CN103861460B - 离心过滤器 - Google Patents

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Abstract

一种适合于浓缩液体样品，尤其是生物分子的过滤装置以及对液体样品进行浓缩、脱盐、净化和/或分馏的方法。在某些实施例中，该装置包括具有样品容器的外壳以及两个设置在外壳中的大致竖直定向且间隔开的隔膜。暗沟与各个隔膜相关，使得穿过各个隔膜的流体流过相应的暗沟而进入滤液收集室中，并可通过例如反向旋转步骤进行回收，获得大于约90%的回收率。隔膜的大致竖直的定向将可用的隔膜面积增加了常规的过滤装置中可获得的面积的至少2.7倍。双面板结构在末级过滤期间还保持了在使用时比单面板结构更多的可用隔膜面积。

Description

离心过滤器
本申请是于2010年3月24日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200880109473.8，国际申请号为PCT/US2008/010145，发明名称为“离心过滤器”)的分案申请。
本申请要求享有于2007年9月24日提交的美国专利申请No.11/903577的优先权，其发明公开通过引用而结合在本文中。
技术背景
离心过滤器可用于分离例如抗体酶、核酸和蛋白质的生物物质，以用于浓缩、脱盐、净化和分馏的目的。这些装置大多通常用于离心分离仪器中，其可由固定角度转子结构或摆动角度转子结构或可变角度转子结构组成。过滤工艺的速度和渗余物样品的回收被客户高度重视。通常通过除去隔膜胶囊(样品保持器)并使其在接收管中反向旋转而获得高于85%的样品回收值。
这种装置通常用于浓缩尿、血清、血浆和脑脊髓液。例如，尿中的特定蛋白质的测量可能对于诊断和处理各种疾病状态而言是重要的，而尿中这些蛋白质的含量时常太小，以至于在没有首先浓缩蛋白质的条件下检测不到。常规装置通常包括具有样品容器的外壳、密封在外壳中的过滤器以及用于收集浓缩样品的收集室，该过滤器使得样品在受到驱动力(例如离心作用)时必须穿过过滤器。
一些可从商业上获得的装置的示例包括可从Millipore公司获得的Microcon™型装置，在这种装置中，使用硅垫圈将圆形隔膜冲切、定位并夹紧在合适位置。还可从商业上获得Ultrafree™型装置，在这种装置中，将矩形隔膜冲切、定位并黏附地粘合在合适位置。将暗沟套管压配在合适位置，从而将隔膜紧固在合适位置。然而，套管可能破裂和泄漏，这可能是由发生在熔合线的应力导致的。
在授予Vassarotti的美国专利No.5647990中，公开了另一典型装置。Vassarotti公开了一种离心过滤装置，在这种装置中，过滤器布置在过滤室的侧壁中，并且，浓缩腔布置在过滤室的底壁中。在施加离心力时，产生力矢量，作用于样品中的大分子，并且扫掠过滤器表面，导致将大分子收集在远离过滤器表面的浓缩腔中。
在授予Miyagi等的美国专利No.4722792中，显示了又一典型装置，其公开了一种离心过滤器，其中，过滤器薄膜以相对于过滤器的轴线倾斜或平行的方式设置在样品室和过滤室之间，使得无论过滤器是用于角度转子型还是摆动转子型的离心机中，过滤器在运行期间均定位成相对于离心力倾斜或平行，以减少阻塞。
然而，常规装置受到各种缺陷的困扰，包括低于期望的回收、过滤速度和/或高价格。期望提供一种例如离心过滤装置的过滤装置，其在有竞争力的价格下提供了改善的回收和快速过滤时间。
发明内容
通过本发明，克服了现有技术的问题，这提供了一种尤其适合于浓缩液体样品，尤其是生物分子的过滤装置，以及一种浓缩、脱盐、净化和/或分馏液体样品的方法。更具体地说，在某些实施例中，该装置包括具有样品容器的外壳以及两个设置在外壳中的大致竖直定向且间隔开的隔膜。暗沟与各个隔膜相关，使得穿过各个隔膜的流体流过相应的暗沟而进入滤液收集室中。未穿过隔膜的流体收集在渗余物收集室中，并可通过例如反向旋转步骤而回收，获得大于约90%的回收率。隔膜的大致竖直的定向将可用隔膜面积增加了常规的MicroconTM过滤装置中的可获得的面积的至少2.7倍。双面板结构在末级过滤期间还保持了在使用时比单面板结构更多的可用隔膜面积。当渗余物样品变得更浓缩且隔膜表面污垢增加，隔膜内部污垢增加，且流体高度下降时，在末级过滤期间最需要活性隔膜面积。优选装置外壳由低成本的材料制成，具有较低的特定蛋白结合性质，并且是一次性的。
通常按以下方式来使用这种类型的过滤装置：
1．将样品保持容器插入到小瓶中。
2．在不使隔膜与吸移管尖端接触的条件下，将溶液吸移到样品保持容器(例如，0.5ml最大容积)中。
3．将组件放置在兼容的离心机中，并使转子与类似的装置平衡。
4．使用供应商的“离心指南”，使装置旋转正确的旋转时间和速度。
5．从离心机除去组件。使小瓶与样品保持容器分离。
6．将样品保持容器倒置于新的小瓶中，不容许任何渗余物掉落，然后，在1000xG(或简称为脉冲)下将组件旋转例如3分钟，以将浓缩物转移至小瓶中。
7．从离心机除去该组件。使样品保持容器与小瓶分离。将密封盖卡扣到小瓶上，并以可靠的方式储存产品，以用于以后使用。
离心过滤的一般的工艺流程图。
在某些实施例中，提供了一种过滤装置保持器，例如小瓶，使得过滤装置(样品保持器)可以在一个定向上定位在装置保持器中，以用于样品浓缩，并可以在另一个定向(倒置)上定位在装置保持器中，以用于样品回收。
附图说明
图1是根据某些实施例的过滤器外壳的竖直定向的横截侧面图；
图2是根据某些实施例的过滤器外壳的成角度定向的横截正面图；
