DE10065148B4 - Magnetische Greif-Halte-Anordnung - Google Patents
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Abstract
Magnetische Greif-Halte-Anordnung für das Übertragen von auf einem ersten Träger (10) in einer Matrix angeordneten magnetischen Objekten (16), insbesondere von Partikeln, die chemische Proben tragen, zu einem zweiten Träger (11), wobei die magnetischen Objekte (16) durch in beiden Trägern (10, 11) fest angeordnete Haltemagnete (19, 20, 28) gehalten werden, die sich auf den den magnetischen Objekten (16) abgewandten Seiten der Träger (10, 11) befinden, und wobei die magnetischen Objekte (16) ohne Veränderung ihrer matrixbedingten Zuordnung durch eine bezüglich der Matrix partiell durch einen Greifmagneten (21, 30) erzeugte greifende Magnetkraft in eine neue Lage bewegbar sind, wobei die durch die Haltemagnete (19, 20, 28) erzeugte Magnetkraft kleiner ist als die durch den Greifmagneten (21, 30) erzeugte Magnetkraft, wobei die Haltemagnete (19, 20, 28) in der Matrixebene Querschnitte aufweisen, deren Abmessungen (a, b) von gleicher Größenordnung wie oder kleiner als die Abmessungen der Querschnitte der magnetischen Objekte (16) sind, wobei jedem magnetischen Objekt (16) nur ein Haltemagnet (19, 20, 58) zugeordnet ist und wobei die greifende Magnetkraft mit Hilfe eines linienförmigen, parallel zu den Trägern (10, 11) bewegbaren Greifmagneten (21, 30) parallel zu den Trägern (10, 11) gerichtet und dem Träger (10, 11) zugewandt ist, in den die magnetischen Objekte (16) zu übertragen sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine magnetische Greif-Halte-Anordnung für das Übertragen von auf einem ersten Träger in einer Matrix angeordneten magnetischen Objekten zu einem zweiten Träger. Bei den magnetischen Objekten handelt es sich insbesondere um ferromagnetische oder magnetisierbare Partikel, die über sehr große Flächen matrixförmig angeordnet sind und die als Träger chemischer und biologischer Proben dienen. Bevorzugte Anwendungsgebiete für eine derartige Greif-Halte-Anordnung sind chemische Synthesen mit hoher Probenzahl, biologisches Screening und die Analytik. Die Greif-Halte-Anordnung kann mit Elektro- oder Permanentmagneten ausgerüstet sein.
- Die verschiedenen Ausführungen bekannter Greifvorrichtungen für matrixförmig angeordnete Objekte weisen eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich der minimal handhabbaren Größe der Objekte, des minimalen Objektabstandes und der maximalen gleichzeitig greifbaren Objektanzahl auf. Es ist eine häufig technisch zu lösendes Problem, Objekte, die sich in einer matrixartigen Anordnung befinden, aufzunehmen und ohne Änderung der relativen Lage zu bewegen. Bekanntlich wird dieses Problem durch mechanische, magnetische oder vakuumtechnische Einzelgreifer gelöst, die die Objekte nacheinander aufnehmen, oder durch eine Vielzahl derartiger Einzelgreifer, die entsprechend der Objektmatrix angeordnet sind und einzeln oder gemeinsam angesteuert werden, siehe bspw.
