用于处理微流体装置的分析仪器的制作方法

专利名称：用于处理微流体装置的分析仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分析仪器，用于利用包括免疫测定、基于细胞的测定和PCR的多种技术确定生物和/或生物化学样品的属性。特别地，本发明 涉及使用电泳方法分析包含RNA、 DNA或蛋白质的样品。10背景技术很多分析仪器和设备被利用。生物样品的分析被大规模地、广泛地持 续进行，并经常需要大量的处理步骤。在生命科学实验室中被最广泛使用的分析技术之一是基于电泳的凝 15 胶浴(gdbath)。这种方法能够根据它们的电泳迁移率，分离带电分子(诸 如核酸或蛋白质等)的复杂混合物。遵循这种方法，组分分子的相对分子 量和分子数量可被确定。然而，这种构建好的技术是耗时的、劳力密集的， 并且需要大量试验台空间(bench space)。样品准备、样品分析和样品清 扫都涉及湿法化学，其中一些使用过的试剂(例如，溴化乙锭)是有毒的， 20 并且需要特殊的处理和处置方法。使用平板凝胶(slab gd)的用于DNA片段的电泳和分析的通用操作 结构包括超纯的去除矿物质的水的供给件；大批的缓冲试剂供给瓶； 25 化学着色剂或染料；凝胶粉末；用于凝胶制备的实验室玻璃器皿；用于凝胶制备的加热和搅动装置(使用缓冲剂混合粉末)； 凝胶罐和所有它的附件； 30 电源供应单元；
样品装载移液管；光盒(lightbox)，被处理的凝胶在光盒上传输，使得凝胶中的荧光染 料可以被激活；以及凝胶照相机，凝胶照相机的最基本的配置是连接在金属遮光板的一步 5成像照相机，所述金属遮光板以不漏光的方式装配至光盒。这种传统方法的有效改进是置入(drop-in)标准凝胶罐的预制凝胶(pre-cast gel)，如Invitrogen 公司的Nove^牌预制凝胶，或Bio-Rad实验室的ReadyAgaros^牌的预制io凝胶。然而，这些凝胶始终需要"湿法化学"处理步骤，依然需要时间和 劳力集中。其它改进包括坚硬的凝胶板，使用者能浇注凝胶基体在所述坚硬的凝胶板上； 凝胶罐，所述凝胶罐能同时处理多种预制的或国产的凝胶，但它们需 15 要大量处理和湿法化学制备；预制凝胶，所述预制凝胶不需要凝胶罐或缓冲剂(buffers),如Invitrogen公司提供的"￡-ge/，"系统(参见美国专利5,582,702和5,865,924)。系统会有以下问题手动装载样品带来不便并且有附加费20用，而且需要使用用于分析的单独的图像捕捉站。在电泳分离和成像过程中，被使用的最普遍的核酸着色剂之一是溴化 乙锭。这种着色剂具有的缺点是需要紫外线(UV)光源以引发电泳成 像所依靠的荧光。紫外线成像系统的使用要求是使用完全封闭的屏蔽光 盒或者在暗室中使用护目镜，以防止使用者受紫外线辐射。25 常用的配置是使用多种商业上可得到的凝胶成像系统中的一种。凝胶在凝胶浴器中被以传统方式处理，但是接着它被手动地从凝胶浴器转移至 容纳在不漏光外壳中的独立光盒的顶面，所述不漏光外壳容纳数字照相 机，所述数字照相机通过电缆向外连接至观察器或图像打印装置。可用系统的例子是由UVP公司(品牌名称Ge/Doc-/。、 Bio-Rad实验室(品牌名 30称Ge/Doc)或Sypotics有限公司(品牌名称Svn,)制造的。
类似的解决方案是使用大得足以供人走进去的暗室，该暗室容纳了紫 外线光盒和照相机。然而，含有这些成像技术的系统仍需要试剂制备的显 著水平，小心的手动样品装载和多件仪器的使用。使传统平板凝胶处理自动化的系统的例子是Helena Bioscience,美国 5专利4,954,237和5,147,522。这些系统是相对大的，并且它们的自动操作 过程仍包括传统湿法化学平板凝胶的制备、处理和自动管理。使用毛细电泳(与平板凝胶电泳不同)的完全自动化的电泳装置解决 了与凝胶浴电泳相关的一些问题。然而，这些类型的设备是大的和昂贵的， 并需要经特殊训练的操作者。它们通常被用来执行核酸的高分辨率分离 io (下至单个碱基对)或高处理量的单核苷酸多晶现象(SNP)的分析，对 于这些分离和分析操作而言自动化是必需的。这种类型的系统的例子是应 用生物系统有限公司棱镜3100基因分析仪。这些系统的成本和复杂性通 常阻止了它们在小实验室的应用。微流体装置(microfluidic device)开始被应用在分子生物学中。安捷 15伦生物分析仪2100是利用测径器"Labchip "的试验台陀螺(bench top) 装置。这种系统利用微流体技术，以实现快速分离。然而，系统不是完全 自动化的，样品以顺次方式(与平行方式相对)被处理。寻求替换平板凝胶电泳、并且旨在实现分离时间大大縮短的系统的难 题在于20 除了那些与测试样品制备相关的问题外，需要消除对试剂制备(凝胶、缓冲剂、电解液)的需要。另外， 一些难题存在于分析生物和/或生物化学样品的一般领域中，如: 允许使用者在不同标准实验室容器类型的范围内装载样品； 利用微型分离装置，以加速分子分离，而没有焦耳加热的风险； 实现高平行测试，获得被改进的样品处理量； 降低被使用的试剂和测试样品的数量(进而降低成本)； 自动化所述过程，使得处理步骤被集成，使用者的干预被最小化； 使用非常小的改进，实现以上方面的提高；采用与传统平板凝胶处理相比成本方面具有竞争力的方式，实现所有
