(57)【要約】  磁気共鳴測定に基づいて標的検体を検出するためのシステムおよび方法が提供される。磁気構造体は、検体に匹敵する大きさを有する特異な磁場領域を生成する。検体がこれらの領域内に拘束されると、サンプルからの磁気共鳴信号が変化し、検体の検出をもたらす。
2008542684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴を利用してサンプル内に検体が存在するかどうかを検出する方法であって、
既知の液体と分析されるべき物質とを含むサンプルに第１の磁場を印加するステップと、
前記サンプルの少なくとも１つの領域内に第２の磁場を印加して、前記少なくとも一つの領域内の前記既知の液体の磁気共鳴信号が、前記少なくとも１つの領域の外側の液体の磁気共鳴信号と異なるようにするステップと、
前記検体を前記少なくとも１つの領域に吸引するステップと、
前記検体が前記少なくとも１つの領域にある間に、前記既知の液体から磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記既知の液体のＴ２の増加により、前記検体の存在を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第２の磁場はナノ粒子により生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記既知の液体および前記ナノ粒子のＴ２を測定するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サンプルのＴ１を測定して前記サンプル内のナノ粒子の濃度を決定し、その決定値を用いて、Ｔ２の増加が発生したかどうかを決定するためにベースラインを決定するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
磁気共鳴および常磁性粒子を利用して検体が存在するかどうかを検出する方法であって、
分析されるべき物質と、既知の液体と、前記第１の磁場の存在の下で第２の磁場を生成する能力および前記検体を前記第２の磁場内に保持する能力を有する常磁性粒子と、を含むサンプルに第１の磁場を印加するステップと、
前記サンプルから磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記磁気共鳴信号から前記サンプルのＴ２を決定するステップと、
前記決定されたＴ２が前記既知の液体と前記常磁性粒子との組合せのＴ２より長いかどうかを決定することにより、前記サンプル内に前記検体が存在するかどうかを決定するステップと、
を含む方法。
【請求項６】
前記第２の磁場が、前記第２の磁場内の前記既知の液体の磁気共鳴信号を、前記第２の磁場の外部の前記液体の磁気共鳴信号と区別できるような磁場である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記決定されたＴ２から前記サンプル内の前記検体の量を決定するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記常磁性粒子の化学量論が凝集を抑制する、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記検体の存在を決定するために使用された前記サンプルのＴ２の前記決定は、実質的な凝集に先立って決定される、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
凝集は最小化される、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
分析されるべき前記物質が無いときの前記液体と常磁性粒子のＴ２を測定するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記サンプルのＴ１を測定して前記サンプル内のナノ粒子の濃度を決定し、その決定値を用いて、Ｔ２の増加が発生したかどうかを決定するためにベースラインを決定するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
上部永久磁石と下部永久磁石とを有し、前記上部永久磁石と前記下部永久磁石との間に置かれるサンプル領域内に磁場を生成する磁石システムと、
選択された周波数の電磁パルスを発生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、前期パルス発生器により生成された、前記電磁パルスを前記サンプル領域に伝達し、前記サンプル領域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、
前記コイルからの前記磁気共鳴信号を受信するように前記コイルに結合され、前記磁気共鳴信号をデジタル形式に変換するように構成された受信機と、
前記パルス発生器および前記受信機と通信し、前記パルス発生器の動作を制御して選択された周波数の電磁パルスを発生させるように構成され、前記磁場の存在の下における前記コイルにより前記サンプル領域に伝達された前記電磁パルスによって生じる前記受信機からの前記デジタル形式の磁気共鳴信号を受信し、前記デジタル形式の前記磁気共鳴信号を分析する、コントローラと、
を備える携帯型磁気共鳴システム。
【請求項１４】
前記磁石システムは、
フレームであって、このフレームの上部部分に上部永久磁石が取り付けられ、前記上部永久磁石の反対側の前記フレーム下部部分に下部永久磁石が取り付けられている、フレームと、
前記サンプル領域に近接する前記上部永久磁石の表面に固定された上部磁極片と、
前記サンプル領域に近接する前記下部永久磁石の表面に固定された下部磁極片と、
をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
サンプル物質を収集するための濃縮器を有するサンプル収集器と、
前記濃縮器からサンプル物質を受け入れ、そのサンプル物質を液体と混合するように構成された混合器と、
前記混合器と連通し、前記液体と混合された前記サンプル物質を前記サンプル領域に輸送するために前記サンプル領域にまで延びている、流体輸送システムと、
をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
サンプル領域を有する磁気共鳴測定デバイスと、
サンプル容器を有する流体サンプル分配システムと液体サンプルを前記サンプル領域に輸送するための分配システムと、
を備える、磁気共鳴システム。
【請求項１７】
サンプル領域を有する磁気共鳴測定デバイスと、
分析されるべき物質を自動的に収集する収集器と、
前記収集器に結合され、分析されるべき物質を前記収集器から前記サンプル領域に自動的に輸送する分配システムと、
を備える、磁気共鳴システム。
【請求項１８】
サンプル領域に０．０１〜２０テスラの磁場を生成するように構成された永久磁石を備える磁石システムと、
選択された周波数の電磁パルスを発生するように構成されたパルス発生器と、
パルス発生器に接続されたアンテナであって、このパルス発生器により発生された前記電磁パルスを前記サンプル領域に伝達し、前記サンプル領域からの応答磁気共鳴信号を受信するように構成された、アンテナと、
前記コイルからの前記磁気共鳴信号を受信するように前記コイルに結合され、前記磁気共鳴信号をデジタル形式に変換するように構成された受信機と、
前記パルス発生器および前記受信機と通信し、前記パルス発生器の動作を制御して選択された周波数の電磁パルスを発生させるように構成され、前記磁場の存在の下における前記コイルにより前記サンプル領域に伝達された前記電磁パルスによって生じる前記受信機からの前記デジタル形式の磁気共鳴信号を受信し、前記デジタル形式の前記磁気共鳴信号を分析する、コントローラと、
を備える磁気共鳴システム。
【請求項１９】
非ゼロスピンを有する原子核を含む既知の液体内の検体を検出する方法であって、
第１の磁場内に、非ゼロスピンを有する原子核を含む既知の液体を含む前記サンプルを置くステップと、
前記サンプルの領域内に第２の磁場を印加するステップと、
前記既知の液体の前記原子核を磁気的に整列させるステップと、
前記既知の液体から磁気共鳴信号を励起するステップと、
を含み、
前記領域が占有されていないときは、前記既知の液体が前記第２の磁場領域を通過し、前記第２の磁場によりディフェージングされ、ディフェージングを実質的に前記サンプル液体の残りに伝達し、
検体が存在し、前記領域を占有するときは、前記既知の液体は前記第２の磁場領域に入るのを阻止され、これにより前記ディフェージングを妨げ、
さらに、
前記液体からの磁気共鳴信号を測定して前記ディフェージングを検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記検体に対する親和性を有する分子を提供するステップと、
前記分子を前記第２の磁場領域に近接して置くステップと、
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ナノメートルスケールの常磁性粒子を前記液体と混合することにより、前記第２の磁場が前記粒子により生成され、前記領域が前記粒子に近接する、ステップと、
前記検体を前記粒子に結合し、これにより前記領域から前記既知の液体を排除し、結果として、前記液体のＴ２を増加させるステップと、
そのＴ２の増加を測定して検体を検出するステップと、
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
非ゼロスピンを有する原子核を含む既知の液体内の検体を検出する方法であって、
第１の磁場内に前記サンプルを置くステップと、
複数のナノメートルスケールの常磁性粒子を前記サンプルと混合するステップと、
を含み、
前記複数の粒子と前記検体とが超分子アセンブリを形成し、前記原子核が磁気的に分極され、
前記液体から磁気共鳴信号を励起するステップと、
前記アセンブリ近辺の液体を、アセンブリ内の複数の常磁性粒子中心によってディフェージングするステップと、
任意のディフェージングされた液体が、ディフェージングを前記サンプル液体の残りに伝達することを可能にするステップと、
前記液体からの磁気共鳴信号を測定して前記ディフェージングを検出するステップと、
前記信号から、前記サンプル内に検体が存在するかどうかを決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
第１の磁場が通過する液体内の検体を検出する方法であって、
前記液体内のある１つの領域内に、前記第１の磁場と異なる第２の磁場を生成し、検体が存在しないときは前記液体が前記領域を占有し、検体が存在するときは前記液体が前記領域から実質的に排除される、ステップと、
前記液体から磁気共鳴信号を励起および測定し、前記信号が、前記液体が前記領域を占有するときと、前記液体が前記領域から排除されたときを検出可能な差を有する、ステップと、
前記信号から、液体が占有するか、また前記領域から排除されているかどうかを決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
前記決定が前記液体のＴ２を測定することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記液体の前記Ｔ２は前の測定値と比較され、検体の存在は前記Ｔ２と前記前の測定値との差に関連付けされる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記信号は複数回数測定され、前記測定値は、前記領域内の検体の累積に関連する前記信号の変化速度を決定するために分析される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記液体は磁気特性を有する構造体を含有し、
前記第２の磁場は、前記第１の磁場による前記構造体の磁化により生成され、
前記領域はその容積を、前記構造体の外部の前記第２の磁場により占有されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記磁気特性は常磁性、超常磁性、または強磁性である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記構造体は１ナノメートル〜１０００ナノメートルのサイズを有する粒子である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の磁場は、前記構造体を囲み、前記構造体の外部の前記液体内に延びる実質的に双極子場である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記領域内に拡散する液体が、前記第２の磁場によりディフェージングされ、その後、拡散によってサンプル全体に偏極を広げる、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２の磁場領域内の液体からの磁気共鳴信号を測定し、それらを前記第２の磁場領域内の外部の液体からの磁気共鳴信号と比較することにより、検体の存在が決定される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
検体の前記存在は、前記第２の磁場領域内の外部の液体からの磁気共鳴信号を測定することにより決定され、
前記第２の磁場領域を通過する液体が、その領域内にあるときにディフェージングされ、その後、そのディフェージングを拡散により前記液体の残りに伝達する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記液体は、粒子および前記検体に対する選択的な親和性を有する表面を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記表面はナノメートルスケールの粒子に付着される分子を含有し、前記分子は前記検体に優先的に結合する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記表面は前記領域に近接し、検体が存在するときは、前記検体を前記領域内に保持する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記表面は、検体と協働して液体を前記領域から排除する分子を含み、前記信号内に検出可能な変化を生成する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記第２の磁場はナノメートルスケールの常磁性粒子によって生成され、前記検体は２成分配位を形成する粒子に結合し、前記検体は前記第２の磁場を占有し、これにより、前記領域から液体を排除し、結果的に前記液体のディフェージングを減少させ、結果として前記液体サンプル全体のＴ２を増加する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の磁場は、検体と組み合わさって超分子アセンブリを形成する複数のナノメートルスケールの常磁性粒子によって生成され、
前記アセンブリ近辺の液体は、粒子の磁気双極子モーメントとの相互作用によってディフェージングされ、
前記ディフェージング効果は、液体サンプル全体のＴ２を減少させる、請求項２３に記載の方法。
【請求項４０】
