DE69522461T2

DE69522461T2 - Vorrichtung zum transfer magnetischer teilchen

Info

Publication number: DE69522461T2
Application number: DE69522461T
Authority: DE
Inventors: Jukka Tuunanen
Original assignee: Thermo Labsystems Oy
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Oy
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: JPH10508099A; FI971666A0; EP0788602B1; NO317663B1; WO1996012959A1; NO971805D0; FI120470B; RU2142631C1; FI971666A; DE69522461D1; NO971805L; US5942124A; JP3413430B2; EP0788602A1; FI944938A0

Description

TECHNISCHER BEREICH

Die Erfindung bezieht sich auf das Abtrennen magnetischer Teilchen aus einem Gemisch, das diese Teilchen enthält, und auf deren Übertragung in eine Flüssigkeit. Die Erfindung kann in verschiedenen Bereichen angewendet werden, insbesondere jedoch im Bereich der Biotechnologie, der Biochemie und der Biomedizin.
Magnetische Kleinstteilchen werden als Feststoffphase vielfach angewendet, um Biomaterial zu binden. Ein Vorteil von Kleinstteilchen, Mikropartikeln, ist der weite Bereich der Feststoffphase und auch die geringe Diffusionszeitdauer. Die Größe der Mikropartikel ist allgemein von 0,05 bis 10 und sie sind aus verschiedenen Materialien bestehend verfügbar und sie sind auch schon für verschiedene Anwendungsfälle aktiviert worden. Die Bewegung magnetischer Partikel kann durch ein magnetisches Feld bewirkt werden.
Die derzeit verwendeten Verfahren zum Abtrennen magnetischer Partikel bzw. Teilchen schließen das Einbringen eines Reaktionsbehälters in ein magnetisches Feld so ein, dass die Partikel zu sogenannten Pellets am Boden des Behälters akkumuliert werden. Danach wird die von den Partikeln befreite Flüssigkeit dekantiert oder abgesaugt. Dieses Entfernen der Flüssigkeit aus dem Behälter muß sehr sorgfältig geschehen, um nicht gleichzeitig auch Partikel aus dem Behälter zu entfernen.
In der Patentpublikation EP-140787 (die der Patentpublikation US-4649116 entspricht) wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem magnetische Partikel von einer Flüssigkeit abgetrennt werden, wozu eine magnetische Stange verwendet wird, die in die Flüssigkeit eingetaucht wird. Von der Stange werden die Partikel dann mittels eines stärkeren Magneten entfernt.
In der Patentpublikation WO-87/05536 wird eine Vorrichtung zum Abtrennen magnetischer Partikel vorgeschlagen, die eine in einer vertikalen Bohrung bewegbare und an ihrem unteren Ende mit einem Magneten versehene Stange enthält. Die Vorrichtung wird mit dem Magneten in der unteren Stellung in eine Partikel enthaltende Flüssigkeit eingeführt, so dass die Partikel am Ende der Stange gesammelt werden. Befindet sich die Stange in einer oberen Stellung, so können die Partikel von ihr entfernt werden. Auf diese Weise können Partikel gesammelt und von einer Flüssigkeit in eine andere eingebracht werden. Die Spitze der Vorrichtung ist wie ein Zylinder ausgebildet, der dünner ist als ein ihn tragender Arm.
Inder Patentpublikation WO-94/18565 wird ein Prüfverfahren vorgeschlagen, bei dem magnetische Partikel von einer Flüssigkeit durch Verwendung einer Stange abgetrennt werden, die eine konische Spitze aufweist und der ein bewegbarer Magnet zugeordnet ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 weist die Stange einen konkaven und kegelförmigen Spitzenteil auf, Partikel werden jedoch oberhalb dieses Spitzenteils gesammelt, wie aus Fig. 2b zu ersehen ist.
Die vorgeschlagenen Abtrennvorrichtungen und -verfahren für magnetische Partikel sind nicht sehr gut für Anwendungsfälle geeignet, bei denen Partikel in sehr kleine Behälter übertragen werden müssen. Die bekannten Vorrichtungen sind für solche Anwendungsfälle nicht sehr gut geeignet, wenn auf irgend eine Weise Partikel einem Volumen entnommen werden sollen, das gegenüber dem Abtrennmittel groß ist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Allgemeine Beschreibung

