DE10126940A1 - Magnetic process, for determining presence of molecules in suspension, e.g. blood, involves detection of changes in magnetic flux - Google Patents

Abstract

A quantitative process registers the presence of particles which are magnetic, para-magnetic or ferro-magnetic using the non-linearity of a particle's characteristic magnetization curve. The particle is stimulated by a magnetic field at varying intervals, up to a saturation point. The result is a spectrum of higher order magnetic frequency components varying with time, used for detection. The particles to be detected are subjected to a sinusoidal modulated magnetic field with an amplitude sufficient to achieve magnetic saturation. Exposure to the magnetic field is undertaken at varying intervals. In addition to the field frequency, the spectrum has further frequencies which are characteristic of the magnetic curve of the particle in question, to enable their detection. The frequencies indicate both the nature and quantity of the component in question.

Description

In Gebieten der Biologie, Physik oder Medizin besteht häufig die Aufgabe, Suspensionen, die eine oder mehrere Sorten suspendierter Partikeln enthalten, genau zu klassifizieren. Eine hinreichende Klassifizierung wird durch Angabe der Anzahl der Partikelarten und durch die Anzahl der Partikel der jeweiligen Partikelart erreicht. Partikel dieser Art weden verwendet, indem ein magnetisierbares Partikel mit Endgruppen derart funktionalisiert wird, so daß sich Moleküle anderer Art als Zielmolekül an dem funktionalisierten Partikel anlagern. Die Zählung der Zielmoleküle reduziert sich somit auf die Zählung der mit Endgruppen funktionalisierten magnetischen oder magnetisierbaren Partikel.In areas of biology, physics or medicine there is often the task of suspensions, one or the other contain several types of suspended particles, to be classified precisely. Adequate Classification is achieved by specifying the number of particle types and the number of particles in the particle type achieved. Particles of this type are used by a magnetizable particle is functionalized with end groups in such a way that molecules of a different type are targeted at the add functionalized particles. The count of the target molecules is thus reduced to the count of magnetic or magnetizable particles functionalized with end groups.

Es besteht also neben der Identifizierung verschiedener Partikelarten die Auszählung der identifizierten Partikelarten als Aufgabe. Die Erfassung der Konzentration ist ein erster Schritt zum Erlangen einer die Suspension bestimmenden Größe, die Ermittlung der absoluten Zahl der suspendierten Partikel, ggf. deren Verteilung, ist eine wesentlich genauere und damit auch informationsreichere Aussage.In addition to the identification of different types of particles, there is a counting of the identified ones Particle types as a task. The acquisition of concentration is a first step in obtaining a die Suspension determining size, the determination of the absolute number of suspended particles, if necessary their distribution is a much more accurate and therefore more information-rich statement.

Die quantitative Analyse der Suspension läßt sich durch mehrere Verfahren realisieren:The quantitative analysis of the suspension can be carried out by several methods:

Stand der TechnikState of the art

Lichtstreuung erlaubt die Bestimmung der Konzentration innnerhalb eines Streuvolumens, dabei fällt als Resultat gleichzeitig eine Information über die Gestalt und die Geschwindigkeitsverteilung der Partikel an. Nachteilig ist ein vergleichsweise komplexer Aufbau und eine Reihe an Voraussetzungen, die für eine korrekte Analyse getroffen werden müssen.Scattering of light allows the concentration within a scattering volume to be determined, thereby falling as The result also provides information about the shape and the speed distribution of the particles. The disadvantage is a comparatively complex structure and a number of requirements for a correct analysis must be made.

Durch Leitfähigkeitsmessungen erhält man Aufschluß auf Beweglichkeit und Konzentration der Partikel. Die Methode ist vergleichsweise einfach, erfordert jedoch spezielle Meßzellen mit direkten Elektroden, so daß ein geschlossenes System in jedem Fall an einer Stelle für die Messung geöffnet werden muß.Conductivity measurements provide information about the mobility and concentration of the particles. The method is comparatively simple, but requires special measuring cells with direct electrodes that a closed system must always be opened at one point for the measurement.

