對介質的磁輔助處理的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于對處理室(121)中的介質進行處理的處理設備(100)與方法。所述處理包括磁性粒子(M)到所述介質的添加，以及通過利用時變磁場(B)，尤其是利用部分振蕩或旋轉場，來操縱所述介質的混合。可以利用多極磁場發生器(110)生成所述磁場(B)，所述多極磁場發生器包括四個子單元(111A、111B)，每個子單元具有芯(113A、113B)，所述芯(113A、113B)具有包圍線圈(112A、112B)并且具有頂表面(114A、114B)，其中，所述子單元的全部頂表面優選地被布置在相同平面中，并且其中，全部的芯基本上相互平行。
【專利說明】對介質的磁輔助處理
【技術領域】
[0001] 本發明涉及能夠被用于以磁方式對處理室中的介質進行處理的處理設備與方法。
【背景技術】
[0002] WO 2010/044006A2公開一種生物傳感器系統，包括具有四個子單元的四極磁性組 件。每個子單元包括芯、頂表面和線圈。磁性組件被用于在傳感器表面生成磁場，通過磁場， 磁性粒子能夠被吸引到傳感器表面或從該表面去除。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供允許對處理室中的介質的更多功能的處理的手段。
[0004] 該目的通過根據權利要求1的方法和根據權利要求2的處理設備得以實現。在從 屬權利要求中公開優選的實施例。
[0005] 根據第一方面，本發明涉及一種用于處理包括靶粒子的介質的方法，所述介質例 如為包括核酸作為靶粒子的生物樣品流體。所述方法包括以下步驟，所述步驟可以以所列 的或任意其他合適的順序執行：
[0006] a)提供具有處理室的盒，能夠利用待處理的所述介質填充所述處理室。所述盒通 常可以為由例如通過注塑成型的玻璃或塑料制成的可更換（一次性）部件。所述"處理室" 一般為相連的腔體，具有例如立方形的幾何形狀，或為通過通道相連的立方體的系統。
[0007] b)提供具有至少四個子單元的磁場發生器，每個子單元具有芯，所述芯具有頂表 面和包圍所述芯的線圈，其中，全部子單元的所述頂表面被布置為毗鄰前面提及的盒（并 因此毗鄰所述處理室）。出于參考的目的，下文中將該磁場發生器稱作"多極磁場發生 器"（其中，多極具有至少四個極）。
[0008] c)利用包括所述靶粒子的所述介質填充所述處理室。而且，所述磁性粒子（M)在 所述填充步驟之前、期間和/或之后，被添加到所述介質。在該上下文中，術語"磁性粒子" 應包括永磁粒子以及可磁化粒子兩者，例如超順磁珠。所述磁性粒子的大小通常在3nm到 50 μ m范圍之間。所述磁性粒子例如可以在利用所述介質填充所述處理室之前，以干燥形式 存在于所述處理室中。
[0009] d)控制所述多極磁場發生器，使得生成時變磁場，所述時變磁場操縱所述磁性粒 子并因此混合所述處理室中的所述介質。最優選地，在該步驟中個體地控制，即利用個體驅 動電流供應，所述多級磁場發生器的所述至少四個子單元。
[0010] e)將所述介質的靶粒子結合到所述磁性粒子。
[0011] f)控制所述多極磁場發生器，使得所述磁性粒子被吸引到所述處理室的表面，并 從所述處理室去除剩余的介質。
[0012] 以上方法中使用的重要部件為"多極磁場發生器"，能夠利用其生成尤其適合于操 縱諸如生物樣品流體的介質的磁場。該磁體的全部子單元的所述頂表面優選地被布置在相 同平面中，并且所述芯優選地基本上相互平行。
[0013] 前面提及的"在相同平面中"的布置按照定義應在與整體裝置的大小有關的尺度 上測量。更具體地，如果第四個頂表面距包括前三個頂表面或至少與所述前三個頂表面相 交的平面（這樣的平面總是存在的）的距離小于兩個頂表面之間的最大距離的約10%，優 選地小于約5%，最優選地小于約1 %，則所述第四個頂表面應被視為被布置在該平面中。
[0014] 類似地，如果兩個芯的延伸的軸以小于約20°，優選地小于約10°的相對角度取 向，則所述兩個芯被視為"基本上"相互平行。
[0015] 大體上，所述多極磁場發生器的所述四個子單元可以在它們的尺寸和/或設計上 不同。然而優選地，全部四個子單元基本上彼此相同。而且，它們優選地被設置在具有旋轉 對稱的布置中，例如在正方形的角上。
[0016] 所述多極磁體的至少一個子單元可以任選地具有參與所述處理室中的磁場的生 成的多于一個頂表面。所述子單元可以例如被設計為具有毗鄰所述盒布置的兩個頂表面 (極）的馬蹄形磁體。優選地，所述多極磁體的全部子單元可以被設計為這樣的馬蹄形磁 體。
[0017] 可以有多于四個具有上述特征的子單元（即具有芯、頂表面、包圍所述芯的線圈、 以及任選的另外的特征），其中這樣的子單元（或線圈）的總數目一般將為偶數。
[0018] 應注意，能夠任選地在包括靶粒子的介質的連續流中執行所述方法。能夠例如連 續地并且平行地，在所述處理室的不同位置處（例如在其不同的子室中），執行所述方法的 不同步驟。因此，能夠由所述磁性粒子連續地捕獲靶粒子。
