磁性工具和使用其收集磁性颗粒的方法与流程

本发明公开了一种磁性工具以及使用所述磁性工具收集磁性颗粒的方法。所述磁性颗粒可以是微观尺度的。所述磁性工具和方法可用于，例如检测哺乳动物生物材料中的寄生虫卵，所述哺乳动物生物材料包括诸如尿液和粪便物质的废物。
背景技术：
：对于几种寄生虫病，例如血吸虫病，诊断需要在尿液或粪便样本中鉴定寄生虫卵。例如，一种用于检测人类寄生虫卵的常用方法是使用光学显微镜检查粪便涂片。卵通常大小为100微米，因此可以使用病理学实验室中使用的标准光学显微镜容易地识别。标准粪便涂片检测的一个主要缺点是只评估少量粪便样品(通常在50到60毫克之间)，因此当卵的含量很低时，出现假阴性的可能性(即患者的粪便样品中存在卵时，没有检测到卵)会非常大。为了克服这个问题，teixeira及其同事开发了一种检测大量粪便物质的方法，以在卵存在时提高卵的检出率。[teixeira，c.f.等，通过与磁场中顺磁珠的相互作用检测粪便中的曼氏血吸虫卵，plosnegltropdis，2007.1(2)：p.e73]该方法包括使用最多30克悬浮在自来水中的粪便物质。使用几个过滤步骤，然后重悬沉淀物，最后一步涉及使用磁性颗粒。磁性颗粒与沉积物混合，随后使用永磁体将颗粒吸引到微量离心管的侧面。利用血吸虫卵对磁性颗粒的亲和力，吸引到微量离心管一侧的沉淀物富含卵。用光学显微镜检测沉积物的这种磁性部分是该过程的最后一步，称为helmintex技术。光学检测每个样品可能需要几个小时。以上对
背景技术：
的引用并不构成承认最近技术形成本领域普通技术人员的公知常识的一部分。此外，以上参考不旨在限制本文所公开的系统、方法和设备的应用。本文所公开的磁性工具和收集磁性颗粒的方法的具体实施方式限于检测粪便中的寄生虫卵，而是更广泛地扩展到包括但不限于检测哺乳动物生物材料中的寄生虫卵，所述哺乳动物生物材料包括废物、血液和其他组织。发明概述在一个方面，本发明公开了一种磁性工具，包括：主体，所述主体具有第一端；探针，所述探针支撑在主体的第一端并由具有非常高磁导率的材料制成，并且所述探针具有距离第一端固定距离的尖端；和磁场源；所述工具被设置为将磁场源和探针之间的磁耦合在最大值和最小值之间改变，其中在最大耦合时，来自磁场源的磁通量与探针耦合，以在探针的尖端处产生高磁场梯度，并且在最小耦合时，探针尖端处的磁场和场梯度基本上为零或者不足以吸引磁性颗粒。在一个实施方式中，所述磁性工具包括控制机构，所述控制机构能够将磁场源和探针之间的磁耦合程度控制在最大值和最小值之间。在一个实施方式中，所述控制机构能够改变磁场源和探针之间的物理间隔，其中当磁耦合处于最大值时，磁场源和探针之间的物理间隔最小。在一个实施方式中，最小间隔为零，使得磁场源与探针物理接触。在一个实施方式中，所述磁性工具包括支撑探针和磁场源的主体，其中所述磁场源可通过控制机构的操作相对于探针移动，以改变磁场源和探针之间的磁耦合程度。在一个实施方式中，所述主体具有管状部分，所述管状部分具有第一端和第二端，其中探针在第一端处被支撑，并且通过控制机构，使磁场源能够横穿主体，朝向和远离所述第一端。在一个实施方式中，所述主体在第二端具有开口，磁场源可以通过所述开口从主体中抽出。在一个实施方式中，所述控制机构耦合到磁场源并且能够由用户操纵以改变磁场源和探针之间的间隔。在一个实施方式中，所述磁性工具包括控制机构，其磁耦合到磁场源。在一个实施方式中，所述控制机构包括一软磁铁构件。在一个实施方式中，所述探针由μ-金属制成。在一个实施方式中，所述磁场源包括一永磁体。在一个实施方式中，所述永磁体是稀土磁体。在另一方面，本发明公开了一种收集液体或浆体中携带的磁性颗粒的方法，包括：将探针插入液体或浆体中；产生从探针发出的具有高磁场梯度的磁场，其中液体或浆体中的磁性颗粒被吸引并磁耦合到探针；和从液体或浆体中取出探针。在一个实施方式中，所述方法包括在撤回探针之后降低磁场强度以促进磁性颗粒从探针释放。在一个实施方式中，所述降低磁场强度包括减小用于产生磁场的磁场源与探针之间的磁通耦合。