毛细管电泳设备的制作方法

专利名称：毛细管电泳设备的制作方法
毛细管电泳设备相关串请的交叉引用
本申请要求提交于2010年5月28日的相应美国临时专利申请61/349，680的提 交日期的权益，该申请的内容通过弓I用而整体并入本文。本申请涉及并要求提交于2011年 5月23日的美国申请13/113，968的提交日期的权益，该申请的内容通过引用而整体并入本文。关于联邦科研资助的声明
本发明是在根据美国中央情报局授予的合同编号2004*H838109*000的政府支持 下产生的。政府在本发明中享有某些权利。
背景技术：
毛细管电泳在生化分析中用于检测混合物中的分析物。一种普遍的应用是对作为 测序或扩增反应产物的核酸进行分析。现代毛细管电泳设备使用毛细管阵列来执行多重分 析。此类设备以多种方式调控毛细管中的温度。一种方法，诸如在美国专利号7，601，252 中，在毛细管周围循环特定温度的空气。在另一方法中，诸如在美国专利号7，223，326和 7，473，342中，毛细管与加热板热接触。
使用多种光学组装件来检测毛细管阵列中的分析物。发明内容_5] 热装置
本技术的一方面是这样一种装置其具有电绝缘线路板、附接于该线路板的至少 一个电通路、以及与至少一个热区热接触的至少一个电泳毛细管。电通路形成热区。电通 路响应于通过该电通路的电流而得到热调控。所述至少一个电泳毛细管响应于通过该电通 路的电流而得到热调控。
—个实施方式包括与电泳毛细管热接触的至少一个温度传感器，以及电泳毛细管 的温度的控制器。温度传感器提供电泳毛细管的温度数据。控制器响应于来自温度传感器 的温度数据而改变通过电通路的电流。
在一个实施方式中，电通路具有至少一个电阻，该至少一个电阻提供与电通路热 接触的电泳毛细管的温度数据。该装置还包括电泳毛细管的温度的控制器，该控制器响应 于来自电通路的电阻的温度数据而改变通过电通路的电流。
一个实施方式还包括至少一个热绝缘构件，该热绝缘构件附接于线路板并由电通 路和电泳毛细管定位。该热绝缘构件降低(i)附接于电通路和电泳毛细管的线路板的一部 分与(ii)线路板的其余部分之间的热传递。这样的热绝缘构件的一个示例是线路板上的 孔眼。
一个实施方式具有与电泳毛细管的不同区段热接触的多个电通路。电泳毛细管的 不同区段由不同的电通路进行单独的热调控。一个实施方式还包括与电泳毛细管的不同区 段热接触的多个温度传感器，以及电泳毛细管的不同区段的温度的控制器。温度传感器提供电泳毛细管的不同区段的温度数据。控制器响应于来自温度传感器的温度数据而改变通 过多个电通路的电流。在另一实施方式中，多个电通路具有提供与多个电通路热接触的电 泳毛细管的不同区段的温度数据的电阻，并且该装置还包括电泳毛细管的不同区段的温度 的控制器，该控制器响应于来自多个电通路的电阻的温度数据而改变通过多个电通路的电 流。在一个实施方式中，电泳毛细管由热绝缘材料所覆盖。
在一个实施方式中，电泳毛细管附接于线路板。在一个实施方式中，电泳毛细管利 用粘附材料附接于线路板。
在一个实施方式中，电通路在电绝缘线路板的热区中往复迂回。在一个实施方式 中，电通路配置成由多个电通路连接起来的两个电节点。在一个实施方式中，热区具有不小 于5_的宽度。在一个实施方式中，由进入电绝缘线路板的电泳毛细管的一部分来拓宽热 区。
在一个实施方式中，电绝缘线路板具有穿过该电绝缘线路板的孔眼。该孔眼促进 与电泳毛细管的光学相互作用。
在一个实施方式中，电通路具有至少一个弯曲。在一个实施方式中，电通路整体具 有S形状。
系统装置
本技术的另一方面是这样一种装置其包括电泳热组装件、至少一个分析物注射 器、电压源、激光器件以及光学检测器。电泳热组装件包括电绝缘线路板；附接于所述线 路板的至少一个电通路，其响应于通过电通路的电流而得到热调控；以及至少一个电泳毛 细管，其与电通路热接触，以便使电泳毛细管响应于通过电通路的电流而得到热调控。耦合 分析物注射器以将至少一种电泳分析物注入到电泳毛细管中。电压源耦合到电泳毛细管的 相对两端，从而在电泳毛细管的相对两端之间提供电泳电压差。定位激光器件以将来自激 光器件的光束递送到电泳毛细管。光学地耦合光学检测器以接收来自电泳毛细管的光信 号。
热方法
本技术的一方面是这样一种方法，其包括如下步骤电泳地移动分析物通过至少 一个电泳毛细管；以及经由与载有通过电绝缘线路板的电流的至少一个电通路的热接触而 以热的方法加热电泳毛细管。
一个实施方式还包括生成与电通路热接触的电泳毛细管的温度数据；以及响应 于电通路的温度数据而改变通过该电通路的电流。
一个实施方式还包括经由电泳毛细管的至少一个温度传感器生成与电通路热接 触的电泳毛细管的温度数据；以及响应于来自该温度传感器的温度数据而改变通过该电通 路的电流。
一个实施方式还包括经由电泳毛细管的至少一个电阻生成与电通路热接触的电 泳毛细管的温度数据；以及响应于来自该电阻的温度数据而改变通过该电通路的电流。
一个实施方式还包括降低(i)附接于电通路和电泳毛细管的线路板的一部分与(ii)线路板的其余部分之间的热传递。
一个实施方式还包括利用至少一个孔眼来降低⑴附接于电通路和电泳毛细管 的线路板的一部分与(ii)线路板的其余部分之间的热传递。
在一个实施方式中，以热的方法加热包括经由与载有通过电绝缘线路板的电流 的多个电通路的热接触而单独地以热的方法加热电泳毛细管的不同区段。
一个实施方式还包括生成电泳毛细管的不同区段的温度数据；以及响应于来自 电泳毛细管的不同区段的温度数据而改变通过多个电通路的电流。
一个实施方式还包括经由电泳毛细管的不同区段的不同温度传感器生成电泳毛 细管的不同区段的温度数据；以及响应于来自电泳毛细管的不同区段的温度数据而改变通 过多个电通路的电流。
一个实施方式还包括经由多个电通路的电阻生成电泳毛细管的不同区段的温度 数据；以及响应于来自电泳毛细管的不同区段的温度数据而改变通过多个电通路的电流。
一个实施方式还包括将至少一种分析物注入所述至少一个电泳毛细管中。
一个实施方式还包括光学地激发电泳毛细管中的至少一种分析物；以及检测来 自激发的分析物的光信号。
光学装置