图3是根据某些实施例的过滤器外壳的等轴定向的分解图；
图4是根据某些实施例的过滤器外壳的侧面板的内表面的等轴视图；
图5是图4的侧面板的外表面的等轴视图；
图6是根据某些实施例的过滤器外壳的侧面板的竖直定向的横截面图；
图7是根据某些实施例的装置保持器或小瓶的竖直定向的横截面图；
图8是装置保持器的成角度定向的横截面图，显示了根据某些实施例的以旋转模式包含最大体积的渗余物流体和滤液流体的过滤装置；
图9是包含根据某些实施例的反向旋转模式下的过滤装置的装置保持器的成角度定向的横截面图；
图10是显示了成型工艺期间的装置保持器的位置的示意图；
图11是根据某些实施例的织构化暗沟设计的等轴视图；
图12是根据某些实施例的具有对角线-定向的流通道的织构化暗沟设计的等轴视图；
图13是根据某些实施例的织构化暗沟设计的等轴视图，该织构化暗沟设计具有形成流通道的凸起的圆柱形突出物；
图14是根据某些实施例的织构化暗沟设计的等轴视图，该织构化暗沟设计具有形成流通道的凸起的多边形突出物；
图15是根据某些实施例的使用五个不同的隔膜-装置结构(3kDa MWCO、10kDaMWCO、30kDa MWCO、50kDa MWCO以及100kDa MWCO)而制成的装置的水流性能试验的结果的曲线图；
图16显示了作为在14000Gs下的旋转时间的函数的30kDa MWCO和50kDa MWCO装置以及可比的Microcon™装置的水渗余物体积的曲线图；
图17是显示了用所有五个隔膜-装置结构制成的可接受的装置的气流泄漏的典型值均小于0.35立方厘米(cc)/分钟的曲线图；
图18是显示了二次成型工艺以表现出可接受的压力完整性的方式成功地将两个面板粘合成单个装置的曲线图；
图19是显示了平均蛋白质通过(不应通过的蛋白质)水平小于5%的曲线图，这被认为是可接受的性能水平；
图20是显示了对于进行试验的装置而言，所回收的平均蛋白质超过90%的曲线图，这被认为是可接受的性能水平；
图21是显示了当使用反向旋转工序时，对于这些装置而言，所回收的样品的平均总体积大于98%的曲线图；
图22是显示了当这些装置旋转10分钟时，所测量的平均死体积的结果的曲线图；
图23是二次成型的夹套的底视图，其描述了与样品保持器的整体几何形状相比的宽凸缘特征的相对比例；
图24是二次成型的夹套的侧视图，其描述了与样品保持器的整体几何形状相比的宽凸缘特征的相对比例；
图25是样品保持器的侧视图，其描述了在宽凸缘之间所需的确保旋转运行期间的滤液的充分排出的排出孔的位置和空间；
图26是用作工艺的一部分以将两个面板二次成型成一个装置的核心销的等轴视图；以及
图27是包括用于面板的对准槽的热密封巢的等轴视图。
具体实施方式
首先转到图1，其显示了过滤装置10。如图所示，装置10包括接收未过滤的样品的样品容器11以及各布置于装置10的侧壁上的第一隔膜12A和第二隔膜12B。限定死体积(dead-stop volume)的渗余物室14设在隔膜12A和12B之下。可提供通常为弧形并从装置的底部周边向外突出的收集尖端30(图2)，以将死体积定位于装置的中心线，并接下来减少随着离心机的定向角度变化的死体积的变化。优选装置10由固体材料制成，这种材料是液体不可渗透的，具有低的蛋白质结合特性，并足够坚固以承受在离心期间所施加的重力(Gs)。合适的材料包括丙烯酸树脂、CYROLITE G20 HiFlo树脂、ESTAR HN631树脂以及KRATON聚合物。侧面板15A、15B(图3)具体地可由透明塑料材料制成，这可使操作员或用户看到装置的内腔，从而确定过滤工艺之前和之后的流体水平。
优选通过将两个平的隔膜片附接到侧面板15A、15B(图3)上而形成装置10，该侧面板然后被二次成型成装置外壳。侧面板15A(图4)包括暗沟支撑部16，该暗沟支撑部支撑隔膜，并提供通向渗余物室14的流体连通。例如，暗沟支撑部16可包括一系列间隔开的纵向槽、通道或表面织构，这些纵向槽、通道或表面织构位于隔膜之下，以在滤液穿过隔膜时捕获滤液，并将其引向排出孔，并引入到接收小瓶中。侧面板15B类似地构成。各个隔膜被密封在相应的侧面板15A、15B上，从而只有穿过隔膜的流体可离开装置的位于侧面板中的排出孔。
在某些实施例中，各个隔膜12A、12B与相应的暗沟支撑部16共同延伸，并密封在其上。暗沟的几何形状旨在支撑隔膜，并尽可能将其保持平坦，同时，容许隔膜之下的足够的开放空间，从而可使流体流动并穿过装置的排出孔18。优选尽可能将液压流体阻力保持得低。
图11、12、13和14显示了暗沟的合适的织构化表面图案的示例，例如凸起的圆柱形突起物16(图13)或者从面板的背侧向上突出的多小面的柱体。突起物的顶面间隔地接触并支撑隔膜，这减小了高压期间的隔膜的平面内拉伸，该高压是在离心旋转运行期间产生的。这些还支撑隔膜，并容许流体在隔膜之下流动，并流出排出孔18。当暗沟的几何形状不足以支撑隔膜时，隔膜的孔可能拉伸并变得伸长。这样，这些放大的孔的尺寸有损于隔膜的保持特性。图11的实施例是一系列凸起的不规则形状16。图12的实施例是形成凸起的平行四边形16的交叉图案。图14的实施例是也可用于形成暗沟结构的凸起的突起物16的六边形图案。本领域中的技术人员将懂得，这些图案仅是示例，并且，其它合适的图案也在本发明的范围内。
