[0001] 本发明涉及颗粒的磁分离领域。更具体地，本发明涉及针对大体积的生物磁分离器。

[0002] 磁分离系统在医学、生物学和药理学领域有许多应用。通常需要分离样本、悬浮液或溶液的特定成分(例如某些类型的抗体)来分析与这些成分相关的各个方面(例如诊断疾病)。传统上用于实现成分、颗粒或分子的这种类型的分离的方法是通过亲和层析柱分离法和离心法。

[0003] 近年来使用有所增加的另一种方法是基于使用磁性颗粒的分离方法。该方法快速且容易精确且可靠地分离成分，例如分离特定蛋白质、遗传物质和生物分子(例如参见Z M Saired等人的“磁性技术在药物发现和生物医学领域的应用”(Application of Magnetic Techniques in the Field of Drug Discovery and Biomedicine)，生物磁研究与技术2003，1:2，2003年9月18日出版，可在http://www.biomagres.com/content/1/1/2上获得)。
该方法基于磁性颗粒的使用，磁性颗粒设计成与要从样本、溶液、悬浮液等中分离的特定成分在某种类型的容器中结合。通过施加磁场，磁性颗粒与样本的其余部分分离，或者更确切地，集中在容器的壁处，在去除样本的其余部分(或者至少样本的其余部分的大部分)时，磁性颗粒被保留(例如，由于施加的磁场)在该壁处。保留的部分随后可经历洗涤过程，该洗涤过程可包括对磁性颗粒的另一次分离等。

[0004] 基于第5,705,064号美国专利中公开的结构的磁性颗粒的分离器可以产生强磁场，而基于US‑A‑2003/0015474中公开的结构的分离器可以产生几乎恒定的磁场梯度。这些结构基于海尔贝克(Halbach)定理，该定理证明如果垂直于其轴线磁化的无限线性磁体的磁化是围绕该轴线旋转的，则磁场在整个空间中的模块中是恒定的，并且其方向在所有空间中以与旋转相反的方向以相同的角度旋转(K.Halbach的“采用定向稀土钴材料的永磁多极磁体的设计”(“Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material”)，核仪器和方法，第169卷，第1期，1980年2月1日，第1页至10页)。利用该原理，可以开发在圆柱形腔内产生均匀场的偶极源(例如参见H.A.Leupold的“稀土永磁”(“Rare Earth Permanent Magnets”)中的“静态应用”(“Static Applications”)，J.M.D.Coey(编辑)，1996年，第401页至405页)。此外，可以在圆筒外部获得接近零的磁场，这在安全性方面是有利的。这些结构也称为“Halbach圆筒”。

[0005] 该原理可以容易地用于多极源上(在四极源的情况下)实现恒定的梯度。这些结构是功能性的，并且在理论上在涉及小体积(应用于几毫升量级的体积的接收器)时不存在大的技术问题。由内半径为R0和外半径为R2的Halbach圆筒产生的磁场梯度将在磁性颗粒上产生恒定的磁场梯度，从而在插入到与该圆筒同轴的孔中的内半径为Z0的圆柱形容器中产生朝向该容器的内壁的径向运动(Z0

[0006] 一旦磁性颗粒被分离(即它们全部到达其最终位置)，就去除悬浮液。此时，磁场梯度应该足够强到使所有磁性颗粒保留在容器的内壁上(即使不是液体)，从而避免磁性颗粒和附着在其上的生物分子的损失。对于悬浮液中的给定体积浓度的颗粒，在分离过程结束时保留在容器的圆柱形内壁上的磁性颗粒的表面密度将随其半径线性增加。那么，对于较大半径的容器，保留磁性颗粒所需的磁场梯度将更高。

[0007] 然而，由四极Halbach圆筒产生的磁场梯度是▽B＝2*Br/R0*(1‑R0/R2)，其中Br是所使用的永磁体的剩磁。在具有R2无穷大的无限高圆筒的情况下(R0/R2‑>0)，梯度将与半径成反比，且具有极限▽B>2*Br/R0。

[0008] 当增加容器的半径Z0以增加磁分离过程的批次体积时，磁颗粒的悬浮液将需要增加磁场梯度以应对保留区域处的较大表面密度的磁颗粒，但受限于孔的内半径(R0>Z0)，磁场梯度将减小。当去除悬浮液时，在临界半径，由四极Halbach圆筒产生的梯度将小于保留磁性颗粒所需的值。

