JP2002542004A

JP2002542004A - 流体中の磁性粒子を取り扱う装置及び方法

Info

Publication number: JP2002542004A
Application number: JP2000600779A
Authority: JP
Inventors: ホルマン，デビッド・エイ; グレイト，ジャイ・ダブリュー; ブルックナー−レア，シンシア・ジェイ
Original assignee: バッテル・メモリアル・インスティチュート
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2002-12-10
Also published as: CA2360446A1; EP1154861A1; US6159378A; WO2000050175A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、透過性であり磁性粒子及び流体を流通させる磁束導体（200）の公知の特徴及び取り扱い用の制御可能な磁場（108）による流体中に懸濁された磁性粒子を取り扱う装置及び方法である。本発明は、磁束導体がモノリシック多孔性発泡体であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、流体中の磁性粒子を取り扱う装置及び方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】

流体からの磁性粒子の分離は、約40年間に亘り、磁性分離又は高勾配磁性分離
（HGMS）として知られている。磁性分離において、より大きな粒子（d>0.5ミク
ロン）は、捕捉されるか又は分離され、HGMSにおいてはより小さな粒子、例えば
、コロイド状磁性粒子が分離される。磁性粒子は、今日、広範囲に商業的に入手
可能であり、典型的には直径１ミクロンで、抗体又はDNA分子を結合可能又は他
のサンプル精製用の結合部位を含み得る官能基のあるもの又はないものがある。
幾つかの商業的なシステムは、磁性粒子を用いて自動的にサンプル精製及び検出
を行う。これらのシステムは、卓上サイズからベンチサイズまでの範囲である。

【０００３】過去１０年間で、サブミリメータスケール（sub-millimeter-scale）自動化フ
ローベース分析器及び化学検出アレイが、商業化に必要な技術レベルに定常的に
達している。開発は、自動化された免疫学的検定、DNA精製及び増幅、細胞分離
などに対するよりコンパクトな（ブリーフケースサイズ）医療診断的分析器に向
けて続けられている。小型化における利点にもかかわらず、粒子取り扱いは幾ら
か不変のまま維持されている。

【０００４】自動化は、基本的に、磁性粒子を取り扱うための手動手順のロボット模倣であ
った（Immunoassay Automation, D.W. Chan 偏、1996, Academic Press ）。こ
れらのシステムは、磁性粒子懸濁液を、磁性流体勾配中に位置づけられた（例え
ば磁石の上）容器内に置いて、磁性粒子を集めて、容器の底部に保持することに
よる磁性粒子の捕捉を含む。

【０００５】 Baxter Biotech Immunotherapyは、静止捕捉及びこれに続く連続フローの間の
捕捉を含むシステムを有する。彼らのシステムは、磁石の上の固定リザーバ内に
磁性粒子の大部分を集め、次いで、残りの溶液を別の磁石の上に流して第１のス
テージで捕捉されなかったすべての磁性粒子を取り除くことを含む（Cell Separ
ation Method and Applications, E. Recktenwald, A. Radbruch, Eds., 1998,
Marcel Dekker, pg193）。これらのシステムのすべては、リザーバ又は管の壁に
のみ、粒子捕捉手段を含み、溶液が静かに注がれたり添加されたりする際に、磁
性粒子のほとんど大部分が１個の容器内に保持される。

【０００６】 Pollema 及びRuzicka（C.H. Pollema, J. Ruzicka, G.D.Christian及びA. Ler
nmark, Analytical Chemistry, volume 64, pages 1356-1361, 1992）は、フロ
ーシステム内での磁性粒子の取り扱いを記述するが、彼らのシステムは管壁にの
み粒子捕捉手段を含むので、捕捉した粒子の効果的な散布をすることができない
。同様に、R. Kindervater, W. Kunneke及びR.D. Schmid（Analytical Chimica
Acta, volume 234, pages 113-117, 1990）は、フローシステムの一部として磁
石に近接した位置にある管からなる磁性捕捉装置を記述する。S.Sole, S.Alegre
t, F.Sespedes, E.Fabregas及びT.Diez-Caballeroは、平坦なセンサ表面におけ
るビーズの磁性捕捉手段を用い、フロー経路の外にある磁石を用いるフローシス
テムを記述する。この幾何学は、磁性粒子の床を介しての効果的な散布を提供し
ない。

【０００７】コロイド状超常磁性粒子（寸法20nm〜100nm）の分離は、図１に示すような装
置内の高勾配磁場を用いてなされる。流体102中の磁性粒子100は、透過性の磁束
導体104を貫通して流れる。これらは、一般に、カラム106内に含まれていて、カ
ラム106の外にある制御可能な磁石108は、磁束導体内の磁場を調整するために、
磁束導体104に近接して用いられる。

【０００８】磁束導体104は、米国特許3,567,026号及び同3,676,337号（1971）における磁
性グレードステンレススチールウール110であった。米国特許4,247,389（1981）
において、ステンレスウール110のステンレススチールは、鉄及びコバルトを含
むアモルファス金属合金で置換されていた。