上述内容。 发明内容本发明的目的是提供一种分析仪器，其中上述难题被解决，并且样品 5被以快速、清洁和有效方式分析。根据本发明的第一个方面，这里提供一种用于处理微流体装置的分析 仪器，包括样品存储装置、微流体装置保持件、将样品装载入设在保持件 中的微流体装置中的样品装载装置、用于启动微流体装置中的化学反应的 10处理装置，以及用于检测和/或测定化学反应的检测装置，其特征在于微 流体装置保持件适于将包括或包含带子的微流体装置在处理和/或检测位 置处。微流体装置中进行的化学反应可以是电化学反应和/或生物化学反应。 15 优选样品装载装置可相对样品存储装置移动，并可相对微流体装置保持件移动。所述仪器还包括用于打开微流体装置的打开装置。优选样品装载装置和微流体装置打开装置在可移动的共同支座上被 分开固定距离，它们被隔开使得样品装载装置可从样品存储装置获取样 20品，与此同时，微流体装置打开装置打开微流体装置。样品装载装置包括喷嘴，所述喷嘴被用于可拆卸地安装移液管尖端， 所述喷嘴还被可操作地连接至用于将液体泵入已安装的移液管尖端中的 泵上。可选地，样品装载装置包括泵，所述泵能从样品存储装置中抽吸液体， 25 并分配液体进入微流体装置中。优选泵具有泵喷嘴，泵喷嘴能被连接至移 液管尖端。优选泵和微流体装置打开装置被安装在共同的支座结构上，它们被分 开固定距离，使得泵可获得新样品，与此同时，微流体装置打开装置准备 微流体装置接收那个新样品。 30 任选地，泵和微流体装置打开装置被安装在共同的支座结构上，它们
被分开固定距离，使得泵可提取移液管尖端，与此同时，微流体装置打开 装置准备微流体装置接收那个新样品。所述仪器还可包括用于从喷嘴中移除用过的移液管尖端的装置。移除 装置包括凸缘，通过被安装的移液管尖端和凸缘之间的相对运动，移液管 5 尖端被移除。优选所述仪器包括用于接受用过的移液管尖端的容器。优选地，所述仪器包括适于存储移液管尖端的新移液管尖端储藏室， 使得喷嘴可接触用于附连至喷嘴的移液管尖端。在本实施例中，容器和储 藏室优选是单一可拆卸单元的一部分。优选微流体装置打开装置包括用于刺穿微流体装置的膜的穿剌工具。 10 所述穿刺工具被可移除地安装在可移动的共同的支座上，并且所述穿刺工 具可包括针。优选针具有成形的尖端，所述尖端可采用翼片(flap)形式在微流体装置中切出开口，其中所述翼片保持与装置的连接。所述仪器可包括用于从可移动的共同支座上移除用过的针的装置。 15 优选移除装置包括凸缘，用过的针通过针和凸缘之间的相对运动被去除。所述仪器优选包括用于接受用过的针的容器。优选分析仪器包括自动换针装置，如果针使用后变钝进行自动更换。 优选针包括自动连接至自动换针装置的装置。这使得能够快速连接和移除，而不使用任何工具，不需要使用者干涉。 20 优选自动换针装置包括卡件，所述卡件装有容纳用过的针的容器和容纳新针的容器。优选，卡件被自动地装入仪器的自动换针装置中。这排除了如防止使 用者既处理旧针又处理了新针的风险。优选卡件可在机器软件控制下被自动地放入分析仪器。 25 优选针连接装置、针卡件和分析仪器的运动系统可协作实现自动换针。优选仪器适于维持对针使用的计数，以警告使用者需要换针。 优选此过程由仪器控制软件辅助，这将维持对针使用的计数(穿刺数 量)，使得外部个人计算机能警告使用者需要换针。因此，针变钝的潜在 30 缺点被克服了。 所述仪器包括适于存储针的新针储藏室，使得共同支座可接触用于附 连其上的针。优选容器和储藏室是单一可拆卸单元的一部分。优选样品存储装置包括样品保持件，它能容纳一个或多个标准实验室 玻璃瓶或标准实验室多井孔板。 5 所述仪器可以操作用于使用微流体装置的一个单个元件处理单个样口叩o可选地，通过仅包含单个样品装载装置，所述仪器可以使用微流体装 置的一个单个元件处理单个样品，单个样品装载装置能够从多个样品保持 件中一次装载一个样品，并传递每个所述样品至微流体装置的单独元件。10 优选地，仪器可以允许一批多个样品被处理，直到达到单个微流体装置的测试元件容量的限制个数。作为替换，所述仪器可以允许一批多个样品被处理，直到达到微流体 装置给料模块的容量的限制个数。因此，系统具有灵活性，以应付从一个样品至多个样品的范围。 15 优选样品存储装置包括移液管尖端保持件，它可以是用过的移液管尖端保持件。优选泵包括用于可移除地连接移液管尖端至泵的装置。 泵必须被构造用来在处理样品时， 一次提取移液管尖端。另外， 一旦样品被装载入微流体装置中，泵可除掉用过的移液管尖端。 20 优选用过的移液管尖端保持件设有移除装置，用于从泵上去除移液管尖端。优选移除装置设有适于捕获用过的移液管尖端的开口，使得在泵被缩 回时，用过的移液管尖端被保留在用过的移液管尖端保持件中。优选样品装载装置是可移动的，以保证用过的移液管尖端被捕获在用 25 过的移液管尖端保持件的开口上。任选地，样品存储装置被安装在平台上，可相对样品检测装置移动。 优选样品检测装置和微流体装置保持件是可彼此相对移动的，以允许 微流体装置中的样品被定位在用于检测的预定位置处。优选微流体装置保持件适于容纳具有多个微流体处理元件的微流体 30 装置，使得每个所述元件能够通过检测装置被单独地检测。
