(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部にセンサ表面を有する、流体試料を収容する手段；
前記センサ表面に備えられ、かつ該センサ表面にて磁場勾配を供するように備えられた四重極磁気ユニット；並びに、
前記センサ表面及び/又は該表面付近に蓄積される粒子を検出する手段；
を有するバイオセンサであって、
前記四重極磁気ユニットが、独立に制御可能な4つの磁気サブユニットを有し、かつ、
検出は、光ビームを下方から前記センサ表面へ照射し、前記センサ表面の底部でのFTIRによって実行される、
ことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
前記4つの磁気サブユニットがギャップによって分離する、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記四重極磁気ユニットがコアを備える4つの電磁コイルを有する、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記4つの電磁コイルのコアが、前記センサ表面にて高い磁場勾配を供するように備えられた形状を有する、請求項3に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記4つの電磁コイルのコアが、前記センサ表面に対して垂直な方向で高い磁場勾配を供するように備えられた形状を有する、請求項4に記載のバイオセンサ。
【請求項６】
前記4つの電磁コイルのコアが、前記センサ表面に対して平行な方向で低い磁場勾配を供するように備えられた形状を有する、請求項5に記載のバイオセンサ。
【請求項７】
前記4つの電磁コイルのコアが、傾斜した磁極先端部を有する、請求項6に記載のバイオセンサ。
【請求項８】
前記磁極の先端部の傾斜が、前記センサ表面に対して30°〜60°の角度を有する、請求項7に記載のバイオセンサ。
【請求項９】
前記四重極磁気ユニットが、前記センサ表面に対して移動可能である、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
前記四重極磁気ユニットが、前記センサ表面に対して平行である、請求項9に記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
前記四重極磁気ユニットが、回転磁場を供するように備えられている、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項１２】
前記四重極磁気ユニットが、切り換え可能な磁場勾配を供するように備えられている、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項１３】
前記センサ表面が、1つ以上の結合位置を有する、請求項1に記載のバイオセンサ。
【請求項１４】
前記1つ以上の結合位置が、1つの試薬又は複数の試薬を混合したものを有する、請求項13に記載のバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極磁気アクチュエーションシステムを備えた磁気ラベルバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサの需要がこの頃大きくなっている。通常バイオセンサは、検体内部のある特定の分子の検出を可能にする。ここで前記分子の量は一般的には少ない。たとえば唾液又は血液内部の薬若しくは心臓マーカーの量を測定することができる。従って、被検出分子が前記検体内部に存在する場合に特定の結合位置すなわち地点にのみ結合する標的粒子−たとえば超常磁性ラベルビーズ−が用いられる。前記結合地点に結合するこれらのラベル粒子を検出するための一の既知の手法は減衰全内部反射(FTIR)である。この手法では、光は、前記試料へ入射して、全内部反射角で結合される。前記試料表面付近に粒子が存在しない場合、前記光は完全に反射される。しかしラベル粒子が前記表面に結合する場合、全内部反射の条件が失われ、前記光の一部は前記試料へ入射するように散乱されるので、前記表面によって反射される光の量は減少する。前記反射される光の強度を光検出器によって測定することによって、前記表面に結合する粒子の量を推定することが可能である。これにより、前記検体又は試料内部に存在する関心対象である特定分子の量の推定が可能となる。
【０００３】
この手法も他の磁気ラベルセンサ−具体的にはバイオセンサ−も、ビーズ又は磁気ラベルの磁気引力−アクチュエーションとも呼ばれる−に顕著に依存する。磁気アクチュエーションは、ポイント・オブ・ケアに用いられるバイオセンサの性能（処理速度）を増大させるため、特に重要である。磁気アクチュエーションの方向は、前記表面へ向かう方向、又は、実際の測定が行われるセンサ領域若しくは前記センサ表面から離れたセンサ領域へ向かう方向であって良い。前者の場合では、磁気アクチュエーションは、前記センサ表面付近での磁性粒子の集中を改善することで、前記センサ表面への前記磁性粒子の結合過程の速度を増大させることが可能となる。後者の場合では、粒子は前記表面から除去される。これは磁気洗浄と呼ばれる。磁気洗浄は、従来の湿式洗浄工程にとって変わりうる。磁気洗浄は、より正確で、かつ操作工程数を減少させる。