[0019] 根據第二方面，本發明涉及一種用于處理包括靶粒子的介質的處理設備。所述處 理設備例如可以為生物傳感器設備，能夠在其中使生物樣品流體任選地經受特定處理步 驟，并且能夠在其中測量所述流體的性質。所述處理設備包括以下部件：
[0020] -具有處理室的盒，所述介質能夠被提供在所述處理室中。
[0021] -包括至少四個磁性子單元的"多極磁場發生器"，每個磁性子單元具有芯，所述芯 具有頂表面和包圍線圈，其中，所述頂表面被布置為毗鄰所述盒。
[0022] -控制單元，通過所述控制單元，個體驅動電流能夠被供應到所述多極磁場發生器 的所述子單元，所述個體驅動電流包括通過其進行以下操作的驅動電流：
[0023] a)操縱磁性粒子以混合所述處理室中的介質；
[0024] b)吸引磁性粒子到所述處理室的表面。
[0025] 所述磁性粒子在概念上可以被視為是或不是所述處理設備的部分。它們例如可以 在所述設備的使用之前，以干燥形式被儲存在所述盒內。
[0026] 所述處理設備和所述方法基于相同的概念，即它們允許在操縱所述介質中的特定 實體（例如磁性粒子）的磁場的幫助下，混合所述介質。額外地，所述磁場發生器具有這樣 的有利設計，使得允許其布置毗鄰包括所述介質的盒的平面側。
[0027] 由于它們的關系，針對所述處理設備或所述方法提供的解釋這對其他部件也類似 地有效。而且，將在下文中描述本發明的優選實施例，所述優選實施例，加以必要的變通，適 用于所述處理設備和所述方法。
[0028] 在本發明的優選實施例中，所述多極磁場發生器的所述至少四個子單元被布置在 所述處理室之下（其中術語"之下"不應指關于重力的特定取向，而應表達在一手側上的所 述至少四個子單元與在另一手側上的所述處理室被布置在特定給定平面的不同側）。優選 地，所述子單元也被布置在所述盒（其包含所述處理室）之下。所述盒則能夠有利地被放 置在所述多極磁場發生器的頂上。
[0029] 根據另一優選布置，所述多極磁場發生器的所述至少四個子單元被布置為包圍所 述處理室。尤其地，所述子單元的所述頂表面可以被布置為使得所述處理室（至少部分地） 位于它們之間。所述至少四個子單元例如可以突出到所述盒中，因此包圍所述處理器。
[0030] 在本發明的另一實施例中，可以提供額外的磁場發生器，其被布置為關于所述處 理室與所述多極磁場發生器相對（即所述處理室被至少部分地設置在所述多極磁場發生 器與所述額外的磁場發生器之間）。所述額外的磁場發生器例如可以為永磁體或電磁體。 而且，優選地，能夠獨立于所述多極磁場發生器控制所述額外的磁場發生器。然而，應注意， "多極磁場發生器"與"額外的磁場發生器"之間的區別是任意的，因為后者也可以被視為所 述"多極磁場發生器"的部分。
[0031] 被添加到所述待處理介質的所述磁性粒子優選地形成磁流變結構，同時它們被操 縱以混合所述介質。這樣的結構例如可以包括磁性粒子的鏈的復雜網絡。
[0032] 被填充有所述待處理介質的所述處理室的體積通常小于約2000 μ 1，優選地小于 約500 μ 1并且可以低至10 μ 1，可能甚至為1 μ 1。這樣小的流體體積的混合是個問題，因 為基于湍流的生成的常規途徑通常失敗了。因此，巨大的優勢在于，本發明允許對這樣小的 體積的磁誘導混合。
[0033] 在所述方法的第一步驟中被添加到所述介質的所述磁性粒子，在所述混合的步驟 期間，優選地被（均勻地或非均勻地）分布在整個處理室上。因此，磁耦合與混合基本上發 生在整個處理室內。
[0034] 由所述（一個或多個）磁場發生器生成的磁場，和/或在所述方法的所述混合步 驟期間施加的時變磁場，優選地包括至少一個振蕩（向量）分量。而且，所述磁場可以至少 部分地為旋轉的（即其可以包括在給定的固定平面中旋轉的向量和垂直于所述平面的向 量）。具有振蕩分量的磁場和/或部分旋轉的磁場能夠誘導對應的振蕩和/或所述磁性粒 子的旋轉移動，所述振蕩和/或旋轉移動被證明是有效的混合操作。
[0035] 前面提及的振蕩或旋轉的頻率的范圍優選地在約0. 005Hz到約100Hz之間，約 0. 01Hz到約100Hz之間，或約0. 1Hz到約100Hz之間。
[0036] 根據本發明的另一實施例，被添加到所述介質的所述磁性粒子的全部或一些包括 能夠特異性地結合到所述介質的特定靶組分的結合位點。所述磁性粒子例如可以被包覆以 抗原，所述抗原特異性地結合到生物樣品介質中的抗體。在將這樣的磁性粒子添加到所述 介質之后，磁性粒子與靶組分（如果存在的話）之間的結合將發生，所述結合為所述磁性粒 子的除所述介質的混合以外的作用。
[0037] 在本發明的再另一實施例中，被添加到所述介質的所述磁性粒子的全部或一些能 夠以靜電方式結合充電粒子和/或極化粒子（例如分子），尤其是核酸（例如DNA或RNA或 其他核酸）的片段。
[0038] 大體上，所述磁性粒子中的至少一些可以包括能夠以靜電方式充電（并且在附近 的介質中保持該充電）的材料，尤其是二氧化硅（Si0 2)。這允許前面提及的粒子的靜電結 合。
[0039] 前面提及的靜電結合的強度通常將取決于所結合的分子的電荷的量。針對核酸的 片段，它們的電荷的量通常與片段的大小有關。核酸的片段到磁性粒子的靜電結合因此能 夠被用于選擇性地將（沒有充分結合到所述磁性粒子的）小的片段與（充分地結合的）長 的那些分尚開。
