具有一次性流体路径的液体到液体生物粒子浓缩器的制造方法

文档序号:9332496阅读:503来源:国知局
具有一次性流体路径的液体到液体生物粒子浓缩器的制造方法
【专利说明】
[0001] 该专利申请是于2013年11月19日提交的美国专利申请序列号14/084,385的 部分继续申请;并且该专利申请要求于2013年2月26日提交的美国临时专利申请序列号 61/769, 672的优先权,其内容在此通过本文的引用以其整体被并入本公开。
技术领域
[0002] 主题公开总体涉及样品制备的领域。更具体地,主题公开涉及一种粒子的自动化 浓缩的方法和装置用于增强随后分析方法的灵敏度。
【背景技术】
[0003] 检测和定量液体中的稀释材料的困难是众所周知的。随着分析物浓度降低,现有 的系统全部开始失灵,最终导致在非常低的浓度下检测不到分析物。这对国家安全构成了 重大问题,例如2001年的邮政炭疽袭击和随后的反恐战争已经揭示了在生物威胁的取样 和检测方面的不足之处。与环境科学一样,现有的检测极限类似地影响医学领域。
[0004] 对溶液中的粒子进行定量的现有分析系统的检测极限不会使它们不适合用于对 落在这些极限以下的分析物或粒子进行研究。而是,需要在分析前对粒子进行浓缩的方法。
[0005] 通常使用离心分离进行液体中的粒子浓缩。根据混合物中出现的单个成分的密度 差异,将离心力用于混合物的分离。这种力分离混合物,在管的底部形成相对致密的材料的 小球。然后可以将被称为上清液或上层液体的剩余溶液在不扰动小球的情况下小心地从管 中倒出或使用巴斯德移液器取出。离心分离的速率由对样品施加的加速度规定,且通常以 每分钟转数(RPM)或重力进行测量。离心分离中的粒子沉降速度是粒子尺寸和形状、离心 加速度、存在的固体的体积分数、粒子与液体之间的密度差和液体粘度的函数。
[0006] 离心分离技术所具有的问题限制它的适用性。微米尺寸范围的粒子的沉降速度非 常低,因此这些粒子的离心浓缩需要几分钟至几小时。实际的时间根据样品的体积、所用的 设备和操作员的技术而变化。离心分离的性质和用以进行离心分离的装置的性质需要熟练 的操作员,由此使得难以自动化和集成到其它系统中。
[0007] 离心分离技术是冗长的,因为其通常由多个步骤组成,所述多个步骤各自需要来 自操作员的高度专注。在大多数微生物学实验室中,每天通过离心分离处理大量的样品是 很常见的。由于该冗长的性质而导致人为错误的可能性是高的;且如前所述,这些技术的自 动化是困难和昂贵的。
[0008] 已经探索了其它的浓缩技术且其主要落在三个技术类别内-微流体/电泳类、过 滤类和捕获类。这些技术各自具有优缺点。
[0009] 传统的平面过滤方法用于从液体中将粒子捕获在通常由滤网或多孔衬底支撑的 平面过滤器上。存在许多不同的过滤方法,但目的都在于实现两种以上物质的分离。这通 过要被去除的物质或物体与过滤器之间的某种形式的相互作用而实现。通过过滤器的物质 必须是流体,即液体或气体。最简单的过滤方法为使固体和流体的溶液通过多孔的界面,使 得固体被捕获而液体通过。该原理依赖于在流体中含有的粒子之间的尺寸差异,所述粒子 组成所述固体。在实验室中,如果经常做的话,这使用具有用作多孔隔板的滤纸的布氏漏斗 来完成。
[0010] 物理阻挡过滤方法的一个缺点在于,被从流体中滤出的物质将会随时间阻塞穿过 过滤器的通道。流过过滤器的阻力随着时间变得越来越大,就好像例如吸尘器袋。因此,已 经开发了方法以防止这种现象发生。这些方法大多数涉及更换过滤器;然而,如果需要将过 滤器用于连续过程,则这种更换的需要是很成问题的。可能会使用刮擦和原位清洁机制,但 这些是不必要地复杂和昂贵的。
