CN102575976A - 物质确定设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定流体内的物质的物质确定设备。使已经附着至物质的颗粒结合至结合表面(30)。所述感测单元(33)适于生成感测信号，其指示以下中的至少一个：i)结合到所述结合表面(30)上的颗粒与所述结合表面(30)之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的颗粒的平面内位置。所述结合鉴别单元(34)适于根据所生成的感测信号鉴别结合至结合表面(30)的颗粒的不同种结合。所述结合鉴别单元(34)优选是用于确定由特异性结合颗粒引起的感测信号部分的单元，其基于所确定的这一感测信号部分确定所述物质。

Description

物质确定设备

技术领域

本发明涉及用于确定流体内的物质的物质确定设备和物质确定方法。本发明还涉及用于相互协作以确定流体中的物质的结合装置和分析装置、用于相互配合以确定流体中的物质的结合方法和分析方法以及用于确定流体内的物质的分析计算机程序。

背景技术

WO 2009/098623A1公开了一种基于能够借助电磁场致动的磁珠的磁性生物传感器。采用抗体使所述磁珠功能化，所述抗体能够结合样本中的特定分析物分子。将珠粒吸引到传感器表面，其中，所结合的珠粒的数量与样本中存在的分析物分子的量直接相关或逆相关。之后，通过以受抑全内反射(FTIR)为基础的技术检测珠粒。

发明内容

在测量低分析物浓度时，一般通过针对低浓度获得的信号和针对不含分析物的空白测量获得的信号确定灵敏度。经观察，空白测量的信号不仅由仪器噪声决定，而且结合至表面的珠粒还会与分析物的存在无关地生成额外的信号，即，由非特异性结合生成额外的信号。由于这种非特异性结合的发生，提高每珠粒的仪器信号不会增大总灵敏度，因为非特异性结合的信号也增大了。

本发明的目的在于提供用于确定流体内的物质的物质确定设备和物质确定方法，其允许提高物质确定的灵敏度。本发明的另一目的在于提供用于相互协作以确定流体中的物质的相应结合装置和分析装置、用于相互配合以确定流体中的物质的结合方法和分析方法以及用于确定流体内的物质的分析计算机程序。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定流体内的物质的物质确定设备，其中，所述物质确定设备包括：

-颗粒，其用于附着至流体内的物质，

-结合表面，其用于在颗粒附着到该物质上的情况下结合所述颗粒，

-感测单元，其用于感测结合表面上的颗粒，其中，所述感测单元适于生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，

-结合鉴别单元，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到结合表面上的颗粒的不同种结合。

由于结合种类通常在下述方面中的至少一个方面存在差异：i)与结合表面的距离以及ii)结合表面上的平面内位置，因而通过生成至少指示i)与结合表面的距离以及ii)结合表面上的平面内位置的感测信号将确定指示结合种类，即具体而言，指示非特异性结合和特异性结合的信号。因此，能够使用这一信号鉴别结合至结合表面上的颗粒的不同种结合，例如，确定通过第一种结合结合的颗粒的量或浓度以及通过第二种结合结合到结合表面上的颗粒的量或浓度。因此，所述物质确定设备允许确定通过某一种结合结合到结合表面上的颗粒。因此，其能够改善物质确定设备的针对通过某一种结合结合到结合表面的颗粒的灵敏度。

具体而言，由于非特异性结合和特异性结合一般在与结合表面的距离和/或平面内位置方面存在差异，因而通过生成指示与结合表面的距离和/或平面内位置的感测信号，能够确定指示非特异性和特异性结合的信号。因此，能够使用这一信号区分非特异性结合和特异性结合，以及确定结合表面上的特异性结合的，即已经附着至所述物质的颗粒，例如，确定这些颗粒的量和浓度，进而确定所述物质的量或浓度。由于这一确定的量或浓度不受非特异性结合的影响，因而能够提高物质确定的灵敏度。

结合到结合表面上的颗粒的平面内位置优选是颗粒在通过结合表面定义的，具体而言与结合表面平行的平面内的位置。

结合鉴别单元优选是用于根据所生成的感测信号确定感测信号中由某一种结合导致的部分，尤其是用于确定感测信号中由特异性结合颗粒导致的部分的单元。所述结合鉴别单元还优选适于根据所确定的感测信号中由某一种结合导致的部分，尤其是根据所确定的感测信号中由特异性结合颗粒导致的部分确定流体内物质的浓度和/或量。

所述物质确定设备优选是磁性生物传感器，其中，所述颗粒是对物质进行标记的磁珠，即，纳米颗粒。优选采用能够附着至作为(例如)特定分析物分子的物质的附着单元使所述磁珠功能化。例如，所述附着单元为抗体、蛋白质、DNA、适体等。

所述物质确定设备优选包括用于将磁珠吸引到结合表面上和/或将磁珠从结合表面拉离的磁单位。

所述感测单元可以是任何采用允许根据颗粒与结合表面的距离生成感测信号的技术的单元。

所述结合鉴别单元优选是用于确定流体内的物质的特异性结合确定单元，其中，所述特异性结合确定单元适于根据所生成的感测信号确定作为已经附着到所述物质并结合到结合表面的颗粒的特异性结合颗粒。

特异性结合优选是取决于物质的存在的结合，即，其优选描述的结合为其中颗粒已经附着到了所述物质并结合到所述结合表面，而非特异性结合则优选是不取决于所述物质的存在的结合，即，其优选描述未附着到所述物质上且在所述结合表面上的颗粒的存在。

所述物质确定设备优选是生物传感器，尤其是适于执行夹心免疫测定的生物传感器。

所述特异性结合确定单元优选适于确定结合表面上的特异性结合颗粒的量。

所述感测单元优选包括光源和光探测器，所述光源用于生成被指引至所述结合表面以生成倏逝场的辐射，所述光探测器用于探测来自所述结合表面且指示颗粒对所述倏逝场的影响的光，其中，所述感测单元适于基于探测到的光生成感测信号。

结合表面上的倏逝场随着与结合表面的距离的增大而衰减，因此能够使用其生成取决于颗粒与结合表面的距离的感测信号，其中，所述感测信号对颗粒与结合表面之间的小的距离变化敏感。具体而言，所述感测信号对100nm或者更小的，更优选为50nm或者更小的，甚至更优选为1nm的距离变化敏感。

也有可能使用另一种以对颗粒与结合表面的距离敏感的另一技术为基础的感测单元。例如，所述感测单元可以采用巨磁电阻(GMR)技术或荧光共振能量转移(FRET)技术。

所述感测单元还优选适于修改以下中的至少一个：i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离，ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，以及iii)感测单元的距离灵敏度，其中，所述距离灵敏度指示感测信号对结合到结合表面的颗粒与结合表面之间的距离的依赖性，所述感测单元还优选适于根据以下中的至少一个生成第一感测信号：i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第一距离，ii)结合到结合表面上的颗粒的第一平面内位置，以及iii)第一距离灵敏度，所述感测单元还优选适于根据以下中的至少一个生成第二感测信号：i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第二距离，ii)结合到结合表面的颗粒的第二平面内位置，以及iii)第二距离灵敏度，其中，所述结合鉴别单元适于根据所述第一感测信号和第二感测信号鉴别不同种结合。

优选地，所述结合鉴别单元是适于根据所述第一感测信号和第二感测信号确定特异性结合颗粒的特异性结合确定单元。

具体而言，所述感测单元包括光源和光探测器，所述光源用于生成被指引至所述结合表面以生成倏逝场的辐射，所述光探测器用于探测来自所述结合表面且指示颗粒对所述倏逝场的影响的光，其中，所述感测单元适于基于探测到的光生成感测信号，其中，所述感测单元适于通过修改以下中的至少一个而修改所述倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的空间关系：i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离，ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，以及iii)距离灵敏度，所述感测单元还适于根据所述倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的第一空间关系生成第一感测信号，并且还适于根据所述倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的第二空间关系生成第二感测信号。

如果相应的颗粒存在于距所述结合表面的某一距离处，那么所述距离灵敏度优选定义感测信号的强度。因而，如果采用第一距离灵敏度执行第一测量，采用不同于所述第一距离灵敏度的第二距离灵敏度执行第二测量，那么在结合至结合表面的相应颗粒具有距结合表面的相同距离的情况下，作为第一测量的结果的第一感测信号和作为第二测量的结果的第二感测信号是不同的。例如，能够通过修改倏逝场，尤其是通过修改倏逝场的高度而修改距离灵敏度。

倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的空间关系优选是沿与结合表面正交的方向的空间关系。因而，所述空间关系优选是倏逝场的高度与颗粒距结合表面的距离之间的关系。可以将与所述表面距离z处的倏逝场强度I(z)写作：I(z)～exp(-z/ζ)，其中，由给出倏逝场衰减长度ζ，其中，λ是所述光的波长，n₁和n₂分别是衬底和样本液体的折射率，θ是用于生成倏逝场的光束相对于试剂盒(cartridge)表面法线的入射角。于是，可以通过I^颗粒 _{散射/吸收}(z)～σ_颗粒(d，λ)·exp(-z/ζ(λ))给出被在距离z处结合至所述表面的颗粒散射和/或吸收的光的强度，其中，其中，σ_颗粒(d，λ)是具有直径d的颗粒在波长λ上的散射和/或吸收截面。可以将倏逝场衰减长度ζ看作是倏逝场的高度。但是，应当指出，倏逝场随着与结合表面的距离的增大而指数衰减，即，从数学上来讲，在距结合表面的每一距离上都仍然存在倏逝场。

所述感测单元可以适于根据倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的两种以上的不同空间关系生成两种以上的感测信号，其中，所述特异性结合确定单元能够适于根据所生成的作为两种以上信号的不同感测信号确定特异性结合颗粒。

所述感测单元还能够适于生成两种以上倏逝场，以便生成两个以上感测信号。

所述感测单元还优选通过修改被指引至结合表面的辐射的波长而修改倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的关系。

在实施例中，所述光源适于生成被指引至所述结合表面并生成第一倏逝场的具有第一波长的第一辐射，以及生成被指引至所述结合表面并生成第二倏逝场的具有第二波长的第二辐射，其中，所述光探测器适于探测被所述结合表面反射或散射之后的所述第一辐射和第二辐射，其中，所述光探测器适于根据所探测到的第一辐射生成第一感测信号，以及根据所探测到的第二辐射生成第二感测信号。

这样允许简单地使用两种不同的波长生成第一倏逝场和第二倏逝场。此外，由于使用了不同的波长，因此能够通过光探测器测量来自结合表面的具有第一波长的第一辐射和具有第二波长的第二辐射，由此容易地生成所述第一感测信号和所述第二感测信号。所述光探测器优选适于区分所述第一波长和第二波长。或者或此外，所述感测单元可以适于首先采用第一辐射，之后采用第二辐射照射所述结合表面，反之亦然。在这种情况下，光探测器不必区分所述第一波长和第二波长。

由于所述两种倏逝场具有对距结合表面的距离的不同的依赖性，因而结合表面上的颗粒对所述不同倏逝场的影响指示颗粒位于与结合表面的不同距离上。由于不同的结合，尤其是特异性结合和非特异性结合就与结合表面的距离而言是不同的，因而能够使用所述第一感测信号和第二感测信号鉴别不同种结合，尤其是确定特异性结合颗粒。

所述光源优选包括用于生成不同波长的两个发光二极管(LED)。具体而言，所述光源优选包括红光LED和蓝光LED。但是，所述光源也可以包括用于激发倏逝场的红光激光器和蓝光激光器。