[0040] 在所述方法的處理步驟中，所述磁性粒子被吸引到所述處理室的表面。到表面的 這種吸引能夠例如被用于制備所述處理室中的大團介質，用于沒有所述磁性粒子的處理步 驟。額外地或備選地，可以利用在所述表面處的所述磁性粒子和/或被附接到其的組分，執 行特定的處理步驟。
[0041] 在本發明的另一實施例中，在所述磁性粒子到表面的所述吸引期間，將新介質引 入到所述處理室中。因此，在所述磁性粒子保留在所述處理室內的同時，所述介質的隔離交 換是可能的。如果所述磁性粒子結合第一介質的靶組分，則在引入新介質時，這些靶組分也 能夠被保留在所述處理器中。所述磁性粒子因此可以例如被用于將核酸的長片段保留在所 述處理室中，同時將短片段與大團介質一起移除。
[0042] 根據前面提及的實施例的進一步發展，被結合到磁性粒子的靶組分（尤其是已在 所述方法的所述結合步驟期間被結合到磁性粒子的靶組分）被釋放到新介質中。這意味 著，在所述新介質已被引入到所述處理室中之后，這些靶組分從所述磁性粒子離解。因此整 個流程對應于靶組分從一種介質到另一種的特異性轉移，其可以被用于純化和/或濃縮生 物樣品。
[0043] 在前面提及的實施例的進一步發展中，在所述靶組分到新介質中的所述釋放期 間，生成操縱所述磁性粒子并因此混合所述介質的時變磁場。實驗顯示，這提供了被釋放靶 組分的產率的令人驚訝的高增加。
[0044] 如果上述種類的額外的磁場發生器存在，并且被布置為關于所述處理室與所述多 極磁場發生器相對，則該額外的磁場發生器可以優選地在所述靶組分到所述新介質中的所 述前面提及的釋放期間被激活。
[0045] 能夠根據特定試驗的需要，以任意合適的順序重復幾次以下所述步驟：將磁性粒 子吸引到所述處理器的表面，交換所述室中的所述介質，和/或以磁性方式混合所述室中 的所述介質。因此，例如能夠實現有效的DNA純化流程。
[0046] 大體上，被處理的所述介質中的所述靶粒子可以優選地包括核酸（例如DNA或 RNA)、蛋白、多肽、脂質、碳水化合物、代謝物、激素、藥物、藥用材料、細胞碎片、細胞、組織元 素、或前面提及的組分中的一些的混合物。
[0047] 已提及，對所述介質的處理尤其可以為或包括檢測流程。根據相關實施例，所述處 理設備可以包括光檢測器，其用于在所述處理室的平面壁處檢測完全內反射的光。然后能 夠利用有利的方式在所述壁的所述表面處執行對受抑全內反射（FTIR)的測量。該方法的 細節可以在US 2011/0221427A1或W0 2008/072156 A2中找到，通過引用將它們并入本申 請中。
[0048] 所述處理設備和/或所述（一個或多個）磁場發生器可以優選地包括控制單元， 所述控制單元用于選擇性地施加驅動電流到所述子單元的所述線圈（和/或到所述額外的 磁場發生器，如果存在的話）。因此能夠個體地控制每個子單元，這允許磁場在毗鄰的空間 或處理室內的多功能生成。
[0049] 前面提及的驅動電流例如可以具有正弦時間進程，其中，不同子單元的電流可以 具有相同頻率但不同相位。大體上，電流的頻率和/或幅度可以針對不同的子單元而不同。 驅動電流的其他可能的時間進程包括方形、三角、鋸齒或不規則波形。
[0050] 在步驟c)中填充所述處理室的所述介質優選地可以包括聚亞烷基二醇，例如 PEG (聚乙二醇），其量的范圍尤其在約lwt-%到約20wt-%之間，優選地在約5wt-%到約 10wt-%之間的量。PEG已在DNA片段的大小選擇方面的實驗中顯示出積極作用，即磁性珠 耦合到這樣的片段的特異性取決于片段的長度。而且，PEG的存在似乎對磁性珠的靜電行 為具有積極影響，增大它們形成磁流變結構的就緒性。包括聚亞烷基二醇的所述介質可以 任選地還包括鹽溶液，例如NaCl的溶液（例如約0. 1M至1. 5M，優選為約1. 25M)。包括聚 亞烷基二醇和/或鹽溶液的所述介質可以優選地與羧基化磁性粒子的應用組合。
[0051] 根據第三方面，本發明涉及一種用于處理包括靶粒子的介質的處理設備，所述處 理設備包括以下部件 ：
[0052] -具有處理室的盒，所述介質可以被提供在所述處理室中；
[0053] -具有至少四個子單元的多極磁場發生器，每個子單元具有芯，所述芯具有頂表面 和包圍所述芯的線圈，其中，全部子單元的所述頂表面被布置為毗鄰所述盒；
[0054] -額外的磁場發生器，其被布置為關于所述處理室與所述多極磁場發生器相對；
[0055] -控制單元，通過所述控制單元，個體驅動電流能夠被供應到所述多極磁場發生器 的所述子單元和/或到所述額外的磁場發生器。
[0056] 所描述的處理設備允許對所述處理室中的磁性粒子的多功能操縱，因為后者被圍 在多極磁場發生器與（能夠被個體控制的）額外的磁場發生器之間。因此，例如能夠通過 適當地操縱所述磁性粒子，混合所述處理室中的小體積的介質。
[0057] 根據所述第三方面的所述處理設備能夠任選地具有以上分別關于根據本發明的 第一和第二方面的所述處理設備和/或所述方法描述的特征中的一個或多個。