本技术的另一方面是这样一种装置其具有多个电泳毛细管、激光器件、光学检测 器以及光学选择器。定位激光器件以将来自激光器件的光束递送到至少一个电泳毛细管。 光学地耦合光学检测器以接收来自至少一个电泳毛细管的光信号。激光器件、光学检测器 和光学选择器的布置允许光学检测器选择性地对来自多个电泳毛细管中的任何一个或多 个电泳毛细管的光信号予以检测。
在一个实施方式中，将毛细管布置成阵列。在一个实施方式中，光学选择器光学地 定位在激光器件与多个电泳毛细管之间。在一些实施方式中，将来自激光器件的光束递送 到单一电泳毛细管而不递送到其他电泳毛细管。在一个实施方式中，光学选择器是将来自 激光器件的光束引导至单一电泳毛细管而不引导至其他电泳毛细管的扫描物镜。在一个实 施方式中，扫描物镜适合于相对进入扫描物镜的来自激光器件的光束进行来回运动。在另 一实施方式中，光学选择器是孔眼，将来自激光器件的光束传递至单一电泳毛细管而不传 递至其他电泳毛细管。一个实施方式还包括毛细管对准检测器，该毛细管对准检测器光学 地耦合以接收所述光束从所述单一电泳毛细管的反射。该反射指示出光束与单一电泳毛细 管的对准。
在一个实施方式中，光学选择器光学地定位在多个电泳毛细管与光学检测器之 间。在一些实施方式中，从多个电泳毛细管到光学检测器的光信号限制于单一电泳毛细管。
各实施方式还包括光学地耦合在激光器件与光学检测器之间的波长依赖型合束 器，或光学地耦合在激光器件与光学检测器之间的空间合束器。
光学方法
本技术的另一方面是这样一种方法，其包括如下步骤电泳地移动分析物通过多 个电泳毛细管；光学地激发多个电泳毛细管中第一电泳毛细管中的至少一种分析物；在光 学检测器处接收来自多个电泳毛细管中第一电泳毛细管的光学激发分析物的光信号；光学 地激发多个电泳毛细管中第二个电泳毛细管中的至少一种分析物；以及在光学检测器处接 收来自多个电泳毛细管中第二电泳毛细管的光学激发的至少一种分析物的光信号。
在一个实施方式中，光学激发包括光学地激发单一电泳毛细管中的至少一种分 析物。
在一个实施方式中，光学激发包括使激光束跨多个电泳毛细管来回移动，从而使 具有光学激发的分析物的单一电泳毛细管随时间而改变。
在一个实施方式中，该方法还包括基于激光束从单一电泳毛细管的反射而检测 激光束与该单一电泳毛细管的对准。
在一个实施方式中，来回移动还包括来回移动光学物镜以便来回移动激光束，同 时保持光束和光信号处于固定的合束器内。
在一个实施方式中，来回移动还包括来回移动光学物镜和合束器以便来回移动 激光束。
在一个实施方式中，来回移动还包括在光学物镜的第一侧接收来自激光器件的 激光束；将激光束朝向多个电泳毛细管从光学物镜的第二侧传递出去；以及相对于光学物 镜的第一侧上的激光束来回移动光学物镜，从而导致物镜的第二侧上的激光束跨多个电泳 毛细管来回移动。
在一个实施方式中，光学激发包括光学地激发多个电泳毛细管中的至少一种分 析物，且该方法还包括将来自单一电泳毛细管的光信号传递至光学检测器，并阻挡来自其 他电泳毛细管的光信号。
在一个实施方式中，光学激发包括跨来自多个电泳毛细管的光信号来回移动光 学选择器，从而使经传递的光信号所来源的单一电泳毛细管随时间而改变。
生化热方法
本技术的另一方面是这样一种方法，其包括如下步骤经由与载有通过电绝缘线 路板的电流的不同电通路的热接触而单独地调控至少一个毛细管的不同区段中的温度；以 及移动分析物通过毛细管，从而支持在电泳毛细管的单独热调控的不同区段中的生化活动。
这样的生化活动的一个示例是聚合酶链反应。电泳毛细管的不同区段具有针对聚 合酶链反应的不同温度循环的不同温度。援引并入
在本说明书中提及的所有出版物和专利申请均通过引用而以相同程度并入本文， 犹如每一单个出版物或专利申请特别地和单独地被指出通过引用而并入。


本发明的新颖特征在随附的权利要求中具体阐述。通过参考以下对在其中利用到 本发明原理的示例说明性实施方式加以阐述的详细描述和附图，将会获得对本发明特征和 优点更好的理解，在附图中
图1是热组装件的线路板部分的俯视图。
图1A是图1的热组装件的电通路的特写图。
图2是具有线路板、线路板上的电通路、毛细管束以及温度传感器的热组装件的俯视图。
图3和图4是电泳系统的光学子系统的简化图。
图5、图6、图7和图8是电泳系统的各种透视图。
图9是电泳系统的框图。
图10是温度调控系统的框图。
图11示出了本发明的备选光学子系统，该光学子系统包含柱面透镜，该柱面透镜 配置用于缩窄光束以使其基本上沿狭窄的检测器落射。
图12示出了图11的光学系统的侧面透视图，其还包含介于两个反光镜之间的透 镜，用以将光聚焦在毛细管检测器上。
图13示出了包含两个电节点和联结所述节点的多个并行电线的电通路。它们一 起形成热区。
具体实施方式
图1是热组装件的线路板部分的俯视图。
电绝缘线路板具有大致呈S形的路径用于放置毛细管。所述大致呈S形的路径分 解为6个不同的区段:12、14、16、18、20和22。这6个不同区段12、14、16、18、20和22单独 地调控与特定区段热接触的毛细管部分中的温度。不同区段12、14、16、18、20和22中的每 一个都填充有电通路，所述电通路在该区段的面积中例如以蛇形形状往复迂回从而填充该 区段的面积。在区段22中详细示出了这种往复迂回的电通路。虽然为了图示的清晰而没 有示出，但是其他区段12、14、16、18和20也填充有在该区段面积中往复迂回从而填充该区 段面积的电通路。
在另一实施方式中，热区可由配置于联结(例如在附接至电压源或电流源的公共 迹线处)在一起的并行迹线之中的电通路所形成。在图13中描绘了该配置的一个版本。
线路板还具有沿着用于放置毛细管的大致呈S形的路径的全部两侧延伸的成行 的孔眼10。所述孔眼降低了线路板的大致呈S形的路径与线路板其余部分之间的热传递。 由于空气是良好的热绝缘体，因此线路板的两部分之间的热传递得到降低。线路板本身也 是不良热导体。在另一实施方式中，在线路板的这两部分之间安置不良导热材料而代替成 行的孔眼。这样的热传递降低使得大致呈S形的路径和放置在大致呈S形路径上的毛细管 的热调控变得容易。孔眼起到降低基本上传递到大致呈S形路径和放置于大致呈S形路径 上的毛细管热调控区域的热质量的作用。由于较少的热质量，使得大致呈S形的路径和放 置在大致呈S形路径上的毛细管更快地达到所期望的温度。这个实施方式需要较少的能 量。另外，S形配置占据较少的空间并使得该设备更容易携带。