Ｔ２の増加が最初に、検体と粒子との間の結合により検出され、その後Ｔ２の減少が、超分子アセンブリの形成により測定される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
液体内の検体を検出するシステムであって、
透磁性材料のフレームを備える永久磁石アセンブリであって、２つの間隔を空けた永久磁石が前記フレームに取り付けられ、２つの透磁性磁極片が、前記２つの永久磁石に取り付けられ、かつサンプル領域の両側に配置され、これにより、前記磁極片の間にほぼ均一な第１の磁場が生成される、永久磁石アセンブリと、
無線周波数エネルギーの発生源と、このエネルギーを前記液体内の非ゼロスピンを有する原子核に誘導的に結合するアンテナと、前記アンテナと通してそれら原子核から伝達される無線周波数信号を分析するように構成されたコントローラとを含む磁気共鳴システムと、
前記第１に磁場により磁化されるとき、実質的に双極子形を有し、かつ前記粒子の外部の粒子領域を通過して延びる第２の磁場を生成する、前記サンプル領域内の液体中に含有されるナノスケールの常磁性粒子または超常磁性粒子と、
検体に結合し、かつ前記第２の磁場により占有された前記領域内に前記検体を保持する粒子に付着され、これによりその領域から前記液体を排除する分子と、
を備え、
検体が存在しないときは、前記液体は分子拡散により前記領域を通過し、前記第２の磁場によってディフェージングされ、その後、さらなる拡散によって前記サンプルを通って拡散し、これにより前記液体のＴ２を変化させ、
検体が存在するときは、前記分子がその検体に結合し、前記検体が前記領域を占有し、前記第２の磁場から液体を排除するようにし、これにより、前記第２の磁場による前記液体のディフェージングを妨げ、このようにして、前記液体のＴ２の変化を妨げ、
前記磁気共鳴システムは、前記液体から磁気共鳴信号を励起および測定し、前記信号からＴ２を評価し、このＴ２を前の測定値と比較してＴ２がディフェージングにより変化しているかどうか、したがって液体が第２の磁場を通過し、この第２の磁場によってディフェージングされているかどうかを決定する、
液体内の検体を検出するシステム。
【請求項４２】
サンプル内に未知の干渉物が存在しても、既知の液体を含むサンプル内の検体を検出する方法であって、
ほぼ均一な第１の磁場を生成するステップと、
前記第１の磁場内に置かれたサンプルからの１つまたは複数の磁気共鳴信号を測定するステップ、
前記粒子に近接およびこの粒子の外部の領域内の常磁性粒子により第２の磁場を生成するステップと、を含み、
前記粒子は前記粒子の外部に付着された分子を含み、前記分子は、存在するときは、前記検体に結合し、前記領域内に前記検体を保持し、前記液体からの前記磁気共鳴信号内に検出可能な変化を発生させ、前記分子は、存在するときは、前記干渉物に結合せず、これにより、前記磁気共鳴信号内に変化を発生させない、
検体を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００５年４月２１日付で出願された、発明の名称「ＢＩＯ−ＨＡＺＡＲＤ  ＳＵＢＳＴＡＮＣＥ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＡＮＤ  ＩＤＥＮＴＩＦＩＥＲ」である米国特許仮出願第６０／６７３，３８２号明細書、および、２００５年４月７日付で出願された、発明の名称「ＳＨＩＰＰＩＮＧ  ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」である米国特許仮出願第６０／６６９，０１９号明細書の利益を主張し、これら両方は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
特許に係る政府の権利
本発明は、以下の契約、すなわち、海軍航空兵器センター第ｎ６８３３５−０２−ｃ−３１２０、国土安全保障省契約第ＮＢＣＨＣ０６００１７および第ＨＳＨＱＰＡ−０５−９−００３９のうちの１つまたは複数に基づいて、米国政府の支援でなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、一般に、検体検出の分野に関し、さらに磁気共鳴を利用して検体を検出することに関する。
【背景技術】
【０００４】
特定の検体に対する検出技術は、液体クロマトグラフィやガスクロマトグラフィ（それぞれ、ＬＣおよびＧＣ）、質量分析法（ＭＳ）、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光分析法、ポリメラーゼ連鎖反応法（ＰＣＲ）、光学分光分析および蛍光透視法、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光分析法、およびイオン移動度分光分析装置を含む、広範囲の実験計測および技術におよぶ。しかし、今日の化学分析機器は、大きく、高価で、熟練したオペレータを必要とし、複合サンプルの調製を含み、分析に相当な時間を要する。
【０００５】
特定の化学物質および微生物の改善された検出が、世界中で重要なニーズとなっている。例えば、国家安全保障の分野では、テロ攻撃の場合、早期に警告を与えるために、生物学的薬剤、毒素、および化学兵器を検出するためのシステムが必要である。このような検出能力はまた、このような兵器が開発中または製造中の秘密場所を捜索するためにも用いられ、これにより、兵器の使用を防ぐための行動を可能にする。システムはまた、テロ攻撃を検出するために、郵便物や小包を走査するのにも必要とされる。
【０００６】
改善された病原体検出もまた医学で必要とされている。鳥インフルエンザ、牛海綿状脳症（より一般的には、「狂牛病」と称される）、もしくは重症急性呼吸症候群（ＳＡＲＳ）に関連したＤＮＡまたはタンパク質を高感度に検出することによって、世界的流行を回避するために介入することができるようになる。このようなシステムを広く臨床使用することによって、通常の疾患または深刻な病気を特定する助けとなり、診断において医師を大いに助ける。
【０００７】
種々の化学物質の検出もまた、有毒工業化学薬品（ＴＩＣ）および有毒工業物質（ＴＩＭ）を検出する工業的応用に必要とされている。このようなシステムは、広範囲の産業において、漏れ検出、プロセス制御、物質劣化の検出、濃度制御および多数の他のプロセス用途を可能にする。
【０００８】
改善された検出はまた、食品の汚染、傷み、または毒を検出するための手段だけでなく、農業および食糧生産においても必要とされている。食品には、例えば、飲料水やフルーツジュースなどの品物も含まれる。また、例えば、捜索場所におけるサンプル中の特定のＤＮＡ配列を見つけ出すことを含む、法医学検査でも必要とされている。
【０００９】
以前からＭＲＩ造影剤として用いられてきた、ナノメータースケールの常磁性粒子（ナノ粒子）を含む磁気共鳴検出法は、開発中である。この粒子は、非磁性物質の殻で覆われた、常磁性または超常磁性（通常、本明細書では、両方とも常磁性と称する）物質のコアを含み、粒子は、病原体など対象細胞）、腫瘍細胞などとの結合を促進するために、反応体分子で装飾されている。ナノ粒子は、ＭＲＩ分析の前に患者に注入される。ナノ粒子は、標的細胞と結合し、ＭＲＩのイメージ特性を局所的に変化させ、標的細胞の検出または局在化を可能にする。
【００１０】
ナノ粒子はまた生体外でも用いられてきた。液体媒体で溶解または懸濁させると、ナノ粒子は、媒体中の標的細胞または分子と結合する。ナノ粒子と検体とは、数十から数千のナノ粒子を取り込んだ凝集体を形成し得る。このような凝集体は、光散乱、原子間力顕微鏡、電子顕微鏡によって、および場合によっては、ＮＭＲ効果によって、検出することができる。例えば、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ等の米国特許第５，２５４，４６０号を参照のこと。
【００１１】
標的特定反応剤は、検体特定選択性を提供するために、ナノ粒子上に付着させることができる。不都合な点は、各ナノ粒子が多数の検体と結合し、各検体が多数のナノ粒子と結合する場合のみ凝集が生じるために、複数のナノ粒子と複数の標的細胞または分子とを含む凝集体を形成しなければならないことである。凝集は、ナノ粒子間の大きさの変動など、幾何学的な影響によって妨害される可能性がある。凝集が形成されるのに相当の時間を要することもある。
【００１２】
凝集に関する従来の研究は、ベンチトップ緩和計（ｒｅｌａｘｏｍｅｔｅｒ）および高電界ＭＲ装置で行われた。サンプル調製およびＮＭＲ管への挿入は面倒である。各サンプルを手で混ぜ、次に、サンプルを挿入するのは、時間がかかり、検体がナノ粒子と結合すると初期に生じる重要な結合事象を見逃してしまう。測定を迅速化するために、小型の自動化装置が必要である。また、基本的な物理学的および生化学的な見地から、測定に見られる変化を表す現象を理解することが重要である。
【００１３】
初期の研究は、物理学的な見地から、Ｔ２効果の変化をモデル化しなかった。Ｔ２の変化に関する現象を確立するために、光学手段（顕微鏡）によって、簡単な凝集効果が観測された。さらに、初期の研究は、特定のＮＭＲ製品につながる種々の用途に、測定パラメータを適応するために、ナノ粒子の化学量論制御を利用しなかった。
【００１４】
初期の研究では、純粋な、埃や酸などの障害を受けていないサンプルが用いられた。さらに、クラッタおよび近隣分子からの干渉のない、システム全体のコスト、低い誤認警報率および高確率の検出と結び付けられた高速測定の必要がなかった。また、検出される検体濃度の範囲も限定されていなかった。
【００１５】
初期の研究は、より強力な磁化と感度向上につながる、鉄、コバルトおよびニッケルの化合物など、改善された常磁性物質の使用を考えなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
磁気共鳴測定に基づいて標的検体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。１つの態様においては、検体は、磁気共鳴ナノスイッチの形態の特定のナノ粒子を用いて検出される。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の１つの態様においては、システムおよび方法は、近隣の干渉、カビ胞子などの埃、散乱、生物学的干渉、脱脂粉乳や卵白アルブミンなどのタンパク質の干渉、ヘモグロビンや（キレート鉄を含む）フミン酸などの常磁性干渉、いわゆるアリゾナダスト（Ａｒｉｚｏｎａ  ｄｕｓｔ）、ディーゼル煤煙などの環境的干渉にもかかわらず、極めて高い特定性で標的検体を検出する。
【００１８】
本発明の１つの態様は、液体媒体内の検体を検出するシステムおよび方法を含む。別の態様では、検体は、エアロゾル、ヒドロゾルとして、食品などの複合媒体に導入されてもよい。
【００１９】
システムは、液体からの共鳴信号と、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特徴的性質を有する液体内領域とを検出する磁気共鳴システムを含む。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はまた、拡散によりその領域によって影響を受ける。検体に対して特定の親和性を有する物質がその領域に近接している。検体は、親和性物質と結合または保持され、その領域からの液体と取って代わり、それによって、磁気共鳴信号が変化し、検体が現れる。
【００２０】
検体を検出するシステムは、液体媒体内で検体を含有するサンプルと、液体内で第１の磁場を生成する手段と、液体内の特定領域で第２の磁場を生成する手段と、特定の領域内で検体を保持する手段と、液体からの磁気共鳴信号を測定可能な磁気共鳴装置と、これらの信号を分析して液体が特定領域を占有するかどうかを決定する手段と、を含む。あるいは、特定領域を通過する液体は、残りの液体の磁気共鳴信号に影響を与える。第２の磁場は第１の磁場と別個であり、これにより、特定領域内にある液体の信号が、特定領域の外側に位置する液体の信号とは異なり検出可能になる。検体が存在する場合、検体は液体を特定領域から移動させる。したがって、信号が、液体が特定領域を占有することを示す場合には、検体は存在しないはずである。信号が、液体が特定領域から移動していることを示す場合には、検体は存在するはずであり、したがって検出される。
【００２１】
検体は、任意の分子、分子錯体、微生物、化学物質、または、液体媒体に含有されることができ、このそのように含有されている場合は、液体と取って代わる物質であってよい。検体の例として、バイオ分子（例えば、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡまたはそれらの分解物もしくは複合体）、酵素、小分子、生物体、微生物（例えば、完全ウィルスもしくは破壊ウィルスまたはバクテリア）、ヒト、非生物学的化学物質（例えば、化学兵器分子、爆薬、殺虫剤、医薬品、工業薬品）を含む他の種からの完全細胞または破壊細胞がある。
【００２２】
１つの実施形態においては、液体は検体を含有する。ここで、「含有する」とは、検体が、液体に、溶解、懸濁、乳化、さもなければ、全体的に囲まれ、分散していることを意味する。また、検体は液体を移動させ、これは、検体の分子が、液体の分子と空間を共有できないことを意味している。
【００２３】
液体は、非ゼロスピンの原子核を含む任意の流体物質であってもよい。非ゼロスピンの原子核のみがＮＭＲ現象を生じさせる。液体は、その液体を構成する分子が、水分子内で水素などの非ゼロスピンの原子核を含んでいる場合に、このような原子核を含む。あるいは、液体は、このような原子核を、例えば、１９Ｆラーモア周波数で磁気共鳴信号を生成するフッ化溶質などの、溶質または懸濁剤として含んでもよい。
【００２４】
さらなる態様においては、システムは、液体を貫通する第１の磁場を含む。第１の磁場は、電磁石、永久磁石、超電導コイル、または任意の他の発生源によって生成されてもよい。通常、第１の磁場は静磁場であり、０．０１テスラから２０テスラの範囲内にあるほぼ均一な磁場であり、磁気共鳴システムの一部である。
【００２５】
第２の磁場は、サンプルの特定領域内で生成される。第２の磁場は、磁気共鳴を用いて検出可能ないくつかのパラメータにおいて、第１の磁場と区別される。例えば、第２の磁場は、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の磁場とは異なってもよい。第２の磁場を生成するための第２の磁場生成器または手段は、液体に懸濁し、第１の磁場または印加磁場に浸漬したナノ粒子であってもよい。１つの実施形態においては、ナノ粒子は、磁化され、印加磁場にベクトル的に加わる双極子形状の電場を生成し、それによって、正味磁場を形成する。特定領域はその容積を別の磁場によって占有される。別の磁場がナノ粒子によって生じると、特定領域は、ナノ粒子の表面に近接するがその外側にあるナノメートルスケールの容積となり、そこでは正味電場は、印加磁場と実質的に異なっている。あるいは、特定の磁場領域は、ナノ粒子の代わりに、キレート鉄またはガドリニウムなどの常磁性イオンによって形成され得る。本方法の利点は、金属イオンキレートの高移動度により、拡散律速反応速度が速くなることである。同様のイオンがＭＲＩ（Ｇｄ−ＤＴＰＡおよびＧｄ−ＤＯＴＡ）で用いられる。
【００２６】
