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Posted on Mar 6, 2020 3:37:38 AM

磁珠分离是如何工作的?

磁珠分离是一种快速,高效,清洁的过程,科学家用其取代过滤,离心和分离技术。磁珠和磁微粒通过功能化的抗原,抗体,催化剂,蛋白或核酸发挥作用,对细胞,细菌,病毒和其他生物体发挥作用。

然后利用磁性分离器将这些成分从复杂的基质中分离出来。结果就是从目标整体中浓缩富集出样本。

人们在磁珠本身的特性化和参数化方面做了大量的工作。几乎每个潜在用户都知道如何详细地列举他们:他们的直径,密度,磁性色素含量,表面活化(普通,共价,生物功能化),甚至这些参数的可变范围

然而,磁珠分离涉及的不仅仅是磁珠,移动磁珠需要依靠外源性磁场,通常是磁性分离器。生物磁性分离过程不能仅仅通过确定磁珠的规格来定义。

定义生物磁性分离过程的一个关键参数是磁力。磁力通过对抗缓冲液黏度产生的阻力来决定磁珠的分离速度。

当分离条件在整个工作体积中均匀时,此时的磁珠分离过程是最有效率的。因此,确保分离器能够随工作规模的扩展而扩大也同样重要。许多传统的分离器只能适用于几毫升的溶液,并不适用于对几升溶液进行磁性分离。当批次间的工作体积不同且磁力在整个样品的磁力分布不均匀时,会导致批次间的一致性出现严重问题。这会体现在分离时间长,磁珠丢失和不可逆聚集/凝集问题。

本文是关于磁珠分离以及如何验证这一过程。如果您对本话题感兴趣,并愿意了解更多相关信息,请下载我们的免费指南《验证生物磁性分离过程的起始指南

磁珠分离系统:保持批次一致性

如果没有指定的良好磁性器时如何保证批次间一致性?如果我们不知道磁珠分离状况在工作体积中是否均匀时,如何确保批次间一致性?

在小规模作业时该问题存在,但是可以被磁珠本身的可变性所掩盖。当磁珠分离过程包含了不同的工作体积时(因为在不同规模或者产品体积下的验证会比终应用大),因为分离时间长而产生的问题,磁珠(生物分子)损耗的显著增长和不可逆聚集(块)。

这些问题往往只是在磁珠分离磁场缺乏规范的后果,因为在大多数情况下,没有人意识到需要考虑这一因素。

为了避免这些问题,我们只需定义生物磁性分离过程中的关键因素。

这个答案并不复杂。定义生物磁性分离过程的关键因素在于磁力。磁力决定了磁珠分离速度,通过对抗克服缓冲液黏度产生的阻力来确定。

磁力是定义磁珠分离速度的关键因素

磁力最基础的概念是同质磁场不产生磁力,只产生磁转矩。不论磁场的大小如何,如果没有梯度,磁珠就不会移动——它们只是旋转使其磁场与磁场对齐。

要产生磁力,需要随距离变化的磁场(磁场梯度)。强永磁通常用于磁珠分离,因为它会形成强磁场梯度,并不是因其磁场值高。

仔细观察公式可以发现磁力取决于两个变量

  1. 磁珠的磁矩
  2. 磁场的轮廓

 

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基于磁珠的磁性行为,磁矩随施加的磁场呈线性变化(当磁化率是恒定的),或者,如果磁场足够强,其磁矩是恒定的(磁珠是磁饱和的)。

通过重写两种磁性行为的磁力表达式,我们发现磁珠的动力学是不同的。如果磁珠磁矩可变(即具有恒定磁化率的线性变化),磁珠会受到与磁场平方梯度成正比的力。然而,当处于磁饱和(恒定磁矩)时,磁珠会受到与磁场梯度成正比的力。

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如果我们同时满足磁性材料的磁饱和度和恒定的磁场梯度,我们会获得恒定的磁力(正是我们在Sepmag生物磁性分离系统中实现的)。现在,在定义了磁珠分离过程后,我们可以更加仔细地观察动态地磁珠分离过程。

