微流過濾系統和集成微流體元件的制作方法

微流過濾系統和集成微流體元件的制作方法
【專利摘要】優選用于提高流體樣品中所含組分的濃度的微流體過濾系統（100)，其具有流體線路（1)。流體線路（1)包含下述元件：能在流體經過時將該流體樣品分離成滲余流和滲透流的切向流過濾元件（7)、用于引起并驅動經過流體線路（1)的流體流的泵送元件（3)、和至少一個用于獲得關于該線路內的流體樣品的性質的信息的元件。該線路進一步包含連接流體線路（1)的元件的多個導管(24)，經其傳導流體樣品的流體流。線路（1)具有最多5毫升的最低工作體積，這是留在線路（1)的元件和導管（24)中的、使得該流體可以在線路(1)中再循環而不會將空氣泵過線路（1)的最低流體體積。線路（1)的集成微流體元件（20)含有線路（1)的元件組的至少兩個元件的功能。
【專利說明】微流過濾系統和集成微流體元件
[0001] 本發明涉及優選用于提高小體積流體樣品中所含組分的濃度的微流過濾系統。該 系統包含微切向流過濾元件，該微切向流過濾元件具有能在流體樣品經過時將該流體樣品 分離成滲余流和滲透流的半透膜。該流體線路進一步包含泵送元件、至少一個用于獲得關 于該線路內的流體樣品的性質的信息的元件（例如用于獲得關于樣品粘度的信息或測定 跨膜壓力的兩個或更多個壓力傳感器，或用于獲得關于流體樣品的組分濃度的信息的光學 比色皿）、將這些元件連接到該線路上的多個導管和任選地流量調節器。
[0002] 為提純或濃縮流體樣品中所含的組分而使用半透膜過濾流體樣品的流過濾系統 是現有技術狀況中公知的。這些系統在提純的情況下用于除去微粒或分子污染物，或用于 提高例如用于實驗室分析的流體中的組分濃度。這樣的系統也可用于通過滲濾交換含有有 用分子或微粒的溶劑。這樣的過濾系統的膜可以與流體樣品的流向垂直布置，以使該膜覆 蓋流道的整個直徑，這被表征為垂直流過濾或死端過濾，或該膜表面可以與液體樣品流基 本平行布置，這被稱作切向流過濾系統（TFF-系統）。
[0003] 切向流過濾系統的優點在于，由于基本平行于膜表面的樣品流向，發生自動清掃 和清潔，以致借助此類系統通常可實現與相應的垂直流過濾系統相比更高的通量和更高的 吞吐量。此外，大量樣品連續流經膜表面，以致在此類系統中不容易發生堵塞、結垢或濃差 極化。考慮到這些和其它優點，切向流過濾系統（TFF-系統）常用于生物技術和藥物制造 工藝。
[0004] 在流體經過具有半透膜的切向流過濾元件的過程中，小于膜孔徑的溶液組分作為 滲透流流過該膜，而較大組分留在滲余流中。滲余流在流動線路中再循環，并以連續方式再 泵過該膜。這樣的TFF-系統用于在從該系統中取出滲透流時顯著降低樣品溶液的體積。因 此，當以濃縮模式驅動該系統時，樣品溶液變濃。
[0005] 在另一些用途中，必須進行溶液中的兩種或更多種組分（例如緩沖劑）的分離。因 此，將通常但不是必須不含要分離的組分的交換緩沖液（滲濾液）添加到該系統中，以使一 種組分作為滲透流取出并被另一組分（即被交換緩沖液）交換，以致最后，例如，一種緩沖 劑被另一緩沖劑交換。滲濾模式和濃縮模式可以使用特殊控制策略在同一系統中進行。
[0006] 文獻WO 2006/026253A2描述了用于將實驗室規模TFF-系統的結果轉移至工業生 產規模系統的切向流過濾（TFF)法開發裝置。自動收集與"規模擴大"至工業規模過程相 關的信息和數據。因此，提供能將儲器的〇. 5升至5升批量濃縮成大約20毫升或小于20 毫升的最低體積的全自動TFF-系統。因此，該系統的最低再循環體積（也稱作最低工作體 積）為大約20毫升（或更低）。為實現這樣的最低再循環體積，使用專用罐存儲流體。
[0007] 用于容納該儲器的罐具有位于儲器下游端的混合區。該罐的入口和出口位于該混 合區中，以便能使濃縮物的所得體積為大約20毫升。盡管該儲器的入口和出口位于該罐底 部，但由于該罐的相對較大規模（最大體積為0. 5升至2升或5升），最低再循環體積的最 低值限于大約20毫升或更低一點。最低再循環體積為大約20毫，升并可用這種系統降至 大約15毫升或10毫升，但不能降至更低的值。因此，所提出的該系統無法用于或優化至在 濃縮過程結束時達到小于10毫升的濃縮溶液最終體積。
[0008] 切向流過濾系統常用在可用于生物技術、化學、治療或診斷用途的物質的制造法 中，以提高這些所需物質的濃度。由于這些制造法中使用的原材料和溶液通常昂貴和稀少， 在工業規模過程之前，僅使用少量和小體積的溶液和樣品設置實驗室規模過濾過程。如果 該組分是對大規模裝置中存在的剪切力和其它力造成的破壞敏感的蛋白質等，這尤其重 要。例如，必須在溶液中濃縮的生物技術生產的蛋白質極其昂貴，另一方面，對工業規模工 藝裝置中出現的力造成的破壞極其敏感。因此，在工業規模裝置中在溶液中濃縮此類蛋白 質的風險高。此外，這些蛋白質通常無法以更大量提供。
