广义地说，本发明提供了一种直接检测和测量像磁铁矿石这样的 磁性粒子(magnetically susceptible particle)——因而也是与这些粒子 结合的感兴趣的物质——的非常小的积聚物的方法和装置。
磁性粒子或珠子，利用已知的方法与被分析物粒子连接，形成磁 性样品单体或磁性结合合成物。在一个夹持器的表面上放置确定好的 磁性样品单体标本。该表面可以是平的。加上一个大振幅，高频率的 磁场，以激励在样品中的粒子，磁场使这些粒子表现得像是在激励频 率下振动的一个局域偶极子(localized dipole)。从样品发出的磁场与传 感器——例如可制成梯度计结构(这种形状可使检测线圈对用于激励样 品的大的均匀磁场不敏感)的一组电感检侧线圈——紧密耦合。另外， 线圈的几何形状设计成与样品的空间图形匹配，从而可提供大的响应， 这种响应随着样品和线圈的相对位置不同而显著变化。
在传感器上感应产生的电压，由相敏检侧器放大和处理。从励磁 磁场本身发出的电感信号可以作为相位检侧器电路的参考信号。相位 检测器的输出再经过滤波和数字化处理。
通过使样品相对传感器运动，可以调制信号振幅。这可以滤去只 是由于传感器不平衡、励磁磁场不均匀、电路中的相互影响、或任何 其它并非由样品本身产生的表观信号(apparent signal)源。将相对于样品 位置的信号振幅的数字化形状与使用相应的曲线拟合法得出的理论响 应形状比较。在存在固有的仪器噪声和漂移情况下，可提供对样品中 的磁性成份含量的非常精确的估计。
附图简要说明
本发明的目的，优点和特点从下面结合附图进行的详细说明中会 更清楚。其中：
图1.为本发明的一个实施例的台式形式的透视图；
图2.为传感器的实施例的放大平面图，表示图1所示实施例中的 检测线圈；
图3.为图1所示实施例的机械结构示意性透视图；
图4.为图1所示实施例的电气原理图；
图4A.为固定图1所示检测线圈基片的放大平面图；
图4B.为该基片连接端的一个金属屏蔽物的透视图；
图5.为图1所示实施例的检测线圈的另一个实施例的放大的平面 图；
图6.为检测线圈的输出对于磁性材料的位置的信号波形；
图7.为可以在本发明的一个实施例中使用的一个横向流动膜片 (lateral flow membrane)式的样品夹持器的一个实施例；
图8.为根据本发明的一个实施例，可以作为磁场源使用的一个E 型铁芯磁体系统(注意，为了清楚起见，没有表示励磁线圈)；
图9.为可以在本发明的一个实施例中使用的一种微型射流式样 品夹持器的实施例；
图10.为可以在本发明的一个实施例中使用的单一一个极靴的实 施例，该极靴带有固定其上的传感器。
详细说明
现参见附图，更具体地说，参见其中的图1和图3。图中表示了本 发明的一个优选实施例。
I.读出器组件
读出器组件包括几个不同的子系统。这些子系统包括一个带有运 动控制的样品夹持器，供测量用的磁性结合(magnetic bond)合成物样品 放在该夹持器中，该夹持器可在系统内作必要的相对运动；一个磁化 器或磁场源将激励信号加在样品上；诸如检测线圈一类的传感器，作 为在样品中产生的信号的信号传感器；一个励磁电路将励磁电流供给 磁场源的线圈；一个放大器/相位检测器/数字转换器与所述传感器连 接，以接收和处理输出信号；一块微型计算机芯片在外部个人计算机 (PC)和该读出器组件之间，提供双向通信。
A.样品运动控制
为了形成磁性结合合成物样品，利用常规方法生成磁性键 (magnetic bond)而使磁性粒子结合到被分析物粒子或目标粒子上。被分 析物粒子可以包括原子、单独的分子和生物细胞。应当指出，术语“目 标粒子”和“被分析物粒子”基本上可以互换使用。还应指出，术语 “目标”不局限于DNA重组细胞技术领域中所使用的该术语的定义。
