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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Sortierung von Nanopartikeln gemäß der Gattung der Patentansprüche, insbesondere zum 2D-Abtrennen von Nanopartikeln.
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Vor der weiteren Verarbeitung von diversen Partikeln ist oft die Aussortierung mangelhafter Partikel und Fremdkörper zur Gewährleistung eines hohen Qualitätsstandards erforderlich, wobei sich die einzelnen Mängel in veränderten Eigenschaften der Partikel ausdrücken. Zu nennen sind hierbei die Größe, die Form, die Ladung, die Struktur der Oberfläche und dessen Strahlungsremission, die spezifische Dichte sowie die chemische Zusammensetzung. Die Aussortierung stützt sich meist auf einen oder mehrere Prüfprozesse, wobei zumindest einzelne dieser Merkmale erfasst werden müssen bzw. zum Abtrennen genutzt werden. In Abhängigkeit von den genutzten Abtrenn- oder Prüfverfahren und der verwendeten Gerätetechnik erfolgt die Klassifikation und Ausschleusung direkt oder indirekt über den Umweg einer elektronischen Datenverarbeitung.
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Zu der seit Jahren etablierten Gerätetechnik zählen Prüf- und Sortiersysteme, welche überwiegend mechanische Wirkprinzipien nutzen. Im Vordergrund stehen dabei Anlagen mit kaskadierten Sieben oder Zellenauslesern (Trieure), deren unterschiedliche Loch- bzw. Näpfchengeometrien eine Trennung von Partikeln nach Größe und Form ermöglichen.
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Eingeführt ist auch die Sortierung nach der spezifischen Dichte von Schüttgutpartikeln. Als Gerätegruppen sind so genannte Windsichter und Vibrationstische bekannt, welche sich ebenfalls mechanischer Wirkprinzipien bedienen.
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Bei der Windsichtung wird das Schüttgut in ein strömendes, meist gasförmiges Medium (z.B. Luft) eingeleitet. Bei den bekannten technischen Lösungen erfolgt dabei die Strömung entgegen der vorliegenden Schüttgut-Trajektorie, insbesondere auch entgegen der auf das Schüttgut wirkenden Schwerkraft.
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WO 9322074 A1 beschreibt einen Windsichter mit trichterförmigem Querschnitt, welcher von unten nach oben durchströmt wird. Das Schüttgut wird seitlich zugeführt und entnommen. Die Trichterform bewirkt eine nach oben abnehmende Luftströmung, wodurch eine zum Verhältnis von Strömungswiderstand und Masse proportionale Schichtung der Partikel (Schwebezustand) im Windsichter erreicht wird. Durch Entnahme in verschiedenen Höhen erfolgt die Sortierung.
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Neben der Kompensation der Schwerkraft bzw. Verringerung der Fallgeschwindigkeit kann ein strömendes Medium gemäß eines anderen technischen Lösungsansatzes auch zur Beschleunigung der Partikel genutzt werden.
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In
DE 102 47 747 A1 wird zur Sortierung von Tabletten eine Vorrichtung beschrieben, bei der nach definiert ausgerichteter Positionierung vor einer Ausblasdüse mit konstanter Strömung eine Beschleunigung erreicht wird, welche bei Objekten mit gleicher Anströmfläche aber unterschiedlicher Masse zu Trajektorien mit masseabhängigen Auswurfweiten führt. Durch Aufsammeln der Objekte in unterschiedlichen Distanzen ist die Sortierung nach der Masse möglich. Der Nachteil dieser technischen Lösung ist jedoch, dass die Sortierschärfe auf größere Masseunterschiede begrenzt bleibt.
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Bei Vibrationstischen wird die räumliche Trennung des Schüttguts neben einer schichtenden Luftströmung vor allem durch die Schwingbewegungen des Tisches sowie eine Längs- und Querneigung der Auflage erreicht. Nach der seitlichen Zuführung des Schüttgutes bewirkt diese Anordnung eine Partikelbewegung über den Tisch, wobei eine dichteabhängige Fraktionierung erfolgt. Durch separate Abläufe am Ende des Tisches werden die Fraktionen entnommen. Schwere Beimengungen werden dabei zu den höher gelegenen Abläufen, die leichten Beimengungen zu den tiefer gelegenen Abläufen transportiert.
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Mit weiteren Prüfsystemen, welche Inspektionszellen mit vornehmlich optischen Sensoren zur Erfassung von Korneigenschaften nutzen, bestehen zusätzliche Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung und zur Komplettierung einer Sortier- und Reinigungslinie. Es sind Geräte bekannt, welche in Kombination mit einer elektronischen Datenverarbeitung, insbesondere Bildverarbeitung, über Größe und Form der Körner hinausgehende Merkmale bestimmen. Hierzu zählen sowohl integrale Maße zur Oberflächenremission und Korntransmission in verschiedenen Wellenlängen (multispektral, Farbe) als auch lokal aufgelöste Daten, welche die Oberflächentextur sowie örtliche (laterale) Verteilung von Remission und Transmission beschreiben. Eine anschließende, auf den bestimmten Merkmalen basierte Klassifikation dient der Entscheidungsfindung, welcher Klasse ein aktuell analysiertes Korn zuzuordnen ist. Für den eigentlichen Sortiervorgang, der klassenbezogenen Auftrennung des Schüttgutstroms, werden mechanische bzw. strömungsdynamische Mittel genutzt, welche eine in hohem Maße trennscharfe Ausschleusung adressierter Körner gestatten. Für Sortier- und Reinigungslinien mit hohem Durchsatz sind Prüfsysteme etabliert, welche Schüttgutpartikel im freien Fall optisch erfassen, klassifizieren und in zwei Fraktionen (gut/schlecht) sortieren. Der Grundaufbau der Inspektionszelle ist bei allen bekannten Ausformungen ähnlich. Die Zelle besteht aus einer Sensorik (Einzelsensoren, Zeilen- oder Matrixkameras) mit einem oder mehreren Kanälen, einem dazu passenden Beleuchtungssystem sowie einer geeigneten Hintergrundgestaltung. In der Bahnkurve des Schüttguts unterhalb der Inspektionsposition befinden sich schließlich Mittel zum adressierten Auslenken von Partikeln in eine separate Box bzw. einen abgetrennten Schüttgutstrom. Meistens handelt es sich dabei um eine Reihe oder eine Matrix von Druckluftdüsen. Die Ausgestaltung der einzelnen Komponenten ist je nach Aufgabenstellung und Entwicklungsgrad sehr unterschiedlich.
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Für die Inspektion von Partikeln werden vorzugsweise Anordnungen zur zweiseitige Datenerfassung gewählt, wobei die Inspektionsanordnungen sich jeweils gegenüberliegen und die Datenaufnahme an derselben Position in der Bahnkurve des Schüttgutes vorgenommen wird (z.B.
