CN114222632A - 通过离心沉降分离颗粒 - Google Patents

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Abstract

一种通过离心沉降分离流体试样(30)中具有不同沉降速度的颗粒(P)的方法，包括：封装试样(30)；围绕试样外部的主轴(12)以第一转速(Ω)旋转试样，并且围绕位于试样中心的第二轴(22)以第二转速(ξ)旋转试样，以使试样经受变化的离心力场，直到每个颗粒(P)沉降到取决于该颗粒的沉降速度的位置。

Description

通过离心沉降分离颗粒
技术领域
本发明涉及一种通过离心沉降分离流体试样中具有不同沉降速度的颗粒的方法。本发明还涉及一种执行该方法的装置。
背景技术
在治疗血液中毒时，例如，必须在血细胞中检测病原菌。而这种病原菌通常不得不从抽血中进行培养。然而，有时培养过程可能需要很长时间，导致在识别出这种病原菌之前患者面临死于血液中毒的风险。
发明内容
本发明的目的在于开发一种方法，通过这种方法可以以一种新的且省时的离心方式将流体试样(例如，血液)中的颗粒(例如，病原菌)与其他颗粒(例如血细胞)分离。
在本发明的一个方面，该方法包括：
a)封装试样；以及
b)围绕试样外部的主轴以第一转速且围绕位于试样中心的第二轴以第二转速旋转试样，以使试样经受变化的离心力场，直到每个颗粒沉降到取决于该颗粒的沉降速度的位置。
由于试样由此经受了围绕两个不同轴的旋转，颗粒有时将位于圆柱体的主轴和中心轴之间，而有时位于两个轴的径向外侧。这导致颗粒交替地离开和朝向圆柱体的轴移动。由此，一定尺寸的颗粒的沉降将会在某一时刻被第二轴的旋转阻碍，以使得颗粒相对于主轴静止不动。每一粒径在试样中沉降时都有自己的平衡位置。计算显示，无论在试样中从哪里开始，颗粒将寻找平衡位置。除其他因素外，平衡位置取决于颗粒的沉降速度，而沉降速度反过来又受颗粒尺寸的影响。颗粒越大，其终止位置离第二轴越远，而且按照推测总是在起自第二轴的直线上。
第一轴与第二轴合宜地彼此平行，但这不是执行该方法所必需的。
构成本发明基础的一个观点是，如果沉降速率有很小的差异，应该有可能从血细胞中分离出例如病原菌等的颗粒。也就是说，应该有可能将不同粒径的颗粒分级。一定尺寸的颗粒之后将寻找平衡位置，并且有可能计算出这需要多长时间。
另一个应用是生产单分散颗粒，即其中所有颗粒具有相同尺寸的颗粒或颗粒簇。这种颗粒尤其用于校准分析具有一定尺寸的颗粒的频率的粒子分析仪。还可以想象其他应用。
在本发明的另一个方面，通过计算或该方法的先前操作获得的颗粒的平衡或终止位置可以随后用来更容易地找到或发现用以进一步分析和最终识别的感兴趣的颗粒。然后，该方法可以进一步包括：
c)发现试样中的沉降粒级的颗粒；
d)测量每个颗粒与第二轴的距离；以及
e)通过将该距离与对理论上经受所述方法的已知颗粒进行计算得到的的距离相匹配来识别颗粒。
替代地，该方法可以包括：
c)发现试样中的沉降粒级的颗粒；
d)测量每个颗粒与第二轴的距离；
f)通过将该距离与对已知颗粒执行以上步骤a到d而获得的距离相匹配来识别颗粒。
为了便于识别，步骤e和f之后可以包括感兴趣领域中已知颗粒集合的列表数据。
这里认为测量距离的步骤本质上相当于在给定条件下确定沉降速率/速度。
如果分离器停止，在圆柱体容器中将开始流动。该流动将混合分级的颗粒。为了避免这种情况，可以通过阻碍试样的不同区域相互混合来帮助发现或找到沉降粒级的颗粒。
具体而言，该阻碍可以通过向具有沉降粒级的试样中插入轴向开口的隔室的框架或网格来实现，以将试样划分成由隔室定义的区域。径向连续的隔室之后可以用作多级过滤器，有助于识别其中找到的颗粒。由于接近感兴趣的已知颗粒的沉降速率或终止位置，在某一隔室中找到的颗粒可以更容易被识别。
在病原菌应用中，目的在于浓缩病原菌水平并降低可能干扰后续分析的血细胞水平。分离过程之后，通过其他方法分析病原菌的类型。
也可以从单独的试样中的不同区域采样颗粒。
第二转速高于第一转速。相比之下，试样的相对旋速ω相对于主转速Ω(即，第一转速)应该非常小。正如稍后进一步解释的，ω可能无论如何不会太小而不会不拖长分离过程。
试样可以是血样。在该应用中，病原菌可以如上所述从血细胞中分离。
一种用于执行本发明方法的装置包括圆柱体容器，用于封装试样；第一旋转器，用于围绕主轴旋转容器；以及第二旋转器，用于围绕第二轴旋转容器。
第一旋转器可以包括被支撑以围绕主轴旋转的盘，以及用于旋转盘的第一电机。第二旋转器可以包括用于旋转支撑在盘上的围绕第二轴旋转的圆柱体容器的第二电机。
在替代实施例中，第一旋转器也包括被支撑以围绕主轴旋转的盘，以及用于旋转盘的电机，第二旋转器包括与主轴同心且与用于旋转支撑在盘上的围绕第二轴旋转的圆柱体容器的齿轮啮合的定齿轮。重要的是，这种设置将确保第一转速和第二转速是同步的。其他设置，例如皮带设置，同样适用。
该装置还可以包括围绕主轴外围地分布的多个容器。因而，在单一的分离过程中将可以处理更大体积的试样。
本发明的其他特征和优点将在接下来的具体描述和所附权利要求书中加以说明。
附图说明
图1是根据本发明的离心式分级装置的图解侧视图；
图2是对应于图1所示装置的略上方的部分视图；