线路板还包括孔眼8，其沿着大致呈S形的路径朝向大致呈S形路径的出口端。由 于孔眼8处没有线路板材料，因此孔眼8促进了与放置在该孔眼8上的毛细管的光学相互 作用。孔眼8允许使用诸如落射荧光和各种倾斜照明方案之类的光学配置进行荧光激发和 检测。
图1A是图1的热组装件的电通路的特写图。
在各种实施方式中，电通路是结合到电绝缘线路板上的构图的或蚀刻的导电迹 线。该构图的电通路可通过清除掉不需要的导电材料以留下期望的导电通路的“删减”构 图来限定，或通过添加额外的导电材料以形成期望的导电通路的“添加”构图来限定。线路 板可具有处于单层线路板上的导电通路或作为多层线路板的一部分的导电通路。
电通路中的导电材料的各种示例是诸如铜、铝、银之类的金属材料，或诸如石墨或 导电油墨之类的非金属导电材料，但也可以是任何其他导电材料。
与电通路的导电材料相反，线路板材料是非导电性的，通常是介电材料。
每个电通路创造并限定一个热区。当前的实现方案具有6个加热区，每个都包含 大约Im长的150um宽铜迹线，该铜迹线折叠成产生以下所示加热器形状所需的形状。各实 施方式根据足够用于分析物电泳分离的长度而将迹线长度改变为短于或长于lm。根据产生 足够对热耦合的毛细管进行热调控的热量的电通路电阻，各实施方式拓宽或缩窄电通路的 宽度。各实施方式增加或减少加热区的数目。
在一些实施方式中，诸如迹线之类的电通路具有在O. 0001至O. 5英寸之间范围内 的宽度和在O. 25-750英寸之间范围内的长度。
在毛细管中执行电泳允许热量通过毛细管壁有效地消散。这允许使用高电压来实 现快速分离。
图2是具有线路板、线路板上的电通路、毛细管束和温度传感器的热组装件的俯 视图。
在线路板上，诸如在图1和图1A中所示的线路板上，电泳毛细管诸如通过粘附材 料而附接于大致呈S形的路径。该形状是毛细管的可选布置。还考虑到其他曲线或直线布 置。在所示实施方式中，附接了一束8个毛细管。其他实施方式根据并行处理分析物的特 定电泳应用需求而具有从I个到更高数目范围的任何其他数目的毛细管。毛细管的入口端 54具有成扇形展开的末端，以促进分析物向不同毛细管中的注入。在图中，毛细管的出口端 56保持捆扎在一起。
在大致呈S形路径的每个单独热调控的区或区段中，温度传感器处于热接触中。 所示的温度传感器为32、34、36、38、40和42。温度传感器42不与毛细管热接触，而是与线 路板本身或备选地与环境空气热接触。温度传感器的示例为热敏电阻或其他温变电阻，或 者热电偶或其他温变电压源。在另一实施方式中，不通过分散的温度传感器，而是通过电通 路本身——诸如通过电通路的电阻，来收集单独热调控区段的温度数据。
在所示实施方式中，温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻附接至终止于热绝缘 孔眼阵列之外的线路板的一部分上的迹线。该热敏电阻向下折叠跨过毛细管阵列并且嵌入 将毛细管阵列结合到板的粘合剂中，从而确保热敏电阻与毛细管之间的良好热接触，同时 使得从加热器的热损失最小化。
由此类温度传感器生成的温度数据有助于热调控与电通路热接触的毛细管的温 度。通过电通路的电流经由焦耳加热而在电通路中存积热能。存积的热能的量随着电通路 的电流和电阻的量而变化。
光学检测器
图3、图4、图11和图12是电泳系统的光学子系统的简化图。
在图3中，激发光束170的激发源是固态激光器，其输出使用合束器162投射到毛 细管174中，该合束器162在光路中成45度角放置在物镜160的正上方。在各实施方式中， 合束器包含波长敏感型反射器或空间分束器，诸如放置在透明玻璃片上的小反射点。合束 器为波长依赖型，其比空间合束器更容易对准。
高数值孔径物镜同时由激发光束170在其通往毛细管174的途中所使用，以及由 从毛细管174发射的荧光的光信号所使用。
从毛细管174的分析物发射的荧光的光信号通过物镜160来准直。光信号穿过波长敏感型反射器162并撞击在长通滤光器164上，该长通滤光器164滤除包括激发光束170 的所述光信号部分。
突光检测方案基于棱镜分光仪。光信号继而投射到色散棱镜166上,该色散棱镜 166起到根据波长而改变射线角度的作用。继而使用成像透镜168将该色散光信号聚焦在 检测器170的平面上，从而导致所述色散光信号的不同波长聚焦在检测器170的平面中的 不同位置。检测器170的一个不例是CCD相机。备选方案为CMOS相机或其他光学传感器。
在一个实施方式中，以上描述的光学子系统是点检测器，用于检测来自单一毛细 管的分析物的光信号。在其他实施方式中，光学子系统还包括附加组件，用于激发和检测毛 细管阵列的荧光。
在第一实施方式中，成形的激发光束同时照射整个毛细管阵列。这在检测器的平 面上创造出由所有并行毛细管的光谱组成的图像。这种布置可导致通道之间的串扰。在一 个实施方式中，在成形的激发光束同时照射整个毛细管阵列之后，滤光器——诸如毛细管 阵列与检测器之间的孔眼——消除来自额外毛细管的光信号，从而解决串扰。
在另一实施方式中，为了捕捉来自阵列中所有毛细管的信息，物镜跨所述阵列扫 描。在这个实施方式中，物镜相对于进入物镜的激光束移动，以使得离开物镜的激光束碰撞 毛细管的点随着物镜的移动而来回移动，从而允许激发选定的毛细管。在该配置中，由于一 次仅照射一个毛细管而消除了毛细管之间的串扰。
就包含200um直径毛细管的阵列而言，检测器件的扫描范围对于8通道阵列覆盖 +/-0.8mm。这种有限的扫描范围使得移动部件的数目最小化。其他实施方式拓宽或缩窄扫 描范围，以适应不同数目的毛细管和/或不同数目的毛细管。由于只有物镜160移动，因此 即使当光束170位于阵列中末尾毛细管的上方时，激发激光束170仍保持非常靠近物镜160 的中心。激发光束170根据阵列中毛细管的位置而以不同角度撞击在毛细管上。
