专利名称：：用于原位测量的系统和方法
技术领域：
：本发明涉及用于实现原位(insitu)测量的装置、系统和方法，并且具体地涉及能够从流体块(bulkfluid)隔离样本以测量流体块的特性而不受到流体块扰动的不必要影响的装置、系统和方法。
背景技术：
：由于它们的非常多种的应用，原位测量和在实现原位测量中探针的使用成为目前非常关注的主题。无论它是用于监控细胞培养、水生系统、或生态系统，系统中的参数的精确测量都有利于检测自然的、空间的和/或时间的变化。这种类型的任务是理想地原位执行，因为从系统移取样本、存储和/或传输的传统方法升高了系统条件的污染和不准确测量的风险。在生物反应器过程中，例如，监控细胞的生理状态和系统参数的能力本质上是控制和保持所需条件下的系统。在细胞培养环境中，代谢状态的跟踪对于例如设计供给策略、按比例增加的进程和最佳收获时间的计算等非常重要。通常使用的细胞代谢活动的指示器是摄氧速率或OUR。一种测量OUR的传统方法，已知被称作动力学方法，需要停止所有气体供给然后监控随着时间的耗氧量。这使细胞感觉不适并且对对细胞造成重大的干扰，从而影响细胞增殖，导致可能地错误读数，并且不允许延长连续的、实时的监控的周期。另一传统的方法，在图1A中示出，包括从生物反应器抽取样本并6且将样本传输到配备有监控和控制系统的外部容器。在外部容器中诸如pH值、温度、通风等的条件必须可调节并且可控制，以反映生物反应器的这些条件，为了获得精确的和可靠的读数。但是，复制这些状态是有挑战的并且耗时的。根据上述内容，非常需要用于可减少系统干扰的影响的原位测量的装置和方法。
发明内容根据本发明的一个实施例，公开了用于原位测量的装置，该装置包括主体、分离器、固定器和一个或多个探针。所述主体被成形为用于插入流体块并且包括内部和用于在内部和流体块之间流体连通的一个或多个孔。所述分离器接收在主体内部并且在离所述一个或多个孔远的打丌位置和邻近所述一个或多个孔的关闭位置之间可移动。安装在所述分离器内的所述固定器包括腔壁。所述腔壁、分离器和主体内部一起限定样本腔。一个或多个探针被固定器接收，它们的端部延伸到样本腔内。在本发明的另一实施例中，用于原位测量的系统包括上述的装置、包含流体块的容器和安装在容器上的收縮组件。在本发明的另一实施例中，公开了执行原位测量的方法，包括首先当分离器处于打开位置时，将本发明的装置的主体与流体块接触，然后使用一个或多个探针测量流体块的一个或多个参数。在本发明的另一实施例中，执行原位测量的方法包括当分离器处于打开位置时，将本发明的装置的主体与流体块接触；通过移动分离器至关闭位置将样本腔内流体块的样本隔离；以及使用一个或多个探针测量样本的一个或多个参数。在本发明的另一实施例中，执行原位测量的方法包括当分离器处于打开位置时，将在此公开的系统中的装置的主体与流体块接触，以及使用一个或多个探针测量流体块的一个或多个参数。在本发明的另一实施例中，执行原位测量的方法包括当分离器处于打开位置时，将在此公开的系统中的装置的主体与流体块接触；通过将分离器移动至关闭位置隔离在样本腔内的流体块的样本；以及使用一个或多个探针测量流体块的一个或多个参数。本发明的方法和装置还具有其它的特征和优点，由结合在此的附图和下列本发明的详细说明，所述特征和优点将明显或者被更详细地阐述，所述附图和本发明的详细说明一起用于解释本发明的某些原理。图l提供了作为图1A在左边示出的传统的测量0UR的方法和作为图1B在右边示出的并列放置的本发明的原位方法的示例性实施例的概念图。图2A和2C分别以分解图和装配图示出了本发明的示例性实施例，而图2B和2D分别以分解图和装配图示出了带有市场上可买到的收縮外壳的本发明的示例性实施例。图3是本发明的示例性实施例的多个部件的放大图。图4是本发明的示例性实施例的前透视图。图5提供了本发明的示例性实施例的详细示意图。图5A是前截面图，而图5B和图5C分别是处于打开和关闭位置的本发明的样本腔部分的侧向截面图。图6是本发明的装置的侧向截面图，所述装置安装在容器壁的端口上并且配备有线性平台和步进电机。图7是与本发明的装置联合使用的示例性部件的放大图。图8提供了本发明的装置的侧向截面图，而图8A示出了穿过容器壁安装在适当位置的装置，以及图8B示出了从容器壁收縮的装置。图9是处于关闭位置的本发明的装置的外部侧视图。图IO是处于打开位置的本发明的装置的外部侧视图。图11是在收縮过程中将显示出的本发明的装置的外部侧视图。图12是具有高压灭菌盖的本发明的装置的外部侧视图。