ВОЗБУЖДЕНИЕ МАГНИТНЫХ ШАРИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ БИОСЕНСОРА НА ОСНОВЕ НПВО
EXCITING MAGNETIC SPHERES USING FEEDBACK FOR FTIR BASED BIOSENSOR

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к биосенсорному устройству, такому как биосенсорное устройство, использующее нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО).
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В литературе была описана процедура для обнаружения биологических аналитов, при которой аналит связывается между парамагнитной частицей и антителом, иммобилизованным на диске (LUXTON R. и др.: "USE OF EXTERNAL MAGNETICS FIELDS TO REDUCE REACTION TIMES IN AN IMMUNOASSAY USING MICROMETER-SIZED PARAMAGNETIC PARTICLES AS LABELS (MAGNETOIMMUNOASSAY)", ANALYTICAL CHEMISTRY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, COLUMBUS, US, том 76, № 6, страницы 1715-1719). Плоская воспринимающая обмотка, установленная под упомянутым диском, позволяет проводить обнаружение связанных магнитных частиц. Чтобы ускорить связывание магнитных частиц и удалить несвязанные частицы, к диску поочередно приближают два магнита снизу и сверху соответственно.
В US 2002/022276 A1 раскрыты биочипы с массивом микроэлектромагнитных узлов, которые могут быть выборочно активированы для создания магнитного поля. С помощью этих полей биомолекулы могут перемещаться к участкам связывания. Упоминается, что аналиты могут обнаруживаться и количественно измеряться оптическими, электрохимическими или радиоактивными способами.
В наши дни все больше и больше увеличивается потребность в биосенсорах. Обычно биосенсоры обеспечивают возможность обнаружения данной конкретной молекулы в аналите, в котором количество или концентрация упомянутой целевой молекулы обычно небольшая. Например, может быть измерено количество наркотических средств или кардиологических маркеров в слюне или крови. Наркотики обычно являются небольшими молекулами, которые обладают только одним эпитопом и по этой причине не могут быть обнаружены, например, с помощью сэндвич-анализа. Конкурентный анализ или реакция торможения является предпочтительным способом обнаружения этих молекул. Широко известная схема конкурентного анализа - присоединение (иммобилизация) целевых интересующих молекул на поверхность и связывание антител с меткой обнаружения, которая может быть ферментом, флуорофором или магнитными шариками. Эта система используется для выполнения конкурентного анализа между целевыми молекулами из образца и целевыми молекулами на поверхности, используя меченые антитела. Для полевого исследования анализ должен быть быстрым, чтобы тест мог быть выполнен примерно за 1 мин, и надежным.
Как правило, биосенсорное устройство, использующее нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), содержит сенсорное устройство, в которое нужно вставлять сенсорную кассету. Сенсорная кассета содержит сенсорную камеру, при этом по меньшей мере часть поверхности сенсора или пространство в упомянутой сенсорной камере подготовлено для обнаружения целевых молекул. Обычно поверхность сенсора включает в себя различные точки связывания. Сенсорная кассета может быть одноразовой полистирольной кассетой. В сенсорной камере размещают парамагнитные шарики. Чтобы увеличить скорость реакции целевых молекул в жидкости, которую вводят в сенсорную камеру, средство возбуждения, такое как обмотка возбуждения, размещают под кассетой, чтобы создать силу возбуждения для притягивания шариков к поверхности сенсора. Через заранее заданное время, которое должно быть достаточным для того, чтобы шарики связались на точках связывания, нижнюю обмотку выключают и, соответственно, убирают силу возбуждения. Чтобы оттянуть несвязанные шарики от поверхности сенсора, может быть приложено другое магнитное поле, которое создают другой обмоткой, расположенной над кассетой. Впоследствии может быть обнаружено наличие шариков на точках связывания на поверхности сенсора. Обычно к обмоткам подают заранее заданный ток обмотки с тем, чтобы создать заранее заданное магнитное поле. Приложенная обмотками магнитная сила также может использоваться для дополнительного манипулирования анализом.
