CN101952546A - 用于监测流经流体输导和容纳系统的流动的组合物和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于流体输导和容纳系统的潜在的可检测的示踪剂，其中所述示踪剂和生物大分子之间的相互作用产生可检测信号。更具体地，本发明涉及用于监测流经这类系统的流动的潜在的可检测的示踪剂，使用所述示踪剂监测流体流动的方法，以及用于监测这类系统中的流体流动的试剂盒，其包含所述示踪剂。
Description
本发明涉及用于流体输导和容纳系统的潜在地可检测的示踪剂。更具体地，本发明涉及用于监测流经所述系统的流动的潜在地可检测的示踪剂，使用所述示踪剂监测所述流体流动的方法，以及用于在所述系统中监测所述流体流动的试剂盒，该试剂盒包含所述示踪剂。
流体输导和容纳系统易于因组件的损坏而导致效率低下和生产率损失。例如，油气操控器每天因腐蚀、水垢和水合物累积以及微生物生长而可能损失几百万桶油的生产。所述系统包括，例如，油库和气库、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及天然和人造水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。
保持设备、管道和其他基础设施的良好运作是根本上确保最大生产和效率的最有效途径。对这些系统的流体输导和容纳部分必须进行连续监测，因为许多因素例如管道腐蚀和微生物生长、水垢、水合物、沥青质和蜡的累积都可降低流动效率。监测天然水系统对于例如提供关于不同来源的水的流动的信息、评估某些过程的的环境影响以及收集关于水流的信息也很重要。可检测部分(moiety)可用于监测系统中流体流动的效率和流体的具体组分。应用包括但不限于勘测泄漏、流速以及来自不同系统的流体如何混合。
化学介入的频率是关键的成本因素。尽管化学介入适当，也依然遭受许多损失，例如，油气操控器每天因腐蚀、水垢和水合物累积以及微生物生长而可能损失几百万桶油的生产。在监测流体流动过程中收集的信息可用于确保介入的有效部署，所述部署可帮助保持设备完整性和系统中的最优化流动。例如，使用所谓的“处理物质”来帮助保持流动效率。这些处理物质可包括阻垢剂、缓蚀剂、水合物抑制剂、蜡抑制剂、防污剂、沥青质抑制剂、pH稳定剂、硫化氢净化剂、流动助剂、消泡剂、去垢剂和破乳剂。这些处理物质可用于油井和气井、油和气的管道、石油化学加工设备、造纸系统、采矿系统、冷却塔、锅炉、水处理设备和天然水道。术语“处理物质”并不意图限于本专利申请所提到的物质。
因此，明显需要监测在工业流体输导和容纳系统以及天然水系统中的流体的流动。此监测过程可能是劳动密集和昂贵的，特别是但不限于需要在例如油井处近海监测流体流动的情况。对于后者，通常是将样品空运到岸上进行检测，这非常昂贵并且费时。当油田建成后，到海岸的航班的频率变低，导致检测不详尽。因此，油井故障的风险增加并且对简单近海检测的需要增长。通常，需要经济、简单、方便的就地检测样本的方法和用于这些方法的组合物，以测量流经流体输导和容纳系统的流体的流动。
具体地，能够监测流体流动使得确保流动方面的问题可得到早期检测并使得可采取预防措施以使生产损失的风险最小化。例如，可通过监测流体流动实现的目标种类可包括定量确定在系统中流动的水、油或其他流体的体积；定量确定在系统中流动的流体的速度；确定系统例如水库的优选流向；确定用于产生流动关系的喷射器；勘测系统中的泄露以及确定来自不同系统的流体是如何混合的，例如从不同井喷射或生产的水是如何混合的。获得此信息后采取的预防措施可包括，例如，挤压处理的早期规划；告知针对管道中的确保流动的问题使用处理物质和使处理物质的使用效率最大化，从而只在需要时加入它们即在检测到具体流动问题时加入。
监测流体流动的一种可用方法是使用一种其运动可被预测和监测并用于获得系统信息的可检测部分。这些可检测部分也可称为“示踪剂”。许多系统适于用示踪剂进行监测。这些系统可为工业系统，例如钻井现场的井下或地层或者地层的钻孔区，或者天然系统例如水道。示踪剂目前用于监测系统中的流体流动和流体的具体组分。这些示踪剂包括化学物质例如多种类型的盐包括氯化钾；惰性气体例如氪或氙；多种烃化合物；有色化学物质和荧光化学物质例如荧光素和若丹明。也可使用放射性材料例如重水和氚。作为放射性示踪剂应用的一个实例参见US 5,077,471，其中放射性示踪剂用于指示来自地层的流体流动。重水和氚都是有效的放射性示踪剂，但都相对昂贵并因其放射性而受到严格的进出口限制。化学示踪剂也已被使用。这些化学示踪剂因不具有放射性而使得使用限制较小，但是可能昂贵，可能有溶解性问题，可能无法在非常低的浓度下被检测到并且——尤其是在油井和气井中的苛刻条件下——可能被降解。
WO 2005/000747、US 6,312,644、US 5,621,995和US 5,171,450描述了荧光可检测部分作为阻垢剂和其他水处理化学物质的缀合示踪剂的应用。然而，在这些系统中使用的流体可能是黑色的例如黑色油，因此可能掩盖荧光或有色示踪剂的信号。或者，所述流体可发出较强的荧光例如缓蚀剂、油或藻类，因此信号/背景的比值较小，必须使用复杂的数据处理来检测所述示踪剂。优选地使用只能在加入试剂后用选定的检测方法潜在地可检测到的部分用于监测流体流动。此外，这些专利未公开在流体中游离的荧光示踪剂的应用；而只涉及所述部分连接在水处理化学物质上的情况。
US 6,040,406描述了一种可聚合的、潜在地可检测的部分，其由光敏剂转化为可吸收波长在300-800nm内的光的部分。换言之，此部分的检测方法为比色法，其中样品中的颜色变化指示所述部分的存在情况和浓度。比色法并不总是适合作为检测方法，例如当需要测量有色或不透明样品例如油或污水中的信号时。为了确保可测试许多不同类型的样品，因此，优选地使用一系列潜在地可检测的部分，其中每种都可使用若干不同的方法检测，所述方法不受到因背景信号而导致的可见度低的问题的困扰。
US 6,218,491和US 6,251,680描述了引入了末端胺-巯基部分以连接胺反应性可检测标记的水溶性聚合物。将所述可检测标记加入到采集自流体的样品中以分析所述水溶性聚合物的浓度。所述胺-巯基末端部分为肽和多肽的各种衍生物。使用这些分子作为处理物质的标记或作为监测流动的示踪剂的问题为：在油和水处理设备内遭遇的极端条件下，基于氨基酸聚合物的分子不稳定。仍然需要在这些工业系统的苛刻环境下稳定的潜在地可检测示踪剂。
包括盐在内的化学示踪剂也已被使用。例如，WO2007102023描述了非放射性金属及其盐的应用。这些示踪剂可具有低检测限，但例如在产生的流体中检测所述示踪剂所需的技术要求有高级技术人员和昂贵的设备例如感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。
总之，本领域需要的是如下所述的可检测示踪剂：其在化学上和热学上稳定的，经济的，安全性可接受(即无毒、不易燃、无腐蚀性、无放射性的)，不易受样品干扰，易于高特异性地检测，并可在极低浓度优选小于百万分之一的浓度下被检测。仍然需要可用于监测工业和/或天然输导和容纳系统中的流体流动。优选地，这些示踪剂以及使用所述示踪剂的方法足够合适和简单从而可在线上(online)、线旁(atline)、线内(inline)或离线进行监测。优选地，所述示踪剂和任何使用它们的方法对于被勘测的系统具有最小的有害影响。这些系统可包括油井、气井、烃流动管线、精炼设备、工厂或河流系统。对于油和气的应用，需要所述示踪剂和反应方法在油井的苛刻环境下稳定，所述苛刻环境包括高温，高压，处理化学物质、油和高离子强度溶液的存在。最后，提供易于在样品中检测的示踪剂是有益的，由此可以解决信号与背景的比值低的任何问题。
