单次使用的生物反应器容器的有成本效益的拉曼探针组件的制作方法

本申请涉及2017年1月4日提交的美国专利申请No.15/398,096并要求其优先权权益，其公开内容在此通过引用以其整合并入。

技术领域

本发明大体涉及拉曼光谱技术和生物反应器，具体地涉及一次性生物反应器容器的拉曼探针组件。

背景技术：

单次使用的一次性生物反应器容器使用包袋而非更昂贵的可重复使用的培养容器。包袋本身通常由柔性塑料制成，但是取决于所分析的实验或反应过程，可以将包袋封装在诸如摇床(rocker)或长方体或圆柱形钢支撑件的结构中。商用单次使用的生物反应器已有十余年的历史，现在由数家制造者市售。这样的包袋通常包括一个或多个“端口”，使得包袋的内容物能够被采样和监测。

拉曼光谱技术已成为与原位过程分析结合使用的强大工具。现在，复杂的光纤光学器件耦合拉曼探针通常用于各种行业的过程采样，包括生物反应器应用。例如，通过可用端口来将拉曼探针耦合到生物反应器包袋是非常有利的，但是在探针的费用和复杂性与被设计成一次性的包袋组件之间存在折衷。当然，拉曼探针本身不能是一次性的。尽管如此，但是如果探针的某些部件未在端口内精确地对准，则不能实现反应批次和探针之间所需的精确度、可重复性和反应模型的可转移性。

已经有多个尝试来提供与生物反应器容器端口的一次性联接器，但是这些尝试不利于精确的拉曼采样。例如，美国专利No.8,008,065公开了一种端口和传感器组件，其适用于基于光纤的相位荧光计或拉曼测量系统。用作激发光源的光纤或光纤束通过箍套或其它合适的固位系统锚固到一次性插入壳体中。来自光纤或光纤束的发散光优选地使用透镜或透镜系统准直，使得准直光入射在荧光染料点上。荧光团吸收激发光并发出荧光信号，该荧光信号作用于收集系统，其通过相同的透镜以及光纤或光纤束被聚焦返回光电二极管。荧光染料点和光纤被安装在一次性壳体中，该一次性壳体插入附接在一次性生物反应器内衬上的端口中。

虽然刚刚描述的系统提供有限程度的荧光检测，但它不能满足先进拉曼采样探针所要求的严格聚焦要求。在多变的浑浊的样品介质——诸如生物反应中进行有效率且可重复的拉曼采样需要探针从一次性端口窗口以非常短的深度聚焦到浑浊样品中。焦点太深会对测得的拉曼光谱的强度和形状产生负面影响。

技术实现要素：

本发明涉及用于将拉曼探针耦合到含有反应介质的生物反应器容器中的端口的系统和方法。本发明适用于包含细胞培养介质和/或液体形式的其它生物介质的柔性包袋形式的单次使用的生物反应器容器。这样的一次性包袋通常设有中空的管状端口，其适于附接到各种形式的仪器上。根据本发明，拉曼或其它聚焦探针头部被耦合到端口，以进行过程中监测。

新颖性在于可重复使用和一次性部件的独特组合，以在保持精确度的同时降低成本。通过本发明实现的方案使用相当高精度厚度的窗口，其被密封到相对便宜的一次性浸探头(barb)中，该一次性浸探头插入反应容器的端口中。浸探头耦合到光学部件，该光学部件包括一个或多个昂贵的聚焦透镜。为了将透镜组件的焦点精确地定位在反应介质中的窗口外的精确的预定深度，使用有创造性的端部光学硬件和组装/对准工具。

浸探头部件具有远端，该远端包括具有近侧表面和远侧表面的整合窗口。浸探头部件被物理地构造成由生物反应器容器中的端口接收，使得窗口的远侧表面暴露于反应介质。该系统还包括光学部件，该光学部件被构造为由浸探头部件接收。该光学部件包括适于耦合到拉曼探针头部的近端，以及包括透镜的远端，所述透镜用于将光聚焦到反应介质中的样品焦点并从中收集光，以通过耦合到探针头部的拉曼分析仪进行分析。在优选实施例中，预定距离约为0.005+/-0.001"，但本发明不限于此。

