用于样本分析的卡盒和仪器的制造方法

用于样本分析的卡盒和仪器的制造方法
【专利摘要】本文提供了用于处理样本的卡盒和仪器。该卡盒包括流体回路，流体在流体回路中的移动可以通过隔膜阀调节。在某些卡盒中，提供隔膜的可变形材料接触仪器中的接口，该接口不需要驱动层的介入而直接地驱动隔膜。某些卡盒具有多个流体回路和流体分配通道或气动分配通道，该流体分配通道或气动分配通道被配置成选择性地输送流体或气动压力至流体回路中的任一个。某些卡盒具有容纳板载试剂的隔室。隔室可以通过薄膜关闭，该薄膜通过热密封附接至卡盒主体。
【专利说明】
用于样本分析的卡盒和仪器
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求2013年11月18日提交的US临时申请61/905,804和2014年4月14日提交 的US临时申请61 /981，678的申请日期的权益，其中的每个通过引用以其全部并入。
[0003] 关于联邦政府资助研究的声明
[0004] 无
[0005] 发明背景
[0006] 广泛采用快速的基于DNA的人类识别的一个障碍是可消耗的成本。使用少量试剂 的低成本卡盒(cartridge)将减小这个障碍。先前的途径集中在自动化和加工工序改进上 以降低制作给定的卡盒的成本。
[0007] 包括样本卡盒以及用于样本提取和分析的流体系统的系统变体在例如，美国专利 6，190，616( Jovanovich等人）；6，551，839( Jovanovich等人）；6，870，185( Jovanovich等 人）；7,244,961(Jovanovich等人）；7,445,926(Mathies等人）；7,799,553(Mathies等人）； 8,173，417(Tan等人）；8,206，974(Tan等人）；8,394,642( Jovanovich等人）；8,425,861 (Selden等人）；8,431,340(Jovanovich等人）；8,720,036(Selden等人）和8,858,770(Tan等 人）；美国专利申请 2009/0178934(Jarvius);2009/0253181;2011/0039303(Jovanovich 等 人）；2011/0126911(Kobrin等人）；2011/0220502(Selden等人）；2012/0181460(Eberhart等 人）；2013/0139895(Vangbo)和 2013/0115607(Nielsen 等人）；和国际专利申请 W0/US2013/ 130910中进行描述。
[0008] 发明概述
[0009] 提供了一种流体设备，例如卡盒的形式，以用于样本提取和分析物反应及分析。
[0010] 本文提供了一种卡盒，其包括一个或多个流体回路，每个流体回路包括至少一个 隔膜阀；其中该卡盒包括：（a)主体，其包括（i)表面，该表面包括与阀入口和阀出口流体连 通的阀座，和（ii)至少一个孔口，该至少一个孔口与流体回路流体连通；以及(b)可变形材 料层，其覆盖阀座和至少一个孔口，其中该可变形材料层的部分用作隔膜，该隔膜与阀座组 合形成隔膜阀，并且其中该隔膜当被驱动(例如，通过被移动成与阀座接触或通过被移动脱 离与阀座的接触)时，调节穿过隔膜阀的流体流动，并且该可变形材料层包括穿过可变形材 料层的至少一个管道，每个管道与孔口连通;并且其中卡盒被配置接合卡盒接口，使可变形 材料与卡盒接口的表面直接接触，使隔膜与驱动该隔膜(例如，气动地或机械地)的正和/或 负压力源连通，并且使至少一个孔口通过管道与流体或气动管线连通，其中可变形材料层 可选地用作密封至少一个孔口以防泄漏的垫片。在一个实施方案中，流体回路还包括形成 在主体中的反应腔，该反应腔可选地被热传导材料薄膜(例如，金属薄膜)覆盖。在另一个实 施方案中，流体回路还包括被配置成接收包括生物材料的样本的腔，所述腔可选地包括关 闭片。这种仪器和卡盒的示例在图1至图5中被示出。
[0011] 本文还提供了一种仪器，包括：（a)至少一个卡盒接口，其包括：（i)接合单元，其被 配置成接收可移除地可插入的卡盒并且使歧管组件和可选的热调节器与接收的卡盒接合， 其中该卡盒包括至少一个流体回路和至少一个隔膜阀和可变形材料层，该流体回路包括至 少一个流体通道、至少一个排出孔口；该隔膜阀包括被配置用来调节至少一个流体回路中 的流体流动的阀座;该可变形材料层覆盖阀座和至少一个孔口，其中可变形材料在隔膜阀 中用作隔膜并且包括穿过该层的至少一个管道，每个管道与孔口连通；以及(ii)歧管组件， 其包括接合表面，该接合表面被配置成直接地接触接收的卡盒的可变形层，并且该歧管组 件具有与接合表面上的孔口连通的多个传输通道;其中将卡盒与歧管组件接合：（A)使隔膜 与接合表面上的第一孔口连通，该第一孔口被配置成将正或负压力传输至隔膜，并且(B)使 排出孔口与接合表面上的第二孔口连通，该第二孔口被配置成通过传输通道将流体传输到 流体回路内或离开流体回路；以及（iii)热调节器，其当与接收的卡盒接合时，使热栗（例 如，热电加热器，例如，珀尔帖设备(Peltier device))与卡盒中的热循环腔热接触，或使加 热元件与卡盒中的腔热接触。在一个实施方案中，仪器还包括以下中的任一个：（b)气动压 力源，其被配置成输送正或负气动压力至歧管组件的传输通道；（c)栗，其被配置成将液体 移动到歧管组件的传输通道内或离开歧管组件的传输通道；（d)试剂源，其与歧管组件的传 输通道流体连通；（e)分析模块，其被配置成在从自卡盒接收的流体上执行至少一种分析 (例如，电泳）；以及(f)控制模块，其包括可执行的代码，该代码被执行时控制仪器的运行。
[0012] 本文还提供了一种卡盒，包括第一层和可变形层：（a)其中该第一层包括：（i)第一 侧，其接触可变形层，其中该第一侧包括多个流体回路，每个流体回路包括至少一个流体通 道;和（i i)第二侧，其包括至少一个流体分配通道，该流体分配通道由覆盖层覆盖；（i i i)在 第一层中的多个通孔(via)，每个通孔被配置成使流体分配通道与流体通道连通;和（iv)可 选地，在第一层中的至少一个通孔，其被配置成使流体分配通道与第一层一侧上的被配置 成接合流体源的孔连通；以及(b)可选地包括驱动层，其包括至少一个驱动回路，该驱动回 路被配置成驱动隔膜抵靠第一侧中的阀座。在图6和图9中示出了这种卡盒的示例。
[0013] 本文还提供了一种卡盒，包括第一层、第二层和夹其间的可变形层：（a)其中该第 一层包括：（i)接触可变形层的第一侧，其中该第一侧包括多个流体回路，每个流体回路包 括至少一个流体通道和至少一个阀座；（ii)第二侧，其包括至少一个气动分配通道，该气动 分配通道可选地由覆盖层覆盖；（ii i)在第一层中的至少一个通孔，其被配置成使气动分配 通道与可变形层连通;和（iv)可选地在第一层中的至少一个通孔，其被配置用来使气动分 配通道与第一层一侧上的被配置成接合在气动压力源中的孔口连通；（b)其中可变形层的 与第一层中的阀座组合的部分形成隔膜阀；以及(c)其中驱动层包括至少一个驱动回路，该 至少一个驱动回路包括至少一个分支通道，其中每个分支通道被配置成驱动隔膜抵靠不同 的流体回路中的阀座，并且每个分支通道还包括阀座；并且其中施加至气动分配通道的正 或负压力穿过通孔传输压力，以驱动可变形层的隔膜部分与分支通道中阀座的接触或脱离 与分支通道中阀座的接触，其中关闭控制阀阻止了流体回路中隔膜阀的驱动。在图10中示 出了这种配置的示例。
[0014] 本文还提供了一种卡盒，包括：（a)主体，其包括聚合物并且包括至少一个功能性 特征部，该至少一个功能性特征部在主体的表面上，并且被配置成传输流体(例如，孔口、通 孔、流体通道、腔、阀入口和阀出口和/或阀座）；以及(b)可变形材料层，其热结合至主体并 且覆盖功能性特征部(可选地，其中层的至少一部分包括永久变形部），并且其中将正或负 压力施加至层的至少一部分驱动可变形材料与主体的表面上的功能性特征部接触或脱离 与主体表面上的功能性特征部的接触;并且其中卡盒被配置成接合卡盒接口，该卡盒接口 被配置成供应正或负压力至层的至少一个部分。在一个实施方案中，卡盒还包括在主体中 的流体填充腔，其中该腔具有通过热密封材料密封封闭的开口。在另一个实施方案中，可变 形材料包括热密封材料。在另一个实施方案中，可变形材料包括从聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙 烯、环烯烃共聚物(COC)、聚酯薄膜、聚醋酸脂和金属选择的材料。这种卡盒中的阀的示例在 图7、图8、图13和图14中示出(密封在所有图中没有示出）。
[0015]本文还提供了一种设备，包括上文提及的卡盒和柱塞(ram)，该柱塞被配置成驱动 主体上的隔膜阀的隔膜。
[0016] 本文还提供了一种设备，包括卡盒和夹紧设备：（a)其中该卡盒包括：（i)主体，该 主体包括：（A)至少一个流体回路，该至少一个流体回路包括：（1)至少一个功能性特征部， 其在主体的表面上，并且被配置成传输流体(例如，孔口、流体通道、腔、阀入口和阀出口和/ 或阀座），其中功能性特征部可选地包括在主体表面上的隆起;和（II)至少一个隔室，其容 纳液体，其中隔通过主体中的一个或多个通孔与功能性特征部连通；以及（ii)可变形材料 层，其覆盖功能性特征部；以及(b)其中夹紧设备当与卡盒接合时，施加充足的压力至可变 形材料以使可变形材料抵靠着卡盒主体变形并且密封以防液体从隔室并且穿过至少一个 功能性特征部的移动;并且其中移除夹紧设备将至可变形材料的压力释放，进而允许密封 部打开(例如，通过可变形材料的弹性回应或通过施加抵着所述密封部的正或负压力）。在 一个实施方案中夹紧设备包括机械夹具或真空密封部。在图6和图11中示出了这种卡盒的 示例。
[0017] 本文还提供了一种卡盒，包括：（a)流体层，其包括具有至少一个隔膜阀的表面，该 隔膜阀包括阀座(例如，凹形阀座）；（b)可变形层，其配合至该表面，其中可变形层的部分用 作隔膜，该隔膜当被驱动时被配置成移动成与阀座接触或脱离与阀座的接触;并且其中可 变形层的用作隔膜的部分包括凸起部(boss)，该凸起部定位在可变形层的与接触阀座的一 侧相对的一侧上；以及(c)可选地包括:刚性基板，其与可变形层配合并且包括缝隙，该缝隙 暴露凸起部并且被配置成接收接触凸起部和例如通过机械压力的施加驱动隔膜的柱塞;或 该刚性基板被配置成接合接口，该接口包括暴露凸起部的缝隙，并且该缝隙被配置成接收 接触凸起部和例如通过机械压力的施加驱动隔膜的柱塞。在图15A和图15B中示出了这种卡 盒的示例。
