分離磁性粒子的裝置及方法
2023-05-18 06:00:51 1
專利名稱：分離磁性粒子的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及磁性粒子分離的技術領域。
背景技術：
不同類型的粒子的分離具有許多應用。例如，在藥學、生物學和藥理學領域中，經 常需要分離出例如樣品、懸浮液或溶液的確定的成分(例如抗體的確定類型)以便分析 與這些成分相關的問題(例如以便診斷疾病)。傳統的用來實現成分、粒子或分子的這 種類型的分離方法是通過親和層析柱(affinity columns )的分離方法和離心法。
近年來被廣泛應用的另 一種方法是基於利用磁性粒子的分離方法。這種方法可以快 捷且容易的用於精確和可靠的成分分離，用於諸如，特殊蛋白質、遺傳物質和生物分子 (參見,例如,Z M Saiyed, et al" "Application of Magnetic Techniques in the Field of Drug Discovery and Biomedicine", BioMagnetic Research and Technology 2003， 1:2, published 18
子的利用，磁性粒子與將從樣品、溶液、懸浮液等中分離出的特殊成分在一些受體 (recipient)或類似物中結合。通過施加磁場，》茲性粒子與剩餘的樣品分離，更確切地 說，磁性粒子被集中在一部分受體中，在移去剩餘的樣品(或至少剩餘樣品的主要部分) 的同時將它們保留在那裡(例如，由於施加的磁場的作用)。接下來，可使保留部分經 受清洗處理，該清洗處理可包括磁性粒子的另 一個分離等。
美國專利US4910148A和國際專利申請WO02/055206A公開了兩種基於磁性粒子的 分離系統。這兩種系統基本利用磁體與樣品相結合來吸引磁性粒子，以便它們能夠與剩 餘的樣品分離。
有兩種類型磁性粒子。第一種是永久磁化的那些，例如磁體。這些粒子的特徵在於 它們具有實際上與外部磁感應(B)無關的恆定的磁矩(m)。對於這一系列的粒子，施 加在它們上的力可以表示為
formula see original document page 7
第二種類型的粒子具有根據外部磁場而變化的磁化強度。對於中強場，可以假定磁 化率基本恆定。這系列的粒子包括軟鐵磁體、順磁和超順磁性材料。利用這一近似值， 施加給粒子的力可以表示為
formula see original document page 8
其中X是磁化率，其表示外部磁場和磁矩之間的關係。
從這些表達式中可以看出，至少有兩種方式可以提高分離磁性粒子方法的效率(通 過增加施加到粒子上的力)，即
—通過增加^f茲化率和/或^F茲矩；或 —通過產生大的空間變化的磁場。
增加磁化率和/或磁矩而不影響磁性粒子的與其生物學功能性緊密相關的其他特性 不是一項簡單的任務。然而，基於樣品區域內的非均勻磁場的利用的系統或至少理論上 的系統已經實現了良好的和有效的分離。
美國專利US6361749B公開了 一種具有南北方向分布的磁體的分離器，其中磁體的 數量等於磁極的數量。但是，這種構造具有缺點，因為當磁極的數量大於四時，在樣品 的中心實際上不存在磁梯度，這是樣品受體中心的粒子不向受體壁移動或緩慢地向受體 壁移動的原因(在利用四個磁體產生四個磁極的情況下，雖然在中心具有梯度，但在靠 近磁體的區域也是有扭曲的，這將在下面更詳細的描述)。
美國專利US5705064A公開了一種由磁體環形成的圓筒構成的分離器，其中在圓筒 的橫截面上，每個磁體具有兩個與毗鄰或相鄰的磁體的相應側面平行並且相靠放置的側 面。磁體的磁化方向遵循AY二2Ae的角度遞進(其中勿表示在所述圓筒的橫截面中一個 磁體和相鄰的磁體之間磁化方向的變化，而A6表示在所述圓筒的橫截面中一個磁體和
相鄰的磁體之間的角度位置的變化)(或者，以另一種方式描述，"2e的角度遞進，這 裡Y表示在所述圓筒的橫截面中相對於參考的偶極軸的磁體的磁化角度方向，而e表示
在所述圓筒的橫截面中相對於參考的偶極軸的磁體的角度位置)；這樣，該系統產生磁 偶極子。因此產生相對均勻的磁場，即其具有非常小的磁梯度，當試圖快速和有效地分 離磁性粒子時，具有隱含的缺點(因為，如上所述，大的磁場梯度能夠增加作用在粒子 上的力，並能夠增加將所述粒子定位在樣品或受體的期望區域的速度)。
美國專利申請公開號US2003/0015474A公開了另一種分離器，其同樣基於圓筒，該 圓筒由8個磁體形成，其中在圓筒的橫截面上，每個磁體具有兩個側面與毗鄰或相鄰的 磁體的相應側面平行並且相靠放置。磁體的磁化方向遵循A"3Ae的角度遞進(其中，Ay 表示在所述圓筒的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化角度方向變化，而A6表 示在所述圓筒的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化)(或者，以另一種方式描述，遵循Y=30的角度遞進，這裡Y表示在所述圓筒的橫截面中相對於參考