所述感测单元还优选适于通过修改辐射与结合表面相遇所处的角度而修改倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的关系。

在实施例中，所述光源适于生成被以第一角度指引至所述结合表面以生成第一倏逝场的第一辐射，以及生成被以第二角度指引至所述结合表面以生成第二倏逝场的第二辐射，其中，所述光探测器适于探测在所述结合表面上被反射或散射之后的所述第一辐射和第二辐射，其中，所述感测单元适于根据所探测到的第一辐射生成第一感测信号，以及根据所探测到的第二辐射生成第二感测信号。所述第一和第二辐射可以具有相同的波长。

这样允许简单地通过使用两个不同的角度生成两种倏逝场，其中，所述第一辐射和第二辐射分别以所述不同的角度与所述结合表面相遇。此外，由于被反射的第一辐射和被反射的第二辐射指向不同的方向，因此，在采用FTIR技术的情况下，能够通过在不同的空间位置上探测这些辐射而使所述被反射的第一辐射和被反射的第二辐射容易地相互分开。

也可以使用两个以上波长和/或使辐射被指引至结合表面所处的两个以上角度。此外，能够采用具有不同波长，并且被以不同角度指引至结合表面的辐射。

所述感测单元还能够适于通过用另一种流体与所述流体交换而改变所述流体的折射率，由此修改倏逝场，尤其是修改倏逝场的高度和距离灵敏度，进而修改结合至结合表面的颗粒与倏逝场的高度之间的空间关系。

所述光探测器还适于探测被所述结合表面反射的光。所述感测单元优选适于在受抑全内反射(FTIR)的基础上生成感测信号。

所述光探测器还优选适于探测被结合到结合表面上的颗粒散射的光。

所述感测单元优选包括物镜，其用于收集被结合表面上的结合颗粒散射的倏逝场的光，其中，通过诸如成像透镜的成像单元将收集到的散射光成像到诸如CCD或CMOS相机的二维光探测器上。其允许采用暗视野显微术(DFM)生成感测信号。具体而言，可以采用DFM生成的感测信号判断单珠粒是特异性结合还是非特异性结合到了结合表面上。

优选为生物传感器的物质确定设备可以包括光学元件，其中，所述物质确定设备还优选包括用于校正因使用不同的波长而导致的消色效应的装置。例如，如果所述光探测器为CCD探测器，那么这一装置为(例如)消色透镜或者软件工具，其校正光探测器上由不同波长生成的结合表面的图像之间的偏移。

所述感测单元还优选包括用于向结合至结合表面的颗粒施加力的力施加单元，其中，所述感测单元适于通过修改向结合到结合表面上的颗粒施加的力而修改以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，以及ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置。

应当指出，平面内位置的修改不意味着颗粒必须直接位于结合表面上。当然，结合颗粒也可以处于与结合表面存在一定距离的位置。可以将所述平面内位置定义为正交地(即，与结合表面正交)投影到结合表面上的颗粒的位置。

所述力施加单元还优选适于使颗粒朝向结合表面移动，以及使颗粒沿远离结合表面的方向移动，其中，所述感测单元适于在结合到结合表面的颗粒已经朝向结合表面移动的情况下生成第一感测信号，并且在结合到结合表面的颗粒已经沿远离结合表面的方向移动的情况下生成第二感测信号。

不同种结合一般具有不同的结合长度。具体而言，非特异性结合的颗粒一般具有与特异性结合的颗粒不同的另一结合长度。如果颗粒移向结合表面，那么不同种结合之间的所述距离之间的差异将变得更小，乃至根本不存在。如果颗粒沿远离结合表面的方向移动，那么不同结合的颗粒的所述距离之间的差异增大，尤其是使其最大化。因此，还增大了所述第一和第二感测信号的偏差，尤其是使其最大化，因此能够使用其改进不同种结合的鉴别质量，尤其是改进确定特异性结合的颗粒的质量。

所述感测单元还优选适于在使结合至结合表面的颗粒沿远离结合表面的方向移动的同时随时间推移生成若干感测信号，其中，所述结合鉴别单元适于根据随时间推移生成的所述若干感测信号鉴别不同种结合。

具体而言，所述结合鉴别单元优选是特异性结合确定单元，其适于根据随时间推移生成的所述若干感测信号来确定特异性结合颗粒。

如果存在具有不同结合长度和/或结合强度的几种非特异性结合，和/或存在具有不同结合长度和/或结合强度的不同种特异性结合，那么具有不同结合长度和/或强度的不同种颗粒将在不同的时间上达到其与结合表面的最大偏移。可在随时间推移测量的若干感测信号中看到这一针对某一种颗粒达到与结合表面的最大偏移的情况，可以将其看作是单个时间相关感测信号。因此能够使用随时间推移测得的所述若干感测信号区分不同种特异性和/或非特异性结合颗粒。

随着时间的推移，所述感测信号，尤其是来自FTIR感测信号的总响应将起始于将所有颗粒朝向结合表面吸引时的最小值，并在使所述颗粒远离结合表面移动时增大。这一增大将随着更多颗粒抵达其相对于结合表面的最大高度而在分立的台阶(discrete step)中持平(flatten off)，其中，所述最大高度是由其相应的结合长度给出的。所述分立的台阶指示了不同种结合的，尤其是特异性和非特异性结合颗粒的群体。因此，随时间推移测得的所述感测信号，尤其是所述感测信号中的分立的台阶指示了通过某种结合结合的颗粒的群体，尤其是量或浓度。因此，所述结合鉴别单元优选适于根据随时间推移测得的感测信号，尤其是根据随时间推移测得的感测信号中的分立的台阶鉴别不同种结合，尤其是确定特异性结合颗粒。

由于在随着时间推移而生成若干感测信号时颗粒的高度逐渐变化，因而可以将随着时间推移生成的若干感测信号看作是若干第一和第二感测信号。

所述力施加单元优选是用于向结合至结合表面的颗粒施加磁力的磁单元。所述颗粒优选是能够通过磁场而被施加力的颗粒。所述磁单元可以适于使得能够将颗粒吸向结合表面或者将颗粒拉离结合表面。所述磁单元还可以适于修改结合颗粒的平面内位置，即，使颗粒沿平行于结合表面的横向方向移动。此外，所述磁单元可以适于使得能够修改优选为磁性颗粒的颗粒的取向。优选改变所述取向从而修改结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离。

此外或者作为替代，所述力施加单元可以适于向颗粒施加另一种力，以修改结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离和/或结合到结合表面上的颗粒的平面内位置。例如，所述力施加单元可以适于向结合至结合表面的颗粒施加流体力、静电力、声波力等。具体而言，可以对流体的离子含量加以修改，以修改结合至结合表面的颗粒与结合表面的距离。

所述结合鉴别单元还优选适于根据所述第一感测信号和所述第二感测信号的比值鉴别不同种结合。具体而言，所述结合鉴别单元是特异性结合确定单元，其适于根据所述第一感测信号和所述第二感测信号的比值来确定特异性结合颗粒。

由于所述第一信号和第二信号按照相同的方式依赖于结合表面上的颗粒的数量，但是按照不同的方式依赖于倏逝场与结合至结合表面的颗粒之间的空间关系，因而这些信号的比值指示这一空间关系，进而指示距离，并因此指示特异性和非特异性结合。

所述物质确定设备优选还包括：

-特异性比值提供单元(40)，其用于提供特异性比值，所述特异性比值是i)第一感测信号和第二感测信号之一与ii)第一感测信号和第二感测信号中的另一个的比值，其指示所述结合表面上的颗粒的特异性结合，

-非特异性比值提供单元(41)，其用于提供非特异性比值，所述非特异性比值是i)第一感测信号和第二感测信号之一与ii)第一感测信号和第二感测信号中的另一个的比值，其指示所述结合表面上的颗粒的非特异性结合，

其中，所述特异性结合确定单元适于将特异性结合颗粒的量确定为下述项的比值

a)i)第一感测信号和第二感测信号之一，和ii)非特异性比值与第一感测信号和第二感测信号中的另一个的乘积，之间的差值，

b)i)1，和ii)非特异性比值与特异性比值的比值，之间的差值。

所述特异性比值提供单元和非特异性比值提供单元优选是存储单元，将所述特异性比值和非特异性比值存储在其内，并且可以从其检索这些比值。可以通过在流体内存在非常高的物质浓度，即优选使结合表面饱和，即使结合表面被完全占据的浓度时，生成第一感测信号和第二信号来确定特异性比值。此外，可以通过在流体内不存在所述物质时生成第一感测信号和第二感测信号来确定非特异性比值。

这样允许以高灵敏度确定结合表面上特异性结合的颗粒的量。

所述物质确定设备优选包括结合装置和分析装置，所述结合装置尤其是试剂盒，其包括颗粒和结合表面，并且适于接收流体，可以将所述分析装置看作是读取器，其包括所述感测单元和所述特异性结合确定单元。

所述结合装置优选是一次性使用装置，所述分析装置优选是可重复使用的装置。因而，通过在所述结合装置和所述分析装置上分布所述功能，能够将所述物质确定设备的一部分用作一次性使用装置，将另一部分用作可重复使用装置。由于将优选为体液样本的流体，例如，血液、唾液或尿液引入到了结合装置内，并且由于所述结合装置是一次性使用的装置，因而可以对结合装置仅使用一次之后抛弃，即，特异性结合颗粒的确定不受前一次测量的杂质的影响。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于与分析装置协作以确定流体内的物质的结合装置，其中，所述结合装置包括

-颗粒，其用于附着至流体内的物质，

-结合表面，其用于在颗粒已经附着到该物质的情况下结合颗粒，

所述分析装置包括：

-感测单元，其用于感测结合表面上的颗粒，其中，所述感测单元适于生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，

-结合鉴别单元，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到结合表面上的颗粒的不同种结合。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于与结合装置协作以确定流体内的物质的分析装置，其中，所述结合装置包括：

-颗粒，其用于附着至流体内的物质，

-结合表面，其用于在颗粒已经附着到该物质上的情况下结合颗粒，

所述分析装置包括：

-感测单元，其用于感测结合表面上的颗粒，其中，感测单元适于生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的颗粒的平面内位置，

-结合鉴别单元，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到结合表面上的颗粒的不同种结合。

所述分析装置优选包括用于将优选为磁性的颗粒向结合表面吸引的磁单元。

在另一个例子中，将所述磁单元设计为生成旋转磁场，从而向所述颗粒施加力，例如，如公开文本WO 2009/037636-A1或者WO 2010/026551-A1中所述。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定流体内的物质的物质确定方法，其中，所述物质确定方法包括下述步骤：

-使颗粒附着至流体内的物质，

-在颗粒已经附着至该物质的情况下，使颗粒结合至结合表面，

-感测结合表面上的颗粒，其中，生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，

-根据所生成的感测信号鉴别结合到结合表面上的颗粒的不同种结合。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于与分析方法配合以确定流体内的物质的结合方法，所述结合方法包括下述步骤：

-使颗粒附着至流体内的物质，

-在颗粒已经附着至该物质的情况下，使颗粒结合至结合表面，所述分析方法包括下述步骤：

-感测结合表面上的颗粒，其中，生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，

-根据所生成的感测信号鉴别结合至结合表面的颗粒的不同种结合，尤其是根据所生成的感测信号确定作为已经附着至该物质并结合至结合表面的颗粒的特异性结合颗粒。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于与结合方法配合以确定流体内的物质的分析方法，其中，所述结合方法包括下述步骤：

