JP2000512434A - 磁 石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁性ビーズ（１００）を回転、移動、または保持するための組合せである。この組合せは、セル（１０２Ａ）と、ＮまたはＳ極において先端を有する磁石（２００）と、を備えている。Ｎ極およびＳ極の方位を交番させながら相互に接合された二つ以上の磁石薄片を備える磁石も開示されている。ここで、磁石薄片間の接合部は一つの面を定めており、これにより、磁界勾配ｄＨ／ｄｘの極大値が接合部に現れるようになっている。開示された磁石を用いて磁性ビーズを回転、移動、または保持する方法も示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 磁石 本発明は、契約番号70NANB5H1037に基づき米国政府の援助を受けてなされたも のである。政府は、本発明において一定の権利を有している。 本発明は、物体の磁気操作の分野に関するものである。本発明は、特に、磁性 ビーズ、例えば診断用検定のためのサンプルを用意するために用いられる常磁性 ビーズ、を操作するのに有用な永久磁石の新規な設計に関するものである。 多くの企業が、抗体等の付着生体分子を有する常磁性ビーズを販売している。 このような企業としては、Bang Laboratories（インディアナ州カールメル）やD ynal（ニューヨーク州レイク・サクセス）が挙げられる。これらのビーズは、サ ンプル中の特定の細胞タイプや特定の分子に結合させるために用いることができ るが、磁気特性を用いることでビーズを保持しながら非結合材料を洗い流すこと 販売されているものが挙げられる。これらのビーズのうち後半のものは核酸を結 合するので、他の生化学的検定のうちポリメラーゼ連鎖反応用のサンプルを用意 するために使用することができる。 これらのビーズは、種々の検定を行うための小型反応システムで使用すること もできる。このような小型システムの欠点は、標準的な磁石をこのような装置の セルに対向して配置した場合に、磁石が磁性ビーズに十分な力を与えることがで きないことである。従って、生化学反応または化学反応を促進するこのようなビ ーズの潜在的価値は、上述の小型システムとの関連で使用される場合は失われて しまう。 発明の概要 Ｎ極またはＳ極のいずれかに相当する永久磁石の一端部が適切な形状を有して いる場合、磁石のその端部の付近の磁界勾配ｄＨ／ｄｘが大きく高まり、その結 果、磁石を動かすことにより磁性ビーズに付加することのできる力が大きく高ま る。更に、磁界勾配ｄＨ／ｄｘは、Ｎ極およびＳ極の方位を交番させて一体に接 合された永久磁石の複数の薄片から磁石を構成することにより高めることもでき る。これにより接合部の付近における磁界勾配が高まり、磁性ビーズに付加する ことのできる力を再び高める結果となる。 特に本発明は、一つの態様では、磁性ビーズを回転、移動、または保持するた めの組合せに関する。この組合せは、セルと、Ｎ極またはＳ極において尖り端部 を有する磁石と、を備えている。ここで、この尖り端部は、セルと接触させても よい。また、この尖り端部は、セルの近接内面の約２５０μｍ以内に配置しても よいし、セルの近接内面の約５０μｍ以内に配置してもよい。磁石は、勾配屋根 形状を有していてもよい。磁石の屋根形状を形成する二つの面は、約９０°〜約 １５０°の角度オフセットを有していてもよいし、約１１０°〜約１３０°の角 度オフセットを有していてもよい。本発明のこの態様は、磁性ビーズを更に備え ている。ここで、磁性ビーズは、有機分子または非有機分子に共有結合的または 非共有結合的に結合している。また、このビーズは、少なくとも約０．０１セン チ−グラム−秒（“ｃｇｓ”）単位の磁化率を有しており、磁石は、このビーズ に少なくとも約１０ダインの力を付加することができる。また、磁石は、ビーズ に少なくとも約１００ダインの力を付加するようになっていてもよい。 第２の態様では、本発明は、少なくとも約０．０１ｃｇｓ単位の磁化率を有す る磁性ビーズを回転、移動、または保持する方法に関する。この方法は、（ａ） 磁石を用いることにより、ビーズの回転、移動、または保持が求められる平面内 の軸に沿って磁界勾配ｄＨ／ｄｘを形成するステップであって、この磁界勾配は 少なくとも約１０ダインの力をビーズに加えるのに十分な大きさを有しているス テップと、（ｂ）この磁石を動かして、磁性ビーズの対応する運動を誘起するス テップと、を備えている。