EP 1 314 489 B1 ). Die Anordnungen sind meistens symmetrisch ausgeführt, um gleichwertige Oberflächendaten der „Vorderseite“ und „Rückseite“ eines Partikels zu erhalten. Bei bestimmten Ausformungen wird nur eine Seite mit zusätzlicher Gerätetechnik ausgerüstet. Beispiele hierfür sind die Verwendung einer NIR-Sensorik für die Detektion von Fremdkörpern (siehe dazu
JP 2008 302 314 A ), die Inspektion im Durchlicht zur Erkennung von Rissen in Reiskörnern (
US 2007 262 002 A1 ) oder die Inspektion im Durchlicht zur Erkennung von vorgekeimten Getreidekörnern (
EP 1 285 701 B1 ).
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Eine einseitige Ausrüstung der Inspektionszelle (Bildaufnahme von lediglich einer Seite) kann auch zur Kostenreduktion erfolgen. Um infolgedessen die Zunahme von Fehlentscheidungen zu vermeiden wurde beispielsweise in
JP 2007 021 381 A eine zweistufige Inspektion unter Nutzung einer gemeinsamen Zeilenkamera (parallele Freifallstrecken) vorgeschlagen.
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Bei der Inspektion einzelner Partikel erstreckt sich das genutzte Strahlungsspektrum vom NIR- über VIS- bis in den nahen UV-Bereich. Darüber hinaus existieren Systeme mit erweitertem Strahlungsspektrum, welche Kornproben (meist keine Einzelpartikel) online analysieren. Typisch ist hierbei die Inspektion im NIR, um beispielsweise Feuchtigkeits- und Proteingehalt von Körnern zu bestimmen (dazu bspw.
WO 2009/063023 A , Spektrum von 200-2000 nm, Analyse an optisch dichter Kornschicht).
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Andere Systeme erfassen Floreszenzen (zur Bestimmung der Stoffzusammensetzung / Dichte spezifischer Elemente) bei Anregung mit UV-Strahlung oder sogar Röntgenstrahlung (dazu bspw.
WO 2008/056 465 A , mit mechanischer Vorbereitung und Befeuchtung des Kornstromes). Die Sortiersysteme zeichnen sich mitunter durch eine hohe spektrale Auflösung auf. Es lassen sich durchschnittliche Bewertungen für eine Charge von Partikeln vornehmen, die Fähigkeit zur Analyse und Aussortierung einzelner Partikel besteht jedoch nicht.
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Ältere bekannte technische Lösungen verwenden Systeme mit Einzelsensoren oder Sensorreihen, welche für sich eine integrale Messung in kleinflächigen Messfeldern ermöglichen. In Kombination mit einer geeigneten Beleuchtung konnten damit Remissions- und Transmissionswerte von einzelnen Partikeln ohne höhere örtliche Auflösung gewonnen werden.
Durch Nutzung von optischen Filtern wurden in einem nächsten Schritt mehrere Einzelsensoren (auch mehrkanalige Sensoren, Farbsensoren) zur Erfassung unterschiedlicher Spektralbereiche verwendet. Diese vektoriellen Remissions- und Transmissionsdaten erhöhen bereits erheblich die Diskriminanz zwischen verschiedenen Qualitätsklassen, wobei die ortsunaufgelöste Datenerfassung jedoch bestehen bleibt. Aus den Offenlegungen sind Systeme mit Nutzung von zwei Spektralbändern aus dem VIS-Bereich (z.B. Rot und Grün, aber auch VIS und NIR) bis vier Kanälen (z.B. RGB + NIR) bekannt.
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Zahlreiche Mängel, insbesondere lokale Oberflächendefekte, oder sehr kleine Partikel bis in den Nanometerbereich lassen sich jedoch nur bei erhöhter Ortsauflösung erfassen. Aktuelle Sortiersysteme nutzten hierfür leistungsfähige und kompakt integrierbare Kameramodule, insbesondere CCD-/CMOS- Zeilen oder Matrizen. Für den prinzipiellen Aufbau eines Freifallsortierers mit parallelen Rutschen sind Zeilenkameras prädestiniert. Durch die Eigenbewegung der Partikel ist die zweidimensionale Aufzeichnung an einer Position der Bahnkurve möglich. Im Vergleich mit Matrixsensoren sind hinsichtlich Beleuchtung, Optik und Hintergrundgestaltung wesentlich kompaktere Anordnungen realisierbar.
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Bei der Ausformung der Sensorzeile besteht eine Palette technologischer Möglichkeiten, welche sich in der Vielzahl von Offenbarungen widerspiegelt (dazu bspw.
JP 2010 042 326 A ,
EP 0 873 796 B).
Hierzu zählen auch die einzeiligen Sensoren mit alternierendem Pixelfilter, die mehrzeiligen, parallel nebeneinander angeordneten Sensoren (z.B. 3 Zeilen) mit jeweils unterschiedlichem Filter, Zeilen mit vorheriger Strahlteilung (dichroitische Spiegel oder Prismen) sowie verschiedene Kombinationen aus diesen Varianten.
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Beleuchtung und Hintergrundgestaltung korrespondieren mit der verwendeten Sensorik (spektrale Empfindlichkeit, Objektfeldgeometrie), mit den optischen Eigenschaften des Schüttgutes (Remissionsverhalten, Transmissionseigenschaften) sowie mit der konkreten Inspektionsaufgabe / Zielstellung der Datenerfassung (spektrale Remissionsunterschiede der Oberfläche, Rissdetektion, Fremdkörpererkennung etc.).
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Aus der
DE 102 47 747 A1 ist bekannt, dass eine Vorrichtung zum Sortieren von Produkten (wie Tabletten, Kapseln, Dragees oder dergleichen) mit einer Fördereinrichtung zum Fördern der Produkte von einer Zuführstation zu mindestens zwei Sammelgefäßen versehen ist, wobei die Fördereinrichtung eine Transporteinheit und eine Ausrichteeinheit zum Ausrichten der Produkte und eine oberhalb der Transporteinheit angeordnete Blasdüse mit einem Gasstrom konstanter Stärke und Richtung zum masseselektiven Trennen und Überführen der ausgerichteten Produkte aufweist, so dass diese räumlich von der Ausrichteeinheit getrennten Produkte in mindestens zwei Sammelgefäße befördert werden.
Bei dieser Vorrichtung wird der technische Effekt ausgenutzt, dass bei konstantem Querschnitt die Beschleunigung der Produkte infolge des auf diese von der Blasdüse erzeugten Blasstromes von der Masse abhängt, so dass das von der Blasdüse bewirkte Fördern der Produkte abhängig von deren Masse ist, dass also Produkte unterschiedlicher Masse unterschiedlich weit gefördert werden. Dieser Effekt wird ausgenutzt, um die Produkte nach dem Sortierkriterium auf die zwei Sammelgefäße zu verteilen.
