CN108025320B - 样品分离和收集的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明展示了一种离心设备(200)和其使用方法。离心设备包含壳体(202)、腔室(206)、通道(208)和盖子(222)。壳体包含第一端口(204)和排气开口(212)并且被设计成绕着穿过壳体中心的轴线(226)旋转。腔室被限定在壳体内并且被联接到第一端口。腔室(206)的第一部分具有在腔室内的第一位置处的第一宽度和第二位置处的第二宽度之间逐渐变小的宽度，其中第一宽度比第二宽度大，通道(208)被联接到腔室的第二位置并且被设置使得存在使气体从通道移动到排气开口(212)的路径。盖子(222)提供用于密封腔室的壁。

Description

样品分离和收集的方法和设备
技术领域
本发明的实施例涉及医疗诊断工具的领域。
背景技术
全血被广泛用于体外诊断研究。血样检测能够为医疗诊断和药物开发提供有价值的信息。然而，大多数的血样是通过使用血浆和血清被研究，原因是血红细胞和其组成物质(含有血细胞的成分)会干扰检测结果。因此，从全血中分离血清或者血浆是在血样分析中很典型的准备步骤。
通常，血清或者血浆的分离是使用市售的台式设备通过离心处理来进行的。这一过程费力且费时，并且在小型即时设备中集成离心系统也是具有挑战性的以及有尺寸限制的。因此，其他允许被集成到即时设备之中的分离技术正在开发之中。此类技术是基于电渗流、水力分离、声学力、介电电泳和颗粒保存的原理。后面的分离原理通常依赖不对称膜实现，所述不对称膜阻止红细胞穿过这样的过滤器。血浆过滤是很有前途的血浆分离方法，但它仍有很多的缺陷和挑战需要克服。缺陷涉及过滤器/膜的集成、堵塞、从膜中回收血浆以及不期望的生物分子的过滤。此外，过滤费时而且血细胞比容高的血样必须被稀释。
电渗流和水力分离原理被用于微流体设备，其中分析物的体积在微升范围内。然而，此类技术的血浆分离效率相比基于离心处理的技术较低。
发明内容
用于通过离心处理实现样品分离的方法、设备以及系统被示出。将基于离心处理的血浆分离集成在体外诊断设备中由于尺寸的限制、集成的问题和低制作成本而具有挑战性。离心设备通过使用较小的样品体积使血浆能够有效率地从全血中分离。例如，小于500微升的样品体积能够被使用。在其他示例中，在500微升到1000微升之间，或者在1000微升到5000微升之间的样品体积能够被使用。
在实施例中，离心设备包括壳体、腔室、通道和盖子。壳体包括第一端口和排气开口并且被设计成绕着穿过壳体中心的轴线旋转。腔室被限定在壳体内并且被联接到第一端口上。腔室的第一部分具有在腔室内的第一位置处的第一宽度和在第二位置处的第二宽度之间逐渐变小的宽度，其中第一宽度比第二宽度大。通道被联接到腔室的第二位置并且被设置使得存在使气体从通道移动到排气开口的路径。盖子提供密封腔室的壁。
对示例的方法进行描述。示例方法包括通过第一端口将样品放进离心腔室中，所述离心腔室被限定在筒形壳体内。接下来，第一端口被密封以避免任何样品通过入口返回泄漏。离心腔室绕着穿过筒形壳体中心的轴线旋转。旋转导致腔室内的样品分离，在腔室中，样品中的第一部分移动进入腔室的沿筒形壳体的圆周方向延伸的第一部分，并且样品中的第二部分移动进入腔室的从穿过筒形壳体中心的轴线径向延伸的第二部分。方法继续下列步骤：停止离心腔室的旋转并通过第二端口提取样品中的第二部分。
在另一实施例中，一种系统包括离心设备、致动器、以及提取设备。离心设备包括壳体、腔室、通道和盖子。壳体包括第一端口和排气开口并且被设计成绕着穿过壳体中心的轴线旋转。腔室被限定在壳体内并且被联接到第一端口上。腔室的第一部分具有在在腔室内的第一位置处的第一宽度和在第二位置处的第二宽度之间逐渐变小的宽度，其中第一宽度比第二宽度大。通道被联接到腔室的第二位置并且被设置使得存在使气体从通道移动到排气开口的路径。盖子具有第二端口并且提供密封腔室的壁。致动器被联接到壳体上并且使壳体绕轴线旋转。提取设备被联接到盖子上并通过第二端口提取腔室内的样品。
附图说明
