる、又は、強度が変化し得る。さらに、１を超える磁場が生じる場合に、磁場勾配が検出面に対して本質的に平行であるか、又は、センサの表面に対して平行な要素を少なくとも有しているならば、磁場の正確な向きは固定できるか又は変化し得る。
【００４７】
一実施形態によると、本発明のシステムは、磁場を生じるための手段を１つ含んでいる。これについての例は、図１に示されている。センサの表面からの磁性粒子の除去を可能にするために、磁場発生装置は、磁場勾配がセンサの表面に渡って広がるだけでなく、少なくとも１つのセンサの表面外の領域に広がるように置かれている。別の実施形態によると、磁場発生手段は、センサフィールドの軸の下、一般的に、センサの表面を含んだ反応チャンバの面のすぐ下に置かれる。これらの実施形態において、生じた磁場勾配は、センサの表面と平行な要素だけでなく、センサの表面に対して垂直な要素も有している。平行な要素は、磁性粒子をセンサの表面上に引っ張る。磁場発生手段は、固定してその磁場内のセンサの表面及びセンサの表面外の領域に同時に広がることができるか、又は、移動でき、センサの表面及びセンサの表面外の領域上に磁場を順次に移動させることができる。磁石を固定する、及び、反応チャンバをその磁石に対して移動させることにより、同じ効果を得ることができる。
【００４８】
特定の実施形態によると、磁場発生手段は電磁石である。これは、装置の部品における機械的な移動を回避するということを可能にしている。或いは、永久磁石を、反応チャンバに対して前後に動くよう配置することができる。
【００４９】
特定の実施形態によると、磁場発生手段はセンサの表面の下に置かれ、より小さな面内要素を有する本質的に面外の場を生じる。
【００５０】
別の実施形態によると、本発明のシステムは、１を超える磁場を生じるための磁場発生手段を使用する。２つの磁場発生手段（３）及び（3’）を有するシステムの無制限的な実施形態が、図２に例証されている。この例証された実施形態において、装置は、センサの表面、並びに、センサの表面外の第１（６）及び第２（6’）の領域を有する反応チャンバを含んでいる。両方の磁石における交互の活性化により、センサの表面外の第１の領域（６）からセンサの表面外の第２の領域（6’）までのセンサの表面上での磁性粒子の前後の移動が可能になる。或いは、磁場発生装置の磁場は、センサの表面及びセンサの表面外の１つの領域に広がり、磁性粒子は、センサの表面と２つの磁場発生手段との間を前後に移動することができる。別の実施形態において、センサの表面の下に置かれた面外場を生じる磁場発生手段は、センサの表面の面内に置かれた面内場を生じるための磁石と組み合わされる。
【００５１】
その上、本発明のさらなる態様は、センサの表面、及び、センサの表面外の少なくとも１つの領域を有する反応チャンバを含むシステムを提供しており、磁場発生手段が、アッセイのステップに応じて異なる強度及び／又は向きの磁場の発生を可能にするように置かれている。本発明のうちこの態様における１つの特定の実施形態は、磁場発生手段が接触ステップのための第１の磁場（センサの表面に向かった及び／又はセンサの表面にわたった粒子の移動）、並びに、洗浄ステップのための第2のより強度な磁場（センサの表面からの非結合粒子の除去）を確実にするシステムを規定している。一実施形態によると、本発明の装置は、センサの表面外の第１及び第２の領域、並びに、センサの表面外の第１の領域とセンサの表面との間に磁場を生じるように置かれた１つの磁場発生装置、及び、センサの表面とセンサの表面外の第２の領域との間に磁場を生じるよう置かれた第２の磁場発生装置を含む。別の実施形態において、どちらの磁場発生装置も（上記のように）、そのそれぞれの磁場勾配がセンサの表面外の領域とセンサの表面との間で反対の方向に向けられ、磁場発生装置の交互の活性によりセンサの表面に対する前後の移動が可能になるように置かれる。
【００５２】
特定の実施形態によると、磁気的に制御された試薬の放出にも第２の磁場を使用することができる。例えば、磁性粒子は、試料流体への曝露の前又は後に、磁場を集めることにより反応チャンバのある位置に集められる。制御された時間に、集まった磁場のスイッチは切られ、センサの表面上で磁性粒子を横に運搬する磁場のスイッチが入れられる。
【００５３】
本発明によると、センサの表面に対して平行な要素を少なくとも有する磁場勾配において、センサの表面に対して本質的に平行な磁性粒子の移動を確実にするシステムが提供される。それにもかかわらず、磁性粒子を移動／固定するための他の力と本発明の磁場を組み合わせることができるということが認識される。この状況において認識される他の力の例は、他の（平行ではない）磁場、電場、音波力（acoustic  force）、流体力、重力等である。従って、一実施形態によると、本発明の装置は、センサの表面上の粒子の横の移動を可能にするセンサの表面に対して本質的に平行な磁場勾配に加えて、横の移動と交互に起こり得るセンサの表面に対して垂直な磁性粒子の移動を引き起こす磁場を生じる磁場発生装置を含む。これは、非結合の若しくは非特異的に結合された磁性粒子を取り除く、又は、センサの表面に対する結合を改善するために、撹拌するという状況において興味の対象となり得る。撹拌するという状況における磁場の使用例は、ＵＳ５４４５９７１、ＵＳ６５４８３１１、ＵＳ６１８０４１８、Perrin  et  al.  (1999),  J.  Immun.  