專利名稱：用于對流體樣本快速過濾分析的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在第一方面，本發(fā)明涉及用于分析體積為V的流體的儀器(apparatus)，包括
-過濾器，其具有面積為A的過濾表面，該過濾器能夠允許流體流過該過濾表面，該流體在過濾表面上平均的體積流密度為jm_ ；以及 -掃描器，其用于以掃描速率B掃描過濾表面。在第二方面，本發(fā)明涉及分析體積為V的流體的方法，該方法包括隨后的步驟
-使流體流過過濾器的過濾表面，該流體在過濾表面上平均的體積流密度為j_n ；以
及
-以掃描速率B掃描過濾表面。在第三方面，本發(fā)明涉及用于分析流體的儀器，該儀器包括
-過濾器，其具有面積為A的過濾表面，該過濾器能夠允許流體流過該過濾表面；以及 -掃描器，其用于掃描過濾表面。在第四方面，本發(fā)明涉及用于分析流體的儀器。
背景技術(shù)：
流體樣本的微生物分析具有重要的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用，例如應(yīng)用在臨床中、 在食品和飲料、藥物、個人保健品和環(huán)境部門中。一般地，這種分析旨在確定樣本中存在或不存在微生物，確定存在的微生物的量，以及在某些情況下以各種細(xì)節(jié)水平(level)識別未知的微生物。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的測試方法經(jīng)常基于細(xì)胞培養(yǎng)，并且取決于樣本和微生物的類型而花費數(shù)天到數(shù)星期的時間得到結(jié)果。強烈需要通量(throughput)增加的微生物分析。這種快速方法的一個實例是由 AES ChemunexChttp://www. aeschemunex. com/)提出的方法。它們的FDA批準(zhǔn)的kanRDI系統(tǒng)通過對經(jīng)過濾產(chǎn)品的激光掃描細(xì)胞計數(shù)(laser scanning cytometry)來執(zhí)行所述分析。該方法的步驟是過濾流體樣本；利用熒光染料染色可能存在的微生物污染物；利用大激光點(5-10 μ m)對過濾器的表面進(jìn)行光學(xué)掃描以便檢測可能存在的微生物污染物；以及用具有自動化鏡臺(Stage)的高分辨率(0. 5 μ m)顯微鏡對污染物周圍的區(qū)域成像。該技術(shù)的各方面已經(jīng)在EP0713087B1中描述。一種改進(jìn)的過濾技術(shù)由fluXXion (http//www. fluxxion. com/)提供。該技術(shù)基于光刻限定的微型濾網(wǎng)，其具有單個界限分明的細(xì)孔(pore)大小(小到0.2 μ m)、是光學(xué)平坦的(從后續(xù)光學(xué)掃描步驟的觀點看其是有利的，并且也導(dǎo)致反向散射減少)和薄的以便提供低流阻并且因此提供比由諸如纖維素、尼龍、聚氯乙烯、聚砜、聚碳酸酯和聚酯之類的多孔材料制成的常規(guī)膜過濾器高的過濾通量。現(xiàn)有的設(shè)備和方法一般地使用具有預(yù)定義尺寸的過濾器并且僅最優(yōu)化過濾過程的參數(shù)(比如流經(jīng)速度)和掃描過程的參數(shù)(比如掃描速度和束直徑。例如，AES Chemunex 的kanRDI系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的25mm膜濾器，其通常是具有0. 45 μ m的細(xì)孔大小的聚酯 ChemFilter CB04。本發(fā)明的一個目的是提供一種用于過濾給定量的流體并隨后掃描過濾器的特別快速的方法和特別快速的儀器。特別地，本發(fā)明的一個目的是提供一種比上述現(xiàn)有技術(shù)更快速的方法和儀器。 該目的是通過獨立權(quán)利要求的特征實現(xiàn)的。其他詳述和優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中概述。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，過濾表面的面積A基本與最優(yōu)面積A。pt —致，其被定義為這允許顯著地減少總化驗(assay)時間，如下文將解釋。優(yōu)選地，A與A。pt至多相差20%。更優(yōu)選地，A與Aopt至多相差10%。甚至更優(yōu)選地，A與Aopt至多相差5%。特別地， 分析流體可以包括檢測小物質(zhì)(material)對象的存在，特別是生物對象，比如細(xì)菌或真菌。 