用于分馏离心样本的装置及方法 相关申请交叉引用
本发明要求2001年10月4日提交的美国临时专利申请第60/327,336号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
【技术领域】
本发明涉及流体样本的分馏领域。具体地说，本发明涉及从分离生物样本中采集可选择成分，例如，离心分离。
背景技术
在本申请的该部分或任一部分中的任何参考文献的引用或引证不能够被解释为这些参考文献就是本发明的在先技术。
在许多情况下，受验者的健康状况的指标可以通过分析受验者的血液成分确定。这种诊断测试可以用未经分离的血液样本进行，也可以在血液样本的经分离成分上进行。
血液的四个主要成分为血清、血小板、白细胞(WBC)、以及红细胞(RBC)。各血液成分具有不同于其它血液成分的密度并且在重力的作用下会自然分离。在离心机中通过旋转血液样本，可以将沉淀时间缩短(将血液样本分离成四种主要成分所需的时间)，其中由离心机产生的较大离心力使血液样本中的成分比在重力作用下分层更快。
经旋转的血液样本将呈现出与四种血液主要成分相对应的四条带。密度最小的成分(血清)分离到经旋转血液样本的顶层，而密度最大的成分(RBC)将沉降到经旋转血液样本地底层。密度介于血清和WBC之间的血小板，在血清层和WBC层之间形成一层。类似地，密度介于血小板和RBC之间的WBC，在血小板层和RBC层之间形成一层。
从经旋转的血液样本中还可分离所需采集的较少的血液成分。例如，母体的血液样本可能含有很少量的胎儿有核红细胞(NRBC)。对从母体的血液样本中发现的NRBC进行的诊断测试考虑采用非侵害性(针对胎儿)诊断测试，以确定胎儿的健康状况，从而避免了与直接从胎儿采集样本相关的危险。
经分离的血液样本的分离或分馏可以通过多种方法实现，诸如通过吸量管滗析或抽吸。这些技术通常适合用于分离血清和RBC层，就体积而言，其占血液样本的大部分体积。但是，从经分离的血液样本中分离诸如胎儿NRBC这样的小容量成分时，滗析或抽吸不是有效的。特别是，抽吸易于直接从位于吸量管顶端部下面的下层抽取物质，从而稀释并将分离层与下层部分混合。此外，吸量管顶端部应当沿着该层横向移位，目的是采集相对于吸量管顶端部的直径远离顶端部的该层的部分。水平移动易于引起层间混合，使得分离成分的采集更难并且耗时。
1977年1月18日授权给Coombs的美国专利第4,003,834号披露了一种用于通过采用活塞移位顺次分离血液样本的被分离成分的方法和装置。1997年7月8日授权给Coombs的美国专利第5,645,715号披露了一种用于可移置活塞的改良的采集顶端部。在此这两项专利共同参考Coombs的专利。在Coombs的专利中，将活塞插入装有被分离血液样本的离心管中。当活塞移入离心管时由活塞移位的体积通过在活塞顶端部处轴向延伸的通道排除。使活塞顶端部的直径适合于离心管的内径大小并包括在活塞和离心管之间用以防止样本渗漏的密封。活塞顶端部呈现喇叭状并且具有面向样本的宽端部以及与轴向延伸的通道相连的窄端部。当顶端部移入离心管时，就向上推挤经分离的流体并进入轴向延伸的通道以用于采集。发现该顶端部的喇叭状提高了通过顶端部并进入通道的分离样本的层流，同时减少了分离过程中样本的分离层间的有害混合。喇叭状的顶端部与样本的直接接触面积比较大，而顶端部的内部通道促成样本被顶端部污染的危险。如果该顶端部重复使用的话，这种污染的危险更大。
因此，还需要一种能够从分离样本中分离出小容量成分的流体梯度分馏器，同时使分离层之间的有害混合最少且污染的危险最小。还需要一种能够使分馏自动化并且提供一种便携式流体梯度分馏器。
【发明内容】
