用于小樣本容量的高速小型離心機的制作方法
【專利說明】用于小樣本容量的高速小型離心機
[0001]背景資料
[0002]傳統的離心機在處理小容量液體標本離心時過大而且低效。它們也不包含處理小樣本容量所需要的特定配置。
[0003]引置條款
[0004]本指定說明中提及的所有出版物、專利和專利應用都是以同等程度的引用方式并入本文中，與每一個單獨出版物、專利或專利應用被特定地和單獨地指示作為引用方式并入本文一樣。
[0005]摘要
[0006]應該理解本發明中的實例可能適宜具備這里所描述一項或多項配置。
[0007]在一個非限制性示范中，一個自動系統被提供用于分離一種生物液體中的一個或多個成分。該系統可能含有:(a) —個離心機，含有設計用于承接一個容器的一個或多個離心桶，以對一種液體樣本中的一種或多種成分產生所述述的分離效果；(b)該容器，其中包括一個或多個塑型結構，與該離心桶的一個塑型結構形狀互補。
[0008]應該理解的是此處的實例可能適宜具備下列一項或多項配置。在一個非限制性示范中，該系統可能含有一個或多個浮桶，在離心機靜止時處于或接近于垂直位；而在離心機旋轉時則處于或接近于水平位。可選擇地，該系統可能含有多個浮桶呈放射狀對稱地置于離心機上。可選擇地，該液體樣本是一種生物學液體。可選擇地，該生物學液體是血液。可選擇地，該容器被設計為可盛裝10uL或以下的樣本液。可選擇地，該容器被設計為可盛裝50uL或以下的樣本液。可選擇地，該容器被設計為可盛裝25uL或以下的樣本液。可選擇地，該容器一端是封閉的，而另一端是開放的。可選擇地，該容器是一種離心容器。可選擇地，該離心容器有一個帶有一個或多個內側結節的圓形末端。可選擇地，該系統包括一個帶有一種或多種塑型結構的提取吸頭與該離心容器的一個塑型結構互補，并且設計與該離心容器融為一體。可選擇地，該離心桶的塑型結構包括一個或多個層架，該容器的一個突出部分被設計置于該層架上。可選擇地，該離心桶被設計為可能盛接多個含有不同設計的容器，其中該離心桶的塑型結構包含多個層架，含有第一種設計的第一個容器被設計置于第一個層架上，含有第二種設計的第二個容器被設計置于第二個層架上。
[0009]還是此處所描述的另一個實例中，所提供的一個小型高速離心機含有一個離心主體；一個用于旋轉該離心主體的馬達；以及一個整合進該馬達中探測儀，并設計用來確定該馬達一個轉動部分的至少一個旋轉位置，其中該探測儀使用至少兩種不同類型的編碼器信息來確定該旋轉位置。
[0010]應該理解的是，此處的實例可能適宜具有以下一項或多項配置。在一個非限制性示范中，該探測儀至少使用光學編碼器和霍爾效應技術來確定旋轉位置。可選擇地，該探測儀至少使用光學編碼器和霍爾效應技術來至少確定旋轉位置和旋轉速率。可選擇地，該探測儀含有一個第一表面直接發現一種類型的編碼器信息，以及一個第二表面直接發現另一種類型的編碼器信息。可選擇地，第一個表面和第二個表面位于不同的方位。可選擇地，第一個表面和第二個表面位于同一個的方位。可選擇地，該馬達包括多個探測儀用于確定旋轉位置。可選擇地，該馬達包括一個第一編碼器盤提供第一種類型的編碼器信息和一個第二編碼器盤提供第二種類型的編碼器信息。可選擇地，該馬達包括一個提供光學編碼器信息的第一編碼器盤和一個提供磁性編碼器信息的第二編碼器盤。可選擇地，該馬達包括一個編碼器盤同時提供第一種類型的編碼器信息和第二種類型的編碼器信息。可選擇地，該馬達包括一個編碼器盤同時提供光學編碼器信息和磁性編碼器信息。應該理解的是，雖然帶有整合編碼器成分的馬達在一個離心機的背景下被描述，但該馬達可能也適用于其他情形，其需要具有與馬達整合在一起的位置和/或速率探測儀結構。
[0011]還是在此處的另一個實例中，所提供的一種方法含有:提供一個馬達；將一個第一種類型的編碼器整合進該馬達中；將一個第二種類型的編碼器整合進該馬達中；使用第一類型編碼器確定該馬達轉動部分的旋轉位置，并使用第二類型編碼器確定該馬達轉動部分的旋轉速率。
