毛细管电泳阴极系统和方法与流程

本公开涉及多毛细管电泳方法、设备及其部件。本公开进一步涉及与毛细管的阴极端相关的传感、电传递和隔离系统、机构和方法。

背景技术：

毛细管电泳装置通常提供某些主要部件，包括例如毛细管阵列、用于向毛细管提供介质的分离介质源(例如，聚合物)、用于将样品加载到毛细管中的样品注射机构、光学检测器部件、电极，和在毛细管一端上的阳极缓冲源，以及在毛细管另一端上的阴极缓冲源。毛细管电泳装置通常还提供各种加热部件和区域以调节许多上述部件的温度。调节许多这些部件的温度可以改善结果的质量。

毛细管电流的稳定性和大小是毛细管电泳测序和片段分析中成功电泳分离的先决条件。毛细管电流的不规则性可能由各种硬件故障引起，例如聚合物填充问题，如毛细管堵塞或气泡。早期检测这些问题是有益的，尤其是在样品注射阶段之前检测以保护和保存有价值的样品。系统可以采取纠正措施来解决问题，或者如果不成功，则可以通知用户。

目前的多毛细管电泳产品测量和监测普通阳极或阴极处的毛细管电流的总和。由于毛细管电流大小的可变性，很难根据毛细管电流的总和来检测各个毛细管的错误行为，并且不可能识别有故障的毛细管。

在空闲期间，需要保护毛细管末端免于干燥。在毛细管电泳仪器中，这是通过将毛细管末端保持浸入在缓冲液中来实现的。

技术实现要素：

在一些实施例中，本公开涉及用于测量毛细管电泳电流的系统或方法。系统或方法包括多个毛细管，其中每个毛细管具有阴极端和阳极端。系统进一步包括多个阴极缓冲液。每个阴极缓冲液被配置成与其它阴极缓冲液电隔离。此外，每个阴极缓冲液与多个毛细管中的一个毛细管相关联。每个毛细管的阴极端浸入其相关联的阴极缓冲液中。系统包括多个电流传感器，每个电流传感器与多个毛细管中的一个毛细管相关联，用于测量电流。在一些实施例中，多个毛细管是四个毛细管。

在本公开的其它实施例中，提供了一种用于检测液位的系统或方法。系统或方法包括多个阴极和电解缓冲液，其中多个阴极中的每一个浸没在电解缓冲液中。系统或方法进一步包括连接到多个电极的电容传感器，所述电容传感器被配置成测量多个阴极和电解缓冲液之间的电容。

在其它实施例中，用于进行毛细管电泳的系统或方法包含毛细管系统、高压系统和低压系统。毛细管系统包括毛细管阵列和标签，所述标签被配置成提供关于毛细管系统的识别信息。高压系统电联接到毛细管系统，并且包括提供至少1千伏电压的高压电源，并且至少一个电路电联接到高压电源。低压系统联接到高压系统。标签提供以下的至少一项：(1)高压系统和低压系统之间的电隔离，(2)高压系统和低压系统之间的数据和/或控制信号，或(3)从低压系统到高压系统的电力。

附图说明

图1示出了根据本文描述的各种实施例的毛细管电泳设备的一部分的示意图。

图2示出了根据本文描述的各种实施例的用于多毛细管电泳系统中的各个毛细管电流感测的系统的示意图。

图3示出了根据本文描述的各种实施例的用于液位感测的系统的示意图。

图4示出了根据本文描述的各种实施例的跨高压隔离屏障的电力和数据传输的框图。

图5-7示出了根据本文描述的实施例的用于测定电容的各种电路。

具体实施方式

为了提供对本发明的更透彻理解，以下描述阐述许多特定细节，如特定配置、参数、实例等。然而，应认识到，这类描述不意图作为对本发明的范围的限制，而是意图提供对示例性实施例的描述。

