高梯度磁流动分离装置及分离方法与流程

本发明涉及生化分析技术领域，特别是涉及一种高梯度磁流动分离装置及分离方法。

背景技术：

由于食品中致病微生物浓度通常很低，常规分析方法无法直接对致病微生物进行检测，而且食品样本背景复杂，会严重干扰目标微生物的检测，易造成假阳性。因此，将目标微生物从复杂样本中分离出来并富集是非常有必要的，也是亟需解决的一个关键问题。

目前，常用的微生物分离方法主要有非选择性分离和选择性分离。非选择性分离方法主要有离心和过滤，它们是基于目标微生物的尺寸和质量等理化性质实现目标微生物的分离，没有特异性。选择性分离方法通常是利用生物识别元件(抗体、适配体等)特异性识别目标微生物来实现对目标微生物的选择性分离。

免疫磁分离技术是一种基于抗原抗体免疫结合的生物分离技术，已被广泛用于复杂样品中目标物的分离与富集。常规免疫磁分离通常只能处理小体积样品且对操作人员专业性要求较高。目前，很多食源性致病微生物在即食食品中要求不得检出，然而在低浓度下，即使小体积样品中所有目标微生物都被分离出来，也很难达到后续检测方法的检测下限。因此，开发一种高梯度磁流动分离装置用于大体积样品中目标微生物特异分离和高效富集的新方法具有重要意义，也是目前一个亟待解决的共性问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高梯度磁流动分离装置及分离方法，以至少解决现有技术中的常规磁分离体积小以及磁珠利用率低的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种高梯度磁流动分离装置，包括：高梯度磁流动分离结构，所述高梯度磁流动分离结构能够进行周向转动，所述高梯度磁流动分离结构包括光滑内管、同轴套设在所述光滑内管的外围的光滑外管以及同轴套设在所述光滑外管的外围的磁性结构，所述磁性结构能够相对所述光滑外管进行周向转动，在所述光滑内管和所述光滑外管之间构造有环形腔室；注射结构，所述注射结构通过第一管路与所述环形腔室相连通，用于向所述环形腔室内注入生物识别元件修饰的磁性部件以及含有目标微生物的样本溶液。

其中，所述磁性结构包括柱形支架、在所述柱形支架上沿所述柱形支架的长度方向依次设有多环槽组，每环所述槽组均包括沿周向呈间隔式设置的多个槽体；所述磁性结构还包括多个磁铁，各个所述磁铁分别嵌设在相应的所述槽体内。

其中，各个所述槽体的横截面尺寸沿靠近所述光滑内管的一端朝远离所述光滑内管的一端逐渐增大。

其中，各个所述槽体的横截面形状均为扇形，各个所述磁铁的形状均为扇形，各个所述磁铁均与相应的所述槽体相适配。

其中，在所述光滑内管的内部沿其长度方向并排设有多个软磁部件。

其中，在所述光滑外管的内部并分别位于所述光滑内管的端部分别设有相应的同轴封堵部件，所述同轴封堵部件能封堵所述光滑内管并使所述光滑内管与所述光滑外管同轴套设。

其中，所述高梯度磁流动分离装置还包括驱动结构，所述驱动结构与所述磁性结构相连接，用于驱动所述磁性结构进行周向转动。

其中，所述驱动结构包括驱动电机、主动齿轮以及从动齿轮，所述驱动电机的输出轴与所述主动齿轮相连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮相啮合，所述从动齿轮套设在所述柱形支架上并与所述柱形支架固定连接。

其中，所述高梯度磁流动分离装置还包括液体收集容器，所述液体收集容器通过第二管路与所述环形腔室相连通。

根据本发明的第二方面，还提供一种高梯度磁流动分离方法，包括：将生物识别元件修饰的磁性部件注入所述环形腔室中，所述磁性部件会被所述磁性结构的磁场捕获并分布在所述环形腔室中；通过使得所述磁性结构进行周向转动，从而带动所述环形腔室内的所述磁性部件进行周向转动；向所述环形腔室中注入含有目标微生物的样本溶液，通过所述环形腔室内的所述磁性部件的转动，以增加所述磁性部件上的所述生物识别元件与样本溶液中的目标微生物的碰撞机率，从而所述磁性部件上的所述生物识别元件会捕获样本溶液中的所述目标微生物，提高捕获效率；所述样本溶液注完后，所述磁性结构停止转动，清洗除去样本溶液中的背景，用小体积缓冲液进行复溶，得到纯化和富集的磁性部件与样本溶液的复合体。

(三)有益效果

本发明提供的高梯度磁流动分离装置，与现有技术相比，具有如下优点：

当生物识别元件修饰的磁性部件注入到环形腔室内后，由于磁性结构磁场的存在，磁性结构会被捕获在环形腔室内。在注入含有目标微生物的样本溶液后，磁性结构转动，会使环形腔室内的磁场发生变化，因此，会导致环形腔室内的磁性部件也会随之进行转动。磁性部件的转动和窄小的环形腔室增加了样本溶液中的目标微生物与磁性部件上的生物识别元件的碰撞机率，提高了捕获效率，从而提高了目标微生物从样品中的分离效率，缩短了分离时间。本申请的高梯度磁流动分离装置可以连续不断地向环形腔室内注入带有目标微生物的样本溶液，因此，它可以用于大体积样品中目标物的分离，有效提高磁性部件的利用效率，降低成本，从而提高检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明的实施例的高梯度磁流动分离装置的整体结构示意图；

