CN104160260A - 检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测饮用水中的粒子，特别是寄生虫的装置和方法，其适于在线应用。特别地，本发明涉及一种检测水中的寄生虫的方法，所述方法包括：使水的至少一部分通过过滤器；向过滤器施加间接声波处理以释放收集于过滤器中的粒子而不扰乱粒子；收集寄生虫用于检测；以及检测收集的寄生虫。这用来收集过滤器中的寄生虫和/或增加过滤器之前的寄生虫浓度和/或扰乱聚集而不扰乱寄生虫本身。本发明还涉及一种用于从流体体积过滤器过滤浓缩粒子的浓缩装置。浓缩装置包括一种超声换能器，其被配置成清洁过滤器。

Description

检测装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测水中的粒子，特别是寄生虫的装置和方法。特别地，本发明涉及一种用于检测饮用水中寄生虫的装置和方法，其适于在线应用。
背景技术
在工业化世界中，接近一半的人口具有基于经处理的地表水的供水。原生动物寄生虫隐孢子虫和贾第鞭毛虫为最常见的经水传播的疾病，每年，在100,000人中约感染多达50个人(O'Donoghue PJ. Cryptosporidium and cryptosporidiosis in man and animals. Int J Parasitol. 1995年2月；25(2):139-95。Yoder JS, Harral C, Beach MJ; 疾病控制与预防中心(CDC)。Giardiasis surveillance - United States, 2006-2008。MMW Surveill Summ. 2010年6月11日；59(6):15-25。Yoder JS, Harral C, Beach MJ; 疾病控制与预防中心(CDC)。Cryptosporidiosis surveillance - United States, 2006-2008。MMWR Surveill Summ。2010年6月11日；59(6):1-14）。两种寄生虫每隔一定时间造成疾病暴发，在大部分情况下由于通过供水而传播。可能在水厂在预防这种暴发相关的中央和外围水平监视供水之前和之后都发生水污染。
许多国家具有要求定期测试隐孢子虫和贾第鞭毛虫的法规。
然而，现代用于检测隐孢子虫和贾第鞭毛虫的方法为昂贵并且劳动密集型的持续1-3天的延迟测试结果，这对于采取行动并且防止暴发而言太迟了。
国际专利申请WO 2010 063293 A1和WO 2011 066837 A1描述了适用于检测生物实体的光学测量系统。
Mogensen, Claus Tilsted等人网上据说2011年5月16日的文章“Early warning system for detection of microbial contamination of source waters”，关于一种在线并且实时的传感器，其用来测量较宽范围源水的微生物水质。
国际专利申请WO2008151093 描述了一种错流（cross-flow）过滤系统，其从稀释的进给悬浮液浓缩悬浮于液体中的生物粒子。样品浓缩物或渗余物悬浮液被保留，同时排除单独流动料流中分离的流体。悬浮的生物粒子包括诸如下列材料：在大约0.001微米至20微米直径的大小范围的蛋白质/毒素、病毒、DNA和/或细菌。浓缩这些粒子用于检测在稀释悬浮液中的目标粒子，因为将它们浓缩为较小体积使得它们更易于检测。
国际专利申请WO2011042254 描述了一种生物传感器装置，其包括过滤器监视单元，过滤器监视单元用于自动监视存在于生物传感器装置中的过滤器的功能。过滤器监视单元包括多个传感器，传感器监视在整个过滤器上的差压、通过过滤器的流量、在过滤器上的机械应力和其它参数。如果过滤器监视单元检测到过滤器堵塞，其启动清洁单元，该清洁单元清洁过滤器。如果其检测到过滤器损坏，其输出一种指示着需要维护的信号。
国际专利申请WO2006080761 描述了一种自动叶绿素分析器并且公开了在自动样品过滤和色素提取过程之后用于测量叶绿素的荧光的分析方法，其中分析器包括：用于流体转移的流动路径；多端口阀，其用于将其端口之一选择性地与所述流动路径连接；用于从水样品和叶绿素提取物分离微粒材料的过滤器；用于测量叶绿素提取物的荧光的检测器；注射器泵，其用于收取或分配水样品；以及，一种4-端口阀，其连接到所述注射器用于选择并且开关/切换流动路径。
发明内容
需要检测在水中，例如饮用水或游泳池水中的粒子，特别是寄生虫。现有技术是基于细致的实验室方法，包括取样、离心分离和分子生物学技术。虽然本发明可以总体上用于粒子，其特别适合于寄生虫，并且具体寄生虫将用作示例和用于解释目的。
通常需要增加寄生虫的浓度用于随后检测寄生虫。现有浓缩方法对技术要求较高并且耗时，具有很小的自动化可能性。它们常常导致很低的回收率，导致利用常规方法无法检测。更有效的常规系统扰乱寄生虫，阻碍随后检测寄生虫。
已令人意外地发现，通过增加寄生虫的浓度而不扰乱寄生虫的完整性可以实现寄生虫的在线检测。
本发明涉及一种用于浓缩来自一定体积的液体的粒子的装置和方法。本发明更特别地涉及一种用于浓缩来自一定体积的水的原生动物污染物的装置和方法。
在全世界监视饮用水的品质以确保市民不被感染原生动物污染物，但是已知的用于分析水中的原生动物污染物的方法是手动的并且很耗时。因此，存在这发出警报之前人将被感染的风险。
迫切地需要一种用于监视水中原生动物污染物诸如隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊（cyst）出现的自动化快速分析系统。制造这类设备的主要挑战之一在于这样的事实即：这些生物体/微生物的医疗上有害的浓度低至大约每升10个。这意味着在不显著浓缩饮用水的情况下不能进行分析。
用于浓缩含原生动物污染物的水的常规手段是通过过滤较大体积的水并且通过冲洗同一过滤器到更小水体积使得污染物从过滤器移动到所述更小水体积中。通常，需要1ml或更小的浓缩样品以用于分析，这意味着用于冲洗过滤器的所述更小的水体积需要被额外地浓缩。这通常通过离心分离和随后移除水来进行。由此，可以提供所需体积的底部沉淀物。
所有这些手动步骤不仅耗时而且也在回收率方面无效率/低效。由于过滤器类型，冲洗过滤器的方法和许多手动处置步骤，为此目的浓缩水的传统方式的回收率在30%-50%之间。这意味着捕集于过滤器上的污染物的仅30%-50%最终存在于用来分析的样品中。而且，这种类型浓缩的不利方面在于比所寻找的污染物更小的不相关的粒子积聚在过滤器上并且因此在用于分析的样品中，尽管过滤器的孔隙大小应允许它们通过。熟知的是小于过滤器的孔隙大小的粒子将由于聚丛（clumping）和其它现象而被保留。
超声清洁浴由于其很高效地缓和地清洁浸没物品诸如过滤器的能力而被人熟知并且文献示出了测试记录，其中，超声清洁浴用作一种用于冲洗过滤器的原生动物污染物以在后来收集的方法。这些超生清洁浴由一个或多个超声换能器驱动，超声换能器附连到箱壁上并且使得这个箱壁以20-100 kHz振动，视清洁类型而定。水体积中的振动造成爆聚空化气泡，其在任意方向上形成数倍高速度射流。这些射流能机械地从表面移除粒子和污垢。对于清洁过程而言关键的是经受清洁的物品完全湿润并且不存在空气或气泡。在水中的空气泡将减小空化，以及由此显著地清洁。
在水中的超声空化也作为实验室中粉碎细胞壁以收获蛋白质和/或DNA的方法而为人熟知。从过滤器对原生动物污染物的超声清洁必须小心地受调整使得它们的可识别性和可用性并不受损。
本发明的目的在于规定了一种能自动化的并且快速的浓缩粒子的浓缩装置和方法。
另外，本发明的目的在于规定了一种浓缩装置和方法，其使得能执行从一定体积水对于原生动物污染物的自动化的和快速的浓缩。
通过下文的描述和所附权利要求，本发明的这些和其它方面和优点将会显然。
本发明的目的可以通过在权利要求中所描述的一种方法和一种浓缩装置来实现。
根据一方面，本发明有关于一种检测水中诸如寄生虫的粒子的方法，所述方法包括：使水的至少一部分通过过滤器；向所述过滤器施加间接声波处理以释放已收集于所述过滤器中的寄生虫而不扰乱寄生虫；收集寄生虫；以及检测所收集的寄生虫。可以施加超声以便释放过滤器中收集的寄生虫和/或增加过滤器之前的寄生虫浓度和/或扰乱聚集体而不扰乱寄生虫本身。
根据一方面，本发明有关于在过滤器上使用间接声波处理以释放寄生虫而不扰乱寄生虫。随后可以检测寄生虫。
根据一方面，本发明有关于一种针对于在饮用水或游泳池中的寄生虫的在线无试剂检测器。
