DE60113515T2

DE60113515T2 - Apparat zum Einsammeln oder Freisetzen magnetischer Partikel

Info

Publication number: DE60113515T2
Application number: DE60113515T
Authority: DE
Inventors: Jukka Tuunanen
Original assignee: Thermo Electron Oy
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Oy
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: RU2297285C2; JP2005103544A; ATE304898T1; EP1185372B1; JP3921633B2; RU2269382C2; FI20000583A0; NO20015562D0; JP2003526511A; NO20015562L; ATE340651T1; EP1185372A1; DE60123353D1; WO2001068263A1; EP1266694B1; RU2004111807A; DE60113515D1; NO323760B1; DE60123353T2; EP1266694A1

Description

Technologisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Verarbeitung von Zusammensetzungen, die Magnetteilchen enthalten, wobei die Teilchen aus einem Gefäß gesammelt werden, das die Zusammensetzung enthält, oder als eine Zusammensetzung in dem Gefäß gelöst sind, und wobei ein Magnetstab verwendet wird, um die Teilchen an seiner Spitze zu sammeln oder sie von seiner Spitze frei zu geben. Die Erfindung betrifft insbesondere das Gefäß und den Stab, die bei der Verarbeitung verwendet werden. Die Erfindung kann zum Beispiel bei verschiedenen Herstellungs-, Reinigungs- oder Analyseverfahren verwendet werden.
Technischer Hintergrund
Magnetteilchen werden in verschiedenen chemischen Prozessen als eine feste Phase verwendet, an deren Oberfläche eine gegebene Komponente anhaftet. Dank der Teilchen wird die verfügbare Oberfläche der festen Phase so groß wie möglich. Die Teilchengröße ist typischerweise im Bereich von 0,05 bis 10 μm. Die Teilchen können mittels eines Magnetfeldes bewegt werden. Somit können sie zum Beispiel in einer Lösung zur Wand eines Gefäßes transferiert werden, so dass die verbleibende Lösung aus dem Gefäß durch Dekantieren oder Pipettieren entfernt werden. Die Teilchen können auch aus der Lösung separiert werden, in dem ein Magnetstab in die Lösung getaucht wird. Magnetstäbe sind ebenfalls bekannt, die einen sich vertikal bewegenden Magneten innerhalb einer Hülle haben. Mit dem Magneten in einer unteren Position können die Teilchen an der Staboberfläche insbesondere an seinem Ende gesammelt werden. Wenn der Magnet in eine obere Position angehoben wird, können die Teilchen von dem Stab entsprechend freigegeben werden.
Die WO 87/05536 offenbart eine Vorrichtung zum Sammeln und Dispergieren von ferromagnetischen Teilchen. Die Vorrichtung enthält eine Hülle und einen darin beweglichen Magneten. In der Vorrichtung gibt es eine Feder, die den Magneten in der Hülle aufwärts drängt.
Auch die WO 94/18565 offenbart Stäbe, die zum Sammeln und Transferieren von magnetischen Teilchen verwendet werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Sammeln oder Abgeben von Magnetteilchen wurde nun erfunden.
Gemäß der Erfindung enthält die Vorrichtung, in welcher das Gefäß mittels des Stabes behandelt wird, vertikal elastische Einrichtungen, die nachgeben, wenn der Stab gegen den Gefäßboden abgesenkt wird. Dies gestattet eine Kompensation des Positionierfehlers, der durch die Positioniertoleranzen der Vertikalbewegung und durch die Herstellungstoleranzen des Stabes und des Gefäßes verursacht wird. Die Elastikeinrichtungen, wie Federeinrichtungen, können in einer Basis, die in dem Gerät für das Gefäß enthalten ist, in dem Stab oder in seinem Aktivierungsantrieb oder in einer Platte vorgesehen sein, die mehrere Gefäße enthält.
