CN114345545B - 基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法，涉及磁性粒子和磁性标记生物分子分离分析技术领域，本发明发明了斜形下线槽三相绕组动态磁泳分离装置，提出了磁性粒子磁场力牵引分离方法。利用斜形下线槽三相绕组旋转磁场对磁性粒子产生磁场力沿载液流动方向的分力，牵引不同特性的磁性粒子磁泳分离。磁性粒子分离的主要动力直接来自其所受旋转磁场磁场力的分力，磁场力从以前磁场分离方法中磁性粒子分离的辅助者，变成磁泳分离的主导者。进而，由于磁场力对磁性粒子粒径的敏感性高于载液推力，有利于粒子分离。因此，本发明提出的基于旋转磁场的动态磁泳分离装置和方法，能够有效提高磁性粒子的分离效果和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及磁性粒子和磁性标记生物分子分离分析技术领域，特别是涉及基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法。
背景技术
磁性粒子在应用过程中，要求其具有良好的单分散性。通过磁性粒子制备过程中的工艺条件优化仍难以获得单分散性好的磁性粒子，对制备的磁性粒子进一步进行分离筛选就成为提高其单分散性的重要手段。在生物医学领域，对蛋白质和核酸等生物分子、细胞进行磁性标记，利用磁特性将其从生物样品中分离出来。
目前，在磁性粒子分离时常常采用磁场场流分离技术，磁场场流分离是以磁场作为外加场，利用磁性粒子磁响应性及所受重力的综合作用使粒子在分离通道内进入不同的层流，在抛物线流型的液流相中，通道中心附近的流速大，靠近流道壁的流速比较小，处于不同流层的磁性粒子获得不同的流速而实现分离。
在三相绕组旋转磁场的磁场场流分离中，如发明人在先申请的发明专利2018113271635《基于旋转磁场的磁性粒子场流分离装置和方法》中，基座中三相绕组的下线槽和基座轴线平行，旋转磁极经过分离通道中的磁性粒子附近时，磁性粒子受到磁场力作用；旋转离开磁性粒子后，对粒子的磁场力消失。磁性粒子在三相绕组分离通道中受到周期性的磁场力作用，磁场力沿分离通道垂直径向的分力使不同特性的磁性粒子处于垂直径向的不同环流中，利用不同环流的速率差产生分离。这种三相绕组旋转磁场场流分离技术虽然能够实现磁性粒子的分离，但是此种分离方法中，磁场力是磁性粒子分离的辅助者，外加磁场主要控制磁性粒子在分离通道的垂直径向发生磁泳运动产生有效位移，磁场力沿分离通道垂直径向分力使不同特性的磁性粒子在分离通道中处于不同的环流。由于磁性粒子沿分离通道垂直径向磁泳的位移比较小，是微米级的，所以很难提高磁性粒子分离的分辨率，分离方法没有很好地利用磁性粒子的磁特性。进一步地，因为磁性粒子在载液流动方向分离的动力来源于载液的推力，而载液推力对粒子的磁性大小不敏感，所以影响分离装置对磁性粒子的分离效率和效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法，以解决基于磁场场流分离的磁性粒子分离方法中存在的磁性粒子分离效果不佳和分辨率不高的问题。
为此，本发明提供了以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，所述装置主要包括：
呈中空圆柱形结构的基座；所述基座形成的圆柱形空间中设置有螺旋形的微细管分离通道；所述微细管分离通道注入有不同特性的磁性粒子混合样品和载液；
所述基座中设置有以基座的轴线为对称轴的三相绕组斜形下线槽，所述斜形下线槽与所述基座的轴线之间呈预设夹角，三相绕组置于所述斜形下线槽内；所述三相绕组经三相变压器和变频电路模块与三相或单相交流电源连通，所述三相绕组和所述基座形成的中空结构圆柱形空间内产生旋转磁场；
所述微细管分离通道中的磁性粒子在所述旋转磁场的磁场力牵引作用下，不同特性的磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，产生不同的磁泳位移，实现不同特性的磁性粒子的磁泳分离。
进一步地，所述三相绕组为4级的三相绕组。
进一步地，所述预设夹角为45°。