[0009] 因此，在工業過程開發中強烈需要能將溶液的組分優選濃縮大于10倍并使用最 多20毫升的起始體積的流過濾裝置。
[0010] 本發明的一個目的是提供優化的TFF-系統，其能處理最多20毫升、優選最多10 毫升的溶液起始體積，并能濃縮該溶液的組分。濃縮過程結束時的濃縮溶液的所得體積應 優選為最多2毫升，特別優選最多1毫升，特別優選最多100微升。該過濾法應快速經濟、 可重復并精確。
[0011] 用具有根據權利要求1的特征的用于提高流體樣品中所含組分的濃度的微流體 流過濾系統解決了該問題。也用根據權利要求11的集成微流體元件解決該目的。
[0012] 用于提高流體樣品中所含的組分的濃度的本發明的微流過濾系統具有回路形式 的流體線路，流體樣品或溶液在其中再循環。該流體線路包含切向流過濾元件（TFF-元 件）、適用于提高并驅動流體樣品經過該流體線路和經過該切向流過濾元件的流體流的泵 送元件、至少兩個用于獲得關于該線路內的流體樣品的性質的信息的元件、和將這些元件 連向該流體線路的多個導管，經所述導管傳導流體樣品的流體流。任選地，該流體線路還包 含用于調節該線路中的壓力和/或流量的調節器元件。
[0013] 該流體線路具有最低工作體積，這也被稱作最低再循環體積。這一體積是流體線 路中必須保留的、使得該流體可以在線路中再循環而不會將空氣泵過該線路的流體的量。 換言之，該流體線路的元件和連接這些元件的導管必須被流體填充，以便可設立該線路中 的連續流體流。最低工作體積取決于該線路中使用的元件。例如，如果將流體輸送管安裝 在該線路中，這些管也對最低工作體積具有不可忽略的貢獻。本發明的微流體過濾系統的 線路的最低工作體積為最多5毫升。該線路的最低工作體積優選更小，例如優選最多2毫 升，更優選最多1毫升，特別優選最多100微升。
[0014] 根據本發明，該流體線路還含有集成微流體元件，其中集成了該線路的元件組的 至少兩個元件的功能。因此，該集成微流體元件是該線路中的執行該線路的至少兩個上述 元件的功能的元件或組件。因此，代替被取代的兩個獨立元件，在該線路中安置僅一個集成 微流體元件。該集成微流體元件優選安置在該流體線路的滲余液線路而非滲透液線路中。 尤其在濃縮模式中，該微流體元件的這種布置是有利的，因為在僅一個元件中提供該線路 的兩個元件的功能并降低或減小該系統的工作體積。
[0015] 該集成微流體元件界定出具有一定體積的體積元件（volume element)。因此，可 以將獨立的體積分配給該集成微流體元件。該元件的體積不大于該流體線路的最低工作體 積的1/4。在一個優選實施方案中，該集成微流體元件的這種分體積為該流體線路的工作體 積的最多20%，優選最多15%，更優選最多10%。該集成微流體元件的分體積越小，對該 系統的總工作體積（這是指該流體線路的總工作體積）的影響越小。在一個優選實施方案 中，該集成微流體元件的體積（分體積）為至少500微升，優選最多200微升。
[0016] 其優點在于該集成微流體元件的尺寸可小于兩個被取代的元件。該集成微流體元 件的體積小于這兩個被取代的元件與連接這些元件的導管的體積。因此，該集成微流體元 件對最低工作體積的貢獻足夠小于該流體線路的兩個獨立元件和連接這些元件的導管的 貢獻。連接導管和被取代的元件必須連接在一起，這尤其提高了對最低工作體積的貢獻，因 為用于將導管與元件相連的配件和管件或流體通道也起到不可忽略的作用。
[0017] 因此，集成微流體元件的使用能將兩個元件的功能結合在一個體積元件（volume element)中。這具有降低最低工作體積的積極影響。甚至可以在該流過濾系統中加工很少 量的流體（小于15毫升，優選小于5毫升），其中在濃縮模式中，可以將流體濃度提高100 和更多倍。
[0018] 在該微流體過濾系統的一個優選實施方案中，該線路進一步包含適用于容納流體 的儲放元件，其中該儲放元件集成到該流體線路回路中。該儲放元件具有儲器入口和儲器 出口，二者都與該線路連接。儲器的入口和出口優選布置在儲器（也可以是罐等）底部。這 確保該儲器對該線路的最低工作體積的貢獻相對較小。
