一种纳米磁珠连续流动分离装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米磁珠连续流动分离装置及方法，本发明的装置包括一个流动分离芯片(1)、一个均匀梯度磁场发生模块(2)、一个微流控模块(3)和一个高梯度电磁场发生模块(4)。所述流动分离芯片(1)安装在均匀梯度磁场发生模块(2)中，包含纳米磁珠及其结合体的样本在微流控模块(3)的控制下注射到流动分离芯片(1)中，在均匀梯度磁场发生模块(2)作用下，纳米磁珠及其结合体朝磁场强度变大的方向偏移，从磁性物质出口流出，并通过控制高梯度电磁场发生模块(4)对纳米磁珠及其结合体进行捕获富集。通过利用本发明的装置和方法可实现10毫升以上的大样本处理量，同时操作难度小，并且易与后续检测集成为一体化。
【专利说明】一种纳米磁珠连续流动分离装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及连续液体分离【技术领域】，更具体涉及一种纳米磁珠连续流动分离装置及方法。
【背景技术】
[0002]微/纳米磁珠已在生物、医学、食品、环境和农业等领域得到广泛应用，尤其是磁珠表面修饰上生物识别材料，如抗体或核酸适体等，可对生物或化学目标物进行特异性分离和富集。免疫磁珠分离微生物的常规方法是先将表面修饰了抗体的磁珠与包含目标微生物的样本在样本管内进行充分混匀孵育，磁珠表面的抗体将捕获样本中的目标微生物，并形成磁珠-目标物结合体，然后利用磁场将磁珠-目标物结合体吸附在样本管的内壁上，同时将样本管内的废液移除，最后加入少量的缓冲液重新溶解磁珠-目标物结合体，即得到纯化并富集的目标微生物溶液。
[0003]纳米磁珠相对于微米磁珠的主要优势在于它具有更高的比表面积，可在等量的磁珠表面修饰上更多的生物识别材料，而且纳米磁珠多为水溶性，在溶液中呈均匀分布，与样本中目标物的结合效率更高。但是因为磁珠在磁场中受到的磁力与磁珠的粒径、磁珠的磁化强度以及磁场的梯度成正比，而且磁珠磁化强度通常与磁场强度成正比，可见纳米磁珠分离对磁场强度和磁场梯度的要求很高。目前，国内外最强的商业化磁铁为N52级别的钕铁硼永磁铁，最大表面磁场强度可达到0.64T，但磁场强度随作用距离增大而迅速衰减，因此磁场梯度较高的作用距离一般很小，这导致了在实际应用中无法实现纳米磁珠的高效分离，尤其是粒径在30纳米以下的磁珠，而且基本上很难实现对体积大于I毫升的纳米磁珠的分离。虽然电磁场可产生足够大的磁场强度，但需要耗费大量的电能，同时产生大量的热能，这会导致很多温度敏感的生物材料(如抗体)失去活性，无法正常工作，因此现有技术中无法实现大体系纳米磁珠的高效分离。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是如何高效分离大体系的纳米磁珠，同时简化分离操作。
[0006]( 二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米磁珠连续流动分离装置，所述装置包括一个流动分离芯片、一个均匀梯度电磁场发生模块、一个微流控模块和一个高梯度电磁场发生模块；
[0008]所述流动分离芯片包括分离通道、出口隔离板，并且设置有载流体进口、样本进口、磁性物质出口、非磁性物质出口 ；所述出口隔离板位于所述磁性物质出口和非磁性物质出口之间，其有一导流斜面，将液体导流向非磁性物质出口 ；
[0009]所述均匀梯度磁场发生模块包括永磁体、带有缺口的纯铁组件；所述永磁体位于所述纯铁组件的内部底面的几何中心位置，所述流动分离芯片设置于所述永磁体的上表面的几何中心位置，并且其磁性物质出口位于磁场强度变大的一边；永磁体产生的磁场方向与所述分离通道的液体流动方向垂直；
[0010]所述微流控模块包括样本微泵、载流体微泵、控制器；所述控制器分别连接所述样本微泵、载流体微泵；所述样本微泵和载流体微泵分别连接到所述载流体进口和所述样本进口 ；
[0011]所述高梯度电磁场发生模块包括第一电磁铁、第二电磁铁；所述第一电磁铁、第二电磁铁为同极对接，由所述控制器通过电磁铁驱动电路来控制启动和关闭；所述磁性物质出口的液体通过管以与所述高梯度电磁场的磁场方向垂直的方向流过。
[0012]优选地，所述流动分离芯片还包括进口隔离板，所述进口隔离板位于所述载流体进口、样本进口之间。
[0013]优选地，所述纯铁组件为带有三角形缺口的回型的纯铁组件，所述三角形缺口位于所述纯铁组件的上表面的几何中心位置。
[0014]优选地，所述载流体进口位于所述分离通道的几何中心位置，所述样本进口位于所述分离通道的顶部位置。
[0015]优选地，所述均匀梯度磁场发生模块还包括支架；所述永磁体、回型纯铁组件位于所述支架中，所流动分离芯片从所述支架的芯片入口插入所述支架的槽中。
[0016]优选地，所述高梯度电磁场发生模块还包括支架，所述第一电磁铁、第二电磁铁安装在所述支架中。
[0017]优选地，所述永磁体的材质为N52级别钕铁硼磁铁或更高强度的磁铁。