进一步地，所述基座为硅钢基座。
进一步地，所述三相绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组星形联接。
进一步地，所述基座外壁设有塑料圆柱筒，塑料圆柱筒的外壁设有用于嵌入微细管的螺旋槽；螺旋槽内嵌有微细管形式的分离通道。
进一步地，所述微细管的长度为米级、内径为微米级。
进一步地，所述分离通道的输入端通过三通阀分别与进样注射器和输液泵连通；所述分离通道的输出端通过紫外-可见光检测器与废液收集瓶连通。
进一步地，载液为去离子水。
另一方面，本发明还提供了一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离方法，所述方法应用于上述基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，所述方法包括：
制备不同特性的磁性粒子混合样品；
通过进样注射器注入所述混合样品；
经输液泵泵入的载液从分离通道的输入端进入所述分离通道；
将所述斜形下线槽三相绕组接通三相正弦交流电流，所述三相绕组和所述基座形成的中空结构圆柱形空间内产生旋转磁场；
通过所述变频电路模块和所述三相变压器调节加到所述三相绕组上的三相交流电压频率与大小，控制所述旋转磁场作用的频率以及所述分离通道中的磁感应强度大小，以使得磁性粒子在所述旋转磁场的磁场力沿载液流动方向的分力牵引作用下，不同特性的磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，产生不同的磁泳位移，实现不同特性的磁性粒子的磁泳分离。
本发明的优点和积极效果：本发明中的旋转磁场动态磁泳分离装置和方法，对不同特性的磁性粒子混合样品应用磁泳机理直接实现磁性粒子分离。本发明中发明了斜形下线槽三相绕组，产生的磁场力沿载液流动方向具有分力。载液流动方向磁场分力可以牵引不同特性的磁性粒子磁泳分离，粒子分离的主要动力直接来自旋转磁场产生的沿载液流动方向磁场力分力，磁场力从以前磁场流分离方法中磁性粒子分离的辅助者，变成动态磁泳分离中磁性粒子分离的主导者。进而，由于磁场力对磁性粒子粒径的敏感性高于载液推力，因此本发明提供的基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法能够有效地提高磁性粒子的分离效果和分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中螺旋形分离通道的结构示意图；
图3为本发明实施例中等效旋转磁极对磁性粒子的作用示意图；
图4为本发明实施例中斜形下线槽三相绕组旋转磁场作用下磁性粒子的受力分析和运动特性的示意图；
图5为本发明实施例中斜形下线槽展开图；
图6为本发明实施例中斜形下线槽三相绕组单层链式接法展开图；
图7为本发明实施例中斜形下线槽三相绕组旋转磁场动态磁泳分离的分离结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法，磁泳分离的机理不同于磁场场流分离。磁泳分离是利用磁性粒子在磁场作用下其运动轨迹发生变化，从而达到粒子的分离，其基本原理是粒径不同或饱和磁化率不同的磁性粒子所受到的磁场力大小不同，磁泳速度也不同，粒子会处于分离通道中的不同位置，不同特性的粒子会以不同的先后顺序从出口流出。本发明中基于动态磁泳分离技术进行磁性粒子分离，动态磁泳分离通过外加磁场和分离通道之间相对运动实现粒子分离，具体是利用斜形下线槽三相绕组旋转磁场对磁性粒子产生磁场力沿载液流动方向的分力，牵引不同特性的磁性粒子磁泳分离。磁性粒子分离的主要动力直接来自其所受旋转磁场磁场力的分力。磁场力从以前磁场流分离方法中磁性粒子分离的辅助者，变成磁泳分离的主导者。进而，由于磁场力对磁性粒子粒径的敏感性高于载液推力，有利于粒子分离，有效地提高了磁性粒子的分离效果和分辨率。
如图1所示，其示出了本发明实施例中的基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置的结构示意图，该装置包括：基座1、三相绕组2、斜形下线槽3、分离通道4、三相变压器5、变频电路模块6、输液泵7、废液收集瓶8和紫外-可见光检测器9；其中：
