СПОСОБ АНАЛИЗА СМЕСИ БИОЛОГИЧЕСКИХ И/ИЛИ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предложенный способ относится к области разработки и совершенствования методов и средств биохимических анализов.

Известен способ биохимического анализа смеси компонентов с использованием магнитных меток [1], при котором:
- используют выбранный компонент, связанный с магнитными частицами;
- на упомянутые магнитные частицы воздействуют магнитным полем;
- регистрируют сигнал, обусловленный магнитной индукцией, производимой упомянутыми магнитными частицами в результате воздействия на них указанным магнитным полем;
- по величине упомянутого сигнала судят о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси,
что совпадает с рядом существенных признаков предлагаемого способа.

В соответствии со способом [1] в исследуемый образец смеси вводятся частицы - носители распознающих элементов, избирательно присоединяющих определяемый компонент анализируемой смеси. Кроме того, в анализируемой смеси должен присутствовать некоторый выбранный компонент, связанный с магнитными частицами. Этот компонент связывается избирательным образом с определяемым компонентом после присоединения последнего к распознающим элементам, либо конкурирует с определяемым компонентом за присоединение к распознающим элементам. В исключительных случаях выбранным компонентом может являться и сам определяемый компонент, если он уже имеет в своем составе магнитные частицы.

При этом способ [1] обязательно включает в себя удаление из анализируемого образца магнитных частиц, которые после протекания упомянутых реакций оказались не связанными с частицами-носителями. Для этого образец отстаивают, центрифугируют, промывают связующим буфером и дозированно помещают в мерную пробирку, которую располагают внутри катушки индуктивности. По изменению магнитной индукции в катушке при помещении в нее образца и судят о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси.

Недостаток аналога [1] состоит в его повышенной сложности и малой производительности из-за большого количества операций, что также приводит к высокой стоимости, недостаточной достоверности и низкой точности получаемых результатов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ анализа полинуклеотидов и протеинов с использованием магнитных меток [2], принятый в качестве прототипа.

В известном способе [2] осуществляют следующие операции:
- выбирают компонент для присоединения магнитных частиц либо компонент, уже связанный с магнитными частицами, причем этим компонентом служит определяемый компонент или иной компонент, позволяющий судить о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси;
- задают пространственное расположение выбранного компонента;
- к выбранному компоненту присоединяют магнитные частицы либо используют выбранный компонент, уже связанный с магнитными частицами;
- на упомянутые магнитные частицы воздействуют магнитным полем;
- регистрируют сигнал, обусловленный магнитной индукцией, производимой упомянутыми магнитными частицами в результате воздействия на них указанным магнитным полем;
- по величине упомянутого сигнала судят о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси,
что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

При этом компоненты распределяют заданным образом (например, посредством электрофореза) вдоль поверхности подложки в соответствии с молекулярным размером и количеством этих компонентов в анализируемой смеси. Магнитные частицы присоединяют к тому пли иному компоненту смеси до либо после процедуры распределения компонентов вдоль поверхности подложки. Затем полученное распределение регистрируют посредством магнитного считывания с поверхности подложки, аналогично тому, как считывают информацию с магнитного диска. Из указанного распределения получают информацию о содержании того или иного определяемого компонента анализируемой смеси. Для обеспечения возможности магнитного считывания частицы намагничивают постоянным магнитным полем до либо после процедуры распределения. Само же магнитное считывание состоит в измерении магнитной индукции, обусловленной постоянной остаточной намагниченностью частиц. Важным достоинством прототипа является задание пространственного расположения магнитных частиц, связанных с определяемым (выбранным) компонентом анализируемой смеси, на поверхности подложки, находящейся в непосредственной близости от устройства магнитного считывания, что существенно повышает достоверность результата, а также минимизирует размеры требуемого оборудования и обеспечивает его реализуемость на основе микроэлектронных технологий.

Недостаток прототипа [2] состоит в малой чувствительности метода и низкой точности получаемых результатов, что обусловлено целым рядом причин. Во-первых, это низкая концентрация регистрируемых магнитных частиц, "размазанных" по поверхности подложки, во-вторых, очень малая остаточная намагниченность известных частиц микронного и субмикронного размера и, в-третьих, известные негативные особенности измерений на постоянном токе. В результате сужается и диапазон применения способа прототипа.

Таким образом, требуемый технический результат состоит в повышении отношения сигнал/шум и, соответственно, в повышении точности измерений, увеличении чувствительности способа, повышении достоверности полученных данных, при одновременном снижении затрат на проведение анализа за счет сокращения числа необходимых операций, времени, количества и габаритов требуемого оборудования, а также в создании мобильных, дешевых, высокопроизводительных лабораторий массового обследования, повышении функциональной гибкости способа и расширении диапазона его применения.

Для достижения указанного технического результата предложен способ анализа смеси биологических и/или химических компонентов с использованием магнитных частиц, в котором:
- выбирают компонент для присоединения магнитных частиц либо компонент, уже связанный с магнитными частицами, причем этим компонентом служит определяемый компонент или иной компонент, позволяющий судить о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси;
- задают пространственное расположение выбранного компонента;
- к выбранному компоненту присоединяют магнитные частицы либо используют выбранный компонент, уже связанный с магнитными частицами;
- на упомянутые магнитные частицы воздействуют магнитным полем;
- регистрируют сигнал, обусловленный магнитной индукцией, производимой упомянутыми магнитными частицами в результате воздействия на них указанным магнитным полем;
- по величине упомянутого сигнала судят о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси,
что аналогично прототипу.

Предложенный способ отличается тем, что:
- пространственное расположение выбранного компонента задают с группированием этого компонента в контрольном объеме;
- указанное магнитное поле выполняют переменным и задают его спектр со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах;
- упомянутый сигнал регистрируют на частоте, представляющей собой линейную комбинацию частот указанных спектральных составляющих, во время воздействия указанным магнитным полем на упомянутые магнитные частицы.

Кроме того, упомянутая линейная комбинация частот указанных спектральных составляющих представляет собой сумму либо разность этих частот.

Кроме того, амплитуду, по меньшей мере, одной из указанных спектральных составляющих выбирают достаточной для обеспечения нелинейной зависимости указанной магнитной индукции от напряженности указанного магнитного поля.

Кроме того, амплитуды A_в и A_н указанных спектральных составляющих, относящихся, соответственно, к верхней и нижней частоте, выбирают с учетом соотношения A_н/A_в > 2.

Кроме того, векторы напряженности магнитного поля, соответствующие, по меньшей мере, двум указанным спектральным составляющим, ориентируют неколлинеарно друг другу.

Кроме того, магнитные частицы выполняют из магнитомягкого вещества.

Кроме того, в указанном контрольном объеме формируют рабочую поверхность, а пространственное расположение выбранного компонента задают путем его связывания с этой рабочей поверхностью.

Кроме того, рабочую поверхность формируют путем заполнения контрольного объема микрогранулами.

Кроме того, упомянутые микрогранулы изготавливают из полиэтилена.

Кроме того, упомянутые микрогранулы изготавливают в условиях низкого давления из полиэтилена, стабилизированного с помощью гамма-излучения.

Кроме того, рабочую поверхность формируют путем заполнения контрольного объема капиллярно-пористой структурой.

Кроме того, рабочую поверхность формируют с иммобилизацией на ней реагента, способного избирательно связывать определяемый компонент, и посредством этого реагента выбранный компонент связывают с рабочей поверхностью.

Кроме того, указанный контрольный объем формируют из нескольких пространственно разделенных областей, с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал для каждой из указанных областей.

Кроме того, в указанных областях формируют рабочую поверхность с иммобилизацией на ней различных реагентов, способных избирательно связывать различные определяемые компоненты и посредством которых выбранные компоненты связывают с рабочей поверхностью, и, регистрируя упомянутый сигнал для каждой из нескольких указанных областей, получают информацию о содержании нескольких определяемых компонентов в анализируемой смеси.