图3是根据本发明的多试样处理装置的略上方的高视角视图；
图4是图3所示的装置的略下方的高视角视图；
图5是根据本发明的装置的部分俯视图；以及
图6是图5中圆圈区域6的放大视图，其中被分级的试样已经被划分成隔室。
具体实施方式
图1和2所示的分级装置具有被支撑以围绕主轴12旋转的盘10。相对扁平的容器或空心圆柱体20被支撑在盘10的外围部分，以用于在与主轴12距离R的位置围绕第二轴22旋转。在图2所示的示例中，盘10和容器20分别由电机14和24带动旋转。
其他设置也同样适用，例如各种齿轮或皮带传动，以通过单一的电机14以不同速度同步地旋转盘10和容器20。
在这种情况下，如图1中虚线所指示的，齿轮传动16可以包括定齿轮16’，该定齿轮16’与齿轮16”啮合，以用于使容器20和由电机14旋转的盘20同步旋转。
如图3和4所示，通过围绕主轴12外围地分布设置多个容器20可以同时处理多个试样，其中每个容器由具有公共定齿轮16’的齿轮传动16旋转。
根据本发明的分级装置可以按照如下运转。
圆柱体容器20充满液体试样或具有待检测和识别颗粒的悬浮液30。容器20由盖子21盖住。之后，容器20以速度ξ旋转，速度ξ不同于且高于盘20的速度Ω。由于围绕主轴12旋转，具有与液体不同密度的颗粒，例如血液中病原菌和血细胞，将相对于液体径向向外沉降。由于液体并没有与圆柱体围绕主轴12相同的旋转的事实，颗粒P有时将位于主轴和第二轴之间，有时位于两个轴的径向外侧。这使得颗粒交替地离开和朝向第二轴移动。如此前所述，一定尺寸的颗粒的沉降在某一时刻会被第二轴的旋转所阻碍，以使得颗粒相对于主轴静止不动。当在试样中沉降时，每一粒径有自己的平衡位置。计算已经显示，无论在试样中从哪里开始，颗粒将寻找平衡位置。除其他因素外，平衡位置取决于颗粒的沉降速率，而沉降速率反过来又受颗粒尺寸的影响。颗粒越大，其终止位置离第二轴越远，而且按照推测总是在如图5所示的起自第二轴的直线L上。
上述离心操作完成后，颗粒可以被发现和识别。
如果某些应用需要，颗粒可以在离心过程中例如通过与试样一起旋转的照相机(未示出)被发现。
为了简单地对被发现的颗粒进行分类，沉降速率过滤器40被插入到容器20中的沉降试样30中。在示出的实施例中，过滤器成形为定义轴向开口的隔室42(图6)的框架40，框架40将沉降试样30划分成径向和切向的分离区域。当发现因此而锁定在某一区域的颗粒时，该区域的位置信息可以有助于颗粒的识别，例如通过将该位置与披露了经过相同离心操作已经被识别的颗粒的位置的表中的位置相匹配。这些制成表的位置可以通过数值计算或通过在与待识别颗粒相同的条件下对已知颗粒操作分级装置来确定。
作为框架40的替代，也可以通过与隔室42大体上对应设置的阀抽取沉降试样的样本，例如，如以虚线示出了一个阀44的图6图表化地指示，在容器20的底部。
以下描述了对经受根据本发明的分级装置的操作的颗粒行为的计算示例。
将围绕主轴的旋转Ω和液体围绕第二轴的旋转ξ之间的转速差值记为ω，第二轴即圆柱体的轴。在时间t＝π/ω期间，离心力将会移动颗粒远离圆柱体轴，与此同时，离心力将会向着圆柱体轴移动颗粒。此外，颗粒跟随着围绕圆柱体轴的液体。离心力将颗粒带到离圆柱体中心越远，液体旋转将其带回的速度越快。这将会引起向着平衡位置的螺旋运动。
可以引入x-y坐标系(未示出)，其中心位于圆柱体的中心，且以圆柱体围绕主中心(位于圆柱体之外距离R的位置)旋转的转速Ω而旋转。在该坐标系中，离心力总指向y轴方向。
粒子终止在距圆柱体中心与沉降速度大致成正比的距离处。两倍半径的粒子的终止位置就圆柱体中心而言更远几乎四倍。颗粒的不同起始位置看起来不会影响颗粒的终止位置。
可以示出
Figure BDA0003503272960000051
其中
α是颗粒半径；
R是两个轴之间的距离；
Δρ是颗粒与流体试样之间的质量密度的差值；
ρ是流体试样的质量密度；以及
ν是流体的动态粘滞度；
r与颗粒半径的平方成正比。因此，应该可以分离具有几乎相同半径α的颗粒。
可以看出，颗粒到达其最终目的地的时间与1/ω成正比。
还可以看出，
Figure BDA0003503272960000061
确定颗粒在容器20中的终止位置。
与相对旋转ω相比，离心力RΩ2必须足够大以使得颗粒结束时距圆柱体中心足够远。同时，ω不能太小，因为那样会使过程耗时太长。
在R＝0.1m，
Figure BDA0003503272960000062
时，颗粒要在时间150/ω时达到相对稳定状态需要25转。主旋转Ω＝100rad/s＝955rpm，那么ω＝0.20rad/s＝1.9rpm。时间为150/ω＝12分钟。颗粒最终位于圆柱体中心轴左侧5mm处。同样适用于Ω＝400rad/s＝3820rpm且ω＝3.20rad/s＝31rpm时，但是时间只有150/ω＝47分钟。
如果希望颗粒无需在液体中循环几圈就到达其最终目的地，那么
Figure BDA0003503272960000063
应该具有较高的值，但此时r会变得很大。
前述详细描述主要是为了理解清楚，不应从中理解任何不必要的限制。本领域技术人员在阅读本公开后，改动是显而易见的，并且在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以做出改动。