基座1，呈中空圆柱形结构，可以为硅钢材质；
基座1形成的圆柱形空间中设置有螺旋形的微细管分离通道；在一种可能的实施方式中，基座1的内壁设有塑料圆柱筒，塑料圆柱筒的外壁设有用于嵌入微细管的螺旋槽；螺旋槽内嵌有微细管形式的分离通道4，螺旋形的分离通道4如图2所示，设置在三相绕组2和基座1形成的圆柱形中空结构空间内部。微细管的长度为米级、内径为微米级且呈螺旋状；分离通道4的输入端通过三通阀分别与进样注射器和输液泵7连通，以注入不同特性的磁性粒子混合样品和载液至分离通道4；分离通道4的输出端通过紫外-可见光检测器9与废液收集瓶8连通，以收集粒子分离之后的废液。
基座1中设置有以基座1的轴线为对称轴的斜形下线槽3，斜形下线槽3指的是下线槽和基座轴线之间具有预设夹角，即相对于基座轴线呈倾斜状态，三相绕组2置于所述斜形下线槽3内，与基座1形成的中空圆柱形空间内会产生旋转磁场。
三相绕组2包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组星形联接；第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组的首端U1、V1、W1分别与三相变压器5的输出端连通，三相变压器5通过变频电路模块6与三相或单相交流电源连通。
斜形下线槽3中的三相绕组2接通三相正弦交流电流后，三相绕组2和基座1形成的中空结构圆柱形空间内就会产生旋转磁场，把微细管分离通道制成螺旋形置入圆柱形空间，稳定可控的旋转磁场和螺旋形的分离通道相互配合，通道中的磁性粒子就会受到周期性的磁场力作用。通过变频电路模块6和三相变压器5，可以调节加到三相绕组2上的三相交流电压频率与大小，控制旋转磁场作用的频率、分离通道中的磁感应强度大小。斜形下线槽3中的三相绕组2产生的旋转磁场使不同特性的磁性粒子所受沿载液流动方向的磁场力分力不相同，产生速度差，实现有效分离。
斜形下线槽三相绕组接通三相正弦交流电后，就会在圆柱形基座内产生旋转磁场。对于4极的三相绕组，可以等效为与基座轴线有一定夹角的4个磁极绕基座的轴线旋转。4极三相绕组等效为两对磁极，在基座圆周上按照N极—S极—N极—S极分布，空间上依次相差90°。分离通道设置在圆柱形基座内部，当旋转磁极旋转经过分离通道中的磁性粒子周围时，粒子就会受到磁场力的作用，如图3所示。图3中是一个等效磁极N极旋转经过磁性粒子的情况，其他3个磁极对磁性粒子的作用类似。
磁性粒子在斜形下线槽三相绕组分离通道中受到周期性作用的磁场力，同样可以正交分解为沿载液流动方向的分力和指向分离通道垂直径向的分力，斜形下线槽三相绕组分离通道中磁性粒子的受力分析和运动特性如图4所示。当等效旋转磁极N极在磁性粒子左边时磁性粒子受到的磁场力，正交分解后沿载液流动方向的分力使磁性粒子逆时针磁泳运动(图4a和图4b)；当旋转磁极N极旋转到磁性粒子右边时磁性粒子受到的磁场力，正交分解后沿载液流动方向的分力使磁性粒子顺时针磁泳运动(图4d和图4e)。旋转磁极N极顺时针从磁性粒子的左边旋转到磁性粒子的右边。因为基座三相绕组的下线槽和基座轴线成一定夹角，所以磁场力在左边对磁性粒子某一位置的沿载液流动方向分力Fx，与旋转到右边以磁性粒子所在半径直线为轴线的对称位置时磁性粒子受到的沿载液流动方向的分力，方向相反，大小不相等。在图4中，图4(a)和图4(e)旋转磁极N极以磁性粒子所在半径直线为轴线对称，磁性粒子受到的沿载液流动方向分力Fx1’>Fx1，从而磁性粒子磁泳运动速度大小v1’>v1；图4(b)和图4(d)旋转磁极N极以磁性粒子所在半径直线为轴线对称，磁性粒子受到的沿载液流动方向分力Fx2’>Fx2，从而磁性粒子磁泳运动速度大小v2’>v2；当旋转磁极N极正好经过磁性粒子所在半径直线时，磁性粒子沿载液流动方向不受力，速度为v3＝0。这样，磁性粒子在旋转磁极N极旋转经过磁性粒子时，在磁性粒子左边使粒子逆时针磁泳运动，在磁性粒子右边使粒子顺时针磁泳运动，但是旋转磁极N极经过磁性粒子右边时粒子受到的沿载液流动方向分力总体上大于经过磁性粒子左边时沿载液流动方向分力，旋转磁极N极在右边时磁性粒子沿载液流动方向顺时针的磁泳速度大于在左边时逆时针的磁泳速度，所以磁性粒子在旋转磁极N极作用下整体上沿载液流动方向顺时针磁泳运动。当旋转磁极N极经过磁性粒子后，整体上磁性粒子沿载液流动方向顺时针磁泳运动发生了位移。