合适的隔膜包括微孔型和超微孔型隔膜，后者对于超过滤是有用的。再生式纤维束超过滤隔膜(例如，可从Millipore Corporation of Bedford, Mass获得的“UltracelAmicon YM”和“Ultracel PL”隔膜)非常适合于对极度稀释或疏水的样品液体进行浓缩或脱盐的装置。使用具有“紧密”的微结构的亲水性隔膜促进了对低吸附性蛋白质、DNA以及其它大分子的良好的保持性。聚醚砜(polyethersulfone)超过滤隔膜(例如，也可从Millipore Corporation获得的“Amicon PM”和“Biomax PB”)或其它具有适合于快速分离的“开放的”微结构的相似隔膜，更适合于对例如血清、血浆和经过调节的组织培养液的更加浓缩的样品液体进行浓缩和脱盐的装置。
优选各个隔膜12A、12B(图1)相对于装置10的纵向中心线而定向在微小的角度上，使得各个隔膜的顶部比隔膜的底部相对于纵向中心线而间隔开更大的距离。形成了漏斗形结构。因此，将各个隔膜定位利用了离心期间的切向流效应。已经发现大于约0˚且小于约5˚，优选为约3˚的角度是合适的。
渐缩的并列的双隔膜设计还具有固有的自清洁的特征，减少离心期间的隔膜污垢的量。
渐缩的并列的设计还可使吸移管尖端易于从顶部配合到样品保持器中，并向下到达装置的底部。这种装置的用户通常将使用：a)吸移管尖端来提取已经累积在装置的底部中的所需的渗余物体积，或b)使装置在小瓶或类似的保持器中反向旋转。包含渗余物样品的装置的底部处的空间通常被称为死体积。
如图3和图5中所见，各个侧面板15A、15B包括一个或多个排出孔18，该排出孔与渗余物室14保持流体连通，并可使滤液穿过装置外壳10，以收集在例如小瓶75的另一外壳中(图7)。在所显示的实施例中，在这两个面板的各个中显示了四个这种排出孔，但本发明并不局限于此。优选各个排出孔18位于相应的暗沟槽或通道的底部，并优选具有大致圆形的横截面。排出孔应位于离面板15A、15B的侧边的足够的距离处，使得孔在热密封运行期间不会收缩或发生其它有害的变化，该热密封可用于装置制造期间。优选排出孔18是彼此等间隔的，并且是共线的。
优选侧面板15A、15B相同，并且构造成彼此卡扣配合或压配合。优选使用迷宫式密封将侧面板彼此密封。为此，示范性的迷宫式密封是一种肋位于槽中的结构，其中，各个侧面板包括沿着其内边缘而形成的槽19以及沿着其另一内边缘而形成的肋20(图4)。槽19和肋20构造成当侧面板15A与侧面板15B对准时，侧面板15A的肋19和侧面板15B的槽20相接合，并且侧面板15B的肋19和侧面板15A的槽20相接合，从而将侧面板锁定在一起。这种迷宫式结构有助于确保面板在二次成型之前和整个二次成型工艺之中对称地对准；其有助于保持在模芯上，并因而促进了自动装配，并使装配过程更能抵抗机器故障。迷宫式对准还起到塑料流陷阱的作用，防止二次成型的材料进入样品体积中。槽19可包括一个或多个带有更深的凹部的部分，其分别接收槽上的具有更高突起物的相对应的部分，从而促进这两个面板之间的卡扣配合。本领域中的技术人员应该懂得其它产生卡扣配合或压配合以及密封的设计在本发明的要旨和范围内，例如与一系列间隔开的井槽相配合的一系列间隔开的突起物。
对准暗销86和87(图3)一体地成型到各面板的外表面中，以使面板精确地对准在塞孔固定器中的对准孔中，该嵌套固定器用于在隔膜附接和自动化选放期间将装置保持在合适位置。自动化工艺可用于将面板移动到隔膜附接模块、隔膜对准模块、二次成型模块以及工艺中的质量检查模块中。其中一个暗销设计成将面板固定在塞孔108中的合适位置(图27)，而第二暗销87容许面板由于处理期间可能发生的热膨胀效应而在一个方向上生长。暗销还提供手指抓握特征，该手指抓握特征使操作员在戴着弹性手套时舒适地抓握装置，该装置可用水或清洁溶剂来处理，并且在操控期间仍然可能是湿润的。突出的暗销还有助于防止装置偶然地滑出用户的手。
图3显示了使用二次成型工艺来制造装置10。侧面板15A、15B还可包括成型的上凸缘17和侧凸缘110，其有助于将二次成型的夹套机械地捕获在面板上。凸缘17和凸缘110形成了锚定，该锚定用于将面板紧固在二次成型的塑料上，因而形成整体且坚固的装置。这提高了对圆周应力故障和装置-爆裂压力的抗性。实际上，已经显示了所述装置可承受大于约250psi(图18)的压力，远高于有效运行所必须的30至80psi的压力。优选面板由具有比二次成型材料的熔融温度更高的熔融温度的聚合物制成。这些材料可包括：聚苯乙烯、丙烯酸树脂、苯乙烯丁二烯共聚物、苯乙烯丙烯晴、CYROLITE G20 HiFlo树脂、ESTAR HN631树脂和KRATON聚合物。这些材料可使二次成型工艺更坚固，使得进入预成型的材料中的热传递不导致预成型的部件的几何形状的热变形，该热变形有损于装置的整体形式、配合以及功能。
二次成型的夹套111(图3)可包括一体的宽凸缘88，以有助于在离心期间将小瓶壁的横截面保持为圆形状。夹套通过热塑性材料的热熔合与面板凸缘17和凸缘110的机械互锁的结合而将这两个面板附接在一起。夹套开始于样品保持器89的顶部(图1)，在此将流体添加到装置，并在例如离心旋转期间使用小瓶盖80(图7和图8)来关闭装置。夹套89的内径(图1)以连续的方式围绕一个核心销102而形成(图26)，这有助于确保可接受的盖封81的尺寸控制(图7和图8)。在外表面91上(图1)沿着装置的纵轴使用了分模线，但不沿着内径使用分模线，以防止“分模线不对准”。分模线不对准通常发生在模具设计成打开成两半时。消除二次成型的内径上的分模线有助于确保在盖和装置之间不产生不需要的间隙。这些间隙的缺乏有助于确保样品保持器和小瓶盖处的可接受的流体密封的形式、配合以及作用。