被合并并且成为说明书一部分的附图，示出了本发明的实施例，并且与文字描述一起解释了本发明的原理以及使相关领域的技术人员能够制作和使用本发明。
图1示出了根据实施例的测试盒。
图2A-2D示出了根据某些实施例的离心设备。
图3示出了根据实施例的离心设备的前视图。
图4A-4C示出了根据某些实施例的离心设备的盖子的视图。
图5示出了根据实施例的离心系统。
图6示出了示例方法。
将参照附图对本发明的实施例进行描述。
具体实施方式
虽然讨论的是特定的配置和结构，应当理解，这仅仅是出于解释的目的。相关领域的技术人员将能够分辨，在不脱离本发明的核心和范围内，其他的配置和结构可以被使用。对相关领域的技术人员，很明显，本发明可以被用在其它各种应用中。
注意到说明书参照的是“一个实施例”，“一实施例”，“一示例实施例”等，表示所述的实施例可以包括特定的特征、结构或者特性，但每个实施例可以不必包括特定的特征、结构或者特性。此外，此类短语并非代指同一实施例。另外，当特定的特征、结构或者特性被根据实施例进行描述时，不管是否清楚地进行了描述，本行业的技术人员能够在知识范围内结合其他实施例来实现此特征、结构或者特性。
这里描述的某些实施例涉及离心设备，其用于分离小于500μL、在500μL到1000μL之间、或者在1000μL到5000μL之间的小体积样品。离心设备可以沿水平轴线定向使之绕水平轴线旋转。在一些实施例中，离心设备被设计成与更大的诸如测试盒的诊断测试系统集成。测试盒将执行此类测试的所有必要部件集成到单个一次性包装中。测试盒可以被构造成通过外部测试系统进行分析，该系统提供与发生在测试盒之内的反应相关的数据。在实施例中，测试盒包括多个带有透明窗口的测试腔室，来对每个测试腔室执行光学检测。
图1示出了根据实施例的示例测试盒系统100。测试盒系统100包括盒壳体102，其可以容纳多个流体腔室、通道以及储存器。根据实施例，样品可以通过样品端口104输送到盒壳体102中。样品端口104可以是通入集成在盒壳体102内的离心腔室的开口。例如，血样样品可以通过样品端口104放入离心设备中并且血浆可以被分离出来。之后，血浆可以从离心设备提取出来并且放入测试盒系统100的其它腔室之中以进行进一步的分析和测试。盖子106可以用来在样品已经放入样品端口104之后密封样品端口104。虽然盖子106被示出为连接到壳体102上并且向下摆动以密封样品端口104，但这仅仅是示例，只要能够被本行业的技术人员理解，任何盖子的设计都可以被使用。
在示例中，样品端口104接收液体样品，然而其它的样品类型也可以被使用。样品端口104还可以被设计成接收注射器的针，从而将样品注射到盒壳体102中的腔室或者流体通道之中。样品端口104还可以被设计成与诸如VACUTAINER(TM)系列设备的商业血样收集设备兼容。
测试盒100还包括被盖子108保护的其它样品进口。盖子108可拆卸以允许接近所述额外的样品进口。这种样品进口可以用来引入不需要被离心处理的样品。
这里的描述将更多的聚焦于离心设备的设计和功能。关于测试盒系统100的进一步的细节可以在待审美国专利No.13/835845中找到，其公开内容通过引用整体并入正文。
图2A示出了根据实施例的离心设备200的3D渲染图。离心设备200包括与旋转臂220相联接的筒形壳体202、以及盖子222。尽管壳体202在这里被描述成筒形，本行业的技术人员能够意识到，其他能够保持这里描述的功能性的形状也可以被使用。筒形壳体202绕穿过旋转臂220并且基本上穿过筒形壳体202的中心的轴线旋转。盖子222可以是可拆卸的以接近筒形壳体202中的各个腔室和通道，并且当附接于筒形壳体202时，盖子在各个腔室和通道上方提供密封壁。在另一实施例中，盖子222永久性地固定在筒形壳体202上，并且可以是筒形壳体202的一体部分。