[0019] 優選地，該儲器的體積為最多20毫升，特別是最多10毫升。在本發明的過程中認 識到，可以將儲器的尺寸進一步降至5毫升的儲器最大體積。在一個優選實施方案中，該儲 器具有最多2毫升，非常優選最多1毫升的體積。如果不得不加工非常小的溶液體積，可以 將儲器體積進一步降至最多〇. 7毫升或優選最多0. 5毫升的體積。尤其如果在該微流體過 濾系統中不得不加工大約〇. 5毫升或更小的流體批量，將該線路的至少兩個元件的功能集 成到集成微流體元件中起到重要作用。
[0020] 在一個優選實施方案中，該過濾系統的線路包含用于獲得關于流體溶液中所含組 分的濃度的信息的光學測量元件。這種光學測量元件優選包含比色皿等，流體樣品在濃縮 過程中流經該比色皿，并且它是透明的，以便可進行與流體溶液中所含的一種或多種組分 的濃度相關的參數的光學測量。
[0021] 在另一優選實施方案中，該線路包含用于獲得關于流體樣品的粘度的信息的測量 元件和/或至少閥元件和/或毛細通道元件和/或中空纖維元件，其中這些元件也是該線 路的元件組的成員。用于獲得關于流體樣品的粘度的信息的測量元件通常由至少兩個壓力 傳感器構成，它們的結果可用于通過Hagen-Poiseuille公式測定流體樣品的粘度。在本發 明的開發過程中，已進行的研究表明，在流體線路中的兩個點的壓力差與流經該線路的溶 液粘度之間存在線性相關性。
[0022] 該線路的切向流過濾元件包含進料入口、滲余液出口、滲透液出口和半透膜，該半 透膜能在流體樣品經進料入口進入切向流過濾元件時將該流體樣品分離成滲余流和滲透 流。對于濃縮法，可以使用可購自若干制造商的切向流過濾元件。選擇微流體流過濾系統的 流體過濾元件以加工小體積溶液的重要標準是該切向流過濾元件對最低工作體積的貢獻。 因此，該切向流過濾元件的膜表面積和體積是重要的。該流過濾元件對最低工作體積的貢 獻應盡可能小，該TFF-元件的最低工作體積優選為最多1000微升，優選最多500微升或更 優選最多100微升，特別優選最多20微升。
[0023] 對本領域技術人員而言相當清楚的是，泵送元件是集成在該線路中的泵。在此可 以使用已知的泵。例如，該泵送元件可包含注射器或兩個或更多個注射器以確保流體連續 流經該線路，或者可以使用活塞泵或蠕動泵或齒輪泵。
[0024] 優選地，用于獲得關于流體性質的信息的元件是用于獲得關于該線路內的壓力和 流量的信息的元件，特別優選是一個或多個壓力傳感器。
[0025] 優選地，一個或多個用于調節經過該線路的流量的調節器元件也集成在該線路 內。這樣的調節器元件可以是閥、可調泵送元件和/或壓力調節器等。
[0026] 在一個優選實施方案中，該微流體流過濾系統用于所含組分是蛋白質的溶液。尤 其在對例如工藝過程開發用途只可提供少量包含在該流體中的組分的研究領域中，需要改 進的TFF系統以在例如機械應力方面類似于工藝過程條件的條件下用非常少量的這些化 合物（例如小于100或甚至小于20毫克）進行例如濃縮實驗。盡管在一些情況中可以供 應足夠大量的此類蛋白質，但這樣的制造需要大量時間和材料并造成異常的花費。
[0027] 濃縮系數已知取決于樣品體積與該線路或微流體流過濾系統的最低工作體積的 比率。因此，如果只能提供少量流體樣品且所需濃縮系數為2至100或更大時，必須顯著降 低該線路的最低工作體積。最低工作體積優選為最多1毫升，更優選最多500微升。在一 些情況中，該線路的最低工作體積為最多200微升，特別優選最多100微升。特別地，如果 確定濃縮系數大于50,如上文提到的小量的最低工作體積是優選的。
[0028] 在一個優選實施方案中，不包括儲器在內的線路工作體積特別有意義。這種最低 工作體積優選應為最多900微升，更優選最多500微升，還更優選最多350微升。特別優選 的是最多200微升、150微升、120微升、100微升或90微升的該線路的最低工作體積。如果 預定濃縮率大于50或100,這樣小的最低工作體積是優選的。
[0029] 為了使微流過濾系統具有小的最低工作體積，該線路中所用的導管的內徑為最多 1. 5毫米，優選最多1毫米。在小于200微升的最低工作體積下，使用具有最多0. 7毫米或 特別優選最多0.3毫米內徑的導管。該導管優選是在該線路的元件中的通道或通路。它們 也可以是管子或管道。這些導管將該線路的集成微流體元件與該線路的其它元件相連。因 此，可以使用硬質管道作為導管。
[0030] 在本發明的流過濾系統的一個優選實施方案中，該系統包含位于該線路外但與該 線路流體連接的第二儲器。第二儲器的體積顯著大于該線路本身或該線路中的第一儲放元 件（如果存在）的體積。因此，第二外部儲器是含有要濃縮的組分的流體溶液的主儲器。 在該線路外的這種第二儲器優選具有是該線路的儲放元件或該線路本身的體積的至少10 倍、特別優選至少20倍的體積。
