专利名称：超声流量计的制作方法
超声流量计技术领域[Oil本发明涉及一种用于超声流量计的、基于聚合物的流量池及其制造方法。该流量计适用于例如通过使用色谱法或过滤法来分析、净化或准备例 如蛋白质及核酸等生物分子的、 一次性使用的系统中。
背景技术：
02]有大量文献涉及超声流量计。美国专利第2,874,568和2,923,155号描 述了超声流量计，其中，探针不刺透管道壁，而是安装在壁外部。通过这 些设置，纵波在管道和流体之间的界面处的折射角相当小，因此，超声波 沿平行于流体流动轴线的方向的速度分量非常小。对于这种系统，灵敏度， 尤其是对于低流率来说，是重要的限制因素。在美国专利第3，575，050号 中，流量计采用了斜向经过管道的、纵向模式的超声波，使得在与流体流 动轴线平行的方向具有非常大的速度分量。这是通过安装在管道外部的变 换器实现的，因此没有流体流的流动的扰动。变换器包括剪切模式超声波 的发生器/接收器，其被耦接至所述管道，使得剪切波倾斜地入射在管道和 流体之间的界面上。这些剪切波被界面处的折射模式转换成纵波，则现在 纵波以大很多的角度一一通常是两倍于用入射纵波所得的角度一一传递 穿过流体材料。为了测量流率，下行的纵波和上行的纵波之间的过渡时间 差提供了用于确定平均流率的才艮据。过渡时间的这种确定可以例如通过计 时两个脉沖之间的时间差或者替代地通过测量所发射的连续波之间的相 位移动或连续波能量的爆发来作出。因为M射穿过流体的超声波具有较 大的沿平行于流动轴线方向的速度分量，所以增加了测量的灵敏度。
在一种市场上能买到的超声流量计(美国佛罗里达州Boca Raton市 Malema Sensors的M-2000系列)中，安装有两个超声变换器,'使得超声 波平行于流量池通道的轴线行进。因此，超声波平行于流动方向行进，使 得测量的灵敏度最大化。另外，还具有与超声变换器的相对定位的使用、 以及超声波沿与流量池通道的轴线平行的方向行进的事实相关的优点。对 于传统的"夹紧式"超声流量计来说，纵波在管道和流体之间的界面处的折射角相对较小，因此，超声波沿平行于流体流动轴线的方向仅具有非常小的速度分量。美国专利第2，874，568以及2，923，1S5号描述了超声流量计， 其中，探针不刺透管道壁，而是安装在壁的外部。通过这些设置，由于管 道壁或管壁的材料不同于流动于管内的流体，所以根据Snell定律(Snell，s law，斯涅耳定律)两种材料的不同声学特性将引起超声辐射束的角度偏转。 因此，此偏转将根据管内是流何流体而变化。对于如下测量来说这可能不 是问题，即，例如在供油管中等流体组分基本保持不随时间改变的系统中 的流动测量，或者对于饮用水供给的测量。在这种系统中，随着时间的推 移，根据Snell定律的偏转角将保持相对来说比较恒定。但是，例如通过 使用色镨法或过滤法(例如通过使用隔膜)，在用于分析、净化或者准备 例如蛋白质和核酸等生物分子的系统中，即使在单个分离实验期间，流体 组分也可以显著改变。在色谱法中，使用了溶剂梯度和盐梯度，其目的是 加速分离并且提高分离的分离度。溶剂梯度的典型示例包括将有机溶剂 (例如曱醇和乙腈)的浓度从梯度开始处的0%升高到在梯度结束处的 80%。盐梯度的典型示例包括将盐(例如氯化钠)的浓度从梯度开始处的 0 M升高到在梯度结束处的2 M。梯度时间能够是实验的全部运行时间， 或者只是实验的全部运转时间的一部分。由于传统"夹紧式"超声流量计 的几何设置，则当流体的组分改变时，表观测量流率将也会不同。但是， 通过其中超声变换器轴向对齐、彼此相对地定位并且沿轴向与流量池通道 对齐的流量计设置，这种影响将被最小化，因为纵波在管道(或管)与流 体之间界面处的折射角是90度，并且，另外超声波速度分量主要沿着平行 于流体流动的轴线的方向。04但是，在文献(例如美国专利第2,874,568、 2，923，155及3,575,050号， 以及来自Malema Sensers的超声流量计的公开说明书等)中所描述的超声 流量计不适于例如通过使用色谱法或隔膜过滤法来分析、净化或准备例如 蛋白质和核酸等生物分子的系统。因而，尽管在例如色镨系统等分离系统 中频繁使用流量计，但是并没有出版物推荐在这种系统中使用超声流量 计。这些系统在25毫升/分至9升/分范围内的所有流率处要求优于5%的 精确度。此外，对于从25毫升/分至9升/分范围内的流率，来自流量池的 背压应当小于0.4巴，并且对于色镨法分离来说，以25毫升/分至9升/分 范围内的流率运转的情况下，流量计的i普段增宽效应必需小于10%。优选 地，流量池的材料应当具有对超声波的衰减低的特征，以便于增大灵敏度。更优选地，该材料应当还适用于一次性使用或用后即丟弃的系统，例如， 其应当相对较便宜、可消毒并且能够完全燃烧。