还应认识到，本文描述的方法、设备和系统可以在各种类型的系统、仪器和机器(如生物分析系统)中实现。例如，各种实施例可以在于多个毛细管中进行毛细管电泳(ce)的方法、仪器、系统或机器中实现。虽然本文描述了用于毛细管电泳方法和系统的本发明的实施例，但是本发明的实施例可以扩展到其它方法、系统、仪器和机器，如其它类型的生物分析系统(例如，聚合酶链式反应系统或方法、下一代测序系统或方法等)。

图1提供了根据本发明实施例的毛细管电泳装置或系统100的一部分的基本示意图。具体地说，图1示出了毛细管阵列组合件110，其包含多个毛细管111、电极部件(包括阳极112和多个阴极114)、聚合物源116、缓冲液源118和聚合物引入机构120(图示为注射泵)。可以提供联接器122以将毛细管阵列组件110连接到聚合物/缓冲结构130，所述聚合物/缓冲结构130包括聚合物源116、缓冲液源118、阳极112和注射泵120。温度控制区140控制封闭的毛细管阵列组合件110和阴极114。在某些实施例中，可以包括用于聚合物源116和输送路径132的附加温度控制。在某些实施例中，毛细管电泳装置100包含毛细管盒、壳体或包含毛细管阵列组合件110的组件150。毛细管盒150还可包括外壳152，其被配置成支撑和/或容纳毛细管阵列组件110。在某些实施例中，毛细管盒150可包括图1中所示的一个或多个其它部件或与其集成(例如，可包括阳极112、阴极114、聚合物源116、缓冲液源118、聚合物引入机构、联接器122和/或聚合物引入机构120中的任何一个或全部)。虽然在图1所示实施例中毛细管阵列组件110包含四个毛细管111，但毛细管阵列组件110可包含更多或更少的毛细管111(例如，2个毛细管、8个毛细管、16个毛细管、24个毛细管、48个毛细管、96个毛细管或超过96个毛细管)。在某些实施例中，毛细管阵列组件110包含单个毛细管111。

单个毛细管电流感测

参考图2，在某些实施例中，装置100包含电流测量系统200，其被配置成为多个毛细管206的各个毛细管提供单个毛细管电流感测。现有技术的多毛细管电泳系统测量和监测共阳极或阴极处的毛细管电流的总和。如果电流存在误差或变化，则难以检测哪个毛细管可能有故障。因此，已经发现有利的是单独地监测和测量每个毛细管电流。以这种方式，在用新鲜聚合物填充毛细管之后和样品注射之前，可以在预运行阶段期间验证各个毛细管电流的稳定性和大小。此外，本发明的实施例允许在电动注射期间和/或在电泳分离阶段期间监测单个毛细管电流以进行错误检测和分析。

系统200包含多毛细管电泳系统，其实现通过各个阴极连接测量和/或监测每个毛细管的电流的能力。毛细管206具有阴极部分或阴极端端以及阳极部分或阳极端。每个阴极浸入单独的阴极缓冲容器202中。毛细管的阳极端可以浸入阳极缓冲液208中。如图2所示，将每个单独的阴极浸入电隔离的缓冲液或样品试剂中。阴极缓冲液容器202为运行缓冲液提供电隔离的隔室。样品在微量滴定板或管条的孔中电分离。在图2所示的实施例中，从四个毛细管206单独监测电流。毛细管的数量可以大于或小于四。连接到高压电源210的电流传感器204与每个毛细管206相关联。

电压源210在毛细管206上提供高电压。例如，电压源可以在毛细管206的阴极侧提供负电压，其大小为13或约13千伏(kv)。电压源201可以根据系统参数提供其它电压电平，如毛细管数量、毛细管长度、聚合物或缓冲溶液特性等。例如，电压源201可以在毛细管的阴极端提供负电压，其大小大于或等于1kv、大于或等于5kv、大于或等于10kv、大于或等于15kv，或大于或等于20kv。在某些情况下，施加到毛细管阴极侧的电压小于或等于1,000伏(例如，对于样品的电动注射，大约为1,000伏，或者为了检查毛细管中气泡的存在，大约为500伏)。在某些实施例中，施加到毛细管阴极侧的电压是在上述范围内的正电压。在其它实施例中，施加到毛细管的阴极侧的电压是交变场(例如，正弦波形)。

