精确体积液体分配仪器和方法

精确体积液体分配仪器和方法
【专利摘要】本发明涉及一种精确体积液体分配仪器和方法，该仪器包括：两个压力传感器；以及流体通道，其具有与这两个压力传感器相连通的规定体积部，用于接收并分配相对较小的体积的液体。这些压力传感器中的一个压力传感器被布置成测量流体通道的规定体积部的一部分处的压力，并且这些压力传感器中的另一压力传感器被布置成测量流体通道的规定体积部的不同部分处的压力。至少一个阀与流体通道相连通，其用于使流体流入和流出流体通道的规定体积部，并且处理器执行从包括以下步骤的组中所选择的步骤：(i)基于所测量到的压力来计算液体的体积；以及(ii)对进入流体通道的规定体积部的液体进行计量，直到所测量到的压力表示期望体积的流体在流体通道内为止。
【专利说明】精确体积液体分配仪器和方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及相对少量(例如，克而不是千克)的复杂化合物或组合物的合成。本发明特别可应用于使用复杂操作(例如，组合化学)所执行的反应、或者使用固相肽合成(SPPS)来合成诸如肽等的复杂组合物。

【背景技术】
[0002]许多这些工艺已成功地自动化，因而自动化产生了需要准确和精准地分配并传送少量液体(原因之一)以获得期望的反应、或者以使所使用的昂贵材料的量最小化(避免浪费)的需求。
[0003]另外，根据反应方式或期望产物，液体可能具有不同的粘性或者使小体积的准确分配有些困难的其它物理性质。由于这些因素，自动化系统应能够处理多种粘性和其它液体性质，从而在很多种物质上最有用。
[0004]在一些情形中，分配小体积的困难涉及开口、管道或液体必须穿过所经由的其它通道相对较小。这些可能容易发生堵塞和其它问题。
[0005]在诸如固相肽合成等的一些情况下，使用按特定顺序添加的不同组合物(例如，氨基酸)来连续执行许多反应。为了将期望的酸添加至肽链，堵塞甚至先前的酸的单一残留物都会趋于导致不期望肽的量相对于期望肽的量增加。
[0006]在许多传统仪器中，使用诸如注射泵等的装置来传送小的分配体积，以将已知体积的液体转移至(例如)管道内，其中该管道将该液体输送至期望目的地。这些技术基于利用泵所转移的体积会准确地到达期望位置这一假设。然而，按预期方式，所需或所期望的体积越小，相对错误增加并且在一些情况下可能变得明显。
[0007]在其它应用中，使用对至期望目的地的组合物进行计量的各种容积式流体泵(positive displacement fluid pump)来执行小体积的精确分配。然而，这些容积式流体泵趋于复杂化和昂贵化并且需要大量维护。
[0008]因此，获得能够处理参数在合理范围内的液体并且将这些液体准确地分配至期望位置的准确的自动化小体积分配系统仍是持续目标。


【发明内容】

[0009]在一个方面中，本发明是一种精确体积液体分配仪器，包括:两个压力传感器；以及流体通道，其具有位于所述两个压力传感器之间的规定体积部，并且用于接收并分配相对较小的体积的液体。所述两个压力传感器中的一个压力传感器被布置成测量所述流体通道的所述规定体积部的一部分(一端)处的压力，并且所述两个压力传感器中的另一压力传感器被布置成测量所述流体通道的所述规定体积部的不同部分(相对端)处的压力。至少一个阀与所述流体通道相连通，其用于使流体流入或流出所述流体通道的所述规定体积部，并且处理器执行从包括以下步骤的组中所选择的步骤:(i)基于所测量到的压力来计算添加至所述规定体积部(所述两个压力传感器之间)的液体的体积；以及(ii)对进入所述流体通道的所述规定体积部的液体进行计量，直到所测量到的压力表示期望体积的流体在所述流体通道内为止。
