CN101421041A - 用于流通单元的泡沫抑制膜 - Google Patents

Abstract

提供了一种改进的流通装置，其中，装置中由于流体的泵送产生的泡沫借助于疏水或亲水多孔膜被保持在反应腔室之外，所述多孔膜充当空气截获膜。

Description

用于流通单元的泡沫抑制膜

技术领域

本发明总体上涉及流体处理，特别是涉及用于分析的装置或方法。特别地，本发明涉及例如设在生物反应器、传感器或传感器的部件、尤其是生物传感器的部件中的用于流通处理或分析或诊断的器械，以及涉及使用这种器械的方法。处理或分析或诊断可包括杂交或配体结合。

背景技术

公知用于样品的分析的生物传感器。通常，包括分析物的样品与特定探针接触，所述特定探针可通过光学或通过其他物理方法被检测和/或量化。这种生物传感器利用基于互补的(寡)核苷酸的相互作用、抗原-抗体、配体-受体或其他特定的蛋白质-蛋白质的相互作用的检测方法。最为便利的是，探针或分析物固定在支撑体上，所述支撑体允许物理分离样品或试剂中的潜在干扰组分。示例性支撑体包括由不同类型的材料制成的多孔眼板、膜、柱状物或片，所述材料能够结合感兴趣的分析物和/或探针。

通常执行分析，以定性和/或定量地检查(液体)样品的组成，特别是涉及样品中的特定的DNA或RNA序列或蛋白质的存在性和存在量的检测。尤其是PCR，聚合酶链式反应，已广泛地用于所有类型的用于检测DNA或RNA序列的存在与否的化验的开发。目前，可从生物体收集含有DNA的样品，并确定其中特定的DNA序列的存在性或存在量。可获得同时执行多目标序列的这种分析，所谓的目标序列的多元检测，的技术，从而提高了检测量。例如，为了检测血液样品等中的特定细菌，公知这样一种检测方法，所述检测方法基于DNA增殖过程且将该DNA结合到荧光示踪分子。仅特定类型的DNA将结合到特定探针分子。结合的DNA的存在性然后通过光学方法检测，例如通过光源激活和通过照相机检测。DNA和/或RNA的存在性或存在量的检测例如表示基因、基因的等位基因、基因特性或失调、多态性、单核苷酸多态性(SNP)的存在性或存在量，或者生物体中的外原DNA或RNA的存在性即生物体中的病原体或细菌的存在性或存在量。

为了大规模和/或高效率地处理样品，已开发出了多种装置，其中，检测反应的不同处理步骤(样品的施加、洗涤、与探针的接触)已实现了自动化。例如患者样品中的传染性疾病或食品批次中的污染物的快速诊断是至关重要的。为了实现试剂的较快杂交或结合，已有人提出了多种流通结构。US5741647中描述的流通杂交基于引导反应分子流过多孔膜，目标寡核苷酸探针固定在所述多孔膜上。分子结合速率按数量级增加，因为分子的相互作用发生在三维体积空间，而不是传统的两维表面上。

使用交变流的流通单元公知于EP1419819中，以产生通过设在井眼中的基板的交变流，其中，在有利于样品中存在的任何分析物与结合物质之间的反应的条件下，样品流体的液体体积被强制从基板的上侧通过基板中的通道到达基板的下侧、且至少返回一次。

WO-A-03/005013公开了一种基于微阵列片的过滤装置。该微阵列片包括带电的纤维素脂的随机定向微孔过滤基板、和以微阵列的方式加装到基板的多个不同的特定分析物的捕获分子。在一些实施例中，该装置可在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。泡沫可干扰分析物的准确测量。

发明内容

本发明的目的是提供用于流通处理或分析或诊断的替代性或改进的器械，所述器械例如设置在生物反应器、传感器或传感器的部件、尤其是生物传感器的部件中；以及提供使用这种器械的方法。处理或分析或诊断可包括杂交或配体结合。本发明的装置和方法的优点在于，其可靠的分析或诊断使得更容易开发出合适的治疗方案，例如用于确诊疾病的治疗的药物的准备。例如，源自病原体(例如，细菌)的生物体(例如，人)的样品(例如，血液)中的检测可更有效地或准确地实施，从而可进行诊断和相应的治疗(例如，抗生素)。

令人惊奇地发现：在通向连接到上面具有固定探针的多孔膜的腔室的流体路径中包括至少一个附加多孔膜将减少或防止泡沫的形成。

根据第一方面，本发明提供了一种包括流动路径的流通装置，所述流通装置包括：

-第一腔室；

-第二腔室；

-位于所述第一腔室与第二腔室之间的多孔基板；以及

-流体流动致动器，所述流体流动致动器保证样品液体通过所述基板或经由所述基板周围的一个通道或多个通道沿着所述流动路径从所述第一腔室传送到所述第二腔室；

其中，至少一个多孔基板设在第一腔室和第二腔室之间，且至少一个附加多孔膜设在所述流动路径中。

所述装置可以是生物反应器或生物传感器的部件。这种空气截获膜或空气过滤器可有助于防止泡沫的形成和在随后的流动循环中阻止流动或干扰光学检测路径。

所述装置优选包括位于第一腔室和第二腔室之间的返回通道。多孔膜优选设在所述第二腔室与所述返回通道之间。这可防止在第一腔室(图1或2中的上腔室)中形成泡沫。

多孔膜应具有孔，所述孔小得足以使膜内的毛细压力高于用于传输流体所用的空气压力。多孔膜应是可湿润的，因此，当使用含水流体时，多孔膜优选是亲水的。这具有的优点在于，防止在含水、且通常含有洗涤剂的普通生物流体中产生泡沫。