本发明的目标是提供试图解决上面强调的问题的组合物。
定义
就本说明书的目的而言，“示踪剂”被定义为特异性地与结合的生物大分子相互作用的部分。所述示踪剂可以是潜在地可检测的，只在与所述结合的生物大分子相互作用时产生可检测的信号。
本说明书中使用的“潜在地可检测”是指直到示踪剂与生物大分子的识别位点相互作用才能用选定的检测方法检测到该示踪剂。所述相互作用导致样品中的变化，或生物大分子中的变化，所述变化可为选定的检测方法所检测。
“流体输导和容纳系统”或“用于输导和容纳流体的系统”或“流体系统”是指任何用于工业或为工业所用的这种系统。这可包括天然水系统。该术语也可指那些用于对于实现高生产力或使效率最大化而言流动效率非常重要的工业的系统。该术语也可指任何用处理物质处理的系统，所述处理物质用于增强所述系统内的流动效率。这些处理物质在本专利申请中进行讨论。将从本发明受益的这些流体输导和容纳系统的实例包括油库和气库及其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及天然水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。如可为本领域技术人员所理解的，这种系统一般很大，但可包括小组件；此外，某些这种系统可能较小，例如微观流体的设备。
就本说明书的目的而言，“生物大分子”被定义为包含针对小分子的特异性相互作用、结合或置换的位点的生物大分子，例如蛋白，表1中列出了所述生物大分子的若干非限制性实例。这种相互作用可基于所述示踪剂和/或所述生物大分子的构象或化学特征。这也可包括示踪剂与已结合有生物大分子的配体的结合或相互作用，例如所述配体被所述标记所置换。所述生物大分子在与所述示踪剂结合时可被改变以产生信号，或者可因生物大分子固有的、业已存在的性质而产生信号。这种信号可为化学信号，例如过氧化氢的产生，或所述信号可基于光。例如，可将荧光团连接在生物大分子例如链霉亲和素上。或者，所述生物大分子可因业已存在的性质而产生信号，例如其可为发光蛋白并发出光，或者其可为酶并在与所述示踪剂相互作用时产生一种分子。任何通过这种识别或结合位点与小分子特异性结合的本领域已知的生物大分子都符合此定义。该术语可包括许多天然存在的小分子-生物大分子对，如下面并非穷举地列出的：
表1
本发明的一个方面提供用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流动的示踪剂，其中所述示踪剂和生物大分子之间的相互作用产生可检测的信号。此示踪剂对于在流体输导和容纳系统内使用是理想的，因为其可通过加入生物大分子并检测产生的信号而容易和方便地在近海或远方场所进行现场监测。使用者可确保在加入所述生物大分子时产生的任何信号都是由于所述示踪剂的存在，因为所述生物大分子对所述示踪剂具有高度特异性。因此，如果所述示踪剂不存在，就不会发出信号。另一优点是所述示踪剂是潜在地可检测的。因此，即使流体含有所述示踪剂，也只有在加入所述生物大分子之后才会从所述流体产生预期的信号。为检测因所述示踪剂的存在而产生的信号，可在加入所述生物大分子之前和之后进行信号测量，并从后者中减去前者。这种简单的相减确保了任何干扰性背景信号可被容易地除去。有时必须通过化学物质的加入、热处理或漂白来处理所述样品以除去背景干扰例如自发荧光。如果示踪剂可直接检测，那么它们可能被这种处理影响并变得更不易检测——但是潜在地可检测的示踪剂则有利地不会被这种处理所影响。
优选地，所述生物大分子包含与所述示踪剂特异性相互作用的位点。所述生物大分子和所述示踪剂可结合成天然分子信号传导复合物的一部分。如此，所述生物大分子只能与该标记相互作用，从而只在存在所述示踪剂并因此存在所述组合物时才产生信号。这使得可非常精确地检测所述组合物的存在，降低假阳性结果的几率。优选地，不必将所述生物大分子加入所述流体输导和容纳系统中，因而其不会被工业系统中常见的苛刻条件所破坏。
因所述示踪剂与所述生物大分子之间的相互作用而产生的可检测信号可为光学信号。光学信号的产生可能是因为例如所述生物大分子与荧光团相缀合并且所述示踪剂置换淬灭剂从而发出荧光信号。或者，所述光学信号可因生物大分子的化学、构象或其他变化而直接产生，例如当其为在与所述标记接触时发光的发光蛋白时。
所述信号可在向含有所述示踪剂和所述生物大分子的样品或流体中加入第二种分子时产生。这可用于，例如，当因所述生物大分子与所述示踪剂的相互作用而产生化学变化时。
优选地，所述示踪剂是已知与特定天然生物大分子相互作用的小分子，例如作为分子信号传导复合物的一部分。这可能是因为所述示踪剂与生物大分子内的“相互作用”或“活性”位点适配并能够与所述位点形成暂时或永久的相互作用。所述相互作用可归因于离子键或共价键、静电相互作用或任何其他键或力，但其应足够稳定从而使因所述相互作用而产生的信号保持足够的时间以供检测。如此，所述示踪剂只能在与所述生物大分子相互作用时被检测到，从而只在所述生物大分子存在时才产生信号。这使得可非常精确地检测所述组合物的存在，降低假阳性结果的几率。
优选地，所述示踪剂选自：维生素——包括生物素、硒生物素或氧生物素，硫胺素，核黄素，烟酸(尼克酸)，泛酸，柠檬酸，钴胺素，叶酸，抗坏血酸，视黄醇，维生素C、D、E或K；萤光素；腔肠素；几丁质；氨基酸如组氨酸；或单糖，多糖和碳水化合物——包括阿拉伯糖、脱氧核糖、来苏糖、核酮糖、木糖、木酮糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖、核糖或海藻糖，咖啡因、咪唑啉、类固醇激素、氯丙嗪和cAMP，皮质醇，6-酮前列腺素，甲状腺素，三碘甲腺原氨酸，花色素苷，胆固醇，L-古洛糖酸-1，4-内酯，胆汁盐包括胆酸、鹅去氧胆酸、脱氧胆酸和甘油胆酸，类花生酸(前列腺素、前列环素、血栓素和白三烯)，半乳糖及衍生物——包括2-N-乙酰半乳糖、1-甲基-β-D-半乳糖、1-辛基-β-D-半乳糖，黄嘌呤和次黄嘌呤，儿茶酚胺例如肾上腺素和去甲肾上腺素，核苷酸例如腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、尿嘧啶，为单磷酸盐、二磷酸盐和三磷酸盐形式；并且根据所用示踪剂，所述结合的生物大分子选自：抗生物素蛋白及其功能类似物例如链霉亲和素、中性链亲和素和硝基链亲和素(nitroavidin)；硫胺素结合蛋白；核黄素结合蛋白(黄素蛋白)；烟酸结合蛋白；泛酸结合蛋白；柠檬酸结合蛋白；钴胺素结合蛋白；叶酸结合蛋白；抗坏血酸结合蛋白；视黄醇结合蛋白；维生素D结合蛋白如组特异性蛋白(Gc)；维生素E结合蛋白；维生素K结合蛋白；萤光素酶；腔肠动物萤光素酶；几丁质结合蛋白；组氨酸转运蛋白；阿拉伯糖结合蛋白；脱氧核糖结合蛋白；来苏糖结合蛋白；核酮糖结合蛋白；木糖结合蛋白；木酮糖结合蛋白；麦芽糖结合蛋白；葡萄糖结合蛋白；果糖结合蛋白；核糖结合蛋白；海藻糖结合蛋白或凝集素；咖啡因结合蛋白；咪唑啉结合蛋白；类固醇激素受体；氯丙嗪结合蛋白；cAMP结合蛋白；皮质醇结合蛋白；6-酮-前列腺素抗体包括标记的抗体例如水母发光蛋白或GFP标记的抗体；甲状腺素结合蛋白包括甲状腺素结合球蛋白、转甲状腺素蛋白和白蛋白；三碘甲腺原氨酸结合蛋白；谷胱甘肽-S-转移酶；胆固醇结合蛋白例如VIP21/窖蛋白和胆固醇氧化酶；L-古洛糖酸-1，4-内酯结合蛋白包括Rvl771、L-古洛糖酸-1，4-内酯脱氢酶和L-古洛糖酸-1，4-内酯氧化酶；谷胱甘肽-S-转移酶和胆汁结合蛋白包括回肠胆汁酸结合蛋白和肝脂肪酸结合蛋白，前列腺素受体包括PPARg，前列环素受体包括PTGIR和血栓素受体例如TXA2；L-抗坏血酸结合蛋白包括L-抗坏血酸氧化酶；半乳糖结合蛋白包括半乳糖氧化酶，黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤脱氢酶、磷酸核糖基转移酶、黄嘌呤结合RNA，儿茶酚胺调节蛋白(CRP40)、儿茶酚胺结合蛋白、肾上腺素能受体(α和β)、肾上腺素受体、去甲肾上腺素受体；核苷酸结合蛋白例如G蛋白和ATP结合蛋白。