專利名稱：：時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀及其在超順磁性納米材料檢測(cè)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于生物與藥物分析儀器及分析方法領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)超順磁性納米材料進(jìn)行定量檢測(cè)的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：超順磁性納米材料磁學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)是其核心納米顆粒的尺寸小于單個(gè)磁疇的尺寸，處于納米量級(jí)，因此自旋電子在熱運(yùn)動(dòng)能的作用下處于無(wú)規(guī)取向狀態(tài)，不表現(xiàn)出宏觀磁性。在外磁場(chǎng)作用下，具有超順磁性的納米材料可以被磁化，然而，當(dāng)外磁場(chǎng)消失后，超順磁材料無(wú)需外部消磁便能很快退磁。這一基本特性正是超順磁性納米材料，包括鐵，鐵的氧化物及鐵與其它金屬形成的合金納米材料能夠在生物分離和分析中得到應(yīng)用的原因。利用上述超順磁性納米材料的特性，在上個(gè)世紀(jì)末建立發(fā)展的以Dynabeads⑧為代表的免疫磁珠技術(shù)已經(jīng)在生物分子、細(xì)胞、細(xì)菌及病毒的分離方面得到了廣泛的應(yīng)用，免疫磁珠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是尺寸在50nm-4500nm之間，磁珠多由聚合物構(gòu)成，內(nèi)嵌超順磁性磁性納米晶體，詳見(jiàn)Invitrogei^'公司的磁珠產(chǎn)品及相關(guān)論文(JournalofMagnetismandMagneticMaterials，2005，293，41)，其它有關(guān)超順磁性納米磁珠與生物分子如抗體耦聯(lián)的相關(guān)技術(shù)見(jiàn)專利(CN1936580A，CN101149376A)。免疫磁珠在生物分析中的應(yīng)用需要與不同的生物分析技術(shù)聯(lián)用，如與酶聯(lián)免疫、熒光免疫、化學(xué)發(fā)光等檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集富集、分離、檢測(cè)一體化的分析技術(shù)，見(jiàn)專利(CN1719256A，CN1766614A)。采用上述聯(lián)用方法，以免疫磁珠為載體的生物分析技術(shù)在食品安全、藥物分析、病毒檢測(cè)、微生物檢驗(yàn)及臨床診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。但在上述聯(lián)用技術(shù)中，免疫磁珠主要充當(dāng)富集載體而非直接檢測(cè)對(duì)象。因此，上述"磁分離_檢測(cè)"技術(shù)的檢測(cè)靈敏度不僅取決于所聯(lián)用技術(shù)的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)也取決于信號(hào)標(biāo)記分子與免疫磁珠表面結(jié)合待測(cè)物的識(shí)別效率。由此可見(jiàn)，建立直接檢測(cè)超順磁性免疫納米材料的弱磁檢測(cè)技術(shù)，可摒棄與其它檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)用，從而有利于實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)靈敏度。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有針對(duì)具有超順磁性免疫磁珠進(jìn)行直接檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)免疫磁分析的技術(shù)方法，主要包括利用傳感設(shè)備包括磁阻傳感器、磁阻抗傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器、巨磁阻傳感器及巨磁阻抗傳感器等。如采用巨磁阻抗(GMI)生物傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中免疫磁珠的檢測(cè)(BiosensorsandBioelectronics,2005，20，1611);再如采用各向異性磁致電阻(AMR)生物傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫磁珠的檢測(cè)(CN1667412A);再如采用巨磁阻(GMR)生物傳感器對(duì)免疫磁珠進(jìn)行檢測(cè)(CN1645142)。因?yàn)?，超順磁性納米在不磁化的情況下并不表現(xiàn)出磁性，盡管采用上述部分技術(shù)，超順磁性納米材料在測(cè)試過(guò)程中可以被傳感器誘導(dǎo)產(chǎn)生一定的磁性，但檢測(cè)靈敏度尚需提高(BiosensorsandBioelectronics,2005，20，1611)。而部分上述技術(shù)不適用于微量超順磁性納米材料的檢通過(guò)采用核磁共振儀檢測(cè)小尺寸磁性納米顆粒因聚集狀態(tài)變化而產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)變化，也可以進(jìn)行生物樣品的磁檢測(cè)(J.Am.Chem.Soc.2003，125，10192)，但磁共振儀昂貴的造價(jià)及應(yīng)用方法的單一性使得該技術(shù)無(wú)法真正投入實(shí)際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本發(fā)明提供一種時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀器通過(guò)對(duì)磁脈沖激發(fā)后超順磁納米材料的剩磁弛豫進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁性物質(zhì)含量的測(cè)定。