Устройство для определения магнитных свойств диамагнитных и парамагнитных, в том числе биологических, частиц

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДИАМАГНИТНЫХ И ПАРАМАГНИТНЫХ, В ТОМ ЧИСЛЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ, ЧАСТИЦ Изобретение относится к устройствам для физического анализа материалов, а точнее для определения магнитных свойств слабомагнитных микроскопических частиц, и может быть использовано для анализа мелкодисперсных материалов и популяций биологических клеток. Изобретение решает задачу снижения габаритов, массы и энергопотребления устройства,повышения удобства работы, повышения точности определения магнитных свойств, а также увеличения количества регистрируемых частиц за счет размещения источника однородного горизонтального магнитного поля, цифрового микроскопа и жидкостного узла на общем основании с возможностью его юстировки в горизонтальной плоскости; выполнения источника однородного горизонтального магнитного поля в виде постоянного магнита с магнитопроводом; размещения жидкостного узла и цифрового микроскопа на платформе с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси цифрового микроскопа; использования программно-аппаратного блока для автоматической обработки результатов регистрации движения частиц; снабжения жидкостного узла герметично установленной гидравлической системой; выполнения жидкостного узла в виде разборного корпуса, в котором установлена измерительная ячейка с щелевым каналом и ферромагнитным стержнем, при этом глубина щелевого канала измерительной ячейки составляет не более 10 диаметров исследуемых частиц, а ферромагнитный стержень выполнен в форме цилиндра с диаметром не менее 10 глубин щелевого канала и длиной не менее 15 диаметров.(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 физического анализа материалов, а точнее для определения магнитных свойств слабомагнитных микроскопических частиц, и может быть использовано для анализа мелкодисперсных материалов и популяций биологических клеток. Для определения магнитных свойств слабомагнитных (диамагнитных и парамагнитных) материалов применяют устройства, принцип действия которых основан на измерении и сопоставлении с расчетом величины и направления силы, действующей на образец материала определенной формы и размера в определенном неоднородном магнитном поле. Известное устройство [1] включает средства создания в некоторой области пространства магнитного поля с определенной пространственной неоднородностью,средства позиционирования в данной области образца слабомагнитного материала и средства измерения действующей на образец магнитной силы. Однако оно неприменимо для определения магнитных характеристик микроскопических объемов вещества, в частности биологических клеток. Для решения этой задачи предложено устройство [2], принцип действия которого основан на регистрации движения слабомагнитных частиц в жидкости при воздействии на жидкость с частицами неоднородного магнитного поля и последующем сопоставлении зарегистрированных характеристик движения с результатами расчетов. Данное устройство содержит источник неоднородного магнитного поля в форме постоянного магнита с магнитопроводом и специальным образом профилированными полюсными наконечниками, прозрачный проточный канал для жидкости с частицами, гидравлическую систему с насосом для регулирования течения в канале и компьютеризованную электронно-оптическую систему для регистрации движения и определения скорости движения частиц под действием магнитной силы. Его недостатком является большая методическая погрешность определения магнитных свойств частиц, обусловленная, во-первых,малой величиной создаваемого за счет профилирования полюсов градиента напряженности магнитного поля и, во-вторых, не поддающимся точному учету влиянием на определяемую скорость движения частиц в канале их механических свойств и расстояния до стенок канала. Этот недостаток устраняет устройство [3] (прототип) для определения магнитных свойств диа- и парамагнитных, в том числе биологических, частиц, содержащее систему формирования высокоградиентного магнитного поля в составе источника существенно однородного и горизонтального в области регистрации движения частиц магнитного поля и