[0018]优选地，所述高梯度电磁场发生模块产生的磁场满足磁场梯度不小于20T/m，磁场强度不小于0.2T。
[0019]优选地，所述样本微泵和载流体微泵均采用精密注射泵或蠕动泵。
[0020]利用本发明的装置实现纳米磁珠连续流动分离的方法包括以下步骤:
[0021]S1、所述微流控模块的控制器控制所述载流体微泵开启，控制载流体的流量，使载流体充满所述流动分离芯片的分离通道；
[0022]S2、所述均匀梯度磁场发生模块产生与所述流动分离芯片内部的液体流动方向垂直的磁场，通过所述微流控模块的控制器调节载流体的流速，使所述分离通道内部载流体处于层流状态；
[0023]S3、由所述微流控模块的控制器控制开启样本微泵，从所述样本进口注入样本；
[0024]S4、所述样本中的纳米磁珠及其结合体在均匀梯度磁场发生模块作用下将朝磁场强度变大的方向偏移，并从所述磁性物质出口流出芯片，非磁性物质保持在原来的水平运动方向附近，从所述非磁性物质出口流出芯片；
[0025]S5、通过所述微流控模块的控制器启动电磁铁驱动电路，给所述第一电磁铁、第二电磁铁供电，产生高梯度电磁场；从所述磁性物质出口流出的纳米磁珠及其结合体被所述高梯度电磁场发生模块捕获在管的管壁上；样本流动分离结束后关闭所述高梯度电磁场发生模块，纳米磁珠及其结合体将被释放，回收在样本收集管中，得到纯化并富集的纳米磁珠及其结合体。
[0026](三)有益效果
[0027]本发明提供了一种纳米磁珠连续流动分离装置及方法，通过利用本发明的装置和方法可实现10毫升以上的大样本处理量，同时操作难度小，可实现操作自动化，并且易与后续检测集成为一体化。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的结构示意图；
[0030]图2为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的流动分离芯片的结构示意图；
[0031]图3为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的均匀梯度磁场发生模块的结构示意图；
[0032]图4为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的微流控模块的结构示意图；
[0033]图5为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的微流控模块的控制器的结构示意图；
[0034]图6为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的高梯度电磁场发生模块的结构示意图。
[0035]图中:
[0036]1、流动分离芯片；2、均匀梯度磁场发生模块；3、微流控模块；4、高梯度电磁场发生模块；11、分离通道；12、载流体进口 ；13、样本进口 ；14、磁性物质出口 ；15、非磁性物质出口 ； 16、进口隔离板；17、出口隔离板；18、封盖；19、螺栓；21、永磁体；22、纯铁组件；23、支架；24、密封盖；25、芯片入口 ；31、样本微泵；32、载流体微泵；33、连接器；34、控制器；35、管；41、电磁铁；42、电磁铁；43、支架。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0038]图1为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的结构示意图；所述装置包括一个流动分离芯片1、一个均匀梯度磁场发生模块2、一个微流控模块3和一个高梯度电磁场发生模块4。
[0039]图2为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的流动分离芯片的结构示意图；所述流动分离芯片I的材质为特氟纶或其他生物化学惰性材料，其包括分离通道11、出口隔离板17，并设置有载流体进口 12、样本进口 13、磁性物质出口 14、非磁性物质出口 15 ;所述载流体进口 12位于分离通道11的几何中心位置，所述样本进口 13位于分离通道11的顶部位置；所述流动分离芯片I还包括进口隔离板16 ;所述进口隔离板16位于所述载流体进口 12和样本进口 13之间；所述出口隔离板17有一导流斜面，其位于所述磁性物质出口 14和非磁性物质出口 15之间，所述导流斜面将液体导流向非磁性物质出口 15。所述流动分离芯片I还包括密封盖18和螺栓19 ;所述流动分离芯片I的分离通道11上方通过所述螺栓19固定所述密封盖18，进行封闭。