[0018] 本文还提供了一种卡盒，包括：（a)底座，该底座包括：（I)中心筒，其包括栗腔和可 移动的注射器，（II)底座底板，其包括孔口站(port station)，该孔口站包括底板孔口；和 (III)通道，其将筒腔流体地连接至底板中的孔口；以及(b)转塔，其被配置成绕着中心筒旋 转，并且包括多个转塔腔，每个转塔腔包括在转塔腔的腔底板中的并且面对底座底板的转 塔腔缝隙，其中将转塔腔定位在孔口站使转塔腔缝隙穿通过底板孔口与筒腔流体连通，并 且其中当转塔腔被定位在除了孔口站的至少一个位置处时，底板关闭转塔腔缝隙；并且其 中至少一个转塔腔还包括通道，该通道在底板孔口和排出孔口之间连通。在图17中示出了 这种卡盒的示例。
[0019] 本文还提供了一种仪器，包括卡盒接口和与之接合的可移除的卡盒：（a)其中接口 包括底座和一个或多个中空的孔针，该中空的孔针用于输送流体至卡盒中的孔口，其中卡 盒偏压针抵靠底座，并且针穿过底座中的缝隙突出；并且其中针包括原始的引入部(home lead-in)和锥形端部，该原始的引入部被配置成在通过移除卡盒释放偏压后使针处于原始 位置(home position)中；该锥形端部被配置与卡盒中的引导件配合；以及(b)其中卡盒包 括流体回路，该流体回路包括孔口和与孔口连通的针引导件，其中针引导件包括配合的圆 锥体和针引导件引入部，该圆锥体被配置成与针的锥形端部配合，该针引导件引入部被配 置成当在卡盒与接口接合期间卡盒对针的锥形端部施加偏压时引导针进入配合的圆锥体 内。在图18中示出了这种组合的示例。
[0020] 本文还提供了一种卡盒，包括：（a)主体，其包括至少一个穿孔元件、至少一个流体 通道和至少一个凸缘;和(b)试剂储器，其包括至少一个流体地隔离的、填充流体的隔室;可 破坏密封部，其在隔室的壁中；和可破坏突片（tab)，其附接至隔室的外壁;其中卡盒被配置 成使得当试剂储器与主体接合时：（i)穿孔元件将可破坏密封部刺穿，使隔室与通道流体连 通;并且（ii)凸缘对可破坏突片施加力，打破突片并且在隔室中形成通风孔。在图12中示出 了这种实施方案的示例。
[0021] 本文还提供了一种流体设备，其包括一个或多个隔膜阀，每个隔膜阀被配置成调 节流体通道中的流体流动，其中流体设备包括流体层、驱动元件和可变形膜，其中每个隔膜 阀包括:a)隔膜，其被包括在可变形膜中；b)阀座，其被包括在流体层中并且从流体层的接 触可变形膜的表面凹进，使得隔膜不能关闭隔膜阀，除非正压力施加在隔膜上;和c)阀入口 和阀出口，该阀入口和阀出口被包括在流体层中并且与流体通道流体连通;和d)柱塞，其被 配置成驱动隔膜;其中可变形膜包括通过热活化胶粘剂、热熔合、化学结合或压敏胶粘剂粘 附至流体层的塑性材料，并且其中可变形膜被配置成使得可变形膜上的压力将使膜压靠阀 座，由此关闭阀，并且其中可以通过释放柱塞抵着可变形膜的压力或通过推动液体穿过阀 而打开阀。在一个实施方案中，可变形膜不是弹性体材料，例如，不是PDMS。在另一个实施方 案中，可变形膜包括层压件，该层压件包括塑性材料和可变形的、空间填充材料，其中压空 间填充材料上的压力引起空间填充材料充分地填充阀腔，使得塑性材料关闭阀。在另一个 实施方案中，可变形材料具有肖式硬度D(Shore D)在10至80之间的硬度计值。在另一个实 施方案中，可变形材料具有充分的厚度，使得机械压力被施加，可变形材料充分地填充阀腔 以在阀座中在塑性材料之间形成密封部以关闭阀。在另一个实施方案中，可变形的、填充空 间的材料包括固体泡沫。在另一个实施方案中，可变形材料通过胶粘剂附接至塑性材料。在 另一个实施方案中，可变形材料通过接口设备被挤压成与塑性层接触。在另一个实施方案 中，流体层包括聚合物，例如热塑性塑料。
[0022] 本文还提供了一种流体设备，其包括一个或多个隔膜阀，每个隔膜阀被配置成调 节一个或多个流体通道中的流体流动，其中流体设备包括流体层、驱动元件和可变形膜，其 中每个隔膜阀包括:a)隔膜，其被包括在可变形膜中；b)阀座，其被包括在流体层中并且从 流体层的接触可变形膜的表面凹进，使得隔膜不能关闭隔膜阀，除非正压力施加在隔膜上； 和c)阀入口和阀出口，该阀入口和阀出口被包括在流体层中并且与流体通道流体连通;和 d)柱塞，其被包括作为驱动元件，该驱动元件具有包括尖齿的叉状端部，其中该端部具有符 合阀座的表面，并且其中该尖齿顺从横向压力，由此通过柱塞压在隔膜上并且抵着阀座的 压力关闭阀。实施方案在图29至图32中示出。
[0023] 本文还提供了一种流体设备，其包括样本输入口、样本输出口和废料腔，该样本输 入口、样本输出口和废料腔通过流体通道全部流体地连接，其中废料腔包括分解核酸的材 料。在一个实施方案中，分解核酸的材料包括次氯酸盐。在另一个实施方案中，分解核酸的 材料包括例如核酸外切酶(exonuc 1 eas e)或核酸内切酶(endonuc 1 eas e)的酶。
[0024] 本文还提供了一种流体设备，其包括流体回路，该流体回路包括样本输入口、反应 腔和样本输出口，其中反应腔包括用于保持来自样本的分析物的固体基质（sol id substrate)，例如，固相提取材料。在一个实施方案中，固体基质包括结合核酸的材料。在另 一个实施方案中，固体基质包括Whatman FTA纸、羧化材料、海绵状材料、聚合物膜或玻璃颗 粒。在另一个实施方案中，固体基质结合预定量的材料。实施方案在图22至图28中示出。
[0025] 本文还提供了一种方法包括:一种方法，包括：（a)提供一种反应混合物，该反应混 合物包括：（I)样本，其包括哺乳动物(例如人类)DNA，（II)试剂，其用于扩增哺乳动物DNA (例如标记引物（labeled primers)、核苷酸和聚合酶）中的短串联重复序列（STR)，以及 (III)哺乳动物特有的探针，其被选择以在反应中被扩增，并且其包括与标记引物可区别的 标记；（b)执行STR反应，其包括在样本和哺乳动物特有的探针中扩增STR; (c)探测例如，在 例如执行实时PCR的时间上在反应中哺乳动物特有的探针的扩增量；以及(d)可选地，停止 基于探测的哺乳动物特有的探针的扩增量的STR反应。在一个实施方案中，标记是荧光标 记，并且可区别的标记具有在标记引物的最高波长或最低波长之上或之下的波长。在另一 个实施方案中，哺乳动物特有的探针还包括淬灭剂（quencher )，例如黑洞坪灭剂?或 TaqManrg)探针。
[0026] 通过引用并入
[0027] 本说明书中提及的所有出版物和专利申请通过引用并入本文，其程度如同每个单 独的出版物或专利申请特别地且单独地表示通过引用并入一样。
[0028] 附图简述
[0029] 公开的新颖特征在所附利要求中具体阐述。通过参考以下阐述说明性的权利要求 的详细描述(在该详细描述中使用了本公开的原理)和附图，将获得对本公开的特征和优势 的更好的理解，在附图中：
[0030] 图1示出了仪器101和插入狭槽107内的卡盒200,该仪器101包括适合接合卡盒的 接口，该接口包括卡盒接口 103。示出的此实施方案包含四个卡盒接收子组件和珀尔帖设备 109〇
[0031]图2示出了卡盒200，其是可插入仪器101内的。卡盒包括主体201。卡盒还包括附接 至主体的表面的弹性层203。层203提供了主体201的表面上的用于隔膜阀的隔膜，以及与主 体201中的流体通道连通的孔口 215。卡盒还包括覆盖板205，其密封主体中的腔并且/或者 其作用为将热量传输至腔或传输来自腔的热量。例如，当卡盒与接口接合时，腔可以充当热 循环腔，并且覆盖板205可以与热能量的源(例如珀尔帖设备109)接触。卡盒还包括适用于 接收样本的狭槽207。缝隙209和槽口 225是校准特征部，其被配置成使卡盒200与卡盒接口 103对准。卡盒还包括可关闭的盖211。
[0032]图3示出了卡盒200的剖视图。反应腔301与可以被密封至主体的覆盖板205热接 触。卡盒200包括隔膜阀303。隔膜阀303包括界定阀腔的凹进的阀座305。阀入口 306和阀出 口 307被配置为穿过主体201的通孔并且与主体中的流体通道连通。可变形层203包括充当 隔膜311的部分。使隔膜311与阀座305接触关闭了隔膜阀303。可变形层203还包括孔口 309， 该孔口 309与卡盒中的流体回路连通。当卡盒与卡盒接口接合时，可变形层203充当绕着孔 口 309密封的垫片。
[0033] 图4从一个方面示出了卡盒200和卡盒接口的组件401的分解视图。卡盒包括主体 201、覆盖板205和可变形层203。主体包括在一侧上的流体通道213和反应腔301。流体通道 通过主体201中的缝隙与被可变形层203覆盖的面连通。可变形层203包括孔口 215和区域 311，该孔口 215被配置为与在接口组件401上的孔口 403对准，该区域311被定位成充当隔膜 阀中的隔膜。流体管线405连接到接口组件401并且将流体传输至连接到卡盒201的孔口 403。气动管线407也连接到接口组件401并且将正或负气动压力传输至孔口 409，其驱动隔 膜 311。
[0034] 图5从另一个方面示出了本公开的卡盒和卡盒接口的组件401的分解视图。主体 201包括具有阀座305的阀主体，该阀座具有缝隙306和307，该阀座被可变形层203覆盖。接 口组件(401)包括气动管线407,该气动管线当与可变形层203接合时传输正或负压力以驱 动隔膜311。接口组件401还包括流体管线405，其通过接口 401中的通路与可变形层203中的 缝隙215连通，以允许流体通过卡盒中的流体回路的出口的流入运动。
[0035]图6示出了卡盒601，其包括多个样本接收器607并且包括以段905的形式的试剂 腔、分配通道903,该分配通道将来自储器603的试剂分配在多个流体回路上。段905包括试 剂腔1107。段905由可变形层907覆盖。夹紧元件1103施加压力至可变形层907。可变形层抵 着段907的变形阻碍该液体穿过通路的运动。这阻止了在运输过程中试剂穿过流体回路的 运动。
[0036]图7示出了卡盒701，其包括主体1205,该主体具有在侧1311上的流体通道1315和 阀座1317。在另一侧上，卡盒具有试剂容器，该试剂容器具有打开的隔室1201，该隔室可包 括例如通过热密封的材料层的密封部，以流体地隔离隔室中容纳的流体直至使用。
[0037]图8示出了卡盒801，其包括主体，该主体具有第一侧，该第一侧具有打开的隔室 811、孔口 813和反应腔815。主体还具有第二侧，该第二侧包括阀座817。层819可以结合至主 体的第一侧，密封打开的隔室。薄膜821能传递热量并且将覆盖和密封反应腔815。可变形层 1303提供充当隔膜的区域。当例如通过夹紧设备将可变形层1303压靠第二侧时，可变形层 1303被挤压进阀座内，关闭阀并且阻止流体运动穿过流体回路直至使用。
