CN110769940A

CN110769940A - 离心处理单元

Info

Publication number: CN110769940A
Application number: CN201880041615.5A
Authority: CN
Inventors: M·斯皮斯; F·施黑泽尔; A·萨格; M·沃尔夫
Original assignee: Tecan Trading AG
Current assignee: Tecan Trading AG
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2020-02-07
Also published as: US20200171512A1; EP3421133A1; WO2019001837A1; EP3421133B1

Abstract

一种用于引导样品处理盒(2)内的物质运动的离心处理单元(1)，包括：用于接收样品处理盒(2)的转子(3)；用于产生离心力(F)的转子驱动器，其中离心处理单元(1)还包括布置在转子(3)上用于接收样品处理盒(2)的枢转容纳部(31)和固定容纳部(32)，其中每个枢转容纳部(31)适于允许所接收的样品处理盒(2)绕各自的枢转轴线(310)的自由枢转运动，其中每个枢转轴线(310)正交于转子轴线(300)且正交于离心力(F)的相应力矢量。

Description

离心处理单元

发明的技术领域

本发明涉及一种用于引导样品处理盒内的物质运动的离心处理单元。

相关技术的描述

在US 4,236,666中公开了这种离心处理单元。它包括两个用于若干样品容器的料斗(magazine)，其中，这些料斗布置在从旋转轴线向外延伸且彼此相对的臂上。每个料斗可绕各自的轴旋转并且可沿各自的轴滑动。在每个臂上，在相应料斗的一侧上布置有锁定销，并且每个料斗包括用于所述锁定销的对应凹部。如果旋转轴线沿一个方向旋转，则每个料斗都在不借助锁定销的情况下抵靠在臂的侧面上，并且可以绕其轴旋转。如果旋转轴线沿相反方向旋转，则每个料斗都借助锁定销抵靠在臂的侧面上沿其轴滑动，因此阻止其绕其轴旋转。滑动和抵靠产生额外的非期望的力矢量。

发明概述

因此，本发明的任务在于，提供一种用于引导样品处理盒内的物质运动的离心处理单元，由此避免了额外的非期望的力矢量。

该问题由具有权利要求1的特征的离心处理单元来解决。离心处理单元的进一步实施例、离心处理系统以及用于引导物质在样品处理盒内的运动的方法通过另外的权利要求的特征所限定。

根据本发明的用于引导样品处理盒内的物质运动的离心处理单元包括：用于接收样品处理盒的至少一个转子，用于使至少一个转子绕各自的转子轴线旋转以产生离心力的至少一个转子驱动器，用于使至少一个转子加速和减速的控制装置。离心处理单元还包括布置在至少一个转子上用于容纳样本处理盒的至少一个枢转容纳部和至少一个固定容纳部。每个枢转容纳部适于允许所接收的样品处理盒绕相应的枢转轴线的自由枢转运动，其中，每个枢转轴线正交于转子轴线并且正交于离心力的相应力矢量。

因为在转子与样品处理盒之间在旋转方向上没有相对运动，所以没有邻接，由此没有不希望的力矢量。离心力的力矢量沿第一方向作用在被接收在枢转容纳部中的盒上，并且沿第二方向作用在被接收在固定容纳部中的盒上。第二方向取决于转子的转速。转子旋转得越快，离心力就越大，盒相对于其闲置位置的角度偏移就越大。偏转角在大于0度至小于90度的范围内。如果转子沿其绕转子轴线的两个旋转方向之一旋转，则这种设计将起作用。

在最简单的设计中，离心处理单元包括一个转子，该转子具有一个枢转容纳部和一个固定容纳部，它们布置在转子的相对侧上。这种布置提供了要移动的质量的均匀分布，因此减少了由于质量不平衡而引起的振动，从而减小了设备上的应力。替代地，可以在转子上布置两个、四个、六个、八个、十个、十二个或更多个枢转容纳部和固定容纳部。当围绕转子均匀分布时，偶数个容纳部很容易实现质量平衡。替代地，也可以设置奇数个容纳部或转子臂。有利的是，使各容纳部围绕转子均匀地分布，以防止质量不平衡。枢转容纳部和固定容纳部可以交替布置，或是以两个、三个、四个、五个、六个或更多个的组或一半一半的组布置。枢转容纳部和固定容纳部可相对于转子彼此相对地布置。替代地，它们可以布置成与相同类型的容纳部相对。