Das Gefäß ist vorzugsweise symmetrisch, wie kreisartig, im Querschnitt, und die Querschnittsform des Stabes passt mit der Querschnittsform des Gefäßes zusammen. Der Stab ist mit einem Magnet ausgestattet, mittels welchem Teilchen an der Staboberfläche, vorzugsweise an seinem Spitzenteil, gesammelt werden. Der Magnet ist vorzugsweise ein solcher Magnet, dessen Wirkung eliminiert werden kann, so dass die Teilchen von der Staboberfläche abgegeben werden können.
Der Magnet ist vorzugsweise ein Permanentmagnet und am Bevorzugtesten ein Magnet, der zwischen einer Sammelposition und einer Freigabeposition innerhalb des Stabes verschoben werden kann. Die Bewegungsrichtung ist insbesondere die Längsrichtung des Stabes. Die Sammelposition des Magneten ist vorzugsweise seine untere Position, von wo er zu der Abgabeposition angehoben werden kann. Der Magnet hat vorzugsweise eine Länge, die wesentlich größer als seine Breite ist. Dies gestattet es Teilchen, effizient an der Stabspitze gesammelt zu werden. Aus demselben Grund bleibt das obere Ende des Magneten vorzugsweise ständig über der Zusammensetzungsoberfläche, während die Teilchen gesammelt werden (siehe WO 96/12959). Zu diesem Zweck kann die Länge des Magneten deutlich größer als die Höhe der Flüssigkeitssäule sein, die zu behandeln ist. Bei dem Magneten ist das Verhältnis seiner Länge zu seiner Breite vorzugsweise wenigstens ungefähr 5 : 1 und am bevorzugtesten wenigstens ungefähr 10 : 1. Der Stab ist vorzugsweise abwärts an jedem Punkt abgeschrägt, was in einer scharfen Spitze endet. Auf diese Weise neigt der Stab, wenn er aus der Flüssigkeit angehoben wird, dazu, eine möglichst geringe Menge an Flüssigkeit zurückzuhalten (siehe WO 94/18565 und WO 94/18564). Die Verwendung eines langen Magneten gestattet eine effizientere Operation in kleinen Volumina. Ein langer Magnet ist auch in großen Volumina nützlich, weil er den Dynamikbereich an beiden Enden vergrößert. Die Spitze hat vorzugsweise einen sich verjüngenden konkaven Spitzenteil, so dass Teilchen effizient von der Stabspitze in ein kleines Gefäß derselben Größenordnung wie der Spitzenteil des Stabes abgegeben werden (siehe WO 96/12959). Damit das Magnetfeld mit diesem Spitzenteil so effizient wie möglich ausgerichtet ist, ist die Höhe des Spitzenteils relativ klein verglichen mit dem Durchmesser des Magneten. Typischerweise ist das Verhältnis der Höhe des Spitzenteils zu dem Durchmesser des Magneten 1 : 1–1 : 2, wie ungefähr 1 : 1,5. Die flache Form der Spitze hat auch den Zweck, ein zuverlässiges Operationsvolumen zu erzielen, das so klein wie möglich ist.
Teilchen können mit einer speziellen Vorrichtung gesammelt werden, in welcher die Gefäße angeordnet werden können und die Einrichtungen zum Bewegen der Stäbe enthält. (Siehe WO 94/18565).
Gewöhnlich wurde eine Mehrzahl von Gefäßen verbunden, um eine Platte zu bilden, insbesondere eine matrixförmige Platte, die mehrere Reihen von Gefäßen in Folge enthält. Eine gewöhnlich verwendete Platte ist die, die als Mikrotitrationsplatte bezeichnet wird, enthaltend 8 × 12 Gefäße oder Schächte in 9 mm Intervallen. Eine Platte mit entsprechenden Außendimensionen und 16 × 24 Schächten wird auch verwendet. Die Vorrichtung, die für die Behandlung der Platten vorgesehen ist, kann eine Reihe von Stäben gleich der Anzahl von Schächten in einer Reihe enthalten (siehe WO 94/18565 und Thermo Labsystems Kingfisher^TM Magnetic Particle Processor). Die Vorrichtung gestattet auch die Operation von mehreren, wie zwei, Platten gleichzeitig, insbesondere parallel.