【０００９】露出した金属が生物学的種の酸化に寄与するので、米国特許4,375,407（1983
）は、ポリマーコートスチールウール（図示せず）又はフィラメント状磁性材料
を提供した。さらに別の特許（5,385,707,1995:5,411,863,1995; 5,543,289, 19
96; 5,693,539, 1997）は、ポリマーコートフィラメント状磁性材料単独又は機
能性ビーズとの組合せでの使用に関する。

【００１０】血液細胞の捕捉のために、米国特許4,664,796（1987）は、フィラメント状磁
性材料との組合せにおける磁性球体を議論する。磁束導体104の別の形態は、米国特許520,000,084, 1993; 5,541,072, 1996; 5
,622,831, 1997; 5,698,271, 1997において議論されている。特にワイヤループ
及び薄いロッドのアレイが議論されている。

【００１１】 HGMSカラムを含む自動分離システムは、Miltenyi-Biotec/AmCellから入手でき
る。これらは、強磁性カラムを通してサンプルを引くためにペリスタポンプを用
いる。カラムは、ほとんどの用途に対して用いられるより大きな超常磁性粒子（
直径0.5〜５μm）よりもむしろ、非常に小さなコロイド状超常磁性粒子（直径20
〜100nm）で予め標識された細胞を捕捉するために用いられている。Miltenyi-Bi
otec/Amcellカラムは、生体適合性ポリマーで被覆された強磁性球体の緻密充填
床を含む。コロイド状超常磁性粒子で標識された細胞は、流路内で、球体の表面
において捕捉される（Cell Separation Methods and Applications, E. Reckten
wald, A. Radbruch, Eds., 1998, Marcel Dekker, pg 153-171）。

【００１２】磁束導体材料の三次元構造及び分布は、流体の流れ、磁場束分布に影響し、よ
って粒子捕捉効率及び捕捉後の粒子の均一な散布性に影響する。加えて、構造幾
何及び磁場勾配は、有効に捕捉・解放可能な粒子サイズ範囲を規定する。フィラ
メント状磁束導体材料で充填されたカラムは、種々の磁束分布及び不均一な流体
の流れに起因する材料の不均一な分布を有する。ワイヤループ、ロッド又はワイ
ヤメッシュを含むリザーバは、より均一な構造を有するが、リザーバ内での材料
の分布はまだ不均一であり、前処理はこれらの構造体のカラム形態中での散布を
含まない（特許5,200,084）。球体粒子で充填されたカラムは、均一な磁束分布
及び均一な流体流れを提供するが、空隙率が低いので（球体が均一なサイズで緻
密に充填されていない場合に、わずか20％）、カラムを横断する圧力降下が高く
なる。

【００１３】これまで、流体透過性磁束導体には、以下の欠点、すなわち不均一な場勾配分
配、非効率的な散布特性又は低い空隙率の１種以上があった。第一に、粒子から
の磁束導体表面までの最大距離は、搬送されるべき距離に基づいて効率的な粒子
捕捉を促進するほどには十分に小さくなく且つ磁束導体を含む容積全体を通して
十分に均一でなかった。最も高い場勾配（例えば、流路内での磁束導体表面の領
域）近くの粒子は捕捉されるが、磁束導体から離れた粒子は流速が減速されるま
で捕捉されない。よって、装置の寸法及び粒子の寸法に依存する流速閾値よりも
上では、粒子捕捉が不十分である。不均一なポアサイズもまた、すべてのポアサ
イズが粒子サイズと同じオーダー又はこれよりも小さなオーダーにあるときには
、粒子の除去を困難にする。均一性の欠如はさらに、材料全体を通して磁束勾配
が不均一に分配されるという結果をもたらす。現存する構造体は、流路全体を通
して流れる均一な流体流れを提供しない。したがって、粒子は流路全体を通して
不均一に捕捉されるので（例えば、不均一に分配された磁束導体表面においての
み、またはこの表面の領域において）、捕捉された粒子を均一に散布することが
できない。現存する構造体のあるものは、さらに、磁束導体表面の効率的な散布
を提供しない。［充填された球体はこれを提供しないが、低い空隙率及び高い圧
力降下を呈する］よって、材料を貫通して移動する粒子は、構造体を流通する際
に、導体材料に近接するようになる必要はない。この状況の実験例は、磁束導体
材料の管を流通する。

【００１４】最後に、球体が充填されているカラムは、球体が緻密に充填されて、大きなギ
ャップを介しての流体のチャネリングを阻止する限り、上述の利点を提供するけ
れども、充填床が低い空隙率（〜20％）を有し、よって、磁束材料を横断する高
い圧力降下がある。加えて、低い空隙率は、まさにコロイド状超常磁性粒子より
むしろ、標準的な超常磁性粒子（＞0.5ミクロンサイズ）を取り扱うべく十分に
システムサイズをスケールアップしれなければならない。