的偶極軸的磁體的磁化角度方向，而e表示在所述圓筒的橫截面中相對於參考的偶極軸
的磁體的角度位置)；因此，這種系統產生磁四極子。
基於US5705064A中公開的結構的磁性粒子分離器產生強烈的磁場，而基於 US2003/0015474A中公開的結構的分離器產生幾乎恆定的磁場梯度。這些結構基於 Halbach定理，該定理表明，如果垂直於其軸被磁化的無限線性磁體的磁化圍繞該軸旋 轉，磁場在整個空間內的模式是恆定的，並且其方向在整個空間內以相同的角度沿與旋 轉方向相反的方向旋轉。利用這一原理，可以開發在圓筒腔內部產生均勻場的偶極源(例 ^口， 參見H.A. Leupold, "Static Applications" in "Rare Earth Permanent Magnets", J.M.D. Coey (Editor), 1996， pages 401-405 )。此外，可以在圓筒的外側實現接近零磁場，其具有 安全方面的優點。這些結構也被稱為"Halbach圓筒"。該原理可容易地用在多極源上， 四極源的情況下，可以實現恆定的梯度。
通常，磁性粒子分離器用來分離小體積的磁性粒子，通常是50ml或更小的體積。 但是，分離磁性粒子的技術同樣具有重要的應用，其中出於技術和/或商業目的，其可被 用來處理大的體積(例如樣品、溶液、懸浮液)，例如，幾升級的體積。處理的體積可 能發生改變。因此，如果產生磁場的系統的結構能夠容易地擴展，那麼這是有利的。
US5705064A和US2003/0015474A中公開的結構是基於並列的磁體組成的Halbach 圓筒，所以每一個磁體的側面與毗鄰或相鄰磁體的側面磁體平行且相靠放置。在這兩篇 文獻的附圖中，可以看出是如何利用磁體實現這種結構的，其中在產生分離器的磁場的 這個結構的4黃截面內，該f茲體的幾4可構型(geometric configuration )為具有由兩個側面 接合的較小的內側和較大的外側的大致梯形，該兩個側面對應於該磁體的側面，其與磁 體和相鄰磁體的側面相靠放置。這樣，產生磁場的這種結構具有內表面和外表面，該內 表面的橫截面為由短邊形成的規則多邊形，該外表面的橫截面為由長邊形成的規則多邊 形。
雖然這些結構在理論上是良好的並不存在重大的技術問題，至少是當分離小體積的 磁性粒子的系統時(應用到幾個ml級體積的受體)沒有問題，但是能夠證明在可擴展 性和製造部件方面存在問題。
例如，如果試圖增加圓筒內側自由空間的直徑，即增加放置經受磁性粒子分離處理 的物體(樣品、懸浮液、溶液、受體等)的空間的直徑，所述物體因此必須被暴露於磁 場，必須改變磁體的尺寸以能夠維持上述設計結構。換句話說，用在內部具有確定直徑
自由空間的分離器中的磁體不能被用在另 一個內部自由空間的結構中，至少是在希望維 持Halbach圓筒結構時不能，如US5705064A和US2003/0015474A所公開的。此外，當 增加磁體尺寸時，由於磁體間排斥力的增加，諸如US5705064A和US2003/0015474A中 描述的那些結構中的磁體的定位變得越來越難。
另 一 方面，可以發現在這種結構的橫截面中的磁體的幾何構型和磁化方向之間的關 系在不同的磁體間是變化的(在該結構的橫截面中可見)。例如，在US2003/0015474A 中，磁體的磁化和幾何構型之間具有至少三種類型的關係
一在兩個磁體中，磁化方向或方位(N )從較大的邊(外側)指向較小的邊(內
側)；
—在兩個磁體中，磁化方向(S—N)從較小的邊(內側)指向較大的邊(外側)； 一在四個磁體中，磁化方向(S—N)大致平行於較大和較小的邊(從外側看，它們 中的兩個是從左到右，而另兩個以相反的方向)。
這意味著，為了建立一種如US2003/0015474A的結構時，必須利用至少三種不同類 型的磁體。假定用於這種類型磁體的磁性材料的元件具有優選的或容易的磁化方向(相 應於磁性材料的"易磁化軸")，那麼要獲得這三種不同類型的磁體可能需要基於三種不 同模板來加工原始磁性材料。邏輯上，這樣可能使得獲得該結構更複雜和更昂貴，在生 產小批量分離器的情況下尤其成問題，並且在希望為特定客戶和/或應用的需求而特殊設 計的分離器時可能更普遍。
發明內容
為此，考慮到這樣的事實，希望建立基於一種結構的磁性粒子分離器，該結構具有 可擴展性，更特別地，其可以將某些確定的磁性部件或磁體用於產生不同尺寸的磁場的 結構中。
本發明的一個目的涉及一種分離磁性粒子的裝置，該裝置包括具有橫截面的非均勻 磁場發生器，所述橫截面具有用於放置將經受磁性粒子分離處理的物體的內部空間。