WO 99/40444 A1 US 4292920 . Bei sehr kleinen ferromagnetischen Objekten, wie sie als Trägerpartikel für Substanzen in der chemischen Analyse und Synthese genutzt werden, mit sehr kleinem Abstand in der Matrix (typisch < 1 mm) und sehr großer Objektamahl ist das Greifen mit Einzelgreifern nicht mehr möglich bzw. nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll. Werden übliche Lasthebemagnetsysteme mit großer magnetischer Polfläche eingesetzt, können die Partikel zwar aufgenommen und transportiert werden, durch die räumliche Wirkung des Magnetfeldes wird aber die relative Lage der Partikel zueinander zerstört. Dies ist schädlich, wenn eine direkte Zuordnung von Proben zu einzelnen Objekten in der Matrix erforderlich ist. - Aus der
US 5602042 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum magnetischen Trennen biologischer Partikel aus einem Gemisch bekannt, bei denen durch Anlegen eines steuerbaren Magnetfeldes magnetische Partikel gegen einen Objektträger gezogen (gegriffen) und dort gehalten werden. das Magnetfeld wird durch eine magnetische Platte erzeugt, auf der sich in Richtung des Objektträgers zusätzlich Magnetsäulen befinden, deren Magnetkräfte ebenfalls, und zwar getrennt steuerbar sind. Vom genannten Objektträger können die magnetischen Partikel auf einen weiteren, analog gestalteten, eine gleiche Magnetanordnung aufweisenden Objektträger übertragen werden. Die Magnetkräfte des weiteren Objektträgers sind so groß, dass sie die magnetischen Partikel vom ersten Objektträger greifen und am weiteren Objektträger halten. Mit dem Gegenstand derUS 560204 ist zwar die Herauslösung der magnetischen Partikel aus einem Gemisch möglich, jedoch ist mit ihm die Schaffung einer matrixförmigen Partikelanordnng und deren Einhaltung bei der Übertragung von einem Objektträger auf einen anderen auf Grund der Gestaltung der Objektträger und der Überlagerung der unterschiedlichen Magnetfelder nicht möglich. Insbesondere wenn die nebeneinander angeordneten magnetischen Partikel unterchiedlichen Behandlungen, Behandlungsmethoden bzw. Behandlungszyklen unterworfen werden sollen oder unterworfen worden sind und in den verschiedenen Behandlungsstadien Auskunft über das Behandlungsergebnis abgefragt werden soll, ist der Gegenstand derUS 5602042 nicht anwendbar. - Zur Vermeidung der negativen Einflüsse auf die direkte Zuordnung der Proben zu den einzelnen Objekten in der Matrix bei gleichzeitiger, paralleler Aufbringung der Kraftwirkung auf die gesamte Matrixfläche ist in der
WO 00/42439 A1 - Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Aufnehmen, Halten und Übertragen der magnetischen bzw. magnetisierten Objekte auch bei großflächigen Anordnungen ohne Veränderung der Matrix zu gewährleisten, störende Magnetfeldüberlagerungen zu vermeiden und die Übertragung der Objekte hinreichend schnell zu ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird durch eine magnetische Greif-Halte-Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Es findet also nicht nur eine Funktionstrennung in ein jedem einzelnen Objekten zugeordnetes haltendes Magnetfeld und ein partiell greifendes Magnetfeld statt. Das zum Aufnehmen oder Greifen erforderliche starke Magnetfeld (hohe Feldstärke und hoher Feldstärkegadient) erstreckt sich über mindestens zwei magnetische Objekte, es wird vorzugsweise nur auf einer Linie erzeugt. Dadurch entfällt die globale Überlagerung der Magnetfelder in einer Raumkoordinate. Die in einer Linie angeordneten Einzelmagnete oder der als Magnetstab ausgebildete Linienmagnet (Scanmagnet) hat die Länge einer Matrixkante und wird senkrecht zu dieser Kante über die Matrix bewegt. Die jeweils unterhalb des Magnetstabs befindlichen Partikel werden aufgenommen.
- Um die magnetischen Objekte nach dem Greifen entgegen der Schwerkraft in ihrer neuen Position zu halten, wird eine aus einer Vielzahl von Mikromagneten von der Dimension der Partikel bestehende Funktionsgruppe benötigt, deren Magnete in der Transferplatte korrespondierend zu den Kammern der Partikel angeordnet sind (Fixiermagnetmatrix). Die geometrischen Dimensionen der Mikromagnete sind gleich oder kleiner als die geometrischen Abmessungen der Objekte parallel zu den Polflächen der Mikromagnete. Ihre Feldstärken sind so dimensioniert, daß ihre Kraftwirkungen auf die unmittelbar anliegenden Partikel ausreicht, diese gegen die Schwerkraft zu halten. Durch den in Relation zur Magnetgöße großen Abstand zu benachbarten Magneten ist eine störende Feldüberlagerung praktisch nicht vorhanden. Nach dem Vorbeigleiten des Greifmagneten verbleiben die ferromagnetischen oder magnetisierten Objekte unabhängig von einer Bewegung der Transferplatte in ihren Positionen.