优选微流体装置保持件被安装在与样品存储装置相同的平台上。 优选微流体装置保持件具有一个或多个孔，以使得样品中的化学反应 被监控。任选地，样品处理装置保持件设有反射面，其邻近微流体处理装置可 5被安装的位置。优选处理装置便于生物分子分离。优选样品处理装置包括多个探针，用于施加电压至样品上。探针被设 置成阵列，与微流体装置上的导电垫片的阵列相对应。优选探针的电极性是可以控制的。 10 任选地，处理方法可包括以下任意组合样品制备，包括分馏、分离或纯化聚合酶链式反应生物分子分离亲和力引起的分子结合 15 任何化学反应最终产物的分离任何化学反应最终产物的收回。任选地，微流体装置保持件内的微流体装置可越过固定检测点被标 记，使得对于任何化学反应过程的结果，能够监控一个或更多测试元件。 20 测试元件可同时被监控。优选样品装载装置被安装在样品存储装置上方的框架上，用于在与样 品存储装置的运动方向大致垂直的方向上进行靠近和远离样品存储装置 的运动。任选地，样品处理装置包括多个探针，用于施加电压至安装在保持件 25中的微流体装置中的样品上。探针被设置接触微流体装置的导电垫片。所述仪器适于能够电泳分离包含有DNA、 RNA或蛋白质分子的样品。任选地，所述仪器能够电动传输生物样品穿过微流体装置内装有一个或多个抗体的区域，使得样品和任一抗体材料之间的结合可被实现。 优选检测装置适于检测样品中导电性的改变。 30 任选地，检测装置可以是电化学的，它的功能通过接触微流体装置的
电探针实现，使得来自样品反应过程中导电性的任何变化均可被检测到。 优选样品检测装置包括光学组件。优选光学组件包括用于激发微流体装置保持件中的样品的光源以及 设置用来接收来自所述微流体装置保持件的信号的接收器。所述接收器相 5 对于微流体装置保持件被设置在光路中。优选光学组件包括能够以预定的第一频率发光、用于激励样品组成部 分使得样品以第二频率发光的光源，和光接收器。所述接收器包括电荷耦 合器件或行扫描照相机。接收器被构造用来发送图像数据至外部数据处理 装置。10 优选接收器包括电荷耦合器件。可选地，接收器是行扫描照相机。优选光源和接收器在微流体装置保持件的同侧。任选地，光源和接收器在微流体装置保持件的相反侧。任选地，光源直接投射入光学组件的光路中。 15 任选地，光源在电磁波频谱的紫外线区内发光。优选接收器能检测电磁波频谱的可见光范围内的光。优选接收器被构造用来发送图像数据至外部数据处理装置。优选数据处理装置是个人计算机。任选地，可以是个人计算机的数据处理装置能在分析仪器中具体化。 20 优选分析仪器的系统控制被寄装在同一个人计算机中。所述仪器可包括单板系统控制器(on-board system controller),控制器 是可由使用者编程的，以执行自动的微流体装置处理，或者作为替换，所 述仪器适于由外部系统控制器控制。优选分析仪器被构造用来从低压电供应操作，外部直流电源(如被膝 25上型电脑使用的)可以是它电供应的主要来源。系统可被模块化地扩展，以合并多个微流体装置的自动处理、以例如 允许连续处理微量滴定板，和/或合并移液管尖端的自动处理，和/或用过 的微流体装置的自动处理和存储。优选自动处理由可移除地连接至分析仪器的供料模块提供，并且此模 30块能存储多个微流体装置，所述微流体装置能被自动装入微流体装置保持
件或从微流体装置保持件中卸载。这里描述的本发明优于现有技术状况的一个好处是，本发明在新的拥 有能适用的处理结构的分析仪器上集成了新的微流体装置。所得到的系统 是非常容易使用的，并能以非常小的改动获得高的测试处理量。5 样品装载机构可以使用可消耗的实验室移液管尖端，这排除了被前面处理的样品污染的风险，样品装载机构包括存储和处置尖端的装置，并任 选地允许样品装载移液管在设备内的洗涤站处被洗涤。分析仪器可包括可移除地连接至仪器的、并存储多个微流体装置的供 料模块，用于自动装入微流体装置保持件或从微流体装置保持件中卸载。 10 样品装载机构可以使用可消耗的实验室移液管尖端，这排除了被前面处理的样品污染的风险，样品装载机构包括存储和处置尖端的装置，并任 选地允许样品装载移液管在设备内的洗涤站处被洗涤。根据本发明第二个方面，提供了一种微流体处理装置，包括反应室； 样品能注射入的样品装载室，反应室被可操作地连接至样品装载室；延伸 15横跨至少部分样品装载室的盖，盖和反应室由可以刺穿的材料组成，并由 溢出腔分隔，所述溢出腔被构造用来接收注射样品的任何溢出。 优选反应室装有分子分离介质。反应室可以是通道，并且微流体处理装置还包括远离样品装载室的反 应通道端部处的接收室。 20 微流体装置可被用在本发明第一个方面所述的分析仪器中。溢出腔的存在允许过量的试剂盛在盖和装载室之间，否则过量的试剂 会溢出进入分析仪器。优选盖和/或装载室是由高分子膜制成的。优选微流体处理装置还包括电极。 25 单个微流体元件的室和电极组合成为单个处理元件。优选单个处理元件设有三个电触点。优选三个电触点工作作为阴极、压紧电极和阳极。优选阴极设在装载室中，压紧电极设在反应通道的上端，阳极设在接 收室中。30 电触点的极性可被反转。 优选电触点从微流体装置外侧的位置延伸至微流体装置内侧的位置。优选电触点具有用于连接电触点至外部供电源的耦合装置，以允许建 立合并反应室的电路。优选微流体装置内的试剂在制造时被预先装入，从而避免在使用时需 5 要处理试剂。优选装载室被预先装入电解液。优选反应通道被预先装入分子分离介质。优选接收容器被预先装入分子分离介质或电解缓冲剂。所述微流体处理装置可以具有层状结构。 10 优选所述微流体处理装置包括光学基准标记，标记的位置相对反应室是公知的，并且标记可通过分析仪器的检测装置获得，以准确地识别反应 过程的情况。微流体装置保持件。优选装置还包括识别标志或标签。 15 优选此标签被用作装载和卸载微流体装置的处理标签，使得与装置的任何光学表面的手动接触被避免了 。根据本发明的第三个方面，提供了一组套件，包括在上文中界定的仪 器，以及这里界定的微流体处理装置。在这里描述的本发明优于现有技术状况的一个好处是，本发明在新的 20拥有能适用的处理结构的分析仪器上集成了新的微流体装置。所得的系统 是非常容易使用的，并能以非常小的改动获得高的测试处理量。