现有技术超声流量计所带来的另一个不利在于在调换或更换流量计 时，需要进行重新校准，因为各个流量池的流量池通道的内径变化非常大。 所属领域的技术人员将了解，这对于附接至现有的管(例如供油管)或管 道上的"夹紧式"超声流量计来说尤其成问题。这种操作非常费时，其对 于要长期使用的流量池来说是可接受的，但是对于仅使用 一次或仅短期使 用的、 一次性使用的和/或消毒的流量池来说是不可接受的。发明内容
在本发明中，超声变换器ll被定位成彼此轴向对齐、相对，并且被流 量池通道13的大致直形的部分12分开。超声变换器11由至少一个塞14 或壁15而与流量池通道13内部的流体分离，以确保超声变换器11不与流 量池通道13内的流体直接接触。超声变换器11能够容易地从流量池10 拆下，以便于以合理的成本、在合理的时间内在实验之间从已用过的流量 池10更换至消毒了的流量池10。在本发明的一个实施方式中，超声变换 器11都通过至少一个插销接合件16紧固至流量池10,以便于容易紧固或 拆下变换器11，但是，用于容易附接和/或拆卸的其它可拆式紧固装置也是 可能的(例如卡配、夹紧、螺接)。[11]流量池通道13的大致直形的部分12能够具有3至30厘米之间——优 选为10至25厘米之间、更优选为10至20厘米之间、更进一步优选为13 至17厘米之间一一的长度L。通道13的截面通常为圆形，但是任意几何 形状，例如矩形，都应当净皮认为是落入本发明的范围内。在本发明的一个 实施方式中，通道13的截面为圆形，通道13呈圆柱的形状。通道13的直 径D 够为在1至16毫米之间，更优选为在3至10毫米之间，更进一步优选为在4至7毫米之间。由于超声变换器11的轴向对齐以及流量池通道 13的尺寸即流量池通道13的截面面积和长度，使用具有落入上述范围内 的尺寸的流量池11的流量计满足如下要求在25毫升/分至9升/分范围内 的流率处流量计精确度优于5%。此外，对于25毫升/分至9升/分范围内 的流率(水溶液)来^C，来自流量池10的背压小于0.4巴。另外，流量池 13的几何形状祐:i殳计成消除死区。因此，并且还因为流量池通道13的选 定的比例(即截面面积与长度)，根据本发明的流量池10的谱段增宽效应 已被计算出为对于运行于25毫升/分至9升/分范围内的流率处的色谱分离 来说小于10%。[121在一个方面中，所述通道13的大致直形的部分12的内径的改变不超 过1%。这种流量池的优点是其不需要在每次调换或更换流量池时都重新 校准流量池。对于用于一次性使用的系统中的流量池来说这尤为有利。[131所述通道13的大致直形的部分12可优选为具有10至30厘米之间的 长度。通道13的大致直形的部分12的截面可以呈许多形状，包括但不限 于矩形、椭圆形及方形。优选地，其形状为圆形，并且所述圆形的直径为 4至12毫米之间。[141在一个方面中，拆掉了变换器的流量池(即当变换器未附接至流量池 时)由聚合材料制成。优选地，该流量池由单种聚合材料制成。更优选地， 所述聚合材料满足USP的六级要求。[15在本发明的一个实施方式中，拆掉了变换器的流量池10由聚甲基戊烯 (日本Mitsui Chemicals的TPX聚曱基戊烯RT18XB)制成。聚甲基戊烯 (TPX)提供了低阻尼的超声波。此外，聚甲基戊烯(TPX)能够被注射 成型并且作为原材料以及加工起来都不昂贵。另外，聚甲基戊烯(TPX) 满足USP六级要求，这使得其适用于运行于严格受控的环境中。[16]拆掉了变换器的根据本发明的流量池10 (即当未附接有这些变换器 时)能够通过成型来进行制造。另外，拆掉了变换器的^L据本发明的流量 池10能够通过注射成型来制造。流量池10可以以单件的方式成型，但是 也能够用若干部件来组装流量池IO。流量池10的通道13能够被钻成，但 是所属技术领域的技术人员所公知的任何其它加工方法，例如切消、铣削、 蚀刻等，也都应被认为是落入在本发明的范围内。