CN101432077A - 离心式分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分离流体成分的离心机所使用的系统，及用于该系统的包含容器(23，29，31，39，43)和管道(53，57，65)的装置(21)。流体在离心过滤过程中，通过容器中的活塞(27，33，35，47)从一个容器转移到另一个容器。活塞质量除以各活塞所处的容器的横截面积所得的比率根据各活塞(27，33，35，47)而各不相同。在离心分离过程中，流体可从活塞与横截面积的比率较高的容器转移到活塞与横截面积的比率较低的容器。

Description

离心式分离系统

【技术领域】

本发明涉及一种如独立权利要求的前序所提到的各种型号的系统和装置，其用于实现流体中不同密度成分的分离。

【背景技术】

一些流体，尤其是生物体液比如说血液，包含大量的珍贵的和/或医用的成分。人们致力于寻找可以有效的分离并收集这些相对高纯度的珍贵/有用的成分。其中一个分离样本血液成分的方式在美国专利6733433中被揭示。该专利描述了一种生物体液的离心系统，其中样本被置于一个带有可轴向移动活塞的可变容积的圆柱容器中。圆柱容器绕着其纵向轴快速旋转，从而导致体液中的各成分分离到同心环的各个部分，其中密度高的成分接近容器的圆周而密度底的成分在容器的中心。压缩空气将活塞推向容器顶部，从而不同的成分轮流从容器顶端的中心孔排出。中心开口通过一个旋转密封装置与各不同成分所导向的阀门、管道和收集袋系统相连。位于管道顶端中心开口的感光元件测量管道上的吸光率，光辐射测探器所得的信号的变化被控制装置使用，从而决定不同的流体成分何时通过感光元件，并控制阀门从而流体成分被引入正确的收集袋。

【发明内容】

依据本发明，系统和装置被用于将流体，尤其是生物体液，借助于具有权利要求1的特征部分所述特点的系统，及具有权利要求6的特征部分所述特点的装置，被分离为各个成分。

【附图简要说明】

图1是依据本发明的离心机第一个实施例原理的俯视图。

图2是依据本发明，用于分离和收集生物体液各成分的一次性装置的第一个实施例的原理图，其位于离心室中。

图3--图9显示了使用图2中的一次性装置分离和收集血液成分方法的实施例步骤。

【具体实施方式】

图1显示了依据本发明的离心机1原理的俯视图，其中对于本领域的专业人员所熟知的特点不再描述。离心机有一个主体3，其支撑中心旋转轴，其中，大量的离心室支臂7，在本例中为4个，被连接到旋转轴上。各支臂支撑其各自的离心室9。成像装置11，比如说是一个照相机13和一个高速的照相闪光灯15被用于，当离心室绕着中心轴5旋转时，对离心室9的部分运作轨迹进行拍摄，且各离心室9都有透明的管壁或是窗17，朝向成像装置11方向。离心机1由例如微处理器或者电脑的控制装置19控制，它控制离心机的转动速度，并控制将在下面叙述的闪光灯15和阀门，以及对成像装置11传输来的图像进行控制和处理。闪光灯15被监控，从而其可在通过照相机13视角区域中相同位置的时候，照亮各个离心室，从而达到各离心室图像的伪稳态或者静止状态。控制装置19和离心机1、阀门、成像装置11及闪光灯15等之间的连接可以使有线的及/或无线的连接，比如通过红外线或者无线电通信。

图2显示了离心室9和用于分离和收集生物体液各成分的容器及管线装置21。装置21包括：一个生物体液接收容器23，用于接收即将分离的生物体液。所述容器23具有一个圆筒壁25和横截面积AF的内孔，其中容纳有一个质量MF的可移动活塞27，活塞27密封接合所述的圆筒壁25，活塞27与容器23的基底55之间的内孔容积形成一个生物体液接收腔28；一个第一分离流分接收容器29，用于接收分离的流体成分，所述容器29优选应用可变容积的伸缩袋或者伸缩筒的形式；一个可选的分离流分清洁圆筒31包含一个圆筒壁33和横截面积AS的内孔，其中容纳一个质量MS的可移动活塞35，活塞35密封接合所述的圆筒壁，活塞35和容器31的基底32之间的内孔容积形成一个腔34，其具有足够大的容积以接收分离成分和洗涤液；一个可选的容纳洗涤液容器37包含一个圆筒壁39和横截面积AB的内孔，其包含一个质量MB的可移动活塞41，活塞41密封接合所述的圆筒壁39，活塞41与容器37的基底38之间的内孔容积形成一个腔40，用于容纳洗涤液，第一容纳添加剂的容器43包含一个圆筒壁45和横截面积AA的内孔，其包含一个质量MA的可移动活塞47，活塞47密封接合所述的圆筒壁，活塞47和容器43的基底44之间的内孔容积形成一个腔48，用于容纳添加剂；及第二分离流分接收容器49。可选的，第二容纳添加剂的容器51可包括在装置里，从而添加剂离开第一容纳添加剂的容器43，通过位于或是靠近其一端的开口50进入第二容纳添加剂的容器51而与其中的物质相混合，可选择地通过使用搅拌器52协助混合，而混合的添加剂通过一个位于或者靠近容器相反一端的开口54离开第二容纳添加剂的容器。

