Изобретение относится к работе с составами, содержащими магнитные частицы, во время которой частицы собирают из сосуда, содержащего состав, или отсоединяют в виде состава в сосуде, а магнитный стержень применяют для сбора частиц к его оконечности или для отсоединения их от нее. Более конкретно, изобретение относится к комплекту из сосуда и стержня, применяемым в процессе обработки. Оно может быть использовано, например, в различных производствах, а также способах очистки или анализа.
Уровень техники
Магнитные частицы в различных химических процессах применяют в виде твердой фазы, к поверхности которой прилипает заданный компонент. Благодаря частицам используемая поверхность твердой фазы становится максимально большой. Размер частиц лежит обычно в интервале 0,05-10 мкм. Их можно перемещать посредством магнитного поля. Таким образом, например, в растворе частицы можно перенести к стенке сосуда, а оставшийся раствор вылить или удалить из сосуда с помощью пипетки. Кроме того, частицы можно выделить из раствора путем погружения в него магнитного стержня. Известны также магнитные стержни, содержащие вертикально перемещающийся магнит с кожухом. При нижнем положении магнита появляется возможность собрать частицы на поверхности стержня, главным образом на его конце. Соответственно, при подъеме магнита в верхнее положение можно отсоединить частицы от стержня.
Стержни для сбора и переноса магнитных частиц описаны в международной заявке WO 94/18565. Предпочтительно снабдить их кожухом с заостренной оконечностью, содержащим способный перемещаться магнит. Применяемый совместно со стержнем сосуд можно снабдить дном, соответствующим форме оконечности стержня. Промежуток между стержнем и стенкой сосуда умышленно делают узким, чтобы при вертикальном движении стержня жидкость протекала между стержнем и стенкой сосуда с максимальной скоростью. Таким образом повышается степень перемешивания и переноса массы.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание нового комплекта, состоящего из сосуда для состава, содержащего магнитные частицы, и из используемого совместно с сосудом стержня, предназначенного для сбора или переноса частиц.
Для решения поставленной задачи в комплекте из сосуда и применяемого совместно с ним стержня, снабженного магнитом, для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы в сосуде, или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде при введении стержня в сосуд и выведении его из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции, причем стержень имеет сужающийся оконечный участок, на котором собираются и от которого отсоединяются указанные частицы, а сосуд имеет внутреннюю стенку,согласно изобретению расстояние от стержня , введенного в сосуд , до внутренней стенки сосуда выбрано в каждой точке достаточно большим для предотвращения формирования между сосудом и стержнем любого жидкого кольца или части кольца, которое могло бы быть удалено вместе со стержнем при выведении стержня из сосуда, а сосуд имеет дно, в котором выполнено углубление для установки стержня, причем профиль углубления соответствует профилю оконечного участка.
Расстояние от стержня до внутренней стенки сосуда выбрано составляющим, по меньшей мере около 1 мм, предпочтительно, по меньшей мере, около 1,5 мм.
Величина промежутка между углублением и оконечным участком равна 0,05-0,3 мм, предпочтительно 0,1-0,2 мм.
Углубление имеет дно с горизонтальной площадкой.
Горизонтальная площадка имеет диаметр, равный погрешности установки при любых взаимных горизонтальных смещениях сосуда и стержня.
Горизонтальная площадка имеет диаметр, выбранный в интервале 0,5-2 мм, предпочтительно около 1 мм.
Стержень снабжен постоянным магнитом, который в пределах стержня можно перемещать между положениями сбора и отсоединения, причем отношение высоты оконечного участка к диаметру магнита равно 1:1-1:2, предпочтительно 1:1,5.
Для решения поставленной задачи в способе для сбора магнитных частиц из содержащей эти частицы жидкости в сосуде или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде посредством стержня, снабженного магнитом, согласно которому стержень вставляют в сосуд и выводят из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции, причем стержень имеет сужающийся оконечный участок, на котором собираются и от которого отсоединяются указанные частицы, а сосуд имеет внутреннюю стенку, согласно изобретению используют стержень, обеспечивающий достаточно большое расстояние от внутренней стенки сосуда во время удаления стержня из сосуда, чтобы исключить формирование между внутренней стенкой и стержнем жидкого кольца или части кольца, которое могло бы быть удалено вместе со стержнем, а сосуд имеет дно, в котором выполнено углубление для установки стержня, причем профиль углубления соответствует профилю оконечного участка.