液位感测

当不使用毛细管电泳仪器时，可以保护毛细管末端。传统上，这是通过将毛细管末端浸入缓冲液中来完成的。然而，如果，例如由于继续使用或蒸发导致缓冲液水位低，则毛细管末端可能浸入缓冲溶液中，这可能导致毛细管损坏。因此，根据本文描述的各种实施例，描述了一种允许检测液位的系统。这可以确保存在足够的缓冲液水位并且如果需要调整缓冲液水位则通知用户或系统。

根据各种实施例，通过感测在电解缓冲液中的两个或更多个阴极之间形成的电容(例如，双层电容)来确定液位。双层电容与浸没电极表面积成比例，并且因此与圆柱形电极的浸入深度成线性或近似线性关系。

图3示出了根据本文描述的各种实施例的用于液位感测的系统300的示意图(例如，在毛细管电泳装置100和/或毛细管盒150中)。在含电解质缓冲液306的共阴极缓冲液容器或隔室305中的至少两个电极304可以被配置成感测液位。阴极缓冲液容器305可以为所有4个毛细管提供一个用于洗涤缓冲液的隔室(和一个用于废物缓冲液的隔室)。利用电容传感器302测量例如阴极和电解缓冲液之间的双层电容，所述电容传感器302电联接到电压源303，所述电压源303可以具有与上面讨论的电压源210相同或相似的电特性。

在所示实施例中，存在两个电极，每个电极可以电联接到毛细管。在这样的实施例中，电容传感器可以被配置成向第二电极提供略微不同的电压，例如，通过使用具有1至5伏电压的电压源。在某些实施例中，电容传感器可以包含具有2至2.5伏电压的这种电压源，例如，已经发现2.2伏的电压在某些实施例中是有利的。在某些实施例中，电压源小于或等于1伏。在这样的实施例中，放电曲线延伸到接近零的电压。在双层的介电击穿电压之上和之下测量电容和电解质特性可以提供重要数据，以在存在缓冲液和环境变化的情况下改进液位测量精度。

在某些实施例中，电解质溶液306和/或电容传感器包含多于两个电极，例如，共用阴极缓冲液容器中的四个电极，如图1所示。在这样的实施例中，电极中的一个可以被配置成具有标称电压v1，而另一个电极具有不同的标称电压v2。在这样的实施例中，电容传感器302可以被配置成测量电压v1处的电极与具有电压v2的一个或多个电极之间的电容。

在某些实施例中，每个电极304电联接到不同的毛细管。替代地，电极304中的一个可以电联接到毛细管，而另一个电极可以电联接到具有与毛细管类似的电特性(例如，具有相同或类似的电阻或阻抗)的电线或电路。例如，电流测量系统200中的每个毛细管206可以包含其自己的液位感测系统300，其中每个阴极缓冲液容器202含有两个电联接到其自己的液位感测系统300的电极(一个电极联接到毛细管，而另一个电极连接到如上所述的线路或电路)。因此，系统200可以被配置成测量每个阴极缓冲液容器202中的液位和通过每个毛细管206的电流。

利用所描述的概念，可以连续地监测洗涤缓冲液的液位，并且当液位下落低于确保毛细管不变干所需的水位时，可以通知和/或指示用户或系统。

在某些实施例中，液位感测系统300可以被配置用于在空闲时间期间使用以防止毛细管阴极变干。这可以通过在储存期间或仪器运行期间将毛细管阴极电极浸入缓冲液储存器中来实现。有利地，不仅仅检测阴极尖端是否与缓冲液接触，系统300被配置成提供警告消息，当蒸发威胁到露出毛细管电极时，该警告消息可以发送给用户或系统。因此，在毛细管尖端暴露于空气并且可能变干之前，建议用户或系统具有潜在的不利状况。

