用于样品处理装置上阀调的系统和方法

用于样品处理装置上阀调的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了用于样品处理装置上阀调的系统和方法。所述系统能够包括阀室（134、234）、处理室（150、250）和位于所述阀室和所述处理室之间的阀隔膜（132、232）。所述系统还能够包括与所述阀室的入口流体连通的流体通路（128、228），其中所述流体通路设置成当阀隔膜处于闭式构造时阻止液体进入所述阀室并且聚集在所述阀隔膜附近。所述方法可以包括转动所述样品处理装置以在所述液体上施加不足以使所述液体移入所述阀室内的第一力；在所述阀隔膜中形成开口；以及转动所述样品处理装置以将第二力施加在所述液体上，以使所述液体移入所述阀室内。
【专利说明】用于样品处理装置上阀调的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明整体上涉及用阀控制微流体样品处理装置上的流体流动。
【背景技术】
[0002]光学圆盘系统可以用于执行各种生物、化学、或生物化学测定，例如基于基因的测定或者免疫测定。在此类系统中，可以将具有多个室的可转动圆盘用作保存和处理流体样品(例如,血液、血浆、血清、尿液或其他流体)的介质。一个圆盘的多个室可以允许同时处理一份样品的多个部分、或者多份样品的多个部分，从而降低处理多份样品、或者一份样品多个部分的时间和成本。

【发明内容】

[0003]可以在样品处理装置上执行的一些测定可能要求各种流体(如，样品、试剂等等)应在指定时间从样品处理装置的一个位置移动至另一个位置。本发明整体上涉及样品处理装置上的板载阀调机构，所述样品处理装置可以用来将流体(如，样品和/或试剂培养基)在所需时间从一个流体结构输送到另一个流体结构。可以通过使用阀来实现这种时序。然而，可能重要的是，阀的可靠性应当非常高，以确保完整的和精确定时的流体转移。通过利用“板载”阀调机构有效和按时地输送流体，用户不必手动地监测过程并且在适当的时间添加材料。相反，用户可以将流体输送到样品处理装置上的一个位置(如，“输入室”)并且样品处理装置可以自动化，以便在所需时间有效地移动所需流体至所需位置。
[0004]本发明的一些方面提供了样品处理装置上的阀调机构。阀调结构可以包括阀室和处理室，所述处理室布置成与阀室的出口流体连通。阀调结构还可以包括位于阀室与处理室之间的阀隔膜。阀隔膜可以包括其中阀室与处理室不流体连通的闭式构造以及其中阀室与处理室流体连通的开式构造。阀调结构还可以包括与阀室的入口流体连通的流体通路，其中流体通路设置成当阀隔膜处于闭式构造时阻止液体进入阀室并且聚集在阀隔膜附近。
[0005]本发明的一些方面提供了在样品处理装置上的阀调方法。所述方法可以包括提供设置成围绕回转轴转动的样品处理装置。样品处理装置可以包括阀室、布置成与阀室的出口流体连通的处理室、以及位于阀室和处理室之间的阀隔膜。样品处理装置还可以包括与阀室的入口流体连通的流体通路，所述流体通路设置成阻止液体进入阀室并且聚集在阀隔膜附近。样品处理装置还可以包括与流体通路的入口流体连通的输入室。所述方法还可以包括将液体置于在样品处理装置的输入室中并且围绕回转轴来转动样品处理装置以将第一力施加在液体上，从而液体被阻止进入阀室并且聚集在阀隔膜附近。所述方法还可以包括在阀隔膜中形成开口并且当在阀隔膜中形成开口之后围绕回转轴来转动样品处理装置以将大于第一力的第二力施加在液体上，从而液体穿过流体通路移动入阀室内并且穿过阀隔膜中的开口向处理室移动。
[0006]通过考虑【具体实施方式】和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。【专利附图】

【附图说明】
[0007]图1为根据本发明的一个实施例的样品处理阵列的示意图。
[0008]图2为根据本发明的一个实施例的样品处理装置的顶部透视图。
[0009]图3为图2的样品处理装置的底部透视图。
[0010]图4为图2-3的样品处理装置的顶部平面图。
[0011]图5为图2-4的样品处理装置的底部平面图。
[0012]图6为图2-5的样品处理装置的一部分的放大顶部平面图。
[0013]图7为图6所示的样品处理装置的部分的放大底部平面图。
[0014]图8为图2-7的样品处理装置沿图7的线8-8截取的截面侧视图。
【具体实施方式】
[0015]在详细说明本发明的任何实施例之前，应当理解本发明在其应用时不受限于下文描述中提及或以下附图中所示的结构细节和组件布置。本发明能够具有其他实施例，并且能够以多种方式实践或实施。另外还应理解，本文中所用的用语和术语其目在于说明，并且不应认为限制性的。本文中所用的“包括”、“包含”或“具有”以及它们的变体意在涵盖其后所列举的项目及其等同项目以及附加项目。除非另外说明或限定，否则术语“连接”和“耦接”及其变型以广义方式使用并且涵盖直接和间接连接和耦接。应当理解，可以采用其他实施例，并且可以做出结构或逻辑改变而不脱离本发明范围。此外，诸如“顶部”、“底部”等术语仅用于描述彼此相对的部件，但绝非意在描述装置的具体取向，用于表明或暗示装置的必需或所要求的取向，或规定本文描述的发明在应用时应如何使用、安装、陈列或设置。
[0016]本发明整体上涉及微流体样品处理装置上的阀调机构和方法。具体地讲，本发明涉及可以用来将流体在所需时间从一个位置有效地输送到另一个位置的“板载”阀调机构。板载阀调机构允许在(例如)样品和/或试剂培养基的样品处理期间的自动流体移动。本发明的阀调机构通常包括与隔膜(或“相变型”)阀串联的毛细管阀。毛细管阀可以位于隔膜阀的上游，以便在打开阀隔膜之前阻止流体(如，通过毛细管力)聚集在阀隔膜附近。通过一起使用两种类型的阀调机构，可以提高样品处理装置上阀调作用的可靠性和/或有效性，如下文所述。
