СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕНОСА МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1999 года по МПК G01N33/15 G01N33/48 B01D35/06 B03C1/00 

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

Уровень техники
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 европейской заявке ЕР-140787 (соответствующей патенту США 4649116) предлагается способ, согласно которому магнитные микрочастицы отделяются от жидкости с помощью вводимого в нее магнитного стержня. Частицы отделяются от стержня с использованием более сильного магнита.

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.

Известные устройства не очень хорошо адаптированы к таким применениям, в которых частицы, которые необходимо собрать из большого объема, предварительно концентрируют в определенной зоне сосуда, содержащего разделяемую смесь.

В международной заявке WO-94/18565 предлагается способ анализа, в котором магнитные частицы отделяются от жидкости с использованием устройства для отделения магнитных частиц, содержащего удлиненное тело с верхним концом и нижним концом, снабженное магнитным средством, установленным с возможностью перемещения вдоль удлиненного тела до его нижнего конца. К нижнему концу удлиненного тела примыкает непрерывно сужающийся концевой участок, который может быть выполнен коническим или вогнутым. В данном устройстве в магнитном средстве применен магнит или набор магнитов с малым отношением длины к толщине (примерно равным 1, как это видно из фиг. 1 указанной заявки). Магнитное средство известного устройства формирует поле, ориентированное в поперечном направлении относительно продольной оси удлиненного тела. Поэтому, как показано на фиг. 1, 2b, частицы собираются в зоне расположения магнитного средства, т.е. над концевым участком устройства.

По этой причине известный способ отделения магнитных частиц, осуществляемый с использованием данного устройства, неадаптирован к применениям, в которых частицы необходимо переносить в очень маленькие сосуды, в которые может входить только тонкий концевой участок устройства.

Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи удобного и эффективного сбора магнитных частиц, содержащихся внутри довольно большого сосуда, с последующим переносом частиц в сосуд очень малого объема.

Для решения данной задачи предлагаются новое устройство для отделения магнитных частиц от смеси и переноса их в сосуд, который может иметь очень малый объем, а также новый способ, основанный на применении этого устройства. Предлагаются также предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Устройство согласно настоящему изобретению содержит удлиненное тело, снабженное магнитным средством, установленным с возможностью перемещения вдоль удлиненного тела до его нижнего конца, и вогнутый непрерывно сужающийся концевой участок, примыкающий к нижнему концу тела. Магнитное средство выполнено в виде магнитного стержня, формирующего магнитное поле, ориентированное вдоль продольной оси тела и ориентированного по этой оси, при этом отношение длины стержня к его толщине выбрано не менее 2:1, предпочтительно не менее 3:1. Благодаря этому с помощью магнитного средства можно ориентировать магнитное поле по оси тела в направлении его концевого участка, когда необходимо осуществить сбор частиц на его оконечности, и снять воздействие этого магнитного поля, когда необходимо удалить частицы с этой оконечности. Такое магнитное поле особенно эффективно в случаях, когда частицы сначала собираются каким-то другим способом, например из зоны концентрации частиц на стенке пробирки. Высота концевого участка должна быть немного больше высоты сосуда, в который должны быть перенесены частицы. Ширина этого участка должна быть немного меньше диаметра сосуда. Когда оконечность вводится в сосуд, поверхность жидкости, вследствие действия поверхностного натяжения, поднимается по поверхности оконечности. Край движущейся поверхности жидкости смывает частицы с оконечности в жидкость. Отделение частиц от оконечности может быть усилено за счет движений удлиненного тела. Когда же оконечность извлекается из ячейки, жидкость движется в направлении кончика оконечности как единая пленка. Благодаря этому жидкость с частицами в ней полностью отделяется от оконечности.

Поперечное сечение концевой части предпочтительно является круглым, но в принципе может быть рассмотрена и любая другая форма. Например, для лотков прямоугольного сечения можно применить клиновидную концевую часть.

Концевой участок предпочтительно выполняется заостренным. С заостренной оконечности может быть обеспечено наиболее полное удаление жидкости. Кроме того, заостренную оконечность легче ввести в сосуд, когда эта оконечность должна опираться на дно сосуда.

Указанное удлиненное тело предпочтительно содержит удлиненный защитный корпус, в котором заключен подвижный магнитный стержень, содержащий стержневой магнит, ориентированный по оси защитного корпуса. Отношение длины стержневого магнита к его толщине составляет не менее 2:1, предпочтительно не менее 3: 1 и в наиболее предпочтительном варианте не менее 12:1. И интенсивность, 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 с высокой концентрацией непосредственно на оконечности корпуса.

Магнитный стержень предпочтительно состоит из постоянного стержневого магнита, расположенного на нижнем конце стержня, и ферромагнитного штока, являющегося его продолжением. Наиболее предпочтительно, чтобы отношение длины магнитного стержня к его толщине было выбрано не меньшим 12:1.

Желательно также, чтобы магнит имел достаточную длину, чтобы верхний конец его диполя всегда находился над поверхностью разделяемой смеси. Если необходимо собрать частицы из слоя смеси, высота которого превышает размер диполя, необходимо сначала собрать частицы из верхней части смеси на оконечность для того, чтобы верхний конец диполя постоянно располагался выше частиц. Когда частицы собираются из очень малых объемов, предпочтительно, чтобы магнит располагался полностью над поверхностью жидкости. В этом случае в смесь проникает только магнитное поле, и верхняя часть концевого участка полностью увлажняется, когда оконечность упирается в дно сосуда.

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. 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 сужающимся, что также упростит изготовление корпуса методом инжекционного литья. Корпус предпочтительно выполняется из полипропилена.

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.

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. В большинстве случаев лучше всего использовать магнит.

