CN112915791B - 一种超低压力膜分离系统及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低压力膜分离系统，包括超低压力发生装置、膜垢控制模块、流速控制装置、压力检测装置；所述超低压力发生装置被配置为能够用于提供过滤过程中所需要的超低压力，所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；所述膜垢控制模块被配置为能够使得膜垢层保持在单层或者松散的状态；所述流速控制装置被配置为能够控制待过滤样本的流速，压力检测装置被配置为能够检测压力大小。本发明还公开了一种超低压力膜分离方法，本发明的膜分离系统能够实现精确地保证膜分离系统的动力稳定且控制在超低压力分离水平，而且该系统能够用于分离生物样本，分离效率提高，分离时间缩短，分离过程中，不破坏或改变细胞状态。

Description

一种超低压力膜分离系统及分离方法

技术领域

本发明具体涉及一种超低压力膜分离系统及分离方法。

背景技术

从临床样本分离方法学的范畴考虑，精准分离方法主要有：密度梯度离心、微流控芯片分离、流式细胞仪、磁珠分选。从分离的本质上考虑，主要有两种：(1)通过物理特性(如密度、硬度、尺寸、形貌等)进行筛分，(2)通过生物化学特性特异性吸附分离。

膜分离作为一种综合的分离方法可以通过物理特性或是生物化学特性分离目标对象。常见的膜分离或是膜过滤领域分为反渗透过滤、纳滤、超滤和微滤等方法，在生物领域有通过硅羟基修饰的超滤膜分离核酸等膜分离方法，但通常的驱动压力在MPa甚至于GPa以上，虽然部分应用可能会在很低的KPa范围，甚至于重力驱动，但是多是无法精确控制的渗透过滤状态下，包括生物药及细胞工作站等领域的深层过滤方法。

随着膜孔的精度越来越高，大家也开始尝试用核孔膜和微加工膜分离生物或临床样本，包括循环肿瘤细胞等，但是从现有文献和方法的设计中，就可以发现为了提高精度，往往采用减小孔径来确保精准分离的同时保证痕量稀少的目标样本的丢失，减小孔径所带来的阻力增加等问题又往往只能通过提高过膜压力来克服，而由于细胞本身是一种非刚性球体，过大的压力挤压细胞也会使得细胞亚群的一些自然状态下的物理特性丢失甚至于破坏细胞本身，所以现有膜分离方法很难在临床样本精准分离上提供完美的解决方法。

此外，通常过滤膜的孔径大小往往与孔隙率成反比，特别是微孔膜，孔径越大孔隙率反而越小。而通常化学膜或是核孔膜等微孔膜由于支撑强度和孔径精度的限制，增大膜孔径不得不降低膜的孔隙率，那么过膜流体的实际宏观过滤效率反而可能因此而降低，各种吸附效应和非特异性拦截反而增多，那么通过超低压力膜分离临床或生物样本的最终受益有可能反而并没有增加。因此，现有的膜分离体系是无法对一定尺寸或是刚度特性的细胞亚群进行高精度的有效无损分离的。

此外，现有的膜分离技术一般需要较大的过膜压力来保证过滤通量，常规微滤或是超滤一般都在MPa以上的压力下进行，才能使得样本保证一定的过滤速度和稳定的膜垢层。常规过滤考虑的过膜阻力来自于两部分，一部分是膜孔材料本身的阻力，另一部分是膜上膜垢层稳定之后对样本的阻力，如果克服膜本身阻力需要较大的压力的话，那么由于此较大压力下形成的膜垢层也会比较紧实，从而膜垢层的阻力也会比较大，这也是为何大部分常规过滤都设计在较大的过膜压力状态下。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种超低压力膜分离系统及分离方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种超低压力膜分离系统，包括超低压力发生装置、膜垢控制模块、流速控制装置、压力检测装置；所述超低压力发生装置被配置为能够用于提供过滤过程中所需要的超低压力，所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；所述膜垢控制模块被配置为能够使得膜垢层保持在单层或者松散的状态；所述流速控制装置被配置为能够控制待过滤样本的流速，压力检测装置被配置为能够检测压力大小。

进一步地，所述超低压力发生装置包括低过膜阻力的滤膜、滤膜封装装置、导流管；滤膜位于封装装置之间，导流管与封装装置连接；低过膜阻力的滤膜能够用于分离待过滤样本；滤膜封装装置能够用于封装低过膜阻力的滤膜，形成密封的过滤空间；导流管能够用于产生负压，形成超低压力。

进一步地，低过膜阻力的滤膜自身阻力不大于1.5KPa。

进一步地，滤膜封装装置包括第一固定件与第二固定件，第一固定件与第二固定件可拆式连接。

进一步地，第一固定件包括第一腔，被配置为能够用于存储待过滤样本。

进一步地，导流管与第二固定件直接连接，或者第二固定件连接过渡结构，过渡结构与导流管连接。

一种超低压力膜分离方法，采用以上所述的超低压力膜分离系统，包括以下步骤：

(1)采用超低压力发生装置提供超低压力；所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；

(2)向第一腔中加入待分离样本；

(3)进行膜分离，膜分离过程中，实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

进一步地，步骤(1)中，采用超低压力发生装置提供超低压力过程中，采用低表面张力的液体浸润滤膜表面，或者提前修饰滤膜表面使待分离液体能克服表面张力通过微孔滤膜。

进一步地，步骤(3)中，采用改变流速(即待分离样本进入第一腔的速度)、震动、反冲等中的至少一种手段，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

进一步地，步骤(3)中，在启动震动装置的同时调节流速控制装置，将待过滤样本的流速调小，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

