用于生物处理的光学流动池的制作方法

1.本发明涉及用于生物处理应用的光学流动池。更具体地，本发明涉及用于生物处理的具有其中提供的可变光径长度的光学流动池。


背景技术：

2.光学测量装置在各种技术领域内使用，其中使流体或流体混合物流过光学流动池，所述光学流动池然后被用于确定流体或流体混合物内物质的存在或不存在和/或物质的浓度。
3.例如，wo2019/229201a1描述适合供在各种生物处理应用（诸如色谱法，过滤等）中使用的光学流动池。此外，wo2019/229201a1的内容由此以最大容许程度通过引用并入本文。
4.固定的光径长度光学流动池被设计用于最优操作以便检测在预先确定的浓度范围上的流体中的物质。一般地，本设计操作范围将对应于吸收区，所述吸收区在光学吸光度和吸收物质的浓度之间具有线性关系，使得穿过光学流动池的空腔中的流体的光量遵循beer-lambert定律。
5.然而，对于其中吸收物质的浓度在正常操作范围外的流体，则可发生非线性吸收响应，这能导致当使用光学流动池时所进行的测量中的不准确。例如，这可通常发生于正被分析的吸收物质的高浓度的情况下。在这种情况下，可以可期望缩短流动池的路径长度。
6.此外，如果光学流动池中的光径长度过短，具有低样本浓度，则能出现差的信噪比。在这种情况下，可以可期望增长流动池的路径长度。
7.因此，为了增加能使用光学流动池进行的测量的范围和/或适于吸光度随着时间的变化，各种技术已被开发以在光学流动池中提供或可变的光径或多个备选光径。
8.例如在us 6，747，740、us 6，188，474以及us 7，808，641中，示出采用可变的光径长度的各种系统的示例。
9.在us 5，214，593中描述一种使用固定多光光径流动池的系统。
10.例如，一种技术使用可移动光纤以便改变单个光学流动池中的光径长度。然而，这种技术相对缓慢，使得跨大范围浓度（例如，如采用相对快速流动的流体所必须的）的精确实时测量是不可能的。
11.一种改变单个光学流动池中的光径长度的备选方式，所述备选方式是通过移动光学流动池本身内的物理边界，例如通过提供可调整池长度的光学流动池，改变光径长度。然而，这种光学流动池一般不能被足够快地调整以能够实现光学多路复用。进一步，这种光学流动池难以调整和控制以便提供高精度，可重复长度光径长度等。
12.使用提供有具有相应的预定义的光学长度的多个光径长度的系统来执行吸光度测量也是用于增加在其上吸收测量能被精确地进行的动态范围的技术。然而，这种系统需要多个流动池和/或多个光纤通道/系统的使用。因此，这与所使用的光径长度的数量成比例地抬高这种系统的成本和复杂度。
13.因此，本发明的目的是要解决已知光学流动池和/或光学流动池系统的前述缺点。


技术实现要素：

14.本发明的各种方面和实施例针对解决上述已知装置和系统的缺点。
15.更具体地，本发明由所附权利要求限定。
16.根据第一方面，本发明提供用于生物处理的光学流动池，所述光学流动池包括：流体入口；流体出口；流体流动通道，在所述流体入口与所述流体出口之间提供；输出光学波导，配置成将光发射到所述流体流动通道中；收集器光学波导，配置成从所述流体流动通道收集光；以及光径长度调整器，用于改变在所述输出光学波导和所述收集器光学波导之间的任何流体中的光径长度。
17.根据第二方面，本发明还提供了供在光学流动池中使用的可移除室模块。可移除室模块包括：其中的流体流动通道；用于光学地将流体流动通道连接到输出光学波导的输出光学波导耦合器；以及用于光学地将流体流动通道连接到收集器光学波导的收集器光学波导耦合器。可移除室模块还包括在通道中提供的光径长度调节器和光径长度调节器致动器，其中光径长度调节器致动器可操作以在通道内移动光径长度调节器。
18.根据第三方面，本发明提供一种用于使用光学流动池来测量流体或流体混合物内的物质的光学密度的方法。该方法包括：i）从输出光学波导将光发射到流体流动通道中；ii）使用收集器光学波导从流体流动通道收集光；iii）基于所述所收集的光确定物质的第一光学密度；以及iv）如果所述所确定的第一光学密度位于光学流动池的线性操作范围之外，则改动流体流动通道中的流体或流体混合物内的光径长度，以便将第一光学密度的值改动成对应于第二光学密度的值，所述第二光学密度位于所述线性操作范围之内。