[0031] 本發明的系統可用于濃縮流體樣品中所含的組分，如蛋白質或分子等。該系統任 選也可用于滲濾模式。在這種情況中，外部第二儲器含有具有緩沖劑的溶液，該緩沖劑用于 交換該線路中所含的溶液（其還含有所需組分）中的緩沖劑。因此，容易進行緩沖劑的交 換。顯然，也可以在該線路中僅使用一個儲器實施滲濾模式。在這種情況中，向該線路裝入 流體樣品并向該儲器裝入緩沖液。
[0032] 在生物技術和工藝技術的領域中，有許多用途要求使用流過法測定流體樣品的組 分的濃度、流體樣品內的聚集體的形成和流體樣品的粘度。典型實例是要求在濃縮過程中 在線測量流體樣品中所含的蛋白質的濃度。因此，必須在該工藝的過程中測定實際流體參 數，即粘度、濃度和聚集體形成。基于這些在線測得的參數，可以分別控制該系統。濃縮和 提純工藝的基本工藝參數隨工藝而變。從而認識到，必須實時測量蛋白質的濃度和聚集體 形成速率和該溶液的粘度以便通過調節相關工藝參數實施最佳濃縮過程。
[0033] 在本發明的主題的開發中，已經確定，為了測定濃度，可以使用光度測定法。對于 這種光度測定技術，優選使用比色皿，流體樣品在不稀釋該樣品的情況下流經該比色皿。為 了光學測量吸收，使用光源，其透過比色皿傳送光。在一個優選實施方案中，光垂直于流向 穿過比色皿。為了使用比色皿進行光度測量，優選使用紫外線輻射測定樣品中所含的化合 物（例如蛋白質）的濃度。對于濃度的這種在線測定，可以使用波長為280納米±10納米 的光輻射實現良好結果。
[0034] 為了測量樣品流體中的聚集體外觀，在280± 10納米波長下的吸收值與在大于 290納米（例如320 - 330納米）波長下的吸收值之間的比率是優選的。
[0035] 此外，可以使用包含兩個分別在毛細管的入口和出口的壓力傳感器的壓力傳感元 件測量該流體樣品的粘度。這些壓力傳感器在樣品流過比色皿的過程中檢測入口處的壓力 傳感器與出口處的壓力傳感器之間的壓力差。使用比色皿的已知幾何和預定（恒定）通量 或流過速率進行這種測量。基于流過比色皿的過程中的壓力變化，可以根據公知公式，如 Hagen-Poiseuille公式計算該流體樣品的粘度。該粘度與測得的壓力差成比例。
[0036] 在一個優選實施方案中，本發明的集成微流體元件包含并兼具這兩個壓力傳感器 和比色皿的這兩種功能。因此，該集成微流體元件可用于在一個元件中實時和在線測定粘 度、化合物濃度和流體樣品中的聚集體形成。除這種優點外，這種集成微流體元件的最低工 作體積明顯小于使用三個單獨組件和用于連接這些組件的導管時。
[0037] 在本發明中認識到，在同一微流體元件內并行測量流體線路中的樣品流體的粘度 和濃度造成若干困難。為了測定粘度，必須檢測沿毛細管的壓降。在典型的實驗室規模系 統或工業生產規模系統中，由于要經過該流體系統輸送的流體樣品的大體積和由于管材和 流體導管的大直徑，這樣的測量是不可能的。因此，此類系統內的總壓力和壓力差太低以致 無法基于壓降測量精確測定粘度。在本發明的過程中認識到，為了精確測量粘度，毛細管必 須具有非常小的直徑（小于〇. 5毫米）并優選具有相對較短的長度（小于200毫米），因為 直徑對壓降具有最大影響。因此，通道直徑的偏差對壓降測量的精確度具有顯著影響。為 了測定粘度的高度變化，在該系統中必須運用高的壓力范圍。此類通道中存在的典型壓力 為100. OOOPa至500. OOOPa，優選最多1. 000. OOOPa。因此，該通道必須在高壓下穩定。因 此，該通道（其優選是毛細管）的材料優選是金屬。本發明人的研究已經表明，玻璃也是適 用于此的材料，尤其是如果玻璃通道壁具有足夠的厚度。玻璃制流體通道（如用于例如比 色皿那樣）可以以極高精確度制成并因此降低通道直徑的偏差，這對壓力測量有利。
[0038] 另一方面，相對較小的直徑在測量濃度時對透明毛細管中的光學測量表現出額外 優點。尤其在要測定高濃度的情況下，小直徑具有積極作用，因為樣品的光學密度隨樣品濃 度提高而顯著提高。這造成在測量上非常復雜的高吸收值。為降低透過該通道或比色皿測 得的吸收和簡化吸收測量，必須降低穿過樣品的光束的光程長度。比色皿直徑的降低使得 光程長度降低并因此降低要測量的吸收。因此，透明通道或毛細管的合適材料是玻璃。關于 粘度測量，為滿足對通道或毛細管中的壓力的要求，壁必須足夠厚以足夠穩定。盡管壁厚， 但仍有可能在降低的光程長度下進行濃度的光學測量。
[0039] 盡管小直徑通道傾向于被過濾過程中常形成的聚集體堵塞，但已認識到，具有小 直徑的玻璃制透明通道可用于通過測量壓降來測量粘度并用于光學測量樣品中的濃度。因 此，在集成微流體元件中可以使用與兩個壓力傳感器結合的此類透明毛細管。