[0017]在本发明的一些实施例中(例如，如下文参照图2-8的样品处理装置200描述)，目的样品(如，原始样品，例如，原始患者样品、原始环境样品等等)可以独立于各种试剂或培养基来加载，所述试剂或培养基将用于处理样品以便进行特定的测定法。在一些实施例中，此类试剂可以作为一种单混合物或“主混合物”试剂(其包含目的测定法所需的全部试剂)添加。样品可以悬浮于稀释剂中或在其中制备，并且稀释剂可以包括用于目的测定法的试齐喊者可以与之相同。为了简洁起见，样品和稀释剂将在本文中仅称作“样品”，并且与稀释剂混合的样品通常仍视为原始样品，因为还未进行显著的处理、测量、裂解等等。
[0018]样品可以包括固体、液体、半固体、凝胶状材料、以及它们的组合,例如液体中的粒子悬浮液。在一些实施例中，样品可以是含水液体。
[0019]短语“原始样品”通常用来指在加载到样品处理装置上之前还未接受任何处理或加工、除此之外仅仅稀释于或悬浮于稀释剂中的样品。即，原始样品可以包括含细胞、碎片、抑制剂等等，并且在加载到样品处理装置上之前，先前未被裂解、洗涤、缓冲等等。原始样品还可以包括直接得自来源并且在没有操作的情况下从一个容器转移动至另一个容器的样品。原始样品还可以包括多种介质中的患者标本，所述介质包括(但不限于)运输介质、脑脊髓液、全血、血浆、血清等等。例如，得自患者的包含病毒颗粒的鼻拭子样品可以在用来于处理之前来悬浮和稳定所述颗粒的运输缓冲液或介质(其可以含有抗微生物剂)中转移和/或保存。具有悬浮颗粒的运输介质的一部分可以视为“样品”。随本发明的装置和系统一起使用并且在本文中论述的全部“样品”均可以是原始样品。
[0020]应当理解，尽管本发明的样品处理装置在本文中显示为具有圆形形状并且有时称作“圆盘”，但本发明样品处理装置的多种其他形状和构造也是可能的，并且本发明不限于圆形样品处理装置。因此，为了简明和简洁起见，术语“圆盘”在本文中经常用来代替“样品处理装置”，但此术语并不意在是限制的。
[0021]本发明的样品处理装置可以用于涉及热处理(如，灵敏化学过程(例如，聚合酶链反应(PCR)扩增、转录介导扩增(TMA)、基于核酸序列的扩增(NASBA)、连接酶链式反应(LCR)、自持式序列复制、酶动力学研究、均相配体结合测定、免疫测定(例如，酶联免疫吸附测定(ELISA))、以及需要精确热控制和/或快速热变化的更复杂的生物化学过程或其他过程))的方法中。
[0022]可以适于与本发明结合使用的合适构造技术或材料的一些例子可以在(如)下述美国专利中描述:名称作“ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES SYSTEMS AND METHODS”(改善的样品处理装置系统和方法)的共同转让的美国专利N0.6，734，401、N0.6987253、N0.7435933,N0.7164107,N0.7，435，933 (Bedingham 等人);名称作“MULT1-FORMAT SAMPLEPROCESSING DEVICES”(多形式样品处理装置)的美国专利N0.6，720，187 (Bedingham等人)；名称作 “MULT1-FORMAT SAMPLE PROCESSING DEVICES AND SYSTEMS”(多形式样品处理装置和系统)的美国专利公开N0.2004/0179974 (Bedingham等人)；名称作“MODULARSYSTEMS AND METHODS FOR USING SAMPLE PROCESSING DEVICES”(使用样品处理装置的模块化系统和方法)的美国专利N0.6，889，468 (Bedingham等人)；名称作“SYSTEMS FORUSING SAMPLE PROCESSING DEVICES”(使用样品处理装置的方法)的美国专利N0.7,569，186(Bedingham 等人)；名称作 “THERMAL STRUCTURE FOR SAMPLE PROCESSING SYSTEM”(用于样品处理系统的热结构)的美国专利公开N0.2009/0263280 (Bedingham等人)；名称作“VARIABLE VALVE APPARATUS AND METHOD”(可变阀设备和方法)的美国专利 N0.7, 322, 254和美国专利公开 N0.2010/0167304 (Bedingham 等人)；名称作 “SAMPLE MIXING ON AMICR0FLUIDIC DEVICE”(在微流体装置上混合的样品)的美国专利N0.7，837，947和美国专利公开N0.2011/0027904(Bedingham等人);名称作“METHODS AND DEVICES FOR REMOVAL OFORGANIC MOLECULES FROM BIOLOGICAL MIXTURES USING ANION EXCHANGE”(利用阴离子交换从生物混合物移除有机分子的方法和装置)的美国专利N0.7，192，560和N0.7，871，827以及美国专利公开 N0.2007/0160504 (Parthasarathy 等人)；名称作 “METHODS FORNUCLEIC ACID ISOLATION AND KITS USING A MICR0FLUIDIC DEVICE AND CONCENTRATIONSTEP”(用于核酸分离的方法以及使用微流体装置和浓缩步骤的套件)的美国专利公开N0.2005/0142663(Parthasarathy等人);名称作“SAMPLE PROCESSING DEVICE COMPRESSIONSYSTEMS AND METHODS”(样品处理装置压缩系统和方法)的美国专利N0.7，754，474和美国专利公开 N0.2010/0240124 (Aysta 等人)；名称作 “COMPLIANT MICR0FLUIDIC SAMPLEPROCESSING DISKS”(顺应性微流体样品处理圆盘)的美国专利N0.7，763，210和美国专利公开 