进一步地，步骤(2)中，以0.05mL-50mL/min的初始流速向第一腔中加入待分离样本。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的膜分离系统能够实现精确地保证膜分离系统的动力稳定且控制在超低压力分离水平，同时有效的使得整个膜分离系统能够解决临床生物样本超低压力精准分离这个技术问题。

(2)本发明的膜分离系统能较好地适用于临床和生物领域的应用，能够用于分离生物样本，分离效率提高，分离时间缩短，分离过程中，不破坏或改变细胞状态。与传统的常压膜分离装置相比，本发明能够得到较多的目标对象和背景细胞很多维度的信息，对一定尺寸或是刚度特性的细胞亚群进行高精度的有效无损分离。

(3)临床样本或是生物样本对外力可能会有包括凝血溶血等情况的应激反应，本发明的超低压力膜分离系统在临床或是生物样本的分离，特别是血液等复杂临床样本中的外泌体、病原微生物、血浆、白细胞、循环肿瘤细胞、脱落细胞、细胞团块等目标对象的分离上具有很大的优势。

附图说明

图1是实施例2中，第一固定件的结构示意图。

图2是实施例2中，第一固定件的结构示意图(显示出了第一腔的结构)。

图3是实施例2中，第一固定件的结构示意图(显示出了底座的结构)。

图4是实施例2中，第二固定件的结构示意图。

图5是实施例2中，第二固定件的俯视图。

图6是实施例3中，第一固定件的结构示意图。

图7是实施例4中，第二固定件的结构示意图。

图8是第一固定件与第二固定件结合在一起的示意图。

图9是图8的剖视图(显示出了弹性密封件与微孔滤膜L)。

图10是过渡结构与导流管结合在一起的示意图(其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段的竖直高度分別为15mm，10mm，20mm，导流管出口内径为3mm)。

图11是本发明超低压力膜分离方法的流程图。

图12是过渡结构与导流管结合在一起的示意图(过渡结构为两个锥形结构的结合，导流管为内径逐渐变小的管道)。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本申请所涉及的“连接”、“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。以下实施例中所用到的试剂、仪器或者其他物质均能够通过商业途径购得。

实施例1

如图11所示，一种超低压力膜分离系统，包括超低压力发生装置、膜垢控制模块、流速控制装置、压力检测装置；所述超低压力发生装置被配置为能够用于提供过滤过程中所需要的超低压力，所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；所述膜垢控制模块被配置为能够使得膜垢层保持在单层或者松散的状态；所述流速控制装置被配置为能够控制待过滤样本的流速，压力检测装置被配置为能够检测压力大小。

在一些优选的方式中，所述超低压力发生装置包括低过膜阻力的滤膜、滤膜封装装置、导流管；滤膜位于封装装置之间，导流管15与封装装置连接。低过膜阻力的微孔滤膜能够用于分离待过滤样本；滤膜封装装置能够用于固定、封装低过膜阻力的滤膜，形成密封的过滤空间，避免样本外流。导流管能够用于产生负压，形成超低压力。

所述超低压力发生装置能够用于提供过滤过程中所需要的超低压力，所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间。

在一些优选的方式中，低过膜阻力的滤膜自身阻力不大于1.5KPa。所述低过膜阻力的滤膜可以是聚对二甲苯微孔滤膜、聚酰亚胺微孔滤膜、聚碳酸酯微孔滤膜、聚醚砜滤膜等等。所述低过膜阻力的滤膜能够用于分离待过滤样本，所述样本可以是生物样本，如血液样本或者临床样本(比如尿液、胸腹水、和各类灌洗液等)中的细胞或是其他尺寸目标物的富集或者分离等。

在一些优选的方式中，滤膜封装装置包括第一固定件与第二固定件，第一固定件与第二固定件可拆式连接，比如螺纹连、卡扣式连接等，卡扣式的连接方式有利于安装固定封装装置，而且便于拆开封装装置，使第一固定件与第二固定件分离。在一些优选的方式中，第一固定件上设有螺纹孔，第二固定件上设有螺纹孔，通过螺丝或者螺栓能够将第一固定件与第二固定件连接固定，在其他的实施方式中，第一固定件上设有卡扣、第二固定件上设有卡槽，通过卡扣与卡槽的配合，能够将第一固定件与第二固定件连接固定。

在一些优选的方式中，滤膜位于第一固定件与第二固定件之间，当第一固定件与第二固定件连接固定后，便将滤膜固定，形成密封的过滤空间，用于过滤样本溶液。

在一些优选的方式中，滤膜封装装置还包括密封件3，所述密封件3为弹性密封件3，弹性密封件3位于第一固定件与第二固定件之间，弹性密封件3被配置为能够密封装置，避免过滤时，待过滤的样本侧向流出，而且，弹性密封件具有弹性，能够发生形变，弹性密封件与微孔滤膜接触时，不会刺伤或者损伤微孔滤膜，有利于保证微孔滤膜表面的平整性。在一些优选的方式中，密封件可以是弹性密封圈，也可以是其他具有弹性的物质，比如软胶等。

在一些优选的方式中，第一固定件包括第一腔，被配置为能够用于存储待过滤样本。第一腔4具有第一入口5与第一出口6，待过滤样本可以从第一入口5进入第一腔4，从第一出口6离开第一腔。在其他实施方式中，第一固定件可以不包括第一腔4，而且本发明不对第一腔的形状进行限定。第一腔可以是圆柱状、长方体状、正方体状、圆锥状等。

