АППАРАТ ДЛЯ СБОРА МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК B03C1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

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. Когда магнит находится в нижнем положении, появляется возможность собрать частицы на поверхности стержня, главным образом на его конце. Соответственно, при подъеме магнита в верхнее положение можно отсоединить частицы от стержня.

В международной заявке WO 94/18565, кл. B 01 L 3/02 описан аппарат для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы, в сосуде или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде. Известный аппарат содержит магнитный стержень, вставляемый в сосуд и выводимый из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции.

Из международной заявки WO 87/05536, кл. В 03 С 1/28 известен аналогичный аппарат для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы, в сосуде или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде. Данный аппарат дополнительно содержит пружинные средства, упругие в вертикальном направлении, выполненные в виде пружины, связанной с фланцем, при нажатии на который магнитный стержень, жестко связанный с фланцем, переводится в нижнее положение для выполнения операций сбора магнитных частиц или их отсоединения в жидкость.

Стержень в аппаратах описанного типа желательно снабдить кожухом с заостренной оконечностью, а 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.

Однако при применении в аппаратах, использующих одновременно несколько параллельных магнитных стержней совместно с планшетами, содержащими множество очень маленьких сосудов (например, объемом 5-10 мкл), известные технические решения не обеспечивают точное совмещение заостренных оконечностей всех стержней с дном сосудов, в которые одновременно вводятся стержни. Как следствие снижается эффективность сбора магнитных частиц или их ввода в те сосуды, в которые магнитные стержни введены с погрешностью установки.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание аппарата для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы, в сосуде или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде применительно к сосудам (ячейкам) малых размеров.

Согласно изобретению, аппарат для сбора магнитных частиц из жидкости содержит магнитный стержень, вставляемый в сосуд и выводимый из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции, и средства, упругие в вертикальном направлении. Магнитный стержень вставляется в сосуд и выводится из сосуда после операции сбора или переноса частиц. Магнит предпочтительно является постоянным, причем наиболее предпочтителен магнит, который в пределах стержня можно перемещать между положениями сбора и отсоединения. Преимущественным направлением движения стержня является его продольная ось.

При этом аппарат по изобретению характеризуется тем, что средства, упругие в вертикальном направлении, выполнены сжимаемыми в направлении движения стержня под действием стержня при его установке на дно сосуда. Это позволяет компенсировать ошибку установки, вызванную допусками на погрешность положения, связанными с вертикальным перемещением, и допусками на изготовление сосуда и стержня.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения упругие средства представляют собой пружинные средства, установленные, например, во входящем в состав аппарата основании для сосуда. Альтернативно упругие средства могут быть установлены в магнитном стержне или в приводе, передающем движение на стержень. Когда в состав аппарата входит планшет, содержащий множество сосудов, упругие средства могут быть установлены в планшете.

В своем поперечном сечении сосуд предпочтительно симметричен, представляя собой, например, круг, а форма поперечного сечения стержня соответствует форме поперечного сечения сосуда. При этом предпочтителен магнит, предусматривающий возможность отключения его воздействия, чтобы можно было отсоединить частицы от поверхности стержня.

Для сбора частиц предпочтительно нижнее положение магнита, из которого его можно поднять к положению, предназначенному для отсоединения. Желательно, 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 8×12 с интервалами 9 мм. Применяют также планшет с числом ячеек 16×24 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 Labsystems Kingfisher™ Magnetic Particle Processor). Он позволяет работать с несколькими, например с двумя, планшетами одновременно, особенно в синхронном режиме. Если в аппарате используется любой из описанных планшетов, содержащих несколько сосудов, пружинящие средства могут быть установлены в данном планшете.

Расстояние между внутренней стенкой сосуда и стержнем целесообразно выбрать 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.

Дно сосуда предпочтительно 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. Желательно, чтобы углубление и оконечный участок стержня имели взаимно соответствующий профиль с тем, чтобы промежуток между углублением и указанным участком был минимальным. В большинстве случаев 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.