あるいは、磁気共鳴信号が、検体の有無で異なり検出可能であるならば、大きさがナノメートルスケールよりも大きい粒子または構造によって、特定の磁場領域が形成される。例えば、形成された磁気構造は、２つの領域内の磁場に２つの特定値を与え、分子を結合する検体は、その磁場領域のうちの１つのみと結合することができる。したがって、検出測定法は複合磁気共鳴信号のスペクトル解析であり、この共鳴信号は、検体が存在しない場合には、２つの磁場領域に対応する２つの周波数ピークを示し、検体が磁場領域のうちの１つを隠蔽している場合には、単一のピークのみを示す。
【００２７】
１つの態様では、温度サイクルが、検体とナノ粒子との間の結合を加速するために用いられる。このようにすれば、検体および／またはナノ粒子の移動度を高めることによって、結合生成時間を短縮する。エネルギー障壁が結合を阻害する場合、温度をより高くすることによって結合速度が向上する。温度サイクルは、加熱および冷却またはその逆を含んでもよい。次に、サンプルが磁気共鳴装置内で測定される。
【００２８】
１つの態様では、システムは、液体を特定領域から移動させるために、特定領域内で検体を保持する機構体または結合剤を含み、それによって検体を検出する。このような結合剤は、検体が親和性を有する任意の物質表面または分子を含むことができる。このような保持は、水素結合、イオン力、共有結合、スルフィド架橋、ファンデルワールス力、静電気力、または任意の他の種類の分子または物質結合もしくは親和リガンドによって達成できる。結合剤は、形成された磁場の領域に近接して配置され、その結果、標的分子が結合されると、その領域を占有し、その領域から液体を排除する。例えば、結合剤は、検体タンパク質に対する抗体、または検体ＤＮＡ配列と相補的なＤＮＡであってもよい。好ましくは、結合剤はまた、存在し得る検体以外の全ての溶質に対してゼロの親和力または負の親和力を有する。ＤＮＡに加え、他の保持手段がアプタマー、小分子などとして用いられることができる。標的には、これらに限定されないが、以下が含まれる。
ａ．抗原を認識し、それと結合する抗体
ｂ．ＤＮＡ標的またはＲＮＡ標的と相補的なオリゴヌクレオチドまたはＤＮＡ配列
ｃ．標的タンパク質、バクテリア、ウィルス、酵母もしくは菌類と結合するＤＮＡまたはＲＮＡアプタマー
ｄ．標的タンパク質、バクテリア、ウィルス、酵母もしくは菌類と結合するタンパク質またはペプチド
ｅ．標的またはより良好な環境安定性と、より強力に結合した非天然アミノ酸から構成される擬似ペプチド
ｆ．標的と結合可能な小分子または小分子の組合せ
ｇ．標的タンパク質、バクテリア、ウィルス、酵母または菌類と結合可能な単糖類、多糖類および糖類。
【００２９】
さらなる態様は、液体媒体からの磁気共鳴信号を励起および検出することができる磁気共鳴装置を含む。既存の磁気共鳴システムは、この機能を実行できる。より好ましくは、この装置は、簡単で、小型で、自動化され、自動的に検出測定を実行できる専用磁気共鳴システムである。このシステムは、液体の有無に関し、特定領域内の第２の磁場によって影響を受ける信号を測定する。例えば、特定領域内の磁場の大きさが、残りの液体の大きさと異なる場合、磁気共鳴システムは磁気共鳴信号のスペクトル成分を測定して、信号が発生する磁場を決定することができる。したがって、特定領域にある液体のラーモア周波数を分析することによって、システムは、液体がその領域を占有するかどうかを決定する。
【００３０】
代替の測定は、液体のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）である。特定領域の磁場の勾配が大きい場合、特に、液体が、その測定値に比べて短時間でこれらの勾配磁場を通って拡散する場合、Ｔ２は影響を受ける。したがって、システムは、液体のＴ２を測定することによって検体の存在を決定し、特定領域で偏極が起こっているかどうかを決定することができる。
【００３１】
１つの態様においては、小型の磁気共鳴システムが、Ｔ２の正または負の変化を測定することができる。凝集は、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ特許では、分子の大きな超分子集団の形成として説明されている。凝集は、結合事象よりも後に必ず生じる。凝集の場合、全ての測定値は負のＴ２変化を示す。同様に、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎにおいて「正の１／Ｔ２」として定義されているパラメータは、Ｔ２における負の変化を表している。凝集は、いくつかの分子が互いに結合し、それらが水のＴ２を変化させるのに十分大きな集団を形成するプロセスとして、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎによって説明されている。１つの実施形態では、本発明のシステムは、凝集前に正および負のＴ２変化となる、検体の結合事象によるＴ２変化を測定する。
【００３２】
１つの態様では、小型の磁気共鳴システムは、まず、ナノ粒子またはナノ粒子溶液のベースラインのＴ２を測定し、次に、検体と混合し、Ｔ２を再度測定してＴ２内の変化が起こったかどうかを決定する。これは、測定誤差や混合誤差、ナノ粒子の特性の変動、流体輸送誤差などを打ち消すだけでなく、ナノ粒子の補正濃度や一定の化学量論比を確実にするためになされる。
【００３３】
１つの実施形態においては、本発明のシステムは、サンプルから磁気共鳴信号を１回測定することによって検体を検出できる。あるいは、システムは、ある期間にわたって、連続して測定を行うことができ、測定値を比較または分析することにより検体の検出を向上させることができる。例えば、検体とナノ粒子との間の結合は、特定の測定に必要な時間よりも長い間隔の間、継続し得る。次に、システムは、結合によって生じた変化を観測するために、繰り返し測定を行うことができる。別の実施例として、検体が、まず、２成分を形成するためにナノ粒子と結合し、Ｔ２内の正シフトを生じさせ、その後、２成分が凝集体を形成するために結合して、Ｔ２内の負シフトを生じさせることができる。このようなデータは、誤認警報率を低減することによって結果の質を大幅に高めることができ、それによって、低検出しきい値を与え、所与量の検体に対する検出の可能性を高める。
【００３４】
本発明のシステムは、パラメータまたは累積された反応パラメータの変化率を含む、同一サンプルでの反復測定から、反応速度に関するパラメータを導き出すことができる。これらの結果は、次に、最初の表示を確かめまたは消去するための追加測定を誘導するために用いられることができる。例えば、サンプルが、混合後すぐに、小さいが疑わしいＴ２変化を示す場合、システムは、ある期間にわたってＴ２の変化率を決定するための一連の検査を開始することができる。その後、これらの後の結果が検体の存在を立証した場合には、警報を発することができるが、以後の測定が検体を示さない場合には、最初の疑いが取り除かれ、それによって誤認警報が回避される。速度−大きさ分析と組み合わせた暫定的な再走査プロトコルを用いることによって、システムは、信頼性としきい値の感度の両方を向上させる。
【００３５】
実験結果と理論モデル構築の両方に基づくと、正のＴ２変化は、ナノ粒子と結合すると同時に水分子を移動させる検体に起因し、負のＴ２変化は、複数のナノ粒子によって形成されたケージ構造内での水分子の反復ディフェージングに起因する。さらに、正または負のＴ２変化は、歳差運動および化学量論によって促進することができる。例えば、ナノ粒子と試薬との比率が、負または正のＴ２変化を与えるために調整されてもよい。いくつかの状況においては、ベースサンプルからの介入を除去するために、負および正のＴ２効果の両方を測定することが重要である。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を低減させる。したがって、フミン酸と混合された検体がある場合には、検体は次の方法で測定可能である。まず、ベースラインのＴ２測定値を得るために、ナノ粒子を混合する前に、サンプルを測定する。次に、ナノ粒子を混合し、正か負のＴ２変化を測定して、検体を検出する。あるいは、別の基準測定を行うことができない場合には、検体と結合すると同時に正のＴ２の差となるナノ粒子を混合することが有用であり、それによって、汚染物質にもかかわらず検体を検出できる。
【００３６】
「ナノ粒子複合混合物」は、複数の検体に対して高感度化されたナノ粒子の調製である。２つの複合化シナリオがある。第１は、混合物内の各ナノ粒子が、特定の検体に対して高感度化されることである。第２は、単一のナノ粒子が、複数の検体に対して高感度化されることである。
【００３７】
１つの実施形態においては、自動空気監視システムは、サンプルを空気と共に取り込む入口と、サンプル物質を収集し、それを生サンプルと呼ばれる液状形態に濃縮する収集器と、流体工学システムとを含む。流体工学システムは、例えば、容器内で生サンプルを保持し、例えば、ぜん動ポンプなどのポンプを用いて排出管を通して生サンプルを一貫して測定する。測定されたサンプルは、例えば、ポンプによって貯蔵部から排出口を通って引き出された水の中に存在し得る、選択されたナノ粒子と混合される。反応が起こるとすぐに、流体工学システムは、測定するために、例えばポンプによって駆動される管を通って磁気共鳴システムのサンプル領域へ、サンプルを移動させる。あるいは、サンプル混合および処理は、磁気共鳴システム内で実行されてもよい。流体工学システムは、細胞溶解のための手段を含むことができ、流体工学システムは、標的細胞のタンパク質、ＲＮＡまたはＤＮＡを放出するために、サンプル内の細胞もしくはウィルスを溶解または破壊できる。流体工学システムは、結合事象を促進するために構築された温度制御も有してもよい。流体工学システムはまた、汚染物質を除去するための全システム洗浄用溶媒を有してもよい。洗浄用溶媒または洗浄剤は、貯蔵部から引き出され、サンプルをサンプル領域に送る管を通って送られることができる。流体工学システムはまた、全システムが機能していることを確認するために正および負の制御検査を可能にし、較正標準を用いて較正検査を行う。
【００３８】
１つの実施形態では、ナノ粒子の代わりにキレートを用いて、別の磁場領域を生成し、検体と結合させる。キレートイオンを用いる利点は、拡散律速過程を促進するために、液体媒体を介してより早く拡散することができることである。一方、ナノ粒子を用いると、所望の検体を選択するために親和性分子を調整できるが、キレートが特定の分子形態でのみ生じる。ナノ粒子は、キレートに比べて親和性分子を結合するための領域が大きい。ナノ粒子は、検体、爆薬および化学物質と結合するためのキレートで装飾することができる。
【００３９】
１つの態様においては、常磁性コアもしくはキレートまたは他の磁性構造体によって生成される第２の磁場領域の大きさは、検体の大きさに匹敵し、それによって、結合された検体が、第２の磁場領域をちょうど埋めて、その領域から液体を排除し、それによって最高の高信号および高感度を提供する。例えば、検体が、爆発性蒸気分子または化学兵器分子など比較的小さい分子である場合、第２の磁場領域の大きさは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にあるように選択されるのが好ましい。毒素またはＤＮＡまたはウィルス粒子など、より大きな検体を検出するために、第２の磁場領域の大きさは、１０ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。検体が、バクテリアなどさらに大きな物体である場合、第２の磁場領域の大きさは、検体と適合させる必要に応じて、１００ｎｍ〜１０００ｎｍまたはそれ以上であってもよい。
【００４０】
ナノ粒子は、光学的サインを提供する構造体を含んでもよい。例えば、蛍光染料または核がナノ粒子内で付着または含まれ、蛍光体を励起するのに十分なエネルギーの光子に露出され、それによって、エネルギーが励起光子と異なり、通常は、励起光子よりも低い蛍光光子を放射させることができる。励起および蛍光光子は、紫外線、可視または赤外線範囲に存在する。蛍光光子を検出することによって、ナノ粒子の濃度が測定される。さらに、検体が、ナノ粒子と結合すると、構造体は変更され、このような働きは、蛍光光子の強度またはエネルギーの変化など、蛍光体の検出可能な変化となることができる。この変化の検出は、磁気共鳴測定とは別に、検体結合が生じ、これにより、検体がサンプル中に存在していることを示すことになる。
【００４１】
本発明の他の特徴および利点は、以降の詳細な説明、特許請求の範囲および添付の図面から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の構造体および操作の両方に関する、本発明の詳細事項は、添付の図面の検討により部分的に見出すことができる。なお、同様の参照符号は同様の部分を参照する。
【００４３】
この説明を読んだ後、当業者には、種々の代替実施形態および代替用途において本発明をどのように実行するかが明らかとなる。しかし、本発明の種々の実施形態を本明細書で説明するが、これらの実施形態は、例示目的のみであって、限定目的で提示されるものではないことが理解される。したがって、種々の代替実施形態のこの詳細な説明は、添付の特許請求の範囲に記載されている、本発明の範囲または広さを限定すると解釈されるべきではない。
【００４４】
磁気共鳴
特定の実施形態において用いられる技術要素の簡単な要約がここで提供される。検体または標的分子は、媒体、好ましくは、水などの液体に含まれ、検体または標的分子は、水素などの非ゼロスピンを有する原子核を含む。周知のように（例えば、Ｗａｌｌａｃｅ  Ｓ．Ｂｒｅｙ著、「Ｐｕｌｓｅ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  １Ｄ＆２Ｄ  Ｌｉｑｕｉｄ−Ｐｈａｓｅ  ＮＭＲ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１９８８年参照のこと）、このような原子核の磁性成分は、偏光され、または磁場で空間的に配向されるようになり、
ｆＬａｒｍｏｒ＝γＢ／２π
で得られる周波数で、磁気共鳴歳差に誘導され得る。ここで、Ｂは、原子核の位置での磁場強度であり、γは、原子核の磁気回転比であり、ｆＬａｒｍｏｒは、共振周波数またはラーモア周波数である（水素原子核について、γ＝２．６７５×１０８テスラ−１秒−１）。原子核の磁性成分または磁気モーメントは、ベクトル量であり、ＮＭＲ分光計によって測定されたＮＭＲ信号である、結果として生じるバルク磁化ベクトルを与えるために加えられる。
【００４５】
ＮＭＲ信号を記録する際に利用される摂動（以下参照のこと）などの摂動の後に、バルク磁化ベクトルは、時間経過に伴い、その最初の安定状態に戻る。このプロセスは、原子核磁気緩和と称される。２つの基本的な時定数が、単一指数関数プロセスに関して、この緩和を説明するために用いられている。第１の磁場の方向に沿ったバルク磁化の回復は、Ｔ１で示されているスピン格子緩和時間または縦緩和時間によって説明される。典型的には、Ｔ１はミリ秒から秒程度である。第１の磁場の方向に垂直な平面におけるバルク磁化の単一指数減衰が、Ｔ２で示されているスピン−スピン緩和時間または横緩和時間によって説明される。液体信号について、Ｔ２は、一般に、１００ミリ秒以上の範囲内にある。一方、固体サンプルのＴ２値は、一般に、１マイクロ秒〜１００マイクロ秒の範囲内にある。
【００４６】
