DE19938372A1

DE19938372A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung magnetischer Teilchen

Info

Publication number: DE19938372A1
Application number: DE1999138372
Authority: DE
Inventors: Thomas Rheinlaender; Werner Weitschies; Roman Koetitz; Hartmut Matz
Original assignee: Institut fuer Diagnostikforschung GmbH
Current assignee: Bayer Pharma AG
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2001-03-08
Also published as: WO2001010558A1; AU6699900A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von magnetischen Teilchen im Nano- und Mikrometerbereich, die in fließfähigen Medien dispergiert sind und die vorzugsweise in Bereichen der Analytik, Diagnostik und zur Energieabsorption eingesetzt werden. DOLLAR A Viele Anwendungen magnetischer Teilchen nutzen deren Wechselwirkung mit magnetischen Wechselfeldern aus. DOLLAR A Mit den bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen können die magnetischen Teilchen durch magnetische Wechselfelder nicht abgetrennt werden. Die Erfindung schlägt hierfür eine Lösung bei gleichzeitiger Reduzierung der Remanenz der Trenneinrichtung und der Verringerung der Aggregatbildungen der abgetrennten Teilchen vor. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die magnetischen Teilchen in einer Trenneinrichtung so mit einem inhomogenen magnetischen Wechselfeld beaufschlagt, daß zumindest ein Teil der Teilchen dem magnetischen Wechselfeld zu einem Ort höherer Feldstärke folgen kann und so abgetrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von magnetischen Teilchen im Nanound Mikrometerbereich, die in fließfähigen Medien, vorzugsweise in gasförmigen oder flüssigen Fluiden, dispergiert sind. Die Erfindung wird insbesondere in Bereichen der Analytik, Diagnostik und zur Energieabsorption eingesetzt.

Es ist bereits bekannt, daß magnetische Teilchen von schwach- bis unmagnetischen Materialien magnetisch abgetrennt werden. Diese Verfahren werden beispielsweise bei der Separation von magnetischen Erzen, Verunreinigungen, Werkstoffen usw. genutzt - Bronkala, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (5. Ed.) B2, 19-1, VCH Weinheim 1990). Für die magnetischen Trennverfahren werden im allgemeinen magnetische Gleichfelder eingesetzt.

Während für paramagnetische Substanzen hohe magnetische Gradienten (HGMS) erforderlich sind, reichen für Ferro- /Ferrimagnetika niedrigere magnetische Gradienten aus. Dabei kann das Trenngut trocken oder in Flüssigkeiten dispergiert vorliegen. Besonders zur Trennung trockener Gemische kommen gelegentlich auch magnetische Wechselfelder zum Einsatz, wobei die Teilchengröße im Mikrometerbereich und darüber liegt. Die dabei angewandten magnetischen Wechselfelder weisen geringe Frequenzen unter 100 Hz auf und bestehen oft aus beweglichen Anordnungen alternierender Magnetpole. Sie dienen zum Transport magnetischer Materialien bzw. zum Zerbrechen von Aggregaten aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien (SU 1 680 331).

Bei den ebenfalls für magnetische Trennverfahren eingesetzten gepulsten Magnetfeldern handelt es sich jedoch um keine Wechselfelder, da kein Vorzeichenwechsel erfolgt (SU 1 537 294).

Zur sogenannten elektrodynamischen Trennung über Wirbelströme wird mit magnetischen Wechselfeldern höherer Frequenzen gearbeitet, wobei jedoch die elektrische Leitfähigkeit der Teilchen ausgenutzt wird, deren Größe im Millimeterbereich liegt (DE 42 23 812).

Für die biologische Trennung gibt es Teilchen im Mikrometerbereich, wobei die magnetischen Teilchen in eine Polymermatrix eingebettet sind (WO 90/06045) oder als Aggregate vorliegen (US 4 554 088). Durch Kombination dieser Teilchen mit strukturspezifischen Substanzen lassen sich biologische Materialien wie Zellen oder DNA magnetisch markieren. Diese Teilchen sowie die magnetisch markierten biologischen Materialien sedimentieren bei Anlegen beispielsweise eines Magnetrührfisches innerhalb kürzester Zeit, so daß unmarkiertes biologisches Material abdekantiert und auf diese Weise abgetrennt werden kann.

Bekannt sind ferner Verfahren bei denen für biologische Trennungen Teilchen im Nanometerbereich eingeführt werden; die magnetischen Teilchen sind meistens durch Polymere stabilisiert sowie mit einer strukturspezifischen Substanz kombiniert (WO 90/07380). Die Abtrennung von biologischen Materialien, die mit diesen magnetischen Teilchen markiert sind, erfordert hohe magnetische Gradienten. In die Trenneinrichtung wird deshalb eine Matrix, beispielsweise Stahlwolle, weichmagnetische Eisenkugeln etc., eingesetzt, wobei das unmarkierte biologische Material durch die Trenneinrichtung hindurchläuft und die markierten und magnetisierten Teilchen an der Matrix separiert und abgetrennt werden.

