Устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ЖИДКОСТИ Изобретение относится к устройствам для сепарации магнитных частиц из жидкости, содержащей магнитные и немагнитные частицы, в частности для сепарации магнитных частиц, связанных при помощи специфических антител с определенным типом биологических клеток, и может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях. Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности устройства для сепарации магнитных частиц из жидкости за счет увеличения максимального объема сепарируемого материала в расчете на один магнит и оптимизации соотношения между радиусами магнита и пробирок. Задача решается следующим образом. Известное устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости содержит немагнитное основание, установленную на основании магнитную систему, содержащую хотя бы один вертикальный поперечно намагниченный постоянный магнит в немагнитном кожухе, а также держатель имеющих определенный размер пробирок для жидкости с частицами. В предлагаемом устройстве постоянный магнит выполнен в форме цилиндра с длиной не менее десяти радиусов, а держатель пробирок выполнен с возможностью равномерной азимутальной установки пробирок,имеющих радиус, не превышающий радиус магнита, вплотную к боковой поверхности магнита.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ИМЕНИ А.В. ЛЫКОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) Изобретение относится к устройствам для сепарации магнитных частиц из жидкости, содержащей магнитные и немагнитные частицы, в частности для сепарации магнитных частиц, связанных при помощи специфических антител с определенным типом биологических клеток, и может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях. Отдельную группу устройств, предложенных для выделения из клеточной суспензии целевых клеток, меченных магнитными маркерами, составляют объемные сепараторы, в которых выделение меченых клеток происходит на внутренней поверхности контейнера под действием неоднородного внешнего поля[1]. Конструктивно, все известные устройства для объемной магнитной сепарации содержат три основных элемента: немагнитное основание, магнитную систему для создания неоднородного магнитного поля и держатель для размещения пробирок с клеточной суспензией. Как правило, неоднородное магнитное поле создают с помощью наиболее мощных и дорогостоящих постоянных редкоземельных магнитов из сплава "неодим-железо-бор". При всей внешней простоте этой схемы, в литературе предложено множество технических решений, что связано как с разнообразием запросов практики, так и со стремлением улучшить технические характеристики устройств - увеличить чистоту и полноту выделения меченых клеток, уменьшить габариты и массу магнитной системы, расширить возможности варьирования объема разделяемой клеточной суспензии и количества клеток. Однако многочисленные усовершенствования не затрагивают некоторые принципиальные ограничения давно предложенных устройств. Таковым является устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости [2], которое содержит плоское немагнитное основание, в котором установлен упорядоченный набор постоянных магнитов, а также держатель пробирок определенного размера, обеспечивающий установку пробирок над магнитами - над каждым магнитом одна пробирка. Недостатком данного устройства является совпадение по направлению магнитной силы и силы гравитации, что приводит к загрязнению отсепарированного материала седиментирующими немагнитными частицами. Кроме того, данное устройство может применяться только с пробирками малого объема, что исключает проведение сепарации больших количеств частиц или требует увеличения количества магнитов и, соответственно, габаритов и стоимости устройства. Данные недостатки частично устраняет устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости[3] (прототип), в котором применены поперечно намагниченные постоянные магниты квадратного сечения, а держатель пробирок обеспечивает установку пробирок напротив одного и другого полюсов каждого магнита. Чистота сепарации увеличивается за счет того, что сепарируемые частицы перемещаются в горизонтальном направлении и осаждаются на боковой поверхности пробирок, а немагнитные частицы оседают на дно пробирок. Объем разделяемого материала может быть увеличен за счет увеличения длины магнита и, соответственно, длины пробирок. Однако возможности увеличения объема разделяемого материала и возможности варьировать этот объем ограничены тем, что на каждый магнит приходится не более двух пробирок. Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности устройства для сепарации магнитных частиц из жидкости за счет увеличения максимального объема сепарируемого материала в расчете на один магнит и оптимизации соотношения между радиусами магнита и пробирок. Задача решается следующим образом. Известное устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости содержит немагнитное основание, установленную на основании магнитную систему, содержащую хотя бы один вертикальный поперечно намагниченный постоянный магнит, а также держатель имеющих определенный размер пробирок для жидкости с частицами. В предлагаемом устройстве постоянный магнит выполнен в форме цилиндра с длиной не менее десяти радиусов, а держатель пробирок выполнен для пробирок с радиусом, не превышающим радиус магнита, и обеспечивает равномерную азимутальную установку пробирок вплотную к боковой поверхности магнита. Использование поперечно намагниченного постоянного магнита цилиндрической формы с длиной не менее десяти радиусов обеспечивает создание магнитного поля, напряженность которого на расстоянии от торцов более двух радиусов практически совпадает с полем бесконечного цилиндра, а именно Здесь H - напряженность магнитного поля, Rm - радиус магнита, Bm - остаточная индукция магнита,r - расстояние до оси магнита, 0 - магнитная постоянная. Согласно приведенной выше формуле, напряженность создаваемого поперечно намагниченным цилиндрическим магнитом магнитного поля не зависит от направления намагниченности магнита, из чего следует, что действующая в этом поле на магнитную частицу сила направлена строго к оси магнита, независимо от азимутального