磁性结合合成物样品以几个至几百个粒子积聚的形式，放置在样 品夹持器(例如图3所示圆盘12)周边附边的若干预定位置11上。其 它可替代的样品夹持器包括横向膜片塑料带或利用横向流动但没有膜 片的夹持器。下面会更详细地说明使用横向流动膜片的一个实施例。
另一种形式的样品夹持器可以使用微型射流。微型射流系统可有 一个样品检测腔和相应的通道。通过改变压力，可使样品在检测腔作 进或出的运动。例如，在图9中表示了具有一个输入通道152的微型 射流系统151。输入通道152与混合腔164连接。多个试剂腔154、156 和158用于容纳各种化学药品或试剂。如下所述，如果希望的话，这 些试剂腔也可容纳磁性粒子。在周边附近或另外的地方，可以设置一 个样品分析腔166。该腔位于预先确定的位置，该位置就是进行样品磁 性测量的地方。因此，样品夹持器的形状，必须使传感器和磁场源能 进入该腔。另外，磁性测量也可如在本说明书别处所述的那样来进行。 在磁性测量以后，可进行进一步处理。由于这个原因，可以设置一个 测量腔168，该腔可以有自己的试剂腔。如果希望，可以设置更多的试 剂腔。也可以设置一个任选的输出或出口通道162。如果装置只是一个 一次性使用的装置，可以不需要这种通道。为了方便起见，图中没有 示出，但也可以设置各种压力入口和阀，使得被分析物粒子、磁性粒 子和试剂可以从一个腔至另一个腔往复运动。
通过测量所结合的磁性粒子，可以定量地测量被分析物粒子。在 微型射流系统中，作为被分析物粒子和磁性粒子结合物的样品，可以 通过输入通道引入。另一种方案是，被分析物粒子可以通过输入通道 引入，而被分析物粒子和磁性粒子二者可以在混合腔164中结合和混 合。
这个系统有许多变型。例如，传感器可以直接放在微型射流芯片 上，使其特别好地与分析区域匹配。在另一个变型中，芯片上的不同 参数，例如温度，可同时或不同时改变。温度控制装置可设在芯片上 或芯片外，如在混合腔内的激光加热情况那样。可以理解，这种系统 需要一个光学窗口。可以改变的其它参数可以是影响磁性标记(即磁 性粒子或其与被分析物粒子的结合)存在或性质的任何参数。
使结合合成物粘接在圆量上预定位置的方法是公知的，应可采用 标准工艺。圆盘安装在向下延伸至蜗轮14的驱动轴13上。相应的回 转装置(例如步进电机16)有一根伸出的轴17，在该轴的远端有一个 蜗杆15。电机根据从PCG6通过多条导线18送来的信号，控制圆盘 12的回转运动。当然，如果希望的话，可以在PC和本发明的系统之 间使用无绳连接。
在一个优选实施例中，圆盘12的直径约为47mm，厚度约0.25mm。 该圆盘例如可用玻璃、塑料或硅制造。从实用功能上考虑，圆盘的厚 度范围约为0.1～1.0mm。
在样品夹持器为横向流动膜片的情况下，可将样品夹持器制成是 部分多孔的。这样，被分析物粒子通过夹持器多孔部分的通道即会成 为另一个可变参数。在这种情况下，磁性粒子可以与多孔的样品夹持 器结合。例如，被分析物粒子通过夹持器多孔部分的通道可能取决于 粒子质量或尺寸。因此，在该多孔部分内粒子的位置可能与质量有关 或与尺寸有关。当被分析物粒子通过多孔的样品夹持器时，该粒子可 优先并以预定的方式而与磁性粒子结合。于是即可利用本实施例的装 置，用磁性方法来测量包含与磁性粒子结合的被分析物粒子的结合样 品。可以利用例如技术上已知的过滤器来代替夹持器的多孔部分。根 据工艺要求，可以选择过滤器以用于合适质量或尺寸的粒子。
例如，参见图7，图中表示了一个横向流动膜片101。被分析物粒 子可以灌注至一个释放垫座(release pad)102中，然后再进入一个流动 膜片103中。粒子再通过毛细管作用而流过膜片，并通过放置着所结 合的磁性粒子的测试管路106。还可以设置一个控制管路108。最后， 如果希望的话，可在下游设置一个吸收垫座104，用于收集未结合的被 分析物粒子。