夹套包括二次成型材料，该二次成型材料从样品保持器(图2)的顶部112至底部边缘113保持相同的直径。夹套的底部边缘包括一体的宽凸缘88(图3)，该宽凸缘机械地接触接收小瓶85(图7)的内径，并将样品保持器保持在小瓶中。这种特征通过将由装置产生的负荷或应力分布到接收小瓶的肩部中而促进了离心机中的高速旋转运行。
图23和图24显示了与样品保持器的整体几何形状相比的一体的宽凸缘特征88的相对比例。侧视图显示了宽凸缘特征88的宽度(图24)(例如，0.250英寸)宽于二次成型密封件115的宽度(例如，0.144英寸)，该二次成型密封件将两个面板熔合成一个装置。宽凸缘88的宽度需要至少为样品保持器的外径116的65%(图24)，以确保应力充分地分布并传递至小瓶的支撑轮缘85(图7)。宽凸缘88的宽度应至少不超过样品保持器的外径的80%，因为必须有足够的空间117(图25)以用于滤液排出排出孔18。
宽凸缘特征88的过渡部分118(图25)开始于二次成型密封件119上的位置，其近似地等于装置的直径的一半。来自二次成型密封件的过渡曲线是有意渐进的，从而减小应力集中。宽凸缘特征88的外径与样品保持器的顶部轮缘处的外径相同。这种特征可使样品保持器在相同的接收小瓶中倒置并旋转，如图9中所示。
宽凸缘88提供了足够的材料支撑，以在可能等于和大于10,000Gs的离心旋转运行期间将装置保持在合适位置。实验已经显示了这种扩张的特征可使装置在高达16,000Gs的离心旋转负荷下无损伤地旋转一小时。当不使用这种扩张的特征时，一些装置发生塑性变形，并碎裂到接收小瓶的底部。装置的故障分析显示了需要扩张的几何形状，以将小瓶壁尽可能地保持圆形，并将装置和小瓶的支撑轮缘85之间的接触应力分布在小瓶的塑性屈服应力之下。
装置89的顶部处的二次成型的壁的壁厚(图1)需要足够厚，以防止由于由小瓶盖80在离心旋转工艺期间所产生的应力而发生撕裂。合适的厚度是0.044英寸。当将小瓶盖80按压到样品保持器上以建立液体密封时，产生了圆周应力。当装置在离心机中以产生16,000Gs或更大的速度旋转时，盖子的质量与卡扣配合特征一起在样品保持器中产生了拉伸的圆周应力。如果这些应力足够高，那么，样品保持器的侧壁沿着熔合线而破裂。熔合线是指两个或多个熔融的塑料流在二次成型工艺期间相遇并熔合在一起处的接缝。
可使用不同的着色添加剂来制成二次成型的夹套111(图3)，该着色添加剂可使不同的装置结构通过颜色来区分。
为了确保装置不破裂，样品保持器的壁必须足够厚，以防止：a)弹性变形，其将使盖子打开-这是不期望的，以及b)塑性变形和裂开，其将容许样品流体泄漏-这也是不期望的。对于低蛋白质结合材料的选择-苯乙烯丁二烯共聚物-发现至少0.035英寸的壁厚是合适的。
当壁厚89(图1)增加时，样品保持器的内部容积(图1)被减少至不合适的水平。小于0.45ul的样品体积商业上是不合适的。具有高达0.5ul样品体积的装置被认为是期望的，并具有战略上的商业价值。
在一些试验情况下，在二次成型期间将模具底座的温度从90˚F增加至125˚F，以更有效地将熔合线熔合在一起，以达到更大的强度。必须小心地确保任何所用的额外的热不导致面板的底部熔化和碎裂–这是不期望的。
该装置的两个面板需要足够厚，并足够坚硬，以支撑面板的前端处和面板的中心处的二次成型的压力。使用当前的几何形状和苯乙烯-丁二烯材料的实验揭示了需要至少0.0585英寸的壁厚，以防止不可接受的变形和碎裂。在将面板二次成型成完整的装置的工艺期间，即使面板由钢制的核心销102支撑(图26)，也需要这种厚度和合适的壁强度。最靠近隔膜表面103的销的表面被缓和，以确保隔膜决不与核心销102发生接触(图26)。当隔膜与核心销接触时，隔膜的保持层可能受到损伤，并且，当从二次成型模具中抽出部件时，可能被刮擦。
为了防止隔膜被拉离面板并被核心销102的表面刮擦，将销制成为具有排气孔104，该排气孔可使空气从模腔通过核心销的中心而被抽出。这种独特的核心销设计能够以不加压且不将附接的隔膜从面板吹落的方式对装置进行二次成型。
必须特别注意二次成型腔中的冷却端口的设计。在一些实验期间，已经观察到当由90˚F的基底模具的温度所衡量的二次成型材料的温度仅增加35˚F而达到125˚F时，流入到面板中的额外的热导致它们开始熔化并碎裂在核心销上。在最极端的情况下，预成型的面板发生足够的变形，以完全封住排出孔。在一些情况下，热效应足以容许面板轻微移动而远离二次成型腔，并容许塑料泄漏，且流到面板的外壁上。在一些情况下，泄漏足够小，使得装置仍具有良好的品质。在最坏的情况下，塑料一直流到排出孔，并部分地填充排出孔。这被认为是不期望的，因为穿过排出孔的流受到限制。
通过改善模腔和核心销的冷却并通过在塑料注入端口92处使用阀式浇口(图1和图23)而不是使用窄的缝隙内浇口，可克服热对预成型的面板的负面影响。窄的缝隙内浇口在塑料中产生了高水平的剪切流，这产生更多的热。通过使用具有更大的横截流动面积的阀式浇口，可减少这些剪切流。这种增加的面积减少了剪切加热影响，并可使二次成型腔更容易被填充。
阀式浇口使用注模来引导溶化的塑料聚合物从热的滑槽流入模腔中。为了取得最佳的成型结果，应将这种聚合物流引向模腔中的固体表面，例如核心销95(图10)和105(图26)。该流需要被拆成湍流，以防止材料流的痕迹和喷射，其可能使最终部件的表面变得粗糙。
通过将冷却管线更接近部件表面地放置，并通过在核心销中包括冷却管线，也可克服二次成型热的负面影响。这通常可通过使用例如水或丙二醇溶液的典型的冷却流体来实现。