вертикального ферромагнитного стержня, жидкостную ячейку с прозрачным вертикальным щелевым каналом и оптико-механическую систему с цифровой камерой для регистрации движения частиц в щелевом канале. Недостатками данного устройства являются большая масса и значительное энергопотребление, что связано с применением в качестве источника однородного поля электромагнита, малое количество регистрируемых частиц и неудобство пользования,что связано с применением в качестве системы подачи жидкости с частицами U-образной гидравлической системы, и, наконец, трудоемкость обработки результатов видеорегистрации из-за отсутствия средств автоматизации обработки. Задача настоящего изобретения - повышение эффективности устройства для определения магнитных свойств слабомагнитных микрочастиц за счет снижения габаритов, массы и энергопотребления устройства, повышения удобства работы, повышение точности определения магнитных свойств, а также увеличение количества регистрируемых частиц. Задача решается следующим образом. Известное устройство для определения магнитных свойств диамагнитных и парамагнитных, в том числе биологических, частиц содержит источник однородного горизонтального магнитного поля, жидкостный узел для жидкости с частицами, а также цифровой микроскоп для регистрации движения частиц в жидкости. Согласно изобретению удобство работы повышается за счет установки источника однородного горизонтального магнитного поля, цифрового микроскопа и жидкостного узла на общем основании с возможностью его юстировки в горизонтальной плоскости, что исключает необходимость периодической юстировки положения цифрового микроскопа относительно магнита. Также удобство работы повышается за счет установки жидкостного узла и цифрового микроскопа на платформе с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси цифрового микроскопа, что обеспечивает введение и выведение жидкостного узла в межполюсное пространство источника однородного горизонтального магнитного поля и позволяет без нарушения оптических настроек производить необходимые манипуляции с жидкостным узлом как в магнитном поле, так и вне магнитного поля. Применение в качестве источника однородного горизонтального магнитного поля постоянного магнита позволяет значительно уменьшить габариты, массу и энергопотребление устройства. Возможность регистрации движения большого количества частиц, предусмотренная настоящим устройством, создает преимущества, которые на практике могут быть использованы только путем автоматизации обработки данных. С этой целью в устройстве применен программно-аппаратный блок для обработки результатов регистрации движения частиц, обеспечивающий автоматическое определение траекторий частиц в щелевом канале измерительной ячейки и автоматическое определение относительной удельной магнитной восприимчивости частиц в жидкости путем подгонки найденных траекторий теоретической зависимостью. Кроме того, согласно изобретению эффективность устройства повышается за счет использования постоянного магнита из сплава неодим-железо-бор, наиболее мощного из существующих постоянных магнитов, что обеспечивает создание максимально возможного магнитного поля в межполюсном про-1 021859 странстве источника однородного горизонтального магнитного поля. Известный жидкостный узел для устройства для определения магнитных свойств диамагнитных и парамагнитных, в том числе биологических, частиц путем регистрации движения частиц в неподвижной жидкости при воздействии на жидкость с частицами гравитационного и высокоградиентного магнитного полей содержит прозрачный щелевой канал и установленный вдоль щелевого канала ферромагнитный стержень. Согласно изобретению удобство работы с жидкостным узлом обеспечивается выполнением его в виде разборного корпуса, что позволяет легко производить его техническое обслуживание. Точность результатов, получаемых путем подгонки найденных траекторий теоретической зависимостью,зависит от соответствия создаваемых в щелевом канале условий условиям, закладываемым при теоретическом расчете траектории движения частицы. Прежде всего, это относится к распределению магнитного поля в канале, которое должно сохранять свои характеристики по глубине и высоте канала во всей области регистрации движения, а также