磁気共鳴測定は、サンプルに１つまたは複数のＲＦ（無線周波数）エネルギーパルスを加え、パルスによって再配向されるようになったバルク磁化を測定することによって、実行される。ＲＦパルスの周波数は、ラーモア周波数と等しく、バルク磁化ベクトルを第１の磁場に垂直な平面に再配向させるのに十分な持続時間を有し、バルク磁化ベクトル（ＮＭＲ信号）は、経時的に記録できる。したがって、ＲＦパルスは、通常、９０度の倍数である。
【００４７】
スピン−スピン緩和は、典型的には、スピンエコー信号を発生させるために一連のＲＦパルスによって測定される。スピンエコーは、９０度のパルスによって、次に、（一般にはτと示される）短い遅延時間、次に、１８０度のパルス（９０°−τ−１８０°）で生成される。バルク磁化ベクトルが記録される前に、第１のτと時間的に同じ第２のτが記録される。一連のＲＦパルスと時間遅延が、まず、第１のτの間に、第１の磁場に垂直な平面においてバルク磁化を含む原子核磁気モーメントを最初にディフェージングするために用いられ、第２のτの間に、この平面内の残りのバルク磁化を再集束する。この後者の再集束によって、エコー信号が形成され、エコー信号を記録することができる。スピン−スピン緩和を測定する最も一般的な方法は、最初にＣａｒｒとＰｕｒｃｅｌｌによって説明され（Ｃａｒｒ，Ｈ．Ｙ．およびＰｕｒｃｅｌｌ，Ｅ．Ｍ．著、「Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｏｎ  Ｆｒｅｅ  Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ９４、第３号（１９５４年）、第６３０〜６３８頁）、先に説明された方法の改変が、ＭｅｉｂｏｏｍとＧｉｌｌによって説明されている（Ｍｅｉｂｏｏｍ，Ｓ．およびＧｉｌｌ，Ｄ．著、「Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｓｐｉｎ−Ｅｃｈｏ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  Ｔｉｍｅｓ」、Ｔｈｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ２９、第８号（１９５８年）、第６８８〜６９１頁）。Ｃａｒｒ−Ｐｕｒｃｅｌｌ改変Ｍｅｉｂｏｏｍ−Ｇｉｌｌ（ＣＰＭＧ）法は、上述の最初の９０°−τ−１８０°シーケンスの後に、一連の短時間遅延、次いで、１８０度パルスを用いる。この後、次に、結果として生じるバルク磁化ベクトル［９０ｘ°−（τ−１８０ｙ°−τ−記録）ｎ］が続く。スピンエコー信号の振幅は、エコー時に残っているバルク磁化に比例し、これは、シーケンスの数が増えるにつれて（ｎの値が増えるにつれて）連続的に小さくなる。したがって、種々の値のｎの後、バルク磁化ベクトルの振幅を測定し、そのデータを、緩和時間としてＴ２とともに単一指数減衰に適合させることによって、Ｔ２の直接測定値を得る。
【００４８】
常磁性ナノ粒子磁場
好ましい実施形態においては、ナノ粒子は、ナノ粒子の近傍領域において磁場に影響を与えるために使用される。ナノ粒子の常磁性または超常磁性コアは、外部磁場がそれに加えられると磁化される。超常磁性は、磁化物体の大きさが磁区を形成するには小さすぎる強磁性に関連する。超常磁性コアは、鉄と比べて、高い透磁率とかなり高い飽和磁場を示すが、ほとんどまたは全くヒステリシスを持たない（Ｈｃ〜０）。磁場内に置くと、コアは、印加磁場の方向に平行に、強力に磁化されるようになる。外部磁場が除去されると、コアはその磁化の実質的に全てを失う。異方性および形状効果を無視すると、導き出されたコアの磁気モーメントは、
ｍｃｏｒｅ＝（４π／３）（ｒｃｏｒｅ３）（χＢ０）
によって与えられる。ここで、ｍｃｏｒｅはコアの双極子モーメントであり、ｒｃｏｒｅはその半径であり、Ｂ０は印加磁場であり、χは磁化率である。通常、Ｂ０が飽和磁場より下にある場合、非磁性物質についてはχはほぼ０であり、超常磁性物質についてはχ＞１であり、Ｂ０が飽和磁場より上にある場合は、１≦χ≦０である。例えば、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）は、飽和磁場よりも約０．５テスラ下にある磁場に対して、磁化率が約１の超常磁性である。
【００４９】
磁化されたコアは、通常、双極子場、すなわち、ナノ粒子の常磁性コアの中心に位置する理想的な磁気双極子によって生成される磁場に近い磁場を生成する。ナノ粒子コアの外側の位置では、双極子場は、以下のようにパラメータ化される。
Ｂｒ＝２ｍｃｏｒｅｃｏｓθ／ｒ３
Ｂθ＝−ｍｃｏｒｅｓｉｎθ／ｒ３
【００５０】
ここで、Ｂｒは双極子場の動径成分であり、Ｂθは周方向成分であり、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であり、ｍｃｏｒｅは双極子モーメントである。
【００５１】
双極子場は、印加磁場に（ベクトルとして）線形に加算され、正味磁場となる。ラーモア周波数が、偏極原子核が受ける正味磁場によって決定される。印加磁場に直交する双極子場の成分によって、主として、磁場回転し、一方、印加磁場に平行な双極子場の成分によって、正味磁場の大きさが直接変わり、それゆえに、無ひずみの印加磁場に対して、ラーモア周波数が変化する。二次項を無視した、ｒ＞＞ｒｃｏｒｅについての正味磁場Ｂｎｅｔは以下の通りである。
Ｂｎｅｔ＝Ｂ０（１＋４π／３（ｒｃｏｒｅ／ｒ）３χ（２ｃｏｓ２θ−ｓｉｎ２θ））
【００５２】
いくつかの実施形態においては、正味磁場の勾配の大きさも重要である。磁場勾配は、
▽Ｂｎｅｔ＝Ｂ０χ８π（ｒｃｏｒｅ３／ｒ４）（−｛ｒ｝ｃｏｓ２θ＋｛θ｝ｃｏｓθｓｉｎθ）
で与えられる。この式で、中括弧は、ｒまたはθ方向における単位ベクトルを示している。
【００５３】
液体中の拡散
いくつかの実施形態は液体媒体を含む。液体は、検体と磁気共鳴信号を発生する原子核とを含む。これらの信号は、拡散、特に液体への液体分子の拡散、すなわち分子の自己拡散に影響を受ける。拡散は以下のように公式化される。
σｗａｌｋ＝（２Ｄｍｏｌｅｃｔ）１／２
ここで、σｗａｌｋは、時間ｔの間に等方性３次元ランダムウォークで移動した平均距離であり、Ｄｍｏｌｅｃは、並進拡散係数である。例えば、室温における水については、Ｄｍｏｌｅｃ＝１．５×１０−９ｍ２／ｓである。
【００５４】
磁気共鳴測定はまた、スピン拡散、すなわち原子核のスピンまたは分極が、近くの同一種類の核のスピンまたは分極と入れ替わる現象によっても影響を受ける。スピン拡散は、偏極などのスピン依存効果をサンプル全体に分散させることができる。例えば、水中の水素原子核の小部分が偏極力を受ける場合、スピン拡散により、サンプル中の水素全てに、平均分極値を推定することができる。
【００５５】
モデル
このモデルは、ナノ粒子と溶媒との間のスピン依存相互作用に対処し、観測されたＴ２効果を定量化するための有用な骨組みを提供する。いくつかの実施形態では、このモデルは、検体を測定し検出するための基礎として用いられる。単純なナノ粒子は、超常磁性物質ででき、非磁性物質の球殻で囲まれ、全て水中にある球状コアからなっていると推定されている。しかし、このモデルを利用または変更して、他の形状のナノ粒子においても、および他の溶媒においても用いることができる。このモデルは、観測されるＴ２変化に対して以下の機構体を提示している。
【００５６】
（１）溶液中のナノ粒子は、淡水に比べてＴ２を低減させる。モデルは、偏極が、磁化されたコアによって形成された双極子場によることを示唆している。磁場の歪みによって、スピンは異なった周波数で歳差運動し、破壊的な干渉につながる。ＣＰＭＧは、通常、静磁場不均一効果を再集束するが、水分子のブラウン運動によって、それらの効果が、エコー間隔よりも短い時間で磁場歪みに出入し、それによって、スピン分散の時間依存性を引き起こし、ＣＰＭＧの再集束効果を破壊する。
【００５７】
（２）ナノ粒子が検体と反応するが凝集しない場合、Ｔ２は増加する。これは、ナノ粒子の周りの歪んだ磁場領域の一部を占有する検体分子に起因し、それによってその領域から水を排除し、その結果、スピン分散を低減させＴ２を増加させ得る。
【００５８】
（３）ナノ粒子と検体が凝集するとＴ２は減少する。これは、水分子が、周囲のナノ粒子との反復的なスピン分散衝突を受ける、水充満ケージ状構造体を形成することに起因し得る。増加偏極を十分に繰り返すことによって、検体が不均一な磁場領域の一部を閉塞するにもかかわらず、Ｔ２は低減する。
【００５９】
（４）単一指数関数は、通常、分極減衰曲線に適合する。これは、ナノ粒子近くの水素が強力にディフェージングされるという事実にもかかわらず、全体的な溶媒は、均一な磁場、すなわち２集団系（ｔｗｏ−ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）のみを認識する。しかし、スピン集団（ｓｐｉｎ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ）は、等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全体にわたり急速に平衡化され、その結果、単一の平均Ｔ２となる。
【００６０】
モデルのナノ粒子は、図１の断面図において、矢印１１０で示された印加磁場が存在する状態で描かれている。ナノ粒子は、好ましくは常磁性の、より好ましくは超常磁性の磁化可能なコア１１２からなる。ナノ粒子の誘起された局所双極子形状磁場が、点線で表されている。コアの半径は、領域内の液体のＴ２変化を生成するのに十分大きい領域で、顕著な磁場歪みを形成するために十分大きくなければならない。コアの半径は、コアが強磁性とならないよう十分小さくなければならない。典型的には、コアの半径は約１ｎｍ〜２０ｎｍである。コアの所望の特性には、印加磁場強度での高磁化率と、好ましくは印加磁場強度を超えた場合の高飽和磁場と、液体媒体との化学的適合性と、極めて低い残留磁場とが含まれる。最後の特徴は、磁気吸引により、ナノ粒子が一緒に凝集するのを防ぐために望ましい。コアの物質は、例えば、酸化鉄、コバルト、ニッケル化合物など任意の磁化可能物質であってもよい。鉄コアが用いられる場合、ナノ粒子は無毒で生分解性でなければならない。コアは、例えば、デキストランまたはシリカなどの非磁性物質でできた１つまたは複数の殻１１４によって覆われている。シリカ被膜は安定していて耐性があり、冷凍の必要性をなくすることができる。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といった他のポリマー被膜が考慮されてもよい。
【００６１】
ナノ粒子の周りの位置（ｒ，θ）での正味磁場の大きさは、均一な磁場に対して、正の変化分と負の変化分の両方を有する。このことが、図２のグラフに示されている。
【００６２】
ＣＰＭＧ手順が、静磁場の不均一性を再集束するが、再集束パルス間の時間において、１つの磁場領域から他の磁場領域へ移動するそれらの水分子は再集束されず、Ｔ２効果を生じる。このように、Ｔ２変化は、正味磁場の勾配に関係する。
【００６３】
特定の実施例を考えると、コアは、直径が４ｎｍ〜８ｎｍのＦｅ３Ｏ４であり、分子の他の部分は、直径が全体で５０ｎｍの殻である。磁化率と飽和磁場は、組成物、結晶構造およびコアの直径に依存する。飽和磁場の値は、０．２Ｔ〜０．５Ｔの範囲にあり、磁化率は０．２〜２の範囲にある。多数のシミュレーションが、０．５Ｔの飽和率と０．５の磁化率を用いて調製された。このナノ粒子の近傍にある正味磁場が図２で示されている。粒子の２つの「極」では、「赤道」周辺の磁場低減に対して、強力な磁場増加が見られる。殻内の磁場は対象外であり、計算されておらず、Ｂ０と表示されている。
【００６４】
磁場勾配が図３および図４で示されている。図３は、ナノ粒子の周りの磁場勾配の大きさの図である。図４は、粒子の軸に沿った磁場勾配の大きさの図である。やはり、粒子の中の磁場は分析されない。
【００６５】
ＴＥｃｈｏ＝４ミリ秒のエコー間隔に関して、平均移動距離は約３．５μｍである。これは、歪み磁場領域の長さ尺度よりもかなり大きく、それゆえに、水分子が、再集束パルス間の歪み磁場領域に出入りするのに十分な時間を有すると推定できる。
【００６６】
歪み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、以下のように予測できる。瞬間歳差周波数が、水分子の位置における正味磁場に比例する。簡略化のため、本発明者らは、分子が１エコー間隔の間、１つのナノ粒子の歪み磁場領域を通ってランダム歩行し、Ｂ０の印加磁場のみを有する主溶媒内で始まって終わると仮定する。分子は、歪み磁場内に存在するが、溶媒の残りと比較して、別の歳差運動を累積する。次に、Ｂ０磁場による位相進みが、従来通り、１８０パルスによって再集束されるが、歪み磁場でかかった時間からの追加の歳差位相は再集束されない。磁場歪みの移動により再集束されなかった位相の増加分は、主溶媒の積分を引いた、粒子が受ける磁場の積分、すなわち
ｄｐｈａｓｅ＝∫γ（Ｂｎｅｔ（ｒ）−Ｂ０）ｄｔ
である。ここで、ｄｐｈａｓｅは、Ｂｎｅｔ（ここでは空間の陽関数）を通る水素と均一な磁場Ｂ０内に残ってい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、積分は再集束パルス間の時間にわたる。位相シフトの概算を得るために、分子が、歪み磁場領域を通って拡散するのに必要な時間、一定磁場にあると仮定することによって、前の式が簡略化され、その結果、以下の近似値となる。
ｄｐｈａｓｅ＝［ｘｄｉｓ２／（２Ｄｍｏｌｅｃ）］［Ｂｎｅｔ−Ｂ０］γ
【００６７】
上述のナノ粒子の大きさおよび磁場に関する仮定を用いると、正味磁場は、典型的には２０ｍＴ、印加磁場から外れる。その磁場内のスピンは、主溶媒におけるよりも約８５０ｋＨｚ速く歳差運動する。この歪みに対する典型的な長さ尺度は、ｘｄｉｓ＝２０ｎｍである。２０ｎｍ拡散するのに必要な時間は、１３３ｎｓｅｃである。その時間の間、スピンは、さらに、ｄｐｈａｓｅ＝０．１ラジアン歳差運動する。これは、単一の分子移動によって、単一のエコー間隔で実質的にディフェージングしていることを表し、ＣＰＭＧによって再集束されていない場合、短いＴ２となる。サンプル内では、多くの水分子が、不均一磁場と連続して相互作用し、各水分子は、特定の経路によって、正または負の位相シフトを受ける。集合体では、別のスピン分散によって、破壊的な干渉と全体的な偏極が生じる。
【００６８】
水中のスピン拡散係数は、温度や他の要因に依存して、Ｄｓｐｉｎはほぼ１０−１５〜１０−１６ｍ２／ｓの範囲内にある。スピン拡散は、分子の拡散よりも遅いが、数ミリ秒における多くの水分子内の偏極を広げるには十分である。興味深いことに、固体状態のスピン拡散速度は、かなり速く、１０−９ｍ２／ｓ程度になる傾向があり、これは、自由水内の分子拡散に匹敵する。殻が高速のスピン拡散を示す場合には、殻は、ナノ粒子表面と接触する全水分子間で偏極を分散するための導管として機能できる。
【００６９】
いくつかの実験は、Ｔ２が２０ミリ秒〜２００ミリ秒増加することを示した。これはナノ粒子の表面を妨害する検体分子に起因するものであって、水分子がナノ粒子の表面で歪み磁場領域をサンプリングすることを効果的に防ぐことを、モデルが示している。
【００７０】