Одно из отличий предлагаемого способа состоит в том, что задание пространственного расположения выбранного компонента анализируемой смеси с присоединенными к нему магнитными частицами сопровождают его группированием в контрольном объеме. Это приводит к существенному повышению концентрации регистрируемых магнитных частиц в области воздействия возбуждающего магнитного поля и в непосредственной близости от датчика магнитной индукции, что, в свою очередь, ведет к резкому возрастанию измеряемого сигнала на уровне шума. Группирование в контрольном объеме может быть осуществлено различными методами. В частности, может использоваться биологическое или химическое связывание, а также адсорбция или абсорбция частиц или молекул выбранного компонента в заданной пространственной области или нескольких таких областях. Кроме того, указанное группирование может осуществляться посредством наложения неоднородного магнитного поля, фильтрацией, осаждением и т.д. Группирование может в ряде случаев происходить вблизи поверхности, уже имеющейся в контрольном объеме, или специально сформированной рабочей поверхности. Варианты формирования рабочей поверхности, в частности, включают химическую модификацию некоторой поверхности, имеющейся в контрольном объеме, иммобилизацию на ней того или иного реагента, а также синтез биомолекулярной матрицы или спейсерного слоя для осуществления такой иммобилизации в трехмерной или двумерной области. Одним из наиболее практически важных случаев указанного группирования являются реакции избирательного связывания (распознавания) выбранного компонента с некоторым комплементарным ему реагентом, иммобилизированным в контрольном объеме, в частности, на сформированной рабочей поверхности. Примерами таких реакций служат различные взаимодействия типа лиганд-рецептор, связывание типа антиген-антитело, биотин-авидин, и т.п., а также связывание комплементарных фрагментов ДНК (гибридизация ДНК). Для практических применений представляется весьма перспективным, в частности, осуществлять указанное группирование посредством избирательного связывания на развитой рабочей поверхности капиллярной или пористой структуры, сформированной в контрольном объеме, аналогичном хроматографической колонке, а также на рабочей поверхности ячеек стандартных плашек (например, массивы 8х12, 16х24, 32х48 ячеек), используемых в иммуноферментном анализе (в англоязычной терминологии ELISA - Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) и других общеупотребительных процедурах биохимических анализов.

При этом могут иметь место различные методы использования реакций распознавания для задания пространственного расположения выбранного компонента и получения информации об определяемом компоненте анализируемой смеси. Кроме того, могут по-разному соотноситься выбранный компонент и определяемый компонент. В качестве выбранного компонента служит либо сам определяемый компонент, либо иной компонент, по содержанию которого в контрольном объеме можно прямо или косвенно судить о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси.

Рассмотрим некоторые поясняющие примеры. В простейшем случае определяемый компонент сам обладает магнитными свойствами или имеет в своем составе магнитные частицы (например, белок ферритин). При этом он же служит и выбранным компонентом, чье пространственное расположение задают путем избирательного связывания этого компонента с распознающим реагентом (например, антителом, специфичным к этому белку). В иных случаях магнитные частицы присоединяют к выбранному компоненту. Под магнитными частицами понимаются частицы, проявляющие намагниченность в присутствии внешнего магнитного поля и, как правило, находящиеся в сочетании с материалом (конъюгатом), обеспечивающим их биологическую совместимость.

В другом методе ("sandwich assay" в англоязычной терминологии) выбранным компонентом также служит определяемый компонент, а магнитные частицы избирательно присоединяют к этому компоненту, как правило, до или после избирательного связывания последнего с распознающим реагентом. Присоединение магнитных частиц, в зависимости от конкретного случая, может осуществляться непосредственно либо через промежуточный материал. В частности, именно промежуточный материал, предварительно связанный с магнитными частицами, целесообразно использовать для обеспечения избирательности присоединения магнитных частиц к определяемому компоненту. Например, один эпитоп (антигенная детерминанта, то есть реагирующая с антителом часть антигена) определяемого компонента избирательно связывается с распознающим реагентом, а другой - с указанным промежуточным материалом.

В третьем методе используется такой выбранный компонент, который наряду с определяемым компонентом способен избирательно связываться с распознающим реагентом. При этом выбранный компонент конкурирует с определяемым компонентом за присоединение к распознающему реагенту ("competitive assay"). Магнитные частицы избирательно присоединяют к выбранному компоненту, как правило, до или после его избирательного связывания с распознающим реагентом (аналогично, непосредственно либо через промежуточный материал) либо используют выбранный компонент, уже связанный с магнитными частицами. Чтобы по степени связывания такого конкурирующего выбранного компонента с распознающим реагентом можно было судить о количестве определяемого компонента в смеси, выбранный компонент должен содержаться в смеси до начала анализа в известном количестве. На практике такой выбранный компонент обычно специально вводят в заданном количестве в анализируемую смесь перед началом анализа.

Во всех перечисленных разновидностях предлагаемого способа количество магнитных частиц, сгруппированных в заданном контрольном объеме в результате избирательного связывания выбранного компонента, однозначно связано с искомым содержанием определяемого компонента в анализируемой смеси. Измеряя сигнал, связанный с магнитной индукцией, производимой частицами в результате воздействия на них магнитного поля, судят о количестве сгруппированных магнитных частиц и о содержании определяемого компонента в смеси.

Из изложенного ясно, что в предлагаемом способе магнитные частицы играют роль меток выбранного компонента, аналогично тому, как в стандартных процедурах биохимических анализов используются ферментные, флуоресцентные, радиоактивные и другие метки.

Вместе с тем, магнитное поле выполняют переменным и задают его спектр со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах, а упомянутый сигнал регистрируют на частоте, представляющей собой линейную комбинацию частот указанных спектральных составляющих, во время воздействия указанным магнитным полем на упомянутые магнитные частицы. Частотный спектр воздействующего магнитного поля задают с учетом свойств анализируемой или буферной среды, в частности, положения характерных спектральных полос или областей поглощения высокочастотного электромагнитного поля такой средой. Например, при анализе биологических растворов важно учитывать проводимость и поглощение воды в мегагерцовом и гигагерцовом диапазоне.

Измерение сигнала во время воздействия магнитного поля представляет собой другое важное отличие от способа прототипа. Оно позволяет уйти от использования остаточной намагниченности. Сигнал измеряют на комбинационной частоте, таким образом, регистрируя параметр, связанный исключительно с количеством обнаруживаемых магнитных частиц, а не с воздействующим магнитным полем или вызванными им аппаратурными помехами на частоте поля или кратной частоте. В общем случае, такая комбинационная частота представляет собой линейную комбинацию частот f₁ и f₂ вида: f_i = mf₁ + nf₂, где m, n - целые числа, отличные от нуля, а f₁ и f₂ - соответственно большая и меньшая частоты указанных двух спектральных составляющих воздействующего магнитного поля. В принципе, в упомянутую линейную комбинацию может входить и большее число частот спектральных составляющих магнитного поля. В зависимости от конкретной ситуации значения m и n могут меняться. Например, указанная линейная комбинация может иметь вид f_i = f₁ ± f₂ (то есть представлять собой сумму или разность частот упомянутых спектральных составляющих), f_i = f₁ ± 2f₂, и т.д.

Следует заметить, что, при прочих равных условиях, регистрировать выбранный компонент с присоединенными магнитными частицами можно также при измерении сигнала не на комбинационной частоте, а на частоте, кратной частоте воздействующего магнитного поля (то есть при m = 0, или n = 0, или при воздействии полем только одной частоты). При этом сигнал магнитной индукции, измеряемый на кратной (например, удвоенной) частоте, также определяется количеством обнаруживаемых магнитных частиц, а не амплитудой воздействующего поля, поскольку именно вещество магнитных частиц вносит нелинейную зависимость измеряемой магнитной индукции от напряженности воздействующего магнитного поля. Именно вследствие этой нелинейной зависимости в спектре сигнала магнитной индукции появляются кратные и комбинационные частоты. В предлагаемом способе используется регистрация сигнала комбинационной частоты как предпочтительный метод выделения информационного сигнала на фоне шумов и аппаратурных помех.

Могут использоваться также различные соотношения между амплитудами указанных частотных составляющих магнитного поля. Амплитуду, по меньшей мере, одной из указанных спектральных составляющих выбирают достаточной для обеспечения нелинейной зависимости указанной магнитной индукции от напряженности указанного магнитного поля, поскольку это является условием формирования комбинационных частот. Количественная мера используемой нелинейности зависит от характеристик используемой схемы регистрации сигнала на комбинационной частоте и ее способности выделять этот сигнал на уровне шума. Тем не менее, можно дать некоторые общие рекомендации.

Из соображений, связанных с возможностью реализации линейного режима измерений сформированного сигнала, а также для упрощения технической реализации и снижения энергоемкости оборудования целесообразно снижение амплитуды верхней составляющей спектра воздействующего сигнала. Поэтому амплитуды A_в и A_н указанных спектральных составляющих, относящихся, соответственно, к верхней и нижней частоте, выбирают с учетом соотношения A_н/A_в > 2.

Таким образом, на практике обычно именно низкочастотная составляющая воздействующего магнитного поля обеспечивает нелинейную зависимость магнитной индукции, производимой упомянутыми магнитными частицами, от напряженности этого поля. Для повышения сигнала на комбинационной частоте амплитуда упомянутой низкочастотной составляющей должна соответствовать режиму насыщения этой зависимости или, по крайней мере, режиму, близкому к насыщению, что, конечно же, означает существенную нелинейность. Допуская определенное упрощение, можно сказать, что низкочастотная составляющая поля периодически "включает" и "выключает" упомянутую нелинейность. При экспериментальной реализации предлагаемого способа установлено, что амплитуду низкочастотной составляющей можно оптимизировать, при этом могут использоваться различные критерии оптимизации. Например, максимальный сигнал на комбинационной частоте получен при таком выборе амплитуды низкочастотной составляющей, при котором примерно половина времени проходит в состоянии насыщения. Для повышения устойчивости к внешним факторам (температура, электромагнитные наводки, дрейфы и пр.) эту амплитуду целесообразно выбирать несколько большей.

