КАРТРИДЖ ДЛЯ АНАЛИЗОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2014 года по МПК G01N33/53 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к картриджу и способу для детектирования целевых компонентов в жидком образце с помощью магнитных частиц, к устройству датчика, содержащему такой картридж, и к использованию такого картриджа и устройства датчика.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Магнитное устройство датчика известно из WO 2005/010543 A1 и WO 2005/010542 A2, его, например, можно использовать в микрофлюидальном биодатчике для детектирования молекул, например, биологических молекул, маркированных магнитными шариками. Магнитное устройство датчика снабжено матрицей блоков датчика, содержащей провода для генерации магнитного поля и датчики и гигантского магниторезистивного эффекта (GMR) для детектирования паразитных полей, генерируемых намагниченными шариками. Сигнал GMR указывает количество шариков, связавшихся с соседней контактной поверхностью.

В WO 2003/062787 раскрыт процесс, в котором магнитные микросферы сортируются на разные группы согласно их магнитным моментам, и разные агенты-рецепторы присоединяются к микросферам разных групп. После этой предварительной обработки, все магнитные микросферы заполняются образцом, что позволяет целевым компонентам специфически связываться с агентами-рецепторами. На последнем этапе, магнитные микросферы снова разделяются на разные группы согласно их магнитным моментам, и связывание целевых компонентов детектируется в раздельных группах, например, по наличию флуоресценции.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание средства для детектирования целевых компонентов в образце с помощью магнитных частиц, причем желательно иметь возможность одновременно детектировать разные целевые компоненты с высокой точностью.

Эта задача решается посредством картриджа по п.1, устройства по п.12 датчика, способа по п.14 и использования по п.15. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.

Картридж, согласно настоящему изобретению, служит для детектирования целевых компонентов в жидком образце, например, атомов, (био-)молекул, комплексов, наркотических препаратов (в особенности наркотических препаратов), наночастиц, микрочастиц, клеточных фракций или клеток в телесной жидкости, например, крови, слюне или моче. Детектирование целевых компонентов может быть качественным (дающим только информацию присутствия/отсутствия) или, предпочтительно, количественным (дающим, например, концентрацию целевых компонентов в образце). Картридж обычно представляет собой дешевую пластмассовую деталь, выполненную методом штамповки под давлением, которую можно заполнять испытуемым образцом, вставлять в соответствующее считывающее устройство для производства необходимых измерений, и затем утилизировать. В общем случае, термин "картридж" означает устройство, определяемое только содержанием следующих компонентов:

a) "камеру для образцов", которую можно заполнять испытуемым образцом и в которой можно создавать "магнитное поле активации" данной конфигурации. Камера для образцов обычно представляет собой пустую полость; она может быть открытой полостью, закрытой полостью или полостью, соединенной с другими полостями каналами соединения жидкостей.

Конфигурация магнитного поля активации задается пространственным расположением его линий магнитного поля и величиной поля (т.е. направлением и длиной векторов магнитного поля). Для определения картриджа, конфигурация магнитного поля активации считается заранее определенной и фиксированной относительно картриджа.

Магнитное поле активации можно генерировать посредством внутреннего средства картриджа и/или внешнего средства. Конструкция картриджа в любом случае должна позволять создавать магнитное поле активации данной конфигурации в камере для образцов, т.е. камера для образцов может, например, не быть магнитно экранирована. Магнитное поле активации может влиять на миграцию магнитных частиц в камере для образцов под действием сил, например, обусловленных ненулевым градиентом поля. Заметим, что величина векторов магнитного поля обычно должна превышать некоторый порог, чтобы магнитное воздействие было достаточно сильным (по сравнению с другими воздействиями, например, гравитацией).

b) по меньшей мере, два "резервуара" для магнитных частиц, которые растворимы в образце. Магнитные частицы могут, в частности, содержать комплексы, наночастицы, микрочастицы и т.д., намагниченные или способные намагничиваться во внешнем магнитном поле; наиболее предпочтительно, они содержат суперпарамагнитные шарики с биосовместимым покрытием на своей поверхности.

Каждый резервуар может быть связной или несвязной двухмерной/трехмерной областью. Резервуары могут быть заранее заполнены магнитными частицами или могут быть первоначально пустыми (т.е. готовыми к заполнению частицами).

c) По меньшей мере, две "чувствительные зоны" (области), в которых магнитные частицы и/или целевые компоненты можно (качественно или количественно) детектировать, например, если они поступают в эти зоны через жидкий образец, в котором они разведены. Чувствительные зоны могут, например, располагаться на прозрачной стенке камеры для образцов, так что они могут быть оптически доступны снаружи.

Кроме того, соотношение между камерой для образцов, резервуарами, чувствительными зонами и данным магнитным полем активации должно быть таким, чтобы магнитные частицы разных резервуаров преимущественно достигали разных чувствительных зон (если они вообще достигают чувствительной зоны) при миграции в образце, заполняющем камеру для образцов, под влиянием магнитного поля активации. Поскольку движение микроскопических частиц всегда подвержено случайным воздействиям, достаточно, если упомянутое условие "преимущественно" выполняется, т.е. для более чем 90% от общего числа магнитных частиц, предпочтительно, для более чем 95%, наиболее предпочтительно, для более чем 99%.