在一些优选的方式中，第二固定件2上设有用于放置微孔滤膜的放置区16，所述放置区16具有平整的表面，微孔滤膜的底面能够与之完全贴合。

在一些优选的方式中，如图4所示，第二固定件2上还设有第三通孔17，第三通孔17位于放置区16内部，第三通孔17便于滤液流出。

在一些优选的方式中，导流管15与第二固定件直接连接，两者可以是可拆式连接或者是固定连接(也可以是一体成型的)。在其他实施方式中，第二固定件连接过渡结构，过渡结构与导流管15连接。一般，滤膜的工作面积较大，而导流管的横截面面积通常较小，所以需要有过渡结构连接。在另一些实施方式中，导流管15与第二固定件直接连接，导流管15中设置有过渡结构。

在一些优选的方式中，导流管15与过渡结构可以固定连接(比如可以是一体成型或者是采用其他方式连接固定)或者是可拆式连接。在一些优选的方式中，导流管15可以为圆筒形状、方筒形状、锥形或者其他形状，本发明不对导流管15的形状进行具体的限定。不同直径的导流管15会产生不同的阻力，但是不会对产生的负压大小产生影响，会对超低压力发生装置是否稳定产生影响。

在一些优选的方式中，如图7所示，过渡结构为下沉平台结构40，在其他实施方式中，如图4所示，过渡结构可以为锥形结构，没有平台。在另一些优选的方式中，过渡结构包括锥形结构和下沉平台结构40。当然过渡结构也可以是其他的形状，本发明不对过渡结构的具体结构进行限定。本发明中，所述下沉平台结构可以是圆柱状的或者是梯形的或者其他形状的，本发明不对下沉平台的具体结构进行限定。

由于滤膜的工作面积较大，而导流管15的横截面面积通常较小，所以设置了过渡结构。过渡结构的另一个作用是在滤膜下方负压液柱产生的过程中提供适当的阻力，比如过渡结构为锥形结构时，其阻力较小，液体较容易滑下至导流管15中，所以最后稳定的液柱会较阻力较大时的状态形成的液柱短。

在一些优选的方式中，过渡结构内部设有导流片24。导流片的数量为至少一个，可以在压力非常低的时候引导液体通过渗滤的方式进行过滤。导流片24可成中心对称方式扩增为3或6片导流片。

在其他实施方式中，过渡结构可以是其他形状的结构，本发明不对过渡结构的具体形状进行限定。

本发明超低压力发生装置的使用方法，包括以下步骤：

A、低压力发生装置的组装：

(1)将滤膜放在第一固定件与第二固定件之间；

(2)将第一固定件与第二固定件连接固定；

(3)将导流管15与第二固定件连接在一起；导流管15与第二固定件是可拆式连接，这样可以更换导流管15长度，产生不同的液柱压力。如果导流管与第二固定件之间有过渡结构，可以先将第二固定件与过渡结构连接，然后将过渡结构与导流管连接在一起。

如果存在过渡结构，且过渡结构位于第二固定件与导流管之间，则将三者连接固定。如果过渡结构与导流管一体成型或者固定连接，或者过渡结构与第二固定件一体成型或者固定连接，那么只需要将第二固定件与导流管连接固定即可。

如果导流管15与第二固定件是固定连接在一起的或者两者是一体成型的，直接跳过此步骤，进行下一步骤；

B、使用超低压力发生装置产生超低压力：

(4)首先将滤膜浸润，采用低表面张力液体(比如酒精、浓度5％w/v以下的PEG水溶液(分子量4000以下)、异丙醇等，可以改变膜表面张力，方便液体通过，然后在第一腔中加入A液(所述A液为纯水或其它不同密度的液体，如甘油、重水、汞液等，但重水和汞液等有毒试剂只能在通风橱操作环境中使用)，第一腔中的A液通过渗透作用进入膜下方，只要膜上液体使膜保持浸润状态，A液就会持续进入导流管15形成液柱。

导流管15下端的出口置于空气中，导流管15的管径小于第一腔的出口口径，液体流出导流管15的速度小于第一腔中液体透过膜流入导流管15的速度时，导流管15中的一段空间很快会被填满，导流管15中出现稳定高度的液柱，此时导流管15形成一定大小的负压。可以通过外加设备测试负压大小。

A液进入导流管15后，滤膜上的A液体流完后，由于滤膜表面张力的作用，导流管15内液柱会自动停止在平衡状态(导流管15内的液柱不会完全消失)，这时超低压力发生装置设置完成，可为后续过滤流程提供稳定的驱动压力。导流管15与第二固定件直接连接(过渡结构位于导流管15内部)时，当液体多于导流管15内部体积，自然就流走了，导流管15的竖向长度就是液柱的竖直高度。

当滤膜上液体流完后，膜表面残留液体受表面张力的作用停止流动，而膜下方原来流动的液体也停止流动，此时静止下来的液柱构成了膜下方负压来源。

当倒入待过滤液体后，膜上液体是否通过膜孔主要取决于膜下方是否存在大于过膜阻力的负压；如果存在大于过膜阻力的负压，则液体能够通过膜孔，液柱中的液体流出，最终使得液柱平衡在某个高度，这个高度的液柱就是过滤过程所需的动力。

通过调节膜下方导流管15的长度即可调节过滤过程的压力。在具体实施时，更换不同长度的导流管15就可以调节过滤过程的压力，当然也可以采用一定的装置进行自动调节。

过滤过程中过膜液体流动的快慢并不会改变液柱的高度，过膜液体流动变慢，下方液柱从端口滴落也会变慢，所以压力会保持在初始形成的液柱高度时的压力下。

本发明中，初始的过滤膜阻力R₁为浸润之后的滤膜自身阻力R₀，则要求R₀小于导流管15阻力R₂，因此在重力的驱动下，流入导流管15的液体大于流出导流管15的液体，可以自发的由导流管15内液柱产生负压。导流管15的阻力包括导流管15管壁对流体的阻力和导流管15管口液体滴落时的张力。