[0010]在另一方面中，本发明是一种固相肽合成即SPPS所用仪器，包括:微波腔；以及微波源，用于生成微波辐射并且使该辐射传播至该腔内。至少一个反应容器在该腔内，用于容纳试剂，并且在微波源向腔供给微波能的情况下，对试剂执行化学或物理步骤。源储存部输送源试剂，并且至少一个流体通道在该源储存部和反应容器之间，用于将流体传送至反应容器。两个压力传感器与流体通道进行流体连通，并且被该通道的规定体积部彼此分开，其用于在流体在压力传感器之间的规定体积部中的情况下，测量通道内的压力。处理器基于各压力传感器和流体之间的气体的压力来计算规定体积部内的流体的体积。
[0011]在另一方面中，本发明是一种用于传送精确小体积液体的方法，所述方法特别用于SPPS，即，固相肽合成。在该方面，所述方法包括以下步骤:将液体传送至流体通道的规定体积部；利用所述流体通道的所述规定体积部内的液体来维持气体(在所述流体通道的所述规定体积部内的液体的任意侧维持气体，由此在所述流体通道的所述规定体积部中，在气体部之间利用液体建立两个离散的气体部)；测量所述规定体积部内(至少其中一个气体部)的压力；以及基于所测量到的(所述气体部的)压力来计算所述流体通道的所述规定体积部内的所传送液体的体积。
[0012]在另一方面中，本发明是一种用于传送精确小体积液体的方法，所述方法特别用于SPPS，即，固相肽合成，所述方法包括以下步骤:测量流体通道的在两个压力传感器之间的规定体积部内的压力；以及向所述流体通道的所述规定体积部添加液体，直到所测量到的压力表示预定体积的液体已传送至所述压力传感器之间的所述流体通道内为止。
[0013]在又一方面中，本发明是一种用于同时或相继对液体的精确体积进行计量的方法。在该方面中，所述方法包括以下步骤:从第一液体的源向至少容纳一些气体的分段区域添加该第一液体，直到气体的压力变化表示期望体积的第一液体在分段区域中为止；使第一源与分段区域分离；向与第一液体相同的分段区域添加第二液体，并且利用气体部使该第二液体与第一液体分开，直到分段区域内的气体的压力变化表示期望体积的第二液体在分段区域中为止；使第二源与分段区域分离；之后通过一个步骤将第一液体和第二液体添加至反应容器。
[0014]基于以下结合附图所进行的详细说明，本发明的前述和其它目的及优点以及实现这些的方式将变得更加清楚。

【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1?4是本发明的仪器和方法的示意图。

【具体实施方式】
[0016]本发明是用于分配小而精确的量的液体试剂的控制设备。本发明特别用在包括微波辅助固相肽合成(SPPS)的微波辅助化学中。
[0017]图1是本发明的示意图。由于基本组成部分很好理解、并且无需过多实验就可以从多个选项中进行选择，因此该示意图是呈现本发明的清楚且有帮助的方法。
[0018]本发明包括两个压力传感器10和11。SPPS仪器内的流体通道12通常是小直径管道的一部分，在这两个传感器10和11之间行进，并且最终到达反应容器13。在与流体通道12相连通的两个阀15和16之间的通道12的部分具有特定规定的体积(在图1中标记为14)。应当理解，图1示出传感器10、11和规定体积部14的示例性布置，而不是限制性的一组位置。
[0019]压力传感器10、11其中之一被布置成测量流体通道12的规定体积部14的一部分(在例示实施例中为一端)处的气压，并且另一压力传感器被布置成测量流体通道12的规定体积部14的另一部分(这里为相对的一端)处的气压。阀27、30、31中的一个或多个用于使流体流入或流出流体通道12的规定体积部14。
[0020]这样，规定体积部14初始不存在液体，然后会容纳若干液体和若干气体。气体可以是大气环境、或者有意供给的并且相对于试剂、产物和构成通道的材料呈惰性的其它气体。当然，添加至规定体积部14的液体会取代该气体。然而，在本发明中，在规定体积部14中捕获所取代的气体，其结果是所添加的液体迫使气体体积减少。根据很好理解的原理(最典型的是理想气体定律)，使气体体积的变化准确地反映在气压的变化中。此外，根据流体力学，气液系统的压力与单独的气压相同。结果，可以对气体或液体进行压力测量以获得相关数据。