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Um gemäß
DE 102 47 747 A1 sicherzustellen, dass der volle Querschnitt der Produkte dem von der Blasdüse erzeugten Gasstrom ausgesetzt ist und keine gegenseitige Abschattung erfolgt, ist vorgesehen, dass die Ausrichteinheit Mittel zum Vereinzeln der Produkte aufweist, wobei in besonders einfacher Form die Mittel zum Vereinzeln der Produkte durch zwei Förderer gebildet sind, von denen der stromab gelegene Förderer schneller als der andere fördert. Bevorzugt ist die Realisierung der Förderer durch Schwingförderer.
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Die Ausrichtung der Produkte lässt sich gemäß
DE 102 47 747 A1 in besonders einfacher Weise dadurch erzielen, dass die Ausrichteinheit eine Nut aufweist, durch die die willkürlich auf einer Ebene orientierten Produkte in die gewünschte Richtung gedreht und damit ausgerichtet werden.
Um eine gute Effizienz des von der Blasdüse erzeugten Gasstromes bei ausreichendem verbleibenden Querschnitt zum Passieren der Produkte unterhalb der Blasdüse zu erzielen, ist die Vorrichtung gemäß
DE 102 47 747 A1 so gestaltet, dass die Blasdüse einen Winkel von 5-55°, vorzugsweise 30° mit der Förderrichtung einschließt.
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DE 197 36 567 A1 offenbart eine Einrichtung zu einer merkmalsbezogenen Sortierung von beliebigen stückigen Produkten und ein Verfahren zu deren Betrieb, welche eine sehr schnelle, zumindest dreikanalige Fraktionierung eines Produktstroms bei gleichzeitig schonender Produktbehandlung, niedrigem Energieverbrauch und hoher Verschleißfestigkeit ermöglichen. Dies wird dadurch gelöst, dass die Produkte eine erste Annäherungszone durchlaufen, in eine zweite Zone gelangen, in der ein vermittels eines Schrittmotors in Drehbewegungen versetzbares Trennelement vorgesehen ist, welches umfangsmäßig gleich beabstandete Finger trägt und welches je nach Ansteuerung die zu sortierenden Produkte in mindestens drei weitere Zonen überführt, wobei ein Echtzeit-Bildverfolgungssystem derart vorgesehen ist, dass es den gesamten Weg der Produkte durch die Zonen zu erfassen gestattet und jedem Einzelprodukt zuorden- und adressierbar Einzelproduktinformationen, wie einem oder mehrere Parameter, wie Volumen, Geschwindigkeit, Teilekontur, Massemittelpunkt, Schadstellen, Ablenkcharakteristik, Drehimpuls o. ä., in Mikroprozessoren bzw. Adressbereichen ablegt und einem Hauptkoordinatenprozessor zuführt, dessen Ausgangssignale den Schrittmotor und damit das Trennelement mit einzelproduktbezogener unterschiedlicher Drehrichtung steuert.
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Alle bisher bekannten Partikel- und Schüttgutsortierer gemäß dem bekannten Stand der Technik haben alle den Nachteil, dass sie nicht zur Trennung von Nanopartikeln geeignet sind.
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Auch ist mit diesen bekannten Systemen keine Sortierung nach dem spezifischen Gewicht der Nanopartikel auf der Basis eines bildverarbeitungsbasierten Prüfsystems möglich.
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Aus der
DE 198 50 233 A1 ist eine Anordnung zum Abtrennen von Mikro- und Nanopartikeln in Form einer Probensortier-, Übergabe- und Übernahme-vorrichtung für kleine Mikroperlen im Zusammenwirken mit Mikro- und Nanotiterplatten bekannt, bei welcher die gleichzeitige Bestückung jeder einzelnen Probenkammer mit nur einer Mikroperle als auch deren gezielte Entnahme in dem ersten Modul vorgesehen sind, das wenigstens einen Mikroperlenaufnahmebereich beinhaltet, dem Mikroperlenaufnahmebereich, in Abhängigkeit von den geometrischen Gegebenheiten eines aufsetzbaren Probenaufnahmeträgers bezüglich der Anzahl, Lage und Ausdehnung einzelner in ihm befindlicher Probenkammern, mehrere Mikroperlenaufnahmeunterbereiche gegeben sind, die so angeordnet sind, dass deren Mittenachsen (X-X) mit den Mittenachsen (Y-Y) der zu beschickenden oder zu entleerenden einzelnen Probenkammern des Probenaufnahmeträgers korrespondieren, wobei jeder der Mikroperlenaufnahmeunterbereiche eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Mikroperle aufweist, der eine solche Tiefe (t) gegeben ist, dass die Mikroperle im eingebrachten Zustand im Wesentlichen bündig mit einer ersten Oberfläche des Mikroperlenaufnahmebereichs abschließt, und jeder Ausnehmung in ihrem Bodenbereich eine Öffnung gegeben ist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser einer Mikroperle festgelegt ist.
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Aus der
DE 195 25 654 A1 ist bekannt, dass biologische Objekte, wie beispielsweise Zellen, auf eine Vielzahl von Reizen, unter anderem auf mechanische Stimulationen reagieren. Gemäß der Offenbarung der
DE 195 25 654 A1 ist es möglich, durch spezifisch oder unspezifisch an die Objekte gebundene oder rezipierte magnetische Partikel (Beads) definierte mechanische Kräfte zu applizieren. Dazu werden die magnetischen Partikel (Beads) durch ein Magnetfeld magnetisiert, so dass durch die inhomogene Ausbildung dieses äußeren Feldes Kräfte in Richtung der Feldstärke-Extrema entstehen. Die dabei verwendeten magnetischen Partikel (Beads) können sowohl ferromagnetische, paramagnetische als auch diamagnetische Eigenschaften aufweisen, wobei diese Methode bei Untersuchungen zu Mechanismen der Signaltransduktion an Rezeptoren von Zellen einer humanen Osteosarcom-Zelllinie Anwendung findet.
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Die
DE 10 2009 004 086 A1 offenbart ein elektromagnetisches Mikrosystem zur Manipulation magnetischer Mikro- oder Nanoperlen in einer Flüssigkeit. Hiervon ausgehend werden Möglichkeiten zur gezielten Manipulation solcher Mikro- oder Nanoperlen angegeben, wobei das elektromagnetische Mikrosystem dazu mindestens einen Mikroelektromagneten aufweist, der auf einem Substrat aufgebaut ist und der bei Erregung die magnetischen Mikro- oder Nanoperlen anzieht und damit deren Bewegung ermöglicht.