Sehr genau und auch sehr partikelspezifisch arbeiten Methoden, bei denen ein beliebiger Sensor mit molekularen Endgruppen funktionalisiert ist und ein Reaktionszentrum für eine spezifische Partikelart darstellt. Durch Reaktion mit der (Ziel-)Partikelart ändert sich das Sensorsignal in der Regel sehr stark und es lassen sich sehr geringe Konzentrationen nachweisen. Nachteilig an dieser Methode stellt sich der Sensor dar, der nach der Messung in der Regel unbrauchbar wird, da die Rektionszentren durch das Zielmolekül belegt sind.Methods that involve any sensor work very precisely and also in a particle-specific manner molecular end groups is functionalized and a reaction center for a specific particle type represents. Reaction with the (target) particle type usually changes the sensor signal very strongly and very low concentrations can be detected. This method is disadvantageous is the sensor, which is usually unusable after the measurement, since the rection centers by the Target molecule are occupied.

Eine sehr elegante Möglichkeit stellen Suszeptibilitätsmessungen dar, bei denen entweder die elektrische Suszeptibilität (Polarisierbarkeit) oder die magnetische Suszeptibilität ermittelt wird. Dies geschieht durch Anlegen eines externen Feldes (elektrisches oder magnetisches) und Messen der Reaktion der Suspension.Susceptibility measurements, in which either the electrical Susceptibility (polarizability) or the magnetic susceptibility is determined. This happens through Apply an external field (electrical or magnetic) and measure the reaction of the Suspension.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur quantitativen Erfassung magnetischer Partikel. Eine geeignete Vorrichtung findet sich beispielsweise in WO 00/49407 beschrieben. Hierbei wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein von einer Suspension durchflossenes Rohr in das Feld einer Spule gebracht. The present invention describes a method for the quantitative detection of magnetic particles. A suitable device is described, for example, in WO 00/49407. Here, as shown in FIG. 2, a tube through which a suspension flows is brought into the field of a coil.

Falls die Suspension magnetisierbar ist im Sinne von Paramagnetismus oder Ferromagnetismus, so ändert sich dadurch die Induktivität der gesamten Spulenanordnung.If the suspension is magnetizable in the sense of paramagnetism or ferromagnetism, so this changes the inductance of the entire coil arrangement.

Zeigt die Suspension ein wie in Fig. 1 beschriebenes Verhalten, so läßt sich die Suspension durch geeignete Messung identifizieren. Die Magnetisierungskurve in Fig. 1 ist durch einen linearen Bereich bei kleinen Feldstärken gekennzeichnet, der bei größeren Feldstärken in eine Sättigungsmagnetisierung übergeht.If the suspension shows a behavior as described in FIG. 1, the suspension can be identified by suitable measurement. The magnetization curve in FIG. 1 is characterized by a linear range at small field strengths, which changes to a saturation magnetization at higher field strengths.

Das in dieser Erfindung vorgeschlagene Verfahren nutzt die Nichtlinearität der Magnetisierungskurve für die Detektion von magnetisierbaren (para- oder ferromagnetischen) Partikeln in einer Suspension aus. In Fig. 4 und Fig. 5 wird das Verfahren durch Messung der magnetischen Partikel mit zwei unterschiedlichen magnetischen Feldstärken verdeutlicht. In Fig. 4 ist die Antwort einer Suspension auf ein sinusförmig moduliertes magnetisches Feld kleiner Amplitude dargestellt. Die Amplitude des modulierten Magnetfeldes ist so klein gewählt, daß der in Fig. 1 mit markierte lineare Bereich nicht verlassen ist. Somit ist auch die Magnetisierung als Funktion der Zeit in Fig. 4 sinusartig und das zugehörige Spektrum zeigt nur eine Linie bei der Frequenz der sinusförmigen Anregung.The method proposed in this invention takes advantage of the non-linearity of the magnetization curve for the detection of magnetizable (para- or ferromagnetic) particles in a suspension. In FIG. 4 and FIG. 5, the method is demonstrated by measurement of the magnetic particles with two different magnetic field strengths. In FIG. 4, the response of a suspension is illustrated in a sinusoidally modulated magnetic field of small amplitude. The amplitude of the modulated magnetic field is chosen so small that the linear region marked with in FIG. 1 is not left. The magnetization as a function of time in FIG. 4 is thus sinusoidal and the associated spectrum shows only one line at the frequency of the sinusoidal excitation.