因此，在基座中三相绕组的下线槽和基座轴线有一定夹角(优选地，夹角为45°)的情况下，周期性作用的外加旋转磁场作用过后，总体上磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，使粒子产生了位移。整体上，沿载液流动方向的分力引起磁性粒子在该方向顺时针磁泳运动。不同特性的磁性粒子所受沿载液流动方向的磁场力分力不相同，产生速度差，发生不同的位移而实现分离。磁场力沿分离通道垂直径向的分力周期性作用于磁性粒子，使粒子在分离通道径向发生周期性磁泳运动。无论旋转磁极N极旋转到磁性粒子的左边还是右边，磁性粒子所受周期性磁场力沿分离通道垂直径向的分力主要控制磁性粒子在分离通道的垂直径向发生磁泳。在斜形下线槽三相绕组动态磁泳分离中，对磁性粒子具有张弛作用，这种张弛作用有利于抑制粒子的不可逆吸附和磁化团聚。
在上述基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置的基础上，本发明提出了一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，利用斜形下线槽三相绕组动态磁泳装置分离磁性粒子的方法，即磁场力牵引磁泳分离方法。在斜形下线槽三相绕组旋转磁场作用下，等效旋转磁极经过分离通道中的磁性粒子时，在旋转磁场的磁场力牵引作用下，磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，产生磁泳位移。对于不同特性的磁性粒子，沿载液流动方向所受的磁场力分力不同，产生磁泳速度差，使磁性粒子的磁泳位移不相同。不同特性的磁性粒子在分离通道中的保留时间出现差异，流出分离通道的前后时间不相同，从而实现不同特性磁性粒子的磁泳分离。不同特性的磁性粒子混合样品，在实施例中是磁化率相同、粒径不同的磁性粒子，直径大的磁性粒子受到沿载液流动方向的磁场力分力较大，沿该方向的磁泳速度较大；直径小的磁性粒子受到沿载液流动方向的磁场力分力小，沿该方向的磁泳速度小，产生速度差。直径大的磁性粒子先于直径小的磁性粒子流出分离通道，实现粒子分离。制备磁化率相同、粒径不同的磁性粒子，在斜形下线槽三相绕组旋转磁场动态磁泳分离装置上，调节旋转磁场的频率和磁感应强度、载液流速等参数，使用磁场力牵引分离方法对磁性粒子进行磁场力牵引磁泳分离。利用紫外-可见光检测器(UV/Vis)测试分离效果。
上述实施例中的磁场力牵引分离方法，应用磁泳机理直接实现磁性粒子的磁泳分离。利用斜形下线槽三相绕组旋转磁场对磁性粒子产生磁场力沿载液流动方向的分力，牵引不同特性的磁性粒子磁泳分离。在这种磁场力牵引分离方法中，磁性粒子分离的主要动力直接来自其所受旋转磁场磁场力的分力，磁场力从以前磁场分离方法中磁性粒子分离的辅助者，变成磁性粒子分离的主导者。进而，由于磁场力对磁性粒子粒径的敏感性高于载液推力，有利于粒子分离。因此，本发明提供的基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置和方法能够有效提高磁性粒子的分离效果和分辨率。
下面以一具体示例对本发明中基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离方法进行具体说明。本发明实施例中把三相绕组的下线槽设计成与圆柱形基座轴线成夹角为45°的斜形下线槽，其展开图如图5所示。4极24斜形下线槽中三相绕组单层链式接法展开图如图6所示。在斜形下线槽三相绕组旋转磁场动态磁泳分离装置上，用磁场力牵引分离方法分离不同粒径的磁性粒子。制备不同粒径的核壳式聚苯乙烯磁性粒子，得到磁性粒子直径为5.36μm和3.02μm的混合样品。不同粒径磁性粒子的磁化率相同，具有超顺磁响应性。设置斜形下线槽三相绕组旋转磁场磁泳分离装置工作状态和相关参数。旋转磁场的旋转方向与载液流动方向相同，磁性粒子混合样品的进样量为20μl。