[0038]图9示出了具有流体分配通道的卡盒的一个实施方案。主体905包括在一侧上的表 面，该表面包括定向在第一方向上的多个流体通道901。主体905还包括在第二侧上的表面， 该表面包括通道903，该通道具有倾斜于第一方向的定向，例如，与第一方向呈直角。在第二 侧上的通道903通过横贯主体905的通孔904与第一侧上的多个流体通道中的每个连通。通 道903由覆盖层907关闭。通道903可选地通过段905中的孔920与流体源连通。流体通道901 由可变形层909覆盖。通道901还可以包括阀座。可变形层的部分可以充当隔膜，以便打开或 关闭阀。这些可以通过气动层911被操作，该气动层包括驱动隔膜的气动通道。可选择地，卡 盒可以与接口接合，该接口提供驱动力至隔膜。
[0039]图10A和图10B示出了卡盒1000的具有控制管线的节段，该控制管线被配置成使卡 盒中被选择的隔膜阀失去作用。图10A示出了卡盒的分解视图。图10B示出了翻盖形式的分 解视图。卡盒包括流体层1001、气动层1003和夹在它们之间的可变形层1005。流体层1001包 括至少一个流体通道1007,该至少一个流体通道1007包括凹进的阀座1009。流体层还包括 控制管线1011，该控制管线具有分支1013,该分支1013通过通孔1015和流体层的与可变形 层配合的表面连通。气动层包括气动通道1017,该气动通道1017包括一个或多个分支1019。 每个分支控制一个隔膜阀。分支包括定位在可变形层上、与流体层中阀座相对的减压阀 (valve relief)1021，可变形层可变形至该减压阀内并且该减压阀可以传输压力至隔膜， 驱动隔膜进入阀座1009中。分支还包括定位成与通孔1015相对的阀座1023,该通孔连接至 气动控制管线1011。抵着控制管线1011至隔膜的正或负压力的维持驱动隔膜抵靠或远离气 动层中的阀座1023。当压靠阀座时，这阻止了压力通过气动驱动通道1017的传输，致使控制 流体管线1007中的流体的隔膜阀1009不起作用。
[0040] 图11示出了卡盒905上的运输夹具1103。
[00411图12示出了包括主体1205和试剂储器1201的卡盒。试剂储器具有隔室1209,该隔 室1209可以容纳液体并且可以与层密封，例如热密封、化学密封、胶粘剂或激光焊接。主体 可以包括穿孔元件（没有示出），当试剂储器被压靠主体时，该穿孔元件将隔室1209的底板 中的密封部刺穿。穿孔元件可以是固体材料，例如该穿孔元件从主体突出，并且该穿孔元件 可以具有锥形端部，该锥形端部是锐利的或是尖锐的并且适用于将集中的压力施加至底板 并且在底板中穿刺孔。这产生了隔室和主体1205中的流体回路的流体连接。这种组合还包 括凸缘1207和可破坏突片1203。当试剂储器1201被压靠主体1205时，凸缘1207接合突片 1203并且施加破坏突片1203的力，由此在隔室1209中产生通风孔。这允许隔室1209中的流 体穿过隔室的底板中的缝隙排出并且进入流体回路内。
[0042]图13示出了具有薄的密封层1303的隔膜阀，该薄的密封层可以包括热密封材料。 [0043]图14示出了一种用于将凹坑引入隔膜内的工具。
[0044] 图15A和图15B示出了卡盒1501，其具有附接至可变形层1505的主体1503,并且具 有在可变形层上的覆盖物1507,使得卡盒中的可变形层是不露面的（open-faced)。这种卡 盒包括隔膜阀1513,该隔膜阀1513通常是打开的并且调节沿着流体通道1515的流体流动。 覆盖物1507覆盖可变形层并且包括缝隙1509。可变形层包括与缝隙相配合的凸起部1511。 例如活塞的机械驱动器可以用于通过由提供的凸起部驱动隔膜来关闭阀。此卡盒还包括用 于接收药签(swab)或其他样本的腔1517和与通道1515流体连通的反应腔1519。反应腔1521 可被密封部覆盖并且/或者可以具有单独的散热器层1521。
[0045]图16A和图16B分别示出了多样本卡盒的前视图和后视图。
[0046]图17示出了旋转的多腔转塔。卡盒1701包括底座1703。底座具有：中心筒1705,其 包括栗腔1707和可移动的注射器1709;底板1711，其包括孔口站，该孔口站包括孔口 1713和 将筒腔流体地连接至底板中的孔口的通道1715。卡盒还具有转塔1717,其被配置为绕着中 心筒1705旋转，并且包括多个转塔腔(例如1719 )，每个转塔腔包括转塔腔缝隙1721，其中转 塔被配置为绕着注射器筒旋转，其中将转塔腔定位在孔口站处使转塔腔缝隙通过底板缝隙 与筒腔流体连通，并且其中当转塔腔定位在除了孔口站的至少一个位置处时，底板覆盖转 塔腔缝隙。至少一个转塔腔还包括在孔口和排出孔口 1723之间连通的通道。
[0047]图18A和图18B示出了自对准、自复位的弹簧针(pogo pin)1801的横截面视图，该 弹簧针1801复位至其原始位置中并且分别地流体连接至卡盒。
[0048]图19示出了接口狭槽的分解图。
[0049] 图20示出了卡盒接口 1901。
[0050]图21示出了本公开的卡盒的示意图。
[00511图22示出了卡盒回路的仰视图。
[0052]图23示出了用于细胞裂解操作的阀状态和流动。
[0053]图24示出了用于核酸采集的阀状态和流动。
[0054]图25示出了用于液体运动到废料腔内的阀状态和流动。
[0055]图26示出了用于产生反应混合物的阀状态和流动。
[0056]图27示出了用于热循环的阀状态。
[0057]图28示出了用于使扩增产物运动至输出孔口的阀状态和流动。
[0058]图29示出了通过柱塞驱动的通常打开的阀的剖视图，该柱塞具有尖端，该尖端具 有柔性元件。
[0059]图30示出了本公开的阀的三维视图。
[0060] 图31示出了处于关闭配置中的本公开的阀。柱塞的柔性端部使可变形膜压靠阀 座。柱塞被配置成挤压可变形膜，以便通过压力抵着阀座中的入口和出口的周边密封阀入 口和阀出口。
[0061] 图32示出了阀，其具有通过流体层中的凹进部界定的阀腔以及包括在层压层中的 隔膜。
[0062]发明详述
[0063] I.用于接合和操作流体卡盒的仪器
[0064] 在一个方面中，本文提供了一种卡盒，包括：（a)主体，其包括流体回路，该流体回 路包括：（1)样本腔，其包括被配置成接收样本的开口和穿过主体的通孔；（2)反应腔；（3)隔 膜阀元件，其包括阀入口和阀出口以及阀座，每个阀入口和阀出口被配置为穿过主体的通 孔；（4)穿过主体的多个孔口；以及(5)在主体的表面中的一个或多个流体通道，其中该一个 或多个流体通道使样本腔(例如通过通孔）、反应腔、阀元件(例如通过阀入口和阀出口）以 及多个孔口的每个互相流体连通；（b)覆盖层，其附接至主体并且密封通孔、流体通道和反 应腔；以及(c)可变形层，其附接至主体，其中可变形层（i)包括多个孔，每个孔与孔口连通； 并且（ii)与阀入口、阀出口和阀座组合，形成隔膜阀，该隔膜阀被配置成调节流体回路中的 流体流动。
[0065] 在另一个方面中，本文提供了一种仪器，包括：（a)至少一个卡盒接口，其包括：（1) 接合组件，其具有第一位置和第二位置，该第一位置接收如本文描述的卡盒，该第二位置接 合接收的卡盒与歧管和可选的热调节器；（2)歧管组件，其具有多个通道，每个通道通往前 孔口和后孔口，其中，当接合组件已经接收卡盒并且在第二位置中时，多个前孔口流体地接 合卡盒中的孔口并且气动地接合隔膜阀的隔膜，并且其中可变形材料用作流体接合的垫 片；（3)可选的热控制组件(例如热循环仪），其被配置成当接合组件在第二位置中时，将散 热器置于与接合的卡盒的热循环腔热接触，并且调节热循环腔的温度；（b)气动的和流体的 组件，其包括：（1)气动压力源；（2)多个流体源；（3)多个传输管线，其连接与歧管组件的后 孔口流体连通的多个源中的每个的气动压力源；（4)栗，其被配置成穿过传输管线移动来自 源的流体。
[0066] 图1示出了被配置用于卡盒的接口。参考图4和图5,对于单一样本卡盒，接口也可 以包括三个流体连接器405和一个气动连接器407,以控制阀。这些可以是低的死容积连接 器(low-dead-volume connection)，其通过管连接至气动的和流体的组件。可选择地，它们 可以是柱塞，例如弹簧针(例如图18的1801)。
[0067] 这种配置容许样本插入卡盒内，并且容许卡盒独立地插入狭槽内，即使其他狭槽 正在处理其他样本。因此，在一个实施方案中，系统可以独立地处理样本。
[0068] 在图1至图5中描述的卡盒通过最小化需要被一次性卡盒处理的功能来最小化制 造成本。这些功能移动至气动的和流体的组件上，该气动的和流体的组件可以是系统的永 久的或半永久的部分。
[0069] 在此实施方案中，卡盒可以包括:注射成型的主体，例如，塑料、可变形的薄膜;和 箱片，例如金属箱片，每个箱片结合至主体。主体可以具有集成的对准特征部209和225使得 该主体可以容易地并且精确地插入接口内。塑性材料可以包括本领域技术人员已知的任何 塑料，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、聚（氯乙烯）、 聚碳酸酯、聚亚安酯、聚偏二氯乙烯、环烯烃共聚物(C0C)，或其任意组合。
[0070] 卡盒可以刻有用于光学识别的条形码或QR码，或具有EEPR0M或RFID或安装在卡盒 上的其他相似的识别设备，其可以辅助样本跟踪并且可选地包含关于化学、被执行的工序、 批号、有效期的信息和其他信息。
[0071] 主体可以具有折叠突片211，其可以在药签被插入后通过操作者或者通过系统被 扣合关闭。可以生产多于一种类型的主体，每一种适合于药签、凿子(punch)类型或样本类 型。在突片被扣合关闭之后，主体可以用于容纳样本，以便提供保护免受污染并且根据需要 促进样本的重新测验或恢复。
[0072] 主体也可以界定用于两个处理腔的容积。药签、凿子或其他样本类型置于隔室207 中，该隔室也用作裂解腔。为了容纳药签、凿子或其他样本类型，该隔室可以具有范围从例 如10yL至15mL或者lml至10ml的容积。在此腔中细胞被裂解并且DNA从药签、凿子或其他样 本类型中被提取。第二腔301被称为反应腔，其可以用于采集DNA或安置少量裂解物以用于 直接扩增。该第二腔也可以是清理和/或扩增发生的地方。为了最小化热循环的持续期间和 所需能量的量，此第二腔可以具有最小的容积，可能范围从2yL至25yL，虽然其他的构造是 可行的。
[0073]参考图2和图3,可变形薄膜203可以被结合至卡盒主体201的区域的一侧上，并且 覆盖板205(例如塑料薄膜或金属箱片)可以被结合至另一侧。
[0074]在本文公开的卡盒中使用的可变形材料可以是塑性材料(塑性变形）或弹性材料 (弹性变形）。塑性材料可以包括但不限于聚合物或金属。适合的塑性材料包括但不限于聚 丙烯和聚乙烯。适合的金属包括铝。适合的弹性材料包括例如弹性体材料，比如聚硅氧烷 (polysiloxane)，例如PDMS。其他可变形材料在本文被进一步描述。
