СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ МИКРОЧАСТИЦ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ИХ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 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 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-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 сосуда довольно большого объема.

Для решения данной задачи предлагаются новый способ отделения частиц и новое устройство для осуществления этого способа. Предлагаются также предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Согласно настоящему изобретению при отделении частиц от смеси частицы сначала концентрируют в одной зоне сосуда, где они находятся, а затем собирают с использованием магнитного средства для отделения. Такой способ обеспечивает эффективный сбор частиц.

Концентрирование можно осуществить, используя магнитное поле, гравитацию или центрифугирование. В большинстве случаев предпочтительнее применять магнит.

Сбор частиц предпочтительно осуществляется с использованием средства для отделения в виде удлиненного тела, подвижно установленного в защитном корпусе и снабженного магнитом, закрепленным у его нижнего конца и создающим магнитное поле. Предпочтительно использовать продольно ориентированное магнитное поле, напряженность и градиент которого достигают наибольших значений вблизи нижнего конца средства для отделения. Благодаря этому частицы аккумулируются, концентрируясь у конца данного средства, откуда они могут быть перенесены в малый объем. Кроме того, применяя подобное средство для отделения частиц, легко обеспечивать высокую концентрацию частиц в процессе их сбора.

Локализацию магнитного поля у конца средства для отделения частиц предпочтительно обеспечить посредством длинного стержневого магнитного стержня. Отношение длины магнитного стержня к его толщине составляет не менее 2:1, предпочтительно не менее 3:1 и наиболее предпочтительно не менее 12:1. Желательно, чтобы этот стержень имел достаточную длину, чтобы верхний конец его диполя в процессе сбора частиц всегда находился над поверхностью разделяемой композиции.

Магнитный стержень предпочтительно состоит из постоянного магнита и ферромагнитного штока, прикрепленного к верхнему концу магнита и являющегося его продолжением. Благодаря этому 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 2-10 раз превышает его толщину). Предпочтительно выбрать такую длину магнита, 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.

Удаление частиц с поверхности средства для отделения может осуществляться любым подходящим способом, например, механически или с применением другого магнита. Однако, предпочтительно удаление частиц осуществлять снятием воздействия магнитного поля, создаваемого средством для отделения частиц.

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

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.

Настоящий способ может применяться как с простыми ручными приспособлениями, так и в автоматических многоканальных системах.

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

Далее, в качестве примеров, будут описаны некоторые предпочтительные варианты выполнения изобретения. На прилагаемых чертежах изображено:
на фиг. 1 - средство для отделения частиц, полезное для осуществления изобретения,
на фиг. 2 - концентрирование частиц на стенке пробирки;
на фиг. 3 - сбор частиц со стенки пробирки;
на фиг. 4 - сбор частиц со дна пробирки;
на фиг. 5 - еще один вариант сбора частиц со стенки пробирки;
на фиг. 6 - устройство для отделения и переноса частиц, полезное для осуществления изобретения на стадии концентрирования частиц;
на фиг. 7 - устройство по фиг. 6 на стадии сбора частиц;
на фиг. 8 - отделение частиц на дно удлиненного лотка;
на фиг. 9 - сбор частиц из лотка по фиг. 8; и
на фиг. 10 - сосуд для отделения частиц, на дне которого выполнено несколько канавок для отделения частиц.

Средство для отделения частиц 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, остроконечной оконечностью 8 с вогнутой поверхностью. Длина этой оконечности примерно соответствует ширине нижнего конца корпуса.

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.

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). 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 взбалтывающих 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.

На фиг. 2 и 3 показано, как частицы сначала притягивают к стенкам сосуда с помощью магнита, с образованием вертикальной полоски 9, с которой их затем собирают, проводя по ней стержнем устройства для отделения, с образованием массы 10 в форме пятна. Ширина магнита 11 совпадает с высотой слоя жидкости в пробирке, причем магнит намагничен в направлении своей короткой стороны. Оконечность защитного корпуса 1 в этом случае 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. В остальном стержень 1 подобен стержню,
показанному на фиг. 1.

Способ, который иллюстрируется фиг. 2 и 3, был испытан при переносе частиц из пробирки типа Vacutainer (объемом 7 мл) в ячейку платы микротитрования (50 мкл). Концентрирование частиц осуществлялось NdFeB-магнитом размерами 7х5х50 мм. Отделяющий стержень содержал NdFeB-магнит с диаметром 3 мм и длиной 2 мм. При предварительных испытаниях время, затраченное на сбор частиц, составляло около 1 мин.

В соответствии с одним из вариантов изобретения, используется пробирка с вертикальной, например V-образной канавкой на стенке. Частицы осаждаются в канавке с образованием возможно узкой полоски. При этом также облегчается сбор частиц путем перемещения средства для отделения по дну канавки.

Фиг. 4 иллюстрирует сбор частиц с дна пробирки, в которой они были предварительно сконцентрированы с образованием осадка 9'. Осадок формируется предпочтительно с использованием гравитации или центрифугирования. Средство для отделения аналогично показанному на фиг. 3.

