使用磁性材料的分析方法及裝置的制作方法

專利名稱：使用磁性材料的分析方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種使用磁性材料及聲學感測組件的分析方法及裝置，更進一步來說，本發明是關于一種結合磁性材料與微天平傳感器的分析方法及裝置。
背景技術：
一般檢驗樣品中待測物質有兩主要策略，一是經由溶劑萃取、濃縮、沉淀或層析等分離步驟純化待測物質再進行定量，一是利用專一性反應直接量測復雜樣品中特定物質的含量。先純化再進行定量的方法經常伴隨生物物質活性的破壞，且步驟若過于繁雜冗長易伴隨誤差的發生。故目前分析技術的發展多朝向利用專一性反應進行量測，而生物傳感器便符合這個技術開發需求。
一般生物傳感器是由辨識分子、換能器及信號處理器所組成，其中辨識分子是位于換能器的感應區域表面，辨識分子的用途是與待測物接觸產生反應，所以辨識分子需具備對待測物的特異性，以增加傳感器的選擇性，一般的辨識分子是為生體組織、微生物、胞器、細胞受體、酵素、抗原或抗體。
換能器的功能是將辨識分子與待測物質反應后的物理量或化學量的改變，轉換成電子信號，物理量或化學量包含光學、質量感應、熱化學、電化學及磁感應等。例如使用聲學感測組件中的石英晶體微天平作為換能器時，涂布于石英表面上的辨識分子對待測物質的吸附，會引起石英晶體表面的質量改變，造成石英晶體的頻率改變，便可以間接量測待測物質的濃度。然而將聲學感測組件的感應區域表面修飾辨識分子的方法，也將局限該聲學感測組件所能檢測的待測物質種類，為了更有效率而不被局限地利用聲學感測組件的高靈敏度，修飾有辨識分子的磁性材料便被導入于相關技術的開發。
在一現有技術中(US6,294,342)是使用了一經修飾而具有辨識待測物質能力的磁性試劑及一移動固定相試劑(mobilesolid phase reagent)，通過由兩試劑與待測物質間的結合，在外加磁場的作用下對量測裝置的效應。然而該技術使用的磁性試劑(magnetically reagent)需與移動固定相試劑搭配使用才足以對量測裝置產生可被量測的效應，該效應主要是為磁鐵與磁珠之間的吸斥力變化而導致的秤重量改變，然而該方法的靈敏度僅到μg等級，且容易造成待測物質析出或沉淀。
US 5,660,990則是利用一捕捉試劑捕捉欲分析物后，再將該捕捉試劑與一信號產生試劑結合，透過檢測信號產生試劑所產生的信號進行檢測的技術，因此，其實施方式主要以光學檢測為主。然而額外試劑的使用造成步驟的增加以及結合條件的限制都會導致檢測誤差的產生。另在US6,342,396中，其是于一捕捉裝置表面上固定捕捉受體，再通過由磁場捕捉一可辨識待測物的粒子，此方法除了牽扯到繁瑣的表面修飾技術外，捕捉裝置上特定捕捉受體將導致捕捉裝置使用上也只能針對特定待測物，或者需要更換捕捉裝置表面才能進行其它欲分析物的分析；在其檢測上的實施方式則以原子力顯微鏡進行觀察，因此并不具備有廣泛應用的價值。
故一個更靈敏、簡單及不需額外標定信號產生試劑的生物傳感器量測裝置與方法，即為本技術領域的開發方向。

發明內容
有鑒于現有技術的缺失，本發明是提供一種使用磁性材料的分析方法及裝置，其是利用經修飾的磁性材料捕捉欲分析樣品中的待測物質，并提供外加磁場將磁性材料牽引至聲學感測組件的感應區域，然后將感應區域表面產生的效應換算為欲分析樣品中待測物質的含量。
本發明的目的是提供一種分析樣品中待測物質的方法，其步驟包含a)提供一磁性材料，前述磁性材料表面具有一辨識分子可捕捉樣品中的待測物質；b)將前述磁性材料加入一樣品中，使前述磁性材料表面的辨識分子捕捉樣品中的待測物質；c)利用一磁場將前述磁性材料導引至一聲學感測組件的感應區域表面，使前述感應區域表面產生聲學效應；及d)將前述聲學效應換算為樣品中待測物質的含量。
本發明的另一目的是提供一種分析樣品中待測物質的裝置，是包含一反應槽，該反應槽具有一空間作為樣品導入之用；一磁性材料，該磁性材料表面具有一辨識分子可捕捉前述樣品中的待測物質；一磁場產生器，是用以提供前述反應槽中的磁性材料一外加磁場；及一聲學感測組件，該聲學感測組件具有一感應區域暴露于前述反應槽中；其中前述裝置是利用磁場產生器提供的外加磁場將前述磁性材料及其捕捉的待測物質聚集至前述聲學感測組件的感應區域表面，使感應區域表面產生聲學效應以換算獲得樣品中待測物質含量。