在一种实施例中，离心处理单元包括两个或更多个转子，并且其中，每个转子仅包括枢转容纳部或仅包括固定容纳部，它们在设计上彼此不同。例如，固定容纳部包括固定至相应转子的框架，并且根本没有枢转轴线。来自与一个转子相关联的枢转容纳部的盒可以被转移到与另一转子相关联的固定容纳部，反之亦然。转移可以是一个接一个地进行，也可以将盒分组或全部一起转移。

在另外的实施例中，每个容纳部适于以第一定向接收样品处理盒以及以第二定向接收样品处理盒，其中，第二定向对应于样品处理盒绕平行于转子轴线的中心轴线旋转一定角度。理论上，任何可能的旋转角度都将导致垂直于中心轴线的任何可能的合力矢量，中心轴线平行于作用在样品处理盒上的转子轴线。

在另外的实施例中，角旋转是约大于0至180度、特别是90度或180度的旋转。被接收在固定容纳部中的盒旋转约180度导致离心力的力矢量沿第三方向作用，其中，第三方向指向与第二方向相反的方向。借助这种设计，作用在盒上的力矢量的第一、第二和第三方向位于一个平面中。因此，样品处理盒内的物质可以在该平面内移动。

根据一种实施例，至少一个容纳部包括用于接收样品处理盒的框架。框架允许接收各种不同的盒。枢转容纳部的框架可以绕枢转轴线枢转。固定容纳部的枢转被固定元件阻止。这样的设计允许将除了固定元件之外的相同部件用于两个不同的容纳部。固定元件可以附连至转子、盒或框架或附连至两者。如果固定元件附连至转子或形成转子的一部分，则盒或框架的一部分可以抵靠固定元件。替代地，如果固定元件附连至盒或框架形成它们的一部分，则转子的一部分可以抵靠固定元件。

在另外的实施例中，至少一个枢转容纳部包括抵靠部，该抵靠部阻止样品处理盒枢转超过预定角度。对应的抵靠元件可以布置在样品处理盒上或框架上，用于接收样品处理盒。由于自由枢转运动允许0度至约90度的角度偏差，故而带有抵靠部的设计允许在大于0度至小于90度的范围内选择性地设定样品处理盒的角度运动。这样一来，可以使样品处理盒的内容物相对于样品处理盒的定向以一定角度运动。

离心加工单元的上述实施例的特征能以任意组合使用，除非它们彼此矛盾。

用于引导样品处理盒内的物质运动的离心处理系统包括根据上述实施例之一的离心处理单元和适于能够将样品处理盒布置在至少一个容纳部中或将样品处理盒从至少一个容纳部移除的至少一个操纵器。操纵器的布置和移除允许实现精确且快速的过程。

在一种实施例中，操纵器适于能够在任何水平或竖直方向上移动样品处理盒。借助这种操纵器，可将来自转子一侧的盒转移到转子的相反侧，从而使得盒相对于转子的定向已改变了180度。为了转移另一个盒，转子必须旋转一定角度，该角度对应于盒容纳部围绕转子的角度分布。

在另外的实施例中，操纵器适于能够绕平行于转子轴线的中心轴线执行样品处理盒的角旋转。这允许盒快速旋转，并随后沿另一个方向施加离心力。为了将任何一个容纳部中的盒转移到另一容纳部中，转子无需旋转。替代地，可以旋转转子，以改善盒的可及性。

根据另一实施例，角旋转是围绕大于0、特别是90度或180度的角度的旋转。上文已经描述了其优点。

在另一实施例中，离心处理系统还包括至少一个附加工位，其中，该至少一个附加工位可以选自装载/卸载工位、移液工位、密封工位、辐照工位、加热工位、检测/量化工位、识别工位或用于处理样品处理盒的内容物或操作样品处理盒的任何其他普遍知晓的工位。这些附加工位的纳入提供了多种选择，并允许系统的广泛使用。

