Application of a Halbach magnetic array for long-range cell and particle separations in biological samples

哈尔巴赫阵列 磁铁 磁选 生物磁学 材料科学 平面阵列 磁性纳米粒子 核磁共振 磁场 物理 纳米技术 光学 纳米颗粒 量子力学 冶金
作者
Joo H. Kang,Harry Driscoll,Michael Super,Donald E. Ingber
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:108 (21) 被引量:22
标识
DOI:10.1063/1.4952612
摘要

Here, we describe a versatile application of a planar Halbach permanent magnet array for an efficient long-range magnetic separation of living cells and microparticles over distances up to 30 mm. A Halbach array was constructed from rectangular bar magnets using 3D-printed holders and compared to a conventional alternating array of identical magnets. We theoretically predicted the superiority of the Halbach array for a long-range magnetic separation and then experimentally validated that the Halbach configuration outperforms the alternating array for isolating magnetic microparticles or microparticle-bound bacterial cells at longer distances. Magnetophoretic velocities (ymag) of magnetic particles (7.9 μm diameter) induced by the Halbach array in a microfluidic device were significantly higher and extended over a larger area than those induced by the alternating magnet array (ymag = 178 versus 0 μm/s at 10 mm, respectively). When applied to 50 ml tubes (∼30 mm diameter), the Halbach array removed >95% of Staphylococcus aureus bacterial cells bound with 1 μm magnetic particles compared to ∼70% removed using the alternating array. In addition, the Halbach array enabled manipulation of 1 μm magnetic beads in a deep 96-well plate for ELISA applications, which was not possible with the conventional magnet arrays. Our analysis demonstrates the utility of the Halbach array for the future design of devices for high-throughput magnetic separations of cells, molecules, and toxins.
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