Для решения поставленной задачи в аппарате для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей эти частицы в сосуде, или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде посредством стержня, снабженного магнитом, и вставляемого в сосуд и выводимого из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции, причем стержень имеет сужающийся оконечный участок, на котором собираются и от которого отсоединяются указанные частицы, а сосуд имеет внутреннюю стенку, согласно изобретению расстояние в каждой точке от введенного в сосуд стержня до внутренней стенки сосуда выбрано достаточно большим для предотвращения формирования между сосудом и стержнем любого жидкого кольца, которое могло бы быть удалено вместе со стержнем, или части этого кольца, а сосуд имеет дно, в котором выполнено углубление для установки стержня, причем профиль углубления соответствует профилю оконечного участка , при этом аппарат содержит средства, выполненные с возможностью смещения под действием стержня в направлении движения стержня.
В своем поперечном сечении сосуд предпочтительно симметричен, представляя собой, например, круг, а форма поперечного сечения стержня соответствует форме поперечного сечения сосуда. Стержень снабжен магнитом, посредством которого на поверхности стержня, предпочтительно на его оконечном участке, собираются частицы. Предпочтителен магнит, предусматривающий возможность отключения его воздействия, чтобы можно было отсоединить частицы от поверхности стержня.
Магнит предпочтительно является постоянным, причем наиболее предпочтителен магнит, который в пределах стержня можно перемещать между положениями сбора и отсоединения. Преимущественным направлением движения является продольная ось стержня. Для сбора предпочтительно нижнее положение магнита, из которого его можно поднять к положению, предназначенному для отсоединения. Предпочтительно, чтобы длина магнита была существенно больше его ширины. Это условие позволяет частицам эффективно собираться на оконечности стержня. По этой же причине предпочтительно, чтобы верхний конец магнита во время сбора частиц все время оставался выше поверхности состава (см. международную заявку WO 96/12958). Для этого длина магнита может быть в достаточной степени больше высоты обрабатываемого жидкого объема (столбика жидкости). Для отношения длины магнита к его ширине предпочтительна величина по меньшей мере 5:1, а наиболее предпочтительным соотношением является по меньшей мере 10:1. Предпочтительно, чтобы стержень сужался книзу в каждой своей точке, оканчиваясь заостренным концом. В этом случае при подъеме стержня из жидкости он имеет тенденцию увлекать с собой наименьшее количество жидкости (см. международные заявки WO 94/18565 и WO 94/18564). Применение длинного магнита позволяет более эффективно работать в маленьких объемах. Такой магнит полезен также и в больших объемах, т.к. он увеличивает динамическую площадь у обоих концов. Оконечный участок предпочтительно выполнен суживающимся и имеющим вогнутую поверхность, чтобы частицы эффективно отсоединялись от этого участка стержня в маленький сосуд, по величине соизмеримый с оконечным участком стержня (см. международную заявку WO 96/12959). Для наиболее эффективного совмещения магнитного поля с этим оконечным участком высота указанного участка по сравнению с диаметром магнита должна быть относительно небольшой. В типичном случае отношение высоты оконечного участка к диаметру магнита равно 1:1-1:2, например около 1:1,5. Плоская форма оконечного участка также имеет целью получение минимального надежного оперативного объема.
Частицы можно собрать с помощью специального аппарата, в который может быть помещен указанный сосуд и который содержит средства для перемещения стержней (см. международную заявку WO 94/18565).
Обычно соединяют множество сосудов, формируя планшет, как правило, в виде матрицы, содержащей несколько рядов последовательно расположенных сосудов. Как правило, в этом качестве применяют один так называемый микротитровальный планшет, в котором число сосудов или ячеек равно 8х12 с интервалами 9 мм.
Применяют также планшет с числом ячеек 16х24 и соответствующими общими размерами. Аппарат, предназначенный для обработки планшетов, может содержать ряд стержней, число которых равно числу ячеек в одном ряду (см. международную заявку WO 94/18565 и описание прибора Thermo Lab systems Kingfisher™ Magnetic Particle Processor). Он позволяет работать с несколькими, например с двумя, планшетами одновременно, особенно в синхронном режиме.