[0058] 本發明還涉及根據本發明的第一和/或第三方面的所述處理設備用于通過激勵 磁性粒子混合介質的用途。如上所述，該混合尤其能夠包括操縱所述磁性粒子以形成磁流 變結構的時變磁場的生成。
[0059] 而且，本發明涉及根據本發明的第一和/或第三方面的所述處理設備用于靶組分 從介質的分離，尤其用于特定長度的DNA片段（或其他核酸物質）從其他DNA片段（或核 酸物質）的分離的用途。因此例如能夠實現短的合成寡聚物和DNA片段（例如來自DNA庫 的銜接子，或來自擴增的引物）的有效純化及去除。
[0060] 本發明還涉及上文描述的所述處理設備用于分子診斷、生物樣品分析、核酸處理 (尤其是核酸純化）、化學樣品分析、食品分析和/或法醫分析的用途。例如可以在被直接 或間接地附接到靶分子的磁性珠或熒光粒子的幫助下，完成分子診斷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0061] 本發明的這些以及其他方面將從后文描述的實施例變得顯而易見，并將參考后文 描述的實施例得以闡明。
[0062] 附圖中：
[0063] 圖1示意性地示出在通過以磁性方式操縱的磁性粒子對流體的混合期間，根據本 發明的第一生物傳感器的側視圖；
[0064] 圖2示出當所述磁性粒子被吸引到表面時，圖1的所述生物傳感器；
[0065] 圖3示出圖1的所述生物傳感器的所述磁場發生器的俯視圖；
[0066] 圖4圖示DNA純化流程的連續處理步驟；
[0067] 圖5示出可以被施加到圖1-3中的線圈的驅動電流的示范性時間進程；
[0068] 圖6示出作為參考的取決于片段大小的DNA片段產率與根據本發明的方法的DNA 片段產率的比較；
[0069] 圖7示出生物傳感器的第二實施例，其中，磁性子單元被設置在盒之下和之上。
[0070] 在附圖中，類似的附圖標記或相差100的整數倍的附圖標記指示相同或相似的部 件。
【具體實施方式】
[0071] 在用于分析化學和生物技術應用的小型微流控設備領域中，快速且有效的混合是 重要挑戰之一。事實上，在小尺度上缺乏湍流將混合機制限制為分子擴散，分子擴散是個緩 慢的過程。
[0072] 為了解決前面提及的問題，本發明提出一種新的微流控混合概念，其基于通過局 部交變磁場對磁性粒子（珠）的操縱。優選地，所述磁性粒子通過在磁場的存在下的磁偶 極子相互作用形成自組裝結構。這些結構或物體也被稱作"磁流變結構"。這樣的結構通常 包括磁鏈的非常豐富且復雜的網絡，并且其大小由幾個競爭的磁力確定。介質的混合則尤 其可以是由磁流變結構網絡生成的無序對流的結果。
[0073] 為了實現生物分子與緩沖液或其他介質的有效（良好且快速的）混合，本發明尤 其提出在使用（至少）四個磁性子單元的電磁體的幫助下，激勵磁性粒子（珠）。經由該方 法，能夠有效地實現混合，得到（封閉的）盒中的高清除率。該方法也能夠被用于通過使用 DNA到磁性珠的結合對DNA (或其他核酸物質）的純化。
[0074] 圖1-3示意性地示出根據以上的一般概念的處理設備100的第一實施例。處理設 備100包括三個主要部件，即：
[0075] 1、具有處理室121的盒120,可以在處理室121中提供介質（通常為流體，尤其是 液體）。處理室121連接至入口 122和出口 123,分別用于填充和排空它。而且，處理室121 包括平面（底）壁124,其具有在面向處理室121的內部的一側上的表面125。如果處理設 備100被提供給有合適的檢測器件（例如FTIR檢測器，未示出），則該表面例如可以充當檢 測表面。盡管所示出的處理室基本上為立方體，但其也可以具有更復雜的形狀，例如包括彼 此通過通道連接的幾個子室（"混合室"、"反應室"等等）。
[0076] 2、包括四個磁性子單元111A、111B、111C和111D (在圖1和圖2中，僅前面的兩個 子單元可見；在圖3的俯視圖中能夠看到全部四個子單元）的"多極磁場發生器"110。全 部四個子單元具有相同的設計，例如子單元111A包括芯113A，芯113A被線圈112A圍繞并 且具有頂表面114A。所述四個子單元的芯113AU13B相互平行（全部在z方向延伸）。而 且，頂表面114A-114D全部被布置在相同平面中。因此，四個頂表面能夠被設置為緊緊毗鄰 盒120的平面壁124。所述頂表面或尖端之間的內距d(磁氣隙）通常范圍在約1mm到約 5cm之間。尖端寬度為關鍵參數，因為其確定所生成的磁場的定位。由于該實施例中僅有四 個子單元，所述磁場發生器在下文中也被稱作"四極"。
[0077] 在備選的實施例中，頂表面114A-114D也可以突入所述盒中，以包圍所述處理室。 在該情況中，所述尖端的所述頂表面之間的距離d必須足夠大，例如為約1. 5cm。
[0078] 3、任選的額外的磁場發生器130,例如具有線圈和芯的電磁體，所述芯被設置在處 理器121之上。盡管附圖示出單個電磁體，但額外的磁場發生器130也可以為多極（例如四 極）磁體。應注意，該額外的磁場發生器130也可以在概念上被當作"多極磁場發生器"110 的部分。
