CN106237915A - 一种基于永磁体的磁珠操控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于永磁体的磁珠操控装置，包括：微型永磁颗粒、操作容器、液体介质、永磁体、永磁体磁距调节机构、旋转部分和驱动控制部分。操作容器用于盛放包含不同颗粒的液体；液体介质以液体形态呈现，包含不同类型的微型颗粒；永磁体在磁距下对液体介质内的微型永磁颗粒施加恒定磁力；永磁体磁距调节机构控制永磁体磁极的间距，且两个磁极相对于操作容器的中心距离相等；旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器做圆周运动；驱动控制部分驱动控制旋转部分的旋转角度和旋转速度、控制永磁体磁距调节机构所包含的永磁体的磁距。本发明具有很好的操作性和通用性，具有广泛推广意义。

Description

一种基于永磁体的磁珠操控装置

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体地，涉及一种基于永磁体的磁珠操控装置。

背景技术

目前的对于溶液内的微型颗粒的操控没有简单的操作方法，尤其是不同类型颗粒的分离和搅拌，操控比较复杂，还没有一种简便的方法实现。

经检索，公开号为CN1624447A、申请号为CN200310115558.6的中国发明，该发明公开磁力微粒操控器，它由集成在同一基片正反面的平面微线圈和磁性微尖、磁芯构成。对平面微线圈通以电流，在平面微线圈周围产生应用电磁场,当磁性微粒位于磁性微尖附近时，在磁场力的作用下，微粒被吸附到磁性微尖上，当电流断开后，磁场力消失，微粒将被释放。该发明的操作对象包括磁珠、细胞、生物分子等微粒，可完成单个微粒操控、微粒计数、筛选或微粒混合物的分离等功能，应用于细胞生物学、免疫分析、微流体研究、纳米技术等领域。

公开号为CN102362183A、申请号为201080013160.X的中国发明，该发明涉及一种与包括磁供应器的处理设备一起使用的微流体设备,所述微流体设备包括:设置为容纳生物样本并且包含至少一个磁性颗粒的腔室，以及用于以可由所述处理设备读取的形式存储包括磁协议的信息的存储装置，其中所述磁供应器能够根据从所述存储装置读取的所述磁协议信息生成作用于所述一个或者多个磁性颗粒的磁力。

但是：上述专利并不能在同一平台下实现微粒的分离和搅拌功能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所涉及的方法可以快速实现不同颗粒的分离或搅拌，作为一个通用平台，只需要通过改变永磁体磁距调节机构的磁距和旋转部分的旋转角度即可操控穿过操作容器的磁场强度和方向。将磁场操控和生物理疗相结合，提供一种高效快速的分离或搅拌方法，降低设备成本和人员操作的工作量。

为实现以上目的，本发明提供一种基于永磁体的磁珠操控装置，包括：微型永磁颗粒、操作容器、液体介质、永磁体、永磁体磁距调节机构、旋转部分和驱动控制部分，其中：

所述操作容器，为能够穿透磁场的容器，用于盛放液体介质以及液体介质内的不同类型微型颗粒，所述微型颗粒包括微型永磁颗粒和其他微型非永磁颗粒；

所述永磁体，为具有持续磁力的磁极对，在一磁距下对液体介质内的微型永磁颗粒施加恒定磁力；

所述永磁体磁距调节机构，用于控制永磁体的磁极间距，且使两个磁极相对于操作容器的中心距离相等；

所述旋转部分，用于带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器做圆周运动；

所述驱动控制部分，用于驱动、控制旋转部分和永磁体磁距调节机构，对于旋转部分，驱动控制部分控制旋转部分的旋转角度和旋转速度；对于永磁体磁距调节机构，驱动控制部分控制永磁体磁距调节机构的永磁体的磁距。

优选地，所述的微型永磁颗粒可以是永磁体也可以是包被了永磁体的微小颗粒，具有一定的持续磁力。

优选地，所述的微型永磁颗粒直径在20nm-3um之间。

优选地，所述的微型永磁颗粒包括但不限于StreptAvidin磁珠(biotin分离免疫磁珠)、羧基生物磁珠、硅基磁珠、血浆游离DNA提取磁珠中的一种或几种。

优选地，所述的操作容器是具有一定容量并且可以穿透磁场的容器。

优选地，所述的永磁体可以由钕铁硼(Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)或铁氧体永磁材料(Ferrite)中的一种加工而成。