Кроме того, векторы напряженности магнитного поля, соответствующие, по меньшей мере, двум указанным спектральным составляющим, ориентируют в ряде случаев неколлинеарно друг другу, что представляется полезным для повышения эффективности нелинейного взаимодействия внешних сигналов и системы магнитных частиц, например, в случае съема сигнала спинового эха.

Магнитные частицы выполняют из магнитомягкого вещества, чтобы повысить величину магнитной индукции, которая является откликом магнитного вещества частиц на воздействующее магнитное поле и от которой прямо зависит величина измеряемого сигнала. Кроме того, могут использоваться промышленно изготавливаемые магнитные частицы ("magnetic beads"), применяемые для биомагнитной сепарации. Обычно они поставляются в виде коллоидных смесей ("ferrofluids"). Такие частицы, как правило, имеют размер от десятков нанометров до десятков микрон, содержат магнитный материал (обычно γFe₂O₃, Fe₃O₄) в полимерной оболочке и являются суперпарамагнитными. Последнее означает, что частицы проявляют магнитные свойства только будучи помещенными во внешнее магнитное поле, но не обладают остаточной намагниченностью после удаления из этого поля.

С целью создания наиболее благоприятных условий для группирования выбранного компонента в контрольном объеме и локализации этого компонента в непосредственной близости от датчика магнитной индукции, в указанном контрольном объеме специально формируют рабочую поверхность, а пространственное расположение выбранного компонента анализируемой смеси задают путем его связывания с этой рабочей поверхностью. Предпочтительным является формирование развитой рабочей поверхности в трехмерной области контрольного объема или синтез трехмерной биомолекулярной связующей матрицы (например, декстран, пептидные спейсеры и т.п.) на одной из поверхностей в контрольном объеме. Это позволяет обеспечить большое число элементарных актов избирательного связывания (распознавания) определяемого или выбранного компонента на единицу объема вблизи датчика магнитной индукции. В результате обеспечивается большое число магнитных частиц, локализованных вблизи датчика магнитной индукции, и высокий уровень полезного сигнала относительно шума. Формирование рабочей поверхности может включать также физическую или химическую обработку или модификацию поверхности (например, травление с целью обеспечения привязки того или иного реагента или создания пористой структуры), иммобилизацию биореагентов и т.п., как уже упоминалось выше.

Один из вариантов формирования рабочей поверхности в контрольном объеме состоит в том, что контрольный объем полностью или частично заполняют микрогранулами. Это позволяет увеличить поверхность, на которой протекают представляющие интерес биохимические реакции, что приводит к увеличению концентрации и общего числа группируемых магнитных частиц и, соответственно, измеряемого сигнала.

Кроме того, упомянутые микрогранулы изготавливают в условиях низкого давления из полиэтилена, стабилизированного с помощью гамма-излучения, что позволяет обеспечить высокую стойкость рабочей поверхности к химическим и механическим разрушающим факторам.

Другой вариант формирования рабочей поверхности состоит в полном или частичном заполнении контрольного объема капиллярно-пористой структурой. Капиллярная или пористая структура может создаваться в контрольном объеме путем помещения в него капиллярно-пористых материалов либо иными физическими или химическими методами (например, травление, отжиг и др.). Один из предпочтительных вариантов предлагаемого способа состоит в пропускании анализируемой смеси через микроколонку, заполненную пористой фильтрующей массой, обладающей сильно разветвленной внутренней поверхностью. Эта поверхность используется в качестве рабочей поверхности, на которой происходит группирование выбранного компонента, как правило, за счет связывания с иммобилизированным на этой поверхности распознающим реагентом. Создание в контрольном объеме капиллярных или пористых структур позволяет увеличить поверхность протекания биохимических реакций, число регистрируемых магнитных частиц и, соответственно, измеряемый сигнал.

Для обеспечения избирательности анализа содержания того или иного определяемого компонента рабочую поверхность формируют с иммобилизацией на ней реагента, способного избирательно связывать (распознавать) определяемый компонент, и посредством этого реагента выбранный компонент связывают с рабочей поверхностью. Этот аспект уже обсуждался выше. Напомним, что под выбранным компонентом понимается либо сам определяемый компонент, либо иной (например, конкурирующий) компонент, количественная мера связывания которого с распознающим реагентом в контрольном объеме позволяет судить о содержании определяемого компонента в анализируемой смеси.

Для решения целого ряда практически важных задач указанный контрольный объем формируют из нескольких пространственно разделенных областей, с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал для каждой из указанных областей. Прежде всего, такая независимая регистрация информационного сигнала по нескольким каналам позволяет использовать каналы формирования опорного сигнала (каналы сравнения) различного назначения. Например, каналы сравнения целесообразно использовать для компенсации возможных случайных ошибок, разброса параметров и неоднородностей образцов смеси, а также неспецифического (неизбирательного) группирования компонентов анализируемой смеси в контрольном объеме, их неспецифического связывания с рабочей поверхностью или с магнитными частицами. Кроме того, при повторяющихся во времени анализах или непрерывном мониторинге каналы сравнения могут служить для учета температурных дрейфов, а также иных физических или химических нестабильностей (например, давления, плотности, pH раствора или концентрации в нем паразитных примесей и т.п.). В таких задачах, как правило, опорный канал находится в тех же условиях, что и информационный, за исключением условий избирательного группирования выбранного компонента (связывания с распознающим реагентом).

Другая группа задач, где требуется многоканальная регистрация, - обеспечение высокой пропускной способности или производительности анализов ("high throughput screening"), что особенно важно, например, для испытаний новых препаратов в фармацевтической промышленности. Для таких задач, в частности, целесообразна реализация предлагаемого способа на базе современного стандарта, утвердившегося в иммуноферментном анализе ("ELISA"), с наборами из 32х48 = 1536 ячеек, естественно, с использованием магнитных меток вместо ферментных.

Третья группа задач - распознавание сложных многокомпонентных смесей и анализ содержания в них одновременно нескольких компонентов. Для этого в указанных пространственно разделенных областях формируют рабочую поверхность с иммобилизацией на ней различных реагентов, способных избирательно связывать различные определяемые компоненты и посредством которых выбранные компоненты связывают с рабочей поверхностью, и, регистрируя упомянутый сигнал для каждой из нескольких указанных областей, получают информацию о содержании нескольких определяемых компонентов в анализируемой смеси. В простейшем случае, когда избирательность связывания каждого из выбранных компонентов с соответствующим распознающим реагентом достаточно высока, каждой из указанных областей соответствует не более одного такого реагента и не более одного определяемого компонента, то есть одна область "отвечает" за распознавание одного компонента и некоторые области используются как каналы сравнения. В иных случаях с указанных областей получают сложную картину сигналов, каждый из которых обладает низкой специфичностью по отношению к тому или иному компоненту, однако вся картина при этом оказывается специфичной (наподобие отпечатка пальца) по отношению к анализируемой смеси как целому. При этом смесь может быть идентифицирована, например, с привлечением компьютерных методов распознавания образов. Такие подходы вне контекста предлагаемого способа известны под названием "биочипов", "генных чипов", электронного "носа" и "языка" и т.п.

Описанные варианты способа с формированием контрольного объема и, соответственно, рабочей поверхности из нескольких пространственно разделенных областей с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал для каждой из указанных областей осуществляют, например, при взаимодействии анализируемой смеси или ее частей независимо (параллельно) либо последовательно с каждой из указанных областей. Вариант параллельного (не обязательно одновременного) взаимодействия реализуют, например, при взаимодействии смеси как целого с биочипом, генным чипом, чипом для комбинаторного химического анализа и т.п., а также при дозировании порций анализируемой смеси в плашки с массивами реакционных ячеек ("ELISA" и т.п.). Вариант последовательного взаимодействия реализуют, например, при пропускании анализируемой смеси через трубку или колонку так, что смесь последовательно проходит области с различными распознающими реагентами, и в каждой такой области группируется соответствующий выбранный компонент.