Die Lücke zwischen dem Gefäß und dem Stab kann groß genug sein, um die Bildung eines Flüssigkeitsrings oder eines Ringteils zu verhindern, der/das zusammen mit dem Stab ansteigt und dadurch Flüssigkeit aus dem Gefäß entfernt. In anderen Worten fließt die Flüssigkeit zwischen dem Stab und dem Gefäß unter der Schwerkraft abwärts. Empor steigendes Wasser könnte über den Rand des Gefäßes z. B. in ein benachbartes Gefäß oder in die Spitze einer entfernten Spitze zum nachfolgenden Prozessschritt fließen. Eine geeignete Lücke zwischen dem Stab und dem Gefäß kann wenigstens ungefähr 1 mm, wie wenigstens ungefähr 1,5 mm und vorzugsweise wenigstens ungefähr 2 mm sein. In gewöhnlichen Fällen erzielt eine Lücke von mehr als 3 mm keinen zusätzlichen Vorteil in dieser Hinsicht.
Der Gefäßboden kann eine Positionierausnehmung enthalten, in welche die Stabspitze mit dem Stab in einem ausreichenden Abstand von der Innenwand des Gefäßes an jedem Punkt eingepasst ist. Die Positionierausnehmung dient zum Kompensieren von Positionierfehlern, die durch die Horizontalbewegung des Stabes und des Gefäßes verursacht werden. Das Ausnehmungszentrum enthält vorzugsweise einen Horizontalbereich, dessen Breite der Positioniergrenze entspricht. Die Ausnehmungsform ist vorzugsweise identisch mit jener des Spitzenteils des Stabes, so dass die Lücke zwischen der Ausnehmung und dem Spitzenteil so klein wie möglich wird. Die Lücke ist vorzugsweise 0,05–0,3 mm höchstens, wie 0,1–0,2 mm. Wenn ein symmetrisches Gefäß und Stab verwendet werden, wird die Ausnehmung am Zentrum des Gefäßes liegen. Der Horizontalbereich hat typischerweise eine Breite im Bereich von 0,5–2 mm, wie ungefähr 1 mm. Jedoch ist der Stab am bevorzugtesten so, dass er auch in herkömmlichen Gefäßen mit einem flachen oder konkaven Boden von verschiedenen Größen verwendbar ist.
Die Erfindung ist geeignet zur Verwendung insbesondere während Operationen in sehr kleinen Volumina. Die untere Grenze kann z. B. 10 μl oder selbst 5 μl sein. Diese Erfindung ist geeignet zur Verwendung, auch wenn Teilchen nicht aus einem relativ großen Volumen, z. B. einer Bakterienkultur, gesammelt werden und in ein Volumen transferiert werden, das um ein Vielfaches kleiner ist.
Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen betreffen die detaillierte Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung unten.
1 zeigt die Schritte des Sammelns von magnetischen Teilchen mit dem Stab aus einer kleinen Menge von Flüssigkeit in dem Gefäß gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt die Schritte des Abgebens der magnetischen Teilchen, die an dem Stab von 1 anhaften, in eine kleine Flüssigkeitsmenge in dem Gefäß von 1.
3 zeigt eine Vorrichtung der Erfindung, versehen mit Federeinrichtungen.
Genaue Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung
Der kreisartige Schacht 1, der in den 1 und 2 gezeigt ist, enthält an seinem Bodenzentrum eine Bodenausnehmung 2 mit relativ steilen Rändern. Es ist Flüssigkeit in der Schachtausnehmung.
Zusammen mit dem Schacht 1 wird ein Stab 3 verwendet, der einen kreisartigen Querschnitt und einen Durchmesser hat, der wesentlich kleiner als der Durchmesser des Schachtes, aber noch größer als der Durchmesser der Ausnehmung ist. Der Stab hat eine Innenbohrung, die am oberen Ende beginnt, und einen länglichen Permanentmagneten 4, der innerhalb der Bohrung bewegt werden kann. Wenn der Magnet in der unteren Position innerhalb des Stabes ist, können Magnetteilchen an der Stabspitze gesammelt werden (1). Der Spitzenteil 5 des Stabes verjüngt sich, um in der Bodenausnehmung 2 des Schachtes untergebracht zu sein.