更优选地，所述的永磁体包含至少一个极对。

更优选地，所述的极对为两组互相对应的磁极，这两个磁极磁场方向相反、物理位置互差180度，磁场强度一致。当其中一个磁场是N级，相对应的另一个磁场方向为S级。当其中一个磁场是S级，相对应的另一个磁场方向为N级。

优选地，所述的永磁体磁距调节机构包括磁距运动机构和运动源，其中：

所述磁距运动机构，用于带动永磁体的磁极相对于操作容器中心的距离，且使各磁极相对于操作容器中心的距离相等；

运动源，带动磁距运动机构运动。

优选地，所述的驱动控制部分包括驱动部件和控制部件，其中：

所述驱动部件由若干功率驱动管组成，将控制部件的电压信号变成旋转部分的驱动电流和永磁体磁距调节机构的驱动电流；

所述控制部件产生电压信号给驱动部件，从而控制旋转部分和永磁体磁距调节机构。

更优选地，当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器圆周0-180度范围内运动，则操作容器圆周0-180度的磁场方向与操作容器圆周180-360度的磁场方向相反，且实现液体介质内的微型永磁颗粒或包被了微型永磁颗粒的微型颗粒与其他非微型非永磁颗粒有效分离。

更优选地，当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器按照顺时针方向圆周运动，则实现液体介质内的液体以及液体介质所包含的不同类型的微型颗粒按照顺时针搅拌；

更优选地，当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器按照逆时针方向圆周运动，则实现液体介质内的液体以及液体介质所包含的不同类型的微型颗粒按照逆时针搅拌。

本发明通过控制控制旋转部分的旋转时序实现微粒的分离和搅拌功能，通过控制永磁体磁距调节机构带动永磁体的磁极相对于操作容器中心的距离从而控制磁力大小。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明装置，操作方便，通过改变永磁体磁距调节机构的磁距和旋转部分的旋转角度即可操控穿过操作容器的磁场强度和方向，实现不同类型颗粒的分离和搅拌，提高分离或搅拌的效率，降低设备成本和人员操作的工作量，具有广泛推广意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构示意图；

图中：1-微型永磁颗粒，2-操作容器，3-液体介质，4-永磁体，5-永磁体磁距调节机构，6-旋转部分，7-驱动控制部分；

图2为本发明一优选实施例的永磁体磁距调节机构的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例的永磁体磁距调节机构的运动示意图，其中：(a)为向操作容器方向运动，(b)为向操作容器反方向运动；

图4为本发明一优选实施例的驱动部件的电路原理图；

图5为本发明一优选实施例的控制部件的电路原理图；

图6中(a)～(f)为本发明一优选实施例的作为不同颗粒分离功能的时序图；

图7中(a)～(i)为本发明一优选实施例的作为搅拌功能的时序图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于永磁体的磁珠操控装置，包括：微型永磁颗粒1、操作容器2、液体介质3、永磁体4、永磁体磁距调节机构5、旋转部分6和驱动控制部分7；其中：

所述操作容器2，为能够穿透磁场的容器，用于盛放液体介质以及液体介质内的不同类型微型颗粒，所述微型颗粒包括微型永磁颗粒1和其他微型非永磁颗粒；

所述永磁体4，可以设置在操作容器2的外围，为具有持续磁力的磁极对，在一磁距下对液体介质内的微型永磁颗粒施加恒定磁力；

所述永磁体磁距调节机构5，可以设置在操作容器2的外围，所述永磁体4设置在永磁体磁距调节机构5上，永磁体磁距调节机构5用于控制永磁体的磁极间距，且使两个磁极相对于操作容器的中心距离相等；

所述旋转部分6，可以设置在永磁体磁距调节机构5下方，用于带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器做圆周运动；

所述驱动控制部分7，可以设置在旋转部分6、永磁体磁距调节机构5的下方，用于驱动、控制旋转部分和永磁体磁距调节机构，对于旋转部分，驱动控制部分控制旋转部分的旋转角度和旋转速度；对于永磁体磁距调节机构，驱动控制部分控制永磁体磁距调节机构的永磁体的磁距。