Описанный картридж позволяет осуществлять параллельное тестирование образца магнитными частицами из разных резервуаров и с помощью разных чувствительных зон, в которых магнитные частицы могут подвергаться воздействию магнитного поля активации (например, перемещаться в нужном направлении). Благоприятно то, что влияние магнитного поля активации на магнитные частицы является таким, что магнитные частицы из разных резервуаров не смешиваются в ходе миграции к чувствительным зонам и в ходе взаимодействия с чувствительными зонами. Таким образом, магнитное поле активации образует некие виртуальные стенки (только) для магнитных частиц, по сути дела, разделяя камеру для образцов на различные подкамеры, между которыми не происходит обмена магнитными частицами. Однако, фактически, камера для образцов остается связным объемом, по которому может свободно распределяться жидкий образец.

Заметим, что магнитные частицы из одного резервуара могут мигрировать при соответствии один к нескольким в разные чувствительные зоны, хотя обычно между резервуарами и чувствительными зонами существует взаимно-однозначное соответствие.

В общем случае, конфигурация данного магнитного поля активации может быть совершенно произвольной. Однако, во многих случаях, градиент поля, т.е. градиент (скалярной) амплитуды напряженности магнитного поля, будет перпендикулярен к чувствительным зонам (и, в необязательном порядке, также к резервуарам). Точнее говоря, чувствительные зоны могут располагаться в общей плоскости, причем градиент магнитного поля активации пересекает эту плоскость, по существу, перпендикулярно (т.е. под углом от около 70° до около 110°, предпочтительно от около 80° до около 100°). Поскольку магнитные частицы обычно движутся в направлении градиента магнитного поля, описанная конфигурация обеспечивает перемещение частиц перпендикулярно к чувствительным зонам (и резервуарам).

Резервуары картриджа можно, для использования картриджа, заполнять однотипными магнитными частицами (по материалу, распределению размеров, покрытию и т.д.). Однако предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, два резервуара были заполнены магнитными частицами другого типа, в частности, магнитными частицами, которые специфичны по отношению к разным целевым компонентам. Магнитные частицы двух резервуаров могут, например, быть покрыты разными молекулами, которые образуют (био-)химическую связь с разными целевыми компонентами в образце и/или с разными сайтами связывания в чувствительных зонах.

Аналогичные замечания можно сделать в отношении чувствительных зон, т.е. предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, две чувствительные зоны были специфичны по отношению к разным целевым компонентам. Эти зоны могут, например, быть покрыты сайтами связывания (молекулами захвата), которые специфично образуют связь с разными целевыми компонентами в образце. Это позволяет параллельно сканировать образец в отношении разных целевых компонентов.

Относительное расположение резервуаров и чувствительных зон совершенно произвольно, при условии, что, при наличии данного магнитного поля активации, гарантируется желаемое раздельное перемещение магнитных частиц из резервуаров в чувствительные зоны. В предпочтительном варианте осуществления, резервуары и чувствительные зоны располагаются на разных внутренних поверхностях камеры для образцов, в частности, на поверхностях, обращенных друг к другу (например, на верхней и нижней поверхностях камеры для образцов). В этом случае магнитные частицы должны будут мигрировать через всю камеру для образцов, чтобы достигнуть чувствительных зон, что максимизирует вероятность реакции между магнитными частицами и целевыми компонентами в образце.

В другом варианте осуществления, резервуары перекрываются (полностью или, по меньшей мере, частично) с соответствующими чувствительными зонами. В этом случае магнитные частицы находятся в "правильных" чувствительных зонах с самого начала измерения, и магнитное поле активации должно гарантировать лишь то, что они не покинут сферу этой чувствительной зоны и достигнут другой чувствительной зоны.

Согласно еще одному варианту осуществления, резервуары располагаются на той же поверхности, что и чувствительные зоны и после их соответствующих чувствительных зон. Расположение резервуаров и чувствительных зон на общей поверхности облегчает изготовление картриджа, поскольку нужно обрабатывать только одну поверхность.

Когда магнитные частицы перемещаются из разных резервуаров в соответствующие чувствительные зоны, они могут взаимодействовать между собой, например, под действием магнитных и/или электростатических сил. Во избежание нежелательных последствий такого взаимодействия для миграции магнитных частиц, предпочтительно, чтобы резервуары были заполнены магнитными частицами в количествах, которые, по существу, уравновешивают взаимодействия между магнитными частицами разных резервуаров в ходе их миграции через образец. При симметричном размещении двух резервуаров и двух чувствительных зон, можно, например, применять равные количества магнитных частиц в обоих резервуарах, чтобы сделать взаимодействия между магнитными частицами также симметричными.

Камера для образцов, предпочтительно, является частью жидкостной системы или подключена к жидкостной системе, посредством которой поток образца через можно индуцировать через камеру для образцов. Это позволяет заполнять камеру для образцов жидким образцом, когда нужно произвести измерение.