к отсутствию движения жидкости в щелевом канале во время регистрации траекторий движения частиц. Согласно изобретению повышение точности определения магнитных свойств частиц достигается оснащением жидкостного узла герметично устанавливаемой гидравлической системой, исключающей самопроизвольное движение жидкости в щелевом канале измерительной ячейки, а также путем использования щелевого канала измерительной ячейки глубиной не более 10 диаметров исследуемых частиц, а также выполнения ферромагнитного стержня в форме цилиндра с диаметром не менее 10 глубин щелевого канала и длиной не менее 15 диаметров цилиндра. Выбор цилиндрической формы ферромагнитного стержня гарантирует строго детерминированную структуру магнитного поля, тогда как структура поля стержня другой формы зависит от величины внешнего однородного поля и закона намагничивания материала стержня, который может быть найден только приближенно. Также удобство работы с жидкостным узлом повышается за счет того, что гидравлическая система содержит промывочный шприц и емкость для сбора жидкости с частицами и промывочной жидкости, что обеспечивает простую промывку измерительной ячейки и сбор исследованной жидкости с частицами и промывочной жидкости. Важным показателем, определяющим эффективность устройства, является количество частиц, которое может быть исследовано в одной пробе. Увеличение объема информации достигается применением дозирующего микрошприца объемом 10-100 объемов щелевого канала измерительной ячейки, обеспечивающим многократную подачу порциями объемом не менее объема щелевого канала измерительной ячейки. На фиг. 1 изображена схема общего вида предлагаемого устройства. На фиг. 2 изображен жидкостный узел устройства с установленным микрошприцом и емкостью для сбора жидкости с частицами. На фиг. 3 показана измерительная ячейка. На фиг. 4 представлено фото экспериментального комплекса "Магнитоцитометр". На фиг. 5 изображен кадр из видеофильма, содержащего запись движенияклеток асцитной карциномы Эрлиха в растворе Хенкса. На фиг. 6 показан результат восстановления траекторий движения клеток асцитной карциномы Эрлиха в растворе Хенкса из одного видеофайла. На фиг. 7 показан пример аппроксимации восстановленной траектории аналитической зависимостью для одной клетки асцитной карциномы Эрлиха. На фиг. 8 показана найденная гистограмма распределения клеток асцитной карциномы Эрлиха по величине относительной удельной магнитной восприимчивости в растворе Хенкса. Устройство (фиг. 1) включает основание 1 с механизмом юстировки 2, жестко установленные на основании 1 постоянный магнит с магнитопроводом 3 и направляющая 4. Направляющая 4 выполнена в форме салазок, на которых установлена с возможностью продольного перемещения платформа 5, играющая роль оптической скамьи, на которой установлены цифровой микроскоп в составе подсветки 6,видеокамеры 7 с оптическим тубусом 8 и держатель 9 жидкостного узла 10. Цифровой микроскоп подключен к программно-аппаратному блоку в составе персонального компьютера 11 и установленного на нем программного обеспечения. Корпус жидкостного узла (фиг. 2) выполнен в виде верхней 12 и нижней 13 скоб, кронштейна 14 и установочной пластины 15. Скобы 12 и 13 винтами 16 соединены в единый блок, закрепленный на кронштейне 14 винтами 17. Установочная пластина 15 крепится к кронштейну 14 винтами 18. Измерительная ячейка 19 установлена в корпусе жидкостного узла и сообщается через насадку 20 с выполненным в ней микроканалом 21 с гидравлической системой, содержащей дозирующий микрошприц 22, герметично установленный во втулке 23 микроканал 24 и емкость для сбора жидкости с частицами 25. Герметизация сообщения щелевого канала 29 измерительной ячейки 19 с микроканалами 21 и 24 для подвода/отвода жидкости с частицами осуществляется эластичными прокладками 26 и 27, подпираемыми втулками 23 и 28. Для герметичной установки гидравлической системы служит охватывающая корпус микрошприца 22 втулка 30, которая устанавливается в верхней скобе 12 с помощью резьбового соединения, прижимая при этом насадку 20 к измерительной ячейке 19 через уплотняющую прокладку 26. Для наблюдения и регистрации движения частиц в корпусе жидкостного узла выполнено сквозное отверстие 31. Измерительная