CN104540589A - 用于制备样品微流体系统、盒和的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于制备包含所关心的分析物的样品的微流体系统。微流体系统包括微流体盒和磁性元件。微流体盒包括多个储存器、止动器、多个微流体流通道和多个微型阀。微流体通道与储存器和止动器联接。微型阀沿着微流体流通道定位。磁性元件相对于止动器定位。磁性元件构造为产生磁场，以磁性地使所关心的分析物停止在止动器中。止动器构造为使一种或更多种试剂流动穿过其以与所关心的分析物反应。

Description

用于制备样品微流体系统、盒和的方法
关于联邦政府资助的研究与开发的声明
本发明是通过政府支持在由海军研究实验室授予的合同号N00173-08-2-C003下完成的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明的实施例大体涉及微流体系统、盒(cartridge)和方法，并且更具体地涉及用于自动地制备样品的微流体系统、盒和方法。
背景技术
通常要求在装载入用于分析的分析仪器中之前制备包含所关心的分析物的样品。例如，流动细胞计是分析单独的细胞或微粒的有力分析仪器，其用于从细胞分析跨越至分子和基因组分析的广泛范围的应用。需要在装载入流动细胞计之前利用专用于特定应用的样品制备程序来制备细胞或微粒。多个商业上可获得的流动细胞计是昂贵、大型的台式仪器，其在样品装载之前要求细致的手工样品制备。手动样品制备通常要求高度熟练人员耗费长时间并且高成本地执行，并且其要求额外的实验室设备和资源。样品制备和操作中的一些自动化已通过大规模机器人系统实现。但是，这些机器人增加了系统尺寸、成本和复杂性，从而使得它们不适于定点照护(point-of-care)应用。
希望提供一种系统、盒和方法，其可集成到如流动细胞计的分析仪器中，以提供快速且自动的样品制备。此外，还希望提供一种基于微流体的系统，其紧凑、不昂贵、并且适于在定点照护时使用。
发明内容
根据在本文中公开的一个实施例，提供看一种用于制备包含所关心的分析物的样品的微流体系统。该微流体系统包括微流体盒和磁性元件。微流体盒包括多个储存器、止动器、多个微流体流通道和多个微型阀。微流体通道与储存器和止动器联接。微型阀沿着微流体流通道定位。磁性元件相对于止动器定位。磁性元件构造为产生磁场，以磁性地使所关心的分析物停止在止动器中。止动器构造为使一种或更多种试剂流动穿过其以与所关心的分析物反应。
根据在本文中公开的另一实施例，提供一种用于制备包含所关心的分析物的样品的微流体盒。微流体盒包括多个储存器、止动器、多个微流体流通道和多个微型阀。止动器构造为使用磁场来使初始样品停止。微流体流通道与储存器和止动器联接，并且构造为使来自储存器中的一个或更多个的一种或更多种试剂行进穿过止动器，以形成制备好的样品。微型阀沿着微流体流通道定位，以用于控制一种或更多种试剂的流。
根据在本文中公开的另一实施例，提供一种用于在微流体盒中自动地制备样品的方法。该方法包括将初始样品引入止动器中。该方法还包括通过磁场使初始样品停止在止动器中。并且，该方法还包括穿过止动器引入来自一个或更多个试剂储存器的一种或更多种试剂，以在一种或更多种试剂流动穿过止动器时与初始样品反应以形成制备好的样品。该方法还包括通过从止动器移除磁场来将制备好的样品释放到下游分析部分中。
附图说明
在参照附图阅读下列详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，贯穿附图，相同字符的代表相同的部分，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的微流体盒的样品制备部分的顶视图；
图2是根据本发明的一个实施例的微流体系统的透视图；
图3是图2的微流体仪器的磁性元件的实施例的透视图；
图4是根据本发明的一个实施例的微流体盒的示意图；且
图5是根据本发明的一个实施例使用微流体仪器制备样品的方法的示意流程图；
图6是根据本发明的另一实施例使用微流体仪器制备样品的方法的示意流程图。
具体实施方式
除非另外限定，则在本文中使用的技术和科学术语具有与本公开属于的领域的技术人员通常所理解的相同含义。在本文中使用的用语“第一”、“第二”等不指示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分。而且，用语“一”和“一个”不指示数量的限制，而是指示存在至少一个引用的项目。“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用在本文中指的是包含此后列出的项目及其等同物以及附加项目。尽管用语“连接的”和“联接的”通常用于描述物理或机械连接或联接，但它们不意图如此受限，并且可包括电连接或联接，不管是直接还是间接的。而且，术语“连接的”和“联接的”可意指共同允许载流流体或液体在其中流动的物理或机械连接或联接。