装置21进一步包含一第一管道53，优选柔性软管，其连接第一容纳添加剂的容器43的基底44，(如果配备的话，也可通过第二容纳添加剂的容器51)到流体接收容器23的基底55，第二管道57，优选柔性软管，其从通道59经活塞27连接到T型接头的支柱，T型接头通过第一支臂和第三管道63，优选柔性软管，连接到第二分离流分接收容器49并通过第二支臂和第四管道65，优选柔性软管连接到分离流分接收容器29。如果提出可选的分离流分清洁圆筒31和可选的容纳洗涤剂圆筒37，则其相应的基底32、38，分别相应地连接到管道口65及相应的管道口69。

离心室9包含一个腔71，其具有预形成的低气压区73，用以在合适的位置接收和保持装置21于腔71中，装置21在腔71中处于预定方位，在该方位容器23，31，37，43的基底较他们的相反端要远离离心机的旋转轴心。第一遥控阀门75被设置允许或禁止流体经软管53流过。第二遥控阀门77被设置允许或禁止流体经软管57流过。第三遥控阀门79被设置允许或禁止流体经软管63流过。第四遥控阀门81被设置允许或禁止流体经软管65流过。第五遥控阀门83被设置允许或禁止流体经短管67流过。第六遥控阀门85被设置允许或禁止流体经通道口69流过。

为了使得大量的生物体液能比较方便的导入生物体液接收容器23，一个优选具有密封吸入口89的吸入管线87可提供于装置21的各个合适的位置，比如在阀门75和生物体液接收容器23之间，或在阀门77和生物体液接收容器23之间。

图3-图9显示了依据本发明的从一个生物体液的样本分离预定成分的方法的实施例，其中使用密度梯度介质91作为添加剂而用洗涤剂93来洗涤预定成分。在这个例子中，生物体液是血液95，同时选用密度高于单核苷酸细胞密度而低于血液中血红细胞的密度的密度梯度介质。第一和第二添加剂容器43，51被填满密度梯度介质91，而容纳洗涤剂的容器37被填满洗涤剂93。图三显示了将血液样本95通过吸入口89和吸入管线87填入生物体液接收容器23的步骤。这是通过将活塞27置入容器23基底，关闭阀门75和77并经吸入口89将血液样本95注入吸入管线87来实现。关闭的阀门75和77防止血液样本进入管线53和57，其导致在血液样本95导入时，活塞27被从容器23的基底推出。血液样本95注入容器23的过程在装置21在离心室9时或更优选地，在置入离心室9之前发生。

一旦血液样本95被导入而且装置21被置入离心室9(假如此前它还未被置入的情况下)，装置21的离心过程就开始执行。控制装置控制旋转轴在一个预期的速度下旋转，接着密度梯度介质91被加入样本95。这是通过打开阀门75实现的。不需要使用泵来将密度梯度介质91从添加剂容器43转移到容器23，这是因为可移动活塞47的面积除以容器43的横截面积的比率要大于活塞27的面积除以容器23的横截面积的比率，从而导致容器间的压力不同，使得密度梯度介质91被压入容器23。密度梯度介质流持续流动直到容器间压力相等或者阀门75关闭。在密度梯度介质停止流动后，离心机继续运作，血液样本的各成分及密度介质转移到容器23的各个层，其根据各成分的密度分层且形成一个明显的层，如图4所示。在这个例子中，血液样本95被分离成致密的血红细胞层101，而在它的上方是一层密度梯度介质91。单核苷酸层103位于密度梯度介质层91之上，而密度更低的血浆层105位于单核苷酸层103之上。