该超低压力发生装置工作的核心是利用了滤膜浸润状态下过膜阻力R₁远小于滤膜上液体流完后克服界面导致的表面张力所需的压力P2，当滤膜下方导流管15中形成液柱过程和正常工作时过滤液体流动过程中需要克服过膜阻力，流动过程满足虹吸原理和伯努利方程，滤膜下方存在理论计算出的“负压”，这个就是超低压力发生装置产生的负压。

在一些优选的方式中，所述超低压力膜分离系统还包括流速检测装置，能够用于检测得到待过滤样本的流速(即待过滤样本进入第一腔的速度)；所述流速检测装置为流速计。

在一些优选的方式中，流速控制装置能够用于控制待过滤样本的流速(即待过滤样本进入第一腔的速度)。在一些优选的方式中，流速控制装置为蠕动泵或者注射泵。如果流速控制装置采用蠕动泵，不能直接显示流速，需要增加流速计，如图11所示。如果流速控制装置采用注射泵，可以显示流速，无需增加流速计。

在一些优选的方式中，所述超低压力膜分离系统包括压力检测装置，压力检测装置能够检测压力大小。所述压力检测装置可以是压力表。在一些优选的方式中，第一腔的第一入口5密闭，接两路管道，一个管道接压力表，另一个管道用于加入待过滤样本，流速控制装置(蠕动泵或者注射泵)控制待过滤样本以一定的流速进入第一腔。

采用低表面张力的液体浸润滤膜表面，滤膜浸润后初始压力为0。随着超低压力发生装置的工作，滤液过滤过程中第一腔表现为负压状态，当滤膜表面阻力过大时，第一腔的负压变小或转为正压。

在一些优选的方式中，所述膜垢控制模块包括震动装置；根据滤膜表面阻力大小或/和导流管中的液体滴落速度判断是否启动震动装置，如果滤膜表面阻力过大，此时第一腔的压力表数值变大，导流管中的液体无法滴落，启动震动装置(所述震动装置可以为普通的手机震动偏心轮电机或者其他的震动装置)，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。现有技术中，在过滤过程中发现滤膜被堵时，通常采用反冲装置，反冲装置容易对滤液中的细胞等，产生损伤，无法做到对生物样本的无损分离。相比于现有技术中的反冲装置，本发明中采用的震动装置对生物样本的震动幅度与刺激频率是比较小的，不会损伤生物样本，不破坏或改变细胞状态。

本实施例中，如图3所示，震动装置可直接加在第二固定件上表面。在其他实施方式中，如图7所示，可以将震动装置放置于第二固定件上的腔体31处。

在一些优选的方式中，当滤膜表面阻力过大或/和导流管中的液体无法滴落，启动震动装置，同时可以调节流速控制装置，将待过滤样本进入第一腔的流速调小，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

一种超低压力膜分离方法，采用以上所述的超低压力膜分离系统，包括以下步骤：

(1)采用超低压力发生装置提供超低压力；所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间。

超低压力的形成可以通过外加负压或是正压提前配置好，也可以通过在浸润和过滤等操作的过程中稳定至超低压力范围。

本发明中，采用超低压力发生装置提供超低压力，如上所述。

采用超低压力发生装置提供超低压力过程中，采用低表面张力的液体浸润滤膜表面，低表面张力的液体为酒精、浓度5％w/v以下的PEG水溶液(PEG分子量4000以下)、异丙醇等。

或者提前修饰滤膜表面使待分离液体能够克服表面张力(即滤膜自身阻力)快速通过微孔滤膜。具体地，提前用PVA修饰滤膜，修饰方法参照专利2019108978301的描述。

然后在第一腔中加入A液(所述A液为纯水或其它不同密度的液体，如甘油、重水、汞液等，但重水和汞液等有毒试剂只能在通风橱操作环境中使用)，第一腔中的A液通过渗透作用进入膜下方，只要膜上液体使膜保持浸润状态，A液就会持续进入导流管15形成液柱。

导流管15下端的出口置于空气中，导流管15的管径小于第一腔的出口口径，液体流出导流管15的速度小于第一腔中液体透过膜流入导流管15的速度时，导流管15中的一段空间很快会被填满，最终导流管15中出现稳定高度的液柱，此时导流管15形成一定大小的负压。

A液进入导流管15后，滤膜上的A液体流完后，由于滤膜表面张力的作用，导流管15内液柱会自动停止在平衡状态(导流管15内的液柱不会完全消失)，这时超低压力发生装置设置完成，可为后续过滤流程提供稳定的驱动压力。导流管15与第二固定件连接(过渡结构位于导流管15内部或者过渡结构分别与第二固定件、导流管连接)，当液体多于导流管15内部体积，就流走了，导流管15的竖向长度小于等于液柱的竖直高度。

通过调节膜下方导流管的长度即可调节过滤过程中的膜下方的压力。过滤过程中过膜液体流动的快慢并不会改变液柱的高度，过膜液体流动变慢，下方液柱从端口滴落也会变慢，所以压力始终都会保持在初始形成的液柱高度压力下。

(2)加入待分离样本(即原液)，以0.05mL-50mL/min的流速向第一腔中加入待分离样本；此处的流速是初始流速，在过滤过程中，可以根据滤膜上方的阻力大小调节流速大小。

(3)膜分离过程中，实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正；使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

在一些优选的方式中，采用改变流速、震动、反冲等手段，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态，作用于膜垢层的力需以不引起临床样本中细胞等目标的应激性变化为度。