根据实施例，筒形壳体202包括绕铰接连接部217旋转的旋转部分216。旋转部分216可以摆动打开以显出用于将样品放进离心设备200中的输入端口204。样品可以通过使用注射器或者其它任意的合适的流体转移机构经由进口端口204放置。旋转部分216可以包含凸起结构218，该凸起结构的尺寸设计成当旋转部分216被关闭时装配到入口端口204中。凸起结构218可以密封入口端口204以防止任何的泄漏。凸起结构218可以包括诸如带有聚合物末端以密封入口端口204的开口的垫圈设计。
任何通过入口端口204放置的样品都会进入离心腔室206。离心腔室206包括被设计成在离心过程中有助于样品的分离的弯曲几何结构，参照图3进行更详细的解释。根据实施例，与离心腔室206的一端联接的是排气通道208。排气通道208为诸如空气的气体提供从离心腔室206到排气开口212的畅通无阻的流动。在离心过程和之后的分离样品的提取期间，将诸如空气的气体排出排气开口212的能力可以帮助减少气泡的产生。
在实施例中，收集腔室210被联接在排气通道208和排气开口212之间。收集腔室210可以被设置成当样品填充离心腔室206时，接收穿过排气通道208的样品。如果样品没有填充或者充分填充离心腔室206时，离心工序可能不能正常运作。如果离心腔室内部有太多堵塞的空气时，可能产生气泡。因此，收集腔室210可以在样品能够从排气开口212泄漏之前，充当安全结构以收集样品。
在实施例中，筒形壳体202包括样品指示器214，其被设计成当离心腔室206被样品填满或者接近填满时，向用户提供指示。例如，当离心腔室206填满时，样品指示器214可以变成一种特定的颜色。样品指示器214可以被制造成透明或者半透明的，从而当离心腔室206被样品填满时，让用户能够意识到。
盖子222可以被放置在筒形壳体202的一侧上以密封限定于其中的一个或多个腔室。根据实施例，盖子222包括联接结构224以允许连接到提取设备上。联接结构224的基部包括用于在离心腔室206内分离的样品提取出来的端口(图中未示出)。提取设备可以是注射器或者之前参照图1描述的测试盒的一部分。
图2B示出了根据实施例的离心设备200，其中筒形壳体202的旋转部分216关闭。筒形壳体202绕轴线226旋转以将放置在其中的样品离心处理。旋转部分216可以使用卡扣机构228以在被旋转关闭后维持旋转部分216的位置。卡扣机构228可以包括在两个结构之间的物理配合，或者可以包括磁体以使旋转部分216保持关闭。
图2C示出了可以与离心设备200一起使用的多个部件的放大视图。在实施例中，旋转臂220可以通过套管230a和230b来维持稳定，套管又连接到结构230上。结构230可以是能为旋转臂220提供支撑和稳定的任意结构。根据实施例，当旋转臂220的一端被连接到离心设备200时，另一端被连接到联接元件232上。联接元件232可以被用来直接与致动器相联以驱动旋转臂220。
图2D示出了根据另一个实施例的离心设备200。结构230在图中为清楚起见未示出。盖子222被示出为具有不同的联接结构234。联接结构234可以是垫圈环，或者任意的其它结构，其用来当从离心设备200中通过穿过盖子222的端口(未示出)提取样品时，形成流体密封。其它联接结构设计可以被本行业的技术人员很好地理解。
图3示出了根据实施例的离心设备200的前视图。旋转轴线226被示出为大致穿过设备的中心。离心腔室206的几何结构在本视图中更易于观察。根据实施例，离心腔室206包括两部分：收集区域302，其垂直于旋转轴线226定向并且径向向外延伸；以及尾部区域304，其围绕筒形壳体202的圆周延伸。收集区域302可以包括从收集区域302的中心到收集区域302的边界壁的坡度增大的壁303，以帮助将分离的样品聚集在收集区域302中。根据实施例，尾部区域304从收集区域302弯曲离开，宽度逐渐减小，并且通过与排气通道208联接而结束。尾部区域304的弯曲形状可以有助于将离心设备200的总直径保持尽可能低，同时最大化收集区域302和尾部区域304的容积。在另一实施例中，尾部区域304未弯曲，但从收集区域302向外沿直线延伸。
在设备200旋转期间，相对离心力(RCF)生效。与旋转中心共线，相对离心力为0，并且垂直于旋转轴线RCF增加值为：
Figure BDA0001586416630000071