控制装置19可包含图像处理软件，通过处理从成像装置11传来的图像信号，其可以确定什么时候各成分已被分离成为充分稳定的层。一旦充分稳定层被确定(或者在从离心机开始运作后的一个预定的时间内)，控制装置19控制阀门77和79打开。这样使得活塞27在压力Acc的作用下朝着容器23基底的方向移动，该压力Acc是由离心室9的旋转产生，从而导致容器23中的流体靠近活塞27，血浆105，通过通道59离开容器23。血浆105沿着软管57，经过阀门77，顺着软管63进入第二分离流分接收容器49。一旦所有的血浆105都离开了容器23，单核苷酸细胞103开始通过通道59离开容器23，如图5所示。

控制装置19优选地包含软件，其可通过测量活塞27的位移速度并使用已知的管道57每单位长度的容积来计算血浆通过管道57的流速。其可以计算什么时候最后的血浆105和最先的单核苷酸细胞103到达T接头61，并可在同一时间控制阀门79关闭及阀门83的打开(或且在这个时刻之前较短时间内打开阀门，以保证单核苷酸细胞103的最大流出量，从而避免部分单核苷酸细胞103进入管道63的风险)。

在基于本发明的方法的该实施例中，其需要在将单核苷酸细胞收集到分离流分接收容器29之前清洗单核苷酸细胞103，从而一旦阀门70关闭，阀门81维持关闭状态而阀门83打开。这使得单核苷酸细胞103通过管道65和短管67流入分离流分接收容器31，如图6所示。由于活塞面积除以容器31的横截面积的比率小于容器23，该流动不需要泵的协助。控制装置19优选地包含软件，其可通过测量活塞27的位移速度并使用已知的管道57每单位长度的容积来计算密度梯度介质91通过管道57的流速。其可计算最后的单核苷酸细胞103和最先的密度梯度介质91到达短管67的时间，并可在同一时间关闭阀门77并关闭阀门83(或在该时刻之前的较短时间内)，以防止密度梯度介质91流入短管67进入分离流分清洁容器31。

通过打开第五个遥控阀门83和第六个遥控阀门85，单核苷酸细胞103可在分离流分清洁容器31中被清洗。由于可移动活塞41的质量除以容器37的横截面积的比率大于活塞35的质量除以容器31的横截面积的比率，从而在容器31，37间形成了一个压力差，其将洗涤剂93从容器37压入容器31，直到压力平衡。洗涤剂93优选具有一个比单核苷酸血液细胞103低的比重。进入容器31的洗涤剂93流从容器31的基底32举起单核苷酸细胞103，而且如果进入的洗涤剂93流的速度足够快，它们在距离基底32一段距离处悬浮在洗涤剂93流中。如图7所示，在洗涤剂93流经单核苷酸细胞层时，它们仍保持悬浮状态，从而在一个称为“淘析(Elutriation)”的过程中对其进行清洗。在一个预定的时间或者一定量的洗涤剂93进入容器31或者一旦活塞35到达一个预定的位置后，阀门83和85关闭。这样使得单核苷酸细胞103在容器31的基底处被收集，如图8所示。

单核苷酸细胞103可通过开口阀门81和83转移到第一分离流分接收容器29。其允许释放的压力通过活塞35作用到容器31的内含物上以推动单核苷酸细胞103经短管67和管道65通过阀门81和83进入到第一分离流分接收容器29，如图9所示。

控制装置19优选的包含软件，其可通过测量活塞35的位移速度并使用已知的管道65和67的每单位长度的容积来计算单核苷酸细胞103通过管道65和67的流速。其可计算最后的单核苷酸细胞103和最先的洗涤剂93到达阀门81的时间，且可关闭阀门81并在同一时间关闭阀门83(或在该时刻之前的较短时间内)，以避免洗涤剂93从阀门81流出并进入分离流分清洁容器29。接着，离心机可停止且装置21从离心室9移除做进一步处理。

在依据本发明的第二个实施例方法中，其需要在未清洗的情况下收集单核苷酸细胞103。第二个实施例的方法与依据本发明的第一个实施例的方法相同(除非容纳洗涤剂容器37中不再需要洗涤剂)，其取决于当血浆容纳在第二成分容器49且阀门79关闭的时候。一旦阀门79关闭，依据本发明的第二个实施例的方法，阀门81打开且单核苷酸细胞103经管道65流入第一分离流分接收容器29，其取决于活塞作用在容器23内含物上的压力。一旦所有的单核苷酸细胞103都离开了容器23，密度梯度介质91开始经过通道59离开容器23。控制装置19优选地包含软件，其可通过测量活塞27的位移速度并使用已知的管道57的每单位长度的容积来计算密度梯度介质91通过管道57的流速。其可计算最后的单核苷酸细胞103和最先的密度梯度介质91到达阀门81的时间，且在同一时间关闭阀门81(或在该时刻之前较短时间内)，以防止密度梯度介质91流经阀门81进入第一分离流分清洁容器29。接着，离心机可停止且装置21从离心室9移除做进一步处理。