由于在与对应生物大分子特异性相互作用的基础上选择小分子作为示踪剂，因此不必将所述生物大分子加入工业流体输导和容纳系统中。这是有利的，因为所述生物大分子不会暴露于这些系统中常见的破坏性苛刻条件下。另一方面，所述示踪剂在这些条件是稳定的。因此，可在被优化为适于所述生物大分子正确作用的条件下进行所述示踪剂的检测。此外，由于这些示踪剂-生物大分子对都具有在自然界中特异性结合的特征，因此使用者可确定在向含有所述示踪剂的样品中加入生物大分子时检测到的信号是由于所述示踪剂的单独存在。
任选地，所述示踪剂可与至少一种处理物质结合，所述处理物质用于保持流体系统中的有效流动。所述处理物质可选自阻垢剂、缓蚀剂、水合物抑制剂、蜡抑制剂、防污剂、沥青质抑制剂、硫化氢抑制剂、pH稳定剂、流动助剂、消泡剂、硫化氢净化剂、去垢剂和破乳剂，或者微生物。此特征使得既可使用所述示踪剂作为流体流动的示踪剂，又可使用所述示踪剂分析所述系统内处理物质或微生物的分布。此特征还使得可评估这些处理物质相对于流体流动(使用所述游离示踪剂测量)的运动情况(使用所述示踪剂测量)。
所述信号可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS(微型机电系统)设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。本领域技术人员应理解，检测方法将基于针对处理化学物质所使用的示踪剂-生物大分子对的类型而选择。
优选地，当存在生物大分子时，所述示踪剂可在至少1ppb的浓度下被检测到。这样低的浓度使得所述示踪剂即使在低水平下也可被检测。因此，可将浓度保持在尽可能低的水平以减少浪费的示踪剂的量。
上文所述的示踪剂特别适于在需要高流动效率以实现高生产力的流体输导和容纳系统中使用。
这些系统包括油库和气库及其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流和地热田。此方法针对这些具体系统的优点很多。所述可检测信号可特异性地指示所述示踪剂的存在，因为所述信号只在已加入所述生物大分子并且所述示踪剂存在的情况下产生。所述试剂低廉并容易贮存在近海或远方场所，例如油田或钻机处。所述示踪剂可在接近所述系统处被监测，防止检测所述系统内流体流动变化的时间延迟，如果所述样品必须在运输后进行检测就可能发生这种延迟。所述示踪剂特别适合用于这些系统，因为使用潜在地可检测的分子可克服因污染物(例如处理化学物质、油等)引起的信号干扰的常见问题，因为简单地减去背景确保了任何信号都是由于所述组合物的存在所致。
本发明的第二个方面提供了一种监测流经一种用于输导和容纳流体的系统的流体流动的方法，包括：在所述系统中的第一位置加入预定量的至少一种权利要求1的示踪剂，在所述系统的至少一个第二位置向所述流体中加入如上所述的生物大分子，所述第二位置在所述第一位置的下游，其中在所述第一位置的可检测示踪剂的预定量足以使在所述第二位置的可检测示踪剂的浓度高于1ppb的检测限，所述生物大分子的浓度足以因所述示踪剂与所述生物大分子的特异性相互作用而在所述流体中产生可检测变化；检测所述流体中的变化，分析所测量的可检测变化以确定所述第二位置处的所述示踪剂的浓度，并使用通过检测、测量和分析所述变化而获得的数据来评估所述系统内的所述流体的流动特征。
本发明的这一实施方案有利地提供了监测在流体系统中的流体流动的方便、经济的方法，其解决了样品中的强背景或干扰问题，例如油液中的自发荧光。这是由于所述示踪剂是潜在地可检测的，因此由所述流体发出的信号可在加入所述生物大分子之前和之后进行测量。在加入之前测量的信号要从在加入之后测量的信号中减去。因此所述信号之间的差值是由于所述示踪剂与所述生物大分子之间的相互作用所致。此取样和检测方法可就地进行，降低或替代对昂贵的样品运输、昂贵的专业设备或其他复杂和耗时的做法的需要。在此方法中所用的示踪剂-生物大分子对都具有如下特征：它们特异性地连接，从而使得可导致假阳性信号的任何非特异性相互作用发生的几率降低。因此，所述示踪剂及其在系统中的分布可被精确检测和分析，使得可对所述系统中的流体流动进行严格的评估。
任选地，可在所述第二位置采集样品从而在系统外完成监测。这可用于，例如，当用于因所述组合物的存在而产生信号的生物大分子或任何其他分子不能被直接加入所述系统中的流体时。在这种情况下，可将所述样品从所述系统中完全取出或从主系统中移出，从而可使所述生物大分子行使功能时所处的条件得到优化。
可对采集的样品进行处理以提高所述信号的检测。这可能涉及所述样品的浓度、除去背景荧光的漂白，除去杂质的过滤或者固定或萃取。这可提高由所述示踪剂与其所结合的生物大分子之间的相互作用产生的信号的可检测性。这种处理可在加入所述生物大分子之前或之后发生。这特别可用于当存在高背景荧光、其他干扰化学物质时，或者当已知来自标记自身的信号难以检测时。
所述可检测的变化可为光学信号。所述信号可为荧光信号、发光信号或颜色变化，或者可为分光光度变化例如改变的拉曼特征。当所述信号为发光、分光光度或颜色上的变化时，所述样品发出的(例如油或其他污染物发出的)自发荧光不会在测量因样品中存在组合物而产生的信号的过程中形成背景噪音。
所述可检测变化可为化学信号，例如化学物质的产生。化学变化非常易于检测，特别是当除非发生相互作用，否则所述化学物质预计不会存在于流体中时。
所述方法还可包括在检测所述流体或样品中的所述变化之前加入第二种分子的步骤。此步骤可用于当所述生物大分子与所述示踪剂的相互作用导致产生一种化学物质时。第二种检测分子可用于将所述化学物质转化为荧光或有色的检测产物。第二种分子可与所述化学产物相互作用并产生信号。以这种方法检测样品中的具体化学产物是评估是否发生相互作用的非常简单和方便的方法。由于相互作用只在所述生物大分子和所述示踪剂都存在时发生，因此所述示踪剂的存在情况和/或浓度易于测定。第二种分子的应用还可用于，例如，当需要形成由标记与生物大分子之间的相互作用产生的光学信号时。
所述化学物质可为过氧化氢。所述第二种分子可为10-乙酰基-3，7-羟基吩噁嗪(ADHP，Amplex
Red)，其在过氧化物酶的存在下产生强荧光产物试卤灵。然后可检测因这种强荧光产物的存在而由所述样品发出的荧光，该荧光是因组合物的存在所致。任何背景荧光都可在加入第二种分子和酶之前进行测量，然后将此测量值从加入第二种分子和酶之后的荧光测量值中减去。
第二种分子还可为酚红，其可与过氧化物酶一起加入。在过氧化氢和过氧化物酶的存在下，酚红在610nm下的吸收值会发生变化。像这样的比色测定特别可用于当所述样品流体无色，或者在测定的过程中产生的颜色与所述样品流体的颜色不同时。所述颜色信号可指示样品中处理组合物的存在。
第二种分子还可为亚铁离子，其在过氧化氢的存在下被氧化为铁离子，铁离子与指示剂染料二甲酚橙相互作用产生可在560-590nm下测量到的紫色复合物。任选地，所述反应混合物中可包括山梨糖醇以增强颜色强度。