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Zu den derzeit modernsten Methoden zur Sortierung von Nanopartikeln gehören:
- a) Zentrifugalverfahren (dichteabhängig),
- b) elektrophoretische und dielektrische Verfahren (leitfähigkeitsabhängig),
- c) chromatographische Verfahren (Abhängigkeit von der chemischen und physikalischen Affinität) und
- d) Größenausschlussverfahren (größenabhängig).
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Zentrifugalverfahren (a) trennen Nanopartikel, indem sie mit einem Hochgeschwindigkeitsmotor eine große Zentrifugalkraft erzeugen. Bei diesem Verfahren werden Nanopartikel durch die Dichte getrennt.
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Elektrophoretische, dielektrische und verwandte elektrische Verfahren (b) trennen Nanopartikel durch Einführung eines externen elektrischen Feldes. Diese Methoden trennen Nanopartikel durch ihre native Ladung oder die Leitfähigkeit neutraler Spezies.
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Chromatographische Verfahren (c) beruhen typischerweise auf dem Unterschied zwischen der chemischen oder physikalischen Affinität der mobilen Phase und der stationären Phase entlang des Trennpfades. Diese Verfahren trennen Nanopartikel durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften.
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Größenausschlussverfahren (d) verwenden Matrizen mit Poren eines bestimmten Durchmessers, wie beispielsweise Gel oder poröse Materialien, um Nanopartikel durch ihre Größe zu trennen.
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Die
WO 2010/091344 A1 offenbart eine magnetische Plattform, umfassend eine gemusterte Anordnung von diskreten magnetischen Elementen, die auf einem Substrat positioniert sind, eine Vielzahl von ersten Elektromagneten zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes im Wesentlichen in der Ebene des Substrats, eine elektromagnetische Spule zum Erzeugen eines zweiten Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Substrats und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Anwendung der Magnetfelder. Ein Verfahren zur Manipulation, zum Transport, zur Trennung und Sortierung von mikro- oder nanoskaligen Partikeln und Biomolekülen wird ebenfalls beschrieben.
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Nachteilig ist, dass diese technische Lösung nur bei magnetischen Nanopartikeln oder biologischen Targets funktioniert, die mit ferromagnetischen Nanopartikeln markiert sind. Weiterhin ist nachteilhaft, dass die Sortierung auf der Balance des Magnetfeldes von einer Lastwendel und festen Permanentmagneten basiert.
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Die
US 2012132593 A1 offenbart einen Magnetabscheider, der eine Trennkammer umfasst. Die Trennkammer umfasst einem Einlass und mindestens einem Auslass gegenüber dem Einlass in stromabwärts gerichteter Richtung und eine magnetische Quelle, die funktionsfähig mit der Trennkammer gekoppelt ist. Die Magnetquelle umfasst eine Vielzahl von Magneten, die selektiv ein- und ausgeschaltet werden können, um ein dynamisches Magnetfeld in der Trennkammer zu erzeugen.
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Nachteilig ist, dass diese technische Lösung nur bei magnetischen Nanopartikeln oder biologischen Targets, die mit ferromagnetischen Nanopartikeln markiert sind, funktioniert. Weiterhin ist nachteilig, dass die Sortierung auf der Steuerung (Ein/Aus) von Elektromagneten basiert.
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Die
JP 2012076012 A1 offenbart ein Verfahren zum Trennen von leitenden Mikroteilchen. Es umfasst ein erstes Trennverfahren zum synchronen Hinzufügen eines elektrischen Feldes und eines Magnetfeldes mit dem gleichen oder ungeraden Vielfachen der Frequenz miteinander zu einem ersten Lösungsmittel, dem ein Aggregat mit einer Vielzahl der leitenden Mikroteilchen hinzugefügt wird, um das winzige leitende Material in dem Lösungsmittel zu dispergieren, und zum Gewinnen des ersten Lösungsmittels gemäß den Positionen nach dem Dispergieren, um als zweites Lösungsmittel zu dienen. Es umfasst weiterhin ein Trennverfahren zum synchronen Hinzufügen des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes mit dem gleichen oder ungeraden Vielfachen der Frequenz zueinander zu dem ersten Lösungsmittel, dem das Aggregat, das aus der Vielzahl der winzigen leitenden Materialien besteht, hinzugefügt wird, um das winzige leitende Material in dem Lösungsmittel zu dispergieren, und zum Gewinnen des Lösungsmittels gemäß den Positionen nach dem Dispergieren. Weiterhin umfasst es ein mehrstufiges Trennverfahren zum synchronen Hinzufügen des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes, während die Frequenzen jedes Mal unterschiedlich für die zurückgewonnenen Lösungsmittel sind, zum Dispergieren des winzigen leitenden Materials und zum wiederholten Durchführen des Trennverfahrens zum Zurückgewinnen des Lösungsmittels gemäß den Positionen nach dem Dispergieren, was zweimal oder mehrmals erfolgen kann.
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Nachteilig ist, dass diese technische Lösung ein externes elektrisches Feld erfordert. Der Trennmechanismus basiert nicht auf magnetischer Induktion (Wirbelstrom).
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Die
US 3,693,792 offenbart, wie aufgeladene Partikel wie Ionen in Lösung oder suspendierte Feststoffe mit einer natürlichen oder induzierten elektrischen Ladung getrennt oder konzentriert werden von dem flüssigen Medium, in dem sie enthalten sind. Das flüssige Medium wird durch einen nichtmagnetischen Kanal geleitet, durch den ein intensiver, mit hoher Geschwindigkeit rotierender Magnetfluss geleitet wird. Partikel mit gegenläufigen Polaritätsladungen werden in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt und unter dem Einfluss von Lorentzkräften konzentriert, die als F = q V X B definiert sind, wobei F der Ablenkungskraftvektor ist, q die Größe der Ladung auf einem Partikel ist, V der Geschwindigkeitsvektor des Partikels ist und B der Magnetflussvektor ist. Ein Multiport- Analysator in der Nähe des Kanalausgangs teilt die Ströme, die die Konzentrate enthalten, aus dem verdünnten Strom. Es sind Mittel zur Regelung des Durchflusses durch die Anschlüsse vorgesehen.
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Nachteilig ist, dass diese technische Lösung nur auf geladene Partikel wirkt.
