一体化料筒的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2009年9月21日提交的美国临时申请第61/272，397号的优先权，所述 申请通过引用以其全文并入本文。
技术领域
技术领域 [0003] 为生物技术，更具体地，为用于分析生物分子的方法和装置。
[0004] 发明背景
[0005] 期望获得兼具样品制备和样品分析功能的分析仪器。还期望获得轻而小且能够以 低成本生产的分析仪器。然而，微流体的挑战已阻碍了此类分析装置的开发。这些挑战部分 是由于小规模下的流体动力学。例如，根据哈根-泊肃叶方程，随着微流体通道的直径的减 小，穿过通道的压降增大4次幂。当利用复杂微流体几何学时，这些大的压降可能导致非常 难以预测的流动特征，特别是在系统中具有气泡时。空气的热膨胀超过液体的5倍大，从而 带来了其它挑战。
[0006] 发明概述
[0007] 公开了用于样品处理和分析的一体化料筒(cartridge)。所述一体化料筒包括:样 品制备室，所述样品制备室具有样品入口和样品出口；和样品纯化室，所述样品纯化室适于 接纳可更换的样品纯化单元，所述样品纯化单元包括壳体和在所述壳体内部的提取滤料。 所述提取滤料特异地结合目标分子。所述样品纯化室具有与样品制备室的样品出口流体连 通的样品入口。
[0008] 还公开了基于微阵列的样品分析(MBSA)系统。所述MBSA系统包括:适于接纳可拆 卸的料筒的料筒支架，所述可拆卸的料筒被构造为接纳可拆卸且可更换的样品分析单元， 所述样品分析单元具有反应室和微阵列;流体控制子系统，所述流体控制子系统控制流体 流动;和光学子系统，所述光学子系统被构造为捕获所述微阵列的图像。
[0009] 附图简要说明
[0010]详细描述将参考下述附图，其中：
[0011 ]图1A和1B为不出一体化料筒的一个实施方案的不意图。
[0012] 图2为示出具有细胞裂解装置的一体化料筒的示意图。
[0013] 图3A-3C为示出双功能一体化料筒的蛋白质纯化部件的不同实施方案的示意图。 [0014]图4为基于微阵列的样品分析(MBSA)系统的框图。
[0015] 图5为流体子系统的示意图，所述示意图示出连接至一体化料筒的栗和选择阀 (SV)〇
[0016] 图6A为示出一体化料筒的示意图，所述一体化料筒位于不具有热循环仪气囊的流 体歧管中。
[0017] 图6B为示出一体化料筒的示意图，所述一体化料筒位于具有热循环仪气囊的流体 歧管中。
[0018] 图7为示出一体化料筒中安装的微流体料筒阀的位置的示意图。
[0019] 图8为示出安装的微流体料筒阀的一个实施方案的示意图。
[0020] 图9为示出流动池内的室布置的一个实施方案的示意图。
[0021] 图10为示出对于位置RS1800407处的眼睛颜色SNP获得的PCR/APEX等位基因信号 比率结果的图。在位于气囊热循环仪中的Akonni流动池中、在位于MJ热循环仪中的0.2ml PCR管中和在位于气囊热循环仪中的Cepheid管中进行PCR。离线进行APEX-个小时。结果表 明所有三个PCR方法的APEX信号相当。
[0022]图11A为具有激光光源的光学子系统的一个实施方案的示意图。
[0023]图11B示出了间距300μπι的Cy3阵列的典型图像，所述图像采用具有共轴照明的图 11A所描述的光学子系统获得。
[0024]图12A为具有激光光源的光学子系统的另一个实施方案的示意图。
[0025]图12B示出了 llxl8Cy3阵列的典型图像，所述图像采用图12A的光学子系统获得。
[0026] 图13A为示出具有高亮度LED的光学子系统的一个实施方案的示意图。
[0027] 图13B为示出用于荧光和FII成像的光学组件的示意图。
[0028] 图13C为示出用于荧光和FII成像的另一个光学组件的示意图。
[0029] 图13D为示出图13B和13C所用的准直光源的示意图。
[0030] 图14A为凝胶阵列(gel array)的FII图像。
[0031] 图14B为示出图14A中的阵列元件的标准化像素强度情况的图。
[0032]图15为示出通过ImageJ软件中可得到的不同方法处理的凝胶阵列图像的复合图。 图A，初始图像；图B，ImageJ处理：Process = >Find Edges;图C，ImageJ处理：Process = > Fi 1 ters = >Median，R = 5;图D，ImageJ处理：Process = >Fi 1 ters = >Mean，R = 5;图E，ImageJ 处理：Image = >Adjust Threshold;图F，ImageJ处理：Process = >FiIters = >Maximum··· .R =2;图G，ImageJ处理：Process = >Binary = >Find Maxima;图H，分别示出找到的斑点中心 和检测到的斑点边界的图像的重叠。
[0033] 图16为示出斑点形态的评估结果的复合图。图A:以荧光成像模式获得的图像；图 B:使用采取准直光束的斜射照明获得的相同阵列的FII图像；图C:在使用Pr 〇cesS = >Find Edges的ImageJ中的图像处理；图D:在使用Process = >FiIters = >Median，R = 2; Image = > Adjust Threshold的ImageJ中的图像处理。