Один из предпочтительных вариантов указанного формирования контрольного объема и, соответственно, рабочей поверхности из нескольких пространственно разделенных областей с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал для каждой из указанных областей состоит в том, что каждую из этих областей снабжают отдельным датчиком магнитной индукции, посредством которого регистрируют упомянутый сигнал описанным выше образом на комбинационной частоте. Для этого выход каждого такого датчика связывают с радиочастотным фильтром, настроенным на пропускание сигнала комбинационной частоты, и приемником выходного сигнала. При этом контрольный объем формируют, например, путем использования массивов из большого числа ячеек, в каждой из которых обеспечивают группирование (избирательное связывание) выбранного компонента и каждую из которых снабжают независимым датчиком магнитной индукции. В качестве таких массивов предпочтительно использовать стандартные плашки, применяемые в общеупотребительных процедурах биохимических анализов. Перспективным направлением является миниатюризация таких массивов. В частности, для распознавания сложных смесей и многокомпонентного анализа, например, на основе методов комбинаторной химии перспективна реализация микромассивов из указанных областей в виде микроэлектронных чипов. При этом датчики магнитной индукции и схемные компоненты предпочтительно выполнять на базе планарной микроэлектронной технологии.

В других вариантах способа с формированием контрольного объема и, соответственно, рабочей поверхности из нескольких пространственно разделенных областей с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал для каждой из указанных областей этот сигнал для указанных областей регистрируют последовательно. При этом указанный контрольный объем состоит из нескольких пространственно разделенных областей и выполнен с возможностью последовательного тестирования указанных областей датчиком магнитной индукции. Например, контрольный объем выполнен с возможностью последовательно помещать указанные области вблизи датчика магнитной индукции либо датчик магнитной индукции вблизи каждой из указанных областей. Например, используют трубку (колонку), в которой сформирован контрольный объем, состоящий из нескольких областей, пространственно разделенных вдоль этой трубки (колонки), причем в этих областях иммобилизированы различные распознающие реагенты, избирательно связывающие различные выбранные компоненты при пропускании анализируемой среды через эту трубку (колонку). После этого связывания трубку (колонку) протягивают в непосредственной близости отдатчика магнитной индукции (например, через катушку индуктивности) или перемещают датчик магнитной индукции вдоль трубки (колонки). Кроме такой трубки можно использовать и другие форматы, например достаточно толстую полоску капиллярно-пористого материала, устроенную и работающую аналогичным образом, сканирование датчиком магнитной индукции вдоль двумерного массива указанных областей и т.д.

Чтобы регистрация сигнала для каждой из указанных областей была независима от других областей, целесообразно разделять эти области достаточно большими нейтральными промежутками. Например, в описанном выше варианте с трубкой (колонкой), вставляемой в датчик магнитной индукции в виде катушки индуктивности, расстояние вдоль трубки между указанными областями должно быть порядка диаметра катушки (не менее половины диаметра, а желательно - более двух диаметров).

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого способа обеспечивается требуемый технический результат.

То, что выбранный компонент с присоединенными к нему магнитными частицами группируют в контрольном объеме, позволяет повысить чувствительность метода, и одновременно снизить его стоимость, повысить оперативность проведения измерений, упростить оборудование и уменьшить весогабаритные характеристики реализующего оборудования.

Тот же технический результат обеспечивается тем, что указанное магнитное поле выполняют переменным и задают его спектр со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах, а упомянутый сигнал регистрируют на частоте, представляющей собой линейную комбинацию частот указанных спектральных составляющих, во время воздействия указанным магнитным полем на упомянутые магнитные частицы. Все это в той или иной мере позволяет улучшить помехоустойчивость и помехозащищенность способа по целому ряду причин. Это уход от измерений на постоянном токе, всегда сопряженных с трудно разрешимой проблемой дрейфа нуля. Это и отсутствие спектральных компонент воздействующих сигналов в спектре выделяемого (для измерения) сигнала, их ортогональность в широком смысле, что является общепринятым критерием достижения высокой помехоустойчивости. Временная компактность измерений также способствует оперативности предлагаемого способа. Еще более важным обстоятельством является то, что регистрация сигнала во время воздействия магнитным полем на частицы позволяет избежать использования остаточной намагниченности частиц, которая в большинстве практически важных случаев весьма мала. Как следствие, существенно расширяется класс подходящих магнитных частиц и резко возрастает полезный сигнал. При этом реализуется технический результат, состоящий в увеличении реализуемого в процессе измерений значения отношения сигнал/шум, повышении точности измерений, увеличении чувствительности способа, повышении достоверности полученных данных. Это позволяет одновременно снизить затраты на проведение эксперимента за счет сокращения числа необходимых операций, времени, количества и габаритов требуемого оборудования. Это дает возможность создания мобильных, дешевых, высокопроизводительных лабораторий массового обследования, повышает функциональную гибкость предлагаемого способа.

В предпочтительном варианте предлагаемого способа упомянутая линейная комбинация частот указанных спектральных составляющих представляет собой сумму либо разность этих частот. Это предельно сужает спектр используемой области частот, что также упрощает аппаратурную реализацию способа, уменьшает его стоимость, повышает надежность.

Итак, предлагаемый способ позволяет получить вышеперечисленные требуемые технические результаты наиболее просто и потому - с минимальными затратами.

Немаловажно и то, что амплитуду, по меньшей мере, одной из указанных спектральных составляющих выбирают достаточной для обеспечения нелинейной зависимости указанной магнитной индукции от напряженности указанного магнитного поля, поскольку появление сигнала на комбинационной частоте связано именно с нелинейностью преобразования энергии воздействующих сигналов в веществе магнитных частиц. При этом сигнал верхней из частот предпочтительно выбирать меньшей амплитуды, поскольку при выделении на его фоне (во временном смысле) измеряемого сигнала высокочастотный сигнал является помехой, способной существенно снизить чувствительность предлагаемого способа. Поэтому амплитуды A_в и A_н указанных спектральных составляющих, относящихся, соответственно, к верхней и нижней частоте, выбирают с учетом соотношения A_н/A_в > 2.

Кроме того, векторы напряженности магнитного поля, соответствующие, по меньшей мере, двум указанным спектральным составляющим, ориентируют в ряде случаев неколлинеарно друг другу, что представляется полезным для повышения эффективности воздействия энергией внешних сигналов на систему магнитных меток, например, в случае съема сигнала спинового эха. При этом удается "развязать" катушки индуктивности по переменному току, обеспечив отсутствие влияние магнитного поля одной катушки на другую при повороте оси одной из катушек относительно другой на 90 градусов. Кроме того, это позволяет оптимизировать условия нелинейного взаимодействия воздействующих сигналов с веществом магнитных меток и, следовательно, повысить уровень выделяемого сигнала. Это повышает чувствительность способа, являющуюся основой достижения всех прочих ранее перечисленных параметров требуемого технического результата.

Магнитные частицы выполняют из магнитомягкого вещества, чтобы повысить отклик частиц на воздействующее магнитное поле, поскольку от этого отклика и зависит величина измеряемого сигнала. Это также служит основой достижения требуемого технического результата.

То, что в контрольном объеме специально формируют рабочую поверхность, соответствующую требованиям, необходимым для протекания регистрируемой реакции избирательного связывания выбранного компонента, увеличивает полезный сигнал и, кроме того, повышает достоверность результатов анализа. Дополнительные возможности повышения полезного сигнала открывает использование сильно разветвленной рабочей поверхности или трехмерной связующей матрицы, поскольку вероятность и число элементарных актов упомянутого связывания возрастают с увеличением эффективной поверхности, доступной для реакции.

Один из методов создания рабочей поверхности состоит в заполнении контрольного объема микрогранулами, что позволяет увеличить поверхность, доступную для протекания реакции и, соответственно, измеряемый сигнал. При этом упомянутые микрогранулы целесообразно изготавливать, например, в условиях низкого давления из полиэтилена, стабилизированного с помощью гамма-излучения, что позволяет обеспечить высокую стойкость рабочей поверхности к химическим и механическим разрушающим факторам. Следует отметить, что использование полиэтилена также снижает себестоимость метода. Кроме того, повышается точность и надежность результата, поскольку химическая стойкость полиэтилена обеспечивает отсутствие побочных эффектов со стороны материала, на котором сформирована рабочая поверхность. Также следует учесть и способность полиэтилена, изготовленного в условиях низкого давления и стабилизированного с помощью гамма-излучения, образовывать микрогранулы размером менее микрона, что обеспечивает формирование сильно разветвленной поверхности и также повышает точность метода анализа, его чувствительность и производительность. Кроме того, обеспечивается возможность уменьшения размеров вышеупомянутых пространственно разнесенных областей и, соответственно, их более плотной компоновки. Аналогично, заполнение контрольного объема капиллярно-пористой структурой также позволяет увеличить поверхность протекания биохимических реакций и, соответственно, измеряемый сигнал.

Все это сообщает предлагаемому способу устойчивость к внешним воздействиям - механическим (тряске, вибрации), температурным, химическим, поскольку наличие твердого носителя анализируемых продуктов биохимической реакции повышает надежность их изоляции от внешней среды при эксплуатации в условиях подвижной лаборатории. Совместное использование различных форматов носителей продуктов биохимической реакции также повышает надежность эксплуатации предлагаемого способа, обеспечивает его функциональную гибкость, расширяет области его применения.