Es wurde demzufolge eine Transfervorrichtung gemäß Anspruch 1 erfunden. Einige vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in anderen Ansprüchen wiedergegeben.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Langgestreckten Grundkörper der ein Mittel enthält, das dazu benutzt werden kann, ein magnetisches Feld in der Richtung des Grundkörpers zur Spitze des Grundkörpers hin auszurichten, wenn Partikel auf der Spitze versammelt werden sollen, und die Wirkung des magnetischen Feldes auszuschalten, wenn diese Partikel gegenüber der Spitze freigegeben werden sollen. Ein solches magnetisches Feld ist insbesondere in solchen Fällen vorteilhaft, in denen Partikel zunächst auf andere Weise gesammelt wurden, beispielsweise als eine Partikelkonzentration auf der Wand eines Testrohres. Der Spitzenteil des Grundkörpers ist kegelförmig und weist eine konkave Oberfläche auf. Die Länge des Spitzenteils sollte etwas größer sein als die Höhe des Behälters, in den die Partikel freigegeben werden sollen. Der Querschnitt des Spitzenteils an seinem oberen Ende kann dagegen geringfügig kleiner sein als der Querschnitt des Behälters. Wenn die Spitze in den Behälter eingeführt worden ist, steigt die Flüssigkeitsoberfläche unter dem Einfluß der Oberflächenspannung entlang der Oberfläche der Spitze nach oben. Die Kante der sich nach oben bewegenden Flüssigkeitsoberfläche wischt die Partikel von der Spitze ab und diese gelangen in die Flüssigkeit. Die Absonderung kann dadurch gefördert werden, dass der Grundkörper mit der Spitze in seiner Längsrichtung hin und her bewegt wird. Entsprechend bewegt sich beim Herausziehen die Oberfläche der Flüssigkeit als zusammenhängender Film zum Ende der Spitze hin. Auf diese Weise bewegen sich Flüssigkeit und Partikel entlang dem Grundkörper im Spitzenbereich zur Spitze hin und kommen schließlich von dieser vollkommen frei.
Der Querschnitt des Spitzenteiles ist vorzugsweise kreisförmig, grundsätzllich ist jedoch auch jede andere Querschnittsform hinnehmbar. Beispielsweise könnte eine Keilform für trogförmige Behälter mit Rechteckform möglich sein.
Die Spitze kann vorzugsweise scharf sein. Von einer solchen scharfen Spitze ist das Abtropfen in bester Weise möglich. Darüberhinaus erleichtert eine scharfe Spitze das Plazieren der Spitze im Behälter, wenn diese Spitze bis zum Boden des Behälters in diesen eingeführt werden soll.
Vorzugsweise ist der Grundkörper mit einer langgestreckten schützenden Abdeckung versehen, die eine mit einem Stangenmagenten versehene bewegliche Stange aufnimmt, die in der Längsrichtung der schützenden Abdeckung verläuft. Das Verhältnis der Länge des Stangenmagneten zu seinem Querschnitt ist zumindest etwa 2 : 1, vorzugsweise etwa 3 : 1 und nochmals vorzugsweiser etwa 12 : 1. Beides, Festigkeit und Gradient, des magnetischen Feldes, wie sich beides auf diese Weise ergeben, sind am Stangenende am stärksten und, wenn sich der Magnet in seiner untersten Position befindet, sammeln sich Partikel aus dem Gemisch am Spitzenteil der schützenden Abdeckung am konzentriertesten an.
Der Stangenmagnet bzw. die magnetische Stange besteht vorzugsweise aus einem Permanentmagneten und einer ferromagnetischen Halterung, die dessen Verlängerung enthält.