本發明的前述裝置可進一步包含一光學感測組件，用以檢測前述磁性材料。
本發明的分析樣品中待測物質的裝置，其中該反應槽的一實施態樣是為一容器，用以使樣品靜態儲存于該容器中。前述反應槽的另一實施態樣是為一管道，用以使樣品動態流通于該管道中。
對于磁性分離技術而言，本發明不需使用溶劑萃取、濃縮、沉淀或層析等繁雜步驟，即可達到物質的分離與定量；對于生化傳感器應用上，除可免除聲學感測組件表面修飾的困難度，亦可提供樣品預分離及純化的手段，降低了非欲分析物分離與定量的干擾。


圖1是為本發明的分析裝置示意圖，其磁場產生器未提供外加磁場，且反應槽是為容器態樣；圖2是為本發明的分析裝置示意圖，其磁場產生器提供一外加磁場，且反應槽是為容器態樣；圖3是為本發明的分析裝置示意圖，其磁場產生器提供一外加磁場，且反應槽是為管道態樣；圖4是為本發明的分析裝置示意圖，其反應槽是為容器態樣，且具有一磁性材料收集區域；圖5是為本發明的分析裝置示意圖，其反應槽是為管道態樣，且具有一磁性材料收集區域；圖6A及圖6B是為本發明的分析裝置示意圖，其反應槽是為管道態樣，且具有一調節閥可控制管道中流體移動路徑；圖7是為外加磁場下磁性材料對聲學感測組件產生的效應趨勢圖；圖8是為外加磁場下不同磁性材料對聲學感測組件產生的效應趨勢圖；圖9是為排除非特異性吸附的外加磁場下，不同磁性材料對聲學感測組件產生的效應趨勢圖；圖10是為磁性材料捕捉欲分析物后在外加磁場下對聲學感測組件產生的效應趨勢圖。
1 反應槽2 磁場產生器3 聲學感測組件31 感應區域4 信號處理器5 磁性材料51 辨識分子6 待測樣品
61 欲分析物62 非欲分析物7磁性材料收集區域8調節閥81、82 路徑91、92 磁場產生器100 本發明的分析裝置具體實施方式
本發明的利用磁性材料分析樣品中待測物質的方法，其是首先提供一磁性材料，磁性材料是指可利用外加磁場導引而移動的材料，包含磁性粒子、磁性納米粒子或超順磁納米粒子。為捕捉樣品中的待測物質，磁性材料表面是具有辨識分子，辨識分子包含化合物、抗原、抗體、受體、配體、酵素、蛋白質、勝肽或核酸，其是依據待測物質的特性而選用。將具有辨識分子的磁性材料加入樣品中，使前述磁性材料表面的辨識分子捕捉樣品中的待測物質后，即利用一磁場將前述磁性材料導引至一聲學感測組件的感應區域表面，使前述感應區域表面產生聲學效應。本發明所稱的聲學感測組件(acoustic sensor)包含，但不限于石英晶體微天平、表面聲波組件、彎曲平板波組件、平板波組件或微懸臂，當磁性材料與待測物質結合的復合物接觸聲學感測組件的感應區域時，感應區域表面會發生形變量變化、共振頻率偏移量變化、聲波信號變化等聲學效應，不同濃度的待測物質導致不同程度的聲學效應，故可通過由聲學效應的程度換算為樣品中待測物質的含量。
由于部分的磁性材料本身或進一步摻雜有感光成分的磁性材料，可使的具有不同光波長的放射或吸收特性，例如可見光、紅外光或紫外光的放射或吸收、熒光放射、磷光放射或冷光放射，且這些磁性材料捕捉到不同濃度的待測物質時，其會產生不同程度的光放射或光吸收，故除了利用聲學感測組件檢測聲學效應外，還可進一步利用光學感測組件來檢測光放射或光吸收的變化，甚至在磁性材料的表面可進一步修飾信號分子，增強光放射或光吸收的特性，使待測物質與磁性材料結合時的效應更為明顯。此外，通過由不同磁性材料間的光學特性，若搭配不同的辨識分子修飾，則可應用于樣品多樣性分析或檢測。
本發明的分析樣品中待測物質裝置100的一實施態樣是如圖1所示，是包含反應槽1、磁場產生器2、聲學感測組件3、信號處理器4及磁性材料5。其中反應槽1是為一容器，可用以將待測樣品6靜態儲存于其中，磁性材料5是混合分布于待測樣品6中，本發明的磁性材料5是為經修飾具有辨識分子51的磁性粒子、磁性納米粒子或超順磁納米粒子，其尺寸是可為微米或納米大小，可選擇性地由待測樣品6中捕捉欲分析物61；修飾于磁性材料5表面的辨識分子51包含，但不限于化合物、抗原、抗體、受體、配體、酵素、蛋白質、勝肽或核酸，其是具有可辨識欲分析物61的特性。