-使颗粒附着至流体内的物质，

-在颗粒已经附着至该物质的情况下，使颗粒结合至结合表面，所述分析方法包括下述步骤：

-感测结合表面上的颗粒，其中，生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离，和ii)结合到结合表面上的颗粒的平面内位置，

-根据所生成的感测信号鉴别结合至结合表面上的颗粒的不同种结合，尤其是根据所生成的感测信号确定作为已经附着至该物质并结合至结合表面的颗粒的特异性结合颗粒。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定流体内的物质的分析计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当在控制所述分析装置的计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于令根据权利要求13所述的分析装置执行根据权利要求15所述的分析方法的步骤。

应当理解，根据权利要求1所述的物质确定设备、根据权利要求12所述的结合装置、根据权利要求13所述的分析装置、根据权利要求14所述的物质确定方法、上文所述的结合方法、根据权利要求15所述的分析方法以及根据权利要求16所述的分析计算机程序具有如从属权利要求中界定的类似和/或等同的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。

附图说明

在下述附图中：

图1示意性和示范性地示出了结合装置的截面；

图2示意性和示范性地示出了结合装置的毛细结构；

图3示意性和示范性地示出了结合装置的顶视图；

图4示意性和示范性地示出了包括结合装置和分析装置的物质确定设备；

图5示意性和示范性地示出了与结合表面的不同种结合；

图6-11示意性和示范性地示出了施加到结合至结合表面的颗粒上的力的影响；

图12和13示意性和示范性地示出了结合至结合表面的颗粒的不同取向；

图14示意性和示范性地示出了结合颗粒与结合表面的距离与取向角的相互性；

图15示意性和示范性地示出了用于向颗粒施加磁力从而修改颗粒的取向的力施加单元；

图16示意性和示范性地示出了引入到分析装置内的结合装置；以及

图17示出了对用于确定流体中的物质的物质确定方法进行示范性说明的流程图。

具体实施方式

图1示意性和示范性地示出了用于结合流体3内的必须确定的物质的结合装置1。结合装置1包括用于对流体3过滤的过滤元件2和用于生成毛细力的毛细结构5。优选采用粘合剂使毛细结构5附着至过滤元件2。在这一实施例中，毛细结构5由双面粘合的双面带构成。

结合装置1包括过滤器2所处的过滤位置6和能够对流体3内的物质检测的感测位置7，其中，将毛细结构5形成为通过毛细力将经过滤的流体3从过滤位置6向感测位置7引导。

所述毛细结构5包括将过滤位置6与检测位置7连接起来的连接通道和处于过滤位置6的引导通道9，其中，所述引导通道9从所述连接通道8的末端延伸出来。在这一实施例中，引导通道9从连接信道8的末端10径向延伸。在图2中更加详细地示意性和示范性地示出了毛细结构5。图3示意性和示范性地示出了在图1中通过剖面图示出的结合装置1的顶视图。

所述结合装置1包括感测腔14，其位于感测位置7，可在其内对流体3的物质进行检测。这一感测腔14由所述结合装置1的第一部分15和第二部分16连同毛细结构5形成。此外，所述第一部分15和第二部分16连同毛细结构5一起形成了连接信道8。所述第一部分15和第二部分16优选通过粘合剂，尤其是通过形成了毛细结构5的双面带相互附着。所述第一部分15和第二部分16是注塑模制的塑料衬底，其优选对可见光透明。可以将所述第一部分15看作是上衬底或者封闭元件或覆盖元件，可以将所述第二部分16看作是所述结合装置1的下衬底或基底元件。所述第一部分15包括用于允许气体离开毛细结构5的出口39。

在这一实施例中，所述过滤元件2是血液分离过滤器，所述结合装置1形成了优选一次性使用的试剂盒。所述结合装置1优选用于护理点诊断。所述结合装置1优选适于检测全血样本，尤其例如25μl的手指针刺采集样本中的低浓度生物标记。所述感测位置7优选包括免疫测定。具体而言，所述感测位置7包括用于附着至流体3内的物质的颗粒组17，其中，如果流体3处于感测位置7，那么所述颗粒组与流体3混合，并且所述颗粒附着流体3内的物质。所述颗粒组17也能够位于感测位置7和过滤位置6之间。

图4示意性和示范性地示出了包括结合装置1和分析装置18的物质确定设备19。结合装置1已经插入到了分析装置18内。分析装置18包括用于感测结合表面30上的颗粒的感测单元33，其中，所述感测单元33适于生成感测信号，所述感测信号指示结合到结合表面30上的颗粒与结合表面30之间的距离。所述分析装置18还包括用于根据所生成的感测信号鉴别结合至结合表面的颗粒的不同种结合的结合鉴别单元34。在这一实施例中，所述结合鉴别单元34是特异性结合确定单元34，其用于根据所生成的感测信号确定作为已经附着至所述物质并结合至结合表面30的颗粒的特异性结合颗粒。所述物质确定设备19是磁性生物传感器，其中，所述颗粒是通过附着至物质而对所述物质做出标记的磁珠，即，纳米颗粒。为了附着所述物质，采用能够附着至所述物质的附着单元使所述磁珠功能化，例如，所述物质为特异性分析物分子。在这一实施例中，所述附着单元为抗体。但是，所述附着单元也可以是蛋白质、DNA、适体等。

分析装置18包括磁单元23、24，其用于将磁性颗粒吸向结合表面30，以及将磁性颗粒拉离结合表面30。所述磁单元包括马蹄形磁体23和第二磁体24，如果将所述结合装置插入到了所述分析装置内，那么所述马蹄形磁体23优选处于所述结合装置1的一侧的平面布置内，如果将所述结合装置插入到了所述分析装置内，那么所述第二磁体24布置在所述结合装置1的相对侧上。所述磁单元23、24是用于向结合至结合表面30的颗粒施加力的力施加单元。

所述感测单元33还包括作为(例如)发光二极管或激光器的光源20，其用于生成被指引至结合表面30从而在结合表面30上生成倏逝场的辐射28。

所述结合表面30上的倏逝场受到结合至结合表面30的颗粒的影响，因而影响包括在试剂盒表面被全内反射的光的反射光束31以及包括被结合至结合表面30的颗粒散射的倏逝场的光的散射光束29。通过物镜25将反射光31成像到优选为CCD照相机的第一光探测器21上。由显微镜物镜32收集散射辐射，并通过成像透镜26将其成像到第二探测器27上。所述第一探测器21和第二探测器27生成感测信号，将所述感测信号提供给所述特异性结合确定单元34，从而根据所生成的感测信号确定作为已经附着至所述物质并结合至所述结合表面30的颗粒的特异性结合颗粒。所述第一探测器21的感测信号以FTIR为基础，所述第二探测器27生成的感测信号以DFM为基础。所述特异性结合确定单元34优选适于确定结合表面30上的特异性结合颗粒的量。

在下文中将简要描述FTIR感测信号的生成。如果光束在较高折射率介质，例如所述第二部分16和较低折射率介质，例如，所述流体之间的界面处发射反射，那么存在某一临界入射角，超过该角将发生全内反射(TIR)状况。图4所示的探测构造(与折射率和入射角有关)使得存在入射射束的全内反射。尽管在这样的状况下光被全反射，但是光仍然穿透到具有低折射率的介质的非常薄的层内。其被称为倏逝场，其强度在所述低折射率介质内指数衰减，其具有大约为光的波长的特征穿透深度。因而，在实践中，所述穿透深度优选小于0.5微米。如果磁性颗粒结合至结合表面30，那么这一优选约为0.5微米的非常薄的第一流体层的光学特性将被改变，从而导致反射光束强度的降低。这是由倏逝光的吸收和散射(FTIR；受抑全内反射)引起的。因此，探测器21上的光强降低，因而其信号降低，而探测器27上的光强增大，进而其信号增大。

为完整起见，在下文中公开了光学方法的例子，例如，第二探测器27中采用空间滤波(未示出)的暗场检测，其额外布置在反射光束31的处于试剂盒1和第二探测器27之间的路径内。FTIR检测法的明确优点是采用得到很好的准直的平行入射束，其照射结合表面30，并在被反射之后射到第二探测器27上。在采用检测分支的第二探测器27内的成像(会聚)透镜时，反射光束31的几乎所有被全内反射的光都通过所述透镜的焦平面传输，并且会聚到成像透镜的焦平面(傅里叶平面)内的非常小的面积内(取决于透镜的NA和光的波长)。在一个例子中，光还朝向图像平面传播，其射到第二探测器27上，并在该处生成结合表面30的明场图像。然而，根据不同的例子，使空间滤波器(障碍罩，未示出)位于成像透镜的傅里叶平面内，其尺寸稍微大于焦斑。其作用在于，使所有源自于全内反射的光都受到所述障碍的阻挡，任何所述光都无法射到探测器27上，其结果是当在结合表面30上未发生散射时，光信号为零(即暗图像)。

当在结合表面30上发生目标颗粒的结合时，光的散射导致了光被沿除了主反射出射光束31的方向以外的随机方向散射。因此，这些散射射线将通过离轴透镜的傅里叶平面，而不会受到用于暗场成像的滤波器的沿轴障碍的阻挡，从而导致在第二探测器27上存在一些光。由于仍然将散射光成像到第二探测器27上，因而现在测得信号与散射量直接成比例，散射量又与结合的目标颗粒的量成比例。通过这种方式，获得了光“x信号”，可以通过上述具有高SNR的装置对其做进一步处理。

图5示意性和示范性地示出了结合表面30上的不同种结合。在图5中，虚线35示意性和示范性地指示倏逝场的高度，可以将其定义为倏逝场的衰减长度ζ。由于倏逝场随着与结合表面30的距离的增大而指数降低，因而更加接近结合表面的颗粒对倏逝场的影响比更加远离结合表面30的颗粒的影响更大。由A指示的颗粒通过附着单元39、物质36和结合单元38特异性结合至结合表面30。颗粒B没有像颗粒A那样形成正常的夹心，而是通过附着单元39和结合单元38，即，在没有所夹的物质的情况下结合至结合表面30。

颗粒C通过附着单元39、单元37和结合单元38结合至结合表面30，所述单元37并非所要确定的物质，即，不是分析物。颗粒D通过附着单元39直接结合到结合表面30上的外露区域上。这意味着结合表面30包括结合单元38，其用于形成如图5中针对颗粒A所示的正常夹心。在图5所示的例子中，这些结合单元38还结合颗粒B、C和E。但是，颗粒D通过附着单元39直接结合到了结合表面30上。

颗粒E的外露区域通过结合单元38直接结合到了结合表面30上，即，所述颗粒包括用于附着所述物质的附着单元39，其中，颗粒A、B、C、D通过相应颗粒的附着单元39结合到了结合表面30上。但是，颗粒E未经过附着单元39结合至结合表面30，而是颗粒E的外露区域通过结合单元38附着到了结合表面30上。

在图5中，只有颗粒A形成了正常夹心。因此，颗粒A特异性结合到了结合表面30上。其他颗粒B、C、D、E未形成正常夹心，因此非特异性结合到了结合表面30上。从图5中可以看出，特异性结合的颗粒A与结合表面30的距离不同于非特异性结合颗粒B、C、D、E与结合表面30的距离。

非特异性结合优选是任何不取决于物质的存在，即不取决于要在样本流体中检测的特定分析物的存在的结合。图5图示了夹心免疫测定的特异性和非特异性结合之间的差异。但是，其他种类的测定也可能包括特异性和非特异性结合，如果选择另一种测定确定流体中的物质，也可以采用物质确定设备19确定特异性结合颗粒。