第二种分子可为环状二酰基酰肼例如鲁米诺。在过氧化氢和辣根过氧化物酶的存在下，这些分子被转化为激发的中间体二价阴离子。这种二价阴离子在回复到其基态时发出光。酚可用于增强所述反应最多至1000倍。
可监测多种示踪剂，其中每种都可用不同的信号检测。这使得使用者可方便地在同一个测定中使用不同的信号检测不同的示踪剂。这是在系统内评估许多示踪剂浓度的简单有效的方法。这特别可用于当需要知晓在含有来自不同管道或来源的流体的混合流体中的示踪剂的相对比例时。如果使用不同的实验，在不同时间评估这些不同物质，那么在这样的评估中就会出现不精确和时间延迟，从而无法计算出相对比例。
所述光学信号优选地可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。
任选地，所述监测方法可离线进行。离线方法使得使用者可从流体输导和容纳系统中采样，并在以后对其进行分析。这一系统可用于当已从近海石油钻塔采集了样品，但所述石油钻塔对于评估所述样品太危险时。在这些情况下，分析样品的设备和人员可远离采集样品的位置。
任选地，所述监测方法可在线内进行。线内方法可涉及将少量但有代表性体积的样品从主流中转移出来的回路的应用。可将所述生物大分子注射到所述回路中，然后使所述样品进入流动室，并通过例如快照成像器或通过荧光读取来检测信号。线内方法可有利地为使用者提供反映多相样品组成的实时数据。线内分析方法优于其他方法，因为线内分析方法可提供实时监测最可能代表所述流体输导和容纳系统内的情形的样品的手段。线内方法使得可进行频繁的实时监测，因为这种方法不必从所述系统的总体流动中采集样品。此外，所述流体输导和容纳系统不需为进行所述监测试验而停止。
任选地，所述监测方法可在线旁进行。线旁方法使得使用者可从所述流体输导和容纳系统中采样并在接近所述流体输导和容纳系统的位置就地对样品进行分析。此监测方法不是实时的但非常迅速，并且全部设备都是便携的并可自动化，使得此检测方法适于近海使用。当在条件对生物大分子的功能不利的情况下，不能向线内回路中加入生物大分子时采用这种方法可能是有用的。此外，所述流体输导和容纳系统不需为进行所述监测试验而停止。
任选地，所述监测方法可在线上进行。线上方法可用作自动化监测过程的一部分，所述过程直接输入到用于场外监测的计算机化监测系统中。例如，线上监测方法可将主要流体输导和容纳系统的自动化线内回路、直接记录的来自线内回路的信息纳入到操控器的计算机系统中从而在不同位置的技术人员可浏览所述信息。此方法有利地使数据可被实时记录，但分析所述数据的人员不必在现场。线上监测具有若干优点：不需手工处理样品，即时反应(小于1秒)并且结果可与公认的标准参照方法相关联。此监测方法可用于提高如下情形下的信息：所述生物大分子被直接加入流体流动中，并且由与所述标记的相互作用产生的信号被线上检测器所记录。此外，所述流体输导和容纳系统不需为进行所述监测试验而停止。
所述方法可使用上述可与处理物质结合的示踪剂，所述处理物质用于保持流体输导和容纳系统内的有效流动。所述处理物质可选自阻垢剂、缓蚀剂、水合物抑制剂、蜡抑制剂、防污剂、沥青质抑制剂、硫化氢抑制剂、pH稳定剂、流动助剂、消泡剂、硫化氢净化剂、去垢剂和破乳剂，或者微生物。此特征使得既可使用所述示踪剂作为流体流动的示踪剂，又可使用所述示踪剂分析所述流体输导和容纳系统内处理物质或微生物的分布。此特征还使得可评估这些处理物质相对于流体流动(使用所述游离示踪剂测量)的运动情况(使用所述示踪剂所测量)。
所述方法——其中使用了可与处理物质结合的示踪剂——还可包括使用所述数据以告知将所述至少一种处理物质供给至所述流体输导和容纳系统中以保持所述处理物质的有效浓度。此特征特别有用，因为其提供减少处理物质浪费(因为只在需要时加入处理物质)、保持处理化合物的有效浓度的方法，并使得可早期检测并采取预防性措施以使生产损失的危险最小。所述方法还可有利地用于提供处理物质用量的定量证据，并具有监测处理物质的环境影响的优点。
本发明所述的监测方法特别适于在需要高流动效率以实现高生产力的流体输导和容纳系统中使用。
这些系统可包括油库和气库及其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流和地热田。此方法针对这些具体流体输导和容纳系统的优点是所述方法对所述示踪剂高度特异，所述信号只在加入所述生物大分子时产生，所述试剂低廉并易于贮存在近海或远方场所，以及所述方法可靠近所述流体输导和容纳系统实施，防止检测所述流体输导和容纳系统内流体流动变化的时间延迟。就涉及因污染物(例如处理化学物质、油)等造成干扰的问题的若干原因而言，所述方法特别适用于这些工业。因此，简单的背景信号使得可检测到目标处理化学物质。
本发明的第三个方面提供一种用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流体流动的试剂盒，包含：上文所述的示踪剂；和根据所述试剂盒中所含的示踪剂而选择的生物大分子。所述试剂盒还可包含用于从所述系统中采样的工具。
所述试剂盒还可包含第二种检测分子。如果所述示踪剂和所述生物大分子之间的相互作用导致所述样品中的化学变化，那么这会非常方便。所述第二种检测分子可与化学产物相互作用并产生可检测信号。
所述试剂盒还可包含选自荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计或色谱系统的光学检测器。
现在将参考实施例、实验数据和附图来描述本发明的若干实施方案，其中：
图1是显示d-生物素在升高的温度和浓度下的可检测性的图；
图2是显示250nM d-生物素在高温和高压下的可检测性的图；
图3是显示当生物素被试剂占据时，生物素溶液的电导率下降的图；
图4是显示当生物素被试剂占据时，溶液的荧光相应减弱的图；
图5是显示生物素在多种溶液中分配的图；
图6是显示生物素标记的阻垢剂的检测限(LOD)的图；
图7是显示0.1mg/cm3的荧光素和在石油醚(无荧光)中稀释至0.1％的由Miller油田生产的流体的油馏分的激发和发射光谱；
图8a是显示从去离子水或0.1％油中各种浓度的生物素检测到的荧光的图；
图8b是显示去离子水或0.1％油中各种浓度的荧光素的荧光的图；
图9是显示当与1％、0.1％、0.01％的油混合时，示踪剂(0.8μM生物素或0.1mg/cm3荧光素)的荧光的图；
图10是显示添加生物素的GFP溶液(0.1mg/ml海肾(Renilla reniformis)蛋白，80％，水中)的荧光的图，(a)未处理，(b)经热处理(在烘箱中将样品加热到100℃达1小时)；
图11是显示一系列葡萄糖浓度的校准曲线的图。插图示出了浓度0-4.5ppm的数据点的线性拟合(R2＝0.9979)；
图12是显示在合成地层水中制备的葡萄糖样品之间的比较和使用水性葡萄糖样品生成的校准曲线的图；
图13是显示阻垢剂8017C和缓蚀剂EC 1440A对检测的葡萄糖浓度的影响的图。该图显示了双份重复样品的平均值；
图14是显示在各种浓度的甲醇、IPA和MEG的存在下进行的葡萄糖测定的结果的图。未添加溶剂的水性葡萄糖对照样品的荧光读数为80227；
图15是显示在生物素的存在下，葡萄糖的可检测性的图。
图16是显示葡萄糖在中性pH和低pH下在水和地层水中在100、120和150℃下的稳定性的一组图；
图17是显示原油对所述葡萄糖测定的影响的图。对照(水加葡萄糖)荧光值为78492；
图18A是显示浓度为50、40、30、20、10、5、2.5、1.25、0.625、0.3125和0ppm的半乳糖的校准曲线、和浓度为0-10ppm的数据点的线性拟合(R2＝0.998)的两幅图；