在其它实施例中，毛细管阴极尖端可以用毛细管保护器覆盖，所述毛细管保护器将毛细管阴极尖端浸入凝胶中以避免在储存期间和/或使用之间变干。在装入仪器中之前，移除毛细管保护器。有利地，在某些实施例中系统300可以被配置成在移动样品板之前检测毛细管保护器的存在或不存在。在这样的实施例中，系统300可以被配置成警告用户或系统在毛细管保护器存在时移除毛细管保护器，从而有利地防止损坏仪器和/或毛细管消耗品(例如，防止毛细管消耗品撞击样品板导致墨盒损坏。

在某些实施例中，浸入缓冲液贮存器中的两个阴极电极(例如，电极304)之间的电阻抗可以被建模为以下的串联组合：(1)表示缓冲溶液的电阻的已知电阻(rb)和(2)由例如两个电极表面上的双层电容的串联组合构成的电容(c)。双层电容与浸入缓冲液中的电极的表面积成比例。因此，通过测量或计算该电容，可以确定电容的两侧或电极之间的液体的存在和/或水位。

根据本发明的各种实施例，可以通过各种系统和方法来实现测量或计算电容。例如，参考图5，具有已知阻抗rb的电路的一个电极可以用已知特性的电压阶跃驱动。然后跨阻抗放大器和a/d转换器(或类似物)可以被配置成测量另一电极上的振幅和衰减时间常数。根据这些测量，可以确定电容c并将其与两个电极之间的液体的存在和/或水位相关联。在当前实施例中，第一电极可以相对于处于参考电压电平的第二电极充电。还可以在第一电极上对第二电极进行充电和/或放电测量。在该实施例中，在充电/放电过程期间测量电容器电压。

参考图6，在其它实施例中，可以通过已知电阻器对电容充电并测量充电时间常数tc，然后通过不同的已知电阻器放电并测量放电时间常数td。根据这些时间常数，可以确定电容c并将其与两个电极之间的液体的存在和/或水位相关联。与图5所示的实施例相反，这里可以测量充电和放电电流并用于计算电容。

参考图7，在其它实施例中，电路的一个电极可以用已知振幅、频率和相位角的正弦波驱动。使用例如跨阻抗放大器和相位检测电路，可以测量或计算复阻抗。根据复阻抗，可以确定电容c并将其与两个电极之间的液体的存在和/或水位相关联。

跨高压隔离屏障的电力和数据传输

图4示出了根据本发明实施例的系统400的框图，所述系统400被配置用于跨高压隔离屏障412进行电力和数据传输。上述方法和系统的实现涉及连接到阴极电极404的单独电流感测和液位检测传感器，所述阴极电极404连接到高压电源402，所述高压电源402具有参考底盘接地的高电压电位(例如，具有电压与上面讨论的电压源210提供的电压相同或类似电压)。因此，传感器电路系统410处于相同或近似相同的高电压电位。有利地，传感器电路系统410与接近接地电位的电路系统和导电部件电隔离(例如，到高压隔离屏障412的右侧)。在这样的实施例中，跨高压隔离屏障412提供电力和数据传输。这可以通过各种手段来实现，仅举几个例子：光学、机械、电感、电容或无线电波。在某些实施例中，微控制器420联接到也处于相同或近似相同的高电压电位的传感器电路系统410。

在某些实施例中，系统400包含射频识别(rfid)标签406，其有利地被配置成(1)识别、标记和/或提供含特定毛细管阵列组件(例如，包含毛细管111或206)的特定盒或系统的数据，(2)电隔离与高压部件如传感器电路系统410和/或微控制器420通信的低压控制和数据线，和/或(3)向高压部件如传感器电路系统410和/或微控制器420提供电力。rfid的传感器电路可以包含动态无源nfc(近场通信)/rfid标签406。在高压隔离屏障412的相对侧上的rfid读取器/写入器408经由rfid标签406无线地为传感器电路供电和通信。