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Die
WO 2016/002256 A1 lehrt eine Wirbelstrom-Auswahlvorrichtung, umfassend eine Magnetfeld-Drehplatte (
1) mit ihrer Polarität abwechselnd invertiert und mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten; eine Palette (
2), die durch einen Spalt von der Magnetfeld-Drehplatte getrennt angeordnet ist; eine Antriebseinheit (
14) mit einer an der Magnetfeld-Drehplatte befestigten Drehwelle; eine Versorgungseinheit (
3), die Objekte zur Auswahl hält und eine vorgegebene Menge der Objekte zur Auswahl auf die Palette liefert; eine Entladeeinheit (
4) mit zwei Sammelbehältern und, wenn sie von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand überführt wird, Sammeln von Auswahlobjekten, die von der Versorgungseinheit der Palette zugeführt wurden, in diese Sammelbehälter; und eine Steuereinheit (
30), die die Magnetfeld-Drehplatte (
1) steuert; die Antriebseinheit (
14), die Versorgungseinheit (
3) und die Entladeeinheit (
4). Die Wirbelstromauswahlvorrichtung führt aus: einen ersten Schritt, in dem die vorgeschriebene Anzahl von zu wählenden Objekten von der Versorgungseinheit auf die Palette zugeführt wird; einen zweiten Schritt, in dem nach Ablauf einer festgelegten Zeit nach Abschluss des ersten Schrittes die Entladeeinheit vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand überführt wird; und einen dritten Schritt, in dem die Entladeeinheit nach Abschluss des zweiten Schrittes in den geschlossenen Zustand zurückkehrt. Nach Abschluss des dritten Schrittes werden die ersten bis dritten Schritte erneut ausgeführt.
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Nachteilig ist, dass die Sortierwirkung dieser technischen Lösung auf dem Gleichgewicht zwischen Induktionskraft und Schwerkraft beruht und wegen der Wirkrichtung der Schwerkraft nur lageabhängig funktioniert.
Weiterhin ist nachteilig, dass diese technische Lösung die magnetische Induktionskraft durch Drehen der Magnete erzeugt. Rotierende Magnete begrenzen die Drehzahl und die Größe der induktiven Magnetkraft. Daher reicht die Kraft nicht aus, um Nanopartikel zu sortieren.
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Aus der
CN 202387552 ist eine Wirbelstrom-Magnettrennmaschine bekannt, die eine Edelstahlhülse und eine Hohlwelle umfasst, wobei die Hohlwelle in der Edelstahlhülse angeordnet ist und eine Vielzahl von rechteckigen Permanentmagneten gleichmäßig zwischen der Hohlwelle und der Edelstahlhülse angeordnet sind; und ein fächerförmiger Permanentmagnet zwischen den beiden benachbarten rechteckigen Permanentmagneten angeordnet ist.
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Nachteilig ist bei dieser technischen Lösung, dass die magnetische Induktionskraft durch Drehen der Magnete erzeugt wird. Rotierende Magnete begrenzen die Drehzahl und die Größe der induktiven Magnetkraft. Daher reicht die Kraft nicht aus, um Nanopartikel zu sortieren.
Weiterhin ist diese technische Lösung nur eine Konstruktionsvariante für die rotierenden Magnete. Es wird kein spezifisches Sortierschema vorgeschlagen.
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Die Publikation IEEE TRANSAKTIONEN AUF MAGNETIKEN wurde, VOL. 39, NEIN. 4. Juli 2003 von Lungu & Rem veröffentlicht. Das in dieser Publikation beschriebene Instrument basiert auf dem Gleichgewicht zwischen magnetischer Induktionskraft und Schwerkraft, das der Offenbarung der
WO 2016/002256 A1 sehr ähnlich (fast gleich) ist.
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Nachteilig ist insbesondere, dass das in diesem Papier beschriebene Instrument die Magnete rotiert. Rotierende Magnete begrenzen die Drehzahl und die Größe der induktiven Magnetkraft. Daher reicht die Kraft nicht aus, um Nanopartikel zu sortieren
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Die Zentrifugalmethoden sind einfach, aber die Trennung erfolgt nur durch die Dichte der Nanopartikel.
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Bei elektrophoretischen Verfahren müssen externe Elektroden mit der Probenlösung in Kontakt sein. Dies kann die Probe verunreinigen. Das Verfahren leidet auch unter dem Screening des elektrischen Feldes durch ionische Spezies in stark salziger Lösung.
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Die chromatographische Methode erfordert eine speziell entwickelte stationäre Phase und mobile Phase und die Probenvorbehandlung ist kompliziert.
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Größenausschlussmethoden erfordern ein kompliziertes Verfahren, um das Target nach der Trennung von der Matrix zu trennen.
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Zusammenfassend ist der Stand der Technik erstens nicht geeignet, mittels Magnetfeldern Nanopartikel effektiv zu sortieren. Insbesondere begrenzt das überwiegend genutzte Prinzip der bewegten Magnete die Erzeugung einer ausreichend starken Magnetkraft, die auf die Nanopartikel wirkt, um dort eine für die Sortierung ausreichend starke Induktion zu erzeugen.
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Zweitens ist keine zweidimensionale Sortierung möglich. Diese technischen Lösungen haben den Nachteil, dass sie nicht zur 2D-Abtrennung von Nanopartikeln nach spezifischen Eigenschaften, wie die Trennung nach ferromagnetischen und nichtferromagnetischen Nanopartikeln, eingesetzt werden können.
Keines der bekannten Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Sortierung nach Größe, Form, Leitfähigkeit und Dichte.
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Drittens müssen stets aufwendige Spezialgeräte angefertigt werden, weil eine Verwendung und Modifizierung von herkömmlichen Zentrifugen nicht die im Stand der Technik gezeigten Sortierer bereitstellen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spezifischen Nanopartikelsortierer anzugeben, welcher es ermöglicht, Nanopartikel nach ihrer Dichte, Form, Größe, Leitfähigkeit und Ladung zu sortieren beziehungsweise abzutrennen, und der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Dabei soll die Abtrennung in zwei räumlichen Dimensionen stattfinden, wobei unterschiedliche Eigenschaften der Nanopartikel eine Sortierung beziehungsweise Abtrennung in unterschiedliche Dimensionen ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem 1. Patentanspruch sowie ein Verfahren gemäß dem 8. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
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Im Sinne dieser Erfindung
- - sind Partikel jede Art von Partikeln, Teilchen, Bausteinen und anderen abgrenzbaren Elementen;
- - ist eine Probe eine Menge von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, wobei die Partikel im Medium frei beweglich sind;
- - ist eine Probenkammer jedes Behältnis zur Aufnahme einer Probe, beispielsweise eine Küvette, ein Reagenzglas oder eine Mikrofluidik- Technologie;
- - ist eine Sortierung jede Sortierung, Abtrennung, Schichtung, Trennung, Fraktionierung oder ein gleichwirkender Vorgang, der Partikel in Abhängigkeit von ihren Eigenschaften, so umverteilt, dass Partikel mit der gleichen oder ähnlichen Ausprägung einer Eigenschaft sich näher beieinander befinden als Partikel mit einer stärker unterschiedlichen Ausprägung dieser Eigenschaft.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch die Nutzung von mindestens zwei unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Nanopartikeln eine Sortierung beziehungsweise Abtrennung in zwei unterschiedlichen Dimensionen ermöglichen, wobei zwei unterschiedliche physikalische Kräfte genutzt werden.