图18B是显示用每天新鲜制备的分析试剂在三个不同的日子分析校准曲线样品(0-50ppm)的结果的图。误差棒代表95％的置信区间；
图19是显示对一系列浓度的半乳糖衍生物进行分析并将其荧光值与半乳糖的荧光值进行比较的图；
图20是显示各种干扰对所述半乳糖测定的影响的一组图；
图21是显示对各种浓度的果糖、甘露糖和葡萄糖进行测定以确定其他单糖是否能被半乳糖氧化酶氧化的结果的图；
图22是显示半乳糖和辛基-β-半乳糖在pH 6-7和pH 2下在水和地层水中在25、100和120℃下的稳定性的图。误差棒代表一式三份的样品的95％的置信区间；
图23是显示浓度为50、40、20、10、5、2.5、1.25、0.625、0.3125、0.15625和0ppm的黄嘌呤的校准曲线的图。插图对低浓度区进行了放大；
图24是显示浓度为75、50、25、12.5、6.25、3.125、1.5625、0.78125、0.3906、0.1953、0.0977、0.0488、0.0244、0.0122和0ppm的次黄嘌呤的校准曲线的图。插图对低浓度区进行了放大；
图25是显示各种干扰对所述黄嘌呤和次黄嘌呤测定的影响的一组图；
图26是显示黄嘌呤和次黄嘌呤在pH 6-7和pH 2下在25和120℃下的稳定性的图。误差棒代表一式三份的样品的95％的置信区间。
实施例1：d-生物素对高温和高压的抗性
许多生物大分子，例如链霉亲和素，都用作天然复合物的一部分，并具有影响其结合和功能的小分子(对于链霉亲和素来说，例如为生物素)特异性识别位点。实际上，分子在植物或动物中发挥其作用的最常见方式之一是通过与另一分子的特异性结合，所述结合导致这些分子信号传导事件的级联反应。这种生物大分子-小分子复合物称为分子信号传导复合物。小分子与其在所述生物大分子中的识别位点的结合可导致另一小分子被置换，产生一种分子或者导致样品中构象、光或颜色的变化。被置换小分子、所产生的分子或者构象变化可被检测到。通过检测被置换分子，可检出与所述识别位点结合的目标小分子的量。类似地，所发出的光、产生的分子或颜色变化可校准为与所述识别位点结合的小分子的量。这一方法经常在生物学、生物医学和生物化学应用领域中使用。
具体地，生物素(分子式C10H16N2O3S)，也称为维生素H或B7，是可用的示踪剂或标记的一个良好实例。它很小，大量市售，并存在若干可用的功能化形式，例如，具有可用于结合含羧酸的化学物质(例如某些阻垢剂)的胺基的生物素乙二胺(biotin ethylene diamine)、生物素尸胺(biotin cadaverine)、生物素酰肼(biotin hydrazid)。生物素是一种只在少数几种蛋白种类中发现的辅基(Ann N.Y.Acad.Sci 447：1-441，Dakshinamurti and Bhagavan，Eds.(1985))。在自然界中，生物素具有催化在糖异生中合成脂肪酸和代谢亮氨酸的基本代谢反应的作用。生物素最重要的特征之一是其可与链霉亲和素、抗生物素蛋白、中性链亲和素和生物素连接蛋白进行非常强的结合。生物素与抗生物素蛋白结合的离解常数Kd约为10-15mol/L(Bonjour，1977；Green 1975；and Roth，1985)。破坏生物素-链霉亲和素键需要苛刻条件，即高温、极端pH和变性条件。
这种强结合作用引发人们对分子如何结合进行了更多的研究。所述强键也可解释为生物素用于许多生物学应用的原因。例如，生物素可与目的分子例如蛋白、酶、肽、寡糖和脂质连接以进行生物化学测定。如果将抗生物素蛋白/链霉亲和素/中性链亲和素/生物素连接蛋白加入混合物中，那么它们会与生物素结合。这使得可捕获生物素标记的物质。这一方法通常用于，例如，酶联免疫吸附测定(ELISA)，它是一种主要用于免疫学以检测样品中抗体或抗原的存在的生物化学技术；酶联免疫斑点测定(ELISPOT)，它是一种监测人类和动物中免疫反应的常用方法；以及亲和色谱，它是一种分离生物化学混合物的方法(也可用于蛋白纯化)。生物素的应用目前局限于作为微生物学、生物化学和医学科学的工具。尚没有将生物素用于监测本发明流体输导和容纳系统中的流体流动的实例。
生物大分子对其周围环境高度敏感。例如，高温或低温和/或高pH或低pH的溶液通常可使蛋白变性，破坏其与小分子结合的能力并影响它们的功能。因此，氨基酸衍生物例如多肽对于引入到流体输导和容纳系统——不管是附着于油或水处理物质还是作为游离部分——是不理想的。此外，生物大分子很大，因此可能对所研究的流体输导和容纳系统具有较大影响，尤其是当它们易于凝聚时。
人们研究了d-生物素对高温和高压的抗性。对d-生物素进行连续稀释并在所产生流体(来自Miller、Foinaven和Schiehallion油田)的水相的存在下暴露于升高的温度和4kbar压力下。研究了用Biotective green(Invitrogen)测定的经热和压力处理的和未处理的样品结合链霉亲和素的能力。在此检测方法中，荧光素(一种荧光染料)附着于链霉亲和素，但只有当生物素发生结合并除去猝灭剂时才能发出荧光。未检测到因温度和压力造成荧光减弱，即使在150℃下(图1)。
然后将该维生素在地层水(合成的，基于来自北海的Forties油田的地层水)中稀释至250nM，取300μl在28、60、90、120或150℃下暴露于3kbar压力下15分钟。用Biotective green(Invitrogen)测定了经热和压力处理的和未处理的样品结合链霉亲和素的能力。在此检测方法中，荧光素(一种荧光染料)附着于链霉亲和素，但只有当生物素发生结合并除去猝灭剂时才能发出荧光。结果表明即使在暴露于150℃、3kbar下15分钟后，也没有明显的荧光减弱。250nM溶液的代表性结果示于图2。生物素表现出对高温和高压有着足够的稳定性，从而可以用作标记。
实施例2：溶液中游离生物素的可检测性。
biotective green(Invitrogen)测定用于检测样品中生物素的浓度。所述测定根据产商说明书进行。首先生成标准曲线以使得可定量确定每个样品中的生物素的量。测定了渗透物中的生物素的电导率和浓度。由于从标记的阻垢剂和游离生物素溶液中成功除去了游离生物素(其尚未与阻垢剂偶联)，样品的电导率和荧光降低(分别见图3和4)。此数据表明可简单地通过加入结合的生物大分子来检测溶液中的生物素，并且还可检测浓度的变化。
如果当所述示踪剂用于流体输导和容纳系统时，在采集的样品中无可检测变化(即可检测示踪剂的量低于1ppb的检测限)，那么应增加在第一位置加入所述流体中的可检测示踪剂的量，直至在第二位置取出的下一样品中测量到可检测变化。技术人员会理解在第一位置的可检测示踪剂的预定浓度取决于多种因素，例如所述可检测示踪剂在所述流体输导和容纳系统中遇到的条件下在流体中的任何降解速率，或者所述可检测示踪剂任何损失——例如，由于所述示踪剂与所述流体中的组分相互作用或由于所述示踪剂吸附在所述流体输导和容纳系统的内表面上——的速率。优选地，测定所述可检测示踪剂在所述流体输导和容纳系统中的条件下在所述流体中的半衰期，并调整在第一位置加入的可检测示踪剂的量以确保在第二位置的样品中产生可检测变化。本领域技术人员会理解所述预定量既取决于所述可检测示踪剂的半衰期，也取决于所述流体从第一位置流动到第二位置所花费的时间。
实施例3.生物素的检测
为了实用，示踪剂需要在非常低的水平下——理想地低于1ppm的水平下——可检测到。在去离子水中对D-生物素进行连续稀释，并使用Biotective Green测定的修改方案——其在比色皿中使用了更多体积的试剂并使用了PicoFluor荧光计(TurnerBiosystems)——来测定D-生物素的检测限。结果表明检测限可以到20nM(5ppb)，见图5。