在工作中，该测试管路可以包括涂有能与感兴趣的被分析物材料 结合的材料的胶体状铁(colloidal iron)粒子。这样，该测试管路可优先 收集被分析物粒子。控制管路108可具有已知数量的胶体状铁，以用 于标定或其它目的。应当知道，这种横向流动膜片可以用(举例来说) 一个凝胶电泳测试区代替，在这种情况下，样品不是不动的，而可以 运动通过检测区域。
样品夹持器还可采用参考装置(例如通过条形码)来提供独特的 机器可读的标记，以辨识或定位单独的区域或多个区域和与之相关的 试验。参考装置可在空间指示单个的分析区或多个分析区的位置，参 考装置可以方便地辨识磁性合成物材料的样品。除了条形码外，参考 装置还可使用磁条、微片，光学参考物等。为便于参考，该参考装置 可选择与其相应的样品对齐。
计算机/CPU可以与磁性(试验)信号一起，读出参考信息，然后 将试验结果显示和存储在相应的文本中。例如，测量e.coli存在的试 验结果，即可用一种不同于测试存在低聚核甙酸结合的试验的形式来 显示。由于可以专门为每一种试验准备一块基片，因此，这个信息可 以作为条形码在该基片上编码，或利用一种上述方法编码。
在这个实施例中，电机16通过一个120齿的蜗轮减速机构来转动 蜗轮14。蜗轮14通过轴13与圆盘12连接。当然，也可以使用具有不 同特点的回转驱动装置。
磁场源21可由回转驱动装置(例如步进电机22)驱动，相对于圆 盘12作直线运动。在电机轴24上有一根每转一周走40圈的导螺杆23。 凸台25带一个内螺纹孔，导螺杆的螺纹与该内螺纹接合。控制信号通 过多条导线26而从微型计算机65加到电机22上。这里还是将一个特 定的回转驱动装置作为一个示例而提出。可以使用具有不同特性的其 它的相应零件。
例如，虽然上述系统说明了磁场源相对于样品夹持器作直线运动 的情况，但还可使用样品夹特器相对于磁场源运动的另一实施例。在 后一个实施例中，样品夹持器可以安装在一根轴上，而且机械驱动系 统与图3所示的驱动系统相似。驱动系统以可控制的方式将样品夹持 器移至磁场源的间隙中。
可以使用许多类型的驱动系统。这些驱动系统包括：步进电机、 螺杆和电机装置、液压传动、磁驱动装置、操作者手动使样品夹持器 相对于磁场源和相对于传感器运动的装置、压力驱动装置、夹送轮辊、 传送带系统等。
以上说明了使样品夹持器从装有样品的位置(例如在一个圆盘上) 向着由磁场源产生的磁场附近的位置的运动。在该系统中出现的另一 种运动为样品夹持器经过传感器的运动。可以产生各种运动来做到这 点。例如，在传感器和样品夹持器之间，可允许二维运动。在图3所 示的实施例中表示了利用电机16进行的一个自由度的运动(例如，沿 着一段圆弧)。电机22的驱动系统也可用来沿着另一个自由度移动传 感器。另外，可以利用另一个电机，沿着同一个自由度来移动样品夹 持器12。最后，应当指出，通过采用相应的传动装置，可以用同一个 电机来形成上述的或不同的运动的综合。
在另一个实施例中，驱动系统可以包括一个夹送轮辊，它抓住上 面放有样品的一条塑料带，使该塑料带以可控制的方式运动通过传感 器。该实施例在下列情况下特别有用；将样品放在类似信用卡的塑料 卡上的一条带上，然后利用与ATM机上所用装置相同的装置，“抓住” 该塑料卡，当然，驱动系统可以是上述系统中的任何一种系统，以及 其它的系统。
B.磁场源