[17在一个方面中，拆掉了变换器的流量池10能够被消毒。优选地，能够用Y射线对流量池进行消毒。更优选地，能够在使用前用Y射线对流量池 进行消毒。最优选地，能够在使用前用Y射线对拆掉了变换器的流量池进 行消毒。[18在一个方面中，通道13通过塞14和/或壁15而与超声波变换器11分 离开。[19优选地，流量池用于色i普法或过滤法中。[20]在另一方面中，流量池用于例如蛋白质、缩氨酸及核酸等生物分子的 分离中。应当了解，流量池还可以应用于通过色镨法或过滤法对任意分析 物的分离中。[21根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造如前所述拆掉了变换器 的流量池的方法，其中通过成型来制造流量池。这是有利的，因为其不昂 贵且加工筒单。在一个方面中，拆掉了变换器的流量池是通过注射成型而 制成的。在另一个方面中，流量池中的通道13是通过钻孔或切削制成的。[22在本发明的第三方面中，提供了 一种用于使用流量池10测量流体流率 的方法，[23所述流量池包括流体入口和流体出口，所述流体入口和流体出口由其 中具有大致直形的部分12的样本流过的通道13分离，所述流量池进一步 包括两个超声波变换器11，所述超声波变换器11在所述通道13的相对侧 上彼此轴向对齐，其中，由所述变换器所发射的超声波沿平行于所述流动 方向的相对的方向纵向行进穿过所述通道13的所述大致直形的部分12， 两个所述超声波变换器11能够以可逆方式从所述流量池拆下，其中，所述 纵波在所述通道13的大致直形的部分12与所述流体之间的界面处的折射 角大致是90度，[2司所述方法包括步骤(a) 使流体流过所述通道13的大致直形部分12;(b) 从一个或两个所述轴向对齐的变换器发射纵向穿过所述通道13 的直形部分12内的流体的超声波；(c) 通过一个或两个轴向对齐的变换器接收所述超声波；以及(d) 计算所述流体的流率。[25在一个方面中，所述通道13的大致直形的部分12的内径的改变不超 过1%，并且在使用前所述方法不需要校准所述超声流量计。[26优选地，所述流体含有待分析物。更优选地，所述分析物是生物分子。 最优选地，所述分析物是选自由蛋白质、肽、核酸、寡核苷酸及多核苷酸 构成的组合的分子。[27在本发明的第四方面中，提供了如前所述的流量池在色谱或过滤装置 中的应用。
[281图1以立体图的方式示意性地示出了根据本发明的超声流量计的一个 实施方式。[291图2是根据本发明的超声流量计的第二实施方式的示意性俯视图。 [30图3a)是根据本发明的超声流量计的笫三实施方式的分解立体图。 [31图3b)是根据本发明的超声流量计的第三实施方式的立体图。 [32图3c)是根据本发明的超声流量计的第三实施方式的截面图。
具体实施方式
331本发明的一个目的是提供一种用于超声流量计中的流量池10，该流量 计适用于分离和净化化学、生物分子或其它用于药学应用的组分的、 一次 性使用的系统中。[34图1是才艮据本发明的流量池10的实施方式的示意性立体图。在本发明 中，超声变换器ll被定位成彼此对齐、相对，并且被流量池通道13的大 致直形的部分12分开。超声变换器11沿着流量池通道13的大致直形的部 分12的轴线定位。流量池通道还能够被限定为室。流量池通道13能够呈 任意的几何形状。通常，流量池通道13被形成为由壁15所环绕的室，并 且具有用于将液体流接收到流量池10内的入口部分13，以及用于将液体流 从流量池10分配出去的出口部分13"。入口部分13，和出口部分13"从侧 面连接到位于两个超声变换器11之间的流量池通道13的大致直形的部分 12。入口部分13，和出口部分13"设置有连接器18,以《更于耦接至用于液 体流的通道19。超声变换器11由壁15而与流量池通道13内部的流体分离，以确保超声变换器11不与流量池通道13内的流体直M触。超声变 换器11能够从流量池10拆下，以便于以合理的成本、在合理的时间内在 实验之间更换成已消毒的流量池IO。在本发明的此实施方式中，每个超声 变换器11都被一个插销接合件16紧固至流量池10，以便于容易拆下变换 器ll。每个变换器都能够用作为超声振动发射器和接收器，并且，在使用 时能够在模式之间变换，使得当一个变换器处于发射器超声模式中时，另 一个处于接收模式。[35为了允许高灵铜:度和良好的分离度，流量池10塞14或者壁15由对超 声波阻尼低的材料制成。