循環磁場動態磁泳分離裝置和方法
2024-04-16 02:13:05 1
1.本發明涉及磁性粒子和磁性標記生物分子正磁泳、非磁性粒子負磁泳分離分析技術領域，特別是涉及循環磁場動態磁泳分離裝置和方法。
背景技術：
2.磁性粒子、磁性標記粒子和生物分子的磁泳分離應用在分析化學、環境檢測、生物工程和臨床醫學等方面，用來分析物質的成分，測定某種成分的含量，操控遺傳物質，進行樣品質量控制。另外，當非磁性粒子周圍的載液是磁流體，也可以利用負磁泳方法分離非磁性粒子。磁泳分離不僅能分離磁性粒子，還可以分離非磁性粒子，在粒子分離中廣泛應用。
3.在三相繞組旋轉磁場的動態磁泳分離中，如發明人在先申請的發明專利202111498900.x《基於旋轉磁場的磁性粒子動態磁泳分離裝置和方法》中，中空結構的圓柱形基座，基座上設置斜形下線槽三相繞組，接通三相正弦交流電流後，三相繞組和基座形成的中空結構圓柱形空間內就會產生旋轉磁場，把微細管分離通道製成螺旋形置入圓柱形空間，旋轉磁場和螺旋形的分離通道相互配合，通道中的磁性粒子受到周期性的磁場力作用，沿著旋轉磁場轉動方向磁泳運動。斜形下線槽三相繞組產生的旋轉磁場使分離通道中不同特性的磁性粒子所受沿載液流動方向的磁場力分力不相同，會產生磁泳速度差，實現有效分離。
4.其中，磁泳分離利用的外加磁場是基座圓柱形中空結構內部的旋轉磁場，分離通道是螺旋形的微細管。採用中空圓柱形結構的基座，基座內壁設置有下線槽，三相繞組嵌入下線槽，圓柱形空間中設置螺旋形的微細管作為分離通道。
5.雖然能夠實現有效的磁泳分離，但是上述方案存在以下問題：(1)旋轉磁場作用下，磁性粒子順著螺旋形分離通道運動，運動軌跡相對複雜。(2)這是一種封閉式的結構，分離通道在圓柱形結構裡面，在微細管分離通道透明條件下，不利於放置測試儀器觀察記錄分離通道中磁性粒子的實時磁泳運動情況。(3)圓柱螺旋形的分離通道，如果螺旋形的導程或者直徑需要改變，需要重新加工分離通道的螺旋形固定槽，給分離工作帶來不方便。(4)旋轉磁場動態磁泳分離裝置的磁泳分離方法，磁性粒子分離過程中輸液泵一直開啟，載液流速和磁性粒子的磁泳運動相互疊加，會對粒子分離結果造成一定的影響。
技術實現要素：
6.有鑑於此，本發明提供了循環磁場動態磁泳分離裝置和方法，以克服現有動態磁泳分離裝置在進行磁泳分離時存在的磁性粒子運動軌跡複雜、無法觀察記錄分離通道中磁性粒子的實時磁泳運動情況、無法應對分離通道尺寸變化以及無法得到準確的粒子分離結果的技術問題。
7.為此，本發明提供了以下技術方案：
8.一方面，本發明提供了一種循環磁場動態磁泳分離裝置，包括：基座、分離通道、三相繞組、三相變壓器、變頻電路、uv/vi紫外/可見光檢測器、廢液收集瓶、三通閥和輸液泵；
所述基座為直線型基座，基座上有下線槽，三相繞組嵌入下線槽中；當三相繞組通入三相交流電流時，便在直線型基座上部產生移動磁場，磁場的磁感應強度按照正弦函數曲線規律變化，三相電流周期性變化時，就會在基座上部形成循環磁場；
9.所述分離通道為直線型分離通道，呈管狀；所述分離通道位於所述基座的上部；當循環磁極運動經過分離通道中的磁性粒子附近時，粒子就會受到磁場力的作用，發生磁泳運動。
10.進一步地，還包括：設置在所述分離通道周圍的測試儀器。
11.進一步地，所述基座為4極的三相繞組基座結構，三相繞組產生的4極，是兩對n極和s極磁極，在基座上部磁場沿直線方向按n極、s極、n極、s極分布行進並循環，空間上依次相差90
°
。