所述装置可设置成使流体在第一腔室和第二腔室之间单向移动。单向流动使得流体流动致动器的实施更为简单。

所述装置优选适于使流体通过返回通道从所述第二腔室循环或再循环到所述第一腔室。这使得可更好地使用试剂，使得基板与样品液体之间具有较长的接触时间。

可选地，流体流动致动器适于双向流动，从而，使所述流体通过所述多孔基板从所述第一腔室移动到所述第二腔室、从所述第二腔室返回到所述第一腔室。双向流动不仅通过使多孔基板与样品液体之间具有更长的接触时间而可更好地使用试剂，而且提供了更好的混合。

试剂、分析物分子或探针可固定在多孔基板上或由多孔基板保持。固定/保持可使得随后例如通过荧光、磷光、化合光、电致发光等方法进行检测。对于DNA或RNA分析，基板优选能够共价或非共价地结合寡核苷酸。

本发明还可提供一种准备用于检测的样品液体中的分析物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)固定探针，所述探针能够将所述分析物特定地结合在多孔基板上，所述多孔基板定位在分析装置的第一腔室和第二腔室之间；

b)将含有所述分析物的所述样品液体沿着包括所述第一腔室和所述第二腔室的流动路径传输，从而使样品液体流动经过所述多孔基板；

c)可选地，使所述样品液体通过返回通道循环到所述第一腔室；

其中，多孔膜设在流动路径中，以便减少或防止由于所述传输在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。

本发明又可提供一种用于处理样品液体的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将第一试剂固定在多孔基板上，所述多孔基板定位在流通装置的第一腔室和第二腔室之间；

b)将含有第二试剂的所述样品液体沿着包括所述第一腔室和所述第二腔室的流动路径传输，从而使样品液体流动经过所述多孔基板；

c)可选地，使所述样品液体通过返回通道循环到所述第一腔室；

其中，多孔膜设在流动路径中，以便减少或防止由于所述传输在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。

任何附加特征可组合起来，且可与任何方面组合。对于本领域的普通技术人员来说，尤其是相对于其他现有技术的其他优点显而易见。在不脱离本发明的权利要求的情况下可做出多种变化或修改。因此，应当清楚地理解，本发明的形式仅是说明性，并不是用于限制本发明的范围。

附图说明

下面参看附图借助示例描述本发明是如何实施的，附图包括：

图1示出了根据本发明的一个实施例的流通装置，包括第一腔室2、第二腔室1、基板3、能够将流体从腔室2泵送通过基板到达腔室1的压力装置20、能够将流体从腔室1泵送通过基板到达腔室2的压力装置60、泵通道、返回通道6、和定位在腔室1的底部处的多孔膜5；

图2示出了图1的流通装置的另一实施例；

图3a-h示出了泵送循环的总视图，所述泵送循环可利用图1的流通装置、特别是在特殊实施例中提及到的其中仅具有压力装置20或压力装置60的流通装置实施本发明；

图4示出了根据本发明的另一实施例的流通装置，包括第一腔室2、第二腔室1、基板3、能够将液体从腔室2泵送通过基板到达腔室1的压力装置60、泵通道、返回通道6、和定位在腔室1的底部的多孔膜5。

具体实施方式

下面，参看某些附图针对特殊实施例描述本发明，但本发明并不局限于此，而是仅由权利要求限制。权利要求中的任何附图标记不应认为是限制范围的。

所述附图仅是示意性的和非限制性的。在附图中，为了说明目的，一些元件的尺寸可能被扩大，不是按比例绘制的。其中，在本说明书和权利要求中使用的术语“包括”并不排除其他元件或步骤。在当引用单数名词时所使用的不定冠词和定冠词、例如“一个”和“该”处，这也包括该名词的复数形式，除非特别强调以外。

而且，在说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于区别类似元件，而不是必然地用于描述顺序或次序。可以理解，在合适的情况下，所使用的术语是可互换的，且在此描述的本发明的实施例能够以与在此所述或所示的顺序不同的其他顺序操作。特别地，在说明书、实施例和权利要求中，术语“第一体积空间”或“第一腔室”和“第二体积空间”或“第二腔室”应认为是可互换的，即它们仅用于区别两个体积空间或腔室。例如，通过使装置上下颠倒，或通过将样品液体导入第二体积空间，或者通过其他任何方式，两个术语可互换。

此外，表述“流体连通”用于表示：流体(液体或气体)能够通过仅是向着表面或流入体积空间而接触该表面或体积空间(不通过基板)，如在连通容器中那样。不应限制成这些情况：实际中具有与表面接触或在体积空间中的流体。

另外，应当指出，第一和第二体积空间中的每一个体积空间可包括多个子体积空间，例如用于将样品液体引导到基板的具有不同结合物质的并行部分或一个以上的基板。从功能上讲，以及为了本文献的目的，这些子体积空间被看作是一个体积空间：第一体积空间或第二体积空间。

为了本发明的目的，表述“通道”不仅包括从一端到另一端的直壁路径，更通常地讲，包括在基板的一端和另一端之间供流体使用的任何物理路径。因此，这种通道还可包括任意的流体路径、例如弯曲或不规则的路径、分支、基板中的互连空隙的集合等。因此，基板可包括例如具有这种互连空隙的海绵状材料，而且还可包括在纤维之间具有众多流体路径的无纺布。

应当明确地指出，为了本发明的目的，表述“泵”包括主动泵和被动泵。在此，被动泵用于表示一种包括容积可变的封闭腔室等、例如具有柔性壁的泵体积空间的装置。在此，这种泵称作是被动的，因为它不是主动地建立压力，而是传递由另一个外部泵施加在其上的压力。主动泵能够依靠自身建立压差。换言之，在本发明的情况下，“泵”指具有用于改变部件的容积的可移动部件的封闭空间。