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供利用上述時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，結(jié)合超順磁性的磁納米顆粒或磁珠進(jìn)行生物及藥物分析的方法。技術(shù)方案本發(fā)明提供一種時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，該儀器包括以下組成部分電流脈沖發(fā)生器、通電螺旋管(赫爾姆霍茨線圈)、至少一個(gè)高靈敏度磁敏感元件、信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、磁場(chǎng)屏蔽盒及計(jì)算機(jī)。在本發(fā)明的檢測(cè)儀器中，電流脈沖發(fā)生器與通電螺旋管相連，為通電螺旋管提供邊沿陡峭的脈沖電流；通電螺旋管在脈沖電流的作用下，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，用于對(duì)超順磁性納米材料進(jìn)行磁化。本發(fā)明的檢測(cè)儀器還包括高靈敏度磁敏感元件，可以是尺寸小、靈敏度高的磁阻(MR)傳感器、磁阻抗(MI)傳感器，以及巨磁阻抗(GMI)傳感器和巨磁阻(GMR)傳感器，用于對(duì)被磁化的超順磁性納米材料的剩磁進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。在本發(fā)明的檢測(cè)儀器中，通電螺旋管的中軸線與高靈敏度磁敏感元件的磁場(chǎng)敏感面相平行，樣品緊貼在高靈敏度磁敏感元件的頂面，樣品和高靈敏度磁敏感元件置于通電螺旋管內(nèi)或通電螺旋管的端口處。本發(fā)明的檢測(cè)儀器還包括信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體由信號(hào)放大器、模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。其中，AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將放大器輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線將結(jié)果經(jīng)鎖存寄存器送入單片機(jī)控制系統(tǒng)；單片機(jī)控制系統(tǒng)接收、分析來(lái)自計(jì)算機(jī)的命令并發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制脈沖電流發(fā)生器及AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將來(lái)自AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)果通過(guò)通信接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，完成測(cè)量過(guò)程。本發(fā)明的檢測(cè)儀器還包括磁場(chǎng)屏蔽盒，用于減少外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試的影響。本發(fā)明還提供采用該檢測(cè)儀器進(jìn)行生物檢測(cè)分析的檢測(cè)方法，該方法采用超順磁納米顆粒(尺寸為5-50nm)或磁珠(尺寸為50-5000nm)為信號(hào)載體，利用磁性納米顆?；虼胖楸砻鏀y帶的特殊的配體或受體與生物樣品如蛋白、核酸、病毒或細(xì)菌上的受體或配體的特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)蛋白、核酸、病毒或細(xì)菌的分析檢測(cè)。利用相同的方法也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合成藥物或天然藥物的分析。其關(guān)鍵步驟在于利用上述特異性的識(shí)別作用，通過(guò)有效地改變?cè)诨妆砻姹还潭ǖ某槾判约{米材料的量(如采用免疫競(jìng)爭(zhēng)法，基底上被固定的磁性納米材料會(huì)因與待測(cè)物的作用而減少；采用免疫結(jié)合法，磁性納米材料會(huì)因與待測(cè)物的作用而在基底上富集)，以達(dá)到生物分析或藥物分析的目的。上述時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀在生物與藥物分析中的應(yīng)用不僅僅局限于免疫識(shí)別方法，就說(shuō)明問(wèn)題需要以免疫夾心法對(duì)抗原的檢測(cè)為例，利用該儀器進(jìn)行具體分析檢測(cè)的步驟如下1)靈敏度調(diào)節(jié)采用脈沖磁場(chǎng)磁化已知量的超順磁性納米材料，脈沖過(guò)后，啟動(dòng)高靈敏度磁敏感元件對(duì)超順磁性納米材料的剩磁進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，將得到的結(jié)果送入微控制處理器，如結(jié)果溢出，則減少可編程放大器的放大倍數(shù)，直至結(jié)果略小于AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的滿量程，其中超順磁納米材料的最大選取量在5000nmol;2)上樣將經(jīng)免疫反應(yīng)在表面上形成了夾心復(fù)合物(抗體_抗原_"抗體/超順磁性納米材料耦聯(lián)物")的基片定位于檢測(cè)單元上的樣品測(cè)試區(qū)；3)剩磁弛豫檢測(cè)采用脈沖磁場(chǎng)磁化基片上的超順磁性納米材料，脈沖停止后，由電腦程序發(fā)出指令啟動(dòng)高靈敏度磁敏感元件對(duì)基片表面超順磁性納米材料的剩磁進(jìn)行足艮足宗^領(lǐng)lj;4)數(shù)據(jù)記錄與步驟(3)同時(shí)啟動(dòng)還有，整個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對(duì)磁敏感元件輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，直至檢測(cè)完成。