12.進一步地，所述基座為矽鋼基座。
13.進一步地，所述裝置包括：一個三相繞組基座，基座的上部固定透明亞克力板，亞克力板上有分離通道定位槽，分離通道以嵌入的方式設置在定位槽中。
14.進一步地，所述裝置包括：兩個三相繞組基座，上下鏡像對稱放置；兩個基座之間固定兩塊相同規格的透明亞克力板，形成結合面，在下結合面開半圓柱槽，上結合面也開半圓柱槽，分離通道以嵌入的方式設置在兩個半圓柱槽形成的定位槽中。
15.又一方面，本發明還提供了一種利用上述循環磁場動態磁泳分離裝置進行磁性粒子分離的方法，包括：
16.製備磁化率相同、粒徑不同的磁性粒子；
17.開啟輸液泵，將待分離的磁性粒子用進樣注射器通過三通閥注入載液，當磁性粒子在載液的帶動下流入分離通道時，關閉輸液泵，使載液流速為零；
18.接通直線型三相繞組基座的電源，就會在基座上部產生循環磁場；調節循環磁場的頻率、磁感應強度和載液流速參數，進行磁性粒子磁場力牽引磁泳分離；
19.當磁性粒子在分離通道中實現磁泳分離後，斷開直線型三相繞組基座的電源，循環磁場消失，打開輸液泵，載液以一定流速帶著磁性粒子流出分離通道。
20.進一步地，還包括：用測試儀器通過透明分離通道觀察粒子的分離情況。
21.進一步地，還包括：用紫外-可見光檢測器測試分離效果。
22.本發明的優點和積極效果：
23.本發明中的循環磁場動態磁泳分離裝置將線性微細管分離通道放置在直線型基座的上部，形成一種開放式結構，實現了不同特性磁性粒子的磁泳分離。直線型循環磁場使磁性粒子在分離通道中整體上沿直線運動，能夠在線性分離通道中完成磁性粒子的動態磁泳分離。優化了外加磁場源，採用開放結構，在線性分離通道中磁性粒子發生動態磁泳。有利於將測試儀器放置在分離通道周圍，觀察監視磁性粒子在分離通道中實時分離的情況。應用線性分離通道，相比螺旋形的分離通道，易於加工，易於固定，方便磁泳分離工作的開展。
24.在循環磁場動態磁泳分離裝置基礎上提出的磁泳分離方法，磁性粒子流入分離通道後，關閉輸液泵控制載液不流動，不同特性的磁性粒子在循環磁場的磁場力牽引作用下，磁泳運動實現分離，然後再開啟輸液泵，用載液帶動分離後的磁性粒子按時間先後流出分離通道。這種方法減小了載液流速對磁泳分離造成的影響。
附圖說明
25.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
26.圖1為本發明實施例中循環磁場動態磁泳分離裝置結構示意圖；
27.圖2為本發明實施例中直線型基座結構圖示意圖；
28.圖3為本發明實施例中直線循環磁場的產生的原理圖；
29.圖4為本發明實施例中直線型基座三相繞組單層鏈式接法圖；
30.圖5為本發明實施例中分離通道結構示意圖；
31.圖6為本發明實施例中一種三相繞組基座和分離通道結構示意圖；
32.圖7為本發明實施例中又一種三相繞組基座和分離通道結構示意圖；
33.圖8為本發明實施例中循環磁場動態磁泳分離的分離結果示意圖；
34.圖中，1-基座、2-分離通道、3-三相繞組、3-1-a相繞組、3-2-b相繞組、3-3-c相繞組、4-三相變壓器、5-變頻電路、6-uv/vi紫外/可見光檢測器、7-廢液收集瓶、8-三通閥、9-輸液泵、10-下線槽、11-等效磁極、12-亞克力板、13-分離通道定位槽、14-載液入口、15-載液出口、16-進樣注射器、17-磁感應強度。
具體實施方式
35.為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