[0040] 在另一替代性或累加性的優選實施方案中，本發明的集成微流體元件包含并兼具 微切向流過濾元件（TFF-元件）和至少一個用于獲得關于該線路內的流體樣品的性質的信 息的元件的功能。優選地，用于獲得關于該線路內的流體樣品的性質的信息的元件是測量 該線路中的流體樣品的壓力的壓力傳感器，并在此基礎上，可用于測定流體樣品的粘度。因 此，在這一優選實施方案中，微TFF-元件至少一個壓力傳感器，更優選與兩個壓力傳感器 結合。
[0041] 優選地，該TFF-元件包含TFF外殼，其可以是過濾器盒。該TFF外殼是集成微流 體兀件的外殼的一部分。在這種情況中，該TFF外殼集成在微流體兀件的外殼中。優選地， 該TFF元件的膜是可丟棄的。如果該膜堵塞，可以更換該膜。如果TFF-元件的效率降至預 定閾值，必須更換膜。設計具有可丟棄膜的TFF-元件的優點在于其過濾器盒（TFF外殼） 可以在流體線路中保持不變以致不必觸碰，尤其不必打開與連接導管的連線。此外，如果該 TFF-元件與兩個壓力傳感器一起集成在微流體元件中，傳感器留在它們的位置上，尤其是 它們在微流體元件的外殼中的位置上。因此，如果在堵塞的情況下僅更換TFF-元件的膜， 不會影響傳感器本身和它們的電連接。此外，由于連接過濾器盒和壓力傳感器的通道可以 是短的，可以降低包含壓力傳感器的TFF-元件的流體通道的尺寸，尤其是體積。
[0042] 在更優選的實施方案中，這種集成微流體元件還含有壓力調節器元件的功能，以 另外控制和調節該線路中的壓力。因此，在本發明的集成微流體元件內不僅可以集成兩個 元件的功能，還可以集成三個（或更多個）元件的功能。
[0043] 在本發明的集成微流體元件的另一優選實施方案中，其包含毛細管或毛細通道和 兩個壓力傳感器的功能。
[0044] 下面基于附圖中所示的具體實施方案更詳細例示本發明。其中所示的技術特征可 以獨立或結合使用以產生本發明的優選實施方案。所述實施方案不代表對規定了其一般性 的本發明的任何限制。
[0045] 圖1顯示過濾系統的示意圖；
[0046] 圖2顯示本發明的具有集成微流體元件的流過濾線路；
[0047] 圖3顯示根據本發明用于測定粘度的流體線路的另一示意圖；
[0048] 圖4顯示包含兩個壓力傳感器和用于檢測濃度和粘度的測量元件的功能的集成 微流體元件；
[0049] 圖5a、b顯示包含測量該線路中的壓力和過濾流體樣品的功能的另一微流體元件 的兩個實施方案。
[0050] 圖1顯示了具有線路1的現有技術狀況的微流體流過濾系統100。線路1包含容 納流體樣品的儲放元件（其是儲器2、容器或罐）、泵送元件（其是泵3)、三個壓力傳感器 4、5、39、比色皿6、切向流過濾元件7、壓力調節器8和閥9 (其是用于從線路1中取出流體 的T型接頭）。通過單個元件，例如儲器2、壓力傳感器4、5或39或比色皿6執行線路1的 各功能。由于各元件以及連接這些元件的導管計入該線路的最低工作體積，因此最低工作 體積相對較大。在現有技術狀況中，流體線路1的最低工作體積為至少大約20毫升。最低 工作體積通常為大約100毫升。
[0051] 圖2顯示了具有線路1和多個導管24的本發明的微流體過濾系統100。圖2中所 示的流體線路1也包含儲器2、泵3,泵3由4孔閥（閥門裝置）10和兩個注射器11執行， 它們充當活塞泵。
[0052] 微切向流過濾元件7包含進料入口 12、滲余液出口 13、滲透液出口 14和半透膜 15。膜15能在流體樣品經進料入口 12進入切向流過濾元件7時將該流體樣品分離成滲余 流和滲透流。經滲透液出口 14從線路1中取出的滲透流收集在滲透液室16中。滲透液室 可位于天平17上，以稱量滲透流的量并控制經過膜15的流量和測量取出的流體量。滲余 流經過導管24、儲器2、閥門裝置10、集成微流體元件20流入TFF-元件7。這條線路被稱 作滲余液線路，微流體元件20位于其中。
[0053] 本發明的線路1還包含具有T-型接頭和出口孔18的閥9。出口孔18用于從線路 1中取出流體，特別實在濃縮過程結束時取出濃縮流體。將該流體導向收集儲器29。
[0054] 壓力調節器8是用于調節流體線路1中的壓力（和由此流體流）的調節器元件。 通過控制單元9控制壓力調節器8,向控制單元9輸入在線路1內測得的壓力值。通過集成 在集成微流體元件20內的壓力傳感器39和至少一個壓力傳感器檢測這些壓力值。