还可通过使用具有更高的热导率值的模具嵌件来克服热的负面影响。具有更高的热导率的材料将比使用具有更低的热导率的材料时更有效地从部件抽离热。这些嵌件通常固定在模腔中，并比使用一种类型的钢时更有效地有助于传递热远离预成型件。通常可使用例如铍、铜和铝的金属来制成嵌件。
图10显示了如何通过在面板的外表面上添加用作密封的突起物93而克服可能发生在面板的前端中的泄漏。该密封特征可一体地成型到面板的外表面中，并类似于机械的O形密封圈而起作用。当二次成型腔封闭面板时，模腔壁与一体地成型的密封特征紧密接触。该密封有助于防止塑料泄漏到样品保持器的排出孔18中。
优选核心销102(图26)由硬化的钢材料制成。虽然使用由硬化至32-34 Rc的洛氏硬度的P20钢制成的核心销可能足以成功地制作少量的装置，但是核心销最终可能变形，这有损于由外壳-爆裂压力所衡量的装置的外壳-爆裂强度。因此，优选核心销材料是硬化至53-54 Rc的洛氏硬度的更耐用的H13钢。因而，核心销的材料硬度和几何形状的设计需要被仔细地控制，以在商业规模上成功地制造该装置。
在二次成型工艺期间，控制以下因素以确保制成良好的装置也是非常重要的：
A．核心销的设计和形状必须以核心销表面103(图26)不与隔膜的保持表面接触且不损伤隔膜的保持表面的方式牢固地保持面板。
B．针对核心销的设计、形状和材料选择必须确保在连续的成型运行期间获得充分的冷却。不充分的冷却将导致面板的热变形。
C．针对核心销的设计、形状和材料选择必须还确保在连续的成型运行期间不发生不期望的偏转。通过在核心销的设计中包括支撑把手106而成功地获得刚性，支撑把手使整体设计硬化并减少了横向偏转。核心销102的末端105必须足够强且足够硬，以将面板的前端推入成二次成型，并使面板恰当地定位在模腔96中，从而防止面板在二次成型期间被推离注入阀浇口97。
D．必须减小位于预成型的面板中的支撑对准暗销和二次成型的面板中的凹部99之间的间隙98(图10)。这对于防止面板在二次成型运行期间移动远离注入阀浇口而言是需要的。
E．必须仔细地控制预成型的面板和二次成型腔之间的间隙100(图10)并将其保持在最小值，从而防止二次成型材料沿着面板外壁的不期望的泄漏。
F．必须非常仔细地控制面板和二次成型腔之间的密封接口的尺寸，以确保良好的切断品质，这将防止塑料泄漏到排出孔18(图3)和隔膜区域12A和12B中(图1)。
G．调整用于二次成型的工艺参数可向着防止聚合物材料在面板和二次成型腔之间的密封接口处发生不合适的泄漏的倾向提供渐进的改善。这些工艺参数包括：a)成型期间的树脂停止温度、b)模具底座的温度，以及c)成型期间的背压的使用。然而，对这些工艺参数做出调整并不能替代恰当地调整面板和二次成型腔之间的密封接口的尺寸。
H．核心销的尺寸和形状必须确保在核心销102的表面103(图26)与附接到面板上的隔膜12A和12B(图1)之间存在足够的间隙，从而确保这两者在二次成型工艺期间不接触。任何接触可能对隔膜的保持层导致严重的损伤，这可能有损于装置的整体性能。
I．核心销的尺寸和形状必须还确保在核心销102的尖端105处存在具有足够间隙的凹腔107(图26)，以支撑一体地成型到各个面板的尖端中的圆顶特征25(图1和图6)。
为了制成良好的预成型的面板，注模阀式浇口需要定位在面板的靠近排出孔的前端92(图23)上，以确保整个装置的最佳的结构一体性。将阀门放置于面板的前端可使塑料流入到模中，并优选将材料熔合线定位在暗沟结构中，并且，不越过隔膜附接的区域。容许熔合线发生在隔膜附接位置有损于装置的保持性能。用于附接隔膜材料的加热工艺可能导致熔合线以不期望的方式打开，这容许流体在密封件周围发生泄漏。
使用自动的匹配的模组来对隔膜挂片进行冲切，从而获得所需的挂片到挂片的尺寸精度。自动化冲切、拾取和安放、挂片的热密封的工艺对于制造这些装置而言是非常重要的。自动化工艺有助于减少可能对隔膜挂片的保持层发生的表面损伤。与使用手工的制造工艺相比，自动化工艺还有助于减少制造这些装置的劳动量。当使用自动化制造工艺时，还减少了操作员差异性的负面影响。
样品保持器装置的上缘89(图1)应被进行特殊设计，以在二次成型期间形成连续的轮缘。在一个核心销102(图26)上必须形成样品保持器的内径90，这确保形成一个平滑且一致的密封面。这确保在样品保持器和小瓶盖之间获得良好的密封品质。因为二次成型的设计要求能够使用组合模，所以用于模的一半的分模线应定位成远离塑料熔合线90度。该设计有助于防止残余的成型应力、熔合线以及分模线的对准。该特征可使样品保持器在离心旋转期间承受更高的应力。更高的抗应力能力允许使用更高的旋转速度，这能够获得更短的过滤时间。这些组合的特征为客户提供了有独特价值的提议。
迷宫式密封特征19和20(图4)被特别地设计到各个面板的边缘中，从而：a)促进两个面板15A和15B(图3)在装配期间的对准，并且，b)在二次成型期间控制和防止塑料的不期望的进入。如上所述，示范性的迷宫式密封特征包括位于面板的中心线20(图4)的一侧的凸起的几何形状和位于中心线的另一侧的相同的凹入的几何形状19(图4)。优选该特征的形状关于面板的中心轴线是对称的，这实现了使用一个模腔来制成装配到一个装置中的两个面板。这有助于减少必须成型两个分开的面板以取得相同组件的成本。密封特征还在两个装配面板的内部容积和包围面板的外部空间之间产生了曲折的路径。曲折的路径有助于当二次成型模具关闭时，密封面板的边缘，这可使二次成型的塑料流动，并这两个面板密封在一起。该曲折的路径有助于防止二次成型的塑料流入样品保持器的内部容积中。