Meth.  224,  77-87;  Luxton  et  al.  (2004)  Anal.  Chem.  76,  1715-1719;  及び、Ferreira  et  al.  (2005)  Appl.  Phys  Lett.  87,  013901に記載されている。一般的に、本発明の検出及び／又は定量化装置において、センサの表面は、反応チャンバの水平な底平面上に置かれている。従って、センサの表面に対して本質的に平行な磁場勾配も水平である。しかし、反応チャンバの底及びセンサの表面が傾斜されること、又は、当該システムのセンサの表面が反応チャンバの垂直壁に存在することも認識されている。そのような形状において、１又は複数の磁場発生装置を、磁場に対する重力と組み合わせて使用することができる。特定の実施形態によると、反応チャンバの垂直壁上にセンサの表面、並びに、スイッチをオン及びオフすることができる１つの磁場発生装置を含んだシステムが提供されている。磁場発生装置のスイッチが入れられた場合、磁性粒子は、磁場発生装置によりセンサの表面上を上向きに引っ張られ、センサの表面に対する磁性粒子の特異的結合を可能にしている。磁石のスイッチを切ることによって、特異的に結合した磁性粒子は垂直な表面に結合したまま残り、非特異的に結合した粒子は重力により下向きに引っ張られる。センサの表面を含んだ反応チャンバの壁が傾斜された場合に、類似の効果を得ることができる。（磁場の不在下での）磁性粒子に対する重力との組合せは、それほど厳重ではない（接触ステップ等の）ステップのうち1つを行うことを可能にしている。例えば、センサの表面が傾斜され、且つ、磁性粒子を斜面の上端に適用することができる場合、粒子は重力によりセンサの表面上を転がる又は滑走する。次に、磁場発生装置を用いて、斜面のもとの場所へ又はさらに下へ前記粒子を引っ張ることができる。これは、非特異的に結合した粒子の除去を可能にする。小さい重力に代わるものとして、流体の流れ又は音波若しくは超音波の流体励磁により粒子を扱い、粒子に対して流体力学的な剪断力を生じて非特異的に結合した粒子を取り除くこともできる。
【００５４】
センサの表面上にあるプローブとの磁性粒子の最大の相互作用を得るために、種々の方法が、例えば当技術分野では既知の磁場発生装置を用いて利用可能である。一実施形態によると、磁性粒子が磁気面上を滑走又は転がるように磁場は適用される。さらに、又は、或いは、ターンオン及びオフすることができる磁場発生装置が使用される。特定の実施形態において、１又は複数回逆転させることができる磁場発生手段が１又は複数提供される。これらの特徴のうち１つ又は複数使用することにより、本発明の装置を用いて行われるアッセイの感度を上げることができる。例えば、磁場発生装置を扱うことにより、粒子がセンサの表面上を前後に１又は複数回通過し、磁性粒子の、センサの表面に結合するという機会を増やすのを確実にすることが可能になる。センサの表面に対する磁性粒子の結合を改善するために、反応チャンバのサイズをセンサの表面近くまで減少させることも可能である。
【００５５】
本発明によると、センサの表面に対して及びセンサの表面から磁性粒子がより速く移動するのを可能にするシステムが提供される。センサの表面は、一般的に、分子、特にプローブが結合され得る、特別に誘導体化された表面である。適した表面の例として、ガラス、金属、プラスチック、有機結晶若しくは無機結晶（例えばシリコン）、アモルファス有機物若しくはアモルファス無機物（例えば、窒化珪素、シリコン酸化膜、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム）が挙げられる。適した表面材料及び結合の化学的性質（linking  chemistries）は、当業者には既知であり、例えば"Diagnostic  Biosensor  Polymers”,  by  A.M.  Usmani  and  N.  Akmal,  American  Chemical  Society,  1994  Symposium  Book  Series  556,  Washington  DC,  USA,  1994、"Protein  Architecture,  Interfacing  Molecular  Assemblies  and  Immobilization  Biotechnology”,  edited  by  Y.  Lvov  and  H.  Mhwald  (Marcel  Dekker,  New  York,  2000)、"The  Immunoassay  Handbook”  by  David  Wild  (Nature  Publishing  Group,  London,  2001,  ISBN  1-56159-270-6)、又は、  “Handbook  of  Biosensors  and  Electronic  Noses.  Medicine,  Food  and  the  Environment”  by  Kress-Rogers  (ISBN  0-8493-8905-4)に記載されている。被覆された及び被覆されていないプラスチック並びにガラスの支持体に蛋白質を共役するための支持は、Angenendt  et  al.  (2002)  Anal  Biochem.  309,  253-260に開示されている。Dufva  (2005)  in  Biomol  Eng  22,  173-184は、この工程に影響する要因とオリゴヌクレオチドを結合させる方法を批評している。