【００１５】従来の方法での別の困難性は、磁束導体内に残る残留磁力ゆえに、磁性粒子を
100％解放できない点である。Miltenyi(1997)5,411,863は、以下のように述べて
いる。「強磁性材料は、磁場に対して強力に影響しやすく、磁場を取り除いた場合にも
磁性粒子を保持することができる。……永久磁石化された強磁性粒子は、生物学
的材料に対する適用に際して考慮すべき欠点を有する。なぜなら、これらの粒子
の懸濁液は、互いに強力に磁気的に引きつけ合うので容易に凝集するからである
。」さらに、第１０欄の最後から第１１欄の初めには、以下の記載がある。「図１に示す好ましい実施形態は、磁場を作るために永久磁石を利用した。……
市販のニオブ／鉄／ボロン合金から磁石を構成した。……あまり好ましくない実
施形態では、代わりに、電磁石を用いてもよい。……電磁石を用いる場合には、
電磁石によって作られた磁場を０まで打ち消す。磁場及びチャンバを通過する懸
濁流体の連続流の除去により、保持されている磁化粒子がマトリックスから溶出
する。」ゼロまで打ち消しても、残留磁気を排除しないことは周知である。よって、Mi
ltenyiは、強いせん断力なしには、磁性粒子の100％をマトリックスから取り除
くことはできない。

【００１６】ゆえに、磁性粒子取り扱い技術分野において、より均一な粒子保持及び保持さ
れた粒子の均一な流れ散布を提供する磁性粒子取り扱い装置及び方法に対する必
要性がある。システムは、直径約100nm〜10μmの範囲の磁性粒子又は直径約20〜
100nmの範囲の磁性コロイドを取り扱うために適するものでなければならない。

【００１７】

【発明の概要】

本発明は、透過性であり磁性粒子及び流体が磁束導体を通して流れるようにす
る磁束導体、及び磁性粒子の取り扱い用の磁束導体内で磁場を調節する制御可能
な磁場の公知の特徴により、流体中の磁性粒子を取り扱う装置及び方法である。
本発明は、磁束導体がモノリシック多孔性発泡体であることを特徴とする。

【００１８】さらなる特徴は、（ａ）磁束導体内に磁性粒子を保持する第１の極性の磁場を与え、（ｂ）磁場を、磁束導体から磁性粒子を解放する反対の極性に反転させる各工程により、磁場を調節又は制御することにある。

【００１９】モノリシック多孔性発泡体の利点は、約80%〜約95%のより大きな空隙率を含む
。さらに、空隙率は、±100%以内、好ましくは±50％以内のポアサイズ分布を有
し、より均一である。より大きな空隙率及びより均一な空隙率と、最終的に分割
されて且つ均一に分配される粒子保持表面との組合せによる利点がある。チャネ
ルを通過する選択的な流の問題は、２つの構造的特徴、（１）空隙率が細胞状（
cellular）であり、各オープンスペースが各隣接するオープンスペースに対して
広く開いていること、（２）ポア細胞が緻密充填された球体のように互いにオフ
セットされていて、流体流が、２つの隣接するポア細胞よりも長い最少の抵抗の
直線チャネルに見られないこと、により阻害される。さらに、流は、層状の流れ
の隣接する層を連続的に分割し且つ再度組み合わせるポア細胞により、多孔性発
泡体内で、実際に混合されてもよい。換言すれば、流体流路は、曲がりくねって
いて、粒子をポア壁と接触させるようにする。これらの高度に均一な空隙率特性
は、多孔性発泡体を通過する非直線的な流路との組合せにより、数十nm〜数ミク
ロンの直径を有する磁性粒子を捕捉するようになる。高い空隙率を有するオープ
ン構造もまた、多孔性発泡体からの粒子の除去を容易にする。

【００２０】ポアサイズのより良好な均一性もまた、粒子捕捉の均一性をより良好にし、多
孔性発泡体内の表面及び表面に接着する粒子に比較的均一なせん断力を与える。
これは、流体からの粒子の分離中に、せん断力を制御可能とするので重要であり
、高いせん断力はDNA/DNAなどの結合及び抗原／抗体相互作用などを阻害するこ
とが知られている。せん断力はさらに、選択的に生物細胞と結合する磁性粒子か
ら生物細胞を解放するためにも使用される。加えて、せん断力は、生物細胞を溶
解させたり、生物細胞を破壊したりすることが知られているので、せん断応力の
より均一な制御は非常に価値のあるものである。

【００２１】極性を反転させることの利点は、磁性粒子に過剰なせん断力を加えることなく
、より大きな磁性粒子の破片を100%まで解放することである。本発明の目的は、磁束導体がモノリシック多孔性発泡体である、磁性材料を取
り扱う装置及び方法を提供することにある。