在一个实施方式中，所述减小磁通耦合包括使磁场源移动远离探针的一端。在一个实施方式中，所述方法包括将磁性颗粒混合在含有对磁性颗粒具有亲和力的生物材料的液体或浆体中，其中所述生物材料能够被磁性颗粒携带而穿过液体或浆体到探针。在一个实施方式中，所述生物材料包含寄生虫卵。在一个实施方式中，插入探针包括插入如第一方面所述的磁性工具的探针。在第三方面，本发明公开了一种检测粪便中寄生虫卵的方法，包括：将多个磁性颗粒混合在含有一定量粪便的液体悬浮液中；将放射高磁场梯度的磁场的探针浸入悬浮液中一段时间，该时间足以使悬浮液中的磁性颗粒磁耦合到探针上；从悬浮液中取出探针；光学检测由探针从浆体中提取的磁性颗粒，以检测液体悬浮液中的寄生虫卵。在一个实施方式中，取出探针包括取出其尖端带有通过表面张力粘附的液滴、流体或悬浮液的单个液滴的探针。附图说明尽管存在可能落入如前所述的发明概述中所阐述的系统、方法和装置的范围内的任何其他形式，但是将仅通过示例的方式参考附图来描述特定的实施例，其中：图1a是比例尺约为100微米长度的曼氏血吸虫(s.mansoni)卵的照片；图1b是比例尺约为100微米长度的日本血吸虫(s.japonicum)卵的照片；图2是所公开的磁性工具的一个实施方式的示意图，所述磁性工具所处的状态或结构中，从磁性工具的探针发射的磁场的磁场梯度处于最大值，这可以认为是磁化的或开启的状态；图3是图2所示的磁性工具的一个实施方式的示意图，所述磁性工具所处的状态或结构中，从磁性工具的探针发射的磁场的磁场梯度处于最小值，这可以认为是去磁的或关闭的状态；图4是视频记录的0、1、2和3秒的相对时间点的一系列帧，其视野通过光学显微镜聚焦在磁化探针的尖端(左)获得，所述探针浸没在与4微米大小的磁性微球温育的血吸虫卵的悬浮液中。箭头表示近似速度矢量，箭头方向表示卵的行进方向，箭头的长度与卵的近似速度成正比例。图5是显示了使用所公开的系统、方法和装置的实施方式进行的测试结果的条形图。具体实施方式的详述图2和3描绘了处于相应操作状态的磁性工具10的一个实施方式。所述磁性工具10的本质是具有极高磁导率的材料制成的探针12和磁场源14的组合。所述工具10被设置为将磁场源14和探针12之间的磁耦合在最大值和最小值之间改变。在最大磁通耦合时，来自磁场源14的磁通量与探针耦合，以在探针12的尖端16处产生高磁场梯度。这可以认为是工具10的磁化或开启状态。当磁通耦合处于最小值时，探针尖端16处的磁场梯度基本上为零或者不足以吸引磁性颗粒。这可以认为是工具10的去磁或关闭状态。所述磁性工具10具有支撑探针12的主体18和磁场源14。主体18可以方便地由塑料材料形成，并且包括圆筒20，所述圆筒20在一端具有同轴短管22。在一个示例中，所述主体可以具有50mm-80mm的长度。圆筒部分20的相对端24是敞开的。所述磁场源14可以例如是稀土磁体形式的，例如但不限于ndfeb稀土磁体。源14相应构造成可以在主体18/圆筒20内滑动或移动。在源14和圆筒18的内部之间宜松散配合。探针12呈μ-金属针的形式，在其尖端16处形成有尖锐点，并且具有嵌入或以其他方式固定在短管22中的相对端26。因此，尖端16与主体18的端部(即短管22)保持固定的距离。使尖端16与主体18的端部间隔开，确保工具10的其他部件不会干扰尖端处的单个液滴的收集。例如，使用具有永磁探针的工具(与本发明公开的工具不同)和可以沿探针上下滑动以减小从探针发出的磁场的屏蔽套管可能产生这种干扰。当所述套管靠近或邻近探针的尖端时，由于套管内部与外部探针之间的毛细作用和表面张力，而存在套管妨碍或阻止形成单个液滴的风险。如果毛细作用导致液体进入套管和探针之间，则将液体转移到载玻片上以便通过显微镜检测成为问题。尖端16处的尖锐点产生点吸引器而不是大面积吸引器，其将颗粒集中到单个液滴体积中以立即进行显微检测。作为示例，尖端宽度可以是大约十分之几毫米并且超过不到0.5毫米。一旦插入到圆筒20中，由于探针12的高磁导率，磁场源14被吸引到探针12。