В простейшем случае, картридж может представлять собой устройство (например, формованную пластмассовую деталь), которая, по существу, состоит только из камеры для образцов, в которой одни области служат резервуарами и другие области служат чувствительными зонами. В более сложном варианте осуществления, картридж содержит встроенный генератор магнитного поля, например, катушку и/или провод, внедренный в стенки картриджа, через который можно пропускать электрический ток для создания магнитного поля. Генератор магнитного поля можно, в частности приспособить для генерации магнитного поля активации, которое влияет на миграцию магнитных частиц из резервуаров к чувствительным зонам. Однако генератор магнитного поля может дополнительно или альтернативно служить для других целей, например, для магнитного возбуждения магнитных частиц в чувствительных зонах для генерации паразитных полей, которые выдают присутствие этих частиц подходящему магнитному датчику.

Согласно другому варианту осуществления, картридж может содержать интегрированный блок датчика для детектирования магнитных частиц и/или целевых компонентов в чувствительных зонах. Интеграция такого блока датчика в картридж имеет преимущество в минимизации расстояния между датчиком и образцом и в обеспечении определенных условий эксплуатации.

Изобретение дополнительно относится к устройству датчика для детектирования целевых компонентов в жидком образце, содержащему следующие компоненты:

a) картридж вышеописанного типа, т.е. картридж с камерой для образцов и, по меньшей мере, двумя резервуарами и чувствительными зонами, в котором магнитные частицы разных резервуаров будут достигать разных чувствительных зон, мигрируя под влиянием магнитного поля активации;

b) генератор магнитного поля для генерации магнитного поля активации внутри картриджа. Генератор магнитного поля, например, можно реализовать в виде постоянного магнита или электромагнитной катушки и можно интегрировать в картридж или размещать вне его.

c) блок датчика для детектирования магнитных частиц и/или целевых компонентов внутри картриджа. Опять же, блок датчика может быть (по меньшей мере, частично) интегрирован в картридж или быть отдельным компонентом устройства датчика.

Поскольку картридж является важным компонентом устройства датчика, ссылка сделана на вышеприведенное описание картриджа для дополнительной информации о деталях, преимуществах и дополнительных усовершенствованиях устройства датчика.

Картридж и/или устройство датчика может, в необязательном порядке, содержать оптический, магнитный, механический, акустический, тепловой и/или электрический блок датчика. Магнитный блок датчика может, в частности, содержать катушку, датчик Холла, планарный датчик Холла, феррозондовый датчик, СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик), магниторезонансный датчик, магниторестриктивный датчик, или магниторезистивный датчик наподобие описанного в WO 2005/010543 A1 или WO 2005/010542 A2, в особенности, датчик GMR (гигантского магниторезистивного эффекта), TMR (туннельного магниторезистивного эффекта) или AMR (анизотропного магниторезистивного эффекта). Оптический блок датчика можно, в частности, приспособить для детектирования изменений в выходном световом пучке, который возникает вследствие нарушенного полного внутреннего отражения, обусловленного наличием целевых частиц на чувствительной поверхности. Другие концепции оптического, механического, акустического и теплового датчика описаны в WO 93/22678, которые включены в данный документ в порядке ссылки.

Кроме того, изобретение относится к способу для детектирования целевых компонентов в жидком образце, который содержит этапы, на которых (причем последовательность их нумерации не обязательно соответствуют порядку их осуществления):

заполняют камеру для образцов картриджа образцом. Картридж, в частности, может быть вышеописанного типа;

позволяют магнитным частицам мигрировать через образец из, по меньшей мере, двух резервуаров в, по меньшей мере, две чувствительные зоны. В этом контексте, термин "позволяют" означает, что обеспечивают условия, при которых магнитные частицы могут мигрировать через образец. Такие условия могут содержать, например, достаточное время, надлежащую температуру, первоначальное обеспечение достаточного количества магнитных частиц в резервуарах, разведение магнитных частиц в образце и т.д.;

создают магнитное поле активации данной конфигурации в камере для образцов так, чтобы магнитные частицы разных резервуаров преимущественно мигрировали в разные чувствительные зоны. Магнитное поле активации может, в необязательном порядке, присутствовать на протяжении всей процедуры;

детектируют магнитные частицы и/или целевые компоненты в чувствительных зонах.

Способ содержит, в общем случае, этапы, которые могут выполняться с помощью картриджа и устройства датчика вышеописанного типа. Поэтому ссылка сделана на предыдущее описание для дополнительной информации о деталях, преимуществах и усовершенствованиях этого способа.