本发明涉及一种用于处理，例如分析，样品液体的流通装置。分析可以针对样品液体中的分析物的存在性或存在量进行。根据本发明的一个实施例的流通单元在图1中示意性地示出，该装置的实施例的一部分示于图2中。流通单元，例如图1或图2所示的流通单元，可以是例如成用于分子诊断的盒的形式的生物处理装置，例如生物反应器或传感器或检测器装置，的部件。该单元包括多孔基板3，所述多孔基板3具有第一表面12和相反的第二表面14，且基板3具有从第一表面至第二表面的多个贯穿通道。可选地，基板3可至少部分设有专用于分析物的结合物质。第一腔室2或第一体积空间与第一表面流体连通，第二腔室1或体积空间与第二表面流体连通，且压力装置例如加压流体或泵被提供，用于在第一腔室2和第二腔室1之间建立压差。例如，泵可以可操作地连接到第一腔室。

在本发明的一个实施例中，泵以附图标记20表示。返回通道6经由第一开口32和第二开口30连接第二腔室1和第一腔室2，且可借助于可选的返回通道阀24关闭。当仅具有泵20时，阀24被要求用于在第一腔室1中建立过压。阀24被打开，以释放压力，从而，流体从第二腔室1通过通道6移回第一腔室2。样品液体导入装置26可借助于入口阀28关闭。

在本发明的一个实施例中，泵20包括泵体积空间40和平衡体积空间42以及压力进入开口44，且可被柔性膜46分隔。

多孔基板3可以是现有技术中公知的任何合适类型的基板。例如，可使用无纺布、基于由玻璃或其他材料制成的精加工和蚀刻的空心纤维的基板、以及电化成形基板等。优选地，基板至少部分可透过辐射，优选是光辐射，例如紫外线、可见光或红外线。这提高了基板的检测可能性。

样品液体导入装置26已仅以非常示意性的方式被示为一种导入通道。原则上，可提供现有技术中公知的任何想得到的导入装置。样品液体导入装置26可借助于入口阀28关闭。注意，当入口阀28关闭时，图1的装置构成了完全封闭的系统，该系统包括腔室1、2和40。这大大降低了污染的危险。

根据本发明的实施例，流通单元可以如下方式操作。样品液体首先导入上腔室2。通过在腔室2中的液体上方施加流体压力，例如含有分析物，例如杂交缓冲剂中的多核苷酸，的样品液体被从上腔室2泵送通过多孔基板3到达第二下腔室1。化学或生物存在体例如探针(probe)、试剂或分析物分子通常被保持或固定在基板上。例如，在DNA检测的情况下，多孔基板3保持或固定捕获探针。泵送循环通过在腔室1和腔室2中的样品液体之间施加流体压差完成，所述流体压差促使流体进入腔室1，然后通过返回通道6将其泵送返回腔室2。腔室1和2之间的压差可通过使用两个加压腔室且交替正压以有效地驱动流体、或者通过使用一个腔室且交替采用正压和负压建立。在这两种情况下，在腔室1和2之间均产生压差，从而，促使液体在它们之间移动。在典型的应用例如DNA检测中，该泵送循环重复进行大约30次。由于多孔基板中的孔具有小尺寸(导致高的表面/体积比)、以及经过多次泵送循环使得目标分子和捕获探针之间的接触时间延长，目标分子的捕获效率(例如，在杂交实验中)非常高。

基板3包括贯穿通道，所述贯穿通道连接第一腔室2和第二腔室1。如果基板被湿润，它可呈现出高的气泡压力。在此，气泡压力与将气体泵送通过基板所需的基板两侧的压差相关。为此，基板中的流体必须抵抗基板中的孔的毛细作用移位。该气泡压力优选远大于样品液体泵送压力，所述样品液体泵送压力是使得液体可通过基板的压力。可用作基板3的许多基板具有几巴左右的气泡压力，而样品液体泵送压力在几十毫巴至几百毫巴左右，尽管其他值显然也是可能的。整个这依赖于基板3内的通道中的毛细压力等。应当指出，下面描述的用于本发明的装置原则上适合于具有高的气泡压力的基板3，如果需要，它们也可用于具有相当的液体泵送压力和气泡压力的基板。

这种高的气泡压力允许将聚集在基板3的一侧的样品液体泵送通过基板3到达基板的另一侧。在此，样品液体将离开基板。换言之，基板在另一侧与气体接触。因此，如果此时压力(压差)被颠倒，仅气体可能被泵送通过基板。然而，由于为此需要的压力的增大，这不会发生，第二腔室1中的压力将增大。换言之，基板3充当单向阀，使得样品液体可通过增大第二腔室1中的液体的压力上方的气体压力被泵送出第二腔室。

关于将液体和/或气体泵送通过基板3的上述描述特别适用于在使用时大致水平定位的基板3。当水平定位时，基板3可均匀地被湿润，且液体可或多或少地均匀通过基板3。这对检测一致性和准确性具有积极的影响。然而，基板3也可倾斜定位或甚至竖直定位，尽管这可能影响所述检测一致性。

在气泡压力和流体泵送压力差别不大的基板3的情况下，这不能正确地起作用，因为气体可相当容易地通过该基板。因此，作为一种选择，第一腔室和第二腔室中的至少一个腔室包括直接与基板接触的接触体积空间、储存体积空间、和位于接触体积空间和储存体积空间之间的阀。该选择使用可分隔的体积空间使得可使用所谓的气泡压力与用于将样品液体泵送通过基板的液体泵送压力相比相当低的基板。向着基板的第二或相反侧的体积空间被泵送通过基板的样品液体不会聚集在直接接触所述第二或相反侧的体积空间、即接触体积空间中，而是继续流过在此有时称作接触体积空间阀的阀，且将聚集在储存体积空间中。接触体积空间阀通过关闭储存体积空间而起着其他基板的高的气泡压力的作用。在此所述的其他实施例的其他所有功能此时也可应用于泵送压力与气泡压力差别不是非常大的基板。换言之，具有包括接触体积空间、储存体积空间和接触体积空间阀的第二体积空间的实施例对于基板的选择来说更为通用，然而，是以高的部件数目为代价的。