在某些实施例中，rfid标签406与特定的盒或毛细管阵列组件(例如，包含毛细管111或206的组件)相关联。在这样的实施例中，rfid用于(1)识别、标记和/或提供用于盒或组件的数据，以及(2)提供上面讨论的隔离和/或数据/电力传输。在其它实施例中，rfid是被配置成接收特定盒或毛细管阵列组件的仪器的一部分，在这种情况下，rfid标签可以仅用于提供上面讨论的隔离和/或数据/电力传输。

另外或替代地，光学隔离器可用于跨高压隔离屏障412将电力和/或数据传输到高压部件，如传感器电路系统404或微控制器420。通过光学透射高压隔离屏障传输的光能借助于光伏效应转换成电能，以为高压部件供电。通过光学透射高压隔离屏障提供模拟或数字光学数据传输。

另外或替代地，电感联接器可用于跨高压隔离屏障412传输电力和数据。在这样的实施例中，电感器位于高压隔离屏障412的两侧上，使得在电感器之间存在互感。电力通过借助于ac电流通过联接的电感器传输到传感器电路系统。使用本领域已知的调制方法调制ac电流以提供模拟或数字数据传输，包括但不限于幅度和/或频率调制。传感器电路系统可以使用反向散射调制来跨高压隔离屏障412发送数据。

在一些实施例中，无线电传输用于跨高压隔离屏障412传输电力和数据。在传感器电路系统侧上，射频能量收集用于为电路系统供电。借助于调制无线电传输和/或反向散射来传输数据。

在所描述的实施例中，双向数据传输和/或电力传输可以被频率复用、时间复用和/或在空间上分离到单独的信道中。一些实施例可以组合所描述的各种方法来传输数据和电力，例如使得可以在光学地传输数据的同时感应地传输电力。

在某些实施例中，可以使用商业上可获得的无线充电技术和标准来传输电力和数据。由于商业上可获得的技术的高度集成和普及，这种方法简单且成本有效。

根据一些实施例，可以使用商业上可获得的lf和hfrfid技术通过电感耦合来传输电力和数据。由于商业上可获得的技术的高度集成和普及，这种方法简单且成本有效。

根据一个实施例，可以使用商业上可获得的uhfrfid技术来使用无线电波来传输电力和数据。由于商业上可获得的技术的高度集成和普及，这种方法简单且成本有效。

根据所描述的实施例的方法可以是简单且成本有效的。

上面已经描述了本发明的各种实施例。应该理解的是，这些实施例仅以示例的方式呈现，而不是限制。相关领域的技术人员将理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明的实施例的精神和范围的情况下，可以对上述实施例的形式和细节进行各种改变。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而应仅根据所附权利要求书及其等同物来限定。

本发明的选定实施例

选定实施例包括

实施例1：一种用于测量毛细管电泳电流的系统或方法，所述系统或方法包含：

多个毛细管，其中每个毛细管具有阴极端和阳极端；

多个阴极缓冲液，其中阴极缓冲液中的每一个被配置成与其它阴极缓冲液电隔离，每个阴极缓冲液与多个毛细管中的一个毛细管相关联，并且每个毛细管的阴极端浸入其相关联的阴极缓冲液中；和

多个电流传感器，每个电流传感器与多个毛细管中的一个毛细管相关联，用于测量电流。

实施例2：实施例1，其中多个毛细管是四个毛细管。

实施例3：一种用于测量毛细管电泳电流的系统或方法，所述系统或方法包含：

第一毛细管和第二毛细管，其中每个毛细管具有阴极端和阳极端；

第一阴极缓冲液和第二阴极缓冲液，其中第一阴极缓冲液被配置成与第二阴极缓冲液电隔离，并且第一毛细管的阴极端浸入第一阴极缓冲液中且第二毛细管的阴极端浸入第二阴极缓冲液中；和

