專利名稱：用于采集在多個(gè)振動(dòng)微反應(yīng)器中的反應(yīng)液過程參數(shù)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于采集在多個(gè)微反應(yīng)器中的反應(yīng)液過程參數(shù)的方法和裝置，所述微反應(yīng)器至少在所有微反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)束之前被連續(xù)地振動(dòng)，其中微反應(yīng)器中的過程參數(shù)在反應(yīng)期間通過至少一個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行采集，輻射源的電磁輻射引入到微反應(yīng)器的反應(yīng)液內(nèi)，以及從微反應(yīng)器反應(yīng)液發(fā)出的電磁輻射由一個(gè)輻射源附屬的傳感器采集。
背景技術(shù)：
本發(fā)明特別適用于自動(dòng)采集在反應(yīng)液中的微生物反應(yīng)、生化反應(yīng)、發(fā)醇酶反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的過程參數(shù)，所述反應(yīng)液在所有的微反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)束之前被連續(xù)地振動(dòng)。
反應(yīng)液采集的參數(shù)例如可以是生物量、培養(yǎng)基濃度、產(chǎn)品濃度和副產(chǎn)品濃度、細(xì)胞的自發(fā)熒光、熒光蛋白質(zhì)的熒光或者氨基酸、PH值、T值、pO2值、和pCO2值、氧氣轉(zhuǎn)移率(OTR)和二氧化碳轉(zhuǎn)移率(CTR)。
為了降低采用化學(xué)、生化、發(fā)醇酶和微生物方法，另也稱為“篩選”，進(jìn)行優(yōu)化的費(fèi)用，上述微反應(yīng)器中的參數(shù)特別要用大小為10μl-5ml的量來確定。例如在分化體選擇(Stammselektion)、介質(zhì)優(yōu)化和過程傳送(Prozessfuehrung)的優(yōu)選時(shí)可考慮采用篩選。在微反應(yīng)器中的較少體積量就可以實(shí)現(xiàn)在許多研究和開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)所要求的高流量，例如特別是在化學(xué)和分子生物工程的綜合領(lǐng)域。
根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，已知所謂的微滴定板閱讀儀用于采集微生物反應(yīng)液中的吸收和熒光。微滴定板的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)在反應(yīng)期間采集每個(gè)過程參數(shù)時(shí)都必須中斷。在反應(yīng)結(jié)束之前如要獲得的參數(shù)越多，則振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的中斷就越頻繁，由此使混合過程和物質(zhì)運(yùn)輸過程受到了干擾。由此在培養(yǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)不同的微生物有一定程度損害的厭氧條件。這種用于監(jiān)控微生物增長(zhǎng)的200井微滴定板的吸收式微測(cè)定板閱讀儀例如由美國(guó)Thermo Electron Corporation，Waltham，MA，USA公司提供。光的吸收通過在井內(nèi)的細(xì)胞進(jìn)行采集。為此輻射源的電磁輻射被引入到井內(nèi)的反應(yīng)液內(nèi)，從微反應(yīng)器反應(yīng)液發(fā)出的電磁輻射用傳感器采集。傳感器信號(hào)取決于透射的層厚和細(xì)胞濃度。
此外，在US6,673,532 B2中已公開一種用于采集微生物培養(yǎng)液吸收率的微滴定板閱讀儀，其中用于采集吸收率的微滴定板的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)在反應(yīng)期間不得中斷。已知的裝置例如由具有96井并由微反應(yīng)器平臺(tái)容納的微滴定板所組成。各個(gè)井具有的容積在100μl和250μl之間。在一個(gè)布置在微滴定板下面的子平臺(tái)上至少有具有一個(gè)例如一個(gè)發(fā)光二極管以及一個(gè)探測(cè)器的激勵(lì)源的傳感器光學(xué)系統(tǒng)，所述探測(cè)器用于采集微反應(yīng)器(井)反應(yīng)液內(nèi)激勵(lì)源的電磁輻射吸收率。測(cè)定的吸收率變化表明了微反應(yīng)器中分析液的濃度變化。本閱讀儀的結(jié)構(gòu)布置規(guī)定了通過一臺(tái)機(jī)械手將發(fā)光二極管和探測(cè)器從一個(gè)微反應(yīng)器運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)反應(yīng)器。本閱讀儀的另一個(gè)結(jié)構(gòu)布置規(guī)定了為每個(gè)微反應(yīng)器在子平臺(tái)下面至少配置一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)探測(cè)器。具有傳感器光學(xué)系統(tǒng)的子平臺(tái)反之位于固定在定位臺(tái)上的振動(dòng)裝置上。振動(dòng)裝置是一個(gè)專門的加工件，以實(shí)現(xiàn)在定位臺(tái)和子平臺(tái)之間的集成化。在XY軸方向可移動(dòng)的定位臺(tái)用于將各個(gè)微反應(yīng)器在一個(gè)分配器下進(jìn)行移動(dòng)。用此已知的裝置由于避免了因中斷振動(dòng)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)的問題，因此例如可以有說服力地評(píng)估培養(yǎng)液內(nèi)的微生物增長(zhǎng)條件。