实施例4.生物素的毒性
在近海使用之前，必须对化学物质进行检测以提供登记信息(UK)。使用海生单胞藻中肋骨条藻(Skeletonema costatum)，ISO DP 10253(1998)标准方法来评估生物素的毒性。用28天海水试验OECD 306评估生物素的生物降解。结果表明，D-生物素在4462.48mg/L下未对中肋骨条藻表现出毒性。D-生物素经28天后降解14％并表现出对海水细菌42％的抑制。
实施例5.与用于石油工业的处理化学物质接触的生物素的稳定性
为了实用，示踪剂需要在与可能同时存在的处理化学物质例如阻垢剂的接触中仍稳定。用缓蚀剂(TROS787c，Clariant)孵育50mM D-生物素(1∶10)2小时。然后将样品用地层水(＞1M NaCl)进行1∶5000稀释，用Biotective Green(Invitrogen)试验测定可检测生物素的水平。未观察到缓蚀剂对生物素有显著影响(图6)。
实施例6.显示出使用潜在地可检测标记的优点和背景干扰的影响的数据
许多容纳系统中的流体会干扰对示踪剂的检测。流体可能有颜色，或具有自发荧光，例如油液。当所述示踪剂发荧光时，如果有样品的自发荧光的干扰，就难以确定示踪剂的存在量。然而，如果所述示踪剂是潜在地可检测的，那么首先可评估样品的自发荧光，然后测定完全由所述示踪剂发出的荧光。这是图8和9中的情况，其中将油中潜在地可检测的生物素示踪剂的定量与荧光素——一种常用的荧光示踪剂——进行了比较。
在这两个实验中，样品的荧光都在485nm的激发波长和535nm发射波长下进行检测。还已知油在此激发波长下发出荧光并具有重叠的发射波长，见图7的光谱，其显示0.1mg/cm3的荧光素和在石油醚(无荧光)中稀释至0.1％的由Miller油田生产的流体的油馏分的激发和发射光谱。对于含有荧光素的溶液，直接测量样品；对于含有潜在地可检测的生物素的溶液，首先在485/535nm(激发/发射)下测定油液的荧光，然后加入Biotective Green测定试剂(lnvitrogen)，也在485-535nm下测定与生物素相关的荧光。测定重复进行4次并取平均。
图8a示出了在去离子水或0.1％油(由Miller油田生产的流体的油相)中各种浓度的生物素的荧光。在图8b中，示出了去离子水或0.1％油(如上)中各种浓度的荧光素的荧光。图9示出了将1％、0.1％或0.01％的油(由Miller油田生产的流体的油相)与一种浓度的示踪剂——0.8μM生物素或0.1mg/cm3荧光素——混合的荧光结果。对照样品即不含示踪剂的样品用于定量测定油的自发荧光。
荧光素和生物素-biotective green都导致荧光增强，超过油发出的荧光。区别在于，对于在biotective green的存在下的生物素，可在加入biotective green之前测量背景油荧光，然后从信号中减去该背景荧光，从而提供一系列油和示踪剂浓度的可靠数据。对于直接加入系统的荧光素，重要的是预先知晓样品中的油浓度，从而终端用户可确定哪些荧光来自荧光素哪些荧光来自油。在实际流体中，此浓度可变动并可能难以对直接发出荧光的示踪剂进行定量。然而，荧光素可用于当与生物大分子缀合时加入的情况(参见实施例1)。
实施例7.显示出使用潜在地可检测标记以及预处理样品以使背景干扰最小化的优点的数据
当使用潜在地可检测的示踪剂时，含有背景干扰例如自发荧光的样品可首先以某种方式处理以使自发荧光最小化。这可以若干方式实现，例如加入化学物质、热处理或漂白具有自发荧光的样品。处理方式取决于样品。如果存在直接发荧光示踪剂，则这不太可能是一种可靠的方法，因为所述处理可能会对这些直接发荧光示踪剂产生不利影响，但是本文所述的示踪剂是稳定的并应不受影响。
我们取GFP(0.1mg/ml海肾蛋白，80％，水中)溶液并加入生物素。该样品具有GFP发出的高强度荧光。以2种方式处理此溶液：(a)不处理，(b)热处理(在烘箱中将样品加热到100℃达1小时)。处理后，在加入检测生物素的Biotective Green试剂(Invitrogen)之前和之后，在485/535nm的激发/发射波长下评估样品发出的荧光。结果表明GFP荧光在加热后消失，而生物素不受影响，见图10。
因此，当可处理样品以使自身荧光或背景荧光最小化时，潜在地可检测的示踪剂是理想的。由于这种处理可不利地影响可直接检测的荧光示踪剂，因此潜在地可检测的示踪剂具有优势。
实施例8：葡萄糖的检测限
分子小和结构简单都使得葡萄糖成为作为示踪剂的良好候选。将市售AmplexRed葡萄糖测定用于测定葡萄糖浓度。也可使用Amplex UltraRed
葡萄糖测定。葡萄糖氧化酶将D-葡萄糖氧化为D-葡糖酸内酯，产生过氧化氢。在辣根过氧化物酶的存在下，H2O2与Amplex
Red按化学计量反应生成可用荧光计或分光光度计检测的荧光产物试卤灵。研究了高温、低pH、处理化学物质、各种溶剂、高盐浓度、油和生物素对葡萄糖可检测性的影响。
为测定葡萄糖的检测限，首先通过分析通过连续稀释制备的葡萄糖溶液(36、18、9、4.5、2.25、1.125、0.5625、0.28125和0ppm)得到校准曲线。所有提到的浓度都是指在加入50μL酶和分析试剂之前的溶液浓度。结果表明所述葡萄糖校准曲线具有相对的再现性(图11)。检测限约为0.3ppm。
实施例9：葡萄糖测定对合成地层水的耐受性
为检测Amplex Red葡萄糖测定是否可耐受合成地层水，通过用地层水将储液(400mM)稀释至18ppm和3.6ppm制备两种葡萄糖溶液。结果表明所述测定可耐受存在的地层水(图12)。
实施例10：葡萄糖测定对存在的处理物质的耐受性
为测定所述葡萄糖测定是否能耐受存在的处理化学物质，测定了阻垢剂、缓蚀剂、异丙醇(IPA)、甲醇和乙二醇(MEG)的影响。通过将100μL阻垢剂8017C加入100μL葡萄糖(50mM)和800μL地层水中制备10％的阻垢剂溶液。通过将10μL阻垢剂8017C加入100μL葡萄糖(50mM)和890μL地层水中制备1％的溶液。通过相同的方法但用去离子水替代所述阻垢剂制备对照。将这些样品置于室温下4小时，然后进行1∶10连续稀释2次，得到终浓度50μM的葡萄糖。以相同的方式制备10％和1％的缓蚀剂ECl 440A溶液。
用水将甲醇、IPA和MEG(20％)的水溶液进行1∶10连续稀释得到2％和0.2％的溶液。使用100μM葡萄糖的储液。向1mL每个浓度的每种溶剂中加入1mL葡萄糖溶液得到溶剂终浓度为10％、1％和0.1％且葡萄糖终浓度为50μM的12个样品。还通过向1mL葡萄糖溶液中加入1mL水制备了对照。
结果可见于图13和图14。阻垢剂8017C对所述葡萄糖测定不具有任何影响。10％和1％的缓蚀剂EC 1440A的存在都降低了检出的葡萄糖的量，但所述葡萄糖浓度远高于预期的在所生产的流体中遭遇的浓度(0.1％被认为是预期的最大量)。因此所述测定在缓蚀剂和阻垢剂的存在下有效。
实施例11：葡萄糖测定对其他示踪剂的存在的耐受性
为测定所述葡萄糖测定是否能在其他示踪剂的存在下起作用，从而使得一次可使用多种示踪剂，测定了在溶液中含有生物素的影响。制备并分析了下面四个样品：1)水，2)生物素(0.5μM)，3)葡萄糖(50μM)，生物素(0.5μM)和葡萄糖(50μM)。结果表明所述测定可耐受生物素的存在(图15)。
实施例12：葡萄糖的热稳定性和酸稳定性