Magnetteilchen, die an dem Stab 3 anhaften, können in die Flüssigkeit in dem Schacht 1 abgegeben werden (2). Zu diesem Zweck wird der Stab in den Schacht mit dem Magneten 4 in der unteren Position eingeführt, wird dann der Magnet entfernt, und danach der Stab ohne den Magneten, so dass die Teilchen in der Flüssigkeit in dem Schacht zurück bleiben. Entsprechend werden, wenn es Teilchen in der Flüssigkeit, die in dem Schacht enthalten ist, gibt, mit dem Magneten in der unteren Position die Teilchen aus der Flüssigkeit zu der Stabspitze hin gesammelt. Wenn der Stab und der Magnet zusammen entfernt werden, werden die Teilchen zusammen mit ihnen entfernt.
Der Spitzenteil 5 des Stabes 3 ist konkav und endet in einer scharfen Spitze. Somit werden, wenn Teilchen abgelöst werden, sie in die Ausnehmung 2 so vollständig wie möglich abgewischt, und wenn der Stab aus der Flüssigkeit angehoben wird, neigt er dazu, Flüssigkeit in einer möglichst kleinen Menge zurück zu halten. Wenn Teilchen gesammelt werden, haften sie an dem konkaven Teil der Spitze an, ihn als eine ringartige Masse umgebend. Die Ausnehmungswand hat eine passende konvexe Form, so dass die Lücke zwischen dem Stabspitzenteil und dem Schacht so klein wie möglich ist. Wenn die Stabspitze gegen den Ausnehmungsboden anliegt, findet die Flüssigkeit dank Adhäsion und Oberflächenspannung automatisch ihren Weg in diese Lücke. Die Flüssigkeit befeuchtet somit den vollständigen Spitzenteil, wo Teilchen vorhanden sein können, wie sie mit dem Stab in den Schacht gebracht wurden. Die Flüssigkeit verbleibt fest in der Lücke mit dem in der Ausnehmung in Position eingepassten Stab. Wenn der Stab aus der Ausnehmung angehoben wird, wird die Flüssigkeitsbedeckung, die den Spitzenteil umgibt, die Teilchen von der Oberseite zum Boden durch hydrodynamische Kräfte abstreifen.
Wenn die Lücke zwischen dem Stab und der Wand des Schachtes 1 groß genug ist, wird kein Flüssigkeitsring oder -teil davon, der zusammen mit dem Stab ansteigt, in dieser Lücke ausgebildet werden. Eine geeignete Lücke ist ungefähr 1 mm. In der Praxis erzielt eine Lücke von mehr als ungefähr 3 mm keinen zusätzlichen Vorteil in dieser Hinsicht. Um einen ansteigenden Flüssigkeitsring, der in Ausnahmefällen entstanden sein kann, zu zerstören, kann der Mündungsteil des Schachtes ferner aufgeweitet sein (siehe WO 94/18565 5). Die hohen Seitenwände des Schachtes hindern die Flüssigkeit am Darüberspritzen zur Außenseite. Auf diese Weise können, wann immer es erforderlich ist, Flüssigkeitsmengen, die viele Male größer als das Volumen der Bodenausnehmung 2 sind, in demselben Schacht verwendet werden.
Der Boden des Schachtes 1 hat eine Form, so dass eine kleine Flüssigkeitsmenge, die in den Schacht dosiert ist, natürlicherweise ihren Weg so vollständig wie möglich in die Bodenausnehmung 2 findet. In der Ausnehmung wird die freie Oberfläche der Flüssigkeit auf einem Minimum sein, so dass die Flüssigkeit dazu neigt, hier unter der Wirkung der Oberflächenspannung zu bleiben. Für die Flüssigkeit, die nicht in der Ecke zwischen dem Schachtboden und der Außenwand bleiben soll, wurde dieser Ecke eine leicht gekrümmte Form gegeben. Ein geeigneter Krümmungsradius der Ecke ist z. B. 0,5–2 mm, wie ungefähr 1 mm.