N0.2010/0266456 (Bedingham 等人)；名称作 “MODULAR SAMPLE PROCESSING APPARATUSKITS AND MODULES”(模块化样品处理设备套件和模块)的美国专利N0.7，323，660和N0.7，767，937 (Bedingham 等人)；名称作 “MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICEHAVING FIBER BUNDLE COUPLING MULTIPLE OPTICAL MODULES TO A COMMON DETECTOR”(具有将多个光学模块耦接到通用检测器的光纤束的多路复用荧光检测装置)的美国专利N0.7，709，249 (Bedingham 等人)；名称作 “MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICEHAVING REMOVABLE OPTICAL MODULES”(具有可拆除光学模块的多路复用荧光检测装置)的美国专利 N0.7，507，575 (Bedingham 等人)；名称作 “VALVE CONTROL SYSTEM FOR AROTATING MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE”(用于转动式多路复用荧光检测装置的阀控制系统)的美国专利N0.7，527，763和N0.7，867，767 (Bedingham等人)；名称作 “HEATING ELEMENT FOR A ROTATING MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE”(用于转动式多路复用荧光检测装置的加热元件)的美国专利公开N0.2007/0009382(Bedingham 等人)；名称作 “METHODS FOR NUCLEIC AMPLIFICATION”(用于核扩增的方法)的美国专利公开 N0.2010/0129878 (Parthasarathy 等人)；名称作 “THERMAL TRANSFERMETHODS AND STRUCTURES FOR MICROFLUIDIC SYSTEMS”(用于微流体系统的热转移方法和结构)的美国专利公开N0.2008/0149190 (Bedingham等人)；名称作“ENHANCED SAMPLEPROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”(改善的样品处理装置、系统和方法)的美国专利公开N0.2008/0152546 (Bedingham等人);2009年11月13日提交的名称作“ANNULARCOMPRESSION SYSTEMS AND METHODS FOR SAMPLE PROCESSING DEVICES”(用于样品处理装置的环状压缩系统和方法)的美国专利公开N0.2011/0117607(Bedingham等人);2009年11月13 日提交的名称作“SYSTEMS AND METHODS FOR PROCESSING SAMPLE PROCESSING DEVICES”(用于处理样品处理装置的系统和方法)的美国专利公开N0.2011/0117656 (Robole等人)；2000 年 10 月 2 日提交的名称作“SAMPLE PROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”(样品处理装置、系统和方法)的美国临时专利申请N0.60/237, 151 (Bedingham等人);2009年11月13日提交的名称作“SAMPLE PROCESSING DISC COVER”(样品处理圆盘盖)的美国专利 N0.D638550 和 N0.D638951 (Bedingham 等人)；2011 年 2 月 4 日提交的名称作 “SAMPLEPROCESSING DISC COVER”(样品处理圆盘盖)的美国专利申请 N0.29/384，821 (Bedingham等人)；以及名称作“ROTATABLE SAMPLE PROCESSING DISK”(转动式样品处理圆盘)的美国专利N0.D564667 (Bedingham等人)。这些公开的全部内容以引用方式全文并入本文。
[0023]其他可能的装置构造可见于(如)下述美国专利中:名称作“CENTRIFUGAL FILLINGOF SAMPLE PROCESSING DEVICES”(样品处理装置的离心填充)的美国专利N0.6，627，159(Bedingham等人)；名称作“SAMPLE PROCESSING DEVICES”(样品处理装置)的美国专利N0.7，026，168、N0.7，855，083 和 N0.7，678，334 以及美国专利公开 N0.2006/0228811 和N0.2011/0053785(Bedingham 等人);名称作“SAMPLE PROCESSING DEVICES AND CARRIERS”(样品处理装置和载体)的美国专利N0.6，814，935和N0.7，445，752 (Harms等人)；以及名称作“SAMPLE PROCESSING DEVICES AND CARRIERS”(样品处理装置和载体)的美国专利N0.7, 595, 200 (Bedingham等人)。这些公开的全部内容以引用方式全文并入本文。