該發生器包括用於磁體的支撐結構和定位在所述支撐結構中的多個磁體。在包括多 個所述磁體的平面中的發生器的橫截面中，該磁體是具有多個邊的多邊形構造(磁體同 樣可能為橢圓形、圓形形狀等，因為，例如圓形可以認為是具有無數邊的多邊形)。多 個磁體成角度地分布，形成至少一個圍繞內部空間的磁體環，從而在所述內部空間中產 生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數。
每個磁體在所述發生器的橫截面具有磁化方向，設置所述至少一個環的磁體以便磁 體的磁化方向遵循厶丫= ((P/2) +1) *^6的角度遞進，其中，A丫表示在所述發生器的橫 截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化方向的變化，而A9表示在所述發生器的橫截 面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化(並且P是前述的磁極數)。
所述至少 一個環包括多於P個磁體(即，其具有比磁場中的磁極數多的大量磁體； 這樣，可以實現整個內部空間具有磁梯度大且恆定的磁場，眾所周知，隨著磁體數的增 加，在最接近場源的區域中的場的分布扭曲減少(例如，如果只利用4個磁體，靠近磁 體的地方會產生梯度"扭曲"；但是，如果利用大量的磁體，則梯度幾乎是完美的，即 沒有大的扭曲，除了已經在非常接近磁體表面的區域中的之外)。
根據本發明的這一目的，在發生器的橫截面中具有N種類型的磁體。在發生器的橫 截面內，每種磁體都具有確定的幾何構型，並且其磁化方向和所述幾何構型之間具有確 定的關係。根據本發明的這一目的，N-l或N-2。
這是有利的，因為使用一種或至多兩種磁體，其中每種磁體都具有其自己的幾何構 型和磁化/幾何構型關係，由於具有減少的磁體種數(1或2 )，使其具有相當大的靈活性， 邏輯上具有優勢，當其涉及製造小批量分離器時特別重要。本發明只使用一種或兩種磁 體就能構建不同尺寸和特性的分離器。這意味著，例如，分離器的生產取決於磁體，該 磁體可以通過利用 一種或至多兩種不同模板對一種磁性材料進行切割而得到(考慮該材 料的優選磁化方向)。
發生器可以以這種方式構造，在所述發生器的橫截面內，磁體的的多個邊中沒有和 在所述環中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置的邊(但是，每個磁體可 以由幾塊彼此接觸並且它們的面彼此相靠放置的磁體塊組成)。磁體的這種分布在結構 上具有很大的靈活性，其能夠利用相同的磁體形成具有不同尺寸的結構，而不改變磁體 的形狀或尺寸，並且使用簡單幾何構型的磁體。根據本發明的這種形式，形成所述環的 磁體例如可以彼此不接觸，或者可以接觸該環中的其他磁體，但是接觸點只在對應於至 少一個所述磁體的兩邊之間的角處(與另 一個磁體的角或邊相靠)。
本發明的另一目的涉及一種分離磁性粒子的裝置，該裝置包括具有橫截面的非均勻 磁場發生器，所述橫截面具有用於放置將經受磁性粒子分離處理的物體的內部空間。
發生器包括用於磁體的支撐結構和定位在所述支撐結構中的多個磁體，在包括多個 所述磁體的平面中的發生器的橫截面中，所述磁體具有多個邊的多邊形構造(包括為橢 圓形、圓形等的可能性，因為，例如圓形可以認為是具有無數邊的多邊形等)。
多個磁體成角度地分布，圍繞內部空間形成至少一個磁體環，以便在所述內部空間 中產生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數。
每個磁體在所述分離器的橫截面具有磁化方向，對所述至少一個環的磁體進行設 置，以便磁體的磁化方向或方位遵循A屍((P/2) +1 ) *A9的角度遞進，其中A"/表示在 所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化方向的變化，而A9表示在所 述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化，並且所述至少一個 環具有多於P個磁體(即，其具有比產生的磁場的磁極數多的大量磁體；這樣，可以實 現整個內部空間具有磁梯度大且恆定的磁場，眾所周知，隨著磁體數的增加，在最接近 場源的區域中的場的分布扭曲減少；例如，如果只有4個磁體，靠近磁體的磁梯度具有 相當大的"扭曲"，然而，如果使用大量的磁體，則梯度基本上沒有這種大的扭曲，除 了已經在非常接近磁體表面的區域之外)。
根據本發明的這一目的，對發生器進行構造，以致於在所述發生器的橫截面內，磁 體的多個邊中邊沒有和在所述環中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置 的邊(雖然每個磁體可以由幾塊面彼此相靠放置的磁體塊組成)。
這種構造在設計磁體結構時具有較大的靈活性，其能夠利用單一種類的磁體形成具 有不同尺寸的結構(或者至少減少磁體數量)。鑑於磁體彼此不接觸或者至少它們的面 彼此不是相靠放置，可以實現不同磁體構造，而不用去改變磁體的形狀或尺寸或者改變 相對於磁體的幾何構型磁化方向。