Иммобилизация на рабочей поверхности реагента, способного избирательно связывать определяемый компонент анализируемой смеси, позволяет эффективно выделить информацию, относящуюся именно к определяемому компоненту, на фоне возможных паразитных сигналов, повысить точность и достоверность результатов анализа.

То, что указанный контрольный объем формируют из нескольких пространственно разделенных областей, с обеспечением возможности регистрировать упомянутый сигнал независимо для каждой из указанных областей, позволяет вести параллельный многопараметрический анализ исследуемых смесей. Это обеспечивает снижение временных затрат при проведении многопараметрических исследований, сообщает необходимую универсальность предлагаемому способу, требуемую функциональную гибкость, упрощает аппаратурную реализацию, снижает ее весогабаритные характеристики, открывает путь к созданию мобильных пунктов и лабораторий массового тестирования проб и обследования населения.

Кроме того, формирование контрольного объема из нескольких пространственно разнесенных областей с обеспечением возможности их независимого и параллельного мониторинга резко повышает производительность предлагаемого способа, снижает себестоимость отдельного анализа, повышает надежность получения результата с учетом повышения количества статистических данных.

То, что в указанных областях формируют рабочую поверхность с иммобилизацией на ней различных реагентов, способных избирательно связывать различные определяемые компоненты анализируемой смеси и посредством которых выбранные компоненты связывают с рабочей поверхностью, и, регистрируя упомянутый сигнал независимо для каждой из нескольких указанных областей, получают информацию о содержании нескольких определяемых компонентов в анализируемой смеси, обеспечивает тот же результат применительно к анализу сложных смесей на содержание одновременно нескольких компонентов и распознаванию таких смесей.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого способа.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого способа.

В качестве реализации рассмотренного выше способа предложено устройство считывания информации в способе анализа смеси биологических и/или химических компонентов по п. 1. Указанное устройство относится к области разработки и совершенствования аппаратурных средств регистрации результатов биохимических анализов.

Известно устройство считывания результатов в способе биохимического анализа смеси веществ с использованием магнитных меток [1], содержащее:
- магнитные частицы, связанные с выбранным компонентом анализируемой смеси непосредственно либо через промежуточный материал;
- генератор магнитного поля, в зоне воздействия которого находятся упомянутые магнитные частицы;
- датчик магнитной индукции, производимой упомянутыми магнитными частицами;
- приемник выходного сигнала;
- блок формирования результата, своим входом соединенный с выходом приемника выходного сигнала,
что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

При этом датчик магнитной индукции, выполненный в виде катушки индуктивности, включен в одно из плеч мостовой схемы, вход которой подключен к выходу генератора магнитного поля, а выход соединен с входом приемника выходного сигнала.

Работа аналога [1] основана на том, что наличие магнитных частиц в анализируемом образце, расположенном внутри катушки индуктивности, выполняющей функции датчика магнитной индукции, приводит к изменению величины этой индуктивности и, следовательно, к разбалансировке мостовой схемы. Это является причиной формирования выходного сигнала данного устройства.

Недостаток известного аналога состоит в его повышенной сложности и малой производительности из-за необходимости точной балансировки моста при каждом новом измерении, что также приводит к высокой стоимости, а с учетом реально существующей температурной нестабильности окружающей среды, особенно в мобильном варианте устройства - и к пониженной точности получаемых результатов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство считывания информации в способе анализа полинуклеотидов и протеинов с использованием магнитных меток [2], принятое в качестве прототипа и содержащее:
- выбранный компонент анализируемой смеси, расположенный в пространстве заданным образом;
- магнитные частицы, связанные с выбранным компонентом анализируемой смеси непосредственно либо через промежуточный материал;
- генератор магнитного поля, в зоне воздействия которого находятся упомянутые магнитные частицы;
- датчик магнитной индукции, производимой упомянутыми магнитными частицами;
- приемник выходного сигнала;
- блок формирования результата, своим входом соединенный с выходом приемника выходного сигнала,
что совпадает с существенными признаками предлагаемого устройства.

Кроме того, компоненты анализируемой смеси распределены вдоль поверхности подложки в соответствии с их молекулярным размером, а генератор магнитного поля и датчик магнитной индукции выполнены с возможностью генерации и, соответственно, регистрации постоянного во времени сигнала.

Работа устройства-прототипа основана на том, что магнитные частицы, связанные с одним или несколькими выбранными компонентами анализируемой смеси и распределенные вдоль поверхности подложки, приобретают остаточную намагниченность в результате воздействия на них постоянным магнитным полем. Затем датчиком постоянного магнитного поля, например датчиком Холла, измеряют распределение магнитной индукции, обусловленной этой остаточной намагниченностью, вдоль поверхности подложки. Из этого распределения определяют количество магнитных частиц, связанных с тем или иным компонентом анализируемой смеси, и содержание самого этого компонента в смеси.

Недостаток прототипа [2] состоит в ограниченной чувствительности устройства и низкой точности получаемых результатов, что связано с известными негативными особенностями измерений на постоянном токе, малой величиной остаточной намагниченности и низкой концентрацией магнитных частиц, "размазанных" по поверхности подложки. При этом весьма узок и диапазон применения данного устройства.

Таким образом, требуемый технический результат состоит в повышении отношения сигнал/шум и, соответственно, в повышении точности измерений, увеличении чувствительности устройства, повышении достоверности полученных данных, при одновременном снижении затрат на проведение эксперимента за счет сокращения числа необходимых операции, времени, количества и габаритов требуемого оборудования, а также в создании мобильных, дешевых, высокопроизводительных лабораторий массового обследования, в повышении функциональной гибкости устройства и расширении диапазона его применения.

Список фигур чертежей.

Фиг. 1. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 15 формулы.

Фиг. 2. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 17 формулы.

Фиг. 3. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 18 формулы.

Фиг. 4. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 19 формулы.

Фиг. 5. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 20 формулы.

Фиг. 6. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 21 формулы.

Фиг. 7. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 23 формулы.

Фиг. 8. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 29 формулы.

Фиг. 9. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 30 формулы.

Фиг. 10. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 31 формулы.

Фиг. 11. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 32 формулы.

Фиг. 12. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 33 формулы.

Фиг. 13. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 43 формулы.

На схеме фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, основной вариант - по п. 15 формулы.

На схеме фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 17 формулы, с выполнением генератора магнитного поля в виде последовательно соединенных генератора переменного тока и индуктивного блока.

На схеме фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 18 формулы, где показано выполнение функций датчика магнитного поля индуктивным блоком.

На схеме фиг. 4 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 19 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде катушки индуктивности.

На схеме фиг. 5 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 20 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности.

На схеме фиг. 6 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 21 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности, расположенных под углом друг к другу.

На схеме фиг. 7 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 23 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности, расположенных под углом друг к другу, при наличии фазовращателя в цепи одной из катушек.

На схеме фиг. 8 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 29 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде катушки индуктивности, с режекторным фильтром в тракте приема сигнала.

На схеме фиг. 9 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 30 формулы, где фильтр выполнен синхронным.

На схеме фиг. 10 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 31 формулы, где показаны связи управляющего блока при его введении в устройство.

На схеме фиг. 11 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 32 формулы, где функции генератора опорного сигнала и приемника выходного сигнала выполняются процессором.

На схеме фиг. 12 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 33 формулы, где функции генератора переменного тока, приемника выходного сигнала и формирователя опорного сигнала выполняются процессором.

На схеме фиг. 13 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 43 формулы, где функции генератора переменного тока и приемника выходного сигнала выполняются процессором.

На чертежах фиг. 1 - 12 использованы следующие условные обозначения составных элементов:
1 - генератор магнитного поля,
2 - совокупность магнитных частиц, связанных с выбранным компонентом анализируемой смеси и сгруппированных в контрольном объеме,
3 - датчик магнитной индукции,
4 - радиочастотный фильтр,
5 - приемник выходного сигнала,
6 - блок формирования результата,
7 - генератор переменного тока,
8 - индуктивный блок,
9 - первая катушка индуктивности,
10 - вторая катушка индуктивности,
11 - фазовращатель,
12 - формирователь опорного сигнала,
13 - управляющий блок,
14 - процессор.

Недостатки прототипа устраняются в предлагаемом устройстве для анализа смеси биологических и/или химических компонентов, содержащем:
- выбранный компонент анализируемой смеси, расположенный в пространстве заданным образом;
- магнитные частицы, связанные с выбранным компонентом анализируемой смеси непосредственно либо через промежуточный материал;
- генератор магнитного поля, в зоне воздействия которого находятся упомянутые магнитные частицы;
- датчик магнитной индукции, производимой упомянутыми магнитными частицами;
- приемник выходного сигнала;
- блок формирования результата, своим входом соединенный с выходом приемника выходного сигнала,
что совпадает с существенными признаками прототипа.