將記錄的磁弛豫信號(hào)通過(guò)微控制處理器輸入計(jì)算機(jī)，并在相關(guān)程序的輔助下完成單次分析。根據(jù)需要，可重復(fù)步驟(2)(3)，對(duì)多次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均；5)本底測(cè)量取出樣品，重復(fù)步驟(3)(4)，獲得本底值以校正測(cè)量結(jié)果；6)數(shù)據(jù)處理根據(jù)本底值對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行分析獲得被測(cè)超順磁材料的含量信息，依據(jù)超順磁性材料與已知量待測(cè)物之間建立的工作曲線，得到待測(cè)物的含量。技術(shù)效果本發(fā)明的超順磁性納米材料檢測(cè)儀及其檢測(cè)方法的原理是利用磁脈沖對(duì)超順磁性的納米材料進(jìn)行磁化，然后通過(guò)時(shí)間分辨技術(shù)，利用高靈敏度磁敏感元件對(duì)被磁化的超順磁性納米材料的剩磁弛豫進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)生物組分定量分析。鑒于超順磁性納米材料的感應(yīng)磁場(chǎng)在無(wú)需外磁場(chǎng)退磁的情況下可自行消失的特點(diǎn)，通過(guò)時(shí)間分辨技術(shù)來(lái)檢測(cè)脈沖磁場(chǎng)誘導(dǎo)超順磁性納米材料產(chǎn)生剩磁的方式對(duì)超順磁性納米材料進(jìn)行定量檢測(cè)，有效降低了外磁場(chǎng)的干擾，從而大大地提高了檢測(cè)靈敏度。在進(jìn)行生物分析與藥物分析時(shí)，通過(guò)檢測(cè)磁性納米材料因與待測(cè)物相互作用在特定位點(diǎn)所產(chǎn)生的量的變化，從而進(jìn)行生物分析及藥物分析。鑒于生物分析與檢測(cè)對(duì)檢測(cè)儀的小型化要求，本發(fā)明所采用的磁敏感元件包括尺寸小、靈敏度高的磁阻(MR)傳感器、磁阻抗(MI)傳感器，以及巨磁阻抗(GMI)傳感器和巨磁阻(GMR)傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器的小型化。尤其是磁阻抗傳感器及巨磁阻抗傳感器較磁通門傳感器更利于小型化及便攜式生物檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與制造?？傊景l(fā)明的生物樣品分析檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1)通過(guò)對(duì)超順磁性納米材料的剩磁弛豫進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量，可有效甄別外部磁場(chǎng)的干擾，提高檢測(cè)靈敏度；2)利用脈沖磁場(chǎng)對(duì)超順磁性納米材料先進(jìn)行磁化，再進(jìn)行測(cè)量可以將檢測(cè)靈敏度提高到<lOOnmolFe;3)提高對(duì)超順磁性納米材料的檢測(cè)靈敏度是有效提高通過(guò)對(duì)磁性納米材料檢測(cè)所建立的生物分析及藥物分析方法靈敏度的關(guān)鍵，以本儀器技術(shù)方案所提供的高檢測(cè)靈敏度可大大拓展更小尺寸的超順磁性納米顆粒，如尺寸小于30nm的磁性納米顆粒在生物分析中的應(yīng)用。因此，本發(fā)明以超順磁性納米材料(顆粒或磁珠)作為信號(hào)轉(zhuǎn)換放大示蹤標(biāo)記物，在脈沖磁場(chǎng)作用下，通過(guò)對(duì)其剩磁弛豫進(jìn)行分析，為生物分析及藥物分析提供了檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法。具有操作簡(jiǎn)單快速、靈敏度高及檢測(cè)成本低的特點(diǎn)，在生物分析、疾病診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。圖1:時(shí)間分辨剩磁弛豫測(cè)量原理圖圖2:檢測(cè)儀器的簡(jiǎn)化模塊圖圖3:檢測(cè)單元及樣品支架示意圖其中圖3A是俯視圖，圖3B是側(cè)視圖圖4:屏蔽盒簡(jiǎn)圖圖5:采用單個(gè)敏感元件的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀的電子線路框圖圖6:采用兩個(gè)磁敏感元件時(shí)信號(hào)輸入與放大線路圖圖7:采用單個(gè)磁阻抗傳感器進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖圖中主要組件符號(hào)說(shuō)明如下1.檢測(cè)單元及樣品支架；2.樣品測(cè)試區(qū)；3.高靈敏度磁敏感元件；4.導(dǎo)線；5.脈沖電流發(fā)生器；6.通電螺旋管；7.信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；8.電流開(kāi)關(guān)控制線；9.放大器；10.AD轉(zhuǎn)換器；11.單片機(jī)控制系統(tǒng)；12.通信接口；13.通信電纜；14.計(jì)算機(jī)；15.并行數(shù)據(jù)總線；16.磁場(chǎng)屏蔽盒；17.電纜通道；18.屏蔽盒蓋。19.M0SFET管(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)；20.放大倍數(shù)控制器；21.鎖存寄存器；22.微控制處理器；23.前置放大器；24.可編程放大器；25.開(kāi)關(guān)二極管；26.直流電源。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)描述。基本原理圖1是本發(fā)明儀器的檢測(cè)原理圖。超順磁納米材料在邊沿陡峭的外磁場(chǎng)H。