ここで、ビーズの回転、移動、または保持が求められ る平面内の軸に沿った磁界勾配ｄＨ／ｄｘは、少なくとも約１００ダインの力を ビーズに加えるのに十分な大きさを有していてもよい。また、磁性ビーズはセル 内にあり、化学反応または生化学反応が磁性ビーズの表面で起こる。 第３の態様では、本発明は、Ｎ極およびＳ極の方位を交番させながら相互に接 合された二つ以上の磁石薄片を備える磁石に関する。ここで、磁石薄片間の接合 部は一つの面を定めており、これにより、磁界勾配ｄＨ／ｄｘの極大値が接合部 に現れるようになっている。また、磁石薄片の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２．５ ｍｍであり、この磁石は少なくとも４枚の磁石薄片を備えている。 第４の態様では、本発明は、磁性ビーズを回転、移動、または保持するための 組合せに関する。この組合せは、セルと、Ｎ極およびＳ極の方位を交番させなが ら相互に接合された二つ以上の磁石薄片を備える磁石と、を備えている。これら の磁石薄片間の接合部は一つの磁気面を定めており、これにより、磁界勾配ｄＨ ／ｄｘの極大値が接合部に現れるようになっている。ここで、この磁気面は、セ ルと接触させてもよいし、セルの近接内面の約２５０μｍ以内に配置してもよい 。 図面の簡単な説明 本発明の内容は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を考察することにより 容易に理解することができる。ここで、 図１は、Ｎ極において屋根形状を有する永久磁石を示している。 図２は、永久磁石の薄片から形成された円柱形磁石を示している。 図３は、永久磁石の薄片間の接合部に蓄積する磁性ビーズを示している。 図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、本発明の磁石を使用して磁性ビーズを輸送したり 、溶液がビーズの上を通過する間、所定箇所にビーズを保持したり、ビーズを動 かして攪拌を起こしたりする様子を示している。 理解を容易にするため、図面に共通の同一要素には可能な限り同一の参照番号 を使用している。 詳細な説明 ある実施形態では、本発明は、磁石を密閉セルの外壁に接触させて配置した場 合に磁性物体をセル内で操作するのに十分な強さの磁界を生じさせる特性を有す る磁石に関する。さらに、別の実施形態では、本発明は、前述の磁石とセルとを 備える組合せに関する。ここで、このセルは、化学反応または生化学反応の実行 時に使用される試薬および磁性物体を含んでいる。このような反応は、例えば、 診断用検定や法医学的検定の目的のためであってもよいし、このような検定用の 核酸の準備のためであってもよいし、化学の分野で知られているような組合せラ イブラリのメンバの化学合成であってもよい。 上述のように、磁性ビーズの磁気的性質を用いて密閉セル内で特定の試薬を操 作したり混合を行おうとする場合、セル内で磁性ビーズを使用するのには困難が 伴う。このような困難は、磁性ビーズに作用する力が次の式 Ｆ＝κ_vＶＨ(ｄＨ／ｄＸ) に示されるように磁界の強さＨ、磁界の勾配ｄＨ／ｄｘ、体積磁化率κ_vおよび ビーズの体積Ｖに比例することを認識することによって理解することができる。 ここで、体積磁化率κ_vは、磁化率κ_vをビーズの体積Ｖで除算したものであり、 κ_mは、この技術分野で理解されている無次元数であり、本明細書ではセンチ− グラム−秒（“ｃｇｓ”）系との関連で用いられる。 上記の式は、力が磁界の強さ（磁石からの距離の２乗分の１に比例して減少） と磁界の強さの導関数（磁石からの距離の３乗分の１に比例して減少）との積に 比例することを示している。従って、磁性ビーズに作用する力は、磁石からの距 離の５乗分の１に比例して減少する。この分析結果は、実際には、ビーズを所定 箇所に保持し、移動し、あるいは回転させるようにビーズに十分な磁力を付加す ることが非常に困難なことを示している。この分析結果は更に、標準的な平表面 磁石（その表面で小さな磁界勾配を有している）は、磁性ビーズに力を付加する 場合にはあまり有効でないことも示している。 この力の付加の目的では、用語「磁性ビーズ」には、任意の適切な形状と好ま しくは約０．００１ｇ未満の質量を有し、磁石を用いて押し引きすることの可能 な任意の適切な物体が含まれている。