如上所述，基板在例如被样品液体湿润时具有高的气泡压力，基板可起着气障的作用，同时允许样品液体在此流过。通过在第一腔室2和第二腔室1之间提供介于气泡压力和样品液体泵送压力之间的压力(压差)，样品液体将被泵送通过基板，而气体仍被基板截获。因此，基板的固有性质是，它也可起着“空气截获膜”的作用。

有利地，气泡压力比所述样品液体泵送压力高至少10％、优选高至少50％、甚至更优选高至少200％。当气泡压力高至少10％时，可相当容易地建立介于样品液体泵送压力和气泡压力之间的合适压差，使得流体流动而气体不流动。而且，例如由于结合到基板的结合材料引起的气泡压力和泵送压力中的任一或两者的不是太关键的变化不会影响装置的正确功能。当气泡压力高至少50％时，不仅容易建立工作压差，而且压差可选择成使样品液体流动速率处于有用的范围内，因为较高的压差确保了高的流动速率。特别地，当气泡压力比样品液体泵送压力高至少200％时，可建立非常有用的样品液体流动。注意，气泡压力与样品液体泵送压力之间的其他相对差值也可产生有用的结果。

在上述讨论中，仅讨论了相对差值。可选地，也可选择基板，使得气泡压力与样品液体泵送压力之间的绝对差值尽可能高，或至少高所需的量。特别但非限制性地，对于被湿润的基板，气泡压力比样品液体泵送压力高至少100毫巴、优选至少1巴，这具有类似的如上所述的优点。此外，其他差值也可产生期望结果。

在特殊实施例中，装置包括环绕着第一腔室2和第二腔室1中的至少一个腔室的壁，所述壁至少部分透光。所述至少部分透光的壁使得可在不将基板从装置取下的情况下例如对结合到基板3上的光学可变探针等的DNA进行光学检测。当然，简单的视觉检查也可通过这种透光部分得到允许。

透光性希望至少包括：可透过可见光、和/或紫外和/或红外线辐射，尽管也可想像到透过其他类型的辐射。至少部分透光的壁可设置为壁材料本身、壁中的孔内的单独的透光部分(即窗)等。

在本发明的实施例中，装置还包括检测系统。检测系统的提供使得装置作为整体更为通用，且更容易地用于匹配检测特殊制品的分析装置。检测装置本身可包括透明窗，或相对于窗、壁中的孔等设置在可操作位置。

检测装置可包括任何合适的现有检测系统，例如光学检测系统，例如荧光检测。如果需要，分析装置和/或检测装置可包括为实现其功能例如检测结合到结合材料的分析物而需要的附加部件，例如光源、过滤器等。这些附加部件在分析装置仅是可选的。

装置可基于标记、长度、活动性、核苷酸序列、质量或它们的组合进行检测。在某些实施例中，装置可基于光学、电化学、磁原理检测。原则上，可使用现有技术中公知的任何合适的检测装置。

根据本发明的装置的实施例也可任选地包括用于收集从检测装置获得的数据的数据收集装置，或者也可任选地包括用于处理数据的数据处理装置。

为了允许导入样品液体，上述装置还可包括样品液体导入装置。该样品液体导入装置不应认为是对本发明的限制。例如，它可仅包括导入开口和/或导入通道，所述导入开口和/或导入通道优选具有关闭阀。在导入样品液体之后，所述阀可关闭，从而，提供了或至少可能提供了完全封闭的装置。样品液体导入装置的其他任何实施方式包括在本发明的范围内，例如可(大致)使样品液体无污染导入的那些导入装置。

可选地，本发明的装置被大致封闭。当然，在样品液体的导入过程中，与系统的另一部分或外部世界保持连接。然而，可想像出，根据本发明的装置可借助于装置上或中的封闭部件至少大致完全封闭。这可例如通过在所有可能通向周围环境的通道中设置阀实现。这种装置可在使例如由操作人员的外原DNA引起的污染危险较小的情况下提供分析。

特殊地，本发明可被实施为可大致封闭的盒，所述盒包括根据本发明的流通装置。这种盒优选是紧凑和便携式的，使得它可很容易地就地使用。它可优选包括其他任何所需装置，例如用于储存流体的装置、一个或多个泵等，所述泵例如为本申请所述的泵、或本领域普通技术人员知晓的其他泵。有利地，盒是一次性的，以便防止在再次使用这种盒时造成污染。然而，也可提供根据本发明的可重复使用的盒。

任选地，返回通道6可使样品液体流出到第一腔室和/或基板3相反侧的第二腔室。这例如允许最优地利用重力收集样品液体，且确保样品液体的有效泵送。如果环绕着第一腔室的壁和/或环绕着第二腔室的壁具有向着壁中的相应开口收缩的形状，该作用可得到更进一步提高，所述相应开口将相应腔室与返回通道连接，如图2中的下腔室所所示。因此，下部分或者第一或第二腔室可以是截头圆锥的形式。这降低了样品液体保留在第一或第二腔室中的危险。

然而，上述装置的缺点是，当流体被泵送，例如从腔室1被泵送返回到腔室2时，会形成泡沫。由于液体与用于泵送的流体、例如压缩空气的混合，可在返回通道6中形成泡沫。泡沫可完全充填两个腔室，且可传送到装置的其他部分，例如泵腔室，使得流体损失和效率降低，例如杂交效率降低。