参见图4，在所述实施例中，直径大约为30mm的一个铁氧体环 形铁芯31带有大约为1.5mm宽的间隙32。励磁线圈33在环形铁芯 31的大约270°角度范围上与间隙对称地绕成单层。反馈回路34在离 开间隙(相反方向)大约180°的位置上，环绕该环形铁芯体。回路 34可以在线圈33外面，或在线圈33和环形铁芯之间。根据反馈功能 的需要并与反馈功能相适应，反馈回路可以包括若干匝或许多匝。反 馈回路的目的是检测或表示间隙32中的磁场，并能使信号处理回路或 输出回路对变化(例如温度漂移)进行自行校正。这个回路可以用来 提高精度，但对系统的工作不是必不可少的。
还可以使用各种各样其它的磁场源。例如，大多数情况下都使用 电磁铁，电磁铁可以例如是环形铁芯或所谓的“E型铁芯”。E型铁芯 是磁铁采用的形状为“E”字形(参见图8)。在E型铁芯中，“E”字 的中间部分比两边部分短。参见图8，二个E型铁芯112和112’的开 放侧彼此相对地放置。在二个较短的中间部分之间。形成一个小的间 隙114。在塑料带116上的样品可以放置在这个小间隙中。用于测量磁 化强度振荡的传感器可以放在一个单独的基片118上(该基片118也 位于小间隙中)，或者还可将其置于较短中间部分的一个或二个端部 上。在任何一个实施例中，实际上传感器都可以设置在一个极靴上， 或设置在形成该间隙周边的其它零件上。这样，部件可以制作得更加 模块化，而且线圈的配置可以更为均匀和一致。
在其它实施例中，根本不需要间隙。参见图10，单一一个极靴201 上可以设置一个传感器，或将传感器放在单独一条带上。在图10中， 传感器表示成二个检测线圈202和204。极靴可使磁场交变，并且如上 所述，传感器可以测量振荡的磁化强度。
再回到图3可看出，环形铁芯磁场源组件安装在可由玻璃纤维制 成的绝缘壳体35中。壳体35有一条槽36，它与间隙32的位置相对应。 该槽间隙的形状和结构可以有选择地容纳回转圆盘12的边缘，并为检 测线圈基片提供空间。这点将在下面详细说明。
C.传感器
利用传感器来测量样品的磁场强度。在这个实施例中，所用的方 法是交流电量灵敏度法。可以使用许多形式的传感器。在下面的实施 例中，要说明以梯度计结构连接的检测线圈。应当指出，梯度计结构 并不是必须的，可以使用其它类型的传感器。这些传感器可以包括霍 尔(HALL)传感器、GMR传感器或其它能够测量磁场强度或磁通的 这类传感器。
现特别参见图2、图4和图4A，绝缘基片41放在壳体35的槽36 中并伸进间隙32。焊片40、42设在基片41的近端，而传感器(特别 是检测线圈43)安装在邻近基片41的远端处。最好该基片由兰宝石或 硅制成，而检测零件为薄膜式铜线圈。可以使用标准的薄膜制造方法 来和制造基片和检测线圈，这时每一个线圈的引入线和引出线在分开 不同的层上。例如，可利用标准的光刻处理方法，在基片表面上制成 输入引线49，再将一层溅射的石英覆盖在输入引线上，然后同样地铺 设线圈43和输出引线44，并将一个石英保护层加在顶部。可以通常方 法进行各个层的连接。
反相串联形成梯度计结构的检测线圈通过导电引线44和49而与 焊片40和42连接，并通过双绞线45而与信号处理电路连接。使用双 绞线有助于减少杂散信号或减少干扰的拾取。
在图2所示的螺旋形中，线圈引线宽度大约为5微米，螺旋线引 线之间的间距大约为10微米，检测线圈引线的厚度大约为1微米，每 一个制成后线圈的直径大约为0.25mm。
将基片41作得较长而窄，使焊片40、42离环形铁芯间隙较远， 可以减小在钎焊引线45中的杂散干扰的拾取。为了进一步减少杂散信 号或干扰的拾取，可以在连接区域周围使用金属屏蔽物46(图4B)。 该屏蔽物大致上是一个由铜制成的短的厚壁圆筒。该屏蔽物可进行电 气屏蔽，并便于机械搬运，但对于本发明的实施例的工作不是必不可 少的。在导线连接以后，将基片的连接(近)端滑入槽50中。