Wird im weiteren Verfahren die Amplitude der sinusförmigen Anregung durch ein Magnetfeld derart erhöht, so daß der nichtlineare Teil der Magnetisierungskurve in Fig. 1 erreicht wird, so bedeutet dies, daß die magnetisierbaren Partikel eine Sättigungsmagnetisierung erreichen. Über der Zeit aufgetragen erhält man den in Fig. 5 (rechts) dargestellten Verlauf, der wegen Erreichen der Sättigung fast einer Rechteckmodulation entspricht. Im Spektrum des Magnetisierungssignales tauchen neben der Linie der Grundfrequenz auch eine Linie höherer Frequenz auf. Linien noch höherer Frequenz tauchen selbstverständlich gemäß der Nichtlinearität der Kurve Fig. 1 ebenfalls auf, jedoch mit geringerer Amplitude. Zur Detektion einer (magnetischen) Partikelsorte wird das Auftreten des Signales verwendet. Dies hat neben anderen Verfahren den Vorteil, daß das Signal erst dann von Null verschieden wird, sobald sich zu untersuchende Substanz im Probenkopf im Bereich der Spule befindet.If the amplitude of the sinusoidal excitation is increased in the further process by a magnetic field such that the non-linear part of the magnetization curve in FIG. 1 is reached, this means that the magnetizable particles achieve a saturation magnetization. Plotted over time, the curve shown in FIG. 5 (right) is obtained, which almost corresponds to a rectangular modulation because saturation has been reached. In addition to the line of the fundamental frequency, a line of higher frequency also appears in the spectrum of the magnetization signal. Lines of an even higher frequency naturally also appear according to the non-linearity of the curve in FIG. 1, but with a lower amplitude. The occurrence of the signal is used to detect a (magnetic) particle type. In addition to other methods, this has the advantage that the signal only differs from zero as soon as the substance to be examined is located in the probe head in the area of the coil.

Vorteilhaft für das verwendete Verfahren stellt sich der Umstand dar, daß nicht die Verschiebung der Frequenz der Magnetisierung durch die Änderung der Induktivität beim Durchfließen der Partikel analysiert wird, sondern das Auftreten einer Spektralkomponente (bei symmetrischer Magnetisierungskennlinie von mindestens dritter Ordnung), deren Amplitude direkt proportional der Menge an detektierten Partikeln ist. Dieser Umstand verbessert das Signal/Untergrund-Verhältnis außerordentlich.The fact that the shifting of the Frequency of magnetization due to the change in inductance as the particles flow through is analyzed, but the occurrence of a spectral component (with symmetric Magnetization characteristic of at least third order), the amplitude of which is directly proportional to the Amount of particles detected. This improves the signal / background ratio extraordinary.

Eine weitere Ausprägung des Verfahrens besteht in der Möglichkeit, auch die höheren Frequenzen neben auszuwerten. Aus dem Verhältnis der Amplituden dieser Linien und einer Eichmessung der Magnetisierungskurven der jeweils reinen Substanzen läßt sich eine Mischung und deren Mischungsverhältnis an magnetischen Partikeln in einer Suspension nachweisen. A further form of the method is the possibility of also the higher frequencies next to evaluate. From the ratio of the amplitudes of these lines and a calibration measurement of the Magnetization curves of the respective pure substances can be a mixture and their Detect the mixing ratio of magnetic particles in a suspension.  