现在，本发明将通过参考附图和实施例而被描述，其中 25 图1是显示用于微流体装置的处理仪器的总体外视图；图2是显示了操作者用来装载系统的仪器区域； 图3a是本发明实施例的侧视图，图3b是相应的俯视图； 图4a至图4G显示了测试样品的自动化处理顺序； 图5a是显示了测试样品如何从顶部开口的实验室玻璃瓶中装载； 30 图5b是显示了测试样品如何从带有铰链盖的实验室玻璃瓶中装载； 图5c是示出测试样品如何从多井孔板中装载； 图6a和6b显示了仪器中保持移液管尖端保持件的设置； 图6c和6d显示了使用与图6a和6b中相同的设置，以保持针卡件， 由此用于微流体装置的穿刺工具可被自动替换； 5 图7显示了仪器外壳，该外壳被构造用于容纳微流体装置的自动给料模块；图8显示了给料模块结构的更详细的侧视图； 图9是本发明所述分析仪器的替换实施例的基底部分的俯视图； 图10是图9的分析仪器的侧视图； 10 图11是具有八个单独的微流体处理区域的微流体处理装置的俯视图；图12是具有十六个单独的微流体处理区域的微流体处理装置的俯视图；图13是图9和10中显示的本发明实施例的微流体装置保持件的侧视图；15 图14是设在本发明分析仪器中使用的微流体处理装置上的象限标记和重要区域；图15是本发明图9和10的实施例中使用的探针块(probe block)的 侧视图；图16显示本发明第二个方面所述的微流体装置的单个测试元件的上 20 部的细节；图17a显示微流体装置如何装载有测试样品；图17b进一步显示穿刺微流体装置的方法以及遏制任何溢出的方法的 细节；图18显示了微流体装置的一个完整的部分，含有连接外部探针方法 25 的示例；图19显示了平板凝胶处理与使用本发明实施例的处理的比较结果。
具体实施方式
图1显示了典型的仪器外壳。主要的外壳部件60在前部承载方便操 30作者接近装载和卸载站(loading and unloading station)的盖61，并承载用
于访问机载驱动器和控制电路板的后盖62。
图2显示了操作者装载站。站63是样品装载和卸载站，站64是移液 管尖端装载和卸载站，站65是微流体装置装载和卸载站。
图3a和3b显示了保持在保持件21中的微流体装置，所述保持件21 5 被安装在能沿滑块28在一条轴线上移动的平台27上。这些滑块被连接在 基板38上。安装在平台27上的还有电探针块组件22，以及移液管尖端保 持件23，所述移液管尖端保持件23能存放未使用的移液管尖端24和用过 的移液管尖端25。适合的移液管尖端是例如"Eppendorf PMP-885-501W"， 典型的样品装载量是大约1微升，但方便地可以在0.1至5微升范围内。 io 测试样品存储装置也被安装在此平台上，在本例中是96井孔微量滴定板 26。不排除其他类型微量滴定板(例如384个井孔的)，或者甚至使用用 于样品存储的各个玻璃瓶。
在可移动的平台27上方是由基板38上支柱37支撑的固定刚架横梁 36 (gantry beam)。基板38依次被连接至下壳体39上。滑块35被连接至 15刚架横梁36，滑动架板34可沿所述滑块35移动。此移动相对平台27的 运动是横向的。
垂直滑块33被连接在滑动架板34上，滑动架板31可沿所述垂直滑 块33移动。定位穿刺工具40的泵30和臂32被连接至滑动架板31 。
基板38还支撑图像捕捉组件41，所述图像捕捉组件41包括CCD照 20 相机42、透镜43、过滤器44、镜子(或棱镜)45、容纳灯管47的灯座 46、反射镜48、透镜49和狭缝50，照相机光路能穿过所述狭缝50。
对仪器的各种主动功能以及被捕获图像的传递的控制是由电子控制 器51提供的，所述电子控制器51包括微控制器，所述微控制器的程序序 列是通过例如USB电缆从外部个人计算机处传送来的。特殊的结构允许 25 仪器外壳仅通过两根电缆提供服务， 一根用于直流电源的传输，另外一根 是连接外部个人电脑的通信电缆。这种设计有利于仪器外壳的非常紧密的 布置面积。
图3a和3b还显示了被定位的泵30，准备从微量滴定板26的第二排 的第一个井孔中提取测试样品。这是通过适当地同步平台27、滑动架34 30和滑动架31的位置而实现的，它们作为3轴笛卡尔机器人的部件被控制。
此X、 Y、 Z系统的驱动和控制没被描述，因为实现此功能的装置已经是 公知的，但是，例如，驱动器可以是步进电机驱动的丝杠，控制器可以来 自内嵌在微控制器中的软件程序。图4a至4g显示了处理顺序的"决照'，由此平台27从操作者装载站 551移动进入样品传输站。此站在分隔壁52后面，使得装载站51与仪器的 内部机构相隔离。.在此顺序中的有利步骤是，穿刺工具40依靠穿透料袋7和空腔11在 微流体装置1中打开入口，以及它进行此步骤时，同时获取移液管尖端24.。 图5a至5c显示的结构，允许使用者装载测试样品至各个玻璃瓶20io 或者一排玻璃瓶(例如，PCR排)，或者多井孔板26中，所述多井孔板可 以是96井孔微量滴定板或96井孔PCR热循环板。这些玻璃瓶和板被安 装在共同的支撑块体29上。这种配置还能与其他类型的微量滴定板，例 如384井孔滴板相兼容。图5b显示了使用具有铰链盖202的玻璃瓶201 的情况。