图13是在以18X106cellS/mL的细胞密度的灌注过程期间提取的四个摄氧速率测量的曲线图。具体实施例方式现在将具体参考本发明的多种实施例，这些实施例的例子被在附图中示出并且在下面描述。尽管将结合示例性实施例来描述本发明，但是将理解，本发明的描述不是想要将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明想要覆盖的不仅是示例性实施例，并且还有各种替代、修改、等同物和其它实施例，它们可以包括在由所附加的权利要求限定的本发明的精神和范围内。尽管将参考具有适合用于细胞培养的特征的装置来描述本发明，但是将理解，所述装置和系统能被用于生物反应器范围之外的任何流体环境的原位测量。如在这里使用的，术语"流体块"指一定体积的流体，样本可以从该一定体积的流体中被隔离并被分析。这里描述的实施例提供了用于原位测量的装置、系统和方法，所述装置、系统和方法隔离例如在反应器、水生系统或生态系统中的流体块的样本。然后，能够在没有来自流体块干扰的噪音的情况下测量样本特性。参考图1A，图1A示出了传统测量OUR的概念图，在反应器中的流体样本通常被从系统移取并传输到外部容器，在该外部容器中测量诸如OUR的参数。能够被测量的其它参数包括(但不限于)硝化速率、反硝化速率等等。在外部容器中的条件，诸如温度、搅拌和通风等，必须被精确地控制以与反应器中的条件相符。如前面讨论的，从系统的移取存在多种挑战和缺陷。本发明通过提出用于原位测量的装置、系统和方法提供了解决方案以避免必须移取和传输到分离受控系统。通过使用下面将描述的装置将培养基或流体块的样本隔离在反应器内的分隔室中，实现该方案。因为流体样本保留在反应器内，所以不需要附加的控制。本发明的装置还能够被移动到关闭位置，其使得该装置能够起到传统的传感器的作用，检测诸如pH值、温度、溶解氧等的参数，并且测量培养基在反应器中的变化。在如图2中所示的示例性实施例中，本发明的装置包括主体30、分离器32、探针固定器33,以及一个或多个探针35。在一些实施例中，所述装置还可包括控制所述分离器运动的线性平台和执行机构37、控制所述固定器移动的步进电机和齿轮箱39、连接到所述主体一端的端盖40和/或收縮外壳42。所述主体被成形为具有一个或多个孔44，当所述孔不被阻挡时，允许在外壳的内部和其周围环境之间流体连通。在所示的实施例中，主体包括三个孔，但是，人们将理解，可以使用各种几何形状和尺寸的一个或多个孔。主体、分离器和固定器可以是由气体和/或液体不能渗透的材料构造，诸如金属、合金、合成橡胶、塑料、聚氨酯或复合材料。人们将理解这些部件可以是由这些材料和/或其它合适的材料的任意组合构造。所述主体可以是单个的整体成形体或者可以包括装配到一起的多个零件，如在图2B和图2D中所示例的，图中示出了在主体30的远端处拧上的或者另外也可移去的端盖40。尽管考虑如图2中示出的带有可移去的端盖40的主体能够比整体成形的主体更容易进行机加工，但是本发明不限于任何具体的结构并且人们将理解主体和其它部件可以具有多种构造。参考图2—5，分离器32设置在主体30内部并且在主体30内可移动。在所示的实施例中，分离器32在如图5B和IO中所示的打开位置和在如图5C和9中所示的关闭位置之间沿轴向移动。当分离器处于打开位置时，主体内部与流体块流体连通，如通过表示流体移动通过孔44的箭头示出。当分离器处于关闭位置时，孔被密封以使主体内部与流体块流体隔离，如通过在图5C中上部孔处的弯箭头所示。因此，在一些实施例中，所述装置具有两个模式或位置如在图5B中所示的打开模式以及如在图5C中所示的关闭模式。所述装置能够在任一模式下使用，这取决于对正被收集的具体数据来说是否需要样本从流体块流体隔离。还参考图1B，举例来说(但不限于)，打开模式可适合用于测量溶解氧(DO)、溶解二氧化碳、温度、pH值或细胞密度，而关闭模式适合用于测量OUR或硝化作用。在图5B和5C中所示的任一模式下，通过将在下面描述的固定器的腔壁47、主体的内部以及分离器限定了样本腔46(由点划线示出)。再次参考图2A—5C，所述装置的示例性实施例还包括诸如所示的固定管的固定器33，该固定器在相对于分离器32内部容纳一个或多个传感探针35。为了在样本上收集数据，所述一个或多个探针延伸入样本腔46，该样本腔可与流体块流体隔离或者不能与流体块流体隔离，这取决于所述装置是处于关闭位置还是打开位置。本发明使用的一个或多个探针可以是定制的探针或任何市场上可买到的探针，举例来说(但不限于)，基于荧光的光学探针、电化学探针、溶解氧探针、溶解二氧化碳探针、或它们多个的组合。