具体地，膜垢控制模块能够对膜垢层的状态进行控制；当压力表检测到膜表面阻力过大，导流管中的液体无法滴落时，启动震动装置(普通手机震动偏心轮电机即可)，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。或者启动震动装置，同时调节流速控制装置，将待过滤样本进入第一腔的流速调小，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。在一些实施方式中，当压力表检测到压力值大于等于某一阈值T(说明膜表面阻力过大)后，启动震动装置和/或调节流速控制装置，震动装置进行震动和/或待过滤样本进入第一腔的流速变小，使得膜垢层保持在膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态，使压力表数值小于阈值T。

阈值T与初始过滤时压力表中的数值的差值可以设为0.1KPa，也可以根据具体情况(待分离样本对震动的敏感程度或者分离目的或者分离时间)设置不同的阈值。如果处理的临床样本对震动不太敏感而且希望快速分离，那么就可以设置相应的阈值(使得比较容易达到阈值)，达到阈值后，启动震动装置保证过滤的流畅；如果待分离的样本对震动比较敏感，设置相应的阈值(使得不容易达到阈值)，不启动震动装置，牺牲过滤速度，使待分离的样本慢慢地进行过滤，不破坏待分离样本中的细胞或其他目标物。

在另一些优选的方式中，通过滤膜表面结构的设计，如分离直径10μm以上细胞的培养基溶液中，设计滤膜上孔与孔之间的壁厚不超过5μm，在滤膜表面流场的作用下，留在滤膜上的颗粒或是杂质始终无法形成致密的结构。

在此设计下采用死端过滤时，留在膜上的大颗粒由于粒径大于孔间隙的距离，因此在有限压缩下不可能填满每个孔，形成的膜垢层不会堵死膜上的每一个孔，超低压力过滤也就可以持续的进行下去。

实施例2，参照附图1-5。

具体地，本实施例中，如图1-5所示，封装装置包括第一固定件1、第二固定件2和密封件3，第一固定件1与第二固定件2被配置为能够配合，用于固定、封装滤膜；所述密封件3为弹性密封件3，弹性密封件3位于第一固定件与第二固定件之间，弹性密封件3被配置为能够密封装置，避免过滤时，待过滤的样本侧向流出，而且，弹性密封件具有弹性，能够发生形变，弹性密封件与滤膜接触时，不会刺伤或者损伤滤膜，有利于保证滤膜表面的平整性。在一些优选的方式中，密封件可以是弹性密封圈，也可以是其他具有弹性的物质，比如软胶等。

在一些优选的方式中，第一固定件1与第二固定件2可以采用可拆式连接，这样便于安装或者打开封装装置，在一些优选的方式中，第一固定件1与第二固定件2卡扣式连接，卡扣式的连接方式有利于安装固定封装装置，而且便于拆开封装装置，使第一固定件与第二固定件分离。

在一些优选的方式中，如图1所示，第一固定件1包括第一腔4，被配置为能够用于存储待过滤样本。第一腔4具有第一入口5与第一出口6，待过滤样本可以从第一入口5进入第一腔4，从第一出口6离开第一腔。在其他实施方式中，第一固定件可以不包括第一腔4，而且本发明不对第一腔的形状进行限定。

在一些优选的方式中，如图1-2所示，第一固定件1还包括底座7，底座与第二固定件可以通过卡扣配合连接。底座7与第一腔4可以是固定连接或者是可拆式连接。本实施例中，底座与第一腔固定连接。

在一些优选的方式中，底座上设有通孔或者卡槽，用于与第二固定件结合；在其他优选的方式中，底座上设有卡块，所述卡块被配置为能够与第二固定件结合。本实施例中，如图1所示，底座7上设有第一通孔8，用于与第二固定件2配合连接。所述第一通孔8可以是方形、圆形或者其他合适的形状。在一些优选的方式中，底座7上均匀地设有至少一个第一通孔，这样使得第一固定件1与第二固定件2配合较为紧密，而且结合力或者作用力较为均匀，有利于封装滤膜。本实施例中，如图1所示，底座7上设有处于相对位置的两个第一通孔8。

在一些优选的方式中，底座底面设有用于装配弹性密封件的凹槽，所述凹槽内的空间大于弹性密封件的体积，这样有利于将弹性密封件放入凹槽，而且弹性密封件放入凹槽之后，还有预留空间，当弹性密封件被压缩时，弹性密封件发生形变，可以占据预留空间。在一些优选的方式中，底座上除凹槽之外的空间，可以用于其他功能单元的设置。

在一些优选的方式中，如图3所示，底座7底面具有向内凹陷的凹坑9，凹坑9中间位置处设有第二通孔10，第二通孔10与第一出口6相连通。第二通孔10周围设置有向下凸起的支撑件11，支撑件可以为方形、圆形、三角形、其他多边形或者不规则的形状或者其他合适的形状。在一些优选的方式中，所述支撑件的数量为至少两个。在一些优选的方式中，所述支撑件11为圆形支撑件11，有利于均匀受力，本实施例中，如图3所示，包括两个圆形支撑件11，这两个圆形支撑件11具有相同的圆心，两个圆形支撑件11之间形成凹槽12，可以用于放置弹性密封件，弹性密封件可以采用弹性密封圈。在其他优选的方式中，底座底面为平整的表面，底面设有用于装配弹性密封件的凹槽，但是并不存在支撑件；凹槽形状可以为方形、圆形、弧形或者环形等。

在一些优选的方式中，如图3所示，凹坑9内部边缘处设有朝向第二通孔10的凸起13，该凸起13能够用于与第二固定件2配合封装。

在一些优选的方式中，如图4-5所示，第二固定件2包括支座14，支座14被配置为能够与第一固定件结合。在一些优选的方式中，支座14上设有用于放置微孔滤膜的放置区16，所述放置区16具有平整的表面，微孔滤膜的底面能够与之完全贴合。