但是缺點(diǎn)是該裝置的結(jié)構(gòu)比較昂貴，特別是專門與該裝置相配套的振動(dòng)器。另外還有一個(gè)缺點(diǎn)是，在子平臺(tái)上的傳感器光學(xué)系統(tǒng)被同步振動(dòng)。由于振動(dòng)頻率高以及由此產(chǎn)生的離心力會(huì)產(chǎn)生問題和在采集過程參數(shù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，該錯(cuò)誤在一定情況下會(huì)要求重復(fù)反應(yīng)。因此會(huì)導(dǎo)致所不希望的延時(shí)，特別是在系列研究微生物的培養(yǎng)液、發(fā)醇酶反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明要解決的問題是，提供一種能可靠工作的方法，用于采集多個(gè)在反應(yīng)期間連續(xù)振動(dòng)的微反應(yīng)器中的反應(yīng)液過程參數(shù)。此外還要說明實(shí)施該方法的一種裝置，所述裝置大體上只要用生物工藝上的標(biāo)準(zhǔn)零件和裝置就可以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)開頭所述特征的方法，本任務(wù)的解決方法是-每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)至少在采集過程參數(shù)期間不運(yùn)動(dòng)，以使振動(dòng)的微反應(yīng)器與每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和-由每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的電磁輻射在采集微反應(yīng)器中的一個(gè)微反應(yīng)器的過程參數(shù)期間都被引入到該微反應(yīng)器中，并且從反應(yīng)液中發(fā)出的輻射都入射到傳感器光學(xué)系統(tǒng)的傳感器上。
本任務(wù)的解決方法基于這樣的認(rèn)識(shí)，如果每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)在采集一個(gè)過程參數(shù)值期間例如在持續(xù)反應(yīng)期間采集自發(fā)熒光的瞬時(shí)值時(shí)不運(yùn)動(dòng)，則連續(xù)采集過程參數(shù)也是可能的。在這種情況下出現(xiàn)的在振動(dòng)的微反應(yīng)器和每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是沒有問題的，只要確保每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)的電磁輻射在采集微反應(yīng)器中的過程參數(shù)期間都引入到該微反應(yīng)器中并且從反應(yīng)液出來的輻射都入射到所屬傳感器光學(xué)系統(tǒng)的傳感器上。
在微反應(yīng)器中的生物量例如可以借助于入射到傳感器光學(xué)系統(tǒng)上的散射光或者從細(xì)胞的自發(fā)熒光發(fā)出的輻射來進(jìn)行采集。
培養(yǎng)基濃度、產(chǎn)品濃度和副產(chǎn)品濃度可借助于紅外線光譜學(xué)或喇曼光譜學(xué)進(jìn)行跟蹤。生物工程培養(yǎng)基，例如葡萄糖或者甘油是紅外線和喇曼活性的，會(huì)形成一個(gè)專門的光譜，該光譜在很復(fù)雜的介質(zhì)中也能進(jìn)行探測(cè)。諸如醋酸和乙醇之類的新陳代謝產(chǎn)物同樣具有獨(dú)特的光譜。通過光纜將光譜傳輸給紅外線光譜儀或喇曼光譜儀可以探測(cè)微反應(yīng)器中的有機(jī)培養(yǎng)基。詳細(xì)的論述可查看Sivakesava S.，IrudayarajJ.，Ali D.(2001)Simultaneous determination of multiple components inlactic acid fermaentation using FT-MIR，NIR，and FT-Raman spectroscopistechniques，Process Biochemistry 37，371-378(使用FT-MIR、NIR和FT喇曼光譜學(xué)技術(shù)模擬確定乳酸發(fā)酵的多組份)。
在本發(fā)明的有利結(jié)構(gòu)中，在微反應(yīng)器中的反應(yīng)液具有至少一種化學(xué)感光材料，例如特別是一種熒光顏料，該熒光顏料特別是可以至少固定在微反應(yīng)器中的一個(gè)內(nèi)壁上。熒光顏料專門對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)。例如鉑卟啉或者釕復(fù)合物在有氧氣存在的情況下會(huì)失去熒光特性。同樣熒光指示劑溶液通過其改變熒光特性會(huì)對(duì)溶解的二氧化碳濃度(pCO2)和PH值的改變非常敏感。如果將這種物質(zhì)固定在多細(xì)孔的聚合物母體內(nèi)，或者將它溶解或懸浮在反應(yīng)液內(nèi)，則它可作為光學(xué)傳感器(也稱為Optoden)對(duì)PH值、T值、pO2值和pCO2值發(fā)生作用(Liebsch(2000)Time Resolved Luminescence Lifetime Imaging with Optical ChemicalSensors，Dissertation an der Uni Regensburg)。