- Die Greifmagnete sind als Permanentmagnete und/oder Elektromagnete derart strukturiert und/oder angeordnet, daß ein starkes, partiell wirkendes Greiffeld entsprechend der Fläche einer Untermatrix entsteht, das vorzugsweise mit einer Zeile der magnetischen Partikel korrespondiert. Diese magnetische Greifanordnung wird senkrecht und/oder waagerecht zur Zeilenrichtung derart über die matrixförmig angeordneten magnetischen Partikel bewegt, daß bei der Relativbewegung von Trägerplatte(n) und Greifanordnung die gesamte Matrixfläche überstrichen wird.
- Um die magnetischen Partikel auch in der unteren Trägerplatte zu fixieren und eine eigenständige Bewegung durch die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Magneten zu vermeiden, erhält auch die untere Trägerplatte eine Fixiermagnetmatrix. Zum Ablegen befindet sich unterhalb der unteren Trägerplatte ein weiterer Greifmagnet.
- Die Greifmagnete haben parallel zur Richtung der Relativbewegung zu den Trägerplatten (Trägern) vorzugsweise trapezförmige Querschnitte und sind mit ihren Schmalseiten (Polflächen) den Trägern zugekehrt. Sie können aus gefügten Schichten oder massiv sein, aus einem Stück bestehen.
- Die Träger können ebene oder gekrümmte Platten sein, von denen jede an ihrer dem zugehörigen Greifmagnet abgewandten Fläche mit einem dem definierten Halten der Objekte dienlichen Profil versehen ist. Dieses Profil kann durch Ausnehmungen gebildet werden, wobei zwischen den Trägern, insbesondere den Ausnehmungswänden, und den Objekten haltende Oberflächenkräfte (Adhäsionskräfte) bestehen können.
- Die Form der magnetischen Partikel oder Objekte ist grundsätzlich nicht festgelegt. Insbesondere sind sie von kugelsymmetrischer, radialsymmetrischer oder polyedrischer Form. Sie weisen einen Kern mit induzierbaren magnetischen Eigenschaften auf, der aus einem homogenen magnetisierbaren Material oder aus einem Kompound besteht, sowie eine funktionelle Oberfläche, an welche Substanzen durch Adsorption, Quellung, ionische oder chemische Wechselwirkungen temporär oder permanent angebunden werden können. Der Kern ist so, gestaltet, daß entweder eine permanente Magnetisierung vorliegt oder eine sehr hohe Magnetisierung in einem temporären äußeren Magnetfeld erfolgt und nach Entfernung des Magnetfeldes nur eine geringfügige Magnetisierung verbleibt. Die besonderen magnetischen Eigenschaften der Partikel ermöglichen die Translation eines einzelnen Partikels bei gleichzeitiger Überwindung der Rückhaltekräfte, welche das Partikel an einer bestimmten Position oder einem lokal begrenzten Kompartiment ausschließlich unter Verwendung eines äußeren Magnetfeldes fixieren, ohne dabei einen mittelbaren oder unmittelbaren Kontakt zur Quelle des Magnetfeldes zu fordern. Die Partikel können insbesondere bei Sortier- und Reorganisationsoperationen in Archivierungs- und Bibliotheksystemen bei der Herstellung und Analyse von an Festphasenträgern immobilisierten Molekülbibliotheken sowie Bibliotheken biologischer oder physikalischer Bibliotheken Verwendung finden. Bei der Herstellung der magnetischen Partikel wird der Kern vorzugsweise nach dem Brace-Verfahren hergestellt, gesintert und magnetisiert und die funktionelle Beschichtung durch radikalische Polymerisation von mindestens einem wasserlöslichen Monomer auf der Oberfläche der magnetischen Partikel in einer Suspension mit einem organischen Lösungsmittel vorgenommen.