在一些优选的方式中，如图4所示，支座14上设有第三通孔17，第三通孔17位于放置区16内部，第三通孔17便于滤液流出。

在一些优选的方式中，支座14上与第一通孔8的相对应的位置上设有卡块18，所述卡块18被配置为能够与第一固定件1上的第一通孔8配合卡接，实现第一固定件1与第二固定件2的结合。在另一些优选的方式中，支座上设有通孔或者卡槽，用于与第一固定件上的卡块结合。

在一些优选的方式中，卡块18包括倾斜的过渡面19，这样便于卡块18与卡槽或者通孔结合，卡块18进入卡槽或者通孔后，不容易脱出，使得结合较为牢固，便于封装滤膜。

在一些优选的方式中，如图4所示，支座14上设有第四通孔32，卡块18位于第四通孔32中，卡块18内侧与支座固定连接，卡块18外侧与支座不连接，那么，卡块18与支座的连接减少，卡块18受力变形时(因为当卡块18受力时，卡块18会将力的作用传递至滤膜放置区平面)能够减少放置区平面的受力，减少放置区平面的形变。第四通孔32的设置不仅能够调整放置区平面上由于卡块18变形带来的受力分布，还有助于开模，注塑卡块18。

第二固定件上除了第三通孔17、微孔滤膜放置区16、卡块18、第四通孔32等以外的空间可用于其他功能单元的设计。

在一些优选的方式中，如图4所示，支座14上还设有卡条20，所述卡条20能够为安放微孔滤膜时进行限位。在一些优选的方式中，所述卡条20不与卡块18连接；避免卡块18将较多的力传递给微孔滤膜放置区，引起微孔滤膜形变。在一些优选的方式中，卡条20的内侧设有弧形面21，这样便于微孔滤膜的取放。

在支座14上增加卡条20或者类似的结构或者其他形状或者其他走向的筋位，可以是如图7所示结构，该结构配合弹性密封件(弹性密封件的尺寸可以相应的选择)可以改变第二固定件内受到的预应力，该结构(卡条20或者类似的结构或者筋位等)能够加强滤膜放置区16平面的强度，同时并没有增强卡块18与放置区16平面的连接强度，所以卡块18的变形会更少的造成放置区平面变形，当然卡块18传递给平面的压力可能也会减少，这就需要调节弹性密封件的尺寸和弹性，满足卡扣结构传递给平面的力与弹性密封件之间的作用力形成的预应力可以大于外界的干扰力，从而在保证放置区16平面的变形引起滤膜的变形小于最大可接受范围，同时稳定地保证装置的密封性能。

在一些优选的方式中，支座14上设有平台22，所述平台22能够与凹坑9结合。在一些优选的方式中，平台22上设有凹部23，所述凹部23被配置为能够与第一固定件1上的凸起13结合。

在一些优选的方式中，导流管15与第二固定件2固定连接，如图4所示，导流管15与过渡结构合二为一，导流管15的形状为锥形结构，导流管15上端开口直径较大，下端开口直径较小。

在一些优选的方式中，导流管15内部设有导流片24，可以在压力非常低的时候引导液体通过渗滤的方式进行过滤。在一些优选的方式中，导流片24的数量可以是一个，也可以是两个及以上(即多个)。多个导流片可以呈中心对称的方式进行设置。本实施例中，如图4所示，导流片为一个。

滤膜封装装置的使用方法，如下：

(1)将滤膜放置在第二固定件2上的放置区16，使滤膜的底面与放置区16表面贴合；

(2)将第一固定件1与第二固定件2扣合，第一固定件与第二固定件结合之后，凹槽内的弹性密封件受力被压缩，实现密封，样本不会侧向流出。

凹槽内的弹性密封件发生形变，弹性密封件优先向左右两侧形变，占据凹槽内的预留空间(因为第一固定件与第二固定件结合之后，使得弹性密封件几乎不能在竖直方向上进行移动)。

本实施例中，将第一固定件1与第二固定件2扣合，第一固定件与第二固定件结合之后，第二固定件上的卡块18与第一固定件1上的第一通孔8卡接结合，由于弹性密封件的高度大于支撑件11的高度，弹性密封件与滤膜上表面接触后，受力被压缩。因为凹槽12内有预留空间，弹性密封件会优先被压缩至凹槽12中的预留空间内，弹性密封件与滤膜的接触面受到垂直于滤膜的压力，这样在密封的同时，不会对滤膜造成切向的或是不均匀的拉扯力，能够保证膜的平整。弹性密封件与滤膜紧密接触，这样便围城一个密封的膜过滤空间，过滤过程时，样本不会侧向流出。

本实施例中，第一固定件1与第二固定件2扣合后，弹性密封件3被压缩提供接触膜后的密封压力，同时弹性密封件3被压缩回撤后密封件接触膜的一面不超过基准面(所述基准面为支撑件与滤膜的接触面，弹性密封件与卡扣结构受力平衡形成预应力，保证密封效果)，弹性密封件3变形填充凹槽内的预留空间，该功能一方面保证密封基准面的平整性，另一方面可以起到调节加工误差的作用，在装置组装过程中，即使弹性密封件3接触的膜表面不是一个平面同时均匀受力，也可以保证膜不会局部受到非常大的压力从而受力不均导致膜表面拉扯而不平整。在该体系下，滤膜可以达到平整度要求，且能够保证密封要求。

在一些优选的方式中，第一固定件与第二固定件采用的材料为聚亚苯基砜树脂(PPSU)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)或者其他类似硬度的材料，本发明不对第一固定件与第二固定件的材料进行具体的限定。