根据一方面，本发明有关于一种用于持续水质监视的无试剂在线隐孢子虫和贾第鞭毛虫传感器，其能在少于两个小时内检测在饮用水中的寄生虫并且因此防止隐孢子虫和贾第鞭毛虫的污染到达消费者。
在常规供水中相关大小范围（3-20μm）的粒子数量预期以若干对数超过隐孢子虫和贾第鞭毛虫的数量。这使得错误肯定结果的风险很高，对传感器的特异性提出了很高的要求。正读数通常应通过常规方法确认。而且，在正确肯定发现的情况下，需要收集寄生虫DNA以便做出必需的物种鉴别并且分型（typing），其将允许爆发调查以追踪致污源且从而阻止污染。在目前的情形中，为此目的的寄生虫材料收集将会通过劳动密集型并且耗时的方法来进行。
根据一方面，本发明有关于一种样品收集单元，其可以与一种无试剂的寄生虫传感器成流动连通。
根据一方面，根据本发明的浓缩装置为用于对于来自一定体积的流体的粒子进行过滤器过滤浓缩的浓缩装置，该浓缩装置包括：过滤器，其被配置成过滤在流体的体积中预先限定大小的粒子。浓缩装置包括超声换能器，其被配置成用以清洁所述过滤器。
详细公开
术语“渗余物”指在过滤过程中例如由过滤器或多孔性膜所保留的部分（与“渗出液”相反）。
“间接超声波处理”表示超声施加到过滤器或膜上，与例如寄生虫的收集侧相反。间接超声波处理施加到过滤器或膜的渗出液侧上。
术语“粒子”包括（但不限于）沙、粘土、赭土和其它铁氧化物的粒子，以及生物粒子诸如细菌、病毒、寄生虫，特别是原生动物、真菌、DNA、RNA、蛋白质、毒素和另外的其它粒子，包括免疫磁珠、分子探针和分子。
虽然本发明可以总体上用于粒子，但是本发明特别地与生物粒子相关。
表达“无扰乱”表示粒子充分完整或无损以允许随后鉴别和因此利用选定检测方法进行检测。例如，当使用目视检测时，收集的粒子应充分无损以允许目视检测粒子。
根据一实施例，本发明有关于一种浓缩单元或浓缩装置，其包括过滤器和用于利用超声来对所述过滤器进行间接声波处理（即，间接超声波处理）的器件。术语“浓缩单元”和“浓缩装置”将可互换地使用。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中在过滤器之前的空间构成第一体积并且在过滤器之后的空间构成第二体积。在过滤器之前的空间为进入过滤器的水所来自的空间或体积，即在过滤器的渗余物侧上。在过滤器之后的空间为离开过滤器的水所来自的空间或体积，即在过滤器的渗出液侧上。
根据一实施例，本发明有关于一种施加终端/尽头端（dead-end）过滤的方法。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中过滤器为聚碳酸酯或金属过滤器，优选地为镍过滤器。优选地，使用电铸成型的镍网。优选地，使用一种具有均匀孔密度的过滤器。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中过滤器具有至少2μm，更优选地至少2.5μm，优选地至少3μm的孔隙大小。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中过滤器具有至多4μm，更优选地至多3.5μm，优选地至多3μm的孔隙大小。
根据一实施例，过滤器优选地具有约3μm的孔隙大小。可以根据施加在过滤器的渗余物侧上的压力来调整最佳孔隙大小。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中向所述过滤器施加间接声波处理的超声换能器定位于离所述过滤器0.5-200 mm，优选地0.7 mm-100 mm，更优选地1.0 mm-50 mm，优选地1.2 mm-25 mm，更优选地1.5 mm-10 mm，优选地1.6 mm-8 mm，更优选地1.8 mm-6 mm，优选地2 mm-4 mm，更优选地约3mm处。
优选地，超声换能器的驱动表面平行于过滤器延伸并且被配置成朝向过滤器发送超声波。优选地，过滤器基本上垂直于换能器的纵向轴线延伸。
根据一实施例，本发明有关于一种方法，其中在少于12小时，更优选地少于8小时，优选地少于6小时，更优选地少于4小时，优选地小于2小时内检测所收集的寄生虫。快速检测允许阻碍污染到达消费者。
根据一实施例，本发明有关于一种用于监视水中的寄生虫诸如作为饮用水中最常见的病原原生动物/致病性原虫的贾第鞭毛虫和隐孢子虫的方法。对于地表水和泉水而言，监视寄生虫是特别重要的。
根据一方面，本发明有关于一种用于持续水质检测的无试剂在线隐孢子虫和贾第鞭毛虫监视器，其能在少于两个小时内监视饮用水中的寄生虫并且因此防止隐孢子虫和贾第鞭毛虫的污染到达消费者。
根据一实施例，本发明的装置或系统可以包括若干部件：
1. 已知的传感器，诸如光学传感器系统，包括：
　　a. 硬件，其包括移动显微镜，移动显微镜扫描一种读取腔室或流动池。　
　　b. 软件，其包括控制系统，用于自动目视鉴别寄生虫的算法，和用于文档编制的文件储存器。
2. 计算机单元，包括：
　　a. 常规硬件。　
　　b.软件，其控制水流量（阀的打开和闭合等），声波处理等。
3.液流系统（fluidics system），包括诸如下列元件：
　　a. 管件
　　b. 压力控件
　　c. 阀
　　d. 浓缩单元，例如根据本发明
　　e. 流动池，例如根据本发明
　　f. 样品收集单元，例如根据本发明。
根据一实施例，该系统能监视在工业和食品生产中的过程水以及监视废水，源水和/或水分配系统。
用于这个系统的应用包括（但不限于）源水污染和/或变化的早期警告/预先警报。作为示例可以提到水设施/水分配网络，过滤系统（水纯化）、商业建筑物、游泳池、废水流出物、和一般的工业。
根据一实施例，在过滤流体时，由预先限定孔隙大小的过滤器来收集寄生虫，预先限定孔隙大小的过滤器允许收集具体大小范围的寄生虫。与声波处理结合的过滤单元的几何形状允许过滤大量流体并且对于最小可能体积的所希望的粒子进行取样而不会对渗余物中收集的粒子的形态造成显著变化。
根据一实施例，过滤单元对于在大量流体中所存在的粒子进行浓缩的能力进一步通过由空气将渗余物重新定位到检查或检测腔室而不稀释所述浓缩样品来改进。
根据一实施例，提供一种流动池。连接到传感器的流动池被设计成适合传感器的光学和物理需要和用于检查经水传播的微生物的特殊要求。这种流动池被设计成也耐受严酷的环境条件，能以最低维护要求在偏远地区起作用。通过传感器技术确保了经水传播的寄生虫的特异和灵敏检测。
根据一实施例，传感器确保了收集所希望的样品用于在实验室中进一步检查，其适合精致的检查方法，例如DNA分型。
根据一实施例，传感器测量了在水样品中的粒子总数。因此，其可以区分有机物体与无机物体，并且测量每种物体的大小和偏心率。偏心率被定义为物体的最短尺寸与最长尺寸之比。优选地，除了无机粒子之外，传感器也辨别并且计数两种最常见的致病性原虫，即：隐孢子虫和贾第鞭毛虫。
根据一实施例，传感器可以检测并且输出关于水质的多个参数，这些参数通常需要若干不同的仪器来测量。输出参数可包括：总物体数，有机与无机粒子的分类/差别的计数，致病性原虫隐孢子虫和贾第鞭毛虫的分类/差别的计数、大小和偏心率分布、物体移动性（为了辨别主动移动的细菌）和/或浊度（turbidity）。
根据一实施例，该系统可以被设计成在偏远地区处在严酷环境下操作，这对于技术设置了大量要求，包括：无手动样品制备、不使用染色或其它类型的试剂（因为它们将需要被定期替换）、实时监控以便能对于污染事件快速响应，加固技术（其在较宽范围的温度和湿度水平而操作）和/或在维修、维护和校正之间较长的间隔。
根据一实施例，随后通过限定多种形态特点诸如物体大小、对比度和宽/长比来对每种物体进行随后的分析。在更复杂的应用中，诸如辨别在包含其它物体类型的地表水中的贾第鞭毛虫寄生虫的更复杂的应用中，可以使用更多的形态参数。
根据一实施例，本发明的一种方法可以用于供水、自来水厂和水分配网络。额外可能的应用包括：水设施/分配网络；监视在建筑物诸如医院、旅馆、购物中心、养老院中的可饮用的水；循环系统，军团杆菌污染的早期警告；工业源和废水；雨水/灰水/废水再使用系统；和/或游泳池。