由于液体与气体、例如在返回通道中用于施加压力的空气的混合，可形成泡沫。最后，泡沫可明显或完全充填一个或两个腔室，然后可传送到传感器或检测器装置的其他部分，例如传送到分子诊断盒的其他部分。基板上气泡的存在将影响试剂和/或分析物分子和/或探针之间的反应效率，这取决于这些物质中哪些物质提供在基板上，且基板上气泡的存在可妨碍用于检测被捕获的分子的光学路径。在流体重复循环通过装置的情况下，这在2-3次循环之后会导致所有流体损失，因此会根据哪一种物质在基板上阻止试剂和/或分析物分子和/或探针的反应或结合。

根据本发明，对流通装置进行了改进，解决泡沫形成的问题。可以是诸如生物反应器的生物处理装置或者传感器或检测器装置的部件且例如成图1和2示意性示出的分子诊断盒的形式的流通装置具有设在样品液体流动路径中的附加膜5，所述膜在此称作“空气截获膜”。根据本发明，通过使用作为能够抑制空气被强迫通过流体且能够捕获由流体流动产生的气泡的多孔膜的空气截获膜5，可在液体试剂或包含分析物分子或探针的液体沿着包括腔室1和2的流动路径移动、例如泵送时形成泡沫。膜对空气的截获通过限制或控制作用在流体上的压力、和/或通过确保孔的尺寸使得液体被允许流过膜而空气不能透入膜中的方式实现。优选地，膜被样品液体湿润的能力应该良好，使得在施加的压力下液体在膜内表面上保持为涂覆层。

在一些实施例中，空气截获膜优选设置在腔室1和/或2中的至少一个的出口处。相应地，在一个实施例中，空气截获膜5设置在第二腔室1的底部，在所述底部，样品液体退出到返回通道6或排出。然而，另外的空气截获膜可设在第一腔室2至第二腔室1的出口。在一个实施例中，该第二空气截获膜也可由多孔基板3提供。根据特殊实施例，装置中的流动为从一个腔室至另一个腔室例如从腔室2至腔室1的单向性的。流体任选地借助于连接腔室1和2的单独的返回通道6或多个通道循环到腔室2。当将流体从腔室2传输到腔室1时，流体经过或通过多孔基板3。沿着返回通道或多个通道的返回路径绕过基板3。在该结构形式中，空气截获膜5可设置在腔室1的出口处或附近、或腔室2的入口附近。例如，膜5可位于流体流动致动器例如泵与腔室1的出口或腔室2的入口之间。更具体地讲，流体流动致动器位于腔室1下方，空气截获膜5定位在腔室1的底部，如图2所示。

在本发明的情况下使用的空气截获膜5可由多孔材料构成，所述多孔材料是亲水的或疏水的，这取决于流过膜的样品液体是水基的还是有机溶液基的。所述膜应选择成使流体湿润膜的表面。在一个实施例中，膜5由不吸收本发明装置的腔室中使用的试剂的材料构成。在另一实施例中，空气截获膜5可包含多个部位，所述多个部位可吸收干扰捕获基板上的捕获过程的化合物。例如，未用于扩增的(标记)引物可被捕获，这降低了捕获基板3上的背景信号。可选地，可设置捕获探针，所述捕获探针去除未标记的扩增产物链。通常，例如当装置用于生物流体时，要通过膜5的样品液体是含水的。本发明的空气截获膜所用的合适材料的示例包括但不限于银金属、氧化铝、可选用尼龙加强的硝化纤维、聚醚砜膜、聚碳酸酯(PCTE)、PTFE、PVDF或聚酯。可选地，也可使用尼龙或混合纤维素酯。所述材料可被涂覆或表面处理，以改变它们的湿润性能。可改变聚合物的表面性能的处理的一个示例是电晕放电或等离子放电，这可增大表面的亲水性。其他表面处理包括涂层、例如亲水涂层。多孔膜的示例示于名称为“Porous hydrophilic membranes(多孔亲水膜)”的EP申请1239000中，该申请涉及亲水多孔膜和用于制备它们的方法。所述膜具有高的透水性，易于被水湿润，且在湿润状态下，它们显现出比非湿润状态下低很多的透气性。

本发明的空气截获膜的孔的尺寸应小得足以使膜内的毛细压力大于在用于泵送的系统中使用的空气压力。根据特殊实施例，对于大约1巴的泵送压力，孔的尺寸为1微米。孔的尺寸也应选择成使试剂和/或分析物分子和/或探针可通过膜。不受理论限制地，对于具有平行圆柱形孔的一些多孔基板，哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)定律可用于指导选择所需的孔的尺寸(指导选择所需的泵送压)：

ΔP＝128μLQ/(πD⁴N)

其中，ΔP：压力(下降)；μ：粘度；L：孔长度(即，基板厚度)；Q：体积流量；D：孔直径；N：孔的数目。因此，压力与直径E(-4)成比例。

上述公式描述了为达到通过膜的某种流量Q(L/s)所需的压差。同时毛细压力(气泡压力)描述如下：

$P_c=\frac{2\mathrm{\γ}}{r}\cos \mathrm{\θ}$

其中，γ是界面张力(水-空气界面是72达因/cm)，r是孔尺寸，θ是弯月面与孔的壁之间的角度。对于1微米孔和45度的角度来说，水-空气界面的毛细压力是3.5巴。

在本发明中，也可使用具有由微粒形成的任意孔或多孔介质的多孔基板。在后一情况下，不受理论限制地，对于一些这种基板，压力(下降)与孔直径的立方成比例，这可用于指导选择所需孔的尺寸。