Фиг. 5 иллюстрирует сбор частиц со стенки пробирки с применением еще одного варианта средства для отделения. В нем также использован подвижный стержень 4' в канале 2 защитного корпуса 1'. Его оконечность снабжена маленьким магнитом 5', тогда как шток 6' не является магнитным. Магнит ориентирован в поперечном направлении относительно длины стержня. В этом случае частицы аккумулируются на противоположных сторонах оконечности с образованием массы 10.

На фиг. 6 и 7 представлено многоканальное автоматическое устройство для осуществления способа. В устройстве применены средства для отделения по фиг. 5. Частицы собираются на стенке пробирки под действием стержневых магнитов 11, установленных в корпусе устройства вблизи его боковой поверхности. Пробирки, из которых должны выделяться частицы, устанавливаются по краю каретки 12. Каретка может перемещаться относительно корпуса таким образом, что пробирки подводятся к магнитам, в результате чего происходит концентрирование частиц на стенках пробирок. Затем каретка отводится от магнитов и частицы собираются со стенок посредством средства для отделения (отделяющего стержня), подвижного относительно каретки. Далее, на каретке имеется микротитровальная плата, на которую переносятся частицы. Оконечности отделяющих стержней с находящимися на них частицами подводят к соответствующим ячейкам, после чего магнитные стержни поднимают и освобожденные частицы попадают в ячейки.

Фиг. 8 и 9 иллюстрируют отделение частиц в удлиненном лотке, поперечное сечение которого выполнено сужающимся книзу. С помощью магнита 11.1 частицы притягиваются к дну лотка с образованием вытянутой горизонтальной линии 9.1. Затем магнит отодвигают и частицы собирают с использованием средства для отделения частиц. В этом случае воздействие на частицы происходит в направлении их естественного движения при осаждении, в относительно неглубоком слое жидкости. Отделение происходит быстро, линия частиц четко локализована, и сбор частиц осуществляется легко. Предпочтительно выполнить на дне лотка V-образную канавку, в которой аккумулируются частицы в виде возможно узкой линии, что предельно облегчает их сбор.

Вариант по фиг. 10 содержит сосуд для отделения частиц, в котором выполнено множество параллельных канавок V-образного сечения; соответственно, под дном сосуда помещено множество магнитов 11.1. Частицы аккумулируются, образуя узкие линии 9.2 на дне канавок. Поверхность жидкости лежит выше канавок, так что сосуд может быть заполнен за одну операцию. В качестве альтернативы можно соединить канавки поперечными каналами, чтобы обеспечить постоянный уровень жидкости во всех канавках.

Изобретение предназначено для отделения магнитных частиц от смеси, их содержащей. Сначала осуществляют концентрирование частиц на стенке сосуда, в котором находится смесь, а затем с помощью магнитного средства, имеющего защитный корпус и магнит, подвижный относительно защитного корпуса, собирают частицы со стенки сосуда. Изобретение эффективно в случае, когда необходимо собрать частицы из довольно большого объема и перенести в существенно меньший объем. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ отделения магнитных частиц от смеси в сосуде, включающий сбор частиц с использованием магнитного средства для отделения, на котором удерживаются частицы, и последующее удаление частиц с указанного магнитного средства путем снятия воздействия магнитного поля, создаваемого указанным магнитным средством, отличающийся тем, что перед сбором частиц осуществляют их концентрирование на стенке сосуда и сбор частиц с использованием указанного магнитного средства производят из этой зоны. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрирование частиц осуществляют с использованием магнитного поля, гравитации или центрифугирования. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что концентрирование частиц осуществляют с использованием магнитного поля. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что концентрирование частиц осуществляют на боковой стенке сосуда с образованием вертикальной полоски. 5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что концентрирование частиц осуществляют с образованием горизонтальной полоски на дне сосуда. 6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что концентрирование частиц осуществляют с образованием полоски на дне канавки. 7. Устройство для отделения магнитных частиц от содержащей частицы смеси, содержащее сосуд для смеси и магнитное средство для отделения частиц, снабженное защитным корпусом и магнитом, выполненным подвижным относительно защитного корпуса, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством для концентрирования частиц на стенке сосуда, обеспечивающим сбор частиц из этой зоны. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что средство для отделения содержит удлиненное тело с верхним концом и нижним концом, подвижное в продольном напряжении относительно защитного корпуса, а магнит закреплен у нижнего конца указанного удлиненного тела. 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что средство для отделения содержит магнитный стержень, ориентированный в направлении продольной оси удлиненного тела, при этом отношение длины магнитного стержня к его толщине выбрано не меньшим 2 : 1, предпочтительно не меньшим 3 : 1 и особенно предпочтительно не меньшим 12 : 1. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что магнитный стержень содержит магнит на своем нижнем конце и ферромагнитный шток, прикрепленный к верхнему концу магнита.