[0024]图1示出了可以存在于本发明的样品处理装置上的一个处理阵列100的示意图。处理阵列100通常将相对于样品处理装置的中心101或者样品处理装置可以为绕其转动的 回转轴A-A是径向取向的，所述回转轴A-A延伸入和延伸离开图1的纸平面。g卩，当转动样 品处理装置时，处理阵列允许样品材料以径向向外的方向(即，远离中心101，朝向图1的底 部)移动，以限定下游移动方向。当转动样品处理装置以限定上游移动方向时，可以存在于 微流体结构中的其他较低密度流体(如，气体)通常将由较高密度流体(如，液体)替换并且 通常将沿着径向向内方向(即，靠近中心101，朝向图1的顶部)移动。[0025]如图1所示，处理阵列100可以包括与处理(或检测)室150流体连通的输入室 115。处理阵列100可以包括输入孔或端110，所述输入孔或端110通入输入室115内并且 可以将材料经所述输入孔或端110加载到处理阵列100内。输入孔110可以允许将原始、未 处理的样品加载到处理阵列100内以进行分析并且且不要求显著的或任何预处理、稀释、 测量、混合等等。在一些实施例中，可以在没有精确测量或处理的情况下添加样品和/或试 剂。[0026]将样品、试剂、或其他材料经输入孔110加载到处理阵列内之后，可以盖住、塞住、 堵塞、或者换句话讲封闭或密封输入孔110，从而其后处理阵列100相对于环境为封闭并且 是“不通气的”，这将在下文更详细地描述。在一些实施例中，输入室115或其一部分可以称 作“第一室”或“第一处理室”，并且处理室150可以称作“第二室”或“第二处理室”。[0027]在一些实施例中，输入室115可以包括一个或多个挡板、壁或其他合适的流体引 导结构，所述挡板、壁或其他合适的流体引导结构布置成将输入室115划分成多种储器，例 如计量储器和废物储器。下文中将参照图2-8的样品处理装置200描述此类附加特征。此 类板载计量结构的各种特征和细节可以见于2011年5月18日提交的待决美国专利申请 N0.61/487，672和2011年5月25日提交的待决美国专利申请N0.61/490，014中，所述文献 的每一篇以引用方式全文并入本文。[0028]输入室115可以包括朝向中心101和回转轴A-A定位的第一末端122以及远离中 心101和回转轴A-A定位的第二末端124(S卩，第一末端122的径向向外侧)，从而当转动样 品处理装置时，迫使样品移向输入室115的第二末端124。[0029]输入室115的第二末端124可以至少部分地由基部123来限定。如图所示，基部 123可以包括形成于其中的开口或流体通路128，所述开口或流体通路128可以设置成形成 毛细管阀130的至少一部分。因此，流体通路128的横截面积可以相对于输入室115 (或 保留在输入室115内的流体的体积)足够小，从而流体因毛细管力而被阻止流入流体通路 128。因此，在一些实施例中，流体通路128可以称作“收缩部”或“收缩通道”。[0030]在一些实施例中,可以控制流体通路128的横截面积相对于输入室115 (或其一部 分，例如输入室115)的体积的纵横比，以至少部分地确保流体将不流入流体通路128直至 需要时，例如，对于具有给定表面张力的流体。[0031]例如，在一些实施例中，流体通路的横截面积(Ap)(如，输入室115的基部123处 的流体通路128的入口的横截面积)相对于储器(流体可从其移动至流体通路128内)(如， 输入室115或其一部分)的体积(V)的比率(B卩，Ap:V)可以范围从约1:25至约1:500，在 一些实施例中，可以范围从约1:50至约1:300，并且在一些实施例中，可以范围从约1:100 至约1:200。换句话讲，在一些实施例中，Ap/V的比率可以是至少约0.01，在一些实施例中， 是至少约0.02，并且在一些实施例中，是至少约0.04。在一些实施例中，Ap/V的比率可以不大于约0.005，在一些实施例中，不大于约0.003，并且在一些实施例中，不大于约0.002。换 句话讲，在一些实施例中，V/Ap的比率，或者V与Ap之比，可以是至少约25卿，25比1)，在 一些实施例中，至少约50 (B卩，约50比I )，并且在一些实施例中，至少约100 (B卩，约100比 I)。在一些实施例中，V/Ap的比率，或者V与Ap之比，可以不大于约500 (即约500比1)， 在一些实施例中，不大于约300 (即约300比I)，并且在一些实施例中，不大于约200 (即约 200 比 I)。[0032]在一些实施例中，可以通过在流体通路128中使用各种尺寸实现这些比率。例如， 在一些实施例中，流体通路128的横向尺寸(如，垂直于其沿来自中心101的半径的长度的 尺寸，例如，直径、宽度、深度、厚度等等)可以不大于约0.5mm，在一些实施例中，不大于约 0.25mm，并且在一些实施例中，不大于约0.1mm0在一些实施例中，流体通路128的横截面积 Ap可以不大于约0.1mm2,在一些实施例中，不大于约0.075mm2,并且在一些实施例中，不大 于约0.5mm2。在一些实施例中，流体通路128的长度可以是至少约0.1_，在一些实施例中， 是至少约0.5_，并且在一些实施例中，是至少约1_。在一些实施例中，流体通路128的长 度可以不大于约0.5mm,在一些实施例中，不大于约0.25mm,并且在一些实施例中，不大于 约0.1mm。在一些实施例中，例如，流体通路128可以具有约0.25mm的宽度和约0.25mm的 深度(即，约0.0625mm2的横截面积)以及约0.25mm的长度。[0033]毛细管阀130可以设置为与输入室115的第二末端124流体连通，从而流体通路 128相对于回转轴A-A定位在输入室115的径向外侧。毛细管阀130设置成阻止流体(SP， 液体)从输入室115移入流体通路128内，这取决于如下因素中的至少一者:流体通路128 的尺寸、限定输入室115和/或流体通路128的表面的表面能、流体的表面张力、施加在流 体上的力、和可存在的回压(如，因形成于下游的气阻产生，如下文所述)、以及它们的组合。 因此，流体通路128 (如，收缩部)的构造(如，尺寸)可以设置成阻止流体进入阀室134，直至 施加在流体上的力(如，通过围绕回转轴A-A转动处理阵列100)、流体的表面张力和/或流 体通路128的表面能足以使流体移入和/或穿过流体通路128。