用于将透镜的焦点设置在预定距离的设备可以包括安置在透镜和窗口之间的可调整间隔件。更具体地，透镜被固位在透镜安装件内，该透镜安装件可在光学部件内轴向移动，并且一旦建立了预定距离，则间隔件部件的近端就结合到透镜安装件同时间隔件的远端紧密接触窗口的近侧表面。中空光学部件中的弹簧可用于向远侧偏置透镜安装件，以确保间隔件的远端保持与窗口的近侧表面接触，由此确保透镜与窗口保持精确的关系。

优选地使用单独的固定装置作为焦点对准工具，以在将光学部件放入浸探头之前将透镜设置在精确位置。该工具包括模拟浸探头元件中的窗口的模拟窗口，具有已知拉曼光谱特征的靶和耦合到拉曼分析仪的拉曼探针头部。使用一个或多个精密垫片将靶定位在距模拟窗口的远侧表面的预定距离处。在间隔件部件的远端抵靠模拟窗口的情况下，相对于间隔件部件来调整透镜在透镜安装件中的轴向位置，以最大化来自样品的拉曼光谱特征，随即间隔件被结合至透镜安装件。方便地，靶可以是硅薄片，其具有强拉曼峰，当被定位在探针的焦点处时该拉曼峰最大化。

也公开和描述了将光学采样探针头部耦合到含有反应介质的生物反应器容器中的端口的方法。

附图说明

图1A是分解图；

图1B是组装图；

图2A示出在插入生物反应器端口之前的浸探头部件；

图2B示出被接收在反应器端口内的浸探头部件，使得浸探头的窗口暴露于反应容器的内容物；

图2C是倾斜的组装图，但是未耦合至反应器端口；

图3A是描绘具有弹簧偏置的透镜安装件的浸探头内的光学部件的截面图；

图3B是结合到间隔件部件的透镜安装件中的透镜的详图；以及

图4左侧示出焦点组件工具，右侧示出生产组件。

具体实施方式

本发明通过在可保留的那些部件和一次性的那些部件方面提供折衷，使得复杂的拉曼采样探针能够与一次性/单次使用的生物反应器容器/包袋一起使用。这是以低成本完成的，并且在采样精度和有效性方面没有劣化。

优选实施例提供了一种多部分系统，包括一次性浸探头(barb)组件，其具有操作中使关注波长透过的整合和密封的窗口。一次性组件被传统的反应器包袋端口接收在一端，在另一端连接到拉曼探针。浸探头组件和探针之间的卫生夹具使得昂贵的探针部件能够重复使用。为了确保整合到一次性浸探头组件中的聚焦光学器件具有所需的精度，本发明包括焦点组件工具和相关联的方法以模拟生产组装，从而将透镜的焦点放置在与窗口相对的样品区域中的理想深度处。

图1A是整合布置的分解图。图1B示出了组装的系统。一次性浸探头接头102耦合到图2A、2B中所示的端口202。浸探头接头102是具有这样的尺寸的管：该尺寸使得该配件能够接触端口202的管止挡204以便提供液密密封。如图2B中所示，“束线带(zip-tie)”205可用于备用固位。浸探头接头的远端包括下面更详细描述的整合窗口103(图1A)。浸探头接头102的近端被构造成接收端部光学部件104。卫生接口密封件106和夹具108提供端部光学部件104和浸探头接头102之间的液密接合。端部光学部件104的远端105包括下面结合优选对准技术描述的聚焦透镜。

端部光学部件104的近端耦合到探针头部部件110，该探针头部部件110进而耦合到一个或多个不同的光纤组件112、113。部件110包括滤光器、分束器和光学器件以接收来自一根光纤的激光激发并通过收集光纤将拉曼信号传送到光谱仪，该部件110可包括可从美国密歇根州安娜堡的Kaiser Optical Systems公司购得的MR探针。如在已颁证的美国专利No.6,907,149中所述，MR探针头部产生激发光纤和收集光纤的准直同轴图像，以供聚焦在使用各种不同的端部光学器件的各种样本场景上或聚焦到各种样本场景内，该美国专利No.6,907,149的公开内容在此通过引用以其整合并入。关于MR探针的更多细节可在http://www.kosi.com/na_en/products/raman-spectroscopy/raman-probes-sampling/mr-probe-head.php中找到，应理解本发明在所使用的探针头部方面不受限。实际上，本发明容易应用于任何聚焦光学探针，包括荧光探针，使得本文所用的“拉曼”应被视为包括这些其它采样方式。