Отличие от прототипа состоит в том, что:
- выбранный компонент анализируемой смеси с присоединенными к нему упомянутыми магнитными частицами сгруппирован в контрольном объеме;
- генератор магнитного поля выполнен с возможностью задания частотного спектра магнитного поля со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах;
- введен радиочастотный фильтр, вход которого подключен к выходу датчика - магнитной индукции, а выход - к входу приемника выходного сигнала, причем фильтр настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, представляющей собой линейную комбинацию частот указанных спектральных составляющих.

Кроме того, упомянутая линейная комбинация частот указанных спектральных составляющих представляет собой сумму либо разность этих частот.

Кроме того, генератор магнитного поля содержит генератор переменного тока, выполненный с возможностью задания частотного спектра выходного сигнала со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах, и индуктивный блок, подключенный к выходу упомянутого генератора переменного тока, причем выход индуктивного блока является выходом генератора магнитного поля.

Кроме того, указанный индуктивный блок выполняет функции вышеупомянутого датчика магнитной индукции.

Кроме того, указанный индуктивный блок выполнен в виде катушки индуктивности без сердечника, причем первый вывод этой катушки соединен с выходом упомянутого генератора переменного тока, а второй вывод соединен с общей шиной.

Кроме того, указанный индуктивный блок содержит две катушки индуктивности без сердечников, причем первые выводы указанных катушек подключены, соответственно, к первому и второму выходам упомянутого генератора переменного тока, вторые выводы подключены к общей шине и, кроме того, первый вывод одной из указанных катушек соединен с входом упомянутого радиочастотного фильтра.

Кроме того, оси указанных катушек повернуты одна относительно другой.

Кроме того, угол между осями указанных катушек составляет 90^o.

Кроме того, между одним из выходов упомянутого генератора переменного тока и соответствующим первым выводом одной из указанных катушек введен фазовращатель, снабженный управляющим входом ввода данных о повороте оси этой катушки относительно оси другой катушки.

Кроме того, датчик магнитной индукции содержит индуктивный элемент без сердечника, не входящий в состав упомянутого генератора магнитного поля.

Кроме того, датчик магнитной индукции содержит магниторезистивный (магнитоимпедансный) чувствительный элемент.

Кроме того, датчик магнитной индукции содержит чувствительный элемент на основе эффекта Холла.

Кроме того, датчик магнитной индукции выполнен в виде планарной микроэлектронной структуры.

Кроме того, радиочастотный фильтр является режектирующим для сигнала той из частот указанных спектральных составляющих, которая является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

Кроме того, радиочастотный фильтр является режектирующим для сигнала той из частот указанных спектральных составляющих, которая является ближайшей к указанной выделяемой частоте, и, кроме того, управляемым, а управляющий вход радиочастотного фильтра соединен с управляющим выходом упомянутого генератора переменного тока.

Кроме того, введен формирователь опорного сигнала, подключенный своим входом к выходу упомянутого генератора переменного тока, вторым, управляющим, входом - к выходу приемника выходного сигнала, а своим выходом - ко второму входу упомянутого радиочастотного фильтра, причем этот фильтр выполнен синхронным.

Кроме того, введен управляющий блок, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами, соответственно, упомянутых генератора переменного тока и радиочастотного фильтра, а вход подключен к управляющему выходу приемника выходного сигнала.

Кроме того, формирователь опорного сигнала и приемник выходного сигнала выполнены в виде процессора.

Кроме того, формирователь опорного сигнала и приемник выходного сигнала, а также упомянутый генератор переменного тока выполнены в виде процессора.

Кроме того, магнитные частицы выполнены из магнитомягкого вещества.

Кроме того, в указанном контрольном объеме сформирована рабочая поверхность, к которой присоединен выбранный компонент анализируемой смеси, с которым связаны упомянутые магнитные частицы.

Кроме того, рабочая поверхность сформирована в контрольном объеме, заполненном микрогранулами.

Кроме того, упомянутые микрогранулы изготовлены из полиэтилена.

Кроме того, упомянутые микрогранулы изготовлены в условиях низкого давления из полиэтилена, стабилизированного с помощью гамма-излучения.

Кроме того, рабочая поверхность сформирована в контрольном объеме, заполненном капиллярно-пористой структурой.

Кроме того, на рабочей поверхности иммобилизирован реагент, способный избирательно связывать определяемый компонент анализируемой смеси, причем выбранный компонент анализируемой смеси связан с указанным реагентом, а посредством последнего - присоединен к рабочей поверхности.

Кроме того, указанный контрольный объем состоит из нескольких пространственно разделенных областей, и каждая из этих областей снабжена отдельным датчиком магнитной индукции, выход которого связан с радиочастотным фильтром и приемником выходного сигнала.

Кроме того, указанный контрольный объем состоит из нескольких пространственно разделенных областей и выполнен с возможностью последовательного тестирования указанных областей датчиком магнитной индукции.

Кроме того, генератор переменного тока и приемник выходного сигнала выполнены в виде процессора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 воздействует переменным магнитным полем на магнитные частицы 2 (фиг. 1), например, как показано на фиг. 4, создает переменное магнитное поле в катушке 9. Магнитное поле имеет, по меньшей мере, две спектральные (частотные) составляющие, например, с частотами f₁ = 100 кГц и f₂ = 100 Гц. Откликом магнитных частиц на воздействие магнитного поля является их намагниченность или магнитная индукция. Используются частицы, обладающие в той или иной мере магнитными свойствами, в частности нелинейной зависимостью намагниченности и магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля. Вследствие этого происходит спектральное перераспределение энергии возбуждения, и в спектре отклика магнитных частиц на воздействие поля появляются комбинационные спектральные компоненты. В общем случае, они представляют собой линейные комбинации частот f₁ и f₂ вида: f_i = mf₁ + nf₂, где m, n - целые числа, отличные от нуля. В принципе, в такой линейной комбинации может участвовать и большее число спектральных составляющих. В зависимости от конкретной ситуации значения m и n могут меняться. Например, указанная линейная комбинация может иметь вид f_i = f₁ ± f₂ (суммарная и разностная частоты), f_i = f₁ + 2f₂, и т.д. Как известно, мощность спектральной компоненты убывает с номером гармоники. Поэтому для получения максимальной амплитуды сигнала предпочтительно использовать значения m = 1 и n = ±1, что соответствует сумме либо разности частот спектральных составляющих воздействующего магнитного поля.

Напомним, что перед началом измерений выбранный компонент и связанные с ним магнитные частицы расположены в пространстве заданным образом и сгруппированы в контрольном объеме, например, посредством реакции избирательного связывания выбранного компонента комплементарным распознающим реагентом. Под выбранным компонентом понимается либо сам определяемый компонент анализируемой смеси, либо иной компонент (например, конкурирующий с определяемым компонентом за связывание с распознающим реагентом), присущий анализируемой смеси или специально введенный в эту смесь, количественная мера группирования которого в контрольном объеме служит мерой содержания определяемого компонента в анализируемой смеси.

Величина регистрируемого сигнала магнитной индукции на комбинационной частоте однозначно связана с количеством магнитных частиц 2, сгруппированных в контрольном объеме. Поэтому, выделив сигнал комбинационной частоты фильтром 4, на выходе приемника 5 получаем информацию о количестве магнитных меток 2 в контрольном объеме. Для этого приемник 5 выполнен по любой известной схеме, используемой в технике помехоустойчивого приема сигналов малой мощности на фоне шумов и помех, и выполняет функции усиления, детектирования и накопления.

Окончательный результат - количественные данные о содержании определяемого компонента, формируется блоком формирования результата 6, характеристики которого учитывают специфику образца анализируемой смеси и производимых с ним реакций.

В предпочтительном варианте устройства генератор магнитного поля 1 состоит из генератора переменного тока 7, выполненного с возможностью задания частотного спектра выходного сигнала со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах, и индуктивного блока 8, подключенного к выходу упомянутого генератора переменного тока 7, что позволяет осуществлять требуемое воздействие на измеряемый образец (фиг. 2, п. 17 формулы). Как уже обсуждалось выше при описании способа, задание частотного спектра целесообразно для учета спектральных особенностей взаимодействия генерируемого высокочастотного магнитного поля с измеряемым образцом.

При этом устройство сильно упрощается, когда указанный индуктивный блок 8 генератора магнитного поля выполняет одновременно функции датчика магнитной индукции 3 (фиг. 3, п. 18 формулы). Это вполне естественно в технике магнитных измерений, где одна и та же катушка часто служит и возбуждающей, и приемной. Такой вариант предпочтителен для одноканального устройства. Для многоканального же устройства, где контрольный объем состоит из нескольких пространственно разделенных областей, эти функции предпочтительно разделить. Например, блок 8 создает магнитное поле, общее для всех указанных областей, а каждая область снабжена отдельным датчиком магнитной индукции. Другой случай разделения - выполнение датчика 3 на основе не индуктивного, а иного магниточувствительного элемента (см. ниже).