ячейка 19 (фиг. 3) содержит корпус 32 из немагнитного материала, в который вкле-2 021859 ена сборка из трех стеклянных параллелепипедов 33, формирующая щелевой канал 29 и содержащая установленный в выборке 34 вдоль торца щелевого канала 29 ферромагнитный цилиндрический стержень 35. В настоящее время изготовлен экспериментальный комплекс "Магнитоцитометр", предназначенный для исследования магнитных свойств биологических клеток, в котором реализовано настоящее изобретение (фиг. 4). Устройство работает следующим образом. Постоянный магнит с магнитопроводом 3 устанавливают на основании 1. Основание 1 и механизм юстировки 2 обладают жесткостью и прочностью, обеспечивающими установку постоянного магнита с магнитопроводом 3. Постоянный магнит с магнитопроводом 3 в области регистрации движения частиц создает магнитное поле с однородностью индукции не ниже 99%. Расстояние между полюсами постоянного магнита с магнитопроводом 3 обеспечивает свободное введение жидкостного узла 10. В устройстве на фиг. 4 постоянный магнит с магнитопроводом 3 выполнен из двух постоянных магнитов неодимжелезо-бор размерами 607040 мм с остаточной индукцией 1,2 Тл, соединенными магнитопроводом из магнитомягкой стали СТ-3 и образующими межполюсный зазор 12 мм. Юстировку основания 1 проводят с помощью механизма юстировки 2. Сборку жидкостного узла 10 осуществляют следующим образом. Измерительную ячейку 19 устанавливают между верхней 12 и нижней 13 скобами так, чтобы щелевой канал 29 сообщался с капиллярным каналом 21 и с герметично установленным во втулке 23 капилляром 24. С помощью винтов 16 скобы 12 и 13 с установленной между ними измерительной ячейкой 19 соединяют в единый блок. Герметизация обеспечивается эластичными прокладками 26 и 27, подпираемых втулками 23 и 28. С помощью винтов 17 блок закрепляют на кронштейне 14. С помощью винтов 18 закрепляют установочную пластину 15. Держатель 9 жидкостного узла 10 и цифровой микроскоп (видеокамера 7, тубус 8 и подсветка 6) устанавливают на платформе 5. Длина перемещения платформы 5 вдоль направляющей 4 обеспечивает введение жидкостного узла 10 в середину межполюсного зазора постоянного магнита с магнитопроводом 3 для выполнения регистрации движения частиц и ее выведение из межполюсного пространства на расстояние, обеспечивающее проведение подготовительных манипуляций (съем и установка гидравлической системы). В устройстве "Магнитоцитометр" на фиг. 4 длина перемещения составляет 12 см. Держатель 9 жидкостного узла 10 обеспечивает грубое и тонкое позиционирование жидкостного узла 10 c целью введения области регистрации движения частиц в поле зрения цифрового микроскопа. Цифровой микроскоп (видеокамера 7 и тубус 8) обеспечивает наблюдение частиц с предполагаемыми для исследования размерами с расстояния, превышающего половину ширины постоянного магнита с магнитопроводом 3, имеет глубину резкости, равную глубине щелевого канала за вычетом диаметра частиц, имеет поле зрения, обеспечивающее одновременную регистрацию множества частиц и их траекторий протяженностью, составляющей несколько десятков диаметров. В устройстве на фиг. 4 использован тубус 11-61456, адаптер 1-61453 и линза объектива 160112 по каталогу фирмы Navitar. В качестве видеокамеры 7 использована видеокамера Matrix Vision с CCD матрицей с разрешением 1024768. Источником света в подсветке 6 служит светодиод марки L200-01W-20D фирмы Ledtronics,Inc. Система имеет область наблюдения 2,72,0 мм, длину переднего отрезка (от объектива до плоскости фокусировки) 50 мм, физический размер одного пикселя 2,55 мкм. Жидкостный узел 10 устанавливают в держатель 9 и выдвигают из межполюсного пространства постоянного магнита с магнитопроводом 3. Цифровой микроскоп подключают к персональному компьютеру 11 для регистрации движения частиц и последующей автоматической обработки с помощью установленного программного обеспечения. В микрошприц 22 набирают жидкость с исследуемыми частицами и устанавливают его в жидкостный узел 10. Для фиксации микрошприца 22 используют втулку 30, которую устанавливают в верхней скобе 12 с помощью резьбового соединения. Герметизация обеспечивается насадкой 20, которая прижимается к измерительной ячейке 19 через уплотняющую прокладку 26. В устройстве на фиг. 4 