УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ Российский патент 1999 года по МПК G01N33/15 G01N33/48 B01D35/06 B03C1/00 

Изобретение относится к отделению магнитных частиц от содержащей их смеси. Изобретение может иметь различные применения, особенно в областях биотехнологии, биохимии и биомедицины.

Магнитные микрочастицы широко используются для связывания биоматериала. Одно из преимуществ микрочастиц - это большая площадь поверхности твердой фазы и малые длины диффузии. Размеры микрочастиц обычно составляют 0,05 - 10 мкм, они могут изготавливаться из различных материалов и уже нашли различные применения. Магнитные частицы можно перемещать с помощью магнита.

Обычно используемые способы отделения магнитных частиц предусматривают помещение сосуда-реактора в магнитное поле, так что частицы аккумулируются в так называемую таблетку на дне сосуда. После этого жидкость, которая освобождена от частиц, сцеживается или отсасывается. При этом, однако, удаление жидкости из сосуда должно производиться очень осторожно, чтобы одновременно не удалить и частицы.

В международной заявке WO-86/06493 предлагается способ, предназначенный для использования в иммунологическом анализе, согласно которому магнитные частицы и связанный с ним маркируемый комплекс отделяются от жидкости с помощью стержневого магнита и затем отбираются для измерений. На конце стержня расположены закрепленный магнит и съемный защитный корпус, на наружной поверхности которого удерживаются частицы. По завершении отделения частиц и до начала измерений желательно закрывать защитный корпус еще одним корпусом. После окончания измерений оба корпуса удаляются вместе с частицами, выбрасываются и заменяются новыми корпусами для следующего отделения частиц. Согласно заявке, в качестве магнита может служить электромагнит, так что магнитное поле может сниматься, когда это требуется.

В международной заявке WO-87/05536 предлагается устройство для отделения магнитных частиц, внутри которого имеется стержень, подвижный в вертикальном отверстии, и магнит у его нижнего конца. Устройство вводится в жидкость, содержащую частицы, когда магнит находится в нижнем положении, в результате чего частицы аккумулируются на конце стержня. Когда магнит переводится в верхнее положение, обеспечивается возможность отделения частиц от стержня. Благодаря этому можно собрать частицы и перенести их из одной жидкости в другую.

Однако описанные устройства и способы отделения магнитных частиц не могут эффективно использоваться в случаях, когда необходимо собрать частицы из довольно большого объема и перенести в существенно меньший объем.

Изобретение направлено на решение задачи удобного и эффективного сбора магнитных частиц, содержащихся внутри довольно большого сосуда, с обеспечением возможности последующего переноса частиц в сосуд очень малого объема.

Для решения данной задачи предлагаются новое устройство для отделения магнитных частиц от смеси, а также новый способ, основанный на применении этого устройства. Предлагаются также предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Устройство согласно настоящему изобретению содержит удлиненный защитный корпус, в который заключен подвижный стержень, содержащий единственный стержневой магнит, ориентированный по оси корпуса. Отношение длины стержневого магнита к его толщине составляет не менее 2:1, предпочтительно не менее 3:1 и наиболее предпочтительно не менее 12:1. И напряженность, и градиент формируемого таким образом магнитного поля достигают наибольших значений вблизи конца стержня, так что, когда магнит находится в нижнем положении, частицы из объема суспензии аккумулируются непосредственно на оконечности корпуса. Частицы могут быть сброшены с оконечности корпуса в другой объем, который может быть во много раз меньше первоначального.

Стержневой магнит предпочтительно состоит из постоянного магнита и ферромагнитного штока, являющегося его продолжением.

Желательно, чтобы стержневой магнит имел достаточную длину, чтобы верхний конец его диполя всегда находился над поверхностью разделяемой композиции. Если необходимо собрать частицы из слоя смеси, высота которого превышает размер диполя, необходимо сначала собрать частицы из верхней части смеси на оконечность корпуса с тем, чтобы верхний конец диполя постоянно располагался выше частиц.

Поскольку можно обеспечить положение верхнего конца магнита над смесью, появляется возможность применить магнит с более высокой эффективностью относительно объема композиции и тем самым ускорить и облегчить сбор частиц.

Устройство согласно изобретению обеспечивает создание в зоне оконечности защитного корпуса напряженного магнитного поля, ориентированного в направлении корпуса. Это особенно выгодно, когда частицы собираются из зоны их концентрации, которая была предварительно создана каким-то другим способом. Дополнительное преимущество состоит в том, что имеется возможность обеспечить значительную силу удержания частиц непосредственно на кончике корпуса, несмотря на действие адгезии жидкости, которая стремится оторвать частицы, особенно при извлечении защитного корпуса из жидкости.