在上述的本发明实施例中，仅使用了一种类型的密度梯度介质并且其在密度大于密度梯度介质的生物样本成分和密度小于密度梯度介质的成分之间形成一层。通常需要将生物体液分离成多于两种元素(分离成两种元素仅需一层密度梯度介质)，因此需要使用不止一种密度梯度介质。其可优选的通过混合实现，在不同的比例下两种密度梯度介质具有不同的密度-密度高的具有原始密度A而密度低的具有密度B-既可形成密度梯度介质的充分连续梯度(其密度从A变化到B)又可以通过将原始的密度梯度介质混合到预定比例(例如，10％A与90％B，或50％A与50％B，等等)，从而实现许多中间密度的密度梯度介质，其密度在原始高密度梯度介质A和原始低密度梯度介质B之间。

在依据本发明的第三个实施例方法中，需要使用密度梯度介质的连续梯度。该方法与之前本发明的第一和第二个实施例中通过第一密度梯度介质，优选第一添加剂容器43中密度最高的密度梯度介质A，和第二添加剂容器51中第二密度最低的密度梯度介质启动的方法不同。密度梯度介质的梯度通过启动搅拌器52并打开阀门73实现。打开阀门73使得密度梯度介质A从第一添加剂容器43流入第二添加剂容器51，其中其通过搅拌器52与密度梯度介质B混合，以形成一种带有A和B之间中间密度的密度梯度介质。由于中间密度梯度介质离开第二添加剂容器51流入生物体液接收容器23，密度梯度介质A除以第二添加剂容器51中的密度梯度介质B的比率同样也增大。这导致大密度梯度的产生。中间密度梯度介质被引入生物体液接收容器23。一旦所需量的密度梯度介质被引入生物体液接收容器23，则搅拌器52停滞且阀门75关闭。该方法与前述的方法有点类似，其主要的区别是如果标准密度梯度介质被注入则生物体液的目标成分被分离成多个层，其中密度梯度介质层将其分隔。

以上所述的实施例，其目的是描述本发明而非限制所述权利要求中所述的权利保护范围。

Claims (10)

1.一种用于将流体处理和分离成各成分的系统，包括：

流体接收容器(23)，用于接收分离的流体，所述流体接收容器(23)具有圆筒壁(25)和横截面积为AF的内孔；

第一分离流分接收容器，用于接收分离的流体成分；

第一容纳添加剂的容器(43)，用于储存添加剂溶液，所述第一容纳添加剂的容器(43)具有圆筒壁(45)和横截面积为AA的内孔；

离心机(1)，包含至少一个离心室(9)用于接收和容纳所述容器(23，43)，它们的纵向轴均指向所述离心机(1)的旋转轴心；

管道(53)及阀门(75)，用以在所述流体接收容器(23)和所述至少一个容纳添加剂的容器(43)之间建立选择性联通；

管道(57，65)和至少一个阀门(77，81)，用于在所述流体接收容器(23)和所述至少一个分离流分接收容器(29)之间建立选择性联通；

成像装置(11)，用于在所述系统运作时成像及产生一个代表所述容器成像的信号；

控制装置(19)，可用于接收及分析所述信号并进一步控制所述离心机(1)及所述阀门(75，77，81)的运作，以控制所述系统中的流体的流量；

其中所述流体接收容器(23)具有质量为MF的可移动活塞密封接合于所述圆筒壁(25)，所述活塞(27)具有一贯穿通道(59)连接于具有管道(57，65)和所述至少一个阀门(77、81)的流体接收容器(23)的一流体接收腔(28)，以建立所述流体接收容器(23)和所述至少一个分离流分接收容器(29)之间的选择性联通；及

所述第一容纳添加剂的容器(43)具有质量为MA的可移动活塞(47)，该活塞与所述的圆筒壁(45)密封接合，

其中第一容纳添加剂的容器(43)中的活塞质量MA除以内孔的横截面积AA的比率，大于流体接收容器(23)中的活塞质量MF除以内孔横截面积AF的比率。

2.依据权利要求1的系统，其特征在于，其具有至少一个进一步的容纳添加剂的容器(51)，它设置于所述第一容纳添加剂的容器(43)和所述流体接收容器(23)之间的流体通道中。