然而，原則上，本發(fā)明適用于其中以恒定(與時間無關(guān)的)流速過濾流體的給定體積并且隨后以恒定(與時間無關(guān)的)掃描速率掃描過濾表面的所有應(yīng)用。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于容納流體的容器，該容器具有用于連接到過濾器的出口，其中該容器的容量與體積V —致。這使選擇流體的體積以使得對于所選的體積而言總化驗時間將最小或接近最小容易。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于使流體流過過濾器的驅(qū)動裝置。該驅(qū)動裝置可以例如包括置于過濾器的上游或下游的泵。在過濾器的下游提供泵可能是有利的，因為在流體中所包含的雜質(zhì)被過濾器濾出的情況下該泵將較少地受到流體中所包含的雜質(zhì)的影響。所述驅(qū)動裝置可以可替代地通過將包含流體的容器放置在比過濾器更高水平的地方來提供。 因此，在地球的重力場中，流體的勢能可以用于驅(qū)動流體通過過濾器。流體的體積流密度jm_和掃描速率B特別地可以分別是可以由所述儀器獲得的最大體積流密度和最大掃描速率?？稍试S的體積流密度j_n通常受流體和過濾器的屬性限制。將泵壓力增加到超過特定閾值將導(dǎo)致對過濾器的破壞。類似地，掃描器具有特定的不能容易地增加的最大掃描速率。當(dāng)然，可以設(shè)想以小于j_n的流密度和/或以小于B的掃描速率操作所述儀器，但是實際上該設(shè)備將以其最大流速和其最大掃描速率被操作。對于這種系統(tǒng)，特別有利的是，調(diào)適過濾表面的面積以適應(yīng)最大流密度和最大掃描速率。所述掃描器可以包括下列至少一個
-自動化顯微鏡，其用于逐步地機械地掃描過濾面積(filter area)、在每個步驟取得圖像并且隨后以軟件縫合這些圖像以形成整體圖像；
-用于以連續(xù)方式掃描過濾表面的機構(gòu)，以及頻閃照明裝置； -用于以連續(xù)方式掃描過濾表面的機構(gòu)，以及線陣相機或時間延遲集成相機； -微物鏡陣列，其用于以單個連續(xù)掃描來掃描整個過濾面積； -用于在過濾面積上掃描聚焦的激光的裝置；
-用于橫過過濾面積掃描聚焦的激光點的陣列的裝置。這些方面將在下文中更詳細(xì)地討論。所述過濾器可以包括相對于流體的流動平行布置的多個基本(elementary)過濾
發(fā)明內(nèi)容器，每個基本過濾器具有基本過濾表面，該過濾表面的面積A是這些基本過濾表面的總面積。所述掃描器可以包括用于同時掃描過濾表面的多個基本掃描器，每個掃描器具有基本掃描速率，掃描速率B是基本掃描速率的和?；緬呙杵骺梢元毩⒁苿?，或者它們可以被耦合。例如，單個電動機可以用于相對于過濾表面移位基本激光束的整個陣列。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)過濾表面的面積A的機構(gòu)。因此，總化驗時間可作為流體體積V、掃描速率B和平均體積電流密度jm_的函數(shù)而被最小化。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于控制所述機構(gòu)作為體積V、掃描速率B和平均體積流密度· _η的函數(shù)的控制器。類似地，在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法中，面積A基本與最優(yōu)面積A。pt—致，其被定義為所述方法可以進(jìn)一步包括步驟調(diào)節(jié)過濾表面以便調(diào)適面積A以適應(yīng)體積V、掃描速率B和平均體積流密度jm_。這里和全文中，過濾表面被理解為是有效地用于過濾流體的過濾表面的部分。因此，其面積A可以通過僅讓過濾器的物理表面的一部分接觸流體， 例如通過密封過濾器的物理表面的一部分或通過將該物理表面連接到具有期望大小的孔 (aperture)來改變。根據(jù)本發(fā)明的第三方面的儀器包括用于調(diào)節(jié)過濾表面以改變面積A的機構(gòu)。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于控制所述機構(gòu)改變面積A以便最小化過濾時間和掃描時間的和的控制器，該過濾時間和掃描時間分別是過濾流體所需的時間和掃描過濾表面所需的時間。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種用于分析流體的儀器包括