例如本发明的无试剂寄生虫传感器可以取决于将来自较大体积的水(例如，数升)的寄生虫浓缩到较小体积的水内（例如，微升）以便获得必需的灵敏度的能力。灵敏度由可能造成疾病的最小感染剂量限定，大约10-1000个寄生虫构成对于正常健康个人的风险(Okhuysen PC, Chappell CL, Crabb JH, Sterling CR, DuPont HL。Virulence of three distinct Cryptosporidium parvum isolates for healthy adults。 J Infect Dis. 1999年10月；180(4):1275-81。RENDTORFF RC, HOLT CJ。The experimental transmission of human intestinal protozoan parasites. IV. Attempts to transmit Endamoeba coli and Giardia lamblia cysts by water. Am J Hyg. 1954年11月；60(3):327-38)。实际估计是这对应于低至每升10个寄生虫的感染浓度，假定一个人每天消耗1L饮用水。
下面的示例计算确定了在浓缩装置或者在无试剂寄生虫传感器的其它部分中已解决的灵敏度的多个重要的调节因素。
每40分钟例如10L或更优选地20L水通过小过滤器的过滤对于单元的设计提出了若干要求，诸如：
·过滤器的压力坚固性
·过滤器的耐用性
·由于粒子和微生物（包括生物膜）造成的过滤器凝结成块的风险的降低。凝结成块的风险受到与浓缩单元无关的因素包括水质（纯度无机、有机和生物）的影响。因此，本发明可以根据特定水源定制。
利用常规方法，寄生虫的回收通常离100%很远。利用本浓缩装置获得的大约80%寄生虫的回收率是前所未有的/无前例的。
将样品从浓缩装置运输到流动池而不稀释浓缩物是有挑战性的。在根据本发明的实施例的浓缩装置中解决了这个问题。
目视检测要求较高，特别是因为将存在过量的与寄生虫一样大小范围的粒子。进给到传感器的浓缩物的品质取决于浓缩装置。
由于寄生虫能聚集，寄生虫不太可能均匀地分布。根据一实施例，重复地过滤较大水体积并且使用超声波处理来扰乱聚集解决了这个问题。
认识到上文所提到的常规技术（即，回收、液流、检测和分布）的限制，可以估计在样品中的检测极限将不实现比每升10个寄生虫更好的目标。因此，没有浓缩单元，灵敏度将低很多，使得浓缩单元成为开发所提出的具有所要求的检测极限的无试剂传感器的关键元件。
现有浓缩方法，包括过滤技术，造成可变并且通常较低的寄生虫回收率，并且这些技术中的许多技术是劳动力密集型的并且耗时的。
根据一实施例，过滤单元已被谨慎地设计为确保贾第虫孢囊和隐孢子虫卵囊最佳的回收率。这已利用多种创造性特点来进行。
根据一实施例，本发明有关于在过滤器中的过滤，其可以在市售产品中做出选择以具有理想的厚度、孔隙大小和单位面积的孔隙数量，保留贾第鞭毛虫和隐孢子虫的所有大小变型，并且允许更小的生物体（包括细菌）通过。
根据一实施例，本发明有关于金属过滤器的选择，金属过滤器可以耐受高压，因此允许过滤较大水体积通过小过滤器（参看图9至图12d）。过滤器大小必须保持较小以便优化收集腔室体积（参看下文），并且过滤器的坚固性将置于标出的压力下。在测试坚固性之后可选择过滤器类型（参看图9至图12d）。可以通过超声来减小过滤器的凝结成块并且测试用于施加超声清洁的多种方法（参看图12a至图13c）。
根据一实施例，本发明有关于使用收集腔室，收集腔室被设计成对于特定大小的过滤器而言获得最小可能的体积。
根据一实施例，本发明有关于对金属过滤器进行超声处理以便将保留的寄生虫释放到收集腔室内（参看图18a至图18d）而不破坏它们的光学特征和生存能力。已对超声波处理进行认真研究（参看图14至图17），得到额外创新性特点，包括（但不限于）下文所提到的特点。确定用于测试的要求，基于针对过滤和超声波处理对寄生虫的影响的研究而对超声方法做出许多修改。
根据一实施例，本发明有关于将超声发生器整合到过滤器保持器中。
根据一实施例，本发明有关于向位于与收集腔室（第一体积）相反的过滤器的侧部上的第二腔室或体积中施加超声波以便最小化由于直接超声暴露对隐孢子虫的有害影响（参看图14至图17）。使用间接超声波处理导致寄生虫很高的回收率和隐孢子虫很高的生存能力（参看图16至图17）。
根据一实施例，本发明有关于谨慎地选择的超声能量和定时（参看图18a至图18d）。
根据一实施例，本发明有关于使用空气推进来将过滤浓缩物运输到检测系统以便避免稀释（参看图12a至图13c）。
根据一实施例，本发明有关于选择最佳过滤器类型、安装、回洗、超声脉冲和确保过滤器单元的长期耐用性的其它因素，避免了凝结成块并且减少了生物膜形成（参看图18a至图18d）。这种优化已导致实现了持续8天的寿命测试，流动方向138240次变化，和总共2626.5L自来水，以及230 ml/min至204 ml/min的流量变化（参看图9至图11d）。
根据一实施例，本发明有关于获得增加的浓缩程度（从数升到微升）和/或回收率（80%-90%），可以利用这种纯化系统获得这种增加的浓缩程度和/或回收率。这种成就是当使用常规寄生虫学技术时从未实现的/无前例的。
根据一实施例，根据本发明的浓缩装置为用于对来自一定体积流体的粒子进行过滤器过滤浓缩的浓缩装置，该浓缩装置包括：过滤器，其允许过滤在流体的体积中预先限定大小的粒子，其中浓缩装置包括超声换能器，超声换能器允许通过间接声波处理来清洁过滤器。
根据本发明的装置特别适合于浓缩粒子，诸如寄生虫，特别是原生动物寄生虫，以用于随后检测。
根据一实施例，根据本发明的浓缩装置为用于对来自一定体积流体的粒子进行过滤器过滤浓缩粒子的浓缩装置，该浓缩装置包括：过滤器，其被配置成过滤在流体的体积中预先限定大小的粒子。浓缩装置包括超声换能器，其被配置成用以清洁过滤器。
由此，实现了超声换能器可以在过滤期间清洁过滤器使得浓缩装置能够允许更大体积的流体在给定时段期间被过滤。可以实现更高的平均通量，因为在浓缩装置中的过滤器被保持更清洁。
通过使用具有被配置成用以清洁所述过滤器的超声换能器的浓缩装置，能执行流体中粒子的自动化的和快速的浓缩。浓缩装置特别地能执行对于来自一定体积的水的原生动物污染物的自动化的和快速的浓缩。
粒子可以是任何类型的粒子。粒子可以是有机粒子或无机粒子。浓缩装置能浓缩在流体中预先限定大小的粒子。
流体优选地为液体，例如含水或含油流体。
超声换能器可以是任何类型的超声换能器，其能生成超声波，超声波可以用来清洁所述过滤器和/或保持所述过滤器清洁。
可能有利的是，浓缩装置包括外壳，外壳具有腔体，腔体由过滤器分成第一体积和第二体积。由此不同的入口和/或出口可以独立地连接到第一体积和第二体积。
优选地，过滤器可分离地安装于外壳中使得过滤器可以容易地被替换。
可能有益的是，外壳具有与第一体积成流体连通的入口，并且外壳具有与第二体积成流体连通的出口，并且粒子在第一体积中被浓缩。由此，浓缩物可以容易地保留在第一体积中，而滤液通过在第二体积中的出口而被移除。
根据一实施例，本发明有关于一种用于对来自一定体积流体的粒子进行过滤器过滤浓缩的浓缩装置，该浓缩装置包括：过滤器，其允许过滤在流体体积中预先限定大小的粒子，其中浓缩装置包括超声换能器，超声换能器允许清洁过滤器；其中浓缩装置包括外壳，外壳具有腔体，该腔体由过滤器分成第一体积和第二体积；其中外壳具有与第一体积成流体连通的入口，并且其中外壳具有与第二体积成流体连通的出口，并且粒子在第一体积中被浓缩；并且其中超声换能器具有布置于第二体积中的驱动表面。
超声换能器包括有源元件，有源元件可以由压电陶瓷、复合物或聚合物制成。驱动表面为有源元件的表面。驱动表面也被称作辐射表面，在此情况下，表面辐射超声，超声允许清洁过滤器。有源元件的前表面通常被覆盖着一种磨损板，磨损板保护它避免损坏。当存在磨损板时，有源元件的驱动表面优选地布置于第二体积中，受到磨损板保护使得有源元件并不与经过滤的水直接接触。优选地，磨损版安装于与水直接接触的换能器上。换能器通常由铝制成并且更硬的材料添加到驱动表面上以减缓由于空化造成的腐蚀。
可能有利的是，外壳具有与第一体积成流体连通的浓缩物出口并且浓缩装置包括了用于通过浓缩物出口将浓缩物从第一体积泵送出来的器件。
由此，浓缩物可以通过浓缩物出口远离第一体积运输。用于泵送的器件可以是泵，例如蠕动泵或另一合适泵。
可能有利的是，外壳具有与第一体积成流体连通的浓缩物出口并且浓缩装置包括用于通过浓缩物出口远离第一体积向分析装置或收集容器泵送浓缩物的器件。
由此，浓缩物可以通过浓缩物出口运输到分析装置或收集容器。
优选地，浓缩装置包括用来在浓缩物的体积的每一侧上提供气体或空气并且泵送远离浓缩物的体积而同时保持气体或空气在浓缩物的体积的每一侧上的器件。
用来提供气体或空气的器件可以包括泵，诸如蠕动泵，提供大气空气。
由此，浓缩物可以从第一体积运输出来而不被稀释。因此，可以维持浓缩物的高浓度，即使在运输浓缩物时。