作用下磁化產(chǎn)生強(qiáng)度為Bm的感應(yīng)磁場(chǎng)，外磁場(chǎng)于^時(shí)刻撤銷，超順磁納米材料的感應(yīng)磁場(chǎng)在t4時(shí)刻消失，當(dāng)其強(qiáng)度下降到B乂2所需的時(shí)間為剩磁弛豫時(shí)間t2_tlt)剩磁弛豫時(shí)間依賴于超順磁性納米材料本身的組成、尺寸及形狀等因素，不同種類的超順磁性納米材料將表現(xiàn)出不同的剩磁弛豫行為，而相同組成的超順磁性納米材料則表現(xiàn)出依賴于觀測(cè)時(shí)刻及超順磁納米材料質(zhì)量的剩磁量。本發(fā)明所謂的剩磁弛豫檢測(cè)即從^時(shí)刻開(kāi)始，跟蹤檢測(cè)超順磁納米材料的剩磁弛豫過(guò)程，通過(guò)對(duì)比不同量超順磁性納米材料的弛豫過(guò)程以及在某一時(shí)刻的剩磁，得到待測(cè)物的磁響應(yīng)信號(hào)與超順磁納米材料之間的量效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超順磁性納米材料的定量測(cè)試。檢測(cè)儀器圖2顯示了本發(fā)明檢測(cè)儀器的簡(jiǎn)化模塊圖，主要由樣品檢測(cè)單元、脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器、信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。下面就個(gè)部分實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明。樣品檢測(cè)單元圖3是檢測(cè)單元以及樣品支架的俯視圖與側(cè)視圖。樣品支架為非磁性塑料或金屬制成，并與磁敏感元件固定到一起，其中磁敏感元件的敏感區(qū)與支架在同一平面上，支架的形狀一般為長(zhǎng)方形，但不限于長(zhǎng)方形。樣品測(cè)試區(qū)2標(biāo)記在磁敏感元件3的敏感區(qū)，尺寸略小于高靈敏度磁敏感元件的磁感應(yīng)尺寸，其中高靈敏度磁敏感元件通過(guò)導(dǎo)線4和信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)7連接(見(jiàn)圖2)。待測(cè)樣品的定位可采以下方法，用一個(gè)與載有待測(cè)物的基底(如硝酸纖維素膜)尺寸相當(dāng)?shù)牟ＡП∑霰嘲?，背板邊緣以具有彈性的金屬片將背板及背板與磁敏感元件測(cè)試區(qū)之間的基片固定在樣品支架上。待測(cè)樣品的定位要求是使待測(cè)樣品落在磁敏感元件的磁敏感區(qū)內(nèi)，同時(shí)保證待測(cè)樣品與磁敏感區(qū)緊密地貼在一起，因此，本發(fā)明不限于上述具體的樣品定位方式，還可以采用其它方式，只要能夠達(dá)到定位要求即可。為了減少外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試的影響，通電螺旋管、高靈敏度磁敏感元件以及樣品支架將被置于圖3所示的磁場(chǎng)屏蔽盒中。屏蔽盒16及盒蓋18由兩個(gè)屏蔽層構(gòu)成。內(nèi)層為具有極高磁導(dǎo)率的箔帶材料制成，外層由有抗磁飽和能力的材料制成，內(nèi)徑約為17cm。兩端為半球形，其中一端18為屏蔽盒蓋，可以取下。箱體側(cè)有一只直徑約為15mm的電纜通道17。脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器本發(fā)明的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器5用于產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，以對(duì)處于通電螺旋管6內(nèi)部的超順磁性納米材料進(jìn)行磁化。圖5顯示了可用于本發(fā)明的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器的一種具體結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器5由直流電源26、通電螺旋管6、M0SFET管19和開(kāi)關(guān)二極管25組成。通電螺旋管6由直徑為lmm銅導(dǎo)線繞制而成，其內(nèi)徑約15cm，長(zhǎng)約20cm。通電螺旋管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度可依據(jù)高靈敏度磁敏感元件的種類做大小調(diào)整。通電螺旋管6兩端通過(guò)MOSFET管19連接直流電源26，開(kāi)關(guān)二極管25與通電螺旋管并聯(lián)。MOSFET管接受單片機(jī)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)后，為通電螺旋管提供電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)；單片機(jī)撤銷導(dǎo)通信號(hào)，MOSFET管終止通電，磁場(chǎng)消失，至此完成了一個(gè)脈沖磁場(chǎng)。陡峭脈沖邊沿是由與通電螺旋管并聯(lián)的開(kāi)關(guān)二極管實(shí)現(xiàn)的，該二極管負(fù)責(zé)快速釋放通電螺旋管產(chǎn)生的能量。本發(fā)明不限于上述電路結(jié)構(gòu)，還可以采用其它方式，只要能夠達(dá)到產(chǎn)生邊沿陡峭的磁脈沖目的即可。采用上述結(jié)構(gòu)，在脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器作用下，通電螺旋管6中可產(chǎn)生50mT的脈沖磁場(chǎng)，脈沖持續(xù)時(shí)間在10ms-60s內(nèi)可調(diào)，脈沖間隔時(shí)間在10ms-60s內(nèi)可調(diào)，脈沖磁場(chǎng)衰減到OmT需要的時(shí)間小于lms。信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本發(fā)明的信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5所示。