В самом простом варианте, указанный индуктивный блок 8, являющийся и датчиком магнитной индукции, выполнен в виде катушки индуктивности 9 без сердечника, причем первый вывод этой катушки соединен с выходом упомянутого генератора переменного тока 7, а второй вывод соединен с общей шиной (фиг. 4, п. 19 формулы).

В следующем варианте предлагаемого устройства (фиг. 5, п. 20 формулы) в состав индуктивного блока введена вторая катушка индуктивности 10, подключенная своим первым выводом ко второму выходу генератора 1, а вторым выводом - к общей шине. При этом с первого выхода генератора 1 на катушку 9 поступает одна из спектральных составляющих выходного сигнала, а со второго его выхода на катушку 10 - другая спектральная составляющая.

В следующем варианте предлагаемого устройства по п. 21 формулы (фиг. 6) оси указанных катушек 9 и 10 повернуты одна относительно другой. Это приводит к тому, что векторы напряженности магнитного поля двух указанных спектральных составляющих в образце 2 скрещены под некоторым углом. При этом за счет изменения этого угла в измеряемом образце удается увеличить эффективность нелинейного преобразования парциальных компонент магнитного поля в регистрируемый сигнал магнитной индукции и, следовательно, повысить отношение сигнал/шум.

При этом в одном из реализованных вариантов устройства угол между осями указанных катушек составляет 90 градусов (п. 22 формулы).

В следующем варианте предлагаемого устройства (п. 23, фиг. 7) введен фазовращатель 11, подключенный между одним из выходов упомянутого генератора 1 и соответствующей катушкой индуктивности 9 или 10, причем указанный фазовращатель 11 снабжен управляющим входом ввода данных Φ_o о повороте оси этой катушки относительно оси другой катушки. Это обеспечивает дополнительные возможности управления фазой одной из спектральных составляющих возбуждающего сигнала.

Если по тем или иным причинам целесообразно разделить датчик магнитной индукции 3 и генератор магнитного поля 1, то для реализации датчика 3 может использоваться целый ряд альтернативных методов измерения магнитной индукции. Например, в схеме фиг. 1 датчик магнитной индукции содержит индуктивный элемент без сердечника (п. 24 формулы), либо магниторезистивный (магнитоимпедансный) чувствительный элемент (п. 25), либо чувствительный элемент на основе эффекта Холла (п. 26). При этом в предпочтительном варианте устройства датчик магнитной индукции выполнен в виде планарной микроэлектронной структуры (п. 27).

В следующем варианте предлагаемого устройства (п. 28 формулы), что можно иллюстрировать любой из схем фиг. 1 - 7 и другими, за исключением вариантов, где фильтр 4 выполнен синхронным, в качестве фильтра 4 использован режекторный фильтр, обладающий свойством подавления той спектральной составляющей воздействующего сигнала, которая является ближайшей к указанной выделяемой частоте. При этом в случае достаточно высокой добротности указанного фильтра 4 даже мощная помеха на соседней к выделяемой частоте может быть подавлена до необходимого уровня без заметного ослабления полезного сигнала.

Следует отметить, что обычно режектируется более высокая частота из двух присутствующих в спектре воздействующего сигнала. Напомним, что в нашем случае конкретно реализованного устройства эти частоты различается на 3 порядка - 100 Гц и 100 кГц. Комбинационная частота располагается, конечно же, вблизи более высокой частоты, сигнал которой в отсутствие режекции мог бы пройти в приемник 5 и существенно ухудшить отношение сигнала к шуму.

В следующем варианте предлагаемого устройства (п. 29 формулы, схема фиг. 8) фильтр 4 выполнен управляемым, и его управляющий вход соединен с управляющим выходом генератора 7, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте. Введенная связь вышеуказанного выхода генератора 7 с управляющим входом фильтра 4 позволяет подстраивать частоту режекции фильтра 4, компенсируя нестабильность упомянутого выше генератора 7.

При этом следует учитывать, что характеристики подавления помех фильтрами связаны обычно с абсолютной величиной частотного смещения выделяемой частоты относительно полосы пропускания фильтра 4. Как известно, величина частотного дрейфа сигнала генератора обычно пропорциональна номиналу его частоты. Поэтому в предложенном устройстве дрейф высокочастотной компоненты спектра генератора 7 ожидается на 3 порядка выше, чем низкочастотной, что и послужило причиной того, что подстройка фильтра 4 осуществляется более высокой частотой спектра воздействующего сигнала, которая и является ближайшей к выделяемой комбинационной частоте.

В предлагаемом по п. 30 формулы устройстве (схема фиг. 9) формирователь опорного сигнала 12, приняв с выхода генератора 1 на свой вход возбуждающий сигнал, имеющий, например, две спектральные составляющие, формирует на своем выходе гармонический сигнал комбинационной частоты, используемый в качестве опорного сигнала для синхронного фильтра 4. Последний, являясь перемножителем, выделяет соответствующую комбинационную компоненту из анализируемой смеси сигнал/шум оптимальным, по теории В.А. Котельникова, образом, с учетом последующего накопления результата перемножения в приемнике выходного сигнала 5 и обеспечения синфазностн перемножаемых компонент за счет подстройки формирователя опорного сигнала 12, на управляющий вход которого поступает сигнал обратной связи с выхода приемника выходного сигнала 5.

В следующем варианте предлагаемого устройства (фиг. 10, п. 31 формулы) в состав устройства введен управляющий блок 13, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами, соответственно, генератора 7 и радиочастотного фильтра 4, а вход подключен к управляющему выходу приемника 5 выходного сигнала. Управляющий блок 13, анализируя изменение выходного сигнала при изменении параметров генератора 7 и фильтра 4, формирует оптимальное управляющее воздействие на указанные блоки 7 и 4 по цепям обратной связи.

В следующем варианте предлагаемого устройства (фиг. 11, п. 32 формулы) функции указанных формирователя 12 опорного сигнала и приемника 5 совмещены в процессоре 14. Это представляется целесообразным с точки зрения использования возможностей современной техники, а также для обеспечения совместимости предлагаемого устройства с современной научно-технической базой.

В следующем варианте предлагаемого устройства (фиг. 12, п. 33 формулы) функции указанных формирователя 12 опорного сигнала, приемника 5, а также генератора переменного тока 7 совмещены в процессоре 14, что целесообразно по тем же причинам.

В следующем варианте предлагаемого устройства (фиг. 13, п. 43 формулы) функции указанных генератора переменного тока 7 и приемника выходного сигнала 5 совмещены в процессоре 14, что целесообразно по тем же причинам.

Следует отметить, что кроме указанных вариантов совмещения функций блоков в одном процессоре, возможны и различные сочетания этих вариантов, в том числе при выполнении процессором одновременно и функций управляющего блока 13.

Существо остальных отличительных признаков предлагаемого устройства, приведенных в п.п. 34 - 42 формулы, было уже раскрыто в вышеприведенных материалах при анализе пунктов 6 - 14 формулы, относящихся к способу анализа, и поэтому соответствующие материалы здесь не приводятся.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого устройства обеспечивается требуемый технический результат.

Группирование выбранного компонента анализируемой смеси с присоединенными к нему упомянутыми магнитными частицами в контрольном объеме позволяет повысить чувствительность устройства и улучшить характеристики его выходного сигнала за счет увеличения числа частиц - носителей магнитной индукции в ограниченном контрольном объеме, где проводятся измерения, в непосредственной близости от датчика магнитной индукции. Последний при этом может быть миниатюрным и, в ряде случаев, реализованным на базе планарной микроэлектронной технологии. Все это позволяет также снизить стоимость устройства, упростить его реализацию и уменьшить его весогабаритные характеристики. Кроме того, повышается оперативность измерений, поскольку достижение необходимых параметров без предварительной концентрации магнитных частиц потребовало бы использования методов накопления, связанных с затратой дополнительного времени и оборудования.

Выполнение генератора магнитного поля с возможностью задания частотного спектра магнитного поля со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах и введение между выходом датчика магнитной индукции и входом приемника выходного сигнала радиочастотного фильтра, который настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, представляющей собой линейную комбинацию частот указанных спектральных составляющих, позволяет резко повысить информационный сигнал относительно шума, а также улучшить помехоустойчивость и помехозащищенность устройства по целому ряду причин. Это уход от использования остаточной намагниченности частиц, которая для малых частиц весьма мала. Это уход от измерений на постоянном токе, всегда сопряженных с трудно разрешимой проблемой дрейфа нуля. Это и отсутствие спектральных компонент воздействующих сигналов в спектре выделяемого (для измерения) сигнала, их ортогональность в широком смысле, что является общепринятым критерием достижения высокой помехоустойчивости и позволяет эффективно выделить информационный сигнал на фоне внешнего магнитного поля, флуктуационных шумов и аппаратурных помех.