于磁性材料5表面修飾辨識分子51的方法是為本技術領域所熟知，如利用當磁性材料5是為氧化鐵所構成時，其上所具有的羥基可與烷氧基硅化合物形成化學鍵結，再利用烷氧基硅化合物上其它的官能基與辨識分子51形成化學鍵結達到修飾目的，此外葡萄聚醣(dextran)也可利用類似的反應來達到修飾目的。聲學感測組件3包含，但不限于石英晶體微天平、表面聲波組件、彎曲平板波組件、平板波組件或微懸臂，本發明的實施例中是使用石英晶體微天平傳感器，該微天平傳感器具有一暴露于反應槽1中的感應區域31，其是設置于磁場產生器2提供外加磁場時磁性材料5被牽引聚集的區域，該區域是可包括反應槽的底部、四周或上方，較佳是位于反應槽1的上方，通過此可減少分析過程中欲分析物61以外的物質(即非欲分析物62)因重力造成沉淀吸附于感應區域31，進而影響分析結果，而磁場產生器2是為可提供反應槽1一外加磁場的裝置，包含，但不限于感應線圈或磁鐵。
參考圖2，當磁場產生器2提供一外加磁場于磁性材料5時，磁性材料5將被牽引聚集至感應區域31表面，此時被磁性材料5捕捉的欲分析物61的多寡，將使感應區域31表面產生不同程度的效應，該效應包含，但不限于磁性材料的平均數量變化、磁性材料的聚集效應、粘滯度變化、密度變化、磁力變化、溫度變化與電荷變化，而前述效應的發生會連帶使聲學感測組件3產生包含，但不限于形變量變化、共振頻率偏移量變化、聲波信號變化，信號處理器4即分析聲學感測組件3產生變化的程度，進而換算為欲分析物61于待測樣品6中的含量，信號處理器4其是可為單獨的裝置或結合于聲學感測組件3的一部分。
圖3是為本發明的另一實施態樣，其中反應槽1是為管道形態，使待測樣品6可以動態流通于反應槽1中以達到連續性的樣品檢測模式。當被混合于待測樣品6中用以捕捉欲分析物61的磁性材料5流經磁場產生器2提供的外加磁場時，將被牽引聚集于聲學感測組件3暴露于反應槽1中的感應區域31表面，此時待測樣品6中的欲分析物61及非欲分析物62即可達到分離效果，聚集于感應區域31的磁性材料5會使聲學感測組件3產生變化，而信號處理器4即可將聲學感測組件3產生變化的程度，換算為欲分析物61于待測樣品6中的含量。
本發明的分析樣品中待測物質裝置100可進一步包含一磁性材料收集區域7，如圖4及圖5所示，其中圖4是為圖2的裝置進一步增加磁性材料收集區域7，圖5是為圖3進一步增加磁性材料收集區域7，磁性材料收集區域7的設置在使磁性材料5受外加磁場牽引聚集時得以集中于聲學感測組件3的感應區域31表面，增強感應區域31表面的效應，使聲學感測組件3產生的變化程度加大，提高信號處理器所獲得的信號，俾使換算得到的欲分析物61在待測樣品6中的含量更準確。
本發明的再一實施態樣是如圖6A及圖6B所示，圖6A中，含有磁性材料5的待測樣品6是先流經一磁場產生器91所制造的磁場，此時捕捉了欲分析物61的磁性材料5將滯留于磁場中，而待測樣品6中所含的非欲分析物62則在流經磁場后，通過一調節閥8后往路徑81的方向移動而不進行分析。
在調節閥8轉換前，可先將滯留于磁場中的磁性材料5進行清洗的動作，通過以移除其中可能影響后續分析結果的非分析物62，之后調整調節閥8，使流體的流動由路徑81轉往路徑82的方向，此時關閉磁場產生器91，滯留于磁場中的磁性材料5因為磁場的消失而開始流動，通過調節閥8后進入路徑82，此時磁性材料5受到磁場產生器92所制造的磁場的影響被牽引聚集至聲學感測組件3的感應區域表面31，信號處理器4便可獲得聲學感測組件3變化程度的信號，進而換算為欲分析物61在待測樣品6中的含量。
以下實施例是用于進一步了解本發明的優點，并非用于限制本發明的申請專利范圍。
實施例1.外加磁場下磁性粒子對聲學感測組件產生的效應本實施例采自行合成的磁性氧化鐵納米粒子(平均粒徑約10nm；使用濃度20μg/ml)，配合流體-注入式(flow-injectionanalysis，FIA；使用流速160μl/ml)石英晶體微天平(quartzcrystal microbalance，QCM)系統進行實驗。磁場供應來源則采用一高場值磁鐵(聲學感測組件表面區域所暴露的磁場強度約100mT)。實驗結果如圖7所示。