Согласно первому отличительному признаку изобретения расстояние между внутренней стенкой сосуда и стержнем выбрано достаточно большим, чтобы предотвратить формирование любого кольца жидкости или его фрагмента, возникающих вдоль стержня, и тем самым предотвратить удаление жидкости из сосуда. Другими словами, под воздействием силы тяжести жидкость стекает вниз между стержнем и сосудом. Поднимающаяся вода могла бы вытекать поверх края сосуда, например в соседний сосуд или в оконечность стержня, удаляемого для последующего этапа процесса. Приемлемый промежуток между стержнем и сосудом может составлять по меньшей мере около 1 мм или 1,5 мм, а предпочтительно по меньшей мере около 2 мм. В обычных ситуациях промежуток, превышающий 3 мм, не дает какого-либо дополнительного преимущества в этом отношении.
Согласно второму отличительному признаку изобретения дно сосуда содержит углубление, служащее для установки стержня в положение, при котором каждая точка стержня находится на достаточном расстоянии от внутренней стенки сосуда. Указанное углубление служит для компенсации ошибок установки, вызванных горизонтальным смещением стержня и сосуда. Центральная часть углубления предпочтительно содержит горизонтальную площадку, ширина которой соответствует допуску на погрешность положения. Предпочтительно, чтобы углубление и оконечный участок стержня имели взаимно соответствующий профиль с тем, чтобы промежуток между углублением и указанным участком был минимальным. Большей частью предпочтительная величина промежутка равна 0,05-0,3 мм, например 0,1-0,2 мм. В случае применения симметричной конфигурации сосуда и стержня углубление будет локализовано в центре сосуда. Горизонтальная площадка в типичном случае имеет ширину в интервале 0,5-2 мм, например около 1 мм. Однако наиболее предпочтителен такой стержень, который можно применять также и в обычных сосудах с плоским или вогнутым дном различной формы.
Согласно третьему отличительному признаку изобретения аппарат для обработки сосуда с помощью стержня содержит средства, эластичные в вертикальном направлении, которые выполнены с возможностью смещения под действием стержня при установке стержня на дно сосуда. Это позволяет компенсировать ошибку установки, вызванную допусками на погрешность положения, связанными с вертикальным перемещением, и допусками на изготовление сосуда и стержня. Эластичные средства, такие как пружины, можно расположить в основании, вмонтированном в аппаратуру для сосуда, в стержне или в шестерне, передающей движение на стержень, а также в планшете, содержащем несколько сосудов.
Изобретение особенно пригодно для применения в случае операций в очень маленьких объемах. Нижним пределом может быть, например, 10 мкл или даже 5 мкл. Изобретение пригодно также для применения в ситуации, когда частицы собирают из относительно большого объема, например из бактериальной культуры, и переносят в объем, который может быть во много раз меньше.
Прилагаемые чертежи иллюстрируют приведенное ниже подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретения.
На фиг.1 показаны этапы сбора магнитных частиц стержнем из небольшого количества жидкости в сосуде согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.2 показаны этапы отсоединения магнитных частиц, прилипших к показанному на фиг.1 стержню, в небольшое количество жидкости в сосуде, показанном на фиг.1.
На фиг.3 показан аппарат согласно изобретению, снабженный пружинными средствами.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Показанная на фиг.1 и 2 круглая ячейка имеет у центра своего дна углубление 2 с относительно крутыми краями. В указанном углублении находится жидкость.
Совместно с ячейкой 1 применяют стержень 3, имеющий круглое поперечное сечение и диаметр, который значительно меньше диаметра ячейки, однако больше диаметра углубления. Стержень имеет внутренний канал, начинающийся у его верхнего конца, и постоянный магнит 4 удлиненной формы, который выполнен с возможностью перемещения в канале. Когда магнит находится в нижнем положении, у магнитных частиц появляется возможность собираться на оконечности стержня (фиг.1). Оконечный участок 5 стержня заострен для сопряжения с углублением 2 в дне ячейки.
Магнитные частицы, прилипающие к стержню 3, можно отсоединить в жидкость в ячейке 1 (фиг.2). Чтобы осуществить этот эффект, стержень с магнитом 4, находящимся в нижнем положении, вводят в ячейку. Затем последовательно отводят магнит и выводят стержень без магнита, а частицы остаются в жидкости, содержащейся в ячейке. Соответственно, если в жидкости, содержащейся в ячейке, имеются частицы, а магнит находится в нижнем положении, частицы собираются из жидкости на оконечность стержня. Когда стержень и магнит удаляют одновременно, вместе с ними удаляются и частицы.