【００２２】本発明の別の目的は、磁性材料を保持する第１の極性を有する磁場を与え、次
いで、磁性材料を解放する反対の極性を与えることにより磁性材料を取り扱う装
置及び方法を提供することにある。

【００２３】本発明の要旨は、本明細書の一部である特許請求の範囲において、特に指摘さ
れている。しかし、構成及び操作方法の両者は、本発明のさらなる利点及び目的
と共に、同じ要素には同じ参照符合を付した添付図面と共に以下の詳細な記載を
参照することによって最もよく理解されるであろう。

【００２４】

【好ましい実施形態の記述】

本発明は、透過性であり磁性粒子及び流体を流通させる磁束導体と、取り扱う
ために制御可能な磁場とを有する改良された流体中の磁性粒子を取り扱う装置及
び方法である。本発明の改良点は、図２に示すように、磁束導体104がモノリシ
ック多孔性発泡体200である点である。モノリシック多孔性発泡体200は、連続し
た材料のウェブ202を有し、このウェブはオープンポアセル204を提供する。オー
プンポアセル204を介して、好ましくは厚さＴにより示される流れ方向に流体及
び磁性粒子を流すことができる。

【００２５】モノリシック多孔性発泡体200は、制御可能な磁場206との組合せにおいて配置
される。制御可能な磁場206は、通常は制御可能な磁石108で与えられる。制御可
能な磁石108は、永久磁石又は電磁石のいずれであってもよく、制御可能な磁石1
08をモノリシック多孔性発泡体200に近づけたり遠ざけたりして物理的に移動さ
せるか、あるいは特に電磁石の場合には電磁石への電気入力を制御することによ
って制御可能である。モノリシック多孔性発泡体200内の磁場勾配が十分に高い
場合には、磁場中に存在する磁性粒子は、モノリシック多孔性発泡体200の壁202
上に保持される。磁場勾配が十分に低い場合には、磁性粒子は、モノリシック多
孔性発泡体200のポア204を通過する。ポア204を通過する流体の流は、静止流体
を通るモノリシック多孔性発泡体200の動き、静止状態に保持されているモノリ
シック多孔性発泡体204を通る流体の動き、又は流体の動きとモノリシック多孔
性発泡体204の動きとの組合せによるものであってもよい。残留磁気の場合には
、粒子の解放を補助するために、振動を用いてもよい。粒子を除去するための流
れ単独よりは、振動と流との組合せの方が、最少量の溶液への粒子の解放を達成
する。

【００２６】壁204の材料は、限定されるものではないが、強磁性材料及び永久磁石材料を
含む磁性材料である。強磁性材料は、限定されるものではないが、鉄、コバルト
、ニッケル、これらの合金及びこれらの組合せを含む。好ましい材料は、化学物
質に対する抵抗が高いので、ニッケル及びニッケルの合金である。好ましい実施
形態において、粒子は、超常磁性である。超常磁性とは、磁場から分離されたと
きに、残留磁気が最少又は残留磁気がないという意味である。

【００２７】モノリシック多孔性発泡体200は、好ましくは、金属であるが、組成物質とし
て金属粒子を有する非金属であってもよい。例えば、発泡体に形成された金属フ
レークを含むポリマーなどでもよい。モノリシック多孔性発泡体200は、非金属
材料で被覆されていてもよい。

【００２８】好ましい実施形態において、平均磁性粒子サイズ（直径）に対する平均ポアサ
イズ（直径）の比率は、少なくとも20、より好ましくは少なくとも50〜100であ
る。例えば、約200ミクロンの平均ポアサイズに対して、平均磁性粒子サイズは
約１0ミクロン未満である。

【００２９】好ましい実施形態において、モノリシック多孔性発泡体200は、例えば図３に
示す連続注入流れシステムにおいて用いられるように、フローチャネル106内に
ある。ポンプ300（好ましくはシリンジポンプ）は、流体移動に用いられ、多位
置バルブ302は、モノリシック多孔性発泡体200である磁束導体104を含むカラム1
06への流体選択のために用いられてもよい。ポンプ300、多位置バルブ302及び種
々の磁場206を提供する磁石108は、コンピュータ（図示せず）により完全に自動
化されていてもよい。流体中に懸濁している複数の磁性粒子100を伴う流体102は
、多位置バルブ302のポートの一つから、保持コイル304に吸引され、次いでポン
プ方向が反転して、流体は保持コイル304から、カラム106と流体連通しているポ
ートに分配される。シリンジポンプの充填を促進するために二方向バルブ306を
用いてもよい。

【００３０】本発明は、図３に示すように、温度制御308を含む。この温度制御領域は、金
属フォーム領域104に置かれてもよい。温度制御は、DNAのハイブリッド化・溶出
並びにPCR（ポリメラーゼ鎖反応）を用いるDNA増幅又は熱循環を必要とする酵素
増幅方法に対する混合・溶出速度を最適化するために有用である。