[0034] 图17A和17B为示出图15的图A中的凝胶斑点的形态评估结果的图。
[0035]图18A为示出采用原型MBSA系统和Aurora成像仪进行的酿脓链球菌(S. pyogenes) 的检测结果的图。
[0036]图18B为示出采用原型MBSA系统和Akonni成像仪进行的酿脓链球菌的检测结果的 图。
[0037]图19A为示出采用原型MBSA系统和示于图11A的成像方法进行的炭疽芽孢杆菌 (B.anthracis)的检测结果的图。
[0038]图19B为用于图19A的微阵列的阵列图谱。
[0039]图20为示出酿脓链球菌DNA的PCR结果的图，所述酿脓链球菌DNA使用具有珠子混 合器的一体化料筒提取。混合器1和混合器2:使用具有珠子混合器的一体化料筒，在两个分 开的实验中提取的酿脓链球菌DNA。涡旋:使用标准的涡旋法提取的酿脓链球菌DNAJTC:阴 性对照。
[0040]图21A示出了 6重PCR产物的微阵列结果。左上图为微阵列图像，其中箭头指向在多 重PCR中产生的6种PCR产物。右上图为微阵列图谱。下图示出了在3个不同退火温度下产生 的PCR产物的探针编号/引物标示符/荧光信号强度。
[0041 ]图21B为示出经料筒纯化的血液DNA的实时PCR分析的图。
[0042] 图22示出了具有PID栗和加热器控制的热循环情况。线A示出了热区的温度，线B示 出了冷区，线C示出了夹在气囊之间的热电偶的温度，线D示出了正要进入气囊之前的工作 流体的温度。
[0043] 图23为示出双功能一体化料筒的一个实施方案的图。
[0044] 图24为示出完整的MBSA系统的一个实施方案的示意图。
[0045] 发明的详细描述
[0046] 本描述意在与附图共同阅读，所示附图被认为是本发明整个文字描述的一部分。 所述附图不必定按照比例，并且为了清楚和简明的目的，本发明的某些特征可能按比例放 大示出或在某种程度上以示意形式示出。在说明书中，相对性术语，例如"前"、"后"、"上"、 "下"、"顶部"和"底部"及其衍生形式，应该理解为是指如随后描述的或者如在所讨论的附 图中示出的取向。这些相对性术语为了方便描述，并且通常不意在需要特定取向。除非另外 明确描述，关于连接、偶联等的术语，例如"连接的"和"附接的"，是指这样的关系:其中结构 直接或通过中间结构间接地彼此固定或附接，以及二者为可移动的或刚性的附接或关系。
[0047] 在描述本发明的优选实施方案时，为了清楚目的而采用具体术语。然而，本发明不 意在限于所选择的具体术语。应该理解的是，每个具体元件都包括以类似方式操作以实现 类似目的的所有技术等同物。
[0048]公开了用于样品处理和分析的一体化料筒。所述一体化料筒包括样品制备室、样 品纯化室和可拆卸的样品分析单元。所述样品制备室具有样品入口和样品出口，并且与所 述样品纯化室流体连通。所述样品纯化室包括提取滤料，所述提取滤料特异地结合目标分 子。所述可拆卸的样品分析单元包括具有微阵列的至少一个样品分析室。
[0049] 图1A示出了一体化料筒的一个实施方案。所述一体化料筒允许进行生物分子(例 如多肽和多核苷酸)的提取以及随后在相同料筒内分析所述生物分子。在本实施方案中，一 体化料筒1 〇〇包括料筒本体1和样品分析单元2。料筒本体1包括样品制备室10、与样品制备 室10流体连通的样品纯化室20、与样品纯化室20流体连通的样品洗脱室30、与样品纯化室 20流体连通的废弃物室40、当样品分析单元2附接至料筒本体1时与样品分析单元2流体连 通的产物废弃物室50、使所述室彼此连接的流体通道60以及允许一体化料筒100连接至料 筒底座(未示出）的流体界面70。在一个实施方案中，样品分析单元2为料筒本体1的一体化 部分。在另一个实施方案中，样品分析单元2为从料筒本体1可拆卸的。图1B为示出相同的料 筒100的示意图，所述料筒100具有控制每个室中的流体流动的安装(on-board)的阀80。
[0050] 样品制备室10在所述室的上部具有样品入口 11，在所述室的下部具有样品出口 12。在示于图1A和1B的实施方案中，样品入口 11位于样品制备室10的顶部，样品出口 12位于 样品制备室10的底部。在一个实施方案中，样品入口 11为圆顶阀。当连接至栗时，样品出口 12还可以起空气入口的作用。可以通过从样品出口 12向样品制备室10中栗送气体而实现在 样品室内部的样品混合，所述气体例如空气或惰性气体(例如氮气）。所述气体形成从室10 的底部向顶部迀移的气泡，并在此过程期间混合样品。
[0051]在另一个实施方案中，加热所述气体以提供一种在样品制备室10中均一地加热样 品/试剂混合物的方式。
[0052]样品纯化室20包括提取滤料21，提取滤料21特异地结合分析物。分析物的实例包 括、但不限于，多核苷酸、多肽、脂质和多糖。在一个实施方案中，所述提取滤料为特异地结 合DNA的二氧化硅提取滤料。在另一个实施方案中，所述提取滤料为特异地结合蛋白质的多 孔材料。在一个实施方案中，提取滤料21位于可移除的样品纯化单元22中，所述样品纯化单 元22可以容易地从料筒本体1拆卸并替换为新的样品纯化单元22。样品纯化单元22包括具 有入口和出口的壳体以及特异地结合分析物的提取滤料21。在一个实施方案中，样品纯化 单元22为移液器吸头的形式。在优选实施方案中，所述移液器吸头的尺寸被定制为装配在 样品纯化室20的空间内。在另一个优选实施方案