Darüber hinaus werden magnetische Teilchen, bevorzugt Nanoteilchen, in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. als Energieabsorber, für die Materialtrennung, in der Audiotechnik oder in der Diagnostik. In Abhängigkeit von ihrer Anwendung sind verschiedene magnetische Eigenschaften der Teilchen gefragt. Daher trägt bei vorhandenen magnetischen Teilchensystemen oft nur ein kleiner Anteil der Teilchen zum gewünschten magnetischen Effekt bei. Aus diesem Grunde sind Teilchensysteme mit einem hohen Anteil an Teilchen mit den gewünschten magnetischen Eigenschaften erwünscht. Um diese zu erhalten, besteht ausgehend von vorhandenen magnetischen Teilchensystemen die Möglichkeit der Separation. Bisher werden zur Trennung die Zentrifugation (Sjögren et al, 1997 Magn. Res. Imag. 15, 55), die Größenausschlußchromatographie (Nunes et al. 1989 J. Magn. Magn. Mater. 78, 241), die Phasentrennung (Massart et al. 1995 J. Magn. Magn. Mater. 149,1) usw. eingesetzt. Alle diese Methoden trennen jedoch nach nichtmagnetischen Eigenschaften, wie Dichte, Teilchengröße oder Stabilität. Die Separation der magnetischen Teilchen sollte vorteilhafterweise nach der Eigenschaft erfolgen, die bei der Anwendung relevant ist. Aus diesen Gründen wurden neue Lösungen zur Fraktionierung nach magnetischen Eigenschaften entwickelt (DE 196 32 416). Nach dieser Lösung werden die magnetischen Teilchen in einem magnetischen Gleichfeld mit einer HGMS beaufschlagt. Auf diese Weise können Teilchen abgetrennt werden, die ein besonders hohes Moment besitzen.

Bei einigen Anwendungen wie der Magnetresonanzbildgebung, Magnetrelaxometrie (DE 195 03 664) und der Energieabsorp tion, z. B. der Ferrofluidhyperthermie (US 4 545 368), wird das Verhalten magnetischer Teilchen in magnetischen Wechselfeldern ausgenutzt. Auch hier trägt von den vorhandenen magnetischen Teilchen oft nur ein kleiner Teilchenanteil zum gewünschten magnetischen Effekt bei. Eine entsprechende Separation wäre daher sehr vorteilhaft. Keines der bisher bekannten Verfahren trennt jedoch nach dem Verhalten der magnetischen Teilchen in magnetischen Wechselfeldern.

Die Trennung von magnetischen Teilchen, die mit strukturspezifischen Substanzen, Zellen o. ä. gekoppelt sind, von ungekoppelten magnetischen Teilchen ist bisher kaum möglich. Im Fall der strukturspezifischen Substanzen kann die Trennung über teure Affinitätssäulen erfolgen, wobei die Wiedergewinnung funktionsfähiger strukturspezifischer Kombinationen, besonders bei hohen Bindungskonstanten, wie Avidin-Biotin, schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus in fließfähigen Medien dispergierten magnetischen Teilchen im Nano- und Mikrometerbereich für Anwendungen besonders in magnetischen Wechselfeldern geeignete Teilchen abzutrennen und möglichst in hoher Ausbeute und unverändert wiederzugewinnen durch die gleichzeitige Reduzierung der Remanenz der Trenneinrichtung und Verringerung der Magnetfeldinduzierten Teilchenaggregation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach den in Anpruch 14 angegebenen Merkmalen sowie mit einer magnetische Substanzen aufweisenden Verbindung nach Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Gemäß der Erfindung werden in einem fließfähigen Medium, vorzugsweise einem Gas oder einer Flüssigkeit, dispergierte magnetische Teilchen im Nano- und Mikrometerbereich in einer geeigneten Vorrichtung mit einem inhomogenen magnetischen Wechselfeld beaufschlagt, so daß Teilchen, die eine Kraft in Richtung höherer Feldstärke des Wechselfelds erfahren, abgetrennt werden.

Die in einem fließfähigen Medium, vorzugsweise in einem Gas oder in einer Flüssigkeit, dispergierten und abzutrennenden magnetischen Teilchen werden in einer Trenneinrichtung mit einem inhomogenen magnetischen Wechselfeld so beaufschlagt, daß sie dem magnetischen Wechselfeld zu einem Ort höherer Feldstärke folgen können und dort separiert bzw. abgetrennt werden.