可能有利的是，浓缩物的总体积可以位于浓缩物出口管中并且可以通过推动空气到气体入口管内而通过浓缩物出口从第一体积运输出来。由此，能通过控制吹送或泵送到第二体积内的空气或气体量来控制浓缩物在浓缩物出口管中的定位。
可能有益的是，浓缩装置包括控制单元，控制单元被配置成以下列状态操作超声换能器：
-待用状态，
-第一清洁状态，
-第二清洁状态；以及
-第三清洁状态
其中超声换能器在待用状态待用，且其中在第一清洁状态，在第一持续时间期间超声换能器将第一预先限定数量的超声波朝向过滤器传输，并且其中在第二清洁状态，在第二持续时间期间，超声换能器将第二预先限定数量的超声波朝向过滤器传输，并且其中当已从第二体积移除浓缩物时，在第三持续时间期间，在第三清洁状态的超声换能器将第三预先限定数量的超声波朝向过滤器传输。
由此能控制超声换能器为待用的，具有第一活性水平（例如，用于在过滤期间清洁）并且具有第二活性水平以将来自过滤器的粒子松动到第一体积内和在已远离第一体积运输浓缩物之后清洁所述过滤器期间的第三活性水平。
由于当流体压力较低时，清洁过程是最高效的，优选地，当超声换能器现用时，浓缩装置被配置成用以减小在第二体积中和优选地在第一体积和第二体积中的流体压力。
优选地，控制装置被配置成检测通过入口的流量和/或在过滤器上的压差，过滤器布置于第一体积与第二体积之间。
根据一实施例，本发明有关于一种用于操作浓缩装置的方法，浓缩装置包括超声换能器和过滤器，允许向浓缩装置的过滤器发送超声脉冲，所述方法包括：
i)在过滤期间允许超声换能器处于待用状态；
ii)可选地，如果压力降低或减小的流量指示过滤器堵塞，在装置过滤时通过发送脉冲来使截留在过滤器中的粒子松动；
iii)就在停止过滤之前，发送脉冲来分散在过滤器中的粒子的结块；
iv)停止过滤；
v)发送脉冲以使粒子松动到过滤器的渗余物侧的体积内；
vi)回收粒子用于检测；以及
vii)在回洗期间发送脉冲。
优选地，步骤ii)的脉冲具有约1-3秒的持续时间。
优选地，步骤iii)的脉冲具有约1-3秒的持续时间。
优选地，步骤v)的脉冲具有约5-20秒的持续时间。
优选地，步骤vii)的脉冲具有约1-5分钟，优选地数分钟的持续时间。
可能有利的是，浓缩装置被配置成在过滤期间起始并且执行过滤器的超声清洁。
由此，可以维持高通量并且浓缩装置可以用来浓缩较大体积的流体。
根据一实施例，本发明有关于一种用于操作一种浓缩装置（2）的方法，所述浓缩装置（2）包括超声换能器（10）和过滤器（8），允许朝向浓缩装置（2）的过滤器（8）发送超声脉冲，所述方法包括在过滤期间起始和执行所述过滤器（8）的超声清洁。
优选地，浓缩装置被配置成在过滤期间基于通过入口的流量和/或整个过滤器上的压力梯度的测量来自动起始过滤器的超声清洁。
根据一实施例，浓缩装置包括扁平过滤器。扁平过滤器可以确保从过滤的粒子到超声换能器的均一距离。
可能有益的是，浓缩装置包括金属过滤器。金属过滤器可以是坚固的并且用于不同类型的流体中。
优选地，过滤器包括电铸成型镍网。包括电铸成型镍网的过滤器是坚固的并且能将浓缩装置用于不同应用中。此外，能提供具有均匀孔密度的电铸成型镍网或过滤器。
电铸为一种金属成型过程，其通过电镀过程形成薄零件。通过将金属表皮镀在被称作心轴的基体形式上而产生这种零件，心轴在施镀后被移除。电铸成型的主要优点在于其在一微米内再现心轴的外形。与其它基本金属成型过程（铸造、锻造、冲压、深拉、机械加工、光蚀刻和制造）相比，当要求极端的公差、复杂性或轻重量时，电铸成型是很有效的。精度和分辨率允许以更严格的公差来生产更精细的几何形状而同时维持优良的边缘清晰度。电铸成型的金属是极纯的，由于其精制的晶体结构，具有超越锻制金属的优良性质。
可能有利的是，浓缩装置被配置成对于在0.1-500μm，优选地1-50μm之间的大小范围的粒子进行浓缩。因此，可能有利的是，浓缩装置包括具有允许对在0.1-500μm，优选地1-50μm之间的大小范围的粒子进行浓缩的开口的过滤器。
根据一实施例，该装置的过滤器具有在0.1-500μm，优选地1-50μm之间大小范围的开口或孔。
可能有利的是，浓缩装置被配置成浓缩原生动物污染物，因为这些粒子的知识对于例如水质监测而言至关重要。
可能有益的是，浓缩装置被配置成浓缩隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊，其对于例如水质监测而言较为重要。
优选地，超声换能器具有布置于第二体积中的驱动表面。由此实现了超声波将造成爆聚的空化气泡，其造成多种高速射流，高速射流可以用来清洁过滤器。
优选地，超声换能器的驱动表面平行于过滤器延伸并且被配置成朝向过滤器发送超声波。由此可以实现超声换能器最高效和有效的使用。
可能有利的是，过滤器基本上垂直于换能器的纵向轴线延伸。
有利的是具有根据本发明的包括浓缩装置的分析系统。分析系统可以被配置成检测水质。在流体中的较大粒子诸如原生动物污染物（例如，隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊）通常仅当浓缩流体时被分析。因此，根据本发明包括浓缩装置的分析系统可以在处理水质检测时具有重要用途。
可能有利的是，该分析系统包括：分析装置，其被配置成分析来自浓缩装置的浓缩物；以及，泵，其被配置成将来自浓缩装置的浓缩物泵送到分析装置内。这种分析系统能够使来自浓缩装置的浓缩物进入分析装置并且然后分析该浓缩物。因此，这种类型的分析系统特别适用于水质检测。
根据一实施例，根据本发明的方法为一种用于对来自一定体积流体的粒子进行过滤器过滤浓缩的方法，其中通过泵送流体通过过滤器来浓缩流体，过滤器配置成过滤预先限定大小的粒子。超声换能器用来清洁过滤器并且使粒子松动到第一体积内，第一体积小于过滤的体积数倍。
由此，该方法可用于在给定时段期间浓缩较大体积的流体。可实现了更高的平均通量，因为在浓缩装置中的过滤器可以保持更清洁。
优选地，在过滤期间，优选地通过超声，基于经过整个过滤器的流量和/或压差的（多次）确定来控制过滤器的清洁。可以基于任何合适的参数通过直接测量、估计或计算来执行（多次）确定。流量优选地为通过过滤器的流量。这个流量可以仅举例而言作为通过入口管的流量来测量。
优选地，在过滤期间对过滤器的清洁基于测量的流量（通过入口、入口管、出口或出口管）和/或在整个过滤器上的压差来进行控制。
可以利用任何合适的测量工具来测量流量，例如，流量传感器。能利用泵来测量流量，提供造成流量的压力。
在整个过滤器上的压差可以由任何合适的压力传感器来测量并且能通过分别与第一体积和与第二体积成流体连通的压力通道来测量压力。
该方法使得能进行粒子在流体中自动化的并且快速的浓缩。该方法特别地使得能从一定体积的水执行原生动物污染物的自动化的和快速的浓缩。
优选地，当执行根据本发明的方法时，使用根据本发明的浓缩装置。
可能有利的是，浓缩装置被配置成布置于倾斜位置使得空气泡可以容易地从过滤流体出口出来。
所有引用的参考文献通过参考合并。
提供附图和示例以解释本发明而非限制本发明。对于本领域技术人员将显然，可以组合本发明的方面、实施例和权利要求。
通过下文给出的详细描述，本公开的另外的目的和和另外的适用范围将变得显然。但应了解指示了本发明的优选实施例的详细描述和具体示例仅以举例说明的方式给出，因为对于本领域技术人员而言，通过下文的此详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改将会是变得显然。
附图说明
现将参看附图以举例说明的方式来更特定地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1a）示出了根据本发明的浓缩装置的截面图；
图1b）示出了在图1a）中示出的浓缩装置的透视图；
图2示出了浓缩装置的截面图，其中流体被泵送到浓缩装置内；
图3示出了如何使用超声换能器来清洁在浓缩装置中的过滤器；
图4示出了如何将空气吹送到浓缩装置内；
图5示出了如何将浓缩物从浓缩装置泵送出来而不稀释浓缩物；
图6示出了如何通过回洗程序来清洁过滤器；
图7示出了根据本发明的分析系统；以及
图8示出了当浓缩物被泵送到分析装置内时图7所示的分析系统；
图9示出了测试金属过滤器的坚固性的实验设置；
图10示出了过滤单元中的过滤器；
图11a至图11d示出了回洗的结果；
图12a至图12c示出了用于测试液体与空气回洗的实验设置；
图13a示出了过滤单元；
图13b示出了使用空气回洗的结果；
图13c示出了红[暗]悬浮液的稀释；