一方面，本发明提供了一种用于从置于离心管中的分离样本中采集多种分离成分中的至少一种成分的流体梯度分馏器，该分馏器具有顶端部，其大小适合于与离心管的内表面和设置在顶端部面前部的采集口形成滑动密封，限定由顶端部面、采集口、和离心管的内表面、以及流体通道限制的增压空间，其中该流体通道与采集口流体连通并可使流体从离心管输送到收集容器。采集口横截面与离心管横截面的比率(“口-管横截面比率”)可以在1∶10至1∶1000的范围内选择。口-管横截面比率还可以在1∶25至1∶100之间的范围内选择。
另一方面，本发明提供了一种自动流体梯度分馏装置，用于从置于样本管的分离样本中采集多种分离成分中的至少一种成分。该装置包括活塞、采集口、至少一个与采集口流体连通的阀、以及操纵至少一个阀的控制器，该控制器至少部分地根据离心样本中的采集口的位置操纵。可以使活塞的大小适合于与样本管的内表面形成滑动密封。采集口可以设置在活塞表面的前面，以便保持活塞表面与离心样本隔开。
附图简要说明
参照本发明的优选实施例、本发明特定实施例的示例、以及附图的下述详细描述，将对本发明有更加全面的理解，附图中相同的部件标以相同的附图标记，其中：
图1为本发明的一实施例的侧视图。
图2a和2b为插在样本管中的图1所示实施例的立体图。
图3为本发明的另一实施例的示意图。
优选实施例的详细描述
图1是本发明的一实施例的侧视图。分馏器100包括端头110、轴112、以及流体通道135。在一实施例中，端头110可以从轴112上取下来，从而使具有单次使用、一次性端头的轴112可以重复利用。在优选实施例中，将端头110与轴112进行永久性连接并且单次使用后将该结合体除去。
可以使端头110尺寸适合诸如离心管这样的样本管的尺寸。对于生物领域的技术人员应该显而易见的是，离心管可以有各种形状和尺寸，并且提供的尺寸大小适合离心管选择的端头选择是在本发明的范围之内。这里使用的离心管可以是任何直壁圆柱体，一端部封闭，并且在力场的作用下液体样本成分的分离时可容纳流体样本。例如，封闭端可以是扁平的、圆形的、或锥形的。端头110优选由弹性材料制成，当将端头移入管中时该弹性材料可以保持端头与离心管之间的密封。采集口130设置在端头面115的前端(即前面)并形成流体通道135的入口，通过端头110引导进入采集口130的流体到达收集容器(未示出)。在优选实施例中，采集口130远离端头的中心进行偏心设置，从而使端头和轴之间的机械连接更简单。在另一实施例中，采集口130设置在端头面的中心。
在本发明的一实施例中，离心管的横截面与采集口的横截面的比率(口-管比率)可以在1∶10至1∶1000的范围内选择。该范围的上限，即相对于离心管的横截面采集口的横截面很小，要根据所需要的分离比率和层间有害混合进行选择。针对在采集容器中气体充气增压与大气压之间的给定压降而言，相对较小的采集口横截面减少了样本通过流体通道的流量。可以通过增加压降加大流量，但是，增加压降也可能增加了层间混合的量，特别是当采集口接近层与层之间介面时(采集口直径很小)。如果口-管比率很高，增压压力的控制变得很困难，因为端头小的轴向位移相对于通过采集口的体积来说代表相对大的体积变化，从而就产生了很大的压降和有害的层间混合。该比率范围的下限，相对于离心管的横截面较大的采集口横截面，要根据所需要的分馏精度进行选择。如果口-管比率非常接近1(即采集口的横截面等于离心管的横截面)，对操作人员来说，很难观察下层流体进入流体通道。增加口-管比率可以允许操作人员更加清楚地目测下层流体进入流体通道。在优选实施例中，口-管比率在1∶25至1∶100的范围内选择。
图2a和2b为说明图1所示的实施例用于分离容纳在离心管中经分离的流体样本时的立体图。将端头110插入容纳分离样本210的离心管200中。通过施加平行于轴112的纵轴的轴向力205，将端头110推进离心管200，操作人员用手施加轴向力205同时握住离心管200。将端头110推进离心管200直到采集口130与分离样本210的顶层212的顶面211接触。当端头110继续向顶层212中移动时，在端头面115和顶面211之间形成气体增压空间(gasplenum)215，而来自顶层212的流体被推入采集口130中，经过流体通道135并进入收集容器230。流体通道135中的流体产生小流体静压头，这样气体增压空间215中的压力保持在高于大气压。气体增压空间215起到从分离样本中分离至少部分端头面115的作用，这样就减少了样本被污染的危险，并保持顶面211的零剪切状态。