- In den Fällen, in denen das magnetische Haften ausgeschlossen oder toleriert werden kann, wird die Verwendung permanentmagnetischer Partikel bevorzugt.
- Die magnetische Greif-Halte-Vorrichtung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung zweier perspektivisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 die Greif-Halte-Anordnung mit einem oberhalb angeordneten Greifmagneten und -
2 die Greif-Halte-Anordnung mit einem unterhalb angeordneten Greifmagneten. - Zwei ebene Träge
10 ,11 (eine obere und eine untere) sind in1 an ihren einander zugewandten Flächen12 ,13 mit Ausnehmungen14 ,15 für magnetische oder magnetisierbare kugelförmige Partikel16 versehen. Die Ausnehmungen14 ,15 jedes Trägers10 ,11 bilden ein gleichmäßiges Raster, in dem die Partikel16 angeordnet sind. An ihren voneinander abgewandten Flächen17 ,18 sind die den magnetischen Fluß nicht wesentlich beeinflussenden Träger10 ,11 jeweils mit einer Matrix von permanenten Haltemagneten19 ,20 versehen, deren magnetische Kraft (ggf. im Zusammenwirken mit Oberflächenkräften) ausreicht, um die Partikel16 entgegen der Schwerkraft in den Ausnehmungen15 der jeweils oberen Platte11 zu halten. Die Längen- und Breitenabmessungen a und b der Haltemagnete19 ,20 sind zum Erreichen einer definierten und reproduzierbaren Lage der Partikel16 in den Ausnehmungen14 ,15 und damit zur Bildung einer unveränderlichen Partikelmatrix nicht größer als der Durchmesser d der Partikel16 . Allgemein lässt sich sagen, daß jedes haltende Magnetfeld in der Matrixebene einen Querschnitt aufweist, dessen Abmessungen nicht größer sind als die Abmessungen des magnetischen Objektes16 bzw. seiner Projektion in der Matrixebene. - Jedes der zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff bestehenden Partikel
16 weist einen radialsymmetrischen, kugelsymmetrischen oder polyedrischen Kern und eine funktionelle Hülle auf. Die Abmessung der Partikel soll in mindestens einer Raumkoordinate > 50 μm sein. Kugelsymmetrische Partikel können einen Durchmesser von 100 μm bis 1 mm haben. Bei radialsymmetrischen Partikeln kann der Durchmesser 50 μm betragen und soll das Verhältnis der maximalen Abmessung zum Durchmesser den Faktor 1000 nicht übersteigen. Sind die Partikel polyedrisch ausgebildet, so soll das Verhältnis der größten zur kleinsten Abmessung nicht größer als 10 sein. Die funktionelle Hülle kann den Kern auch nur teilweise umgeben und besteht vorzugsweise aus mindestens einem mikroporösen Werkstoff. - Über dem oberen Träger
11 befindet sich in einem geringen Abstand h ein trapezförmiger Magnetstab21 , der parallel zu einer Zeile22 und zu einer Matrixkante23 gerichtet ist und dessen Schmalfläche24 die wirksame Polfläche ist. Der Magnetstab21 ist rechtwinklig zur Matrixkante23 und parallel zur Fläche18 des Trägers11 in Richtung des Pfeiles25 bewegbar. Dabei zieht der Greifmagnet21 zeilenweise die Partikel16 aus den Ausnehmungen14 in Richtung von Pfeile26 nach oben in die Ausnehmungen15 des Trägers11 , in denen sie exakt die gleiche matrixförmige Anordnung haben wie in den Ausnehmungen14 des Trägers10 , weil beide Träger gleich ausgebildet und angeordnet sind. Der Träger11 dient im vorliegenden Fall als Transferplatte. - In
2 befindet sich die Transferplatte11 über einem völlig gleich gestalteten und angeordneten Testträger32 mit matrixförmig angeordneten Ausnehmungen27 und Haltemagneten28 . Ein trapezförmiger Greifmagnet30 , der mit dem Greifmagneten21 im wesentlichen übereinstimmt, befindet sich mit seiner schmalen Polfläche31 in einem Abstand h unterhalb der Testplatte32 und bewegt sich ausgehend von einer Matrixkante35 rechtwinklig zu dieser und parallel zur die Haltemagneten28 enthaltenden Unterfläche des Trägers32 in Richtung eines Pfeiles33 . Dabei werden die Partikel16 entgegen den Wirkungen der Haltemagneten20 und von evtl. Adhäsionskräften zeilenweise in Richtung von Pfeilen34 aus den Ausnehmungen15 in die Ausnehmungen27 gezogen und dort in unveränderter gegenseitiger Lage durch die Magnete28 gehalten. - In den vorstehenden Ausführungsbeispielen gelten folgende Parameter:
- – Das Material der Partikel ist Bariumferrit.