[0055] 集成微流體元件20界定出所謂的體積元件（volume element)，其是單獨和分立 的元件。微流體元件20具有在流體線路的流體流經微流體元件20的過程中用于容納所述 流體的體積。元件20的體積為整個流體線路1的工作體積的最多25%。據顯示，微流體 元件20是該流體線路的主要元件之一。因此，降低其體積對整個流體線路及其最低工作 體積具有直接和積極的影響。因此，微流體元件20的工作體積優選為最低工作體積的最多 20%，更優選最多15%。還表明，如果微流體元件20的體積為最低工作體積的最多10%， 所述積極影響提高。在本發明框架內的研究過程中，如果微流體元件20的體積為最多400 微升，優選最多50微升，已確定體積元件20的體積的積極影響。無論如何這能夠加工小流 體樣品并在濃縮模式的情況中實現高濃縮率。
[0056] 線路1包含集成微流體元件20代替在圖1中分別用標號4、5和6標示的壓力傳 感器和比色皿（其在此具有毛細管的功能，該毛細管的直徑不同于集成的壓力傳感器前和 后的導管的直徑）的單獨元件。在圖2中所示的實施方案中，集成微流體元件20是能夠測 量線路1中所含的流體樣品的粘度的粘度模塊21。與兩個壓力傳感器和比色皿的單獨元件 的總尺寸相比，粘度模塊21的尺寸顯著降低。縮短元件之間的導管24的事實起到重要作 用，以致可總體降低線路1的最低工作體積。
[0057] 圖3顯示簡化線路1的示意性主視圖，線路1包含儲器2、泵3、軟管夾22形式的壓 力調節器8和粘度模塊21 (其是集成微流體元件20或微流體模塊）。微流體元件20包含 兩個壓力傳感器和比色皿的功能。粘度模塊21進一步能夠使用提供比色皿功能的集成透 明毛細管28通過光學測量法測定流體樣品中所含化合物的濃度和聚集，并能夠通過使用 兩個壓力傳感元件（例如壓力傳感模塊26, 27形式）測量壓力梯度或壓力差來測定粘度。
[0058] 圖3中所示的粘度模塊21具有與導管24 (其在此實例中是管材25)連接的兩個 管接頭23。在兩個壓力傳感模塊26, 27之間，安置直接連向壓力傳感模塊26, 27的毛細管 28 〇
[0059] 粘度模塊21的體積或最低工作體積由壓力傳感模塊26, 27的（或之內的）有效 體積和毛細管28的有效體積形成。為改變粘度模塊21 (其是集成微流體元件20)的體積， 可以改變毛細管28的體積或與壓力傳感模塊26的流體連接體積。
[0060] 為了降低粘度模塊21的最低工作體積以及線路1的最低工作體積和能夠測定粘 度，毛細管28的內徑優選為100微米至500微米。特別優選的是100微米至250微米的毛 細管28內徑。如果毛細管具有圓形橫截面，內徑被理解為是毛細管28的直徑。如果毛細 管不是圓形的，內徑被理解為是與光學測量方向（箭頭34)平行的維度。因此，光源31發 出的輻射或光束沿內徑穿過毛細管28并被光學檢測器32接收。垂直于光學測量距離34 的毛細管寬度與光學測量沒有相關性（只要其不會太小以致光束無法穿過比色皿）。
[0061] 根據本發明，毛細管28優選如下設置：調節毛細管28的流體阻力和流體長度，以 沿毛細管28建立相當高的壓力梯度。如果沿毛細管的壓力梯度至少為大約0, 05巴/mPa sec (毫帕秒），則壓力梯度或壓力差被理解為相當高。
[0062] 圖4顯示本發明的集成微流體元件20的詳細視圖。微流體元件20是包含兩個壓 力傳感模塊26, 27的功能和比色皿6 (其被集成為毛細管28)的功能的粘度模塊21。
[0063] 圖4中的上圖顯示粘度模塊21的頂視圖。可以清楚看出，透明毛細管28的寬度w 寬于連接導管24的寬度。這一布置基于測量兩個壓力傳感模塊26, 27之間的壓力差計算 粘度。
[0064] 圖4的下圖顯示粘度模塊21的側視圖。可以清楚看出，比色皿元件6 (毛細管28) 的高度h小于連接導管24 (其優選是管道）和接頭23的高度。光學測量單元30包含布置 在毛細管28上方的發光源31。發光源31可以是發出電磁輻射（其可以是例如可見光或不 可見光如紫外線）的每種發光源。各自的光學檢測器32布置在毛細管28下方，優選在粘 度模塊21下方，以使由光源31沿光學測量方向34發出的輻射穿過粘度模塊21的透明毛 細管28并到達檢測器32。這能在線實時監測單向流經線路1和粘度模塊21的溶液中所含 的組分或聚集體的濃度。
[0065] 圖5a、b顯示集成微流體元件40的另外兩個實施方案，其提供和含有分別顯示在 圖1或圖2中的切向流過濾元件7和兩個壓力傳感器5和39的功能。