Claims (15)

1.一种通过离心沉降分离流体试样(30)中具有不同沉降速度的颗粒(P)的方法，其特征在于，
a)封装试样(30)；以及
b)围绕所述试样外部的主轴(12)以第一转速(Ω)旋转所述试样，并且围绕位于所述试样中心的第二轴(22)以第二转速(ξ)旋转所述试样，以使所述试样经受变化的离心力场，直到每个颗粒沉降到取决于所述颗粒的沉降速度的位置。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
c)发现所述试样中的沉降粒级的所述颗粒(P)；
d)测量每个颗粒与所述第二轴(22)的距离(r)；以及
e)通过将所述距离与对理论上遵从所述方法的已知颗粒进行计算得到的距离相匹配来识别所述颗粒。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
c)发现所述试样中的沉降粒级的所述颗粒(P)；
d)测量每个颗粒与所述第二轴(22)的距离(r)；以及
f)通过将所述距离与对已知颗粒执行以上步骤a到d而获得的距离相匹配来识别所述颗粒。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：阻止所述试样的不同区域(42)彼此混合。
5.如权利要求4所述的方法，包括：将轴向开口的隔室(42)的框架(40)插入具有所述沉降粒级的所述试样(30)中，以将所述试样划分成由所述隔室定义的所述区域(42)。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，包括：从单独的试样中的不同区域(42)采样颗粒。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二转速(ξ)高于所述第一转速(Ω)。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述试样是血样。
9.一种用于执行如权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，
圆柱体容器(20)，用于封装所述试样(10)；
第一旋转器(10，14)，用于围绕所述主轴(12)旋转所述容器(20)；以及
第二旋转器(16，24)，用于围绕所述第二轴(22)旋转所述容器(20)。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述第一旋转器包括被支撑以围绕所述主轴(12)旋转的盘(10)，以及用于旋转所述盘(10)的电机(14)；且所述第二旋转器包括用于旋转支撑在所述盘上以围绕所述第二轴(22)旋转的所述圆柱体容器(20)的第二电机(24)。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述第一旋转器包括被支撑以围绕所述主轴(12)旋转的盘(10)，以及用于旋转所述盘(10)的电机(14)；并且所述第二旋转器包括齿轮或皮带传动(16)，用于通过所述电机(14)旋转支撑在所述盘上的围绕所述第二轴(22)的圆柱体容器(20)。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述第一旋转器包括被支撑以围绕所述主轴(12)旋转的盘(10)，以及用于旋转所述盘(10)的电机(14)；且所述第二旋转器包括与所述主轴同心且与齿轮(16”)齿轮啮合的定齿轮(16’)，用于使支撑在所述盘上的所述圆柱体容器(20)围绕所述第二轴(22)旋转。
13.如权利要求9-12中任一项所述的装置，包括：围绕所述主轴(12)外围地分布的多个所述容器(20)。
14.如权利要求9-13中任一项所述的装置，包括：用于将所述试样划分成分隔区域(42)的器件(40)。
15.如权利要求14所述的装置，其中用于划分所述试样(30)的所述器件包括用于插入到所述容器(20)中的沉降试样中的轴向开口的隔室(42)的框架(40)。
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