作为优选，所述微型永磁颗粒1为微型的具有一定持续磁力的颗粒，微型永磁颗粒1可以是永磁体也可以是包被了永磁体的微小颗粒，并且微型永磁颗粒1的颗粒直径在20nm-3um之间；微型永磁颗粒1包括但不限于StreptAvidin磁珠(biotin分离免疫磁珠)、羧基生物磁珠、硅基磁珠、血浆游离DNA提取磁珠中的一种或几种。

所述操作容器2为具有一定容量的容器，用于盛放包含不同颗粒的液体，并且操作容器2是可以穿透磁场的容器。

所述液体介质3以液体形态呈现，包含了不同类型的微型颗粒。

作为优选，所述永磁体4为具有持续磁力的磁极对，在一磁距下对液体介质3内的微型永磁颗粒1施加恒定磁力；永磁体4可以由钕铁硼(Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)或铁氧体永磁材料(Ferrite)中的一种加工而成；永磁体4包含至少一个极对，极对为两组互相对应的磁极，这两个磁极磁场方向相反、物理位置互差180度，磁场强度一致；当其中一个磁场是N级，相对应的另一个磁场方向为S级。当其中一个磁场是S级，相对应的另一个磁场方向为N级。

如图2所示，所述永磁体磁距调节机构5用于控制永磁体4磁极的间距，且两个磁极相对于操作容器2的中心距离相等；作为优选，永磁体磁距调节机构5包括磁距运动机构和与磁距运动机构连接的运动源，其中：

所述磁距运动机构为一种机械结构，可以同时带动永磁体4的磁对极相对于操作容器2中心的距离，且各磁极相对于操作容器2中心的距离相等；

所述运动源可以是一个电动机，电动机产生旋转副从而带动磁距运动机构运动，也可以通过手动调节。

如图3所示，作为永磁体磁距调节机构一优选实施方式，采用齿轮双齿条结构，采用步进电机带动齿轮旋转，齿轮运动带动上、下两个齿条同步直线运动，且上、下两个齿条运动方向相反：

如图3中(a)所示，当齿轮控制上、下两个齿条向操作容器2方向运动，则磁场强度增加；

如图3中(b)所示，当齿轮控制上、下两个齿条向操作容器2反方向运动，则磁场强度减弱。

所述旋转部分6采用步进电机，步进电机带动永磁体4和永磁体磁距调节机构5围绕操作容器做圆周运动。在其他实施例里，所述旋转部分6还可以是直流永磁电机、直流无刷电机、交流伺服电机中的一种。

所述驱动控制部分7不仅驱动、控制旋转部分6的旋转角度和旋转速度，也驱动、控制永磁体磁距调节机构5上的永磁体4的磁距；

所述驱动控制部分7包括：驱动部件和控制部件，其中：

所示驱动部件由若干功率驱动管组成，用于将控制的电压信号变成旋转部分6的所采用步进电机的驱动电流和永磁体磁距调节机构5所采用步进电机的驱动电流。

如图4所示，作为优选，驱动部件采用IRF公司的IR2101作为预驱动，功率驱动管以8个IRF公司的N沟道MOS管IRFR2407作为桥电路将控制部件的电压信号转换成步进电机线圈的驱动电流。为确保IRFR2407的有效导通和关断，IR2101接收到控制部件发出的电压通断信号后控制IRFR2407的导通和关断，8个IRFR2407作为桥电路连接步进电机的线圈A+、A-、B+和B-，从而控制旋转部分6的所采用步进电机和永磁体磁距调节机构5所采用步进电机的旋转。当然，在其他实施例中也可以采用其他的驱动部件。

所述控制部件根据需求产生电压信号给驱动部分，从而控制旋转部分和永磁体磁距调节机构。作为优选，如图5所示，控制部件采用microchip公司的DSPIC30F4011，使用DSPIC30F4011的通用IO口产生8路PWM电压信号，IR2101预驱动芯片接收到控制部件的PWM电压信号后控制8个IRFR2407桥电路的有效通断。

作为一优选的实施方式，所示驱动控制部分7中：

如图6所示，所述控制部件如果控制旋转部分6带动永磁体4和永磁体磁距调节机构5围绕操作容器2圆周0-180度范围内运动，且操作容器2圆周0-180度的磁场方向和操作容器2圆周180-360度的磁场方向相反，则可以实现微型永磁体或包被了永磁体的微小颗粒与其他微小颗粒有效分离。