盖在盖保持板203下被挡住，所述盖保持板具有入口孔204。15 图6a显示了一种装置，它允许移液管尖端24被装载在可移动的移液管尖端保持件23中，所述移液管尖端保持件23可通过弹簧锁机构161被 牢固地保持在支承块160中，所述弹簧锁机构161将可枢轴转动的杆163 的榫舌162接合入移液管尖端保持件23下侧上的截槽件164 (undercut feature)上。移液管尖端保持件23结合槽形凸缘165，所述槽形凸缘16520允许用过的尖端进入移液管尖端保持件23，使得移液管尖端25的小的斜 向一侧的运动使移液管尖端与槽形凸缘165的下侧接合，并使得当保持移 液管尖端的泵喷嘴垂直向上縮回时，用过的移液管尖端被脱离，以落入移 液管尖端保持件。弹簧锁机构161保证移液管尖端保持件23在此操作过 程中不縮回。图6b显示被脱离的弹簧锁机构161，以允许操作者在箭头"A"25方向上去除和替换移液管尖端保持件。图6c显示了此相同配置如何可被用来允许用于微流体装置的穿刺工 具的自动替换，此穿刺工具包括针167。针卡件166 (替代移液管尖端保 持件23)包含新针167和容纳用过的针168的空间。卡件可具有剥掉的或 可移除的盖，以暴露新针。新针在装载过程中可由泡沫塞170暂时保持。30针替换包括安装在例如图3a的臂32上的针保持件169的运动顺序。进一步参见图3a，可以看出，能操作泵30的运动系统等同地能操作针167作 为自动替换顺序的一部分。参见图6d，针保持件169使用过的针168进入 针卡件166的空腔，所述针卡件合并与移液管尖端保持件23中使用的槽 形凸缘类似的槽形凸缘165，从而能够移除用过的针161。通过弹簧锁机 5构161的保持作用，能够防止针保持件166缩回。因此保持件160和弹簧 锁机构161可提供重要的双重功能，也就是，在正常使用过程中移液管尖 端保持件的保持或者在替换穿刺工具的维修过程中针卡件的保持。针替换 过程可通过系统初始化，所述系统存储执行的穿刺的合计数(例如在 EEPROM中)，并且一旦预设数被达到，警告系统PC的操作者。io 图7显示了单独的分离给料模块66的集成，所述给料模块66的功能是允许多微流体装置被自动装载和丢弃。用过的微流体装置被丢至抽屉67 中，所述抽屉可被打开以被清空。这种结构的目标是对测试样品的一个完 整的多井孔板的自动处理提供"不用动手"操作。图8显示了给料机构的细节。装载漏斗70可堆积多个微流体装置1。15 这些装置由弹簧加载叶片71支撑在一起,所述弹簧加载叶片(spring loaded paddle) 71相对限制唇缘73推动微流体装置1堆，所述限制唇缘73向上 延伸每个侧面，并在所述堆的前面沿微流体装置底边向上延伸。叶片71 安装在连接至支承板72的滑块上。环绕漏斗区域的是包括侧板74和横板 75的框架。这个框架被连接至支承板72上。侧板74合并承载横梁77的20 滑块76，所述横梁77承载垂直滑块78，提取工具79安装在所述垂直滑 块78上。这个工具依靠适当的线性执行机构驱动器(未显示)定位，使 得在位置79a处，可以将微流体装置从漏斗堆70中提取，在位置79b处， 可以将微流体装置装入保持件21,在位置79c处，可以将用过的带子堆积 入集成有抽屉67的废物捕集器80中。25 完全自动化处理的剩余的要求是，提供自动化的移液管尖端操作。这可通过提取和放置单元84完成，所述提取和放置单元84将从标准移液管 保持盘中装载移液管尖端至尖端保持件23。另一种选择是用洗涤浴器82替换尖端保持件23。液体传输泵30将被 供给以洗涤化合物，并通过液体传输喷嘴抽吸新鲜的洗涤剂进入洗涤浴器3082，洗漆剂将溢出至捕获盘83，这些洗涤剂将排至测试样品装载区域下方
的污水容器中。图9显示了本发明的分析仪器的选择性实施例。分析仪器的基底区域102被显示在平面图中，包括具有样品组件平台105的样品组件103，卡 件保持件107和带子保持件115被安装在所述样品组件平台105上。卡件5保持件107容纳移液管尖端保持件109、用过的移液管尖端保持件111和 样品室113。待分析的样品被保存在室113中，移液管尖端在他们使用之 前被保存在移液管尖端保持件109中。用过的移液管尖端保持件lll具有楔形形状(keyedshape)。也就是， 移液管尖端保持件的入口相对移液管尖端保持件的一端变窄。这种变窄使io得移液管尖端的边缘被捕获在用过的移液管尖端保持件的变窄的部分上， 并辅助从泵喷嘴147中去除移液管尖端(图IO)。应该指出的是，卡件保 持件107容纳8个移液管尖端保持件109、用过的移液管尖端保持件111 和样品室113。卡件保持件107的尺寸根据方便选择，并且预期具有用于 多于或少于8个样品的空间的卡件保持件可被使用。15 带子保持件115由具有一个开口侧157 (图13)的盒形部分和开口顶端116组成，所述微流体处理设备可被插入其中。分析仪器被设计，使得每条微流体处理通道大致与相应的样品室113 对齐。因此，本发明的这个实施例使用的微流体处理带子将容纳8个独立 的微流体处理区域。平台5被安装在轨道上，所述轨道允许平台能够移动20到探针块133的位置或从探针块133的位置离开。光学组件117包括允许整个组件在方向B上移动的平台118。照相机 119设有透镜121和棱镜123，在使用中，所述棱镜被用来改变从样品反 射回来的光束的方向。棱镜被部分地围在不透光的外壳125中，所述不透 光的外壳125还部分地围住两个辐射源129。在此实例中，这些辐射源发25射波长大约为310nm的紫外线辐射光。可以理解，根据进行的分析，发射 其它波长的辐射光的辐射源可被使用。辐射源设有透明挡板127，它允许 辐射从不透光的外壳125中穿出至探针块131，在此处样品分析被进行。 探针块131在本例中容纳多个销针135 (pin)。可以从图15中看出， 这些销针被设置使得每行中的两个销针被向着探针块的顶部定位，单个销30针被向着底部定位。每个销针的极性可被改变，以增强样品的分析。