图1例示了根据示范实施例的微流体盒的样品制备部分10的顶视图。样品制备部分10包括：多个储存器11a-11d；止动器18；多个微流体流通道15a-15e，其将储存器11a-11d与止动器18联接；和多个微型阀17a-17e，其沿着微流体流通道15a-15e定位，以便控制流通道内的流体流。如在本文中所使用的，用语“沿着”意图指“在…的路线上方”或“邻近于…”，并且不一定要求将微型阀定位在流通道中。例如，尽管微型阀可位于流通道中，但是它们还可定位在相关的流通道的平面的上方或下方，使得当压力施加至微型阀或从微型阀移除时，微型阀关闭或打开通道。储存器11a-11d可代表：一个或更多个样品储存器，其构造为储存待处理的初始样品；和一个或更多个试剂储存器，其构造为储存用于处理初始样品的试剂。初始样品和试剂可完全储存在微流体盒内，或者初始样品和/或一种或更多种试剂可与微流体盒分开地储存，并且在样品制备工序期间从外部源引入。初始样品和试剂可借助于进入端口从外部源引入微流体盒的样品制备部分10中，该进入端口例如与储存器(11a-11d)、流通道(15a-15e)、或微型阀(17a-17e)联接或对准。储存在微流体盒(例如，在储存器中)中的试剂可以以液体形式或干燥形式储存。储存在盒上的干燥试剂具有长时间稳定、易于储存且易于使用的优点。干燥试剂可使用例如水而重新溶解或重新构成。初始样品可包括一种或更多种背景基质和在背景基质中存在的一种或更多种所关心的分析物。例如，背景基质可为血液、洗鼻液、其他体液或环境基质。所关心的分析物可为各种分类的有机物，例如细菌、病毒、细胞或蛋白质或核酸。
在一个实施例中，作为样品制备工序的部分，与初始样品结合地使用适于俘获所关心的分析物的磁性微粒。在一个实施例中，磁性微粒功能化为使得所关心的分析物通过磁性微粒上的功能化表面而结合至磁性微粒，功能化表面提供特异性或非特异性的结合部分。在一个实施例中，磁性微粒包括功能化磁性珠，该磁性珠具有例如大约1～10μm的尺寸。磁性微粒可与初始样品预混合或一起储存，或者磁性微粒和初始样品可分开储存并且仅在样品制备工序期间结合。在初始样品和磁性微粒储存在一起的实施例中，它们可储存在微流体盒上的样品储存器中，或者储存在与微流体盒分离的容器中，并且作为样品制备工序的部分注入微流体盒中。在备选实施例中，磁性微粒和初始样品可彼此隔离地储存，并且仅在样品制备工序期间混合。在该情况下，初始样品和/或磁性微粒可储存在微流体盒上或远离该微流体盒。在一个实施例中，磁性微粒可在与所关心的分析物反应之前装载入或储存在试剂储存器中。出于说明的目的，储存器11b-11d将描述为代表试剂储存器，而储存器11a将描述为代表样品储存器。然而，实际上，初始样品和试剂可储存于不同的储存器中，并且可使用更多或更少数量的储存器。储存器可储存一种或更多种类型的试剂，例如缓冲剂和各种标记剂。
微流体流通道15a-15e包括主通道15e和多个分支通道15a-15d。主通道15e与止动器18联接，并且分支通道15a-15d中的各个分别将储存器11a-11d中的各个联接至主通道15e，使得储存器11a-11d与止动器18流体地连通。如在本文中所使用的，用语“通道”用于指流体路径。在一些实施例中，通道可代表连续的流体路径，而在其他实施例中，通道可代表不连续的流体路径。不连续的流体路径可包括一个或更多个特征或突出，该特征或突出与微型阀功能配合地阻塞或允许流体流。微型阀17a-17d分别定位于各相应的储存器11a-11d和主通道15e之间的分支通道15a-15d中的各个内或附近，来控制从储存器11a-11d进入主通道15e中的试剂和样品的流。此外，微型阀17e在止动器18附近定位在主通道15e的端部处，来控制进入止动器18中的材料的流。在一个实施例中，微型阀17a-17e代表微流体构件，其各自可由流体控制器(未显示)独立地控制。在一个实施例中，流体控制器包括一个或更多个计算机控制的泵，来气动地控制微型阀17a-17c。泵经由小管(未显示)连接至微型阀17a-17c中的各个，这些小管定位为远离微流体盒。压力和真空由泵通过管施加至微型阀17a-17e，以便控制微型阀17a-17e。在一个实施例中，微型阀17a-17c最初是关闭的并且随后每次一个地受到促动，使得初始样品和试剂可顺序地注入止动器18中。