[0040]图3为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的均匀梯度磁场发生模块的结构示意图；所述均匀梯度磁场发生模块2包括永磁体21、回型纯铁组件22 ;所述回型纯铁组件22的上平面的几何中心位置有一三角形缺口 ；所述永磁铁21位于所述缺口内部的正下方、所述回型纯铁组件的下表面内部的几何中心位置；所述回型纯铁组件的回型腔的大小刚好容纳所述永磁体21和流动分离芯片I ;所述均匀梯度磁场发生模块2还包括支架23，所述回型纯铁组件22置于所述支架23内，采用密封盖24对支架23进行封闭。所述流动分离芯片I通过支架23的芯片入口 25插入所述支架23开的槽中，所述流动分离芯片I设置于所述永磁体的上表面的几何中心位置处，并且其磁性物质出口 14位于磁场强度变大的一边；所述永磁体21产生的磁场与所述流动分离芯片I的分离通道11的液体流动方向垂直。所述永磁体21的材质为N52级别的钕铁硼磁铁或更高强度的磁铁。所述支架23和密封盖24的材质为纯铝。
[0041]图4为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的微流控模块的结构示意图；所述微流控模块3包括样本微泵31、载流体微泵32、控制器34 ;所述控制器34分别连接所述样本微泵31、载流体微泵32 ;所述微流控模块3还包括连接器33和管35 ;所述样本微泵31和载流体微泵32分别通过所述管35和所述连接器33连接到所述载流体进口 12和所述样本进口 13;所述磁性物质出口 14和非磁性物质出口 15分别通过连接器33和管35连接到收集管和废液池；所述样本微泵31和载流体微泵32分别连接样品管和载流体管。所述样本微泵31和载流体微泵32均采用精密注射泵或蠕动泵；所述连接器33为标配产品，螺纹为1/4-28 ;所述管35材质为特氟纶或其它生物化学惰性材料，用于传输各种液体。
[0042]图5为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的微流控模块的控制器的结构示意图；所述控制器34包括微处理器、光电耦合器、两个电机驱动电路、两个电磁铁驱动电路、稳压电路、显示屏、键盘以及USB通信接口。所述微处理器可采用单片机或ARM，所述微处理器通过所述光电耦合器控制所述两个电机驱动电路、两个电磁铁驱动电路，所述两个电机驱动电路分别与所述样本微泵31和载流体微泵32连接；所述两个电磁铁驱动电路分别与所述电磁铁41和电磁铁42连接；所述稳压电路为微处理器、显示屏、两个电机驱动电路、两个电磁铁驱动电路提供电源；所述键盘、显示屏以及USB通信接口均与所述微处理器连接。所述控制器34对所述样本微泵31和所述载流体微泵32以及所述高梯度电磁场4进行智能控制。
[0043]图6为本发明的一个较佳实施例的一种纳米磁珠连续流动分离装置的高梯度电磁场发生模块的结构示意图；所述高梯度电磁场发生模块4包括电磁铁41、电磁铁42和支架43 ;所述电磁铁41和所述电磁铁42为同极对接，由所述控制器34通过电磁铁驱动电路来控制启动和关闭，启动时所述电磁铁41和所述电磁铁42呈相互排斥状态,所述高梯度电磁场是在所述电磁铁41和所述电磁铁42的对接处产生的；所述电磁铁41和所述电磁铁42安装在所述支架43中；所述磁性物质出口 14的液体通过所述管35垂直流经所述高梯度电磁场4。
[0044]实现大体系纳米磁珠连续流动分离的方法，所述方法包括以下步骤:
[0045]S1、所述微流控模块3的控制器34控制所述载流体微泵32开启，控制载流体的流量，使载流体充满所述流动分离芯片I的分离通道11 ；
[0046]S2、所述均匀梯度磁场发生模块2产生与所述流动分离芯片I内部的液体流动方向垂直的磁场，通过所述微流控模块3的控制器34调节载流体的流速，使所述分离通道内部载流体处于层流状态，其中载流体流动状态是通过计算雷诺系数来判断；
[0047]S3、由所述微流控模块3的控制器34控制开启样本微泵31，从所述样本进口 13注入样本，注入样本的流速与所述分离通道的长度、所述纳米磁珠的粒径和所述均匀梯度磁场发生模块的梯度与强度相关；
[0048]S4、所述样本中的纳米磁珠及其结合体在均匀梯度磁场发生模块2作用下将朝磁场强度变大的方向偏移，并从所述磁性物质出口 14流出芯片，非磁性物质保持在原来的水平运动方向附近，从所述非磁性物质出口 15流出芯片；
[0049]S5、通过所述微流控模块3的控制器34启动电磁铁驱动电路，给所述电磁铁41、电磁铁42供电，产生高梯度电磁场；从所述磁性物质出口 14流出的纳米磁珠及其结合体被所述高梯度电磁场发生模块4捕获在管35的管壁上；样本流动分离结束后关闭所述高梯度电磁场发生模块4，纳米磁珠及其结合体将被释放，回收在收集管中，得到纯化并富集的纳米磁珠及其结合体样本。
[0050]通过利用本发明的装置和方法可实现10毫升以上的大样本处理量，同时操作难度小，并且易与后续检测集成为一体化。