也可以采用用于其它代谢物诸如葡萄糖、谷氨酰胺、谷胺酸盐、乳酸盐、或氨、以及其它气体的探针。如在图4和5A中所示的，一个或多个探针35可以相对于固定器、分离器和/或主体的中心轴线偏心地安装。图4示出围绕中心对称地设置的两个探针。图5A示出单个的偏心探针。本领域的技术人员应该理解，本发明不限于探针的任何数量或布置。还参考图6，主体可以被连接到步进电机39和齿轮箱49,以使固定器可绕中心轴线旋转。在一个或多个偏心探针的情况下，能够使用探针(或多个探针)在样本腔内搅动、搅拌或以另外的方式处理样本。本发明的这个特征提供下述优点，即保持细胞或其它的样本组分悬浮并防止气体，例如02、C02等的浓度梯度，或代谢物的浓度梯度的形成。在一些实施例中，任何数目的搅拌器诸如桨状物等可以被连接到探针的一个或多个上，或被另外地安装在样本腔内。本领域的技术人员应该理解，不管探针的数目或者探针是否居中或偏心地安装，都可以设置搅拌器(或多个搅拌器)。在一些实施例中，如在图6和8中所示，分离器连接到线性平台和执行机构，这提供了分离器在图10的打开位置/模式和图9的关闭位置/模式之间的轴向移动。线性平台可以由多种材料制成，所述材料包括(但不限于)，例如钢、非活性金属、聚合物等。现在参考图8B和11，本发明的装置能够适合与收縮系统51—起使用。收縮系统可以包括本发明的装置、容纳流体块的容器53、以及安装到容器上的收缩组件。收缩组件包括收縮外壳42，其中主体30被成形为用于通过收缩外壳可移动地且密封地插入流体块。如在图9一11中所示，收縮外壳可以包括一个或多个汽口54，通过该汽口能够喷射用于杀菌目的的蒸汽。参考图3和9，在一些实施例中，所述装置可从线性平台和执行机构、步进电机和齿轮箱或任何通过其实现分离器和固定器的移动的其它机构上拆卸，在所述装置的一端上留有暴露的开口。然后，在所述装置的暴露端能够放置用于高压灭菌或就地消毒(SIP)程序的高压灭菌盖56。在一些实施例中，所述盖能够被放置在主体上离所述孔远的一部分上。由于它的耐热性或抗压性，所述盖可以由钢、玻璃或本领域内已知的任何其它材料制成。能够使用任何定制的或市场上可买到的收回组件，包括(但不限于)，MettlerToledo1!11^0@收縮组件和本领域内已知的其它收缩组件。本发明与收縮系统一起使用的适用性特别有利于通常运行三个月或更长持续时间的长期灌注过程。本发明的收縮方面允许在没有重大过程间断的情况下探针的交换、调节、保持或替换，例如以移动有缺陷/断裂的探针或对为样本的不同参数进行测试。12在一些实施例中，所述装置可以包括一个或多个O形环以在本发明的两个或多个部件之间的任何接触面处提供机械的或流体的密封。O形环能被放置在端盖40和主体30之间、分离器32和靠近孔44的主体30的末端之间、或分离器32和固定器33之间。虽然在附图中示出主体、分离器、固定器和一个或多个探针为管状结构，但是本领域的技术人员应该认识到这些部件可以采用能够使用的任何形状或形式，它们的横截面为，例如规则的椭圆形的、圆形的、多边形的等等，或者不规则的。在使用中，所述装置被插入流体块，诸如在生物反应器内的培养基。在所示的实施例中，所述装置通过反应器或容器壁的端口插入，但是，人们将理解，所述装置可以被成形为用于直接插入流体块，诸如河、湖或湿地、水生培养罐、农业给水和海水。在插入流体块之后，分离器可以被放置在打开位置(图5B)或关闭位置(图5C)。当分离器处于打开位置时，所述流体块的一部分将通过所述孔流入所述样本腔，允许测量流体块中的参数诸如pH值、温度、溶解氧等。对一些使用，当分离器处于关闭位置时收集数据，因此在样本腔中的样本与流体块流体隔离。在关闭模式时探针所收集的数据可以适合用于评估反应器内的细胞的生理状态以及用于测量参数诸如培养细胞的硝化作用或摄氧速率。本发明有许多的应用，包括同时或依次使用溶解二氧化碳探针和溶解氧探针，以确定培养物中的细胞的呼吸商。所述溶解二氧化碳探针随着时间测量pC02以计算二氧化碳释放速率(CER)。然后CER能和由溶解氧探针确定的OUR结合使用来确定呼吸商(RQ)。本发明也能够用于监控在培养物中细胞的健康和生理状态。例如，在以平稳状态运行的过程中细胞密度应该保持相对恒定。耗氧速率同样应该保持恒定。在该情况下，所检测的耗氧速率的波动能够发出意外的或不是所要求的细胞密度变化的信号，并因此允许进行修正测量。在期望细胞密度改变的其它情况下，由OUR测量所检测的细胞密度的不变(stasis)可能表示其它问题，并且准许进行较彻底地调查原因。