[0075]在一个实施方案中，可变形薄膜提供用作三个低的死容积的连接器的垫片。这些 提供了入口、出口和可以被使用来冲洗卡盒的清洗管线和出口管线。可变形薄膜也用作阀 的柔性隔膜。阀座305可以被形成在卡盒主体内。阀的输入口 306和输出口 307可以是穿过主 体的通孔、在主体和可变形件之间的通道，或两者。
[0076]阀可以通过正或负压力被驱动或可以被应用于阀座之上的可变形材料。在另一个 实施方案中，阀可以通过柱塞在覆盖板205上施加机械力而被驱动。
[0077] 可变形材料也可以填充主体中的孔，以便在主体的远侧上产生柔性阀。可变形材 料可以从近侧被挤压以变形穿过主体，并且抵着主体的远侧上的表面密封。
[0078] 除机械上简单之外，绕着具有在表面上的功能性元件的一个模制主体构造卡盒提 高了稳固性。泄漏是严重的问题，所以流体的和气动的连接器需要联合以能够密封。公差变 动跨组件积累，通常地每个零件贡献一些变动。结果，更简单的组件可以更稳固，即使具有 相同的零件公差。另外，在此即时的公开中的单个样本卡盒和其他简化的卡盒仅仅涉及一 些连接器，进一步降低了泄漏的风险。此外，热膨胀效应增加了尺寸，所以具有也一起关闭 的一些连接器更加减少了风险。
[0079]此实施方案集成了零件，减少了材料和组装成本。在一个实施方案中，它被设计具 有至一侧上的气动的孔口、流体的孔口和(机械的或气动的）阀控制器。这简化了连接器并 且容许更多空间用于其他功能，比如接触卡盒的温度调节器(例如热循环仪）、询问卡盒的 光学系统、或其他测量设备。
[0080]在此实施方案或其他实施方案中构造的卡盒也可以被建造以容纳多个样本。这些 多样本卡盒可以容许操作者在不必插入多个卡盒的情况下运行多个样本。（见例如图6和图 16)
[0081] 可选择地，单样本卡盒可以被组装至多卡盒支承物(multi-cartridge holder) 上。一次运行多个样本的操作者能够从系统中取出容纳使用过的卡盒的支架，并且插入容 纳未使用的卡盒的新支架。仅运行一些样本的操作者能填入和他们期望的一样多的空间。 剩余的空间依据配置可以被虚设的卡盒填充或者留空。
[0082]当与闩锁的卡盒接口 101配对时，单样本卡盒变得特别有利，该配对可以容许卡盒 单独地插入和移除。这可以提供更灵活的样本流动。
[0083]此接口可以具有可以单独地打开和关闭的多个卡盒位置103或"狭槽"。它们可以 在卡盒上施加压缩力。它们可以通过螺线管或通过软件控制的其他装置保持关闭，或可以 被手动闩锁。
[0084] 要运行新样本的操作者可以将样本插入至卡盒内，并且扣合卡盒顶部使其关闭。 随后他或她可以要求系统打开狭槽。如果狭槽不在使用中，系统打开该狭槽，以便容许样本 被插入。如果已处理的卡盒在狭槽中，操作者移除它。操作者可以在卡盒被插入之前读取卡 盒上的条形码、QR码、RFID或其他识别材料，或当卡盒被插入时或之后，系统可以读取。随后 操作者可以推动接口关闭，并且如果需要输入附加信息。随后系统可以立即开始处理样本 或当下一个样本成为可能时自动地开始处理样本。
[0085] 在可替代的实施方案中，具有新样本的操作者可以手动打开狭槽或指引系统打开 狭槽。如果狭槽不在使用中，系统打开它。如果已处理的卡盒在狭槽中，操作者移除它。操作 者插入卡盒。操纵者可以在卡盒被插入之前读取卡盒上的条形码、QR码、RFID或其他识别材 料，或当卡盒被插入时系统可以读取。如果存在一个样本，随后操作者可以读取样本上的条 形码、QR码、RFID或其他识别材料，并且将样本放置到狭槽中的卡盒内；可选择地，操作者可 以将跟踪信息手动输入至系统内。样本已经被添加之后，卡盒的顶部可以通过操作者或通 过仪器关闭。随后操作者可以手动推动接口关闭或仪器可以关闭接口。随后系统可以立即 开始处理样本或当下一个样本成为可能时自动地开始处理样本。
[0086] 此即时的实施方案可以使用装载系统来自动化，该装载系统根据需要自动地将卡 盒插入狭槽内以及移除卡盒。自动操作可以包括装载来自各种样本类型的样本的机构，例 如容纳药签的管、容纳液体样本(其可包括来自单一源或混合物的预处理）的微量滴定板、 容纳液体样本（其可以包括来自单一源或混合物的预处理）的管、譬如真空采血管 (Vacutainer)的血液容器、或用于另外的样本类型的其他容器的集合。
[0087]用于每个卡盒的接口可以浮动，以便容许其在一侧上围绕各种流体的和气动的连 接器密封，同时在另一侧上将卡盒压靠热调节器(例如热循环仪）1〇9。如示出的，浮动的接 口旋转，使卡盒压靠固定的温度调节器。可选择地，可以使用多个较小的热循环仪。这些较 小的热循环仪可以旋转或平移，可能使卡盒压靠共同的气动的和流体的组件。
[0088]在处理之后，狭槽可以保持关闭以避免污染。
[0089] 接口可以使卡盒压靠温度调节器，例如，珀尔帖设备。这种接触可以抵着箱片或薄 膜205，以便封闭反应腔。依据使用的化学反应，在反应腔另一侧上，接口可以安置LED、过滤 器和用于反应定量的光电二极管或其他探测器。
[0090] 在此实施方案中，当反应是短串联重复序列(STR)反应时，在个案样本的许多权限 中，人类DNA的数量必须被量化。典型的取证过程(forensic process)是在样本STR扩增之 前在单独的仪器中使用实时聚合酶链式反应(PCR)来量化提取的样本。在此即时的公开中， 人类特有的探针被添加至STR混合物，该STR混合物具有在STR盒使用的范围外的荧光。反应 腔301被用于人类特有的探针的适合波长的光询问，同时STR被PCR扩增。人类特有的探针可 以是淬灭剂，例如黑洞淬灭剂?(Black HoleQueneheri))，或TaqMan_^i·，或本领域 中技术人员熟知的其他化学品。随着PCR循环增加，来自人类特有的探针的荧光被监控，以 量化反应中人类DNA的量。在优选实施方案中，基于测量的人类DNA的量，可调节扩增循环数 量;如果独立的热循环在使用中，这可以基于一个卡盒接一个卡盒的监控。一个优势在于人 类特有的探针将允许同时发生的STR扩增以实现最佳扩增，并且不论样本中起始DNA的量， 产生对于试剂盒最佳的STR产物的量。第二个优势在于与STR扩增同时发生的实时监控在不 具有附加的单独的量化过程的情况下允许样本到应答系统(sample-to-answer system)的 集成。第三个优势在于，对于在几乎没有足够的样本来产生好的STR图谱的情况下的低复制 数目样本，量化与STR扩增的集成防止通常用于量化的等分部分造成剩余的样本不具有足 够的DNA以用于成功的STR扩增。
[0091] 除了机械地驱动阀隔膜(例如311、1301)，它们可以被气动地驱动。在一个实施方 案中，接口 1901(图19)为每个阀提供了接口隔膜1903，该接口隔膜运送压力至卡盒隔膜 1301，推动该隔膜抵着阀座1317来关闭阀。接口隔膜结合至接口块1905并且用配件1908将 螺纹孔1907封闭，该配件连接至传送气动信号的柔性管。每个孔可以对应于一个阀，该阀可 以通过气动信号的控制来关闭或容许打开。接口隔膜可以是与RTV结合的硅橡胶，其中环 1909用来限制分层疲劳。然而，其他可变形材料可以被使用。
[0092] 接口块1905是接口闩锁组件1901中的部件。该块具有对准特征部1911和1913，其 配合至卡盒对准特征部2003和2005,以便将卡盒精确地定位在接口中。该块柔性地安装至 铰链臂1915，该铰链臂枢转以将卡盒接合至接口，或容许操作者插入或移除卡盒。框架1917 在插入期间松散地引导卡盒，确保该卡盒可以与对准特征部配合。
[0093]单一主体卡盒允许试剂储器的芯片上存储/集成，该试剂包括例如诸如毛细管电 泳分离凝胶(capillary electrophoresis separation gel)。此实施方案在不使试剂接触 PDMS的情况下也容许STR操纵，这可以干扰某些生物化学的反应。此实施方案容许集成的反 应腔:反应腔容积通过流体层的外部被界定并且(例如，通过热密封塑料、热密封箱片、石墨 等)被封闭。反应腔可以通过穿过流体层的通孔或者通过沿着表面的封闭的通道连接至回 路。
[0094] 在使用对PDMS或其他隔膜材料敏感的STR部件的系统中，第二侧可以在储器603 (图6)中安置STR部件并且使用与PDMS层909分离的反应腔605。为了改善室温的稳定性，STR 部件可以被分开贮存。穿过流体层的通孔在不使STR混合物的大部分接触PDMS或其他膜的 情况下，可以推动或拉动STR部件进入反应腔内。
[0095] 除了 STR部件，其他试剂也可以贮存在流体层的第二侧上。对于在接近气动的和流 体的回路处需要保持高度的平整度的层压卡盒，这些贮存腔可以在层压件之上或之下，或 在侧部。贮存容积在接近顶部处将需要通风孔和在接近底部或窄区段处将需要出口，该出 口类似吸管能够向上吸流体。
[0096] 为了最小化从一个样本至另一个样本污染的风险，在扩增之前使用的试剂可以具 有在层压区域之上的单独的腔。在扩增之后使用的试剂(此时污染具有较小的风险)可以在 所有样本回路中被分享。这种方法容许运行系统所需的所有试剂来贮存在单一卡盒上。 [0097]需要低压力来移动或遏制的这些试剂可以用隔膜阀进行处理。需要更高压力的这 些试剂，例如分离凝胶，可以在低压力下被吸出到其他腔内，并且随后在高压力下被推入到 毛细管内。
[0098] II.具有流体分配通道的卡盒
[0099]双面的流体层提供了多个毛细管用于多样本卡盒，例如如图6中示出的实施方案。 例如，如在图9中示出的，如果用于单独样本的回路例如穿过通道901在流体层的一侧上，则 流体层的另一侧可以提供从右至左的通道，例如903,以便分配试剂。试剂分配可以另外地 需要附加的流体部分或外部歧管。
[0100] in.用来选择性地阻塞隔膜阀的气动通道
[0101] 从右至左的通道也可以按线路发送气动控制信，以启用或禁用特定的回路，如在 图10中示出的。回路的这种选择性的启用或禁用可以容许一些样本被立即运行，并且容许 保留的其他回路稍后运行样本。
[0102] IV.具有密封至塑性主体的可变形层的卡盒
[0103] 本公开的卡盒可以具有包括固体材料的主体。固体材料可以是刚性的、塑性的(有 不可逆变形的能力)或弹性的（有可逆变形的能力）。该主体可以是较硬的或顺从的。在一些 实施方案中，固体材料是聚合物，例如诸如聚丙烯的热塑性塑料。主体可以包括外表面，其 包括流体回路的元件，例如通道、隔室、通孔和阀座。主体可以通过热塑性塑料注射成型制 成。这些特征部可以由附接至卡盒主体的表面的材料层覆盖。该层可以起作用以密封另外 敞开的特征部，例如通道和隔室。材料可以是可变形材料，其可以变形以接触阀座，因此关 闭阀。在某些实施方案中，固体材料是非弹性的（没有弹性变形的能力）。例如，固体材料不 是例如PDMS的弹性体。