[0051]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种纳米磁珠连续流动分离装置，其特征在于，所述装置包括一个流动分离芯片(I)、一个均匀梯度电磁场发生模块(2)、一个微流控模块(3)和一个高梯度电磁场发生模块⑷； 所述流动分离芯片(I)包括分离通道(11)、出口隔离板(17)，并且设置有载流体进口(12)、样本进口(13)、磁性物质出口(14)、非磁性物质出口(15);所述出口隔离板(17)位于所述磁性物质出口(14)和非磁性物质出口(15)之间，其有一导流斜面，将液体导流向非磁性物质出口(15); 所述均匀梯度磁场发生模块(2)包括永磁体(21)、带有缺口的纯铁组件(22);所述永磁体(21)位于所述纯铁组件(22)的内部底面的几何中心位置，所述流动分离芯片(I)设置于所述永磁体(21)的上表面的几何中心位置，并且其磁性物质出口(14)位于磁场强度变大的一边；永磁体(21)产生的磁场方向与所述分离通道(11)的液体流动方向垂直； 所述微流控模块(3)包括样本微泵(31)、载流体微泵(32)、控制器(34);所述控制器(34)分别连接所述样本微泵(31)、载流体微泵(32);所述样本微泵(31)和载流体微泵(32)分别连接到所述载流体进口(12)和所述样本进口(13)； 所述高梯度电磁场发生模块(4)包括电磁铁(41)、电磁铁(42);所述电磁铁(41)和所述电磁铁(42)为同极对接，由所述控制器(34)通过电磁铁驱动电路来控制启动和关闭；所述磁性物质出口(14)的液体通过管(35)以与所述高梯度电磁场磁场方向垂直的方向流过。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流动分离芯片(I)还包括进口隔离板(16)，所述进口隔离板(16)位于所述载流体进口(12)、样本进口(13)之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述纯铁组件(22)为带有三角形缺口的回型的纯铁组件，所述三角形缺口位于所述纯铁组件的上表面的几何中心位置。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述载流体进口(12)位于所述分离通道(11)的几何中心位置，所述样本进口(13)位于所述分离通道(11)的顶部位置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述均匀梯度磁场发生模块(2)还包括支架(23);所述永磁体(21)、回型纯铁组件(22)位于所述支架(23)中，所流动分离芯片(I)从所述支架(23)的芯片入口(25)插入所述支架(23)的槽中。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高梯度电磁场发生模块(4)还包括支架(43)，所述电磁铁(41)和所述电磁铁(42)安装在所述支架(43)中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永磁体(21)的材质为N52级别钕铁硼磁铁或更高强度的磁铁。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高梯度电磁场发生模块(4)产生的磁场满足磁场梯度不小于20T/m,磁场强度不小于0.2T。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样本微泵(31)和载流体微泵(32)均采用精密注射泵或蠕动泵。
10.如权利要求1所述的装置实现纳米磁珠连续流动分离的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: S1、所述微流控模块(3)的控制器(34)控制所述载流体微泵(32)开启，控制载流体的流量，使载流体充满所述流动分离芯片(I)的分离通道(11)； s2、所述均匀梯度磁场发生模块(2)产生与所述流动分离芯片(I)内部的载流体流动方向垂直的磁场，通过所述微流控模块(3)的控制器(34)调节载流体的流速，使所述分离通道内部载流体处于层流状态； s3、由所述微流控模块(3)的控制器(34)控制开启样本微泵(31)，从所述样本进口(13)注入样本； s4、所述样本中的纳米磁珠及其结合体在均匀梯度磁场发生模块作用下将朝磁场强度变大的方向偏移，并从所述磁性物质出口(14)流出芯片，非磁性物质保持在原来的水平运动方向附近，从所述非磁性物质出口(15)流出芯片； s5、通过所述微流控模块(3)的控制器(34)启动电磁铁驱动电路，给所述电磁铁(41)、电磁铁(42)供电，产生高梯度电磁场；从所述磁性物质出口(14)流出的纳米磁珠及其结合体被所述高梯度电磁场发生模块(4)捕获在管(35)的管壁上；样本流动分离结束后关闭所述高梯度电磁场发生模块(4)，纳米磁珠及其结合体将被释放，回收在样本收集管中，得到纯化并富集的纳米磁珠及其结合体。
【文档编号】G01N1/28GK104165788SQ201410334104
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】林建涵, 王禹贺, 甘承奇 申请人:中国农业大学