[0021]处理器17执行从包括以下步骤的组中所选择的步骤:(i)基于所测量到的压力来计算液体的体积；以及(ii)对至流体通道12的规定体积部14的液体进行计量，直到所测量到的压力表示期望体积的流体在流体通道12内为止。在例示实施例中，利用压力传感器
10、11来测量压力。
[0022]在图1中，示出气压传感器10、11经由两个压力线路20、21与各阀15、16相连通。在其它实施例中，可以将气压传感器10、11被包括作为阀15、16的一部分，由此使得不需要压力线路20、21。这些传感器还可被布置成以更加直接的方式与规定体积部14进行流体(气体或液体)连通。本领域的技术人员无需过多实验就可以进行这些调整。
[0023]如【背景技术】部分所述，本发明特别用于固相肽合成(SPPS)，并且尤其用于如共同受让的美国专利7，393，920所述的微波辅助SPPS。美国专利7，393，920及其共同受让的同族(美国专利 7, 939，628,7, 550，560,7, 563，865,7, 902，488,7, 582，728,8, 153，761 和8，058，393)的内容通过引用全部包含于此。
[0024]因此，图1还示意性示出微波源22。典型的源是从包括磁控管、速调管和MPATT二极管的组中所选择的。本领域的技术人员无需过多实验就可以选择这些源。在许多情况下，特别是针对实验室设备工作的调节频率(一般为2450MHz)，磁控管提供稳健、可靠且具有成本效益的源。
[0025]源22使微波传播至示意性示为矩形23的腔内。应当理解，在该上下文中，术语“腔”描述将容纳并反射微波的外壳。对于稳健反应(诸如酸消解或干燥等)，通常利用将内部定义为长方体的六个金属边来定义腔。对于包括SPPS的更加敏感的有机反应，腔一般更加复杂、并且通常是在前述专利中或者可选地在共同受让的美国专利6，288，379或6，744，024(其内容同样通过引用全部包含于此)中所述的类型的单模腔。因而本领域技术人员意识到，在传播频率与腔的大小和形状彼此互补的情况下生成并且支持单模。
[0026]如图1所示，反应容器13位于微波腔23内，并且在除规定体积部14以外的位置处与流体通道12进行流体连通。在图1中，通过将反应容器13布置在阀16的下游来示出该关系。
[0027]图1还示出至少一个源储存部24，并且在典型实施例中为多个源储存部(在图1中示出为25和26)。在典型实施例中并且如图1所示，储存器24、25、26各自在压力传感器10、11之间并且在例示实施例中具体连接至流体通道12的在阀15、16之间的规定体积部14。
[0028]各液体阀27、30和31与源储存部24、25、26相关联。源储存部24、25、26各自独立地与流体通道12的在气压传感器10、11之间的规定体积部14相连通。为此，各液体线路32、33与源储存部24相关联，并且类似的成对线路34、35和36、37分别与源储存部25和26相关联。
[0029]图1还示出以下:在典型实施例中，气体供给部40与流体通道12的规定体积部14相连通，以将气体从气体供给部40传送至通道12，从而将该通道内的液体推至反应容器
13。在例示实施例中，适当的气体线路41使气体供给部40经由阀15连接至规定体积部14。
[0030]应当理解，任何适当气体均可用于该目的，假设该气体相对于所传送的液体和仪器的机械部件呈惰性。在包括SPPS的许多情况下，氮是最具成本效益的选择。当然，在氮气将用作反应物的反应中，选择其它气体。然而，在化学领域很好理解特征选择，并且这里不重复这些选择。
[0031]同样，本发明可以包括如下气体供给部，其中该气体供给部与源储存部24、25、26中的任一个或多个相连通，以使液体从源储存部推入流体通道12内。与储存部24、25、26相连通的气体供给部和与规定体积部14相连通的气体供给部40可以是相同的或者可以是不同的。在例示实施例中，同一气体供给部40将氮传送至通道12的规定体积部14和各个储存部24、25、26这两者。为此，气体线路42、43和44分别使气体供给部40连接至源储存部 24,25 和 26。