【００５６】
本発明は、一般的に、平らなセンサの表面（例えば、平面ガラスのバイオチップ）上で行われるが、流動システム（例えば、微粒子を含有した多孔性カラム、多孔性酸化アルミニウム、又は、多孔性シリコンからなる流動センサ）においても行うことができる。
【００５７】
一般的に、センサの表面が、該表面に対するプローブ又は分析物の結合のために修飾される場合、センサの表面外の領域は、それほど修飾されていない表面である。或いは、センサの表面は、センサの表面外の領域とは、反応チャンバの表面のうちその領域に結合する分子はないという点のみで異なる。
【００５８】
本発明のシステムにおけるさらなる態様が、以下に言及される。本発明のシステムは、通常、反応チャンバ内に試料、磁性粒子、又は試薬を導入するための１又は複数の注入手段、並びに、試薬、反応による廃棄物、及び、任意選択で磁性粒子を反応チャンバから除去するための排出手段を任意選択で含むであろう。これらは、試薬のそれぞれを含んだ供給源に任意選択で連結され得る。一実施形態によると、試料及び／又は磁性粒子のための注入手段は、センサの表面外の領域に又はセンサの表面に直接、試料及び／又は磁性粒子を方向づけている。さらに、又は、或いは、１又は複数の注入及び排出手段が、反応チャンバ内への試料、磁性粒子、及び／又は他の試薬若しくは緩衝剤の直接的な送達を確実にするように提供される。異なる注入及び／又は排出手段は、バルブ及び管等の接続手段に接続することができ、ポンプにより駆動することができる。
【００５９】
上記のように、本発明の装置は、センサの表面外の１又は複数の領域を反応チャンバ内に含む。この／これらの領域を使用して、アッセイの開始時に粒子を集める、又は、「洗浄」ステップが行われる場合に非結合の粒子を集めることができる。例えば、本発明の装置において生じた磁場は、センサの表面のほかに、センサの表面外の１又は複数の領域に及ぶことができる。磁場は、非結合の粒子がセンサの表面からセンサの表面外の領域内に引き戻されるようあり得る。いくつかの実施形態において、結合した磁性粒子と非結合の磁性粒子との物理的分離により、両方の画分の検出が可能になり、当該方法に対してさらなる対照を与える。
【００６０】
上記のように、本発明の装置は、センサの表面外の１又は複数の領域を含有していると認識される。一実施形態において、反応チャンバは、例えばへこみ若しくは小さな裂け目の存在により、又は、制御可能な磁場発生手段の存在により、アッセイに先立ち磁性粒子を集めるようされたセンサの表面外の領域を少なくとも１つ含む。そのような専用の領域をセンサの表面内にも提供することができる。
【００６１】
一実施形態によると、反応チャンバは、アッセイの前に粒子が存するセンサの表面外の第１の領域、及び、非結合の粒子が移動してくるセンサの表面外の第２の領域を含む（これらの領域は、例えば、図１に描かれているように反応チャンバの反対位置にある）。図２に描かれているもの等の他の実施形態において、磁性粒子は、センサの表面外の領域からセンサの表面まで前後に移動させられる。任意選択で、検出ステップに先立ち磁性粒子を前後に何回か移動させることができる。
【００６２】
本発明のシステムは、センサの表面に対する磁性粒子の結合を検出することができる検出手段をさらに含むか、又は、その検出手段と組み合わせて使用される。センサの表面に対して結合した磁性粒子の検出は、磁性粒子自体の特性又はラベルの使用に基づき、種々の手段により行うことができる。ラベルは、磁性粒子に結合することができるか、又は、分析物に結合若しくは取り込むことができる。
【００６３】
従って、本発明のシステムに存在する、又は、そのシステムと組み合わせて使用される検出手段は、それだけに限定されないが、磁気信号、磁気抵抗、ホール効果、視覚信号（反射、吸収、散乱、蛍光、化学ルミネセンス、ＲＡＭＡＮ等）、聴覚信号（水晶膜厚計（ＱＣＭ）、表面弾性波（ＳＡＷ）、バルク弾性波（ＢＡＷ）等）等の適切な信号を検出することができる検出手段である。これらは、リポソーム、ミセル、気泡、微小気泡、微粒子、脂質若しくはポリマーが被覆された気泡、微小気泡、及び／又は微粒子、微小中空粒子、エーロゲル、クラスレートが結合した小胞（clathrate  bound  vesicles）等により生じることができる。そのような小胞は、液体、気体、ガス状の前駆物質、及び／又は、固体若しくは溶質物質で満たすことができる。
【００６４】
本発明の状況において有用である典型的なラベルは、それだけに限らないが、発色団、放射性ラベル、電気蛍光発光、化学発光、リン光、蛍光、又は反射ラベル等のin  vitroのアッセイに一般的に使用されるラベルである。
【００６５】
本発明に使用される磁性粒子は、完全に無機物であり得るか、又は、無機物質と有機物質との混合物（例えばポリマー）であり得る。従って、ラベルは、外側にある無機要素を介して又は有機要素を介して結合できるか、又は、粒子内に取り込むことができる。
【００６６】