Оконечность защитного корпуса предпочтительно снабжена направленным вниз острием. Это минимизирует количество жидкости, остающейся на кончике корпуса. Типичной формой оконечности является конус. При переносе частиц в очень маленькие сосуды оконечность предпочтительно выполнить, как конус с вогнутой поверхностью.

Когда в магните используется ферромагнитный шток, магнит и намагниченный шток вместе действуют как длинный стержневой магнит. Шток уменьшает градиент у верхнего полюса магнита, так что верхний полюс не собирает частицы. Этим способом можно получить длинный стержневой магнит при низкой себестоимости. Однако даже при наличии ферромагнитного штока предпочтительно использовать относительно длинный магнит (длина которого в 1,5-10 раз превышает его толщину). Предпочтительно выбрать длину магнита таким образом, чтобы обеспечить максимальную напряженность внутреннего, постоянного поля.

Стык между магнитом и его штоком предпочтительно выполнить таким образом, чтобы на коротком отрезке шток и магнит входили друг в друга. В результате устраняется образование сильных градиентов в зоне стыка, которые могли бы привести к сбору частиц.

Поперечное сечение стержневого магнита может быть, например, круглым или прямоугольным. Круглая форма является наилучшей с точки зрения изготовления и применения. Действительно, в этом случае вращение магнита вокруг своей оси не создает никаких дополнительных эффектов. В принципе, для упрощения приводных механизмов стержень может быть сделан криволинейным.

Форма защитного корпуса на стержне зависит от конкретного применения. Как правило, с точки зрения изготовления и применения, наиболее удобна круглая форма. Для увеличения прочности корпус можно выполнить коническим, что также упростит изготовление корпуса методом инжекционного литья. Корпус предпочтительно выполняется из полипропилена.

Изобретение наиболее выгодно использовать для частиц размерами 1-10 мкм.

Далее, в качестве примеров, будут описаны некоторые предпочтительные варианты выполнения изобретения. На прилагаемых фиг. 1 - 6 изображено:
на фиг. 1 - устройство для отделения частиц согласно изобретению;
на фиг. 2 - использование устройства по фиг. 1 для сбора частиц из суспензии;
на фиг. 3 - использование устройства по фиг. 1 для сбрасывания собранных частиц в очень маленький сосуд;
на фиг. 4 - использование другого варианта выполнения устройства согласно изобретению для сбора частиц со стенки пробирки;
на фиг. 5 - использование третьего варианта выполнения устройства согласно изобретению для сбора частиц из малого количества жидкости; и
на фиг. 6 - использование устройства по фиг. 5 для сбрасывания собранных частиц в очень маленький сосуд.

Отделяющий частицы стержень по фиг. 1 содержит удлиненный защитный корпус 1, в котором имеется канал 2. Нижние концы корпуса 1 и канала 2 выполнены слегка сужающимися. Чтобы его было удобнее держать, на верхнем конце корпуса 2 имеется фланец 3.

В канале 2 свободно размещается магнитный стержень 4. Он состоит из вертикального стержневого магнита 5 в нижней его части и расположенного над ним ферромагнитного штока 6, выполненного как продолжение стержневого магнита. На конце штока имеется рукоятка 7.

Нижний конец корпуса снабжен сужающейся оконечностью с острием 8 с вогнутой поверхностью. Длина этого острия примерно соответствует ширине нижнего конца корпуса.

На фиг. 2 представлено множество частиц, распределенных в суспензии 9 внутри пробирки. Отделяющий частицы стержень вводится в пробирку и перемещается в ней вверх и вниз. Это позволяет собирать частицы на острие в виде кольцевидной массы 10. Пока магнит 5 находится в нижней части канала 2, частицы остаются связанными с острием. Когда частицы нужно сбросить, магнит поднимается.

Острие 8 особенно хорошо приспособлено для переноса частиц в очень маленькие сосуды типа ячеек 11 в так называемой HLA-плате (плате для исследований человеческого лейкоцитарного антигена - см. фиг. 3). Длина острия в этом случае слегка превышает высоту ячейки. Когда острие вводится в ячейку, поверхность жидкости, вследствие действия сил поверхностного натяжения, поднимается по поверхности острия. Край движущейся поверхности жидкости смывает частицы с острия в жидкость. Отделение частиц от острия может быть усилено за счет взбалтывающих движений стержня. Когда же острие извлекается из ячейки, жидкость движется в направлении кончика острия как единая пленка. Благодаря этому жидкость с частицами в ней полностью отделяется от острия.