-一組至少兩個過濾器，該過濾器組中的每個過濾器具有面積為A的過濾表面并且能夠允許流體流過該過濾表面，針對每一個過濾器，該面積A具有不同的值；以及 -用于選擇過濾器之一并且將所選的過濾器放置在操作位置的機構(gòu)； -掃描器，其用于掃描所選的過濾器的過濾表面。所述儀器可以進(jìn)一步包括用于控制所述機構(gòu)選擇過濾器以便最小化過濾時間和掃描時間的和的控制器，該過濾時間和掃描時間分別是過濾流體所需的時間和掃描過濾表面所需的時間。該控制器可以包括電子控制單元。流體樣本中微生物的存在典型地通過過濾、染色和光學(xué)檢測三步驟過程來檢測。 所提出的方法的突出特征是以下事實基于樣本體積以及過濾器和掃描器二者的屬性來優(yōu)化過濾器的面積，以便最小化總化驗時間。如下文所示，當(dāng)過濾和掃描步驟花費近似相同時間時可以實現(xiàn)最小的化驗時間。本發(fā)明基于以下見識所述過程的不同步驟的每一個步驟需要依賴于過濾器在特定方式中的橫截面面積A的時間。假設(shè)過濾器具有“開放”分?jǐn)?shù)(fraction) η (細(xì)孔的面積除以總面積)并且支持具有流經(jīng)速度u的體積V的過濾。于是所述過濾花費的時間為
例如，考慮典型的情況，其中由半徑為25mm、開放分?jǐn)?shù)為25%以及流經(jīng)速度為Imm/ sec的圓形過濾器過濾體積V=IOOml。過濾所需的時間為大約3. 4分鐘。具有4096個像素和 3kHz線速率的典型線掃描器以0. 25 μ m/像素的分辨率掃描0. 768mm2/sec,因此花費42. 6 分鐘掃描整個過濾面積。根據(jù)上述意見，最優(yōu)過濾面積為^4mm2，其對應(yīng)于半徑為13.3mm 的圓?，F(xiàn)在，用于過濾和掃描的總時間為12.0分鐘，其中化驗時間(排除染色時間)從46分鐘總體改進(jìn)至M分鐘，幾乎2倍。一種用于對流體樣本進(jìn)行快速微生物分析的方法可以包括步驟利用微濾網(wǎng)過濾流體樣本；利用(熒光)染料染色微濾網(wǎng)表面上可能存在的微生物污染物；以及光學(xué)地掃描微濾網(wǎng)的表面以便檢測并成像可能存在的微生物污染物，其特征在于，過濾步驟所花費的
V細(xì)孔中的流經(jīng)速度U與平均體積電流密度j (即每單位時間流過單位面積的體積) 相關(guān)，j= nu，其中j在比過濾器的細(xì)孔大的區(qū)域上被平均，假設(shè)流經(jīng)速度u在已取平均的所有孔中是相同的。在過濾器的整個橫截面上被平均的體積電流密度表示為jm_。流經(jīng)速度不僅受所使用的過濾器的特性限制而且受維持細(xì)胞的存活力 (viability)的需要限制?？梢约僭O(shè)，染色步驟所需的時間獨立于過濾器的橫截面面積。 為
最后，假設(shè)所述光學(xué)掃描器每單位時間可以掃描面積B。于是掃描過程花費的時間
scan 因此總時間(除了染色和其他可能的步驟所需的恒定時間)由下式給出
+ T
flli scan 清楚地，該等式示出在過濾與掃描時間之間存在折衷。小過濾面積造成緩慢的過濾和快速的掃描，而大過濾面積造成快速過濾和緩慢掃描。其結(jié)果是該折衷具有不同的最優(yōu)。對于下列面積而言，總時間是最小的
]j. ？7 在該最優(yōu)中，過濾所需的時間和掃描所需的時間相等并且被給出如下時間基本上等于掃描步驟所花費的時間?！N用于執(zhí)行該方法的儀器可以包括用于容納體積為V的流體樣本的容器；用于過濾流體樣本的過濾器，其橫截面面積為A，過濾面積被細(xì)孔占用的分?jǐn)?shù)為η，且流經(jīng)速度為u ；以及用于掃描過濾器的面積的光學(xué)掃描器，其每單位時間掃描面積B，該過濾器橫
截面面積被選擇為基本等于
權(quán)利要求
1. 一種用于分析體積為V的流體(18)的儀器(10)，包括-具有面積為A的過濾表面(14)的過濾器(12)，該過濾器能夠允許流體流過該過濾表面，該流體在過濾表面上平均的體積流密度為jm_ ；以及 -掃描器，其用于以掃描速率B掃描過濾表面； 其中面積A基本上與如下定義的最優(yōu)面積A。pt —致
2.如權(quán)利要求1所述的儀器(10)，進(jìn)一步包括用于容納流體(18)的容器，該容器具有用于連接到過濾器(12)的出口，其中該容器的容量與體積V—致。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的儀器(10)，進(jìn)一步包括用于使流體(18)流過過濾器 (12)的驅(qū)動裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的儀器(10)，其中流體(18)的體積流密度jm_是可由所述儀器獲得的最大體積流密度并且掃描速率B是可由所述儀器獲得的最大掃描速率。