検体分子が、ナノ粒子の表面に付着すると、表面の一部が閉塞される。全体的な偏極速度は弱まり、Ｔ２が増加する。減衰速度の変化は、検体が占有する歪み磁場容積の分数にほぼ比例している。複数の検体分子が付着する場合には、検体分子全てが、平均して、同様のＴ２変化に寄与する。検体が、ナノ粒子の表面を覆い終わる時間の一部のみを費やす場合、Ｔ２変化は比例して増加する。
【００７１】
Ｔ２の低減は、抗体に対するナノ粒子の比率を変化させることによってもまた観測される。ここで、抗体は、検体への接続体の一例として用いられている。これは、化学量論制御として定義されている。検体の検出レベルに応じて、検体を高速に検出することを可能にするために、化学量論を調整することができる。
【００７２】
Ｔ２を低減させるために、試薬と処理条件を調整してもよい。ナノ粒子と検体との大きな凝集体の形成は、このようなＴ２の減少と相関関係にある。モデルは、この凝集体が、開いたケージ状構造体であり、これを水分子が容易に通過し得ることを仮定している。これは、初期の研究では説明されていない。１つの実施形態においては、スピン情報は、この凝集体構造に、高速に拡散して出入りし、ケージ内で起こる脱分極がサンプル全体にわたって平衡化される。
【００７３】
モデルは、凝集体に対するＴ２の減少は、ケージ内の水分子が、脱分極磁場と繰り返し出会う際の反復ディフェージングに起因することを示している。このような反復ディフェージングは、ケージ内の水分子が、多数のナノ粒子表面近傍に残っているために、自由液体内の分離したナノ粒子よりも効果的な分極シンクを表す。ナノ粒子の歪み磁場容積の一部が検体によって閉塞されているが、水分子は、主磁場とは異なる磁場をサンプリングするのにかなりの時間部分を費やし、それによってエコー間隔と比較すると短時間で全体的にディフェージングされるようになる。そして、凝集体の外にある分子を含む近隣分子と分極を交換することによって、均一に低減されたＴ２が生じることになる。
【００７４】
このモデルは有用性が大きい。なぜなら、このモデルは新しい測定値と、サンプル内の検体に関して測定を実行する新しい方法とにつながるからである。モデルは、ナノ粒子との検体の相互作用によって、Ｔ２をどのように増加および減少させるかを説明し、試薬濃度を調整することによって効果を制御する方法を示唆している。検出速度は、多くの用途にとって重要なパラメータであることに留意すると、モデルは、検体とナノ粒子との結合によるＴ２の増加方法は、結合が凝集前に生じなければならないために、凝集体からのＴ２の減少よりも速く、信号を供給するであろうことを示唆している。モデルはまた、より高磁化率のコア物質とより薄い非磁性殻とを用いて、より高感度のナノ粒子の開発を導く。モデルはまた、結合からのどのようなＴ２変化も優れて定量化するために、混合する前に、ナノ粒子溶液とサンプルのＴ２を別々に測定するなど、系統誤差を打ち消すステップに導く。モデルはまた、熱影響や拡散がどのように関与するかを説明し、検出を加速させまたは、検体反応を確認するために利用することができる。モデルはまた、信号およびノイズ対サンプルの大きさや他の設計パラメータを定量化することによって、本発明の方法を活用した製品の開発を導く。
【００７５】
方法の説明
１つの実施形態においては、１つまたは複数の検体を検出する方法は、検体および他の物質を含有する液体サンプル混合物を調製することと、その液体に第１の磁場を印加することと、その液体の特定領域内で第２の異なる磁場を生成することと、存在する場合には、（例えば、検体を保持するための手段を設け、その結合剤を特定領域に隣接して固定し、検体を結合剤と相互作用させるのを可能にすることによって）特定領域内で検体を維持することと、検体が特定領域内で維持されている間に混合物から磁気共鳴信号を励起することと、検体がその特定領域を占有するかどうかを決定するために信号を分析することと、そして、信号が、液体が特定領域から移動していることを示す場合には検体が存在することを結論付けることと、を含む。
【００７６】
１つの実施形態においては、液体サンプル混合物を調製することは、非ゼロスピンの原子核を有する原子を含む液体を使用することを含む。原子は、液体の固有部分であってもよく、または原子は溶質として加えられてもよい。液体サンプルを調製するステップは、検体がナノ粒子に到達することを確実にするために、混合または攪拌を含むことができる。ポンプを用いて回旋状チューブを通ってサンプル流体を駆動することによってなど、混合は多数の方法で達成可能であり、そのような運動は、所望のレベルの混合を生じさせるために、一方向または往復運動であってもよい。あるいは、ナノ粒子および検体は、同じ種類の液体に含まれてもよく、それによって、ナノ粒子と検体が同一の容器内に配置されると、それらは物理的な攪拌を要せずに、自然と混合されるようになる。例えば、ナノ粒子とサンプル物質とは、水に溶解し、その後、測定容器内の拡散によって混合することができる。また、種々の成分に対して、例えば、アルコールや水といった高度に混和性の溶媒を用いることによって、助けを借りずに混合物を調製してもよい。
【００７７】
本方法はまた、サンプルが固定位置で加熱または冷却され得るか、または、サンプルが高温もしくは低温で維持される位置の間を移動し得る温度サイクルを含むことができる。本方法は、このような温度変化の前、最中、および後に、測定を実行することを含むことができる。例えば、サンプルを混合すると即座に、および、サンプルが平衡温度に達すると、加熱および冷却期間の後に再び、Ｔ２の測定を実行してもよい。熱処理の前後にＴ２の値を比較することによって、熱処理中に発生した反応（例えば、ナノ粒子への検体の結合）が明らかになる。
【００７８】
本方法はまた、サンプルの温度を変化させるステップと、次に、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と磁気共鳴測定に影響を与える。ナノ粒子上での検体と親和性分子との間の選択的な結合は、特に、拡散律速反応に対して、温度を上昇させることによって加速できる。したがって、本方法は、第１の温度、好ましくは、測定が実行されるときに、検体がナノ粒子と反応しない十分に低い温度で、液体内にあるナノ粒子と未知物質との混合物のＴ２を測定することを含んでもよい。また本方法は、検体とナノ粒子の相互作用を促進するのに十分な第２の温度まで、サンプルを加熱するステップを含んでもよい。本方法は、結合の効果を観測するために、第２の温度でＴ２を測定することを含んでもよい。本方法は、様々な温度変化後のサンプルのＴ２が温度変化前のサンプルのＴ２と異なっていることを確かめるために、第１の温度に戻るなどさらなる温度変化と、さらなるＴ２測定とを含んでもよい。これらのステップは、干渉に対する改善された識別、Ｔ２変化が検体と特定物質との結合によることの実証、および測定誤差の点検を含む、数多くの利点を提供する。
【００７９】
本方法は、検体とナノ粒子との凝集体を破壊するのに十分な温度までサンプルを加熱し、これにより、対応したＴ２変化を有した、検体とナノ粒子の二成分の溶液を生成することを含んでもよい。温度をさらに上昇させて検体がナノ粒子から分離するようにし、それによって検体を解放して溶液中に戻し、さらなるＴ２変化を発生させることができる。次に、温度を低下させて、対応するＴ２が前の値に逆戻りして、結合または凝集体が回復するようにできる。Ｔ２対温度のこの挙動は、干渉または測定誤差を強力に識別し、検体の存在を確認する。
【００８０】
本方法は、ナノ粒子と混合する前に、サンプル物質のＴ２を測定するステップを含んでもよい。これによって、例えば、サンプル中の高粘度溶液またはキレート鉄など、Ｔ２内の移動の原因となるサンプル物質が明らかになる。サンプル物質が小さなＴ２移動のみを生じさせる場合、測定は通常通り進行してもよいが、分析では、検体が存在するかどうかを決定するために、処理後のサンプルのＴ２は、生サンプルで最初に観測されたＴ２と比較される。サンプルが大きなＴ２移動をもたらす場合、移動による影響が磁気共鳴測定を可能にするのに十分低くなるまで、サンプルを希釈することが有利となる。次に、希釈したサンプル内の検体が、上述のように検出される。サンプルが、磁気共鳴測定が禁止されるほど大きなＴ２移動をもたらす場合、本発明は、そのサンプルを検査不可能と注意を与えることができ、それによって、誤認警報を回避し、または、サンプルをさらに分析するために保管することができる。
【００８１】
本方法は、特定の方法で磁場を生成することを含むことができる。まず、磁気共鳴測定を可能にするのに十分な強度を有した、ほぼ均一な第１の磁場を生成し、次に、第１の磁場とは異なる第２の磁場を特定領域内で生成するために、第１の磁場を局所的に摂動することによって、磁場を生成できる。特定領域の外の液体の磁気共鳴信号は、特定領域内の液体の信号によって影響を受けるかまたは識別されることが可能な場合に、第２の磁場は、第１の磁場と区別される。例えば、上述のナノ粒子など常磁性粒子を液体内で混合または溶解することによって、第２の磁場を形成することができる。次に、ナノ粒子は、第１の磁場によってナノ粒子が磁化された結果、ナノ粒子の外側に近い領域で、第２の磁場を自発的に生成する。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が、ナノ粒子の代わりに使用されてもよい。本方法の利点は、金属イオンキレートの高移動度により、拡散律速反応速度を増加できることである。同様にイオンがＭＲＩ画像（Ｇｄ−ＤＴＰＡおよびＧｄ−ＤＯＴＡ）で用いられる。
【００８２】
特定領域内で検体を保持することは、検体が特定の親和性を有する物質表面または分子に、検体を反応させるか、または結合させるか、そうでなければ引き付けることによって達成可能である。このような保持は、水素結合、イオン力、共有結合、ファンデルワールス力、静電気力、または任意の他の種類の分子もしくは物質付着によって達成されてもよい。例えば、保持機構体は、検体タンパク質または、検体ＤＮＡ配列に相補的なＤＮＡに対する抗体であってもよく、検体が親和性を有する任意の物質表面または分子を含むことができる。好ましくは、保持機構体はまた、存在し得る検体以外の全ての溶質に対してゼロの親和性または負の親和性を有する。好ましくは、保持機構体は、特定領域の近くで固定され、それによって検体が特定領域内で保持される。例えば、特定領域がナノ粒子の外側にある場合、検体に対する抗体または上述の他の保持機構体は、ナノ粒子の表面に付着し、それによって検体がその領域内で、ナノ粒子に隣接して保持され、液体が排除される。任意に、ナノ粒子は多数の、しかし選択された検体と相互作用するために、複数の抗体、または相補的なＤＮＡ、または他の結合剤を含んでもよい。例えば、ナノ粒子は、炭疽菌用の相補的なＤＮＡ、リシン用の抗体、天然痘用の相補的なＤＮＡ配列で装飾することができ、それによって単一の混合物におけるこれら検体のうちのいずれかを検出することができる。
【００８３】
検体が特定領域を占有するかどうかを決定するための磁気共鳴測定および分析は、特定領域の周波数成分の特性値を求めるために、スペクトル解析によって、磁気共鳴信号を分析することを含むことができる。存在する場合、その周波数成分は、液体が特定領域内にあり、したがって検体が存在していないことを示す。あるいは、そのステップは、ＣＰＭＧ手順を適用し、液体のＴ２を決定するために信号を分析することを含むことができる。Ｔ２の分布は、単一の指数関数成分であるか、または、スピンの拡散速度に依存して、多数の成分を含むこともある。しかし、いずれの場合においても、ベースラインの場合（ナノ粒子を有するが検体を有しない液体）のＴ２よりも長いＴ２が、検体の存在を示す。
【００８４】
方法の一変形例は、複数の検体構成要素を含む集合体を形成することを含む。次に、（ベースラインと比較して）Ｔ２の減少は、検体の存在を示す。例えば、ナノ粒子と検体分子の両方が複数の付着点を有する場合、付着機構体を有するナノ粒子と検体分子との凝集体が形成される可能性がある。凝集体は、Ｔ２の減少をもたらし、一方ナノ粒子への検体の結合はＴ２の増加をもたらすので、先に信号を較正して、Ｔ２変化の予兆が前もって知られていることが重要である。ナノ粒子の化学量論は、使用される測定法に依存して、凝集体を防ぐか、または凝集体を生じさせるように調整可能である。
【００８５】
１つの実施形態においては、検体により、ナノ粒子は拡大した凝集体を形成する。これらの凝集体を液体媒体から分離するために、膜フィルタが用いられる。フィルタの孔サイズは、好ましくは、ナノ粒子または検体のサイズよりも大きいが、凝集体よりも小さい。凝集されたサンプルが濾過されると、濾過物は、ナノ粒子と検体の両方の濃度が低下し、したがって、両方がケーキ状濾過物として大きく濃縮される。例えば、微生物の検出を確かめるために、第２の分析手段が所望される場合、ケーキ状濾過物は、その二次分析のために用いられる。同様に、大部分のナノ粒子が濾過された場合には、濾過物のＴ２は、最初のナノ粒子溶液のＴ２よりもかなり長いはずであるため、本発明のシステムを追加点検として用いて、濾液を再度測定してもよい。
【００８６】
本方法は、標準物質のＴ２値を測定するステップを含んでもよい。ここで、標準物質とは、既知のＴ２を有する任意の物質のことである。好ましくは、標準物質のＴ２は、時間的に変化せず、先の較正測定値から知られる。例えば、標準物質は、ナノ粒子または、Ｔ２の特定値を与えるように調整された濃度の硫酸銅の溶液であってもよい。標準物質は、測定ドリフトを検出および補正することができる。この標準物質は、所望の範囲のＴ２を有するように選択された油などの、溶液ではない液体であってもよい。標準物質は、検体のないサンプルのＴ２とほぼ同じＴ２を有するように調製され、この場合には、その標準物質は負の比較物と称される。標準物質は、検体によって生じるＴ２に近いＴ２、すなわち正の比較物を有してもよい。本方法は、Ｔ２の値が異なる多数の標準物質のＴ２を測定することを含むこともできる。
【００８７】
本方法は、正および／または負の制御を検査するステップを含むことができる。正の制御は、検体に対して高感度化されたナノ粒子を伴った枯草菌などの、良性の検体であってもよい。正の制御は、いかなる時点にでも分析することができ、脅威検体と同じように検出されるべきである。好ましくは、正の制御によって生成されたＴ２変化は、先の較正から既知であり、正の制御を検査することによって、常に、予測されたＴ２変化が生成されるはずであり、そうしなければ、システムに故障が発生する可能性がある。負の制御は、いくつかの他の物質に対して高感度化されたナノ粒子を伴った良性の検体（例えば、炭疽菌に対して高感度化されたナノ粒子と結合した枯草菌）である。検体とナノ粒子とは一致しないため、負の制御は、Ｔ２変化をもたらせてはならない。もし負の制御がＴ２変化をもたらすならば、システムに故障が生じる可能性がある。正および負の制御を行う利点は、サンプル収集、流体工学、サンプル処理および検出段階の全てが実際に検査されることである。比較するために、先のパラグラフで論じた正および負の比較標準物質は、システムの磁気共鳴部分のみを検査するのであって、サンプルの処理段階を検査するのではない。
【００８８】