但是也可以使用正常溶解的PH指示劑。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1A-C示出用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選裝置的三種方案；圖2A-C示出用于根據(jù)本發(fā)明裝置的傳感器光學(xué)系統(tǒng)的各種實(shí)施方式；圖3A-B示出在一個(gè)圓柱形微反應(yīng)器上的兩個(gè)示意俯視圖，該微反應(yīng)器以固定的振動(dòng)直徑在閃光燈的光束上方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；圖4示出用于說明根據(jù)本發(fā)明方法的第一個(gè)方案的圖；圖5示出用于說明根據(jù)本發(fā)明方法的第二個(gè)方案的圖；
圖6示出用于說明根據(jù)本發(fā)明方法的第三個(gè)方案的圖，其中使用化學(xué)傳感器；以及圖7示出多形漢遜酵母(Hansenula polymorpha)的培養(yǎng)測(cè)量曲線。
具體實(shí)施例方式
將具有一排微反應(yīng)器的微滴定板1裝入旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5，6的薄板(Tablar)4容納孔內(nèi)。旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5，6達(dá)到最大振動(dòng)頻率，例如500-2000rpm。旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器的振動(dòng)直徑與采集方法相配套。
通過傳感器光學(xué)系統(tǒng)17將波長(zhǎng)為200nm-25μm的電磁輻射通過薄板4的開口11引入到能透過輻射的微滴定板1的井內(nèi)，從井發(fā)出的輻射由傳感器光學(xué)系統(tǒng)17采集。
圖1A示出了具有豎立式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5的一個(gè)實(shí)施方式，其中薄板4的支承微滴定板2的部分區(qū)域突出于驅(qū)動(dòng)電機(jī)外面。從而保證了在X/Y定位單元7上布置的傳感器光學(xué)系統(tǒng)17與微滴定板1下側(cè)之間的自由通達(dá)。
圖1B示出了具有一塊由懸掛式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器6驅(qū)動(dòng)的薄板4的一種實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中，如果井也要從上面通達(dá)，則薄板4的支承微滴定板1的部分僅需要突出于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器6外面。
圖1C示出了一種微滴定板1由具有一個(gè)開口11的振動(dòng)支架16容納的實(shí)施方式。振動(dòng)支架16將微滴定板1在垂直方向與平整的薄板4隔開一定距離。由于振動(dòng)支架16的側(cè)面設(shè)有敞開結(jié)構(gòu)，因此傳感器光學(xué)系統(tǒng)17可借助于X/Y定位單元7在微滴定板的每口井下側(cè)通暢地移動(dòng)。
圖2A、2B示出了裝置，其中輻射源的電磁輻射和從反應(yīng)液發(fā)出的輻射通過光纜2，25傳輸。
圖2A示出了通過兩根光纜2分開傳輸輻射的方案。輻射的引入通過一根通向反應(yīng)器的光纜2，而從微反應(yīng)器發(fā)出的輻射則通過一根從微反應(yīng)器導(dǎo)出的光纜2進(jìn)行傳輸。在一臺(tái)閱讀儀3上有一個(gè)給傳感器光學(xué)系統(tǒng)提供輻射的輻射源和一個(gè)傳感器。
圖2B示出的方案與圖2A示出的方案的區(qū)別僅在于，兩根光纜2被合成了一根Y光纜25。光纜由各根光纖或者也可由光纖束組成。在閱讀儀3上有一個(gè)給傳感器光學(xué)系統(tǒng)供能的輻射源和一個(gè)傳感器。
圖2C示出了不具有光纜的傳感器光學(xué)系統(tǒng)17。輻射源12和傳感器15直接位于傳感器光學(xué)系統(tǒng)17中，該光學(xué)系統(tǒng)在光程中能另外具有濾光鏡13、14。輻射源12的激勵(lì)光直接對(duì)準(zhǔn)每個(gè)微反應(yīng)器，而取決于反應(yīng)的、從微反應(yīng)器中反應(yīng)液發(fā)出的輻射則入射到傳感器15上。傳感器光學(xué)系統(tǒng)17通過電纜26與電子線路板9相連接，以給輻射源12供電以及為傳感器傳輸信號(hào)。電子線路板9控制輻射源12并用于讀出傳感器信號(hào)。數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)分析在所有方案中都是由一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，例如一臺(tái)計(jì)算機(jī)8來承擔(dān)。電子線路板9的功能在根據(jù)圖2A、2B的方案中都集成在閱讀儀3上。傳感器光學(xué)系統(tǒng)17在所有方案中都固定在X-Y-定位單元7的臂上。X-Y-定位單元7的控制同樣通過計(jì)算機(jī)8以控制軟件來進(jìn)行。