本实施例中的其他实施方式可以与实施例1相同。

实施例3参照附图6，8。

本实施例中，如图6所示，第一固定件包括第一腔4与底座，第一腔形状类似于圆锥状。在其他实施例中，第一腔4的形状可以是长方体状或者正方体状或者圆柱状或者其他形状，本发明不对第一腔的具体形状进行限定。第一腔的大小、形状不会影响膜下方的负压大小，但滤膜上的待过滤液体的高度不要太高，否则会产生不可忽略的正压。

在一些优选的方式中，第一腔4的上段设有安装部位，用于安装相应的盖子。所述安装部位可以是向外凸起的棱或者向内凹陷的槽或者螺纹或者卡扣式的结构，也可以是其他合适的结构，用于安装对应的盖子。本实施例中，如图6，8所示，第一腔4外侧设有向外凸起的棱30，用于与盖子结合。

在一些优选的方式中，如图8所示，第一腔的侧面设有让位结构33，能够用于为卡块让位，不影响卡块与第一通孔的结合。当需要安装或者拆开封装装置时，会将卡块向中间处挤压，保证卡块不会接触第一腔，避免对第一腔造成挤压力，损害第一腔的结构。

本实施例中的其他实施方式可以与实施例2相同或者类似(本实施例中的第二固定件可以是实施例2中的结构或者类似实施例2中的结构)。

实施例4参照附图7-9。

本实施例中，第二固定件2包括支座14，支座14被配置为能够与第一固定件结合。在一些优选的方式中，如图7所示，支座14上连接有卡块18，支座14上还设有加强筋(所述加强筋可以是卡条20的形式或者类似于卡条20的形式)，加强筋不与卡块连接；加强筋不仅能够为安放微孔滤膜时进行限位，而且能够加强滤膜放置区16平面的强度，由于加强筋没有与卡块连接，所以并没有增强卡块与放置区16平面的连接强度，所以卡块的变形会更少的造成放置区平面变形。本实施例中，如图7所示，多条加强筋围成一定形状的腔体31，该腔体可以是具有一定功能性的腔体，可以用于储存预装试剂；预装试剂可以为裂解液，起到裂解膜上细胞的作用，预装试剂还可以是稀释溶剂等，本发明不对预装试剂进行限制，也不对腔体的具体功能进行限制。

本实施例中的其他实施方式可以与实施例2相同或者类似，本实施例中的第一固定件可以是实施例2中的结构或者类似实施例2中的结构。

本实施例中的第一固定件还可以是实施例3中的结构或者类似实施例3中的结构。

实施例5

本实施例中，如图10所示，过渡结构41为圆筒状结构(第Ⅰ段)与锥形结构(第Ⅱ段)的结合，导流管15(即第Ⅲ段)为内径均一的管道。

本实施例中的其他实施方式可以与实施例2相同或者类似，本实施例中的第一固定件可以是实施例2中的结构或者类似实施例2中的结构。

本实施例中的第一固定件还可以是实施例3中的结构或者类似实施例3中的结构。

实施例6

本实施例中，如图12所示，过渡结构为两个锥形结构的结合，导流管为内径逐渐变小的管道。

本实施例中的其他实施方式可以与实施例2相同或者类似，本实施例中的第一固定件可以是实施例2中的结构或者类似实施例2中的结构。

本实施例中的第一固定件还可以是实施例3中的结构或者类似实施例3中的结构。

实施例7过滤效果鉴定

本实施例中，采用实施例4中所述的超低压力发生装置，如图9所示。采用以上所述的超低压力发生装置的使用方法。

在此实施例中，所使用的滤膜为圆形的工作区域直径14mm、厚度11μm、孔隙率60％的聚对二甲苯微孔滤膜，导流管材料为未做过额外表面处理的纯聚碳酸酯光滑表面注塑件，长度58mm，出液口管口直径为4mm。过渡结构为下沉平台，下沉平台的内径为14mm，高度为3mm。

一种超低压力膜分离方法，采用以上所述的超低压力膜分离系统，包括以下步骤：

(1)采用超低压力发生装置提供超低压力；

本发明中，采用超低压力发生装置提供超低压力，如上所述。

具体地，本实施例中，向第一腔中先加1mL乙醇浸润滤膜L，改变膜表面张力，方便液体通过；

向第一腔中加入2mL纯水，第一腔中的纯水在膜上形成2cm左右的液柱，压迫液体通过滤膜L进入导流管15；

2mL预处理液(纯水)进入导流管15后，滤膜L上液体流完后，由于表面张力的作用，导流管15内液柱会自动停止在平衡状态，这时超低压力发生装置设置完成，负压保持在0.5KPa，可为后续过滤流程提供稳定的驱动压力。

(2)加入待分离样本，本实施例中待分离样本为10mL健康人全血样本，以3mL/min的初始流速向第一腔中加入待分离样本；

如果以3mL/min的初始流速向第一腔中加入待分离样本，当过滤样本较少时，不存在细胞堵膜的问题，过滤3mL健康人全血样本，过滤时间大概就是40s到1min。

但是样本量较大时如10mL健康人全血样本，由于样本中细胞量很大，过滤过程中可能会形成致密的膜垢，细胞堆积于膜上造成拥堵。

(3)膜分离过程中，实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正；当检测到膜表面阻力过大，导流管中的液体无法滴落时，启动震动装置(普通手机震动偏心轮电机即可)和/或者调节待分离样本的流速，使压力表中的数值小于阈值，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

该体系最终可以使得系统保持在超低压力下工作，分离10mL健康人全血样本用时220秒。

实施例8过滤效果鉴定

本实施例中，采用实施例2中所述的超低压力发生装置，如图3-4所示。采用以上所述的超低压力发生装置的使用方法。

本实施例中，所使用的滤膜为圆形的工作区域直径49mm、厚度10μm、孔隙率30％的聚酰亚胺微孔滤膜。导流管15材料为未做过额外表面处理的聚亚苯基砜树脂光滑表面注塑件，竖直长度150mm，导流管入口直径为49mm，导流管出液口管口直径为1.5mm。图4中，导流管15和过渡结构(过渡结构为锥形结构)合二为一。