Der Bereich der Frequenz des magnetischen Wechselfelds liegt vorteilhafterweise zwischen 0,1 Hz und 10 GHz. Besonders geeignet ist ein Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 GHz. Den magnetischen Wechselfeldern können magnetische Gleichfelder überlagert sein.

Gegenüber den Ausgangsverbindungen wird durch die Trennung der Anteil an Teilchen deutlich erhöht, die dem verwendeten magnetischen Wechselfeld folgen können. Die gewünschten Teilchen können sowohl die magnetisch beinflußten sein, die dem angelegten Wechselfeld folgen können, als auch die nicht beeinflußten, die dem Wechselfeld nicht folgen können. Neben einer Separation in zwei Franktionen, eine mit den magnetisch abgelenkten und eine mit den nicht abgelenkten Teilchen, kann auch eine Fraktionierung in drei oder mehr Fraktionen erfolgen, die einen zu- bzw. abnehmenden Anteil an den gewünschten Teilchen enthalten. Ferner kann das Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, mehrere Trennungen nacheinander auszuführen. Beim Einsatz mehrerer Trenn vorrichtungen kann ein kontinuierlicher Prozeßablauf gewählt werden. Ansonsten werden die Trennprozesse diskontinuierlich nacheinander durchgeführt. Dabei können wiederholt die gleiche Frequenz oder verschiedene Frequenzen einschließlich Gleichfeld angewandt werden. So ist es zur Anreicherung von magnetischen Teilchen für ein bestimmtes Frequenzband vorteilhaft, eine Frequenz zu wählen, die oberhalb des gewünschten Frequenzbereichs liegt, wobei Teilchen, die dem magnetischen Wechselfeld folgen können, abgetrennt werden. Demgegenüber werden mit einer tieferen Frequenz Teilchen abgetrennt, die dem magnetischen Wechselfeld nicht folgen können wie Teilchen mit zu kleinem magnetischen Moment.

Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollten die Teilchen vorteilhafterweise in einem Fluid dispergiert vorliegen. Als Materialien der magnetischen Teilchen kommen neben Paramagnetika vornehmlich Ferro- und Ferrimagnetika in Betracht. Dabei können auch Teilchen aus verschiedenen magnetischen Materialien nebeneinander vorliegen. Zur Stabilisierung sind die magnetischen Teilchen oft mit Amphiphilen, natürlichen oder synthetischen Polymeren usw. umhüllt oder darin eingebettet. Die Durchmesser der Teilchen reichen von 0,1 nm bis zu 100 µm, vorzugsweise zwischen 1 nm bis 10 µm. Derartige Verbindungen werden in dieser Patentschrift noch näher beschrieben.

Mögliche Mechanismen, mit der magnetische Teilchen einem magnetischen Wechselfeld folgen, sind die Brownsche Rotation des Gesamtteilchens bei Eindomänenteilchen, die Néelsche Rotation, bei Mehrdomänenteilchen die Blochwandverschiebung bis hin zur Drehung der Magnetisierung. Diese Mechanismen sind teilweise Funktionen der Temperatur, der Dispersionsviskosität und des anliegenden Magnetfelds. Dies ist bei der Wahl der Frequenz zu berücksichtigen, ebenso wie die generelle Dispersion des Resonanzpeaks auf der Frequenzskala. Ferner kann durch entsprechende Wahl der Temperatur, der Dispersionsviskosität und des Magnetfelds der eine oder andere Mechanismus hervorgehoben bzw. zurückgedrängt werden. Darüber hinaus ist bei einer kontinuierlichen Trennung im Durchfluß zu beachten, daß die Fließgeschwindigkeit die Trennung beeinflußt. Die Fließrate ist daher mit dem Magnetfeld abzustimmen.

Generell können mit den erfindungsgemäßen Verfahren magnetische Teilchen getrennt werden, deren Verhalten sich in inhomogenen magnetischen Wechselfeldern ausreichend unterscheidet. Unter dieser Voraussetzung sind magnetische Teilchen, die mit strukturspezifischen Substanzen, Zellen o. a. gekoppelt sind, von ungekoppelten trennbar. Gleiches gilt für die Trennung von vereinzelten magnetischen Teilchen neben Aggregaten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Trennprozesse kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Die diskontinuierliche Trennung kann z. B. in einer Durchflußsäule mit einem Auslauf (z. B. WO 90/07380) oder statisch erfolgen (z. B. US 5 200 084). Dabei werden magnetische Teilchen, die dem angelegten magnetischen Wechselfeld folgen können, an den Orten hoher Flußdichte angereichert und festgehalten oftmals durch eingebrachte weichmagnetische Matrizes realisiert.