磁性粒子は、例えばハイスループット臨床イムノアッセイ機器、試料精製、細胞抽出等の生物学的分析において広く使用される。幾つかの診断会社（Roche社、Bayer社、Johnson&Johnson社、Abbott社、BioMerieux社等）は、例えばイムノアッセイ、核酸抽出、及び試料精製のための、磁性粒子を有する試薬を製造及び販売している。磁性粒子は、ナノメートルからマイクロメートルに及ぶ種々のサイズで商業的に入手可能である。生理活性分子に対する本発明の粒子の付着又は結合のため、粒子は、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基、又は、アミノ基等の官能基を保有することができる。これらの粒子は、一般的に、そのような官能基のうちの1つを保有するポリマーの表面被覆を与えるために、例えば被覆されていない単分散で超常磁性の粒子を処理することにより、提供することができる。そのようなポリマーの例として、ヒドロキシル基を提供するためのポリグリコールを共に有するポリウレタン若しくはヒドロキシル基を提供するためのセルロース誘導体、カルボキシル基を提供するためのアクリル酸又はメタクリル酸のポリマー若しくはコポリマー、又は、アミノ基を提供するためのアミノアルキル化ポリマー等がある。米国特許第４６５４２６７号は、多くのそのような表面被覆の導入を記載している。他の被覆された粒子は、米国特許４３３６１７３号、４４５９３７８号、及び４６５４２６７号に従い、粒子の修飾により調製することができる。例えば、スチレンジビニルベンゼンから調製され、３．１５umという直径を有するマクロレティキュラー多孔質ポリマー粒子を、孔の表面にＮＯ２基を導入するためにＨＮＯ３で処理した。次に、粒子を、Ｆｅの水溶液内に分散した。Ｆｅ２＋はＮＯ２基により酸化され、孔の中で不溶性の鉄オキシ−ハイドロキシ化合物の沈殿を生じる。加熱後、鉄は、多孔性粒子の容積にわたって、微細粒子の磁性酸化鉄として存在する。ＮＯ２基は、Ｆｅとの反応により、ＮＨ２基に還元される。孔を満たすため、及び、表面に所望の官能基を導入するため、種々のモノマーが孔内及び表面で重合するようされる。好ましい種類の粒子の場合、表面は、（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）の８〜１０の結合を介してポリマーのバックボーンに結合される−ＯＨ基を保有している。他の好ましい種類の粒子の場合、表面は、メタクリル酸の重合を介して得られる−ＣＯＯＨを保有している。例えば、粒子内に初めに存在するＮＨ２基は、米国特許第４６５４２６７号に記載されているように、ジエポキシドと反応させ、後にメタクリル酸と反応させて末端ビニル基を提供することができる。メタクリル酸との溶液共重合により、末端カルボキシル基を保有するポリマー被覆が生じる。同様に、上記のジエポキシドとの反応による生成物とジアミンを反応させることによって、アミノ基を導入することができ、一方で、アミノグリセロール等のヒドロキシルアミンとの反応により、ヒドロキシ基が導入される。
【００６７】
粒子に対する生理活性分子の共役は不可逆であり得るが、粒子と生理活性分子との架橋のためのリンカー分子の使用により可逆でもあり得る。そのようなリンカーの例は、還元できるジスルフィド基を含むものとして化学的な可逆架橋基、特定の蛋白質分解認識部位を有するペプチド、又は、特定の制限酵素のための認識部位を有するオリゴヌクレオチド配列を含む。種々の可逆架橋基は、Pierce  Biotechnology  Inc.社（Rockford,  IL,  USA）から得ることができる。
【００６８】
特定の実施形態によると、検出ユニットのセンサが反応チャンバ内に組み込まれ（例えば、磁気抵抗性センサが組み込まれ）、使い捨てのカートリッジとして提供することができる。或いは、センサは、反応チャンバから切り離された部分として提供される（例えばオプティカルユニット）。この実施形態において、反応チャンバは検出窓を任意選択で含み、センサの表面に結合した磁性粒子及び／又はラベルの信号の検出を可能にしている。検出窓の位置は、当然ながらセンサの表面及び検出手段の位置により決定される。特に、検出窓は、センサの表面の反対側にある。或いは、反応チャンバのセンサの表面は、検出窓上に提供される。検出が磁場又は光学手段に基づいている場合、反応チャンバの材料は、特定の検出窓の供給を不必要にすることができる。さらに、又は、或いは、本発明のシステムは、センサの表面外の領域における磁性粒子の検出を規定している。これは、対照若しくは妥当性検証の測定という状況において（下記参照）、又は、検出方法が検出面での競合結合に基づいている場合に、興味の対象であり得る。適切な場合、本発明のシステムには、従って、追加の検出窓、及び／又は、追加の検出手段、若しくは、センサの表面上でもセンサの表面外の反応チャンバの領域内でも信号を同時に又は順次に検出することができる手段が与えられる。
【００６９】
一般的に本発明のシステムは、低い試薬使用量及び少ない所要試料容積を用いたシングルチャンバの（バイオ）センサである。本発明による（バイオ）センサは、最小限の
装備、洗浄ステップ、及び緩衝剤で操作することができる。
【００７０】
本発明の別の態様は、センサの表面及びセンサの表面外の少なくとも１つの領域を有する反応チャンバを含んだ、任意選択で使い捨てできるカートリッジを提供する。使い捨てのカートリッジは、その中に組み込まれた磁性粒子をさらに含むことができるか、又は、これらは別々に提供され得る。カートリッジの材料は、磁性粒子がその中で生じることができるようなものである。例えば、カートリッジは、プレキシガラス〔ポリ（メチル）メタクリレート〕、透明なＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ（例えばゼオネックス）、若しくはＰＳ（ポリスチレン）等の、ガラス又は合成材料からなる。