首先，在計(jì)算機(jī)的程序控制下，單片機(jī)中的微控制處理器22向脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器5發(fā)出電流開(kāi)啟信號(hào)，由通電螺旋管6產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)；然后，微控制處理器22在電流開(kāi)關(guān)控制器的電流關(guān)閉信號(hào)發(fā)出后10ms內(nèi)向磁敏感元件3發(fā)出開(kāi)啟控制信號(hào)，啟動(dòng)剩磁弛豫測(cè)量。剩磁信號(hào)經(jīng)由前置放大器23、可編程放大器24放大，將信號(hào)輸入到高速AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10，微控制處理器22控制AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)IO進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線15送入鎖存寄存器21，然后讀入微控制處理器22;最后，測(cè)試結(jié)果經(jīng)通信接口12和通信電纜13送入計(jì)算機(jī)14，由計(jì)算機(jī)14對(duì)接收的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得被測(cè)組分的信息。計(jì)算機(jī)14還負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、測(cè)量啟動(dòng)工作。其中，通電螺旋管的內(nèi)徑可依據(jù)高靈敏度磁敏感元件的種類做大小調(diào)整；微控制處理器22根據(jù)檢測(cè)需要所設(shè)置的電流脈沖寬度和脈沖頻率向M0SFET管19發(fā)出控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)脈沖磁場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間及脈沖間隔時(shí)間；放大倍數(shù)由微控制處理器22根據(jù)AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10的結(jié)果向放大倍數(shù)控制器20發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。圖6是采用兩個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)元件的信號(hào)放大線路框圖，兩個(gè)磁敏感元件3的輸出分別經(jīng)過(guò)各自的前置放大器23后，向可編程放大器24輸入差分信號(hào)，采用該設(shè)置可以有效提高抗環(huán)境干擾能力及檢測(cè)靈敏度，此時(shí)可以取消磁場(chǎng)屏蔽盒。生物樣品的檢測(cè)方法本發(fā)明在生物樣品檢測(cè)中的應(yīng)用方法是基于特定位點(diǎn)處磁性納米顆?；虼胖橐蚺c生物分子及藥物分子相互作用而發(fā)生量的改變，從而實(shí)現(xiàn)生物檢測(cè)的目的。生物樣品包括藥物樣品與磁性納米顆?；虼胖榈奶禺愋越Y(jié)合作用，不限于抗體-抗原的免疫結(jié)合作用，只要能夠通過(guò)相互作用使超順磁性被有效固定(如免疫結(jié)合)或釋放(如免疫競(jìng)爭(zhēng))即可。下面以蛋白以及大腸桿菌為檢測(cè)目標(biāo)，以免疫識(shí)別作用為特異性相互作用，介紹蛋白及微生物檢測(cè)的具體方法與過(guò)程。對(duì)于蛋白質(zhì)的檢測(cè)，可以采用尺寸為30nm以下的超順磁性納米顆粒材料，如超順磁性氧化鐵納米顆粒，采用小尺寸的磁免疫納米顆粒的原因是他們與蛋白質(zhì)尺寸相差不大，有利于通過(guò)生物識(shí)別作用有效地被固定(免疫結(jié)合)或釋放(免疫競(jìng)爭(zhēng))。待測(cè)蛋白樣品可通過(guò)直接點(diǎn)樣的方式固定在硝酸纖維素膜上，然后利用牛血清白蛋白對(duì)非點(diǎn)樣區(qū)進(jìn)行封閉，被固定的待測(cè)蛋白經(jīng)孵育，與表面結(jié)合有抗待測(cè)蛋白抗體的磁性納米顆粒發(fā)生識(shí)別作用，將磁性納米顆粒被固定在蛋白點(diǎn)樣處，最后利用下面的具體儀器操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的檢測(cè)。針對(duì)微生物類樣品，如大腸桿菌的檢測(cè)，既可以采用小尺寸的超順磁性納米顆粒，又可以采用大尺寸的磁珠。利用磁珠的優(yōu)勢(shì)是每個(gè)磁珠內(nèi)部含有多個(gè)磁性納米顆粒，有利于提高檢測(cè)靈敏度。以免疫夾心法為例，先將抗大腸桿菌的抗體通過(guò)直接點(diǎn)樣的方式固定在硝酸纖維素膜上，然后利用牛血清白蛋白對(duì)非點(diǎn)樣區(qū)進(jìn)行封閉；再將可以對(duì)大腸桿菌進(jìn)行識(shí)別的免疫磁珠與待測(cè)大腸桿菌樣品孵育，得到結(jié)合免疫磁珠的有大腸桿菌，將載有抗大腸桿菌抗體的硝酸纖維素膜與結(jié)合有免疫磁珠的大腸桿菌孵育，使載有免疫磁珠的大腸桿菌被固定到樣品的檢測(cè)區(qū)，最后利用下面的具體儀器操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的檢測(cè)。測(cè)試條件，包括脈沖磁場(chǎng)的強(qiáng)度、脈沖間隔時(shí)間、磁化時(shí)間等參數(shù)主要根據(jù)所使用的超順磁性納米材料自身的磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)10nm四氧化三鐵納米顆粒的檢測(cè)，脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)選110mT;脈沖間隔時(shí)間優(yōu)選210s;磁化時(shí)間優(yōu)選0.510s。