Der Boden des Schachtes 1 neigt sich vollständig von den Ecken zu der Bodenausnehmung 2. Somit wird die Flüssigkeit natürlicherweise in die Bodenausnehmung fließen.
Der Boden der Bodenausnehmung 2 in dem Schacht 1 enthält einen zentralen Horizontalbereich 6. Die Breite des Bereichs ist durch die Positioniertoleranzen bestimmt, so dass sicher gestellt ist, dass die Spitze des Stabes 3 immer diesen Horizontalbereich trifft. Es wird Positionierfehler geben, wenn die Schächte oder die Stäbe horizontal bewegt werden. Die Breite des Horizontalbereiches ist dann (wenigstens) das Doppelte des geschätzten Positionierfehlers. Die geeignete Breite des Bereichs ist typischerweise 0,5–2 mm, so wie ungefähr 1 mm. Aus demselben Grund ist die Lücke zwischen dem Spitzenteil 5 des Stabes und der Wand der Bodenausnehmung geringfügig größer am Bodenende als am oberen Ende. Das Ziel ist, die Lücke auf ein Minimum zu reduzieren. Sie ist typischerweise 0,1–2 mm.
Das Verhältnis der Länge zum Durchmesser des Magneten 4 ist ungefähr 13 : 1. Dank des langen Magneten werden die Teilchen so vollständig wie möglich genau an dem Spitzenbereich des Stabes 3 gesammelt. Aus demselben Grund ist die Höhe des Spit zenteils relativ klein verglichen mit dem Durchmesser des Magneten. Typischerweise ist das Verhältnis der Höhe des Spitzenteils zum Durchmesser des Magneten 1 : 1–1 : 2, wie ungefähr 1 : 1,5.
Bei der so genannten Mikrotitrationsplatte, wo die Schächte in 9 mm-Intervallen angeordnet sind, könnten die Dimensionierung eines gewöhnlichen Schachtes 1 und Stabes 3 folgendermaßen sein: Innendurchmesser des Schachtes 7 mm, Außendurchmesser des Stabes 4 mm, innere Tiefe des Schachtes (ohne die Bodenausnehmung 5) 10 mm, Tiefe der Bodenausnehmung und Höhe des Stabspitzenteils 1,5 mm, Breite des flachen Bodens 6 der Ausnehmung 1 mm, Krümmungsradius der Bodenecke der Wand ungefähr 1 mm, Krümmungsradius der Bodenausnehmungswand ungefähr 5 mm, Konkavitätsradius der Stabspitze ungefähr 4 mm, Höhe des Magneten 4 ungefähr 40 mm und Durchmesser des Magneten ungefähr 3 mm. Im Hinblick auf den Schacht einer Mikrotitrationsplatte ist ein solcher Magnet tatsächlich "überlang", jedoch kann dieser selbe Stab auch in größeren Schächten verwendet werden, z. B. mit einer Höhe von ungefähr 25 mm, wobei das Volumen bis zu einer Größenordnung von 500 μl ist. Ein ziemlich langer Magnet hat auch den Vorteil, leicht an den Stützstrukturen der Vorrichtung zu befestigen zu sein, ohne einen Zwischenadapter zu erfordern.
Die Bodenausnehmung 2 und der Stabspitzenteil stellen sicher, dass die Lücke zwischen der Wand des Schachtes 1 und dem Stab 3 groß genug ist, und dass der Stab den gesamten Weg zu dem Ausnehmungsboden eingeführt werden kann, ungeachtet von Positioniertoleranzen, die durch die Querbewegung verursacht werden.
Der Stab 3 kann auch in einem herkömmlichen Schacht mit einem flachen oder konkaven Boden verwendet werden.