Dazu rotiert die Probe in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Rotationsebene der Probe ausgerichtet sind. Die Stärke des Magnetfeldes verändert sich während einer Umdrehung mindestens ein Mal, wobei eine Änderung auch eine Richtungsumkehr sein kann.
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Als eine Eigenschaft der Partikel kann deren Dichte genutzt werden, auf welche eine Zentrifugalkraft wirkt, die durch die Rotation der Probe entsteht. Partikel mit einer hohen Dichte drängen von der Rotationsachse weg. Partikel mit einer geringeren Dichte werden dadurch zur Rotationsachse hin verdrängt.
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Als weitere Eigenschaften der Partikel können deren magnetische Eigenschaften genutzt werden, auf welche das Magnetfeld wirkt. Die Partikel können
- - diamagnetische und/oder
- - paramagnetische und/oder
- - ferromagnetische und/oder
- - ferrimagnetische und/oder
- - antiferromagnetische Eigenschaften besitzen.
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In jedem Fall treten die Partikel mit dem magnetischen Feld in Wechselwirkung. Besitzen die Partikel ein eigenes magnetisches Feld, wie dies bei paramagnetischen, ferromagnetischen, ferrimagnetischen und thermisch beeinflussten antiferromagnetischen Materialien ausgeprägt ist oder sein kann, so werden die Partikel durch die magnetische Anziehung ungleicher Magnetpole und die magnetische Abstoßung gleicher Magnetpole einer tangential zur Rotationsachse wirkenden Magnetkraft ausgesetzt.
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In diamagnetischen Materialien wird durch das durch die Rotation veränderliche Magnetfeld (äußeres Magnetfeld) ein Strom induziert, der seinerseits ein Magnetfeld aufbaut, dass dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet ist. Auch hier werden die Partikel durch die magnetische Anziehung ungleicher Magnetpole und die magnetische Abstoßung gleicher Magnetpole einer tangential zur Rotationsachse wirkenden Magnetkraft ausgesetzt.
Beide Effekte können sich überlagern.
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Dominant ist die Anziehungskraft zum nächst gelegenen Magnetpol. Wie bei einer Wirbelstrombremse wird die Bewegung verzögert beziehungsweise gehemmt. Partikel, auf die eine starke Magnetkraft wirkt, drängen sich entgegen der Rotationsrichtung an eine Seite der Probenkammer. Partikel, auf die eine geringere Magnetkraft wirkt, werden in Rotationsrichtung zur anderen Seite der Probenkammer hin verdrängt.
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Insbesondere können so diamagnetische, paramagnetische, ferromagnetische, ferrimagnetische und antiferromagnetische Partikel sortiert und voneinander getrennt werden. Innerhalb dieser Partikelgruppen und über sie hinweg kann nach elektrischer Leitfähigkeit, Permeabilität, Größe und Form sortiert werden, weil diese Eigenschaften die Induktion und damit den induzierten Strom und das daraus entstehende Magnetfeld beeinflussen.
Um Proben bei bestimmten Temperaturen, beispielsweise in Abhängigkeit der Neel-Temperatur und/oder Curie-Temperatur, zu untersuchen, ist eine Temperaturregulierung der Probenkammer vorteilhaft.
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Als weitere Eigenschaft der Partikel kann deren elektrische Ladung genutzt werden, auf welche das Magnetfeld wirkt. Werden elektrische Ladungen in einem Magnetfeld bewegt, so dass sie die Magnetfeldlinien schneiden, so wirkt auf die Ladungen die Lorentzkraft. Gleiches gilt für elektrisch geladene Partikel. Um eine Sortierung zu ermöglichen, ist hier ein Magnetfeld ohne wechselnde Ausrichtung notwendig, also beispielsweise ein Nordpol oder alle Nordpole auf der einen Seite der Rotationsebene der Probe und der Südpol oder alle Südpole auf der anderen Seite. Blickt man von der Seite, auf der Nordpol oder die Nordpole zur Probe hin angeordnet sind, auf diese Anordnung und rotiert die Probe im Uhrzeigersinn, so werden elektrisch negativ geladene Partikel nach innen zur Rotationachse hin und elektrisch positiv geladene Partikeln nach außen von der Rotationsachse weg gedrängt.
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Die Probenküvetten werden auf eine Rotorscheibe in der Rotationsebene gelegt und in eine hochtourige Rotation mit vorteilhafterweise mehr als 30000 Umdrehungen pro Minute versetzt, so dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit gegen das externe Wechselmagnetfeld bewegen, das durch eine kreisförmige Anordnung der stärksten Permanentmagnete aus Neodym, mit einer Stärke von vorteilhafterweise mehr als 1 Tesla, erzeugt wird. Auf diese Weise führt der schnelle magnetische Wechselfluss durch den Querschnitt der Nanopartikel zu einem induzierten Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt einen induzierten magnetischen Dipol gegen die Änderung des Magnetflusses. Das bedeutet, dass die Nanopartikel dazu neigen, den externen Magneten zu folgen und sich in tangentiale Richtung der Rotorscheibe zu bewegen, unabhängig davon, ob sie nichtferromagnetisch sind oder nicht. Da der Wirbelstrom mit dem Querschnitt und der Leitfähigkeit der Nanopartikel skaliert, erzeugt die Hochgeschwindigkeitsdrehung eine Tangentialkraft, die die Nanopartikel in Abhängigkeit von ihre Leitfähigkeit, Größe und Form sortiert. Die schnelle Rotation führt unterdessen gleichzeitig zu einer Zentrifugalkraft in radialer Richtung, die eine Trennung der Nanopartikel durch ihre Dichte ermöglicht. Insgesamt führt die Rotation der Probe in einem Feld starker Magnete zu einer 2D-Sortierung von Nanopartikel, d.h. zu einer Trennung in tangentiale Richtung durch ihre Leitfähigkeit, Größe und Form, und einer Trennung in radialer Richtung durch die Dichte.
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Durch diese technische Lösung, induzierten Wirbelstrom zu verwenden, um eine diskriminierende tangentiale Kraft zur Trennung von leitfähigen Nanopartikel durch ihre Leitfähigkeit, Form und Größe bereitzustellen, ist es möglich, leitfähige Nanopartikel nach ihrer Leitfähigkeit, Größe und Form zu sortieren / zu trennen (2D-Abtrennung der Nanopartikel).