3.依据权利要求2的系统，其特征在于，至少一个所述容纳添加剂的容器(51)中的至少一个容器带有一个搅拌装置(52)。

4.依据以上任一权利要求的系统，其特征在于，其包含了第二分离流分接收容器(49)，它选择性的连接到流体接收腔(28)。

5.依据以上任一权利要求的系统，其特征在于，其具有一分离流分清洁容器(31)，该容器含有一圆筒壁(33)和横截面积为AS的内孔，其中容纳有质量为MS的可移动活塞(35)密封相连于所述圆筒壁，活塞(35)与容器(31)基底(32)之间的内孔容积形成了一个腔(34)，容纳洗涤液的容器(37)具有一圆筒壁(39)及横截面积为AB的内孔，其中容纳有一个质量为MB可移动的活塞(41)密封接合于所述圆筒壁(39)，活塞(41)与容器(37)基底(38)之间的内孔容积形成了一个腔(40)，其中所述容纳洗涤液的容器(37)中的活塞质量MB除以内孔的横截面积AB的比率，大于分离流分清洁容器(31)中的活塞质量MS除以内孔的横截面积AS的比率；

而且所述流体接收容器(23)中的活塞质量MF除以内孔的横截面积AF的比率，大于分离流分清洁容器(31)中的活塞质量MS除以内孔的横截面积AS的比率。

6.一种收集各流体成分的装置(21)，包括一流体接收容器(23)，用于接收将要分离的流体，所述流体接收容器(23)包含一圆筒壁(25)和一横截面积为AF的内孔；

第一分离流分接收容器(29)，用于接收分离的流体成分；

管道(53)及阀门(75)，用于在所述流体接收容器(23)及所述至少一个容纳添加剂的容器(43)之间建立选择性联通；

管道(57，65)和至少一个阀门(75、81)，用于在所述流体接收容器(23)和所述至少一个分离流分接收容器(29)之间建立选择性联通；

其中所述流体接收容器(23)具有一质量为MF的可移动活塞(27)密封接合于所述圆筒壁(25)，所述活塞(27)包含一贯穿通道(59)，它连接于具有管道(57，65)和所述至少一个阀门(77，81)的所述流体接收容器(23)的流体接收腔(28)，用于在所述流体接收容器(23)和所述至少一个分离流分接收容器(29)之间建立选择性联通；并且

所述第一容纳添加剂的容器(43)包含一质量为MA的可移动活塞(47)密封接合于所述圆筒壁(45)，其中第一容纳添加剂的容器(43)中的活塞质量MA除以内孔的横截面积AA的比率，大于流体接收容器(23)中的活塞质量MF除以内孔的横截面积AF的比率。

7.依据权利要求6的装置，其特征在于，其具有至少一个进一步的容纳添加剂的容器(51)，它是设置于所述第一容纳添加剂的容器(43)和所述流体接收容器(23)之间的流体通道中。

8.依据权利要求6或7的装置，其特征在于，至少一个所述容纳添加剂的容器(51)中的至少一个容器具有一个搅拌装置(52)。

9.依据权利要求6-8中任一项的装置，其特征在于，其包含第二分离流分接收容器(49)，它是选择性的连接到流体接收腔(28)。

10.依据权利要求6-9中任一项的装置，其特征在于，其包含一个具有圆筒壁(33)和横截面积为AS的内孔的分离流分清洁容器(31)，内孔中容纳有一质量为MS的可移动活塞(35)密封接合于所述圆筒壁，活塞(35)和容器(31)的基底(32)之间的内孔容积形成了一个腔(34)，而容纳洗涤液的容器(37)具有一个圆筒壁(39)，横截面积AB的内孔包含一质量为MB可移动的活塞(41)密封接合于所述圆筒壁(39)，活塞(41)与容器(37)基底(38)之间的内孔容积形成了一个腔(40)，其中所述容纳洗涤液的容器(37)中的活塞质量MB除以内孔的横截面积AB的比率，大于分离流分清洁容器(31)中的活塞质量MS除以内孔的横截面积AS的比率；

而且所述流体接收容器(23)中的活塞质量MF除以内孔的横截面积AF的比率，大于分离流分清洁容器(31)中的活塞质量MS除以内孔的横截面积AS的比率。

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