[0104] 材料可以使用选择性的结合工艺附接至主体的表面，其中在结合工艺期间材料结 合至表面的选择的部分，并且在结合工艺完成后，不结合至回路的未选择的部分。例如，材 料在结合工艺期间可以结合至除流体元件之外的表面，并且在结合工艺之后不结合至流体 元件，例如通道和阀座。用于选择性的结合的方法包括，例如热结合(例如热密封、焊接、激 光焊接）、化学结合(例如氧化物化学结合至PDMS)和选择性地被放置的胶粘剂。
[0105] 在一种实施方案中，可变形材料层通过热结合附接至卡盒主体的表面。这可以包 括将材料直接地热结合至表面，或通过材料的中间层热结合材料。在后一种情况下，材料可 以是层压件，在其中可变形材料被材料层覆盖，该材料层接触表面并且在低温下熔化。
[0106]在任何一种情况下，结合通常包括使可变形材料接触至主体以形成组合，和使用 压模(die)来施加热量和压力至组合。热量和压力的施加熔化在材料和主体接触的位置中 的基板，并且例如通过凝聚熔融它们。这种工艺通常被称为焊接。
[0107]通过热量和压力的施加结合至主体的材料在本文中被称为"热密封"。热密封在本
技术领域中是熟知的并且是商业上可获得的。例如，4titude(英国萨里，沃顿)使多种热密 封商品化。这些热密封在网页4ti .co.uk/sealing/heat_seals/中被描述。这些包括例如清 理密封(Clear Seal)、清理焊接密封(Clear Weld Seal)和箱片密封(Foil Seal)。热密封 也通过Axygen，Corning品牌（美国，马萨诸塞州，图克斯伯里，Corning)生产。这些包括 Axygen⑧PlateMax热密封薄膜和密封薄膜辑。见网网站：catalog2 . corning . com/ LifeSciences/en-US/Shopping/Product.aspx?categoryname = Genomics+and+ Proteomics(Lifesciences)%7cPCR+Products(Lifesciences)%7cSealing+Films+and+ Tapes+for+Microplates(Lifesciences) % 7cHeat+Sealing+Films+and+Tapes+for+ Microplates(Lifesciences)〇
[0108] 可变形材料可以是均质的或非均质的材料。在某些实施方案中，热密封材料由与 卡盒的主体相同的材料制成。它可以包括热塑性塑料(例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、环烯 烃共聚物(C0C)、聚酯薄膜、聚乙酸脂)或金属（例如铝）。见例如W0 2012/136333。热密封可 以通过使热密封层与主体接触以及施加热量和压力来产生。非均质薄膜包括层压件，该层 压件具有用于与加热器接触的第一侧和用于与主体接触的第二侧。第一侧具有高于第二侧 ("低熔化"）的熔化温度（"高熔化"）。在第一侧允许结合至主体而不结合至加热器之前，这 容许使用热量源使较低侧到其熔化温度。
[0109] 在单样本卡盒中，主体的隔室形成在其中的一侧被覆盖在薄膜或箱片中，该薄膜 或箱片可以被粘附或被热附接至主体。这封闭了第二功能层，同时仅需一个成形零件。这容 许功能性细节-阀、通道等在主体的不同侧上。在单样本卡盒的情况下，这容许阀、气动连接 器和流体连接器在卡盒的一侧上，同时反应腔在卡盒的不同侧上。结果，控制反应腔温度的 温度调节器可以通过薄膜而不是可变形垫片做到这一点，这可以导致更快速并且更可控的 热循环。
[0110] 参考图13,在此实施方案中，隔膜阀1301由薄膜，例如塑性薄膜形成。这些薄膜被 密封至卡盒主体1311，以便封装流体回路1315。可以通过热密封、压力密封、激光焊接、化学 结合、胶粘剂或本领域技术人员熟知的其他方法进行密封。这些阀可以由系统1305上的控 制回路驱动。然而，控制回路可以是系统接口 1309的永久的部分，并且不需要是一次性卡盒 1311的部分。此控制回路可以被安装至机械支撑板，其中通过通孔来传导气动信号。支撑板 1307、控制回路1305和卡盒之间的垫片1313将阻止泄漏。在一个实施方案中，垫片1313可以 是接口 1309的部分。在可替代的实施方案中，垫片1313可以是一次性卡盒1311的部分。
[0111] 根据使用的薄膜，绕着阀、通道或容积的周边可以存在略微突出部。该突出部可以 是由于在结合期间胶粘剂或塑料在结合期间的流动造成的。为了防止这些影响阀密封的质 量，阀入口、出口或两者可以是阀座1317中的贯通孔。远离周边的阀座可以较少受突出部的 影响。
[0112] 由于薄膜的有制的柔韧性，在阀上产生凹坑可能是必要的。这可以通过向下抵着 阀压印薄膜来实现，伴随着施加的热量必须不能足够将薄膜结合至阀座的限制。优选的途 径将是真空形成(vacuform)凹坑。热密封的一般过程涉及施加热量和压力的组合来产生结 合。如果被加热的工具（1401)由多孔材料制成并且具有在阀之上切割的空腔，可以施加吸 力，该吸力可以将阀上的薄吸到空腔内，从而产生凹坑。这可以在薄膜结合至其他区域中的 主体的同时发生。
[0113] 此实施方案可以允许多重制造和材料选择。例如，在微流体中通常使用的PDMS，可 以用诸如热密封薄膜这样的材料替换。此实施方案也减小了段中的对于平整度的需求，以 便容许其他卡盒材料，例如聚丙烯。
[0114] 用于试剂贮存的流体层的使用和如在601的实施方案中用于运输的封闭薄膜的区 段的使用，以及如在701的实施方案中使用封闭薄膜的区段以使阀生效，容许卡盒功能通过 模制件和一个或更多的结合薄膜供应。另一实施方案，如在图8中示出的，使用这种构造。
[0115] V.夹具密封的卡盒
[0116] 图11示出了卡盒601的剖面。通过使用上升的管线或区域，例如隆起1101来控制薄 膜的结合，通风孔可以内置于流体层905内。当结合时这些上升的区域可以提供局部的接 触，以便控制哪些区域结合和哪些区域不结合，导致界定的通道。
[0117] 为了隔绝至这些试剂腔1107的出口 1109和通风孔1105,杆夹具1103可以内置于卡 盒的运输容器中。这些杆夹具可以具有一些刚性，但是可以被可变形的材料或其他的材料 覆盖，该可变形的材料或其他的材料可以符合卡盒表面。它可以具有基本形状或者被形成 以与卡盒表面配合。
[0118]杆夹具1103能保持密封薄膜覆盖物(907,在图11中没有示出）抵着主体或流体层 905,以便隔绝界定的通道。在运输之后但在使用之前，卡盒从它的包装移除，其当包装被打 开时取出运输夹具，或者在卡盒从包装移除之后，从卡盒中单独地移除夹具。
[0119] 如果柔性杆夹具是U形的，如示出的，则它可以在两个位置中关闭每个通道以阻止 泄漏。随后操作者通过检查两个密封部之间的区域将能确认没有泄漏发生。任何穿过两个 密封部的泄漏一般将在两个密封部之间留下残余量。
[0120] 在使用之前，通向试剂储器中的每个的两个通孔通过运输夹具保持关闭。此运输 夹具可以施加均匀的力至柔性衬垫，引起衬垫变形并且保持阀关闭。可选择地，它可以包括 多个小橡胶触点，该多个小橡胶触点可以单独地保持每个阀关闭。随后可以在卡盒被插入 系统内之前移除此运输夹具。
[0121] VI.具有凸起的隔膜的隔膜阀
[0122] 隔膜阀也可以使用柱塞，例如销，机械地驱动。这些隔膜阀可以通过螺线管驱动。 如果通过螺线管驱动，添加凸起部（例如元件1511)至可变形件的外部可以是有益的。这容 许柱塞推挤凸起部，以便产生中心力密封阀，即使螺线管不置于阀上的中心。
[0123] VII.转塔卡盒
[0124] 主要通过注射器栗或通过手动操作的注射器驱动的卡盒被包括在此目前公开中。 卡盒可以通过系统上的计算机控制的电机被控制。
[0125] 卡盒的一个实施方案利用用于驱动的注射器栗，该注射器栗具有布置在环中的可 选的、专门的区域。这些区域的每个可以贮存试剂，放置药签或凿子，接触温度调节器，连接 至用于分离的毛细管等。
[0126] 参考图17,卡盒可以通过旋转卡盒主体1717或内部阀来实现旋转选择器阀。通过 旋转，可以选择各种输入口和输出口。这种旋转可以通过例如步进电机驱动。注射器1709可 以转而通过例如线性步进电机驱动。这容许了广泛范围的一般功能通过两个步进电机控 制。接口也可以利用一个或多个温度调节器。热循环可以通过循环热量调节器的热量，或通 过旋转来接触多个可控的热量源中的一个以减少电源使用来执行，并且可以提高热循环速 度。它也可以具有LED、过滤片和用于反应量化的光电二极管。
[0127] 在毂上的一个、两个或三个位置可以进行温度控制。在毂上的一个位置可以在顶 部上打开，用于样本插入。一个或多个位置可以具有外部的、可缩回的磁体。
[0128] 转塔腔可以包括：（A)通风孔:空气至注射腔；（B)通风孔:至变性加热器；（C)裂解 腔/药签小瓶；（D)裂解缓冲液/废料；（E)混合腔/熔珠(bead); (F)水；（G)乙醇；（H)STR液圈 (lyosphere)(扩增试剂）；（1)采集溶液和尺寸标准(或液圈）；（J)洗脱剂；（K)电泳分离凝 胶；（L)反应腔。
[0129] 凝胶注射可以至增压栗，而不是直接地至毛细管。这将避免在样本卡盒中需要高 压力密封(这将容许凝胶注射与其他功能平行）。如果毛细管可以被直接安装，变性头部在 没有外部变性加热器的情况下，可以通过加热位置中的一个来完成。在毛细管的阴极端部 处的外部废料口可能仍然是必要的。
[0130]此实施方案可以容许接口由转子和步进电机构成，消除气动栗、歧管、阳极模块/ 凝胶填充机构等。
[0131] VIII.引入引导流体输送弹簧针
[0132] 图18A和图18B示出了低的死容积浮动连接器1808的横断面。当接口打开时，如在 图18A中示出的，弹簧件(pogo)通过弹簧1802被迫使向下抵着原始的引入部1801。这将针复 位至相关于弹簧块1803的一致的原始位置。当接口关闭在偏心的卡盒上时，弹簧件接触接 合引入部1804并且被向上推动，以便释放接合间隙1805。随后接合引入部在间隙之内引导 卡盒。一旦对准，弹簧针1806的圆锥表面和卡盒1807连接。轻微的锥度放大弹簧的力，以便 产生密封。这种密封需要卡盒中的一些柔韧性。由于围绕的壁厚度通过接合引入部驱动，这 限制了引入部的尺寸。接合引入部1804和接合间隙1805二者将需要足够大来适应所有加工 公差变动和其他公差变动。如果弹簧针不自行复位至一致的原始位置，接合引入部也可以 改变以适应来自接合间隙的变化。
[0133] IX.通风孔突片