图10显示了图9中分析仪器的实施例的侧视图。在此图中，如上所 述的光学组件117、卡件保持件107和带子保持件115被显示。另外，样品传输装置被显示。样品传输装置包括具有泵145的带子填 充器(tape filler),所述泵145被连接至泵喷嘴147，所述泵喷嘴147朝卡 5件保持件107的位置向下延伸。样品传输装置还设有带子穿孔装置149， 在本实例中，所述带子穿孔装置149包括具有成形针尖的针，所述成形针 尖朝带子保持件115的位置向下延伸。这些装置被安装在可移动的框架41上，所述框架允许在图IO显示的 方向D和E上移动。另夕卜，泵喷嘴147和带子穿孔装置149之间的距离被 io界定为x。此距离大致上与带子保持件115和样品室113之间的距离相同， 在图IO中也用X表示。图13显示了带子保持件115的侧视图，并显示了多个反射垫片159。 在使用中，这些垫片提供位于象限标记155位置后面的反射背景，所述象 限标记155位于图14中显示的微流体处理装置上。 15 这些反射垫片和象限标记的组合使得光学组件117容易对齐，以最大化被反射的辐射的量，所述辐射是由照相机119检测的。在使用中， 一组样品被装入样品室113中，并且一组移液管尖端被装 入移液管尖端保持件109中。微流体处理装置，如具有8个微流体处理区 域的微流体处理带子，接着被装入带子保持件115中。其后，可移动的框 20架141将带子填充器143移动至移液管尖端保持件109上方的位置，接着 可移动的框架141被下降，以提取移液管。其后，带子填充器移动至样品室113上方的位置，接着它被降低进入 样品室113，在这里泵被开动，样品被吸入至被连接至带子填充器143的 泵喷嘴147的移液管中。基本上同时，带子穿孔装置149被降低至带子保 25持件115，在此处带子穿孔装置在微流体处理器(它在本实施例中采用带 子形式)的微流体处理区域中穿孔。因此，有利的是，单个处理步骤实现在微流体处理器上穿孔和移液管 被填充。然后，泵喷嘴47端部上的移液管被移动至带子保持件15上方的位置， 30接着被降低，以使得微流体处理区域被填充以样品。
这些处理步骤被重复，直到样品从每个样品室13中移除，并加到带子保持件15中存在的相应微流体处理区域中。转到图9， 一旦样品在微流体处理区域115中，样品组件平台在方向 A上移向探针块131，探针块131移向带子保持件。探针块销针移动穿过 5带子保持件的开口侧157，并被连接至微流体处理区域上的电连接件。如图15所示，存在被连接至每个微流体处理区域的三个销针的组。 三个销针的极性可被翻转。例如，在DNA的分析中， 一旦带负电荷的DNA 样品被加到微流体处理区域，销针135a的极性被设置成负的，销针135b 的极性被设置成正的。这使得DNA在电极135b处或附近形成一致的物质。 io 其后，此电极被断开，电极135c被施加正极，使得DNA样品沿着柱向下 迁移。在此过程中，辐射源129发射310nm的辐射光至样品上。在DNA样 品的情况下，这种入射的辐射光提供可见光谱中600nm的输出。这些辐射 光通过棱镜23的内部全反射被提供至照相机，照相机检测到光，从而提 15供结果。图11和12显示了微流体装置的外观，所述微流体装置的结构是与已 经描述的仪器处理方法相兼容的。微流体装置上测试元件之间的间距传统 上被设为与标准实验室微量滴定板的井孔间距相同，例如，在显示8路微 流体装置的图11中，元件之间的间距是9mm，与96井孔板对应。类似地 20 在显示16路微流体装置的图12中，元件之间的间距是4.5tnm，与384井 孔板对应。图11还显示了与装置内部的试剂接触的电极的位置12、 13和 16，所述试剂在装置层之间流通，使得它们可被图18中的外部电极18访 问。图16至18还显示了适合的微流体装置的示意图。为了举例的目的， 25 三层聚合体叠片被显示。透明层2在其内表面结合电极垫片3，透明层2 被连接至处理层4，所述处理层4结合容纳化学试剂的通道和空腔结构， 它们一起组成微流体组件5。载体层6支撑和保护零件(item) 5，并结合 料袋7。穿过零件4和6的进入孔8使得外部电探针与电极3连接。装置 通常是平的，并典型地在垂直平面上被处理，使得它的上缘呈现为处理仪 30器的装载端口。在此实例中，装置具有已装的试剂，所述试剂包括能预先
装以适当着色剂的分离凝胶9，例如溴化乙锭，以及电解缓冲剂IO，所述
电解缓冲剂填充在微流体组件5的上部空腔11中。电极3包括在上部空 腔11中的阳极12、在凝胶表面15顶面上方直接横穿毛细通道14的压紧 电极13，和在下部空腔17中的阴极16。 5 参考图18，生物分子分离可通过如下步骤实现
一装载以低离子浓度缓冲剂稀释的、与甘油混合的样品，这使得装载 的样品在重力作用下下沉至顶部空腔11的下端。
一阴极12和阳极16之间的低压直流电压(例如10伏特)的应用将 导致DNA样品快速移动至凝胶表面15的顶部；这种方法是已经公知的方 io法，g口，使用不连续缓冲剂堆积。利用此电压将样品转移入凝胶的样品转 移被强烈地延迟(由于凝胶的更高的离子浓度)，堆积持续时间可在5至 30秒范围内。