这些工位可以在一个基座上彼此相邻布置。此外，它们也可以分配在可进入的外壳内。壳体可包括可部分或全部移除或打开的覆盖件或盖。

装载和卸载可以在同一位置，也可以分配在不同位置，即装载工位和卸载工位。这些工位可以为单个盒或用于若干盒的托架提供空间。

在移液工位中，可以添加、混合或转移诸如样品、试剂、重溶缓冲液(reconstitution buffer)之类的反应组分。

在密封工位中，盒被密封以阻止物质离开或进入盒。

在辐照工位中，盒或其内容物可以暴露于任何种类的辐照下。辐照可以是电磁的或放射性的，比如光、电磁、放射等。

在加热工位中，盒的内容物可以暴露于通过接触、对流、传导或辐射而引入的热量。加热工位可以是恒温培养器，其中，温度随时间变化保持恒定。4至98摄氏度的温度是合适的温度范围。替代地，加热工位可以是梯度培养器或热循环仪，其中，可以实现加热梯度或冷却梯度或其组合。也可能引入温度平稳期，其中，温度在一段时间内保持恒定。

在检测/量化工位中，可以实现任何种类的光学或电子检测和/或检测的量化和/或量化目标。

在识别工位中，可以借助一维或二维条形码扫描仪、RFID扫描仪或成像系统来识别盒。

离心加工系统的上述实施例的特征能够以任意组合使用，除非它们彼此矛盾。

一种用于引导物质在样品处理盒内运动的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供根据上述实施例中一个实施例的离心处理单元；

-将样品处理盒插入枢转容纳部中；

-使至少一个转子绕相应的转子轴线旋转以产生离心力，同时允许所插入的样品处理盒的自由枢转运动，从而在相对于样品处理盒的第一方向上产生力矢量；

-将样品处理盒从枢转容纳部移除；

-将样品处理盒插入固定容纳部中；

-使至少一个转子绕相应的转子轴线旋转以产生离心力，同时阻止所插入的样品处理盒的自由枢转运动，从而在相对于样品处理盒的第二方向上产生力矢量。

离心处理单元或离心处理系统的优点同样适用于引导物质在样品处理盒内运动的方法。

在一种实施例中，该方法还包括以下步骤：

-在将样品处理盒插入到固定容纳部中之前使样品处理盒绕平行于转子轴线的中心轴线旋转，从而使得当至少一个转子绕各自的转子轴线旋转时能够在相对于样品处理盒的第三方向上产生力矢量。

在另外的实施例中，该方法还包括以下步骤：

-在将样品处理盒插入枢转容纳部或固定容纳部中之前或之后，将样品处理盒定位在至少一个附加工位中，其中，至少一个附加工位可以选自与离心处理系统中的相同的那些工位。

根据另外的实施例，样品处理盒的插入、移除、旋转和/或定位由至少一个操纵器执行。

根据另外的实施例，通过在至少一个转子旋转之前为枢转容纳部提供抵靠部来部分地限制样品处理盒的自由枢转运动。可以在转子旋转开始时或刚好在转子旋转之前提供抵靠部。也可以从一开始就提供这样的角度受限的容纳部，即作为出厂设置或者最迟在通过手或操纵器旋转转子之前将抵靠部放置在相应的容纳部中。也可以在这两个时间点之间在容纳位置处分配抵靠部。