在没有任何反作用力的情况下，磁场源能够位于到探针12的端部26的最小间距中，包括零间距(即物理接触)。探针12被磁化，并且源14和探针12之间的磁通耦合处于最大值。从尖端16发出的磁通量产生点状的高磁场梯度源，吸引具有高磁化率的颗粒。在该实施方式中，通过改变磁场源14和探针12之间的间隔来实现磁通耦合的变化。在该实施方式中，控制机构28是软磁铁杆的形式，可用于选择性地改变源14和探针12之间的间距，从而控制磁通耦合的程度。通过将控制机构28做成软磁铁杆，控制机构28自身被磁耦合到磁场源14。另外，软磁铁杆用于将磁通量传导离开探针12。控制机构28可用于从主体18/圆筒22完全抽出磁场源14以使探针12去磁，使磁性工具10处于去磁或关闭状态并且能够从探针12释放任何磁化材料。工具10的该实施方式被配置成使得当处于开启或磁化状态时，来自未耦合到探针12中的磁场源14的任何磁通量在尖端16处具有微小的强度和磁通梯度。尖端处的磁场和梯度绝大多数由直接耦合到探针12中的磁通支配。这是由磁通强度与距离源的距离的反比关系得出的。为使所述工具具有操作效果的的配置在于尖端16和源14之间的距离(该距离取决于探针的长度)，和探针相比于源14的宽度，特别是尖端的宽度。这至少适用于微小磁性微粒或非磁性微粒的收集，微小磁性颗粒如下面例示附着或粘附于其上。因此，所公开的工具10和相关方法的实施方式可用于检测寄生虫卵或其他生物或非生物颗粒(可以方便地称为“目标颗粒”)是否包含在生物材料或载体材料中，例如尿液或粪便。这要求寄生虫卵或其他颗粒通过与磁性颗粒混合并随后附着或以其他方式与磁性颗粒结合而被磁场吸引。因此，在一般意义上，所公开的工具和方法提供磁性颗粒的检测方法，所述磁性颗粒包括通过附着或结合磁性颗粒而获得磁性的固有非磁性颗粒。当然，如果在采样的生物材料(例如尿液、粪便或其他组织)中不存在这样的卵，则所公开的方法无法检测出寄生虫卵。现在将描述使用工具10和相关方法的测试和实验的结果。这里参照图4所描述的磁性工具10的一次测试涉及在磁化的μ-金属棒的尖端附近观察血吸虫卵的行为，如图1a和1b所示，所述血吸虫卵与磁性微球一起悬浮在生理盐水中。将血吸虫卵与4μm直径的磁性微球一起温育30分钟，同时轻轻摇动。然后将卵的悬浮液转移到其中放置了μ-金属探针12的浅有机玻璃槽中。磁性工具10被置于磁化或开启状态，磁场源14尽可能靠近探针12，从而自尖端16发出具有最高可能梯度的磁场。然后使用聚焦在探针12的尖端16上的光学显微镜观察尖端16附近的血吸虫卵的行为。图4显示了在三秒钟内显微镜视野的视频镜头的多帧。可以看到血吸虫卵朝向探针12的尖端16加速。图4中的箭头表示每个时间点的卵的近似速度矢量。箭头的方向是移动方向，箭头的长度与卵的速度成正比例。该测试的观察结果表明，尖端16周围的近似吸引半径约为3mm。进行以下进一步测试以确定工具10从悬浮液中收集卵的可能性。在这项研究中，没有使用粪便物质。参考图5描述该测试的结果。1.将含有不同数量卵(224+/-sd85)的四个微量离心管用自来水加至500μl。向每个微管中加入1μl氧化铁超顺磁性颗粒悬浮液(50mg/ml溶于蒸馏水中-biomagbm547-bangslaboratories)。2.将微量离心管在均化器中搅拌30分钟。3.将微量离心管在涡旋混合器中震荡。使用微量移液管从每个微量离心管中取出40μl样品(与可以通过表面张力悬于探针尖端16的液滴相似的体积)。将该体积的液体置于显微镜载玻片上并计数卵数。这在图5中显示为条形(a)。图5中的条形图描绘了从悬浮液中收集卵的百分比。4.将微量离心管在涡旋混合器中震荡。将工具10设为去磁或关闭状态，并使用去磁探针12将悬浮液搅拌20秒，然后与利用表面张力粘附到尖端16上的液滴一起取出。然后将尖端16末端的液滴转移到玻璃显微镜载玻片上并计数卵数。卵计数如图5中的条形(b)所示。可以看出，条形(b)是零，意味着没有卵附着到去磁探针12上。5.将微量离心管在涡旋混合器中震荡。接下来，使用控制机构28将磁场源14定位在探针16附近，从而将工具10置于磁化或开启状态。