【０００４】
より複雑な用途では、複数の結合地点が小さな表面上に供されて良い。よって、最初に第1結合位置に前記粒子又はラベルを蓄積させ、洗浄工程後に前記磁気ラベルを他の結合位置へ駆動することが必要である。そのような用途では、所定の厳密な力を前記磁気ラベル粒子に供するため、生成された磁場を相当程度制御できる。
【０００５】
特許文献1は、バイオセンサ用の電磁システムであって、機械部品の移動を必要とせずに複数の高い磁場勾配を迅速に切り換えることが可能な電磁システムを開示している。これは、ギャップ全体にわたって磁極片の領域で隔てられている2つの独立するユニットによって実現される。前記ギャップ内では、試料容積はカートリッジ内に配置され、かつ前記バイオセンサのセンサ表面は前記カートリッジの1つ以上の内面に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第2008/107827A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って本発明の目的は、磁気ラベル粒子への力の制御の程度を改善することを可能にする磁気ラベルバイオセンサを供することである。本発明の他の目的は、可撓性でかつ様々な種類の用途での利用が可能なバイオセンサを供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、請求項の特徴部によって実現される。
【０００９】
本発明は、底部にセンサ表面を有する、流体試料を収容する手段、及び、前記センサ表面（付近）に蓄積される粒子を検出する手段を有するバイオセンサを供する。当該バイオセンサは、前記センサ表面にて磁場勾配を供するように備えられた四重極磁気ユニットをさらに有する。前記ユニットは前記センサ表面の下に配置される。
【００１０】
流体試料を収容する手段の一例は、流体試料を受け取りかつ含むように備えられた試料セル−たとえばカートリッジ又は試料チャンバ−である。前記試料セルはたとえば、底部にセンサ表面を備えるカートリッジ又はキューベットであって良い。前記試料セルは前記カートリッジの試料容積と流体をやり取りするようにつながっている。
【００１１】
磁性粒子を検出するのに適した如何なる検出器も、前記センサ表面（付近）に蓄積される粒子を検出する手段として用いられて良い。好適には光検出器が用いられる。当該バイオセンサの特に好適な実施例は、FTIR（減衰全反射）に基づく光検出器を利用する。
【００１２】
本発明の特に好適な実施例では、前記四重極磁気ユニットは、独立して制御可能な4つの磁気サブユニットを有する。前記四重極磁気ユニットはたとえば4つの電磁コイルを有して良い。前記4つの電磁コイルは、該4つの電磁コイルに各独立して電流を供することによって独立に制御可能である。これにより、前記センサ表面での特定の磁場（勾配）パターンの生成が可能となる。たとえば前記磁気サブユニットのうちの2又は3だけが作動される一方で、他の2つ又は1つは中立状態のままでも良い。それに加えて又はあるいはその代わりに、前記サブユニットは各異なる磁化の向きを有して良い。たとえば一のユニットが上向きの磁場を供する一方で、他のユニットは下向きの磁場を供して良い。
【００１３】
よって前記磁気ラベル粒子を特定の結合位置へ向かうように、又は前記特定の結合位置から離れるように駆動するため、所定の明確な磁場（勾配）が前記センサ表面に供されて良い。
【００１４】
前記サブユニットが電磁石を有する場合、さらに動的磁場−たとえば回転磁場−を発生させることが可能である。好適実施例によると、前記四重極磁気ユニットはコアを備えた4つの電磁コイルを有する。前記の4つの電磁コイルのコアは、前記センサ表面で高い磁場勾配を供するように備えられた形状を有する。これはたとえば、前記センサ表面に近接する鋭い先端部を供することによって実現されて良い。また、前記4つの電磁コイルのコアは、前記センサ表面に対して平行な方向に低い磁場勾配を供するように備えられた形状を有することが特に好ましい。これは、各々が傾斜した磁極の先端部を有する4つの電磁コイルのコアによって実現されることが好ましい。好適実施例によると、前記磁極の先端部の傾斜は、好適には前記センサ表面に対して30°〜60°の角度を有し、より好適には前記センサ表面に対して40°〜50°の角度を有し、最も好適には前記センサ表面に対して45°の角度を有する。
【００１５】
本発明の好適実施例によると、前記四重極磁気ユニットは前記センサ表面に対して移動可能である。前記四重極磁気ユニットは前記センサ表面に対して平行に滑ることが可能であることが特に好ましい。よって前記センサ表面の結合位置と前記四重極磁気ユニットのサブユニットとの間での適切な位置合わせが可能である。