形成環的磁體可以例如彼此不相接觸，或者如果在所述環的兩個連續的成角度的磁 體之間具有一些接觸，該接觸可以僅對應於至少一個所述磁體的兩邊之間的角(與另一 個磁體的角或邊相靠)。
在所述發生器的橫截面中，例如，可以有N種磁體，每種磁體具有確定的幾何構型 和確定的其磁化方向和所述幾何構型之間的關係，在所述發生器的橫截面，N=l或N =2。使用一種或至多兩種磁體，每種磁體都具有其幾何構型和磁化/幾何構型關係，且 磁體類型數的減少，使其具有相當大靈活性，從邏輯上看這是有利的，當其涉及製造用 於特殊目的的小批量分離器時尤其重要；本發明可以只使用一種或兩種磁體，並因此能 夠構建許多不同尺寸和特性的分離器，這使得可以基於一種或兩種模板切割磁性材料而 獲得所有磁體。
上述的本發明的兩個目的中，每一個都能夠根據多種形式實現。例如，在橫截面中， 磁體可以具有大致矩形或六邊形的多邊形構造。
本發明的另一目的涉及一種分離磁性粒子的裝置，該裝置包括非均勻磁場發生器， 該發生器包括具有內部空間的橫截面，該內部空間用於放置將經受磁性粒子分離處理的 物體，所述發生器包括用於磁體的支撐結構和定位在所述支撐結構中的多個磁體。在包 括多個所述磁體的平面內的該發生器的橫截面內，所述磁體為具有多個邊的多邊形構 造。磁體成角度地分布，形成至少一個圍繞內部空間的磁體環，以便在所述內部空間中 產生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數。
根據本發明的這一目的，多邊形構造是六邊形構造。六邊形構造是非常有利的，因 為其允許利用磁體的磁化方向和幾何構型之間很少的關係建立易於擴展的結構，具有隱 含的優點(參見上述解釋)。例如，這些結構可以通過移去一個磁體環很容易地進行擴 展。磁體彼此接觸，磁體的邊和相鄰磁體邊相靠設置形成蜂窩或類似形式，同樣可以構 建這些可擴展的磁體結構或具有容易增加內部空間的結構。
每個磁體在所述分離器的橫截面具有磁化方向，並且所述至少 一個環的磁體被定 位，以便磁體的磁化方向遵循A廣((P/2) +1) *A6的角度遞進，其中，Ay表示在所述 發生器的橫截面一個磁體和鄰接的磁體之間的磁化方向的變化，而A6表示在所述發生 器的橫截面一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化。
所述至少一個環可以包括多於P個磁體(即，磁體數多於磁場中的磁極數)。這樣， 可以實現整個內部空間具有恆定的磁梯度的磁場，特別是當P = 4時(當P>4,梯度不 恆定，例如，當P-6，梯度線性上升，中心梯度為零，其隱含分離效率低)。利用比磁 場中的磁極數多的大量磁體，能夠在整個內部空間獲得磁梯度大且基本恆定的磁場，眾 所周知，隨著磁體數的增加，在最接近場源的區域中的場的分布扭曲減少(例如，如果 只利用4個磁體，則在靠近磁體處會產生梯度"扭曲"；但是，如果利用大量的磁體， 則梯度幾乎是完美的-即基本上沒有扭曲，除了已經非常接近磁體表面的區域之外)。
在所述發生器的橫截面中，可以有N種磁體，每種磁體具有確定的幾何構型以及確 定的其磁化方向和所迷幾何構型之間的關係，在所述發生器的橫截面，例如，N可能為 1或2。使用 一種或至多兩種磁體，每種磁體都具有其幾何構型和磁化/幾何構型關係， 且磁體種類的減少，允許具有相當大的靈活性，從邏輯上這是很有利的，當其涉及製造 小批量分離器時尤其重要；本發明允許只使用一種或兩種磁體，並因此能夠構建許多不 同大小和特性的分離器。
發生器可以這樣設置，在所述發生器的橫截面內，磁體的多個邊中沒有和在所述環 中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置的邊(雖然，每個磁體可以由幾塊
面彼此相靠放置磁體塊組成)。這樣在結構上具有大的靈活性，其能夠利用同一磁體或 類型的磁體形成不同尺寸的結構，而不改變磁體的形狀或尺寸。根據本發明的這一形式， 可以對磁體的排列進行選擇，以便形成所述環的磁體彼此不相接觸，或者某些磁體或全 部磁體接觸，但是只是以這種方式接觸，即所述環中的兩個有角度的連續的磁體間的接 觸對應於至少 一個所述磁體的兩邊之間的角，和另 一個磁體的角或邊相靠。
根據不同的形式，可以對上述發明的任一目的構造，其可包括下述可選特徵的一些 或全部
在橫截面中，組成磁體環的磁體具有遵循a" ((P/2) +1) *Ae的角度遞進的幾何 構型的方向，其中Ay表示在所述發生器的橫截面， 一個磁體和相鄰磁體之間的幾何構 型的角度方向的變化，而A9表示在所述發生器的橫截面一個磁體和相鄰磁體之間的角 度位置的變化。換句話說，磁體這樣分布，以致可以改變磁體的幾何構型的角度方向， 而不用改變相對於所述幾何構型的磁化。這是有利的，因為其允許利用單一模板切割原 始磁性材料，即製造磁體塊，所有磁體塊具有相同的磁化和幾何構型之間的關係。