Изобретение дополнительно относится к использованию вышеописанного картриджа и/или устройства датчика для молекулярной диагностики, биологического анализа образцов или химического анализа образцов, пищевого анализа и/или аналитического анализа. Молекулярную диагностику, например, можно осуществлять с помощью магнитных шариков или флуоресцентных частиц, которые прямо или косвенно присоединены к целевым молекулам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие варианты изобретения следуют из и поясняются со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже. Эти варианты осуществления будут описаны в порядке примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид сверху первого картриджа согласно настоящему изобретению, в котором резервуары для частиц и чувствительные зоны располагаются в верхней части и нижней части, соответственно;

Фиг.2 - вид в разрезе первого картриджа по линии II-II на Фиг.1;

Фиг.3 - вид снизу верхней части первого картриджа;

Фиг.4 - общий вид камеры для образцов первого картриджа;

Фиг.5 - общий вид камеры для образцов второго картриджа согласно настоящему изобретению, в котором резервуары для частиц и чувствительные зоны перекрываются;

Фиг.6 - общий вид камеры для образцов третьего картриджа согласно настоящему изобретению, в котором резервуары для частиц окружают чувствительные зоны;

Фиг.7 - различные диаграммы экспериментального испытания картриджа и способа согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аналогичные условные обозначения или условные обозначения, отличающиеся целыми кратными 100, обозначают на чертежах идентичные или схожие компоненты.

Придорожная проверка на наличие наркотических препаратов является типичным применением портативного магнитного биодатчика. Такая проверка будет использоваться на дороге (аналогично тесту на наличие паров алкоголя в выдыхаемом воздухе) и должна давать возможность устанавливать наличие до пяти наркотических препаратов в одном образце слюны за одну минуту. Проверка должна быть надежной и простой в использовании. Предпочтительно, чтобы ее можно было проводить посредством лишь одного действия оператора (взятия образца и вставки его в считывающее устройство) без какой-либо тренировки полицейских.

Незаконный лекарственный препарат, в общем случае, представляет собой малую молекулу, способную связываться только с одной молекулой захвата (антителом). По этой причине, для детектирования таких лекарственных препаратов можно использовать формат подавительного или состязательного анализа. В анализе первого типа целевые молекулы гомологов присутствуют на поверхности датчика. Эти целевые молекулы гомологов состязаются с целевым компонентом (который должен присутствовать в образце) за образование связи с молекулой захвата, которая присутствует на магнитном маркере. В анализе второго типа целевой гомолог присутствует на магнитном маркере, и покрытый маркер состязается с целевым компонентом (который должен присутствовать в образце) за образование связи с молекулами захвата (антителами), которые присутствуют на поверхности датчика.

В вышеупомянутых сценариях, пять разных молекул захвата должны присутствовать на магнитном маркере или на поверхности датчика (в зависимости от формата анализа), для обеспечения возможности детектировать пять наркотических препаратов. Кроме того, пять разных целевых гомологов должны присутствовать на поверхности датчика или на магнитном маркере (в зависимости от формата анализа). Поскольку лекарственный препарат обычно является малой молекулой, связывание с другими молекулами посредством связи рецептор-лиганд (например, связывание с антителом), в общем случае, не очень специфично. В результате, происходит перекрёстная реакция (например, магнитный маркер, покрытый связывающими молекулами для типа A, образует связь с целевым гомологом типа B). Например, магнитные частицы покрытые антиамфетаминовыми антителами, будут связываться с BSA-амфетаминовыми конъюгатами на поверхности датчика, но также будут в значительной степени связываться с BSA-метамфетамином. Таким образом, добавление магнитных частиц с антиамфетаминовыми антителами в матрицу чувствительных зон, где, по меньшей мере, одна чувствительная зона покрыта BSA-амфетамином и одна чувствительная зона покрыта BSA-метамфетамином, будет демонстрировать большой выход датчика для чувствительной зоны, покрытой BSA-амфетамином, но также будет демонстрировать значительный выходной сигнал для чувствительной зоны, покрытой BSA-метамфетамином. Поэтому, в большинстве испытательных систем, анализы, показывающие перекрёстную реакцию, физически разделяются за счет осуществления анализов в отдельных тестовых полосках/трубках. Это сложное решение, поскольку испытуемый образец нужно разделять по разным тестовым полоскам/трубкам, что приводит к усложнению испытательного устройства и увеличению объема образца, необходимого для осуществления всех испытаний.

Предложенное здесь решение вышеозначенных проблем опирается на тот факт, что в магнитном биодатчике можно использовать возможности активации, обеспечиваемые магнитными маркерами (шариками). Для этого ориентация магнитных сил и относительное расположение магнитных частиц выбираются так, чтобы разные типы частиц не смешивались.

На фиг.1-4 показан картридж 100 согласно первой реализации изобретения. Картридж 100 содержит следующие компоненты:

- верхнюю часть 101, например, в виде пластмассовой детали, произведенной методом штамповки под давлением. Верхняя часть 101 содержит воронкообразный входной канал 102 для образца на своей внутренней стороне, который ведет в жидкостный канал 104. Этот канал 104 углубляется в нижнюю сторону и заканчивается жидкостным тупиком и вентиляционным отверстием 105.

Кроме того, верхняя часть 101 содержит два соседних резервуара 131, 132, заполненные (разными) магнитными частицами MP, MP'.