一改变电压至更高的水平，例如在120至200伏特的范围内，这驱动 被堆积的样品进入凝胶以分离。当在典型地60至75秒内使用0.8%浓度的 15琼脂糖凝胶时，长度20mm的分离柱将允许25至2000碱基对范围内的 DNA样品分离。
参见图18，替换的堆积方法是使用压紧电极13，以通过将顶部电极 12改变为负，将压紧电极13改变为正，而将被装载的DNA样品压进顶 20 部空腔11，从而集中样品在压紧电极上，所述压紧电极优选是金或钼或银， 从而避免电极和DNA样品之间的化学亲和力。典型地，使用的电压可以 是100V，持续20秒。接着，压紧电极可被关闭，正电荷被转换至分离通 道另一端处的下部电极16上，以分离样品。典型地，这可以是150V，持 续75秒。
25 图17b显示了图17a的移液管插入步骤的放大图，显示了溢出物112
和翼片114的结构。
微流体装置的更多特征是-
通过可以是传统的丝网印刷，但也可是喷墨、热箔、多功能印刷或其 他类似的印刷技术的处理，实现基准标记可与电极12、 13和16同时应用； 30 以及
在微流体装置装载至仪器和从仪器上卸载的过程中，侧面标签可被用 作处理标签，侧面标签还可被用作结合有用的数据，如装置类型、使用时 间、批号等，的识别标签，以及该数据可以是1D或2D条形码的形式。分析仪器的功能是，在首先使用穿刺工具40刺透料袋7和空腔11后， 5使用移液管尖端24将测试样品装载入顶部空腔11中。接着采用在电泳或柱层析装置中用于样品堆积的技术，被装载的样品 可被堆积入凝胶顶部上的狭窄地带。这些包括，例如，使用其中样品被稀 释的不连续缓冲物，或者短暂应用比用于样品分离的电压更低的电压到样口R口 o10 参见图18，使用三个电极的另一替换方法是在电极12和16之间施加低直流电压(典型地在2V至IOV范围内)， 大约20秒时间，以堆积测试样品19至凝胶顶表面上；在电极12和13之间施加电压(典型地150V， 20秒)，这导致顶部空 腔11中的任何剩余的测试样品19被吸收入特定地由碳组成的电极13中， 15因此具有高的DNA吸收率(由于此剩余材料被吸收，所以在顶部空腔11 中剩余DNA的后续分离过程中避免了涂污)；以及在电极12和16之间施加电压(典型地150V， 60秒)，以在毛细通道 14中电动地移动和分离测试样品19。利用适当波长的光源激发测试样品着色剂(例如，溴化乙锭或 20cybrgreen)，并获取毛细通道的图像，所述图像显示通道14中被分离的核 酸片段所展示的所得荧光图案。参见图19，结合图3a和3b中描述的自动处理的微流体装置的微尺度 特性的上述操作顺序将使得一个微流体装置(它能合并至少16个并行的 测试片段)可在少于6分钟时间和三个步骤内被处理。这与典型地花费大 25约135分钟涉及22个处理步骤的等同平板凝胶处理相比较，是有利的。有利地，本发明提供高度密集的、自动的、简单易用的、快速高效的 提供生物分析结果的方法，尤其在该方法涉及电泳分离时。改变和修改可在这里被合并，而不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种用于处理微流体装置的分析仪器，包括样品存储装置、微流体装置保持件、将样品装载入设在保持件中的微流体装置中的样品装载装置、用于启动微流体装置中化学反应的处理装置，以及用于检测和/或测定化学反应的检测装置，其特征在于微流体装置保持件适于将包括或包含带子的微流体装置保持在用于处理和/或检测的位置处。
2. 根据权利要求1所述的仪器，其中，样品装载装置可相对样品存 10储装置移动，并可相对微流体装置保持件移动。
3. 根据权利要求1或2所述的仪器，还包括用于打开微流体装置的 打开装置。
4. 根据权利要求3所述的仪器，样品装载装置和微流体装置打开装 置在可移动的共同支座上被分开固定距离，它们被隔开使得样品装载装置15能够从样品存储装置获取样品，与此同时，微流体装置打开装置打开微流体装置。
5. 根据权利要求3或4所述的仪器，样品装载装置包括喷嘴，喷嘴 被用于可移除地安装移液管尖端，喷嘴还被可操作地连接用于将液体泵入 已安装的移液管尖端中的泵上。
6.根据权利要求5所述的仪器，包括用于从喷嘴中移除用过的移液管尖端的装置。
7. 根据权利要求6所述的仪器，移除装置包括凸缘，通过被安装的 移液管尖端和凸缘之间的相对运动，移液管尖端被除去。
8. 根据权利要求7所述的仪器，包括用于接受用过的移液管尖端的 25 容器。
9. 根据权利要求5至8中任一权利要求所述的仪器，包括适于存储 移液管尖端的新移液管尖端储藏室，使得喷嘴能够接触用于附着至喷嘴的 移液管尖端。
10. 根据依赖权利要求8的权利要求9所述的仪器，容器和储藏室是 30 单一可拆卸单元的一部分。
11. 根据权利要求4至10中任一权利要求所述的仪器，其中打开装 置包括穿刺工具，所述穿刺工具被可移除地安装在可移动的共同支座上。
12. 根据权利要求ll所述的仪器，其中穿刺工具包括针。
13. 根据权利要求11或12所述的仪器，包括用于从可移动的共同支 5座上移除用过的针的装置。
14. 根据权利要求13所述的仪器，移除装置包括凸缘，用过的针通 过针和凸缘之间的相对运动被去除。
15. 根据权利要求14所述的仪器，包括用于接受用过的针的容器。