Изобретение особенно эффективно 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.

Краткое описание чертежей

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.

Осуществление изобретения

Показанный на фиг.1 и 2 сосуд в форме круглой ячейки 1 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 реализовать 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 поверхности 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 оконечному участку 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 2 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 для этого пластика, например из полипропилена.

Для компенсации погрешностей вертикального перемещения аппарат согласно изобретению можно снабдить упругими средствами, действующими в направлении движения стержня, т.е. в вертикальном направлении. В предпочтительном варианте упругие средства являются вертикальными пружинными 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 неизображенному рычагу параллельно ряду, формируя совместно перемещаемый ряд стержней. Каждый стержень 3 несет магнит 4, прикрепленный к рычагу 8. У своего верхнего конца рычаг имеет зажимное средство 9, посредством которого рычаг перемещается по вертикали. Планшет помещен на основании 10. Оно смещается под нагрузкой в вертикальном направлении за счет установленных в нем вертикальных пружинных 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 пружинные средства 11 (представляющие собой пружины) приведут для каждого стержня расстояние между его концом и дном до минимума (на практике почти до нуля).

Вместо основания 10 пружинящими средствами (т.е. пружинами) можно снабдить привод стержня, например неизображенный рычаг, закрепляющий стержни 3.

В дополнение или в порядке альтернативы можно снабдить пружинами другие части привода, а именно каждый рычаг 8. Для этой цели зажимное средство 9 установлено с возможностью скольжения между имеющимися в рычаге верхним стопором 12 и нижним стопором 13, а между зажимным средством и нижним стопором имеются пружинные средства (пружина) 14, отжимающие зажимное средство вверх. Пружинные или иные упругие средства могут быть альтернативно установлены в самом стержне 3 или в планшете 7.

Пружинные средства особенно полезны при применении очень маленьких ячеек (например, 5-10 мкл). Они полезны, в частности, и в том случае, когда применяют большие планшеты или планшеты, содержащие много ячеек.

Изобретение относится к аппарату, предназначенному для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы в сосуде, или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде. Позволяет компенсировать ошибку установки, вызванную допусками на погрешность положения, связанными с вертикальным перемещением, и допусками на изготовление сосуда и стержня. Магнитный стержень, входящий в состав стержня, вставляется в сосуд и выводится из сосуда после операции сбора или переноса частиц. Аппарат содержит упругие средства, сжимаемые в направлении движения стержня при установке стержня на дно сосуда. Упругие средства представляют собой пружинные средства, установленные, например, во входящем в состав аппарата основании для сосуда. Альтернативно упругие средства могут быть установлены в магнитном стержне или в приводе, передающем движение на стержень. Когда в состав аппарата входит планшет, содержащий множество сосудов, упругие средства могут быть установлены в планшете. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аппарат для сбора магнитных частиц из жидкости, содержащей частицы, в сосуде или для отсоединения частиц в жидкость в сосуде, причем аппарат содержит магнитный стержень, вставляемый в сосуд и выводимый из сосуда после собирающей или отсоединяющей операции, и средства, упругие в вертикальном направлении, отличающийся тем, что средства, упругие в вертикальном направлении, выполнены сжимаемыми в направлении движения стержня под действием стержня при его установке на дно сосуда.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что упругие средства представляют собой пружинные средства.3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит основание для сосуда, в котором установлены упругие средства.4. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнит стержня прикреплен к рычагу, имеющему сжимающее средство, помещенное с возможностью скольжения между верхним и нижним стопорами, выполненными на рычаге, а упругие средства установлены между сжимающим средством и нижним стопором.5. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что снабжен планшетом, содержащим множество сосудов, причем магнит каждого стержня прикреплен к рычагу, имеющему сжимающее средство, помещенное с возможностью скольжения между верхним и нижним стопорами, выполненными на рычаге, а упругие средства установлены в основании для сосудов и между сжимающим средством и нижним стопором.6. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен планшетом, содержащим множество сосудов, причем упругие средства установлены в планшете.