[0012]應該理解的是，此處的實例可能適宜具有以下一項或多項配置。在一個非限制性示范中，第一種類型的編碼器提供光學編碼器信息。可選擇地，第一種類型的編碼器提供磁性編碼器信息。可選擇地，第一種類型的編碼器提供霍爾效應編碼器信息。可選擇地，第一種類型編碼器和第二種類型編碼器提供不同類型的編碼器信息。
[0013]在此處描述的另一個實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個由一種隔熱材料組成的第一部分；一個由一種導熱材料組成的第二部分；其中對容器進行安排使其位于帶有該隔熱材料的區域內；其中該導熱材料被設計將熱量從該容器處導開。
[0014]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；一個主動冷卻單元用來減少傳遞到樣本的熱量；其中對容器進行安排使其位于較少熱暴露的區域內；該主動冷卻單元用于冷卻該驅動機制；其中該驅動機制中定子位于同軸馬達轉子內。
[0015]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；以及一個位置探測儀用于確定該離心主體的轉動位置。
[0016]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；以及耦合到該離心主體上的自動平衡砝碼，其中這種砝碼被設計在該離心機樣本架負載重量不均衡時，可能在離心力的作用下移動到某個位置以減小該離心主體不平穩轉動。
[0017]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；以及至少一個空氣軸承被設計用于可操作性地支持該離心機。
[0018]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心機殼；一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；以及至少一個空氣軸承被設計用于可操作性地支持該離心機，其中該空氣軸承的至少一個部分是該離心機機殼的一部分。
[0019]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心機殼；一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；一個動力探測儀設計用來發現一個超過預定外力條件范圍的動力變化。
[0020]應該理解的是，此處的實例適宜具有以下一項或多項配置。在一個非限制性示范中，該離心容器架在離心力的作用下向內指向該離心轉子的一個中心軸。可選擇地，該離心容器架與轉子體形成一個平齊的表面以減少空氣動力性阻力。可選擇地，該離心容器架被設計在離心力的作用下向下回縮。可選擇地，離心主體冷卻元件的電連接不會被切斷，雖然這些元件在離心操作中處于運動狀態。
[0021]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體，其中該離心主體向下延伸覆蓋該驅動機制的至少一個部分；其中該驅動機制含有一個定子和一個轉子，而該轉子與該定子是同心的。
[0022]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體，其中該離心主體向下延伸覆蓋該驅動機制的至少一個部分；其中該驅動機制含有一個定子和一個轉子；而該定子與該轉子是同心的。
[0023]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；一個或多個浮桶架位于該離心主體上用于盛裝一個離心容器；其中該浮桶架或該樣本容器的一個最大尺寸不超過1mm0
[0024]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；一個或多個浮桶架位于該離心主體上用于盛裝一個離心容器；其中在離心機運行過程中，該浮桶架從一個第一個方位移動到一個較第一個方位更加水平的第二個方位上。