所述感测单元33适于修改倏逝场与结合至结合表面30的颗粒之间的空间关系，根据倏逝场与结合至结合表面30的颗粒之间的第一空间关系生成第一感测信号，以及根据倏逝场与结合至结合表面30的颗粒之间的第二空间关系生成第二感测信号，其中，所述特异性结合确定单元34适于根据所述第一感测信号和第二感测信号确定特异性结合颗粒。所述第一感测信号和第二感测信号可以是由第一探测器21生成的FTIR信号。但是，所述第一感测信号和第二感测信号也可以是由第二探测器27生成的DFM信号。此外，所述特异性结合确定单元34可以适于根据由第一探测器21生成的第一和第二FTIR信号以及由第二探测器27生成的第一和第二DFM感测信号确定特异性结合颗粒。

所述感测单元33优选适于通过生成第一倏逝场和第二倏逝场感测结合表面30上的颗粒，以及根据颗粒对第一倏逝场的影响生成第一信号，根据颗粒对第二倏逝场的影响生成第二信号，其中，所述第一倏逝场具有对距结合表面30的距离的第一依赖性，所述第二倏逝场具有对距结合表面30的距离的第二依赖性。

由于所述两种倏逝场具有对距结合表面30的距离的不同的依赖性，因而结合表面30上的颗粒对所述不同倏逝场的影响指示颗粒处于与结合表面30的不同距离上。由于特异性和非特异性结合一般就与结合表面30的距离而言是不同的，因而能够采用所述第一感测信号和第二感测信号确定特异性结合颗粒。

在这一实施例中，所述感测单元33适于通过修改被指引至结合表面30的辐射28的波长而修改倏逝场与结合至结合表面30的颗粒之间的关系。具体而言，所述光源20适于生成被指引至所述结合表面30并生成第一倏逝场的具有第一波长的第一辐射，以及被指引至所述结合表面30并生成第二倏逝场的具有第二波长的第二辐射，其中，所述光探测器21、27适于探测在所述结合表面上分别被反射和散射之后的所述第一辐射和第二辐射，其中，所述光探测器21、27适于根据所探测到的第一辐射生成第一感测信号，以及根据所探测到的第二辐射生成第二感测信号。

光探测器21、27优选适于区分所述第一波长和第二波长。或者或此外，所述感测单元33可以适于首先采用所述第一辐射，之后采用所述第二辐射照射所述结合表面30，反之亦然。在这种情况下，光探测器21、27不需要区分所述第一波长和所述第二波长。

所述光源20可以包括用于生成不同波长的两个发光二极管或两个激光器。具体而言，光源20优选包括红光发射二极管和蓝光发射二极管。在另一实施例中，可以通过修改辐射与结合表面30相遇所处的角度而生成所述第一倏逝场和第二倏逝场。

从图5中可以看出，结合表面30与颗粒之间的距离在非特异性结合的情况下往往与特异性结合的情况下不同。例如，只有非特异性结合颗粒C与结合表面30的距离可能接近特异性结合颗粒A与结合表面30的距离。对于其他非特异性结合颗粒B、D、E，就与结合表面30的距离而言的差异就更加显著了。由于特异性和非特异性结合一般就与结合表面的距离而言存在差异并且由于感测单元33生成指示结合至结合表面30上的颗粒与结合表面30之间的距离的感测信号，因而特异性结合确定单元34能够根据所生成的感测信号确定特异性结合颗粒。

所述感测信号优选是取决于结合表面上的颗粒数量的信号变化，根据下述方程确定每颗粒的信号变化：

S＝Ns                    (1)

其中，S指示信号变化，即感测信号，N指示倏逝场内的结合表面30上的颗粒的数量，s指示每颗粒的信号变化。每颗粒的信号变化取决于颗粒与结合表面30的距离。假设存在两个级别，那么可以将所述信号变化定义为：

S＝N_ss_s+N_as_a             (2)

其中，N_s指示结合表面30上的处于倏逝场内的特异性结合颗粒的数量，s_s指示每特异性结合颗粒的信号变化，N_a指示结合表面30上的处于倏逝场内的非特异性结合颗粒的数量，s_a指示每非特异性结合颗粒的信号变化。

如果在存在第一倏逝场时生成了第一感测信号，并且在存在第二倏逝场时生成了第二感测信号，那么所述第一感测信号和第二感测信号按照相同的方式依赖于同一感兴趣区域内的颗粒的数量，但是按照不同的方式依赖于颗粒与结合表面30的距离。因此，第一感测信号和第二感测信号的比值指示颗粒与结合表面30的距离。

具体而言，与结合表面具有相同距离的颗粒将导致相同的第一感测信号和第二感测信号的比值，即使结合表面上的颗粒的量不同亦如此。因此，特异性结合确定单元34适于根据所述第一感测信号和第二感测信号的比值确定特异性结合颗粒。

可以通过下述方程定义所述第一感测信号S^R和所述第二感测信号S^B：

$S^R=N_s{s}_s^R+N_a{s}_a^R$ 以及            (3)

$S^B=N_s{s}_s^B+N_a{s}_a^B---\left(4\right)$

其中，采用上标R和B区分用于生成第一感测信号的测量以及用于生成第二感测信号的测量的感测信号，即，信号变化和每颗粒信号变化，尤其是区分分别通过红光和蓝光执行的，或者分别通过入射角θ1和θ2执行的两种测量。

所述特异性结合确定单元34优选适于确定或

即，所述特异性结合确定单元34优选适于从感测信号中减去非特异性结合的贡献。那么其结果是仅由特异性结合颗粒引起的感测信号，尤其是信号变化。例如，可以将这一信号直接用于确定结合表面30上的特异性结合颗粒的量。例如，在结合表面上存在已知量的特异性结合颗粒的同时确定从其中减去了非特异性结合的贡献的感测信号，由此对物质确定设备19进行校准。

在实施例中，感测单元33适于使得能够采用由显微镜物镜32收集并且由成像透镜26成像到第二光探测器27上的散射光29区分由单个颗粒引起的感测信号，即，信号变化。在这一实施例中，所述第二光探测器27优选包括二维探测表面，其中，所述二维探测表面上的不同位置对应于结合表面30上的不同颗粒的感测信号。因而，能够针对结合至结合表面30的单颗粒生成第一和第二感测信号。对于每一颗粒而言，可以确定所述第一感测信号和第二感测信号的比值，并且特异性结合确定单元34可以采用这一比值针对每一单个颗粒确定相应的颗粒特异性或者非特异性结合至结合表面。

此外，还可以采用所述第二光探测器27探测的图像仅仅对结合至结合表面30的颗粒的数量计数。此外，可以由第一光探测器21生成第一FTIR感测信号和第二FTIR感测信号。所述第一感测信号是(例如)采用第一波长时的第一测量期间的信号变化，而第二感测信号则是(例如)采用第二波长时的第二测量期间测得的信号变化。由于已经测得的信号变化和颗粒数量，因而能够确定每颗粒信号变化并且可以将其用于解方程(3)和(4)。通过这种方式，特异性结合确定单元能够确定特异性结合颗粒的数量N_s和非特异性结合颗粒的数量N_a。

图4中示意性和示范性地示出的物质确定设备19的实施例优选还包括特异性比值提供单元40和非特异性比值提供单元41，特异性比值提供单元40用于提供特异性比值，该比值作为第一感测信号和第二信号的比值，并且指示结合表面30上的颗粒的特异性结合，非特异性比值提供单元41用于提供非特异性比值，该比值作为第一感测信号和第二感测信号的比值，并且指示结合表面上的颗粒的非特异性结合。在这一实施例中，所述特异性比值提供单元40和非特异性比值提供单元41是在其内存储特异性比值和非特异性比值，并向其检索这些比值的存储单元。例如，可以在流体内存在非常高的物质浓度，即，优选使结合表面30饱和，即，被完全占据的浓度的同时，生成第一感测信号和第二感测信号，由此确定所述特异性比值。因此，所述特异性比值是第一感测信号和第二感测信号之间的比值，其中，所述第一感测信号和所述第二感测信号是仅由特异性结合颗粒导致的。可以通过在流体内根本不存在所述物质的同时生成第一感测信号和第二感测信号来确定所述非特异性比值。因而，非特异性比值是所述第一感测信号和所述第二感测信号之间的比值，其中，所述第一感测信号和所述第二信号并非由特异性结合颗粒生成，而是基本上仅由非特异性结合颗粒生成。特异性比值Q_s或非特异性比值Q_a不取决于特异性或非特异性结合的颗粒的数量，其可以由下述方程描述：

$Q_s=\frac{S^R}{S^B}=\frac{N_s{s}_s^R}{N_s{s}_s^B}=\frac{s_s^R}{s_s^B}$ 以及                            (5)

$Q_a=\frac{S^R}{S^B}=\frac{N_a{s}_a^R}{N_a{s}_s^B}=\frac{s_a^R}{s_a^B}---\left(6\right)$

可以使用方程(5)和(6)将方程(4)重新写作：

$S^B=N_a\frac{s_a^R}{Q_a}+N_s\frac{s_s^R}{Q_s}---\left(7\right)$

可以将其改写为：

$N_a{s}_a^R=Q_a(S^B-N_s\frac{s_s^R}{Q_s})---\left(8\right)$

将方程(8)可以与方程(3)结合得到：

$S^R=N_s{s}_s^R+Q_a{S}^B-N_s{s}_s^R\frac{Q_a}{Q_s}---\left(9\right)$

可以将其改写为：

$N_s{s}_s^R=\frac{S^R-Q_a{S}^B}{1-\frac{Q_a}{Q_s}}---\left(10\right)$

根据方程(10)，所述特异性结合确定单元适于确定感测信号中由特异性结合颗粒导致的部分，其作为下述项的比值

a)i)第一感测信号与ii)非特异性比值与所述第二感测信号的乘积，之间的差值，

b)i)1，和ii)非特异性比值和特异性比值的比值，之间的差值。

如上所述，所述特异性结合确定单元34可以适于根据

或

确定特异性结合的颗粒的量。所述特异性结合确定单元34优选适于基于方程(10)由第一光探测器21生成的第一和第二FTIR感测信号确定特异性结合颗粒。但是，所述特异性结合确定单元34还适于基于方程(10)和由第二光探测器27生成的第一和第二DFM感测信号确定特异性结合颗粒的量。

如果所述第一感测信号和所述第二感测信号是通过另一种方式确定的，那么只要所述第一感测信号是根据i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第一距离，ii)结合表面上的结合颗粒的第一平面内位置，以及iii)第一距离灵敏度中的至少一个生成的，并且第二感测信号是根据i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第二距离，ii)结合表面上的结合颗粒的第二平面内位置，以及iii)第二距离灵敏度中的至少一个生成的，也可以使用上文参考方程(1)到(10)描述的对特异性结合颗粒，尤其是感测信号中由特异性结合颗粒生成的部分的确定，其中，在所述第一感测信号的生成和所述第二感测信号的生成之间，对i)结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离，ii)结合到结合表面上的结合颗粒的平面内位置，以及iii)感测单元的距离灵敏度中的至少一个做出了修改。例如，在已经使结合至结合表面的颗粒朝向结合表面和/或沿第一横向方向移动的同时生成第一感测信号，在已经使结合至结合表面的颗粒远离结合表面和/或沿第二横向方向移动的同时生成第二感测信号。