在一个实施方式中，物镜160连续地移动或对于扫描间隔连续移动。利用以下所 述的毛细管检测器172的输入，该仪器的软件和/或电子器件预测物镜将经过选定的毛细 管。检测器170在物镜经过选定的毛细管时开启。备选地，无论物镜是否经过选定的毛细 管，检测器170都可保持开启，并且当检测器170未经过选定的毛细管时丢弃来自检测器 170的数据，而当检测器170经过选定的毛细管时采集或处理来自检测器170的数据。
在另一实施方式中，物镜160间断地移动，使得物镜在经过毛细管之间的空间时 快速地移动，并继而在选定的毛细管之上停留足够长的时间，以便检测器170采集来自选 定的毛细管的光信号。这例如可以通过使用步进马达来实现。
类似地，突光发射的光信号跨棱镜166的面以及棱镜之后的透镜168移动,但由于 棱镜166位于准直的光学空间内，因此无论物镜的位置如何，光谱的图像都保持在相同的 位置上。
当扫描物镜160跨过每个毛细管时，毛细管检测器172接收激发光束170从毛细 管的反射。所述反射的强度作为扫描物镜160相对于每个毛细管顶部的位置的函数而变 化。这导致独特的强度分布，该独特的强度分布由嵌入到仪器中的，确定毛细管的位置和激 光束相对于毛细管的对准的软件和/或电子器件所使用。该信息继而用于触发对碰撞检测 器170的光信号的数据采集。
在图4中，光线迹线示出了从机械中心偏离1_的透镜对发射路径的影响。
图4示出了光路的“端视图”。图4图示了扫描物镜160对毛细管176的图像的影 响。由于棱镜166位于准直的光学空间中，因此无论物镜160的位置如何，光谱都保持在检 测器170的相同位置上。
存在涉及合束器周围的光路布置的备选方案的各实施方式。
在一个实施方式中，固定式合束器使用分色镜，该分色镜将来自激光器件的激发 光束反射到毛细管，并将来自毛细管中分析物的发射荧光透射到检测器。该实施方式的优 点在于由于所要移动的质量较少，因此运动机构更为简单。然而，一些具有固定式合束器 的实施方式限制了可扫描毛细管的数目。
在另一实施方式中，合束器相对于图4中的纵轴旋转90度。在这样的配置中，合 束器随物镜一起移动，类似于CD或DVD播放器。这样的几何结构扫描更大的毛细管阵列， 而不受限于固定式合束器的边界。
在又一实施方式中，利用合束器来透射激光束和反射从样品发射的突光光信号。 在这样的系统中，激发路径和发射路径交换位置。
另一实施方式实施了具有空间合束器而非波长依赖型合束器的系统。空间合束器 作为覆盖发射路径弧线的一部分的小反光镜。激发激光对准，以从该反光镜上反射。备选 地，该反光镜的物理实现方案为光学玻璃片上的小反射区或保持在适当位置上的小物理反 光镜。
在另一实施方式中，激发激光束穿过实心反光镜中的小开口，该实心反光镜将大 多数发射朝向检测器反射。所述开口可以是反射镜中的物理孔洞，或者仅仅是以其他方式 涂有反光镜涂层的玻璃衬底上的非反射区。
在各实施方式中，以上两种情况中的反光镜/孔眼位于系统的光轴上或位于系统 的光轴之外。
在图11和图12中所描绘的另一实施方式中，光路在检测路径中包含柱面透镜，用 以降低荧光检测路径的发射路径的对准敏感度，以及允许使用具有大长宽比(这是为线检 测或光谱检测用途而设计的)的几何结构的检测器。
另一实施方式可选地在激发路径中包含柱面透镜，该柱面透镜在毛细管中产生椭 圆形的激发点，以激发毛细管中较大体积的标记分子而不影响光谱分辨率。这改善了检测 到的光信号的信噪比，尤其是当考虑到染料的潜在光漂白时尤为如此。
图5、图6、图7和图8是电泳系统的各种透视图。
电泳系统的布局一般分为两个区i)激光器或其他激发光学器件104、毛细管检 测子系统、以及用于跨毛细管移动物镜的致动器；和ii)单元的电泳区102，其包括加热器、 毛细管阵列以及线路板下方的阳极和阴极组装件。这两个区由垂直壁分开。
在图5中，示出了实验线路板实现方案。检测器110是CXD相机。另一实施方式 使用一维检测器阵列。
通过折叠锁杆108以及拔出线路板106的滑动安装组装件以得到完全的顶部通 路，可以容易地实现加热器组装件的替换。
折叠式反光镜安装件134和五棱镜132以提供系统的光学对准。在另一实施方式 中，五棱镜132由反光镜所替代。
在图6中，实现了对电泳线路板的物理接近。
锁杆处在服务通路位置，而毛细管阵列组装件处在服务位置。
图7示出了物镜的扫描机构的详细视图。
存在许多产生扫描仪精确直线运动的实施方式。所示的实施方式是以偏心盘122 方式实施的凸轮驱动系统，但还存在许多其他实施方式，诸如直线电磁致动器、电流计机构 以及压电致动器。
图8示出了物镜的扫描机构的另一详细视图。
物镜安装件118附接于控制其运动的交叉滚子滑块120。滚珠轴承安装在物镜安 装件118的末端，并由弹簧(未示出)保持贴靠偏心盘122。通过使用马达旋转偏心盘122 而产生物镜跨毛细管的直线往复运动。
保持印刷线路板加热器贴靠限定扫描仪焦点的硬限位器124，调整该硬限位器 124以将毛细管对准到扫描光学器件的焦平面。焦平面可使用调节螺丝138来调节。
存在该装置的许多不同的实施方式。将物镜安装在屈曲部消除了对交叉滚子轴承 滑块的需求。音圈或类似的致动器也可产生直线运动。
图9是电泳系统的框图。
电泳热组装件210——诸如在图2中所示的电泳热组装件，具有与线路板上的电 通路热接触的一个或多个电泳毛细管。电压源208通过在毛细管32的毛细管入口 204和 毛细管出口 206施加电压差而促进毛细管电泳。在一个实施方式中，阵列的阴极位于线路 板下对应于毛细管入口端的三角形电通路的下方，而阵列的阳极位于线路板下毛细管出口 端的下方。
分析物注射器向毛细管入口 204添加分析物。注入的分析物电泳地移动通过毛细 管32。注射器类型的示例为重力注射、压力注射或流体动力注射以及电动注射。样品可由 样品上游和下游的气团来隔离。电泳缓冲液也可进入毛细管。
一种示例样品注入流程是将毛细管和电极浸入样品溶液小瓶并施加电压。如果样 品被电离并且使用了适当的电压极性，则样品离子将迁移至毛细管内。这种类型的注入被 称为电动取样。用电解质溶液填充毛细管，该电解质溶液将电流传导通过毛细管的内部。毛 细管的末端浸入填充有电解质的储液器中。
备选实施方式使用具有使聚合物纠缠的物理凝胶或拥有共价结构的化学凝胶的 毛细管凝胶电泳。