图2根据示范实施例示出了微流体系统30的透视图。微流体系统30包括微流体盒20，微流体盒20包括图1的样品制备部分10以及可移除的磁性元件19，以产生磁场。参照图1和2，磁性元件19可相对于止动器18定位为使得在磁性微粒行进穿过止动器18时，产生的磁场可与磁性微粒磁性地联接并使磁性微粒停止在截留区域184中。在一个实施例中，磁性元件19可定位为邻近微流体盒20和从其移除，以分别与磁性微粒磁性地联接和分离。磁性元件19可手动地定位或可以编程方式通过例如促动器而定位。在一个实施例中，磁性元件19包括分布的磁性点源或微磁体的阵列，它们中的各个产生磁场。止动器18包括入口182、出口183、入口182与出口183之间的截留区域184、和多个分支流导管185。入口182与主通道15c连接，且出口183与微流体盒20的下游分析部分22连接。微型阀17g设置于出口183与分析部分22之间。微型阀17g也最初是关闭的并且代表由流体控制器(未显示)控制的微流体构件。分支流导管185将入口182与截留区域184联接，并将截留区域184与出口183联接。初始样品和试剂沿着分支流导管185行进到截留区域184中。在一个实施例中，联接至入口182的分支流导管185作用，以遍及止动器18均匀地分布磁性微粒来防止凝集。在一个实施例中，联接至入口182的分支流导管185设计为与磁性元件19的定位相关地均匀地分布磁性微粒。例如，在磁性元件19包括微磁体阵列的实施例中，分支流导管185可设计为围绕微磁体均匀地分布磁性微粒的流，从而在停止期间促进更大的磁性微粒分离。在一个实施例中，形成磁性微粒的单层散布。此外，排出通道187与止动器18的出口183联接，以从截留区域184排出试剂。在一个实施例中，微型阀17f设置在排出通道187内以控制试剂的流。微型阀17f也最初是关闭的并且代表由流体控制器(未显示)控制的微流体构件。在一个实施例中，试剂通过分支流导管185均匀地且顺序地流入截留区域184中，并且在所关心的分析物和磁性微粒的上方/周围行进穿过截留区域184，以与所关心的分析物反应，并且然后使试剂流出排出通道187以废弃。
图3例示了磁性元件19的一个实施例的透视图。磁性元件19构造为在截留区域184上方产生磁场，并且可以可移除地定位在止动器18附近。磁性元件19包括基座191和组装在基座191中的微磁体193的阵列。基座191可由塑料或其他非磁性材料制成，例如可光致固化的树脂、聚合体、铜和铝，而微磁体193可由磁性材料制成，例如稀土金属材料。在例示出的实施例中，微磁体193中的各个为细圆柱体、轴向地极化的磁体，具有大约1毫米的直径和大约3mm的长度。而且，任意两个相邻的微磁体193之间的间隔可为大约300μm，但还可取决于例如应用和磁性微粒尺寸而改变。在例示出的实施例中，微磁体193布置成六边形点阵，以在磁性微粒沿直线行进穿过止动器18时提供有效的截留。但是，在其他实施例中，微磁体193的各相邻排可彼此对准。在一个实施例中，微磁体193的公共极(common pole)在阵列内对准，使得跨过微磁体193产生场梯度，以便在磁性元件19放置在微流体盒20附近时在截留区域184中提供均匀的磁性微粒散布。微磁体193足够密集地布置，以允许截留区域184由产生的磁场充分覆盖。
图4例示出了微流体盒20的一个实施例。微流体盒20包括样品制备部分10和分析部分22。当磁性元件19位于微流体盒20附近时，样品制备部分10包括储存器11a-11d、微流体流通道15a-15e、微型阀17a-17g和止动器18。样品制备部分10构造为处理初始样品来获得用于下游分析的制备好的样品。分析部分22与止动器18联接，使得使制备好的样品释放并且流动穿过样品制备部分10的出口183而进入分析部分22中。在这样做时，制备好的样品行进穿过分析部分22的探询区域221，以由分析检测仪器(未显示)使用光学、电气器件或其他器件来检测。在例示出的实施例中，样品制备部分10和分析部分22集成到单个微流体盒20中。在某些实施例中，样品制备部分10和分析部分22集成到分离的微流体盒10中，微流体盒10彼此连接，以允许流体从样品制备部分10移动至分析部分22。在一个实施例中，分析部分代表微流体流动细胞计。
图5是根据示范实施例使用微流体系统30制备样品的方法的示意流程图。在步骤51中，与磁性剂(例如磁性微粒)一起培养初始样品来获得磁性样品。初始样品的所关心的分析物由磁性微粒通过在磁性微粒的表面上功能化的配位体或俘获部分(capture moiety)俘获。在步骤52中，将磁性样品装载入样品储存器11a中。在步骤53中，控制微型阀17e和17a打开，并将磁性样品引入截留区域184中。磁性样品通过磁场磁性地停止并且在截留区域184中具有均匀的散布。