其中，g是地球的重力加速度，r是旋转半径并且ω是单位时间以弧度计的角速度。当r增加时RCF增加，并且相比密度较小的颗粒，密度较大的颗粒以更大的力被加速。因此，在旋转过程中，随着时间的推移，样品被分成两相：密度较高的相被分离到尾部区域304，密度较低的相被分离到收集区域302。在使用全血样品的示例中，血浆被分离到收集区域302，同时剩余的血细胞和任何杂质被分离到尾部区域304。
尾部区域304的变化的宽度被设计成在旋转期间帮助将密度较低的材料排入收集区域302。在尾部区域304的位置A的宽度可以比尾部区域304的位置B的宽度大，宽度在位置A和B之间逐渐缩小。根据实施例，在宽度已经缩小到它的最小值的位置B处或者附近，尾部区域304与排气通道208联接。排气通道朝向筒形壳体202的中心延伸返回使得从旋转轴线226到排气通道208的最短距离小于离心腔室206内的任何点到旋转轴线226的距离。本设计有助于在离心过程中确保样品的稳定位置，并且被动地防止气泡从排气开口212进入离心腔室206。
离心腔室206也可以具有小于500μL、500μL到1000μL之间、或者1000μL到5000μL之间的容积。在示例中，离心腔室206盛有250μL的全血。在以5000RPM到20000RPM的转速离心约3分钟后，大约有60－70μL到大约100－150μL的血浆可以被分离到收集区域302。可以以例如10000RPM执行离心过程。
在离心处理之后，或者在离心处理期间在给定的时间段过去之后，样品已经被分离成在收集区域302中的密度较低的相和在尾部区域304中的密度较高的相。此时，分离的相的提取可以被通过出口端口(未示出，但参照图4A-4C进行描述)来执行。离心腔室206的水力直径可被设计使得毛细管力在从离心腔室206提取每个样品相期间防止分离的相的混合。例如，在两个分离的相之间存在的界面层在提取过程中应当不受气泡影响而保持不破损。基于上述离心腔室206的示例尺寸，离心腔室206的水力直径可以小于约5到6微米以在提取过程中维持相的分离。
图4A和4B示出了盖子222的示例尺寸。图4A示出了展示穿过联接结构23的基部的出口端口402的盖子222的前视图。盖子222可以具有小于20mm的直径，例如示出的15mm的直径。相近地，筒形壳体202可以具有与盖子222基本相同的直径。联接结构234可以具有小于5mm的直径，例如示出的2.5mm的直径。出口端口402被示出为具有大约200微米的直径，但这个直径可以是100微米到500微米范围内的任意直径。在另一示例中，出口端口402的直径在150微米到350微米范围内。出口端口402的直径可以是足够小以在将样品引入离心腔室206或者离心设备的旋转期间保证液体样品不能从出口端口402泄漏出去的任意直径。在实施例中，出口端口402的横截面面积少于排气通道208的横截面面积的四分之一。
根据实施例，在样品提取过程中，样品通过出口端口402被抽出离心腔室206，空气通过排气通道208进入离心腔室206。在这一过程中，尾部区域304的增加的横截面帮助防止气泡流进收集区域303并替换收集区域303之中的液体。
图4B示出了盖子222的侧视图，还示出了出口端口402穿过盖子222的厚度延伸。根据实施例，当盖子222被放置在筒形壳体202上时，出口端口402对准在离心腔室206的收集区域302上。旋转停止后，或者当离心设备仍在旋转时，收集区域302中的分离的样品可以通过出口端口402提取出来。联接结构234可以用来与用于经由施加的压力差通过出口端口402提取样品的另一结构形成防泄漏密封。
图4C示出了根据另一个实施例的包含不同联接结构224的盖子222的侧视图。提取设备可以被物理联接到联接结构224上以经由施加的压力差将样品提取出来。
图5示出了包括联接到致动器502的离心设备200的示例系统500。致动器502可以是任意形式的电机(感应电机，步进电机等)，其使离心设备200以几千RPM的高速旋转。在系统500中还示出了提取设备504。在实施例中，提取设备504还包含用于在联接结构234和提取设备504之间形成基本防泄漏密封的结构506。注意到，结构506可以被设计成与离心设备200上的任意类型的联接结构联接。在一个实施例中，提取设备504包含可移动的转移腔室，其是与参照图1所述的测试盒系统类似的测试盒系统的一部分。