Bei dem reinen Ein- und Ausschalten des Magnetfelds wird eine Separation erhalten, während z. B. eine stufenweise Reduzierung des Magnetfelds zu einer Fraktionierung führen kann.

Zur Trennung mit einer Durchflußsäule werden dispergierte magnetische Teilchen aufgegeben, wobei nicht zurückgehaltene Teilchen mit dem Fluid die Säule wieder verlassen. Nach dem Entfernen des Magnetfelds werden die zurückgehaltenen Teilchen mit reinem Dispersionsmittel aus der Säule gespült. Vorher empfiehlt es sich, zur Entfernung nicht zurückgehaltener Teilchen die Säule mit Dispersionsmittel zu spülen. Ferner sollte die aufgegebene Menge so bemessen sein, daß die von der Säule maximal rückhaltbare Teilchenmenge nicht überschritten wird.

Bei der statischen Trennung wird für einige Zeit das Magnetfeld an die Trenneinrichtung angelegt. Noch während das Magnetfeld anliegt, wird das Fluid mit den nicht zurückgehaltenen Teilchen von den zurückgehaltenen getrennt, die nach dem Entfernen des Magnetfelds mit einem Fluid redispergiert werden können.

Neben der Trennung magnetischer Teilchensysteme können auch schwach magnetische Teilchen abgetrennt werden, so daß keine zusätzliche Gleichfeldtrennung erforderlich ist. Ferner können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen magnetische Teilchen, die mit strukturspezifischen Substanzen, Zellen o. a. gekoppelt sind, von ungekoppelten trennen, sofern sich deren Verhalten in magnetischen Wechselfeldern ausreichend unterscheidet. Gleiches gilt für die Trennung von vereinzelten magnetischen Teilchen neben Aggregaten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. in der Materialtrennung, Umweltanalytik, Diagnostik, Fertilität, Histokompatibilität, Allergologie, Infektiologie, Hygiene, Genetik, Virologie, Bakteriologie, Toxikologie, Pathologie und Bioseparation eingesetzt werden.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von pharmazeutischen Mitteln, insbesondere für die Hyperthermie und die Herstellung von Kontrastmittel, die man mit Hilfe der Erfindung erhält. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu seiner Durchführung vorgeschlagenen Vorrichtungen sind dazu geeignet, aus pharmazeutischen Zubereitungen auf der Basis von para-, superpara-, ferri- und ferromagnetischen Teilchen bestimmte Teilchen zu selektieren. Dies kann über eine Variation der Frequenz geschehen. So können aus einer pharmazeutischen Formulierung, die eine Mischung verschiedener magnetischer Teilchen enthält (z. B. eine magnetithaltige Suspension, wie sie in der Magnetresonanzbildgebung Anwendung findet), die Teilchen abgetrennt werden, die der Frequenz des angelegten magnetischen Wechselfelds folgen können. Magnetische Teilchen enthaltende Mittel finden z. B. Anwendung in der Hyperthermie oder als Kontrastmittel in der Magnetresonanzbildgebung.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls eine Vorrichtung zur magnetischen Trennung dispergierter magnetischer Teilchen, die aus einer Einrichtung zur Erzeugung inhomogener magnetischer Wechselfelder und einer Trenneinrichtung besteht, wobei mit einer solchen Vorrichtung ausreichende magnetische Felder und Feldinhomogenitäten erzeugt werden, die magnetische Teilchen mit Teilchendurchmessern unter 10 µm bis hin zu wenigen Nanometern ablenken und separieren.

Die magnetischen Wechselfelder können durch räumliche und/oder zeitliche Änderung erzeugt werden. Durch die Abnahme der magnetischen Feldstärke mit steigender Entfernung von dem Magneten existiert ein Feldgradient, in dem die magnetischen Teilchen eine zusätzliche Kraft erfahren können.

Die Anordnungen mit einem alternierenden Magnetfeld werden aus Permanent- und/oder Elektromagneten aufgebaut. Zur Trennung müssen sich die alternierenden Magnetfelder und das Trenngut relativ zueinander bewegen. Bei feststehenden alternierenden Magnetfeldern entsteht das Wechselfeld durch die Strömung des Trennguts. Dabei steigt die Frequenz mit der Flußgeschwindigkeit. Darüber hinaus kann die Anordnung alternierender Magnetfelder zusätzlich bewegt werden, z. B. indem sie rotiert.