常磁性ビーズは、十分な強さの磁界中にあ る場合は磁界のソースに引き寄せられるが、それ以外の場合は磁気特性を示さな いビーズである。例を挙げると、例えばＦｅ₂Ｏ₃などの鉄が非磁性基体（例えば ポリスチレン）中に拡散した磁性ビーズは、常磁性と考えられる。好適な常磁性 ビーズは、ポリスチレン中に拡散した常磁性材料から構成され、高分子膜（最適 なのはポリスチレン膜）内に封人される。ある応用例では、使用される磁性ビー ズはそれ自体が磁石であり、従って磁界のソースである。このようなビーズは、 磁性材料、例えばこの技術分野で公知の永久磁石、から構成される。常磁性材料 または磁性材料は、好ましくはビーズの約１０％ｗ／ｗ〜約７０％ｗ／ｗ、より 好ましくは約３０％ｗ／ｗ〜約５０％ｗ／ｗを構成しているとよい。好適な 実施形態では、ビーズは、(i)分子を共有結合的もしくは非共有結合的に結合さ せる活性部位、(ii)生物分子などの結合有機分子、または(iii)結合無機分子を 有している。 ある実施形態では、永久磁石を備えた磁気マニピュレータを用いて上述の磁性 ビーズを引き寄せ、あるいは押し戻す。このマニピュレータ、そして特にこのマ ニピュレータに含まれる磁石は、一端における磁界勾配の大きさを高めるような 形状を有している。この磁石の好適な形状は、この磁石によって操作されるビー ズの最も近くに配置される頂部の一点に延びる円錐形である。別の好適な形状は 、角錐形である。ここでも、この角錐形は、本発明との関連で操作されるビーズ の最も近くに配置される尖り頂部を有している。更に別の好適な形状は、勾配屋 根である。ここでも、屋根の尖った先端は、操作されるビーズの最も近くに配置 される。本明細書では、円錐形または角錐形の尖り頂部や屋根形の先端は、他の 適切な形状の尖り部分とともに一括して、本発明との関連で使用される磁気マニ ピュレータに含まれる磁石の「尖り端部」と呼ぶ。別の実施形態では、磁気マニ ピュレータは、磁石の複数の薄片から構成されている。これらの薄片は、一体に 接合されて、磁界勾配の大きさがより大きい接合部を形成している。 本明細書で用いられる用語「セル」は、化学反応または生化学反応を行ったり 、このような反応に用いられる反応物質や試薬を輸送するのに適した内部空洞を 有する任意の構造を指している。このようなセルとしては、チャネル、マイクロ チャネル、分離管、毛細管や、反応溜めまたは試薬溜めが挙げられる。ただし、 これらに限定されるわけではない。反応溜めまたは試薬溜めは、本発明の磁気マ ニピュレータが溜めの外壁に接触しているときに溜めの内部に適切な磁界を及ぼ すことができるように、比較的小さな容積（例えば、約１００μｌ以下の容積） を有していることが好ましい。ここで、適切な磁界とは、溜めの内部に配置され た磁性ビーズを操作することが可能な磁界である。前述のビーズを溜めの間で輸 送することができるチャネル、マイクロチャネルまたは毛細管は、幅が約５０μ ｍ〜約５００μｍで深さが約２５μｍ〜約１００μｍという寸法を有している。 ただし、このような寸法に限定されるわけではない。好適な寸法としては、幅が 約１００μｍ〜約２００μｍ、深さが約３０μｍ〜約８０μｍという寸法が挙げ ら れる。このような寸法は、ビーズが反応溜めまたは試薬溜めを出てチャネル、マ イクロチャネル、または毛細管に入ることが望ましいかどうか（これは当業者が 判断する）にかかわらず、実行される化学反応または生化学反応に必要な反応物 質の体積や、使用されるビーズの寸法を考慮して定められる。 図１では、磁気マニピュレータの磁性部品の一態様である磁石１００が、第１ の屋根パネル１０２Ａおよび第２の屋根パネル１０２Ｂを有する屋根形状をその Ｎ極において有している。第１および第２の屋根パネル１０２Ａおよび１０２Ｂ の各々は、好ましくは約９０°〜約１５０°、より好ましくは約１１０°〜約１ ３０°という相互に対する角度オフセットθ（すなわち傾き）を有している。図 示のように、ある好適な実施形態では、セルに近接した高い磁場勾配をより広範 囲の領域に与えることが容易になるように、磁石の頂部１０１は一平面内に位置 している。頂部１０１は、平滑であることが好ましい。より好ましくは、頂部１ ０１は、頂部の実質的に全部（すなわち、頂部の長さの少なくとも約９０％）を 平坦な外形、管状の外形、または丸みを帯びた外形を有するセルの側面に隣接さ せて配置することが可能になるような形状を有している。 