因为本发明的装置具有打开模式，因此它能够在用于哺乳动物细胞培养物、原核和真核发酵、水生系统、生态研究的反应器中，或任何其它环境中用作增强传感器。例子提供下列说明以阐述本发明的实施例的操作，但不是为了限制。实验选择合适的探针，并且将探针安装在所述系统中，检査所有O形环和零件的状态并且将高压灭菌盖连接到该系统，这是在高压灭菌中进行。在高压灭菌处理之后，能够从所述装置移走高压灭菌盖并且电机安装在其位置。然后所述装置随着如所需要另外的控制设备(pH值探针、温度探针等)一起被安装到容器/发酵罐上。探针(或多个探针)被连接到适当的变送器，即，DO变送器，并且它们的信号发送到数据采集或SCADA系统(由SanFrancisco的JovaSolutions生产的FermWorksTM2.1)。移动探针和分离器的步进电机被连接到步进电机控制器(SanFrancisco的JovaSolutions生产的2xTIMS0201)和已初始化的控制软件。在该设置中，TIMS0201通过USB被连接到过程控制计算机，该计算机使发酵罐运行并且运行在用于FermWorks的插入程序中的控制程序。为系统操作设定适当的参数。这些参数包括振荡/混合频率、分离器的打开和关闭位置、测量频率(在自动模式下的每小时测量的数量)。然后校准本系统的DO探针，通过分别将氮和空气喷洒到反应器来实现0%和100%空气饱和。执行发酵程序将培养基和细胞添加到反应器并开始用于临界参数的SCADA控制循环，该临界参数包括溶解氧(DO)、pH值、温度并进行搅拌。在关闭模式的测量之前允许使参数/条件稳定以避免否则歪曲读数。通过由控制程序移动分离器和关闭样本腔来启动在关闭模式下的测量。通过步进电机控制软件，使探针固定器按需要沿顺时针方向或逆时针方向旋转以及转动探针(或多个探针)实现混合样本。随着时间记录探针信号，例如耗氧量的改变。当探针信号达到预定阈值时，打开样本腔并将样本释放回到流体块中。在进行另一测量之前，停止固定器的旋转并允许探针(或多个探针)的读数稳定。通过控制软件来对另外的测量计时。从相对于实际的细胞密度随着时间测量的耗氧量来计算摄氧速率。在四周周期的灌注过程期间进行了所有测量，在表1中提供了该测量的条件。在图13中绘制的结果示出了通过本发明的测量的良好再现性。表2示出了在根据测试周期内的十三天中的测量计算的OUR以及与每个测量相关联的相对误差。平均相对误差为5.5%。为了比较，使用本领域已知的整体质量平衡(GMB)法来评估在15.5X106cells/mL的细胞密度下的实验的一个的OUR。与通过本发明的原位装置测量的大约2.0pmol/celld的OUR对比，GMB法产生大约2.2pmol/celld的评估OUR。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>当结合目前考虑作为实际的示例性实施例描述了本发明时，应该理解本发明不是限于所公开的实施例，相反，而是想要覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。权利要求1.一种用于原位测量的装置，包括主体，该主体被成形为用于插入流体块，所述主体包括内部和用于在所述内部与所述流体块之间流体连通的一个或多个孔；分离器，该分离器接收在所述主体内部，所述分离器在离所述一个或多个孔远的打开位置和邻近所述一个或多个孔的关闭位置之间可移动；固定器，该固定器安装在所述分离器内并且包括腔壁，所述腔壁、所述分离器和所述主体内部限定样本腔；以及一个或多个探针，它们由所述固定器接收并且包括各自的探针端，所述探针端延伸到样本腔内。2.如权利要求l所述的装置，其中，当所述分离器处于所述打开位置时，所述样本腔与所述流体块流体连通，并且当所述分离器处于所述关闭位置时，所述样本腔与所述流体块流体密封。3.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个孔被成形为，当所述分离器处于所述打开位置时，允许所述流体块在所述一个或多个探针端周围自由流动，并且当所述分离器处于所述关闭位置时防止流体块自由流动。4.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个探针中的至少一个探针被相对于所述固定器偏心地安装。5.如前述任一权利要求所述的装置，还包括一个或多个搅拌器，所述一个或多个搅拌器在所述腔内用于搅拌所述样本腔内的流体。