Zur Herstellung eines elektromagnetischen Wechselfeldes ist eine entsprechende Stromquelle erforderlich. Als Stromquelle können Frequenzgeneratoren eingesetzt werden, die häufig verstärkt werden müssen, z. B. mit einem herkömmlichen Audioverstärker bei entsprechenden Frequenzen.

Bei höheren Frequenzen bietet sich der Einsatz von Schwingkreisen an. Das magnetische Gradientenfeld in der Trenneinrichtung kann durch einen stromdurchflossenen Leiter erzeugt werden, der sich in der Trenneinrichtung befindet oder diesen umgibt. Für letzeres werden Spulen eingesetzt, z. B. Sektorspulen oder magnetisch geschlossene Toroide. Zur Feldverstärkung können in die Spulen weichmagnetische Kerne aus Eisenpulvern, Ferriten, Blechen o. a. eingebracht werden, die zur Aufnahme der Trenneinrichtung einen entsprechend ausgebildeten Luftspalt besitzen. Diese weichmagnetischen Materialien sind den Frequenzen entsprechend auszuwählen. Mit Spulen beidseits nahe der Trenneinrichtung läßt sich das magnetische Feld noch erhöhen.

Die Trenneinrichtung ist vorzugsweise aus diamagnetischen, elektrisch nicht leitenden Materialien aufzubauen, um Wirbelstromverluste zu minimieren. In die Trenneinrichtungen können zur Steigerung des Magnetfelds und/oder des Magnetfeldgradienten weichmagnetische Matrizes in Form von Draht (Stahlwolle, Netze), Kugeln, Fritten, Nadeln, Lochbleche o. ä. eingebracht werden. Dabei sind diese Materialien den Frequenzen entsprechend auszuwählen, ferner ist der Durchgang der magnetischen Teilchen zu gewährleisten. Je nach Fluid, in dem die magnetischen Teilchen dispergiert sind, ist die Trenneinrichtung entsprechend auszulegen, so z. B. gasdicht oder lösungsmittelbeständig. Das gesamte Innere der Trenneinrichtung kann zum Schutz vor unerwünschten chemischen Reaktionen, wie z. B. Korrosion, zusätzlich mit geeigneten Schutzschichten versehen sein. Geeignet sind beispielsweise Verchromungen, Schutzschichten aus stabilen Oxiden, wie Aluminiumoxid oder Kunststoffüberzüge aus PVC, Polystyrol oder Polyethylen.

Neben der Separation in zwei Fraktionen, eine mit den magnetisch abgelenkten und eine mit den nicht abgelenkten Teilchen, kann auch eine Fraktionierung in drei oder mehr Fraktionen vorteilhaft sein, die einen zu- bzw. abnehmenden Anteil an den gewünschten Teilchen enthalten.

Zur kontinuierlichen Trennung bieten sich Durchflußzellen mit mindestens zwei Ausgängen an (z. B. US 5 053 344). Die Zufuhr magnetischer Teilchen erfolgt über einen Eingang. Der Teil der Teilchen, der dem angelegten magnetischen Wechselfeld folgen kann, wird zum Magnetfeld hingezogen, während die restlichen Teilchen kaum beeinflußt werden. Bei zwei Ausgängen erfolgt eine Separation in eine magnetisch abgelenkte und eine kaum abgelenkte Fraktion, wie oben beschrieben, bei drei und mehr Ausgängen kann eine Fraktionierung erhalten werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können z. B. in der Materialtrennung, Umweltanalytik, Diagnostik, Fertilität, Histokompatibilität, Allergologie, Infektiologie, Hygiene, Genetik, Virologie, Bakteriologie, Toxikologie, Pathologie und Bioseparation verwendet werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls Verbindungen die magnetische Teilchen enthalten, die durch die Trennung in inhomogenen magnetischen Wechselfeldern erhalten wurden, wobei die spezifische Absorptionsrate im entsprechenden Frequenzbereich der erfindungsgemäßen Verbindungen über der der Ausgangsverbindungen liegt.

Die spezifische, d. h. mengenbezogene Absorptionsrate im entsprechenden Frequenzbereich der erfindungsgemäßen Verbindungen liegt vorteilhafterweise um den Faktor 2 über der der Ausgangsverbindungen. Insbesondere bevorzugt ist ein Faktor über 5. Eine vergleichbare Meßgröße aus der Magnetrelaxometrie ist die spezifische Brownsche Relaxationsamplitude, die den Anteil der Teilchen widerspiegelt, deren Magnetisierung im Zeitbereich der Messung relaxiert.