生物識(shí)別過(guò)程的具體操作按標(biāo)準(zhǔn)的生物檢測(cè)操作過(guò)程進(jìn)行，如WesternBlot(免疫印記)及酶聯(lián)免疫法等。此外，商品化的免疫磁顆粒及磁珠產(chǎn)品也有具體的操作說(shuō)明。本發(fā)明儀器及方法在生物樣品分析中的應(yīng)用不局限于直接點(diǎn)樣方法，免疫紙層析方法同樣適用于本發(fā)明儀器及檢測(cè)方法。本發(fā)明儀器在實(shí)際生物檢測(cè)應(yīng)用前，需根據(jù)待測(cè)物的性質(zhì)，選用合適的超順磁性納米材料，結(jié)合已知量的待測(cè)物進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，然后，利用該磁性材料開(kāi)展待測(cè)物的檢測(cè)。時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀在生物檢測(cè)中的具體檢測(cè)過(guò)程如下1)開(kāi)啟檢測(cè)儀器進(jìn)入調(diào)節(jié)靈敏度程序，具體過(guò)程包括1.1)微控制處理器22向M0SFET管19發(fā)出一個(gè)電流開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，啟動(dòng)脈沖電流發(fā)生器5產(chǎn)生一個(gè)邊沿陡峭的脈沖磁場(chǎng)，磁化超順磁性納米材料。1.2)微控制處理器(22)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器(10)，待轉(zhuǎn)換完成，將結(jié)果通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線(15)送入鎖存寄存器(21);1.3)微控制處理器(22)從鎖存寄存器(21)讀入數(shù)據(jù)，如結(jié)果溢出，減少可編程放大器(24)的放大倍數(shù)，重復(fù)步驟l.11.3，直至結(jié)果略小于AD轉(zhuǎn)換器(10)的滿量程。2)將待測(cè)樣品定位于樣品測(cè)試區(qū)(2)。3)檢測(cè)儀器進(jìn)入正式測(cè)試程序，具體過(guò)程包括3.1)微控制處理器(22)向M0SFET管(19)發(fā)出一個(gè)電流開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，啟動(dòng)脈沖電流發(fā)生器(5)向通電螺旋管(6)送出一個(gè)邊沿陡峭的脈沖電流，磁化超順磁納米材料(納米顆?；虼胖?；3.2)微控制處理器(22)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器(10)，待轉(zhuǎn)換完成，將結(jié)果通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線(15)送入鎖存寄存器(21);3.3)微控制處理器(22)從鎖存寄存器(21)讀入數(shù)據(jù)；3.4)將步驟(3)的結(jié)果送入通信接口(12)，通過(guò)通信電纜(13)傳送給計(jì)算機(jī)(14);3.5)微控制處理器(22)依據(jù)剩磁弛豫情況，判斷檢測(cè)時(shí)間分辨測(cè)試所需要的時(shí)間窗口，并完成一次時(shí)間分辨測(cè)量；3.6)多次重復(fù)上述步驟，計(jì)算機(jī)(14)對(duì)多次結(jié)果進(jìn)行平均，進(jìn)一步提高測(cè)量精度和可靠性。4)檢測(cè)儀器進(jìn)入本底測(cè)量程序?qū)悠啡〕觯貜?fù)步驟3)，獲得本底值以校正測(cè)量結(jié)果；5)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序，具體過(guò)程包括5.1)計(jì)算機(jī)(14)根據(jù)本底值對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，得到待測(cè)品的實(shí)測(cè)剩磁弛豫曲線；5.2)做時(shí)間分辨剩磁弛豫曲線分析，依據(jù)指定測(cè)量時(shí)間點(diǎn)的剩磁強(qiáng)度，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線給出被測(cè)組分的含量信息。與已有的相關(guān)設(shè)備和方法相比，本發(fā)明的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀和檢測(cè)方法不僅適用于對(duì)大尺寸的磁珠的檢測(cè)，同時(shí)更也適用于尺寸小于30nm的磁性納米顆粒的檢測(cè)。而與大尺寸的免疫磁珠相比，小尺寸的磁性納米顆粒在生物分析中有著更大的優(yōu)勢(shì)1)小尺寸的磁性納米顆粒在溶液中更容易被穩(wěn)定分散，有利于同待測(cè)物的有效識(shí)別；2)小尺寸磁性顆粒由于其尺寸小，在流體中的阻力可以忽略不計(jì)，且大小通常與生物大分子相當(dāng)，因此一個(gè)特異性的結(jié)合位點(diǎn)足以使納米顆粒與待測(cè)樣品產(chǎn)生牢固結(jié)合，同時(shí)一個(gè)待測(cè)物分子也同樣可以使表面位點(diǎn)被占據(jù)的納米顆粒被有效解離，這使得具有小尺寸的納米顆粒在免疫檢測(cè)中表現(xiàn)出更高的靈敏度和使用靈活性；3)小尺寸的磁性納米顆粒由于具有更大的比表面積，因此有利于最大限度地通過(guò)其表面結(jié)合的待測(cè)生物樣品的配體或受體實(shí)現(xiàn)與待測(cè)生物樣品的有效結(jié)合，利于檢測(cè)靈敏度的提高；4)具有小尺寸的磁納米顆粒，由于在介質(zhì)中具有更好的流動(dòng)性，因此更容易實(shí)現(xiàn)多樣化的磁免疫檢測(cè)，比如借助成型的紙層析技術(shù)，可以對(duì)生物分子、藥物、細(xì)菌及病毒等進(jìn)行快速檢測(cè)。