19.通过提供光径长度调整器、光径长度调节器和/或通过改变光学流动池内的光径长度，本发明的各种方面和实施例能够调整光学流动池中的流体中的光径长度，而不需要提供多个分开的光学波导通道，并且与此同时同步地提供快速且精确可控制的光径长度变化。
附图说明
20.根据以下描述和附图，本发明及其实施例的各种其他优点和益处也将变得显而易见，其中：图1a示意性地示出根据本发明的实施例的光学流动池；图1b示出在第一操作条件下图1a的光学流动池内的光径；图1c示出在第二操作条件下图1a的光学流动池内的光径；图2示出供本文所述的光学流动池的各种实施例的光径长度调节器使用的光径长度调节器组件；图3a示意性地示出在第一操作条件下根据本发明的另一实施例的光学流动池；图3b示出在第一操作条件下图3a的光学流动池内的光径；图3c示意性地示出在第二操作条件下图3a的光学流动池；图3d示出在第二操作条件下图3c的光学流动池内的光径；以及图4示出根据本发明的各种实施例的用于使用光学流动池来测量流体或流体混合
物内的物质的光学密度的方法。
具体实施方式
21.图1a示出根据本发明的实施例的光学流动池100。光学流动池100可被用于生物处理应用，例如在使用生物反应器的生物制药产品的生产中。例如，光学流动池100可被用于色谱法和/或过滤应用。其可特别地适于供色谱法应用使用，其中发生浓度的迅速变化，这需要实时监测，例如在洗脱步骤期间。
22.光学流动池100包括流体入口102和流体出口104。流体流动通道106在流体入口102与流体出口104之间提供。还提供配置成将光发射到流体流动通道106中的输出光学波导108。输出光学波导108能包括配置成将光传递到流体流动通道106中的光纤波导（例如具有~400μm的直径）。还提供配置成从所述流体通道106收集光的收集器光学波导110。收集器光学波导110还可包括光纤波导，其可具有比被用于输出光学波导108的光纤波导的直径更大的直径（例如具有~1mm的直径）。所使用的光可以任何期望的波长（λ）来提供，任何期望的波长（λ）是诸如例如紫外（uv）波长，可见光波长或红外波长。在各种实施例中，uv光由于它容易被蛋白质所吸收而被使用，所述蛋白质产生于生物反应器中并且随后在各种生物制药产品的制造中被使用。在各种实施例中，通过扫过不同波长的范围，可或同时或依次地应用多个波长。不同或多个波长的应用能进一步增加测量范围而且提供数据集，所述数据集具有更细节的分辨率以及一批更广泛的分析信息。
23.光学流动池100包括光径长度调整器120，所述光径长度调整器用于改变通过流体流动通道106中的在输出光学波导108和收集器光学波导110之间提供的任何流体的光径长度130。在此上下文中，光径长度被理解为意思是在将通过光采样的流体中传播的物理距离。
24.在此实施例中，光径长度调整器120包括在流体流动通道106内提供的光径长度调节器124。路径长度调节器124在流体流动通道106中可收缩地安装于输出光学波导108和收集器光学波导110之间。在各种实施例中，还可提供放置于光学测量路径之外的导向圈以减少可能在表面之间引起的摩擦和磨损，所述表面由于不良的对准可以其他方式摩擦。
25.在收缩位置中，对应于第一操作条件，通过输出光学波导108和收集器光学波导110之间的距离限定流体中的光径长度。在第二操作条件期间，一旦在输出光学波导108和收集器光学波导110之间插入路径长度调节器124，所述路径长度调节器减少在其之间流动的任何流体中的光径长度。相应地，流体内的光径长度能够被控制。
26.光径长度调整器120包括致动机构122，所述致动机构用于将流体流动通道106内的光径长度调节器124在输出光学波导108和收集器光学波导110之间移动。在这种情况下，致动机构122包括光径长度调节器124所附着到的压电悬臂驱动机构。压电悬臂驱动机构可容纳在具有提供到其的外部电连接器的可移除室模块126中。通过使用电压源128驱动压电悬臂驱动机构，例如，即通过外部电连接器电耦合到压电悬臂驱动机构，能在收缩位置与延伸位置之间移动光径长度调节器124，以便迅速在流体流动通道106内定位光径长度调节器124。此外，光径长度调节器124的这种移动还能为此被用来提供清理动作。在各种实施例中，压电悬臂驱动机构可被集成到（例如，流动池的）室中，则这有利地不需要在可移位/可移动的外部致动器和光径长度调节器124之间提供流动室壁段或柔性密封的构造。