【００３１】磁場206が、例えば磁石108をカラムに近づけるように移動させることにより、
モノリシック多孔性発泡体200に与えられる場合、粒子100はカラムに捕捉される
。磁石108の動きは、ステッパモータ306によって自動化されていてもよい。粒子
100が捕捉されると、粒子は、多位置バルブ302のポートに位置づけられている溶
液によって散布可能となる。散布は、バルブポートから保持コイル304への溶液
の吸引、次いで溶液のカラム106への分配によって、達成される。

【００３２】磁性粒子のサンプル流体との接触方法は、以下の工程を有する。 (a)モノリシック多孔性発泡体200を介して、磁性粒子100を伴う液体を流し、 (b)モノリシック多孔性発泡体200内での磁場調節用の制御可能な磁場206を制御
し、モノリシック多孔性発泡体200内に磁性粒子を保持し、 (c)モノリシック多孔性発泡体200を介して、サンプル流体を流し、サンプル流体
と磁性粒子100とを接触させる。

【００３３】磁性粒子100は、（例えば、磁石108をカラム106から遠ざけ又は離すように移
動させることによって）磁場勾配206を実質的に減少又は取り除くことによって
、モノリシック多孔性発泡体200から取り除かれ、モノリシック多孔性発泡体200
を介して流体を吸引するか又は分配することによって（場合によっては機械的振
動で（図示せず））、モノリシック多孔性発泡体200から磁性粒子100を搬出する
。

【００３４】所望であれば、磁性粒子100を多数回、捕捉したり解放したりしてもよい。こ
の手順は、混合を強め、よって少量の流体からの分子捕捉効率を高めるために用
いられてもよい。この手順はさらに、磁性流体100から粒子を取り除くため又は
生物細胞を溶解させるために、モノリシック多孔性発泡体200内でのせん断力を
強めるために用いられてもよい。捕捉・解放は、捕捉・解放作用中に、モノリシ
ック多孔性発泡体200を横断する流体流れ方向を反転させることによって、同量
の流体内で生じてもよい。あるいは、捕捉・解放は、モノリシック多孔性発泡体
200を横断して移動する新しい流体中であってもよい。一方向へ流れる間の磁性
粒子100の損失を最少にするために、流が停止するか又は流体が金属モノリシッ
ク多孔体200上を非常に遅い速度で流れる際に、粒子解放及び再捕捉が生じるべ
きである。

【００３５】磁性抽出粒子（magnetic extraction particles）の緩やかな（低いせん断力
）取り扱いは、効率的な分析物回収にとって重要である。ビーズ表面での溶液の
過剰なせん断力は、保持されている分子又は粒子を取り除き得る。例えば、DNA
の抽出及び洗浄は、図３のNiフォーム装置内での30μL/sよりも速い流速では成
功しなかった。しかし、Niフォームを含む磁束材料は、外部磁場を取り除いた後
でも、残留磁気を有する。よって、保持されているビーズの大部分は、30μL/s
よりも低い流速で容易に取り除くことができるが、残留永久磁気ゆえに、ビーズ
フラクションは残る。磁束材料から残りのフラクションを分離して流体懸濁物に
戻するために、せん断力の有害レベル（detrimental level）が必要である。

【００３６】磁性粒子は、好ましくは、残留永久磁気を打ち消すために電磁石を用いる場合
よりも緩やかに磁束材料から解放される。磁束材料は、フィラメント、ワイヤル
ープ、ロッド、モノリシック多孔性発泡体及びこれらの組合せを含むがこれらに
限定されないいかなる磁束材料であってもよい。磁束材料コアの周囲に巻かれた
電磁コイルは、コアと中心対称で且つ同一直線上にある。電磁石の反転性及び対
称性は、弱い反転磁場を与えることによる捕捉ステップの後の残留永久磁気を打
ち消すことができる。永久磁石は、捕捉中の電力消費がなく又は加熱がないとい
う利点を呈する。ビーズ捕捉中に永久磁石を適用することによる利点及び上述の
ように、永久磁石を取り除いた後の残留磁場を打ち消すために電磁石を適用する
ことによる利点の両者を有する設定は可能である。

【００３７】好ましい実施形態において、散布中に、弱い反転磁場を与える。さらに、粒子
が反転電磁電流の範囲から外れるようになるので、与えられた反転磁場を増加す
ることが好ましい。これは、残留磁気分布の結果である。この範囲を掃引するこ
とによって、残留磁気の全範囲をうち消すことも可能である。反転磁場を与える
ことは、減磁とは区別される、なぜなら、反転磁場は、残留磁気を取り除かない
からである。さらに、減磁は、単一の磁気方向及び強度に対するものである。