使用所得的磁化探针12搅拌悬浮液20秒，然后将携带单个液滴的磁化探针取出。然后通过从主体18中去除磁场源14使探针12去磁，并将尖端16末端的液滴转移到玻璃显微镜载玻片上并对卵计数。卵计数如图5中的条形(c)所示。6.将微量离心管在涡旋混合器中震荡。使用磁化探针12再次搅拌悬浮液20秒，然后将携带单个液滴的磁化探针取出。然后使探针12去磁，并将尖端16末端的液滴转移到玻璃显微镜载玻片上并对卵计数。卵计数如图5中的条形(d)所示。7.图5中的条形(e)显示了条形(c)和(d)的卵数目之和。8.使卵沉降在微量离心管中。然后用微量移液管提取卵沉淀物并转移到玻璃显微镜载玻片上并对卵计数。这些代表了未被前述的取样收集到的卵。未收集到的卵的数量如图5中的条形(f)所示。该测试的结果表明，通过将卵浓缩进约40-μl的液滴并通过表面张力附着到探针12的尖端16，磁性工具10从水悬浮液中提取卵的效率非常高。进一步测试工具10以评估它是否可用于增强先前描述的helmintex方法的性能。对接种有已知数量的血吸虫卵的人类粪便样品进行该测试。将6个30g人粪便样品各自接种110±10个曼氏血吸虫卵。然后使用以下步骤处理样品以用光学显微镜检测卵。将每种粪便样品与70％乙醇混合30分钟，然后与70％乙醇+10％tween-20(1：1)混合并静置30分钟。使混合物通过1-mm纱网并沉降1小时。弃去上清液，沉淀物重悬浮4次，直至上清液澄清。然后使沉积物通过150μ米和45μ米的筛网。将沉淀物静置30分钟。弃去上清液，将沉淀物置于15mlfalcon管中，加入自来水直至falcon管含量达到10ml。向falcon管中加入3ml乙酸乙酯。将falcon管以600g离心10分钟。弃去上清液，将沉淀物置于1.5ml微量离心管中。加入自来水使微量离心管中液体充满至1.0ml。将19微升超顺磁性颗粒悬浮液(bm547-bangslaboratories)加入微量离心管中。将微量离心管内容物在微量离心管中匀浆30分钟。将微量离心管放置在永磁体上(使用multi-6微量离心管分离器-bangslaboratoriesinc)3分钟。3分钟后，将微量离心管倒置，同时仍与磁铁接触，倒出内容物。然后将通过磁力保留在管中的材料重悬于100微升0.9％盐水溶液中。使用工具10的磁化探针12将微量离心管中的悬浮液搅拌20秒。移除探针12，并使用40微升自来水将保留在探针12的尖端16处的液滴从工具10中的探针上洗到玻璃显微镜载玻片上，从而使探针12处于去磁状态。然后将盖玻片放在液滴上以准备通过光学显微镜检测。重复上述步骤以产生固定在载玻片上的第二样品。通过光学显微镜检测每个载玻片，并计数血吸虫卵的数量。获得了以下结果：*在沉降步骤期间，该样品存在样品溢出，并且一些卵可能已经丢失。检测两个载玻片的样品所花费的平均时间是16分钟。结论：在每克粪便约3.7个卵的卵含量下，在helmintex方法中使用工具10具有100％的灵敏度，总载玻片检查时间约为16分钟，而标准helmintex方法则为数小时。一般而言，在所公开方法的实施方式中可以包括以搅拌、搅动或其他方式简单地将探针16和处于on状态的工具10保持在小体积的液体/悬浮液内，例如但不限于大约或小于2-3毫升，如1.5毫升；持续5-30秒或任何更短的时间段，例如5-20秒或5-10秒；然后取出带有一滴液体的探针。单个液滴通常可具有约40μl的体积。可将液滴置于显微镜载玻片上，将工具10置于关闭(off)状态，并用等体积的水洗掉液滴。其它实验以下实验数据的报告旨在评估：(a)磁性氧化铁颗粒是否与不同类型的寄生虫卵结合(b)所公开的工具和相关方法的实施方式是否可以有效地从水性悬浮液中提取寄生虫卵(c)重复使用所述工具可能导致样品交叉污染的风险。在这些实验中测试的寄生虫卵包括：(a)从绵羊粪便中分离的捻转血矛线虫(haemonchuscontortus)(线虫)卵(b)从绵羊粪便中分离的肝片吸虫(fasciolahepatica)(吸虫)卵(固定在福尔马林中)(c)从人尿中分离的埃及血吸虫(schistosomahaematobium)卵(固定在70％乙醇中)。