использован микрошприц объемом 25 мкл ( 5190-1510 из каталога фирмы Agilent Technologies). На кронштейн 14 устанавливают емкость для сбора жидкости с частицами 25. Включают подсветку 6, видеокамеру 7 и персональный компьютер 11. На персональном компьютере 11 запускают программу для записи видеофайлов, вдвигают жидкостный узел 10 в межполюсное пространство постоянного магнита с магнитопроводом 3, с помощью микрошприца 22 подают порцию жидкости с частицами в щелевой канал 29 измерительной ячейки 19. Записывают видеофайл с движением частиц длительностью не менее 2 мин (фиг. 5). С помощью микрошприца 22 подают новую порцию жидкости с частицами объемом не менее объема щелевого канала 29 измерительной ячейки 19. Значение последнего требования состоит в следующем. На практике регистрация движения частиц производится в относительно небольшой части щелевого канала 29. За время регистрации, которое может измеряться минутами, находящиеся вне области регистрации частицы перемещаются по направлению к ферромагнитному стержню (парамагнитные частицы) или от него (диамагнитные). Если в повторном цикле реги-3 021859 страции в поле зрения оказывается взвесь частиц, подвергшихся указанному влиянию магнитного поля,то это исказит объективную картину распределения частиц по магнитным свойствам. Подача новой порции с объемом, превосходящим объем щелевого канала 29, гарантирует попадание в область регистрации свежей порции частиц, не подвергшихся влиянию. После подачи жидкости записывают следующий видеофайл. Процедуру повторяют до тех пор, пока в микрошприце 22 не закончится жидкость с частицами. Жидкостный узел 10 выдвигают из межполюсного пространства постоянного магнита с магнитопроводом 3 и заменяют микрошприц 22 на промывочный шприц, с помощью которого промывают микроканалы 21, 24 и щелевой канал 29 измерительной ячейки 19. Выключают подсветку 6 и видеокамеру 7. Запускают на персональном компьютере 11 программу по автоматическому восстановлению траекторий движения клеток. В результате работы программы получают файл, содержащий траектории движения частиц из всех записанных видеофайлов (фиг. 6). После восстановления траекторий запускают программу по определению относительной удельной магнитной восприимчивости. Программа аппроксимирует экспериментальные траектории движения частиц аналитической зависимостью (фиг. 7) и в результате ее работы получают гистограмму распределения частиц по величине относительной удельной магнитной восприимчивости (фиг. 8). Источники информации. 1. Чечерников В.И. Магнитные измерения. М., 1969, с. 388. 2. Zborowski M., Village В., Chalmers J., Moor L.R. System and device for determining particle characteristics. US Patent 6557430 (6 May, 2003). 3. Кашевский Б.Э., Кашевский С.Б., Прохоров И.В., Александрова Е.Н., Истомин Ю.П. Магнитофорез и магнитная восприимчивость опухолевых клеток HeLa//Биофизика, т. 51, вып. 6, 2006, с. 1026-1032. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для определения магнитных свойств диамагнитных и парамагнитных, в том числе биологических, частиц путем регистрации движения частиц в жидкости при воздействии на жидкость с частицами гравитационным и высокоградиентным магнитным полями, содержащее источник однородного горизонтального магнитного поля, жидкостный узел для жидкости с частицами с прозрачным вертикальным щелевым каналом и установленным вдоль торца канала ферромагнитным стержнем, а также цифровой микроскоп для регистрации движения частиц в канале, отличающееся тем, что источник однородного горизонтального магнитного поля, цифровой микроскоп, оптическая ось которого располагается в горизонтальной плоскости, и жидкостный узел установлены на общем основании с возможностью его юстировки в горизонтальной плоскости; источник однородного горизонтального магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита с магнитопроводом, жидкостный узел снабжен дозирующей гидравлической системой, а ферромагнитный стержень выполнен в форме цилиндра, при этом жидкостный узел и цифровой микроскоп установлены на платформе с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси цифрового микроскопа, а цифровой микроскоп связан с программно-аппаратным блоком для обработки результатов регистрации движения частиц.