为测定葡萄糖的热稳定性和酸稳定性，在去离子水和地层水中分别制备了0.5mM葡萄糖溶液(10mL)。将这些溶液分开，并用HCl将其中一个水样品和一个地层水样品的pH调节到2。从每个样品中取出0.5mL小份以制备对照样品，然后进行孵育。将剩余的4.5mL置于4个用特氟龙胶带缠绕螺纹以防止蒸发的duran瓶中。在所需温度(100、120或150℃)下加热20h后，将所述瓶冷却至室温并用去离子水进行1∶10稀释。
结果示于图16中。加热至100℃的样品未显示可检测性的不同，而在120℃下有某些降解迹象，在150℃下样品浓度与对照相比表现出显著降低。这些结果表明葡萄糖最好用于温度较低的系统，理想地为温度小于等于100℃的系统。在pH 2的溶液中孵育对葡萄糖检测没有不利影响。
实施例13：所述葡萄糖测定对油的耐受性
为测定油对所述测定的影响，通过将2％的油加入98％的水中制备了2％的油样品，所述百分比为体积百分比。用手剧烈晃动小瓶，然后用水连续稀释至约0.2％和0.02％。将50μL每种油浓度的溶液加入到50μμL葡萄糖溶液中(100μM)得到1％、0.1％和0.01％的最终油浓度。对照由50μL每种油浓度的溶液加50μL水；以及50μμL葡萄糖溶液(100μM)加50μL水样品构成。
结果(图17)表明，如所预期的，对于油加水对照，观察到低水平背景荧光，所述荧光随着油浓度的升高而增强。然而，所述测定似乎不受影响，表明其可用于含油样品中。此外，通过首先评估背景然后对所述潜在地可检测的葡萄糖示踪剂进行所述测定，可除去干扰背景荧光。
葡萄糖适于追踪处理物质以及在水溶液或有机溶液的环境中检测。检测限约为0.3ppm。油、生物素、地层水、甲醇、IPA、MEG和阻垢剂的存在对由所述测定检出的葡萄糖水平无显著影响。葡萄糖被发现在100℃下相对稳定，但在150℃下检出的浓度显著下降。在120℃下，pH为2的样品稳定，然而在中性样品中葡萄糖水平稍稍下降。即使当以极低浓度存在时，缓蚀剂也对所述测定具有不利影响。
实施例14：半乳糖的检测限
检测半乳糖的一般测定方法包括将50μL待分析溶液加入到50μL工作液中。5mL工作液由如下试剂制备：4.75mL 1X反应缓冲液、100μL半乳糖氧化酶(100U/mL)、100μL辣根过氧化物酶(10U/mL)、50μLamplex red或Amplex UltraRed(10mM)(Invitrogen)。测定在在96孔板中进行，在加入所述工作液后，将所述板置于37℃下孵育30分钟，然后分析。用于分析的发光计(Berthold Mithras)的设置如下：灯能量，1000；λ激发546nm；λ发射610nm；计数时间，1秒。
通过分析通过连续稀释制备的半乳糖溶液(50、40、30、20、10、5、2.5、0.625、0.3125和0ppm)得到校准曲线。所有提到的浓度都是指在加入50μL酶和分析试剂之前的浓度(图18A)。为测定所述测定的再现性，用新鲜制备的工作液在三个不同的日子再次分析这些样品(图18B)。
结果表明半乳糖可在0-30ppm的浓度范围内被检出，检测限约为0.3ppm。0和10ppm之间观察到线性响应，R2＝0.998。所述测定还显示具有再现性；所述图显示了95％的置信区间。进一步的研究表明提供的Amplex Ultrared增强了荧光和灵敏度，并优于Amplex Red试剂而推荐使用。结果表明半乳糖衍生物可用于标记处理化学物质，因为它们也可被所述测定检测(图19)。
实施例15：干扰物对半乳糖测定的影响
通过制备2％水溶液然后连续稀释到0.2％、0.02％、0.002％和0.0002％而研究了各种可能的干扰试剂的影响。将这些溶液的每一种以50∶50的比例加入到10ppm的半乳糖中，因此半乳糖终浓度为5ppm。使用此方法研究的干扰物为阻垢剂(2种)、缓蚀剂、MEG、甲醇和原油。通过加入水来代替所述半乳糖溶液而制备对照。还对阻垢剂和缓蚀剂以及原油的不含任何工作液(加入50μl水代替)的其他对照进行了检测，这是为了测定这些样品的自身荧光。
结果(图20)表明低浓度的处理化学物质(为在所生产的流体中的预期浓度，例如＜100ppm的阻垢剂)对所述测定无不利影响。
实施例16：其他示踪剂对所述半乳糖测定的影响
为测定所述半乳测定是否能在其他示踪剂的存在下起作用，从而使得一次可使用多种标记，测定了在溶液中含有果糖、甘露糖或葡萄糖的影响。结果表明(图21)，果糖可被半乳糖氧化酶氧化，不适于与半乳糖一起使用，但甘露糖和葡萄糖不干扰所述测定并可在同一系统中用作示踪剂。
实施例17：半乳糖及衍生物的热稳定性
研究了半乳糖和辛基半乳糖的热稳定性。在去离子水和地层水中分别制备了半乳糖和辛基半乳糖溶液(50ppm，30mL)。将这些溶液分开，并用HCl将其中一个水样品和一个地层水样品的pH调节到2。将每种溶液取4.5mL置于1个用特氟龙胶带缠绕螺纹以防止蒸发的duran瓶中。将所述8个样品在100或120℃下加热20小时。在两次实验之间，将其余溶液保存在4℃。将每个样品稀释10倍后进行分析。
结果(图22)表明半乳糖及衍生物在直到100℃时都可以足够稳定，然而在高于此温度时观察到了浓度下降。
实施例18：黄嘌呤和次黄嘌呤的检测限
用于测定黄嘌呤和次黄嘌呤浓度的测定是市售的。此测定使用黄嘌呤氧化酶来催化次黄嘌呤或黄嘌呤氧化为尿酸和超氧化物。所述超氧化物自发降解为过氧化氢(H2O2)，过氧化氢在辣根过氧化物酶(HRP)的存在下与Amplex
Red按化学计量反应。所述反应生成荧光产物试卤灵，其可用荧光计或分光光度计检测。结果显示黄嘌呤的检测限低于0.16ppm(图23)并且次黄嘌呤的检测限大于0.02ppm(图24)。
实施例19.干扰物对黄嘌呤和次黄嘌呤测定的影响
通过制备2％水溶液然后连续稀释到0.2％、0.02％、0.002％和0.0002％而研究了各种可能的干扰试剂的影响。将这些溶液的每一种以50∶50的比例加入到12.5ppm的次黄嘌呤中，因此次黄嘌呤终浓度为6.25ppm。使用此方法研究的干扰物为两种阻垢剂、一种缓蚀剂、MEG、甲醇和原油。通过加入水来代替所述次黄嘌呤溶液而制备对照。还对阻垢剂和缓蚀剂以及原油的不含任何工作液(加入50μl水代替)的其他对照进行了检测，这是为了测定这些样品的自身荧光。
缓蚀剂和甲醇在所研究的最高浓度(10000ppm)下对测定具有不利作用；然而这些水平远高于实际系统中的预期水平(图25)。
实施例20：黄嘌呤和次黄嘌呤的热稳定性
研究了黄嘌呤和次黄嘌呤的热稳定性；在去离子水中制备了75ppm的溶液。将这些溶液分开，并用HCl将每种化合物的一个样品的pH调节到2。将每种溶液取4.5mL置于1个用特氟龙胶带缠绕螺纹以防止蒸发的duran瓶中。将所述样品在120℃下加热20小时。将其余溶液保存在25℃。将每个样品先10倍稀释至7.5ppm再进行分析。结果(图26)表明黄嘌呤和次黄嘌呤在酸性和中性pH下，在室温和120℃下均是稳定的。
Claims (35)
1.一种用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流动的示踪剂，其中所述示踪剂和生物大分子之间的相互作用产生可检测的信号。
2.权利要求1的示踪剂，其中所述生物大分子包含与所述示踪剂特异性相互作用的位点。
3.权利要求1或2的示踪剂，其中所述生物大分子和所述示踪剂结合成天然分子信号传导复合物的一部分。
4.权利要求1-3的示踪剂，其中所述可检测信号为光学信号。
5.权利要求1-4之一的示踪剂，其中所述可检测信号在向含有所述示踪剂和所述生物大分子的样品或流体中加入第二种分子时产生。
6.权利要求1-5之一的示踪剂，其中所述示踪剂是已知与特定天然生物大分子相互作用的小分子。