图14至图15c示出了直接超声波处理的效果；
图16a至图17c示出了间接超声波处理的效果；
图18a至图18d示出了通过声波处理来清洁金属过滤器的效果；
图19示出了过滤单元的实施例；
图20示出了过滤单元的优选实施例。这个设置允许随空气而移动所收集的样品。
附图标记列表：
2 – 浓缩装置
4 – 粒子
6, 6' –流体（液体）
7, 7', 7" –气体（空气）
8 – 过滤器
10 –超声换能器
10' –超声换能器的驱动表面
11 – 超声波
12 – 外壳
14 – 腔体
16 –第二体积
18 – 第一体积
20 – 入口（原流体入口）
20' – 入口管（原流体入口管）
22 – 出口（滤液出口）
22' –出口管（滤液出口管）
24-浓缩物出口
24'-浓缩物出口管
26-浓缩物
28-出口（回洗出口）
28'- 出口管（回洗出口管）
30- 气体入口
30'- 气体入口管
32- 顶部构件
34- 中间构件
36- 底部构件
38- 螺栓
40- 滤液
42- 垫圈
44- 拧紧构件
α-倾斜角
46-O形环
48-O形环
50- 分析装置
52- 泵
54- 分析系统
56- 窗口
58- 箭头
60- 旋转方向
62- 出口管。
具体实施方式
现详细地参考附图以意图说明本发明的优选实施例，根据本发明的浓缩装置2的元件在图1中示出。图1a）示出了根据本发明的浓缩装置2的截面图。
浓缩装置2包括外壳12，外壳12具有顶部构件32、底部构件36和中间构件34，中间构件34夹在顶部构件32与底部构件36之间。顶部构件32利用螺栓38固定到中间构件34。顶部构件32、中间构件34和底部构件36可以通过各种方式固定到彼此。
浓缩装置2还包括腔体14，腔体14具有由过滤器8分开的第一体积18和第二体积16。过滤器8利用垫圈42安装，垫圈42布置于在底部构件36中设置的凹槽中。可以通过拧下螺栓38，拆卸底部构件36和外壳12的中间构件34并且移除掉保持着过滤器8就位的垫圈42而容易地替换过滤器。
浓缩装置2具有连接到入口管20'的入口20。当浓缩装置2用于浓缩来自水的粒子诸如原生动物污染物时，原水通过入口管20'和入口20进入浓缩装置2。浓缩装置2还包括连接到出口管22'的出口22。出口22与第二体积16成流体连通，而入口20与第一体积18成流体连通。
浓缩物出口管24'在外壳12的底部构件36处连接到浓缩物出口24。当使浓缩物从浓缩装置2泵送出来时，使用浓缩物出口24。气体入口管30'连接到气体入口30，气体入口30设置于外壳的底部构件36处。而且，出口管28'连接到出口28，出口28设置于外壳12的底部构件36中。这个出口可以在回洗程序期间用作回洗出口。
图1b）示出了在图1a）中示出的浓缩装置2的透视图。可以看出外壳12包括顶部构件32、中间构件34和底部构件36并且螺栓38用于将外壳12的构件32、34、36保持在一起。
管20'、22'、24'、28'、30'利用拧紧构件44连接到外壳12，拧紧构件44密封地旋拧到外壳12上。
图2示出了在图1中所示的浓缩装置2的截面特写视图。浓缩装置2已经以约30度的倾斜角倾斜以便于从过滤流体出口22移除空气泡。可能有利的是，浓缩装置2被配置成布置于倾斜位置使得空气泡可易于从过滤流体出口22出来。浓缩装置2可用于浓缩不同类型的流体6。能浓缩水以便通过对浓缩物拍照并且进行图像分析来分析污染物。图1至图2所示的浓缩装置2适于浓缩具有从1微米至1000微米的任何大小的具体粒子的流体。
在图2中，原流体（例如，来自水利管理机构）通过入口20经由入口管20'进入浓缩装置2。用箭头58指示流动方向。当流体6以足够大的压力泵送到外壳12的第一体积18内时，流体6经过过滤器8，进入外壳12的第二体积16并且通过出口22离开浓缩装置2。可以看出，流体存在于出口管22'、出口管28'、入口管20'和浓缩物出口24中。用箭头58指示流动方向。
过滤器8为板形并且平行于其纵向轴线Y延伸，纵向轴线Y基本上垂直于超声换能器10的纵向轴线X延伸。超声换能器10的驱动表面10'布置于第二体积16中。由此超声换能器10具有用于清洁过滤器8的最佳条件。为了提供对过滤器8有效清洁，超声换能器10的驱动表面10'平行于并且指向过滤器表面。选择从超声换能器10到过滤器8的距离使得超声波11能够通过从过滤器8机械地移除粒子4而清洁过滤器8的粘附到过滤器8上的粒子4。
浓缩装置2在给定时段期间过滤给定体积的流体，例如水。时段的持续时间取决于过滤器大小、孔隙大小、在整个过滤器8上的压力、和流体6的浊度。在过滤期间，监视流量（通过入口20）和/或在整个过滤器8上的压力。
保持过滤器8清洁的一种方式是当流量已降低到低于预先限定的水平时启动超声换能器10。启动超声换能器10以清洁过滤器8并且确保了太小的粒子簇被打破并且通过过滤器8。
浓缩装置2可以被配置成在过滤期间使用超声清洁过滤器8，具有最小可能的超声活性（强度和持续时间）。由于更高的平均通量，对浓缩装置2中的过滤器8进行超声清洁使得能在给定时段过滤更大体积的流体6。此外，对浓缩装置2中的过滤器8进行超声清洁将便于通过打破太小的粒子簇而在过滤器8的表面上进行整理/分选。
图3a）为图2所示的浓缩装置2的特写视图。在图3a）中，流体6已被泵送到外壳12的入口20内。已通过使流体从第一体积18经过过滤器8运输到第二体积16内并且进一步通过出口管22'经由出口22来过滤流体6。流体6也存在于回洗出口28、回洗出口管28'和浓缩物出口24中。
过滤器8布置于中间构件34与底部构件36之间。过滤器8利用垫圈42固连到中间构件34和底部构件36。
多个粒子4已由过滤器8保留并且这些粒子4在抵接第一体积18的过滤器8的该侧处靠近过滤器8定位。超声换能器10由O形环46保持就位。另一O形环48密封了超声换能器10隔离来自第二体积16和出口22的流体6。
在图3b）中，启动超声换能器10并且指示超声波11。爆聚空化气泡通过从过滤器8松动粒子4并且将粒子4分配于第一体积18中而造成清洁。超声波11仅示出了超声换能器的活性。
超声波11在第一体积18和第二体积16中的流体中造成振动。这些振动造成爆聚空化气泡，爆聚空化气泡在任意方向上形成多个高速射流。这些射流机械地影响过滤器8由此从过滤器8松动粒子4。当在两个体积16、18中存在流体6并且当不存在或存在很小的空气或气泡浓度时可能发生这种清洁过程。在流体6中的空气泡将显著地减小空化以及因此清洁。
图4示出了如何将空气7吹送到浓缩装置2内。空气7进入外壳12的入口20并且被进一步引导通过浓缩物出口24并且进一步通过浓缩物出口管24'。可以看出流体6'的体积已被推动远离入口20和浓缩物出口24朝向浓缩物出口管24'的远端。空气7用来排空入口20和浓缩物出口24。空气7的流动方向用箭头58指示。
进行这个程序以便准备从第一体积18运输浓缩物26，如图5所示。
图5a）示出了如何通过浓缩物出口管24'从第一体积18运输浓缩物26。当浓缩物26已被远离第一体积18运输时可以执行对浓缩物26的进一步分析。举例而言，能通过拍照和图像分析来对浓缩物26进行分析。
在图5a）中，在入口管20'和入口20中仍存在空气或气体7。额外空气或气体7' 通过气体入口管30'被吹入到第一体积18内。在图5a）中，空气或气体7'已被推离第一体积18中的浓缩物26的主要部分。浓缩物26的其余部分被推动通过浓缩物出口24和浓缩物出口管24'近端部分。在第二体积16中过滤流体6将不会回到第一体积18，这归因于通过将空气或气体7'引入到第一体积18内造成的压力。空气或气体7"存在于浓缩物出口管24'中。实际上，空气7'或气体7"在浓缩物26的两侧处被引入。因此，空气或气体包围浓缩物26。
在图5b）中，更多的空气或气体7'已经被泵送到第一体积18内。实际上，整个第一体积充满空气或气体7'，气体7'已推动浓缩物26进一步朝向浓缩物出口管24'的远端。在图5b）中，浓缩物26的总体积位于浓缩物出口管24'中。因此，通过将空气推入到入口管30'内，浓缩物26从浓缩物出口24运输出来，而不利用额外体积的流体稀释浓缩物26。此外，能通过控制被吹送或泵送到第一体积18内的空气或气体7'量来控制浓缩物26在浓缩物出口管24'中的定位。
位于浓缩物出口管24'中的浓缩物26现可以被进一步泵送朝向浓缩物出口管24'的远端用于进一步分析（例如，通过拍照并且进行图像分析，其可以在与浓缩物出口管24'成流体连通的分析装置中执行）。
当浓缩物26已被运走到预期位置时，利用回洗程序（在图6中示出）来清洁浓缩装置2。