上述参考方程(1)到(10)描述的对特异性结合颗粒的，尤其是信号中由特异性结合颗粒生成的部分的确定基于这样一种假设，即，与结合表面具有相同的距离的颗粒将导致相同的第一和第二感测信号的比值。如果颗粒的直径不存在太大的变化，那么这一假设很好满足。如果考虑颗粒的直径，那么在使用第一波长生成第一信号，并且使用不同于第一波长的第二波长生成第二感测信号的情况下，将通过下述方程描述所提及的比值：

$R_1=\frac{\mathrm{\σ}(d_1,{\mathrm{\λ}}^R)}{\mathrm{\σ}(d_1,{\mathrm{\λ}}^B)}\·\exp [-z/(\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}^R\right)-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}^B\right))]$ 以及            (11)

$R_2=\frac{\mathrm{\σ}(d_2,{\mathrm{\λ}}^R)}{\mathrm{\σ}(d_2,{\mathrm{\λ}}^B)}\·\exp [-z/(\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}^R\right)-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}^B\right))]---\left(12\right)$

其中，d₁指示直径，R₁指示第一颗粒的第一感测信号和第二感测信号的比值，其中，d₂指示直径，R₂指示第二颗粒的第一感测信号和第二感测信号的比值，λ^R，B分别指示第一和第二波长，z指示颗粒与结合表面的距离，ζ指示倏逝场的衰减长度，σ指示截面。

如果第一感测信号和第二感测信号是使用不同的入射角θ^R，B生成的，而不是使用波长复用(multiplexing)生成的，那么可以通过下述方程定义第一颗粒和第二颗粒的第一感测信号和第二感测信号的比值：

$R_1=\frac{\mathrm{\σ}(d_1,\mathrm{\λ})}{\mathrm{\σ}(d_1,\mathrm{\λ})}\·\exp [-z/(\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\θ}}^R\right)-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\θ}}^B\right))]$ 以及            (13)

$R_2=\frac{\mathrm{\σ}(d_2,\mathrm{\λ})}{\mathrm{\σ}(d_2,\mathrm{\λ})}\·\exp [-z/(\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\θ}}^R\right)-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\θ}}^B\right))]---\left(14\right)$

因此，如果使用入射角复用，那么所述比值与颗粒的直径无关。因此，使用单个或多个波长与多个入射角θ结合能够有助于促进数据处理。例如，由于截面σ不具有θ依赖性，因而在比较两种使用不同的入射角但是具有固定波长的测量的情况下，截面σ可以从方程中消掉。因此，如果使用入射角复用，而不是波长复用，也能够以高准确度使用上文参考方程(1)到(10)描述的确定。

作为示范性实施例，在下文中，将更为详细地描述一种优选感测信号分析。

在波长λ上，在光学界面，即结合表面以上的高度z处被直径为d的单珠粒散射和吸收的光子的量导致了等于S的FTIR信号的下降：

S≈σ(λ，d)·e^-ζ(λ)·z       (15)

其中，σ(λ，d)是在波长λ上直径为d的珠粒的总(4π积分)散射/吸收截面，ζ是倏逝场的指数衰减常数：

$\mathrm{\ξ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{n_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-n_2^2}}{\mathrm{\λ}}---\left(16\right)$

就FTIR感测信号而言，总FTIR信号(的下降)是在具有某一珠粒直径和高度分布的表面结合珠粒，即颗粒的总体上积分的信号S。原则上，珠粒直径分布对于给定的一批超顺磁珠而言是已知函数，可以将其写作f(d)，其中

${\∫}_0^{\∞}f\left(x\right)\·\mathrm{dx}=1---\left(17\right)$

在下文中，我们将借助平均珠粒高度

和

区分特异性结合和非特异性结合珠粒。此外，我们假设在珠粒高度的分布与珠粒直径之间不存在相关，即，对于每一珠粒直径，特异性(或非特异性)结合珠粒的珠粒高度的分布都是相同的。于是，由g_s(z)和g_s(z)给出这些分布，其中

${\∫}_0^{\∞}{g}_{s\left(a\right)}\left(z\right)\·\mathrm{dz}=N_{s\left(a\right)}$ 以及            (18)

于是，可以将在珠粒的总体上积分的波长λ上的总FTIR信号写作：

$=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(x\right)\·\mathrm{\σ}(\mathrm{\λ},x)\·\mathrm{dx}\·{\∫}_0^{\∞}(g_s\left(z\right)+g_a\left(z\right))\·e^{-\mathrm{\ξ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·z}\·\mathrm{dz}---\left(20\right)$

对于单一明确定义的珠粒直径d(即f(x)＝δ(d)))和具有表面高度z_s(a)的(非)特异性结合珠粒的总数N_s(a)而言，将这一方程简化为：

如果假设对于某一批珠粒而言截面σ(λ，d)是已知的，那么基本上必须确定的四个未知量：N_s，N_a，z_s和z_a。可以将通过实验获得的量M_i定义为：

其中，η_i说明不同波长上的不同探测效率。如果在四个不同波长上测得了FTIR信号

那么生成四个具有

$M_i=(N_s\·e^{-{\mathrm{\ξ}}_i\·z_s}+N_a\·e^{-{\mathrm{\ξ}}_i\·z_a});i=1..4---\left(23\right)$

的形式的带有四个基本未知量(假设截面σ(λ_i，d)是已知的)的方程。因此，由这四个测量确定特异性珠粒与非特异性珠粒的比值。

作为示范性实施例，在下文中，将更为详细地描述通过使用单珠粒探测实施的高度鉴别的一些方程。

就单珠粒成像而言，可以对单结合事件进行个体分辨，所探测到的信号S_j仅对应于单珠粒j。

$S_j\≈\mathrm{\σ}(\mathrm{\λ},d_j)\·e^{-\mathrm{\ξ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·z_j}---\left(24\right)$

对单珠粒进行成像和处理。基本地，对于每一珠粒，具有两个未知量：直径d_j和高度z_j。现在如果在两个不同的波长λ_j上测量来自珠粒j的信号S_j，那么可以通过解下述两个方程的方程组提取有关每一个体珠粒的珠粒高度和直径信息：

$S_j\left({\mathrm{\λ}}_1\right)/{\mathrm{\η}}_1\≈\mathrm{\σ}({\mathrm{\λ}}_1,d_j)\·e^{-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\·z_j}$

$S_j\left({\mathrm{\λ}}_2\right)/{\mathrm{\η}}_2\≈\mathrm{\σ}({\mathrm{\λ}}_2,d_j)\·e^{-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\·z_j}---\left(25\right)$

要想解这些方程，应当知道作为波长和珠粒直径的函数的散射/吸收截面。在理想的情况下，可以将这一截面写作类似于下面的方程的乘积：

σ(λ_i，d_j)＝σ^λ(λ_i)·σ^d(d_j)，                (26)

珠粒直径从所述方程中消掉，可以直接计算珠粒高度：

$z_j=\frac{1}{[\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{\ξ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)]}\·\ln [\frac{S_j\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{S_j\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\·\frac{{\mathrm{\η}}_2\·{\mathrm{\σ}}^{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{{\mathrm{\η}}_1\·{\mathrm{\σ}}^{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}]+C({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)---\left(27\right)$

其中，C是(由(例如)激励射束强度确定的)偏离值，对于特定波长组合其为常数，其对于双波长测量中探测到的所有珠粒都是相同的。

通过对大量的珠粒解方程(27)，能够获得分布函数g_s(z)和g_a(z)，由这些能够导出比值N_s/N_a。

如上文参考图4所述，物质确定设备19包括作为力施加单元的磁单元23、24。所述感测单元33优选适于通过修改施加到结合至结合表面30的颗粒的力而修改倏逝场与结合至结合表面30的颗粒之间的关系。具体而言，所述感测单元33优选在朝向结合表面吸引结合至结合表面的颗粒的情况下生成第一感测信号，在沿远离结合表面的方向拉动结合至结合表面的颗粒的情况下生成第二感测信号。

所述感测单元33优选适于基于FTIR感测信号确定平均表面颗粒密度和平均结合长度，其中，在向结合表面30吸引颗粒的同时生成第一感测信号，在将颗粒拉离结合表面30的同时确定第二感测信号。应当指出，也可以通过具有横向取向的磁场引入对颗粒的向结合表面30的吸引，其中，颗粒朝向结合表面30翻转。

正如在所描述的所有实施例中优选执行的那样，在使流体与颗粒混合从而允许颗粒附着流体内的物质之后，将颗粒吸向结合表面，从而允许颗粒结合到结合表面上。之后，将未结合至结合表面的颗粒从结合表面拉开。可以将上一步骤看作是清洗步骤。

在这一实施例中，在清洗步骤之后，在使用磁单元的同时将颗粒吸向结合表面30。在将结合颗粒吸向结合表面30的同时测得的FTIR感测信号指示表面颗粒密度。

图7示意性和示范性地示出了由箭头53指示的力将颗粒51、52吸向结合表面30时的情况。粒子51发生特异性结合，颗粒52发生非特异性结合。附图标记h表示相对于结合表面30的平均颗粒高度。

在下一步骤中，通过相对于所述30向上吸引颗粒51、52使结合受到柔和的拉伸。在图8中对此给出了示意性和示范性的图示。

在图8中，通过施加箭头54指示的磁力将颗粒51、52拉离结合表面30，由此对颗粒51、52的结合进行了拉伸。由于将颗粒拉离结合表面，因而增大了平均珠粒高度h。

通过在对颗粒51、52的结合进行拉伸的同时，改变光激励条件，例如，通过使用两个波长或者光与结合表面30相遇所处的两个不同的角来测量FTIR感测信号，能够确定平均结合长度。结合在将颗粒吸向结合表面的同时以及在将颗粒拉离结合表面的同时执行的测量的结果能够计算出非特异性结合所占分数，并且能够对FTIR感测信号进行适当校正。

所述感测单元33还优选适于在向远离结合表面的方向拉动结合至结合表面的颗粒的同时随时间推移生成若干感测信号，即，在不同的时间点上生成感测信号，或者生成时间相关感测信号，其中，所述特异性结合确定单元34适于根据随时间推移生成的若干感测信号确定特异性结合颗粒。在下文中将参考图9到12对时间相关感测信号的生成进行示范性描述。

在清洗步骤之后，将颗粒朝向结合表面吸引。在这种情况下生成的感测信号指示颗粒珠粒密度。

之后，如图9中的示范性图示所示，将颗粒51、52、55朝向结合表面30吸引，即沿箭头53指示的方向。在这一例子中，颗粒51为特异性结合，颗粒52和55为非特异性结合，其中，颗粒52和55的非特异性结合是不同的。在下一步骤中，将颗粒轻轻拉离结合表面30。图10对此给出了示意性或示范性图示。所测得的感测信号随着平均结合长度的增大而逐渐提高。在某一时间点上，具有最短结合长度的颗粒55的结合达到其与结合表面30的最大偏移，如图10所示。在图10中，颗粒51、52的结合未受彻底拉伸，而颗粒55的结合则被彻底拉伸。