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Mit dieser Vorrichtung und diesem Verfahren kann gleichzeitig eine zweidimensionale Sortierung von Nanopartikeln nach Dichte (radiale Sortierung) und Leitfähigkeit, Größe und Form (tangentiale Richtung) erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abtrennung von Nanopartikeln umfasst mindestens eine Probenkammer und ein Magnetfeld, wobei die Probenkammer mit einer Rotationsachse verbunden ist, die Probenkammer mittels einer Antriebseinheit um die Rotationsachse in eine Rotationsbewegung versetzbar ist und sich die Probenkammer durch Rotationsbewegung mindestens zeitweilig im Magnetfeld befindet, wobei die Probenkammer die Magnetfeldlinien schneidet.
Die Form der Probenkammer ist beliebig, beispielsweise ein Kubus, ein Quader, ein Zylinder oder eine Kammer mit einer dreieckigen Grundfläche. Längliche Formen können in ihrer größten Ausdehnung radial, tangential oder in einem beliebigen Winkel zur Rotationsachse ausgerichtet sein. Vorteilhaft ist eine flache flächige Form, beispielsweise ein flacher Kubus beziehungsweise eine flache Küvette, wenn kleine Mengen sortiert werden. (8)
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Das Magnetfeld wird durch mindestens einen Magnet (2) aufgebaut, der sich auf einer Seite der Rotationsebene der Probenkammer befindet ( 2). Weil eine starke Magnetkraft die Sortierwirkung verstärkt, werden vorteilhaft mehrere Magneten eingesetzt. Bei mehreren Magneten sind diese entweder direkt nebeneinander oder im gleichen Abstand zueinander ringförmig um die Rotationsachse angeordnet und jeweils abwechselnd mit dem Nordpol und Südpol zur Rotationsebene ausgerichtet (4), oder im gleichen Abstand zueinander ringförmig um die Rotationsachse angeordnet mit einem Abstand, der mindestens der Breite eines Magnetes entspricht, wobei alle Magnete entweder mit dem Nordpol oder Südpol zur Rotationsebene ausgerichtet sind (3).
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Möglich ist auch eine Anordnung, bei der sich eine identische Anordnung von Magneten spiegelsymmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsebene befindet, wobei sich auf beiden Seiten der Rotationsebene jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüber befinden (5 bis 7).
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Die Magnete können Elektromagnete sein, wobei es möglich sein kann, dass der Stromfluss und damit das Magnetfeld zeitlich und in seiner Stärke steuerbar ist.
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Vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die Magnete Permanentmagnete sind. Sie benötigen keine Energiezufuhr, was den Aufbau der Anordnung vereinfacht. Weiterhin sind heute kräftige Permanentmagnete verfügbar, beispielsweise Neodym-Magnete, mit denen ein magnetisches Feld mit einer hohen magnetischen Flussdichte aufgebaut werden kann. Hohe Flussdichten sind vorteilhaft, um auch in kleinen Partikeln wie Nanopartikeln eine für die Sortierung ausreichend große Induktion zu bewirken. Vorteilhaft ist eine magnetische Flussdichte des Magnetfeldes größer als 0,1 Tesla.
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Vorteilhaft ist ein möglichst geringer Abstand der Magnete zu beiden Seiten der Rotationebene zueinander, um eine möglichst hohe magnetische Flussdichte nutzen zu können.
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Um eine für die Sortierung ausreichend große Zentrifugalkraft auf die Partikel aufzubauen, ist eine hohe Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Abstand der Probenkammer von der Rotationsachse bereitzustellen. Vorteilhaft ist eine Zentrifugalbeschleunigung in der Probenkammer, die größer ist als 105 m/s2.
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Um Proben bei bestimmten Temperaturen, beispielsweise in Abhängigkeit der Neel-Temperatur und/oder Curie-Temperatur, zu sortieren, ist eine
Anordnung vorteilhaft, die eine Temperaturregulierung der Probenkammer umfasst.
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Das Verfahren zur Sortierung von Nanopartikeln unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst nur wenige Schritte. Zuerst wird in die Probenkammer die Probe eingebracht. Die Probe kann Partikel mit diamagnetischen, paramagnetischen, ferromagnetischen, ferrimagnetischen und/oder aniferromagnetischen Eigenschaften enthalten. Die Partikel können elektrisch geladen sein und/oder unterschiedliche Dichten besitzen.
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Das Ergebnis der Sortierung ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit, der Dauer der Rotation und der Stärke des Magnetfeldes. Diese Parameter werden eingestellt. Anschließend wird die Probenkammer in Rotation versetzt, wodurch die Sortierung erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren können verwendet werden, um Nanopartikel, die diamagnetische und/oder paramagnetische und/oder ferromagnetische und/oder ferrimagnetische und/oder antiferromagnetische Eigenschaften besitzen und/oder elektrisch geladen sind und/oder eine unterschiedliche Dichte besitzen, abzutrennen.
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Besitzen Partikel keine magnetischen Eigenschaften und sind auch nicht elektrisch geladen, tritt keine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld ein und eine Sortierung durch die Nutzung des Magnetfeldes ist nicht möglich. Besitzen alle Partikel die gleiche Dichte, so ist eine Sortierung mittels der Zentrifugalkraft nicht möglich.
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Sortiert wenden können Partikeln wie beispielsweise:
- - metallische Nanopartikel und/oder
- - Nanopartikel aus einem leitenden und/oder halbleitenden Material sind und/oder
- - Graphen-Partikeln (Graphene),
- - Bruchstücke monomolekularer Schichten,
- - feine Schredderpartikel aus Recycling-Prozessen,
- - partikelhaltige Substanzen in medizinischen und nichtmedizinischen Diagnoseverfahren,
- - oder Gemische aus diesen Nanopartikeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
- 2: eine schematische Darstellung der Anordnung eines Magneten auf einer Seite der Rotationsebene
- 3: eine schematische Darstellung der Anordnung mehrerer Magnete auf einer Seite der Rotationsebene mit einer gleichen magnetischen Ausrichtung
- 4: eine schematische Darstellung der Anordnung mehrerer Magnete auf einer Seite der Rotationsebene mit einer wechselnden magnetischen Ausrichtung
- 5: eine schematische Darstellung der Anordnung von zwei Magneten auf beiden Seiten der Rotationsebene
- 6: eine schematische Darstellung der Anordnung mehrerer Magnete auf beiden Seiten der Rotationsebene mit einer gleichen magnetischen Ausrichtung auf jeder Seite
- 7: eine schematische Darstellung der Anordnung mehrerer Magnete auf beiden Seiten der Rotationsebene mit einer wechselnden magnetischen Ausrichtung
- 8: eine schematische Darstellung von beispielhaften Formen der Probenkammern
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Sortierung von Nanopartikeln umfasst mindestens eine Probenkammer (5) und ein Magnetfeld, wobei die Probenkammer (5) mit einer Rotationsachse (1) verbunden ist, die Probenkammer (5) mittels einer Antriebseinheit (11) um die Rotationsachse (1) in eine Rotationsbewegung versetzbar ist, wobei die Probenkammer (5) durch Rotationsbewegung sich mindestens zeitweilig in dem Magnetfeld befindet und die Probenkammer (5) die Magnetfeldlinien (10) schneidet.