- нижнюю часть 103, которая присоединена к верхней части 101 и выполнена, например, в виде штампованного соединительного устройства (MID). Нижняя часть 103 содержит коническое сквозное отверстие, которое образует камеру для образцов SC под резервуарами 131, 132.

- блок 110 датчика, присоединенный к нижней стороне нижней части 103 для закрытия камеры SC для образцов. Блок 110 датчика содержит средство для детектирования целевых компонентов и/или магнитных частиц в чувствительных зонах 121, 122 на своей поверхности. Блок 110 датчика может представлять собой, например, просто прозрачное тело, через которое входной световой пучок L1 от источника света (не показан) может поступать на границу раздела между этим телом и камерой SC для образцов, где он полностью внутренне отражается в выходной световой пучок L2. Целевые компоненты и/или магнитные частицы, которые образуют связь на границе раздела, будут обуславливать нарушенное полное внутреннее отражение (FTIR), которое можно детектировать в выходном световом пучке L2 с помощью детектора света (не показан).

Альтернативно, блок датчика также может содержать магниторестриктивный датчик, например, датчик GMR.

Блок 110 датчика может находиться в электрическом контакте со считывающим устройством (не показано) через контактные площадки 111 на гибкой электрической фольге (MID).

Кроме того, на фиг.2 показан генератор 1 магнитного поля, расположенный под блоком 110 датчика, для генерации магнитного поля B активации с заранее определенной конфигурацией внутри камеры SC для образцов.

На фиг.4 показаны общий вид в перспективе камеры SC для образцов, относительное расположение двух резервуаров 131, 132 в верхней части камеры для образцов и две соответствующие чувствительные зоны 121, 122 в нижней части камеры для образцов. Каждая из чувствительных зон 121 и 122 содержит множество пятен BS и BS' связывания, соответственно. Пятна BS или BS' связывания в каждой чувствительной зоне покрыты одними и теми же молекулами захвата, тогда как пятна BS и BS' связывания разных чувствительных зон покрыты разными молекулами захвата. Молекулы захвата можно, например, осаждать в небольших пятнах посредством струйной печати.

Два резервуара 131 и 132 снабжены магнитными частицами MP, MP' разных типов, т.е. специфичными для разных целевых компонентов в образце (например, в слюне), заполняющем камеру SC для образцов. Первоначально магнитные частицы могут присутствовать в высушенной форме (например, сахарной матрицы). Жидкий образец будет растворять сухую матрицу. Затем можно включать магнитную активацию для переноса магнитных частиц (в отрицательном направлении z) к поверхности датчика, где они способны к специфическому связыванию. Как показано на фиг.4 пунктирными линиями для одного резервуара, магнитные частицы резервуаров 131 и 132 будут мигрировать под влиянием (градиента) магнитного поля B активации, преимущественно, только в соответствующую чувствительную зону 121 и 122, соответственно, под ним. Преимущество такой миграции через всю камеру SC для образцов состоит в том, что шарики контактируют с полным объемом образца, что обеспечивает высокую чувствительность анализа.

Согласно фиг.4, основной компонент магнитной силы направлен в (отрицательном) направлении z, т.е. перпендикулярно к поверхности датчика, и магнитные шарики MP, MP' в резервуарах располагаются в направлении z точно над их соответствующими сайтами захвата на поверхности датчика. Плоскостные компоненты (в направлении x и y) значительно меньше. Линии магнитного поля могут, предпочтительно, ориентироваться в направлении x (при этом их градиент указывает в направлении z), что создает цепочки магнитных частиц вдоль этих линий поля. Это создает силу отталкивания между цепочками магнитных частиц в направлении y, что помогает поддерживать две совокупности шариков разделенными.

Когда центр магнита 1, который генерирует поле, хорошо выровнен с центром поверхности связывания, магнитные шарики не пересекают центр (постоянную магнитную точку), что препятствует смешиванию шариков магнитным средством. Смешиванием за счет диффузии можно пренебречь, поскольку магнитные силы можно сделать достаточно большими. Однако, поскольку магнитные шарики могут пересекать центр магнита благодаря отталкивающим электростатическим и/или магнитным силам между магнитными частицами и цепочками частиц, соответственно, оба резервуара предпочтительно заполнять примерно равными количествами магнитных шариков для формирования своего рода "противодавления".

Заметим, что магнитные поля возбуждения, которые можно использовать для намагничивания шариков в ходе процедуры детектирования с помощью датчика GMR в чувствительных зонах, обычно сильно локализованы и не приводят к нежелательному смешиванию шариков.

Заметим также, что, конечно, более двух типов шариков можно осаждать в резервуарах один за другим, в зависимости от наличия свободного места. Согласно этому способу, множественные анализы, которые будут перекрестно реагировать друг с другом в случае их смешивания, можно осуществлять в одной и той же реакционной камере, не получая каких-либо перекрестных реакций.