【００１６】
また前記四重極磁気ユニットは、切り替え可能な磁場勾配を供するように備えられていることも好ましい。
【００１７】
当該バイオセンサのセンサ表面は1つ以上の結合位置を有することが好ましい。前記1つ以上の結合位置は、1つの試薬又は複数の試薬を混合したものを有する。
【００１８】
本発明の上記及び他の態様は、後述する（複数の）実施例を参照することで明らかとなる。
【発明の効果】
【００１９】
図1は4つの磁気サブユニット1,2,3,4を有する四重極磁気ユニットの斜視図を表す。4つの磁気サブユニット1,2,3,4の各々はコアを備える電磁コイルで構成される。コアは、四重極磁気ユニットの上方に設けられたセンサ表面で高い磁場勾配を供するような形状である。4つの電磁コイルのコアはギャップによって分離されている。よってセンサ表面の底部からたとえばFTIRによる検出を実行することが可能である。照射光ビームは、下方から電磁コイルの2つのコア間のギャップを通過してセンサ表面へ向かって良い。センサ表面によって反射された光は検出器において検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるバイオセンサに用いることのできる四重極磁気ユニットの斜視図を表す。
【図２】図1に図示された四重極磁気ユニットの上面図である。
【図３】aとbは、図1と図2に図示された四重極磁気ユニットによって実現可能なB2の典型的な勾配を図示している。
【図４】本発明によるバイオセンサに用いることができる四重極磁気ユニットの断面図を表している。
【図５】図4に図示された四重極磁気ユニットの磁極先端部の様々な傾斜についての水平磁場勾配のシミュレーションを示している。
【図６】図4に図示された四重極磁気ユニットの上面図を表している。
【図７】a,b,cは、側方及び上方から見た図4と図6に図示された四重極磁気ユニットの磁場の磁束線を概略的に図示している。
【図８ａ】水平座標の関数としての磁場強度を図示している。
【図８ｂ】水平座標の関数としての磁場強度を図示している。
【図９ａ】垂直座標の関数としての磁場強度を図示している。
【図９ｂ】垂直座標の関数としての磁場強度を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図1は4つの磁気サブユニット1,2,3,4を有する四重極磁気ユニットの斜視図を表す。4つの磁気サブユニット1,2,3,4の各々はコアを備える電磁コイルで構成される。コアは、四重極磁気ユニットの上方に設けられたセンサ表面で高い磁場勾配を供するような形状である。4つの電磁コイルのコアはギャップによって分離されている。よってセンサ表面の底部からたとえばFTIRによる検出を実行することが可能である。照射光ビームは、下方から電磁コイルの2つのコア間のギャップを通過してセンサ表面へ向かって良い。センサ表面によって反射された光は検出で検出することができる。
【００２２】
図2は図1に図示された四重極磁気ユニットの上面を図示している。4つのコア間のギャップが明確に視認できる。
【００２３】
図3は、図1と図2に図示された四重極磁気ユニットによって誘起されるB2の勾配の計算結果を図示している。計算は、磁極上方1mmの距離で実行される。図3aは、図2の線A-Aに沿った、単位T2/mで表されたB2の勾配を表している。ここで磁気サブユニット1はN極を供し、磁気サブユニット2はS極を供し、かつ磁気サブユニット3と4は中性である。
【００２４】
図3bは、図2の線B-Bに沿った、単位T2/mで表されたB2の勾配を表している。ここで磁気サブユニット1はN極を供し、磁気サブユニット3はS極を供し、かつ磁気サブユニット2と4は中性である。印加される最大電流は1[A]である。
【００２５】
図3aと図3bに図示された2つの典型的な勾配から分かるように、各異なる磁気サブユニットのオンとオフを切り換えることによって、様々な磁場分布を容易に供することができる。たとえば図3aに図示されたB2の勾配が急峻な最小値を有する一方で、図3bに図示された勾配は極端に広い最小値を有する。従って磁性粒子が作動する結果向かう領域又は結合位置を厳密に制限することができる。
【００２６】
他の効果は、たとえば回転磁場を供することにより可能である。この目的のため、四重極磁気ユニットの4つのコイルは、たとえば最大1.5[A]で互いの位相シフトが90°である正弦波電流によって駆動する。
【００２７】
上述の例は、本発明の保護範囲を限定するものと解されてはならないことは当業者にとっては自明である。実際本発明のバイオセンサを用いた典型的な実験では、四重極磁気ユニットの相当数の異なるアクチュエーションが実行されて良い。これには静的及び動的アクチュエーション法が含まれて良い。さらに四重極磁気ユニットは図1と図2に図示されたユニットに限定されない。如何なる種類の四重極磁気ユニットが、本発明によるバイオセンサに用いられても良い。特に電磁コイルのコアは、特定の用途に依存して様々な形状を有して良い。