27.其他可行的实施例提供光径长度调节器的移位。在一个实施例中，例如，光径长度调节器可提供有磁性元件，由此通过应用和磁场的交替允许它在流动池内部的移位，由此省去对于机械致动和路径调节器的移位的需要。
28.可移除室模块126本身包括其中的流体流动通道。此外，提供用于光学地将流体流动通道连接到输出光学波导108的输出光学波导耦合器，以及用于光学地将流体流动通道连接到收集器光学波导110的收集器光学波导耦合器。对于生物处理应用，可有利地提供一次性使用的组件。例如，可移除室模块126可以是无菌的一次性使用的任意处置的产品和/或包括各种快速释放机构，所述快速释放机构用于无菌地将光学流动池连接到生物处理系统中。此外，通过提供可移除室模块126，可以可更换地提供光学流动池，其能被定制用于具体应用，例如，在大小，流动率，流体混合物等方面。在传统的，不能任意处置的设置和应用中，如有需要，可移除室模块可改为促进任何磨损或损坏部件的维修或更换。
29.尽管本文所述的各种实施例提供了供在光学流动池中使用的可移除室模块，然而本领域技术人员将认识到使用各种非可更换组件，许多备选实施例将是可能的。
30.本发明设想用于调节流体样本内的光径的各种不同类型的光径长度调节器124的使用。例如，光径长度调节器124可包括基本上平面的光学垫片124'。这种基本上平面的光学垫片124'的使用是有益的，因为它允许其厚度的精确控制，并且因此允许流体样本内的光径和/或光径长度的精确控制。
31.各种光学透明材料还可被用于提供光径长度调节器124，或诸如表示为124'的光学垫片之类的光学垫片。例如，可使用石英玻璃或塑料材料。这种材料能被用于精确地制造具有高厚度均匀性的光径长度调节器124。
32.图1b示出在第一操作条件下图1a的光学流动池100内的光径130，其中使用光学垫片124
ʹ
形成的光径长度调节器124处于收缩位置。光径130，其在流体内具有第一光径长度（p
fluid0
），在第一操作条件下处于最大值，并且对应于输出光学波导108和收集器光学波导110之间的距离（d
io
）使得：
ꢀ‑ꢀ
公式1图1c示出在第二操作条件下图1a的光学流动池100内的光径130，其中使用光学垫片124'形成的光径长度调节器124处于插入位置。光学垫片124'具有均匀的厚度t
opm
。光径130，其在流体内具有第二光径长度（p
fluid1
），在第二操作条件下处于最小值，并且对应于输出光学波导108和收集器光学波导110之间的距离（d
io
），排除由光学垫片124'占用的路径长度，使得：
‑ꢀ
公式2因此，当致动机构122被激活时，流体中的光径长度能从p
fluid0
被切换到p
fluid1
，其中：
‑ꢀ
公式3图2示出供本文所述的光学流动池的各种实施例的光径长度调节器124使用的光径长度调节器组件124''。光径长度调节器组件124''由变化厚度轮廓光学垫片组成。在这个实例中，取决于输出光学波导108和收集器光学波导110之间的变化厚度轮廓光学垫片的位置，变化厚度轮廓光学垫片能被用于在光径130内提供两种不同厚度的材料。
33.光径长度调节器组件124''包括具有厚度t
opm1
的第一基本上平面的段202，以及具有厚度t
opm2
的第二基本上平面的段204。在这种实例中：，
‑ꢀ
公式4因此使用光径长度调节器组件124''的此实施例，以上光学流动池100中流体的光径长度能从p
fluid
=d
io
被调节到：
‑ꢀ
公式5其中i对应于一系列/组整数，并且i=（1，2），从而对于光学流动池100中的流体给出光径长度的三种可能设置。
34.本领域技术人员将会清楚地意识到能够提供各种不同的光径长度调节器组件，所述光径长度调节器组件具有例如采用多个厚度的阶梯式轮廓。例如，公式5的所述一系列/组整数i可从1运行到3，从1运行到4，从1运行到5等。这种光径长度调节器组件还可提供有曲线/锥形轮廓，例如在其中发生厚度转变的边缘处，以便使围绕其的流体流动流线化。这种光径长度调节器组件可例如通过使用化学蚀刻、光刻法、增量制造等形成。此外，光径长度调节器组件，或光学流动池的组件的任何其他组件，可提供有抗反射（ar）涂层以减少由杂散光反射引起的任何不期望的测量伪影。
35.还设想其他实施例，例如使用包括垫片轮的光径长度调节器组件，所述垫片轮可操作以插入一个或多个不同厚度的垫片，以便扫过光学流动池内的两个或更多个光径长度。
36.图3a示出在第一操作条件下根据本发明的另一实施例的光学流动池300。