[0034]如图1所示，毛细管阀130可以布置为与隔膜阀132串联，从而毛细管阀130位于 隔膜阀132的径向内侧并且与隔膜阀132的入口流体连通。隔膜阀132可以包括阀室134 和阀隔膜136。在转动平台上的给定取向(如，基本上水平的取向)上，离心力可以通过毛细 管力平衡及偏移以控制流体流。隔膜阀132 (有时也称作“相变型阀”)可以感知热源(如， 电磁能源)，所述热源可以引起阀隔膜136熔融以打开穿过阀隔膜136的通道。[0035]隔膜136可以位于阀室134与处理阵列100中的一个或多个下游流体结构(例如， 处理室150或者阀室134和处理室150之间的任何流体通路或室)之间。这样，处理室150 可以与隔膜阀132的出口(B卩，阀室134)流体连通并且可以相对于回转轴A-A和中心101 至少部分地定位在阀室134的径向外侧。下文中将参照图2-8的样品处理装置200来更详 细地描述阀隔膜136的这种布置方式。尽管在一些实施例中，隔膜136可以直接布置在阀 室134和处理室150之间，但在一些实施例中，多种流体结构(例如，各种通道或室)可以用 来使阀室134和处理室150流体连接。此类流体结构由虚线示意性地示于图1中并且通常 称作“分配通道”140。[0036]隔膜136可以包括(i)闭式构造，其中隔膜136不可透过流体(并且具体地讲，液 体)并且布置成将阀室134与任何下游流体结构流体隔离；和(ii)开式构造，其中隔膜136可透过流体(具体地讲，液体)(如，包括一个或多个开口，所述开口的尺寸设定成促使样品从中流过)并且允许阀室134和任何下游流体结构之间的流体连通。即，阀隔膜136在完整时可以阻止流体(即，液体)在阀室134和任何下游流体结构之间移动。
[0037]阀隔膜136可以包括不可渗透性屏障或由不可渗透性屏障形成，所述不可渗透性屏障阻隔或吸收电磁能量，例如，在可见光、红外和/或紫外光谱内的电磁能量。如与本发明结合使用的，术语“电磁能量”(及其变体)意指能够在无物理接触情况下从源头输送至所需位置或材料的电磁能量(不考虑波长/频率)。电磁能量的非限制性例子包括激光能量、射频(RF)、微波辐射、光能(包括紫外到红外光谱)等。在一些实施例中，电磁能量可以限于落入紫外到红外辐射光谱(包括可见光谱)内的能量。下文中将参照图2-8的样品处理装置200来描述阀隔膜136的各种附加细节。
[0038]毛细管阀130在图1中示为与隔膜阀132串联，具体地讲，示为位于隔膜阀132的入口或上游末端的上游并且与其流体连通。当阀隔膜136处于闭式构造并且移动样品且允许在处理阵列100中形成压力时，毛细管阀130和隔膜阀132的这种构造可以产生气阻(即，在阀室134中)。这种构造还可允许用户控制何时容许流体(即，液体)进入阀室134并且聚集在阀隔膜136附近(如，通过控制施加在样品上的离心力(如，当样品的表面张力保持恒定时);和/或通过控制样品的表面张力)。即，在打开隔膜阀132之前(S卩，当阀隔膜136处于闭式构造时)，毛细管阀130可以阻止流体(B卩，液体)进入阀室134并且集中或聚集在阀隔膜136附近。
[0039]毛细管阀130和隔膜阀132可以一起或单独地称为处理阵列100的“阀”或“阀调结构”。即，处理阵列100的阀调结构通常在上文中描述为包括毛细管阀和隔膜阀；然而，应当理解，在一些实施例中，处理阵列100的阀或阀调结构可以单纯描述为包括流体通路128、阀室134和阀隔膜136。此外，在一些实施例中，流体通路128可以描述为形成输入室115的一部分，从而下游末端124包括设置成阻止流体进入阀室134 (直至需要时)的流体通路128。
[0040]通过阻止流体(S卩，液体)聚集在阀隔膜136的一侧附近，可在无其他物质干扰的情况下打开阀隔膜136，即，从闭式构造改变成开式构造。例如，在一些实施例中，可以通过在阀隔膜136的一侧引入合适波长的电磁能量而在阀隔膜136中形成空隙，打开阀隔膜136。本发明人发现，在一些情况下，如果液体已已经聚集在阀隔膜136的对侧，则该液体可能因充当电磁能量的热阱而干扰空隙形成(如，熔融)过程，这样可能增加在阀隔膜136形成空隙所需的功率和/或时间。因此，通过阻止流体(即，液体)聚集在阀隔膜136的一侧，可以在阀隔膜136的第二侧不存在流体(如，液体(例如，样品或试剂))时通过在阀隔膜136的第一侧处引入电磁能量，打开阀隔膜136。如实例中所示，通过阻止流体(如，液体)聚集在阀隔膜136的背侧，可以在多种阀调条件(例如，激光功率(如，440、560、670、780和890毫瓦(mW))、激光脉冲宽度或持续时间(如，I或2秒)和激光脉冲数(如，I个或2个脉冲))下可靠地打开隔膜阀132。
[0041]因此，当阀隔膜136处于其闭式构造时，(例如)通过在阀室134中产生气阻，毛细管阀130发挥了有效阻止流体(如，液体)聚集在阀隔膜136的一侧附近的作用。
[0042]在开口或空隙已经在阀隔膜136中形成之后，阀室134变得经阀隔膜136中的空隙与下游流体结构(例如，处理室150或者处理室150与阀隔膜136之间的任何分配通道140)流体连通。如上所述，在将材料装载到处理阵列100内之后，可以封闭、密封和/或塞住输入孔110。这样，处理阵列100可以在处理期间相对于环境为密封或是“不通气的”。
[0043]仅以举例的方式，当样品处理装置以第一速度(如，角速度，以转/分钟(RPM)来记录)围绕回转轴A-A转动时，将第一离心力施加在处理阵列100中的材料上。输入室115和流体通路128可以如下设置(如，就表面能、相对尺寸和横截面积等等而言)，使得第一(离心)力不足以造成具有给定表面张力的样品被压入相对狭窄的流体通路128内。然而，当样品处理装置以第二速度(如，角速度，RPM)转动时，将第二 (离心)力施加在处理阵列100中的材料上。输入室115和流体通路128可以如下设置，使得第二离心力足以造成具有给定表面张力的样品被压入流体通路128内。作为另外一种选择，可以将添加剂(如，表面活性齐U)添加至样品以改变其表面张力，以便在需要时使得样品流入流体通路128内。