用于引导物质在样品处理盒内的运动的方法的上述实施例的特征能够以任意组合使用，除非它们彼此矛盾。

附图简介

下面参考附图更详细地描述本发明的实施例。这些实施例仅用于示意性目的，而不应被看作在进行限制。附图中：

图1示出了根据本发明的离心处理单元的侧视图；

图2示出了图1所示离心处理单元的俯视图；

图3示出了图1所示离心处理单元在旋转期间的轴测图；

图4示出了在旋转期间被接收在枢转容纳部中的样品处理盒；

图5示出了在旋转期间被接收在固定容纳部中的样品处理盒；

图6示出了离心处理单元的局部侧视图，该离心处理单元在枢转容纳部处具有受限的角度偏差；

图7示出了图6所示枢转容纳部的细节；

图8示出了被接收在图7所示枢转容纳部中的样品处理盒；

图9示出了带有图1所示离心处理单元的离心处理系统。

发明详述

图1示出了根据本发明的离心处理单元1的侧视图，图2则示出了根据本发明的离心处理单元1的俯视图。用于引导样品处理盒2内的物质运动的离心处理单元1包括：用于接收样品处理盒2的转子3，用于使至少一个转子3绕各自的转子轴线300旋转以产生离心力F的至少一个转子驱动器(未示出)，用于使至少一个转子3加速和减速的控制装置(未示出)。转子3包括两个臂，这两个臂在转子轴线300相对的两侧从中心转子轴线300侧向地延伸。离心处理单元1还包括用于接收样品处理盒2的枢转容纳部31和固定容纳部32。枢转容纳部31和固定容纳部布置在转子3上，其中，枢转容纳部31适于允许所接收的样品处理盒2绕各自的枢转轴线310的自由枢转运动。枢转轴线310正交于转子轴线300并且正交于离心力的相应的力矢量F。两个容纳部在两个转子臂的每个自由端处各分配有一个。枢转容纳部31和固定容纳部32各自包括用于容纳样品处理盒2的框架311、221。每个容纳部的框架适于以第一定向接收样品处理盒2以及以第二定向接收样品处理盒2，其中，第二定向对应于样品处理盒2绕平行于转子轴线300的中心轴线200旋转180度角。每个框架在其上缘处包括相应的凸缘312、322。每个凸缘向外延伸。固定容纳部32包括固定元件320。固定元件320通过转子3的固定容纳部32附连到臂。固定元件320是U形的，并且布置在转子3的臂与相应框架321的凸缘322之间。当转子3运动时，凸缘322的下表面抵靠固定元件320的上表面，从而阻止框架的倾斜运动。当转子3的臂分叉时，固定元件320的一个柄部附连到转子臂的一侧，而固定元件320的另一柄部附连到转子臂的另一侧。两个柄部之间的连接部分允许容易地安装和移除固定元件320，并确保框架321相对于转子臂的良好固定。固定元件320可以卡合在转子臂上。除了固定元件320之外，包括各自的框架312、322在内的枢转容纳部31和固定容纳部32设计相同。

图3示出了图1所示离心处理单元在旋转期间的轴测图。当转动时，由于离心力，枢转容纳部31的框架311与其中接收的盒2一起执行绕枢转轴线310的枢转运动。在所示的情形中，盒在旋转状态下相对于其静止位置的角偏转为约90度。由于固定元件320，盒2与固定容纳部一起不枢转。

图4示出了在旋转过程中接收在枢转容纳部中的样品处理盒2。为了更好的可见性，仅示出了盒2。在转子3旋转期间，离心力F沿第一方向作用于盒，从而导致第一力矢量F1作用于要移动到样品处理盒2内的基材上并将这些基材沿第一方向引导。相对于盒在其静止位置的定向，第一力矢量指向下。因此，已被插入到盒顶部的物质向下移动。即使在盒绕其中心轴200旋转时，枢转容纳部31中的合力矢量也始终指向下。

图5示出了在旋转过程中接收在固定容纳部32中的样品处理盒2。为了更好的可见性，仅示出了盒2。在转子3旋转期间，离心力F沿第二方向作用于盒，从而导致第二力矢量F2作用于要移动到样品处理盒2内的基材上并将这些基材沿第二方向引导。相对于盒在其静止位置的定向，第二力矢量F2指向一侧。因此，盒内的物质被移动到该侧。当固定容纳部32中的盒绕其中心轴线200旋转时，在转子3旋转期间，离心力F沿本质上与第二方向相反的第三方向作用于盒，从而产生第三力矢量F3，该第三力矢量F3作用在盒中的基材上并使这些基材沿第三方向移动。相对于盒在其静止位置的定向，第三力矢量F3指向本质上与第二力矢量F2相反的方向。因此，盒内的基材被朝向该侧移动。