Die Vertikalbewegung hat auch spezifische Toleranzen, und als ein Ergebnis erreicht die Spitze des Stabes 3 nicht notwendi gerweise immer ihre untere Position an dem Schachtboden. Mit typischen Vorrichtungstechniken ist der maximale Fehler, der dadurch verursacht wird, ungefähr ±0,5 mm. Die relative Neigung des Stabes und des Schachtes verursacht einen zusätzlichen Fehler. Der Fehler, der dadurch verursacht wird, kann typischerweise ungefähr ±0,3 mm. Die relative Neigung einer Platte, die mehrere Schächte enthält, und einer Matrix, die mehrere Stäbe enthält, verursacht einen zusätzlichen Fehler. Jedoch ist dieser Fehler klein im Vergleich zu jenen, die oben angegeben wurden.
Das Gefäß und der Stab können aus geeignetem Kunststoff hergestellt sein, z. B. Polypropylen.
Die Vorrichtung kann mit vertikalen Federeinrichtungen versehen sein, um Vertikalbewegungstoleranzen zu kompensieren.
Die Anordnung in der 3 verwendet eine Platte 7, die eine Mehrzahl von Reihen von Schächten 1 enthält. Ähnlich wurde eine Anzahl von Stäben gleich der Anzahl von Schächten in einer Reihe mit einem Arm parallel zu der Reihe verbunden, um eine insgesamt bewegte Reihe von Stäben zu bilden. Jeder Stab 3 hält einen Magneten 4, der an dem Arm 8 befestigt ist. An seinem oberen Ende hat der Arm Griffeinrichtungen 9, mit welchem der Arm vertikal bewegt wird. Die Platte ist auf einer Basis 10 angeordnet. Die Basis gibt in der Vertikalrichtung dank Vertikalfedereinrichtungen 11 nach. Wenn die Reihe von Stäben in die Schächte eingeführt wird, wird sie gegen den Boden 6 der Bodenausnehmungen 2 und selbst etwas weiter gefahren. Dann werden die Federn den Abstand zwischen der Spitze und dem Boden von jedem Stab auf ein Minimum ausgleichen (in der Praxis fast null).
Statt der Basis 10 kann der Befestigungsarm der Stäbe mit Federn versehen sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann jeder Arm 8 getrennt mit Federn versehen sein. Zu diesem Zweck sind die Griffeinrichtungen 9 gleitend zwischen einem oberen Stopp 12 und einem unteren Stopp 13 in dem Arm angeordnet, und gibt es zwischen den Greifeinrichtungen und dem unteren Stopp eine Feder 14, die die Greifeinrichtungen aufwärts drückt.
Die Federanordnung ist insbesondere nützlich, wenn sehr kleine Schächte (z. B. 5 bis 10 μl) verwendet werden. Sie ist auch insbesondere nützlich, wenn große Platten oder Platten verwendet werden, die zahlreiche Schächte enthalten.

Claims

Vorrichtung zum Sammeln von Magnetteilchen aus einer Flüssigkeit, wobei die Teilchen in einem Gefäß (1) enthalten sind, oder zum Abgeben der Teilchen in eine Flüssigkeit in dem Gefäß mittels eines Magnetstabes (3, 4), welcher Stab in das Gefäß eingesetzt und nach der Sammel- oder Abgabeoperation aus dem Gefäß entfernt wird, wobei die Vorrichtung vertikal elastische Einrichtungen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Stab in das Gefäß eingesetzt wird, der Stab gegen den Boden des Gefäßes abgesenkt wird, und dass zum Kompensieren eines Positionierfehlers die Elastikeinrichtungen (11; 14) in der Bewegungsrichtung des Stabes nachgeben, wenn der Stab gegen den Boden abgesenkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elastikeinrichtungen Federeinrichtungen (11; 14) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elastikeinrichtungen (11; 14) in einer Basis, die in der Vorrichtung für das Gefäß enthalten ist, oder in dem Stab oder in seinem Aktivierungsantrieb oder in einer Platte vorgesehen sind, die mehrere Gefäße enthält.