【００２８】
図4は、本発明によるバイオセンサで使用可能な四重極磁気ユニットの好適実施例の断面図を表している。断面図では、四重極磁気ユニットのうち2つの磁気サブユニット1と3だけが見える。四重極磁気ユニットの完全な上面図は図6で見ることができる。四重極磁気ユニットは4つの磁気サブユニット1,2,3,4を有し、4つの磁気サブユニット1,2,3,4の各々は、周囲がコイルで取り囲まれている軟鉄で作られた棒と磁極先端部(1a,2a,3a,4a)を有する。これら4つの磁気サブユニットの周囲には、幅115mmの磁束ガイドを備えた磁束ガイド四角形19が配置されている。磁束ガイド四角形19もまた軟鉄で作られ、かつ10mm×10mmの断面積を有する。コアの棒と磁極先端部は5mm×5mmである。対向する磁極先端部は、図4に図示されているように10mmだけ隔てられている。磁極先端部1aと3a上方での磁場を、磁極先端部1aと3aとの間での磁場よりも均一にするため、磁極先端部1aと3aは45°の角度で傾斜する。当然のこととして、対応する磁極先端部2aと4a−図4では見えない−も同様に傾斜する。試料5は、磁極上方2mmの場所であって四重極磁気ユニットの中心に位置する。
【００２９】
シミュレーションは、45°に傾斜した磁極先端部で、ほぼ最小の水平磁場勾配が得られることを示している。図5は、角度が30°（曲線6）、45°（曲線7）、及び60°（曲線8）の磁極先端部のシミュレーションによる磁場勾配の比較を示している。センサ表面に対して約45°の角度を有する磁極先端部の水平磁場勾配は、他の2つの場合よりも明らかに小さい。
【００３０】
図7a、図7b、及び図7cは、側方及び上方から見た図4と図6に図示された四重極磁気ユニットの磁場の磁束線を概略的に図示している。磁極先端部が傾斜しているため、図7aから得られるように、磁力線9は上方に曲がっている。図7bでは、対向する磁極2aと4aとの間の磁場のシミュレーションが示されている。図7cでは、隣接する磁極1aと2aとの間の磁場及び磁極1aと2aとの間の磁場のシミュレーションが示されている。そのシミュレーションから、具体的には約0.1mm×約0.1mmである、顕微鏡の光学視野における四重極磁気ユニットの中央では、磁力線9は互いに実質的に平行であることが分かる。磁場勾配を決定するため、磁場強度が、水平軸xと垂直軸z（図4参照のこと）の関数として測定された。磁場強度はホールセンサで測定された。その際+277mA及び-277mAのDC電流が2つの対向するコイルに印加された。測定結果が曲線10として図示されている。曲線11はシミュレーション結果を表す。
【００３１】
図8aでは、水平座標xの関数としての磁場強度が図示されている。X方向における磁場強度がわずかに非対称となるのは、設定が厳密に均等ではないことでその設定にわずかな非対称性が存在するためである。シミュレーションと比較して実際の四重極には理想的ではない特性が存在するため、測定された磁場強度は、シミュレーションにより予想された磁場強度よりも20%低い。図8bは、水平座標xの関数としての、測定された水平磁場勾配（曲線12）とシミュレーションによる水平磁場勾配（曲線13）の両方を図示している。
【００３２】
図9aは、垂直座標zの関数としての磁場強度を図示している（測定：曲線14、シミュレーション：曲線15）。他方図9bは、垂直座標zの関数としての垂直磁場勾配を図示している（測定：曲線16、シミュレーション：曲線17）。
【００３３】
上記結果から明らかなように、図4と図6に図示された四重極磁気ユニットを用いることによって、センサ表面に対して平行である小さな磁場勾配と前記センサ表面に対して垂直である大きな磁場勾配を同時に供することが可能となる。従って前記センサ表面に対して垂直な方向の大きな力は、磁気バイオセンサの磁気ビーズに作用することができる。よって磁気ビーズは実効的に、前記センサ表面へ向かう方向又は前記センサ表面から離れる方向へ案内されて良い。同時に前記ビーズに作用する横方向の力は無視される。従って図4と図6に図示された好適実施例は、磁気バイオセンサ内の磁気ビーズの厳密な制御を可能にする。
【００３４】
図4と図6に図示された実施例の利点の1つは、光学視野において均一な磁場が生成されることである。その際、水平方向の勾配は事実上存在せず、かつ垂直方向の勾配は重力の大きさ程度で前記ビーズに作用する。従ってビーズは、大きな面積にわたって作動しかつ検出することができる。
【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】
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【図８ｂ】
0005759378.tif 000010
【図９ａ】
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【図９ｂ】
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