根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求，電磁輻射可以用限定很窄的波長(zhǎng)范圍，例如通過光學(xué)濾光鏡13、衍射光柵、棱鏡產(chǎn)生，或直接通過具有特定光譜的輻射源，例如激光或發(fā)光二極管進(jìn)行照射，并從反射的光中只有特定的波長(zhǎng)傳給傳感器。為此目的，反射光同樣可通過光學(xué)濾光鏡14、衍射光柵或棱鏡進(jìn)行過濾。
如果旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5，6的振動(dòng)轉(zhuǎn)速和閃光燈的脈沖頻率調(diào)整到不出現(xiàn)懸浮狀態(tài)，則在使用閃光來激勵(lì)微反應(yīng)器中反應(yīng)液內(nèi)的分析液是有利的。如果閃光照射到反應(yīng)器底部的少數(shù)位置上，而這些位置由于振動(dòng)器頻率和閃光頻率的不同步在反應(yīng)器底部出現(xiàn)變化，則出現(xiàn)懸浮狀態(tài)。在圖4上示出的由圓柱形底面10和圓柱形外殼18限定的微反應(yīng)器用固定的振動(dòng)直徑在傳感器光學(xué)系統(tǒng)的固定光束18上方旋轉(zhuǎn)。通過微反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)使光束18在微反應(yīng)器的底部10畫出了一個(gè)圓周(參見圖3A和3B)。
在圖3A中通過選擇振動(dòng)轉(zhuǎn)速n和閃光燈的閃光頻率fB示出了一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下只有三個(gè)閃光分配到圓周31上。這里fB＝3*n，因而每轉(zhuǎn)一圈只觸發(fā)三個(gè)閃光。特別是當(dāng)閃光頻率fB是振動(dòng)轉(zhuǎn)速n的自然倍數(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)懸浮狀態(tài)。在這種情況下閃光首先入射到圓周31上的同一個(gè)位置32上。當(dāng)圓周31上覆蓋的閃光(＜4個(gè)閃光/圓周)太少和閃光的入射與反應(yīng)器中的液體運(yùn)動(dòng)不同步時(shí)則這些位置32會(huì)在圓周上沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向發(fā)生變化。由此會(huì)因傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的角度22而導(dǎo)致從微反應(yīng)器中發(fā)出的電磁輻射的強(qiáng)度發(fā)生變化，從而對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生不利的振蕩。
因此為了避免懸浮狀態(tài)要設(shè)法增加均勻分布在圓周31上的閃光次數(shù)。這可以通過滿足fB＝N*n(N＝自然數(shù))來實(shí)現(xiàn)。為此在圖3B上示出了一個(gè)例子。在圓周31上示出了13次閃光。閃光可以在旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器轉(zhuǎn)一圈或多圈下進(jìn)行反射。通過關(guān)系式n＝fB*P/U(P＝圓周上的閃光次數(shù)，U＝轉(zhuǎn)速，最大不超過P)來設(shè)置工作條件，使盡可能有更多的閃光次數(shù)(P＞10)分布在圓周上。從而可以獲得穩(wěn)定且均勻的用于采集微反應(yīng)器中過程參數(shù)的傳感器信號(hào)。
穩(wěn)定傳感器信號(hào)的另一種可能性在于，使輻射源的閃光與振動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及由此而引起的在微反應(yīng)器中的液體運(yùn)動(dòng)相同步。借助于位置傳感器(例如光柵、加速度傳感器或者霍耳傳感器)可以在任何時(shí)候確定薄板4相對(duì)于傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的位置。在考慮了位置信息的情況下閃光燈的閃光被觸發(fā)。如果在離心加速方向晃蕩的反應(yīng)液處在傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的上方，則閃光被優(yōu)選觸發(fā)。由此防止了光束18落到微反應(yīng)器的下列區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)由于離心加速度的作用有時(shí)會(huì)沒有反應(yīng)液或者只有很少的反應(yīng)液。
下面詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明在一個(gè)具有根據(jù)圖2的裝置的兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)方案中用于采集反應(yīng)液過程參數(shù)的方法。
圖4示出了用于連續(xù)采集在分別只有一個(gè)微反應(yīng)器中的過程參數(shù)值并接著借助于定位單元7移動(dòng)傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的一種方法。