實(shí)施例實(shí)施例1采用單個(gè)磁阻抗傳感器作為高靈敏度磁敏感元件進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，具體測(cè)試條件如下脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.5mT;脈沖磁化時(shí)間為2s;待測(cè)樣品為llnm的超順磁性四氧化三鐵納米晶體(按專利200710187275.0提供的方法制備);待測(cè)樣品量分別為12.g、21.5iig、59.6iig、168iig、2010iig;采用本底值校正后記錄的磁弛豫曲線(20次檢測(cè)平均)如圖7所示。不同量Fe304納米晶體在200ms處的檢測(cè)到的剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>實(shí)施例2采用含有單個(gè)(單核)四氧化三鐵納米晶體的免疫超順磁性納米顆粒對(duì)蛋白進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程如下采用毛細(xì)玻璃管將含有p53蛋白的待測(cè)溶液5yL(蛋白含量為0.17iig)在硝酸纖維素膜的特定位點(diǎn)上點(diǎn)樣；然后將該硝酸纖維素膜移至含有BSA蛋白的封閉液中進(jìn)行封閉lh;隨后將膜取出，使點(diǎn)有待測(cè)樣品的一面朝下，放置于含有粒徑為llnm的Fe304納米顆粒_P53蛋白抗體耦聯(lián)物溶液的液面上，室溫下孵育12h后，用TBST緩沖液在洗滌兩次，每次10min，再用TBS洗一次，時(shí)間為10min;最后，將干燥后的硝酸纖維素膜置于檢測(cè)單元的樣品支架上進(jìn)行剩磁檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)為脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度2.5mT;脈沖磁化時(shí)間2s。檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)值為5.2nT。實(shí)施例3采用同時(shí)含有多個(gè)超順磁性納米晶體的復(fù)合免疫磁珠對(duì)大腸桿菌進(jìn)行的檢測(cè)過(guò)程如下向大腸桿菌0157:H7的樣本溶液10mL(5CFU/mL)中加入耦聯(lián)有大腸桿菌0157:H7單克隆抗體的免疫磁珠10011"0乂1^&6&45，20011111)，孵育20111111，此時(shí)磁珠表面抗體與大腸桿菌發(fā)生免疫識(shí)別反應(yīng)；采用磁性分離器將樣品溶液中的免疫磁珠富集，棄去上清，采用PBS緩沖液洗滌3次；將得到的免疫磁珠富集液10iiL滴于表面修飾有大腸桿菌0157:H7單克隆抗體的基片上，孵育30min;采用PBS緩沖液洗滌基片表面，除去未結(jié)合的免疫磁珠；將干燥后的基片置于檢測(cè)單元的樣品支架上進(jìn)行剩磁檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)為脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度3mT;脈沖磁化時(shí)間2s。檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)值為327nT。權(quán)利要求一種時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，包括用于產(chǎn)生邊沿陡峭的磁脈沖的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器、位于脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器中的樣品檢測(cè)單元、和與樣品檢測(cè)單元相連的信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中樣品檢測(cè)單元包括位于支架上的高靈敏度磁敏感元件和位于高靈敏度磁敏感元件上的樣品測(cè)試區(qū)，高靈敏度磁敏感元件通過(guò)時(shí)間分辨技術(shù)對(duì)被磁化的超順磁性納米材料樣品的剩磁弛豫進(jìn)行檢測(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，其中脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器包括電流脈沖發(fā)生器、與電流脈沖發(fā)生器相連的通電螺旋管、用于與電流脈沖發(fā)生器和通電螺旋管一起產(chǎn)生邊沿陡峭磁脈沖的電路裝置，并且樣品檢測(cè)單元位于螺旋管內(nèi)部的中軸線上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，其中用于與電流脈沖發(fā)生器和通電螺旋管一起產(chǎn)生邊沿陡峭的磁脈沖的電路裝置包括連接在電流脈沖發(fā)生器和通電螺旋管之間的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，和與通電螺旋管并聯(lián)的開(kāi)關(guān)二極管。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，其還包括用于將通電螺旋管及樣品檢測(cè)單元包圍在內(nèi)部的磁場(chǎng)屏蔽盒。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，其中高靈敏度磁敏感元件包括磁阻傳感器、磁阻抗傳感器、巨磁阻抗傳感器和巨磁阻傳感器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，其包括一個(gè)高靈敏度磁敏感元件或沿螺旋管的中軸線并列放置的兩個(gè)高靈敏度磁敏感元件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀，還包括與數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連的計(jì)算機(jī)，其中數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由信號(hào)放大器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