图6示出了根据实施例用于使用离心设备来分离样品的方法600的流程图。应当理解，在方法600中示出的步骤并不是穷举的并且也可以在不脱离本发明的范围或者核心的情况下执行其它的步骤。方法600中的很多步骤可以通过例如离心设备200执行。
在方框602，样品通过第一端口(例如，进口端口)放入腔室。样品可以是不同密度组分的混合物，例如包含血红细胞和其它颗粒以及密度较小的血浆的血样。样品可以通过注射器或者另一个更加集成的流体传送系统(例如，微流体通道)放进入口。根据实施例，入口通向限定在筒形壳体中的离心腔室。
在方框604，入口被密封以防止在离心处理过程中样品的泄漏。密封入口可以通过卡扣关闭离心设备的另一部分使得入口被堵塞来执行。任何其它众所周知的密封机构可以被使用。
在方框606，腔室绕穿过筒形壳体中心的轴线旋转以离心处理腔室之中的样品。在一示例中，腔室以大约5000RPM到20000RPM的速度旋转。在一特定实例中，样品以10000RPM的速度旋转。腔室可以被设计使得其如示出的一样绕离心设备的外部边缘卷曲，例如，如图3所示。这种几何形状有助于基于密度将样品分离到腔室的不同部分中。
在方框608，样品基于旋转期间施加在腔室内的离心力而分离。如上面注意到的，腔室的几何形状还有助于将样品中的密度较大的材料保持在腔室的第一部分中，以及将密度较低的材料保持在腔室的第二部分中。在实施例中，腔室的第一部分沿筒形壳体的圆周延伸，而腔室的第二部分从穿过筒形壳体的中心的旋转轴线径向向外延伸。
在方框610，腔室的旋转被停止。在一示例中，腔室以10000RPM的旋转在大约三分钟之后停止。突然的停止还会迫使密度较大的材料聚集在腔室的第一部分中，且远离聚集在腔室的第二部分的密度较小的材料。
在方框612，样品中的密度较小部分通过第二端口(例如，出口端口)提取出来。出口端口可以大体定位在腔室第二部分的上方，使得通过出口端口的提取在离心过程之后仅从腔室的第二部分提取密度较低的材料。提取可以通过施加在出口端口处的压力差而产生。注射器也可以用于在离心过程之后提取密度较低的材料。
根据实施例，方法600可以在不停止腔室的旋转以提取样品的情况下而执行(例如，跳过流程610)。出口端口的中心可以大体位于旋转轴线上。
其它步骤可以被执行作为方法600的额外部分。例如，如果离心设备被集成进测试盒，一些步骤可以包含将离心设备从流体联接机构脱离以允许离心设备自由旋转。然后离心设备可以在离心过程之后被重新连接到测试盒中的流体联接机构以提取样品。
具体实施例的前述说明将如此充分展示本发明的一般性质，以致其他人可以通过应用本领域技术中的知识来轻易地对各种应用，例如具体实施例进行修改和/或适应，而无需过度实验，且不背离本发明的一般概念。因此，基于这里呈现的教导和指导，这些适应和修改落在本公开实施例的等同物的含义和范围之内。应当理解，这里的表达方式或者用辞是为了描述而不是限制，因此本说明书的用辞将由技术人员根据教导和指导来解释。
本发明的实施例已经在上面借助功能构建模块进行了描述，功能构建模块示出了具体功能和其中关系的实施。这些功能构建模块的边界条件已经任意地限定以方便描述。只要具体的功能和其中的关系能够被合适地执行，就可以限定替代的边界条件。
总结和摘要部分可以阐述发明人所设想的一个或多个但不是全部的示例性实施例，并且因此，并不意欲限制本发明以及附加的权利要求。
本发明的广泛性和范围不应被上述任一示例性实施例所限制，但应仅根据接下来的权利要求和他们的等同物所限定。

Claims (23)

1.一种离心设备，包含：
带有第一端口和排气开口的壳体，其中壳体被构造成绕穿过壳体中心的轴线旋转，壳体包含：
联接到第一端口的腔室，其中腔室的第一部分具有在腔室内的第一位置处的第一宽度和在腔室内的第二位置处的第二宽度之间逐渐变小的宽度，其中第一宽度比第二宽度大，以及
