JP2005205367A

JP2005205367A - 磁気分離装置

Info

Publication number: JP2005205367A
Application number: JP2004017214A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kikuchi; 慶子菊地; Masahiro Mita; 正裕三田; Masahiro Masuzawa; 正宏増澤; Hiromitsu Itabashi; 弘光板橋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】磁場勾配がより急峻かつ磁場の絶対値もより強く、磁気ビーズを吸着する磁気的吸引力が強力で、磁気分離時間の短縮が図れる磁気回路を提供する。
【解決手段】略円筒状の磁気回路を用いた磁気分離装置であって、前記円筒状磁石の内径側断面に平行な磁界を発生する様に、前記磁気回路は中心からＮ分割された（Ｎは４以上の偶数）永久磁石セグメントから構成され、隣接する永久磁石セグメントは互いに磁化方向が異なり、前記隣接する永久磁石セグメントの磁化方向の位相角θの総和が720度となるように前記磁気回路を構成し、かつ前記磁気回路の軸方向の少なくとも片面を凹形状としたことを特徴とする磁気分離装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、免疫学，組織適合性検査，癌研究，移植医学，細菌学，寄生虫学，DNAテクノロジー，臨床化学等の分野での物質あるいは細胞の分離精製技術、より狭くは、磁気を用いた分離精製技術に用いる磁気分離装置に関する。

従来から、夾雑物を多数含んだ水溶液から特定の目的物質、例えばデオキシリボ核酸（DNA）の分離精製が行われてきた。この分離精製手法としてIMS法が用いられている。
IMS法は、（１）水溶液中の目的物質を磁気ビーズにより捕獲、（２）磁気ビーズを磁気分離装置１により分離、（３）磁気ビーズから目的物質を解放、という工程からなる。以下、図１０に沿って順を追って説明する。

まず、図１０のStep1に示すように非磁性試験管５の中に目的物質を予備濃縮した水溶液４を入れる。次にStep2に示すように目的物質を捕獲するための磁気ビーズ６を水溶液４中に入れる。この磁気ビーズは、軟磁性を持ったコアを親水性ポリマーで被いなめらかな表面にすると同時に目標となる有機物質等を選択的に捕獲する抗体あるいは他の分子を結合出来るように修飾を施したものである。これにより目的物質を磁気ビーズの表面に捕獲した状態の水溶液７を得る。
次にStep3に示すように、水溶液７中から目的物質を捕獲した磁気ビーズ８を磁気回路１により分離する。すなわち、試験管の外側から磁気回路１により磁場勾配を加えることにより、磁気ビーズ８を磁気回路１の近傍に集めて固定する。
次にStep4に示すように、磁気ビーズ８から目的物質を解放するため、残った夾雑物９をピペットなどにより取り除く。次にStep5に示すように、新たな試薬１０を非磁性試験管５の中に入れ、磁気回路１を取り除いて磁気ビーズ８を新たな試薬１０中に分散させる。この新たな試薬１０は磁気ビーズ６の表面に捕獲されている目的物質を、磁気ビーズと分離させる機能を持つものを使用する。次にStep6に示すように、再度磁気回路１を非磁性試験管５に近づけて磁気ビーズ６のみ試験管内壁に吸着・固定させることで磁気ビーズ６と目的物質の精製液１２を分離することができる。
このようにIMS法は、磁気ビーズと磁気回路という要素で構成される非常にシンプルな仕組みである。従って、その磁気分離精製の高効率化を図る上で、磁気回路が発生する磁界の検討が重要である。この磁気ビーズを分離する磁気回路としては、単板あるいはリングといった単純な形状の永久磁石が用いられていた。

ここで、磁気ビーズの吸着力は、磁気ビーズが浮遊する水溶液中での磁場勾配に比例する。また、磁場勾配が急峻であっても磁場自体が弱いと、結果として急峻な磁場勾配を得られる領域はごく狭くなってしまう。そのため、磁気回路着脱１回当り磁気ビーズ１層分程度しか目的物質が分離できず、所望仕様の分離精製を達成するために何回もの磁気回路着脱を要する。強い磁場を得る磁気回路としては、特許文献１や、図７、図８に示すようなリング状のハルバッハ型磁気回路が、磁石の残留磁束密度の数倍と非常に強い磁場を発生する手段として従来から知られている。しかしながら磁気分離用途への採用という観点では、中央空洞部では強い磁場強度が得られるものの、磁場勾配はほとんど無く、磁気分離用途には不向きである。また、軸方向に磁場は緩やかに減衰し、図７のように磁気回路よりも外側に試料を配置しても磁場強度は中央空洞部の1/3弱と弱く、磁気勾配もかなり緩やかになってしまい、磁気回路へ磁気ビーズを磁気吸着させる１回当りの捕獲量が少なくなり、所望の分離精製を達成するために何回もの磁気回路への磁気ビーズの捕獲工程を要する。
特開２００２−２８９４２５号公報（（０００６）、図１）

従来使用されてきた直径２μｍ〜１０μｍ程度の大きさの磁気ビーズに対して、近年１μｍあるいはそれ以下の直径を持つ磁気ビーズも開発されるようになり、これに伴い分離精製時間が増大するという問題点が出てきた。
この小さい磁気ビーズの特徴として、目的物質の計数の容易さが挙げられる。磁気ビーズを小さくする事により、磁気ビーズ１個につき一つの目的物質を捕獲させる事で、目的物質の数を、磁気ビーズの数を磁気的に数えることで後処理の試薬を用いることなく計数する事が可能になる。あるいは、小型の目的物質を捕獲する場合にも、小さい磁気ビーズの方が便利である。
しかし、磁気ビーズが小さくなるに従い、磁気ビーズの永久磁石への吸着力が弱くなる。また、修飾が施されている磁気ビーズでは親水性が高いこともあり、目的物質が混入している夾雑物と混合されている水溶液の粘性に打ち勝って磁気回路１の近傍に集まる時間が長くなる傾向にある。

ここで、磁気ビーズの吸着力は、磁気ビーズの存在している場所の磁場の絶対値|B|および磁場勾配|ΔB|に比例する。磁場の絶対値は、磁気ビーズの分極の度合い、すなわち、磁気ビーズ自体の吸着されやすさの度合いを示し、磁場勾配は、分極した磁気ビーズに対して作用する磁場の吸着度合いを示す。さらに、磁場勾配が急峻であっても磁場自体が弱いと、結果として急峻な磁場勾配を得られる領域はごく狭くなってしまう。そのため、磁気回路着脱１回当り磁気ビーズ１層分程度しか目的物質が分離できず、所望仕様の分離精製を達成するために何回もの磁気回路着脱を要する。
例えば、直径10nm(1/100μm)の酸化鉄を磁性体とする磁気ビーズを、従来の回路を用いて吸着を試みた場合、８０％の磁気ビーズを磁石近傍に吸着、分離するのに数回程度磁気回路の着脱を要した。この分離時間は研究や新薬の開発にあたって大きな律速段階となり、分離時間の短縮が図れる新たなより強力な磁気回路、すなわち、磁場勾配がより急峻かつ磁場の絶対値もより強い磁気回路の採用が必要となっている。

本発明は上記した問題点を解消するもので、磁場勾配がより急峻かつ磁場の絶対値もより強く、磁気ビーズを吸着する磁気的吸引力が強力で、磁気分離時間の短縮が図れる磁気分離装置を提供する。

この、分離精製時間が長いという課題を解決する為にハルバッハ型の磁気回路を用い、意図的に磁気回路の外側に磁場が形成されるように構成し、磁気回路から遠ざかるに伴い減少する漏洩磁束を出すことで、より急峻な磁場勾配かつより高い磁場の絶対値が得られ、磁気分離時間短縮に貢献できる磁気回路を発明した。
つまり、本発明は、略円筒状の磁気回路を用いた磁気分離装置であって、前記円筒状磁石の内径側断面に平行な磁界を発生する様に、前記磁気回路は中心からＮ分割された（Ｎは４以上の偶数）永久磁石セグメントから構成され、隣接する永久磁石セグメントは互いに磁化方向が異なり、前記隣接する永久磁石セグメントの磁化方向の位相角θの総和が720度となるように前記磁気回路を構成し、かつ前記磁気回路の軸方向の少なくとも片面を凹形状としたことを特徴とする。ここで略円筒状とは図１に示すような円柱状形状も含むものとする。また、位相角θの総和が720度とは、図２（ａ）の磁気回路に示すように永久磁石セグメントＳ１からＳ１２までの磁化方向の角度差を総和したものが７２０度であればよい。好ましくは磁化方向が線対称になるように永久磁石セグメントを構成する。また、各角度差θはθ＝７２０／Ｎ（度）と一定であることが好ましい。この凹形状の部分に被試験体を配置することで短時間での磁気分離が可能となる。

この磁気回路の凹形状の深さ（図２中のＬ）が磁気回路の半径に対して0.2〜1.0倍であることが好ましい。0.2より小さいと凹部内での磁場の絶対値が低くなり磁気分離に適さない。また1.0を超えると磁場の絶対値が低くなると共に測定試料の取り回しが困難となり不具合が生じる。さらに好ましい磁気回路の形状は、磁気回路の凹形状の深さ（図２中のＬ）が磁気回路の半径に対して0.3〜0.8倍となる形状である。

永久磁石セグメントの磁化方向は軸に沿った断面で測定した場合、軸の垂直方向に対して傾きをもたせれば、さらに凹形状での磁場強度および磁場勾配は大きくなる。この磁化方向の軸の垂直方向に対する傾きが５〜５５°であれば最大６００Ｔ／ｍｍ以上の磁場勾配が得られる。10〜50°が更に好ましく、１５〜４５°が更に好ましい傾きの範囲である。

本発明は、異なった角度に着磁された永久磁石を複数、円筒状に組み合わせた磁気回路により、磁気分離時間を格段に短縮し、より小型の目的物質の捕獲も可能である磁気分離装置を提供することができる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
本発明の一実施例に関わる磁気分離装置の要部の斜視図を図１に示す。また、図１の磁気回路の軸断面での磁化方向を図２（ａ）に、軸に沿った断面での磁化方向を図２（ｂ）に示す。図１斜視図および図２（ａ）ｘｙ断面図に示すように、永久磁石セグメントを複数(図ではＳ１〜Ｓ１２の12個)、円筒状に組み合わせた。ここで各々の永久磁石セグメントは、隣接するセグメントが互いに異なる磁化方向としたＮ分割（Ｎは４以上の偶数）の永久磁石セグメントを有し、前記隣り合う永久磁石セグメントの磁化方向が交差してなす磁化方向の位相角θをθ＝720/N（度）とし、当該磁化方向を連続的に変化させることにより磁気回路を構成した。磁気回路の外寸は円柱の外径が40mm、軸方向の長さが40mmである。磁石材料はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石(残留磁束密度1.4Ｔ)を12個用いた。また、凹形状の深さＬは磁気回路の外周の高さより１０ｍｍ低い形状とした。凹部の中心の底部は直径５ｍｍの平坦な形状とし、その周囲はすり鉢状になるよう一定の傾きで形成した。
図３に磁気回路の磁場分布コンター図を示す。破線が非磁性試験管５の配置される位置である。非磁性試験管の厚みを０．５ｍｍと仮定し、サンプル配置位置は底部上端から0.5mm位上方からと想定した。磁場の高さ等高線で表示している。磁石の磁化方向はxy面内とした。磁場の等高線間隔が非常に狭いことが明らかであり、急峻な磁場勾配が得られている。最大の磁場（磁束密度）は底部近傍での２．４Ｔであり、また、最大の磁場勾配は５６７Ｔ／ｍｍであった。凹形状の中心部での磁束密度を軸方向に沿って測定した結果を図４に示す。底部からの高さをｚとするとｚ＝９（ｍｍ）の高さまで０．５Ｔ以上の磁束密度が得られた。この磁気回路を用いて、酸化鉄を磁性体とする直径10nm(1/100μm)の磁気ビーズを用いて、水溶液から磁気ビーズの磁気分離を試みた。その結果、非磁性試験管を1回だけ磁気回路に着脱しただけで８０％の磁気ビーズを磁石近傍に吸着・分離することができた。

（比較例１）
従来のいわゆる内側2極ハルバッハ磁気回路の斜視図を図７に示す。また、図７の磁気回路の軸断面での磁化方向を図８（ａ）に、軸に沿った断面での磁化方向を図８（ｂ）に示す。図８（ａ）ｘｙ断面図に示すように、永久磁石セグメントを円筒状に組み合わせ、中央空洞部Ｃ１０に均一な高い磁場が発生する。すなわち、磁化方向の異なる磁石を組み合わせることにより、図８(ａ)に示すように磁束の流れ１３を中央空洞部Ｃ１０に集中させ、中央空洞部内に内径側断面ｘｙ面に平行な強力磁場２を発生させる。また、中央空洞部に磁場を集中させるため一般に、図８（ｂ）のように磁化は軸方向ｚ方向に垂直に向けられる。
磁気回路１ｂの外半径と内半径との比を大きくしていくと、永久磁石の残留磁束密度を超す強い磁束密度Ｂが得られ、中央空洞部Ｃ１０に強力な磁場が発生する。磁気回路の外径および長さは実施例１と同一とした。
この磁気回路１ｂの磁場分布コンター図を図９に示す。実施例１と同様に非磁性試験管の厚みを０．５ｍｍと仮定し、サンプル配置位置は回路上端から0.5mm位上方からと想定した。磁場の高さを等高線で表示している。中央空洞部では磁石Brより強い磁場が得られるものの、磁場勾配はほとんど無い。従って、中央空洞部への磁気分離用サンプル配置は不向きであることが分かった。さらに磁場は長手方向に緩やかに減衰し、図９のように回路上側に非磁性試験管５を配置する場合、磁場強度は中央空洞部の1/3弱と磁石のBrより弱くなってしまう。また、図の等高線間隔が急激に広くなることからも明らかなように、磁気勾配もかなり緩やかである。最大の磁束密度は回路上端側では０．８Ｔであり、また、最大の磁場勾配は１４７Ｔ／ｍｍと実施例１よりもかなり低い値であった。また、実施例１と同様に中心部での磁場（磁束密度）の分布を軸方向に沿って測定した結果を図４に示す。回路上端からの高さをｚとするとｚ＝２（ｍｍ）の高さまでしか０．５Ｔ以上の磁束密度が得られなかった。
この磁気回路を用いて酸化鉄を磁性体とする直径10nm(1/100μm)の磁気ビーズを用いて、水溶液から磁気ビーズの磁気分離を試みた。その結果、非磁性試験管を５回磁気回路に着脱しないと実施例１と同程度にまで磁気ビーズを磁石近傍に吸着・分離することができなかった。

（実施例２）
凹形状の深さＬを０ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍとし、底部からの高さにより磁束密度がどのように変化するかを調べた。磁場（磁束密度）の分布を図５に示す。凹形状部を深くするほど、磁場勾配は緩やかになるが、磁場が強く有効長も長くなることが解った。表１に凹形状の深さＬに対する最大の磁場（磁束密度：Ｔ）、磁場勾配（Ｔ／ｍｍ）、有効長（ｍｍ：磁場勾配が５０Ｔ／ｍｍ以上得られる高さ）を纏める。例えばサンプル液10mmの深さ、磁場勾配300T/mmで評価すると、凹形状部の深さＬは5〜20mm(円柱外半径20mmの0.2〜1倍)が望ましい値である。

（実施例３）
磁石磁化を軸の垂直方向に対して−１５°、０°、３０°傾けた場合の、磁気回路軸方向の磁場分布を図６に示す。プラス方向(凹部に磁場が集中する図２(ｂ)側)に磁化を傾けると、磁場強度・勾配とも増加する。また、−１５°から60°まで磁化を傾けた場合の最大の磁束密度、最大の磁場勾配、有効長を表２に示す。傾斜角30°付近で磁束密度と磁場勾配に極大点が見られる。すなわち、凹部形状効果のみ利用した実施例１(2.4T、567T/mm)に比べ、磁化を傾けることにより(2.8T、640T/mm)と、強度・勾配ともさらに顕著な改善が見られる。また、有効長も約3割増加している。従って、磁化の軸方向傾き角が、５〜５５°程度、望ましくは１５〜４５°とすることにより、さらに磁場勾配が急峻かつ磁場強度自体も強い磁気回路が実現される。
磁石磁化を軸方向に30°傾けた場合について、実施例１と同様に酸化鉄を磁性体とする直径10nm(1/100μm)の磁気ビーズを用いて、水溶液から磁気ビーズの磁気分離を試みた。その結果、非磁性試験管を1回だけ磁気回路に着脱しただけで９０％以上の磁気ビーズを磁石近傍に吸着・分離することができた。

本発明の一実施例に関わる磁気分離精製用磁気回路の斜視図である。本発明の一実施例に関わる磁気分離精製用磁気回路の断面図である。本発明の磁気回路の磁場分布コンター図である。本発明の一実施例における磁気回路軸方向の磁場分布である。本発明の他の実施例における磁気回路軸方向の磁場分布である(凹形状部の深さ依存性)。本発明の他の実施例における磁気回路軸方向の磁場分布である(磁気回路構成磁石の軸方向傾斜角依存性)。従来比較例の磁気回路の斜視図である。従来比較例の磁気回路の断面図である。従来比較例の磁気回路の磁場分布コンター図である。磁気分離精製手法の流れ図である。

符号の説明

１，１ｂ：磁気回路
Ｓ１〜Ｓ１２：永久磁石セグメント
Ｃ１０：中央空洞部
２：漏洩磁界
３：磁石の着磁方向
４：目的物質を予備濃縮した水溶液
５：非磁性試験管
６：磁気ビーズ
７：磁気ビーズが目的物質を捕獲した状態の水溶液
８：目的物質を捕獲した磁気ビーズ
９：目的物質以外の夾雑物が残された水溶液
１０：目的物質を磁気ビーズから解放する試薬
１１：磁気ビーズが目的物質を解放した状態の水溶液
１２：目的物質の精製物
１３：磁束の流れ

Claims

略円筒状の磁気回路を用いた磁気分離装置であって、前記円筒状磁石の内径側断面に平行な磁界を発生する様に、前記磁気回路は中心からＮ分割された（Ｎは４以上の偶数）永久磁石セグメントから構成され、隣接する永久磁石セグメントは互いに磁化方向が異なり、前記隣接する永久磁石セグメントの磁化方向の位相角θの総和が720度となるように前記磁気回路を構成し、かつ前記磁気回路の軸方向の少なくとも片面を凹形状としたことを特徴とする磁気分離装置。
前記磁気回路の凹形状の深さが前記磁気回路の半径に対して0.2〜1.0倍であることを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
前記永久磁石セグメントの磁化方向は軸に沿った断面で観察した場合、軸の垂直方向に対して傾きをもつことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気分離装置。
前記傾きが５〜５５°の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の磁気分離装置。