【００３８】

【実施例１】モノリシック多孔性発泡体200としての金属フォームを有する磁性粒子100の解
放及び捕捉を示すために実験を行った。

【００３９】実験設備を図４に示す。金属フォーム200をニッケルから筒状に作った。特に
、金属フォーム200は、6〜15%密度で約80ポア／インチのAstro Met Series 200
ニッケルフォームとした。この金属フォーム200のポアサイズは、光学顕微鏡の
視野において20ポアを平均して測定したところ、390±190μmであった。筒状は
、最初にポア204を水で充填し、氷が砕けやすいニッケルフォーム200を包囲する
ように水を凍結させることによって、作製した。内径（I.D.）3.5mmのコルク穴
開け器を5mm厚さの氷の厚板及び金属フォーム200にねじ込ませて、直径3.5mm、
長さ5mmの筒を形成した。

【００４０】カラム106は、内径（I.D.）3.5mm、外径（O.D.）7.0mmのポリテトラフルオロ
エチレン（PTFE、例えばテフロン（登録商標））の管とした。ポンプ300は、金
属フォームを通して溶液を押したり引いたりするために用いる5mLプラスチック
シリンジとした。金属フォームを含む領域内でカラム106近くに磁石108（NdFeB
磁石（12×6×8mm））を保持することによって、磁場206を与えた。

【００４１】直径１μmの超常磁性ビーズ（Seradyn）希釈溶液（0.022%）を用いて、常磁性
プラスチックの捕捉及び解放をテストした。この溶液は、Seradynビーズの５％
ストック溶液の0.0119gを2.7mLの水に添加することによって作った。この濃度に
て、ビーズは、赤みがかった茶色のスラリーとして容易に視認できる。磁石が管
の近くに保持されていて且つ約0.5mLのビーズ溶液がフォームを通過する際に、
すべての視認できるビーズはフォーム内に捕捉され、清浄な水溶液がフォームを
通過する。磁石が取り除かれて、水がフォームに押し戻されると、磁性粒子はフ
ォームから取り除かれて、再び水中に懸濁して、赤みがかった茶色の溶液を形成
する。この捕捉及び解放方法は、容易に且つ迅速に繰り返される。約4mL/min（
直線流速＝7mm/s）と速い流速を用いて、粒子を捕捉し、テストされたすべての
流速が粒子を解放するために適切であることを確認した。溶液中の粒子の解放及
び混合が望ましい場合には、速い流速（>4mL/min）を用いるべきである。

【００４２】

【実施例２】モノリシック多孔性発泡体を用いる常磁性粒子の自動捕捉・解放及び散布をテ
ストするために、追加の実験を行った。捕捉及び解放の方法は、図３に示すよう
に、前進方向及び反転方向の両方向における溶液の流を制御するための連続注入
システム（ポンプ300、保持コイル304、二方向バルブ306を含む）と、磁石108を
移動させるためのステッパモータ306と、を用いて自動化した。温度制御は用い
なかった。

【００４３】磁性粒子100及び金属フォームは、実施例１と同様にした。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】少量のサンプル容量への捕捉及び解放を繰り返すためのサンプル手順及びサン
プル容量での連続散布をTable 1a及び1bにまとめた。手順を開始する前に、ライ
ンを水で充填し、１mLシリンジに400μLの水（又は塩溶液などの他のキャリア溶
液）を含ませた。完全なビーズ捕捉は、50μL/s（5.2mm/s直線流速）の流速を用
いて達成され、視認できるビーズがない場合のカラムを通る最大散布流速は、15
0μL/s（15.6mm/s直線流速）であった。

【００４７】

【実施例３】 DNA抽出工程における超常磁性粒子を操作するための透過性磁束導体としての
モノリシック多孔性発泡体の使用を示すために、実験を行った。

【００４８】金属フォームは、実施例１と同じものであるが、コアリングサポート（coring
support）としてアイスコールドワックス（ice-cold wax）を用いて、わずか0.
05インチ（1.3mm）の直径に抜き取った（cored）。薄壁銅中空シリンダーを用い
て、フォームの5mm厚さの厚板を抜き取った。0.05インチドリルを用いて、内径
（I.D.）0.8mm、外径（O.D.）1/16インチの銅管を切り出すことによって、銅シ
リンダーを作った。得られた銅シリンダーは、厚さ0.007インチ、内径（I.D.）0
.053インチであった。ロッドを用いて、銅シリンダーからフォームコアを押し出
して、はんだごてで溶かしてティッシュペーパーで拭き取ることによってワック
スをフォームから取り除いた。得られたニッケルフォームのシリンダー（直径1.
3mm、長さ5mm）を内径（I.D.）2mmのチューブ片（PTFE）に挿入し、ニッケルフ
ォームの近くで加熱して、壁厚0.5mmを有する内径1.3mmのチャネルを形成した。