在一个从分散的温度传感器或从电通路本身生成温度数据的实施方式中，控制器 220升高或降低电流以达到毛细管的期望温度，或达到毛细管特定部分的期望温度，该毛细 管特定部分对应于与毛细管特定部分热接触的电通路。温度控制器220使电流通过板上的 通路或迹线，从而由于迹线的电阻而导致其加热。在控制器中运行的软件利用由传感器采 集的温度信息，使用多种控制算法中的任何算法来控制单个电通路的温度，以获得沿着毛 细管路径的均匀温度。在一个实现方案中，温度控制器安置在单独的印刷线路板上，并基于 使用PID型控制算法控制温度的微控制器来管理每个电通路的温度。对操作中的板的热成 像示出，在整个毛细管长度上可获得峰间2°C的热均匀性。
布置激光器件212、光学检测器216以及光学选择器#1 214和光学选择器#2 218 中之一或两者以将光信号限于单一毛细管。在激光器件212与毛细管32之间为光学选择 器#1214的情况下，光学选择器#1 214限制来自激光器件的光束以使其激发单一毛细管中的分析物。在毛细管32与光学检测器216之间为光学选择器#2 218的情况下,来自激光 器件212的光束可以激发一个毛细管或多个毛细管中的分析物，但是光学选择器#2 216将 来自一个毛细管或多个毛细管的光信号限于单一电泳毛细管。
在各实施方式中，毛细管具有约150至500微米的外径和约10至100微米的内径。 在各实施方式中，毛细管是聚酰亚胺或聚四氟乙烯包覆的。根据电泳分离需求，毛细管可以 是约2至IOOcm长。
迁移时间(tm)是指从毛细管的起点移动到检测器窗口所花费的时间。电泳迁移 率mu(cm2/Vs)是指电泳速度vep (cm/s)除以电场强度E(V/cm)。
通过将迁移时间除以毛细管到检测器的长度Ld来测量速度。迁移率高度依赖于 缓冲液类型和PH以及温度。随着温度升高，粘度降低，而电泳迁移率也增大。因此，较高的 温度使电泳过程加速。
图10是温度调控系统的框图。温度调控系统的一个实施方式是热循环系统。
某些生化反应需要合适的温度范围。对于在毛细管中执行的生化反应而言，样品 被移入处于特定温度的毛细管的节段中。继而可以诸如通过改变毛细管节段的温度或者通 过具有一系列的毛细管节段并将样品移入后续节段或者上述方式的某种组合而改变样品 的温度。
一些实施方式执行需要改变温度的生化反应，例如，热循环反应，诸如聚合酶链反 应，以及后续的产物分析(诸如经由图9的电泳系统)。该设备可用于不同电通路中不同温 度的热循环，或者沿不同电通路的等温反应。
温度调控组装件310——诸如在图10中所示的温度调控组装件，具有与线路板上 的电通路热接触的一个或多个电泳毛细管。毛细管302具有毛细管入口 304和毛细管出口 306。
分析物注射器——例如，DNA片段注射器，向毛细管入口 304添加分析物。
在一个从分散的温度传感器或从电通路本身生成温度数据的实施方式中，控制器 320升高或降低电流以达到毛细管的期望温度，或达到毛细管特定部分的期望温度，该毛细 管特定部分对应于与毛细管特定部分热接触的电通路。温度控制器320使电流通过板上的 通路或迹线，从而由于迹线的电阻而导致其加热。在控制器中运行的软件利用由传感器采 集的温度信息，使用多种控制算法中的任何算法来控制单个电通路的温度，以获得沿着毛 细管路径的均匀温度。在一个实现方案中，温度控制器安置在单独的印刷线路板上，并基于 使用PID型控制算法控制温度的微控制器来管理每个电通路的温度。对操作中的板的热成 像示出，在整个毛细管长度上可获得峰间2°C的热均匀性。
PCR通常涉及以下步骤和温度起始步骤——94-96 °C进行1-9分钟。变性步 骤——94-98 °C进行20-30秒。退火步骤——50-65 °C进行20-40秒。延伸/延长步骤—— 72°C左右。最终延长——70-74°C进行5-15分钟。最终保温——4_15°C无限期地进行。在 典型的两步PCR过程中，用于退火和延伸的温度是相同的或大致相同。
这些步骤可根据需要而重复，以便执行充分的扩增。
毛细管包含反应混合物和分析物，例如，从样品富集的核酸(统称为PCR反应样 品)。可以使用光学组装件来监测或控制反应。光学组装件可引入或检测光。例如，光学组 装件可用于执行实时PCR或者其他实时或终点测量。
在一个实施方式中，样品制备设备可与温度调节器结合用作流通式热循环仪。用 于移动流体的驱动力可以是外部压力源或内部压力源。当期望高灵敏度或高通量温度变化 反应(诸如PCR)时，可使用流通式热循环仪。存在可能需要样品空气、血液、水、唾液、细胞 样品或高灵敏度PCR测定中的其他介质的许多情况。这可用于寻找包括流感、细菌性病原 体以及任何数目的病毒性或细菌性病原体在内的多种生物污染物。流通式PCR可允许以自 动化的方式来实施PCR，而无需人为交互。流通式PCR系统还可充当建筑物、飞机、公共汽车 以及其他交通工具的HVAC系统中的预警系统，并且可用于针对感染原或污染物的存在而 监测血液、水或其他样品源。
流通式PCR设备从诸如口腔拭子、注射器、空气采样器、流体采样器或其他采样器 之类的采集设备取得样品，并将其递送至样品制备设备。样品在制备设备中制备，所述制备 在一些实施方式中可包括细胞裂解、DNA、RNA或微RNA富集或纯化、过滤或逆转录。在一个 实施方式中，富集至少一种核酸。在另一实施方式中，通过将核酸加入到PCR试剂(诸如至 少一种DNA聚合酶、RNA聚合酶、dNTPs、缓冲液或盐)和引物(诸如测定特异性引物或对于 多种靶标病原体广泛适用的引物组)中而为PCR制备至少一种富集的核酸。可选择这些引 物用于选择性地扩增分离自特异性病原体(诸如霉菌、病毒、细菌、寄生虫或变形虫)的至 少一种核酸、基因、其他期望的核酸或其任何组合。包含富集自样品的至少一种核酸、PCR试 剂和引物的组合物被称为PCR反应样品。在一个实施方式中，流通式PCR可用作连续流设 备，而在其他实施方式中，将样品移入热循环区域并停止于此处。