1
2
1
2
1
1
1
2
В сенсорном устройстве на основе НПВО может использоваться съемочная камера, предпочтительно съемочная камера на ПЗС или КМОП, для получения изображения света, отраженного от поверхности сенсора, и для наблюдения за связыванием на точке связывания на поверхности сенсора. Типичное изображение, полученное с помощью биосенсорного устройства на основе НПВО, показано на Фиг. 1. На Фиг. 1 показано изображение поверхности 11 сенсора, причем эта поверхность 11 содержит различные точки связывания A, A, которые окружены белой областью B и B. Изображения получают путем практически однородного освещения поверхности 11 сенсора и проецирования отраженного света через оптическую систему в съемочную камеру. Относительное затемнение точки связывания, например точки A связывания, по сравнению с окружающей белой областью B является мерой количества связываний. На Фиг. 1 показана ситуация, когда относительное затемнение точки A больше относительного затемнения точки А. Фиг. 1 дополнительно показывает установочные метки 10, которые задают положения точек связывания.
И хотя токами обмотки и, соответственно, созданным магнитным полем можно управлять точным и воспроизводимым образом, воздействие приложенного к магнитным шарикам магнитного возбуждения зависит от различных параметров. Например, анализы могут ухудшаться со временем, что может изменить состав матрицы и магнитные свойства шариков. Позиционирование кассеты в считывающем устройстве, а также позиционирование обмоток возбуждения относительно кассеты и точек связывания также может изменяться из-за производственных допусков при изготовлении считывающего устройства и кассеты. Может меняться вязкость жидкости, нанесенной на сенсорную кассету, так как, к примеру, разные образцы слюны, которые могут использоваться, могут иметь разную вязкость. Кроме того, может меняться сила и качество химических связей. Например, особенно при измерении в крови, могут возникать слабые связи, так что слишком слабые токи обмотки будут уменьшать воздействие возбуждения, тогда как слишком большие токи могут нарушить связи или образовать скопления (кластеры), когда несвязанные шарики нужно оттянуть от поверхности сенсора. Вышеупомянутые параметры также могут меняться в зависимости от температуры сенсорного устройства, которая может изменяться, в особенности тогда, когда устройство используется для полевого исследования. Этими параметрами, которые могут сильно влиять на приложенное к магнитным шариками магнитное возбуждение в сенсорной кассете, сложно и дорого управлять.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому имеется необходимость предоставить способ и устройство для управления и, возможно, оптимизации воздействия возбуждения, в частности магнитного возбуждения, на маркерные частицы в биосенсорном устройстве. Особенно следует уменьшить или устранить воздействие параметров, которые влияют на возбуждение, таких как вышеупомянутые параметры.
В соответствии с настоящим изобретением силой возбуждения маркерных частиц управляют на основе определения воздействия приложенной силы возбуждения в пространстве или на поверхности связывания сенсорной кассеты биосенсорного устройства. Таким образом, может быть реализовано управление с обратной связью. В том случае, если пространство или поверхность связывания анализируют оптически, например, в биосенсорном устройстве на основе НПВО, то контур обратной связи может содержать оптическое получение изображений и магнитное возбуждение. Магнитной силой возбуждения можно управлять путем управления токами обмотки или путем управления позиционированием обмотки относительно сенсорной кассеты. Кроме того, когда используется множество обмоток, также может регулироваться геометрическая форма магнитного поля с тем, чтобы повлиять на магнитное возбуждение и направлять шарики в конкретную область сенсора.