處在微反應(yīng)器下方的傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的對(duì)準(zhǔn)方法是，使波長(zhǎng)在200nm-25μm之間的電磁輻射以光束18的形式在反應(yīng)期間采集各個(gè)測(cè)量值時(shí)都引入到該微反應(yīng)器中。當(dāng)使用具有圓柱形底面10的圓柱形微反應(yīng)器時(shí)，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5或6繞偏心軸線21的振動(dòng)直徑27的選擇方法是，使傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的光束18只入射到微反應(yīng)器之一的底面10上。為此必須選擇振動(dòng)直徑27小于或等于底面10的直徑28。
為了在快速進(jìn)行的反應(yīng)中進(jìn)行加速采集，可以對(duì)一排微反應(yīng)器中的反應(yīng)器組進(jìn)行匯總，其中各組的過程參數(shù)被依次采集，但是在一組內(nèi)的微反應(yīng)器中的過程參數(shù)則同時(shí)由該組內(nèi)用于每個(gè)微反應(yīng)器的傳感器光學(xué)系統(tǒng)17來采集。在一組內(nèi)用于同時(shí)采集的傳感器光學(xué)系統(tǒng)布置在定位單元7上。在同時(shí)采集一組內(nèi)的微反應(yīng)器中的過程參數(shù)結(jié)束之后，傳感器光學(xué)系統(tǒng)被移到下一組。用于一組的傳感器光學(xué)系統(tǒng)在該組微反應(yīng)器下方的對(duì)準(zhǔn)方法是，使每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)的電磁輻射在采集各個(gè)測(cè)量值時(shí)都被引入到微反應(yīng)器中，在該微反應(yīng)器下方傳感器光學(xué)系統(tǒng)正好位于此處。
為了避免由于在底面10上激發(fā)光的光反射而致使傳感器例如光電傳感器的信號(hào)溢出，每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)與每個(gè)微反應(yīng)器的對(duì)準(zhǔn)方法是，使從從微反應(yīng)器的壁、特別是底面10反射的電磁輻射不入射到傳感器上。為此，用作傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的光纜端要與微反應(yīng)器底面10上的正交線構(gòu)成一個(gè)銳角22。根據(jù)光纜的數(shù)字特性(NumerischenAppertur)會(huì)有不同的最佳調(diào)整角(22)，該調(diào)整角優(yōu)選地位于25°-40°之間。
除了連續(xù)采集過程參數(shù)外，還可以由用于每個(gè)微反應(yīng)器的一個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)采集在所有微反應(yīng)器中的參數(shù)。傳感器光學(xué)系統(tǒng)在微反應(yīng)器下方的對(duì)準(zhǔn)方法是，使電磁輻射(200nm-25μm)以光束18的形式在反應(yīng)期間采集測(cè)量值時(shí)都被引入到傳感器光學(xué)系統(tǒng)附屬的微反應(yīng)器中。
圖5示出了在四個(gè)彼此相鄰布置的微反應(yīng)器中連續(xù)采集過程參數(shù)的一種方法。微反應(yīng)器的過程參數(shù)通過與不運(yùn)動(dòng)的傳感器光學(xué)系統(tǒng)17發(fā)生的圓形相對(duì)運(yùn)動(dòng)而依次由該傳感器光學(xué)系統(tǒng)17采集。傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的電磁輻射在四個(gè)微反應(yīng)器中的其中一個(gè)微反應(yīng)器中采集過程參數(shù)期間都被引入到該微反應(yīng)器中。從反應(yīng)液發(fā)出的輻射都入射到傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的傳感器上。由于傳感器光學(xué)系統(tǒng)17布置在微反應(yīng)器的底面10避免了同時(shí)入射到兩個(gè)相鄰的微反應(yīng)器中。
傳感器光學(xué)系統(tǒng)17與四個(gè)微反應(yīng)器中的其中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于在圖示薄板4上的微反應(yīng)器的分布，如果選擇振動(dòng)直徑與微反應(yīng)器中心點(diǎn)的對(duì)角距離相等，則四個(gè)微反應(yīng)器在旋轉(zhuǎn)一圈期間依次在傳感器光學(xué)系統(tǒng)17的光束18上方作圓周運(yùn)動(dòng)。微反應(yīng)器按I-IV順序在傳感器光學(xué)系統(tǒng)17上方運(yùn)動(dòng)，其中在采集期間位置固定的光束18畫出一個(gè)圓周23。由各個(gè)微反應(yīng)器引發(fā)的傳感器信號(hào)由這里沒有示出的計(jì)算機(jī)8進(jìn)行記錄。在傳感器信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析的框架內(nèi)進(jìn)行傳感器信號(hào)和微反應(yīng)器之間的配置，從微反應(yīng)器中發(fā)出為傳感器信號(hào)負(fù)責(zé)的電磁輻射。有關(guān)配置所要求的微反應(yīng)器的位置信息可以例如通過在旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器5、6上布置的位置傳感器(例如光柵，加速度傳感器或者霍耳傳感器)進(jìn)行采集。