PCR反应样品继而流经反应通道和具有温度控制电通路的线路板。在一些实施方 式中，反应通道是清晰或透明的。在另一实施方式中，反应通道是不透明的。在一个实施方 式中，反应通道是圆柱体。在另一实施方式中，反应通道的横截面包含形成诸如三角形、正 方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形或其他多边形等形状的一个或 多个平面。在一个实施方式中，PCR反应样品的体积是如此的其在反应通道中占据小的离 散的长度空间，其余空间由空气、气体或非反应性液体(诸如矿物油)所占据。空气、气体 或非反应性液体可用于将单个的PCR反应样品彼此分开。
在一个实施方式中，检测模块测量荧光、发光、吸光度或其他光学性质，从而当PCR 反应样品位于温度控制区域时，或在其离开温度控制区域之后，检测从PCR反应样品发射 的信号。检测模块可包含用于激发PCR反应样品中的荧光染料(诸如嵌入染料，包括但不 限于溴化乙锭或Syber绿)的光源(诸如相干光源或非相干光源)，并且利用光检测器(诸 如CCD、CMOS、PMT或其他光学检测器)来感测激发光。检测电子器件可评估从检测模块发 送的信号。
在一个实施方式中，在完成期望数目的热循环之后，使用压力或真空将PCR反应 样品进一步沿反应通道泵送或推进，从而离开温度控制区域。在一个优选实施方式中，下游 设备是可用于执行电泳、质谱分析或其他分析技术的分析设备。
可以并行使用多个反应通道以增加样品通量。在又一实施方式中，当已经发生扩 增(阳性结果)时系统可以提醒用户，从而指示出存在靶序列。在一个实施方式中，反应通 道仅用于一次性使用，之后丢弃。在一个备选实施方式中，反应通道可用于扩增和检测多个 样品中PCR扩增产物的存在与否。可以以一定的间隔加载不止一个PCR反应样品并用气团 或液团障壁将其间隔开以防止混杂。在一个实施方式中，以如此的方式将样品分隔开使得当一个样品正在经历热循环时，另一样品正在检测区域中经历检测。PCR扩增可由其他核酸 扩增技术来代替，这些其他的核酸扩增技术可使用热循环或可以是等温反应。
在其他实施方式中，设备可执行等温反应，诸如使用亲和试剂(诸如抗体或适配 子)的夹心式测定，以利用提供靶标物存在量的读数的检测模块来确定是否存在细胞、蛋 白质、毒素或其他靶标物。在这些应用中，可执行亲和纯化，诸如MS纯化，并继而加入可附 着有荧光标记的第二抗体。继而可将样品移入设置用于优化该反应的热控制区域之中。检 测模块继而可以监测该反应。
虽然本发明通过参考以上详细描述的优选实施方式和示例而得到公开，但是应当 理解，这些示例旨在具有说明性意义而非限制性意义。考虑到本领域技术人员很容易想到 各种修改和组合，所述修改和组合将处在本发明的精神和以下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种装置，包括 电绝缘线路板； 附接于所述线路板的至少一个电通路，所述至少一个电通路响应于通过所述至少一个电通路的电流而得到热调控，其中所述至少一个电通路形成至少一个热区； 至少一个电泳毛细管，其与所述至少一个热区热接触，从而使所述至少一个电泳毛细管响应于通过所述至少一个电通路的电流而得到热调控。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括 至少一个温度传感器，其与所述至少一个电泳毛细管热接触，从而使所述至少一个温度传感器提供所述至少一个电泳毛细管的温度数据；以及 所述至少一个电泳毛细管的温度的控制器，所述控制器响应于来自所述至少一个温度传感器的所述温度数据而改变通过所述至少一个电通路的所述电流。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电通路具有至少一个电阻，所述至少一个电阻提供与所述至少一个电通路热接触的所述至少一个电泳毛细管的温度数据，并且所述装置还包括 所述至少一个电泳毛细管的温度的控制器，所述控制器响应于来自所述至少一个电通路的所述至少一个电阻的所述温度数据而改变通过所述至少一个电通路的所述电流。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括 至少一个热绝缘构件，其附接于所述线路板并由所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管定位，所述至少一个热绝缘构件降低了(i)附接于所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管的所述线路板的一部分与(ii)所述线路板的其余部分之间的热传递。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括 所述线路板中的至少一个孔眼，所述线路板附接于所述线路板并由所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管定位，所述至少一个孔眼降低了(i)附接于所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管的所述线路板的一部分与(ii)所述线路板的其余部分之间的热传递。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电通路包括与所述至少一个电泳毛细管的不同区段热接触的多个电通路，从而使所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段通过所述多个电通路中的不同电通路而得到单独的热调控。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述装置还包括 多个温度传感器，其与所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段热接触，从而使所述多个温度传感器提供所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度数据；以及 所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度的控制器，所述控制器响应于来自所述多个温度传感器的所述温度数据而改变通过所述多个电通路的所述电流。