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的儀器(10)，其中所述掃描器包括下列至少一個-自動化顯微鏡，其用于逐步地機械地掃描過濾面積、在每個步驟取得圖像并且然后以軟件縫合這些圖像以形成整體圖像；-用于以連續(xù)方式掃描過濾表面的機構(gòu)，以及頻閃照明裝置；-用于以連續(xù)方式掃描過濾表面的機構(gòu)，以及線陣相機或時間延遲集成相機；-微物鏡陣列，其用于以單個連續(xù)掃描來掃描整個過濾面積；-用于橫過過濾面積掃描聚焦的激光的裝置；-用于橫過過濾面積掃描聚焦的激光點的陣列的裝置。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的儀器(10)，其中所述過濾器(12)包括相對于流體 (18)的流動平行布置的多個基本過濾器(26，28，30，32，34，36，38，40，42，44)，每個基本過濾器具有基本過濾表面，過濾表面(14)的面積A是這些基本過濾表面的總面積。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的儀器(10)，其中所述掃描器包括用于同時掃描過濾表面(14)的多個基本掃描器，每個掃描器具有基本掃描速率，掃描速率B是這些基本掃描速率的和。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的儀器(10)，進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)過濾表面(14)的面積A的機構(gòu)(70)。
9.如權(quán)利要求8所述的儀器(10)，進(jìn)一步包括用于控制所述機構(gòu)(70)作為體積V、掃描速率B和平均體積流密度jm_的函數(shù)的控制器。
10.一種分析體積為V的流體(18)的方法，包括下述步驟-使流體(18)流過過濾器(12)的過濾表面(14)，該流體在過濾表面上平均的體積流密度為j_n;以及-以掃描速率B掃描過濾表面(14);其中過濾表面(14)的面積A基本上與如下定義的最優(yōu)面積A。pt —致
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟-調(diào)節(jié)過濾表面(14)以便調(diào)適面積A以適應(yīng)體積V、掃描速率B和平均體積流密度J mean °
12.一種用于分析流體(18)的儀器(10)，包括-過濾器(12)，其具有面積為A的過濾表面(14)，該過濾器能夠允許流體流過該過濾表面；以及-掃描器，其用于掃描過濾表面(14); -用于調(diào)節(jié)過濾表面(14)以改變面積A的機構(gòu)(70)。
13.如權(quán)利要求12所述的儀器(10)，進(jìn)一步包括-用于控制機構(gòu)(70)改變面積A以便最小化過濾時間和掃描時間的和的控制器，該過濾時間和掃描時間分別是過濾流體(18)所需的時間和掃描過濾表面(14)所需的時間。
14.一種用于分析流體(18)的儀器(10)，包括-一組至少兩個過濾器，該過濾器組中的每個過濾器具有面積為A的過濾表面并且能夠允許流體流過該過濾表面，針對每一個過濾器，該面積A具有不同的值；以及-用于選擇過濾器之一(12)并且將所選的過濾器(12)放置在操作位置的機構(gòu)； -掃描器，其用于掃描所選的過濾器(12)的過濾表面(14)。
15.如權(quán)利要求14所述的儀器(10)，包括-用于控制所述機構(gòu)選擇過濾器(12)以便最小化過濾時間和掃描時間的和的控制器， 該過濾時間和掃描時間分別是過濾流體(18)所需的時間和掃描過濾表面(14)所需的時
全文摘要
一種用于分析體積為V的流體(18)的儀器(10)包括-具有面積為A的過濾表面(14)的過濾器(12)，該過濾器能夠允許流體流過該過濾表面，該流體在過濾表面上平均的體積流密度為jmean；以及–掃描器，其用于以掃描速率B掃描過濾表面；其中面積A與如公式(I)定義的最優(yōu)面積Aopt一致。由此，過濾時間和掃描時間的和可以被最小化。在另一方面，一種儀器(10)包括-一組至少兩個過濾器，該過濾器組中的每個過濾器具有面積為A的過濾表面并且能夠允許流體流過該過濾表面，對于每個過濾器而言面積A具有不同的值；以及-用于選擇所述過濾器之一(12)并將所選的過濾器(12)放置在工作位置的機構(gòu)；以及-掃描器，其用于掃描所選的過濾器(12)的過濾表面(14)。
文檔編號G01N15/06GK102224407SQ200980146873
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者S.卡塔內(nèi)奧, S.施塔林加 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司