【００７１】
カートリッジは、反応チャンバ内の検出面に対して本質的に平行であるか、又は、検出面に対して平行な要素を少なくとも有する磁場勾配の発生に使用することができる、少なくとも１つの磁場発生装置又はその一部をさらに含むことができる。
【００７２】
さらに別の態様によると、本発明は、その方法によって本発明のシステム及び／又はカートリッジが分析物の検出及び／又は定量化に使用される方法を提供している。このように、本発明の方法は、一般的に、検出面及び検出面外の領域を有する反応チャンバ内に、分析物特異的プローブ、磁性粒子、及び、分析物を含むと信じられている又は知られている試料を提供するステップ、並びに、センサの表面に対して本質的に平行であるか、又は、センサの表面に対して平行な要素を少なくとも有する磁場勾配を少なくとも１つ粒子に適用するステップを含む。本発明に従い行われる方法は、迅速で、感度が良く、且つ、頑強である。
【００７３】
本発明の方法は、いかなる分子、特にＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質、炭水化物、脂質、及び有機の同化生成物又は代謝生成物等の生体分子の検出においても利用可能である。検出されることになる分析物を含んだ試料の性質は決定的ではなく、例えば、生存している又は死んでいる生物のいかなる試料（それだけに限らないが、血液又は尿等の体液、毛、便等）、環境試料（水、土、工場資材）、食物若しくは飼料製品、又はその製造において使用される製品、化学反応処理の試料等でもあり得る。分析物の半精製、精製、半精製及び／又は増幅等の前処理ステップの結果である試料上で検出を行うことができる。特定の実施形態によると、分析物は、ＰＣＲを用いて増幅されてきた一本鎖ヌクレオチド配列である。
【００７４】
本発明の方法は、分析物特異的プローブとの分析物の反応／結合に基づいた分析物の検出を規定している。典型的な特異的相互作用は、ＤＮＡ／ＤＮＡ又はＤＮＡ／ＲＮＡ結合、蛋白質／蛋白質、蛋白質／ＤＮＡ、及び蛋白質／炭水化物相互作用、抗体／抗原相互作用、レセプター／リガンド結合を含む。さらに、合成分子を使用して分析物（例えば、酵素阻害剤、医薬化合物、ライブラリースクリーニングから単離されたリード化合物）を検出することができる。従って、分析物特異的プローブの例として、それだけに限らないが、オリゴヌクレオチド、抗体、酵素基質、レセプターリガンド、レクチン等が挙げられる。認識されたセンサの表面と分析物との相互作用の例は、試料内の抗原を検出するための抗体プローブ、又は、試料内の抗体を検出するためのセンサの表面にプローブとして結合した抗原を含んだセンサの表面である。
【００７５】
本発明の特定の実施形態によると、分析物特異的プローブは、分析物特異的オリゴヌクレオチド、すなわち、分析物に特異的な配列に相補的な配列を含んだオリゴヌクレオチドである。
【００７６】
種々のアッセイ原理が、本発明の検出方法において認識されている。一実施形態において、使用される検出及び／又は定量化方法は直接検出法である。例えば、試料に存在する分析物は磁性粒子に結合して、分析物特異的プローブを含んだセンサの表面にわたり移動する。センサの表面に結合した前記粒子により生じた信号は、センサの表面に結合した磁性粒子の数、従って、試料に存在する分析物の存在（及び／又は量）に正比例している。或いは、検出は、センサの表面に対する分析物の競合結合に基づき得る。例えば、センサの表面には、分析物に似た化合物によりセンサの表面上の分析物特異的プローブに結合した磁性粒子（センサの表面に対して弱結合）が第一に提供され、分析物が連結した磁性粒子との接触後、分析物に似た化合物の置換が起こる。分析物に似た化合物を含んだ磁性粒子がラベルされる場合、信号は、試料内の分析物の量に逆比例する。或いは、センサの表面に結合していない磁性粒子の信号を、センサの表面外の領域において測定することができる。他の実施形態において、分析物の検出は、第２の抗体、ラベル、基質等、さらなる試薬の追加を要求すると認識される。より明確には、特異的分析（少なくとも２つのエピトープを持った、例えば蛋白質等の大きな分子）に対して、サンドイッチアッセイが認識され得る。サンドイッチアッセイでは、適用された試料流体由来の関心のある分子（蛋白質）が、生理活性なセンサの表面上のプローブ（第１の抗体）と、ラベル（磁性粒子）を有する生理活性分子（第２の抗体）との間で捕捉（「サンドイッチ」）される。関心のある分子は２つの抗体間でサンドイッチされた蛋白質であるけれども、本発明の用語によると、センサの表面上の抗体及び蛋白質はプローブとして、ラベルされた第２の抗体は分析物として作用する。サンドイッチアッセイの別の実施形態では、本発明の用語によると、センサの表面上の抗体はプローブとして作用し、ラベルされた第２の抗体及び蛋白質は分析物として作用する。
【００７７】
従って、本発明の方法における特定の実施形態において上記のように、１又は複数の分析物特異的プローブがセンサの表面に結合し、分析物が磁性粒子上で与えられる。この実施形態において、分析物は、磁性粒子に直接（磁性粒子に対する試料の非特異的吸着若しくは前処理されたその画分）又は特異的に（分子の表面に結合した、分析物特異的プローブの使用を介して）結合する。