Оконечный участок 5 стержня 3 выполнен вогнутым, с заостренным концом. Поэтому в процессе отделения частиц обеспечивается максимально полное попадание их в углубление 2, а после подъема стержня из жидкости количество удерживаемой на нем жидкости минимально. По мере сбора частиц они прилипают к вогнутой поверхностости оконечного участка, окружая его в виде кольцевидной массы. Стенка углубления имеет согласованную выпуклую форму, так что промежуток между оконечным участком стержня и ячейкой минимален. Когда конец стержня приходит в соприкосновение с углублением в дне, жидкость сама по себе перетекает в этот промежуток за счет адгезии и поверхностного натяжения. Таким образом, жидкость смачивает весь оконечный участок, на котором могут присутствовать частицы, перенесенные в ячейку стержнем. При сопряжении стержня с углублением жидкость надежно удерживается в промежутке. При подъеме стержня из углубления слой жидкости, окружающий оконечный участок, за счет гидродинамических сил эффективно распределит частицы от верхней части до дна.
Когда промежуток между стержнем 3 и стенкой ячейки 1 достаточно велик, в этом зазоре не будет формироваться поднимающееся по стержню кольцо жидкости или фрагмент такого кольца. Надлежащий промежуток равен около 1 мм. В этом отношении на практике промежуток, превышающий 3 мм, не дает какого-либо дополнительного преимущества. Чтобы разрушить поднимающееся кольцо жидкости, которое может возникнуть в исключительных случаях, входное отверстие ячейки можно дополнительно увеличить (см. международную заявку WO 94/18565, фиг.5). Высокие боковые стенки ячейки предотвращают перетекание жидкости наружу. Таким образом, при необходимости в такой ячейке можно применять количества жидкости, во много раз превышающие объем углубления 2 в дне.
Дно ячейки 1 имеет такую форму, чтобы небольшое количество жидкости, отмеренной в ячейку, естественным образом стекало в углубление 2 в дне в максимально полном объеме. В углублении свободная поверхность жидкости будет минимальной, поэтому жидкость имеет тенденцию оставаться в нем под действием поверхностного натяжения. Для того чтобы жидкость не задерживалась в углу между дном ячейки и наружной стенкой, указанному углу придана слегка изогнутая форма. Подходящий радиус кривизны угла равен 0,5-2 мм, например около 1 мм.
Дно ячейки 1 имеет непрерывный наклон от углов к углублению 2 в дне. В результате жидкость будет естественным образом стекать в указанное углубление.
Дно углубления 2 в дне ячейки 1 содержит центральный горизонтальный участок 6. Ширина участка определена исходя из допусков на установку стержня таким образом, чтобы кончик стержня 3 в любом случае попадал на этот горизонтальный участок. При горизонтальном смещении ячеек или стержней будут иметь место погрешности положения. В связи с этим ширина горизонтального участка равна (по меньшей мере) удвоенной оценке погрешности положения. Соответствующая ширина участка обычно составляет 0,5-2 мм, например около 1 мм. По той же причине промежуток между оконечным участком 5 и стенкой углубления в дне делается несколько большим у нижнего конца, чем у верхнего. Целью такого соотношения является сведение указанного промежутка к минимуму. Обычно он составляет 0,1-0,2 мм.
Отношение длины магнита 4 к его диаметру составляет около 13:1. Вследствие наличия длинного магнита частицы собираются максимально полным образом строго к оконечной площадке стержня 3. По той же причине высота оконечного участка по сравнению с диаметром магнита относительно мала. Обычно отношение указанных высоты и диаметра равно 1:1-1:2, например около 1:1,5.