图2为图1中的光滑内管、光滑外管以及软磁部件的结构示意图；

图3为图1中的柱形支架的整体结构示意图；

图4为图1中的磁铁的整体结构示意图；

图5为本发明的实施例的高梯度磁流动分离方法的步骤流程示意图。

附图标记：

1：高梯度磁流动分离结构；11：光滑内管；12：光滑外管；13：磁性结构；131：柱形支架；132：槽组；132a：槽体；133：磁铁；14：环形腔室；2：注射结构；21：第一管路；4：软磁部件；5：同轴封堵部件；6：驱动结构；61：驱动电机；62：主动齿轮；63：从动齿轮；7：液体收集容器；8：第二管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图4所示，图中示意性地显示了该高梯度磁流动分离装置包括高梯度磁流动分离结构1、注射结构2以及驱动结构6。

在本申请的实施例中，该高梯度磁流动分离结构1能够进行周向转动，该高梯度磁流动分离结构1包括光滑内管11、同轴套设在该光滑内管11外围的光滑外管12以及同轴套设在该光滑外管12外围的磁性结构13，该磁性结构13能够相对该光滑外管12进行周向转动，在该光滑内管11和该光滑外管12之间构造有环形腔室14。

该注射结构2通过第一管路21与该环形腔室14相连通，用于向该环形腔室14内注入生物识别元件修饰的磁性部件以及含有目标微生物的样本溶液。具体地，当磁性部件注入到环形腔室14内后，由于磁性结构13磁场的存在，磁性部件会被捕获在环形腔室14内。在注入含有目标微生物的样本溶液时，磁性结构13转动，会使环形腔室14内的磁场发生变化，因此，会导致环形腔室14内的磁性部件也会随之进行转动。磁性部件的转动和窄小的环形腔室14增加了样本溶液中的目标微生物与磁性部件上的生物识别元件的碰撞概率，提高了捕获效率，从而提高了目标微生物从样品中的分离效率，缩短了分离时间。本申请的高梯度磁流动分离装置可以连续不断地向环形腔室14内注入带有目标微生物的样本溶液，因此，它可以用于大体积样品中目标物的分离，有效提高磁性部件的利用效率，降低成本，从而提高检测灵敏度。

需要说明的是，该生物识别元件修饰的磁性部件被磁场固定在该环形腔室14内并能捕获该样本溶液中的该目标微生物。

在本申请的一个优选的实施例中，该注射结构2可为蠕动泵、注射泵或注射器。

如图1至图4所示，在本申请的一个优选的实施例中，该磁性结构13包括柱形支架131、在该柱形支架131上沿该柱形支架131的长度方向依次设有多环槽组132，每环该槽组132均包括沿周向呈间隔式设置的多个槽体132a。

该磁性结构13还包括多个磁铁133，各个该磁铁133分别嵌设在相应的该槽体132a内。需要说明的是，相邻的磁铁133相互排斥，每一环的槽组132中沿圆周阵列式嵌设有磁铁133。

如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，各个该槽体132a的横截面尺寸沿靠近该光滑内管11的一端朝远离该光滑内管11的一端逐渐增大。

如图1和图3所示，在本申请的另一个优选的实施例中，各个该槽体132a的横截面形状均为扇形，各个该磁铁133的形状均为扇形，各个该磁铁133均与相应的该槽体132a相适配。具体地，通过将该磁铁133以及该槽体132a的形状均设计为扇形，并使每个磁铁133均与相应的槽体132a相适配，从而可以使各个该磁铁133均能够更加方便、灵活转动，同时，使位于同一圆环上的磁铁133的整体构造成类似为圆盘状。

光滑内管11内的软磁部件4在各个磁铁133的磁性作用下会被磁化，使在环形腔室14内产生一个高梯度磁场，从而使磁性部件会紧紧地被固定在光滑内管11的外壁或光滑外管12的内壁上。

需要说明的是，通过使该光滑内管11和光滑外管12均具有较好的光滑作用，可以提高分离的准确性，避免因为管道壁面粗糙，使样本溶液中的目标微生物被非特异性地吸附在管道内。

在本申请的一个优选的实施例中，该光滑内管11和光滑外管12的材质均为石英玻璃、普通玻璃或有机玻璃。

如图1和图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该光滑内管11的内部沿其长度方向并排设有多个软磁部件4。具体地，该软磁部件4可为铁珠、柱形铁或块状铁等，另外，该软磁部件4也可为铬和锗。该软磁部件4本身不具备磁性，但将其处在有磁场的环境中，该软磁部件4便会被磁化，从而具备磁性。