[0134] 在图12示出的一个实施方案中，卡盒包括两个注射成型的塑料零件、卡盒主体和 试剂储器。当在使用中时，试剂储器可以被压靠主体。这可以扣合打开通风孔，并且接合主 体和储器之间的连接器。
[0135] 对于具有主体1205和可移动的试剂储器1201的卡盒概念，例如701的实施方案的 卡盒，存在另一种途径来提供通风孔。这种途径不需要附加的零件。这在设计以使突片（例 如1203)失效中内置于试剂储器内。在使用之前，这些突片将保持关闭，但将与卡盒主体 1205具有轻微的干涉。当通过挤压接合试剂储器时，这些突片将试图拉动远离主容积。它将 撕裂或断裂，以便打开储器中的小通风孔。
[0136] 此实施方案可以为卡盒上的试剂储器提供通风孔，不需要接口中附加的自由度或 卡盒中附加的零件。
[0137] 卡盒可以利用关闭卡盒栗来移动液体。
[0138] 为了避免对于高机械精度的需要，这些阀和通道可以大于传统的微流体阀和通 道。
[0139] X.具有隔膜阀的流体设备
[0140] 此公开的卡盒可以包括隔膜阀。隔膜阀可以被形成为具有在卡盒的流体层中的阀 腔和附接至流体层的表面的可变形膜，并且提供用于打开和关闭阀的隔膜。在一个实施方 案中，阀通常是打开的。即，在环境压力下阀是打开的，并且关闭阀涉及施加正压力至与阀 座相对的隔膜。施加负压力至与阀座相对的隔膜可以进一步打开阀。隔膜可以通过气动压 力或机械压力驱动。在此公开的实施方案中，隔膜通过柱塞或杆施加的正压力机械地驱动， 该柱塞或杆具有配置用于插入阀腔内的端部。在某些实施方案中，杆具有柔顺的端部，其促 进隔膜和阀座之间的接触，由此密封阀使阀关闭。拉出杆释放了隔膜上的压力，由此打开 阀。
[0141] 在常开阀的一个实施方案中，流体层的表面包括凹进部，其界定阀腔并且充当阀 座。在环境压力下，可变形薄膜不坐靠阀座，并且阀处于打开的配置中。可变形膜上的来自 与流体层相对的侧的正压力推动可变形膜抵靠阀座，以便关闭阀。阀座可以采用弯曲的形 状，该弯曲的形状相对于流体层表面是凸的，可变形薄膜可以抵着该弯曲的形状符合。例 如，阀形状可以是球的一部分或倒置的凹坑或圆顶。这样的配置例如，通过阀关闭时不包括 容纳液体的阀腔减小了阀的死容积。此阀还包括表面，可变形薄膜可以抵着该表面符合，以 容易地关闭阀。在另一个实施方案中，凹形表面可以包括在其内的子区段，该子区段具有凸 形表面，例如，导致的凹坑，其包括在其内形成的外倾的凹坑，例如鞍形状。凸形区域拱起以 满足压力下的可变形膜，以便产生用于阀的更好的密封。
[0142] 阀座可以相对于表面的剩余部分被凹进约25微米至约1000微米，例如约700微米。 阀可以与流体通道连通，该通道是微流体的或是宏观流体的（例如，具有小于500微米的方 面或具有大于500微米或至少1000微米的方面）。在常开阀的某些实施方案中，凹面被凹进 小于其连接的通道。在某些实施方案中，通道可以部分进入凹面内，例如形成拱顶。在某些 实施方案中，通道和凹面通过微机械加工、注射成型或凹凸印形成。
[0143] XI.由具有柔顺的端部的柱塞驱动的阀
[0144] 一个实施方案涉及用柱塞关闭流体阀。阀可以被包括在基质中，该基质容纳阀和 一个或多个输入和输出流体通道。可以存在多于一个的输入口和输出口。这些通道可以在 表面上的任一位置处进入圆顶阀表面，只要在通道之间存在密封表面。在某些实施方案中， 通道可以通过与通道连接的通孔进入阀腔。随后圆顶阀被膜覆盖，该膜是弹性薄膜或非弹 性薄膜。薄膜粘贴至圆顶的周边以产生空气和液体的紧密封。随后柱塞被压靠薄膜隔膜，该 柱塞具有充足的力使隔膜变形并且将薄膜挤压在圆顶表面上。来自柱塞的压力在进入圆顶 阀的孔口的口之间产生流体密封。
[0145] 在一个实施方案中，阀被配置为分路器(router)。分路器可以具有例如四个入口/ 出口。在此配置中，叉状柱塞当被接合时，可以阻塞至分路器的入口/出口中的一些，但不是 全部，的通路。例如，叉状柱塞可以允许在从北到南的方向上流体流动穿过分路器，或不允 许流体在从东到西的方向上流动。
[0146] 柱塞被构造成使得存在一个或多个挠曲柱，以便界定相同的圆顶表面来使阀圆顶 表面与隔膜厚度的偏移相匹配。具有密封座尖端的挠曲柱将能自对准至圆顶的目标密封区 域，即用于阀的输入和输出通道的口的周边。挠曲柱也集中通过施加至全部柱的力产生在 活动的密封区域上的应力。
[0147] 参考图29和图30,流体芯片主体包括形成阀座（"圆顶阀"）的凹进部。凹进部界定 充当阀腔的空间。流体芯片主体还包括流体通道(其可以是微流体通道），该流体通道通过 入口和出口与阀流体连通。流体芯片主体的凹进部强加到其内的表面覆盖有可变形膜（"弹 性薄膜"）。柱塞通过施加压力至可变形膜驱动阀。柱塞可以包括叉状物或带狭槽的端部，该 叉状物或带狭槽的端部提供了至叉状物的挠曲柱尖齿的顺度。柱塞的端部具有符合阀座的 形状的形式。参考图31，当压靠可变形薄膜时，柱塞使可变形薄膜抵着阀座变形。通过绕着 阀入口和阀出口接触阀座，隔膜关闭阀，以便阻止流体流动穿过阀。通过拉出柱塞释放隔膜 上的压力，允许可变形薄膜呈现其中间位置，以便打开阀使流体流动。柱塞可以例如通过螺 线管驱动。
[0148] XII.反应腔
[0149] 在一个实施方案中，本公开的流体设备包括反应腔，其包括固体基质，例如固相提 取材料，以用于保持来自样本的分析物。固体基质可以包括结合分析物(例如诸如DNA的核 酸）的材料。在腔中固体基质的量被选择以保持分析物的预定量。例如，材料可以是Whatman FTA纸或羧基材料。可选择地，固体基质可以是吸附剂或海绵状材料，其吸附预定体积的流 体。材料可以是整料的形式。材料可以是，例如，PVDF(聚偏二氟乙烯)膜、过滤纸、玻璃颗粒、 二氧化硅或其他固相提取材料。在操作中，裂解物被栗送通过腔并且预定量的分析物被保 持在固体基质上。随后，保持的材料与试剂接触，例如，用于PCR的试剂。得到的材料可以被 培养以形成反应产物。例如，可以使腔与热控制设备，例如珀尔帖设备热接触，并且反应混 合物可以热循环。在另一个实施方案中，腔可以包括贮器或容器，其被设计来保持界定体积 的液体。
[0150] XIII.污染物失活
[0151] 在一个实施方案中，流体层包括废料腔。废料腔可以容纳分解核酸、多肽或其他分 析物的材料。例如，材料可以包括氯化材料，例如次氯酸钙。可选择地，废料腔可以包括吸附 剂材料，其吸附容纳液体的废料。
[0152] 在另一个实施方案中，核酸分解材料被容纳在水溶胶囊中，在又一个实施方案中， 核酸分解材料与例如纤维素或聚丙烯纤维的吸附剂材料组合。
[0153] 在另一个实施方案中，废料腔容纳分解核酸的酶(例如核酸酶）、分解多肽的酶(例 如蛋白酶)或分解例如磷酸化位点(phosphorylated sites)的其他分析物的酶(例如磷酸 酶)。
[0154] XIV.卡盒和方法
[0155] 图21和图22示出了被配置用于从样本中提取核酸、在样本上执行扩增并且输出扩 增产物的流体卡盒。卡盒包括:被配置成接受适合接收样本(诸如药签)的样本容器的孔口； 被配置成接受容纳试剂(例如裂解液)或连接至试剂的注射器栗的孔口；被配置成接受分别 携带PCR主混合物(master mix)和PCR引物的接收器的孔口；例如用于热循环的反应腔;废 料腔;通风孔;输出孔口；与这些元件连通的流体通道(其可以是微流体通道或宏观流体通 道）；用于调节卡盒的所有流体回路中的流体流动的阀。阀可以是例如隔膜阀。
[0156] 图23示出了卡盒的操作。关闭的阀以较暗的阴影标示，打开的阀以较浅的阴影标 示。箭头标示通过注射器移动的液体的流动。来自注射器的裂解液移动穿过流体通道进入 容纳样本的容器内。样本可以被加热或被超声处理以便促进细胞裂解。在图24中，裂解物被 拉回至注射器内并且核酸被捕捉在反应腔中的固相上。在图25中，裂解液被运送至废料腔 内。在图26中，可以容纳在分离的容器中的PCR主混合物和引物被移动至反应腔内，例如当 注射器从另一侧提供真空时从一侧推动液体。在图27中，反应腔经受热循环以扩增目标序 列，例如STR序列，同时所有的阀是关闭的。在图28中，扩增产物移动至输出孔口，在此处它 可以被转移用于进一步的分析。
[0157] XV.集成的系统
[0158] 本公开的卡盒在集成的和自动的样本到应答系统中是有用的，该系统从包括生物 材料的样本开始，产生样本的分析。在某些实施方案中，生物材料是DNA和涉及确定在受试 者的一个或多个位点（例如基因位点）处的一个或多个等位基因（allele)基因图谱，例如， STR(短串联重复序列）图谱，例如如在C0DIS系统中使用的。系统可以执行若干操作，包括 (a)核酸的提取和分离；（b)扩增在选择的位点(例如基因位点)处的核苷酸序列；以及(c)扩 增产物的探测和分析。这些操作可以在系统中进行，该系统包括若干集成的模块，包括分析 物制备模块;探测和分析模块和控制模块。
[0159] 本文提供的系统可以完全集成。样本处理可以在单一系统中完成，无须移除样本 和将它转移至另一系统。本文提供的系统可以完全自动化，在没有来自使用者的大量输入 的情况下使使用者能够处理样本。
[0160] 样本制备模块包括卡盒模块组件，其被配置成接合样本卡盒并且操作一个或多于 一个的样本卡盒。样本卡盒被配置成接收一个或多个样本，并且执行核酸提取和分离，并且 当卡盒与系统中的卡盒模块组件接合时执行DNA扩增。它还可以包括控制器和用于辅助分 析的标准件。在其它实施方案中，样本卡盒被配置成接收一个或更多的样本，并且执行细胞 裂解，并且当卡盒与系统中的卡盒模块组件接合时执行酶法测定。
[0161] 样本制备模块可以包括:接收器，其用于接收一个或更多卡盒、接合卡盒的接合组 件;流体歧管，其被配置成接合在卡盒中的孔口并且通过孔口将压力和/或流体输送至卡 盒;输送组件，其被配置成将试剂(例如扩增预混合物)从样本卡盒中的隔室输送至扩增隔 室;气动歧管，其被配置成接合卡盒中的孔口，并且通过孔口将正或负压力输送至卡盒，以 便用于移动流体和操作卡盒中的阀、栗和分路器;栗，其被配置成输送压力至流体的和气动 的歧管。可消耗的试剂可以被携带在模块，例如缓冲模块中，即，与卡盒模块可移除地可接 合。
[0162] PCR可以使用热循环仪组件进行。此组件可以包括热控制器(例如珀尔帖设备）、红 外辐射源、电阻加热元件、循环水或其他流体、循环空气、恒定温度块的移动或其他材料，该 组件可以被配置成加热和冷却以用于热循环，并且可以被包括在卡盒模块中，该卡盒模块 可以被配置成将热控制器移动成例如，通过布置在反应腔的每个上的散热器(或可以散发/ 分配热和冷却的热导体）与热循环腔热接触，。在一些实施方案中，卡盒包括温度调节器组 件，其具有一个或更多（例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、16、24、32、40、48或更多）的热循环腔，并 且样本卡盒可以与流体通道流体连通。