16. 根据权利要求12至15中任一权利要求所述的仪器，包括适于存 io储针的新针储藏室，使得共同支座能够接触用于附着其上的针。
17. 根据依赖权利要求15的权利要求16所述的仪器，容器和储藏室 是单一可拆卸单元的一部分。
18. 根据权利要求12至17中任一权利要求所述的仪器，适于保持针 的使用计数量，以警告使用者需要更换针。
19.根据前述任一权利要求所述的仪器，能够使用微流体装置的一个单个元件处理单个样品。
20. 根据权利要求19所述的仪器，通过仅包含单个样品装载装置， 可以使用微流体装置的一个单个元件处理单个样品，单个样品装载装置能 够从多个样品保持件中一次装载一个样品，并传递每个所述样品至微流体 装置的单独元件。
21. 根据前述任一权利要求所述的仪器，允许一批多个、直到达到单 个微流体装置的测试元件容量的限制个数的样品被处理。
22. 根据权利要求1至18中任一权利要求所述的仪器，允许一批多 个、直到达到微流体装置给料模块的容量的限制个数的样品被处理。
23.根据前述任一权利要求所述的仪器，样品存储装置被安装在平台上，可相对样品检测装置移动。
24.根据前述任一权利要求所述的仪器，其中样品检测装置和微流体装置保持件是能够彼此相对移动的，以允许微流体装置中的样品被定位在用于检测的预定位置处。 30
25.根据前述任一权利要求所述的仪器，其中微流体装置保持件适于 容纳具有多个微流体处理元件的微流体装置，使得每个所述元件通过检测 装置被单独地检测。
26.根据前述任一权利要求所述的仪器，其中微流体装置保持件被安 装在与样品存储装置相同的平台上。 5
27.根据前述任一权利要求所述的仪器，其中样品处理装置包括多个探针，用于施加电压至安装在保持件中的微流体装置中的样品上。
28. 根据权利要求27所述的仪器，其中探针被设置、以接触微流体 装置的导电垫片。
29. 根据权利要求27或28所述的仪器，能够电泳分离含有DNA、 io RNA或蛋白质分子的样品。
30. 根据权利要求27或28所述的仪器，能够电动传输生物样品使其 穿过微流体装置内装有一个或多个抗体的区域，使得样品和任一抗体材料 之间的结合可被实现。
31. 根据前述任一权利要求所述的仪器，其中检测装置适于检测样品 15 中导电性的改变。
32. 根据权利要求1至30中任一权利要求所述的仪器，其中样品检 测装置包括光学组件。
33. 根据权利要求32所述的仪器，其中，光学组件包括光源，所 述光源能够以预定的第一频率发光，用于激励样品组成部分、使得样品以第二频率发光；和光接收器。
34. 根据权利要求33所述的仪器，其中，接收器包括电荷耦合器件 或行扫描照相机。
35. 根据权利要求34所述的仪器，其中，接收器被构造用来发送图 像数据至外部数据处理装置。
36.根据前述任一权利要求所述的仪器，包括单板系统控制器，控制器是能够由使用者编程的，以执行自动的微流体装置处理。
37. 根据权利要求1至35中任一权利要求所述的仪器，由外部系统 控制器控制。
38. 根据前述任一权利要求所述的仪器，包括可移除地连接至仪器的、 30并存储多个微流体装置的供料模块，用于自动装载微流体装置保持件或从微流体装置保持件中卸载。
39. —种微流体处理装置，包括反应室；样品能注入的样品装载室， 反应室被可操作地连接至样品装载室；延伸横跨至少部分样品装载室的 盖，盖和反应室由可以刺穿的材料组成，并由溢出腔分隔，所述溢出腔被5构造用来接收注射样品的任何溢出。
40. 根据权利要求39所述的微流体处理装置，其中，反应室装有分 子分离介质。
41. 根据权利要求39或40所述的微流体处理装置，其中，反应室是 通道。
42.根据权利要求41所述的微流体处理装置，其中，微流体处理装置还包括远离样品装载室的反应通道端部处的接收室。
43. 根据权利要求40至42中任一权利要求所述的微流体处理装置， 其中盖和/或装载室是由高分子膜制成的。
44. 根据权利要求39至43中任一权利要求所述的微流体处理装置， 15具有层状结构。
45. 根据权利要求39至44中任一权利要求所述的微流体处理装置， 包括光学基准标记，所述基准标记的位置相对于反应室是公知的，并且基 准标记可通过分析仪器的检测装置获得，以准确地识别反应过程的位置。
46. —组套件，包括权利要求1至38中任一权利要求所述的分析仪 20器，和权利要求39至45中任一权利要求所述的微流体处理装置。
全文摘要
本发明涉及用于处理微流体装置的分析仪器，包括样品存储装置、微流体装置保持件、将样品装载入设在保持件中的微流体装置中的样品装载装置、用于启动微流体装置中化学反应的处理装置，以及用于检测和/或测定化学反应的检测装置，其特征在于微流体装置保持件适于支持在处理和/或检测位置处包括或包含带子的微流体装置。本发明还涉及微流体处理装置，包括反应室，样品能注射入的样品装载室，反应室被可操作地连接至样品装载室，延伸横跨至少部分样品装载室的盖，盖和反应室由可以刺穿的材料组成，并由溢出腔分隔，所述溢出腔被设置用来接收注射样品的任何溢出。最后，本发明涉及包括如上所述的分析仪器和微流体处理装置的一组套件。
文档编号B01L99/00GK101128262SQ200680004268
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月8日 优先权日2005年2月8日
发明者尤斯·兰姆, 斯图尔特·保尔沃特, 约珥·菲尔涅尔, 肯尼思·G·马克拿玛瑞 申请人:Lab901有限公司