需要说明的是，该软磁部件4的直径小于光滑内管11的内径，该软磁部件4的直径与光滑内管11的内径之间的差值大于等于0.1毫米且小于等于0.5毫米。这样，可以确保软磁部件4能够顺利地装入到该光滑内管11中。

如图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该光滑外管12的内部并分别位于该光滑内管11的端部分别设有相应的同轴封堵部件5，该同轴封堵部件5能封堵该光滑内管11并使该光滑内管11与该光滑外管12同轴套设。具体地，该同轴封堵部件5可为同轴塞头，该同轴塞头的设置，可以确保光滑内管11与光滑外管12进行同轴设置，避免光滑内管11在重力的作用下偏向光滑外管12的下方。

在本申请的一个优选的实施例中，该光滑外管12的内径为2.0毫米，外径为2.5毫米，光滑内管11的内径为1.0～1.2毫米，外径为1.2～1.4毫米。

该软磁部件4的直径为0.8～1.0毫米。

该磁铁133的内径为3毫米，外径为7毫米，厚度为5毫米，角度为30度。

该柱形支架131的长度为80毫米，直径为8毫米，中间孔径为3毫米，每个槽体132a的厚度为5毫米，每两个槽体132a的间隔为1毫米。

需要说明的是，所述“内径”和“外径”等均指直径。

如图1至图4所示，在本申请的一个优选的实施例中，该高梯度磁流动分离装置还包括驱动结构6，该驱动结构6与该磁性结构13相连接，用于驱动该磁性结构13进行周向转动。具体地，通过启动该驱动结构6，该驱动结构6会驱动该磁性结构13进行周向转动，通过该磁性结构13的周向转动会使环形腔室14内的磁场发生变化，因此，会导致环形腔室14内的磁性部件也会随之进行转动，从而增加样本溶液中的目标微生物与磁性部件上生物识别元件的碰撞机率。

如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，该驱动结构6包括驱动电机61、主动齿轮62以及从动齿轮63，该驱动电机61的输出轴与该主动齿轮62相连接，该主动齿轮62与该从动齿轮63相啮合，该从动齿轮63套设在该柱形支架131上并与该柱形支架131固定连接。具体地，通过使该驱动电机61的输出轴的周向转动，带动该主动齿轮62的周向转动，通过该主动齿轮62的周向转动，带动该从动齿轮63的周向转动，通过该从动齿轮63的周向转动，带动该磁性结构13的周向转动，通过该磁性结构13的周向转动，使该环形腔室14内的磁场发生变化，因此，会导致环形腔室14内的磁性部件也会随之进行转动，从而增加了磁性部件上的生物识别元件与样本溶液中目标微生物的碰撞机率，提高了捕获效率。

在本申请的一个优选的实施例中，该高梯度磁流动分离装置还包括液体收集容器7，该液体收集容器7通过第二管路8与该环形腔室14相连通。具体地，除去目标微生物的样本溶液经该环形腔室14流入到液体收集容器7中。需要说明的是，该液体收集容器7可为开口朝上的收集容器。

如图5所示，根据本发明的第二方面，还提供一种高梯度磁流动分离方法，包括：

步骤s1，将生物识别元件修饰的磁性部件注入该环形腔室14中，该磁性部件会被该磁性结构13的磁场捕获并分布在该环形腔室14中。

步骤s2，通过使得该磁性结构13进行周向转动，从而带动该环形腔室14内的该磁性部件进行周向转动。

步骤s3，向该环形腔室14中注入含有目标微生物的样本溶液，通过该环形腔室14内的该磁性部件的转动，以增加该磁性部件上的该生物识别元件与样本溶液中的目标微生物的碰撞机率，从而该磁性部件上的生物识别元件会捕获样本溶液中所述目标微生物，提高捕获效率。具体地，此步骤中的磁性部件的转动和窄小的环形腔室14增加了样本溶液中的目标微生物与磁性部件上的生物识别元件的碰撞机率，提高了捕获效率，从而提高了目标微生物从样本溶液中的分离效率，缩短了分离时间。

步骤s4，该样本溶液注完后，该磁性结构13停止转动，清洗除去样本溶液中的背景，用小体积缓冲液进行复溶，得到纯化和富集的磁性部件与样本溶液的复合体。具体地，本发明的方法实现了样本溶液中的目标微生物的富集，从而可以提高了检测灵敏度。

综上所述，当生物识别元件修饰的磁性部件注入到环形腔室14内后，由于磁性结构13磁场的存在，磁性结构13会被捕获在环形腔室14内。在注入含有目标微生物的样本溶液时，磁性结构13转动，会使环形腔室14内的磁场发生变化，因此，会导致环形腔室14内的磁性部件也会随之进行转动。磁性部件的转动和窄小的环形腔室14增加了样本溶液中的目标微生物与磁性部件上的生物识别元件的碰撞机率，提高了捕获效率，从而提高了目标微生物的分离效率，缩短了分离时间。本申请的高梯度磁流动分离装置可以连续不断地向环形腔室14内注入带有目标微生物的样本溶液，因此，它可以用于大体积样品中目标物的分离，有效提高磁性部件的利用效率，降低成本，从而提高检测灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。