本方法は、サンプルのＴ２の増加および減少の両方を生じさせるステップを含むことができる。Ｔ２の増減はナノ粒子の特性、抗体など他の試薬の割合、および他の処理パラメータに依存する。したがって、サンプルは、検体が存在する場合にＴ２の増加を生じさせる処理ステップを用いて、Ｔ２増加に対して検査され、次に、同じサンプルは、Ｔ２の減少を生じさせる成分または処理ステップを追加することによって、Ｔ２減少に対して検査することができる。Ｔ２値の増減の両方を検討することによって、分析の信頼性が上がり、誤認警報率が下がる。あるいは、同じサンプルから抜き出された２つの分割量が、一方ではＴ２増加を、他方ではＴ２減少を生じさせるために処理されてもよい。
【００８９】
干渉物は、サンプル内に存在する場合、標的検体のＴ２変化を模倣したＴ２変化を引き起こす物質である。たいていの干渉物は、より短いＴ２をもたらし、キレート鉄を含む物質や、液体の近傍で増加させる物質が含まれる。したがって、検体と干渉物の影響は、検体がＴ２増加を引き起こすようにサンプルを処理することによって、識別することができる。検体と干渉物をさらに詳細に区別するために、同じサンプルを連続して処理するか、または平行な部分標本を比較するかいずれかによって、Ｔ２の増減の両方を実現できる。
【００９０】
本方法は、サンプル物質をナノ粒子混合物に加える前に、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、ナノ粒子濃度または特性におけるいかなる誤差も、サンプル物質が用いられる前に明らかになるであろうことである。ナノ粒子溶液が、Ｔ２の予想外の値（例えば、測定誤差からの高いまたは低いナノ粒子濃度による）を表す場合には、ナノ粒子溶液は廃棄され、新しいナノ粒子溶液が調製される。ナノ粒子溶液が、予測値に近いＴ２値を表す場合には、ナノ粒子溶液は使われ得る。好ましくは、次に、Ｔ２の測定値が、混合および反応されたサンプルのＴ２に対して比較するために、分析で用いられ、それによって、ナノ粒子の濃度による誤差を打ち消し、また、再現性を改善する。
【００９１】
本方法は、サンプル物質とナノ粒子とを液体内で混合し、次に、混合物のＴ２を測定し、次に、検体とナノ粒子との間の反応を促進し、次に、このような反応後にＴ２を測定するステップを含んでもよい。例えば、サンプルは、反応を促進させるために振り混ぜられるかまたは加熱されてもよい。同時の混合加熱を用いて、反応を加速させてもよい。反応前後の混合物のＴ２を比較することによって検体が明らかになる。これらのステップの利点は、大量のサンプルとナノ粒子においていかなる誤差も検出し、打ち消すであろうことである。
【００９２】
１つの実施形態においては、有害な化学物質は一般に必要としない。例えば、検体は、水、塩、ナノ粒子、および抗体などの無害なタンパク質試薬のみを用いて検査可能である。
【００９３】
システムの説明
上述の測定もしくは検出技術を実行または実現できるシステムの１つの実施形態を、ここで、図５を参照して、説明する。図５は、全体に５００で示された磁気共鳴システムの機能ブロック図である。システムは、磁石または磁石システム５１２を含む。１つの実施形態では、磁石５１２は、１ｍｌのサンプル領域または容積５１４内で、０．０１％の均一さで、０．５テスラの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、超電導コイル、または任意の他の磁場源を含んでもよい。コイルまたはアンテナ５１６は、サンプル容積に近接して位置している。１つの実施形態では、コイルは、サンプル容積５１４を取り囲んでいる。所望のラーモア周波数でサンプル容積５１４に電磁パルスを供給するために、パルス発生器５１８が、コイル５１６に接続されている。増幅器５１９が、パルス発生器からの信号を増幅するために、パルス発生器とアンテナとの間に置かれてもよい。受信器５２０がまた、コイルで検知される信号を受けるために、コイル５１６に接続されている。プリアンプ５２１が、アンテナ信号を増幅させるために、受信器とアンテナとの間に配置される。受信器５２０は、受信された信号をデジタル形式に変換する。コントローラ５２２が、パルス発生器５１８および受信器５２０と通信する。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、信号がデジタル形に変換された後、受信器によって受けられる信号を受け取る。コントローラ５２２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ム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラム可能な論理デバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェア構成部品、または本明細書で記載した機能を実行するように設計された、それらの任意の組合せであってもよい。あるいは、コントローラ、パルス発生器、受信器およびユーザインタフェースが、ＡＳＩＣもしくはＦＰＧＡなどの単一ユニット、またはこのような回路を集積した基板に組み込まれ得る。ユーザインタフェースシステム５２４は、コントローラ５２２と接続される。ユーザインタフェースシステム５２４は、ユーザとシステム５００との間で相互作用するための機構体を提供する。インタフェースシステムは、例えば、液晶画面などのディスプレイ、表示灯、キーボード、マウス、オーディオスピーカー、マイクロホン、スイッチまたはタッチ画面を含むことができる。
【００９４】
ＲＦコイルは、マイクロリットルサイズのサンプル容積の容積を調べるのに十分小さく、または、何リットルものサンプルを収容するのに十分大きく作られることができる。これは、拡大収縮可能なシステムである。図６ａ〜６ｄは、アンテナの４つの構成の図であり、それぞれ斜視図である。図６ａでは、コイルの長さに沿って一定の巻線密度を有するソレノイドコイルが示されている。サンプルは、測定のために、このコイル内に配置される。コイルは、サンプル原子核にＲＦエネルギーを結合させ、また、原子核から出た磁気共鳴信号をシステムの残りへ結合するために、アンテナとして機能する。
【００９５】
図６ｂでは、可変巻線密度を有するソレノイドコイルが示されている。巻線密度は、コイルの中央よりも両端部でより高い。可変巻線密度を用いる利点は、コイルによって生成されたＲＦ磁場が、巻線密度が一定の同じ大きさのコイルのＲＦ磁場よりも均一に形成できることである。
【００９６】
図６ｃでは、２回巻きの片面コイルが示されている。この構成の利点は、チューブなど細長い容器を、コイルまたはチューブのいずれも外すことなく挿入除去できることである。
【００９７】
図６ｄでは、４つのループが協働して横のＲＦ磁場を生成するコイル構成が示されている。細長いサンプルを、コイルまたはチューブを外すことなく挿入できる。
【００９８】
特定のユーザインタフェースとシステムの出力とは、アプリケーションに大きく依存するが、典型的には、検体の検出に依存した情報の伝達を含む。例えば、このような通信は、検査結果の記録または保存すること、脅威警告メッセージを表示すること、アラームまたは標識を照らすこと、または音響アラームを作動させることを含んでもよい。データ通信はまた、例えば、ＨＶＡＣシステムを自動的に遮断すること、または選択された検体の検出に応じて検査サンプルを分離することなど、他のデバイスへ信号を送信することを含む。ユーザインタフェースを介した通信は、電子、光学、赤外線、無線、マクロ波、機械的もしくは音響的手段、または検体の検査結果に応じてデータもしくはコマンドを送信するための任意の他の手段を含むことができる。さらに、ユーザインタフェースは、ネットワークインタフェースカードやコントローラと通信するワイヤレスアクセスカードなどの遠隔通信インタフェースを含むことができる。これらによって、操作者または他のデバイスは、システムと通信し、コマンドを中継し、またはデータを取り出し、またはアラームを伝達することができる。通信には、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、または直接的な電子もしくはワイヤレスリンクによって、情報を送信することが含まれてもよい。
【００９９】
１つの実施形態においては、システムは、２つの別個のシャーシ内に構成され、一方のシャーシが、磁石５１２とパルス発生器５１８と受信機５２０とを有する。他方のシャーシは、コントローラ５２２とユーザインタフェース５２４とを有する。２つのシャーシは、電子通信リンク（例えば、ケーブル、ワイヤレスリンク、または光ファイバリンク）によって、コマンドやデータといった情報を交換している。好まし実施形態では、通信リンクは、各シャーシ上で標準的なＵＳＢ接続を採用するＵＳＢインタフェースを含む。
【０１００】
磁気共鳴システム５００が、コイルを介してパルス発生器５１８によって生成された電磁パルス（例えば、無線周波数（ＲＦ）パルス）を適用することによって、サンプル容積５１４における水の水素原子核から磁気共鳴信号を励起することができる。このシステムは、コイル５１６内の信号を誘導的に受け取ることによって水中の水素原子核からの磁気共鳴信号を検出する。受信器が、増幅器、ミキサー、およびアナログデジタル変換器を用いて受信した信号を処理する。
【０１０１】
１つの実施形態においては、システム５００は、コントローラ５２２の制御の下で、ＣＰＭＧ手順または技術によって、水のＴ２を測定する。測定値は、パルス発生器によって生成される９０度ＲＦパルス、続いて、２ミリ秒の遅延、次いで、４ミリ秒の間隔で２０００のストリングによる１８０度パルスを含む。１８０度パルスの位相は、９０度パルスの位相と直交している。この手順は、受信器５２０によって受けられる４ミリ秒間隔で、スピンエコーを生成する。１つの実施形態では、コントローラ５２２は、スピンエコーを決定および記録する解析ルーチンを実行し、スペクトルピークを得るためにＦＦＴ解析を行い、ピークの最大値を見つけ、３つの変数、すなわち、振幅と、指数の減衰時間と、時間非依存性背景とを持つ式に、そのピーク値を適合させる。観測されたＴ２値は、最も適合した指数関数減衰時間である。
【０１０２】
コントローラによって実行される解析は、観測されたＴ２値と、以前に較正または測定されたＴ２の値との比較を含む。サンプルの観測されたＴ２値が検体のないサンプルのＴ２値と異なる場合、検体はシステムによって検出される。以前に較正されたＴ２値は、検体の測定に対して用いられるのと同じ濃度のナノ粒子を有する水の溶液を測定することによって、決定できる。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、ナノ粒子と結合し、ナノ粒子の周りの高勾配領域を占有する検体によっても影響を受ける。好ましい実施形態においては、ナノ粒子濃度は、溶液の配合によって制御される。検体のない溶液のＴ２値と、種々の濃度の検体を有した溶液のＴ２値とがまた、先の較正によって知られる。
【０１０３】
１つの実施形態においては、ナノ粒子は、水媒体内に溶解または懸濁されている。ナノ粒子は、直径が８ｎｍの超常磁性コアを有し、直径５０ｎｍの殻に囲まれている。検体に特有の抗体分子（または、本明細書で説明したような他の結合または吸引機構体）がその殻と結合する。ナノ粒子がサンプル５１４内にある場合、コアは磁石５１２によって印加された磁場によって磁化され、印加磁場に加わる局所的な双極子場を生成する。結果としてできた正味磁場は、ナノ粒子の表面から、その表面から約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効果的である。このことは、検査に対してナノ粒子がほとんど消費されないことになる。１つの実施形態においては、このために、磁気共鳴システム５００の磁石５１２は、永久磁石を用いている。永久磁石は、パワーを必要とせず、適宜小型にでき、経済的である。ほとんどの従来の磁気共鳴システムは、磁場を生成するために、電磁石または超電導コイルを採用した。電磁石または超電導磁石の大きさを任意で小さくすることは実現不可能である。電磁石の大きさを小さくする場合、磁場は比例して小さくなる。磁場を一定に保持する場合、電磁石コイル内の電流密度を増加させる必要がある。電流密度は、基本的な限界、すなわち銅の伝導性の理由から、任意に増加できない。約１００ａｍｐｓ／ｃｍ２の特定の電流密度の限界を上回ると、コイルは水冷されなければならない。約２００ａｍｐｓ／ｃｍ２の第２の限界を上回ると、コイルは自己破壊する。小型の、高磁界で、安定状態の銅コイルは実現不可能である。
【０１０４】
超電導磁石の大きさを任意に小さくすることも、同様に、実現不可能である。超電導コイルは、非超電導コイルよりも大幅に小型に、より強力に製造でき、高電流密度を実現できる。しかし、超電導コイルは、真空絶縁低温保持装置によって囲まれていなければならず、通常は、種々の極低温で維持される多数の殻を有する。また、様々な殻が、支柱によって機械的および熱的に相互接続されている。支持部材の熱伝導性のため、低温保持装置を任意に薄くすることはできない。低温保持装置は、超電導磁石において実現可能な小型化を制限している。
【０１０５】
永久磁石は、これらの欠点のいずれも有さない。永久磁石を用いた所定の磁石設計は、幾何形状または磁場または磁場の品質を変えずに、任意で大きいまたは小さい寸法にまで正確に拡大収縮する。唯一の基本的な限界は、約１ミクロンの強磁性のドメインサイズである。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の尺度に無理に合わせるのではなく、サンプル容積、ＲＦコイル特性、またはシステムの他のパラメータによって決定されるサイズに拡大縮小できる。その結果、電磁システム全体を小型化することが実現可能である。これは、より小さいサンプル容積における検出感度を高め、システムのセンサ部分のコストと重さを低減し、要求されるＲＦ電力を低減することにつながる。
【０１０６】
磁石５１２の１つの実施形態が、図７の断面図で概略的に描かれている。磁石は、中空のスチールフレームなどのフレーム７１０を含む。１つの実施形態においては、フレームの高さＨは、５０ｃｍ未満であり、５ｃｍ未満であってもよい。幅Ｗもまた５０ｃｍ未満であってもよく、５ｃｍ未満でもよい。上部ディスク永久磁石７１４と、上部永久磁石と対向して位置する下部ディスク永久磁石７１６とが、フレームの上部とフレームの下部にそれぞれ取り付けられている。例えば、これらは、ネジまたはボルトを用いて機械的に取り付けることができる、および／または、これらは接着剤で取り付けることができる。ディスク状の上部磁極片７１８が、上部永久磁石の上で、かつ下部磁極片の上に位置するディスク状の下部磁極片７２０と対向して位置している。各磁極片の周辺には、調整用ボルトを有する８つの細目ネジ穴があり、これは、磁場の均一性を高めるために変更できる。磁石は、フレームを一緒にボルト締めし、永久磁石ディスクをスライドさせて定位置に納め、磁極片をスライドさせて定位置に納め、次にシムを入れて組み立てられる。永久磁石ディスクは、スチールフレームに極めて強固に取り付けられ、磁極片は、永久磁石ディスクに極めて強固に取り付けられる。吸引力および、種々の接触部材間で結果として生じる摩擦によって、アセンブリを一緒に保持するための機械的な安定性が与えられる。さらに、好ましくは、シムを入れている磁場または磁気共鳴測定を妨げずに、磁石ディスクまたは磁極片に留め具または接着剤を適用することによって、ロバスト性が得られる。永久磁石の構成部品に加わる力は強力で、危険の可能性がある。加わる強力な力の観点から組立プロセスを制御するのに用いられる治具および工具は示されていない。
【０１０７】