36.需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。
37.如圖1所示，本發明實施例中的循環磁場動態磁泳分離裝置，包括：基座1、分離通道2、三相繞組3、三相變壓器4、變頻電路5、uv/vi紫外/可見光檢測器6、廢液收集瓶7、三通閥8和輸液泵9。
38.三相繞組3接通三相正弦交流電流後，基座1上部會產生循環磁場，線性微細管分離通道2放置於基座1的上部。在進樣注射器16、三通閥8和輸液泵9的共同作用下將樣品輸入至分離通道2，進樣中的磁性粒子在載液的帶動下在分離通道2中沿直線運動。產生循環磁場的三相繞組基座和線性分離通道彼此相互支持，當循環磁場經過分離通道中的磁性粒子附近時，粒子就會受到循環磁場產生的磁場力作用，沿著磁場移動方向以一定的速度磁
泳運動。從分離通道2流出的載液由uv/vi紫外/可見光檢測器進行檢測，廢液由廢液收集瓶回收。
39.三相繞組基座結構外接變頻電路5，變頻電路5可以調節加到三相繞組3上三相交流電壓的頻率，從而控制循環磁場對分離通道中磁性粒子作用的頻率。三相繞組基座結構外接三相變壓器4，三相變壓器4可以改變加到三相繞組3上三相交流電壓的大小，影響分離通道2中的磁感應強度大小，控制分離通道2中磁性粒子所受的磁場力。這種三相繞組基座產生的循環磁場使不同特性的磁性粒子所受沿載液流動方向的磁場力分力不相同，產生磁泳速度差，實現磁性粒子的有效分離。
40.如圖2所示，本發明實施例中的基座1為矽鋼直線型基座，基座1上有下線槽10，三相繞組3嵌入下線槽10中。當三相繞組3通入三相交流電流時，便在直線型矽鋼基座1上部產生移動磁場，磁場的磁感應強度按照正弦函數曲線規律變化。三相電流分別為u相、v相和w相，設磁極對數p＝1，u相電流在ωt＝0
°
時的相位那麼ωt＝150
°
時直線型基座上部產生的磁場如圖3所示。在這一瞬時u相電流i1＞0，v相電流i2＞0，w相電流i3＜0，相當於在基座1上部有一個等效磁極s極11。三相交流電流繼續變化，s極就向左行進，虛線示出的是磁感應強度17。三相電流變化一個周期，磁極s極就沿直線從右至左經過基座上部一次。這樣，三相電流周期性變化時，就會在基座1上部形成循環磁場。
41.對於4極的三相繞組基座結構，可以等效為4個磁極在基座1上部沿著直線行進。三相繞組3包括a相繞組3-1、b相繞組3-2、c相繞組3-3，產生的4極，是兩對n極和s極磁極，在基座上部磁場沿直線方向按n極—s極—n極—s極分布行進並循環，空間上依次相差90
°
。4極24槽產生循環磁場的三相繞組單層鏈式接法如圖4所示。
42.分離通道的材質是peek塑料，直線型分離通道如圖5所示，矽鋼基座的上部固定透明亞克力板12，亞克力板12上有分離通道定位槽13，分離通道2呈管狀，外徑1.59mm，內徑0.75mm，分離通道直接嵌入在定位槽13中，左側為載液入口14，右側為載液出口15。當循環磁極運動經過分離通道中的磁性粒子附近時，粒子就會受到磁場力的作用，發生磁泳運動。
43.三相繞組基座和分離通道結構實施例1：
44.實施例1的三相繞組基座和分離通道結構如圖6所示。一個三相繞組矽鋼基座1，基座的上部固定透明亞克力板12，亞克力板12上有分離通道定位槽13，分離通道2以嵌入的方式設置在定位槽13中。這種單邊結構，分離通道中的磁性粒子會承受循環磁場產生的較大法向磁拉力。
45.三相繞組基座和分離通道結構實施例2：