[0066] 圖5a的上圖顯示集成微流體元件40的第一實施方案的示意性橫截面側視圖，其 包括根據圖2的流過濾元件7和兩個壓力傳感器5, 39的功能。集成微流體元件40包含外 殼50,在其中形成毛細通道44。該毛細通道還包含進料入口 12、滲余液出口 13和滲透液出 口 14。微流體元件40的外殼50形成切向流過濾元件7的TFF外殼51。在一個優選實施 方案中，TFF外殼51可以是微流體元件40的外殼50的一部分。集成微流體元件40包含各 自位于過濾元件41的末端的兩個壓力傳感模塊26,27。過濾元件41包含進料入口 12,接 著是過濾室42,其含有位于載體結構43上的膜15。用密封材料45密封膜15,以使流經滲 透液出口 14的流體不得不經過膜15。優選地，切向流過濾元件7的膜15是可丟棄的。因 此，在堵塞的情況下或在預定工藝時間后，膜效率可能降低。然后，只需更換該膜。TFF-元 件7和微流體元件40保持不變。尤其不必更換或更新與連接導管的連接件。另外，僅更換 膜15不會影響壓力傳感模塊26, 27。還僅更新將膜5密封到外殼50上的密封材料45。 [0067] 過濾室42的滲透液出口 14位于室42的末端，其基本垂直于流向。在室42的末 端，還布置滲余液出口 13以使經過過濾元件41的一部分流體流在此末端離開該室。在流 向中在過濾室42之前和之后，在微流體元件40中設置通道44。在這種通道44中，分別布 置兩個壓力傳感模塊26和27。因此，可以利用兩個壓力傳感模塊26, 27之間的壓力差計算 微流體元件40中的跨膜壓力。過濾室42可進一步輔以湍流促進器。
[0068] 圖5a中的下圖顯示沿上圖的線段A-A的橫截面頂視圖。可清楚看出，在微流體元 件兩端的毛細通道44相對較小。在壓力傳感模塊26,27的區域中，該毛細管增寬。相對于 毛細通道44和傳感模塊26, 27,過濾室42進一步增寬。在傳感模塊26, 27與過濾室42之 間，該毛細通道具有其（正常）寬度。
[0069] 圖5b顯示包含過濾元件41和兩個壓力傳感模塊26, 27的集成微流體元件40的 另一實施方案。上圖顯示了集成微流體元件40的橫截面側視圖；下圖顯示沿線段A-A的 橫截面頂視圖。圖5a和5b中的兩個實施方案之間的區別在于，在圖5b中所不的實施方案 中，進料入口 12和滲余液出口 13位于微流體元件40的上側。因此，該流在經過微流體元 件40的過程中轉向兩次。壓力傳感模塊26和27分別位于進料入口 12和滲余液出口 13， 以致在該流體經過過濾室42之前和之后測量該流體的壓力。
[0070] 圖5b的過濾元件41本身的構造在膜15和滲透液出口 14的布置方面類似于根據 圖5a的過濾元件41的構造。該橫截面頂視圖清楚顯示，毛細通道44在壓力傳感模塊26， 27的區域中也增寬。
[0071] 圖5a和5b中所示的微流體元件40的兩個實施方案的優點在于，該元件的構造便 宜并容易實施。由于只需將小零件裝配在一起，這些零件可以以高精確度制造以實現過濾 室42的非常小的體積。此外，由于在過濾元件41與壓力傳感模塊26, 27之間不需要接頭 和導管，可以進一步降低最低工作體積。
[0072] 因此，使用含有流體線路中包含的元件的至少兩個功能的集成微流體元件或模塊 40的這些備選實施方案（尤其是用于濃縮或提純這一線路內的流體樣品內所含的組分）能 夠降低線路1的最低工作體積。至少兩個線路元件的功能的合并產生具有為濃縮優選小于 20毫升的少量流體優化的小和降低的最低工作體積的小型組件或模塊。
【權利要求】
1. 具有流體線路（1)的微流體流過濾系統， 流體線路（1)包含下述元件： -切向流過濾元件（7)，其具有進料入口（12)、滲余液出口（13)、滲透液出口（14)和膜 (15)，膜（15)能在流體樣品經進料入口（12)進入切向流過濾元件（7)時將所述流體樣品 分離成滲余流和滲透流， -泵送元件，用于引起并驅動流體樣品的流過流體線路（1)和切向流過濾元件（7)的流 體流， -至少兩個用于獲得關于流體線路（1)內的流體樣品的性質的信息的元件；和 -將這些元件與流體線路（1)相連的多個導管（24)，經其傳導流體樣品的流體流； 其中 -流體線路（1)的最低工作體積是指留在所述元件和導管（24)中的、使得流體能夠在 流體線路（1)中再循環而不會將空氣泵過流體線路（1)的最低流體體積， -流體線路（1)的最低工作體積為最多5毫升， -線路（1)的元件組的至少兩個元件的功能被集成在一個集成微流體元件（20)中， -所述一個集成微流體元件（20)界定出具有下述體積的體積元件：該體積最多為流體 線路（1)的最低工作體積的1/4。