【００４９】常磁性粒子100は、ストレプトアビジン（streptavidin）コートPromega ビー
ズ（直径0.5〜１μm）であり、ビオチン化されたオリゴヌクレオチド（biotinyl
ated oligonucleotide）由来のものであった。オリゴヌクレオチドシーケンスは
、519rDNAシーケンス：5' TTA-CCG-CGG-CKG-CTG 3'であった。このオリゴヌクレ
オチドシーケンスは、精製されるべきバクテリア性DNA中にも存在する。ビーズ
を0.016%の濃度で、0.5X SSC（20X SSC=3M NaCl、0.3Mクエン酸ナトリウム、pH7
.0）中に懸濁させた。

【００５０】 DNAは、Geobacter chapellii DNAの100ngであった。ビーズビーターを用いて
、バクテリア細胞を溶解させ、4,000〜10,000塩基対のDNAフラグメントを生成し
た。DNAフラグメントを0.2Mリン酸ナトリウム、0.1M EDTA及び0.25%ドデシル硫
酸ナトリウム抽出緩衝溶液200μLに溶解させた。この緩衝溶液は、DNAを土壌サ
ンプルからDNAサンプルとしての溶液中に解放するために用いられる。DNAサンプ
ルを95℃で５分間変性させ、DNAサンプルをモノリシック発泡体に移動させる前
に30秒間氷の上に置いた。

【００５１】自動化DNA抽出手順の概要は、Table2に示す。この手順は、粒子を捕捉する工
程と、粒子をバクテリア性DNA含有200μLサンプル中に解放する工程と、ビーズ
とサンプルとを混合させるために、磁場が与えられていないモノリシック発泡体
を上下に横断してサンプルを反復的に迅速に移動させる工程と、を含む。最後に
、ビーズを金属フォーム上に捕捉し、水を用いて捕捉されたDNAをビーズから溶
出させる。

【００５２】抽出の成功は、溶出物中の標的DNAを特定するためのポリメラーゼ鎖反応（PCR
）増幅によって確認した。PCR混合物のゲル電気泳動分離上でDNAを検出した。 DNAを除いたが同じ工程でブランクを調製した。

【００５３】

【表３】

【００５４】一方がDNAサンプルを含み、他方がブランクサンプルを含む２個の電気泳動チ
ャネルを比較した結果を図５に示す。これは、本発明がDNA抽出に用いられ得る
こと及び検出可能なDNAがすぐ次のブランクサンプルに運ばれなかったことを示
す。

【００５５】

【実施例４】モノリシック多孔性発泡体中での残留磁気の打ち消しによる緩やかな磁性粒子
解放を示すために本実験を行った。実験装置は、実施例１又は実施例２と同様で
あった。モノリシック多孔性発泡体はNiフォームコアとした。電磁石は、Magnet
ec part number CC-3642ソレノイドアクチュエータから得た。Niコアの周囲に巻
かれたコイルを有する条件、及び高度な磁気透過性のヨークを有する条件は、コ
イルのNiフォーム中心を通る場強度を増強するために十分である。

【００５６】工程１）電磁石を直径2.2mmのNiコアを取り巻くように置いて、0.4Aを60秒間
与えた。この工程は、ビーズ捕捉工程である。工程２）200μL/sで水を注入することによって、20μL/sにて解放される捕捉
された粒子をフォームから遊離させた。

【００５７】工程３）0.058% Seradyne懸濁液100μLを20μL/sで注入して、粒子を残留磁気
により捕捉した。工程４）20μL/sで純水によるさらなる散布中に、捕捉された粒子が解放され
ないことを確認した。図６は、「０amps」と記された２本のベースライン曲線60
2、604を示す。曲線602、604は、純水による60秒間の20μL/sでの散布中に、Ni
コアの下方向への経路長1.7cmを通してモニターされた720nmでの吸光度である。
最初の下方向への傾斜は、フローセルに起因する反復可能な人為現象である。ベ
ースライン曲線602、604は、200μL/s散布により浄化されたNiコアに対しても同
じであった。

【００５８】工程５）工程４におけるような20μL/s散布の間に、Niコアの下流側で光路長
をモニターした。しかし、このとき、残留磁気は散布の間、打ち消された。散布
の間、反転極性の電流を0〜0.1Aに増やした。図６における「０〜0.1amps」と記
されたピーク606は、残留場勾配が打ち消される際に、粒子が解放されたことを
示す。

【００５９】

【結び】

本発明の好ましい実施形態を示し説明してきたが、当業者には、本発明の広い
範囲を逸脱することなく、多くの変更及び変形をなすことができることは明らか
であろう。よって、特許請求の範囲は、本発明の範囲内にあるすべての変更及び
変形を含むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の磁性ビーズ取り扱い装置の断面図である。