在步骤54中，将试剂从试剂储存器11b-11d顺序地引入截留区域184中。在一个实施例中，控制微型阀17f打开并且促动微型阀17b-17d以顺序地打开，使得储存试剂从试剂储存器11b-11d顺序地引入截留区域184中。如之前所提到的，试剂最初可以以液体形式或干燥形式储存并且然后重新构成为流体形式。液化的试剂顺序地流动穿过并与停止在截留区域184中的磁性样品反应，以产生制备好的样品，同时过量的试剂流出排出通道187。控制微型阀17f以在最初的试剂流出排出通道187之前打开，并且控制微型阀17f以在最后的试剂流出排放通道187之后关闭。在特定实施例中，控制微型阀17b和17e打开，并且第一试剂(例如缓冲剂)从试剂储存器11b流出并且穿过截留区域184，且然后流出排出通道187。接着，控制微型阀17c打开，并且第二试剂(例如示踪剂抗体)流动穿过截留区域184来与样品反应，并且流出排出通道187。最终，控制微型阀17d打开，并且第三试剂(例如荧光标记)流动穿过截留区域184以与样品反应，且然后流出排出通道187，从而得到制备好的样品。在某些实施例中，可引入其他类型的试剂以与初始样品反应，例如可引入一种类型的标记剂，以确定所关心的分析物的量。在一个实施例中，来自初始样品的一定量的液体和试剂残留在储存器11a-11d中，以便防止空气流入样品制备部分10中。在步骤55中，一旦已将初始样品在截留区域184中处理成制备好的样品，那么控制微型阀17f关闭，控制微型阀17g打开，并且然后释放制备好的样品，并使其通过出口183流入分析部分22中。在一个实施例中，通过移除由磁性元件19产生的磁场来释放制备好的样品。在一个实施例中，通过远离止动器18物理地移动磁性元件19来移除磁场。但是，在其他实施例中，可使用机械促动器或电磁体。
使用流过反应的此种动态样品制备工序允许连续且恒定浓度的流动试剂与停止的样品反应。与室中的常规、手动静态培养相比，这导致一定持续时间内的更均匀和有效的试剂-样品相互反应，从而导致更短的反应时间。此外，在涉及一种或更多种试剂与样品反应或培养的典型手动样品制备工序中，培养之间的清洗步骤是必须的，以移除任何非特异性受限的药剂，以降低背景噪声。但是，流过反应(例如在本文中所描述的)允许免清洗工序，因为持续流动的试剂扫除由之前的反应步骤导致的非特异性结合的药剂。而且，在此种流过反应中，与手动静态培养相比，之前的试剂更有可能通过进入的试剂而完全移除，在手动静态培养中，试剂的添加或移除在室或其他容器中发生，从而致使之前的试剂的完全移除是困难的。
图6是根据另一实施例用于使用微流体系统30制备样品的方法的示意流程图。在步骤61中，将初始样品装载入样品储存器(例如11a)中，并且将磁性微粒储存在附加试剂储存器(例如储存器11b-11d)中。在步骤62中，磁性微粒被引入截留区域184中，并且通过由磁性元件19产生的磁场而停止在截留区域184中。根据一个实施例，将磁性微粒气动地泵出试剂储存器并泵入截留区域184中。在步骤63中，初始样品流入截留区域184中，并且由磁性微粒通过例如在磁性微粒的表面上功能化的配位体或俘获部分俘获。步骤64与在图5中例示的步骤54相似。在步骤64中，试剂顺序地流入截留区域184中以与初始样品反应，并流出排出通道187。在步骤65中，则使制备好的样品从截留区域184释放并流入分析部分22中。
虽然在本文中已经示出并描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此应当理解的是，所附权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有此种修改和改变。

Claims (21)

1. 一种用于制备包含所关心的分析物的样品的微流体系统，包括：
微流体盒，其包括：
    多个储存器；
    止动器；
    多个微流体流通道，其与所述多个储存器和所述止动器联接；和
    多个微型阀，其沿着所述多个微流体流通道定位；和
磁性元件，其相对于所述止动器定位，所述磁性元件构造为产生磁场，以磁性地使所述所关心的分析物停止在所述止动器中，所述止动器构造为使一种或更多种试剂流动穿过其，以与所述所关心的分析物反应。
2. 根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述磁性元件包括微磁体的阵列。