На фиг.5 показан второй вариант осуществления картриджа 200. Разные магнитные шарики, покрытые разными связывающими молекулами или разными целевыми гомологами, применяются для разделения резервуаров 231 и 232, соответственно, которые располагаются непосредственно на той же поверхности, что и чувствительные зоны 221 и 222, и перекрываются с ними. Преимущество этой конструкции в том, что весь биоматериал помещается на одну часть картриджа (на фиг.5 нижняя часть 203, содержащая дно камеры SC для образцов). Поэтому эту часть можно оптимизировать для наложения биоматериалов, тогда как другую часть (201) можно оптимизировать, например, для обеспечения быстрого заполнения жидкостных каналов. Такая оптимизация может, например, содержать гидрофилизацию (которая может сильно затруднить применение биоматериала в небольших пятнах). Другое преимущество состоит в том, что магнитные шарики уже очень близки к поверхности датчика, и для перемещения от верхней части вниз к поверхности датчика не требуется времени, что уменьшает время анализа.

На фиг.6 показан третий вариант осуществления картриджа 300. Опять же, резервуары 331 и 332 для шариков располагаются в нижней части камеры SC для образцов, т.е. на нижней части 303. Однако, вместо осаждения шариков поверх отпечатанных пятен BS, BS' связывания, т.е. с перекрытием с чувствительными зонами 321 и 322, они осаждаются после отпечатанных пятен связывания. Шарики можно осаждать после пятен связывания в направлении x и/или y. Пятна связывания также можно печатать по круговой разметке, после чего соответствующие шарики можно осаждать после их соответствующего сайта захвата, в несколько большем круге или кольце, окружающем их.

На фиг.7 приведены результаты эксперимента, которые демонстрируют легкость выполнения магнитного разделения с двумя разными резервуарами (отсеками). В эксперименте, состязательный анализ осуществлялся в системе оптического датчика FTIR. Пять наркотических препаратов (опиаты OPI, амфетамин AMP, метамфетамин MAMP, кокаин COC, тетрагидроканнабинол THC) и контрольное вещество (биотин BIOT) измерялись одновременно. Полное время анализа составляло одну минуту. Магнитные частицы присутствовали в сухой форме, реагенты были очищенные, фильтрованная слюна (сухие регенты).

Суперпарамагнитные частицы были покрыты моноклональными антинаркотическими антителами. Для анализа на амфетамин, биотин и опиат использовались частицы Ademtech 500 нм, покрытые COOH. Для анализа на метамфетамин, кокаин и тетрагидроканнабинол использовали шарики Ademtech 300 нм NH₂. Частицы были повторно рассеяны в сушильном буфере. Шарики 500 нм каждого типа были повторно рассеяны при 1% вес. (полная концентрация шариков 3% вес., смесь 1), тогда как шарики 300 нм были повторно рассеяны в 2% вес. (COC и THC) или 1% вес. (полная концентрация шариков 5%, смесь 2). Затем, 2×75 нл смеси 1 и смеси 2 было нанесено на жидкостную верхнюю часть, содержащую два углубления, по одной смеси в каждом углублении. Оптическая подложка была подготовлена для детектирования целевых молекул путем печати пятен BSA-наркотика. Верхняя и нижняя часть биодатчика были собраны с использованием ленты, и датчики поддерживались в лабораторных условиях при комнатной температуре. На следующий день, картриджи были испытаны путем осуществления состязательного анализа в оптической системе биодатчика. Анализ содержал фильтрацию слюны (группа из 10 добровольцев) через стопку фильтр-гидроксиапатита (HAP)-фильтра, где фильтры содержат сухие регенты. Затем в фильтрованную слюну добавляли наркотические препараты в различных концентрациях и вводили в картридж путем автономного заполнения через капиллярный канал. Затем магнитные частицы были повторно рассеяны, после чего присоединены к поверхности датчика (с использованием системы катушек активации). Спустя заранее определенное время, поле магнитного притяжения удалили. Другое магнитное поле над картриджем применяли для вытягивания несвязанных шариков с поверхности подложки. Полное время анализа (заполнение, повторное рассеяние и магнитная активация) составило 60 с (1 с на заполнение картриджа, 14 с на повторное рассеивание шариков, 45 с на активацию). Затем измерили перекрестную реакционную способность.

При десяти отрицательных образцах (все тесты на наркотические препараты отрицательны) и десяти положительных образцах на наркотический препарат (т.е. один тест на лекарственный препарат отрицателен, а остальные строго положительны) и биотине измеряли взаимное влияние. Концентрация для положительной реакции была выбрана 1 мкг/мл (для опиатов, амфетамина, метамфетамина, биотина), 5 мкг/мл (для кокаина) и 50 мкг/мл (для тетрагидроканнабинола). На фиг.7 показано шесть диаграмм изменения оптического сигнала пятен на оптических подложках (в %) для смесей слюны, содержащих все наркотические препараты, кроме одного, который указан в заголовке диаграммы (т.е. без биотина BIOT, без амфетамина AMP, без опиатов OPI, без метамфетамина MAMP, без THC и без кокаина COC; горизонтальная ось: номер измерения).