2. 根據權利要求1的微流體流過濾系統,其特征在于集成微流體元件（20)集成了至少 兩個用于獲得關于流體樣品的性質的信息的元件的功能， 其中 -優選地，用于獲得關于所述性質的信息的一個元件是用于測定流體樣品中所含組分 的濃度的光學測量元件，且用于獲得關于所述性質的信息的一個元件是用于測定流體樣品 的粘度的測量元件，且 -更優選地，用于測定濃度的光學測量元件是比色皿（6)和/或用于測定粘度的測量元 件是至少一個用于測定壓力的元件，所述用于測定壓力的元件優選與毛細通道元件結合。
3. 根據權利要求1的微流體流過濾系統，其特征在于集成微流體元件（20)提供了 -比色皿（6)或毛細通道元件的用于測定濃度的功能，優選為透明毛細管（28)的形式， 和 -至少一個壓力傳感器（26, 27)、優選至少兩個壓力傳感器（26, 27)的用于測定粘度的 功能。
4. 根據權利要求1的微流體流過濾系統，其特征在于集成微流體元件（20)提供至少一 個用于測定壓力的元件、優選壓力傳感器和切向流過濾元件（7)的功能。
5. 根據前述權利要求任一項的微流體流過濾系統，其特征在于集成微流體元件（20) 具有外殼，且切向流過濾元件（7)具有TFF外殼，該TFF外殼是微流體元件（20)的外殼的 一部分，其中優選地切向流過濾元件（7)的膜是可丟棄的。
6. 根據前述權利要求任一項的微流體流過濾系統，其特征在于線路（1)進一步包含適 用于容納流體的儲放元件（2)，儲放元件（2)集成在流體線路（1)中，至少具有儲器入口和 儲器出口，二者都與線路（1)相連，儲放元件（2)是容納流體樣品的儲器或罐，其中儲放元 件（2)也是線路（1)的元件組的成員。
7. 根據前述權利要求的微流體流過濾系統，其特征在于儲器（2)的體積為最多10毫 升，優選最多1毫升，特別優選最多0. 7毫升，也特別優選最多0. 5毫升。
8. 根據前述權利要求任一項的微流體流過濾系統，其特征在于線路（1)進一步包含 -至少閥元件（9);和/或 -中空纖維元件；和/或 -用于調節流過流體線路的流體流的調節器元件（8)，其優選是泵，和/或 -用于調節流體線路中的流體的壓力的壓力調節元件，其優選是閥，和/或 -用于測定壓力數據的元件，其是一個或多個壓力傳感器（4, 5, 39);和/或 -光學檢測元件（6)， 其中這些元件也是線路（1)的元件組的成員。
9. 根據前述權利要求任一項的微流體流過濾系統，其特征在于流體線路（1)的最低工 作體積為最多1毫升，優選最多500微升，更優選最多200微升，特別優選最多100微升。
10. 根據前述權利要求任一項的微流體流過濾系統，其特征在于導管（24)具有最多 1. 5毫米、優選最多1毫米、特別優選最多0. 7毫米、也特別優選最多0. 1毫米的內徑，其中 優選地導管（24)是所述線路的元件中的通道或通路，或管子或管道。
11. 集成微流體元件（20)，其用于微流體流過濾系統、優選用于根據前述權利要求任 一項的系統（100)，該微流體流過濾系統具有最低工作體積為最多5毫升的流體線路（1)， 其特征在于集成微流體元件（20) 界定出具有下述體積的體積元件：所述體積最多為所述微流過濾系統的流體線路的最 低工作體積的1/4,并 提供流體線路（1)的元件組的至少兩個元件的功能， 其中 所述元件組包含切向流過濾元件（7)、適用于引起和驅動流體流的泵送元件、和至少兩 個用于獲得關于所述線路內的流體樣品的性質的信息的元件。
12. 根據前一權利要求的集成微流體元件，其特征在于所述用于獲得關于所述線路內 的流體樣品的性質的信息的元件是 -用于獲得關于流體樣品中所含組分的濃度的信息的光學測量元件和/或 -用于測定流體樣品的物理性質、優選用于測定流體樣品的粘度的元件。
13. 根據權利要求11或12的集成微流體元件，其特征在于所述光學測量元件是透明比 色皿（6)，且用于獲得關于流體樣品的性質的信息的兩個元件優選是壓力傳感器（4,5,26， 27)。
14. 根據權利要求11至13的集成微流體元件，其特征在于其包含切向流過濾元件（7) 的功能，和用于獲得關于流體樣品的性質的信息的兩個元件、優選為壓力傳感器（4,5,26， 27)的功能，優選但不一定還包含壓力調節器元件（8)的功能。
15. 根據權利要求11至14的集成微流體元件，其特征在于其包含毛細管（28)或毛細 通道的功能，和用于獲得關于流體樣品的性質的信息的兩個元件、優選為壓力傳感器（4,5， 26, 27)的功能。
【文檔編號】B01D63/08GK104220861SQ201380018097
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月25日 優先權日:2012年3月29日
【發明者】N·歐蘭思, N·洛斯萊本, S·盧茨, A·格羅斯曼 申請人:弗·哈夫曼-拉羅切有限公司