Gegenüber den Ausgangsverbindungen ist in den erfindungs gemäßen Verbindungen der Anteil an Teilchen deutlich erhöht, die dem verwendeten magnetischen Wechselfeld folgen können. Die erfindungsgemäßen Verbindungen sind demnach ein Ausschnitt der Ausgangsverbindungen, so daß die folgenden Aussagen für beide Verbindungen gelten, soweit es nicht anders vermerkt ist.

Als Materialien der magnetischen Teilchen kommen neben Paramagnetika vornehmlich Ferro- und Ferrimagnetika incl. Superparamagnetika in Betracht. Typische Ferro- und Ferrimagnetika sind reine oder substituierte Eisengruppenmetalle, Eisenoxide, Ferrite, Chromdioxid oder Eisengruppenmetallverbindungen. Es können auch Teilchen aus verschiedenen magnetischen Materialien nebeneinander vorliegen. Für den medizinischen Einsatz bieten sich biologisch abbaubare magnetische Substanzen, wie Eisenoxide, an.

Zur Stabilisierung sind oder werden die magnetischen Teilchen oft mit Tensiden, Aminosäuren, Lipiden, Nukleotiden, Kohlenhydraten, natürlichen oder synthetischen Polymeren incl. Derivaten, Aktivkohlen, Siliciumverbindungen und/oder Edelmetallen umhüllt. Darüber hinaus können auch mehrere magnetische Teilchen in eine Matrix aus einer oder mehreren dieser Hüllsubstanzen eingebettet sein. Für den medizinischen Einsatz sollten biologisch abbaubare Hüllsubstanzen verwendet werden.

Ferner können die magnetischen Teilchen, auch umhüllt oder eingebettet, mit strukturspezifischen Substanzen kombiniert sein oder werden, die teilweise stabilisierend wirken. Solche strukturspezifischen Substanzen sind u. a. Antikörper, Antikörperfragmente, spezifisch an Rezeptoren bindende Agonisten, wie Zytokine, Lymphokine, Endotheline oder deren Antagonisten, sonstige spezifische Peptide oder Proteine, Rezeptoren, Enzyme, Enzymsubstrate, Nukleotide, Ribonukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäuren, Kohlenhydrate oder Lipoproteine. Als strukturspezifische Substanzen werden diejenigen bevorzugt, deren Bindungskonstante im Bereich von 10⁵-10¹⁵ l/mol liegt. Die strukturspezifischen Substanzen lassen sich mit Hilfe geläufiger Verfahren mit den magnetischen Teilchen markieren. Eine Alternative ist die Bindung über Antikörper, die gegen die Oberfläche der magnetischen Teilchen gerichtet sind, z. B. gegen das Hüllmaterial.

Die Ausgangsverbindungen müssen zur erfindungsgemäßen Trennung in einen dispergierten Zustand überführt werden, sofern sie noch nicht in einem Fluid oder fließfähigem Medium dispergiert vorliegen. Mögliche fließfähige Medien sind Gase, z. B. Luft, oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, oder organische Lösungsmittel oder verflüssigbare Feststoffe. Neben Wasser werden oft wäßrige Lösungen von Tensiden, Kohlenhydraten, Proteinen, Alkoholen, Salzen, Säuren/Basen, Puffersubstanzen o. a. eingesetzt.

Die erfindungsgemäßen Teilchen können sowohl in einem der fließbaren Medien dispergiert als auch in kompakter Form getrocknet oder eingefroren vorliegen, ggf. in Kombination mit weiteren Hilfsstoffen. Weiterhin können sie in Matrizes eingebettet oder auf Oberflächen aufgebracht sein.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen können sowohl die magnetisch beeinflußten sein, die dem angelegten Wechselfeld folgen können, als auch die nicht beeinflußten, die dem Wechselfeld nicht folgen können. Als vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn die erfindungsgemäßen Verbindungen mehr als eine Trennung durchlaufen haben. So ist es zur Anreicherung von magnetischen Teilchen für ein bestimmtes Frequenzband vorteilhaft, bei einer Frequenz, die oberhalb des gewünschten Frequenzbereichs liegt, Teilchen, die dieser Frequenz folgen können, abzutrennen, während bei einer tieferen Frequenz bis hin zum Gleichfeld Teilchen, die von diesem Feld kaum beeinflußt werden, wie wenig magnetische Teilchen, abgetrennt werden. Aus einer Ausgangsverbindung können daher durch Trennungen bei verschiedenen Frequenzen Fraktionen für verschiedene Anwendungen erhalten werden. Bei der Wahl der Frequenzen ist zu berücksichtigen, daß die Rotation zumindest teilweise temperatur-, viskositäts- und feldabhängig ist. Ferner ist die Abtrennung von Aggregaten oder an strukturspezifischen Substanzen, Zellen o. a. gekoppelten Teilchen möglich.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen können z. B. in der Audio-, Display-, Dichtungs-, Dämpfungstechnik, Datenspeicherung, Materialtrennung, Umweltanalytik, Twistzytometrie, Fertilität, Histokompatibilität, Allergologie, Infektiologie, Hygiene, Genetik, Virologie, Bakteriologie, Toxikologie, Pathologie, medizinischen Diagnostik und Therapie zum Einsatz kommen. Gegenüber den Ausgangsverbindungen sind die erfindungsgemäßen Verbindungen deutlich effizienter u. a. bei Anwendungen, bei denen das Verhalten der Teilchen in magnetischen Wechselfeldern ausgenutzt werden kann. Dies ist insbesondere der Fall in der Magnetrelaxometrie, der Magnetresonanzbildgebung, der Bioseparation, Bindungsassays und der Energieabsorption bzw. - transformation sein. Letztere umfaßt z. B. die Ferrofluidhyperthermie, Mikrowellenabsorber, Antiradarbeschichtung und Radiofrequenzumformer.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie einzuschränken. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1,