- – Die Dichte eines Partikels beträgt 5 g/cm3.
- – Der Partikeldurchmesser d = 300 μm.
- – Die Gewichtskraft eines Partikels liegt bei 0,7 μN.
- – Es hat eine Oberflächenkraft von ca. 140 μN beim Durchstoßen der Phasengrenze.
- – Es hat einen Anteil > 50 Masse% an Magnetmaterial.
- – Besteht das Partikel aus ferromagnetischem Material, so hat es eine effektive Permeabilität von 10–100; eine Sättigungsfeldstärke > 500 kA/m, eine Koerzitivfeldstärke Hc << 2 kA/m und eine remanente Magnetisierung MR << 2 kA/m (Verhinderung des magnetischen Klebens).
- – Besteht das Partikel aus permanentmagnetischem Material, so ist seine effektive Remanenzinduktion > 0,2 T und seine Koerzitivfeldstärke > 100 kA/m.
- – Der
Magnetstab
21 bzw.30 hat eine Polbreite von 1 mm, einen Keilwinkel von 60° und eine Höhe von 10 mm. - – Der
Abstand zweier benachbarter Haltemagnete
19 bzw.28 bzw.29 beträgt 1,125 mm oder ein Vielfaches davon. - – Die Matrix (Trägerplatte) kann 8·12 cm groß und in Teilbereiche unterteilt sein.
- Es versteht sich von selbst, daß die angegebenen Parameter nur Werte eines Ausführungsbeispiels sind, die in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung und den sonstigen Erfordernissen erheblich variieren können. Ebenso ist die Erfindung nicht an die angegebene Kugelform der Partikel, an die ebene Form der Träger, an das angegebene Profil der die Partikel tragenden Trägerflächen, an die spezielle Quaderform der Haltemagnete und an die beschriebene prismatische Form des Greifmagneten gebunden. So können die Partikel auch eine polyedrische oder völlig unregelmäßige Form haben. Ihr vorzugsweise rotationssymmetrischer oder polyedrischer Kern soll sich durch eine sehr gute Magnetisierbarkeit in äußeren Magnetfeldern und eine sehr kleine verbleibende Magnetisierung nach dem Entfernen der äußeren Magnetfelder auszeichnen. Sie sollen eine funktionelle Hülle aufweisen, an welche Substanzen durch Adsorption, Quellung bzw. mittels ionischer oder chemischer Wechselwirkung temporär oder permanent angebunden werden können. Die Träger können in einer oder in zwei Dimensionen gewölbt sein. Ihre Oberfläche kann für jedes Partikel mit einer leichten Vertiefung versehen oder eben gestaltet sein. Die Haltemagnete können bspw. auch die Form von flachen Zylindern haben. Die Greifmagnete können einen rechteckigen Querschnitt aufweisen oder aus in einer Reihe parallel zu einer Matrixkante angeordneten Einzelmagneten bestehen. Unter Beachtung der Forderung, daß sich die räumliche Überlagerung der Magnetkräfte möglichst wenig auf die matrixförmige Anordnung der Partikel auswirken soll, kann der Greifmagnetanordnung auch eine von einer Geraden abweichende Gestalt gegeben werden, wenn nur beachtet wird, daß die Greifmagnetanordnung sich im statischen Zustand nur über einem Teil der Matrix befindet. Entsprechend der Anzahl der Teilbereiche einer Trägerplatte (Titerplatte) kann eine Anzahl von linienförmigen Greifmagneten vorgesehen sein. Auch kann der Magnetstab rechtwinklig zu seiner Länge unterteilt sein.