由圖7可知，在不提供外加磁場的情形下，石英晶體微天平的振蕩頻率為13Hz，當提供外加磁場時，振當頻率增加至46Hz。此結果是證明在提供外加磁場作用下，磁性粒子會因為聚集于石英晶體微天平的感應區域，導致石英晶體發生壓電效應而改變振蕩頻率。
實施例2.外加磁場下不同磁性粒子對聲學感測組件產生的效應本實施例的目的在于評估本發明用于生化檢測的可行性。實驗裝置設定與實施例1同。實驗結果如圖8所示。
由圖8可知，在外加磁場作用下，修飾有老鼠免疫球蛋白(mouse IgG)的磁性材料在不提供外加磁場時石英晶體微天平的振蕩頻率為41Hz，而提供外加磁場后振蕩頻率上升至82Hz，而再加入可1.25％的與老鼠免疫球蛋白官能基作用的戊二醛(glutaraldehyde，GA)后，石英晶體微天平的振蕩頻率增加為103Hz，這代表經修飾的磁性材料在已捕捉及未捕捉欲分析物時，的確會讓石英晶體微天平的振蕩頻率發生變化，驗證本發明的技術可行性。而前述石英晶體微天平的振蕩頻率發生的變化可通過由信號處理器換算后得知欲分析物的含量。
實施例3.磁性材料檢測機制實驗本實施例中，進一步探討了微米尺寸的磁性粒子用于本發明的可行性；且于本實施例中，亦考慮了蛋白質可能非特異性吸附于聲學感測組件表面的問題，因此在執行檢測前，先以牛血清蛋白(bovine serum albumin，BSA)披覆于聲學感測組件表面(使用濃度10mg/ml)，如此一來，對其他蛋白質的隔離效率可達90％。
本實施例采用購買自Dynal Biotech公司的磁性高分子微粒(平均粒徑約2.8μm；使用濃度67μg/ml)，配合流體-注入式(使用流速50μl/ml)石英晶體微天平系統進行實驗。磁場供應來源亦采用一高場值磁鐵(聲學感測組件表面區域所暴露的磁場強度約100mT)。由圖9結果顯示，在外加磁場作用下，修飾有大腸桿菌抗體(anti-E.coli)的磁性材料(修飾條件80μg/ml大腸桿菌抗體+67μg/ml磁性材料，攪拌反應約1.5小時)，其導致的頻率變化比只有磁性材料時所產生的影響多出約320Hz。
實施例4.免疫檢測應用本實施例利用修飾有老鼠免疫球蛋白抗體(anti-mouseIgG)的磁性材料(購自Dynal Biotech公司；使用濃度67μg/ml)，直接對老鼠免疫球蛋白(使用濃度180μg/ml)進行檢測。實驗裝置設定與實施例3同，其聲學感測組件表面披覆有牛血清蛋白。檢測前先將修飾有老鼠免疫球蛋白抗體的磁性材料與老鼠免疫球蛋白混合，攪拌反應約1.5小時，的后再將的注入流道中進行檢測。圖10顯示了反應前后的差異，總共約有70Hz的頻率變化量。由此實施例，說明了此裝置于免疫檢測上的可行性。
綜合上述，本發明的使用磁性粒子的分析方法與裝置，利用經修飾的磁性材料捕捉欲分析樣品中的待測物質，并提供外加磁場將磁性材料牽引至聲學感測組件的感應區域，然后將感應區域表面的效應換算為欲分析樣品中待測物質的含量。因此，本發明的分析裝置與方法集結了磁性粒子的物質分離技術所具有操作簡單迅速、對生物物質或欲分析物干擾小、價格低廉等優點，配合生物傳感器的高靈敏度特性，成為一可實時檢測與定量微量物質的感測技術，可廣泛應用于生醫、環境與食品分析等領域，作為生醫診斷套組及分生、環境與食品的微量分析感應器。
其它實施態樣在本說明書中揭露本發明數個實施態樣。根據本說明書所揭露的內容，任何熟習本技術領域的人士皆可基于本發明的特色，在不脫離本發明精神與目的下，對本發明做不同的更動與修飾，因此，其它實施態樣也包含在本發明的申請專利范圍內。
權利要求
1.一種分析樣品中待測物質的方法，其特征在于，步驟包含a)提供一磁性材料，前述磁性材料表面具有一辨識分子可捕捉樣品中的待測物質；b)將前述磁性材料加入一樣品中，使前述磁性材料表面的辨識分子捕捉樣品中的待測物質；c)利用一磁場將前述磁性材料導引至一聲學感測組件的感應區域表面，使前述感應區域表面產生聲學效應；及d)將前述聲學效應換算為樣品中待測物質的含量。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述該磁性材料包含磁性粒子、磁性納米粒子或超順磁納米粒子。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述該辨識分子包含化合物、抗原、抗體、受體、配體、酵素、蛋白質、勝肽或核酸。