[0011] 在一个实施例中,通过如下可以将细菌从水中去除:使它们通过支撑在布氏漏斗 中的过滤器以在平面过滤器上捕获细菌。也可以以相同方式捕获含有生物材料的气溶胶粒 子。为了分析,通常将捕获的材料再悬浮在已知体积的液体中。这允许反向计算原始气溶 胶浓度。由埃奇伍德化学生物中心验证的一种方法使用47mm的玻璃纤维过滤器来捕获参 比样品用于生物分析。通过如下提取细菌:将所述过滤器浸泡在20mL的缓冲盐水溶液中过 夜,然后涡旋3分钟以将过滤器材料完全瓦解。然后提供的这些悬浮液的子样品或等份试 验以用于通过存活培养、PCR或其它方法进行分析。
[0012] 存在用于浓缩生物微粒物的其它技术。圣地亚国家实验室、麻省理工学院和其他 组织已经开发了通过介电泳或电泳分离和浓缩粒子的微流体装置。这些单元使用微通道和 电场来移动或收集粒子。圣地亚还开发了在两种不相溶的液体之间的界面处浓缩粒子的系 统。免疫磁性粒子可商购用于细菌的分离和浓缩。
[0013] 存在用于在检测前浓缩液体中的有机体的各种方法。历史上,最常用的方法是在 营养液体培养基中使样品富集,然后在琼脂板上培养液体培养基的一小份。这种方法的最 大缺点是时间需求。在能够在板上计数有机体之前,其通常需要五至七天。其它浓缩方法 包括各种过滤类方法、吸附-洗脱、免疫捕获、絮凝和离心分离。成问题的是:迄今还没有开 发出能够将大体积的水快速浓缩成非常小的样品体积并高效地完成这一任务的方法。实际 上,这些方法大多数在这些领域中的每一个中都是失败的,最显著的是浓缩效率和易用性。 已经使用中空纤维超滤进行了大量研究以从大体积的水中浓缩细菌、病毒和原生动物。所 述方法大多数都不是自动化的。
[0014] 通常,这些系统能够将IOL~100L的水浓缩成IOOmL~500mL的浓缩的样品;然 而,问题进一步在于,所展示的技术都不提供浓缩成小于IOOmL体积。当浓缩器系统与下游 检测器械联接时,即便这一体积也远大于最好的可能检测所期望的体积。这意味着需要昂 贵且耗时的第二人工浓缩步骤以使最终样品达到期望的体积。
[0015] 尽管上述替代浓缩系统是自动化的,但相对于用于许多实验室的传统离心分离并 未提供显著的优点,所述实验室包括微生物学、生物技术和临床生物学实验室。这些实验室 需要高度确信不会发生样品到样品的污染。所述替代自动化浓缩系统具有大量流体,样品 会暴露于所述流体,且在许多情况下,最好的是以高的代价更换样品之间的这些流体管线, 而最坏的是不能更换样品之间的这些流体管线。
[0016] 将感兴趣的粒子或标记从一个样品携带到另一个的可能性和在系统流体内生长 细菌的可能性显著地限制它们对临床实验室的适用性。通常,微生物和生物技术实验室已 经在几乎全部工作中都采用了使用一次性部件。
[0017] 能够从相对大体积的液体中浓缩生物材料的具有一次性液路的浓缩系统将会对 临床诊断以及微生物学和生物技术实验室具有显著的适应性。吸附柱是如今在这些实验室 中得到广泛使用的相对新的装置,其含有超滤器或微过滤器型膜过滤器且能够被放置到离 心机中或在某些情况下使用正压来驱动流体通过。
[0018] 这些离心机吸附柱克服了与其它浓缩系统相关的污染问题且还克服了与使用离 心分离来浓缩生物材料相关的许多问题;然而,吸附柱由于其复杂性而是昂贵的,且在操作 期间仍需要显著的人工操作和移液。其所用仍需要相当高的技术水平。

【发明内容】

[0019] 通过提供具有被封装在一次性末端中的样品流体管线和过滤器的高效的基于过 滤的浓缩系统,本公开解决了概述的问题并推进本领域。一次性末端附接到仪器所借助的 所有导管被组合到末端的上端上的单个连接点中。进一步地,在末端的下端处的渐缩的末 端使得能够与预过滤器和/或附加的管连接。为了操作系统,新的干净的末端被附接到浓 缩器单元,并且下开口浸蘸到被包含在适当的样品容器中的液体样品中并且单元被激活。 样品然后被吸入末端中,在末端中样品与过滤器接触。在大于过滤器孔隙尺寸的粒子和分 子被捕获和保留的同时液体穿过。当全部样品已经被处理时,末端的下开口被放到适当的 样品容器中并且使用洗脱流体或泡沫洗脱捕获的材料并且将其以减小的体积分送。
[0020] 在分送浓缩的样品之前,也能够通过将小体积的液体推入或吸入到纤维腔中、将 其通过过滤器壁抽出或在将其抽出之前将其留在纤维腔中一段时间来执行洗涤步骤、标记 步骤、细胞溶解或其它操作。