调节旋转磁场的频率5Hz，加到斜形下线槽三相绕组的三相电压大小为15V，以去离子水为载液，载液流速0.1ml/min。用紫外-可见光检测器(UV/Vis)测试分离过程，磁性粒子的分离结果如图7所示。直径为5.36μm(峰a)和3.02μm(峰b)的磁性粒子实现了分离。这两种磁化率相同、不同直径的磁性粒子可以在斜形下线槽三相绕组旋转磁场动态磁泳分离装置中良好分离，达到分离分析要求。斜形下线槽三相绕组磁场力牵引磁泳分离方法提高了磁性粒子的分离效果，改善了分离的分辨率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述装置主要包括：
呈中空圆柱形结构的基座；所述基座形成的圆柱形空间中设置有螺旋形的微细管分离通道；所述微细管分离通道注入有不同特性的磁性粒子混合样品和载液；
所述基座中设置有以基座的轴线为对称轴的三相绕组斜形下线槽，所述斜形下线槽与所述基座的轴线之间呈预设夹角，三相绕组置于所述斜形下线槽内；所述三相绕组经三相变压器和变频电路模块与三相或单相交流电源连通，所述三相绕组和所述基座形成的中空结构圆柱形空间内产生旋转磁场；斜形下线槽三相绕组产生的磁场力沿载液流动方向具有分力；载液流动方向磁场分力用于牵引不同特性的磁性粒子磁泳分离；
所述微细管分离通道中的磁性粒子在所述旋转磁场的磁场力牵引作用下，不同特性的磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，产生不同的磁泳位移，实现不同特性的磁性粒子的磁泳分离。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述三相绕组为4级的三相绕组。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述预设夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述基座为硅钢基座。
5.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述三相绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组星形联接。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述基座外壁设有塑料圆柱筒，塑料圆柱筒的外壁设有用于嵌入微细管的螺旋槽；螺旋槽内嵌有微细管形式的分离通道。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述微细管的长度为米级、内径为微米级。
8.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，所述分离通道的输入端通过三通阀分别与进样注射器和输液泵连通；所述分离通道的输出端通过紫外-可见光检测器与废液收集瓶连通。
9.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，其特征在于，载液为去离子水。
10.一种基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1～9任一项所述的基于旋转磁场的磁性粒子动态磁泳分离装置，所述方法包括：
制备不同特性的磁性粒子混合样品；
通过进样注射器注入所述混合样品；
经输液泵泵入的载液从分离通道的输入端进入所述分离通道；
将所述斜形下线槽三相绕组接通三相正弦交流电流，所述三相绕组和所述基座形成的中空结构圆柱形空间内产生旋转磁场；
通过所述变频电路模块和所述三相变压器调节加到所述三相绕组上的三相交流电压频率与大小，控制所述旋转磁场作用的频率以及所述分离通道中的磁感应强度大小，以使得磁性粒子在所述旋转磁场的磁场力沿载液流动方向的分力牵引作用下，不同特性的磁性粒子沿载液流动方向发生磁泳运动，产生不同的磁泳位移，实现不同特性的磁性粒子的磁泳分离。
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