[0025]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體；一個驅動機制用于轉動該離心主體；一個或多個浮桶架位于該離心主體上用于盛裝一個離心容器；其中該樣本容器的寬度大于該樣本容器的一個長度。
[0026]在另一個所述實例中，一個與樣本容器一起使用的小型高速離心機被提供。該離心機可能含有一個離心主體和一個用于轉動該離心主體驅動機制。
[0027]這個摘要被提供以一種簡化的形式引進了一中概念選擇，并在以下詳細描述章節做進一步介紹。本摘要不是意欲確定所權利要求的標的的關鍵結構或必要結構，也不是用來對所權利要求的標的進行限制。
[0028]圖形的簡要描述
[0029]圖1-3顯示了所描述的一個離心機實例的不同視圖。
[0030]圖4-5顯示了所描述的一個離心機實例的不同視圖。
[0031]圖6-8顯示了所描述的容器架實例的不同視圖。
[0032]圖9-12顯示了所描述的一個離心機的各種實例。
[0033]圖13-16顯示了所描述的附帶溫控配置的離心機實例的不同視圖。
[0034]圖17A-17G顯示了所描述的用于控制位置和/或速率的不同設備和方法實例。
[0035]圖18A-18C顯示了所描述的自我平衡配置的不同實例。
[0036]圖19-12顯示了所描述的設備和方法的不實例。
[0037]圖22顯示了一個擁有樣本處理、預處理以及分析成分的整合系統的一個實例示意圖。
[0038]指定實例的描述
[0039]應該理解的是無論前面的一般描述還是后面的具體描述都僅僅是示范和解釋，對所權利要求的標的沒有限制性。應該注意的是，除非文中明確指明，用在規范和附加權利要求中的單數形式“一個(a)”、“一個(an)”和“這個(the) ”包括復數概念。因此，例如，“一種材料”的概念可能包括幾種材料的混合；“一種成分”的概念可能包括多種成分，以此類推。除非在規范中已事先明確說明，此處引用的參考文獻被完全引入本文。
[0040]在接下來的規范和權利要求中將會涉及到一些術語，這些術語被定義為以下含義:
[0041]“可選擇的”或“可選擇地”意味著其后描述的情形可能發生也可能不發生，所以該描述包括情形發生的情況和情形不發生的情況。例如，一種設備“可選擇地”含有一種結構作為一個樣本收集孔，這意味著該樣本收集孔可能存在或可能不存在，因此該描述既包括具有該樣本收集孔的一種設備，也包括不具有該樣本收集孔的一種設備。
[0042]離心機
[0043]圖1、圖2、圖3顯示了可能整合進系統中的一個離心機尺寸透視圖(圖1-側視圖、圖2-正面視圖、圖3-后視圖)。該離心機可能含有一個電動馬達能夠驅動該轉子以15000rpm轉速轉動。離心機轉子的一種類型形狀類似于垂直平面內懸掛于馬達軸梭上的風扇扇葉。固定在轉子上的是一種元件，它可能盛接樣本容納元件(吸頭)并提供一個壁架或層架，遠離該馬達軸的吸頭末端可能放置在上面，并在離心過程中提供支持使樣本不會漏出。該吸頭可能通過該轉子內一種機械性停止方法在其近端被進一步支持。這種方法能夠被提供，以便離心過程中產生的離心力不會造成該吸頭穿透該柔軟的尼龍蓋帽。該吸頭可能通過標準的取放機制被插入或移除，但是首選是一個移液管。該轉子是一個單片塑膠(或其他材料)，被塑型以減少該離心機運行時的震動和噪音。該轉子(選擇性地)被塑型，這樣當其與該垂直平面呈特殊角度時，該設備內的其他可移動部分能夠移過該離心機。該樣本保留元件通過該轉子對側的籌碼質量被離心平衡，使該旋轉慣性中心與該馬達呈軸向相關。該離心機馬達可能向一臺計算機提供位置數據，然后該計算機可能控制該轉子的靜止位置(通常在離心前后呈垂直狀態)。