Fig. 3 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit Z nach Fig. 1

Eine als Durchflußzelle ausgebildete Trenneinrichtung 1 ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, im Luftspalt eines Ferritkerns 4 mit der Spule 2 angeordnet. Der Ferritkern 4 besteht aus zwei U-förmigen Kernhälften, die durch eine Spanneinrichtung 3 zusammengefügt sind. Zur Zuführung eines fließfähigen Mediums, das die dispergierten und abzutrennenden Teilchen enthält, und einer Spülflüssigkeit in die Trenneinrichtung 1 sind Zuleitungen 5 und 6 vorgesehen. Als Wechselstromquelle dient ein einfacher Netzregeltransformator (50 Hz).

Über eine der Zuleitungen 5, 6 werden 0,3 ml einer Magnetitsuspension von 10 mmol Fe/l, einem hydrodynamischen Teilchendurchmesser von ca. 65 nm (PCS) und einer Brownschen Relaxationsamplitude von 1,7 mT/mol Fe (Magnetrelaxometrie) der Trenneinrichtung 1 zugeführt, deren Trennkammer mit einer Matrix aus kleinen Weicheisenkugeln 8 ausgestattet ist. Danach wird die elektrische Verbindung der Spule 2 mit der Wechselspannungsquelle hergestellt und die Trenneinrichtung 1 mit einem magnetischen Wechselfeld von ca 20 mT beaufschlagt. Dabei wird die Trenneinrichtung 1 solange mit destilliertem Wasser gespült und der Durchlauf in einem Behälter 7 aufgefangen, bis er farblos ist. Die in diesem Durchlauf enthaltenen und durch das magnetische Wechselfeld nicht abgeschiedenen Teilchen hatten einen Durchmesser von 64 nm und eine Brownsche Amplitude von 1,6 mT/mol Fe. Anschließend wird der Strom auf Null heruntergeregelt und die Trenneinrichtung 1 erneut gespült. Die in einem gesonderten Behälter 7 aufgefangene Spülung enthielt abgetrennte Teilchen mit einem Durchmesser von 144 nm, die eine Brownsche Amplitude von 33,6 mT/mol Fe ergaben.

Trennung magnetischer Teilchen mit einem inhomogenen magnetischen Wechselfeld

In den Luftspalt eines Ferritkernes 4 mit Spule 2 gemäß Fig. 1 wird eine magnetische Trennsäule 1 eingebracht, die einen Ein- und Ausgang besitzt und eine Matrix aus kleinen Weicheisenkugeln 8 enthält. In Serie zur Spule 2 wird ein Kondensator geschaltet und in diesen Schwing kreis von einem Frequenzgenerator über einen Audioverstärker ein 1 kHz-Wechselstrom eingespeist. An Hand von Messungen wurde festgestellt, daß alle Komponenten bei dieser Frequenz keine signifikanten Verluste aufweisen.

Auf die Trennsäule 1 werden anschließend bei eingeschaltetem Strom (ca. 50 mT) 0,3 ml einer Magnetitsuspension mit 1 mol/l Fe, einem mittleren Teilchendurchmesser von 65 nm (PCS) und einer Brown- Amplitude von 1,6 mT/mol Fe aufgegeben. Danach wird solange mit destilliertem Wasser gespült und der Durch lauf aufgefangen, bis er farblos ist. Dieser Durchlauf enthielt Teilchen mit einem Durchmesser von 68 nm, die eine Brown-Amplitude von 1,8 mT/mol Fe ergaben.