【００７８】
本発明の方法及び装置において使用するのに適した磁性粒子は、当業者には既知である。異なるサイズ（１０ｎｍから５μｍまで、一般的には５０ｎｍから１μｍ）、形状（球体、回転楕円体、桿状）、組成物（前述を参照）及び、磁気特性（磁性、常磁性、超常磁性、強磁性、すなわち、永久に又は一時的に、磁場において磁気双極子を有するいかなる形態の磁気）の磁性粒子が記載されてきた。例えば異なる磁気及び／又は光学特性を有する異なる種類の磁性粒子を、１つの反応チャンバ内で同時に使用できること（磁性粒子の多重化）が認識されている。
【００７９】
磁性粒子の表面に対する分析物又はプローブの結合は、本願において上記のように、当技術分野において説明されている方法により行うことができる。
【００８０】
一実施形態によると、本発明は、分析物の検出及び／又は定量化のための方法を提供し、当該方法は、分析物特異的プローブ（８）を含んだセンサの表面（５）を有する反応チャンバ（２）において、分析物を含んだ試料を磁性粒子と接触させるステップ、及び、前記磁性粒子に磁場を受けさせるステップを含む。前記磁性粒子に磁場を受けさせるステップは、磁性粒子がセンサの表面（５）上を横に移動するように行われ、それによって磁性粒子（７）の移動は、センサの表面外の少なくとも１つの領域（６）とセンサの表面との間に広がり、センサの表面に対する磁性粒子の結合により生じた信号を検出する。磁性粒子が反応チャンバ内に存在するかしないかに応じて、当該方法は、反応チャンバ内に磁性粒子を導入するステップをさらに含むことができる。一般的に、磁性粒子は、センサの表面外の第１の領域に接触させられ、１又は複数の磁場が、前記センサの表面外の第１の領域からセンサの表面まで、さらに、センサの表面（５）のうち少なくとも一部の上を横に粒子が移動するのを確実にしている。或いは、磁性粒子は、無作為の様式で反応チャンバ内に導入され（例えば、分析物が結合してきた磁性粒子は反応チャンバに加えられ、次に振盪される）、磁気力を使用して前記磁性粒子をセンサの表面に引きつけることができる。さらに別の代わりとなる実施形態において、磁性粒子は、反応チャンバ内に、直接センサの表面上に導入される。
【００８１】
本発明の方法が、そこに結合した分析物特異的プローブを含んだ反応チャンバを用いて行われることが認識されている。しかし、また、本発明の方法は、センサの表面上に分析物特異的プローブを提供するステップをさらに包含する。センサの表面の材料の性質に応じて、センサの表面に対する分析物特異的プローブの結合は、特異的な化学反応及び／又はブロッキングステップを必要とするであろう。
【００８２】
本発明の方法において、磁性粒子（７）に対する分析物の結合は、反応チャンバ内又は外で行われる。従って、特定の実施形態において、反応チャンバは磁性粒子をセンサの表面外の領域に含み、当該方法は、試料を反応チャンバ内のセンサの表面外の同じ領域に導入し、それによって試料を磁性粒子と接触させるステップをさらに含む。或いは、本発明の方法は、反応チャンバ外で試料を磁性粒子と接触させるステップ、及び、前記試料／分析物が結合した磁性粒子を反応チャンバ内に導入するステップを含む。
【００８３】
特定の実施形態によると、１又は複数の磁場が、センサの表面外の第２の領域（６）への、センサの表面に結合していない粒子の移動をさらに確実にする。任意選択で、センサの表面外の第１及び第２の領域は同じである（すなわち、移動は往復である）。
【００８４】
上記のように、１つの磁場を用いて磁性粒子の移動を確実にすることができる。或いは、本発明の方法は、分析物のセンサの表面との接触（センサの表面に向かった粒子の移動）、及び、非結合の磁性粒子の除去（センサの表面から離れる粒子の移動）のために、検出面に対して本質的に平行であるか、又は、検出面に対して平行な要素を少なくとも有している種々の磁場勾配の発生を含む。さらに、（本発明のシステムに対して上記のように）、本質的に平行な磁場勾配、又は、平行な要素を少なくとも有することは、洗浄ステップ、反応チャンバ内への磁性粒子の導入、及び／又は、反応チャンバからの粒子の除去という状況において、例えば磁気力、電気力、流体力、音波力、又は重力により生じた粒子の他の移動と交替する又は組み合わせることができる。
【００８５】
本発明の方法は、磁性粒子との試料の接触、及び、反応チャンバ内での粒子の移動を含む。磁性粒子は、流体試薬の又は乾燥試薬の一部であり得る。磁性粒子に加えて、試薬は、生物学的相互作用に寄与する生体分子、緩衝塩、洗剤等を例えば含有することができる。これらのステップは液体において行うことができ、その液体は、使用される試薬（すなわち、分析物、分析物特異的プローブ、ラベル）と融和性のある、標準緩衝剤、又は、最小限に前処理された若しくはさらに純な試料（例えば血液又は唾液）等のいかなる液体でもある。液体は、すすぎ目的のために反応チャンバ内に導入することができる。磁性粒子の移動に反する流れを与えるために、液流を加えることもできる。そのような流れは、ポンプで加えることができるが、電気浸透を生じるよう電場を用いてポンプ無しで加えることもできる。
【００８６】
或いは、当該方法は、検出面、及び、任意選択で検出面外の領域にて最少量の液体を用いて行われる。結合又は検出を妨げる恐れがある無関係の試料要素の拡散を回避するために、試料は、そのような動きを回避する、グリセロール等の溶液若しくはマトリックスに、又は、反応チャンバ内で分解するゲルに加えることができる。