[0044]根據發表的標準(DIN 58933-1 ;美國CLSI標準H07-A3 通過微量血細胞比容法確定壓積細胞容量的操作程序”(“Procedure for Determining Packed Cell Volume bythe Microhematocrit Method”)；批準的標準-第3版)，為減少離心時間(且離心過程中不產生過多的機械應力)，該轉子適當的尺寸范圍大約為5-10cm，以10000-20000rpm旋轉，給定的一個壓積紅細胞時間大約是5分鐘。
[0045]在一些實例中，一個離心機可能是一個帶有一個浮桶設計的水平向離心機。一些更好的實例中，該離心機轉動軸是垂直的。而其他一些實例中，該離心機轉動軸可能是水平的或成任意角度。該離心機可能能夠同時旋轉2個或更多的容器，而且可能被設計完全整合進一個使用計算機控制的移液管的自動系統內。一些實例中，該容器可能是底部封閉式的。該浮桶設計可能允許該離心容器在離心停止時被動地定向為一個垂直位置，并在旋轉時以一個固定角度旋出。一些實例中，該浮桶可能允許該離心容器以一個水平方向旋出。除此以外，它們可能以一個垂直到水平向之間的任意角度旋出(例如，從垂直向起大約15、30、45、60、或75度角)。具備浮桶設計的該離心機可能需要一個使用大量定位系統的自動系統以滿足定位準確性和可重復性的要求。
[0046]一個計算機控制系統可能使用來自一個光學編碼器的位置信息以便在被控低速下旋轉該轉子。因為一個適合的馬達可能被設計用于高速旋轉模式，所以只使用位置反饋不能保持準確的靜止位置。一些實例中，將一個凸輪與一個電磁驅動杠桿相結合可能被用來在一個固定數目的位置上獲得非常準確和穩定的中止。使用一個不同的控制系統和來自置入該馬達內霍爾效應傳感器的反饋信息，該轉子的速率可能在高速狀態下被很好地控制。
[0047]由于該檢測裝置系統內的大量敏感裝置必須同時作用，所以該離心機的設計首先要能很好地減少或降低振動。該轉子可能被空氣動力性地設計為有一個光滑的外表面-當這些離心桶處于水平位置時被完全封閉。而且在外殼設計中可能使用多位點的減震設計。應該理解的是，圖1-3中的任何一個實例都可能含有本發明描述的其他任何結構。
[0048]轉子
[0049]一個離心轉子可能是可能盛裝和旋轉該離心容器的系統的一個部分。該轉軸可能是垂直方向，這樣該轉子本身可能處于水平位置。而另一些實例中，不同的轉軸和轉子位置可能被使用。兩個已知離心桶對稱地置于盛裝該離心容器轉子的兩側。或者可能設計為離心桶呈放射狀對稱分布，例如3個離心桶各放置在120度的位置上。任何數量的離心桶都可能被提供，包括但不限于I個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個或更多。這些離心桶相互之間的間隔可能是相等。例如，提供η個離心桶，這里的η是離心桶的數量，那么每個離心桶之間的空間距離是360/η度。在其他實例中，這些離心桶之間不需要等距或放射狀對稱。
[0050]當該轉子靜止時，這些離心桶受重力的影響可能被動地下垂，就像垂直放置容器一樣，使該移液管容易進入。圖4顯示的是帶有垂直離心桶的靜止狀態下的一個轉子示范。一些實例中，該離心桶可能被動下垂至一個預定的角度，可能是垂直方向也可能不是垂直方向。當該轉子旋轉時，該離心桶在離心力的作用下被迫呈一個近似水平的位置或一個預定的角度。圖5顯示的是一個轉子的示范，在一個轉速下其離心桶位于與水平向有一個小角度的位置上。在強制執行準確性及位置可重復性時，垂直位置和水平位置都可能是物理性的不易中止的位置。
[0051]為減少空氣渦流造成的振動，該轉子可能是一個碟狀空氣動力性設計，而且盡可能少地附帶物理性結構。為達到此目的，該離心桶的外形幾何結構可能要與該轉子的幾何形狀絕對匹配，這樣當該轉子旋轉且該離心桶被強制處于水平位置時，該離心桶與轉子可能完全在一條線上。
[0052]為進行血漿提取，該轉子可能要朝向地面與水平向成一定角度。因為該離心桶的角度可能與該轉子角度相匹配，這可能強制該離心桶以一個固定的角度旋轉。從這這樣一種離心中所得到的沉淀團塊在容器垂直放置時可能與之成一定角度。一個很窄的提取吸頭可能被用來從該離心容器的上部吸取血漿。通過將提取吸頭置于該成角沉淀團塊斜面的底部，我們可能更有效地吸取到最后的血漿容量，而且不會攪擾到敏感的白細胞層。