被联接到腔室内的第二位置的通道，通道被设置使得存在使气体从通道移动到排气开口的路径；以及
带有第二端口的盖子，盖子被构造成提供用于密封所述腔室的壁。
2.根据权利要求1所述的离心设备，还包含联接在通道和排气开口之间的第二腔室。
3.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，第二端口具有在100微米到500微米之间的直径。
4.根据权利要求3所述的离心设备，其特征在于，第二端口具有在150微米到350微米之间的直径。
5.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，盖子包含被构造成与提取设备联接的联接结构。
6.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，腔室包含大约250微升的流体容积。
7.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，壳体具有筒形形状。
8.根据权利要求7所述的离心设备，其特征在于，筒形壳体的直径小于20mm。
9.根据权利要求7所述的离心设备，其特征在于，腔室的第一部分沿筒形壳体的圆周延伸，腔室的第二部分从穿过筒形壳体的中心的轴线径向延伸。
10.根据权利要求8所述的离心设备，其特征在于，第二端口位于腔室的第二部分的上方。
11.根据权利要求8所述的离心设备，其特征在于，腔室的第二部分具有小于5毫米的水力直径。
12.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，壳体包含铰接部分，其中铰接部分被构造成摆动打开以显露第一端口。
13.根据权利要求12所述的离心设备，其特征在于，铰接部分包含被构造成当铰接部分关闭时密封第一端口的凸起结构。
14.根据权利要求1所述的离心设备，还包含被构造成当腔室已经被填充到最大程度时提供指示的样品指示器。
15.根据权利要求1所述的离心设备，其特征在于，在通道和旋转轴线之间的最短距离小于腔室的任意一处和旋转轴线之间的距离。
16.一种通过离心分离样品的方法，包含：
通过第一端口将样品放进离心腔室，其中离心腔室被限定在筒形壳体内；
密封第一端口以防止样品通过入口泄漏返回；
绕穿过筒形壳体中心的轴线旋转离心腔室；
由于旋转分离腔室内的样品，其中样品的第一部分移动进入沿筒形壳体的圆周延伸的腔室的第一部分，腔室的第一部分具有当其沿筒形壳体的圆周方向延伸时逐渐变小的宽度，以及样品的第二部分移动进入从穿过筒形壳体的中心的旋转轴线径向延伸的腔室的第二部分；以及
通过第二端口提取样品的第二部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，第二端口位于腔室的第二部分的上方。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，旋转包含以在5000RPM到20000RPM之间的转速旋转离心腔室。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，提取包含通过在第二端口处施加的压力差提取样品的第二部分。
20.根据权利要求16所述的方法，还包含通过排气端口排出离心腔室内的气体。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，样品的第一部分的密度较样品的第二部分的密度大。
22.根据权利要求16所述的方法，还包含在提取之前停止腔室的旋转。
23.一种通过离心分离样品的系统，包含：
根据权利要求1所述的离心设备；
联接到离心设备的壳体的致动器，致动器被构造成使壳体绕离心设备的轴线旋转；以及
联接到离心设备的盖子的提取设备，提取设备被构造成通过离心设备的第二端口提取离心设备的腔室内的样品。
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