Все пятна, положительно реагирующие на наркотический препарат, имеют изменения сигнала менее 10%, тем самым демонстрируя очень малое взаимное влияние. Кроме того, магнитные частицы, покрытые антиамфетаминовыми антителами, не связываются с BSA-метамфетамином. Если бы разделение между двумя рядами не было хорошим, пятна BSA-метамфетамина демонстрировали бы сигналы, аналогичные сигналам от пятен BSA-амфетамина, тем самым, демонстрируя хорошее разделение между анализами на амфетамин и метамфетамин.

Таким образом, предложено решение, позволяющее поддерживать магнитные шарики раздельными в процессе связывания. Благодаря размещению магнитных шариков в, по меньшей мере, двух разных резервуарах, которые ориентированы перпендикулярно к направлению линий магнитного поля, группы шариков не проявляют никакого смешивания в ходе анализа. Это позволяет осуществлять множественные анализы в одной камере без каких-либо проблем с перекрестными реакциями. Среди преимуществ данного подхода можно указать следующие:

- отсутствие перекрестных реакций;

- простота картриджа: один канал, одна камера;

- требуется малый объем образца: образец не нужно разделять.

Хотя изобретение описано выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления, возможны различные модификации и расширения, например:

- датчик может быть любым подходящим датчиком для детектирования присутствия магнитных частиц на или вблизи поверхности датчика, на основании любого свойства частиц, например, он может детектировать с помощью магнитных средств (например, магнитострикция, эффект Холла, катушки), оптическими средствами (например, построение изображения, флуоресценция, хемилюминесценция, поглощение, рассеяние, методы затухающего поля, поверхностный плазмонный резонанс, комбинационное рассеяние и т.д.), акустическим детектированием (например, поверхностная акустическая волна, объемная акустическая волна, кронштейн, кварцевый кристалл и т.д.), электрическим детектированием (например, проводимость, импеданс, измерение тока, окислительно-восстановительный цикл), их комбинациями и т.д.:

- магнитный датчик может быть любым подходящим датчиком, основанным на детектировании магнитных свойств частицы на или вблизи поверхности датчика, например, катушки, магниторезистивного датчика, магниторестриктивного датчика, датчика Холла, планарного датчика Холла, феррозондового датчика, СКВИД, магниторезонансного датчика и т.д.:

- молекулярные цели часто определяют концентрацию и/или присутствие более крупных сущностей, например, клеток, вирусов или фракций клеток или вирусов, экстракта ткани и т.д.:

- помимо молекулярных анализов, устройства датчика, отвечающие изобретению, также позволяют детектировать более крупные сущности, например, клетки, вирусы или фракции клеток или вирусов, экстракт ткани и т.д.:

- детектирование может происходить с или без сканирования элемента датчика по отношению к поверхности датчика;

- данные измерения можно выводить как измерение конечной точки, а также путем кинетической или периодической регистрации сигналов;

- частицы, служащие маркерами, можно детектировать непосредственно с использованием датчиков. Кроме того, частицы можно дополнительно обрабатывать до детектирования. Примером дополнительной обработки является добавление материалов или изменение (био)химических или физических свойств маркера для облегчения детектирования;

- устройство и способ можно использовать с несколькими типами биохимического анализа, например, анализа на связывание/несвязывание, послойного анализа, состязательного анализа, анализа смещения, ферментного анализа и т.д. Это особенно пригодно для детектирования ДНК, поскольку легко осуществлять крупномасштабное мультиплексирование, и разные олигонуклеотиды можно размещать в виде пятен путем струйной печати на подложке;

- устройство и способ пригодны для мультиплексирования датчиков (т.е. параллельного использования разных датчиков и поверхностей датчиков), мультиплексирования маркеров (т.е. параллельного использования разных типов маркеров) и мультиплексирования камер (т.е. параллельного использования разных реакционных камер);

- устройство и способ можно использовать в качестве быстрых, надежных и простых в использовании биодатчиков, применяемых в полевых условиях, для малых объемов образца. Реакционная камера может быть одноразовой для использования с компактным считывающим устройством, содержащим одно или несколько средств генерации поля и одно или несколько средств детектирование. Кроме того, устройство, способы и системы настоящего изобретения можно использовать при автоматическом тестировании с высокой эффективностью. В этом случае, реакционная камера является, например, пластиной с углублениями или кюветой для вставления в автоматический инструмент;

- когда под наночастицами подразумеваются частицы, имеющие, по меньшей мере, один размер в пределах от 3 нм до 5000 нм, предпочтительно, от 10 нм до 3000 нм, более предпочтительно, от 50 нм до 1000 нм.

Наконец, следует указать, что в данной заявке термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, употребление названий элементов или этапов в единственном числе не исключает наличия их множественности, и что один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких средств. Изобретение опирается на все признаки новизны и каждую комбинацию отличительных признаков. Кроме того, условные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.