[0163]分析和检测模块被配置成接收来自样本制备模块的分析物，并且在分析物上执行 毛细管电泳以便通过电泳检测分离的分析物并且分析检测的分析物。它可以包括毛细管电 泳组件、检测组件和分析组件。
[0164]毛细管电泳组件可以包括:注射组件，其可以包括变性加热器组件、定位组件，该 定位组件定位分析物以用于毛细管注射；阴极组件；毛细管组件；阳极组件；毛细管填充组 件，其用于用分离介质填充毛细管;和电源，其用于在阳极和阴极之间施加电压。
[0165] 检测组件可以包括激光器，其被配置成照明毛细管和检测器。激光器可以被配置 成激发分析物中的荧光染料。在可替代的实施方案中，激光器可以被诸如LED的可替代的光 源替换。检测器可以包括CCD阵列、光电倍增管、二极管阵列或其他检测器，以用于检测由激 发的染料产生的光，并且用于产生输出信号。
[0166] 分析组件可以包括计算机，其包括储存器和用于执行代码(例如，有形介质上的代 码）的处理器，以便分析输出信号，并且产生包含信号分析的计算机文件。这样的分析可以 包括例如来自各STR位点的等位基因的识别。计算机文件可以是与公共数据库兼容的格式。 例如，文件可以是C0DIS格式，其与由FBI操作的国家DNA检索系统(NDIS)兼容。
[0167] 系统可以通过控制模块操作。控制模块可以包括使用者接口，其被配置成接收来 自使用者的指令并且输送信息至使用者。它可以包括软件，其被编程以执行程序，以便用于 执行上述提及的操作，并且被编程以例如在网络上传输和接收来自远程位置的信息，例如 计算机文件。
[0168] XVI.使用方法
[0169 ]本公开的卡盒可以用在集成的系统中以便制备样本，例如，DNA分离和扩增。例如， 在一个实施方案中，容纳在例如药签或卡凿子上的样本，可以被引进至样本腔207内。腔可 以通过盖211扣合关闭。卡盒可以与卡盒接口 10 3接合。容纳在系统上的储器中的细胞裂解 缓冲器可以通过穿过接口组件401的管线405送入卡盒中的流体通道内，并且送入样本腔 207内。裂解后，分析物可以移动通过芯片上的流体通道，例如，该流体通道将流体栗送至反 应腔301内。在一个实施方案中，DNA反应腔可以包括磁化地可被吸引的颗粒，该颗粒结合 DNA并且可以通过施加在接口中产生的磁力而被固定在反应腔中。这样可以消除对中间DNA 分离腔的需要。废料流体可以移动通过卡盒并且通过通风孔离开。用于执行PCR或其他反应 的试剂可以通过连接至接口的流体管线405中的一个被引进反应腔内。系统中的热控制机 构可以施加热以在卡盒的热循环腔301中执行热循环。在一些实施方案中，热量被施加至加 热传输元件，例如箱片或金属的薄膜，该加热传输元件改善了热接触和热传输。
[0170]本公开的卡盒可以用在集成的系统中以便分析样本，例如，实时的DNA分离和扩增 或终点检测。对于实时测量，样本可以通过光学检测系统询问，同时在反应腔301中扩增。读 出可以是荧光中的改变或者通过熔点的改变。探针可以是人类特有的以用于人类识别、取 证、或分子诊断应用，或特定用于分子诊断应用的病原体，或用于生物防御应用的生物制 剂，或用于确定DNA存在量的非特异性插入剂（intercalator)。扩增方法包括，例如热或等 温扩增反应，例如PCR、滚环扩增(rolling circle amplification)、全基因组扩增、基于核 酸序列的扩增，以及单一链置换扩增、单一引物等温线性扩增（SPIA)、环介导的等温扩增 (loop-mediated isothermal amplification)、连接介导的滚环扩增（ligation-mediated rolling circle amplification)及类似。
[0171] 本公开的卡盒可以用在集成的系统中以便分析样本。测定可以检测多肽(例如免 疫测定)或核酸(例如PCR)。测定可以是多分析物或单一的分析物。它们可以涉及任一测定 来测量样本的存在、量、活性或其他特性。这些包括牵涉通过荧光、发光、化学发光、拉曼光 谱(Raman )、吸光度、反射率、透光率、双折射率、折射率、色度以及其组合的检测的测定。在 此目前公开中，酶主混合物和基质可以单独地添加至光学监视的测定的反应以及进程或终 点。
[0172] 对于STR应用，在热循环之后，例如分子量标记物(尺寸标准）的其他试剂可以与 PCR产物组合。当隔膜阀303通过气动的驱动器或机械的驱动器驱动时，可以控制通过卡盒 的移动，其中力通过管线407传输。PCR的产物可以通过输出管线从芯片上离开以便用于分 析。
[0173] 虽然本发明的优选的权利要求已在本文示出并且描述，对本领域的技术人员而 言，将明显的是，这些权利要求仅通过示例的方式提供。本领域的技术人员将想到许多变 型、改变和替换，而不脱离本发明。应理解，本文描述的发明的权利要求的各种替代方案可 以在实践本发明中使用。其旨在，以下的权利要求界定本发明的范围，并且由此覆盖在这些 权利要求的范围内的方法和结构以及它们的等同物。
【主权项】
1. 一种卡盒，包括： (a) 主体，所述主体包括聚合物，并且包括在所述主体的表面上的并且被配置成传输流 体的至少一个功能性特征部(例如，孔口、通孔、流体通道、腔、阀入口和阀出口和/或阀座）； 以及 (b) 可变形材料层，所述可变形材料层热结合至所述主体并且覆盖所述功能性特征部 (可选地，其中所述层的至少一个部分包括永久变形部），并且其中将正压力或负压力施加 至所述层的至少一个部分驱动所述可变形材料与所述主体的所述表面上的功能性特征部 接触或与所述主体的所述表面上的功能性特征部脱离接触;并且 其中所述卡盒被配置成接合卡盒接口，所述卡盒接口被配置成将正压力或负压力供应 至所述层的所述至少一个部分。2. 如权利要求1所述的卡盒，还包括在所述主体中的流体填充腔，其中所述腔具有用热 密封密封关闭的开口。3. 如权利要求1所述的卡盒，其中所述可变形材料包括热密封材料。4. 如权利要求1所述的卡盒，其中所述可变形材料包括选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、 环烯烃共聚物(COC)、聚酯薄膜、聚乙酸脂和金属的材料。5. -种设备，包括如权利要求1所述的卡盒和柱塞，所述柱塞被配置成驱动所述主体上 的隔膜阀的隔膜。6. -种流体设备，包括一个或多个隔膜阀，每个隔膜阀被配置成调节流体通道中的流 体流动，其中所述流体设备包括流体层、驱动元件和可变形膜，其中每个隔膜阀包括： a) 隔膜，所述隔膜被包括在所述可变形膜中； b) 阀座，所述阀座被包括在所述流体层中并且从所述流体层的接触所述可变形膜的表 面凹进，使得除非正压力施加在所述隔膜上，否则所述隔膜不关闭所述隔膜阀；和 c) 阀入口和阀出口，所述阀入口和阀出口被包括在所述流体层中并且与流体通道流体 连通;和 d) 柱塞，所述柱塞被配置成驱动所述隔膜； 其中所述可变形膜包括通过热活化胶粘剂、热熔合、化学结合或压敏胶粘剂粘附至所 述流体层的塑性材料，并且其中所述可变形膜被配置成使得在所述可变形膜上的压力使所 述膜压靠所述阀座，由此关闭所述阀，并且其中能够通过释放所述柱塞抵着所述可变形膜 的压力或通过推动液体经过所述阀来打开所述阀。7. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形膜不是弹性体材料，例如不是PDMS。8. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形膜包括层压件，所述层压件包括塑性材料 和可变形的、填充空间的材料，其中抵着所述填充空间的材料的压力引起所述填充空间的 材料充分地填充阀腔，使得所述塑性材料关闭所述阀。9. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形材料具有肖式硬度D在10至80之间的硬度 计值。10. 如权利要求6所述的设备，其中所述流体层包括聚合物，例如热塑性塑料。11. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形材料具有充足的厚度，使得机械压力被 施加，所述可变形材料充分地填充所述阀腔以在阀座中在所述塑性材料之间形成密封部， 以便关闭所述阀。12. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形的、填充空间的材料包括固体泡沫。13. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形材料通过胶粘剂附接至所述塑性材料。14. 如权利要求6所述的设备，其中所述可变形材料通过接口设备被挤压成与所述塑性 层接触。15. 如权利要求6所述的设备，其中所述流体层包括聚合物，例如热塑性塑料。16. -种卡盒，包括一个或多个流体回路，每个流体回路包括至少一个隔膜阀；其中所 述卡盒包括： (a) 主体，所述主体包括（i)表面，所述表面包括与一个或多个阀入口和一个或多个阀 出口流体连通的阀座，和（ii)至少一个孔口，所述至少一个孔口与所述流体回路流体连通； 以及 (b) 可变形材料层，所述可变形材料层覆盖所述阀座和所述至少一个孔口， 其中所述可变形材料层的一部分充当隔膜，所述隔膜与所述阀座组合形成隔膜阀，并 且其中当所述隔膜被驱动时(例如，通过移动成与所述阀座接触或通过移动成与所述阀座 脱离接触），所述隔膜调节穿过所述隔膜阀的流体流动， 并且包括穿过所述可变形材料层的至少一个管道，每个管道与孔口连通;并且 其中所述卡盒被配置成接合卡盒接口，使所述可变形材料与卡盒接口的表面直接接 触，使所述隔膜与驱动所述隔膜(例如，气动地或机械地）的正压力和/或负压力的源连通， 并且使所述至少一个孔口通过所述管道与流体或气动管线连通，其中所述可变形材料层可 选地充当垫片，以密封所述至少一个孔口以防泄漏。17. 如权利要求16所述的卡盒，其中所述流体回路还包括形成在所述主体中的反应腔， 所述反应腔可选地用热传导材料的薄膜(例如，金属薄膜)覆盖。18. 如权利要求16所述的卡盒，其中所述流体回路还包括被配置成接收包括生物材料 的样本的腔，所述腔可选地包括关闭突片。19. 