[0032]在另一方面中，本发明是用于传送精确的少量液体的方法，其中该方法特别用于固相肽合成。该方法包括将液体传送至流体通道12的规定体积部14的步骤。在该通道的规定体积部14内利用液体(如所示，在该液体的任一侧)维持气体，由此在通道12的规定体积部14内利用液体来建立至少一个(并且可能为两个)离散气体部。利用传感器10、11其中之一来测量规定体积部14内的压力，并且基于所测量到的压力来计算规定体积部14内的液体的体积。
[0033]在许多情况下，利用经由信号线45和46分别与压力传感器10和11进行通信的处理器17来执行该计算。根据诸如Boyles定律(P1V1 = P2V2)或理想气体定律(PV = nRT)等的很好理解的关系，规定体积部14内的压力与气体的体积(以及液体的体积)直接相关。在期望或需要的情况下，可以使用气体定律的更加复杂的版本中的一个，并且可以包含其它校正，例如，考虑诸如在经受压力的情况下可能略微扩展的管道等的塑料部件的挠性。
[0034]处理器17还可用于对源22的各方面或者任何其它适当项进行控制。利用从处理器17至二极管22的线47来示出该关系。图1还示出:在一些实施例中，处理器17可以经由线50与阀27进行通信，以控制或帮助控制流体在源储存部24和流体通道12之间的流动。同样，线52 (例如，使用调节器)使处理器17连接至气体供给部40以控制或帮助控制气体的使用，从而使流体在该仪器的相关部分内移动。
[0035]应当理解，在处理器17与其它的阀和储存器之间可以存在类似的连接。然而，为了清楚，在附图中没有具体示出这些连接。
[0036]本发明的该方面还提供了合成方面的时移优势。特别地，可以在反应容器13内执行利用特定试剂的一个反应(或一个步骤)，同时可以将下一试剂从其中一个储存部载入通道12的规定体积部。因而，该方法包括以下步骤:将液体从源储存部24、25、26中的一个(或几个)传送至流体通道12的规定体积部14，然后基于所测量到的压力来将该液体传送至反应容器13。
[0037]实际上，可以添加分开的项的液体，并且如果需要防止管内反应，则可以使用气体部来在管内分开这些项。这样允许以省时的方式顺次添加液体。
[0038]在SPPS的情况下，该方法包括针对SPPS步骤中的一个(或多个步骤)来传送液体。因而，该方法包括将从氨基酸、活化剂、去保护剂、溶剂和清洁剂的组中所选择的液体传送至反应容器13，其中在SPPS的情况下，反应容器13 —般容纳有与固相树脂连接的至少一个氨基酸(并且可能是生长肽)。
[0039]在微波辅助的情况下，该方法还包括向反应容器13应用微波辐射，以执行SPPS反应步骤中的一个，其中SPPS反应步骤包括:使氨基酸去保护，使氨基酸活化，利用溶剂对树脂连结的氨基酸进行清洗，并且使氨基酸从固相树脂裂解。
[0040]由于(如按照Boyle定律和理想气体定律所表示的)气体在正常条件下的可预测行为，因此还可以以略微不同的方式执行该方法。在另一方法方面中，本发明包括:测量流体通道12的在两个压力传感器10、11之间的规定体积部14内的气压，然后向流体通道12的规定体积部14添加液体，直到所测量到的压力表示已将预定体积的液体传送至这些压力传感器之间的通道内为止。
[0041]应当理解，如果规定体积部14的大小很好理解、并且如果其它因素不起作用，则仅需要利用压力传感器10、11其中之一所测量到的规定体积部14的压力来计算液体体积。然而，在实际仪器的情况下，几乎始终有必要或有利地将流体通道12和规定体积部14的一部分布置成除水平以外的其它方式。在这些情况下，液体的重量(而非液体的体积)可能会压缩气体部。结果，压力读数未必准确地反映液体体积。然而，使用两个压力传感器，由于可以始终与重力无关地测量压力并且计算适当的体积，因而避免了该问题。