Группа изобретений относится к области аналитической химии и может быть использована для детектирования целевых компонентов в жидком образце. Картридж (100) для детектирования целевых компонентов в жидком образце содержит: камеру (SC) для образцов; по меньшей мере, два резервуара (131 и 132), заполненные магнитными частицами (MP, MP'), которые специфичны по отношению к разным целевым компонентам; по меньшей мере, две чувствительные зоны (121 и 122) для детектирования магнитных частиц и/или целевых компонентов, причем магнитные частицы (MP, MP') разных резервуаров преимущественно достигают разных чувствительных зон, мигрируя в образце, заполняющем камеру для образцов, под влиянием магнитного (В) поля активации. Группа изобретений относится также к способу детектирования целевых компонентов с помощью указанного картриджа, устройству для детектирования целевых компонентов, содержащему указанный картридж, генератор магнитного поля и блок датчика детектирования внутри картриджа и к использованию указанного устройства для молекулярной диагностики, биологического анализа образцов или химического анализа образцов. Группа изобретений позволяет осуществить множественные анализы в одной камере без перекрестных реакций. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Картридж (100, 200, 300) для детектирования целевых компонентов в жидком образце, содержащий
a) камеру (SC) для образцов, которая может быть заполнена образцом и в которой можно создавать магнитное поле (В) активации,
b) по меньшей мере, два резервуара (131 и 132, 231 и 232, 331 и 332) для магнитных частиц (MP, MP'), которые растворимы в образце, причем указанные, по меньшей мере, два резервуара (131 и 132, 231 и 232, 331 и 332) заполнены магнитными частицами (MP, MP'), которые специфичны по отношению к разным целевым компонентам,
c) по меньшей мере, две чувствительные зоны (121 и 122, 221 и 222, 321 и 322), в которых можно детектировать магнитные частицы и/или целевые компоненты,
причем магнитные частицы (MP, MP') разных резервуаров преимущественно достигают разных чувствительных зон, мигрируя в образце, заполняющем камеру для образцов, под влиянием магнитного (В) поля активации.

2. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что чувствительные зоны (121 и 122, 221 и 222, 321 и 322) проходят в общей плоскости, при этом градиент магнитного поля (В) активации пересекает эту плоскость перпендикулярно.

3. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, две чувствительные зоны (121 и 122, 221 и 222, 321 и 322) специфичны по отношению к разным целевым компонентам.

4. Картридж (100) по п.1, отличающийся тем, что резервуары (131, 132) и чувствительные зоны (121, 122) расположены на разных внутренних поверхностях камеры (SC) для образцов, в частности на противоположных поверхностях.

5. Картридж (200) по п.1, отличающийся тем, что резервуары (231, 232) перекрываются с соответствующими чувствительными зонами (221, 222).

6. Картридж (300) по п.1, отличающийся тем, что резервуары (331, 332) располагаются на той же поверхности, что и соответствующие чувствительные зоны (321, 322), за ними.

7. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что резервуары (131 и 132, 231 и 232, 331 и 332) заполнены магнитными частицами (MP, MP') в количествах, которые, по существу, уравновешивают взаимодействия между магнитными частицами разных резервуаров, когда магнитные частицы мигрируют в образце.

8. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что камера (SC) для образцов является частью флюидальной системы (103, 104, 105) или подключена к ней, посредством чего поток образца можно направлять через камеру для образцов.

9. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что содержит встроенный генератор магнитного поля.

10. Картридж (100, 200, 300) по п.1, отличающийся тем, что содержит интегрированный блок (110) датчика для детектирования магнитных частиц (MP, MP') и/или целевых компонентов в чувствительных зонах (121 и 122, 221 и 222, 321 и 322).

11. Устройство для детектирования целевых компонентов в жидком образце, содержащее
а) картридж (100, 200, 300) по п.1,
b) генератор (1) магнитного поля для генерации магнитного (В) поля активации внутри картриджа,
c) блок (110) датчика для детектирования магнитных частиц (MP, MP') и/или целевых компонентов внутри картриджа.

12. Устройство по п.11,
отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один оптический, магнитный, механический, акустический, тепловой или электрический блок датчика, в частности катушку, датчик Холла, планарный датчик Холла, феррозондовый датчик, СКВИД, магниторезонансный датчик, магниторестриктивный датчик или магниторезистивный датчик (110), например элемент GMR, TMR или AMR.

13. Способ детектирования целевых компонентов в жидком образце, содержащий этапы, на которых:
заполняют камеру (SC) для образцов картриджа (100, 200, 300) образцом, позволяют магнитным частицам (MP, MP') мигрировать через образец из, по меньшей мере, двух резервуаров (131 и 132, 231 и 232, 331 и 332) в, по меньшей мере, две чувствительные зоны (121 и 122, 221 и 222, 321 и 322), причем указанные, по меньшей мере, два резервуара (131 и 132, 231 и 232, 331 и 332) заполнены магнитными частицами (MP, MP'), которые специфичны по отношению к разным целевым компонентам, создают магнитное (В) поле активации в камере для образцов, чтобы магнитные частицы (MP, MP') из разных резервуаров преимущественно мигрировали в разные чувствительные зоны,
детектируют магнитные частицы и/или целевые компоненты в чувствительных зонах.

14. Использование устройства по п.11 для молекулярной диагностики, биологического анализа образцов или химического анализа образцов.