整個內部空間的磁極數P可以是4，這樣得到的磁場中具有大的且恆定的梯度。
磁體在包括多個所述磁體的所述平面內的所述發生器的橫截面中，磁體可以具有等 邊的多邊形構造。
萬茲體可以是平4亍六面體。
在橫截面中，》茲體可以分布在包括多個同心的磁體環的構造中。
該結構可以包括沿著裝置的大致垂直於所述橫截面的縱軸分布的多個磁體環。
一個或多個磁體可以由至少兩塊並置的磁體塊組成。
支撐結構可包括多個沿著該裝置的縱軸依次放置的支撐部件(例如鋁環形式)，每 個支撐部件具有用於放置磁體的多個孔，該孔的幾何構型與磁體的幾何構型相匹配。
磁體可由例如NdFeB， SmCo， Ni製成，或者更一般地，磁體可以是具有磁各向異 性的磁體，例如，具有磁晶各向異性的磁體(而不具有這一特性，會出現由於相鄰的磁 體產生的磁場而導致磁體去磁的風險，例如，如果材料是鋼或AlNiCo，就可能發生)。
本發明的另一目的涉及一種分離物體(例如，包含流體的容器，流體例如是懸浮液 內帶有磁性粒子的液體)中的磁性粒子的方法。根據本發明的這一目的，該方法包括將 物體放置在根據上述任一方法的裝置的內部空間的步驟。
為了補充說明書且更好理解本發明的特徵，根據本發明的實際實施例的優選例子， 提供一組附圖，作為所述說明書的整體的一部分，這些附圖用說明性和非限制性的方式 表示如下
圖1示出的是根據本發明的可行實施例的分離器的支撐結構的示意透視圖。
圖2示出的是根據本發明的可行實施例的分離器的橫截面圖。
圖3和4示出的是根據本發明的兩個可替換的實施例的分離器的側面磁體的定位和 它們的磁化方向的示意圖。
圖5和6示出的是根據本發明的可行實施例的兩個組裝階段的支撐結構透視圖。
圖7-9示出了基於六邊形磁體的三個實施例中的分離器截面圖中的磁體結構的設 置示意圖。
圖10示出的是根據本發明的可行實施例的完整的分離器的透視圖。
具體實施例方式
圖1示意了本發明可行的優選實施例，並且更特別地，支撐結構2放置在支座或基 座24的頂部，該支撐結構2包括多個支撐環，例如鋁環，圖中被表示為環21、 22、 23。 環內的自由空間1用於放置將被磁性粒子分離處理的樣品或物體。
如在環21 (其具有與其他環22和23相同或大致相同的構造)中所示，支撐環具有 一系列其內設置有磁體的孔或通道2B，所以儘管磁體間有吸引或排斥力，磁體保持固 定不動。圖示的結構還可以具有蓋子(未示出)，用於阻止磁體的垂直移動(即平行於 支撐結構的縱軸的移動)。圖1中，同樣可以看到孔2A,用於將杆設置於其內以保持環 的連接，該杆可由黃銅或不鏽鋼製成。所述杆和鋁環21、 22、 23、基座24及蓋子(未 示出)一起基本上形成支撐結構。
磁體設置在通道或孔2B中。每個磁體可能由兩塊或多塊磁體組成，該兩塊或多塊 磁體被並置以便形成一個磁體，其橫截面對應於孔或通道2B的橫截面，所以磁體以不 能移動或相當有限的移動保持在所述孔中。
圖2示意了在圖1表示的這類支撐結構2中，利用多個黃銅或類似的杆25進行固 定，該杆穿過該結構的支撐環，多個磁體3放置在孔2B內，每個磁體具有多個邊。特 別地，圖2顯示了分離器的橫截面，並且顯示了在所述橫截面，磁體3具有多邊形橫截 面，特別地是為矩形，或者更特別地為正方形。磁體之間彼此不接觸。特別地，磁體的 邊或面3a、 3b、 3c和3d不與相鄰磁體的面或邊相靠放置(雖然有可能磁體的角和相鄰
磁體的角或邊接觸，其也不超出本發明的範圍)。從圖2中可知，多個磁體3被設置形 成磁體環4,不必使磁體間的邊彼此相靠放置，意味著環4上的一個磁體與相鄰磁體間 的磁化方向的變化，可以通過改變組成磁體的物理部分和支撐結構之間的關係建立，不 需要使用在磁化方向(分離器的橫截面中的磁化方向)和幾何構型之間具有不同的關係 的磁體塊。
參看圖3可以更容易地理解這一原理，圖3示出了在本發明的可行實施例中的分離 器橫截面中的磁體3的分布。如圖所示，對於所有的磁體，指示磁化方向或方位的箭頭 5相對於分離器橫截面平面中的磁體的幾何構型具有相同的關係。
特別地，所有磁體都具有平行於其兩邊並垂直於另外兩邊的磁化方向。這意味著， 沿著平行和垂直於所述材料的易磁化方向(即對應於材料的所謂"易磁化軸"的方向)， 所有的磁體都能夠基於同 一模板切割 一塊磁性材料獲得。
如圖3所示，其中顯示了在分離器的內部空間產生具有四極磁場的磁體的分布，磁 體環4的磁體3的磁化方向5遵循y=3*A6的角度遞進，其中，~表示在所述分離器的 橫截面中一個磁體3和相鄰的磁體之間的磁化方向5的變化，而A9表示在所述分離器 的橫截面中 一個磁體3和相鄰的磁體之間的角度位置的變化。然而，根據本發明，不是 通過改變磁體的磁化方向相對於磁體的幾何構型之間的關係實現，而是通過改變磁體相 對於支撐結構的幾何構型方向實現的；特別地，如圖3中所示，形成磁體環4的多個磁 體3具有遵循A屍3Ae的角度遞進的幾何構型方向，其中，Ay表示在所述分萬器的橫截 面一個磁體3和相鄰的磁體之間的幾何構型的角度方向的變化，而A6表示在所述分離 器的橫截面一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化。換句話說，因為磁體的邊不 與相鄰的磁體的邊相靠放置，所以可以通過組成磁體的物理部件的方向的相應角度遞進 產生磁化方向的角度遞進。