37.光学流动池300包括流体入口302和流体出口304。流体流动通道306在流体入口302与流体出口304之间提供。还提供配置成将光发射到流体流动通道306中的输出光学波导308。输出光学波导308能包括配置成将光传递到流体流动通道306中的光纤波导。还提供配置成从所述流体流动通道306收集光的收集器光学波导310。收集器光学波导310还可包括光纤波导，其可具有比被用于输出光学波导308的光纤波导的直径更大的直径。所使用的光可以任何期望的波长（λ）被提供，任何期望的波长（λ）是诸如例如紫外（uv）波长，可见光波长或红外波长。在各种实施例中，uv光由于它容易被蛋白质所吸收而被使用，所述蛋白质产生于生物反应器中并且随后在各种生物制药产品的制造中被使用。
38.光学流动池300包括光径长度调整器320，所述光径长度调整器用于改变通过流体流动通道306中的在输出光学波导308和收集器光学波导310之间提供的任何流体的光径长度330。
39.在此实施例中，光径长度调整器320包括在流体流动通道306内提供的光径长度调节器324，所述流体流动通道在光学流动池300的流体室326中。路径长度调节器324在流体流动通道306中可收缩地安装于输出光学波导308和收集器光学波导310之间。在收缩位置中，对应于第一操作条件，通过输出光学波导308和收集器光学波导310之间的距离以及流体其间的折射率来限定流体中的光径长度。在第二操作条件期间，一旦在输出光学波导308和收集器光学波导310之间插入路径长度调节器324，它减少在其间流动的任何流体中的光径长度。相应地，流体内的光径长度能够被控制。
40.光径长度调整器320还包括致动机构322，所述致动机构用于将流体流动通道306
内的光径长度调节器324在输出光学波导308和收集器光学波导310之间移动。在这种情况下，致动机构322包括通过弹性密封耦合件342连接到光径长度调节器324的摇杆机构340。弹性密封耦合件342可包括橡胶或另一弹性材料，并且在各种实施例中，弹性密封耦合件342可以从光学流动池300可移除。例如，可使用以及能选择诸如santoprene
®
、mediprene
®
等热塑弹性体（tpe）使得采用灭菌/高压灭菌和/或伽马辐射（在灭菌/高压灭菌和/或伽马辐射之后）实现最优性能。流体流动通道306外部的摇杆机构340的远端被连接到螺线管致动器346。螺线管致动器346能通过电连接器348电驱动。
41.当螺线管致动器346没有被电激活时，光径长度调节器324处在第一收缩位置。在此第一操作条件下，没有光径长度调节器324的部分位于输出光学波导308和收集器光学波导310之间。
42.螺线管致动器346的电激活使摇杆机构340旋转，并且所述电激活在输出光学波导308和收集器光学波导310之间移动光径长度调节器324以影响第二操作条件。移除电激活则随后使光径长度调节器324返回到第一收缩位置。
43.因此，螺线管致动器346的电激活能用于迅速定位流体流动通道306内的光径长度调节器324。此外，光径长度调节器324的这种移动还能为此被用于提供清理动作。
44.例如，如上所述，本发明设想用于调节流体样本内的光径的各种不同类型的光径长度调节器的使用。例如，光径长度调节器324可包括基本上平面的光学垫片。
45.在各种实施例中，诸如螺线管致动器346的外部致动器可以是可重复使用的，而流动池作为润湿部件可以是能被更换的一次性使用的部件。这种流动池可提供有到流体路径的连接，诸如tc连接、倒钩连接、无菌连接等。这种流动池可优选地通过伽马辐射预灭菌。当被集成为流体组合件（例如完整的流动套件）时，组合件作为整体也可被提供预灭菌。
46.图3b示出在第一操作条件下图3a的光学流动池300内的光径330。例如使用光学垫片324'可形成的光径长度调节器324在收缩位置中。光径330，其在流体内具有第一光径长度（p
fluid0
），在第一操作条件下处于最大值，并且对应于输出光学波导308和收集器光学波导310之间的距离（d
io
）。在这方面，公式1是可适用的，但在这个实例中距离（d
io
）可或不可与图1b中所描绘的距离相同。
47.图3c示出在第二操作条件下图3a的光学流动池300。在这种情况下，螺线管致动器346提供有经由电连接器348的电功率，使得摇杆机构340已移动以在输出光学波导308和收集器光学波导310之间定位光径长度调节器324。