[0044]还可以通过以下方式至少部分地控制施加到材料上的第一和第二力:控制在其上存在处理阵列100的样品处理装置的转速和加速度曲线(如，角加速度，以周/平方秒或转/平方秒(转/秒2))。一些实施例可以包括:
[0045](i)第一速度和第一加速度，所述第一速度和第一加速度可以用来计量样品处理装置上的一个或多个处理阵列100中的流体并且不足以造成流体移入该样品处理装置上的任何处理阵列100的流体通路128内；
[0046](ii)第二速度和第一加速度，所述第二速度和第一加速度可以用来造成流体移入样品处理装置上的至少一个处理阵列100的流体通路128内(如，在处理阵列100中，其中下游隔膜阀132已经打开并且阀室134中的气阻已经释放，同时仍阻止流体移动入其中下游隔膜阀132还未打开的剩余处理阵列100的流体通路128内)；以及
[0047](iii)第三速度和第二加速度，所述第三速度和第二加速度可以用来造成流体移入样品处理装置上的全部处理阵列100的流体通路128内。
[0048]在一些实施例中，第一速度可以不大于约lOOOrpm，在一些实施例中，不大于约975rpm,在一些实施例中，不大于约750rpm,并且在一些实施例中，不大于约525rpm。在一些实施例中，“第一速度”实际上可以包括两个分立速度-一个使材料移动入计量储器118内的速度，另一个随后通过填充计量储器118到溢出并且允许过量流体移入废物储器120内而对材料计量的速度。在一些实施例中，第一转移速度可以是约525rpm，并且第二剂量速度可以是约975rpm。这两个速度均可以在相同的加速度出现。
[0049]在一些实施例中，第一加速度可以不大于约75转/秒2，在一些实施例中，不大于约50转/秒2，在一些实施例中，不大于约30转/秒2，在一些实施例中，不大于约25转/秒2，并且在一些实施例中，不大于约20转/秒2。在一些实施例中，第一加速度可以是约24.4
转/秒2。
[0050]在一些实施例中，第二速度可以不大于约2000rpm，在一些实施例中，不大于约1800rpm,在一些实施例中，不大于约1500rpm,并且在一些实施例中，不大于约1200rpm。
[0051]在一些实施例中，第二加速度可以是至少约150转/秒2，在一些实施例中，至少约200转/秒2，并且在一些实施例中，至少约250转/秒2。在一些实施例中，第二加速度可以是244转/秒2。
[0052]在一些实施例中，第三速度可以是至少约3000rpm，在一些实施例中，至少约3500rpm,在一些实施例中，至少约4000rpm,并且在一些实施例中，至少约4500rpm。然而，在一些实施例中，第三速可以与第二速度相同，只要速度曲线和加速度曲线足以克服各个 流体通路128内的毛细管力。[0053]如结合本发明所用，“不通气的处理阵列”或“不通气的分配系统”是其中通入内部 流体结构的体积内的开口仅位于输入室115中的处理阵列。换句话讲，为了到达不通气的 处理阵列内部的处理室150，将样品(和/或试剂)输送到输入室115并且随后将输入室115 相对于环境进行密封。如图1所示，此类不通气的分配处理阵列可以包括用于将样品材料 输送到处理室150 (如，沿下游方向)的一个或多个专用通道(如，分配通道140)以及用于 允许空气或另一种流体经独立于样品移动路径的路径离开处理室150的一个或多个专用 通道。相比之下，通气的分配系统将在处理期间相对于环境是开放的并且还将可能包括沿 分配系统在一个或多个位置内(例如，靠近处理室150)布置的通气孔。如上所述，不通气的 分配系统阻止在环境和处理阵列100的内部之间的污染(如，来自处理阵列100的渗漏、或 者从环境或用户将污染物引入到处理阵列100内)，并且还阻止一个样品处理装置上的多份 样品或处理阵列100之间的交叉污染。[0054]如图1所示，为了有利于处理期间处理阵列100中的流体流动，处理阵列100可以 包括一个或多个平衡通道155，所述平衡通道155布置成使得处理阵列100的下游或径向向 外部分(如，处理室150)与位于处理室150的上游或径向内侧的一个或多个流体结构(如， 输入室115的至少一部分)流体连接。[0055]平衡通道155为附加通道，所述附加通道允许流体(如，气体(例如捕集的空气))从 流体结构的否则气阻的下游部分向上游移动，以有利于其他流体(如，样品材料、液体等等) 向下游移入处理阵列100的这些否则气阻的区域内。此类平衡通道155可以允许处理阵列 100的流体结构在样品处理期间(即，在流体移动期间)保持相对环境是不通气或封闭的。因 此，在一些实施例中，平衡通道155可以称作“内部通气道”或“通气通道”，并且释放所捕集 的流体以有利于材料移动的过程可以称作“内部通气”。如下文相对于图2-8的样品处理装 置200更详细所述，在一些实施例中，平衡通道155可以由一系列通道或其他流体结构(空 气可以经这些结构连续移动以逸出处理室150)形成。由此，平衡通道155在图1中示意性 地示为虚线。[0056]样品(或试剂)从输入室115到处理室150的流动可以限定第一移动方向，并且平 衡通道155可以限定不同于第一方向的第二移动方向。具体地讲，第二方向与第一方向相 反或基本上相反。当通过力(如，离心力)使样品(或试剂)移动至处理室150时，第一方向 可以沿着力的方向大体取向，并且第二方向可以与力的方向相反大体取向。[0057]当阀隔膜136变成开式构造时(如，通过在隔膜136处发射电磁能量)，阀室134中 的气阻可以释放，原因至少部分地在于平衡通道155连接返回输入室115的隔膜136的下 游侧。气阻的释放可以允许流体(如，液体)流入流体通路128、阀室134、并且流动至处理室 150。在一些实施例中，当处理阵列100中的通道和室具有疏水性或者通常由疏水性表面限 定时(具体地讲，相对于含水样品和/或试剂而言)，可以有利于这种现象。[0058]在一些实施例中，可以通过测量目的液体小滴与目的表面之间的接触角确定材料 表面的疏水性。在这种情况下，可以在各种样品和/或试剂材料和将用于形成样品处理装 置的将会接触样品和/或试剂的至少一些表面的材料之间进行此类测量。在一些实施例 中，样品和/或试剂材料可以是含水液体(如，悬浮液等等)。在一些实施例中，在本发明样品和/或试剂和形成处理阵列100的至少一部分的基底材料之间的接触角可以是至少约70°，在一些实施例中，是至少约75°，在一些实施例中，是至少约80°，在一些实施例中，是至少约90°，在一些实施例中，至少约95°，并且在一些实施例中，是至少约99°。