由于空气截获膜内的高的毛细压力，因此仅流体被从腔室2泵送到腔室1，而空气不能透入膜。这使得流通单元无泡沫操作。

本发明的装置包括流体流动致动器，例如用于将流体从腔室2泵送通过基板3到达腔室1的装置。用于传输的装置可包括泵或开关，用于变换向着腔室1和/或2的流体的加压流。可选地，例如通过真空泵或文氏管可在腔室的出口产生负压。真空也能够使液体产生泡沫，然后由本发明的方法和材料抑制。

根据本发明的可选实施例，本发明的装置设有流体流动致动器，例如泵或开关/阀组合，用于变换流体的加压流，这可确保流体在两个腔室之间来回双向运动。

根据该实施例，与其他实施例一样，基板3以使它还起着空气截获膜的方式操作。

根据该实施例，装置根据何种物质被提供在基板上可确保试剂和/或分析物分子和/或探针的接触的增加，以进一步增大灵敏度。为了获得双向流动，可使用两个流体流动致动器、以及控制器，其中每个方向使用一个流体流动致动器，且所述控制器用于控制在任何一时刻使用哪个致动器。

将参看用于配有作为泵20的一个压力装置的流通装置的图3a-3h，更详细地描述图1所示的装置的使用。应当指出，第一腔室2和第二腔室1之间的压差可借助于泵20、以及返回通道阀24的关闭和/或打开建立和/释放。初始时，样品液体导入第一腔室2(图3a和b)。然后，样品液体通过增大第一腔室2中的压力被泵送通过基板3到达第二腔室1(图3c-e)。为此，泵20可例如通过将加压气体经由压力进入开口44导入平衡体积空间42而沿着泵体积空间40的方向移动柔性膜46(图3d)。在此，返回通道阀24以及入口阀28被关闭。在第一腔室2中的压力增大的影响下，样品可向着第二腔室1流过基板3。

当期望量的样品液体已被泵送通过基板3时，压力被释放(图3e)。为了将样品液体从第二腔室1泵送返回到第一腔室2中，返回通道阀24被打开，第一腔室2中的压力例如通过使平衡体积空间42排气降低，使平衡体积空间42排气将使柔性膜46移动成使泵体积空间40增大(图3f)。聚集在第二腔室1的底部、靠近第二开口30处的任何液体将通过空气截获膜5和返回通道6被泵送到第一腔室2。这通过第二腔室1中的压力实现，所述第二腔室1中的压力已通过增加的样品液体增大，注意气体不可通过基板3。如果该压力增大不足以将样品液体泵送返回到第一腔室2，在打开返回通道阀24之前，所述第一腔室中的压力可通过使泵20的泵动作颠倒被降低。然后，返回通道阀24关闭，循环可重复进行(图3g和h)。应当指出，基板3和空气截获膜在该第一循环之后保持湿润，即它们均获得了作为单向阀和/或泡沫抑制器的全部功能。

可以指出，泵20可包括可移动部件，在此成柔性且大致气密的膜46的形式，其可主动地改变泵体积空间40的容积，因此，可主动地改变第一腔室2中的压力。可选地，泵20也可经由压力进入开口44连接到单独的泵装置(未示出)。在这种情况下，柔性膜或可移动部件通常可以是被动部件。

在可选实施例中，图3a-h的泵送循环也可利用附加泵60执行，所述附加泵60具有附加泵体积空间62和附加平衡体积空间64，它们由附加柔性膜66分隔。设置附加泵60提供了以下优势：在第一腔室2和第二腔室1中，压力可彼此独立地增大或降低。起始点还是样品液体经由样品液体导入装置26、入口阀28、返回通道6的一部分和第一开口32导入第一腔室2(图3a和b)。注意，可提供不与返回通道6组合的单独的导入通道。

样品液体准备被泵送通过基板3。样品液体导入阀28和返回通道阀24关闭。注意，柔性膜46可已向平衡体积空间42移动，以使当导入样品液体时从第一腔室2逐出的气体量容纳在泵体积空间40中(图3b)。

在入口阀28和返回通道阀24关闭时，通过泵20和附加泵60的组合动作在第一腔室2和第二腔室1之间建立压差，使得样品液体向着第二腔室1流过基板3。

为了建立压差，可借助于泵20增大第一腔室2中的压力(图3d)。在此，柔性膜46沿着箭头的方向移动。可选或另外地，可借助于附加泵60降低第二腔室1中的压力。在此，附加柔性膜66沿着所示的方向移动(图3d)。当然，也可增大两个腔室中的压力，但第一腔室2中的压力大于第二腔室1中的压力，或以类似的方式降低压力。

如果足够的样品液体例如所有的样品液体已被泵送通过基板3到达第二腔室1，压差例如通过打开返回通道阀24、或通过释放泵20和/或泵60中的压力被释放(图3e)。

为了将样品液体从第二腔室1泵送通过空气截获膜5到达第一腔室2，返回通道阀24打开，同时建立相反的压差。例如，泵20在第一腔室2上施加的压力比由附加泵60施加的第二腔室1中的压力低(图3f)。这例如可通过沿所示的方向移动柔性膜46和66建立。为此，泵20和附加泵60的相应的平衡体积空间可被相应地加压。可选地，泵20和60的可移动部件可自己移动，以主动建立压力。

样品液体将从第二腔室1流过空气截获膜5、返回通道6和返回通道阀24到达第一腔室2。如果期望量的样品液体例如所有的样品液体已被泵送到第一腔室2，压差被释放，且返回通道阀24关闭(图3g)。分析装置此时准备重复该循环(图3h)。