[0042]图2和3是与图1基本相同的示意图，但标记出流体的示例性位置以例示本发明的方面。图2示出从源储存器24分配的并且进入规定体积部14的一部分的液体的一部分。为了示意性目的，利用三个边界线L1、L2和L3来标识液体位置。如前面所述，从源40提供的氮气经由线路42行进，并且使源储存器24内的液体进入规定体积部14内。图2还示出:可以对L2和压力传感器10之间的已被压缩的气体进行适当的压力测量，并且另外或可选地，可以在液体的另一边缘L3和另一压力传感器11之间测量压力。
[0043]图3示出在阀27已闭合之后并且在来自源40的气体将液体在规定体积部14内进一步推向反应容器13之后、液体试样的位置。在图3中，利用线LI和L6来示意性示出源储存部24和阀27之间的液体。利用线L4和L5来示出向着反应容器13移动的液体的边界。
[0044]图4示出根据本发明的另一方法。在该上下文中，可以同时或相继执行对液体的精确体积进行计量的方法。从第一液体54的源55向总地指定为56的分段区域添加该第一液体54。分段区域56包括存在于指定为57的一个或多个区域中的至少一些气体。利用气压传感器60来测量气压，其中在任何或所有方面中，该气压传感器60可以与图1?3中的气压传感器10和11相同。将第一液体54添加至分段区域56，直到如利用传感器56所测量到的气体部57的压力变化表示期望体积的第一液体54在分段区域56中为止。
[0045]然后，使源55与分段区域56分离，并且一般通过使将第一液体54添加至分段区域56所经由的线路62中的阀61闭合来执行该分离。
[0046]在下一步骤中，向与第一液体54相同的分段区域56添加第二液体64，并且利用其中一个气体部57使该第二液体64与第一液体54分开。从第二液体源65经由相应的线路66和阀67来添加第二阀64，直到分段区域56中的气体57的压力变化表示期望体积的第二液体64在分段区域56中为止。此时，一般使用阀67来再次使分段区域与第二液体65的源分离。
[0047]应当理解，在分段区域(为了说明简便)为空而且封闭的情况下，气体57将展现出特定压力(在许多情况下为大气压力)。随着向另外的封闭的分段区域56添加第一液体54，压力与分段区域内的气体体积的变化成反比地增加。在添加第二液体64的情况下，压力再次增加，并且压力的该第二次增加与所添加的第二液体的体积直接成比例。
[0048]作为最后步骤，可以将第一液体54和第二液体64以一个接着另一个的方式添加至反应容器70，并且此时这两者可以在反应容器70内混合并以期望方式发生反应。
[0049]图4示出使流体移动的便利方法是使气体供给部71经由线路71连接至分段区域56。气体供给部71还经由线路72连接至第一液体供给部55并且经由线路73连接至第二液体供给部。多端口阀74按照期望指引气体，以将源液体推入分段区域56内、或者将已存在于分段区域56内的液体从该分段区域推入反应容器70。
[0050]图4将分段区域例示为长筒状(相对而言)，这是因为在许多应用中，分段区域56将是使液体供给部55、65连接至该分段区域并且使该分段区域经由线路75连接至反应容器70的管道。
[0051]该方法提供了使多个反应物彼此分开地存在于通常为供给线路的分段区域中的优点，其中从该分段区域，可以将液体一起快速地添加至反应容器。由于液体在供给线路内维持分开，因此该方法避免了在供给线路中发生不期望(一般为过早的)反应。
[0052]由于还需要连续添加各部分的液体的完整周期，因此该方法在自动化系统中节省了大量的时间。
[0053]应当理解，在该方法中可以向分段区域中的第一液体和第二液体的后面添加附加(第三、第四等)试样的液体，并且可以这样添加的液体的数量仅受限于空间以及流体处理设备的期望或所需的复杂性。在肽合成中，由于期望反应的顺序和离散性质，因此对于SPPS周期的任何给定反应步骤，通常将2?4种液体组合物添加至分段区域56。