[0059]在一些实施例中，当已经在流体上施加足够力时(如，当已经实现流体上的阈值力时(如，当处理阵列100围绕回转轴A-A的转动已超过阈值加速度或转动加速度时))，流体可以流入流体通路128内。在流体已已经克服毛细管阀130中的毛细管力之后，流体可以穿过开口阀隔膜136流动至下游流体结构(如，处理室150)。
[0060]如在整个本发明中所述，正在穿过处理阵列100移动的样品和/或试剂材料的表面张力可以影响为移动该材料至流体通路128内并且克服毛细管力所需的力的量。一般来讲，正在穿过处理阵列100移动的材料的表面张力越低，则需要在材料上施加以便克服毛细管力的力越低。在一些实施例中，样品和/或试剂材料的表面张力可以是至少约40mN/m，在一些实施例中，是至少约43mN/m，在一些实施例中，是至少约45mN/m，在一些实施例中，是至少约50mN/m,在一些实施例中，是至少约54mN/m。在一些实施例中,表面张力可以不大于约80nM/m,在一些实施例中，不大于约75mN/m,在一些实施例中，不大于约72mN/m,在一些实施例中，不大于约70mN/m,并且在一些实施例中，不大于约60mN/m。
[0061]在一些实施例中，正在穿过处理阵列100移动的样品和/或试剂材料的密度可以是至少约1.00g/mL，在一些实施例中，是至少约1.02g/mL，在一些实施例中，是至少约1.04g/mL。在一些实施例中，该密度可以不大于约1.08g/mL,在一些实施例中，不大于约
1.06g/mL,并且在一些实施例中，不大于约1.05g/mLo
[0062]在一些实施例中，正在穿过处理阵列100移动的样品和/或试剂材料的粘度可以是至少约I厘泊(nMs/m2)，在一些实施例中，是至少约1.5厘泊，并且在一些实施例中，是至少约1.75厘泊。在一些实施例中，该粘度可以不大于约2.5厘泊，在一些实施例中，不大于约2.25厘泊，并且在一些实施例中，不大于约2.00厘泊。在一些实施例中，该粘度可以是
1.0019厘泊或2.089厘泊。
[0063]下表包括可以在本发明中作为样品稀释剂和/或试剂使用的含水介质的各种数据。一个例子是得自乔治亚州玛丽埃塔市Copan诊断公司(CopanDiagnostics, Murrietta, GA)的用于病毒、衣原体、支原体和脲原体的Copan通用运输介质("UTM")(3.0mL试管，产品编号330C，批号39P505)。这种UTM用作实例中的样品。另一个例子为得自加利福尼亚州赛普里斯市福克斯诊断公司(Focus Diagnostics, Cypress, CA)的试剂主混合物(“Reagent”)。下表中包括在25°C的水以及水中25%甘油的粘度和密度数据，因为本发明的一些样品和/或试剂材料可以具有范围从水的材料属性到水中25%甘油的材料属性(包括这两者)的材料属性。下表中的接触角量值是在黑色聚丙烯上测得的，所述黑色聚丙烯是通过将得自堪萨斯州威奇托弗林特山资源公司(Flint HillsResources, Wichita, Kansas)的产品N0.P4G3Z-039聚丙烯(天然)与得自瑞士穆滕茨市科莱恩公司(Clariant Corporation, Muttenz, Switzerland)的 Clariant 着色剂 UN0055P(深黑色(炭黑)，3%LDR)在压机处混合来形成。这种黑色聚丙烯可以在一些实施例中用来形成本发明的样品处理装置的至少一部分(如，基底)。
[0064]
【权利要求】
1.一种样品处理装置上的阀调结构，所述阀调结构包括: 阀室； 布置成与所述阀室的出口流体连通的处理室； 位于所述阀室和所述处理室之间的阀隔膜，所述阀隔膜具有: 闭式构造，其中所述阀室与所述处理室不流体连通，和开式构造，其中所述阀隔膜其中所述阀室与所述处理室流体连通；以及与所述阀室的入口流体连通的流体通路，其中所述流体通路设置成当所述阀隔膜处于所述闭式构造时阻止液体进入所述阀室并且聚集在所述阀隔膜附近。
2.根据权利要求1所述的阀调结构，其中所述样品处理装置设置成围绕回转轴转动，并且其中所述处理室的至少一部分相对于所述回转轴布置在所述阀室的径向外侧。
3.根据权利要求1或2所述的阀调结构，其中所述样品处理装置设置成围绕回转轴转动，并且其中所述流体通路相对于所述回转轴布置在所述阀室的径向内侧。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的阀调结构，其中当所述阀隔膜处于所述闭式构造时，所述液体通过下述因素中的至少一者被阻止进入所述阀室: 所述流体通路的尺寸， 所述流体通路的表面能， 所述液体的表面张力，和 存在于所述阀室中的任何气体。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的阀调结构，还包括纵向方向，所述液体从所述流体通路沿着所述纵向方向移动至所述处理室，其中所述阀隔膜包括在所述纵向方向延伸的长度，并且其中当所述阀隔膜处于所述开式构造时开口沿所述阀隔膜的长度在选定的位置处形成。