8.根据权利要求6所述的装置， 其中所述多个电通路具有电阻，所述电阻提供与所述多个电通路热接触的所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度数据，并且 所述装置还包括 所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度的控制器，所述控制器响应于来自所述多个电通路的所述电阻的所述温度数据而改变通过所述多个电通路的所述电流。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电泳毛细管附接于所述线路板。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电泳毛细管利用粘附材料附接于所述线路板。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电通路包括在所述至少一个热区中往复迂回的电通路或者配置成由多个电通路连接起来的两个电节点的电通路。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个热区具有不小于5mm的宽度。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述热区由进入所述电绝缘线路板的所述至少一个电泳毛细管的一部分所拓宽。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述电绝缘线路板具有穿过所述电绝缘线路板的孔眼，所述孔眼促进与所述至少一个电泳毛细管的光学相互作用。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电通路具有至少一个弯曲。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电通路整体上具有S形状。
17.一种装置，包括 (a)电泳热组装件,包括 电绝缘线路板； 附接于所述线路板的至少一个电通路，所述至少一个电通路响应于通过所述至少一个电通路的电流而得到热调控； 至少一个电泳毛细管，其与所述至少一个电通路热接触，从而使所述至少一个电泳毛细管响应于通过所述至少一个电通路的电流而得到热调控； (b)至少一个分析物注射器，其耦合用于将至少一种电泳分析物注射到所述至少一个电泳毛细管中； (C)电压源，其耦合到所述至少一个电泳毛细管的相对两端，从而在所述至少一个电泳毛细管的相对两端之间提供电泳电压差； (d)激光器件，其定位用于将来自所述激光器件的光束递送至所述至少一个电泳毛细管； (e)光学检测器，其光学地耦合用于接收来自所述至少一个电泳毛细管的光信号。
18.—种方法,包括 电泳地移动分析物通过至少一个电泳毛细管；以及 经由与载有通过电绝缘线路板的电流的至少一个电通路的热接触而以热的方法加热所述至少一个电泳毛细管。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括 生成与所述至少一个电通路热接触的所述至少一个电泳毛细管的温度数据；以及响应于所述至少一个电通路的所述温度数据而改变通过所述至少一个电通路的所述电流。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括 经由所述至少一个电泳毛细管的至少一个温度传感器生成与所述至少一个电通路热接触的所述至少一个电泳毛细管的温度数据；以及 响应于来自所述至少一个温度传感器的所述温度数据而改变通过所述至少一个电通路的所述电流。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括 经由所述至少一个电泳毛细管的至少一个电阻生成与所述至少一个电通路热接触的所述至少一个电泳毛细管的温度数据；以及 响应于来自所述至少一个电阻的所述温度数据而改变通过所述至少一个电通路的所述电流。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括 降低(i)附接于所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管的所述线路板的一部分与(ii)所述线路板的其余部分之间的热传递。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括 利用至少一个孔眼降低(i)附接于所述至少一个电通路和所述至少一个电泳毛细管的所述线路板的一部分与(ii)所述线路板的其余部分之间的热传递。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述以热的方法加热包括 经由与载有通过所述电绝缘线路板的电流的多个电通路的热接触而单独地以热的方法加热所述至少一个电泳毛细管的不同区段。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括 生成所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度数据；以及 响应于来自所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的所述温度数据而改变通过所述多个电通路的所述电流。
26.根据权利要求24所述的方法，还包括 经由所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的不同温度传感器生成所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度数据；以及 响应于来自所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的所述温度数据，改变通过所述多个电通路的所述电流。