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述該聲學感測組件包含石英晶體微天平、表面聲波組件、彎曲平板波組件、平板波組件或微懸臂。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述該聲學效應包含形變量變化、共振頻率偏移量變化或聲波信號變化。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可進一步利用一光學感測組件檢測前述磁性材料。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述該磁性材料表面可進一步具有一信號分子，該信號分子是具有包含光吸收、熒光放射、磷光放射或冷光放射的特性。
8.一種分析樣品中待測物質的裝置，其特征在于，包含一反應槽，該反應槽具有一空間作為樣品導入的用；一磁性材料，該磁性材料表面具有一辨識分子可捕捉前述樣品中的待測物質；一磁場產生器，是用以提供前述反應槽中的磁性材料一外加磁場；及一聲學感測組件，該聲學感測組件具有一感應區域暴露于前述反應槽中；其中前述裝置是利用磁場產生器提供的外加磁場將前述磁性材料及其捕捉的待測物質聚集至前述聲學感測組件的感應區域表面，使感應區域表面產生聲學效應以換算獲得樣品中待測物質含量。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該聲學感測組件包含石英晶體微天平、表面聲波組件、彎曲平板波組件、平板波組件或微懸臂。
10.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該磁性材料包含磁性粒子、磁性納米粒子或超順磁納米粒子。
11.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該辨識分子包含化合物、抗原、抗體、受體、配體、酵素、蛋白質、勝肽或核酸。
12.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該磁場產生器包含感應線圈或磁鐵。
13.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該感應區域聲學效應包含形變量變化、共振頻率偏移量變化或聲波信號變化。
14.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該反應槽為一容器，用以使樣品靜態儲存于該容器中。
15.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該反應槽為一管道，用以使樣品動態流通于該管道中。
16.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述該反應槽可進一步包含一磁性材料收集區，其是作為前述感應區域設置其中的用。
17.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，是可進一步包含一光學感測組件，用以檢測前述磁性材料。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述該磁性粒子表面可進一步具有一信號分子，該前述信號分子是具有包含光吸收、熒光放射、磷光放射或冷光放射的特性。
全文摘要
本發明是關于一種結合磁性材料與聲學感測組件的分析方法及裝置，其是利用經修飾具有專一性辨識分子的磁性材料捕捉樣品中的待測物質，并提供外加磁場將磁性材料導引至聲學感測組件的感應區域，然后將感應區域表面因磁性材料與待測物質所導致的聲學效應換算為欲分析樣品中待測物質的含量。
文檔編號G01N33/48GK1885027SQ20051008131
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月24日 優先權日2005年6月24日
發明者林玉娟, 李昆峰, 趙啟民, 卓慧如 申請人:財團法人工業技術研究院