在類似於圖3所示的設置中，產生的磁場(B)的感應模式沿徑向增加；其從環4 中心(內部自由空間1的中心)的零感應改變到邊緣(靠近磁體環)的高感應，具有大 致恆定的梯度，典型地，該梯度可以是幾個T/m。該恆定的梯度導致放置在內部空間的 樣品中所出現的磁性粒子，至少在分離器的橫截面上向容器壁移動，例如，所述樣品被 放置在佔據大部分所述內部空間的容器中。圖3中，以環4為輪廓的"內部空間"l中 的箭頭表示磁梯度的方向，因此也是施加在樣品中的磁性粒子上並使得它們向包含該樣 品的容器的壁移動的力的方向。圖3中，近似環形的線表示等位線，即由具有相同值的 磁場強度的點形成的線(這同樣適用於示出這種類型的線和箭頭的其他的圖)。
圖4示出了根據本發明的另一個可行實施例磁體的分布。在該實施例中，磁體3沿 兩個環分布；它們的磁化方向5的角度遞進與圖3中所示的設置相同，但是在這種情況 下，利用兩個》茲體環， 一個有22個磁體，而另一個即外側是30個磁體，且磁體類型與 圖3設置中的類型相同，實現了更大梯度的磁場。
根據本發明的可行優選實施例，圖5示出的是組裝中的支撐結構。特別地，顯示了 具有大約10mm高度的三個環21、 22、 23是如何被固定在基板24上的，所述環例如為 鋁環。所述環可由例如10mm厚的鋁板利用雷射切割製成。
上述環通過固定系統相互固定，該固定系統包括杆25,該杆例如為黃銅或無磁性不 鏽鋼杆。杆25帶有螺紋，並且利用螺栓26將鋁環固定在所希望的高度，該螺栓例如為 塑料螺栓。圖中也示意了每個磁體3是如何由兩部分31、 32組成，該兩部分一起構成 磁體3。
圖6示出了分離器的另一個組裝階段，其中，增加了另一個鋁環20，並且包含了所 有磁鐵3，每個磁體都由兩部分31、 32組成。圖6示出的結構具有三層磁體。磁體可以 是例如NdFeB磁體或任何其他合適材料的磁體，這取決於預期想要得到的具體特性。
圖7示意了本發明的另一個可行的實施例，其中所用的磁體3具有六邊形橫截面， 並且被放置在圍繞內部空間1的環中，該內部空間用於放置將被處理的樣品或物體。這 種構造中，利用了具有六邊形橫截面的磁體，當磁體邊靠邊放置時(即同一磁體的兩邊 與相鄰磁體的相應邊相靠放置)，磁化方向和磁體的橫截面的幾何構型之間具有單一的 關係，能夠實現磁化方向5的合適的角度遞進，具有隱含的結構方面的優點。
圖8示出了基於兩個六邊形磁體環的另一個設置，兩個磁體環即內環和外環，所有 磁體有這樣的側面，該側面靠在同一個和另一個磁體環的相鄰磁體的側面。在這種情況 下，所有磁體具有相同的幾何構型，但是磁化和幾何構型之間具有兩種關係如圖所示， 一些磁體3A具有垂直於磁體的兩個面的磁化方向5,而另一些磁體3B具有朝向兩個面 之間的邊緣的方向。
圖9示出了基於六邊形橫截面磁體的另一種設置；內部空間1顯示了磁梯度的方向 (具有箭頭)和一些等位線，等位線即由具有相同值的磁場橫截面強度的點形成。
從這些圖中很容易看出，不同的六邊形磁體"環"的這種"蜂窩"狀設置有很重要 的優勢，因為其能夠容易地設計成可擴展的系統例如，為了增加圖8所示構造的分離 器的內部空間1的直徑，可以容易地除去內環中的6個磁體等。
在圖10中，顯示了完整的分離器，其是基於圖5和6中所示的設計，但是具有外
殼29和蓋子27;蓋子利用螺釘28固定到杆25 (圖10中未示出)上。
在本文中，詞語"包括"及其變形不應該被理解成排除，也就是說，它們不排除所
描述的術語包括其他的部件、步驟等的可能性。
此外，在權利要求推定的範圍內，本發明不限於上面描述的特定實施例，而且同樣
覆蓋例如本領域技術人員可能作出的變化(例如關於材料、尺寸、組分、構造等等的選擇)。
權利要求
1、一種分離磁性粒子的裝置，包括具有橫截面的非均勻磁場發生器，所述橫截面具有用於放置將經受磁性粒子分離處理的物體的內部空間(1)，所述發生器包括用於支撐磁體的支撐結構(2)和多個定位在所述支撐結構(2)中的磁體(3)，在包括所述多個磁體的平面中的所述發生器的橫截面中，所述磁體(3)為具有多個邊的多邊形構造，所述多個磁體(3)成角度地分布，形成至少一個圍繞所述內部空間的磁體環(4)，以便在所述內部空間(1)中產生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數，每個磁體(3)在所述發生器的橫截面中具有磁化方向(5)，所述至少一個環(4)的多個磁體(3)被定位，以便所述磁體的磁化方向(5)遵循Δγ＝((P/2)+1)*Δθ的角度遞進，其中，Δγ表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化方向的變化，而Δθ表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化，並且所述至少一個環包括多於P個磁體，其特徵在於在所述發生器的橫截面中，具有N種磁體，每一種磁體都具有確定的幾何構型以及其磁化方向與所述幾何構型之間的確定關係，在所述的橫截面中，N＝1或N＝2。