当将端头110推进离心管200中时，与通过前进的端头移动的体积相等的流体体积，流经流体通道135并进入收集容器230。与使用抽吸以抽取流体的情况不同的是，端头的位移减少了来自下层的垂直流量，从而使分离样本的分离效率更高。
当采集口130接触到样本的下一分离层时，通过将流体通道135改道进入另一收集容器，可以将每个分离层分离到各自的收集容器230中。在优选实施例中，采集口130已接触到下一分离层的流体通道的改道以及观察方向的改变，这些工作都由操作人员完成，这样使分馏过程成为简单的人工操作，可以“在野外”和远离实验装置完成。
手动推进端头、观察采集口相对于分离层的位置、以及改道流体通道的操作，可以在分离的过程中不用人的参与自动完成。图3是本发明的另一实施例的示意图。将端头110推进装有样本的离心管200中，该样本被分为血清层、WBC层、NRBC层、和RBC层。通过与轴112相连的驱动单元314将端头110推进离心管。驱动单元314通过驱动信号线315受控制器350的控制。机械专业的技术人员不需要过多的实验就可以决定驱动单元314的选择，而无需进一步讨论。
当驱动单元314将端头110推进离心管200中时，样本被推入采集口130，通过流体通道135并进入诸如开关330这样的流体阀。流体开关330通过开关信号线335根据来自于控制器350的命令，将流体通道135中的样本导入多个收集容器230中的一个。
采集口130相对于分离层的位置通过位置检测装置测定，例如安装在摄像机驱动单元340中的摄像机348，可以沿着摄像机基架345垂直移动。诸如视频信号这样的采集口位置信号通过视频信号线349传送到控制器。
在优选实施例中，控制器350包括在处理器上运行的程序。处理器可以是有关电的领域技术人员已知的微处理器，也可以是数字信号处理器。处理器还包括用于存储程序和数据的存储器。处理器还包括使控制器能够控制驱动单元314、摄像机驱动单元340、和流体开关330的输入/输出装置，以接收来自摄像机348的视频信号以及接收来自操作人员的程序指令，并为操作人员显示和/或打印信息。在优选实施例中，处理器是个人计算机。
控制器根据摄像机的视频信号决定采集口相对于层与层之间介面的位置。根据层与采集口之间的光密度差的视频信号用于采集口和介面的辨别/定位的算法，对于本领域技术人员来说是已知的。控制器输送指令到驱动单元，向介面的方向推动采集口，从而最上层的样本就流经流体通道进入收集容器。当控制器测定采集口已经和层与层之间的介面接触时，控制器就可以命令流体开关改变流体通道中的流体方向进入另一收集容器。在切换到下一个收集容器之前，流体开关的操作可以延迟，以允许流体通道中的最上层的样本采集到收集容器中。控制器重复推动采集口和切换收集容器的操作，直至每个层都被分离。
在另一实施例中，可以将控制器进行配置以便仅采集分离成分中的一种。例如，如果只对NRBC层感兴趣，可以将控制器配置以将血清和WBC层导入废物容器，切换到收集容器，采集NRBC层，可选地转回废物收集容器，并在废物收集容器中采集RBC层。
在另一实施例中，原料传送线可以用来自动传输装有样本的离心管到分馏器，从而针对多个分离样本允许自动化操作分馏器。
这里披露的优选实施例并不限定本发明的范围，这些实施例旨在举例说明本发明的几个方面。任何等同替代的实施例都在本发明的范围内。实际上，对于本领域技术人员来说，除了本文说明和描述之外，对本发明作出的各种修改都是显而易见的。这些修改也涵盖在本发明的范围之内。
这里引用了多个参考文献，实际上是将全部内容结合于此作为参考。此外，不考虑上述特征，不能认为这些参考文献就是本文所要求主题的本发明的在先技术。