在图6中，流体6通过出口管22'和出口22（因此，在此清洁过程期间，出口22充当入口并且出口管22'充当入口管）泵送到第二体积16内。流体6被泵送通过第二体积16并且进一步通过过滤器并且经由回洗出口28从回洗出口管28'出来。用箭头58指示流动方向。启动超声换能器10并且朝向过滤器8发出超声波11。由此，清洁过滤器8并且超声波11可以撕下粘在过滤器8表面上的污垢。然后利用流体6通过回洗出口28和回洗出口管28'将污垢运走。
能在任何时间停止过滤过程并且启动超声换能器10以便清洁过滤器8。但是，当浓缩物26已被运走到预期位置（例如，用于进一步分析）时，浓缩装置2通过上文所描述的回洗程序被谨慎地清洁。能测量在整个过滤器8上的压力梯度和/或通过入口20的流体6流量并且使用这些测量值来决定是否需要清洁过程（用于清洁过滤器8）。
图7示出了分析系统54的一部分。分析系统54包括分析装置50，分析装置50被配置成分析来自浓缩装置2的浓缩物，浓缩装置2类似于图1至图6所示的浓缩装置。分析系统54还包括蠕动泵52。可以使用其它类型的泵。泵52用来经由浓缩物出口管24'将浓缩物26泵送到分析装置50内。在图7和图8中示出了蠕动泵52的旋转方向60。
窗口56设置于分析装置50中。窗口56被配置成用于拍照过程，其中浓缩物26（在图8中示出）的一个或多个图像通过使用采集装置（例如，照相机）记录。可基于所记录的图像执行随后的图像分析。
图8示出了当浓缩物被泵送到分析装置 50内时图7所示的分析系统54。通过分析装置50中的窗口56可以看到浓缩物26的一部分。
浓缩物26通过浓缩物出口管24'泵送并且包含多个粒子4。空气7或气体7"在浓缩物26的每一侧处被提供。通过穿过浓缩物出口管24'泵送额外空气或气体7，浓缩物26可以定位于分析装置50中使得在窗口56中可以看到浓缩物26。以此方式，可以通过使用采集装置（未图示，其可以是照相机）来记录浓缩物26的一个或多个图像。然后可以对浓缩物26的一个或多个图像进行进一步分析。
当对浓缩物26进行预期分析时，通过出口管62排走浓缩物26。举例而言，浓缩物26可以被泵送到收集容器或排水系统内。
能施加分析步骤顺序，每个分析步骤包括将浓缩物26的体积的一部分泵送到分析装置50内并且然后拍摄浓缩物26的一个或多个图像的步骤。当对浓缩物26的体积的一部分进行分析时，浓缩物26的额外部分或体积可以泵送到分析装置50内以便拍摄浓缩物26的额外部分或体积的一个或多个图像。
图9为示出测试金属过滤器的坚固性的过滤单元的实验设置的示意图。金属过滤器的寿命测试和反冲效率由寿命测试持续8天进行测量，流动方向变化138240次，使用总共2626,5L水。流动变化为：230ml/min至204ml/min。
图10示出了将金属过滤器放置于过滤单元中的示例。
图11a至图11d为即使当施加脉冲过滤时示出单独回洗为何不造成过滤的粒子脱离过滤器的四个图。
图12a至图12c为示出测试滤液的液体回洗与空气回洗的实验设置的图。
图12a示出了位于过滤器的渗余物侧上的收集腔室。
图12b示出了在收集腔室中红色[暗]果色流体的放置。
图12c示出了附连到注射器上的管，其用来从过滤腔室取回红色[暗]悬浮液。
图13a示出了组装的过滤单元，其中果色流体在过滤器的渗余物侧上的收集腔室中。该图示出了使用液体的回洗，明显地稀释了红色[暗]悬浮液，由用红染料对管的长部段染色表示。
图13b示出了使用空气回洗，使用相同的测试设置的结果，管的限定的短部分被染红[暗]，对应于位于收集腔室中的整个果色流体体积。
图13c为红[暗]悬浮液的稀释的示意图。
图14至图15c为直接超声波处理的效果。
图14示出了通过测量仅结合到死DNA上的特殊染色（PI）的强度来测量在寄生虫隐孢子虫中的死DNA分子数量而进行的的生存能力测试的结果。因此，PI染色(碘化丙啶)仅将死卵囊染色。X轴线：用于隐孢子虫的异硫氰酸荧光素（“FITC”）特异性染色的值。Y轴线：用于生存能力的PI指标的值。
在上图中，原始隐孢子虫隔离群具有约72的几何平均PI值，这表示约77%的卵囊在声波处理之前可存活，聚集在图中的暗线上方。下图示出了在120秒声波处理之后，注意到隐孢子虫数降低至约96%并且仅8%的剩余卵囊存活，存在于图中的暗线上方，其近似具有约2的几何平均PI值。可以看出隐孢子虫由于声波处理而移动到该线下方。
图15a示出了在利用声波处理处理之前利用FITC染色法染色的隐孢子虫卵囊的典型形态。图15b示出了直接声波处理持续120秒（2分钟）的FITC染色的隐孢子虫卵囊，示出了明显畸形。图15c示出了使用相差显微镜检查（左）和荧光显微镜检查（右）注意到的隐孢子虫卵囊的许多碎片。
在寄生虫直接暴露于声波处理之后，寄生虫数以96%的系数减小并且所回收的寄生虫中的大部分变畸形或者简单地成碎片，如在图15b和图15c中所示。
图16至图17示出了间接超声波处理的效果。当隐孢子虫卵囊间接地暴露于声波处理持续较短时间时，寄生虫的生存能力受到声波处理的微小影响并且示出PI值增加的寄生虫的百分比仅在10秒声波处理后显然。
图16a示出了间接声波处理对隐孢子虫卵囊的生存能力的效果。声波处理时间（秒）为5秒、10秒、20秒或40秒。注意对数标度。对于每个时间点，使用104个卵囊的五份复制品。在死亡卵囊与活卵囊之间的PI（碘化丙啶）值区别通过流式细胞仪确定。
*高PI：从原始对照样品的PI点线图在光学上确定在死亡（高PI）与活卵囊之间的区别。
图16b示出了间接声波处理对贾第虫孢囊的生存能力的影响。对于每个时间点，计数至少5000个孢囊。在死卵囊与活卵囊之间进行区分的PI值（黑点）通过流式细胞仪确定。
图17a示出了在过滤/声波处理（初步研究）之后隐孢子虫的回收率。水平轴线示出了时间（秒），竖直轴线示出了回收率%。回收的隐孢子虫将可能用于检测和分析寄生虫。约2.3-2.7%的接种隐孢子虫通过过滤器，而约7.9%至9.5%的接种隐孢子虫仍被截留在过滤单元中。
图17b示出了向短期声波处理暴露持续5、10、20和40秒（+/-标准偏差）的ColorSeedTM（10份复制品）的平均回收率（在提供的表中示出）。声波处理的寄生虫在聚碳酸酯膜过滤器（样品收集过滤器）中被收集并且使用荧光显微镜而被人工地计数。
图17c示出了向短期声波处理暴露5秒并且在聚碳酸酯膜过滤器（样品收集过滤器，13份复制品）上收集或直接安装于载玻片上并且被隔夜脱水（10份复制品）然后使用荧光显微镜人工计数的ColorSeed?的平均回收率（+/-标准偏差）。学生t-测试（Student t-test）表明使用载玻片方法(p<0.001)比隐孢子虫卵囊显著更高的贾第虫孢囊的回收率。
程序如下描述。为了改进回收率，实施以下调整：
1.在过滤时段结束之前，声波处理的两秒较短间隔用来减小背景噪音或者存在于过滤器中的碎屑并且移除可能的空气泡。　
2.标准对立阀（counter valve）用于过滤单元中以避免浓缩物进入错误方向。　
3.在过滤结束与声波处理开始之间的时间为标准化的（60秒）。　
4.使用过滤的水(0.22 μm)而不是超纯水（MilliQ水）来冲洗1.2μm收集过滤器来减小碎屑量使得寄生虫将会看起来清楚并且易于计数。
使用仅一段时间间隔（5秒）的复制品（N=13）来进行后一种测试，其在第一测试中得到最佳回收率。收集并且计数保留的ColorSeed?悬浮液的替代方法通过将悬浮液（N=10）直接放置于特殊涂层的环氧化物载玻片（SuperStick?载玻片，2个孔Catalogue nr. S100-2, WaterborneTM, Inc. New Orleans, LA, USA）上来进行并且在计数之前允许在室温下干燥隔夜。
图18a至图18d示出了通过声波处理对金属过滤器清洁的效果。执行改变流动方向的延长寿命测试。
图18a和图18b：无声波处理，在此示例中，通量减小至86%，其中，示出了在以不同的放大率过滤数升自来水之后的过滤器。
图18c和图18d：示出了在10秒超声处理（无反冲）之后的相同过滤器：通量恢复到100%。
通过比较图18b与图18c，示出了通过声波处理来辅助从过滤器移除微观碎屑。图18c示出了在长期过滤之后附连到当前研究中所用的金属过滤器（孔隙大小3μm）的不同大小的碎屑，其导致水通量减小。在短期声波处理（图18d）之后，通过水空化作用从过滤器分离碎屑并且通量恢复到100%。
图19为示出过滤单元的实施例的示意图。根据一实施例，可以添加另一环路用于空气回洗。