положения частицы. Из этого можно заключить, что выделение магнитных частиц из жидкости на обращенной к магниту поверхности пробирки, установленной вблизи магнита вдоль его оси, будет происходить одинаково при любом азимутальном положении пробирки. Выполнение согласно изобретению держателя пробирок с возможностью их равномерной азимутальной установки вплотную к боковой поверхности магнита позволяет в несколько раз увеличить количество пробирок, а значит и объем разделяемого материала, на один магнит. Важной характеристикой эффективности устройства является время, необходимое для вы-1 018228 деления магнитных частиц из всего объема жидкости. Согласно выполненным расчетам, при заданном радиусе магнита, это время начинает резко возрастать, если радиус пробирки превышает радиус магнита. Согласно изобретению с целью быстрейшего выделения магнитных частиц из жидкости держатель пробирок выполнен для пробирок с радиусом, не превышающим радиус магнита. На фиг. 1 представлена фотография изготовленного согласно изобретению устройства для сепарации магнитных частиц из жидкости, снаряженного пробирками для жидкости с частицами; на фиг. 2 изображена рассчитанная зависимость времени Т полной сепарации частиц в предложенном устройстве от соотношения радиуса магнита к радиусу пробирки, Rm/Rc, отнесенного ко времени сепарации Т в устройстве с одинаковыми радиусами магнита и пробирки. Устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости (фиг. 1) содержит немагнитное основание 1, закрепленный на основании поперечно намагниченный цилиндрический постоянный магнит 2 в тонкостенном кожухе и держатель 3 пробирок 4 для жидкости с частицами. Основание 1 и кожух магнита 2 изготовлены из полиамида, допускающего дезинфекционные процедуры. Магнит 2 изготовлен из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор). Радиус магнита 2 составляет 7,5 мм, толщина кожуха магнита 1 мм, длина магнита 80 мм. Держатель 3 пробирок 4 имеет семь равномерно распределенных по азимуту установочных мест для размещения стандартных пробирок из биосовместимого материала с радиусом 6 мм и длиной 74 мм. Выбор предложенного в изобретении соотношения RmRc радиусов магнита, Rm, и пробирок, Rc,обосновывает зависимость, представленная на фиг. 2. Как видно из этой зависимости, уменьшение радиуса магнита ниже радиуса пробирки сопровождается резким нарастанием времени сепарации, что ухудшает эксплуатационные свойства устройства. Работу устройства рассмотрим на примере сепарации из цельной крови моноцитов в объеме, позволяющем использовать одну описанную выше стандартную пробирку для помещения жидкости с частицами. Работу начинают с установки устройства основанием 1 на горизонтальной поверхности. Для проведения сепарации, цельную кровь объемом 1,25 мл разбавляют в 3,5 мл фосфатного буфера при комнатной температуре и помещают в отдельную пробирку с крышкой. В пробирку добавляют суспензию полистирольных магнитных частиц сферической формы диаметром 4,5 мкм, имеющих на своей поверхности антитела, специфичные к клеточному маркеру моноцитов (суспензия DYNABEADS CD 14 фирмыDYNAL). Пробирку закрывают крышкой и устанавливают на перемешивающее устройство (орбитальный шейкер Bio RS-24) на 10 мин, в течение которых магнитные частицы, содержащие антитела, сцепляются с моноцитами. Инкубированную таким образом суспензию клеток крови переливают в одну из пробирок для жидкости с частицами и устанавливают в любое гнездо держателя пробирок 3. Под действием неоднородного магнитного поля магнита 2 магнитные частицы, связанные с моноцитами, перемещаются из объема жидкости на поверхность пробирки, обращенную к магниту 2. Ход процесса сепарации контролируют визуально: осаждение частиц с клетками сопровождается образованием на обращенной к магниту 2 поверхности пробирки темной полоски осадка. После окончания процесса сепарации магнитных частиц со связанными моноцитами (требующего в рассматриваемом примере около 10 мин) устройство для сепарации магнитных частиц берут рукой за основание 1 и медленно переворачивают,сливая жидкость с немечеными клетками в чашку Петри. При этом отсепарированные магнитные частицы с клетками удерживаются на стенке пробирки. Затем пробирку с отсепарированным материалом заполняют 5 мл фосфатного буфера, извлекают из держателя пробирок и встряхивают. При этом отсепарированные вместе с магнитными частицами клетки переходят в объем жидкости и могут быть использованы по желанию. В случае загрязнения устройства основание 1, кожух магнита 2 и держатель пробирок 3 обрабатываются дезинфицирующим раствором (например, раствором дуацида). При необходимости, приведенный выше объем разделяемой пробы может быть уменьшен в два раза (пробирка заполняется наполовину допустимого объема) или увеличен до семи раз (используются все семь гнезд держателя пробирок 3). Изобретение улучшает функциональные характеристики устройства для сепарации магнитных частиц и уменьшает его вес, габариты и стоимость за счет максимального использования возможностей разделения одним магнитом. При необходимости дальнейшего увеличения объема сепарации, на общем немагнитном основании может быть установлено несколько съемных модулей, каждый из которых содержит поперечно намагниченный цилиндрический магнит и держатель пробирок согласно изобретению. Источники информации. 1. Zoborowski M., Chalmers J.J. (Editors) Magnetic cell separation. Elsevier, Amsterdam, 2008. 2. Патент США 4438068, МПК G01N 33/54, 1984. 3. Патент США 4895650, МПК В 03 С 1/02, 1990. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для сепарации магнитных частиц из жидкости, содержащее немагнитное основание, установленную на основании магнитную систему, содержащую хотя бы один вертикальный поперечно намагниченный постоянный магнит в немагнитном кожухе, а также держатель имеющих определенный размер пробирок для жидкости с частицами, отличающееся тем, что постоянный магнит выполнен в форме цилиндра с длиной не менее десяти его радиусов, а держатель имеющих определенный размер пробирок для жидкости с частицами выполнен с возможностью равномерной азимутальной вплотную к боковой поверхности магнита установки пробирок, имеющих радиус, не превышающий радиус магнита.