图6示出了离心处理单元1的局部侧视图，该离心处理单元1在枢转容纳部31处具有受限的角度偏差A，并且图7示出了图6所示枢转容纳部31的细节。在转子臂上靠近枢转轴线310处，布置有抵靠部313。抵靠部313从转子臂向上延伸，并且在其上端区域处包括抵靠部表面314。抵靠表面314被设计用于接触布置在枢转容纳部31的框架311上的抵靠元件315。在转子3不旋转的静止状态下，抵靠元件315从枢转轴线310径向向上延伸。在静止状态下，在抵靠部313与抵靠元件315之间存在自由空间。当转子3旋转时，框架311绕枢转轴线310枢转，并且抵靠元件315进行枢转运动，由此该自由空间为减小直到抵靠元件315接触抵靠部313为止。在静止状态下的自由空间越大，框架311相对于转子的可能角度偏差就越大。抵靠部313的高度越小，在静止状态下的自由空间就越大。通过抵靠部313和抵靠元件315的这种组合，可以实现从大于0度到小于90度的角度偏差。

图8示出了接收在图7所示枢转容纳部中的样品处理盒，其得到的角向合力矢量F_A为约45度。

在不同的转子臂处的不同的抵靠部313允许得到作用于插入到相应框架中的盒2的不同的合力矢量。通过随后将盒2放置在转子3的不同位置中、即在离心处理单元1的不同框架中，可以将不同的合力矢量对应地施加于所述盒2。这增加了液体可在盒内获得的可能路径。

图9示出了带有离心处理单元1的离心处理系统。离心处理单元1安装在基座上。在同一基座上安装有操纵器4、装载/卸载工位5、密封工位6、辐照工位7、加热工位8、检测/量化工位9和识别工位90。带有操纵器的基座和所有工位都被外壳封围。可以借助铰接盖进入外壳内部。这对于维护是有利的。在正常运行期间，装载/卸载工位5是内部与周围环境之间的唯一连接。操纵器4适于将样品处理盒2插入离心处理单元1中/从离心处理单元1中移除。操纵器4可以执行沿水平轴线X、Y的水平运动和沿竖直轴线Z的竖直运动。此外，操纵器4可以使盒绕竖直轴线Z旋转。

附图标记列表

1 离心处理单元 322 凸缘

10 离心处理系统 4 操纵器

2 样品处理盒 5 装载工位

200 中心轴线 6 密封工位

3 转子 7 辐照工位

300 转子轴线 8 加热工位

31 枢转容纳部 9 检测/量化工位

310 枢转轴线 90 识别工位

311 框架 F 离心力

312 凸缘 F1 力矢量

313 抵靠部 F2 力矢量

314 抵靠表面 F3 力矢量

315 抵靠元件 A 角

32 固定容纳部 F_A 力矢量

320 固定元件

321 框架

Claims

1.一种用于引导样品处理盒(2)内的物质运动的离心处理单元(1)，所述离心处理单元(1)包括：

至少一个转子(3)，所述至少一个转子用于接收所述样品处理盒(2)；

至少一个转子驱动器，所述至少一个转子驱动器用于使所述至少一个转子(3)绕各自的转子轴线(300)旋转以产生离心力(F)；

控制装置，所述控制装置用于使所述至少一个转子(3)加速和减速；

其特征在于，所述离心处理单元(1)还包括布置在所述至少一个转子(3)上用于接收所述样品处理盒(2)的至少一个枢转容纳部(31)和至少一个固定容纳部(32)，其中，每个枢转容纳部(31)适于允许所接收的样品处理盒(2)绕各自的枢转轴线(310)的自由枢转运动，其中，每个枢转轴线(310)正交于所述转子轴线(300)且正交于所述离心力(F)的相应力矢量。

2.根据权利要求1所述的离心处理单元(1)，其特征在于，所述离心处理单元(1)包括两个或更多个转子(3)，且其中，每个转子仅包括枢转容纳部(31)或仅包括固定容纳部(32)。