Когда анализирование пространства или поверхности связывания выполняют путем наблюдения за пространством или поверхностью связывания с помощью съемочной камеры, такой как камера на ПЗС, этап анализирования может включать в себя обработку изображений в реальном времени, чтобы получить достаточный диапазон и коэффициент усиления системы управления. В качестве альтернативы, определение воздействия приложенной силы возбуждения в пространстве или на поверхности связывания может выполняться путем наблюдения за оптическими пятнами или использования магнитных датчиков, таких как GMR или AMR, чтобы получить параметры, необходимые для управления силой возбуждения. Способ может дополнительно использоваться в сочетании с любым известным способом обнаружения, таким как магнитные или оптические способы, как упоминалось выше, в сочетании с любыми маркерными частицами или целевыми молекулами, которые могут возбуждаться, например, магнитным или электрическим путем, используя эффект Холла, с помощью потока, или давления, или любых других средств возбуждения.
Изобретение дополнительно предусматривает устройство, которое особенно приспособлено для выполнения способа по изобретению.
С помощью способа и устройства по изобретению может быть уменьшено влияние многих параметров анализа, которые в противном случае могут препятствовать правильному измерению, а надежность биосенсора может быть значительно улучшена, особенно при использовании в меняющихся условиях типа полевых тестов на наркотики.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и разъясненными при обращении к описанным ниже вариантам осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает изображение, наблюдаемое в биосенсорном устройстве на основе НПВО;
Фиг. 2 схематически показывает установку для биосенсорного устройства на основе НПВО согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 3 показывает диаграмму сигнала, наблюдаемого в биосенсоре на основе НПВО, в зависимости от магнитного поля возбуждения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения может использоваться биосенсорное устройство на основе НПВО, которое проиллюстрировано на Фиг. 2. Устройство включает в себя сенсорную кассету 1, которая может быть съемной с биосенсорного устройства. В сенсорной кассете предусмотрена сенсорная камера, включающая в себя подготовленные надлежащим образом магнитные шарики. Биосенсорное устройство дополнительно содержит источник 4 света, такой как лазерный диод или светодиод (СИД), для генерирования светового луча, который освещает поверхность 11 связывания биосенсорной кассеты под углом, который удовлетворяет требованиям полного внутреннего отражения. Свет, отраженный от поверхности 11 сенсора, обнаруживается средством 5 обнаружения, таким как фотодиод или съемочная камера, например, на ПЗС.
Чтобы увеличить скорость реакции магнитных шариков, магнитная обмотка 3 возбуждения размещена под кассетой 1, обращенной к поверхности сенсора, чтобы создать магнитное поле для притягивания шариков к поверхности 11 сенсора. Дополнительная магнитная обмотка 2 может размещаться над кассетой, чтобы оттягивать шарики, которые после заранее заданного времени не образуют связь с областями связывания на поверхности 11 сенсора, от поверхности 11 сенсора. То есть на этом так называемом этапе «промывки» неустановленные и несвязанные шарики могут быть удалены с поверхности 11 сенсора, чтобы избежать любого нарушения измерения, вызванного шариками, которые случайно размещаются вблизи поверхности 11 сенсора.
Силу, необходимую для оттягивания несвязанных шариков от поверхности сенсора на этапе «промывки», очень важно настроить. Особенно сложно найти баланс между «промывкой» достаточного количества шариков с поверхности 11 сенсора, не нарушая при этом слабые связи между поверхностью 11 сенсора и связанными шариками. Воздействие относительно слабого тока «промывки» в обмотке 2 может наблюдаться и обрабатываться в реальном времени путем анализирования изображения, наблюдаемого съемочной камерой 5. Это может выполняться путем соединения выхода съемочной камеры 5 на ПЗС с видеоинтерпретатором 7 и управления обмотками 2, 3 возбуждения с использованием привода 6 возбуждения в ответ на выходные данные видеоинтерпретатора 7. Видеоинтерпретатор 7 и привод 6 возбуждения могут быть реализованы с помощью компьютера.