在又一实施例中，图3a-h的泵送循环也可利用为泵60的一个压力装置、和为入口阀28的一个阀执行，如图4的流通装置中所示。将参看用于配有为泵60的一个压力装置和为入口阀28的一个阀的图3a-3h，更详细地描述图4所示装置的使用。

应当指出，在不存在图1的返回通道阀24的情况下，第一腔室2和第二腔室1之间的压差可借助于泵60建立和/或释放。由于基板3和空气截获膜5起着单项阀的作用，因此，在该特殊实施例中，不需要具有图1的返回通道阀24，但其的存在会便于在实验开始时将样品液体导入第一腔室2。因此，图1的返回通道阀24可任选地包括在该特殊实施例中。

初始时，样品液体导入第一腔室2(图3a和3b)。然后，样品液体通过降低第二腔室1中的压力被泵送通过基板到达第二腔室1(图3c-e)。为此，泵60可例如通过使泵60的泵动作颠倒或通过真空泵或文氏管沿泵体积空间64的方向移动柔性膜66(图3d)。在此，入口阀28被关闭。在第二腔室1中的压力下降的影响下，样品将从第一腔室2向第二腔室1流过基板3。

当期望量的样品液体已被泵送通过基板3时，压力被释放(图3e)。然后，聚集在第二腔室1的底部、靠近第二开口30处的任何液体被泵送通过空气截获膜5和返回通道6到达第一腔室2(图3f)。为此，泵60可例如通过将加压气体经由压力进入开口68导入平衡体积空间64而沿着泵体积空间62的方向移动柔性膜66(图3f)，注意气体不可通过基板3，也不能通过空气截获膜5。然后，可重复该循环(图3g和3h)。应当指出，基板3和空气截获膜在该第一循环之后保持湿润，即它们获得了充气当单向阀和/或泡沫抑制器的全部功能。

应当指出，泵60可包括可移动部件，在此成柔性且大致气密的膜66的形式，其可主动地改变泵体积空间62的容积，因此可主动改变第二腔室1中的压力。可选地，泵60可经由压力进入开口68连接到单独的泵装置(未示出)。在这种情况下，柔性膜或可移动部件通常可以是被动部件。

在又一可选实施例中，图3的泵送循环可这样被执行，其中，流体可首先被泵送到下腔室1。在该实施例中，流体流动的顺序以以下图的顺序描述：3a、3e、3f、3g、3h、3b、3c和3d。

在具有用于膜5的膜材料的情况下对本发明进行了实验检验，这通常用于将PCR扩增产物(液体中有许多不同的扩增产物)特定地结合到基板上的特定位置的杂交。该构造可用于基因分型、多态现象检测、基因表达分析、免疫测定等，但也可使用其他许多种多孔材料。

本发明的装置适用于处理或分析流体样品。例如，第一试剂可以是由基板保持或固定在基板上的分析物或酶，第二试剂提供在流体中，例如用于酶或分析物的底物。本发明此时用作生物传感器或反应器，例如生物反应器。

可选地，本发明的装置适合于一种或多种分析物的检测、识别或量化。在该实施例中，分析物被想像为是任何复合物，例如但不限于DNA、RNA、多肽蛋白质或化合物。在本发明的装置中，分析物的检测、识别和/或量化通过使用一个或多个特定探针得以确保，其中，待检测或识别的分析物或探针由可渗透基板保持或固定在可渗透基板上，且相应的探针或分析物被泵送通过可渗透基板。由可渗透基板保持或固定在可渗透基板上的待检测或识别的分析物或探针可由定位分子(spacer molecule)保持。分析物可以以隔离或半隔离的方式或作为样品的组分被识别和/或量化(例如，生物样品、食物样品、环境样品等)。

任选地，在分析物是DNA的情况下(例如在细菌或病菌DNA的检测中)，在由特定探针检测之前，分析物例如由PCR扩增，以进一步增大检测的灵敏度。这种扩增装置可与本发明的装置一起使用或并入到本发明的装置中，在这种情况下，扩增产物直接被泵送到腔室1和/或腔室2，用于泵送通过或经过基板。

在本发明的情况下使用的特定探针的特性由待识别和/或量化的分析物决定，且可例如为但不限于核酸探针(RNA、DNA、PNA)、其抗体或其片断，或能够特定地结合到分析物例如受体、半抗原或配体的蛋白质或肽。相应地，检测所基于的基板上的相互作用可包括但不限于杂交、抗体-抗原结合、蛋白质-蛋白质相互作用、配体-受体相互作用等。

任选地，探针可被标记，以允许例如通过视觉方法(例如，荧光、可见光颜色)或其他措施(例如，磁场、放射性)对基板上的探针进行直接检测。可选地，可想像到，分析物与探针结合的检测借助于能够专门检测特定地结合到基板上的分析物或探针(例如第二抗体)的标记试剂被视觉化和/或量化。检测可通过使用任何合适的检测器、例如设置在读取器中的诸如显微镜的光学检测器、图像检测器或图像检测器阵列CDD或CMOS照相机进行。照明通过任何合适的光源(例如，LED、OLED或激光器或灯)实施。激励和发射滤光器可用于施加正确的波长和从光源中去除背景光线。所有这些构件设置在读取装置中。光线从单元的顶部进入(腔室2中)，发射(或反射)的光线从同一侧检测。

本发明的装置使得流体与固定在多孔基板上或由多孔基板保持的试剂相互作用。特别地，本发明的装置使得一种或多种分析物与一种或多种探针相互作用，借此，分析物或探针由基板保持或固定在基板上。反应的非固定组分被提供在流体中，所述流体被泵送通过基板。流体的特性由分析物-探针相互作用的特性决定。用于确保和/或促进杂交反应或蛋白质-蛋白质相互作用的合适流体对于本领域普通技术人员来说是公知的，且可包括溶剂，例如水、盐、洗涤剂、促进剂和缓冲成分。对于杂交反应，通常使用术语“杂交缓冲剂”，对于蛋白质-蛋白质相互作用，所称的是“孵化缓冲剂”。