[0079] 如圖1中所示，全部四個磁性子單元111A-111D的所述芯可以被附接到公共基座 結構117。該基座結構117和/或所述芯優選地由鐵磁材料制成。所述子單元應被一個接 一個地磁性連接以用于磁通閉合。有關單個子單元的可能設計特征的更多信息可以在US 2011/0221427 A1和WO 2010/044006A2中找到，通過引用將它們并入本文本。
[0080] 在另外的備選配置中，單個子單元中的每個均可以為馬蹄形磁體（例如在中間具 有單個線圈的兩個相連的極）。子單元中的每個的極不應相互太接近，例如彼此具有約為極 (尖端）大小那么大的距離。
[0081] 線圈112A-112D和額外的磁場發生器130被耦合到控制單元140,能夠通過控制單 元140向它們供應個體驅動電流。因此能夠相互獨立地控制電流，并且能夠在所述盒中生 成例如非常不規則的外部磁場（這對于利用磁性粒子的混合可以是有利的）。
[0082] 圖1還示出整個四極磁場發生器110由在z方向有彈力的彈簧115承載。因此， 四極磁場發生器110和盒120能夠被帶到完美接觸/接近，而無論任何制造容限，其中，頂 表面114A-114D接觸盒120。
[0083] 使用四子單元磁性布置的電磁體，能夠通過四極磁體110和任選地額外的頂磁體 130以及對個體電磁體或線圈112A-114DU30的適當激勵，實現通過磁性粒子對介質的混 合。尤其地，能夠在平面中生成變化或振蕩（例如旋轉）磁場B。
[0084] 所描述的實施例的關鍵區別特征在于，四極磁體組件在所述盒的表面之下。這確 保了四極磁體有效運行，盡管在所述盒的外側；并且在于，其以這樣的方式被定位，使得能 夠以簡單的方式完成所述盒在所述磁體的場中的插入。
[0085] 應注意，在去除/泵出殘留液體時，也能夠使用表面125上的"固定"磁性粒子對 電磁體112A-114D、130的激勵，用于洗滌應用。這在洗滌和清除協議的特定步驟中是需要 的，如下文更詳細地描述的。
[0086] 使用電磁體作為子單元的尤其有利的方面在于，電磁體的磁極（頂表面）的形狀 不必須被加工到非常高的精確度。相反，能夠通過合適的激勵協議生成所期望的場和場梯 度。
[0087] 另一重要因素是通過使用交變磁場誘導所述磁性微球的旋轉運動的可能性。該旋 轉運動為所述混合提供額外的主動貢獻。磁性粒子在室或通道中的保留與操縱使得更局部 的磁場成為必須。因此，所描述的電磁系統允許磁通量的生成與聚焦。在主動混合的情況 中，以磁性方式操縱所述珠。所述磁流變結構區域中（尖端之間）的流體將被強烈攪拌。 在該上下文中，能夠想象所述混合是流體被超順磁性珠網絡無序分裂的結果。另一重要因 素是超順磁珠在低頻f(〇. lHz〈f〈50Hz)處的交變磁場中的集體動力學行為。簡言之，該動 力學是通過改變磁場極性誘導的磁性偶極子的旋轉的結果。能夠容易地設置時間相關的磁 場，以誘導超順磁性珠的網絡的這種運動。
[0088] 所描述的系統的有用應用是對短寡聚物和DNA片段（例如來自DNA庫的銜接子） 的有效清除與去除。圖4圖示相關聯的協議，通過該協議獲得（封閉的）盒中的清除，其更 快地起作用并且具有提供更高產率的優點。類似的協議也能夠被有利地用于改進混合效 率，例如通過珠以及它們的旋轉矩在四極場中的引入，引入了（旋轉）無序混合。
[0089] 根據圖4的步驟a)，處理室121被填充有包含DNA片段或靶T的溶液。在該步驟 期間，以磁性方式將已存在于所述室中的磁性粒子Μ吸引到所述室的底表面，使得它們不 受所述溶液的流入影響。所述磁性粒子或者可以與DNA溶液一起提供。
[0090] 在步驟b)中，磁性珠 Μ被釋放到所述介質中，并且例如通過旋轉磁場被激勵，以便 在所述樣品室中開始對流體的混合。在該步驟期間，DNA靶Τ被磁性粒子Μ結合。所述磁 性粒子通常在所述處理室中具有為約0. 2mg/ml至約2mg/ml的濃度。
[0091] 前面提及的靶T的結合應優選地為特異性的，在于僅特定靶分子結合而其他的不 結合，這取決于分子的性質。
[0092] 在優選的應用中，靶T例如包括各種長度的DNA片段，包括（期望的）長片段的DNA 以及較小（不想要的）剩余片段兩者，所述剩余片段例如非連接的銜接子片段、松散寡核苷 酸或太小的DNA片段（與測序不相關，因為它們在以下測序步驟的閱讀長度以下）以及引 物二聚體（用于可能的先前執行的擴增（例如PCR)步驟）。其為（應）由所述磁性粒子捕 獲的長DNA片段。這可以在能夠以靜電方式結合充電分子的磁性粒子的幫助下得以實現。 這例如為針對二氧化硅珠（在其中嵌入磁性納米粒子）的情況。僅長DNA片段充分充電以 粘到這些磁性粒子（即粘到二氧化娃）。關于此的更多信息可以在文章 "Rapid and Simple Method for Purification of Nucleic Acids，'（R. Boom, Μ. M. Salimans, C. L. Jansen, P.M.Wertheim-van Dillen, J.van der Noordaa, J.Clin.Microbiol.l990,28(3),第 495 頁）中找到。