如果向所述颗粒进一步施加拉力，那么在下一时间点上，颗粒52抵达其最大高度，感测信号进一步增大。图11示意性和示范性地示出了这一状况。

进一步施加拉力，最后，所有的结合都被完全拉伸。感测信号抵达其最大值，并且平均结合长度h最大。在图12中示意性和示范性图示了这一状况。

假设颗粒远离结合表面30恒速移动，那么随时间推移的感测信号特征将反映结合长度分布。应当指出，也可以通过使用DFM感测信号执行这种对结合长度分布的确定。

在向结合至结合表面的优选为磁性颗粒的颗粒施加力，从而使颗粒朝向结合表面或者远离结合表面移动后，还可以紧接着施加力来改变颗粒的取向。这是由于磁特性不理想造成的，因为理想的超顺磁性颗粒的磁矩总是与场对准，因而诱发取向变化是不可能的。而非理想磁特性是(例如)小的永久性磁矩、具有相对较长的驰豫时间的磁性颗粒或者磁各向异性。因此，力施加单元还可以适于向结合至结合表面的磁性颗粒施加取向变化。所述力施加单元优选适于对结合颗粒施加取向变化，从而调制结合颗粒的高度，即，结合颗粒与结合表面的距离。因而，通过对结合颗粒施加取向变化，能够修改结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离。所述颗粒可以是直径处于500nm和1000nm之间的磁性颗粒，并且可以由聚苯乙烯和磁性材料的组合构成。

由于布朗运动、结合的挠度以及结合的倾斜或旋转自由度，因此结合颗粒一般能够抽样各种高度。优选在尽可能接近结合表面和尽可能远离结合表面这两种状况下测量结合颗粒。例如，可以通过如上文所述施加磁力从而使颗粒朝向或者远离结合表面移动，尤其是通过施加磁场梯度而使用外力实现这一目的。然而，对于非理想磁性颗粒而言，不受控制的磁性取向可能主宰拉力，从而导致与预期不同的高度，尤其是导致与预期不同的取决于结合颗粒与结合表面之间的距离的感测信号。因此，所述力施加单元可以适于通过控制磁场方向而控制颗粒的磁取向。通过将力施加单元设计为能够实现预期的相对于颗粒取向的场取向能够诱发颗粒的特定性态。

可以针对两种状况利用磁取向。在第一种状况下，通过目标分子，即所述物质将颗粒以随机磁取向结合到结合表面上。例如，这是在结合期间不使用磁场的单步测定的预期状况。要想获得预期的磁取向效应，必须对各种场取向进行采样。在第二种状况下，使颗粒以受控的磁取向结合。可以在优选的两步测定中，或者在单步测定中，在施加磁场的情况下使颗粒通过目标分子，即，通过所述物质结合到结合表面上来执行这一操作。在这种情况下，可以使用单磁场方向以获得预期的磁取向效应。

图13示意性和示范性地示出了怎样能够使用磁取向影响颗粒高度，即，颗粒与结合表面的距离。在字母A指示的例子中，不向颗粒70施加磁场，颗粒的移动基本仅受与结合表面30的结合71的限制。在图13中由字母B指示的例子中，向颗粒70施加磁场73，从而使磁性颗粒70的磁取向72与磁场73对准，并使颗粒70远离结合表面30移动。磁场73使颗粒沿箭头76指示的方向翻转，并使结合71拉伸。在图13中由字母C所示的状况下，磁场74的取向平行于结合表面30，颗粒70沿箭头77指示的方向朝向结合表面30翻转。因此，使颗粒70朝向结合表面30移动，从而使颗粒高度最小化。在图13中由字母D指示的状况下，使磁场75指向结合表面30，其中，磁取向72与磁场75的对应的对准受到结合表面30的阻碍。这一对准的阻碍导致了转矩78，其导致了作用于结合71上的杠杆拉力79。

可以使磁取向效应与梯度力结合，以增强这两者中的任一者的效果。例如，可以使仍然稍具挠性的结合受到更大的拉伸。

在颗粒具有沿磁场的取向时，结合颗粒与结合表面之间的距离的变化，即颗粒高度的变化取决于颗粒的尺寸和结合特性。图14示出了在颗粒具有沿磁场的磁取向时两种极端的颗粒高度变化的可能性。仅采用图14左侧由字母E指示的部分来说明不同变量，例如，结合71的长度l以及颗粒70的半径r。由74指示磁场，由72指示磁矩。

在图14中由字母F指示的取向状况下，可以由下述方程定义颗粒高度：

h₁＝cosα(l+r)-r            (28)

在图14中由字母G指示的取向状况下，可以由下述方程定义颗粒高度：

h₂＝l-r(1-cosα)            (29)

角度α是围绕与结合表面的结合的附着点的旋转角。在由字母F指示的状况下，结合71和颗粒72一起旋转，而在由G指示的状况下，颗粒围绕结合与颗粒之间的附着点旋转相同的角度α。

图15示意性和示范性地示出了颗粒高度h对旋转角α的依赖性。

在图15中，线80指示针对30nm的结合长度的高度h₁，线81指示针对30nm的结合长度的高度h₂，线82指示针对90nm的结合长度的高度h₁，线83指示针对90nm的结合长度的高度h₂。可以看出对于小的旋转角将产生显著的高度变化。图15中示意性示出的曲线是以250nm的颗粒半径为基础的。

图16示意性和示范性地示出了力施加单元89，其用于向磁性颗粒88施加磁力，从而能够修改磁性颗粒的取向，进而修改结合至结合表面30的磁性颗粒88的高度。力施加单元89包括四个用于向磁性颗粒88施加处于预期方向内的磁场的电磁体84、85、86、87。

力施加单元89适于以磁的方式设定磁性颗粒88的取向，在这一实施例中，磁性颗粒88是非理性超顺磁性颗粒，以实现高度调制。在磁场内旋转的结合颗粒改变其在结合表面之上的高度，其中可以将所述旋转看作是平面外(out-off-plane)旋转。所述感测单元优选适于根据结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第一距离生成第一感测信号，根据结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的第二距离生成第二感测信号，其中，所述第一距离和第二距离是不同的，尤其是由于力施加单元诱发的磁性颗粒的不同磁取向的原因。特异性结合确定单元优选适于根据所述第一感测信号和第二感测信号确定特异性结合颗粒。

应当指出，图16所示的力施加单元89是用于与结合装置1，即试剂盒1协作以确定流体内的物质的分析装置的部分。因而，在上文参考图4所述的物质确定设备中，可以采用图16所示的力施加单元89替代磁单元23、24或者在磁单元23、24之外还采用所述力施加单元。

尽管在上述实施例中，通过磁力向结合至结合表面的颗粒施加力，但是在其他实施例中，额外地或者作为替代方案，所述力施加单元可以适于向结合至结合表面的颗粒施加另一种力。例如，所述力施加单元可以适于向结合至结合表面的颗粒施加流体力或静电力。

在实施例中，所述力施加单元适于使用静电力推动结合至结合表面的颗粒离开所述结合表面。可以通过在使颗粒仍然结合至结合表面的同时，在流体清洗步骤中交换流体缓冲液(buffer)来执行这一操作。

在所述流体中，由于对来自流体的离子的吸收或者表面上的表面团的离解，所述颗粒和结合表面均具有表面静电荷。典型地，在生物传感器环境下，对于颗粒和结合表面二者表面电荷均为负，从而导致颗粒和结合表面之间产生天然的排斥。流体内的离子能够屏蔽两表面的电荷，从而降低排斥。

将在其上方发生了屏蔽的层称为双层。通过下式给出与德拜-休克尔长度λ_D(λ_D＝κ^-1)相关的双层厚度倒数κ：

$k=\sqrt{\frac{2000e^2{N}_A{I}_C}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{k}_{B}T}}---\left(30\right)$

其中，e是基本电荷，N_A是阿伏加德罗数，I_C是流体的离子强度，ε₀是自由空间的介电常数，ε_r是流体的相对介电常数，k_BT为热能。

颗粒和表面之间的静电相互作用能取决于双层厚度倒数，其由下式给出：

E_es＝ZR·exp(-κh)            (31)

其中，R为颗粒半径，h是颗粒(底部)与所述表面之间的距离，Z由下式给出：

这里，z是电介质化合价，Ψ_颗粒和Ψ_表面分别是所述颗粒和所述表面的表面电势。因此，结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的静电力取决于缓冲液的离子强度，可以通过降低流体中的离子浓度使其增大。因而，通过修改流体中的离子浓度，能够修改结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的距离。因此，所述力施加单元可以适于使流体中的离子浓度得到修改。例如，可以通过在所述结合装置中插入新的流体从而使所述新的流体出现在所述结合表面上而改变所述离子浓度。例如，所述分析装置可以适于向所述优选为试剂盒的结合装置中填充新的流体，其所沿路径与用于将诸如血液的原始流体传送至所述结合表面的路径相同。

一般而言，在结合至结合表面的颗粒与结合表面之间还存在范德华相互作用。可以通过下述方程表示范德华相互作用：

$E_{\mathrm{vdw}}=-1/6A_{132}[\frac{R}{h}+\frac{R}{h+2R}+\ln \left(\frac{h}{h+2R}\right)]---\left(\text{33}\right)$

其中，A₁₃₂是在材料3构成的流体中处于由材料2构成的表面上的由材料1构成的颗粒的哈梅克(Hamaker)常数。哈梅克常数的值通常为几k_BT左右，其可以是正的(吸引)或者稍微为负(排斥，主要由于在所述表面上存在蛋白质)。结合至结合表面的颗粒与结合表面之间的力是相应的相互作用项的负梯度，即，例如，E_es和E_vdw的负梯度。

可以通过(例如)交换流体而改变哈梅克常数，由此能够修改结合颗粒与结合表面之间的范德华相互作用，进而修改结合颗粒与结合表面之间的距离。

在下述表格中标出了德拜长度λ_D的一些典型值。还计算了静电能从能量最小值增大3k_BT的距离(颗粒抵达这一距离的概率不足5％)。所采取的典型值是Ψ_颗粒和Ψ_表面均为-35mV，水的相对介电常数为80，电解质化合价为z＝1。最后两列示出了与针对第三列所做的相同的计算，但是其还考虑了范德华能量，所述能量可以是吸引的，也可以是排斥的。

因而，这些计算表明在稀释缓冲液时，能够获得大的静电排斥。例如，具有100nm的结合长度的颗粒结合在0.1/256＝0.4mM的离子浓度下将具有80nm左右的最低高度，因而将得到相当大的拉伸。

在这一模型中，例如，能够获得的静电排斥力为：

0.1/16＝6mM         对于＜16nm的距离为＞10pN

                    对于＜10nm的距离为＞50pN

0.1/256＝0.4mM      对于＜43nm的距离为＞10pN

                    对于＜18nm的距离为＞50pN

0.1/1024＝0.1mM     对于＜65nm的距离为＞10pN

                    对于＜15nm的距离为＞50pN

在前面表格中，第一列给出了0.1M缓冲液的各种稀释，例如，0.1/16是16倍稀释，从而得到6毫克分子的摩尔浓度。第二列示范性地示出了可以在怎样的距离上建立怎样的磁力。可以看出，在这一例子中达到了50pN的力。由于将颗粒结合到结合表面上的力通常也处于这一范围内，因而所述静电排斥力大到了足以对颗粒的高度进行修改。应当指出，在其他实施例中，可以生成更大或更小的静电排斥力，以修改颗粒的高度。

这些计算还表明颗粒与颗粒的相互作用的影响是非常小的。由于静电相互作用的指数衰减，并且由于典型的德拜长度很小(1-16nm)，因而对于大于100nm的距离而言，颗粒与颗粒的静电相互作用将变得可忽略不计。对于磁相互作用而言，能量衰减的剧烈程度要小得多，其具有三次幂依赖性，因而即使在数微米的距离上仍将产生高磁偶极子力。因而，通过缓冲液交换实施的颗粒高度调制将给出强单颗粒方法。