Der Stangenmagnet ist vorzugsweise ausreichend lang, damit beim Anlagern von Partikeln das obere Ende seines Dipols stets oberhalb der Gemischoberfläche bleibt. Sollten Partikel aus der Form einer Manschette gesammelt werden, die höher als der Dipol ist, muß darauf geachtet werden, dass die Partikel an der Spitze zuerst vom oberen Ende der Manschette gesammelt werden, sodass das obere Ende des Dipols während der gesamten Zeit oberhalb der Partikel bleibt. Sollen Partikel aus besonders kleinen Volumen eingesammelt werden, so sollte sich der Magnet vorzugsweise vollständig oberhalb der Oberfläche befinden. Nur das magnetische Feld erstreckt sich zum Gemisch und das untere Spitzenteil wird vollständig befeuchtet, wenn die Spitze gegen den Boden des Behälters plaziert ist.
Wenn der Magnet mit einer ferromagnetischen Halterung versehen ist, so dienen der Magnet und die magnetisierte Halterung zusammen als langer Stangenmagnet. Die Halterung blendet den Gradienten des oberen Poles des Feldes aus, worauf der obere Pol kein Partikeleinsammeln bewirkt. Auf diese Weise kann der lange Stangenmagnet mit geringen Herstellungskosten gefertigt werden. Es ist jedoch selbst mit einer ferromagnetischen Halterung zweckmäßig, einen relativ langen Magneten zu verwenden (beispielsweise mit einer Länge des etwa 2- bis 10-fachen des Durchmessers). Die Länge des Magneten wird vorzugsweise so gewählt, dass für den in Frage kommenden Magneten eine maximale interne und permanente Feldstärke gegeben ist.
Der Querschnitt des Stangenmagneten kann kreisförmig, aber auch beispielsweise rechteckig sein. Im Hinblick auf sowohl die Herstellung als auch die Verwendung, ist die Kreisform der vorzuziehende Querschnitt. Beispielsweise ist in diesem Fall das Verdrehen des Magneten um seine Achse ohne Einfluß. Grundsätzlich kann die Stange auch mit gebogener Form versehen sein, um den Bewegungsmechanismus zu vereinfachen.
Die Schutzabdeckung am oberen Ende der Stange kann abhängig vom Gebrauch verschiedene Formen haben. Normalerweise ist sowohl im Hinblick auf Herstellung als auch im Hinblick auf Gebrauch die Kreisform der vorzuziehende Querschnitt. Um die Festigkeit zu erhöhen kann die Schutzabdeckung konisch ausgebildet sein, was die Herstellung im Spritzgußverfahren erleichtert. Die Abdeckung kann beispielsweise aus Polypropylen hergestellt sein.
Die Verbindung zwischen Magneten und Halterung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass Halterung und Magnet in geringer Länge ineinander stecken. Auf diesem Wege kann die Ausbildung eines starken Verbindungsgradienten vermieden werden, der möglicherweise Partikel sammelt.
Die beste Möglichkeit, Partikel aus der Flüssigkeit abzutrennen, besteht darin, die Partikel zunächst in kleinen Bereich des Behälters zu konzentrieren, von wo sie unter Verwendung der Stange eingesammelt werden. Die Konzentration kann dadurch bewirkt werden, dass die Partikel unter Einsatz des Zentrifugierens dem Einfluß der Schwerkraft ausgesetzt werden oder dass die Partikel unter Einsatz eines magnetischen Feldes zur Anlagerung an der Behälterwand von dieser angezogen werden. Die Verwendung eines Magneten dürfte in den meisten Fällen die zweckmäßigste Lösung sein.