48.图3d示出在第二操作条件下图3c的光学流动池300内的光径330。光学垫片324'在输出光学波导308和收集器光学波导310之间的插入位置中。光学垫片324'可具有均匀的厚度t
opm
。光径330，其在流体内具有第二光径长度（p
fluid1
），在第二操作条件下处于最小值，并且对应于输出光学波导308和收集器光学波导310之间的距离（d
io
），排除由光学垫片324'占用的路径长度。和以上类似，公式2和3适用，使得当致动机构322被激活时，流体中的光径长度能从p
fluid0
被切换到p
fluid1
。
49.图4示出根据本发明的各种实施例的用于使用光学流动池来测量流体或流体混合物内的物质的光学密度的方法400。方法400可例如结合上文所述的光学流动池100，300的实施例使用。
50.方法400包括从输出光学波导将光发射到流体流动通道中的步骤402。然后光穿过
流体通道内的任何流体或流体混合物中的光径。然后在步骤404处，使用收集器光学波导从流体流动通道收集这种光。
51.在步骤406处，基于所收集的光的强度和/或光谱含量，方法400然后继续确定物质的第一光学密度。当所确定的第一光学密度位于光学流动池的线性操作范围之外时（如步骤406处所确定的），流体流动通道中的流体或流体混合物内的光径长度从对应于第一光学密度的值被改动到对应于位于所述线性操作范围之内的第二光学密度的值。例如，这可通过使用光径长度调整器减少流体或流体混合物内的光径长度来实现，如本文所述，通过将光径长度调节器移动到流体流动通道内的在输出光学波导和收集器光学波导之间的位置。
52.一旦位于线性操作范围内的第一光学密度或第二光学密度的适当值已被确定，方法400采用最后步骤408完成，所述最后步骤是使用那个值作为用于流体或流体混合物内的物质的光学密度的确定因素值。这种用于流体或流体混合物内的物质的光学密度的确定因素值可因此提供流过流体流动通道的生物处理流体或流体混合物中的物质的存在和/或浓度的指示。
53.因此，使用图4的方法400，取决于吸光度值和线性度提供涉及路径长度的位移的实时决策是可能的。
54.还设想一种备选的方法，其中无论所测量的吸光度，随着从采用不同的路径长度所获取的各种信号中的恰当的信号的后续选择，路径长度持续地被位移。例如，落在线性测量范围内的值可被恰当地分类。在一些应用中，可甚至可期望持续地收集，处理和/或评估为多个路径长度所获取的数据，并且因此所述路径长度的持续位移可以是可优选的。
55.各种实施例还可使用在其中在多个不同的波长上进行扫视的技术。这种技术还可与一种涉及扫过不同的路径长度的技术结合。还应当理解，存在用于收集和处理数据的各种方式，其能涉及或持续地扫过路径长度和/或波长，或其涉及对依赖于实际测量的扫描轮廓做出决定，所述各种方式则可随着时间改动。
56.以上已描述各种实施例。这些实施例可以至少部分地使用诸如聚丙烯、聚乙烯、聚醚醚酮、topas
®
等聚合物材料来构造任何基本上刚性的组件或其子组件。此外，各种实施例可提供有无菌的流体连接。这些可以具有快速释放设计。
57.本发明还设想提供固定样本容量（诸如比色皿，例如供在光度计中使用）的各种实施例，其中比色皿中的光径长度可通过插入恒定厚度或变化厚度的垫片元件/光径长度调节器来改变。
58.本领域技术人员还将认识到当最终确定流动池的设计时，例如对于任何所需要的校准，以及在测量结果的分析和解释中，可存在要被考虑的系统效应。这种系统效应可包括光学元件的非理想特性，诸如反射、杂散光、光损失、折射率等。
59.本发明的某些方面和实施例的一个另外的优点是，光径长度调节器的定位和/或对准精确度不一定是关键的，相反是形成光径长度调节器的光学部件的厚度的控制精度限定了流体内光路长度的减小。
60.本发明的各种方面和实施例的又另一优点是能制作紧凑的，并且只具有小占用面积和小存留体积的光学流动池。
61.本发明的各种方面和实施例的又另一优点是能制作耐受高流体压力的光学流动池。如果在固定壳体内实现光径长度调节器的致动，诸如通过使用例如压电悬臂驱动机构
或（电-）磁致动，这可尤其如此。
62.此外，在各种实施例中，可用性可被极大地改善为仅需要制作一个光纤连接。这使得这种实施例特别地适合供在一次性使用的装置中使用。
63.最后，应理解的是，本发明不限于本文描述的实施例，而是还涉及且结合落入所附权利要求的范围内的所有实施例。