[发明专利]流体样本颗粒的一种浓缩方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种在流体样本中实现颗粒浓缩的方法与装置，具体来讲，这是一种在流体样本中过滤并浓缩所研究颗粒的方法与装置。

背景

饮用水中存在各类可能引起致命疫情的微生物，包括病毒、细菌、原生动物和其他微粒[1]。饮用水中这些微生物颗粒检测与量化时的基本限制因素在于，每种微生物含量极少，而且微生物物种之间存在相互干扰。因此，大多数检测技术在检测与量化之前必须进行预浓缩和过滤。有一种被称作“预浓缩器”的装置，其作用是从流体中收集目标样本(通常是颗粒)并按指令要求以远高于之前的浓度水平将其排至下一处理段(例如检测和分析)。

就这种包含多个步骤的方法而言，即使水质测试其他步骤(例如病原体检测与量化)出现革命性进展，若目标样本无法适当浓缩，预浓缩和过滤步骤仍将是整个过程的瓶颈。这对仅使用少量水样的新一代芯片实时检测系统的开发尤为重要。若不进行预浓缩，微生物颗粒会因其浓度较低而无法检测。另一方面，若不进行过滤或分级，微米级微生物会阻塞用于检测纳米级生物污染物的微通道，从而导致检测系统失效。因此，微生物颗粒预浓缩和分级是推动应用检测技术发展的关键步骤。

目前所用预浓缩与分级技术主要面向特定类别的生物污染物。尺寸为3-65微米的原生动物寄生虫需使用孔隙尺寸为2微米[2,3]的薄膜过滤实现预浓缩。然而，当前可选择的商用过滤器回收率较低(预浓缩程序完成后收集的样本颗粒同预浓缩之前的比率，通常表达为初始值的百分比)，仅有30-60％。此外，过滤器较低的孔隙率(10-25％)还导致此项技术处理能力较低。对于细菌而言，预浓缩一般采用薄膜过滤，通常利用液体培养进行富集。然而，薄膜过滤技术的局限性同样是较低的回收率和处理能力。另外，液体培养过程通常需要1-2天时间，导致整个检测周期延长。病毒洗脱和浓缩技术也面临同样的局限性。

免疫磁分离[4,5]、梯度离心[6,7]和流式细胞术[8,9]等其他已知技术也具有下列自身局限性。

直接免疫磁珠分离技术需要在水样中培育抗体包被磁珠。目标微生物吸附到磁珠上，并在磁力作用下与剩余悬浮液分离。因此，此项技术的应用效率受制于抗体特异性和亲和力以及水样浊度。

梯度离心过程中，微生物按照其特定密度进行分离；回收率较低(30-40％)，且可处理的样本量相对较小。

流式细胞术具有较高的灵敏度和特异性，但需由经培训人员制备样本并操作仪器。此外，该技术运行和购置成本较高，从而限制了其在水质监测行业中的应用。

因此需要开发一种回收率、处理能力和分级精确度较高的改进型颗粒浓缩方法与系统(特别是基于水质监测目的的水样预浓缩)。

发明内容

就第一个方面而言，本发明提供了一种微流控装置，具体包括：

一个腔体，通过一个过滤装置定出第一个隔室和第二个隔室；第一个隔室通过流体连通第二个隔室，用于接收含有颗粒的流体样本；流体样本从第一个隔室流向第二个隔室时，过滤装置根据颗粒尺寸在第一个隔室的子区域内有选择地存留流体样本中颗粒；以及

一个声换能器，在子区域内产生声波将颗粒散开。

声换能器产生的声波向流体传输能量，以搅动子区域内的流体和颗粒，从而将颗粒散开。此种设计有有助于提高整个过程的回收率、浓缩度和整体效率。首先，颗粒分散可防止过滤装置堵塞；其次，浓缩起来的颗粒要从装置中提取时(通常借助从第二个隔室到第一个隔室形成的液流，即“回流”)在声波作用下脱离过滤装置。

一般而言，声换能器在子区域内产生的声波在流体样本从第一个隔室流向第二个隔室时将颗粒散开。此种方法的优点在于，它能防止颗粒在过滤过程中发生集聚并/或附着到过滤装置上。

另外/此外，声换能器在子区域内产生的声波在流体从第二个隔室回流至第一个隔室的过程中将留存颗粒散开。另一个实施例中不采用从出口泵出流体产生的回流，而是从入口处吸取流体(包含捕获的颗粒)实现颗粒收集。两种情况下都需要在子区域内产生声波，以便在颗粒收集之前和/或过程中将留存颗粒散开。此种方法可有效分散过滤装置附近的留存颗粒，从而减少颗粒聚集并促进颗粒与过滤装置分离，进而改善颗粒收集效果。

在一个实例中，声换能器是一种超声换能器。