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於N = 2。
3、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於N=l。
4、 根據權利要求1 - 3中的任一項所述的裝置，其特徵在於所述發生器被構造， 以便在所述發生器的橫截面中，所述磁體(3a, 3b, 3c, 3d)的多個邊中沒有和所述環 中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置的邊。
5、 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於形成所述環的所述磁體(3)彼此不 接觸。
6、 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於如果所述環中兩個有角度地連續設置的磁體(3)之間具有接觸，則所述接觸只對應於至少一個所述磁體的兩邊之間 的一個角。
7、 一種分離磁性粒子的裝置，包括具有橫截面的非均勻磁場發生器，所述橫截面具有放置將經受磁性粒子分離處理的 物體的內部空間(1),所述發生器包括用於支撐磁體的支撐結構(2)和多個定位在所述支撐結構(2)中 的磁體(3 )，在包括多個所述磁體的平面中的所述發生器的橫截面中，所述磁體(3)為具有多 個邊的多邊形構造，所述多個磁體(3 )成角度地分布，形成至少一個圍繞所述內部空間的磁體環(4 ), 以便在所述內部空間(1)中產生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數，每個磁體(3)在所述發生器的橫截面具有磁化方向(5)，所述至少一個環(4)的 多個磁體(3)被定位，以便所述磁體的磁化方向(5)遵循△γ=((P/2) +1) *△θ的角 度遞進，其中△γ表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化方向 的變化，而△θ表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的 變化，並且所述至少一個環包括多於P個磁體，其特徵在於所述發生器被構造，以便在所述發生器的橫截面中，所述磁體(3a, 3b, 3c, 3d) 的多個邊中沒有和所述環中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置的邊。
8、 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於形成所述環的所述磁體(3)彼此不 相4妻觸。
9、 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於如果所述環中兩個有角度地連續的 磁體(3)之間具有接觸，則所述接觸只對應於至少一個所述磁體的兩邊之間的一個角。
10、 根據權利要求7-9中的任一項所述的裝置，其特徵在於在所述發生器的橫 截面中，具有N種磁體，每一種磁體都具有確定的幾何構型以及其磁化方向和所述幾何 構型之間的確定的關係，在所述的橫截面中，N-l或N-2。
11、 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於N = 2。
12、 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於N=l。
13、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於在所述橫截面中，所述磁體具有實質上為矩形的多邊形構造。
14、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於在所述橫截面中，所述磁體具有實質上為六邊形的多邊形構造。
15、 一種分離磁性粒子的裝置，包括具有橫截面的非均勻磁場發生器，所述橫截面具有放置將經受磁性粒子分離處理的物體的內部空間(1 ),所述發生器包括支撐磁體的支撐結構(2)和多個定位在所述支撐結構(2)中的磁體(3)，在包括多個所述磁體的平面的所述發生器的橫截面中，所述磁體(3)是具有多個邊的多邊形構造，所述多個磁體(3)成角度地分布，形成至少一個圍繞所述內部空間的磁體環(4), 以便在所述內部空間(1 )中產生具有磁極數為P的磁場，P是大於2的偶數，其特徵在於所述多邊形構造是六邊形構造。