如图7所示，所述控制部件如果控制旋转部分6带动永磁体4和永磁体磁距调节机构5围绕操作容器2按照图7中(a)-(b)-(c)-(d)-(e)-(f)-(g)-(h)-(i)-(j)-(k)-(l)的顺时针方向圆周运动，则实现了液体介质3内的液体以及不同的微小颗粒按照顺时针搅拌；

所述控制部件如果控制旋转部分6带动永磁体4和永磁体磁距调节机构5围绕操作容器2按照图7中(l)-(k)-(j)-(i)-(h)-(g)-(f)-(e)-(d)-(c)-(b)-(a)的逆时针方向圆周运动，则实现了液体介质3内的液体以及不同的微小颗粒按照逆时针搅拌。

本发明提供了一种微型磁珠的操控装置，其结构简单，操作方便，通过改变永磁体磁距调节机构的磁距和旋转部分的旋转角度即可操控穿过操作容器的磁场强度和方向，实现不同类型颗粒的分离和搅拌，提高分离或搅拌的效率，降低设备成本和人员操作的工作量，具有广泛推广意义。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，包括：微型永磁颗粒、操作容器、液体介质、永磁体、永磁体磁距调节机构、旋转部分和驱动控制部分，其中：

所述操作容器，为能够穿透磁场的容器，用于盛放液体介质以及液体介质内的不同类型微型颗粒，所述微型颗粒包括微型永磁颗粒和其他微型非永磁颗粒；

所述永磁体，为具有持续磁力的磁极对，在一磁距下对液体介质内的微型永磁颗粒施加恒定磁力；

所述永磁体磁距调节机构，用于控制永磁体的磁极间距，且使两个磁极相对于操作容器的中心距离相等；

所述旋转部分，用于带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器做圆周运动；

所述驱动控制部分，用于驱动、控制旋转部分和永磁体磁距调节机构，对于旋转部分，驱动控制部分控制旋转部分的旋转角度和旋转速度；对于永磁体磁距调节机构，驱动控制部分控制永磁体磁距调节机构的永磁体的磁距。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的微型永磁颗粒是永磁体，或者是包被了永磁体的微小颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的微型永磁颗粒的直径在20nm-3um之间。

4.根据权利要求2所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的微型永磁颗粒为StreptAvidin磁珠、羧基生物磁珠、硅基磁珠、血浆游离DNA提取磁珠中的一种或几种。

5.根据权利要求2所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的永磁体为由钕铁硼(Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)或铁氧体永磁材料(Ferrite)。

6.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的极对为两组互相对应的磁极，两组磁极磁场方向相反、物理位置互差180度且磁场强度一致。

7.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的永磁体磁距调节机构包括磁距运动机构和运动源，其中：

所述磁距运动机构，用于带动永磁体的磁极相对于操作容器中心的距离，且使各磁极相对于操作容器中心的距离相等；

运动源，带动磁距运动机构运动。

8.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的旋转部分为步进电机、直流永磁电机、直流无刷电机、交流伺服电机中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，所述的驱动控制部分包括驱动部件和控制部件，其中：

所述驱动部件由若干功率驱动管组成，将控制部件的电压信号变成旋转部分的驱动电流和永磁体磁距调节机构的驱动电流；

所述控制部件产生电压信号给驱动部件，从而控制旋转部分和永磁体磁距调节机构。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于永磁体的磁珠操控装置，其特征在于，当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器圆周0-180度范围内运动，则操作容器圆周0-180度的磁场方向与操作容器圆周180-360度的磁场方向相反，且实现液体介质内的微型永磁颗粒或包被了微型永磁颗粒的微型颗粒与其他非微型非永磁颗粒有效分离；

当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器按照顺时针方向圆周运动，则实现液体介质内的液体以及液体介质所包含的不同类型的微型颗粒按照顺时针搅拌；

当所述的控制部件控制旋转部分带动永磁体和永磁体磁距调节机构围绕操作容器按照逆时针方向圆周运动，则实现液体介质内的液体以及液体介质所包含的不同类型的微型颗粒按照逆时针搅拌。