7.权利要求1-6之一的示踪剂，其中所述示踪剂包括：维生素——包括生物素、硒生物素或氧生物素，硫胺素，核黄素，烟酸(尼克酸)，泛酸，柠檬酸，钴胺素，叶酸，抗坏血酸，视黄醇，维生素C、D、E或K；萤光素；腔肠素；几丁质；氨基酸如组氨酸；或单糖，多糖和碳水化合物——包括阿拉伯糖、脱氧核糖、来苏糖、核酮糖、木糖、木酮糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖、核糖或海藻糖，咖啡因、咪唑啉、类固醇激素、氯丙嗪和cAMP，皮质醇，6-酮前列腺素，甲状腺素，三碘甲腺原氨酸，花色素苷，胆固醇，L-古洛糖酸-1，4-内酯，胆汁盐包括胆酸、鹅去氧胆酸、脱氧胆酸和甘油胆酸，类花生酸(前列腺素、前列环素、血栓素和白三烯)，半乳糖及衍生物——包括2-N-乙酰半乳糖、1-甲基-β-D-半乳糖、1-辛基-β-D-半乳糖，黄嘌呤和次黄嘌呤，儿茶酚胺例如肾上腺素和去甲肾上腺素，核苷酸例如腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、尿嘧啶，为单磷酸盐、二磷酸盐和三磷酸盐形式；并且根据所用示踪剂，所述结合的生物大分子选自：抗生物素蛋白及其功能类似物例如链霉亲和素、中性链亲和素和硝基链亲和素；硫胺素结合蛋白；核黄素结合蛋白(黄素蛋白)；烟酸结合蛋白；泛酸结合蛋白；柠檬酸结合蛋白；钴胺素结合蛋白；叶酸结合蛋白；抗坏血酸结合蛋白；视黄醇结合蛋白；维生素D结合蛋白如组特异性蛋白(Gc)；维生素E结合蛋白；维生素K结合蛋白；萤光素酶；腔肠动物萤光素酶；几丁质结合蛋白；组氨酸转运蛋白；阿拉伯糖结合蛋白；脱氧核糖结合蛋白；来苏糖结合蛋白；核酮糖结合蛋白；木糖结合蛋白；木酮糖结合蛋白；麦芽糖结合蛋白；葡萄糖结合蛋白；果糖结合蛋白；核糖结合蛋白；海藻糖结合蛋白或凝集素；咖啡因结合蛋白；咪唑啉结合蛋白；类固醇激素受体；氯丙嗪结合蛋白；cAMP结合蛋白；皮质醇结合蛋白；6-酮-前列腺素抗体包括标记的抗体例如水母发光蛋白或GFP标记的抗体；甲状腺素结合蛋白包括甲状腺素结合球蛋白、转甲状腺素蛋白和白蛋白；三碘甲腺原氨酸结合蛋白；谷胱甘肽-S-转移酶；胆固醇结合蛋白例如VIP21/窖蛋白和胆固醇氧化酶；L-古洛糖酸-1，4-内酯结合蛋白包括Rvl771、L-古洛糖酸-1，4-内酯脱氢酶和L-古洛糖酸-1，4-内酯氧化酶；谷胱甘肽-S-转移酶和胆汁结合蛋白包括回肠胆汁酸结合蛋白和肝脂肪酸结合蛋白，前列腺素受体包括PPARg，前列环素受体包括PTGIR和血栓素受体例如TXA2；L-抗坏血酸结合蛋白包括L-抗坏血酸氧化酶；半乳糖结合蛋白包括半乳糖氧化酶，黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤脱氢酶、磷酸核糖基转移酶、黄嘌呤结合RNA，儿茶酚胺调节蛋白(CRP40)、儿茶酚胺结合蛋白、肾上腺素能受体(α和β)、肾上腺素受体、去甲肾上腺素受体；核苷酸结合蛋白例如G蛋白和ATP结合蛋白。
8.权利要求1-7之一的示踪剂，其中所述示踪剂与至少一种处理物质结合，所述处理物质用于保持流体系统中的有效流动。
9.权利要求1-8之一的示踪剂，其中所述信号可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。
10.权利要求1-9之一的示踪剂，其中当存在生物大分子时，所述示踪剂可在至少1ppb的浓度下检测到。
11.权利要求1-11之一的示踪剂，其中所述示踪剂在需要高流动效率以实现高生产力的流体输导和容纳系统中使用。
12.权利要求1-12之一的示踪剂，其中所述系统选自油库和气库及其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。
13.一种监测流经一种流体输导和容纳系统的流体流动的方法，包括：
a)在所述系统中的第一位置加入预定量的至少一种权利要求1的示踪剂；
b)在所述系统中的至少第二位置向所述流体中加入权利要求7的生物大分子，所述第二位置在所述第一位置的下游，其中在所述第一位置的可检测示踪剂的预定量足以使在所述第二位置的可检测示踪剂的浓度高于1ppb的检测限，所述结合的生物大分子的浓度足以因所述可检测的示踪剂与所述生物大分子的特异性相互作用而在所述流体中产生可检测变化；
c)检测所述流体中的变化；
d)分析所测量的可检测变化以确定所述第二位置处的所述示踪剂的浓度；
e)使用在步骤d)中获得的数据来评估所述流体输导和容纳系统中的所述流体的流动特征。
14.权利要求13的方法，还包括从所述第二位置处采集流体样品的步骤。
15.权利要求14的方法，还包括处理所述样品以提高所述信号的可检测性的步骤。
16.权利要求14或15的方法，其中所述样品被浓缩、漂白、过滤或固定以提高所述信号的可检测性。
17.权利要求13-16之一的方法，其中所述示踪剂和所述生物大分子之间的相互作用产生光学信号。
18.权利要求13-17之一的方法，还包括在检测所述流体中的所述变化之前加入第二种分子的步骤。
19.权利要求18的方法，其中所述第二种检测分子与所述标记与所述生物大分子之间相互作用的化学产物反应。
20.权利要求19或20的方法，其中所述化学产物为过氧化氢。
21.权利要求18-20之一的方法，其中所述第二种检测分子为在过氧化物酶存在下的Amplex Red；在过氧化物酶存在下的酚红；在二甲酚橙存在下的亚铁离子；或者在过氧化物酶存在下的环状二酰基酰肼。
22.权利要求13-21之一的方法，其中监测多种示踪剂。
23.权利要求13-22之一的方法，其中在所述生物大分子的存在下，所述示踪剂可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。
24.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测离线进行。
25.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线内进行。
26.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线旁进行。
27.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线上进行。
28.权利要求13-23之一的方法，其中所述示踪剂与一种处理物质结合。
29.权利要求13-28之一的方法，还包括使用所获得的数据以告知将所述至少一种处理物质供给至所述系统中以保持所述处理物质的有效浓度的步骤。
30.权利要求13-29之一的方法，其中所述方法在需要高流动效率以实现高生产力的系统中实施。
31.权利要求13-30之一的方法，其中所述系统选自油库和气库及其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。
32.一种用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流体流动的试剂盒，包含：
a)权利要求1的示踪剂；和
b)根据所述试剂盒中所含的示踪剂而选择的生物大分子。
33.权利要求32的试剂盒，还包含用于从所述系统中采样的工具。
34.权利要求32或33的试剂盒，还包含第二种检测分子。
35.权利要求32-34之一的试剂盒，还包含选自荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统的光学检测器，或通过眼睛检测。
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