因此，所述力施加单元可以适于使用静电力将结合颗粒拉离结合表面。可以通过在流体清洗步骤中在使颗粒仍然结合至结合表面的同时交换流体缓冲液而完成这一操作。因而，能够在第一流体缓冲液存在于结合表面上时生成第一感测信号，在第二流体缓冲液存在于结合表面上时生成第二感测信号，其中，将所述第一流体缓冲液和所述第二流体缓冲液选择为使得在使用第一流体缓冲液时结合颗粒与结合表面的距离与使用第二流体缓冲液时结合颗粒与结合表面之间的距离相比是不同的。所述特异性结合确定单元可以适于根据所生成的第一感测信号和所生成的第二感测信号确定特异性结合颗粒，尤其是所生成的第一感测信号或者所生成的第二感测信号中由所述特异性结合颗粒导致的部分。

再次参考图4，所述物质确定设备19由结合装置1和分析装置18构成。在这一实施例中，所述结合装置1是包括所述颗粒和所述结合表面的试剂盒，并且其适于接收流体3。可以将分析装置18看作是读取器，其包括感测单元33和特异性结合确定单元34。所述结合装置1是一次性使用装置，所述分析装置18是可重复使用的装置。

所述分析装置18还包括输出单元60，其用于输出指示流体内的物质的量或浓度的值。所述输出单元60优选为显示器。所述分析装置18还包括控制单元61，其用于控制所述感测单元33、特异性结合确定单元34和输出单元60。

所述特异性结合确定单元34优选适于通过确定特异性结合颗粒对感测信号的贡献来确定特异性结合颗粒。所述特异性结合确定单元34优选还适于基于所确定的特异性结合颗粒对所生成的感测信号的贡献来确定流体内的所述物质的浓度。所述特异性结合确定单元34优选包括在所确定的特异性结合颗粒对所生成的感测信号的贡献和流体中的所述物质的浓度之间进行指配(assignment)。优选通过校准生成这些指配，并且可以将其以表格形式或者作为函数存储在特异性结合确定单元34内。

如上所述，结合装置1优选是试剂盒，其用于接收诸如血液、唾液或尿液的流体，对流体进行过滤，以及将经过滤的流体传送至试剂盒的感测部位。所述试剂盒是一次性使用的，其仅适于单次使用。所述分析装置18适于与不同的试剂盒一起多次使用。因而，将诸如血液、唾液或尿液的流体3放到结合装置1的过滤元件2上，并对流体3过滤，之后将经过滤的流体传送至感测位置7。将结合装置1，即这一实施例中的试剂盒布置在分析装置18内，并通过分析装置18对感测位置上的流体3内的物质进行分析。在结合装置1使用之后，优选将其抛弃，而分析装置18则用于下一分析程序。

优选将分析装置18的若干单元布置在图17中示意性和示范性示出的外壳64内，所述外壳可以包括抓握部分63，从而允许用户在对流体中的物质进行分析时将分析装置18握在手中。外壳64包括用于接收结合装置1的接收部分62。在其他实施例中，所述外壳64可以具有其他形状。

在下文中，将参考图18所示的流程图对用于确定流体内的物质的物质确定方法进行示范性描述。

在步骤101中，将流体样本，尤其是血液样本布置在过滤元件2上。

在步骤102中，通过过滤元件2对流体过滤，在步骤103中，通过由毛细结构的连接通道和引导通道生成的毛细力将经过滤的流体传送至感测位置。

在执行步骤101到103之前、执行中或者执行后，已经将结合装置1引入到了分析装置18内。涂覆了附着至流体中的目标分子的特异性抗体的磁性颗粒位于感测位置7上。在步骤104中，它们与经过滤的流体混合，因而具有特异性抗体的磁性颗粒附着至流体内的目标分子。

在步骤105中，控制磁单元使得迫使处于感测位置的磁性颗粒到达结合表面上。具有附着的目标分子的磁性颗粒结合至结合表面，在步骤106中，对磁单元加以控制，使得磁力将未结合至结合表面的磁性颗粒从一个或若干感测部位拉离，从而仅使结合磁性颗粒仍然附着至结合表面。所述结合颗粒为特异性结合颗粒和非特异性结合颗粒。

在步骤107中，感测结合表面上的颗粒，其中，生成指示结合到结合表面上的颗粒与结合表面之间的距离的感测信号。这一感测步骤能够生成如上文提及的实施例中描述的感测信号。例如，可以采用不同的倏逝场测量第一和第二FTIR感测信号，和/或可以采用不同的倏逝场生成第一和第二DFM感测信号。此外，可以在向结合颗粒施加不同的力的同时，例如，在将颗粒朝向结合表面吸引时以及将颗粒从结合表面拉离时生成不同的感测信号。

在步骤108中，根据所生成的感测信号确定作为已经附着至物质并结合至结合表面的颗粒的特异性结合颗粒。具体而言，确定感测信号中由特异性结合颗粒引起的部分，这一部分分别利用感测信号中由特异性结合颗粒导致的部分与特异性结合颗粒的量和/或流体内的物质的浓度之间的指配与特异性结合颗粒的量和/或流体内的物质的浓度相关。

在步骤109中，将所确定的特异性结合颗粒的量和/或流体内的物质的浓度显示给用户。

可以将步骤101到106看作是结合方法的步骤，可以将步骤107到109看作是分析分析方法的步骤。

所述物质确定设备优选是磁性生物传感器，可以采用其确定结合颗粒在结合表面之上的高度，从而(尤其是)针对非特异性结合做出校正。所述物质确定设备优选以能够采用电磁场致动的纳米颗粒为基础。所述纳米颗粒优选是采用抗体功能化的磁珠，所述抗体能够结合特异性分析物分子。将珠粒吸引到结合表面，其中，结合珠粒的数量与流体样本中存在的分析物分子的量直接相关或逆相关。因而，优选采用对接近结合表面的珠粒比对更加远离结合表面的珠粒更加敏感的技术探测珠粒。所述物质确定设备优选使用上述FTIR技术和/或DFM技术。在采用这些技术的情况下，对纳米颗粒的灵敏度随着与表面的距离的增大而指数降低。一般而言，如果颗粒与结合表面之间的距离变大，那么对应的感测信号将变小。然而，也可以将感测信号定义为接近结合表面的颗粒比更加远离结合表面的颗粒生成更小的信号。

为了提高在生物传感器上执行的测定的灵敏度，做出了很多种努力来提高每珠粒获得的信号。然而，在测量非常低的分析物浓度时，通过针对低浓度获得的信号和针对不含有分析物的空白测量获得的信号最终确定灵敏度。已经发现，针对空白测量的信号不仅由仪器噪声决定，而且还将由与分析物的存在无关而结合(非特异性结合)至所述表面的珠粒生成额外的信号。如果发生了特异性结合(通常是这样)，那么提高每珠粒的信号不会增大灵敏度，因为针对特异性结合的信号也增大了。

可以使用样本流体中的添加剂或者采用避免珠粒/蛋白质结合到传感器表面材料的可接近部分的惰性蛋白质“阻挡”所述表面，从而抑制非特异性结合。但是，这是一个费力而且成本高昂的试错法。

根据本发明的物质确定设备允许在不采用费力并且昂贵的过程的情况下区分特异性和非特异性结合。

所述DFM感测信号优选允许在个体颗粒的基础上测量结合长度和/或结合强度，从而允许鉴别特异性结合颗粒和非特异性结合颗粒。

在具有充分的放大率和分辨率的显微镜下可以看到具有500nm的直径的磁珠。因此，能够通过对视场内的个体珠粒的数量计数而确定珠粒的表面密度。例如，在视场具有1mm²的面积时，最小的可测量表面密度为1珠粒/1mm²或者1珠粒/10⁶um²。就1珠粒/200um²的最小可检测表面密度而言，这样的计数方法将产生5000倍的灵敏度增大。由其带来了感兴趣区域内的最小可检测目标浓度(例如1fM)。单珠粒检测带来了至少2到3个量级的灵敏度量值的提高。由于对珠粒进行“数字化”检测，因而所述方法对漂移(drift)不敏感。

在普通的使用正面或背面照明源的显微镜中，无法获得或者只能获得很少的有关珠粒在所述表面之上的高度的准确信息。在所述FTIR设置中，由于珠粒位于近乎指数衰减的倏逝场内，因而在信号中存在高度信息。倏逝场的衰减长度约为50-150nm。因此，可由这一系统检测到约为几纳米的高度位置变化。高度和/或高度变化能够提供有关珠粒的结合状态的有价值的信息。

图4提出了集成了全部置于试剂盒的一侧的FTIR测量、采用FTIR照明的单珠粒光探测和磁致动的(手持或桌面式)构造。通过这种方式，在能够同时收集到有关个体珠粒的结合状态的信息，从而实现对来自特异性结合珠粒和非特异性结合珠粒的信号更好的鉴别的同时获得灵敏度的提高。试剂盒的另一侧(顶部)仍然可充分接近，以放置(第二)清洗磁体、用于温度控制的加热器或其他装置。

所述结合装置优选是作为生物测定的载体的光学试剂盒，其包括作为光学标记的优选为微观超顺磁标记的颗粒，所述颗粒将利用散射和/或荧光提供光学对比度。

尽管在上述实施例中，使用了全内反射诱发倏逝场，但是在其他实施例中，可以使用其他技术诱发倏逝场，例如，可以使用光栅耦合或波导耦合。

尽管在上文提及的参考图4描述的实施例中使用了显微镜物镜32，但是在其他实施例中，可以使用用于收集光子并对其成像的其他物镜。这一物镜位于所述结合装置的底侧，处于马蹄形致动磁体23的下面。来自所述光学标记的光子在被所述物镜俘获之前，通过两个马蹄形磁体23之间的空气间隙传输。所述物镜具有允许将个体光学标记成像到所述第二光探测器27上的数值孔径，例如，所述第二光探测器27是CCD照相机。

所述物质确定设备优选适于允许针对每一个体颗粒判断该颗粒是特异性结合到所述结合表面上的还是非特异性结合到所述结合表面上的，或者允许由颗粒的集合确定非特异性结合颗粒所占分数。

尽管在上述实施例中，所述颗粒为磁性颗粒，但是在其他实施例中，可以使用诸如荧光颗粒的其他颗粒。

尽管上文参考图6描述了某种链接(linker)分子，但是所述链接分子也可以是抗体的组成部分，或者在(例如)向重组抗体添加了多肽序列的情况下是另一种结合分子的组成部分。

尽管在上述实施例中，所述物质确定设备包括用于生成FTIR感测信号和DFM感测信号的装置，但是在其他实施例中，所述物质确定设备可以适于仅包括以下这些装置之一，即，用于生成FTIR感测信号的装置或者用于生成DFM感测信号的装置。

尽管在所描述的实施例中，所述分析装置为手持装置，但是在其他实施例中，所述分析装置也可以是布置到(例如)桌面上的独立系统。

尽管在上述实施例中确定了特异性结合颗粒，具体而言，尽管描述了使用测得的感测信号鉴别特异性结合和非特异性结合颗粒，但是也可以使用所述物质确定设备，尤其是结合鉴别单元鉴别不同种结合。也就是说，可以使用结合鉴别单元确定通过某种结合结合至结合表面的颗粒的量或浓度。