一种仪器，包括： (a)至少一个卡盒接口，其包括： (i)接合单元，所述接合单元被配置成接收可移除地可插入的卡盒并且使接收的卡盒 与歧管组件和热调节器接合， 其中所述卡盒包括:至少一个流体回路，所述流体回路包括至少一个流体通道、至少一 个排出孔口；和至少一个隔膜阀，所述隔膜阀包括阀座，所述阀座被配置成调节所述至少一 个流体回路中的流体流动;和可变形材料层，所述可变形材料层覆盖所述阀座和所述至少 一个孔口，其中所述可变形材料充当所述隔膜阀中的隔膜并且包括穿过所述层的至少一个 管道，每个管道与孔口连通;以及 (i i)歧管组件，所述歧管组件包括接合表面，所述接合表面被配置成直接地接触接收 的卡盒的可变形层，并且所述歧管组件具有与所述接合表面上的孔口连通的多个传输通 道;其中将卡盒与所述歧管组件接合：（A)使所述隔膜与所述接合表面上的第一孔口连通， 所述第一孔口被配置成将正压力或负压力传输至所述隔膜，以及(B)使所述排出孔口与所 述接合表面上的第二孔口连通，所述第二孔口被配置成通过所述传输通道将流体传输至流 体回路内或将流体传输离开流体回路；以及 (i i i)可选地，热调节器，当所述热调节器与接收的卡盒接合时，所述热调节器使热栗 (例如，热电加热器，例如珀尔帖设备)与所述卡盒中的热循环腔热接触。20. 如权利要求19所述的仪器，还包括以下中的任一项： (b) 气动压力源，所述气动压力源被配置成将正气动压力或负气动压力输送至所述歧 管组件的传输通道； (c) 栗，所述栗被配置成将液体移动至所述歧管组件的传输通道内或将液体移动离开 所述歧管组件的传输通道； (d) 试剂源，所述试剂源与所述歧管组件的传输通道流体连通； (e) 分析模块，所述分析模块被配置成对从所述卡盒接收的流体执行至少一种分析(例 如，电泳）；以及 (f) 控制模块，所述控制模块包括可执行的代码，所述代码在被执行时控制所述仪器的 操作。21. -种卡盒，包括第一层和可变形层： (a) 其中所述第一层包括： (i) 第一侧，所述第一侧接触所述可变形层，其中所述第一侧包括多个流体回路，每个 流体回路包括至少一个流体通道;和 (ii) 第二侧，所述第二侧包括至少一个流体分配通道，所述流体分配通道由覆盖层覆 盖； (ii i)多个通孔，所述多个通孔在所述第一层中，每个通孔被配置成使所述流体分配通 道与流体通道连通;和 (iv)可选地，至少一个通孔，所述至少一个通孔在所述第一层中，所述至少一个通孔被 配置成使所述流体分配通道与所述第一层的一侧上的孔口连通，所述第一层的一侧上的所 述孔口被配置成接合流体源；以及 (b) 可选地包括驱动层，所述驱动层包括至少一个驱动回路，所述驱动回路被配置成驱 动隔膜抵靠所述第一侧中的阀座。22. -种卡盒，包括第一层、第二层和夹在其间的可变形层： (a) 其中所述第一层包括： (i) 第一侧，所述第一侧接触所述可变形层，其中所述第一侧包括多个流体回路，每个 流体回路包括至少一个流体通道和至少一个阀座； (ii) 第二侧，所述第二侧包括至少一个气动分配通道，所述气动分配通道可选地由覆 盖层覆盖； (i i i)至少一个通孔，所述至少一个通孔在所述第一层中，所述至少一个通孔被配置成 使气动分配通道与所述可变形层连通;和 (iv)可选地，至少一个通孔，所述至少一个通孔在所述第一层中，所述至少一个通孔被 配置成使气动分配通道与所述第一层的一侧上的孔口连通，所述第一层的一侧上的所述孔 口被配置成接合在气动压力源中； (b) 其中所述可变形层的部分与所述第一层中的阀座组合形成隔膜阀；以及 (c) 其中所述驱动层包括至少一个驱动回路，所述驱动回路包括至少一个分支通道，其 中每个分支通道被配置成驱动隔膜抵靠不同的流体回路中的阀座，并且每个分支通道还包 括阀座;并且 其中施加至气动分配通道的正压力或负压力通过所述通孔传输压力，以驱动所述可变 形层的隔膜部分与所述分支通道中的所述阀座接触或与所述分支通道中的所述阀座脱离 接触，其中关闭控制阀阻止了所述流体回路中的所述隔膜阀的驱动。23. -种设备，包括卡盒和夹紧设备： (a) 其中所述卡盒包括： (i)主体，其包括： (A)至少一个流体回路，其包括： (I) 在所述主体的表面上的并且被配置成传输流体的至少一个功能性特征部(例如，孔 口、流体通道、腔、阀入口和阀出口和/或阀座），其中所述功能性特征部可选地包括在所述 主体的所述表面上的隆起;和 (II) 至少一个隔室，所述至少一个隔室容纳液体，其中所述隔室通过所述主体中的一 个或多个通孔与所述功能性特征部连通;以及 (i i)可变形材料层，所述可变形材料层覆盖所述功能性特征部； 以及 (b) 其中所述夹紧设备当与所述卡盒接合时将充足的压力施加至可变形材料，以使所 述可变形材料抵靠所述卡盒主体变形并且密封以防液体从所述隔室并且穿过所述至少一 个功能性特征部的移动;并且其中移除所述夹紧设备将至所述可变形材料的压力释放，以 便允许打开所述密封部(例如，通过所述可变形材料的弹性回应或通过施加抵着所述密封 部的正压力或负压力）。24. 如权利要求23所述的设备，其中所述夹紧设备包括机械夹具或真空密封部。25. -种卡盒，包括： (a) 流体层，所述流体层包括具有至少一个隔膜阀的表面，所述隔膜阀包括阀座（例如， 凹进的阀座）； (b) 可变形层，所述可变形层配合至所述表面， 其中所述可变形层的部分充当隔膜，所述隔膜当被驱动时配置成移动成与所述阀座接 触或与所述阀座脱离接触;并且 其中所述可变形层的充当隔膜的所述部分包括凸起部，所述凸起部定位在所述可变形 层的与接触所述阀座的一侧相对的一侧上；以及 (c) 可选地包括： 刚性基板，所述刚性基板与所述可变形层配合并且包括缝隙，所述缝隙暴露所述凸起 部并且被配置成接收柱塞，所述柱塞接触所述凸起部且例如通过施加机械压力来驱动所述 隔膜;或 所述刚性基板被配置成接合接口，所述接口包括缝隙，所述缝隙暴露所述凸起部并且 被配置成接收柱塞，所述柱塞接触所述凸起部且例如通过施加机械压力来驱动所述隔膜。26. -种卡盒，包括： (a)底座，所述底座包括： (I) 中心筒，所述中心筒包括栗腔和可移动的注射器， (II) 底座底板，所述底座底板包括孔口站，所述孔口站包括底板孔口；和 (III) 通道，所述通道将筒腔流体地连接至所述底板中的所述孔口；以及 (b)转塔，所述转塔被配置成绕着所述中心筒旋转，并且包括多个转塔腔，每个转塔腔 包括转塔腔的腔底板中的并且面对所述底座底板的转塔腔缝隙， 其中将转塔腔定位在所述孔口站处使所述转塔腔缝隙通过所述底板孔口与所述筒腔 流体连通，并且其中当所述转塔腔被定位在除所述孔口站之外的至少一个位置处时，所述 底板关闭转塔腔缝隙;并且 其中至少一个转塔腔还包括在所述底板孔口和排出孔口之间连通的通道。27. -种仪器，包括卡盒接口和与所述卡盒接口接合的可移除的卡盒： (a) 其中所述接口包括底座和一个或多个中空的孔针，所述孔针用于将流体输送至所 述卡盒中的孔口，其中所述卡盒偏压所述针抵靠所述底座，并且所述针穿过所述底座中的 缝隙突出；并且其中所述针包括:原始的引入部，所述原始的引入部被配置成在通过移除所 述卡盒释放所述偏压后，使所述针处于原始位置中；和锥形端部，所述锥形端部被配置成与 所述卡盒中的引导件配合；以及 (b) 其中所述卡盒包括流体回路，所述流体回路包括孔口和与所述孔口连通的针引导 件，其中所述针引导件包括配合的圆锥体和针引导件引入部，所述配合的圆锥体被配置成 与所述针的锥形端部配合，并且所述针引导件引入部被配置成当在所述卡盒与所述接口接 合期间所述卡盒施加抵着所述针的所述锥形端部的偏压时引导所述针进入所述配合的圆 锥体内。28. -种卡盒，包括： (a) 主体，所述主体包括至少一个穿孔元件、至少一个流体通道和至少一个凸缘;和 (b) 试剂储器，所述试剂储器包括至少一个流体地隔离的、填充流体的隔室；在所述隔 室的壁中的可破坏的密封部;和可破坏的突片，所述可破坏的突片附接至所述隔室的外壁； 其中所述卡盒被配置成使得当所述试剂储器与所述主体接合时： (i) 所述穿孔元件刺穿所述可破坏的密封部，使所述隔室与所述通道流体连通;并且 (ii) 所述凸缘施加抵着所述可破坏的突片的力，以破坏所述突片并且形成所述隔室中 的通风孔。29. -种流体设备，所述流体设备包括一个或多个隔膜阀，每个隔膜阀被配置成调节一 个或多个流体通道中的流体流动，其中所述流体设备包括流体层、驱动元件和可变形膜，其 中每个隔膜阀包括： a) 隔膜，所述隔膜被包括在所述可变形膜中； b) 阀座，所述阀座被包括在所述流体层中并且从所述流体层的接触所述可变形膜的表 面凹进，使得除非正压力施加在所述隔膜上，否则所述隔膜不关闭所述隔膜阀；和 c) 阀入口和阀出口，所述阀入口和阀出口被包括在所述流体层中并且与流体通道流体 连通;和 d) 柱塞，所述柱塞作为驱动元件被包括，所述柱塞具有包括尖齿的叉状端部，其中所述 端部具有符合所述阀座的表面，并且其中所述尖齿顺从横向压力，由此通过所述柱塞的在 所述隔膜上并且抵着所述阀座的压力关闭所述阀。30. -种流体设备，包括样本输入口、样本输出口和废料腔，所述样本输入口、所述样本 输出口和所述废料腔均通过流体通道被流体地连接，其中所述废料腔包括分解核酸的材 料。31. 如权利要求30所述的流体设备，其中分解核酸的材料包括次氯酸盐或核酸酶。32. -种流体设备，包括流体回路，所述流体回路包括样本输入口、反应腔和样本输出 口，其中所述反应腔包括固体基质，例如，固相提取材料，以用于保持来自样本的分析物。33. 如权利要求32所述的流体设备，其中所述固体基质包括结合核酸的材料。34. 如权利要求32所述的流体设备，其中所述固体基质包括Whatman纸、羧化材料、海绵 状材料、聚合物膜或玻璃颗粒。35. 如权利要求32所述的流体设备，其中所述固体基质结合预定量的材料。36. 一种方法，包括： (a) 提供反应混合物，所述反应混合物包括：（1)样本，所述样本包括哺乳动物(例如，人 类)DNA，（II)试剂，所述试剂用于扩增哺乳动物DNA(例如标记引物、核苷酸和聚合酶）中的 短串联重复序列（STR)，以及（III)哺乳动物特有的探针，所述哺乳动物特有的探针被选择 以便在反应中被扩增，并且所述探针包括与所述标记引物可区别的标记； (b) 执行STR反应，所述STR反应包括在所述样本和所述哺乳动物特有的探针中扩增 STR； (c) 例如在诸如执行实时PCR的时间上探测所述反应中扩增的哺乳动物特有的探针的 量；以及 (d) 可选地，基于探测的扩增的哺乳动物特有的探针的量，停止所述STR反应。37. 如权利要求36所述的方法，其中所述标记是荧光标记，并且所述可区别的标记具有 在所述标记引物的最高波长或最低波长之上或之下的波长。38. 如权利要求36所述的方法，其中所述哺乳动物特有的探针还包括例如黑洞淬灭剂⑩ 的淬灭剂或TaqMan?探针。
【文档编号】B01L99/00GK105873681SQ201480071855
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月17日
【发明人】詹姆斯·奥格, 大卫·埃伯哈特, W·D·尼尔森, 海伦·弗兰克林, S·B·乔瓦诺维奇
【申请人】尹特根埃克斯有限公司