1.磁性颗粒与捻转血矛线虫(线虫)卵的结合a-含有捻转血矛线虫卵的绵羊粪便样品由wa农业诊断和实验室服务处捐赠。b-通过筛分和与饱和盐溶液混合的过程分离卵。c-制备8个微管样品，其各自含有约100个捻转血矛线虫卵和1ml自来水d-将1微升磁性氧化铁颗粒加入每个微管中并均化30分钟e-将磁性探针插入每个管中并搅拌5-10秒，两次f-将两次收集中在探针12的尖端16处收集的材料通过光学显微镜在载玻片上进行分析并计算出的卵数目g-分析每个管的底部以评估未收集的卵的数量微管编号第一次收集第二次收集管底1363124710341554420254720651517380084222这些结果表明，捻转血矛线虫(线虫)的卵容易结合足够量的磁性氧化铁颗粒，以便易于使用探针从水性悬浮液中浓缩和提取。2.磁性颗粒与肝片吸虫(吸虫)卵的结合a-含有固定于福尔马林中的分离的肝片吸虫卵的样品由wa农业诊断和实验室服务处捐赠。b-制备9个微管样品，其各自含有约150个肝片吸虫卵和1ml自来水c-将1微升磁性氧化铁颗粒加入每个微管中并均化30分钟d-将带有磁性探针12的工具10插入每个管中并搅拌5-10秒，两次e-将两次收集中在探针12的尖端16处收集的材料通过光学显微镜在载玻片上进行分析并计算出的卵数目f-分析每个管的底部以评估未收集的卵的数量微管编号第一次收集第二次收集管底11283021131203130254111130513800612821713100813110913900这些结果表明，肝片吸虫(吸虫)的卵容易结合足够量的磁性氧化铁颗粒，以便易于使用工具10从水性悬浮液中浓缩和提取。3.磁性颗粒与埃及血吸虫(吸虫)卵的结合a-含有固定于70％乙醇中的分离的埃及血吸虫卵的样品由利物浦热带医学院捐赠。b-制备6个微管样品，其各自含有约15个埃及血吸虫卵和1ml自来水c-将1微升磁性氧化铁颗粒加入每个微管中并均化30分钟d-将处于开启状态的工具10(即带有磁性探针12)插入每个管中并搅拌5-10秒，两次e-将两次收集中在探针12的尖端16处收集的材料通过光学显微镜在载玻片上进行分析并计算出的卵数目f-分析每个管的底部以评估未收集的卵的数量微管编号第一次收集第二次收集管底18312102231002415105131061021这些结果表明，埃及血吸虫(一种吸虫)的卵容易结合足够量的磁性氧化铁颗粒，以便易于使用工具10从水性悬浮液中浓缩和提取。4.进行实验以评估多次使用工具10之间的交叉污染a-在每次使用工具10之后，用水和一张薄纸彻底清洁探针12的尖端16b-然后将探针的尖端16洗到载玻片上，并使用光学显微镜分析材料以评估卵的存在c-重复该过程10次d-任何一次都没有检测到卵虽然已经描述了特定的实施方式，但应该理解的是，所公开的磁性工具、收集液体或浆体中携带的磁性颗粒的方法；以及检测生物物质中的寄生虫卵的方法可以以许多其他形式体现。例如，控制构件28被描述为磁性软铁杆，其磁耦合到源14。然而，控制构件28可以是由塑料或其他材料(例如木材或复合材料)制成的杆的形式。同样，虽然磁场源被描述为稀土永磁体，但它可以是电磁体的形式。在那种情况下，磁场源和探针12之间的磁通耦合可以通过改变通过电磁铁的电流来电子控制。在该实施方式中，控制机构可以是例如功率/电流单元的电位计。还应强调的是，工具10和相关描述的方法在应用中不限于检测或收集生物材料，并且不限于寄生虫卵。相反，工具10和相关方法可用于检测或收集任何磁性或可磁化颗粒以及可由它们携带的其他颗粒。在随后的权利要求中以及在前面的描述中，除非上下文由于明确的语言或必要的含义而另外要求，否则词语“包括”和诸如“含有”或“包含”的变体以包含的含义使用，即如本文所公开的在磁性工具、收集液体或浆料中携带的磁性颗粒的方法以及检测粪便中的寄生虫卵的方法的各种实施方式中，指定所述特征的存在但不排除存在或增加其他特征。当前第1页12