面板上的排出孔18的形状和位置经过特殊设计，以有助于在死体积、可接受的流体流以及可接受的模耐用性等方面获得低的差异。用于形成排出孔的核心销被设计成在各个侧面上具有5度的斜度。该斜度改善了销的强度，并可使销容易地脱离成型的面板。斜度还产生渐缩孔，使得孔的更开放的一侧被放置于面板的内部。排出孔在横截面上依然为大致圆形。孔随着流体向着排放表面移动并离开装置而变窄。通过利用射留缩效应，该渐缩的孔有助于改善穿过排出孔的流体流。
射留缩效应描述了穿过孔的层状的流体流，其中，伯努里方程预测了流体流的横截面积随着牛顿流体穿过孔而变窄或缩颈。当孔的表面遵循流体流的流线时，流体流变得更有效。发生更少的流分离，这减少了再循环的流体流的发生率。减少再循环的流体流可有助于减少流体流中的夹带气泡的形成，该气泡可能导致发泡。接收小瓶中的滤液的发泡是不期望的，因为当离心机停止时，这可能导致流体通过毛细作用而返回样品保持器中。
渗余物室14(图4)限定了收集并可回收渗余物样品的死体积。优选渗余物室包括从内壁突出的三维不连续部，例如土丘形突起物25(例如图4和6)，从而有助于使死体积位于装置的中心线，并减少随着离心机的定向角度的变化的死体积的变化。更具体地说，样品保持器的底部处的漏斗形结构和不连续部有助于将渗余物流体定位到死体积的底部处的更小空间内。将该流体定位到更小的空间中促进了当使用吸移管时更完全地从装置除去流体。如果在装置中不使用该几何形状，那么，用户将必须使用一个或多个通道而在死体积的底部来回地移动吸移管管理器。另外，漏斗形结构和不连续部还减少了当样品保持器以不同的角度定向在离心机中时所发生的死体积的变化。
例如土丘形突起物的不连续部25的高度和形状被如下地确定。样品保持器放置在接收管中，并在两个自由度上不同地进行定向。在第一自由度上，装置的中心线轴与用于离心的固定角度转子的定向对准。固定角度通常在离竖直位置的35至45度之间。通过试错法，可确定不连续部的最佳高度和形状，这实现了死体积的最小变化。
在第二自由度上，样品保持器被放置在接收管中，并被放置在固定角度转子中。在这些条件下，样品保持器仍可在1˚至360˚之间的无数个角度下围绕其中心线轴而旋转。因此，选择了其中两个最极端的定向；a)将两个隔膜平面尽可能竖直地定位的前定向，以及b)将两个隔膜平面尽可能接近转子角度进行定位的侧定向，转子角度通常可在35至45度之间。同样，通过试错法，可确定突起物的高度和形状，这实现了死体积的最小变化。
泪珠形25的一个合适的高度是0.020英寸。
表2概括了将根据本发明的某些实施例的离心装置的性能与常规的MilliporeMicrocon®装置的性能进行比较的试验结果。对于该试验考虑了两种不同的隔膜结构：30kDa隔膜和50kDa隔膜。结果显示，如预计的那样，由于增加了可用的隔膜面积，所以本装置过滤水比Microcon®装置快得多。曲线图显示Microcon®装置继续过滤水，直至达到没有水残留在过滤器的上游的干燥条件。本装置继续过滤水，直至达到设计的死体积。这些数据证实了本装置可用于将样品过滤并浓缩至特定的死体积，而无须担心过滤至可能有损于样品回收的干燥。
在某些实施例中，使用反向旋转运行回收渗余物，其中，装置10(图9)以倒置的方式被放置在例如小瓶的装置保持器75或者其它合适的外壳中，并受到例如离心作用的驱动力，迫使渗余物流体从渗余物室14进入装置保持器75中。如图9中最佳所示，优选装置保持器75在横截面上是圆柱形的，其直径足够宽，以在正向旋转模式(图8)和反向旋转模式(图9)容纳过滤装置10。优选过滤装置10紧密地配合在装置保持器75中。装置保持器10可包括肩部85，该肩部优选为环形，并用于形成保持器75的较小的内径部分，从而提供挡块，限制过滤装置可插入到保持器10(处于旋转模式或反向旋转模式)中的程度。因而，在图8的旋转模式下，过滤装置10的上凸缘76保留在保持器75的外部，在图9的反向旋转模式下，装置10的底部部分如图所示地保留在保持器75的外部。当过滤装置10如此地定位于装置保持器75中时，在过滤装置10之下应保留足够的容积77以在反向旋转运行期间接收所获得的足够的液体产品。
小瓶内的肩部的设计和形状对于装置的形状配合和功能而言是非常重要的。当使用连续的周向环85的设计时，可达到最高水平的离心负荷。当使用不连续的肩部设计时，较低水平的离心负载是可能的。该较低的容量减少了在离心机中以更高的速度执行过滤运行的能力。
优选装置保持器或接收小瓶包括盖子80，该盖子如图所示地一体地安装在保持器10上。盖子的尺寸定制成，当过滤装置10不定位于保持器中时，可盖住装置保持器75，当过滤装置10如图8所示地以旋转模式定位于保持器中时，可盖住过滤装置10。为此，盖80可包括较小的第一圆柱形部分81和较大的第二圆柱形部分82，第一圆柱形部分具有比装置保持器顶部和过滤装置顶部的内径略小的外径，第二圆柱形部分具有大于较小的第一圆柱形部分81的外径的外径。优选较大的圆柱形部分82(图9)的直径仍然足够小，以配合在装置保持器75(图7)之内，但也足够大，从而不配合在过滤装置10(图8)之内。优选凹入的回转容积90形成到样品保持器10的内径中(图1)。该凹部形成了凹腔，其促进了小瓶盖80的插入、保持和卡扣配合。
离心时间没有特别的限制，并通常在约1分钟至10分钟之间的范围内。过滤装置和装置保持器75能够以套装的形式与装配和使用说明一起被提供至最终用户。
在某些实施例中，可通过插入吸移管管理器并将尖端插入外壳中，更具体地说插入渗余物室14中，以及从中除去滤液，从而完成样品回收。
一种用于制造根据某些实施例的装置的合适的工艺如下：