6.根据权利要求5所述的阀调结构，其中所述开口是沿所述阀隔膜的长度在选定位置处形成的多个开口之一。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的阀调结构，其中所述处理室限定用于容纳所述液体以及包含流体的体积，并且还包括通道，所述通道布置成将所述处理室与所述流体通路的上游侧流体连接，使得流体能够从所述处理室经所述通道流动至所述流体通路，而不重新进入所述阀室，其中所述通道布置成当所述液体进入所述处理室并且排出所述流体的至少一部分时，为所述流体提供离开所述处理室的路径。
8.根据权利要求7所述的阀调结构，其中所述流体通路、所述阀室和所述处理室限定从所述流体通路到所述阀室并且到所述处理室的流体流动第一方向，并且其中所述通道限定从所述处理室返回到所述流体通路的流体流动第二方向，其中所述第二方向不同于所述第一方向。
9.根据权利要求8所述的阀调结构，其中所述第一方向相对于回转轴大体上径向向外取向，并且其中所述第二方向相对于回转轴大体上径向向内取向。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的阀调结构，其中所述第一方向大体沿离心力的方向取向，并且其中所述第二方向大体与所述离心力的方向相反取向。
11.一种样品处理装置上的阀调方法，所述方法包括: 提供样品处理装置，所述样品处理装置设置成围绕回转轴转动，并且包括:阀室， 布置成与所述阀室的出口流体连通的处理室， 位于所述阀室和所述处理室之间的阀隔膜， 与所述阀室的入口流体连通的流体通路，其中所述流体通路设置成阻止液体进入所述阀室并且聚集在所述阀隔膜附近，以及 与所述流体通路的入口流体连通的输入室； 将液体置于在所述样品处理装置的输入室中； 围绕所述回转轴转动所述样品处理装置，以将第一力施加在所述液体上，从而所述液体被阻止进入所述阀室并且聚集在所述阀隔膜附近； 在所述阀隔膜中形成开口 ；以及 当在所述阀隔膜中形成开口之后，围绕所述回转轴转动所述样品处理装置，以将大于所述第一力的第二力施加在所述液体上，从而所述液体穿过所述流体通路移入所述阀室内，并且穿过所述阀隔膜中的所述开口向所述处理室移动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述阀隔膜中形成开口之前，所述液体通过下述因素中的至少一者被阻止移入所述阀室内: 所述流体通路的尺寸，` 所述流体通路的表面能， 所述第一力， 所述液体的表面张力，和 存在于所述阀室中的任何气体。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述处理室限定用于容纳所述液体以及包含流体的体积，其中所述样品处理装置还包括通道，所述通道布置成将所述处理室与所述输入室流体连接，使得流体能够从所述处理室经所述通道流动至所述输入室，而不会重新进入所述阀室，并且进一步包括: 当所述液体移入所述处理室内并且排出所述流体的至少一部分时，经所述通道对所述处理室内部通气。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述液体以流体流动的第一方向穿过所述流体通路移入所述阀室内，并且穿过所述阀隔膜中的所述开口向所述处理室移动，其中所述流体的至少一部分从所述处理室在所述通道中以流体流动的第二方向移动，并且其中所述第二方向不同于所述第一方向。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的阀调结构或者根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中所述流体通路设置成阻止液体进入所述阀室，直至施加到所述液体上的力、所述液体的表面张力和所述流体通路的表面能中的至少一者足以使所述液体穿过所述流体通路并且移入所述阀室内。
16.根据权利要求1-10和15中任一项所述的阀调结构或者根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中所述流体通路形成毛细管阀，从而所述阀调结构包括与隔膜阀串联的毛细管阀，所述隔膜阀包括所述阀室和所述阀隔膜。
17.根据权利要求1-10和15-16中任一项所述的阀调结构或者根据权利要求11-16中任一项所述的方法，其中如下设置所述阀室、所述流体通路和所述阀隔膜，使得所述阀室在所述阀隔膜处于所述闭式构造时提供气阻。
18.根据权利要求1-12和15-17中任一项所述的阀调结构或者根据权利要求11-17中任一项所述的方法，其中所述流体通路设置成当所述阀隔膜处于所述闭式构造时阻止所述液体由毛细管流芯吸入所述阀室内并且聚集在所述阀隔膜附近。
19.根据权利要求1-12和15-18中任一项所述的阀调结构或者根据权利要求13-18中任一项所述的方法，其中所述流体通路包括包括收缩部，所述收缩部的尺寸被设计为当所述阀隔膜处于所述闭式构造时阻止所述液体由毛细管流芯吸入所述阀室内并且聚集在所述阀隔膜附近。
20.根据权利要求19所述的阀调结构或方法，其中所述收缩部的尺寸被设计为阻止液体进入所述阀室，直至施加到所述液体上的力、所述液体的表面张力和所述收缩部的表面能中的至少一者足以使所述液体移动穿过所述收缩部。
21.根据权利要求19或20所述的阀调结构或方法，其中所述收缩部的尺寸被设计为阻止液体进入所述阀室，直 至转动所述样品处理装置并且达到足以使所述液体移入所述阀室内的离心力。
【文档编号】F16K99/00GK103501908SQ201280021352
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年5月18日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】彼得·D·陆德外斯, 杰弗里·D·史密斯 申请人:3M创新有限公司