优选地，这种材料还应当适于用于一次性使用的 系统中。此外，来自流量池的背压应当小于0.4巴，并且流量池的语段增 宽效应对于色镨法分离的分析和准备目的来说都是很明显的。为了满足用 于灵敏度、谱段增宽和背压的这些要求，流量池通道13的大致直形的部分 12能够具有3至30厘米之间——优选为10至25厘米之间、更优选为10 至20厘米之间、更进一步优选为13至17厘米之间——的长度L。[36]图2是根据本发明的流量池10的第二实施方式的示意性俯视图。超声 变换器11被定位成彼此对齐、相对，被流量池通道13的大致直形的部分 12分离。超声变换器11沿着流量池通道13的大致直形的部分12的轴线 定位。超声变换器11由至少一个塞14从流量池通道13内部的流体分开， 以确保超声变换器11不与流量池通道13内部的流体直接接触。超声变换 器11能够从流量池IO拆下。通道13的截面通常为圓形，但是任意几何形 状，例如矩形，都应当被认为是落入本发明的范围内。在本发明的一个实 施方式中，通道13的截面为圆形，通道13呈圆柱的形状。通道13的直径 D能够为在l至16毫米之间，更优选为在3至IO毫米之间，更进一步优 选为在4至7毫米之间。在根据本发明的一个实施方式中，通道13的直径 D是4毫米。在根据本发明的另一个实施方式中，通道13的直径D是7 毫米。在25毫升/分至9升/分范围内的流率时，由于流量池通道13的选 定比例(即截面面积、形状和长度)，根据本发明的流量池10的背压已被 计算为小于0.4巴。此外，同样由于流量池通道13的选定比例(即截面面 积、形状和长度)，根据本发明的流量池10的谱段增宽效应已被计算出为 对于运行于25毫升/分至9升/分范围内的流率处的色谱分离来说小于 10%。[37图3a)是根据本发明的超声流量计的第三实施方式的分解立体图。该图示出超声变换器11和用于通过塞14耦接至流量池10的插销接合件16、 用于将流量池IO耦接至另一用于流体流动的通道19的连接件18以及密封 O形圈20。[38]图3b)是根据本发明的超声流量计的第三实施方式的立体图。该图示 出超声变换器11和用于耦接至流量池10的插销接合件16以及用于将流量 池10耦接至另一用于流体流动的通道19的连接件18。39图3c)是根据本发明的超声流量计的第三实施方式的截面图。该图示 出流量池10，其具有超声变换器11和插销接合件16，插销接合件16具有 用于耦接至大致直形的通道12的塞14，以及用于通过入口部分13，和出口 部分13"将流量池10耦接至另 一用于流体流动的通道19的连接件18。[40在本发明的一个实施方式中，流量池IO由聚甲基戊烯(日本，Miteui Chemicals的TPX聚曱基戊烯RT18XB)制成。[41根据本发明的流量池(10)能够通过使用成型来制造。另外，根据本 发明的流量池10能够通过使用注射成型来制造。流量池IO可以以一个单 件成型，但是也能够用若干部件来組装流量池IO。流量池10的通道13能 够被钻成，但是对于所属领域的技术人员来说已知的任何其它处理方法 (如切削)也应当被认为是落入本发明的范围内。[42在用于制造根据本发明的流量池10的一种方法中，通过使用塞14或 壁15，样本流过的室12,皮从超声波的变换器11分离。43能够用至少一个连接件18将流量池10连接至另一个用于流体流动的 通道19，并且，该至少一个连接件18防止了在高达10巴时的泄漏。[44根据本发明的流量池10适用于测量流体的流率。根据本发明的流量池 IO特别适用于测量用于分离或净化化学、生物分子、细胞或其它生物组成 的系统中流体的流率。根据本发明的流量池10适用于测量用于色谦法的系 统中的流体的流率。[45上迷示例示出了本发明的具体方面，并且并非意在将其范围限制于任 意方面，而且也不应这样进行解释。得益于如上所述本发明的教示的、所 属领域的技术人员能够对其实施大量改型。这些改型都应当解释为被包含 于在所附权利要求书中所提出的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于测量流体流率的流量池(10)，其包括流体入口和流体出口，所述流体入口和流体出口由其中具有大致直形的部分(12)的样本流过通道(13)分离，所述流量池进一步包括两个超声波变换器(11)，所述超声波变换器(11)在所述通道(13)的相对侧上彼此轴向对齐，其中，由所述变换器所发射的超声波沿平行于所述流动方向的相对方向纵向地穿过所述通道(13)的所述大致直形的部分(12)，两个所述超声波变换器(11)能够以可逆方式从所述流量池拆下，其特征在于，所述纵波在所述通道(13)的大致直形的部分(12)与所述流体之间的界面处的折射角大致是90度。