Art der gewerblichen AnwendungType of commercial application

Durch die Funktionalisierung magnetischer oder magnetisierbarer Partikel bezüglich eines bestimmten weiteren Moleküls/Proteins wird das magnetische oder magnetisierbare Partikel spezifisches Reaktionszentrum ("Anziehungspunkt") für das vorgenannte Molekül/Protein. Durch geeignete Fraktionierung der Suspension werden Komplexe herausgefiltert, die aus den magnetischen Partikeln mit jeweils einem oder mehreren, je nach Funktionalisierung, angelagerten Zielmolekülen bestehen. Mit Hilfe einer Vorrichtung, die die Komplexe zeitlich variierend magnetisiert, und einem Verfahren, welches die zeitlich variierende Magnetisierung analysiert, wird es möglich, die Menge der magnetisierbaren Partikel zu detektieren und damit, unter Kenntnis der Funktionalisierung des Partikels, auch die Menge des Zielmoleküls zu ermitteln. Zielmoleküle können z. B. Blutkörperchen, Bakterien, Farbstoffe, Botenstoffe, Viren etc. sein.By functionalizing magnetic or magnetizable particles with respect to a specific one another molecule / protein, the magnetic or magnetizable particle becomes specific Reaction center ("point of attraction") for the aforementioned molecule / protein. By suitable Fractionation of the suspension complexes are filtered out with the magnetic particles consist of one or more target molecules, depending on the functionalization. With help a device which magnetizes the complexes in a time-varying manner and a method which the Analyzing time-varying magnetization, it becomes possible to determine the amount of magnetizable particles to detect and thus, with knowledge of the functionalization of the particle, also the amount of To determine the target molecule. Target molecules can e.g. B. blood cells, bacteria, dyes, messenger substances, Viruses etc.

Als Vorteil des Verfahrens ist die Kombination mit bereits bekannten Vorrichtungen zur Magnetisierung und die daraus resultierende kostengünstige Anordnung eines Testsystems zu sehen.An advantage of the method is the combination with known magnetization devices and to see the resulting inexpensive arrangement of a test system.

Weiter ist von großem Vorteil die durch die Ausnutzung der Nichtlinearität der Magnetisierungskennlinie erzielbare hohe Auflösung bei der Ermittlung der Anzahl der detektierten magnetisierbaren Partikel zu werten.Another advantage is that by utilizing the non-linearity of the magnetization characteristic achievable high resolution when determining the number of detected magnetizable particles values.

Claims (3)

1. Verfahren zur Detektion magnetischer oder magnetisierbarer Partikel, dadurch gekennzeichnet, daß die zu detektierenden magnetisierbaren Partikel durch Anlegen eines sinusförmig modulierten magnetischen Feldes einer Amplitude, die ausreichend ist, die magnetisierbaren Partikel in die Sättigungsmagnetisierung zu überführen, eine zeitlich abhängige Magnetisierung aufweisen, deren spektrale Zerlegung in Frequenzen neben der Frequenz des anregenden Feldes weitere Frequenzen aufweist, die charakteristisch für die Magnetisierungskurve der magnetisierbaren Partikel sind und die zur Detektion der magnetisierbaren Partikel verwendet werden.1. A method for the detection of magnetic or magnetizable particles, characterized in that the magnetizable particles to be detected by applying a sinusoidally modulated magnetic field of an amplitude which is sufficient to convert the magnetizable particles into the saturation magnetization have a time-dependent magnetization, the spectral Breakdown into frequencies in addition to the frequency of the exciting field has other frequencies which are characteristic of the magnetization curve of the magnetizable particles and which are used for the detection of the magnetizable particles. 2. Verfahren zur Detektion magnetischer oder magnetisierbarar Partikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Frequenzkomponente des Spektrums der zeitlich variierenden Magnetisierung für die Erfassung der Menge der magnetisierbaren Partikel ausgewertet wird.2. A method for the detection of magnetic or magnetizable particles according to claim 1, characterized in that only one frequency component of the spectrum of the temporal varying magnetization for the detection of the amount of magnetizable particles is evaluated. 3. Verfahren zur Detektion magnetischer oder magnetisierbarar Partikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auswertung mehrerer Intensitäten von Frequenzkomponenten im Spektrum der zeitlich variierenden Magnetisierung sowohl die Menge als auch die Art des magnetischen oder magnetisierbaren Partikels identifiziert wird, vorausgesetzt die Magnetisierungskennlinie des magnetischen oder magnetisierbaren Partikels sei, beispielsweise durch Eichmessung, bekannt.3. A method for the detection of magnetic or magnetizable particles according to claim 1, characterized in that by evaluating several intensities of Frequency components in the spectrum of the temporally varying magnetization both the Quantity as well as the type of magnetic or magnetizable particle identified provided the magnetization characteristic of the magnetic or magnetizable particle is known, for example by calibration measurement.