В так называемом микротитровальном планшете, в котором ячейки помещены с интервалом 9 мм, размерные параметры приемлемых ячейки 1 и стержня 3 могут быть следующими: внутренний диаметр ячейки 7 мм, наружный диаметр стержня 4 мм, глубина ячейки (без углубления 5 в дне) 10 мм, глубина углубления в дне и высота оконечного участка стержня 1,5 мм, ширина плоского дна 6 углубления 1 мм, радиус кривизны угла стенки у дна около 1 мм, радиус кривизны стенки углубления в дне около 5 мм, радиус вогнутости оконечного участка стержня около 4 мм, высота и диаметр магнита 4 соответственно около 40 мм и 3 мм. В случае ячейки микротитровального планшета такой магнит в действительности имеет "избыток длины", однако этот же стержень можно применять также и в ячейках большего размера, например с высотой около 25 мм, у которых объем составляет величину порядка 500 мкл. Преимуществом в достаточной степени удлиненного магнита является также упрощение проблемы прикрепления к опорным структурам аппарата без необходимости использования промежуточного переходного элемента.
Углубление 2 в дне и оконечный участок стержня обеспечивают достаточно большую величину промежутка между стенкой ячейки 1 и стержнем 3, а также возможность в любом случае вставлять стержень до углубления в дне независимо от погрешностей установки, связанных с поперечным перемещением.
Стержень 3 можно применять также и в обычной ячейке с плоским или вогнутым дном.
Специфические допуски имеет также вертикальное перемещение, в результате чего нет гарантии, что оконечность стержня 3 всегда достигнет своего нижнего положения у дна ячейки. Для обычных технологий изготовления аппаратуры связанная с этим обстоятельством максимальная погрешность равна около ± 0,5 мм. Дополнительную погрешность вызывает наклон стержня и ячейки относительно друг друга. Соответствующая погрешность обычно может составлять ± 0,3 мм. Дополнительную погрешность вызывает наклон планшета, содержащего несколько ячеек, и матрицы, содержащей несколько стержней, относительно друг друга. Однако по сравнению с указанными выше эта погрешность невелика.
Сосуд и стержень можно изготовить из пригодного пластика, например из полипропилена.
Для компенсации погрешностей вертикального перемещения аппаратуру можно снабдить пружинящими средствами, действующими в вертикальном направлении (вертикальными пружинящими средствами).
В аппарате, изображенном на фиг.3, применен планшет 7, содержащий множество рядов ячеек 1. Аналогичным образом количество стержней, равное числу ячеек в ряду, присоединено к рычагу параллельно ряду, формируя совместно перемещаемый ряд стержней. Каждый стержень 3 несет магнит 4, прикрепленный к рычагу 8. У своего верхнего конца рычаг имеет сжимающие средства 9, вместе с которыми рычаг перемещается по вертикали. Планшет помещен на основании 10. Оно смещается под нагрузкой в вертикальном направлении за счет вертикальных пружинящих средств 11. Когда ряд стержней вводится в ячейки, стержни доходят до соприкосновения с дном 6 углубления 2 в дне и даже опускаются немного дальше. В этом случае пружины приведут для каждого стержня расстояние между его концом и дном до минимума (на практике почти до нуля).
Вместо основания 10 пружинами можно снабдить рычаг, закрепляющий стержни 3.
В дополнение или в порядке альтернативы можно снабдить пружинами каждый рычаг 8. Для этой цели сжимающее средство 9 помещается с возможностью скольжения в рычаге между верхним стопором 12 и нижним стопором 13, а между сжимающим средством и нижним стопором имеется пружина 14, отжимающая сжимающее средство вверх.
Пружинное устройство особенно полезно при применении очень маленьких ячеек (например, 5-10 мкл). Оно полезно, в частности, и в том случае, когда применяют большие планшеты или планшеты, содержащие много ячеек.
Изобретение относится к сосуду и применяемому совместно с ним стержню, предназначенным для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы в сосуде, или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде. Позволяет устранить возможность удаления жидкости из сосуда вместе со стержнем. Комплект содержит сосуд и применяемый совместно с ним стержень, снабженный магнитом, для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы в сосуде, или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде при введении стержня в сосуд и выведении его из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции. Стержень имеет сужающийся оконечный участок, на котором собираются и от которого отсоединяются указанные частицы. Расстояние от стержня, введенного в сосуд, до внутренней стенки сосуда выбрано в каждой точке достаточно большим для предотвращения формирования между сосудом и стержнем любого жидкого кольца или части кольца, которое могло бы быть удалено вместе со стержнем при выведении стержня из сосуда. Сосуд имеет дно, в котором выполнено углубление для установки стержня, причем профиль углубления соответствует профилю оконечного участка. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ | 1995 |
|
RU2138801C1 |