如果微滴定板1具有超過四個(gè)在圖5中示出的微反應(yīng)器，則傳感器光學(xué)系統(tǒng)17在結(jié)束了采集四個(gè)微反應(yīng)器的第一組的過程參數(shù)后由定位單元7移動(dòng)到相鄰的彼此布置相一致并具有四個(gè)微反應(yīng)器的下一組。傳感器光學(xué)系統(tǒng)17與微反應(yīng)器底面10之間的角度22在25°-40°之間在本方法上也證實(shí)了是有利的。
但是原則上采用借助于圖5說明的方法也可以采集每組具有微反應(yīng)器數(shù)量較多(＞4)的過程參數(shù)。振動(dòng)直徑27的選擇方法是，使微反應(yīng)器通過位置固定的傳感器光學(xué)系統(tǒng)畫出一個(gè)圓，在該圓上在旋轉(zhuǎn)一圈期間有超過四個(gè)微反應(yīng)器被依次采集。
為了加快采集，按照?qǐng)D5或圖6C示出的方法，可以使多組彼此相鄰布置的微反應(yīng)器的過程參數(shù)分別用每組一個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行采集。
根據(jù)本發(fā)明，在微反應(yīng)器的反應(yīng)液至少具有一種化學(xué)感光材料，所述感光材料優(yōu)選地至少安放在微反應(yīng)器的內(nèi)壁上，例如底面10上，這類化學(xué)傳感器例如是熒光顏料，它們用作過程參數(shù)的指示劑，例如pH、T、pO2和pCO2。在溶解方式下，用于確定過程參數(shù)的熒光顏料可借助于圖1-5中描述的裝置和方法進(jìn)行使用。如果熒光顏料固定在用作感光層38、39的內(nèi)壁上，則其需要與傳感器光學(xué)系統(tǒng)17進(jìn)行專門的對(duì)準(zhǔn)，例如在圖6A-B中根據(jù)圖4描述的測(cè)量方法。
在這種情況下可以將多個(gè)感光層38、39布置在微反應(yīng)器的底面10上，以采集不同的過程參數(shù)。通過透明的底面10開口可使光束18也可以通暢地進(jìn)入液體容積內(nèi)。根據(jù)圖6A傳感器光學(xué)系統(tǒng)17與振動(dòng)直徑27確定對(duì)準(zhǔn)的方法是，光束18在薄板4轉(zhuǎn)一圈時(shí)始終入射在感光層38、39或這兩個(gè)感光層之間的開口上(振動(dòng)直徑(27)＜[反應(yīng)器直徑28/(感光層數(shù)(N)+1)-感光層的長(zhǎng)度(41)])。這里用41所示的感光層長(zhǎng)度指的是感光層38、39的最長(zhǎng)幾何尺寸。由此可以得出采集測(cè)量值的方法是，使傳感器光學(xué)系統(tǒng)17通過XY定位裝置7移動(dòng)到微反應(yīng)器底面10下方的不同位置35、36和37，以便采集不同的過程參數(shù)。位置35用于采集自發(fā)熒光或反應(yīng)液的散射光，而位置36、37則用于采集不同的感光層38、39的輻射。
在根據(jù)圖6B的方案中，當(dāng)采集一個(gè)微反應(yīng)器中的不同的過程參數(shù)時(shí)，不需要改變兩個(gè)采集過程之間的傳感器光學(xué)系統(tǒng)的位置。這里在一個(gè)圓形軌道上的光束18依次入射到固定在底面的感光層38、39上。底面區(qū)域的一部分是通暢的，從而可以直接入射到對(duì)于采集特定的過程參數(shù)所需要的反應(yīng)液內(nèi)，例如反應(yīng)液的散射光強(qiáng)度或自發(fā)熒光。通過旋轉(zhuǎn)微反應(yīng)器而獲得的不同的傳感器信號(hào)的配置通過沒有圖示的位置傳感器來進(jìn)行。
在根據(jù)圖6C的方案中，在微反應(yīng)器的感光層38、39的安放方法是，多個(gè)微反應(yīng)器在薄板旋轉(zhuǎn)一圈期間由光束18依次采集。由傳感器光學(xué)系統(tǒng)17覆蓋的區(qū)域采集四個(gè)微反應(yīng)器和不同的過程參數(shù)，這些過程參數(shù)在采集信號(hào)后必須配置給各種微反應(yīng)器。這也可以用一個(gè)位置傳感器來進(jìn)行。如果一排微反應(yīng)器具有超過四個(gè)圖示的微反應(yīng)器，則傳感器光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)束了采集四個(gè)微反應(yīng)器的第一組的過程參數(shù)后由定位單元7移動(dòng)到相鄰的彼此布置相一致并具有四個(gè)微反應(yīng)器的下一組。
在使用微反應(yīng)器培養(yǎng)微生物時(shí)，有利的是微反應(yīng)器具有一個(gè)上面的開口，所述開口在運(yùn)行期間用一個(gè)透氣的蓋板遮蓋，例如以自粘的隔膜形式。該隔膜允許微反應(yīng)器的單濃毒性運(yùn)動(dòng)(monoseptischenBetrieb)。在微反應(yīng)液中進(jìn)行的反應(yīng)由所需的氣體狀的反應(yīng)組份供給，但不可以通過氣體狀的反應(yīng)產(chǎn)品來阻止。
作為根據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)行采集的過程參數(shù)的例子，在圖7中示出了溫度為27℃時(shí)在具有每升10克甘油的2xYP介質(zhì)(酵母消化蛋白質(zhì)Yeast-Peptone)中的多形漢遜酵母(Hansenula polymorphawt)培養(yǎng)液的測(cè)量曲線。在反應(yīng)期間觀察了培養(yǎng)液過程參數(shù)的相對(duì)散射光強(qiáng)度(在620nm時(shí))和相對(duì)NADH熒光(在340nm時(shí)激勵(lì)，在460nm時(shí)發(fā)射)。各個(gè)過程參數(shù)的采集采用Y光纜并在調(diào)整角為30°和距離微滴定板為1mm的情況下進(jìn)行。這里振動(dòng)頻率相應(yīng)為9951/min，振動(dòng)直徑27為3mm。反應(yīng)采用傳統(tǒng)的48井微滴定板(Greiner Bioone，F(xiàn)rickenhausen，產(chǎn)品代號(hào)677 102)和600μl的加注液體容積來進(jìn)行。一個(gè)透氣的膠粘薄膜作為蓋板(Abgene，Hamburg，產(chǎn)品代號(hào)AB-0718)用來遮蓋48井的微滴定板。