尽管在上述实施例中，描述了在使颗粒从结合表面移开的同时生成第一感测信号，在使颗粒朝向结合表面移动的同时生成第二感测信号，但是在其他实施例中，可以在其他条件下生成所述第一和第二感测信号，例如，可以在使颗粒沿第一横向方向移动的同时生成第一感测信号，可以在使颗粒不沿所述第一横向方向移动或者使其沿不同于所述第一横向方向的第二横向方向移动的同时生成第二感测信号。

在上述实施例中，所述流体优选是血液。在其他实施例中，所述流体可以是任何其他流体，尤其是另一种体液，例如唾液或尿液。所述结合装置和所述分析装置的优选应用为护理点诊断领域，尤其是以手指针刺采集血样为基础的，例如，心脏标记检测应用。但是，如上所述，所述结合装置也可以适于用于其他流体，例如，用于唾液以检测药物滥用。

在上述实施例中，所述分析装置设备使用倏逝场技术确定表面上的磁珠的量。在其他实施例中，可以使用其他技术确定这些珠粒。因此，例如，可以采用磁方法、声波检测、电学检测以及组合方法。此外，所述分析装置可以包括基于对传感器表面上或者接近传感器表面的珠粒的磁特性的检测的任何传感器。所述分析装置可以适于检测分子目标，其往往确定较大基元(moiety)的浓度和/或存在，例如，细胞、病毒、细胞部分或者病毒部分、组织提取物等。可以通过所述感测方法直接检测磁珠。也可以在检测之前对颗粒做进一步处理。所述进一步处理的例子可以是添加材料或者修改磁标记的化学、生化或物理特性，从而促进检测。所述分析装置可以适于与若干生化测定类型一起工作，例如，结合/释放测定、夹心测定、竞争测定、置换测定、酶催化测定等。所述结合装置和所述分析装置可以适于：传感器复用，即，不同传感器和传感器表面的并行使用；标记复用，即，不同类型的标记的并行使用；以及室复用，即，不同反应室的并行使用。可以将所述结合装置和所述分析装置用作针对小的样本体积的快速、鲁棒且易于使用的护理点生物传感器。所述感测腔优选是一次性使用试剂盒的部分，所述试剂盒将与分析装置一起使用，所述分析装置含有一个或多个磁场发生装置，即磁单元，以及一个或多个探测装置。所述结合装置和所述分析装置优选适于用在自动化高吞吐量测试中。

所述颗粒优选是磁珠，所述磁珠优选是纳米颗粒，所述纳米颗粒具有至少一个处于3nm和5000nm之间，优选处于10nm和3000nm之间，更优选处于50nm和1000nm之间的范围内的尺寸。

尽管在上述实施例中描述了某种结合装置和某种分析装置，但是在其他实施例中，所述结合装置和所述分析装置可以具有其他结构。例如，所述结合装置可以仅包括结合表面。或者可以采用另一种过滤器，或者可以采用另一种用于将经过滤的流体从过滤位置传送至感测位置的通道结构。

尽管在上述实施例中，所述物质确定设备由结合装置和分析装置构成，但是在另一实施例中，所述物质确定设备可以是至少包括颗粒、结合表面、感测单元和特异性结合确定单元的集成设备。

通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除复数。

单个单元或装置可以完成权利要求中列举的几项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。

可以将根据所述物质确定方法，尤其是根据所述分析方法对所述物质确定设备做出的控制，尤其是对所述分析装置做出的控制，实现为计算机程序的程序代码模块和/或实现为专用硬件。

可以将计算机程序存储/分布在适当的介质当中，例如，所述介质可以是光存储介质或者与其他硬件一起提供的或者作为其他硬件的部分的固态介质，但是，也可以使所述计算机程序通过其他形式分布，例如，通过因特网或者其他有线或无线电信系统。

权利要求中的任何附图标记不应被视为具有限制范围的作用。

本发明涉及用于确定流体内的物质的物质确定设备。使已经附着至物质的颗粒结合至结合表面。所述感测单元适于生成感测信号，其指示以下中的至少一个：i)结合到所述结合表面上的颗粒与所述结合表面之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的颗粒的平面内位置。所述结合鉴别单元适于根据所生成的感测信号鉴别结合至结合表面上的颗粒的不同种结合。所述结合鉴别单元优选是用于确定所述感测信号中由特异性结合颗粒引起的部分的单元，其基于所确定的所述感测信号的部分确定所述物质。

Claims (14)

1.一种用于确定流体(3)内的物质的物质确定设备，所述物质确定设备(19)包括：

-颗粒(17，28)，其用于附着至所述流体(3)内的所述物质，

-结合表面(30)，其用于在所述颗粒(17，28)已经附着至所述物质的情况下结合所述颗粒(17，28)，

-感测单元(33)，其用于感测所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)，其中，所述感测单元(33)适于生成指示以下中的至少一个的感测信号：i)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)与所述结合表面(30)之间的距离，和ii)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)的平面内位置，

-结合鉴别单元(34)，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)的不同种结合。

2.根据权利要求1所述的用于确定流体内的物质的物质确定设备，其中，所述结合鉴别单元(34)是特异性结合确定单元(34)，其用于根据所生成的感测信号确定作为已经附着至所述物质并结合至所述结合表面(30)的颗粒的特异性结合颗粒。

3.根据权利要求1所述的物质确定设备，其中，所述感测单元适于修改以下中的至少一个：i)结合至所述结合表面(30)的所述颗粒与所述结合表面之间的所述距离，ii)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的所述平面内位置，以及iii)所述感测单元的距离灵敏度，其中，所述距离灵敏度指示所述感测信号对结合至所述结合表面(30)的所述颗粒与所述结合表面(30)之间的所述距离的依赖性，所述感测单元还适于根据以下中的至少一个生成第一感测信号：i)结合至所述结合表面(30)的所述颗粒与所述结合表面(30)之间的第一距离，ii)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的第一平面内位置，以及iii)第一距离灵敏度，所述感测单元还适于根据以下中的至少一个生成第二感测信号：i)结合至所述结合表面(30)的所述颗粒与所述结合表面之间的第二距离，ii)结合至所述结合表面(30)的所述颗粒的第二平面内位置，以及iii)第二距离灵敏度，其中，所述结合鉴别单元(34)适于根据所述第一感测信号和所述第二感测信号鉴别不同种结合，并且其中，所述结合鉴别单元(34)适于根据所述第一感测信号和所述第二感测信号的比值鉴别不同种结合。

4.根据权利要求3所述的物质确定设备，其中，所述感测单元(33)包括光源(20)和光探测器(21，27)，所述光源用于生成被指引至所述结合表面(30)以生成倏逝场的辐射(28)，所述光探测器用于探测来自所述结合表面(30)且指示所述颗粒对所述倏逝场的影响的光(29，31)，其中，所述感测单元(33)适于基于所探测到的光(29，31)生成所述感测信号，其中，所述感测单元适于通过修改以下中的至少一个而修改所述倏逝场与结合至所述结合表面(30)的所述颗粒之间的空间关系：i)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒与所述结合表面之间的所述距离，ii)结合到所述结合表面上的所述颗粒的所述平面内位置，以及iii)所述距离灵敏度，所述感测单元还适于根据所述倏逝场与结合至所述结合表面(30)的所述颗粒之间的第一空间关系生成所述第一感测信号，以及根据所述倏逝场与结合至所述结合表面(30)的所述颗粒之间的第二空间关系生成所述第二感测信号，并且其中，所述光探测器适于探测被结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒散射的光。

5.根据权利要求4所述的物质确定设备，其中，所述感测单元适于通过修改被指引至所述结合表面(30)的所述辐射的波长而修改所述倏逝场与结合至所述结合表面(30)的所述颗粒之间的关系，并且其中，所述光探测器适于探测被结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒散射的光。

6.根据权利要求3所述的物质确定设备，其中，所述感测单元(33)包括用于向结合至所述结合表面(30)的所述颗粒(51，52；51，52，55)施加力的力施加单元(23，24)，其中，所述感测单元(33)适于通过修改施加到结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(51，52；51，52，55)的力而修改以下中的至少一个：i)结合至所述结合表面(30)的所述颗粒与所述结合表面(30)之间的所述距离，和ii)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的所述平面内位置。

7.根据权利要求6所述的物质确定设备，其中，所述力施加单元(23，24)适于使所述颗粒(51，52)朝向所述结合表面(30)移动，以及使所述颗粒(51，52)沿远离所述结合表面(30)的方向移动，其中，所述感测单元(33)适于在已经使结合至所述结合表面(30)的所述颗粒(51，52)朝向所述结合表面(30)移动的情况下生成第一感测信号，以及在已经使结合至所述结合表面(30)的所述颗粒(51，52)沿远离所述结合表面(30)的方向移动的情况下生成第二感测信号，并且其中，所述感测单元(33)适于在使结合至所述结合表面(30)的所述颗粒(51，52，55)沿远离所述结合表面(30)的方向移动的同时随时间推移生成若干感测信号，其中，所述结合鉴别单元(34)适于根据随时间推移生成的所述若干感测信号而鉴别不同种结合。

8.一种用于与分析装置协作以确定流体内的物质的结合装置，所述结合装置包括：

-颗粒，其用于附着至所述流体内的所述物质，

-结合表面(30)，其用于在所述颗粒已经附着至所述物质的情况下结合所述颗粒，

所述分析装置包括：

-感测单元，其用于感测所述结合表面(30)上的所述颗粒，其中，所述感测单元适于生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)与所述结合表面(30)之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的所述颗粒的平面内位置，

-结合鉴别单元(34)，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的不同种结合。

9.根据权利要求6所述的物质确定设备，其中，所述力施加单元(23，24)适于通过在流体清洗步骤中交换流体缓冲液而使用静电力将结合至所述结合表面(30)的颗粒(17，28)从所述结合表面(30)推开。

10.根据权利要求1所述的物质确定设备，其中，将磁单元设计为生成用于向所述颗粒(17，28)施加力的旋转磁场。

11.根据权利要求10所述的物质确定设备，其中，所述磁单元适于使得所述颗粒(17，28)被朝向所述结合表面(30)吸引或者从所述结合表面(30)拉开。

12.一种用于与结合装置协作以确定流体内的物质的分析装置，所述结合装置包括：

-颗粒，其用于附着至所述流体内的所述物质，

-结合表面(30)，其用于在所述颗粒已经附着至所述物质的情况下结合所述颗粒，所述分析装置包括：

-感测单元，其用于感测所述结合表面(30)上的所述颗粒，其中，所述感测单元适于生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)与所述结合表面(30)之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的所述颗粒的平面内位置，

-结合鉴别单元(34)，其用于根据所生成的感测信号鉴别结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的不同种结合。

13.一种用于确定流体内的物质的物质确定方法，所述物质确定方法包括下述步骤：

-使颗粒附着至所述流体内的所述物质，

-在所述颗粒已经附着至所述物质的情况下，使所述颗粒结合至结合表面(30)，

-感测所述结合表面(30)上的所述颗粒，其中，生成感测信号，所述感测信号指示以下中的至少一个：i)结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒(17，28)与所述结合表面(30)之间的距离，和ii)结合到所述结合表面上的所述颗粒的平面内位置，

-根据所生成的感测信号鉴别结合到所述结合表面(30)上的所述颗粒的不同种结合。

14.一种用于确定流体内的物质的分析计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，当在控制所述分析装置的计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于令根据权利要求12所述的分析装置执行根据权利要求13所述的方法的步骤。

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