При этом реализуется технический результат, состоящий в увеличении реализуемого в процессе измерений значения отношения сигнал/шум, повышении точности измерений, увеличении чувствительности устройства, повышении достоверности полученных данных, при одновременном снижении затрат на проведение эксперимента за счет сокращения числа необходимых операций, времени, количества и габаритов требуемого оборудования, в обеспечении создания мобильных, дешевых, высокопроизводительных лабораторий массового обследования и, соответственно, повышении функциональной гибкости предлагаемого устройства.

То, что упомянутая выделяемая частота представляет собой сумму либо разность частот указанных спектральных составляющих воздействующего магнитного поля, предельно сужает спектр используемой области частот, обеспечивает максимальное значение амплитуды формируемого полезного сигнала за счет минимизации номера выделяемой гармоники, что также повышает помехоустойчивость и помехозащищенность устройства, упрощает его аппаратурную реализацию, уменьшает стоимость, повышает надежность. Итак, предлагаемое устройство позволяет получить вышеперечисленные требуемые технические результаты наиболее просто и с минимальными затратами.

Следует отметить, что, вообще говоря, генератор переменного магнитного поля может быть выполнен различным образом, например, либо с применением вращающегося магнита, либо с применением генератора переменного тока. В последнем случае, как показано на фиг. 2, генератор магнитного поля состоит из генератора переменного тока, выполненного с возможностью задания частотного спектра выходного сигнала со спектральными составляющими, по меньшей мере, на двух частотах, и индуктивного блока, подключенного к выходу упомянутого генератора переменного тока. Такое решение позволяет уменьшить габариты устройства за счет применения современных микроэлектронных технологий, возложив, в конечном счете, функции целого ряда электронных блоков на процессор (блок 14 на фиг. 11 - 13) с обеспечением вышеуказанного требуемого технического результата.

Кроме того, то, что указанный индуктивный блок генератора магнитного поля выполняет функции датчика магнитной индукции, способствует лаконичности реализованного технического решения, повышает надежность устройства, снижает его стоимость, что служит основой реализации вышеуказанного технического результата.

Этому также способствует и то, что указанный индуктивный блок выполнен в виде катушки индуктивности без сердечника, причем первый вывод этой катушки соединен с выходом упомянутого генератора переменного тока, а второй вывод соединен с общей шиной. Действительно, отсутствие сердечника уменьшает внутренние шумы устройства, исключает шумы, неизбежные при наличии сердечников, вызываемые неоднородностью процесса перемагничивания магнитных материалов, кроме того, снижает габариты и вес устройства, открывая возможность его микроминиатюризации, применения современных технологий микроэлектроники. Все это способствует дополнительному снижению порога измерений, повышению чувствительности, помехоустойчивости и помехозащищенности устройства.

То, что указанный индуктивный блок содержит две катушки индуктивности без сердечников, причем первые выводы указанных катушек подключены соответственно к первому и второму выходам упомянутого генератора переменного тока, вторые выводы - к общей шине, и, кроме того, первый вывод одной из указанных катушек соединен с входом упомянутого фильтра, позволяет, с учетом, например, дополнительных обычно существующих конструктивных (паразитных) емкостей и индуктивностей реализовать фильтр 4 более высоких порядков и добротностей, что позволяет повысить помехоустойчивость устройства, а значит, обеспечивает вышеуказанный требуемый технический результат.

То, что оси указанных катушек повернуты одна относительно другой, приводит к тому, что магнитные поля двух спектральных составляющих скрещены в образце под некоторым углом. При этом за счет изменения угла скрещивания в измеряемом образце удается обеспечить дополнительные возможности повышения эффективности нелинейного взаимодействия спектральных компонент возбуждающего сигнала с магнитными метками 2 измеряемого образца. Это способствует дополнительному снижению порога измерений, повышению чувствительности, помехоустойчивости и помехозащищенности устройства.

То, что угол поворота оси второй катушки индуктивности относительно первой составляет 90 градусов, обеспечивает условия для привлечения альтернативных методов формирования информационного сигнала, например, с использованием спиновой прецессии.

Этому же способствует и то, что между вторым выходом генератора тока 7 и первым концом второй катушки индуктивности введен фазовращатель 11, на управляющий вход которого вводятся данные Φ_o о повороте оси второй катушки индуктивности относительно первой. Указанные признаки также обеспечивают требуемый технический результат.

Наличие катушки индуктивности без сердечника в датчике магнитной индукции 3 обладает теми же преимуществами, что и наличие аналогичной катушки в индуктивном блоке 8. Такое решение предпочтительно для данного устройства, где производится измерение очень малых величин, как в силу требуемой высокой чувствительности устройства, так и с учетом малой величины амплитуды сигнала на выделяемой частоте, формируемой как результат комбинационного взаимодействия в условиях магнитной нелинейности вещества магнитных частиц.

Кроме того, с учетом необходимости решения задач в широком диапазоне внешних условий, а также обеспечения функциональной гибкости устройства, датчик магнитной индукции содержит либо магниторезистивный (магнитоимпедансный) чувствительный элемент, либо чувствительный элемент на основе эффекта Холла. Кроме того, указанный датчик магнитной индукции целесообразно выполнить в виде планарной микроэлектронной структуры для его реализации на базе промышленной микроэлектронной технологии и массового производства, что способствует снижению стоимости и весогабаритных характеристик устройства, а также повышению его надежности.

Достижению требуемого технического результата способствует и то, что радиочастотный фильтр является режектирующим для гармонической составляющей возбуждающего сигнала, имеющей частоту, ближайшую к выделяемой комбинационной частоте, поскольку устраняет наиболее опасную помеху, которая могла бы воздействовать на чувствительные каскады приемника, вызывая эффекты нелинейного обогащения спектра принимаемого сигнала, снижая соотношение сигнал/шум, а также и достоверность полученных результатов.

Дополнительное повышение качества приема полезной информации при одновременном снижении требований к качеству аппаратуры обеспечивается тем, что радиочастотный фильтр 4 выполнен управляемым, причем управляющий выход генератора 7 соединен с управляющим входом радиочастотного фильтра. При этом требования к стабильности генератора 1 могут быть существенно снижены, так как дрейф частоты возбуждающего сигнала будет компенсироваться соответствующей подстройкой характеристики фильтра 4.

То, что введен формирователь опорного сигнала 12, подключенный своим входом к выходу упомянутого генератора переменного тока 7, вторым, управляющим, входом - к выходу приемника выходного сигнала 5, а своим выходом - ко второму входу упомянутого радиочастотного фильтра 4, который выполнен синхронным, позволяет дополнительно повысить эффективность выделения слабых информационных сигналов из шумов, реализовав условия оптимального приема, что также обеспечивает вышеуказанный требуемый технический результат.

Новые возможности в совершенствовании устройства обеспечиваются тем, что введен управляющий блок 13, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно упомянутых генератора переменного тока 7 и радиочастотного фильтра 4, а вход подключен к управляющему выходу приемника 5 выходного сигнала. При этом управляющий блок 13, роль которого может выполнять микропроцессор или компьютер, анализируя изменение выходного сигнала при изменении параметров генератора 7 и фильтра 4, формирует оптимальное управляющее воздействие на указанные блоки 7 и 4 по цепям обратной связи. При этом реализуются максимально достижимые характеристики устройства, реализуется в повышение функциональной гибкости устройства и расширяется диапазон его применения.

Новые возможности в совершенствовании устройства обеспечиваются тем, что выполнение функций различных совокупностей блоков предлагаемого устройства, кроме индуктивного блока 8, блока формирования результата 6 и фильтра 4, обеспечено введением процессора 14, например, в виде микропроцессора или компьютера. При этом реализуются максимально достижимые характеристики устройства, повышается функциональная гибкость устройства и расширяется диапазон его применения, а также открывается возможность создания мобильных, дешевых, высокопроизводительных лабораторий массового обследования.

Влияние остальных отличительных признаков предлагаемого устройства, приведенных и п.п. 34 - 42, на обеспечение требуемого технического результата было уже раскрыто в вышеприведенных материалах при анализе пунктов 6 - 14 формулы, относящихся к части заявки на способ анализа, и поэтому соответствующие материалы здесь не приводятся.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого устройства.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого устройства.

Источники информации
1. Ch. B. Kriz, K. Radevik, D. Kriz, Magnetic Permeability Measurements in Bioanalysis and Biosensors / Anal. Chem. 68, 1996, pp. 1966-1970.

2. Патент США N 5656429 от 12.08.97. Polynucleotide and protein analysis method using magnetizable moieties. Int. Cl.: C 12 Q 1/68, U.S. Cl.: 435/6 (прототип).