1) 预先成型面板。
2) 从隔膜卷冲切出隔膜挂片
3) 使用热、压力以及时间将挂片定位在面板上，并定位在面板上的合适位置。
4) 在视觉上检查所形成的子组件，以确保面板上的挂片的恰当对准、挂片附接的整体质量以及不存在灰尘和外来碎屑。
5) 将面板-子部件放置到二次成型模具的A腔96(图10)和B腔(图10)中。
6) 关闭二次成型模具的A侧和B侧，从而使面板接触并密封面板的迷宫边缘。
7) 将核心销以这样的方式插入到二次成型腔中，即，a)将面板推入二次成型模具的底部中，并固定在合适位置，b)所附接的隔膜挂片没有受到损伤，以及c)保持最终装置的尺寸要求。
8) 将二次成型塑料注入到模腔中。
9) 打开二次成型模具，并从A和B中的模腔收回装置。
10) 从核心销拔出装置。
11) 使用气体压力衰减仪器来检验隔膜附接工艺的完整性。
12) 将装置输送给仪器，并成功地将分度标记打印到装置的侧面上。
13) 将装置封装到经过适当设计的柔性袋和纸盒中。
一种使用该装置来浓缩样品的合适的工艺包括以下步骤：
1) 从其包装中取出样品保持装置和接收小瓶。
2) 将样品保持装置插入到接收小瓶中。
3) 在使隔膜不与吸移管尖端相接触的条件下，将样品溶液吸移到样品保持容器(例如，0.5ml最大值)中。将附接到接收小瓶上的盖拉至样品保持装置之上，并卡扣配合在合适位置，从而确保在盖和样品保持器之间的良好的密封。
4) 将样品保持装置和容器放置到兼容的离心机中，并仔细使转子与类似的装置平衡。
5) 使用供应商的“离心指南”，使装置在离心机中旋转用于应用的正确的旋转时间和速度。
6) 在完成该旋转工艺之后，从离心机除去样品保持器和容器。通过在没有溅出样品保持器或容器的内容物的条件下，将样品保持装置提起并提出容器，从而使小瓶与样品保持装置分离。
7) 在不容许任何渗余物体积14掉落或损失的条件下，将样品保持容器倒置于新的接收小瓶中。使样品保持器和小瓶组件在1000x Gs(或简称为脉冲)下旋转3分钟，以将浓缩物转移至小瓶。
8) 从离心机除去样品保持器和小瓶。使样品保持装置与小瓶分离。将盖卡扣到接收小瓶上，并以可靠的方式储存产品，以用于以后使用。
图15和表1显示了使用前述的过滤工艺的水流性能试验的结果。这些结果证实了该装置如期望地成功地过滤水样品，并将样品浓缩至特定的死体积。该装置不容许样品过滤至干燥。不是过滤至干燥，而是样品浓缩到位于样品保持装置的底部的死体积，并可使用吸移管或反向旋转运行来除去渗余物。数据还显示了与具有较少的开放隔膜结构的装置，例如包含3kDa MWCO隔膜的装置相比，更多的开放隔膜结构，例如100K装置具有更快的流速。
在没有将样品干燥的风险的条件下，将样品溶液浓缩至已知的浓度体积或死体积的能力向用户传递了重要的价值。使用该装置，客户能够以不需要他们连续地监视浓缩工艺的可靠方式浓缩他们的样品。基本上，他们可将离心机打开规定的时间周期，走开，并确信地知道其样品将如期望地浓缩。当使用不具有完全停止特征的其它装置时，用户承担使其样品干燥的风险，这可能有损于样品的有用性和后续分析。
表1是支撑图15的数据，其证实了PTI制成的Amicon Ultra 0.5ml装置的水流性能，该装置使用具有五种不同(3kDa，10kDa，30kDa，50kDa和100kDa)分子量截留(MWCO)值的隔膜。
这些结果证实了制成的大多数装置达到了所寻求的性能水平。在大多数情况下，蛋白质的回收大于90%。在蛋白质回收小于90%的情况下，装置的分析指出隔膜的保持层已经受到损伤。在一些情况下，损伤是由于隔膜和核心销之间的接触而产生的。在一些情况下，对于附接工艺，隔膜挂片在面板上不恰当地对准，这容许蛋白质发生泄漏。在其它情况下，可能由于人工操纵而已经在隔膜附接的位置或在进行二次成型的位置发生损伤。
图16清晰地显示了该装置比Microcon®型装置更快得多地过滤水。数据还显示了该装置将样品流体过滤至已知的死体积，这有助于防止完全干燥条件，而Microcon装置容许样品体积被过滤至干燥，这在大多数情况下是不期望的。
图17至图22呈现了在使用实验性的模具制成的装置上所进行的试验的结果，用于该面板的实验模具由一个4腔模具组成，其用于尽可能接近地模拟生产成型工具。类似于由一个2腔模具组成的实验性的重叠模压二次成型工具，这用于尽可能接近地模拟除了面板操纵系统之外的生产工具。为了实验性的运行，用手将面板手动地加载到二次成型工具中，而在生产运行中，可使用机械手将面板加载到生产模具中。
这些图显示了关于使用实验性的模具制成的装置的样品的性能试验的结果。试验是在所关注的代表五个隔膜装置结构的装置上进行的。试验包括：a)空气泄漏试验，b)蛋白质通过的百分比，c)蛋白质回收的百分比，d)在14,000Gs下旋转10分钟之后的死体积，e)样品回收的总体积，以及f)外壳爆裂压力。
表2
所关注的隔膜附接到实验面板上，并且在以后二次成型到装置中。然后，使用压力-泄漏检测器对这些装置检测密封完整性。将30psi的空气压力施加装置上，并测量穿过隔膜的空气泄漏率。图17显示了所有五个不同的隔膜-面板结构证实了可接受的隔膜附接完整性。然后，仔细地将这些面板封装并运输到成型工厂，以用于最后二次成型到装置中。
图17还显示了典型的气流泄漏值小于0.35立方厘米(cc)/分钟。用于接受和拒收部件的这种限制是通过评估超过n=50个装置的结果而确定的，该装置是由可接受的蛋白质保持性能衡量而被确定为可接受的。该限制代表样本总体的控制上限(三个平均值以上的标准偏差)。