3. 根据权利要求2所述的微流体系统，其特征在于，所述微磁体布置成六边形点阵。
4. 根据权利要求2所述的微流体系统，其特征在于，所述微磁体的各相邻排彼此对准。
5. 根据权利要求2所述的微流体系统，其特征在于，所述微磁体的公共极在所述阵列内对准。
6. 根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述磁性元件可移除地定位在所述止动器附近。
7. 根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述止动器包括入口、出口、所述入口与所述出口之间的截留区域、和多个分支流导管，所述分支流导管将所述入口与所述截留区域联接，并将所述截留区域与所述出口联接。
8. 根据权利要求7所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体盒还包括分析器，所述分析器联接至所述止动器的出口，以接收所述所关心的分析物并使其流到探询区域以用于分析。
9. 根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述分析器为流动细胞计。
10. 根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体盒还包括排出通道，所述排出通道与所述止动器的出口联接，所述排出通道构造为使所述一种或更多种试剂流出其，以远离所述分析器进行废弃。
11. 一种用于制备包含所关心的分析物的样品的微流体盒，所述微流体盒包括：
多个储存器；
止动器，其构造为利用磁场使样品停止；
多个微流体流通道，其与所述多个储存器和所述止动器联接，所述多个微流体流通道构造为使一种或更多种试剂从所述多个储存器中的一个或更多个行进穿过所述止动器，以形成制备好的样品；和
多个微型阀，其沿着所述多个微流体流通道定位，以用于控制所述一种或更多种试剂的流。
12. 根据权利要求11所述的微流体盒，其特征在于，所述止动器包括入口、出口、所述入口与所述出口之间的截留区域、和多个分支流导管，所述分支流导管将所述入口与所述截留区域联接，并且将所述截留区域与所述出口联接。
13. 根据权利要求12所述的微流体盒，其特征在于，还包括分析部分，所述分析部分联接至所述止动器的出口，以接收所述制备好的样品并使其流入探询区域中以用于分析。
14. 根据权利要求13所述的微流体盒，其特征在于，分析器是流动细胞计。
15. 根据权利要求13所述的微流体盒，其特征在于，还包括排出通道，所述排出通道联接至所述止动器的出口，所述排出通道构造为使所述一种或更多种试剂流出其，以远离所述分析器进行废弃。
16. 一种用于在微流体盒中自动地制备样品的方法，所述方法包括：
将初始样品引入止动器中；
使所述初始样品停止在所述止动器中；
穿过所述止动器引入来自一个或更多个试剂储存器的一种或更多种试剂，以在所述一种或更多种试剂流动穿过所述止动器时与所述初始样品反应，以形成制备好的样品；
通过从所述止动器移除所述磁场来将所述制备好的样品释放到下游分析部分中。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：在将各试剂引入所述止动器中之后且在将随后的试剂引入所述止动器中之前，使过量的所述一种或更多种试剂通过排出通道流出所述止动器以废弃。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括与多个磁性微粒一起培养所述初始样品，并且将所述初始样品和磁性微粒一起引入所述止动器中。
19. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述初始样品引入所述止动器中包括：
将多个磁性微粒引入所述止动器中，通过所述磁场使所述多个磁性微粒停止在其中；和
将所述初始样品引入所述止动器中，所述初始样品由所述磁性微粒俘获。
20. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在将所述初始样品引入所述止动器中之后，所述样品的一定量的液体残留在样品储存器中，并且在穿过所述止动器引入所述一种或更多种试剂之后，所述一种或更多种试剂的一定量的液体残留在所述一个或更多个试剂储存器中。
21. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，穿过所述止动器顺序地引入所述一种或更多种试剂。
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