一种超低压力膜分离方法，采用以上所述的超低压力膜分离系统，包括以下步骤：

(1)采用超低压力发生装置提供超低压力；

本实施例中，向第一腔中加2mL酒精浸润滤膜，改变膜表面张力，方便液体通过；

向第一腔中倒入6mL纯水，压迫液体通过滤膜L进入导流管15；进入导流管15后，滤膜上液体流完后，由于表面张力的作用，导流管15内液柱会自动停止在平衡状态，这时超低压力发生装置设置完成，负压保持在1.4KPa，可为后续过滤流程提供稳定的驱动压力。

(2)加入待分离样本，本实施例中待分离样本为50mL添加了100万个模式细胞T2的健康人尿液样本，以10mL/min的初始流速向第一腔中加入待分离样本；

(3)膜分离过程中，实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正；当检测到膜表面阻力过大，导流管中的液体无法滴落时，启动震动装置(普通手机震动偏心轮电机即可)和/或者调节待分离样本的流速，使压力表中的数值小于阈值，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

该体系最终可以使得系统保持在超低压力下工作，分离50mL添加了100万个模式细胞T2的尿液样本用时250秒。

对比例1

采用普通的常压下的膜分离装置(Millex-FG50过滤器)，如采用0.5KPa负压(薄膜泵产生的负压，并经过气压计校准)，接入与实施例7中的一样材质的导流管15，所使用的微孔滤膜为工作区域直径29mm、厚度10μm、孔隙率20％的聚碳酸酯微孔滤膜。

分离3mL健康人全血样本用时600秒，而且会造成血液溶血、凝血、细胞卡孔及破损等现象，无法实现临床样本处理的要求。

对比例2

采用普通的常压下膜分离装置(Millex-FG50过滤器)，常压下进行过滤，所使用的微孔滤膜为工作区域直径49mm、厚度10μm、孔隙率20％的聚碳酸酯微孔滤膜。

分离3mL健康人全血样本，常压下仅可以使滤膜发生浸润，而无法进一步滤过血液。如果增加压力保证出口处的滤过液以1mL/min以上的效率输出，则1分钟后压力已经超过40KPa，已无法进行有效分离，会发生溶血、凝血与堵孔等不稳定状况。

对比例3

本实施例中，没有实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正，没有震动装置，也没有调节待分离样本的流速，其他与实施例7同样的条件进行过滤，过滤时间超过20分钟。细胞数量较多体积较大的临床样本是无法实现快速过滤的。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种超低压力膜分离系统，其特征是，包括超低压力发生装置、膜垢控制模块、流速控制装置、压力检测装置；所述超低压力发生装置被配置为能够用于提供过滤过程中所需要的超低压力，所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；所述膜垢控制模块被配置为能够使得膜垢层保持在单层或者松散的状态；所述流速控制装置被配置为能够控制待过滤样本的流速，压力检测装置被配置为能够检测压力大小；

所述超低压力发生装置包括低过膜阻力的滤膜、滤膜封装装置、导流管，导流管与封装装置连接；其中，滤膜浸润状态下过膜阻力远小于滤膜上液体流完后克服界面表面张力所需的压力；所述导流管下端的出口置于空气中，初始的过滤膜阻力小于导流管阻力；由于滤膜表面张力的作用，导流管内能够形成稳定的液柱，用于产生超低压力。

2.根据权利要求1所述的一种超低压力膜分离系统，其特征是，滤膜位于封装装置之间；低过膜阻力的滤膜能够用于分离待过滤样本；滤膜封装装置能够用于封装低过膜阻力的滤膜，形成密封的过滤空间；导流管能够用于产生负压，形成超低压力。

3.根据权利要求2所述的一种超低压力膜分离系统，其特征是，低过膜阻力的滤膜自身阻力不大于1.5KPa。

4.根据权利要求2所述的一种超低压力膜分离系统，其特征是，滤膜封装装置包括第一固定件与第二固定件，第一固定件与第二固定件可拆式连接。

5.根据权利要求4所述的一种超低压力膜分离系统，其特征是，第一固定件包括第一腔，被配置为能够用于存储待过滤样本。

6.根据权利要求5所述的一种超低压力膜分离系统，其特征是，导流管与第二固定件直接连接，或者第二固定件连接过渡结构，过渡结构与导流管连接。

7.一种超低压力膜分离方法，其特征是，采用权利要求1-6中任一项所述的超低压力膜分离系统，包括以下步骤：

（1）采用超低压力发生装置提供超低压力；所述超低压力在0.01KPa到40KPa之间；

（2）向第一腔中加入待分离样本；

（3）进行膜分离，膜分离过程中，实时地对分离过程中的待过滤样本的流速与膜垢层状态进行检测和修正，使得膜上膜垢层保持在单层或是松散的状态。

8.根据权利要求7所述的一种超低压力膜分离方法，其特征是，步骤（1）中，采用超低压力发生装置提供超低压力过程中，首先采用低表面张力的液体浸润滤膜表面，或者提前修饰滤膜表面。

9.根据权利要求7所述的一种超低压力膜分离方法，其特征是，步骤（3）中，采用改变流速、震动、反冲中的至少一种，使得滤膜上膜垢层保持在单层或者松散的状态。

10.根据权利要求9所述的一种超低压力膜分离方法，其特征是，步骤（2）中，以0.05mL-50mL/min的初始流速向第一腔中加入待分离样本。

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