[0054]在附图和说明书中，已经陈述了本发明的优选实施例，并且尽管采用了特定术语，但这些术语仅是在通用和描述性的含义上使用的而并不用于限制的目的，其中在所附权利书中定义了本发明的范围。
【权利要求】
1.一种精确体积液体分配仪器,包括: 两个压力传感器； 流体通道，用于接收并分配液体，其中所述流体通道具有被布置成与所述两个压力传感器流体连接的规定体积部； 所述两个压力传感器中的一个压力传感器被布置成测量所述流体通道的所述规定体积部的一部分处的压力，并且所述两个压力传感器中的另一压力传感器被布置成测量所述流体通道的所述规定体积部的不同部分处的压力； 至少一个阀，其与所述流体通道相连通，并且用于使流体流入所述流体通道的所述规定体积部或者从所述规定体积部流出；以及 处理器，用于执行从组中所选择的步骤，其中所述组包括:(i)基于所测量到的压力来计算添加至所述规定体积部的液体的体积；以及(ii)对进入所述流体通道的所述规定体积部的液体进行计量，直到所测量到的压力表示期望体积的流体在所述流体通道内为止。
2.根据权利要求1所述的精确体积液体分配仪器，其中，所述规定体积部位于所述两个压力传感器之间。
3.根据权利要求1所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括源储存部，所述源储存部在所述两个压力传感器之间的点连接至所述流体通道的所述规定体积部。
4.根据权利要求1所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括多个源储存部，各个源储存部连接至所述流体通道的所述规定体积部。
5.根据权利要求1所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括: 微波源； 微波腔，其与所述微波源相连通；以及 反应容器，其在所述微波腔内，并且在除所述规定体积部以外的位置处与所述流体通道流体连通。
6.根据权利要求5所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括: 源试剂用的源储存部，其中位于所述源储存部和所述反应容器之间的所述流体通道将流体从所述源储存部传送至所述反应容器， 其中，所述两个压力传感器与所述流体通道流体连通，所述两个压力传感器通过所述流体通道的所述规定体积部而彼此分开，并且所述两个压力传感器用于在流体处于所述两个压力传感器之间的所述规定体积部内的情况下测量所述流体通道内的压力。
7.根据权利要求6所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括液体阀，所述液体阀在所述源储存部和所述流体通道的所述规定体积部之间。
8.根据权利要求6所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括: 多个源储存部，其中各个源储存部与所述压力传感器之间的所述流体通道的所述规定体积部独立地相连通；以及 液体阀，其在各个所述源储存部和所述流体通道的所述规定体积部之间。
9.根据权利要求6所述的精确体积液体分配仪器，其中，还包括液体阀，所述液体阀在所述两个压力传感器其中之一和所述反应容器之间，并且用于从所述流体通道的所述规定体积部向所述反应容器分配液体。
10.一种用于传送精确体积液体的方法，所述方法特别用于SPPS即固相肽合成，所述方法包括以下步骤: 将液体传送至流体通道的规定体积部； 利用所述流体通道的所述规定体积部内的液体来维持气体； 测量所述规定体积部内的压力；以及 基于所测量到的压力来计算所述流体通道的所述规定体积部内的所传送液体的体积。
【文档编号】C07K1/00GK104231034SQ201410281330
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】戴维·L·赫尔曼, 约瑟夫·J·兰伯特 申请人:Cem有限公司