在磁珠分离中的磁性行为

最简单的假设是每个磁珠都独立移动。为了测试这一假设,我们首先需要计算理论磁珠分离速度。如果我们知道磁矩,磁场梯度和缓冲液黏度,我们可以计算分离速度。然后我们可以通过简单地将距离除以速度来预估最远磁珠分离时间。

forces_acting_in_magnetic_bead_separation

magnetic_bead_separation_formula然后我们可以通过比较实验结果来测试该公式。使用圆柱形容器和形成径向磁场梯度的Sepmag分离器,我们可以测量穿过悬浮液的光。随着分离的进行,当磁珠沿磁场梯度移动并聚集到容器外缘时,溶液将会有浑浊转为澄清。

before_after_magnetic_bead_separation

以下结果表面,本实验使用的小直径磁珠非常一致。然而,磁珠分离时间持续了一天!该理论准确地预测了分离时间,还有磁场梯度值加倍的影响,但是这些小磁珠对于绝大多数生命科学应用来说是不切实际的,因为绝大多数生命科学应用要求数秒的分离时间,如CLIA免疫测定。

doubling_gradient_magnetic_bead_separation

对于更大的磁珠和类似的磁场梯度,也可以进行相同的计算。在此例中,预计分离时间远远比实验值要长!实验分离在3分钟以内完成,比预估的一小时分离时间要快得多。

large_diameter_magnetic_bead_separation

发生了什么呢?要解释很简单。在大多数生命科学领域中应用的磁珠与“粒子”行为不同

Free PDF guide:  "The Basic Guide for the use of Magnetic Bead   in ChemiLuminiscent ImmunoAssays (CLIA)" 

磁珠的链状聚合可延长分离时间

当将磁场作用于足够大直径的磁珠悬浮液中时,磁珠会变得有磁性,每个磁珠都像一个小磁铁,与其邻近磁珠对齐,形成类似于链状的结构。这些成串的磁珠的移动像非常大的“磁珠”,但是速度要比单个磁珠快。请注意,如视频所示,链状磁珠沿着磁场的方向形成,但事实沿磁场梯度方向运动。

 

如果磁珠是超顺磁的,只要磁场被移除(即容器从磁场分离装置中移出),其磁矩会变为零,磁链溶解。

 

collective_magnetic_bead_separation

该聚集行为有重要的实际后果。由于链状结构是磁珠分离过程的关键,悬浮液中的磁珠浓度对分离时间有着重要影响。浓度越高,磁珠分离速度越快,邻近的磁珠越近,形成链状结构就越容易、越快。

然后,在定义了磁珠分离条件后,我们发现我们的磁珠可以单独或协同工作,分离时间可因此变化几个数量级,不论使用何种分离器。

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我们如何知道磁珠何时协同作用?应用均质性生物磁性分离系统并监测该过程,UAB和ICMAB研究员与Sepmag研发人员合作开发了模型并进行测试。[参考文献3]

他们定义了链的平均长度表达式N*,如果N*大于1,则表示有协作行为,如果N*远小于1,磁珠则作为单独的粒子运动。

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N*值与浓度的平方根呈正比,但是与Γ,偶极-偶极磁能和热能的比,呈指数级变化。

如果我们通过固定磁性色素含量的直径绘制N*的值,我们会发现,随着浓度的增加,我们可以将磁珠集体分离得小一些,但是关键参数是磁珠的直径(注意Y轴)。增加磁性色素含量(或其磁化)可能也是一个好的策略,但是通常也会增加磁珠密度,从而导致沉积比。

如果在磁性分离之前,磁珠沉淀至容器底部,则会导致过多沉淀问题。

chain_lentgh_concentrations_magnetic_bead_separation

综上所述,磁珠分离比简单地在试管旁放置一个永磁体要复杂得多。磁珠的磁矩和磁场梯度的均质性是保证分离速度的关键因素,对生物科学的应用非常有用。这就是为什么选择合适规模的生物磁性分离器是至关重要的,以确保批次间的一致性。另外,磁珠的直径和磁性色素浓度会影响分离过程中磁珠的磁性行为,在致力于实现有效的分离时间时,这些也是需要考虑到的同样重要的变量。当样品从范围从微升到几十升时,只有明确定义完整的磁珠分离过程,才能实现经济高效,快速,稳定和规模化的生产过程。

magnetophoretical-characterization-of-magnetic-particles-suspensions-1-638Download the PPT here: Magnetophoretical characterization of magnetic particles  suspensions

如果您觉得本文非常有趣,并希望深入了解磁珠分离领域,请务必查看我们博客中的这些文章

  • 稳定性的关键:生物磁性分离过程的验证
  • IVD生产中最薄弱的环节
  • 影响磁珠磁性行为的6个关键因素

 

参考文献:

  1. M. Benelmekki & Ll. M. Martinez “Magnetophoresis of iron oxide nanoparticles: A tool for synthesis monitoring and biomagnetic applications” "Drug Delivery and Nanomedicine"  vol 5.  Editor J.N. Govil, Studium Press LLC, USA (2013).
  2. J. Faraudo & J. Camacho (2010). Colloid Polym. Sci., 288:207
  3. J. S. Andreu et al, PHYSICAL REVIEW E 84, 021402 (2011)

 

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