27.根据权利要求24所述的方法，还包括 经由所述多个电通路的电阻生成所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的温度数据；以及 响应于来自所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段的所述温度数据，改变通过所述多个电通路的所述电流。
28.根据权利要求18所述的方法，还包括 将至少一种分析物注入所述至少一个电泳毛细管。
29.根据权利要求18所述的方法，还包括 光学激发所述至少一个电泳毛细管中的至少一种分析物；以及 检测来自所述激发的至少一种分析物的光信号。
30.一种装置，包括 多个电泳毛细管； 激光器件，其定位用于将来自所述激光器件的光束递送至所述多个电泳毛细管中的至少一个电泳毛细管； 光学检测器，其光学地耦合用于接收来自所述多个电泳毛细管中的至少一个电泳毛细管的光学信号；以及 光学选择器，其中所述激光器件、光学检测器和光学选择器的布置允许所述光学检测器选择性地对来自所述多个电泳毛细管中的任何一个或多个电泳毛细管的光信号予以检测。
31.根据权利要求30所述的装置，其中所述多个毛细管布置成阵列。
32.根据权利要求30所述的装置，其中所述光学选择器光学定位在所述激光器件与所述多个电泳毛细管之间，以便将来自所述激光器件的光束递送至所述多个电泳毛细管中的单一电泳毛细管，而不递送至所述多个电泳毛细管中的其他电泳毛细管。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述光学选择器是扫描物镜，该扫描物镜将来自所述激光器件的所述光束引导至所述单一电泳毛细管而不引导至所述多个电泳毛细管中的其他电泳毛细管。
34.根据权利要求32所述的装置，其中所述光学选择器是孔眼，该孔眼将来自所述激光器件的所述光束传递至所述单一电泳毛细管而不传递至所述多个电泳毛细管中的其他电泳毛细管。
35.根据权利要求32所述的装置，还包括 毛细管对准检测器，其光学地耦合用于接收所述光束从所述单一电泳毛细管的反射，所述反射指示出所述光束与所述单一电泳毛细管的对准。
36.根据权利要求30所述的装置，其中所述光学选择器光学定位在所述多个电泳毛细管与所述光学检测器之间，以便将从所述多个电泳毛细管到所述光学检测器的光信号限制于所述多个电泳毛细管中的单一电泳毛细管。
37.根据权利要求30所述的装置，还包括 波长依赖型合束器，其光学耦合在所述激光器件与所述光学检测器之间。
38.根据权利要求30所述的装置，还包括 空间合束器，其光学耦合在所述激光器件与所述光学检测器之间。
39.根据权利要求32所述的装置，其中所述光学选择器是扫描物镜，该扫描物镜适合于相对进入所述扫描物镜的来自所述激光器件的光束进行来回运动。
40.一种方法，包括 电泳地移动分析物通过多个电泳毛细管； 光学激发所述多个电泳毛细管中第一电泳毛细管中的至少一种分析物； 在光学检测器处接收来自所述多个电泳毛细管中所述第一电泳毛细管的所述光学激发的至少一种分析物的光信号； 光学激发所述多个电泳毛细管中第二电泳毛细管中的至少一种分析物；以及 在光学检测器处接收来自所述多个电泳毛细管中所述第二电泳毛细管的所述光学激发的至少一种分析物的光信号。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述光学激发包括 光学激发所述多个电泳毛细管中单一电泳毛细管中的至少一种分析物。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述光学激发包括 跨所述多个电泳毛细管来回移动激光束，从而使具有光学激发分析物的所述单一电泳毛细管随时间而改变。
43.根据权利要求42所述的方法，还包括 基于所述激光束从单一电泳毛细管的反射，检测所述激光束与所述单一电泳毛细管的对准。
44.根据权利要求42所述的方法，所述来回移动还包括 来回移动光学物镜以来回移动所述激光束，同时保持所述光束和所述光信号处在固定的合束器内。
45.根据权利要求42所述的方法，所述来回移动还包括 来回移动光学物镜和合束器以来回移动所述激光束。
46.根据权利要求42所述的方法，所述来回移动还包括 在光学物镜的第一侧接收来自激光器件的激光束； 将所述激光束朝向所述多个电泳毛细管从所述光学物镜的第二侧传递出去；以及 相对于所述光学物镜的所述第一侧上的所述激光束来回移动所述光学物镜，从而导致所述物镜的所述第二侧上的所述激光束跨所述多个电泳毛细管来回移动。
47.根据权利要求40所述的方法，其中所述光学激发包括 光学激发所述多个电泳毛细管中的多个电泳毛细管中的至少一种分析物， 其中所述方法还包括 将来自所述多个电泳毛细管中的所述单一电泳毛细管的光信号传递至所述光学检测器，并阻挡来自所述多个电泳毛细管中的其他电泳毛细管的光信号。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述光学激发包括 跨来自所述多个电泳毛细管的光信号来回移动光学检测器，从而使传递的光信号所来源的所述单一电泳毛细管随时间而改变。
49.一种方法,包括 经由与载有通过电绝缘线路板的电流的不同电通路的热接触而单独地调控至少一个毛细管的不同区段中的温度；以及 移动分析物通过所述至少一个毛细管，从而支持在所述至少一个电泳毛细管的所述单独热调控的不同区段中的生化活动。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述生化活动是聚合酶链反应，并且所述至少一个电泳毛细管的所述不同区段针对所述聚合酶链反应的不同温度循环而具有不同的温度。
全文摘要
毛细管电泳设备包括毛细管，其中在附接于电绝缘线路板的热响应性电通路上对毛细管进行热调控。光扫描仪扫描毛细管阵列。激光器、光学检测器和光学选择器的布置允许光学检测器选择性地对来自多个电泳毛细管中的任何一个或多个电泳毛细管的光信号予以检测。
文档编号B01D57/02GK103002973SQ201180034761
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者拉斯·迈勒夫, 以斯拉·凡格尔德 申请人:尹特根埃克斯有限公司