2. 如权利要求l所述的流量池(10)，其中，所述通道(13)的大致 直形的部分(12)的内径的改变不超过1%。
3. 如权利要求1或2所述的流量池(10)，其中，所述通道(13)的 大致直形的部分(12)具有10至30厘米之间的长度。
4. 如前述权利要求中任一项所述的流量池(IO)，其中，所述通道(13) 的大致直形的部分(12)的截面的形状为圓形，并且所述圓形的直径为4 至12毫米之间。
5. 如前述权利要求中任一项所述的流量池(10)，其中，拆掉了变换 器(11)的所述流量池由单种聚合材料制成。
6. 如权利要求5所迷的流量池(10),其中，所述聚合材料满足USP 的六级要求。
7. 如权利要求6所述的流量池(10)，其中，所述聚合材料是聚甲基 戊烯(TPX )。
8. 如前述权利要求中任一项所迷的流量池(10)，其中，拆掉了变换 器(11)的所述流量池经过Y射线消毒。
9. 如前述权利要求中任一项所述的流量池(IO)，其中，所述通道(13) 通过塞(14 )和/或壁(15 )从所述超声波变换器(11)分离。
10. 如前述权利要求中任一项所述的流量池(IO)，用于色谱法或过滤 法中。
11. 如前述权利要求中任一项所述的流量池(IO)，用于生物分子的分离。
12. 用于制造如前述权利要求中任一项所述的流量池(10)的方法， 其中，拆掉了变换器(11)的所述流量池通过成型制成。
13. 用于制造如权利要求1至11中任一项所述的流量池(IO)的方法， 其中，拆掉了变换器(11)的所述流量池通过注射成型制成。
14. 用于制造如权利要求1至11中任一项所述的流量池主体的方法， 其中，所述流量池中的通道(13)通过钻孔制成。
15. 用于制造如权利要求1至11中任一项所述的流量池的方法，其中， 所述流量池内的通道(13)通过切削制成。
16. 用于4吏用流量池(10)测量流体流率的方法，所述流量池包括流体入口和流体出口 ，所述流体入口和流体出口由其 中具有大致直形的部分(12)的样本流过通道(13)分离，所述流量池进一步包括两个超声波变换器(11 )，所述超声波变换器(11 )在所述通道(13 ) 的相对侧上彼此轴向对齐，其中，由所述变换器所发射的超声波沿平行于 所述流动方向的相对的方向纵向地穿过所述通道(13)的所述大致直形的 部分(12 )，两个所述超声波变换器(11)能够以可逆方式从所述流量池拆 下，其中，所迷纵波在所述通道(13)的大致直形的部分(12)与所述流 体之间的界面处的折射角大致是90度，所述方法包括步骤(a) ^i危体流过所述通道(13)的大致直形部分(12);(b) 从一个或两个所述轴向对齐的变换器发射纵向穿过所述通道 (13)的直形部分(12)内的流体的超声波；(c) 通过一个或两个轴向对齐的变换器接收所述超声波；以及(d) 计算所述流体的流率。
17. 如权利要求16所述的方法，其中，所述通道(13)的大致直形的 部分(12)的内径的改变不超过1%，并且在使用前所述方法不需要校准 所述超声流量计。
18. 如权利要求16或17所述的方法，其中，所述流体含有分析物。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，所述分析物是选自由蛋白质、 肽、核酸、寡核苷酸及多核普酸构成的组的分子。
20. 如权利要求1至11中任一项所述的流量池在色镨或过滤装置中的 应用。
全文摘要
本发明涉及一种用于超声流量计的流量池，所述流量池包括两个超声波变换器，其中，所述两个超声波变换器可逆地能够从所述流量池拆下。拆下了变换器的流量池能够被消毒，并且特别适用于一次性使用的或用后即丢弃的系统中。
文档编号G01F1/66GK101617201SQ200880005330
公开日2009年12月30日 申请日期2008年2月19日 优先权日2007年2月20日
发明者D·赫曼森, H·埃林 申请人:通用电气健康护理生物科学股份公司