[0021] 在一个示例性实施例中,本主题公开是一种装置,包括:被包围在外壳内的过滤 器,所述外壳包括用于抽吸位于所述外壳的底端处的流体样品的开口和位于所述外壳的顶 端处的洗脱端口,所述过滤器在竖直取向上被定位,并且所述过滤器从所述顶端到所述底 端跨越所述外壳的长度,其中在所述流体样品中的多个粒子被从所述过滤器的滞留物表面 洗脱,并通过所述开口以减小的流体体积被分送。装置进一步包括连接部分,该连接部分用 于将洗脱端口连接到浓缩单元。
[0022] 在另一个示例性实施例中,本主题公开是一种装置,包括:外壳的第一半部,所述 外壳的所述第一半部被联接到第一过滤器,所述第一过滤器竖直取向并跨越所述外壳的所 述第一半部的长度;和外壳的第二半部,所述外壳的所述第二半部被联接到第二过滤器,所 述第二过滤器竖直取向并跨越所述外壳的所述第二半部的长度,其中所述外壳的所述第一 半部和所述第二半部被夹在一起,以形成浓缩移液器末端,并且在所述流体样品中的多个 粒子被从所述第一过滤器和所述第二过滤器的滞留物表面洗脱,并通过与外壳的底端邻近 定位的开口以减小的流体体积被分送。
[0023] 在又另一个不例性实施例中,本主题公开是一种装置,包括:外壳、被包围在外壳 内的过滤器、开口、洗脱端口和渗透物抽取部,过滤器竖直取向并且跨越外壳的长度,开口 被与外壳的底端邻近地定位用于抽吸流体样品,洗脱端口被与外壳的顶端邻近地定位用于 接收洗脱流体,渗透物抽取部被与外壳的顶端邻近地定位,渗透物抽取部用于将外壳联接 到真空源联接,其中流体样品中的多个粒子被从过滤器的滞留物表面切向洗脱并通过所述 开口被分送。
【附图说明】
[0024] 图IA和IB示出根据本主题公开的示例性实施例的浓缩移液器末端(CPT)。
[0025] 图2A和2B示出根据本主题公开的示例性实施例的不允许空气穿过的用于中空纤 维过滤器的类似构造。
[0026] 图3示出根据本主题公开的示例性实施例的用于浓缩移液器末端(CPT)与浓缩器 单元的连接的替代构造。
[0027] 图4示出根据本主题公开的示例性实施例的包括用于与浓缩单元连接的环形构 造的CPT。
[0028] 图5示出根据本主题公开的示例性实施例的具有针式连接器的CPT。
[0029] 图6示出根据本主题公开的示例性实施例的包括主要的公连接器的CPT。
[0030] 图7示出根据本主题公开的示例性实施例的包括主要的公连接器的CPT。
[0031] 图8示出根据本主题公开的示例性实施例的包括主要的公连接器的CPT。
[0032] 图9-11示出根据本主题公开的示例性实施例的用于CPT的一种构造。
[0033] 图12示出根据本主题公开的示例性实施例的用于CPT的另一个可能的构造。
[0034] 图13示出根据本主题公开的示例性实施例的用于具有平面的多孔表面的CPT的 构造,平面的多孔表面将末端划分成上部和下部,其中开口在下端处,连接器在上端处。
[0035] 图14A-C示出根据本主题公开的示例性实施例的用于CPT的另一个构造。
[0036] 图15示出根据本主题公开的示例性实施例的通过CPT聚集样品的浓缩单元。
[0037] 图16示出根据本主题公开的示例性实施例的使用具有CPT的浓缩单元的方法。
[0038] 图17A和17B示出根据本主题公开的示例性实施例的用于CPT的替代的构造。
[0039] 图18A和18B示出根据本主题公开的示例性实施例的用于通过CPT聚集样品的另 一个浓缩单元。
[0040] 图19示出根据本主题公开的示例性实施例的用于通过CPT聚集样品的系统。
[0041] 图20示出根据本主题公开的示例性实施例的具有平面过滤器的CPT的外视图。
[0042] 图21示出根据本主题公开的示例性实施例的具有平面过滤器的CP
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