根据本发明，一种或多种探针或分析物由可渗透基板保持或固定在可渗透基板上，其中，根据特殊实施例，基板是膜。更特殊地，膜是这种材料的，该材料例如但不限于尼龙、硅、硝化纤维或PVDF。这些膜可任选地是交联的，用于小分子、例如DNA探针的共价结合。可选地，也可使用其他材料，例如，金属氧化物膜、更特殊地，是氧化铝膜。可选地，基板设有通道，如WO95/11755中所公开的那样。在WO95/11755中公开了三种类型的基板。第一种类型的基板包括大量空心玻璃纤维。第二种类型通过晶体硅晶片的电化学蚀刻产生。第三种类型通过无机基板的核径迹蚀刻产生。

分析物或探针的固定可任选地以允许采用多元技术的阵列方式设置。

探针或分析物的固定可通过非共价吸附或共价结合到基板上实现。定位分子可用于将探针或分析物附连在基板上。固定也可通过将探针或分析物保持在两个膜之间实现，所述膜分别可选择为不能被探针或分析物透过。在后一情况下，探针或分析物由膜保持。

根据本发明的装置中可使用的化验可包括通过杂交、免疫测定、受体/配体化验等序列化操作。

根据本发明的装置可用于对生物样本(例如，血液、粪便、尿液、唾液)、食物样品、废水、饮用水等中的一种或众多种分析物进行分析。

可以理解，尽管对于本发明不是关键的，但根据本发明的装置可以以两种方式操作。通常，一种或多种探针固定在腔室1和腔室2之间的基板上，且包含一种或多种分析物的流体从上腔室被泵送通过基板到达腔室2，然后，任选地，它借助于返回通道循环到腔室1，或者可选地，被泵送经过基板返回腔室1。可选地，分析物以被纯化的形式或作为样品的一部分固定在腔室1和腔室2之间的基板上，且含有一种或多种探针的试剂从腔室1被泵送越过基板到达腔室2。

此外，可以理解，本发明的装置还包括另外的通道、以及用于将试剂和/或流体导入装置的腔室中或排出腔室的入口和出口。例如，源自PCR模块的样品液体进入根据本发明的实施例描述的单元中的腔室1或2。任选地，另外的杂交物添加到和(在被冲洗经过PCR模块之后，从而包含残留的PCR样品液体)导入腔室1或2。在执行了多次循环之后，样品液体任选地从系统移除(即，被泵送到外部腔室)。任选地，洗涤溶液导入(腔室1或2中)，且也循环经过装置。可以在任何循环步骤执行检测(在洗涤之前或之后)。

重要的还可能是，样品液体的温度被控制，例如被加热。这可通过外部加热器实施。温度可在某时刻例如在x循环之后升高，以增大化验(例如，尤其用于杂交化验)的严格度和记录结合目标的熔化曲线。最优选地，该温度斜升在洗涤循环中实施。

Claims (13)

1.一种包括流动路径的流通装置，包括：

-第一腔室；

-第二腔室；

-位于所述第一腔室与第二腔室之间的多孔基板；以及

-流体流动致动器，所述流体流动致动器保证样品液体通过所述基板或经由所述基板周围的一个通道或多个通道沿着所述流动路径从所述第一腔室传送到所述第二腔室；

其中，至少一个多孔基板设在第一腔室和第二腔室之间，且至少一个附加多孔膜设在所述流动路径中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它包括位于第一腔室与第二腔室之间的返回通道，且至少一个多孔膜设在位于第二腔室与第一腔室之间的返回通道中。

3.如权利要求1至2中任一所述的装置，其特征在于，多孔膜是亲水的。

4.如前面权利要求中任一所述的装置，其特征在于，所述样品液体在第一腔室和第二腔室之间单向移动。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，流体流动致动器适于双向流动，从而使所述样品液体从所述第二腔室移动通过所述多孔基板返回所述第一腔室。

6.如前面权利要求中任一所述的装置，其特征在于，另一多孔膜设在所述第一腔室的入口处或入口的邻近处，以减少或防止在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。

7.如前面权利要求中任一所述的装置，其特征在于，试剂、分析物分子或探针固定在多孔基板上或由多孔基板保持。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多孔基板能够共价或非共价地结合寡核苷酸。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，多孔膜具有可吸收干扰多孔基板上的试剂、分析物分子或探针的化合物的部位。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述部位适于捕获未在扩增处理步骤中使用的引物。

11.一种生物传感器，包括前面权利要求中任一所述的装置。

12.一种准备用于检测的样品液体中的分析物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)固定探针，所述探针能够将所述分析物特定地结合在多孔基板上，所述多孔基板定位在分析装置的第一腔室和第二腔室之间；

b)将含有所述分析物的所述样品液体沿着包括所述第一腔室和所述第二腔室的流动路径传输，从而使样品液体流动经过所述多孔基板；

c)可选地，使所述样品液体通过返回通道循环到所述第一腔室；

其特征在于，多孔膜设在流动路径中，以减少或防止由于所述传输在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。

13.一种用于处理样品液体的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将第一试剂固定在多孔基板上，所述多孔基板定位在流通装置的第一腔室和第二腔室之间；

b)将含有第二试剂的所述样品液体沿着包括所述第一腔室和所述第二腔室的流动路径传输，从而使样品液体流动经过所述多孔基板；

c)可选地，使所述样品液体通过返回通道循环到所述第一腔室；

其特征在于，多孔膜设在流动路径中，以减少或防止由于所述传输在腔室或通道中的任何一个中形成泡沫。

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