シム入れは、必要な均一性を生じさせるために、磁石５１２などの磁石を調節するプロセスである。組み立てられたとき、たいていの磁石は、製造公差により均一性が不十分である。シム入れは、磁場分布を測定することと、磁石の固有のパラメータを調節することと、所望の均一性が達成されるまで繰り返すこととからなる。１つの実施形態においては、ほとんどが決して必要とされない包括的なパラメータ群を提供するよりも、最も重要な磁場パラメータに焦点を当てた簡単なシム入れ設計が利用されている。
【０１０８】
最初に、２つの永久磁石ディスクの磁化が等しくされる。観測された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つの磁石のうちより強力な磁石のみの円周で、磁気吸引によって固定される。シートの数と厚さを繰り返し調節することによって、ほぼ完全に軸方向勾配のない結果を得ることができる。次に、シートは、留め具または接着剤によって固定され得る。
【０１０９】
次に、例えばボルト７２２など、磁極片の周囲にある１つまたは複数の小形ボルトが調節される。これらのボルトは永久磁石ディスクを押し付けて、必要に応じて磁極片をわずかに移動させ、横の磁場勾配を打ち消す。磁極片の片一方または両方が、観測された磁場の詳細部分に応じて、調節されてもよい。種々のボルトを最終的に調節することによって、横の勾配をほぼ完全に打ち消す結果を得る。
【０１１０】
必要ならば所望の磁場を達成するために磁極片を取り外し、それらの形状を変更することができるが、典型的には、磁極片の形状は変更する必要がない。あるいは、磁極片間の空間が、両方の磁極片の周りの全ボルトを締め付けることによって、わずかに小さくされてもよい。このような調節は、磁極片の除去工程の深さを調節することと、磁気的にほぼ等価である。
【０１１１】
磁石部分を製造するために、所望の形状の鋳型内に鉄または鋼などの粉末金属を置くこともできる。次に、プレス装置内で圧力と熱を加えて、最終部分を形成する。小さな部分のみがこの技術によって製造することができるが、大量生産も達成可能である。あるいは、個々の部分を作るために、機械加工を用いることもできる。
【０１１２】
磁極片は、磁気共鳴サンプルコイルを挿入および同調させるのに十分な間隔を備えるという制約付きで、サンプル検査に最も高い磁場均一性と磁場容積を提供するように設計することができる。設計上の制約には、飽和を制限するための磁極片における最大磁場と、標的磁場の均一性を達成するための最小数のシム入れパラメータと、可能であれば、低コストの市販永久磁石の構成部品の使用とが含まれる。
【０１１３】
永久磁石の材料は、極めて高い磁化密度を提供するが、温度に敏感である。磁場に対して周波数を調節する用途では、磁場の熱ドリフトは問題ではない。しかし、Ｔ２を正確に測定するためには、磁場を安定化させる必要がある。温度制御された筐体を用いることができる。１つの実施形態においては、筐体は、発泡断熱材や一組のパッチヒータを用いて組み立てることができる。熱電対センサおよびコントローラによってこの機構が完成する。
【０１１４】
ＣＰＭＧ手順を用いるＴ２の正確な決定は、少なくともスピンエコー間隔の時間尺度で位相ノイズが最小限の、極めて安定した局部発振器を用いて、精度を高められる。高コストの水晶発振器であっても、通常は、雑音の多いコンピュータの電気系統により、十分な安定性を提供しない。ＤＣ電力入力とＲＦクロック出力の両方を緩衝することによって、安価の集積水晶発振器を用いて、十分な安定性を達成することができる。このような構成が図８に概略的に描かれている。１つの実施形態においては、図８で示された発振器は、図５のパルス発生器５１８内で用いられる。一般に、ＤＣ（直流）電力入力は、２つ以上の電圧調整器を直接接続することによって緩衝される。図８で示された回路は、第１の電圧調整器８０２（例えば、＋１２Ｖの入力を受ける８ボルトの調整器）を含む。第２の電圧調整器８０４が、第１の電圧調整器の出力を受け取り、発振器８０６（例えば、８ボルトの調整器の出力を受ける５ボルトの調整器）にその出力を供給する。第３の電圧調整器８０８（例えば、５ボルトの調整器）がまた、第１の電圧調整器の出力を受けることができ、高速で高いソース絶縁のデジタル論理ゲート８１０（例えば、７４Ｆ３０３７ラインドライバＮＡＮＤ（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓおよび他の会社から入手可能））に、その出力を供給することができる。デジタル論理ゲート８１０は、発振器の出力を緩衝する。
【０１１５】
磁気共鳴システム５００（図５）は、作動中、サンプルの歳差運動する原子核に電磁的に結合するアンテナ５１６を用いて、サンプルと相互作用する。１つの実施形態においては、コイルはモジュラーの交換可能なプラットフォームに取り付けられ、これにより、サンプルの大きさを変更でき、汚染または他の必要な変化の場合に、コイルを取り替えることが可能になる。
【０１１６】
アンテナは、汚染耐性のある材料内に樹脂封止されてもよい。多数の疾患または毒素に耐える多数のサンプルを検査しなければならない場合、汚染は深刻な問題である。従来のアンテナは、幾何的に高度に複雑で、非衛生的な絶縁体と導体材料を含むため、洗浄するのが難しい。アンテナの樹脂封止はこの問題を解決することができる。例えば、アンテナは、サンプル容器から生じるいかなる汚染も、テフロン表面のみで遭遇し、実際の導体に決して遭遇しないように、中空の円筒形のテフロン形態に埋め込まれた銅製コイルにすることができる。テフロンは、非吸収性で、比較的洗浄が簡単なため、汚染問題はかなり低減される。また、樹脂封止したアンテナは、自由に取り付けられたコイルよりも安定性があり、機械的に頑丈である。樹脂封止内の成分（例えば、重水素またはフッ素）からの磁気共鳴信号を用いて、周波数または磁場を制御することができる。
【０１１７】
ノイズ、干渉信号、基準オフセットおよび他バックグラウンドの影響の除去は、ＲＦ位相を種々に交互に入れ替えながら、複数回、磁気共鳴測定を実行することによって改善できる。これは、コントローラの制御の下に実行可能である。例えば、ＲＦパルスの間、スピンの正および負の位相回転の間で、励起を交互に入れ替えてもよい。コントローラによる信号処理の間、受信側の発振器の位相を、９０度またはその倍数、回転させることもできる。これらの位相の入れ替えを制御するコントローラ内の解析ソフトウェアはまた、デジタル化データを対応して加算または減算して、バックグラウンドを除去しつつ、所望の信号を累積する。
【０１１８】
種々のユーザインタフェースをシステムに設けることもできる。例えば、図５に描かれているシステム５００は測定を実行して、選択された検体（複数可）を検出し、検出されていれば警告を発することによってその結果を報告し、またはユーザインタフェース５２４を介して視覚的な表示または報告を提供できる。一変形例では、オペレータは、混合したサンプルをシステムに挿入し、ユーザインタフェース上の単一のボタンを押し、コントローラに対して先に準備された一連の指示を開始して、サンプルを実行し解析する。２つ以上の検体を見つけ出さなければならない場合、指示は、自動的に、各検体に対して高感度化されたナノ粒子の混合に向けられ、連続的に測定を行う。この装置の別の変形例においては、機械的または光学的スイッチが、磁気共鳴システムへのサンプルの挿入を感知し、自動的に測定シーケンスを開始する。
【０１１９】
１つの実施形態においては、Ｔ２変化は、検体が存在することの主要な指標である。Ｔ２測定に影響を与えるドリフトまたは誤差を調べるために、システムはサンプルの測定されたＴ２を、以前に測定されたＴ２値を有する封止された較正サンプルのＴ２と比較することができる。封止されたサンプルは、水、鉱油、または比較するため安定したＴ２を有する他の液体中に硫酸銅を含有してもよい。あるいは、封止された較正サンプルを、周期的に測定することができる。
【０１２０】
磁気共鳴システム内でサンプルを提供するために、多様な機構体を用いることができる。液体媒体と検体とナノ粒子とを含むサンプルは、ガラスＮＭＲチューブ、プラスチックチューブもしくは小瓶などの容器、プラスチック製のエッペンドルフチューブもしくはフラスコなどの使い捨て可能な容器、または他の適切な容器内で混合することができる。頑丈さ、不活性、および機械加工性により、有利なポリマーはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）である。容器は、ナノ粒子が壁部に固着すること、凝集すること、または混合物から析出することを防ぐために、物質で被膜されてもよい。例えば、被膜は、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）などのタンパク質であってもよい。サンプルを含む容器は、手動または機械的な送り装置によって、磁気共鳴システムに挿入される。あるいは、磁気共鳴システム内の固定された容器が、例えば、サンプルまたはその成分を、チューブを介して容器に注入することによって、サンプル液体を容器に挿入することで、複数回のサンプル測定に用いられてもよい。測定後、次に、サンプルは、ポンプ、チューブ、弁および関連した流体フロー装置を用いて、固定された容器から引き出される。洗浄またはリンス工程をサンプル間で実施できる。蒸留水とナノ粒子を保持する貯蔵部の紫外線処理を実施して、細菌の形成を防ぐことができる。あるいは、アジ化ナトリウムなどの殺菌剤を蒸留水に微量に混合して、水中の細菌や藻類の成長を防ぐことができる。
【０１２１】
図９に概略的に描かれている１つの実施形態では、複数のセンサユニットが単一のコントローラに接続されている。例えば、自動化された固定場所のシステムは、複数の遠隔センサヘッド９０６ａ、ｂにケーブルで接続された、電源供給器とパルス発生器または送信器を備える、１つの中央コントローラ９０２からなっていてもよい。２つのセンサヘッドのみが描かれているが、より多くのセンサヘッドを用いることもできる。各ヘッド９０６は、例えば、図５に関して説明されたとおり、選択されたナノ粒子、磁気共鳴磁石、プリアンプ、およびコイルとともに、サンプル調製装置を含む。ＲＦ電力パルスが、コントローラ９０２によって制御される出力マルチプレクサ９０８を介してセンサユニットに送られる。センサユニットからの信号は、やはりコントローラによって制御される入力マルチプレクサ９１２を介して受信器９１０に送られる。配線は、好ましくは同軸ケーブルによってである。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場合、配線は、高出力のＲＦパルスを伝送せず、したがって、同軸ケーブルだけでなく、ワイヤレス、光ファイバ、または他の通信手段であってもよい。図９に描かれたシステムの要素は上述のように作動する。
【０１２２】
１つの実施形態においては、空気中に浮遊する粒状物質は自由空気、ＨＶＡＣ導管、ショッピングモール、地下鉄列車および他の大量輸送領域の内部空間、あるいは他の空気システムから吸引され、疾患またはテロリストの攻撃を試験できる（加熱、換気、および空気調和のためのＨＶＡＣ標準）。好ましくは、収集は粒状物質のシステム内への吸引、または空気からの粒子の液体媒質への凝集を含む。図１０はこのような監視システムの概略図を示す。収集器１００２は導管内または監視される任意の他の領域内の設置でき、埃および虫を除外するための囲い板（図示なし）を含むことができる。収集器１００２は、検体またはサンプル物質を吸引する静電濃縮器を含むことができる。流体システム１００４は、収集器１００２から磁気共鳴分析器またはシステム１００６のサンプル領域まで検体を輸送する。磁気共鳴システム１００６は図５に関して述べたシステムであってもよい。流体システム１００４は自動微小流体混合器を備え、検体を水媒質などの液体および検出されるべき１つまたは複数の検体のために構成されたナノ粒子と混合することができる。ナノ粒子および水の貯蔵器１００８はまた、流体システムの一部であってもよい。次に、混合されたサンプルは、流体システムによって磁気共鳴システムのサンプル領域に輸送され、そこで測定がなされる。１つの実施形態においては、流体輸送システムは混合器と連通し、サンプル領域に延びている。測定結果に応じて、サンプルは廃棄物容器内に放出され、保管物質として貯蔵されるか、または補助分析システムに送られる。廃水はフィルタを通してリサイクルされて、再度使用されてもよい。
【０１２３】
図１１ａ〜１１ｅは、図１０に関して述べた固定設置システムの１つの実施形態を示しており、３つの収集器取入口を備える。図１１ａは斜視図であり、図１１ｂはシステムの平面図であり、取入口１１０２および表示器１１０４を示す。図１０に示された他の要素はケース内に収納される。図１１ｃ〜１１ｅはシステムの３つの入口オプションを示す。開始されると、コントローラによってシステムは分析のためのサンプルを周期的に収集する。システムはまた、手動でも操作できる。ユーザインタフェースはボタンまたはタッチスクリーンを介して提供される。表示器１1０４は作動状態を示すことができる。ユーザアクセスは、例えば、指紋認証などのバイオメトリック認証、またはパスワードによって制御できる。
【０１２４】
図１２は携帯型システムの正面斜視図である。このシステムは単一ボタン独立操作モードで操作可能である。サンプルはガラス瓶またはチューブを通して導入できる。容器１２０２内のサンプルは上面にある受口または開口１２０２を通して導入できる。システムの内部では、流体システムは、図１０に関して上に述べた方法でサンプルを処理して混合し、ＮＭＲシステム内に移す。ユーザインタフェース１２０６は、表示スクリーン上に「生物災害」および「安全」照射された領域を含むことができる。動作を開始するために、タッチスクリーン上に開始ボタンが設けられる。システムの作動状態はスクリーン上に表示される。
【０１２５】
次に、医療診断目的に対して上に説明された測定または検出技術を実行または実現するシステムの１つの実施形態は、自動化サンプルシステム検査システムの機能ブロック図である、図１３を参照して説明される。臨床用途については、サンプルは患者からの物質の標本を含む。この物質は、例えば皮膚、血液、プリオン、骨髄、毛髪、バイオプシサンプル、または他の組織などの、生きたまたは死んだ細胞物質、あるいは、例えばサルビア、粘液、唾液、静脈内輸液、尿、大便、膿、脊髄液、および胃または腸の内容物などの、非細胞生物物質、あるいは、人体または動物から得られる任意の他の物質を含んでもよい。この物質を収集することは、物質を生成する患者または対象体と、患者または対象体から物質を抜き出す臨床医師と、犯罪場面または事故からサンプル物質を抽出する研究者と、あるいは検査するための生物物質の累積に結びつく任意の他のステップとを含む。
【０１２６】