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Vorteilhaft ist die Anordnung von mehreren Probenkammern jeweils paarweise gegenüber der Rotationsachse, um eine Unwucht des rotierenden Systems zu minimieren und bei Bedarf eine größere Probenmenge zu sortieren.
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Die Form der Probenkammer (5) ist ein flacher länglicher Kubus, deren größte Ausdehnung quer zur Rotationsachse (1) liegt. Die Probenkammer (5) kann jede Form haben, beispielsweise ein Kubus, ein Quader, ein Zylinder oder eine Kammer mit einer dreieckigen Grundfläche. Längliche Formen können in ihrer größten Ausdehnung radial, tangential oder in einem beliebigen Winkel zur Rotationsachse (1) ausgerichtet sein. Vorteilhaft ist eine flache flächige Form, beispielsweise ein flacher Kubus beziehungsweise eine flache Küvette, wenn kleine Mengen sortiert werden. (8)
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Das Magnetfeld wird durch mindestens einen Magnet (2) aufgebaut, der sich auf einer Seite der Rotationsebene (6) der Probenkammer (5) befindet (2), wobei bei mehreren Magneten
- - diese direkt nebeneinander oder im gleichen Abstand zueinander ringförmig um die Rotationsachse (1) angeordnet sind und jeweils abwechselnd mit dem Nordpol (4) und Südpol (3) zur Rotationsebene (6) ausgerichtet sind (4), oder
- - diese im gleichen Abstand zueinander ringförmig um die Rotationsachse (1) angeordnet sind mit einem Abstand, der mindestens der Breite eines Magnetes (2) entspricht, wobei alle Magnete (2) entweder mit dem Nordpol (3) oder Südpol (4) zur Rotationsebene (6) ausgerichtet sind (3).
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Möglich ist auch eine Anordnung, bei der sich eine identische Anordnung von Magneten (2) spiegelsymmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsebene (6) befindet, wobei sich auf beiden Seiten der Rotationsebene (6) jeweils ein Nordpol (4) und ein Südpol (3) gegenüber befinden (5 bis 7).
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Die Magnete (2) sind Permanentmagnete. Die magnetische Flussdichte des von ihren aufgebauten Magnetfeldes ist größer als 0,1 Tesla.
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Die Antriebseinheit ermöglicht eine hohe Rotationgeschwindigkeit, vorteilhaft mit mehr 30000 Umdrehungen pro Minute. In Abhängigkeit vom Abstand der Probenkammer von der Rotationsachse (1) wirkt eine Zentrifugalbeschleunigung in der Probenkammer (5), die größer ist als 105 m/s2.
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Um eine Sortierung von Nanopartikeln mit der erfindungsgemäßen Anordnung auszuführen, werden in die Probenkammer (5) Nanopartikel eingebracht, die diamagnetische, paramagnetische, ferromagnetische, ferrimagnetische und/oder antiferromagnetische Eigenschaften besitzen, und/oder elektrisch geladen sind und/oder eine unterschiedliche Dichte besitzen. Die Nanopartikel können unterschiedliche Formen, Größen und elektrische Leitfähigkeiten aufweisen.
Weiterhin werden die Rotationsgeschwindigkeit, die Dauer der Rotation und die Stärke des Magnetfeldes vorgegeben. Anschließend wird die Rotation der Probenkammer (5) ausgeführt, wodurch die Sortierung der Nanoteilchen erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren kann verwendet werden, um eine Sortierung beispielsweise von
- - metallischen Nanopartikeln und/oder
- - Nanopartikel aus einem leitenden und/oder halbleitenden Material und/oder
- - Graphen-Partikeln (Graphene),
- - Bruchstücken monomolekularer Schichten,
- - feinen Schredderpartikeln aus Recycling-Prozessen,
- - partikelhaltigen Substanzen in medizinischen und nichtmedizinischen Diagnoseverfahren,
- - elektrisch gut aufladbaren Teilchen aus Kunststoff
- - oder Gemischen aus diesen Nanopartikeln
auszuführen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sie eine effiziente Möglichkeit bieten, Nanopartikel mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig räumlich in unterschiedliche Dimensionen zu sortieren. So können die Nanopartikel beispielsweise nach ihrer Dichte in einer Dimension und nach ihrer Leitfähigkeit, Größe und Form in einer anderen Dimension sortiert werden. Dadurch wird eine neuartige zweidimensionale Sortierung realisiert.
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Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass sie einfach, schnell, effektiv und kostengünstig sind. Das Verfahren lässt sich problemlos mit handelsüblichen Zentrifugen kombinieren und erweitert die Leistungsfähigkeit und den Mehrwert kommerzieller Zentrifugen erheblich.
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Im Rahmen dieser Erfindung liegt auch, dass die Ausrichtung der Partikel durch den Einfluss des Magnetfeldes auswertbar / detektierbar ist, wobei hier ein Magnetfeld ohne wechselnde Ausrichtung notwendig ist, also beispielsweise ein Nordpol oder alle Nordpole auf der einen Seite der Rotationsebene der Probe und der Südpol oder alle Südpole auf der anderen Seite.
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Rotationsachse
- 2
- - Magnete
- 3
- - Magnetischer Südpol
- 4
- - Magnetischer Nordpol
- 5
- - Probenkammer
- 6
- - Rotationsebene
- 7
- - Richtung der magnetischen Kraft
- 8
- - Partikel in der Probenkammer
- 9
- - Richtung der Zentrifugalkraft
- 10
- - Magnetfeldlinien
- 11
- - Antriebseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9322074 A1 [0006]
- DE 10247747 A1 [0008, 0019, 0020, 0021]
- EP 1314489 B1 [0011]
- JP 2008302314 A [0011]
- US 2007262002 A1 [0011]
- EP 1285701 B1 [0011]
- JP 2007021381 A [0012]
- WO 2009/063023 A [0013]
- WO 2008/056465 A [0014]
- JP 2010042326 A [0017]
- EP 0873796 [0017]
- DE 19736567 A1 [0022]
- DE 19850233 A1 [0025]
- DE 19525654 A1 [0026]
- DE 102009004086 A1 [0027]
- WO 2010/091344 A1 [0033]
- US 2012132593 A1 [0035]
- JP 2012076012 A1 [0037]
- US 3693792 [0039]
- WO 2016/002256 A1 [0041, 0045]
- CN 202387552 [0043]