46.實施例2的三相繞組基座和分離通道結構如圖7所示。兩個三相繞組矽鋼基座1，上下鏡像對稱放置。基座之間固定兩塊相同規格的透明亞克力板12。在亞克力板12的結合面，設置線性分離通道2，具體地，在下結合面開半圓柱槽，上結合面也開半圓柱槽，把管狀的分離通道嵌入在兩個半圓柱槽形成的定位槽中。這種雙邊結構，分離通道中的磁性粒子承受循環磁場的法向磁拉力能夠相互抵消。
47.利用上述直線型三相繞組基座動態磁泳裝置可以進行磁性粒子動態磁泳分離，具體方法包括：
48.s1、製備磁化率相同、粒徑不同的磁性粒子。
49.s2、開啟輸液泵，將待分離的磁性粒子用進樣注射器通過三通閥注入載液，當磁性
粒子在載液的帶動下流入分離通道時，關閉輸液泵，使載液流速為零。
50.s3、接通直線型三相繞組基座的電源，就會在基座上部產生循環磁場；調節循環磁場的頻率和磁感應強度、載液流速等參數，進行磁性粒子磁場力牽引磁泳分離；
51.在線性運動循環磁場作用下，等效磁極經過分離通道中的磁性粒子附近時，粒子受到循環磁場的磁場力牽引，沿載液流動方向發生磁泳運動，產生磁泳位移。
52.s4、用顯微鏡等測試儀器通過透明分離通道觀察粒子的分離情況。
53.不同特性的磁性粒子，沿載液流動方向所受的磁場力分力會不相同，因此產生磁泳速度差，磁泳位移不相同，在分離通道中的位置有前有後。
54.s5、當磁性粒子在分離通道中實現磁泳分離後，斷開直線型三相繞組基座的電源，循環磁場消失，開啟輸液泵，載液以一定流速帶著磁性粒子流出分離通道。
55.s6、用紫外-可見光檢測器(uv/vis)測試分離效果。
56.不同特性的磁性粒子在分離通道中的保留時間不一樣，流出分離通道的時間前後會不相同，從而實現磁泳分離。
57.為了便於理解，下面以一具體示例對上述磁泳分離方法進行說明。
58.在循環磁場動態磁泳分離裝置上，具體地根據實施例2，用循環磁場沿直線運動對分離通道中磁性粒子的磁場力牽引磁泳運動，分離不同粒徑的磁性粒子。製備不同粒徑的核殼式聚苯乙烯磁性粒子，得到磁性粒子直徑為6.3μm和3.5μm的混合樣品。不同粒徑磁性粒子具有相同的磁化率，表現出超順磁響應特性。設置三相繞組循環磁場磁泳分離裝置工作狀態和相關參數。循環磁場的行進方向與載液流動方向相同，磁性粒子混合樣品的進樣量為20μl。調節旋轉磁場的頻率6hz，加到三相繞組的三相電壓大小為18v，以去離子水為載液，載液流速0.1ml/min。開啟輸液泵，將磁性粒子混合樣品通過三通閥注入載液，混合樣品在載液的帶動下流入分離通道後，關閉輸液泵。接通直線型三相繞組基座的電源，循環磁場沿線性行進經過分離通道中的磁性粒子附近時，粒子受到循環磁場的磁場力牽引，沿載液流動方向發生磁泳位移。不同特性的磁性粒子磁泳位移不相同，在分離通道中的位置有前有後。經過12分鐘後，磁性粒子在分離通道中實現磁泳分離，斷開直線型三相繞組基座的電源，循環磁場消失，打開輸液泵，分離後的磁性粒子由載液帶動流出分離通道，並通過紫外-可見光檢測器。用紫外-可見光檢測器測試分離情況，磁性粒子的分離結果如圖8所示。直徑為6.3μm(峰a)和3.5μm(峰b)的磁性粒子實現了分離。這兩種磁化率相同、不同直徑的磁性粒子可以在循環磁場動態磁泳分離裝置中完全分離，達到分離分析要求。循環磁場動態磁泳分離方法實現了磁性粒子的分離，具有良好的解析度。
59.最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。