權(quán)利要求
1.一種用于采集在多個(gè)微反應(yīng)器(10、19)中的反應(yīng)液過程參數(shù)的方法，所述微反應(yīng)器至少在所有微反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)束之前被連續(xù)振動(dòng)，其中微反應(yīng)器中的過程參數(shù)在反應(yīng)期間在連續(xù)振動(dòng)的情況下通過至少一個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)進(jìn)行采集，所述傳感器光學(xué)系統(tǒng)分別具有一個(gè)傳感器(15)和一個(gè)輻射源(12)，其中輻射源(12)的電磁輻射依次被引入到微反應(yīng)器中的反應(yīng)液內(nèi)，輻射源附屬的傳感器(15)采集從微反應(yīng)器反應(yīng)液中發(fā)出的電磁輻射，其中每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)至少在采集過程參數(shù)期間不運(yùn)動(dòng)，以使被振動(dòng)的微反應(yīng)器(10、19)與每個(gè)傳感器都發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且其中連續(xù)引入的電磁輻射從每個(gè)微反應(yīng)器中發(fā)出的電磁輻射都被傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)上的前述的輻射源(12)附屬的的傳感器(15)所采集。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在各個(gè)微反應(yīng)器(10、19)中的過程參數(shù)依次由一個(gè)布置在定位單元(7)上的傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)采集，并且所述傳感器光學(xué)系統(tǒng)在采集微反應(yīng)器中一個(gè)微反應(yīng)器的過程參數(shù)之后被定位單元(7)移動(dòng)到另一個(gè)微反應(yīng)器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在多個(gè)微反應(yīng)器(10、19)中的過程參數(shù)用多個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)同時(shí)采集。
4.如權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于，-一排微反應(yīng)器(1)具有多組微反應(yīng)器(10、19)，-其中各組的過程參數(shù)依次被采集，而在同一組微反應(yīng)器中的過程參數(shù)則被用于該組中每個(gè)微反應(yīng)器的傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)同時(shí)采集，-以及布置在定位單元(17)上的傳感器光學(xué)系統(tǒng)在同時(shí)采集一組內(nèi)的微反應(yīng)器的過程參數(shù)之后被定位單元移動(dòng)到另一組。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，-至少在一組內(nèi)彼此相鄰布置的微反應(yīng)器的過程參數(shù)由于其與不運(yùn)動(dòng)的傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(23)依次由該傳感器光學(xué)系統(tǒng)采集，-在傳感器信號(hào)分析處理的框架內(nèi)進(jìn)行傳感器信號(hào)和微反應(yīng)器(10、19)之間的配置，從微反應(yīng)器中發(fā)出電磁輻射，以及-傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)在采集完微反應(yīng)器組(I-IV)的過程參數(shù)之后，同樣被定位單元(7)移動(dòng)到另一組(I-IV)與其彼此相鄰布置的微反應(yīng)器(10、19)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，多組彼此相鄰布置的微反應(yīng)器的過程參數(shù)由各組相應(yīng)的傳感器光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)采集。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，當(dāng)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)的輻射源(12)使用閃光燈時(shí)，其脈沖頻率與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)(27)相一致的方式是，閃光至少在四個(gè)不同的位置(32)入射到微反應(yīng)器(10、19)上。