发明内容

[0009] 本发明通过提供一种磁分离器来解决上述问题，所述磁分离器具有包括四极Halbach圆筒的外环和由永磁体制成的内环，所述内环具有取决于磁体的填充因子和容器及外环的半径的特定数量的磁极和内半径和外半径。内环在Z0处提供保留颗粒并且不影响外环的分离能力的磁场梯度。

[0010] 以这种方式，避免了分离的颗粒在容器内壁处滑落，同时保持了分离过程的高生产率并减少了实现所寻求的磁场梯度所需的稀土磁体的量。

[0011] 更具体地，本发明的生物磁分离系统具有包括外环和内环的双环分布，所述外环具有内半径R1和外半径R2，具有相同几何形状的n2个永磁体，其中n2>4，并且磁化方向的递进符合：

[0012] Δ γ2＝3Δθ2

[0013] 其中，Δθ2是两个连续磁体之间的角距离，

[0014] 所述内环具有外半径R1和内半径R0，具有相同几何形状的n1个永磁体，其中n1>2N，N是磁极对的数目，内环磁体的磁化方向的递进符合：

[0015] Δ γ＝(N+1)Δθ

[0016] 其中，Δθ为两个连续磁体之间的角距离，其中内环与外环同心并且限定用于放置容器的内孔，所述容器的内面与内环和外环的几何中心相距Z0，

[0017] 外环具有剩磁Br1和填充因子f1，

[0018] 内环具有剩磁Br2和填充因子f2，

[0019] 并且其中外环和内环满足以下条件：

[0020]

[0021]

[0022] 其中，k>1，z为比值Z0/R0，并且f＝(Br2*f2)/(Br1*f1)。

[0023] 在用于两个环的所有磁体都相同并且填充因子也相同的特定情况下，f＝1。

[0024] 然而，外环可以由具有不同剩磁的磁体的子环制成，并且两个环的填充因子可以不同。附图说明

[0025] 为了使描述完整并提供对本发明的更好的理解，提供了一组附图。这些附图示出了本发明的优选实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而仅仅是如何可以实施本发明的示例。

[0026] 图1示出了根据本发明的系统的工作原理。

[0027] 图2示出了根据本发明的双磁场梯度分离系统的描述。

[0028] 图3是示出了由两个环施加的磁场梯度与装置的归一化半径的曲线图。

[0029] 图4示出了根据本发明的双磁场梯度分离系统。在该特定实施例中，用于Halbach圆筒的磁体(外环和内环)具有方形横截面。

[0030] 图5示出了在图4所示实施例中沿θ＝0°的半径的磁场梯度分布。

具体实施方式

[0031] 参考图1，珠粒/颗粒的大体积磁分离的工作原理如下：将含有悬浮液的容器引入分离系统(图1(a))。通过磁场梯度牵引，颗粒径向移动到容器壁(图1(b))。当从容器中提取上清液/缓冲液时，由于施加第二磁场梯度，颗粒被保留在容器壁上，这将在稍后解释(图1(c))。

[0032] 如果在容器壁上磁场梯度不够强，则颗粒不会像本发明那样完全保留在壁上(图1(d))。为了解决这个问题，如图2所示，本发明提出了双环方法。外环由多个同心子环制成并形成四极Halbach圆筒(极对的数目N为2)，外环产生足够高以使粒子分离的具有恒定梯度的磁场。内环产生更高的极数场(N>2)，在保留位置Z0具有较短的到达范围但更高的磁场梯度。内环限定该装置的内部空间或孔，包含悬浮液的容器放置在该内部空间或孔中。

[0033] 假设环的高度大于其内半径，对于给定的径向位置Z0，具有内半径R0(R0>Z0)和外半径R2(R2>R0)的单个四极Halbach圆筒将产生Br2.f2/R0*(1‑R0/R2)的磁场梯度，其中Br2是用于构建该系统的永磁体的剩磁，f2是填充因子(当环是通过填满整个环的磁体制造时，f2＝1，如果磁体的几何形状未填满所有空间，f2<1)。

[0034] 为了在Z0处具有比四极Halbach圆筒的磁场梯度高k倍(k>1)的磁场梯度，本发明提供了具有内半径R0和外半径R1(与外环的内半径相同)的内磁环，该内磁环由具有剩磁Br1、填充因子f1和满足以下条件的磁极对N的数目的永磁体制成：