3.根据权利要求1所述的离心处理单元(1)，其特征在于，每个容纳部(31、32)适于以第一定向接收所述样品处理盒(2)并且适于以第二定向接收所述样品处理盒(2)，其中，所述第二定向对应于所述样品处理盒(2)围绕平行于所述转子轴线(300)的中心轴线(200)进行的角旋转。

4.根据权利要求3所述的离心处理单元(1)，其特征在于，所述角旋转是围绕大于0至180度、特别是90度或180度的旋转。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的离心处理单元(1)，其特征在于，至少一个容纳部(31、32)包括用于接收所述样品处理盒(2)的框架(311、321)。

6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的离心处理单元(1)，其特征在于，至少一个枢转容纳部(31)包括抵靠部(313)，所述抵靠部阻止所述样品处理盒(2)枢转超过预定角度(A)。

7.一种用于引导样品处理盒(2)内的物质运动的离心处理系统(10)，所述离心处理系统(10)包括：

根据权利要求1至6中任一权利要求所述的离心处理单元(1)；以及

至少一个操纵器(4)，所述至少一个操纵器适于能够将所述样品处理盒(2)布置在至少一个容纳部(31、32)中或将所述样品处理盒从至少一个容纳部中移除。

8.根据权利要求7所述的离心处理系统(10)，其特征在于，所述操纵器(4)适于能够沿任何水平或竖直方向(X、Y、Z)移动所述样品处理盒(2)。

9.根据权利要求7或8所述的离心处理系统(10)，其特征在于，所述操纵器(6)适于能够执行所述样品处理盒(2)绕平行于所述转子轴线(300)的轴线(Z)的角旋转。

10.根据权利要求9所述的离心处理系统(10)，其特征在于，所述角旋转是围绕大于0度、特别是90度或180度的旋转。

11.根据权利要求7至10中任一权利要求所述的离心处理系统(10)，其特征在于，所述离心处理系统(10)还包括至少一个附加工位，其中，所述至少一个附加工位能选自装载/卸载工位(5)、密封工位(6)、辐照工位、加热工位、检测/量化工位、识别工位或者是用于处理样品处理盒(2)的内容物或用于操作样品处理盒的任何其他普遍知晓的工位。

12.一种用于引导物质在样品处理盒(2)内运动的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供根据权利要求1至6中任一权利要求所述的离心处理单元(1)；

-将样品处理盒(2)插入枢转容纳部(32)中；

-使所述至少一个转子(3)绕相应的转子轴线(300)旋转以产生离心力(F)，同时允许所插入的样品处理盒(2)的自由枢转运动，从而在相对于所述样品处理盒(2)的第一方向上产生力矢量(F1)；

-将所述样品处理盒(2)从所述枢转容纳部(31)移除；

-将所述样品处理盒(2)插入固定容纳部(32)中；

-使所述至少一个转子(3)绕相应的转子轴线(300)旋转以产生离心力(F)，同时阻止所插入的样品处理盒(2)的自由枢转运动，从而在相对于所述样品处理盒(2)的第二方向上产生力矢量(F2)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-在将所述样品处理盒(2)插入到所述固定容纳部(32)中之前使所述样品处理盒(2)绕平行于所述转子轴线(300)的中心轴线(200)旋转，从而使得当所述至少一个转子(3)绕各自的转子轴线(300)旋转时能够在相对于所述样品处理盒(2)的第三方向上产生力矢量(F3)。

14.根据权利要求12和13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-在将所述样品处理盒(2)插入枢转容纳部(31)或固定容纳部(32)之前或之后，将所述样品处理盒(2)定位在至少一个附加工位中，其中，所述至少一个附加工位能选自：装载/卸载工位(5)、密封工位(6)、辐照工位(电磁、放射)、加热工位(接触、对流)、检测/量化工位、卸载工位、识别工位。

15.根据权利要求12至14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述样品处理盒的插入、移除、旋转和/或定位由至少一个操纵器(6)执行。

16.根据权利要求12至15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过在所述至少一个转子(3)旋转之前为所述枢转容纳部(31)提供抵靠部(313)来部分地限制所述样品处理盒(2)的自由枢转运动。