6.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述固定器可旋转地安装在所述分离器内，以使所述至少一个偏心的探针端在所述样本腔内旋转，因而形成所述一个或多个搅拌器的所述至少一个。7.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个探针中的至少一个是基于荧光的光学探针。8.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个探针中的至少一个是电化学探针。9.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个探针中的一个是溶解氧探针。10.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个探针中的一个是二氧化碳探针。11.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述主体被成形以用于插入生物反应器的端口，所述生物反应器包含所述流体块。12.—种用于原位测量的系统，包括前述任一权利要求所述的装置；包含所述流体块的容器；以及安装在所述容器上的收縮组件。13.如权利要求12所述的系统，其中，所述收縮组件包括收縮外壳，并且其中，所述主体被成形为用于通过所述收縮外壳可移动地并且密封地插入所述流体块。14.如权利要求12和13中的任一项所述的系统，其中，所述收缩外壳包括用于传导蒸汽的一个或多个汽口。15.如权利要求12—14中的任一项所述的系统，还包括在所述收縮外壳的端部的高压灭菌盖。16.—种执行原位测量的方法，包括当分离器处于打开位置时，将权利要求l一ll中的任一项所述的装置的主体与流体块接触；使用所述一个或多个探针来测量所述流体块的一个或多个参数。17.如权利要求16所述的方法，其中，所述流体块在生物反应器内。18.如权利要求16或17所述的方法，其中，所述至少一个或多个参数包括在所述流体块中溶解氧的测量值。19.一种执行原位测量的方法，包括当分离器处于打开位置时，将权利要求1_11中的任一项所述的装置的主体与所述流体块接触；通过将所述分离器移动到关闭位置以隔离在所述样本腔内的所述流体块的样本；以及使用所述一个或多个探针测量所述样本的一个或多个参数。20.如权利要求19所述的方法，其中，所述流体块在生物反应器内。21.如权利要求19一20中的任一项所述的方法，其中，所述样本包含细胞并且所述一个或多个参数中的至少一个表示所述细胞的生物状态。22.如权利要求21所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括所述细胞的摄氧速率。23.如权利要求19一21中的任一项所述的方法，还包括，在所述接触步骤之后，使所述固定器围绕轴线旋转以搅拌所述样本。24.—种执行原位测量的方法，包括当分离器处于打开位置时，将权利要求12—15中的任一项所述的系统中的装置的主体与所述流体块接触；使用所述一个或多个探针来测量所述流体块的一个或多个参数。25.如权利要求24所述的方法，其中，所述流体块在生物反应器内。26.—种执行原位测量的方法，包括当分离器处于打开位置时，将权利要求12—15中的任一项所述的系统中的装置的主体与所述流体块接触；通过移动所述分离器到关闭位置以隔离在所述样本腔内的所述流体块的样本；使用所述一个或多个探针来测量所述样本的一个或多个参数。27.如权利要求26所述的方法，其中，所述流体块在生物反应器内。28.如权利要求26或27所述的方法，其中，所述样本包括细胞并且所述一个或多个参数中的至少一个表示所述细胞的生理状态。29.如权利要求28所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括所述细胞的摄氧速率。30.如权利要求26—29中任一项所述的方法，还包括，在所述接触步骤之后使所述固定器围绕轴线旋转以搅拌所述样本。全文摘要本发明涉及用于执行原位测量的装置、系统和方法，并且，具体地涉及能够从流体块隔离样本以测量流体块的特性而不受到流体块扰动的不必要的影响的装置、系统和方法。文档编号G01N29/00GK101529240SQ200780014412公开日2009年9月9日申请日期2007年4月23日优先权日2006年4月21日发明者克劳斯·迈克尔·约里斯申请人:拜尔保健股份有限公司