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

Перечень фигур чертежей
Далее, в качестве примеров, будут описаны некоторые предпочтительные варианты выполнения изобретения. На прилагаемых чертежах изображено:
на фиг. 1 - устройство для отделения и переноса 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 - в увеличенном масштабе часть концевого участка устройства по фиг. 1 при сбрасывании частиц в сосуд.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
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 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.

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.

Нижний конец корпуса снабжен сужающимся концевым участком в форме остроконечной оконечности 8 с вогнутой поверхностью. Длина этой оконечности примерно соответствует ширине нижнего конца корпуса.

На фиг. 2 представлен процесс сбора частиц со 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. Наличие остроконечного концевого участка способствует более эффективному сбору частиц, сконцентрированных из сосуда большого объема в небольшой зоне этого сосуда.

Пока магнит 5 находится в нижней части канала 2, частицы удерживаются на оконечности. Когда частицы нужно освободить, т.е. сбросить, магнит поднимается.

Оконечность 8 особенно хорошо приспособлена для переноса частиц в очень маленькие сосуды типа ячеек 11 в так называемой HLA-плате (плате для исследований человеческого лейкоцитарного антигена).

Фиг. 4 - это увеличенное изображение оконечности 8 корпуса в ячейке 11. Длина оконечности в этом случае слегка превышает высоту ячейки. Когда оконечность вводится в ячейку, поверхность жидкости, вследствие действия поверхностного натяжения, поднимается по поверхности оконечности. Край движущейся поверхности жидкости смывает частицы с оконечности в жидкость. Отделение частиц от оконечности может быть усилено за счет движений стержня. Когда же оконечность извлекается из ячейки, жидкость движется в направлении острия оконечности как единая пленка. Благодаря этому жидкость с частицами в ней полностью отделяется от оконечности.

Когда используется ячейка конической формы по фиг. 4, минимальный интервал между жидкостью и концевым участком соответствует расстоянию между зоной перехода от стержня к заостренной оконечности и верхним краем ячейки. Под действием сил поверхностного натяжения жидкость стремится минимизировать площадь своей поверхности, в результате чего жидкость равномерно распределяется вокруг оконечности, полностью покрывая зону перехода. Процесс минимизации указанного интервала происходит очень быстро, при этом поток жидкости смывает частицы с поверхности оконечности. Когда оконечность медленно извлекается из жидкости, жидкость стремится минимизировать площадь своей поверхности в каждый момент времени, причем без нарушения цельности этой поверхности. В конце этого процесса острие оконечности отрывается от жидкости и оконечность извлекается из жидкости почти в сухом состоянии, причем во время удаления частиц положение защитного корпуса фиксируется благодаря опоре его оконечности о дно ячейки.

Таким образом, способ по настоящему изобретению и устройство для его осуществления наиболее эффективны для переноса магнитных частиц из крупных сосудов в сосуды очень малого объема, типа ячеек HLA.

Изобретение относится к отделению магнитных частиц от содержащей их смеси и переносу их в жидкость и преимущественно может быть использовано в биотехнологии, биохимии и биомедицине. Магнитное средство в виде стержня с отношением длины к толщине, составляющем предпочтительно 3:1, имеющего заостренный концевой участок, вводят в смесь. Собирают магнитные частицы из смеси на концевом участке стержня, извлекают его вместе с частицами из смеси, погружают нижнюю часть стержня в сосуд с жидкостью и освобождают магнитные частицы при отведении магнитного средства от нижней части устройства. Изобретение решает задачу удобного и эффективного сбора магнитных частиц, содержащихся внутри большого сосуда, с последующим переносом этих частиц в сосуд очень малого объема. 2 с. и 9 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для отделения магнитных частиц от содержащей их смеси и для переноса их в сосуд с жидкостью, содержащее удлиненное тело с верхним концом и нижним концом, снабженное магнитным средством, установленным с возможностью перемещения вдоль удлиненного тела до его нижнего конца, и вогнутый непрерывно сужающийся концевой участок, примыкающий к нижнему концу тела, отличающееся тем, что для ориентирования магнитного поля на концевой участок магнитное средство выполнено в виде магнитного стержня, формирующего магнитное поле, ориентированное вдоль продольной оси тела и ориентированного по этой оси, при этом отношение длины стержня к его толщине выбрано не менее 2 : 1, предпочтительно не менее 3 : 1. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение концевого участка выполнено круглым. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что концевой участок заострен книзу. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что магнитный стержень содержит на своем нижнем конце магнит, а на своем верхнем конце ферромагнитный шток, прикрепленный к верхнему концу магнита. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что отношение длины магнитного стержня к его толщине выбрано не меньшим 12 : 1. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что верхний конец магнита и нижний конец штока входят друг в друга. 7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что удлиненное тело снабжено защитным корпусом, а магнитное средство установлено внутри этого корпуса. 8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что высота концевого участка выбрана немного большей высоты сосуда, в который должны быть перенесены частицы. 9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что ширина концевого участка в его верхней части выбрана немного меньшей диаметра сосуда, в который должны быть перенесены частицы. 10. Способ отделения магнитных частиц от содержащей их смеси и переноса их в сосуд с жидкостью путем ввода в смесь нижней части устройства для отделения магнитных частиц с непрерывно сужающимся концевым участком, снабженного магнитным средством, установленным в нижней части устройства, сбора магнитных частиц на участок поверхности устройства, погруженный в смесь, извлечения устройства вместе с собранными частицами из смеси, погружения его нижней части в сосуд с жидкостью и освобождения находящихся на поверхности устройства частиц при отведении магнитного средства от нижней части устройства, отличающийся тем, что для переноса частиц используют устройство по любому из пп.1 - 7 и сбор частиц производят на сужающийся концевой участок этого устройства. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что во время сбора частиц магнит удерживают полностью над поверхностью жидкости.