【００８７】
磁場の印加後、磁性粒子のみが移動し、一方、緩衝剤、及び、試料のうち、結合又は検出を妨げる恐れがある他の要素（例えば、微量の、血液又は尿等の体液）が、印加の部位に残る。
【００８８】
液体の存在が、粒子を移動させるのに必要とされる磁場の強度に影響を与える。例えば、流体抵抗は、例えば唾液等の高い粘性を有する試料よりもきれいな緩衝剤においてより低い。
【００８９】
磁性粒子が、センサの表面から距離をおいて少量で供給される場合、磁性粒子が供給される液体とセンサの表面にて存在する液体との間に起こる、拡散による入れ代わりは全くない又は最小限である。
【００９０】
本発明の方法は、センサの表面に対する磁性粒子の検出及び／又は定量化を可能にする検出ステップをさらに含む。検出ステップは、本発明のシステムのために上記のように、１又は複数の検出手段を用いて確実にされる。
【００９１】
本発明によると、例えば、磁性粒子の表面上に存在する分析物と反応チャンバのセンサの表面上の分析物特異的プローブとの結合により、これらの磁性粒子がセンサの表面上に固定化されることが確実にされている。一実施形態によると、分析物を介してセンサの表面に結合した磁性粒子の磁場を使用して、センサの表面上の粒子の、その結果、磁性粒子に結合した分析物の存在を検出することができる。さらに、又は、或いは、磁性粒子の検出は、粒子自体の存在により、又は、粒子内若しくは上の発色団等のラベルにより視覚的に行われる。
【００９２】
特定の実施形態によると、センサの表面は１種類の分析物特異的プローブを含む。別の実施形態も認識されており、その実施形態によって種々の分析物特異的プローブがセンサの表面上に配置され、試料内の異なる化合物における同時の検出を可能にしている（センサの多重化）（異なる捕獲分子を有するセンサアレイ）。別の変更は、チャンバの多重化である。本明細書において、システムは多数の反応チャンバを有している。一実施形態において、試料は、異なるアッセイを並行して進めるために、異なるチャンバ上に広げられる。或いは、第１の反応チャンバ内の第１のセンサの表面上を通過する磁性粒子は、次の反応チャンバまでさらに運ばれ、該反応チャンバで磁性粒子は、次のセンサの表面上のプローブと反応することができる（幾つかの反応チャンバを有するシステム）。
【００９３】
上記のように、本発明の方法は、センサの表面、及び、該センサの表面外の少なくとも１つの領域を含んだ反応チャンバの使用を含む。
【００９４】
本発明の方法及び装置において、磁性粒子はセンサの表面付近に集められ、それによって、プローブと分析物との結合を可能にするのに必要とされる時間を短縮し、さらに、プローブに対する希少な分析物の結合の機会を増やしている。フローオーバー運搬（flow-over  transportation）中、磁性粒子は、動的移動（磁場勾配、磁気泳動により駆動される）を、粒子の並進及び回転拡散と組み合わせて有している。
【００９５】
例えば粒子の大きいサイズ分布又は固着した粒子の塊の存在のために非均質な磁性粒子溶液は、磁性粒子を用いた標準アッセイにおいて大きな信号変化及び信号オフセットを引き起こし得る。本発明により実施される方法は、より高い磁化を有する粒子に対して高い、粒子に対する横の磁気力のため、大きな磁性粒子の画分の存在又は磁性粒子の塊によって大幅に影響されない。このより強い磁気泳動の力は、粒子が大きいほど高い速度を与え、センサの表面付近での滞留時間を短縮している。さらに、表面付近の強い流体学的摩擦のため、粒子が大きいほどセンサの表面上を移動する平均高度は高く、センサの表面との衝突の数をさらに減らしている。結果として、より大きな磁気ユニットは、より小さな粒子と比較して、減少したセンサの表面との相互作用を有するだろう。本発明の方法において、センサの表面に対する大きな磁性粒子又は大きな塊の結合は本質的に抑制され、検出をより信頼できるものにしている。磁性粒子は、双極子−双極子相互作用のため、磁場に多粒子構造を一時的に形成することもできる。例えば、磁場の線に沿って方向付けられた粒子の鎖を形成することができる。場が取り除かれた場合、及び／又は、鎖が他の力により励磁された場合、そのような構造は変化又は解体することができる。本発明の方法において、粒子及び多粒子構造体の横の移動は、励磁の供給源を提供している。表面に沿った移動は、多粒子構造体の連続する組立／解体、リフレッシュメント、及び再構成という動的過程を引き起こす。結果として、粒子とセンサの表面との間に優れた接触が生じる。
【００９６】
本発明に記述されているシステム及び方法は、小さい試料体積に対する、迅速で、頑強、且つ、使用しやすいポイントオブケアのバイオセンサとして使用することができる。反応チャンバは、１又は複数の磁場発生手段及び１又は複数の検出手段を含み、小型の読み取り装置と共に使用されることになる使い捨てのアイテムであり得る。
【００９７】
さらに、本発明のシステム及び方法は、集中研究所の自動化されたハイスループット試験に使用することができる。この場合、反応チャンバは、自動化された機器に適合した、例えばウェルプレート又はキュベットである。例えばイムノアッセイに適用された場合、最小数の流体操作ステップが必要とされ、培養は高速で起こり、さらに、洗浄ステップは最小限の流体の廃棄を有する最小数まで減少される。