端口202实际上与一次性生物反应器包袋整合，使得插入的浸探头的窗口浸入包袋的液体内容物中，由此使得能够对液体进行拉曼监测。当反应完成时，端部光学部件104被松开并从浸探头102上移除。然后可以安全地抛弃整个包袋/端口/浸探头配件——这样的配件不能重复使用，因为它们接触并受到生物反应材料的污染。然而，光学部件104能够被重复使用，因为它没有被类似地污染。

本发明的一个重要新颖性在于降低了可重复使用部件的精密度和费用，同时使一次性部件的成本最小化。为此，挑战在于将组装的系统的焦点设置在反应介质中的、窗口外的非常精确的深度处。典型应用中的代表性焦点深度可以是0.005"+/-0.001"。保持这种精度对于最大限度地提高不同批次和不同探针的结果的灵敏度和一致性是必要的。即使所有的焦点深度公差都被窗口厚度所适应，这仍然需要更精确和更昂贵的窗口厚度规格。这是不期望的，因为根据定义，窗口必须是一次性的，因为它与反应接触。

通过本发明可能实现的方案是使用相当高精度厚度的窗口，其被密封到相当简单的一次性浸探头中。虽然浸探头可以由不锈钢加工成，但是例如在优选实施例中，浸探头由可注入模制材料，使用经认证的用于生物应用的工艺构造。然而，剩下的挑战是将浸探头以这样的方式对接到包含聚焦透镜的光学部件104：该方式使得将焦点精确地放置在窗口外的期望深度处。这是使用端部光学硬件、一次性浸探头和组装/对准工具的创造性设计来实现的。

图3B示出了聚焦透镜子组件，并且图3A示出了聚焦透镜子组件如何被弹簧加载到容纳在浸探头102内的光学部件104中。如图3B中所示，聚焦透镜子组件包括支撑聚焦透镜300的部件302。部件302可包括304处的曲率，以适应加工组件的变化，并促进子光学组件在光学部件104中的自由轴向移动。远侧间隔件部件306利用近侧部件302来滑动地接收。间隔件部件306的最远侧表面与浸探头中的窗口的表面接触，并且正是距离310被改变才精确地设置探针相对于浸探头/窗口组件的焦点深度，如下文进一步详述。

焦点设置工具旨在以光学方式模拟与一次性生物反应器包袋一起使用的最终用途拉曼采样环境。图4的图在图示左侧示出聚焦工具中的聚焦透镜子组件，在右侧示出生产设置中的聚焦透镜子组件。当定位在工具中时，聚焦透镜300光学地对准到安装件中，当被插入浸探头时，该安装件与浸探头窗口402的内表面直接机械地以弹簧加载方式接触。对准工具抵靠完全相同精度厚度的窗口402'来加载安装件。精密垫片404用于将平坦硅薄片406定位在窗口外的靶焦深处，例如，在0.005"的预定或期望距离处。

拉曼探针头部(未示出)被预先对准以准直和组合拉曼激发，并且收集光纤路径(即，可从Kaiser Optical Systems公司购得的标准MR拉曼探针头部)与最终产品安装中一样被定位在离窗口的相同标称距离处。

在使用工具进行设置期间，将探针头部连接到拉曼分析仪，将聚焦透镜结合到其安装件302中，并且抵靠参考401处的窗口加载间隔件部件306。安装的聚焦透镜的轴向位置被相对于间隔件306调整到最大化硅薄片的拉曼信号的位置。然后用UV固化粘合剂将聚焦透镜安装件302和间隔件306结合在该位置。

图4的右侧示出了垫片放置和信号优化之后的对应生产组件。弹簧400确保透镜组件保持与浸探头部件102中的实际窗口402接触。406处的曲率为光学部件的自对准提供间隙。这样，当此透镜/安装件组件与任何准直探针头部配合，并且加载在具有足够相似的厚度的任何一次性浸探头窗口上时，实现准确且可重复的焦深。