图5表示检测线圈的另一个实施例。线圈47的平面形状是拉长的 矩形。引线的尺寸大致与图2所示的线圈相同，复合线圈宽度大约为 0.25mm。线圈长度大约为1～2mm，利用引线48、51将线圈与焊片52、 53连接。
在另一个实施例中，可以使用二组线圈。可以如上述那样，使用 一组线圈来测量样品的磁矩，可将另一组线圈在同一个基片内用作参 考组线圈。这个参考组线圈可以设置在与样品组线圈相反的基片的侧 面上。在任何情况下，参考组线圈离开样品应足够远，使参考组线圈 不能检测到样品磁矩的效应。利用该参考组线圈来测量从分析区(该 分析区包含预定量的磁性材料或作为参考的被分析物)所发出的信号 的强度。通过将样品组线圈所检测的磁场与参考组线圈所检测的磁场 加以比较，可以更精确地测量样品的磁矩。为了提供另一个参考，可 将标准磁铁作为样品之一。当测量这样一个标准样品时，可以利用测 量结果来标定该系统，以供将来或先前测量用。这种标定可以显著减 少系统中的噪声。自动标定也可用于这种系统，这时利用信号之间的 差别，将信号减少至零。
D.励磁电路
图4左侧所示的磁体励磁电路是围绕着二个大电流的高速动算放 大器54、55建立的。利用变压器初级绕组56提供助的电力，放大器 可产生超过大约1安的励磁电流，使励磁线圈33在大约200kHz下磁 化。这个励磁电路是高度平衡的，以减少在检测回路或线圈43、47中 对共模噪声(common-mode noise)的拾取。
在磁化线圈周围与回路34连接的小的次级绕组57为运算放大器 54和55提供一个反馈电压，以维持在调节好的振幅和频率下的振动， 这个次级绕组57还为下面所述的相位检测器电路提供一个最优的参考 信号。
本实施例说明了作为供磁性粒子和被分析物粒子的合成物用的励 磁源的一个交变磁场。在一个单独的实施例中，该励磁源可以是非正 弦的，例如，可以是励磁脉冲(field pulse)或方波。还可使用各种各样的 其它波形。
E.放大器/相位检测器/数字转换器
虽然使用分立元件可取得更好的噪声性能，但低噪声集成检测放 大器是这种电路的基础。放大器61变压器耦合(transformer couple)到 检测线圈，用以减少共模噪声信号和有助于方便地消除磁场源和传感 器中的不平衡。变压器耦合是常规的，处于放大器61中，图中没有特 别说明。在另一个实施例中，放大器61可被设置在基片上的一个前置 放大器代替或增强。换句话说，基片41可具有一个图形化的(patterned) 前置放大器，以便在相敏检测步骤之前，改良从传感器发出的信号。 围绕着一个专用集成电路而设计相敏检测器62。相敏检测器62可以是 一个锁相装置或者还可以是其它类型的相敏装置。相位检测器的输出 加在低通滤波器63上，并随后在A/D转换器64中被数字化，该转换 器例如可以是高分辨率的、20位的sigma-delta转换器。这种转换器芯 片在60Hz和50Hz时可滤去电源交流声，这对提高仪器灵敏度非常有 帮助。它已成为几个制造厂商的畅销产品。
F.微型计算机
微型计算机65包括一个微处理品芯片(例如Motorola HC11)和 一个内置接口。将该接口插到PC的串行接口上，可支持与PC66的双 向串行通信。该微机还有专门的接口，用于与串行的(serial)A/D转换器 64和步进电机16与22通信。直接编程到微型计算机65中的一种简单 的指令语言可使PC发出指令并接收响应与数据。
微型计算机65可以完成上述的许多功能。例如，微型计算机65 可以配备有自己的相敏装置，例如一个数字锁定电路。这种微型计算 机65可以获取信号，使数据与噪声分离并显示结果。
G.人机界面
PC给系统提供操作指令。PC则例如通过微型计算机的RS-232接 口而使系统运转。PC可以向显示器提供测量结果。显示器例如可以是 计算机监视显示器或任何其它形式的计算机辅助读出器。