图20为示出过滤单元的优选实施例的示意图。这种设置允许利用空气移动所收集的样品。虽然利用图19的设置所收集的浓缩体积通常将会为10ml，利用图20的设置实现的浓缩体积通常为400μL，提供显著的改进。
灵敏度计算的第一示例
假定在40分钟时段期间过滤10L水，其中所有寄生虫保留在400μL体积中。在检测系统的流动池（或替代地另一检测系统）中筛选16μL的浓缩物。在40分钟内完成16μL流体的扫描。利用完整寄生虫100%的回收率，寄生虫100%目视识别，寄生虫在水中均匀分布，和将浓缩物从浓缩单元移动到流动池而不稀释样品的系统，这将造成在80分钟内每升水2.5个寄生虫的检测水平。当系统持续工作时，在扫描流动池的同时执行过滤，传感器将每40分钟生成输出，允许每天36次扫描，每次具有每升2.5个寄生虫的检测极限。
在灵敏度计算的第一示例中，得出以下结论：对于根据本发明持续工作的系统而言，在扫描流动池的同时执行过滤，过滤器将每40分钟生成输出，允许每天36次扫描，每次具有每升2.5个寄生虫的检测极限。
灵敏度计算的第二示例
假定在70分钟的时段期间过滤30L水，其中所有寄生虫保留在400μL体积中。在检测系统的流动池（或替代地另一检测系统）中筛选80μL的浓缩物。粒子沉淀/沉降需要35分钟。在35分钟内完成对80μL流体的扫描。如在初步研究中所示，完整寄生虫80%的回收率，寄生虫100%目视识别，寄生虫在水中均匀地分布，和将浓缩物从浓缩单元移动到流动池而不稀释样品的系统，这将造成在140分钟每升水0.2个寄生虫的检测水平。当系统持续工作时，在扫描流动池的同时执行过滤，传感器将每70分钟生成输出，每天允许20次扫描，每次具有每升0.2个寄生虫的检测极限，已知水质允许70分钟过滤30升。
在灵敏度计算的第二示例中，得出以下结论：对于持续工作的根据本发明的系统而言，在扫描流动池的同时执行过滤，传感器将每70分钟生成输出，允许每天70次扫描，每次具有每升0.2个寄生虫的检测极限。
样品收集单元
根据一实施例，样品收集单元包括普通聚碳酸酯过滤器，其从流动腔室通过Y形连接件连接到出口管件，Y形连接件具有阀，阀可以受到分析软件控制或者受到流量调节软件（在从分析软件接收了信号之后）控制。对于所有的负读数，流动池的出口将通过Y形连接件的一个支腿到废品容器或排水系统内。对于所有的正读数，流动池的内含物将通过Y形连接件的另一支腿而被排空，其中，其将通过过滤器，过滤器将保留寄生虫材料。通过另一Y形连接件，同一聚碳酸酯过滤器连接到总供水。在正读数的情况下，这个连接件将打开，允许数升（例如，50L）水通过过滤器。此外，所有随后的40分钟或优选地70分钟，浓缩物通过流动池的循环将通过同一过滤器。这允许：
1.给出正读数的相同样本的收集。这确保了负结果和正结果的置信度。　
2.在较大体积水中可能寄生虫的收集，增加了灵敏度和寄生虫DNA的收得率从而确保充分的材料用于分型。
一旦已检测到正读数后，警报器可以能警示水厂收集过滤器进行DNA分析。在收集时，这种聚碳酸酯过滤器将被替换掉并且系统将被复位。
根据一实施例，可以如下来使用样品收集单元：
1. 与无试剂在线传感器一起工作，这种样品收集单元对于保证分型的方法和材料的特异性将是关键的。　
2. 在传感器单元不能提供必需的灵敏度和/或特异性的情况下，浓缩单元与样品收集过滤器一起提供优点，因为与现有方法相比，其将允许很快的加工时间和很高的回收率。因此，这种装置可以在常规技术中用作第一步来确保常规抽样测试的最高可能的灵敏度。
样品收集单元可以作为完整装备销售，或者作为具有样品收集过滤器的浓缩单元单独地销售，针对不同市场。
过滤器和超声换能器
第一示例
使用镍过滤器，其具有11mm的直径，95mm2的过滤面积，以及3μm的孔隙大小。过滤器安装于过滤器保持器中。超声换能器离过滤器表面6mm远。在过滤器保持器中的内部总体积为1.74ml。在俘获寄生虫的过滤器侧部上的体积为约0.4ml。
超声使用在100%功率的15瓦。换能器以大约40kHz的频率振动。
第二示例
第二优选实施例利用以下参数。使用镍过滤器，其具有17mm的有效过滤直径， 227mm2的过滤面积，以及3μm的孔隙大小。过滤器安装于过滤器保持器中。超声换能器离过滤器表面2-3mm。过滤器保持器中的内部总体积大约为2 ml。在俘获寄生虫的过滤器侧部上的体积为大约0.4 ml。
超声使用在100%功率的15瓦并且因此具有大约7.5W/ml的强度。换能器以大约40kHz的频率振动。
预备实验表明隐孢子虫卵囊对于超声处理比贾第虫孢囊显著更灵敏。隐孢子虫卵囊在下文中将被简单地称作卵囊，而贾第虫孢囊仍被称作贾第虫孢囊。
可能包含寄生虫的水以2巴被压制通过过滤器组件以确保在软管中的所有（卵）囊被洗涤到过滤器上。截留的寄生虫（在过滤水后，其将位于过滤器表面上）将通过声波处理与过滤器表面分离并且在周围流体体积中悬浮。与过滤器表面分离的寄生虫的比例将根据超声持续时间增加，然而，寄生虫形态和生存能力也可以根据超声持续时间改变。最佳声波处理时间应是释放最高数量的寄生虫脱离过滤器而不将寄生虫破坏到其将不可被传感器识别程度所需的时间。在声波处理多个时间点（高达40秒）之后，通过比较回收的寄生虫数来确定最佳声波处理时间。
作为测试设置的一部分，遵循以下程序。在过滤了规定体积的水之后，通过利用0.2μm过滤的水冲洗来清洁过滤器单元，同时接通超声处理持续二分钟，然后在运行超声清洁时利用约1升以0.2μm过滤的水回洗。跨过整个过滤器组件而来回泵送水，过滤器组件被定向成使得可以压出空气泡。重复这个操作直到并无可见的空气泡存在于过滤器单元中。清洁具有15分钟的持续时间。

Claims (44)

1.一种用来检测水中粒子的方法，所述方法包括：
使所述水的至少一部分通过过滤器（8）；
利用超声向所述过滤器（8）施加间接声波处理以释放已收集于所述过滤器（8）中的粒子（4）而不扰乱所述粒子（4）；
收集粒子（4）；以及
检测所述收集的粒子（4）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子（4）为寄生虫。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述寄生虫（4）为原生动物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述寄生虫（4）选自包括以下的组中：隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述过滤器（8）为聚碳酸酯或者金属过滤器，优选地镍过滤器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述过滤器（8）具有至少2μm，更优选地至少2.5μm，优选地至少3μm的孔隙大小。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述过滤器（8）具有至多4μm，更优选地至多3.5μm，优选地至多3μm的孔隙大小。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，向所述过滤器（8）施加间接声波处理的超声换能器（10）定位成离所述过滤器0.5-200 mm，优选地0.7 mm-100 mm，更优选地1.0 mm-50 mm，优选地1.2 mm-25 mm，更优选地1.5 mm-10 mm，优选地1.6 mm-8 mm，更优选地1.8 mm-6 mm，优选地2 mm-4 mm，更优选地约3mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述施加的超声具有1-100 瓦/毫升，优选地3-30 瓦/毫升，更优选地5-15 瓦/毫升，优选地6-9 瓦/毫升，更优选地约7 瓦/毫升的强度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，推动水通过所述过滤器（8），施加1-5巴，优选地1.5-3巴，更优选地2巴的压力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述超声具有超过20 kHz和/或小于100 kHz的频率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述超声具有25 - 80 kHz，优选地30 - 70 kHz，更优选地35-60 kHz，优选地40 - 50 kHz，更优选地约40 kHz的频率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，其中在收集通过所述过滤器的所述水之前，至少60%，更优选地至少70%，优选地至少80%，更优选地至少90%的粒子（4）存在于通过所述过滤器的水中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水为饮用水。