[0093] 額外地或備選地，能夠使用的磁性粒子在它們的表面上具有特定的寡核苷酸捕獲 片段。在該情況中，DNA或RNA到磁性珠的吸引通過雜交而發生，其中，核酸片段結合到在 給定珠的表面上的其互補片段。捕獲片段針對一組特定的核酸能夠是特異性的，例如針對 mRNA，或針對一個特定序列的poly-dT寡核苷酸。通過使用所提出的主動混合，這些磁性珠 的捕獲效率能夠得到非常大的提高。這例如能夠被用于靶向測序工作，即僅測序針對手邊 的特定臨床或生物學問題感興趣的基因組的部分。在該過程中使用的珠也可以為如在W0 2010/097775 A1中公開的編碼珠。
[0094] 在步驟c)中，具有結合靶T的、磁性粒子Μ被吸引到所述處理室的底表面，然后通 過去除殘留緩沖流體和小的未結合DNA片段，排空所述處理室。而且，在所述磁性粒子仍保 留在底表面的同時，將沖洗緩沖液引入到所述處理室中。
[0095] 在步驟d)中，具有結合靶Τ的磁性粒子Μ再次被釋放到所述處理室中，并被激勵 以用于混合。
[0096] 在步驟e)中，在從沖洗緩沖液排空所述處理室的同時，將具有結合靶的磁性粒子 吸引到底表面。而且，接下來將洗脫緩沖液引入到所述處理室中。洗脫緩沖液通常為這樣 的介質，其降低磁性粒子與結合靶組分（例如DNA片段）之間的靜電相互作用。
[0097] 在步驟f)中，所述磁性粒子已被釋放到所述處理室中，并且被激勵以用于混合流 體。在該步驟中，靶T從磁性粒子Μ分離。
[0098] 擴增的DNA的實驗指示，捕獲的靶組分能夠有效地從磁性粒子釋放，即使后者在 很大程度上保留為團聚狀態。這允許使用僅在一側上具有單個磁場發生器的處理設備（例 如圖1-3的處理設備100,沒有額外的磁體130)，盡管也可以利用頂磁體的活性。
[0099] 在步驟g)中，在將所述處理室中包括所釋放的靶T的介質從所述室去除的同時， 再次將所述磁性粒子吸引到底表面。
[0100] 應注意，也可以出于許多其他目的使用通過激勵磁性珠對介質的所描述的混合， 例如用于溶解細胞，使得諸如DNA和RNA的細胞組分將被釋放。
[0101] 所使用的四極磁體的重要優點是操縱所述珠的能力。這是針對在測序（以及其他 協議）中的混合和清除步驟的關鍵。為了恰當地濃縮并混合介質，需要四極磁體，因為其允 許使用各種驅動方案（例如使用方塊驅動方案或正弦驅動方案）在流體中的珠循環。實驗 顯示，這些驅動方案例如生成珠的振蕩環，其誘導流體的良好混合。
[0102] 圖5示出針對各種示范性驅動方案，到四個線圈112A-112D的驅動電流的時間進 程。
[0103] 圖5中的上圖示出分別被施加到線圈112A、112B、112C、112D的正弦驅動電流IA、 IB、I。、ID。四個電流具有相同的幅度（例如±2A)和周期T(例如Is)，但在I A與IB、IB與 Ic、以及Ic與ID之間相互有相移Δφ (約T/8)。
[0104] 圖5中的中圖示出與所述上圖相同的正弦驅動電流IA、IB、I c、ID，但具有約Τ/4的 更大的相互相移Δφ。
[0105] 圖5中的下圖圖示針對驅動電流ΙΑ、ΙΒ、I。、I D可以使用的幾個基本波形，即：
[0106] -方波形 SQ;
[0107] -正弦波形SI;
[0108] -與垂直軸鏡面對稱的三角波形TR ;
[0109] -鋸齒波形ST (即具有一個垂直邊緣的三角波形）。
[0110] 如在上面兩圖中針對正弦波形SI所圖示的，針對全部線圈的驅動電流通常具有 相同的波形但有相互相移。然而大體上，也能夠針對線圈的驅動電流使用不同的幅度、周 期、相移和/或波形。而且，所施加的波形也可以是不規則的，即根本不具有周期性。
[0111] 圖6在圖中示出作為參考的取決于片段大小的DNA片段產率Y(上曲線"Ref"）與 根據圖4的方法的DNA片段產率Y(下曲線"Crtg"）的比較。產率Y被定義為所供應的片 段（即進入圖4a中的）中被所述磁性珠保留（即留在圖4g中的）的百分數。水平軸涉及 經由它們的核苷酸數量測量的片段大小。在包括7% PEG的溶液中提供并處理片段（參見 US 5898071)。可見，根據本發明的方法在片段大小方面令人驚訝地有比參考方法更高的選 擇性。
[0112] 圖4中的洗脫步驟f)可以包括頂磁體的激活。然而，使用結合緩沖液（例如7% PEG，1. 25M NaCl)，也能夠單獨利用四極磁場發生器充分激勵磁性珠。可能懷疑結合緩沖液 改變了珠的靜電荷，使得珠能更靠近在一起，并達到更大的靜磁矩。
[0113] 在原理上對應于圖4的流程的典型實驗中，進行以下步驟：
[0114] -磁性珠的提供（例如羧基包覆的磁性珠，具有約1 μ m的平均直徑和約30Am2/ kg(30emu/g)的磁矩）；
[0115] -1次lmL 70%乙醇的制備；
[0116] -盒在設置上的放置；
[0117] -200 μ 1洗脫緩沖液（例如5mM Tris，pH = 8. 5)在對應的注射器中的添加；
[0118] -在將要泵送乙醇之前，將0. 5mL 70%的乙醇放到用于乙醇的儲器中；
[0119] -42. 9 μ 1的DNA產品到所述盒的混合室（圖1中未示出）中的添加；
[0120] -77. 1 μ 1的珠到針對所述珠的儲器中的添加；
[0121] -將所述珠泵送到所述混合室；
[0122] -在所述混合室中保持泵送5分鐘左右；