Для лучшего отделения частиц от жидкости желательно, чтобы они были сконцентрированы в определенной зоне сосуда, из которой они затем собираются с использованием стержня. Такое концентрирование можно осуществить, предоставив частицам возможность осаждения за счет гравитации, используя центрифугирование, или притягивая частицы к стенкам сосуда посредством магнитного поля.

На фиг. 4 представлено множество частиц у стенки пробирки, к которой они первоначально были притянуты посредством магнита с образованием вертикальной полоски 9. Проводя кончиком стержня вдоль этой полоски, можно заставить частицы собраться на оконечности защитного корпуса 1 с образованием массы 10. В этом случае оконечность защитного корпуса 1 имеет форму короткого конуса с относительно большим углом при вершине. Этот вариант адаптирован для переноса частиц в сосуды, когда оконечность может быть свободно введена в жидкость.

Отношение длины магнита 5 к его диаметру составляет примерно 10:1, а отношение длины штока к длине магнита - примерно 5:1. Шток несколько толще, чем магнит, и верхний конец магнита входит внутрь нижнего конца штока на длину, примерно вдвое превышающую диаметр магнита.

На фиг. 5 и 6 представлено устройство, содержащее магнитный стержень 4', состоящий только из постоянного магнита 5', охваченного соответствующим защитным корпусом, но не снабженного ферромагнитным штоком. Верхняя часть защитного корпуса снабжена держателем 3' с двумя фланцами, который обеспечивает удобное управление устройством, например, в автоматических системах отделения частиц или аналитических системах. Отношение длины магнита к его диаметру составляет, например, 7:1. Оконечность корпуса выполнена в виде конуса с относительно большим углом при вершине (высота конуса равна примерно 1/3 его диаметра).

Фиг. 5 иллюстрирует отделение частиц из относительно малого объема жидкости в сосуде, диаметр которого является небольшим относительно диаметра сепарирующего стержня (диаметр стержня составляет примерно 70% от внутреннего диаметра сосуда). Нижняя линия 11 изображает свободную поверхность жидкости, тогда как верхняя линия 12 - поверхность жидкости, когда в нее введено устройство для отделения частиц. Магнитные частицы собираются на кончике защитной оболочки с образованием массы 10, которая затем может быть снова введена в относительно небольшой объем жидкости (фиг. 6).

Устройство по фиг. 5 и 6 хорошо адаптировано для применения в сосудах диаметром около 7 мм, предназначенных для микротитрования.

Изобретение относится к отделению магнитных частиц от содержащей их смеси и может быть применено преимущественно в биотехнологии, биохимии и биомедицине. Устройство содержит продолговатый защитный корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен магнитный стержень. Отношение длины магнитного стержня к его толщине составляет не менее 2:1. Стержень вводят в смесь, магнитные частицы собираются на его кончике, затем его извлекают и переносят частицы, например, в другой объем. Изобретение обеспечивает эффективный сбор частиц из большого объема для переноса их в существенно малый объем. 2 c. и 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для отделения магнитных частиц от содержащей их смеси, отличающееся тем, что оно включает удлиненный защитный корпус (1; 1') с верхним концом и нижним концом, полость (2) в защитном корпусе, проходящую от его верхнего конца в направлении его нижнего конца, подвижный стержневой магнит (4; 4'), находящийся в полости и вытянутый в направлении продольной оси полости, при этом отношение длины стержневого магнита к его толщине выбрано не менее 2:1, предпочтительно не менее 3:1. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержневой магнит (4) содержит на своем нижнем конце магнит (5), а на своем верхнем конце ферромагнитный шток (6), прикрепленный к верхнему концу магнита. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отношение длины стержневого магнита (4) к его толщине выбрано не меньшим 12:1. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что верхний конец магнита (5) и нижний конец штока (6) входят друг в друга. 5. Способ отделения магнитных частиц от содержащей их смеси, отличающийся тем, что в смесь вводят устройство для отделения частиц, содержащее удлиненный защитный корпус (1, 1') с верхним концом и нижним концом, полость (2) в защитном корпусе, проходящую от его верхнего конца в направлении его нижнего конца, подвижный стержневой магнит (4; 4'), находящийся в полости и вытянутый в направлении продольной оси полости, при этом отношение длины стержневого магнита к его толщине выбрано не меньшим 2:1, предпочтительно не меньшим 3:1. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что устройство для отделения частиц вводят в смесь таким образом, что верхний конец стержневого магнита остается над поверхностью смеси.