8.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，當(dāng)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)的輻射源(12)使用閃光燈時(shí)，其脈沖頻率與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)(27)相一致的方式是，閃光在振動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間始終在同一個(gè)位置入射到微反應(yīng)器(10、19)上。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每個(gè)輻射原(12)的電磁輻射和/或從反應(yīng)液中發(fā)出的輻射通過光纜(2、25)傳送。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)與每個(gè)微反應(yīng)器(10、19)對(duì)準(zhǔn)的方法是，沒有被微反應(yīng)器壁反射的電磁輻射入射到傳感器(15)上。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在微反應(yīng)器中的反應(yīng)液具有至少一個(gè)化學(xué)感光材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述化學(xué)感光材料(38、39)至少安裝在一個(gè)微反應(yīng)器的內(nèi)表面(10)上。
13.一種用于實(shí)施如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法的裝置，其特征在于，-一個(gè)與振動(dòng)裝置(5、6)相連接的微反應(yīng)器平臺(tái)(4)，其具有至少兩個(gè)微反應(yīng)器(10、19)，所述微反應(yīng)器對(duì)于電磁輻射部分透光，-至少一個(gè)與微反應(yīng)器平臺(tái)(4)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相脫離的傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)，所述傳感器光學(xué)系統(tǒng)分別具有一個(gè)傳感器(15)和一個(gè)輻射源(12)，其中輻射源(12)將電磁輻射引入到微反應(yīng)器的反應(yīng)液內(nèi)，輻射源附屬的傳感器(15)采集從微反應(yīng)器反應(yīng)液發(fā)出的電磁輻射以及-一個(gè)用于采集和分析處理傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)處理單元(8、9)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)都固定在定位單元(7)上，所述定位單元被支承在相對(duì)于微反應(yīng)器平臺(tái)(4)固定的位置上。
15.如權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于，-平整的微反應(yīng)器平臺(tái)(4)在微反應(yīng)器(10、19)底面(10)區(qū)域內(nèi)至少對(duì)于電磁輻射部分透光，并且-每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)(17)通過定位單元(7)可以在微反應(yīng)器底面(10)下方移動(dòng)。
16.如權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，振動(dòng)裝置(5、6)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器，平整的微反應(yīng)器平臺(tái)(4)是一個(gè)具有容納孔的薄板，在所述薄板上安裝一排微反應(yīng)器(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于采集在多個(gè)微反應(yīng)器中的反應(yīng)液過程參數(shù)的方法和裝置，所述微反應(yīng)器至少在所有微反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)束之前被連續(xù)振動(dòng)。微反應(yīng)器中的過程參數(shù)在反應(yīng)期間通過至少一個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行采集。為了提高方法的可靠性，建議在采集過程參數(shù)值期間，例如在采集反應(yīng)液的自發(fā)熒光的瞬時(shí)值時(shí)，不要移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。如果每個(gè)傳感器光學(xué)系統(tǒng)的電磁輻射在采集微反應(yīng)器中的過程參數(shù)時(shí)都全部引入到了該微反應(yīng)器中，并且從反應(yīng)液中發(fā)出的輻射都入射到所屬傳感器光學(xué)系統(tǒng)的傳感器上，則在這里出現(xiàn)的在振動(dòng)微反應(yīng)器和傳感器光學(xué)系統(tǒng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是沒有問題的。
文檔編號(hào)B01L99/00GK1938576SQ200580010556
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者約亨·布克斯, 弗蘭克·肯塞, 馬庫(kù)斯·薩摩斯基 申請(qǐng)人:亞琛工業(yè)大學(xué)