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述收集的粒子（4）持续受在线检测。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在少于12小时，更优选地少于8小时，优选地少于6小时，更优选地少于4小时，优选地小于2小时内检测所述收集的粒子（4）。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测所述收集的粒子（4）无需使用试剂。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过光学方法来检测所述收集的粒子（4）。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水经过所述过滤器（8）之前，所述粒子（4）的检测下限为100，优选地50，更优选地30，更优选地20，更优选地10，优选地5，更优选地3，优选地1个粒子存在于经过所述过滤器的每升水中。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用流体，优选地气体，更优选地空气来执行粒子（4）的回洗、反冲和/或运输。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述过滤器之前的空间构成第一体积（18）并且在所述过滤器之后的空间构成第二体积（16）。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，存留在所述第一体积（18）中的粒子（4）由流体移动到检测腔室。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述流体为气体，优选地空气。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，所述第一体积（18）为0.02-10 ml，优选地0.05-5 ml，更优选地0.1- 2 ml，优选地0.15-1 ml，更优选地0.2- 0.6 ml。
25.利用在过滤器（8）上的超声来使用间接声波处理以释放粒子（4）而不扰乱所述粒子。
26.一种用于对于来自一定体积流体（6）的粒子（4）进行过滤器过滤浓缩的浓缩装置（2），所述浓缩装置（2）包括：过滤器（8），其允许过滤在所述流体（6）的体积中预先限定大小的粒子（4），其中所述浓缩装置（2）包括超声换能器（10），所述超声换能器（10）允许通过间接声波处理来清洁所述过滤器（8）。
27.一种用于对于来自一定体积流体（6）的粒子（4）进行过滤器过滤浓缩粒子（4）的浓缩装置（2），所述浓缩装置（2）包括：过滤器（8），其允许过滤在所述流体（6）体积中预先限定大小的粒子（4），其中所述浓缩装置（2）包括超声换能器（10），所述超声换能器（10）允许清洁所述过滤器（8）；其中所述浓缩装置（2）包括外壳（12），所述外壳（12）具有腔体（14），其中所述腔体（14）由所述过滤器（8）分成第一体积（18）和第二体积（16）；其中所述外壳（12）具有与所述第一体积（18）成流体连通的入口（20），并且其中所述外壳（12）具有与所述第二体积（16）成流体连通的出口（22），并且所述粒子（4）在所述第一体积（18）中浓缩；并且其中所述超声换能器（10）具有布置于所述第二体积（16）中的驱动表面(10')。
28.根据权利要求27所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述超声换能器（10）的所述驱动表面(10')平行于所述过滤器延伸，并且允许朝向所述过滤器（8）发送超声波（11）。
29.根据权利要求27或28所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述外壳（12）具有与所述第一体积（18）成流体连通的浓缩物出口（24）并且所述浓缩装置（2）包括用来从所述第一体积（18）泵送浓缩物（26）通过所述浓缩物出口（24）的器件。
30.根据权利要求29所述的浓缩装置（2），其特征在于还包括：分析装置（50）或收集容器，其中所述外壳（12）具有与所述第一体积（18）成流体连通的浓缩物出口（24），并且所述浓缩装置（2）包括用于泵送浓缩物（26）通过浓缩物出口（24）远离所述第一体积（18）到分析装置（50）或者收集容器的器件。
31.根据权利要求26至30中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述浓缩装置（2）包括用来在浓缩物（26）的体积的每一侧上提供气体或空气并且泵送所述浓缩物（26）的体积同时保持气体或空气在浓缩物（26）的体积的每一侧上的器件。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述浓缩装置（2）允许在过滤期间起始和执行所述过滤器（8）的超声清洁。
33.根据权利要求26至32中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述浓缩装置（2）包括扁平过滤器。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述浓缩装置（2）包括金属过滤器（8）。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述过滤器包括镍网。
36.根据权利要求35所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述过滤器包括电铸成型镍网。
37.根据权利要求26至36中任一项所述的浓缩装置（2），其特征在于，所述浓缩装置（2）配置成浓缩在0.1-500μm，优选地1-50μm之间的大小范围的粒子。
38.一种分析系统（54），包括根据权利要求26至37中任一项所述的浓缩装置（2）。
39.根据权利要求38所述的分析系统（54），其特征在于，所述分析系统（54）包括：分析装置（50），其允许分析来自所述浓缩装置（2）的浓缩物（26）；以及泵（52），其允许将来自所述浓缩装置（2）的浓缩物（26）泵送到所述分析装置（50）内。
40.一种用于对于来自一定体积流体（6）的粒子（4）进行过滤器过滤浓缩的方法，其中通过泵送流体（6）通过过滤器（8）浓缩所述流体（6），所述过滤器（8）允许过滤预先限定大小的粒子（4），其中所述超声换能器（10）用来清洁所述过滤器（8）并且使粒子松动到第一体积（18）内，所述第一体积（18）小于所述过滤体积数倍。
41.根据权利要求40来过滤器过滤浓缩粒子（4）的方法，其特征在于，在过滤期间，基于经过所述过滤器（8）的流量和/或所述过滤器（8）上的压差的确定来控制所述过滤器（8）的清洁。
42.根据权利要求40或权利要求41所述的过滤器过滤浓缩方法，其特征在于，根据权利要求26至38中任一项所述的浓缩装置（2）用来浓缩所述流体（6）。
43.一种操作浓缩装置（2）的方法，所述浓缩装置（2）包括超声换能器（10）和过滤器（8），允许向所述浓缩装置（2）的所述过滤器（8）发送超声脉冲，所述方法包括在过滤期间起始和执行所述过滤器（8）的超声清洁。
44.一种操作浓缩装置（2）的方法，所述浓缩装置（2）包括超声换能器（10）和过滤器（8），允许向所述浓缩装置（2）的所述过滤器（8）发送超声脉冲，所述方法包括：
i)在过滤期间允许所述超声换能器（10）处于待用状态；
ii)可选地，如果压力降低或减小的流量指示所述过滤器（8）堵塞，在所述装置（2）过滤时通过发送脉冲来使截留在所述过滤器（8）中的粒子（4）松动；
iii)在即将停止过滤之前，发送脉冲来分散在所述过滤器（8）中的粒子（4）的结块；
iv)停止过滤；
V)发送脉冲以使粒子松动为所述过滤器（8）的渗余物侧上的体积内；
vi)回收粒子（4）用于检测；以及
vii)在回洗期间发送脉冲。
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