[0123] -通過使用在所述盒的樣品出口側/廢物側的泵（也稱作抽拉泵），將樣品和珠泵 送到所述處理室；
[0124] -當所述室充滿時，停止泵送；
[0125] -將小的永磁體放置在所述處理室的頂上，并在整個實驗期間保持其在那里；
[0126] -收集所述珠3分鐘；
[0127] -再次使用抽拉泵，在240秒上泵送乙醇通過所述處理室（約0. 5mL)到廢液，而不 首先泵走結合緩沖液；
[0128] -泵送空氣通過所述處理室8分鐘，以干燥所述室/珠；
[0129] -泵送洗脫緩沖液到所述處理室中；
[0130] -當所述室充滿時停止泵送；
[0131] -激勵四極磁體5分鐘（交替打開和關閉磁體）；
[0132] -允許所述珠再次在頂磁體處聚集2分鐘；
[0133] -泵送液體到樣品出口，頂磁體一直在其上；
[0134] -定量洗脫液的體積；
[0135] -也清除廢液；
[0136] -在具有12000DNA試劑盒的生物分析器上分析洗脫液。
[0137] 對該實驗的評價顯示DNA片段在洗脫液中約85%的產率。
[0138] 圖7示出根據本發明的另一優選實施例的生物傳感器200。在生物傳感器200中， 多極磁場發生器210的四個子單元21認、21川、211(：、2110(電磁體）被設置在盒220周圍， 以便誘導期望的任意場取向。這使得也能夠在垂直方向（z方向）調節場。
[0139] 所描述的磁性結構可以任選地與加熱元件組合。這可以進一步改進混合與清除步 驟的特異性，因為DNA結合與釋放也是溫度T的函數。
[0140] 總之，本發明涉及用于對處理室中的介質進行處理的磁場發生器、處理設備及方 法。所述處理包括磁性粒子到所述介質的添加，以及通過利用時變磁場，尤其是（部分）振 蕩或旋轉場，操縱所述磁性粒子來混合所述介質。可以利用包括四個子單元的磁場發生器 生成所述磁場，每個子單元具有芯，所述芯具有包圍線圈并且具有頂表面，其中，所述子單 元的全部頂表面被布置在相同平面中并且其中，全部芯基本上相互平行。本發明包括在盒 表面之下的四極磁鐵用于激勵（封閉的）盒中的磁性粒子，以影響處理步驟（例如混合） 的用途。而且，其涉及使用四極磁體在（封閉的）盒中清除DNA或其他核酸（例如RNA)的 協議。
[0141] 盡管已在附圖和前面的描述中詳細說明并描述了本發明，但要將這樣的說明和描 述視為說明性或示范性的，而非限制性的；本發明不限于所公開的實施例。通過研究附圖、 說明書以及權利要求書，本領域技術人員在實踐要求保護的本發明時可以理解并實現所公 開實施例的其他變型。在權利要求書中，詞語"包括"不排除其他元件或步驟，并且量詞"一" 或"一個"不排除多個。互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施并不指示不能有利地 使用這些措施的組合。權利要求書中的任何附圖標記不得被解釋為對范圍的限制。
【權利要求】
1. 一種用于處理包括靶粒子（T)的介質的方法，所述方法包括以下步驟： a) 提供具有處理室（121、221)的盒（120、220); b) 提供具有至少四個子單元（111A、111B、111C、111D、211A、211B、211C、211D)的多極 磁場發生器（110、130、210)，每個子單元具有芯（113八、1138)，所述芯具有頂表面（114八、 114B)和包圍所述芯（113AU13B)的線圈（112AU12B)，其中，全部子單元的所述頂表面 (114A、114B)被布置為毗鄰所述盒（120、220); c) 利用包括所述靶粒子（T)的所述介質填充所述處理室（121、221)，其中，在添加磁性 粒子（M)到所述介質之前、期間和/或之后，完成所述填充； (1)控制所述多極磁場發生器（110、130、210)，使得生成時變磁場出），所述時變磁場操 縱所述磁性粒子（M)并因此混合所述介質； e) 將所述介質的靶粒子⑴結合到所述磁性粒子（M); f) 控制所述多極磁場發生器（110、130、210)，使得所述磁性粒子_被吸引到所述處 理器（121、221)的表面（125、225)，并從所述處理室（121、221)去除剩余的介質。
2. -種用于處理包括靶粒子（T)的介質的處理設備（100、200)，包括： -具有處理室（121、221)的盒（120、220)，所述介質能夠被提供在所述處理室中； -具有至少四個子單元（111A、111B、111C、111D、211A、211B、211C、211D)的多極磁場 發生器（110、130、210)，每個子單元具有芯（1124、1128)，所述芯具有頂表面（114八、1148) 和包圍所述芯（112A、112B)的線圈（112AU12B)，其中，全部子單元的所述頂表面（114A、 114B)被布置為毗鄰所述盒（120、220); -控制單元（140)，通過所述控制單元，個體驅動電流能夠被供應到所述多極磁場發生 器（110、130、210)的所述子單元（11認、11比、111(：、1110、21認、2118、211(：、2110)，所述個 體驅動電流包括通過其進行以下操作的驅動電流： a) 操縱磁性粒子（M)以混合所述處理室（121、221)中的介質； b) 吸引磁性粒子（M)到所述處理室（121、221)的表面（125、225)。
3. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述多極磁場發生器（110、130、210)的所述至少四個子單元（111A、 111B、111C、111D、211A、211B、211C、211D)被布置在所述處理室（221)之下和/或包圍所述 處理室（221)。
4. 根據權利要求2所述的處理設備（100)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，額外的磁場發生器（130)被布置為關于所述處理器（121)與所述多極磁 場發生器（120)相對。
5. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述磁性粒子（M)形成磁流變結構，同時它們被操縱以混合所述介質。
6. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述磁場（B)包括至少一個振蕩分量，和/或其為至少部分旋轉的。
7. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述磁性粒子（M)中的至少一些包括特異地結合到所述介質的靶組分 (T)的結合位點。
8. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述磁性粒子（Μ)中的至少一些能夠以靜電方式結合粒子，尤其是結合 核酸的片段。
9. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述磁性粒子（Μ)中的至少一些包括二氧化硅。
10. 根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，在步驟f)之后新介質被引入到所述處理室（121、221)中。
11. 根據權利要求10所述的方法， 其特征在于，結合到磁性粒子（M)的靶組分（T)被釋放到所述新介質中。
12. 根據權利要求11所述的方法， 其特征在于，在所述靶組分（T)到所述新介質中的所述釋放期間，生成操縱所述磁性 粒子（M)并因此混合所述介質的時變磁場（B)。
13. 根據權利要求12所述的方法， 其特征在于，額外的磁場發生器（130)被布置為關于所述處理室（121)與所述多極磁 場發生器（130)相對，并在所述靶組分（T)到所述新介質中的所述釋放期間被激活。
14. 根據權利要求2所述的處理設備（100、200)或根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述靶粒子（T)包括核酸、蛋白、多肽、脂質、碳水化合物、代謝物、激素、 藥物、藥用材料、細胞碎片、細胞、或組織元素。
15. 根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，步驟c)中的所述介質包括聚亞烷基二醇，其量尤其在約lwt-%到約 SOwt-1%之間。
16. -種用于處理包括靶粒子（T)的介質的處理設備（100、200)，包括： -具有處理室（121、221)的盒（120、220)，所述介質可以被提供在所述處理室中； -具有至少四個子單元（111A、111B、111C、111D、211A、211B、211C、211D)的多極磁場 發生器（110、130、210)，每個子單元具有芯（1134、1138)，所述芯具有頂表面（114八、1148) 和包圍所述芯（113A、113B)的線圈（112AU12B)，其中，全部子單元的所述頂表面（114A、 114B)被布置為毗鄰所述盒（120、220); -額外的磁場發生器（130)，其被布置為關于所述處理室（121)與所述多極磁場發生器 (130)相對； -控制單元（140)，通過所述控制單元，個體驅動電流能夠被供應到所述多極磁場發生 器（110、130、210)的所述子單元（111A、111B、111C、111D、211A、211B、211C、211D)和 / 或到 所述額外的磁場發生器（130)。
17. 根據權利要求2或16所述的處理設備（100、200)用于通過激勵磁性粒子（M)來混 合介質，用于靶組分（T)與介質的分離，和/或用于分子診斷、生物樣品分析、核酸處理、化 學樣品分析、食品分析和/或法醫分析的用途。
【文檔編號】G01N27/74GK104285143SQ201380025340
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月23日 優先權日:2012年5月16日
【發明者】M·M·奧夫揚科, P·J·范德扎格, H·M·費特斯馬, R·溫貝格爾-弗里德爾, T·A·J·勒林, M·J·范策爾斯特 申請人:皇家飛利浦有限公司
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