將信號(hào)放大器輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將結(jié)果輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)用于控制脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將來(lái)自模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用于發(fā)出相應(yīng)命令控制脈沖電流發(fā)生器、高靈敏度磁敏感元件、數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的協(xié)同工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)所述的時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)儀在超順磁性納米材料檢測(cè)中的應(yīng)用。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，所述的超順磁性納米材料包括單個(gè)磁性納米晶體為核心形成的納米顆?；蛘哂啥鄠€(gè)磁性納米顆粒組成的磁珠。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，包括以下步驟磁化步驟用脈沖磁場(chǎng)磁化超順磁性納米材料；檢測(cè)步驟啟動(dòng)高靈敏度磁敏感元件對(duì)超順磁性納米材料的剩磁進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，并且通過(guò)信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)磁敏感元件輸出的信號(hào)進(jìn)行采集；分析步驟根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)超順磁性納米材料進(jìn)行定量分析。11.根據(jù)權(quán)利要求io所述的應(yīng)用，其中磁化步驟中的脈沖磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度上限為50mT，持續(xù)時(shí)間在10ms-60s內(nèi)，脈沖間隔時(shí)間在10ms-60s內(nèi)，并且檢測(cè)步驟中的磁敏感元件的跟蹤檢測(cè)時(shí)間在5ms-20s內(nèi)。12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任何一項(xiàng)所述的應(yīng)用，其用于生物大分子、藥物、細(xì)菌及病毒的檢測(cè)，包括以下步驟步驟1:在特定位點(diǎn)固定待測(cè)生物分子及藥物；步驟2:利用超順磁性納米材料表面帶有的與待測(cè)物進(jìn)行特異性識(shí)別的配體分子將超順磁性納米材料固定到特定位點(diǎn)；步驟3:依據(jù)權(quán)利要求IO所述步驟對(duì)特定位點(diǎn)處因特異性識(shí)別作用而被固定的超順磁性納米材料的量進(jìn)行檢測(cè)；步驟4:根據(jù)步驟3所述的結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計(jì)算得到待測(cè)生物樣品的量；或步驟1:在特定位點(diǎn)固定與待測(cè)細(xì)菌或病毒進(jìn)行識(shí)別的分子；步驟2:將表面結(jié)合有超順磁性納米材料的細(xì)菌或病毒樣品，通過(guò)特定位點(diǎn)處被固定的配體分子與細(xì)菌或病毒的識(shí)別作用，將細(xì)菌或病毒結(jié)合到特定位點(diǎn)；步驟3:依據(jù)權(quán)利要求10所述步驟對(duì)特定位點(diǎn)處細(xì)菌或病毒所攜帶的超順磁性納米材料的量進(jìn)行檢測(cè)；步驟4:根據(jù)步驟3所述的結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計(jì)算出待測(cè)細(xì)菌或病毒的量。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于時(shí)間分辨剩磁弛豫檢測(cè)的弱磁檢測(cè)儀器及其應(yīng)用。本發(fā)明的檢測(cè)儀器由內(nèi)置高靈敏度磁敏感元件的檢測(cè)單元及樣品支架、脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器、信號(hào)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成。其工作原理是利用邊沿陡峭的脈沖磁場(chǎng)對(duì)超順磁性的納米材料進(jìn)行脈沖磁化，然后采用高靈敏度的磁敏感元件通過(guò)對(duì)超順磁性納米材料在脈沖磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的剩磁弛豫進(jìn)行跟蹤分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁性納米材料的定量檢測(cè)。利用該儀器，結(jié)合具有超順磁性的納米顆?；虼胖?，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的生物分析。本發(fā)明儀器及方法檢測(cè)速度快、成本低、靈敏度高和穩(wěn)定性好，適用于生物分析、疾病診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。文檔編號(hào)G01N33/48GK101726535SQ20081022491公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2008年10月24日優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日發(fā)明者羅志勇,艾希成,趙唯宇申請(qǐng)人:北京朔望科技有限公司