最初に、流体システム１３０２は患者の標本１３０４、またはそれの一部、またはそれの溶液を混合器内に吸入する。この混合器はサンプル物質を、例えば溶媒貯蔵器１３０６内の貯蔵された溶媒および貯蔵器１３０８ａ〜ｃ内に貯蔵された１つまたは複数の種類のナノ粒子と混合する。各種類のナノ粒子は、疾患または医療状態に関連する１つまたは複数の化学物質また検体に対して高感度化できる。図１３は３種類のナノ粒子を示すが、それぞれが１つまたは複数の医療状態に関連する１つまたは複数の検体に対して高感度された、任意の数のナノ粒子の種類を使用できる。疾患には、ウィルスおよびバクテリアなどの伝染性病原体、および癌または高コレステロール血症などの非伝染性の疾患を含む。化学物質には、酵素または人体、毒素、および薬物により生成される他のマーカを含む。１つの実施形態においては、ユーザは、特定の患者標本を検査するのに使用されるナノ粒子の種類を選択する。例えば、医師は患者血液のサンプルを抽出して、薬物の濃度を検査することにより投薬量を制御するか、あるいは、空港または国境の交差場所における警備員が生きたまたは死んだ鶏の組織サンプルを採取して、鳥類インフルエンザを検査できる。追加の処理ステップは、サンプルを溶解して、サンプルのＤＮＡまたはＲＮＡまたは他の成分を放出することと、サンプルを加熱または冷却することと、サンプルのＰＨを調整することと、ナノ粒子と検体との間の選択反応を促進するのに必要は他のステップを含んでもよい。次に、混合されたサンプルまたはサンプルの部分標本が、図５の示されるシステムなどの磁気共鳴システム１３１０内に輸送される。代替として、サンプルは、磁気共鳴装置内にある容器中でナノ粒子と混合されてもよい。これにより、混合されたサンプルを輸送するステップを無くすることができ、およびサンプルが磁気共鳴装置内にある間に、追加の処理ステップを採用できる。
【０１２７】
次に、磁気共鳴測定器は、サンプルのＴ２などのサンプルからの信号を測定し、それらの信号を分析して選択された検体の有無または濃度を決定する。次に、その測定結果に基づいて、医師は患者の疾患を診断できる。
【０１２８】
上述のシステムの１つの実施形態においては、システムは、液体からの信号、すなわち磁場に関連する信号を測定することにより検体を検出する。詳細には、信号はナノ粒子周りの特定領域内の特徴的磁場に影響を受ける。検体が対応する抗体または他の結合剤に結合すると、検体は特定領域内、したがって特徴的磁場内に留まるようにされる。検体はその領域から液を移動させ、この結果、液体はその領域内の磁場の特性を示す磁気共鳴信号を放出しなくなる。また、検体が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は重要である。この理由は、検体が固体ナノ粒子に強く保持されるため、検体が固体に特有の短いＴ２を示すようになるからである。この結果、１つの実施形態においては、検体は、特定領域を占有する間、液体に似た信号を生成する。
【０１２９】
凝集によりＴ１ではなくＴ２が変化するのに対して、Ｔ１およびＴ２の両方はナノ粒子の濃度の増加に応じて変化する。したがって、Ｔ１の測定値はナノ粒子濃度の較正または独立測定値として使用でききる。１つの実施形態においては、システムはサンプルのＴ１およびＴ２の両方は測定し、ナノ粒子の濃度を決定するためにＴ１値に関する分析を実行し、検体を検出するためにＴ２値の関する分析を実行する。あるいは、サンプル内の鉄成分、したがってナノ粒子の濃度を測定するために、他の方法が利用可能である。
【０１３０】
コントローラにより実行されるデータ処理ステップには、例えばＣＰＭＧデータにおけるＴ２の変化などの、関連したパラメータについてのデータを検体の存在に適合させることを含む。通常、ＣＰＭＧにおけるエコー列は、振幅、時定数、およびバックグラウンドに対して、単一指数関数式の３−パラメータ・フィットに適合する。これを達成するための単純ではあるが効果的な方法はグリッド探索であって、本方法ではすべてのパラメータは最初にデータから推定され、その後、この推定値の上および下の３つのパラメータのすべてを変更することによって、３次元グリッドの値が生成される。次に、最適値が公式からデータの最小カイ二乗または平均二乗偏差として選択される。最適値から開始し、新しい探索グリッドが再度計算され、偏差が計算され、最適値が再度導き出される。このプロセスが複数回数（典型的には９回）繰り返され、最適の全体フィットを得る。任意に、グリッドのスケールは、それが使用される毎に係数（典型的には０．９５）で減少され、これにより同一値が繰り返して現れないようにする。
【０１３１】
磁気共鳴システムの主なサブシステムは、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る別個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の単一回路として組み込まれてもよい。後者の利点はケーブル相互接続の必要がないこと、および、単一の時間基準を全てに対して使用できることである。
【０１３２】
システムはバッテリ駆動にできる。このシステムは、データ収集の間に極めて小電力しか消費せず、スリープモードでは実質的にゼロ電力消費になるようにプログラムできる。
【０１３３】
１つの実施形態においては、システムはまた、コントローラにインタフェース接続された放射線検出器を含む。放射線検出器の目的は、サンプル内の放射性物質を検出することである。放射線検出器は、好ましくはガンマ線に感応する任意の放射線センサ、例えば半導体、シンチレータ、およびガス封入カウンタであってもよい。検出器はサンプル収集手段、サンプル混合システム、または磁気共鳴システムの下流に置かれた保持チェンバに近接して配置されてもよい。
【０１３４】
蜘蛛などの虫が空気入口および収集器を妨害することもある。これらの虫の侵入に対する第１のバリヤはフィルタである。屋外設置については、好ましくは人およびペットに危害のない殺虫剤の穏やかな散布を組み込むこともできる。このような殺虫剤は入口の軸に沿って、または入口の開口近くに散布できる。
【０１３５】
１つの実施形態においては、本発明のシステムおよび方法は爆発物および化学兵器を検出する。このシステムおよび方法は、上述のナノ粒子を利用して検出を実行し、この場合、ナノ粒子上の特定の結合場所が爆発物または化学兵器分子に結合する。あるいは、このシステムおよび方法は、ナノ粒子を使用することなく、サンプル物質自体からの磁気共鳴信号を測定することにより、爆発物または化学兵器物質を検出できる。システムはスピン核オーバーハウザー効果を利用して化学兵器および爆発物を検出できる。この場合には、ナノスイッチは必要とされない。別の構成は、ガスクロマトグラフィ、質量分光分析法、イオン移動度分析法、他の分析方法、およびＮＭＲを、ナノ粒子と共にまたはナノ粒子を伴わずに、組み込んでいるハイブリッドシステムにできる。
【０１３６】
本発明のシステムおよび方法の利点は、同じ装置を用いて特定の検体に対する確認検査を実行できることである。例えば、爆発物に対する確認検査は、大部分の爆発物のＴ１が極端に長い（数秒）である理由から、磁気共鳴システムを用いてＴ１パラメータを測定することを含む。別の例として、神経ガスなどの化学兵器に対する確認検査は、それらの成分の特性ラーモア周波数に基づいてフッ素またはリンに対する磁気共鳴走査である。
【０１３７】
１つの実施形態においては、システムは、郵便物から収集した特定の物質を検査することにより、郵便封筒内の毒素および生物兵器を検出する。この用途では、好ましくは、システムは封筒から粒状物質を抽出する手段、例えば震動、振動、郵便物を通す空気吹出し、または封筒の圧縮を含む。システムは好ましくは、他のセンサが特定の郵便物に疑惑を持った後にだけ、粉末を回収するための封筒の開封手段を含んでもよい。
【０１３８】
空気をサンプリングする用途における好ましい実施形態は空気入口、収集器、濃縮器および自動式流体システムを含む。空気入口は、埃および虫を除外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。入口は「衝撃器」または「予備分離器」または「分別器」を使用してもよく、大きな粒子（例えば、約１０マイクロメートルより大きい空気動力学的直径を有する粒子）が検出器または識別器に入るのを防止する役割を果たす。大きな粒子の分別器は周囲サンプラに内蔵された構成要素であり、内部ノズルとこのノズルに直角のプレートとの組合せである。ＨＶＡＣユニットまたは使用される環境サンプラについては、入口の下流に置かれた、オプションの予備分離器カートリッジであってもよい。さらに、周囲サンプラについては、排出口の直ぐ下流に置かれたバッグ・スクリーンであってもよい。収集器は、サンプル粒子を液体媒質に注入するための実際の衝撃器を有する濃縮器手段を含む。次に、流体システムがサンプルをナノ粒子と混合する。
【０１３９】
１つの実施形態においては、本発明のシステムおよび方法は、輸送コンテナを点検、例えば、輸送コンテナ中の物品に混入している危険物質または薬物または微生物を検出するように適応される。この実施形態には、輸送コンテナの内部空間から空気を吸引する手段と、その空気中に浮遊または同伴されている全ての物質を収集または濃縮する手段と、その物質をナノ粒子と混合する手段と、その混合物を検査のために磁気共鳴システムに提供する手段とを含む。点検は輸送コンテナのドアを開けることにより実行できる。あるいは、輸送コンテナの穴または再閉鎖できる開口を通して、空気を吸引してもよい。さらなる詳細は、２００５年４月７日付で出願された、発明の名称「ＳＨＩＰＰＩＮＧ  ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」である米国特許仮出願第６０／６６９，０１９号に提供されている。
【０１４０】
さらに、当業者であれば、本明細書に開示された実施形態に関して説明された、様々な例示の論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、多くの場合、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現できる、ことは理解される。説明を簡単にするために、ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性、様々な例示の構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップは、それらの機能の観点から全体的に上に説明してきた。これらの機能がハードウェアまたはソフトウェアのいずれで実現されるかは、特定の用途およびシステム全体にかかる設計上の制約に依存する。当業者は各特定の用途に対して上述の機能を様々な方法で実現できるが、このような実現決定は、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。さらに、モジュール、ブロック、回路またはステップ内の機能のグループ化は説明を簡単にするためである。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できる。
【０１４１】
本明細書に開示された実施形態に関して説明された、様々な例示の論理ブロック、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ム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラム可能論理デバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェア構成部品、または本明細書で記載した機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せ、を用いて実現または実行可能である。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであってもよいが、代替として、プロセッサはまた任意のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であってもよい。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと接続された１つまたは複数のマイクロプロセッサの組合せ、あるいは任意の他のこのような構成の組合せとして実現することもできる。
【０１４２】
本明細書に開示された実施形態に関して説明された、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、プロセッサにより実行されるソフトウェアモジュールで、または両方の組合せで実現できる。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、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または任意の他の形態の記憶媒体内に存在できる。典型的な記憶媒体はプロセッサに結合でき、このようなプロセッサは記憶媒体との間で情報を読出しおよび書込みできる。代替としては、記憶媒体はプロセッサと一体化できる。プロセッサおよび記憶媒体はＡＳＩＣ内に存在できる。
【０１４３】
開示された実施形態の上の説明は、すべての当業者が本発明を製作または使用できようにするために提供されている。これらの実施形態の様々な変更例は、当業者には容易に明らかであり、本明細書に定義される一般的原理は、本発明の精神または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用できる。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものでなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最大範囲を与えられるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】印加磁場およびナノ粒子の周りの第２の磁場を示す、ナノ粒子の概略図。
【図２】図１のナノ粒子の周りにある正味磁場のグラフ。
【図３】ナノ粒子の周りの磁場勾配の大きさをプロットした図。
【図４】粒子の軸に沿った、磁場勾配の大きさをプロットした図。
【図５】磁気共鳴システムの機能ブロック図。
【図６ａ】ある構成のアンテナを示す図。
【図６ｂ】ある構成のアンテナを示す図。
【図６ｃ】ある構成のアンテナを示す図。
【図６ｄ】ある構成のアンテナを示す図。
【図７】磁石の１つの実施形態の概略図。
【図８】バッファ発振器の回路図。
【図９】１つのコントローラと多数のセンサユニットとを有する設置の概略図。
【図１０】ＨＶＡＣ監視システムの概略図。
【図１１ａ】固定設置システムと３つの収集取入口の１つの実施形態を示す図。
【図１１ｂ】固定設置システムと３つの収集取入口の１つの実施形態を示す図。
【図１１ｃ】固定設置システムと３つの収集取入口の１つの実施形態を示す図。
【図１１ｄ】固定設置システムと３つの収集取入口の１つの実施形態を示す図。
【図１１ｅ】固定設置システムと３つの収集取入口の１つの実施形態を示す図。
【図１２】携帯可能なシステムの正面斜視図。
【図１３】医療診断用途に適応されたシステムのブロック図。
【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６ａ−ｄ】
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【図７】
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【図８】
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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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