【００９８】
本発明を具体化する他の配置は、当業者には明白なはずである。
【００９９】
好ましい実施形態、特定の構造及び形状、並びに、材料が、本発明による装置及び方法のために本明細書において論議されてきたが、形態及び詳細における種々の変更又は修正が、本発明の範囲及び真意から逸脱することなく行うことができるということを理解されたい。本発明は、例証目的のみのために考慮されることになる、以下に提供される実施例により説明されており、本発明は、本明細書に記述された特定の実施形態に制限されない。
【実施例】
【０１００】
実施例１：磁気結合アッセイ
ポリスチレン反応チャンバの領域が、ＢＳＡに共役したモルヒネで被覆される（図３の灰色のゾ―ン）。その後、反応チャンバの残りが、ポリスチレンへの非特異的結合を回避するために、ＢＳＡで被覆される。抗モルヒネＡｂで被覆された磁性粒子（２００ｎｍの蛋白質Ｇが被覆された磁性粒子）（図３の黒丸）、及び、抗体なしの磁性粒子（図３の白丸）を含有する溶液が、センサの表面外の領域（図３Ａの上部）に与えられる。センサの表面上のモルヒネの量は、抗体が被覆された磁性粒子全てに結合するのに十分である。
【０１０１】
反応チャンバ上での磁性粒子のいかなる移動も回避するために、磁性粒子は、低融点のアガロースの溶液で反応チャンバに加えられる。加えた後、反応チャンバは緩衝剤で満たされる。電磁石（図３のＭ）は、磁性粒子が加えられた箇所の反対端にて、反応チャンバの下に置かれる。磁場が印加される前のアッセイの形状が、図３Ａに示されている。
【０１０２】
反応チャンバは、アガロースゲルから磁性粒子を放出する約４０℃まで加熱される。電磁石はスイッチが入れられ、磁性粒子をセンサの表面上に引き寄せる磁場を生じる。抗体を有する粒子がモルヒネに結合し、一方、残りは電磁石に向かってさらに移動する（図３Ｂ）。電磁石にて集められた磁性粒子は、モルヒネに結合するかどうか検査される。この対照により、アッセイの有効性が示されている。
【０１０３】
実施例２：競合アッセイ
検出剤としてモルヒネを用いて、パイロット実験を行った。モルヒネは１つのエピトープのみを有する小さな分子であるため、試料におけるモルヒネの量を示すために競合アッセイが行われなければならない。ポリスチレンの表面（９６ウェルタイタープレート）上で、１μｌのＢＳＡ−モルヒネ（リン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）に１ｍｇ／ｍｌ）を、各ウェルの隅に点在させ、さらに乾燥させた〔モルヒネ−３−グルクロナイドを、超過量のＢＳＡにおいて、そのリシン残基を介して共役させた〕。被覆後、ＰＢＳ中１０ｍｇ／ｍｌＢＳＡ＋０．６５％Ｔｗｅｅｎ−２０でウェルを１時間遮断した。次に、遮断液を廃棄し、抗モルヒネＡｂが被覆された磁性粒子（２００ｎｍの蛋白質Ｇが被覆された磁性粒子）を含有するＰＢＳ中１０ｍｇ／ｍｌＢＳＡ＋０．６５％Ｔｗｅｅｎ−２０を、ウェルに加えた（１：１０の磁性粒子の希釈、全溶液量は５０μｌであった）。タイタープレートを磁石の上に配置し、１分後写真を撮った（図４）。磁性粒子は、光の反射により検出される。この期間中、磁性粒子は、モルヒネが点在されている箇所の上に移動する。抗体を介してモルヒネに特異的に結合した磁性粒子は、モルヒネが加えられた箇所に位置したまま残り（矢印１）（図４一番上のパネル）、一方、残りの磁性粒子（抗体を有していないか、又は、モルヒネと反応しない抗体を有している）は、磁石に向かって移動した（矢印２）。
【０１０４】
タイタープレートへ加える前に、十分なモルヒネ（マイクロタイターウェルに５又は１００ｎｇ／ｍｌ）を抗体が被覆された磁性粒子に添加した場合、抗体はモルヒネで飽和され、プレートのウェルに非特異的な方法でのみ結合することができた。図４の中央及び下のパネルにより、そのような相互作用は、結合している磁性粒子の可視の点を顕在化させるのに十分ではないことが示されている。
【０１０５】
図２により、すでに５ｎｇ／ｍｌの、試料におけるモルヒネが、点在されたモルヒネに対する抗体を共役した磁性粒子の結合を妨げていることが示されている。十分な磁性粒子が、結合した磁性粒子の可視の点を顕在化させるために結合されていない。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】１つの磁石を用いた磁気センサの概略図を示している（ＭＰs：磁性粒子）。矢印は、磁性粒子の横の移動を示している。
【図２】２つの磁石を用いた磁気センサの概略図を示している（ＭＰs：磁性粒子）。矢印は、磁性粒子の横の移動を示している。
【図３】抗原が被覆された（灰色部分）センサ表面上における、被覆されていない磁性粒子（白い丸）及び抗体が被覆された磁性粒子（黒い丸）の磁石（Ｍ）に向かう磁気移動を示している。
【図４】モルヒネが被覆されたセンサの表面上における、抗モルヒネ抗体を有する磁性粒子の磁気移動を示している。
【図５】センサの表面上で磁性粒子を横に移動させる方法の流れ図を示している。
【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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【国際調査報告】
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