【図２】図２は、モノリシック金属フォームの一部断面図である。

【図３】図３は、磁性粒子を取り扱うためのモノリシック金属フォームを有する連続注
入流システムの概略図である。

【図４】図４は、磁性粒子を取り扱うための手動操作型システム（実施例１）の概略図
である。

【図５】図５は、本発明を用いて分離したDNA及びブランクの電気泳動図である。

【図６】図６は、コア内の残留磁気の打ち消しによるNiフォームコアにおける磁性粒子
の解放を示すプロットである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１月３日（２００１．１．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者グレイト，ジャイ・ダブリューアメリカ合衆国ワシントン州99353，ウェスト・リッチランド，ピー・オー・ボックス 4137 (72)発明者ブルックナー−レア，シンシア・ジェイアメリカ合衆国ワシントン州99352，リッチランド，マウンテン・ビュー・レーン 144 Ｆターム(参考） 4B029 AA23 AA27 BB15 BB20 CC01 CC02 CC13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体中の磁性粒子を取り扱う装置であって、透過性であり磁性粒子と流体をそれを通して流通させる磁束導体と、磁性粒子の取り扱い用の磁束導体中で磁場を調節するための制御可能な磁場と
、を有し、上記磁束導体がモノリシック多孔性発泡体であることを特徴とする装置
。
【請求項２】請求項１に記載の装置であって、磁性粒子は、流体及びモノリ
シック多孔性発泡体と一緒に、カラムの入口と出口との間に置かれていることを
特徴とする装置。
【請求項３】請求項２に記載の装置であって、制御可能な磁場は、カラムの
外部で且つモノリシック多孔性発泡体の近くに置かれた磁石により与えられるこ
とを特徴とする装置。
【請求項４】請求項３に記載の装置であって、磁石は永久磁石であることを
特徴とする装置。
【請求項５】請求項３に記載の装置であって、磁石は電磁石であることを特
徴とする装置。
【請求項６】請求項５に記載の装置であって、電磁石は、モノリシック多孔
性発泡体を取り巻くことを特徴とする装置。
【請求項７】請求項２に記載の装置であって、さらに、カラム内での流体の
温度を制御するための温度制御を備えることを特徴とする装置。
【請求項８】流体中の磁性粒子を取り扱う方法であって、懸濁している磁性粒子を有する流体を透過性磁束導体に通過させ、磁性粒子の取り扱い用の磁束導体内の磁場を調節する制御可能な磁場を制御す
る、各工程を備え、磁束導体がモノリシック多孔性発泡体であることを特徴とする方
法。
【請求項９】請求項８に記載の方法であって、磁性粒子は、流体及びモノリ
シック多孔性発泡体と一緒に、カラムの入口と出口との間に置かれていることを
特徴とする方法。
【請求項１０】請求項９に記載の方法であって、制御可能な磁場は、カラム
の外部で且つモノリシック多孔性発泡体の近くに置かれてた磁石により与えられ
ることを特徴とする方法。
【請求項１１】請求項１０に記載の方法であって、磁石は永久磁石であるこ
とを特徴とする方法。
【請求項１２】請求項１０に記載の方法であって、磁石は電磁石であること
を特徴とする方法。
【請求項１３】請求項１２に記載の方法であって、電磁石はモノリシック多
孔性発泡体を取り巻くことを特徴とする方法。
【請求項１４】請求項１３に記載の方法であって、磁性粒子を解放するため
に、電磁石極性を反転させることを特徴とする方法。
【請求項１５】請求項８に記載の方法であって、さらに、カラム内での流体
の温度を制御するための温度制御を備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】磁性粒子をサンプル流体と接触させる方法であって、（ａ）磁性粒子を含む流体をモノリシック多孔性発泡体である磁束導体に流通
させ、（ｂ）磁束導体中の磁場を調節するための制御可能な磁場を制御し、モノリシ
ック多孔性発泡体内に磁性粒子を保持し、（ｃ）モノリシック多孔性発泡体中にサンプル流体を流す、各工程を備えることを特徴とする方法。
【請求項１７】請求項１６に記載の方法であって、接触により、サンプル流
体と一緒に磁性粒子を散布させることを特徴とする方法。
【請求項１８】請求項１６に記載の方法であって、さらに、接触後に、モノ
リシック多孔性発泡体から磁性粒子を取り除く工程を備えることを特徴とする方
法。
【請求項１９】請求項１８に記載の方法であって、さらに、サンプル流体中
の磁性粒子を混合させるために、流れ方向を交互にする工程を備えることを特徴
とする方法。
【請求項２０】流体中の磁性粒子を取り扱う方法であって、懸濁されている磁性粒子を含む流体を透過性である磁束導体中に流通させ、磁性粒子の取り扱い用の磁束導体内の磁場を調節するための制御可能な磁場を
制御する、各工程を含み、制御は、（ａ）磁束導体内の磁性粒子を保持するための第１の極性の磁場を与え、（ｂ）磁束導体から磁性粒子を解放するための反対の極性に磁場を反転させる
各工程を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】請求項２０に記載の方法であって、反対の極性を増加させる
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】請求項２０に記載の方法であって、磁束導体は、フィラメン
ト、ワイヤループ、ロッド、モノリシック多孔性発泡体及びこれらの組合せから
なる群より選択されることを特徴とする方法。