磁石１００は、任意の永久磁石である。この磁石としては、ネオジム−鉄−ホ ロン（neodymium-iron-horon）磁石が好ましい。これは、例えば、EdmundScient ific Co.（ニュージャージー州バーリントン）から市販されている。 この磁石は、セル構造のプラスチック、ガラス、シリカその他の材料と共に使 用するのに最適である。ここで、この構成材料は、磁気特性を有しておらず、ま た、セル内に位置する磁性ビーズまたは常磁性ビーズに対する本発明の磁石の作 用を妨げるような厚さも有していない。このようなセルの設計により、本発明の 磁石の頂部の実質的に全部がセルの近接内面の約２５０μｍ以内、好ましくは近 接内面の５０μｍ以内に接近できるようになる。ここで、近接内面とは、磁石に 最も近いセルの内面のことである。この磁石は、ビーズが０．０１ｃｇｓ単位の 磁化率κ_Mを有している場合に、セルの近接内面において少なくとも約１０ダイ ンの力をビーズに付加できるようになっていることが好ましく、より好ましくは 少なくとも約１００ダインの力を付加できるようになっていると良い。 本発明の磁石を用いることで、前述のビーズを所定箇所に保持したり、ビーズ を第１の位置から第２の位置に移動させたり、ビーズを回転させたりすることが できる。ここで、この回転は、ビーズの移動や所定箇所へのビーズの保持中に行 われる。これにより、ビーズが浸漬される試薬または緩衝剤とビーズとを混合し たり、ビーズに結合した第１反応物質に起こる反応に過剰な第２反応物質を安定 して与えることができる。このような使用としては、特に、（１）ビーズの試薬 溜めから反応溜めへの移動あるいはその逆の移動、（２）ビーズの試薬溜めまた は反応溜めからの除去、（３）ビーズを回転させることによる試薬溜めまたは反 応溜めの内容物の混合、（４）ビーズをセル中において固定式または回転式で所 定箇所に保持し、新鮮なまたは異なる緩衝剤または試薬混合物を流してビーズの 間を通過させることにより、ビーズが浸漬される緩衝剤または試薬混合物を、あ る緩衝剤または試薬混合物から同じ緩衝剤もしくは試薬混合物の新鮮な部分また は異なる緩衝剤もしくは試薬混合物に変更すること、を挙げることができる。た だし、これらに限定されるわけではない。 図２は、本発明の磁石２００の一実施形態を示している。この磁石２００は、 第１の磁石薄片２０１、第２の磁石薄片２０２、第３の磁石薄片２０３等の間に 第１の接合部２１１、第２の接合部２１２、第３の接合部２１３等を有する表面 ２２０を備えている。用語「接合部」は、表面２２０に沿った磁石薄片の接合箇 所を指している。磁界勾配ｄＨ／ｄｘの大きさが最大となる領域を定めるのは、 これらの第１接合部２１１、第２接合部２１２、第３接合部２１３等である。こ のため、表面２２０の形状を定めるのは、第１接合部２１１、第２接合部２１２ 、第３接合部２１３等の間に見られるいかなるピットや谷にかかわらず、これら の接合部によって定められる形状である。 フレーズ「Ｎ極およびＳ極の交番方位」の意味は、第１薄片磁石２０１と第２ 薄片磁石２０２との間に形成される第１接合部２１１に関連して説明することが できる。第１磁石薄片２０１と第２磁石薄片２０２とを分離した場合、接合部２ １１を以前に形成していた各薄片の縁部は、それぞれ磁界勾配の極大の焦点とな る。接合部２１１における磁界勾配が分離磁石薄片の上記縁部のいずれにおける 勾配よりも大きい場合、これらの薄片は「Ｎ極およびＳ極の交番方位」を有する ように接合されている。 この磁石薄片は、図１の磁石を構成するものと同じ材料から構成することがで きる。これらの磁石薄片間の接合は、例えば接着剤を用いて行うことができる。 この磁石薄片は、ニュージャージー州ベレビレのHardmanから市販されているExt ra-Fast Setting Epoxy^TMなどのエポキシ系接着剤によって一体に接合されるこ とが好ましい。 表面２２０は、平滑であることが好ましい。これは、第１接合部２１１、第２ 接合部２１２、第３接合部２１３等の上の隣接面間に隙間や分離を含むことなく 平滑な二次元形状を重ねることができるように、突起や窪みが実質的にないこと を意味している。より具体的には、表面２２０は、第１接合部２１１、第２接合 部２１２、第３接合部２１３等の実質的に全部（すなわち、接合部の長さの少な くとも約９０％）を任意の適切な形状のセルの側面に隣接させて配置できるよう にする形状を有している。