Abschließend wird der Strom auf Null heruntergeregelt und die Trenneinrichtung erneut mit destilliertem Wasser gespült. Der Durchlauf wurde wiederum gesondert gesammelt und enthielt separierte und abgetrennte Teilchen mit 155 nm Durchmesser und einer Brown-Amplitude von 37,7 mT/mol Fe.

Bezugszeichenliste

1

Trennsäule

2

Spule

3

Spanneinrichtung

4

Ferritkern

5

Zufluß

6

Zufluß

7

Aufnahmebehälter

8

Weichmagnetische Kugeln

Claims

1. Verfahren zur Trennung von in fließfähigen, vorzugsweise gasförmigen oder flüssigen Medien dispergierten magnetischen Teilchen im Nano- und Mikrometerbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Teilchen derart mit einem inhomogenen magnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden, daß Teilchen, die eine Kraft in Richtung höherer Feldstärke des Wechselfelds erfahren, abgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld eine Frequenz von 1 mHz bis 100 GHz, vorzugsweise eine Frequenz von 1 Hz bis 10 GHz hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem magnetischen Wechselfeld ein magnetisches Gleichfeld überlagert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung in einem kontinuierlichen Prozeß durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennprozeß diskontinuierlich erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Frequenz mehrere Trennprozesse durchgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trennprozesse mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung des Mediums, in dem die magnetischen Teilchen dispergiert sind, das Verhalten der Teilchen im magnetischen Wechselfeld verändert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Teilchen ferro- oder ferrimagnetische Substanzen enthalten.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Teilchen paramagnetische Substanzen enthalten.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutrennenden magnetischen Teilchen eine Teilchengröße von 0,1 nm bis 100 µm, vorzugsweise von 1 nm bis 10 µm aufweisen.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Technik, Analytik, Fertilität, Histokompatibilität, Allergologie, Infektiologie, Hygiene, Genetik, Virologie, Bakteriologie, Toxikologie, Pathologie, Diagnostik und Therapie verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Bioseparation, bei Bindungsassays, in der Magnetrelaxometrie, bei der Energieabsorption und in der Hyperthermie verwendet wird.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Einrichtung zur Erzeugung ausreichender magnetischer Wechselfelder und einer kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebenen Trenneinrichtung besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugt wird, die alternierend angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes vorzugsweise oberhalb 100 Hz liegt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld mittels stromdurchflossener Leiter erzeugt wird, die in der Trenneinrichtung angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld durch Spulen erzeugt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung in einen aufgeschnittenen, weichmagnetischen Kern eingesetzt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektrischen Wechselfeldes Schwingkreise vorgesehen sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung eine den Gradienten des magnetischen Wechselfeldes verstärkende Matrix aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung mit einer inneren Schutzschicht ausgestattet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung die magnetischen Wechselfelder überlagernder magnetischer Gleichfelder.

24. Magnetische Substanzen aufweisende Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fraktion magnetischer Teilchen im Nano- und/oder Mikrometerbereich enthält, die mit einem imhomogenen magnetischen Wechselfeld gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 13 aus einer magnetische Teilchen enthaltenden Dispersion abgetrennt wurden.

25. Verbindung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferro- oder ferrimagnetische Substanzen enthält.

26. Verbindung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die ferro- oder ferrimagnetischen Substanzen reine oder substituierte Eisengruppenmetalle, Eisenoxide, Ferrite, Chromdioxid oder Eisengruppenmetallverbindungen sind.

27. Verbindung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie paramagnetische Substanzen enthält.

28. Verbindung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Teilchen in Tenside, Aminosäuren, Lipide, Nukleotide, Kohlenhydrate, natürliche oder synthetische Derivate, Aktivkohlen, Siliciumverbindungen und/oder Edelmetalle eingebettet sind.

29. Verbindung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie magnetische Nano- und/oder Mikrometerteilchen und strukturspezifische Substanzen enthält.

30. Verbindung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturspezifischen Substanzen Antikörper, Antikörperfragmente, spezifisch an Rezeptoren bindende Agonisten, wie Zytokine, Lymphokine, Endotheline oder deren Antagonisten, sonstige spezifische Peptide oder Proteine, Rezeptoren, Enzyme, Enzymsubstrate, Nukleotide, Ribonukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäuren, Kohlenhydrato oder Lipoproteine sind.

31. Verbindung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturspezifischen Substanzen eine Bindungskonstante im Bereich von 10⁵-10¹⁵ l/mol besitzen.

32. Verbindung nach Anspruch 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Magnetrelaxometrie, Magnetresonanzbildgebung, Energieabsorption, Hyperthermie, Bioseparation und Bindungsassays verwendet wird.

33. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine pharmazeutische Zubereitung verwendet wird.