Zeichnungen

Einige vorteilhafte Anwendungsfälle der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft beschrieben. Die beschreibungsgemäßen Zeichnungen enthalten
Fig. 1, die ein Abtrennmittel gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2, die die Verwendung des Mittels der Fig. 1 zum Sammeln von Partikeln aus einer Suspension zeigt,
Fig. 3, die die Verwendung des Mittels der Fig. 1 zur Freigabe der gesammelten Partikel zeigt, und
Fig. 4, die in größerer Darstellung eine Einzelheit des Spitzenabschnitts des Abtrennteiles gemäß Fig. 1 beim Freigeben von Partikeln in den Behälter zeigt.

Beispiele

Die Abtrennstange gemäß Fig. 1 schließt eine langgestreckte Schutzabdeckung 1 ein, die mit einer Längsbohrung 2 versehen ist. Schutzabdeckung und Längsbohrung sind an ihren unteren Enden leicht konisch. Das obere Ende des Grundkörpers schließt einen Griff-Flansch 3 ein.
In der Bohrung 2 befindet sich frei eine Magnetstange 4. Der Magnetstange 4 ist am unteren Ende gleichachsig ein Stangenmagnet 5 zugeordnet, dessen oberes Ende sich in einer ferromagnetischen Haltestange 6 fortsetzt. Das obere Ende der Haltestange 6 ist mit einem Griffknopf 7 versehen.
Das untere Ende der Abdeckung ist mit einem kegelförmig spitz zulaufenden Spitzenteil 8 versehen, dessen Außenfläche konkav ausgebildet ist. Die Länge des Spitzenteils 8 entspricht etwa der Dicke des unteren Endes der Abdeckung.
Fig. 2 zeigt das Einsammeln von Partikeln von der Wand des Testrohres, auf der sie zunächst unter Anwendung eines Magneten in der Form eines vertikalen Streifens 9 niedergeschlagen worden sind. Durch Entlangstreichen der Spitze der Stange an dem Partikelstreifen werden die Partikel veranlaßt, an der Spitze der Schutzabdeckung 1 der Stange anzuhaften und eine ringförmige Partikelansammlung 10 zu bilden. Solange der Magnet 5 im Bereich des unteren Endes der Bohrung 2 gehalten wird, bleiben die Partikel haften. Sollen die Partikel freigegeben werden, so wird die Magnetstange nach oben verstellt.
Das Spitzenteil 8 ist besonders so ausgebildet, dass Partikel in sehr kleine Behälter übertragen werden können, wie es die Näpfchen 11 einer sogenannten HLA-Platte sind (Fig. 3).
Fig. 4 ist eine größere Wiedergabe des Spitzenteiles 8 in einem Näpfchen 11. Das Spitzenteil 8 ist etwas länger als das Näpfchen tief ist. Ist das Spitzenteil 8 in das Näpfchen eingeführt, so steigt die Flüssigkeit mit ihrer Oberfläche unter dem Einfluß der Oberflächenspannung entlang der Oberfläche des Spitzenteils 8 nach oben. Die Kante der sich bewegenden Oberfläche der Flüssigkeit schwemmt die Partikel von der Spitze weg in die Flüssigkeit. Das Ablösen kann durch Bewegen der Stange bewirkt werden. Entsprechend bewegt sich beim Herausnehmen des Spitzenteils aus dem Näpfchen die Oberfläche der Flüssigkeit als einheitlicher Film zum scharfen Ende des Spitzenteils. Auf diese Weise werden Flüssigkeit und Partikel von dem Spitzenteil vollständig entfernt.
Wird eine konisch gewölbte Näpfchenform gemäß Fig. 4 verwendet, so liegt zwischen der Flüssigkeit und Spitze das Spaltminimum zwischen der Kante der unteren Fläche und der oberen Kante des Näpfchens vor. Unter dem Einfluß der Oberflächenspannung versucht die Flüssigkeit, ihren Bereich zu minimieren, wobei sich die Flüssigkeit gleichmäßig um die Spitze herum verteilt und dabei den gesamten unteren Kragen bedeckt. Die Suche nach der minimalen Spaltweite wird sehr rasch bewirkt, wobei die Flüssigkeitsströmung die Partikel von der Oberfläche des Spitzenteils abschwemmt. Wird das Spitzenteil langsam von der Flüssigkeit entfernt, so sucht die Flüssigkeit in jedem Augenblick ihren Minimumbereich und die Oberfläche tendiert dazu, geschlossen zu bleiben. Schließlich wird auch die äußerste Spitze des Spitzenteils in nahezu trockenem Zustand aus der Flüssigkeit herausgezogen.
Sollen Partikel freigegeben werden, so kann die schützende Abdeckung an ihrer Spitze auf dem Böden des Behälters abgestützt werden.
Das Verhältnis zwischen der Länge des Magneten 5 zu seiner Dicke ist etwa 10 : 1 und das Verhältnis der Länge der Haltestange zur Länge des Magneten ist etwa 5 : 1. Die Haltestange ist etwas dicker als der Magnet, und das obere Ende des Magneten ist innerhalb des unteren Endes der Haltestange eingebettet auf einer Länge von etwa seiner doppelten Dicke.

Claims

1. Mittel zum Abtrennen magnetischer Teilchen aus einem sie enthaltenden Gemisch, um sie in eine in einem Kessel befindliche Flüssigkeit zu übertragen, wobei dieses Mittel enthält:

- einen langgestreckten Grundkörper (1; 1') mit einem oberen und einem unteren Ende,

- ein konkav stetig sich verjüngendes Spitzenteil (8), das sich bis zum unteren Ende des Grundkörpers erstreckt und

- eine dem Grundkörper zugeordnete magnetische Stange (4), die dazu benutzbar ist, ein magnetisches Feld so ausgerichtet auszubilden, dass der Grundkörper Teilchen sammelt und der Effekt des Feldes, Teilchen wieder vom Grundkörper zu trennen, ausgeschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die magnetische Stange (4) dazu verwendet wird, im Bereich des Spitzenteiles (8) Teilchen zu sammeln und den Effekt des Feldes, Teilchen wieder vom Bereich des Spitzenteiles zu trennen, ausgeschaltet ist.

2. Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Spitzenteils (8) kreisförmig ist.

3. Mittel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Spitzenteiles (8) spitz ist.

4. Mittel nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Grundkörpers (1; 1') mit einem in der Längsrichtung des Grundkörpers vertikal verlaufenden Stangenmagneten (5) versehen ist.

5. Mittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper eine in der Längsrichtung des Grundkörpers verlaufende Magnetstange (4) aufweist, wobei das Verhältnis Länge der Stange zu ihrer Dicke zumindest etwa 2 : 1, vorzugsweise etwa 3 : 1 ist.

6. Mittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetstange (4) einen vertikalen Stangenmagneten (5) enthält, der ihrem unteren Ende zugeordnet ist, während ihrem oberen Ende eine ferromagnetische Halterung (6) zugeordnet ist.

7. Mittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge der Magnetstange (4) zu ihrer Dicke zumindest etwa 12 : 1 beträgt.

8. Mittel nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des vertikalen Stangenmagneten (5) und das untere Ende der ferromagnetischen Halterung (6) ineinanderstecken.

9. Mittel nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Spitzenteiles (8) größer ist als die Länge des Kessels (11), in dem die Teilchen sich befinden.

10. Mittel nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite des Spitzenteiles (8) an ihrem unteren Ende kleiner ist als die Weite des Kessels (11), in dem die Teilchen sich befinden.

11. Verfahren zum Abtrennen magnetischer Teilchen aus einem sie enthaltenden Gemisch, um sie in eine in einem Kessel befindliche Flüssigkeit zu übertragen, wobei für die Übertragung ein Mittel verwendet wird, das enthält:

- ein konkav stetig sich verjüngendes Spitzenteil (8), das sich zum unteren Ende des Grundkörpers hin erstreckt und

- eine dem Grundkörper zugeordnete magnetische Stange (4), die dazu verwendbar ist, dem Grundkörper ein magnetisches Feld ausgerichtet zuzuordnen, um an diesem Teilchen zu sammeln und den Effekt auszuschließen, dass Teilchen wieder freikommen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die magnetische Stange (4) dazu verwendbar ist, dass am Spitzenteil (8) ein langgestrecktes magnetisches Feld ausgebildet wird, um am Spitzenteil Teilchen zu sammeln und die Wirkung auszuschließen, dass diese Teilchen wieder vom Spitzenteil freikommen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel einen Magneten enthält, der in seiner Gesamtheit oberhalb der Oberfläche des Gemisches sich befindet, wenn Teilchen gesammelt sind.