ここで、適切な形状のセルとしては、平坦な外形や管 状の外形や丸みを帯びた外形を有するセルが挙げられる。ただし、これらに限定 されるわけではない。 第１磁石薄片２１１、第２磁石薄片２１２、第３磁石薄片２１３等は、約０． ５ｍｍ〜約２．５ｍｍの厚さを有していることが好ましく、約１ｍｍ〜約１．５ ｍｍの厚さを有していると更に好ましい。磁石２００は、少なくとも４枚の磁石 薄片を有していることが好ましく、少なくとも約８枚の磁石薄片を有していると 更に好ましい。 磁石２００は、第１接合部２１１、第２接合部２１２、第３接合部２１３等の 実質的に全部をセルの近接内面の約２５０μｍ以内、より好ましくはセルの近接 内面の約５０μｍ以内に配置することの可能なセルと共に使用されることが好ま しい。ここで、近接面とは、磁石の位置に最も近い面である。 図３は、第１接合部２１１、第２接合部２１２、第３接合部２１３等に蓄積さ れる磁性ビーズ２５０を示している。ビーズは、第１縁部２３０Ａおよび第２縁 部２３０Ｂでも蓄積する。その理由は、この箇所でも磁界勾配ｄＨ／ｄｘが、例 えば第１接合部２１１および第２接合部２１２間の空間における勾配よりも大き いからである。ただし、第１縁部２３０Ａおよび第２縁部２３０Ｂにおける勾配 は、第１接合部２１１、第２接合部２１２、第３接合部２１３等における勾配ほ どは大きくない。 図４Ａは、二つの方向のいずれかに移動する磁石２００を示している。この磁 石の移動は、結果としてセル３００内に位置するビーズの平行移動を引き起こす 。図４Ｂは、セル３００を通って磁性ビーズ２５０の上方を流れる流体３１０を 示している。ここで、ビーズ２５０は磁石２００によって所定箇所に固定されて いるので、流体によって運び去られることはない。図４Ｃでは、磁石２００を回 転させることにより磁性ビーズまたは常磁性ビーズ２５０がかき混ぜられ、攪拌 を起こしている。図４Ａ〜図４Ｃに示されるものと同じ動作は、例えば図１に示 されるような第１の実施形態の磁石を用いて実行することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｔ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 磁性ビーズを回転、移動、または保持するための組合せであって、セルと 、Ｎ極またはＳ極において尖り端部を有する磁石と、を備える組合せ。 ２． 前記尖り端部は、前記セルに接触させることができる、請求項１記載の組 合せ。 ３． 前記ビーズは、少なくとも約０．０１ｃｇｓ単位の磁化率を有しており、 前記磁石は、前記ビーズに少なくとも約１０ダインの力を付加することができる 、請求項２記載の組合せ。 ４． 前記磁石は、勾配屋根形状を有している、請求項１記載の組合せ。 ５． 少なくとも約０．０１ｃｇｓ単位の磁化率を有する磁性ビーズを回転、移 動、または保持する方法であって、（ａ）磁石を用いることにより、前記ビーズ の回転、移動、または保持が求められる平面内の軸に沿って磁界勾配ｄＨ／ｄｘ を形成するステップであって、この磁界勾配は少なくとも約１０ダインの力をビ ーズに加えるのに十分な大きさを有しているステップと、（ｂ）前記磁石を動か して、前記磁性ビーズの対応する運度を誘起するステップと、を備える方法。 ６． 前記ビーズの回転、移動、または保持が求められる平面内の軸に沿った磁 界勾配ｄＨ／ｄｘは、少なくとも約１００ダインの力をビーズに加えるのに十分 な大きさを有している、請求項５記載の方法。 ７． 前記磁性ビーズはセル内にある、請求項６記載の方法。 ８． Ｎ極およびＳ極の方位を交番させながら相互に接合された二つ以上の磁石 薄片を備える磁石であって、前記磁石薄片間の接合部が一つの面を定めており、 これにより磁界勾配ｄＨ／ｄｘの極大値が前記接合部に現れるようになっている 磁石。 ９． 前記磁石薄片の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２．５ｍｍである、請求項８記 載の磁石。 １０． 磁性ビーズを回転、移動、または保持するための組合せであって、セル と、Ｎ極およびＳ極の方位を交番させながら相互に接合された二つ以上の磁石薄 片を備える磁石と、を備え、前記磁石薄片間の接合部が一つの磁気面を定めてお り、これにより磁界勾配ｄＨ／ｄｘの極大値が前記接合部に現れるようになって いる組合せ。