[0053]多種試管設計樣式可能被容納在該設備的離心桶內。一些實例中，該不同的試管設計樣式可能是末端封閉的。一些被設計為類似傳統的錐形底離心試管。其他的試管設計樣式可能是圓柱形的。含有一個低高度與橫截面積比值的試管可能更適合于處理細胞。帶有一個高比值(>10:1)的試管可能適合于準確測量血球壓積和其他的成像需求。除此以夕卜，任何高度與橫截面積的比值均可使用。該離心桶可能由幾種塑料(聚苯乙烯、聚丙烯)中的任何一種，或者其他地方討論過的其他任何材材料制成。離心桶的容量范圍從幾微升到大約I毫升。通過一種“提放”機制，該試管被插入該離心機或從該離心機中移除。
[0054]掉制系統
[0055]鑒于該離心設備的旋轉和定位需要，一種雙控系統可能被使用。為了將該轉子指示到指定的旋轉方位，一個位置依賴的控制系統可能被安裝。一些實例中，該控制系統可能使用一種PID (比例一積分一微分)控制系統。其他技術中已知的反饋控制系統也可能被使用。用于該位置控制器的位置反饋可能由一個高分辨率的光學編碼器提供。為了從低速到高速運行離心機，一個速度控制器可能被安裝，并用PID控制系統對速控進行調節。用于該速度控制器的轉速反饋可能由安放在該馬達轉動軸上的一套簡單的霍爾效應傳感器提供。馬達轉動軸每轉動一周，每一個傳感器可能生成一個方波。
[0056]中Ih機制
[0057]為了將該轉子持續且牢固地固定在一個特殊位置，一種物理中止機制可能在一些實例中被使用。一個實例中，這種中止機制可能使用一個凸輪，耦合進該轉子內，并帶有一個電磁驅動杠桿。該凸輪可能被塑型為一個“C”形圓盤狀，邊緣有機器切割的凹槽。為了定位該離心機轉子，可能首先將其轉速降至30RPM以下。其他實例中，該轉速可能被降至其他任意數值，包括但不限于 5rpm、lOrpm、15rpm、20rpm、25rpm、35rpm、40rpm 或 50rpm。一旦速度足夠低，該杠桿即可被驅動。該杠桿末端是一個凸輪隨動機件，它可能以很小的摩擦力沿該凸輪外緣滑動。一旦該凸輪隨動機件到達該凸輪一個特殊凹槽的中心，該電磁杠桿驅動力則可能克服該馬達動力，并終止該轉子轉動。在那個位點上，該馬達可能被電動制動，并且與該終止機制聯合使用時，一個轉動位置可能被非常準確且牢固地無限期地保持。
[0058]離心桶
[0059]該離心浮桶可能被設計為與不同類型的離心管相適應。在首選實例中，這些不同的試管類型可能在其上端(開口處)帶有一個環形邊緣或法蘭緣。這種環形邊緣或法蘭緣可能置于該離心桶上端并在離心時對該試管起到支持作用。如圖6、7和8所示，可適應不同長度和容量的錐形和圓柱形試管。圖6、7和8提供了可能被使用的離心桶以及其他離心桶設計樣式的示范。例如，圖6顯示了一種離心桶樣式的示范。該離心桶可能含有旁側部分與該離心機緊密銜接，并允許該離心桶自由擺動。該離心桶可能是底部封閉，上方開放。圖7顯示的是一個與離心桶緊密銜接的離心容器示范。如前面提到的，該離心桶可能被塑型以接受不同的離心容器設計。該離心容器可能帶有一個或多個可能擱置在離心桶上的突出部分。該離心容器可被塑型附帶一個或多個可能與該離心桶緊密接合的結構。該結構可能是該容器的一個塑型結構或者是一個或多個突出部分。圖8顯示的是可能與離心桶緊密銜接的另一個離心容器示范。如前所述，該離心桶可能帶有一個或多個塑型結構允許不同設計的離心容器與之接合。應該理解的是，圖4-8中任何一個離心機實例都可能含有本發明描述的其他任何結構。
[0060]離心管和樣本提取摶術
[0061]該離心管和提取吸頭可能被分別提供，并且可能被接合在一起用于離心后的材料提取。該離心管和提取吸頭可能被設計為在一個自動系統中處理復雜程序。任何尺寸都僅僅按照示范方式提供，但是相同或不同比例的其他尺寸可能被使用。
[0062]系統可能進行以下一項或多項操作:
[0063]1.快速處理小容量血液標本(通常為5_50uL)