与第一毛细管相关联的第一电流传感器和与第二毛细管相关联的第二电流传感器，用于测量电流。

实施例4：实施例3，其进一步包含：

第三毛细管和第四毛细管；

第三阴极缓冲液和第四阴极缓冲液，其中第三阴极缓冲液被配置成与第四阴极缓冲液电隔离，并且第三毛细管的阴极端浸入第三阴极缓冲液且第四毛细管的阴极端浸入第四阴极缓冲液中；和

与第三毛细管相关联的第三电流传感器和与第四毛细管相关联的第四电流传感器，用于测量电流。

实施例5：一种用于检测液位的系统或方法，所述系统或方法包含：

多个阴极；

电解缓冲液，其中多个阴极中的每一个浸没在电解缓冲液中；和

连接到多个电极的电容传感器，其被配置成测量多个阴极和电解缓冲液之间的电容。

实施例6：实施例5，其中多个阴极是两个阴极。

实施例7：实施例5或6，其中电容与阴极的表面积成比例。

实施例8：实施例5、6或7，其中电容与阴极的浸入深度成线性关系。

实施例9：实施例5、6、7或8，其中多个阴极是圆柱形的。

实施例10：实施例5、6、7、8或9，其进一步包含：

处理器，用于计算电解缓冲液中阴极的浸入深度。

实施例11：一种用于进行毛细管电泳的系统或方法，其包含：

包含毛细管阵列和标签的毛细管系统，所述标签被配置成提供关于毛细管系统的识别信息；

电联接到毛细管系统的高压系统，高压系统包含提供至少1千伏电压的高压电源和至少一个电联接到高压电源的电路；

联接到高压系统的低压系统；

其中标签提供以下中的至少一项：(1)高压系统和低压系统之间的电隔离，(2)高压系统和低压系统之间的数据和/或控制信号，或(3)从低压系统到高压系统的电力。

实施例12：实施例11，其中标签包含射频识别标签。

实施例13：实施例11或12，其中标签包含动态无源近场通信/射频识别标签。

实施例14：实施例11、12或13，其中高压电气系统包含液位传感器电路、毛细管电流传感器或微控制器中的至少一个。

实施例15：实施例11、12、13或14，其中低压电路包含联接到标签的射频识别读取器/写入器。

实施例16：实施例15，其中标签包含射频识别标签或动态无源近场通信/射频识别标签。

实施例17：一种用于进行毛细管电泳的系统或方法，其包含：

包含毛细管阵列和标签的毛细管系统，所述标签被配置成提供关于毛细管系统的识别信息；

电联接到毛细管系统的高压系统，高压系统包含提供至少1千伏电压的高压电源和至少一个电联接到高压电源的电路；

联接到高压系统的低压系统；

其中标签提供高压系统和低压系统之间的电隔离。

实施例18：一种用于进行毛细管电泳的系统或方法，其包含：

包含毛细管阵列和标签的毛细管系统，所述标签被配置成提供关于毛细管系统的识别信息；

电联接到毛细管系统的高压系统，高压系统包含提供至少1千伏电压的高压电源和至少一个电联接到高压电源的电路；

联接到高压系统的低压系统；

其中标签提供高压系统和低压系统之间的数据和/或控制信号。

实施例19：一种用于进行毛细管电泳的系统或方法，其包含：

包含毛细管阵列和标签的毛细管系统，所述标签被配置成提供关于毛细管系统的识别信息；

电联接到毛细管系统的高压系统，高压系统包含提供至少1千伏电压的高压电源和至少一个电联接到高压电源的电路；

联接到高压系统的低压系统；

其中标签提供从低压系统到高压系统的电力。

实施例20：实施例19，其中标签提供高压系统和低压系统之间的数据和/或控制信号。