图18显示了以证实了可接受的压力完整性的方式成功地将两个面板结合到单个装置中的二次成型工艺。数据显示了针对使用所有五个关注的隔膜制成的n=100个装置的平均外壳爆裂压力大于250psi。使用各种隔膜-面板结构(3kDa MWCO、10kDa MWCO、30kDaMWCO、50kDa MWCO和100kDa MWCO)检测了至少n=20个装置。
图19显示了平均蛋白质通过(不应通过的蛋白质)水平小于5%，这被认为是可接受的性能水平。使用这五种不同的隔膜-面板结构均检测了至少n=24个装置。
图20显示了对于所检测的装置而言，回收的平均蛋白质大于90%。使用这五种不同的隔膜-面板结构均检测了至少n=24个装置。
图21显示了当使用反向旋转工序时，对于这些装置所回收的样品的平均总体积大于98%。使用这五种不同的隔膜-面板结构均检测了至少n=24个装置。
图22显示了当这些装置离心10分钟时所测量的平均死体积的结果。结果显示了，其中三种隔膜-装置结构(30kDa MWCO、50kDa MWCO以及100kDa MWCO)能够在10分钟内获得死体积。其中两个隔膜-装置结构(3kDa MWCO和10kDa MWCO)没有在10分钟内过滤至其死体积。如预计的那样，这两个隔膜具有比其它三个隔膜更紧密得多的隔膜结构，并且需要更多时间来过滤相同体积的流体。使用3K MWCO隔膜制成的装置在过滤典型的蛋白质溶液时，将通常需要至少16分钟来获得20μL的死体积。使用10K MWCO隔膜制成的装置在过滤典型的蛋白质溶液时，将通常需要至少12分钟来获得20μL的死体积。

Claims (10)

1.一种离心过滤组件，包括过滤装置和至少一个过滤装置保持器，
所述过滤装置包括样品容器、一对间隔开的隔膜、多个排出孔以及渗余物室，所述隔膜均被暗沟支撑部支撑，该暗沟支撑部包括一系列通道、槽或表面织构以捕获滤液，所述排出孔用于将所述滤液排出到所述装置保持器中，所述过滤装置具有外径，
所述装置保持器包括外壳，所述外壳具有开放端和大于所述过滤装置的所述外径的第一内径，所述装置保持器具有位于所述外壳内的肩部，该肩部与所述开放端间隔开，并限定了小于所述过滤装置的所述外径的第二内径，
其中，所述过滤装置能够在旋转模式和反向旋转模式下插入到所述装置保持器中，在所述旋转模式下，来自所述过滤装置的滤液从所述排出孔流向所述装置保持器的外壳中，在所述反向旋转模式下，所述渗余物室中的渗余物流向所述装置保持器的外壳中，所述旋转模式或所述反向旋转模式下的、所述过滤装置插入到所述装置保持器中的程度被所述肩部限制。
2.根据权利要求1所述的离心过滤组件，其中，所述装置保持器还包括用于关闭所述开放端的盖子。
3.根据权利要求2所述的离心过滤组件，其中，所述过滤装置具有开放端，所述盖子定制成关闭所述开放端。
4.根据权利要求1所述的离心过滤组件，其中，各个所述隔膜定向在离所述过滤装置的竖直中心线的大于0˚且小于5˚的角度。
5.根据权利要求1所述的离心过滤组件，其中，各个所述隔膜定向在离所述过滤装置的竖直中心线的3˚的角度。
6.根据权利要求1所述的离心过滤组件，其中，所述排出孔均具有5˚的斜度角。
7.根据权利要求1所述的离心过滤组件，其中，所述渗余物室包括死体积。
8.一种离心过滤组件，包括：
过滤装置和至少一个过滤装置保持器，
所述过滤装置包括样品容器、一对间隔开的隔膜、多个排出孔以及渗余物室，所述隔膜均被暗沟支撑部支撑，该暗沟支撑部包括一系列通道、槽或表面织构以捕获滤液，所述排出孔用于将所述滤液排出到所述装置保持器中，所述过滤装置具有外径，
所述装置保持器包括外壳，所述外壳具有开放端和环形肩部，
其中，所述过滤装置能够在旋转模式和反向旋转模式下插入到所述装置保持器中，在所述旋转模式下，来自所述过滤装置的滤液从所述排出孔流向所述装置保持器的外壳中，在所述反向旋转模式下，所述渗余物室中的渗余物流向所述装置保持器的外壳中，并且其中，所述过滤装置插入到所述装置保持器中的程度被提供挡块的所述肩部限定。
9.根据权利要求8所述的离心过滤组件，其特征在于，所述装置保持器为小瓶。
10.一种过滤样品的方法，包括：
提供过滤装置、第一过滤装置保持器以及第二过滤装置保持器，所述过滤装置包括样品容器、一对间隔开的隔膜、多个排出孔以及渗余物室，所述隔膜均被暗沟支撑部支撑，该暗沟支撑部包括一系列通道、槽或表面织构以捕获滤液，所述排出孔用于将所述滤液排出到所述第一过滤装置保持器和第二过滤装置保持器中，所述过滤装置具有外径，所述第一过滤装置保持器和第二过滤装置保持器均包括外壳，所述外壳具有开放端和大于所述过滤装置的所述外径的第一内径，所述第一过滤装置保持器和第二过滤装置保持器均具有位于所述外壳内的肩部，该肩部与所述开放端间隔开，并限定了小于所述过滤装置的所述外径的第二内径；
将样品引入到所述样品容器中；
以所述排出孔与所述第一过滤装置保持器的外壳保持流体连通的定向将所述过滤装置插入到所述第一过滤装置保持器中；
向所述样品施加离心力以过滤所述样品，使滤液从所述排出孔流向所述第一过滤装置保持器的外壳中，并将渗余物累积在所述渗余物室中；
从所述第一过滤装置保持器除去所述过滤装置；
以所述渗余物室与所述第二过滤装置保持器的外壳保持流体连通的定向将所述过滤装置插入到所述第二过滤装置保持器中；
向所述渗余物室中的所述渗余物施加离心力以将所述渗余物转移到所述第二过滤装置保持器的外壳中；
从所述第二过滤装置保持器除去所述过滤装置。
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