1
2
1
2
Когда ток в обмотке 2 увеличивается, постепенно происходит «промывка» шариков, т.е. оттягивание несвязанных шариков от поверхности 11 сенсора, что опять же может наблюдаться одновременно в реальном времени. Воздействие подаваемого тока может наблюдаться еще точнее путем наблюдения за воздействием как в областях связывания, то есть в точках A, A связывания, так и в областях несвязывания, таких как области B, B, как показано на Фиг. 1.
С помощью этого варианта осуществления настоящего изобретения сила возбуждения, необходимая для надежного удаления только несвязанных шариков с поверхности 11 сенсора, может быть реализована при наблюдении в реальном времени за поверхностью 11 сенсора и, исходя из этого наблюдения, управлении силой возбуждения, т.е. магнитной силой, приложенной обмоткой 2 возбуждения.
Вышеописанный процесс по выборочному управлению силой возбуждения, действующей на шарики в сенсорной кассете 1, также может использоваться для определения качества химических связей шариков на точках связывания на поверхности 11 сенсора. Это может выполняться путем увеличения тока «промывки» в обмотке 2 возбуждения до тех пор, пока также и связанные шарики не исчезнут с поверхности 11 сенсора, тем самым эффективно нарушая или растягивая связи. Результат такого измерения может использоваться в качестве критерия надежности анализа.
порог
порог
Фиг. 3 показывает схематическую диаграмму магнитного поля, созданного обмоткой 2 возбуждения, в зависимости от интенсивности, наблюдаемой биосенсорным устройством на основе НПВО. При слабых магнитных полях интенсивность медленно увеличивается с увеличением магнитного поля. Это отражает удаление несвязанных шариков с поверхности 11 сенсора. Начиная с некоторой пороговой величины, указанной как H, связанные частицы также оттягиваются от поверхности 11 сенсора. Соответственно, отраженная интенсивность, наблюдаемая в биосенсорном устройстве на основе НПВО, увеличивается до тех пор, пока не удалятся практически все шарики с поверхности 11 сенсора. Соответственно, начиная с некоторого магнитного поля, интенсивность остается практически постоянной. Такое измерение может использоваться для определения магнитного поля, необходимого для удаления практически всех несвязанных шариков с поверхности сенсора как можно быстрее. То есть, чтобы надежно удалить только несвязанные шарики, магнитное поле обмотки 2 возбуждения следует поддерживать ниже H.
Принцип вышеописанного варианта осуществления настоящего изобретения может быть расширен на различные применения. Например, притягивание шариков к поверхности 11 сенсора с использованием обмотки 3 возбуждения для того, чтобы облегчить связывание шариков с точками связывания на поверхности 11 сенсора, может быть оптимизировано путем наблюдения за шариками на поверхности 11 сенсора и управления возбуждением таким образом, что исключаются неспецифичные связи и скопления. Кроме того, при приложении токов обмотки поочередно к обеим обмоткам 2 и 3 возбуждения и одновременно наблюдении за положением шариков в сенсорной камере шарики могут перемещаться по сенсорной камере или поверхности 11 сенсора заранее заданным образом, чтобы направлять и перемешивать жидкость в сенсорной камере.
С помощью устройства и способа по настоящему изобретению может быть достигнута увеличенная надежность анализа за счет уменьшения воздействия различных допусков анализа, что особенно важно для полевого исследования на наркотики. Кроме того, могут быть уменьшены производственные допуски при изготовлении биосенсорных устройств и, в особенности, сенсорных кассет, а значит, и себестоимость продукции. Настоящее изобретение предлагает оптимальный баланс между аппаратной и программной обработками, необходимыми в биосенсорном устройстве, в частности в биосенсорном устройстве на основе НПВО.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны считаться пояснительными или примерными, а не ограничивающими; таким образом, изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники могут подразумеваться и осуществляться вариации в раскрытых вариантах осуществления при применении на практике заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия изобретения и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Один единственный процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Сам факт того, что некоторые признаки указаны во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих признаков не может использоваться с пользой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем.