CN104923395B - 用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用磁力分离、转移磁性颗粒的自动化装置。本发明所述的电磁电动一体化装置包括：旋转电机；金属工作轴，一端为吸附端，另一端与所述旋转电机连接，以致当所述旋转电机转动时带动所述金属工作轴转动；以及磁化装置，以线圈的方式缠绕在所述金属工作轴上，以致当所述磁化装置通电产生磁场时，所述金属工作轴被磁化而产生对磁性颗粒的磁性吸附作用。本发明所述的电磁电动一体化装置可有效、充分、快速、可控地分离、转移液体中的磁性颗粒。

Description

用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置

技术领域

本发明涉及一种利用磁力分离、转移磁性颗粒的自动化装置，特别是涉及一种集电磁、电动为一体的装置。

背景技术

磁珠技术是生物分析学和磁珠载体技术结合而发展起来的一项技术，是20世纪90年代兴起的一类新型技术。磁珠是包被有特异性生物分子的磁性微球，可与含有相应的靶物质特异性结合形成新的复合物，通过磁场时，这种复合物可被滞留，与其它组分相分离。磁性聚合物微球（磁珠）的研究开始于70 年代，它除具有聚合物微球的特性，可以通过共聚、表面改性等方法赋予其表面多种反应性功能基外，还因具有顺磁性，可以在外加磁场的作用下方便地分离，因而在生物医学、生物工程、细胞学、分离工程等众多领域显示了广泛的应用前景。在生物传感器领域，磁性微球除了可以成功地应用于生物芯片中的样品制备、为生物芯片检测全自动化、芯片实验室的建立提供一种具有广泛应用前景的方法之外，磁性微球还主要应用于蛋白质纯化、细胞分离、环境或食品微生物检测等。磁珠技术的核心在于采用适当的外加磁场，使磁珠磁化并吸附在磁极上，当撤去外加磁场时，磁珠的磁性消失，磁珠重新分散在溶液中，而不是聚集在一起，这一技术称为磁珠分离技术。该技术利用经特殊处理过的磁珠在磁珠分离器中进行生物样品的分离和定位等操作，从而对生物样品进行更精确、快速的检测，具有方便快捷、所需设备简单、分离速度快、提取效率高等特点，同时有利于保持样品性质，特别是生物活性等优点。生物磁分离作为一种新兴的分离技术，已被广泛地用于基础研究和临床应用，然而，国内对于磁分离技术的基础和应用研究仍非常薄弱，其原因除了磁性粒子昂贵的价格外，还在于国内生物磁分离技术研究不够成熟，现有的技术水平多是基于国外的研究成果。

目前市场上的生物磁分离器主要有磁分离架、间歇式磁分离器、流动式磁分离装置、移磁珠式磁珠分离器。

磁分离架是一种结构简单、使用方便的磁分离设备，为目前国内使用最为普遍的磁分离装置，使用时将装有样品的离心管放入磁架孔中，样品中的磁性材料会富集于靠近磁分离架支柱一侧的管壁，然后用移液器将液体吸走即可实现磁性材料从溶液中的分离。现有市场上各种类型的磁性分离架产品专用性较强，一般一种型号的磁性分离架只适用于一至二种体积规格的离心管使用。若有不同规格的离心管则要另外采用相应的磁性分离架，这样在使用过程中对样品的体积和分离容器就有限制，当样品处理量过高时，就需要使用2个以上的磁分离架同时使用，造成操作上的不便；而且消费者要针对不同的样品体积配备不同的磁分离架，增加了使用成本。

科研和医疗诊断使用的磁分离装置主要是间歇式操作的，间歇式磁分离器的磁场大多采用钕铁硼稀土永磁铁，如Liberti等设计了一种包含四个大试管的间歇式免疫磁分离器，可处理数十毫升液体样品。此外，Li等设计了一种微量滴定板磁性细胞分离器，其中包含几十个微型测试管，可同时对多个样品进行分析测定。间歇式磁分离器结构简单，价格便宜，适合于少量样品的分析检测。但是对于那些尺寸小、磁性弱的磁性粒子使用上述装置富集速度慢，需要较长的富集时间且分离效率低。

除了间歇式磁分离器，用于细胞分离和免疫检测的流动式磁分离装置也在市面上开始出现，Chalmers等依据磁性粒子的运动轨迹在磁场作用下发生偏转的原理设计的一种流动式磁性细胞分离器，利用类似的原理，Blankenstein等设计了一种微隧道式磁分离器。目前流动式磁分离自动化装置也已经问世，其中的典型代表为德国Miltenyi公司设计的临床型CliniMACS系统，该系统应用MACS(免疫磁性细胞分选)技术，可从外周血、骨髓或脐血中分离出纯度高于95%的CD34+造血干细胞，它还能祛除样品中约3-4个对数级的肿瘤细胞，4-5个对数级的T淋巴细胞。美国DeXter Magnetic Technologies公司开发的自动化磁分离设备也能够很好的分离DNA、RNA、蛋白质和核酸。此外，还有移磁珠式磁珠分离器，美国Thermo Scientific 公司的KingFisher系列产品（专利号US 6447729，US6448092），通过特制的磁棒吸附、转移和释放磁珠，从而实现磁珠（样品）的转移，避免了液体处理过程，提高了自动化程度。该装置目前适用于粒径1μm 的磁珠分离。由于基于磁珠分离技术的生物传感器常用纳米量级的磁珠，而不同大小磁珠的分离效果与磁通密度有着密切关系：磁珠尺寸越小，所需磁通密度越大。因此，要将装置应用于纳米磁珠生物传感器尚需进行改进；但其避免了液体处理的繁琐程序，利于集成与自动化，应该具有良好的应用前景。现有的这类磁分离装置都是国外公司根据各自磁珠产品的特性设计的专利产品，价格十分昂贵，如Miltenyi公司的实验室用MACS磁分离架，国内售价高达8000元。因此，开发价格低廉、操作简便快速的国产磁分离装置具有极为重要的意义。

磁珠分离过程是一个比较复杂的作用过程, 其分离效果受到诸多条件的制约和影响，磁珠分离器所达磁通密度和磁场梯度仅仅是磁珠分离效果好坏的决定因素之一。目前，磁珠分离技术中还存在的突出问题主要为：

（1）使用常规生物器皿盛装样品溶液，应用泳池分离，吸附的磁性物质难以分离；

（2）泳池内不能实现搅拌、混匀，需外加搅拌装置，人为摇匀混合，步骤多，操作繁琐；

（3）需要人为操控每一步实验步骤，存在由于人为因素导致实验失败的可能性，且全部实验完成所需时间较长；

（4）使用外置强磁铁使磁珠沉降，基本实验平台较庞大，难于集成化并微型化，缺乏自动控制，目前市场上尚无搅拌及磁性可控的一体化设备进行磁珠分离。

因此，设计出合理的磁珠分离器基本构型，在确保磁珠分离效率的前提下，在磁珠分离器上集成振动和旋转功能，缩小分离器所占空间，减少人为操作步骤，在现有技术条件下使磁珠分离器朝自动化和集成化方向发展，必将是生物传感器磁珠分离器的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置，可有效、充分、快速、可控地分离、转移液体中的磁性颗粒。

本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置，包括：旋转电机；金属工作轴，一端为吸附端，另一端与所述旋转电机连接，以致当所述旋转电机转动时带动所述金属工作轴转动；以及磁化装置，以线圈的方式缠绕在所述金属工作轴上，以致当所述磁化装置通电产生磁场时，所述金属工作轴被磁化而产生对磁性颗粒的磁性吸附作用。

根据本发明所述的电磁电动一体化装置的进一步特征，所述金属工作轴的吸附端是被加工为倒锥形结构，且表面光滑平整。

根据本发明所述的电磁电动一体化装置的进一步特征，所述磁化装置和所述旋转电机分别连接各自独立的电源系统，各自功能的产生和控制互不干扰。

本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置的工作原理是：磁化装置在通电后能产生高磁通密度的磁场并磁化金属工作轴，使其产生磁性，吸附液体中的磁性颗粒。线圈电路为双向可控直流电流，磁吸时，磁化装置接通正向电流产生磁场，工作轴的下端被磁化产生磁性，吸附液体中的磁性颗粒，可有效地将磁性颗粒从液体中分离出来；磁吸结束后，磁化装置接通反向电流，反向瞬间通电能消除工作轴末端剩磁，因此使吸附的磁性物质更容易分离、转移。同时启动旋转电机，吸附在金属工作轴末端的磁性颗粒被甩离，分散在液体中，从而有效地将磁性颗粒从工作轴中分离，实现磁性颗粒的转移目的，此外，旋转的金属工作轴还具有搅拌功能，可将磁性颗粒均用地分散于液体内。

本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置，具有以下优点：

（1）不仅可有效地将磁性颗粒从液体中分离出来，还可以将转移的磁性颗粒均匀地分散开来，真正实现搅拌及磁性可控的一体化；并且磁化和消磁的过程，以及旋转搅拌功能均可由电机控制，操作极为快速、简便，极大地替代了繁琐的人为操作步骤，实现了自动化。

（2）金属工作轴的末端设计成倒锥形结构，从而可以增大吸附面积，更有效地吸附磁性颗粒；其表面设计为光滑平整结构，有利于磁吸结束后更有效地分离吸附的磁性颗粒。工作轴为软磁材料，易磁化、退磁快、且耐酸碱、耐腐蚀，从而既能保障其在磁化装置启动或关闭后，瞬时被磁化或消磁，亦能在液体中浸泡而不被腐蚀。

（3）采用由线圈缠绕而成的磁化装置，可即时利用电流的通断及方向来控制磁场的发生和消除，同时可生成极大的磁通密度，用于吸附更为细小的磁性颗粒。

与当前的磁分离技术及装置相比，本发明所述的电磁电动一体化电机具有以下优势：

1.本发明使电动、电磁感应于一个工作棒（轴），且此工作轴与电动机轴有机地结合在一起，可实现自动旋转搅拌功能；

2.此工作轴中间部分绕线圈，以便通电后产生磁性达到吸附磁性颗粒的功能；

3.此工作轴为软磁材料，易磁化、退磁快；

4.此工作轴末端被加工成倒锥形，末端为平面结构以增大磁性颗粒的吸附面积；

5.此工作轴线圈电路为双向电流（可控）；磁吸工作结束后，顺磁接通反向电流以消除工作轴末端剩磁，使吸附的磁性物质更容易分离、转移。本发明更为详细的以及其他特征和优点，由说明书以下部分继续加以阐明，并表示在附图中。

附图说明

图1是本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置的结构示意图。图中，1—磁化装置电源接线；2—旋转电机电源接线； 3—旋转电机；4—磁化装置；5—金属工作轴； 6—地线（安全线）。

图2是本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置的一个具体实施例的实物照片。

图3是待分离磁珠混合液状态图。

图4是磁珠被分离后溶液状态图。

图5 是去磁与旋转电机旋转搅拌分散磁珠效果图。

图中，1：磁化装置电源接线；2：旋转电机电源接线；3：旋转电机；4：磁化装置；5：金属工作轴；6：地线（安全线）。

具体实施方式

实施例一：本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置的制备

本发明所述的用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置，如图1所示，包括：旋转电机3；金属工作轴5，一端为吸附端，另一端与所述旋转电机3连接，以致当所述旋转电机3转动时带动所述金属工作轴5转动；以及磁化装置4，以线圈的方式缠绕在所述金属工作轴5上，以致当所述磁化装置5通电产生磁场时，所述金属工作轴5被磁化而产生对磁性颗粒的磁性吸附作用。

在一个具体实施例中，按以下方式进行组装：

1、采购旋转电机，例如，购自深圳五颗星马达有限公司。

2、采购铜线，直径为0.15mm，绕成线圈作为磁化装置，例如1300铜线圈。

3、先将金属工作轴与旋转电机连接，并将工作轴的上端与旋转电机的转子固定；

4、在金属工作轴上端加装一个金属套环，并将线圈沿套环表面缠绕，组装成线圈1300圈的磁化装置。

组装后的装置的个部分结构的详细参数如下：

磁化装置结构参数：

磁化装置电源接线接电电压为24V，电流强度I=0.22A；磁化装置绕线圈数为1300圈，绕线材质为铜线，线径为0.15 mm。

旋转电机结构参数：

旋转电机电源接线接电电压为3V，电流强度I=0.68A；电机转速为1100 r/min。

金属工作轴结构参数：

金属工作轴总长度为15cm，前端与旋转电机固定连接，下端裸露部分长度为6cm，其中裸露部分末端加工成倒锥形平面结构；中间由磁化装置所包裹，长度为6cm。

优选地，金属工作轴5的吸附端是被加工为倒锥形结构，且表面光滑平整。倒锥形结构可以增大吸附面积，更有效地吸附磁性颗粒。表面设计为光滑平整结构可有利于磁吸结束后更有效地分离吸附的磁性颗粒。

优选地，磁化装置4和旋转电机3分别连接各自独立的电源系统，各自功能的产生和控制互不干扰。如图1所示，在旋转电机3的一端引出磁化装置电源接线1，连接到磁化装置电源；在旋转电机3的一端引出旋转电机电源接线2，连接到旋转电机电源；还引出地线（安全线）6。

实施例二：磁性颗粒的吸附分离

生物磁分离技术中的磁珠是包被有特异性生物分子的磁性微球，可与含有相应的靶物质特异性结合形成新的复合物，采用适当的外加磁场，使磁珠磁化并吸附在磁极上，当撤去外加磁场时，磁珠的磁性消失，磁珠重新分散在溶液中，而不是聚集在一起，该技术利用经特殊处理过的磁珠在磁珠分离器中进行生物样品的分离和定位等操作。采用本发明的装置可替代磁力架等传统繁琐的磁珠分离方法，能有效、简便地实现磁珠的分离和转移。

本实验采用的磁珠购买自南京冠业化工有限公司，为纳米磁性四氧化三铁(Fe₃O₄)，粒径规格为20nm。

具体操作如下：

操作一：将电机金属工作轴的末端插入待分离磁珠溶液内（待分离液体因混合有悬浮纳米磁珠而呈黑色，如图3），尽量将倒锥形工作轴末端浸入液体的中间位置；

操作二：启动电机磁化装置，即正向接通磁化装置电源；磁化装置启动后，线圈内产生磁场，位于其内的金属工作轴被磁化产生磁性将溶液内的磁珠吸附于工作轴末端表面，待分离磁珠溶液因磁珠被吸附分离，由原来的黑色浑浊转为澄清，如图4所示。

由上可知：采用本发明的装置不仅能有效地分离纳米级的磁性颗粒，而且操作极为简便快捷。

实施例三：磁性颗粒的解吸转移

前述实施例二中吸附分离的磁珠，在生物磁分离中往往需要转移至另一溶液体系内进一步处理，这就需要对磁珠进行转移和解吸。采用本发明的装置可以极为方便快捷地实现对磁性颗粒的解吸转移，具体操作详述如下：

操作一：将电机已吸附有磁珠的工作轴末端插入装有另一溶液体系的EP管内（此时电机的磁化装置仍在运行）；

操作二：启动电机去磁开关，即反向瞬间接通磁化装置电源（反向电源接通时间极短，主要功能为用于消除金属工作轴末端的剩磁）；同时启动旋转电机，工作轴末端因瞬间电流改变产生的瞬间磁场改变而去磁，磁珠从轴上脱离，同时因旋转电机的旋转而被甩离，被均匀分散在管内搅动的涡旋溶液中，溶液因分散有磁珠颗粒而呈黑色浑浊状，如图5所示。

因此，采用本发明的装置可以方便有效地实现磁珠的转移，同时还兼具搅拌功能，将磁珠均匀地分散在转移的新溶液体系中。

本发明不限于上述实施形式，在该技术的思想范围内可进行各种变更，适用于所有电动、电磁一体化分离、转移的应用，不受电机尺寸、大小的约束。

Claims (3)

1.一种用于分离及转移磁性颗粒的电磁电动一体化装置，其特征在于，所述装置包括：

旋转电机（3）；

旋转电机（3）的电源；

金属工作轴（5），一端为吸附端，另一端与所述旋转电机（3）连接，以致当所述旋转电机（3）转动时带动所述金属工作轴（5）转动；

磁化装置（4），以线圈的方式缠绕在所述金属工作轴（5）上，以致当所述磁化装置（4）通电产生磁场时，所述金属工作轴（5）被磁化而产生对磁性颗粒的磁性吸附作用；

磁化装置（4）的电源；以及

电机磁化和去磁开关，包括：电机磁化开关，用于正向接通磁化装置的电源以首先启动电机磁化功能；以及电机去磁开关，用于反向接通磁化装置的电源，以随后启动电机去磁功能，同时启动旋转电机，从而所述电机磁化和去磁开关被配置为交替地启动电机磁化和启动电机去磁。

2.根据权利要求1所述的电磁电动一体化装置，其特征在于：所述金属工作轴（5）的吸附端是倒锥形结构，且表面光滑平整。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁化装置（4）和所述旋转电机（3）分别连接各自独立的电源系统，各自功能的产生和控制互不干扰。