Claims (9)
- Magnetische Greif-Halte-Anordnung für das Übertragen von auf einem ersten Träger (
10 ) in einer Matrix angeordneten magnetischen Objekten (16 ), insbesondere von Partikeln, die chemische Proben tragen, zu einem zweiten Träger (11 ), wobei die magnetischen Objekte (16 ) durch in beiden Trägern (10 ,11 ) fest angeordnete Haltemagnete (19 ,20 ,28 ) gehalten werden, die sich auf den den magnetischen Objekten (16 ) abgewandten Seiten der Träger (10 ,11 ) befinden, und wobei die magnetischen Objekte (16 ) ohne Veränderung ihrer matrixbedingten Zuordnung durch eine bezüglich der Matrix partiell durch einen Greifmagneten (21 ,30 ) erzeugte greifende Magnetkraft in eine neue Lage bewegbar sind, wobei die durch die Haltemagnete (19 ,20 ,28 ) erzeugte Magnetkraft kleiner ist als die durch den Greifmagneten (21 ,30 ) erzeugte Magnetkraft, wobei die Haltemagnete (19 ,20 ,28 ) in der Matrixebene Querschnitte aufweisen, deren Abmessungen (a, b) von gleicher Größenordnung wie oder kleiner als die Abmessungen der Querschnitte der magnetischen Objekte (16 ) sind, wobei jedem magnetischen Objekt (16 ) nur ein Haltemagnet (19 ,20 ,58 ) zugeordnet ist und wobei die greifende Magnetkraft mit Hilfe eines linienförmigen, parallel zu den Trägern (10 ,11 ) bewegbaren Greifmagneten (21 ,30 ) parallel zu den Trägern (10 ,11 ) gerichtet und dem Träger (10 ,11 ) zugewandt ist, in den die magnetischen Objekte (16 ) zu übertragen sind. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Polflächen (
24 ,31 ) des linienförmigen Greifmagneten (21 ,30 ) parallel zu einer der mindestens in einer Richtung verlaufenden Zeilen (22 ) der Matrix gerichtet ist. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der linienförmige Greifmagnet (
21 ,30 ) sich über mindestens zwei magnetische Objekte (16 ) der Matrix erstreckt. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Träger (
10 ,11 ) auf der Gegenfläche (12 ,13 ) zu den Haltemagneten (19 ,20 ,28 ) Ausnehmungen (14 ,15 ,27 ) für die magnetischen Objekte (16 ) aufweisen. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Träger (
10 ,11 ) eben gestaltet sind. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Träger (
10 ,11 ) gekrümmt sind. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der linienförmige Greifmagnet (
21 ,30 ) rechtwinklig zu seiner Längsrichtung unterteilt ist. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Breite der Polfläche (
24 ,31 ) des linienförmigen Greifmagneten (21 ,30 ) in der Größenordnung des Abstandes zweier benachbarter magnetischer Objekte (16 ) in der Matrix ist. - Magnetische Greif-Halte-Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei der Greifmagnet (
21 ,30 ) als Prisma mit trapezförmigem Querschnitt gestaltet und seine schmalste Fläche die der Matrix benachbarte Polfläche (24 ,31 ) ist.
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