II.系统的工作
由包括样品的磁性粒子合成物形成的边界清楚的(well-defined)点 或图形，以较直接和已知的方式放置在圆盘12的靠近其周边的一个或 多个位置11上。根据从PC发出的控制信号，步进电机22通电，转动 导螺杆23，使磁场源组件向着样品圆盘12运动。当在圆盘12的周边 边缘附近的一个样品位置11与传感器——例如在环形铁芯向隙32中 间的检测线圈43、47——对准时，步进电机22停止，将一个大振幅(例 如1安)和高频率(22kHz)的信号加在环形铁芯励磁线圈33上。再 重复一下，虽然下面描述了检测线圈，但应当理解，可以使用各种种 样的传感器。从PC66发出的信号使步进电机16通电，从而转动圆盘 并使样品点运动通过检测线圈。间隙32中大振幅和高频率的磁场于是 激励在间隙中的样品的磁性粒子。所加的电流用于励磁环形铁芯趋向 饱和，造成间隙中的磁场强度达到大约1000奥斯特。磁力驱动粒子以 励磁频率振动，如同一个局域偶极子。使磁性粒子紧密靠近检测线圈， 则发自样品的磁场紧密地与梯度计结构的检测线圈耦合。因为检测线 圈为梯度计结构，所以由大而均匀的激励磁场所产生的检测线圈的输 出基本上没有或为零。为了得到最大的响应，使检测线圈的几何形状 构造为与样品的空间图形匹配。即：样品图形点的横向尺寸不大于大 约0.25mm。响应信号随样品与线圈的相对位置不同而明显变化。
在有励磁磁场和没有样品情况下，从检测线圈发出的信号可以作 为系统的信号处理部分的参考信号。当样品运动经过另一个检测线圈， 然后经过一个检测线圈时，线圈输出信号的相位颠倒180，如图6所 示，从而形成了非常有效的检测方法。如图6所示，输出可表示为检 测线圈对于样品相对于检测线圈的位置的响应。感应电压由放大器61 放大，再由相位检测器62处理。信号经过滤波、数字化处理而通过微 型计算机65传送至PC，生成PC的输出信号。指示器67可以是任何 类型的可用装置，它给系统操作者提供信息。指示器67可以是用数字 或图形的方法传送信息的可视指示器，或者是各种发光系统、音响指 示器、或这些或其它可能的指示器的综合。
可使样品相对于检测线圈组运动来调制输出信号的振幅。这可以 滤去只由系统和外界输入引起的，而不是由样品本身引起的信号。将 对应于样品位置的信号幅值的数字化的形状与存储在PC66中的理论 响应形状进行比较，该理论响应形状通过相应的曲线拟合方法得出。 这些拟合方法可以包括相敏方法，或其它能产生同样结果的方法。这 一运算的结果是排除仪器固有的噪声和漂移，对样品中的磁性物质含 量得出非常精确的估计。
虽然已经在上面说明了本发明的优选实施例，但还应提出一些可 替代的地方。已经表示了二种传感器线圈形状，但可以采用许多其它 结构。另外，如上所述，可以使用直接在一个或多个磁场源极靴上以 图形化(patterned)方法制成的传感器。除了上述的线圈类型外，还可以 使用各种其它传感器。例如，可以使用平衡的霍尔传感器，相应结构 的这些传感器可以产生与频率无关的信号。其它可以方便地使用的传 感器包括大磁阻(GMR)传感器、SQUID传感器、磁阻传感器等。
至于其它变型，以上所示的磁场源相对于样品圆盘运动，但如希 望的话，圆盘和连接的步进电机可配置为相对于励磁组件运动。以上 所示的环形铁芯的横截面为矩形，但也可以用其它的横截面形状。至 于在圆盘12上的点11中的样品粒子数目，作为一个例子，一个0.25mm 的样品点可以包含大约10个尺寸为5微米的磁性粒子，或大约1200 个尺寸为1微米的粒子。
本应用技术领域的技术人员知道，在所附权利要求书规定的精神 和范围内，可对以上说明进行改变和改进。