[0035]

[0036] 其中，z是Z0/R0的比值，并且f＝(Br2*f2)/(Br1f1)，如果内环和外环的填充因子和磁体剩磁都相同(Br1＝Br2,f1＝f2)，则f＝1。内环R1(R0

[0037]

[0038] 因子k是去除悬浮液时安全保留磁珠所需的磁场梯度与由四极Halbach圆筒所产生的磁场梯度之比，该四极Halbach圆筒具有内半径R0、外半径为R2，填充有剩磁为Br2和填充因子f2的永磁体，并且能够分离粒子。

[0039] 上述关系式明显适用于分离装置的尺寸为R0>Z0且环的高度h大于内环的内径(h>2R0)的所有情况。

[0040] 然后，应使用n1段具有相同几何形状的永磁体制造内环，其中n1>2N，每个永磁体具有磁化角度递进Δ γ，

[0041] Δ γ＝(N+1)Δθ

[0042] 其中，Δθ是两个连续段之间的角距离(Δθ＝2π/n1)。

[0043] 内半径为R1、外半径为R2的外环应构建成段数n2>4。磁化的角度递进应为：

[0044] Δ γ2＝3Δθ2

[0045] 其中，Δθ2是两个连续段之间的角距离(Δθ＝2π/n1)。

[0046] 所得到的双环装置在位置Z0处产生的磁场梯度大于单独的等效的传统四极Halbach圆筒，而容器壁内部的梯度将为2Br2.f2/R1*(1‑R1/R2)。

[0047] 如图3所示，与保留磁场梯度Gret的分布相反，分离磁场梯度Gsep的分布在内部空间的整个体积中是恒定的。保留磁场梯度仅在装置的内壁附近即靠近容器壁处是明显的。

[0048] 示例：

[0049] 构建用于将磁珠从生物悬浮液中分离的装置，该生物悬浮液容纳在直径为286.5mm(毫米)且壁厚为4.1mm的容器中。当填充容器时，液体的高度为400mm。为了确保在提取所有上清液时将所有磁珠保留在容器的内壁上(Z0为139.2mm)，需要至少15T/m的径向磁场梯度。在本示例中，外环由两个子环构成，并且对于外环和内环，磁体的剩磁是相同的。

[0050] 该装置如图4所示，具有以下特征：

[0051] ·内半径R0＝150mm、外半径R1＝172mm的内环使用36个20×20×400mm的磁体制成，沿20mm方向磁化，Br1＝1.32T，中心距圆柱轴线(两个环的几何中心，因为它们是同心的)的距离R＝164mm，并且以10°间隔，磁化方向在连续磁体之间旋转100°(磁极对数目，N＝9)。该环的填充因子f1＝0.65。

[0052] ·内半径R1＝172mm和外半径R2＝282mm的外环由40×40×400mm磁体的两个子环制成，沿40mm方向磁化，Br2＝1.32T。第一子环具有24个磁体，中心距圆柱轴线的距离R＝199mm，并且以15°间隔，它们的磁化方向在连续磁体之间旋转45°。

[0053] 第二子环由32个磁体组成，其中心距圆柱轴线的距离R＝232mm，并且以11.25°间隔，其磁化方向在连续磁体之间旋转33.75°。外环的填充因子f2＝0.57。

[0054] 磁体将被封闭在内径为296mm、外径为568mm、高度为400mm的铝框架中，并带有相应的用于磁体的外壳。该系统将由10mm的厚顶盖和与铝框架直径相同的底盖封闭。所得装置重405公斤。308公斤对应于永磁体，97公斤对应于铝框架和盖。

[0055] 如图5所示，由内环在Z0产生的磁场梯度为20.2T/m，外环产生3.4T/m的恒定梯度。Z0处的保留梯度高于15T/m，满足磁场梯度规范。

[0056] 如本文所使用的，术语“包括”及其派生词(例如“包括有”等)不应被理解为排他含义，即，这些术语不应被解释为排除所描述和所定义的可以包括其他元素、步骤等的可能性。

[0057] 另一方面，本发明显然并不限于本文描述的一个或多个特定实施例，而是还包括本领域技术人员认为在权利要求书中定义的本发明的总体范围内的任何变化(例如，关于材料、尺寸、部件、构造等的选择)。