16、 根據權利要求15所述的裝置，其特徵在於每個磁體(3)在所述發生器的橫 截面中具有磁化方向(5)，並且所述至少一個環(4)的多個磁體(3)被定位，以便所述磁體的磁化方向(5 )遵循delta gamma=(( P/2 ) +1 ) *delta theta的角度遞進，其中Ay表示在所述發生 器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的磁化方向的變化，而delta theta表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位置的變化。
17、 根據權利要求15或16所述的裝置，其特徵在於所述至少一個環(4)包括多於P個磁體。
18、 根據權利要求15-17種的任一項所述的裝置，其特徵在於在所述發生器的橫截面中，具有N種磁體，每一種磁體都具有確定的幾何構型以及其磁化方向與所述幾何構型之間的確定關係，在所述的橫截面中，N = 1或N = 2。
19、 根據權利要求18所述的裝置，其特徵在於N = 2。
20、 根據權利要求18所述的裝置，其特徵在於N=l。
21、 根據權利要求15-21中的任一項所述的裝置，其特徵在於所述發生器被構 造，以便在所述發生器的橫截面中，所述磁體(3a, 3b, 3c, 3d)的多個邊中沒有和所 述環中有角度地位於它們之前或之後的磁體的邊相靠放置的邊。
22、 根據權利要求21所述的裝置，其特徵在於形成所述環的所述磁體(3)彼此 不相接觸。
23、 根據權利要求21所述的裝置，其特徵在於如果所述環中兩個有角度地連續 設置的磁體(3)之間具有接觸，則所述接觸只對應於至少一個所述磁體的兩邊之間的 一個角。
24、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於在所述橫截面中，組成磁 體環的所述磁體(3)具有遵循A" ((P/2) +1) *A9的角度遞進的幾何構型的方向，其 中Ay表示在所述發生器的橫截面中 一個磁體和相鄰的磁體之間的所述幾何構型的角度 方向的變化，而A9表示在所述發生器的橫截面中一個磁體和相鄰的磁體之間的角度位 置的變化。
25、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於磁極數P-4。
26、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於在所述發生器的橫截面中， 包括多個所述磁體的所述平面內的磁體(3)具有等邊多邊形構造。
27、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於所述磁體是平行六面體構造。
28、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於在所述橫截面中，所述磁 體以包括多個同心磁體環的構造分布。
29、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於所述結構包括沿著所述裝 置的大致垂直於所述橫截面的縱軸分布的多個磁體環。
30、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於至少一個所述磁體由至少 兩個並置的磁體塊組成。
31、 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特徵在於所述支撐結構(2)包括 沿著所述裝置的縱軸依次放置的多個支撐部件(21， 22, 23 ),每一個支撐部件都具有 用於放置所述磁體的多個孔(2B ),所述孔的幾何構型與所述磁體(3 )的幾何構型相匹 配。
32、 一種分離物體中的磁性粒子的方法，其特徵在於其包括將物體放入前述任一 項權利要求的所述裝置的內部空間中的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種分離磁性粒子的裝置和方法，用於從放置在該分離裝置的內部空間(1)中的樣品中分離磁性粒子。根據本發明，通過磁體(3)的特殊設置產生磁場。這種特殊設置能夠利用減少的磁體數目或磁體種類構建不同大小的裝置。
文檔編號B03C1/035GK101208153SQ200680022772
公開日2008年6月25日 申請日期2006年5月10日 優先權日2005年6月24日
發明者古斯塔·蒙泰羅·卡斯提亞納, 塞爾吉奧·嘎西亞·索特羅, 尤伊斯·米蓋爾·馬汀尼茲·嘎西亞 申請人:工業品加工分析技術創新有限公司